JP2001518174A - 双安定渦を有する換気フード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 換気フード（７８）を介しての空気の流れが、サッシ（１８）の移動に拘らずに、換気フードの渦室内に双安定渦を発生させることによって最適化される。双安定換気フードはフードサッシ開口部を介しての煙霧を担持する空気の逆流を最小とさせるために捕獲面速度を最適化させる。この双安定渦換気フードは渦圧力制御システムを使用して、フードにおけるバッフルの上部、中間及び底部スロット開口(３２，３４，３６)の位置を調節する。このバッフルは、サッシが完全に開放している場合に、該面から双安定渦を離させ、且つサッシが閉じられる場合に、作業表面近くにおいてクリアリング作用を発生させる。エアロフォイル（７６）が換気フード室内に配置されており且つ該エアロフォイルはマルチエントリパターンを有しており、その内の一つは渦をフードの作業表面から上方へ離す方向へ回転させる。他のものはフードの作業表面を洗う流れを形成する。渦室の内部部分は、動的損失を減少させ且つ双安定渦の安定性を増加させるために回転羽根（６５）を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 双安定渦を有する換気フード 発明の詳細な説明 本願は１９９７年１月２２日に出願した仮出願第６０／０３５，９９７号の優 先権を主張するものである。 本発明は、蒸気を閉じ込め且つその拡散を防止するための換気包囲体に関する ものであって、その様な包囲体は一般的に換気フードとして知られているもので あり、更に詳細には、内部へのアクセスを可能とさせるために開放可能な換気フ ードに関するものであって、その開放動作はフード外部へ煙霧を不本意に逃避さ せる場合がある。 最初の換気フードは錬金術師によって使用されていた暖炉であった。これらの 初期の換気フードは非常に高い煙突を有するものであった。煙突高さ、火によっ て発生される熱勾配、及び外側の風の状況の吸引効果がかなりの通風を形成して いた。通風を増加させるために、初期の通気技術者等（１８００年代中頃）は、 一層大きな熱的リフトを達成するために煙突内にガス燃焼リングを付加していた 。産業革命期間中に、ガスリングは機械的送風機に道を譲った。研究室がより良 く定義されるようになったのはほぼこの時期であった。蝶番付き扉の代わりに前 部 サッシを付加し且つサッシ窓の下側にエアロフォイルを付加させるなどの変革が 起こった。１９４０年代後半において、後部バッフルシステム及び流線型形状入 口部が全ての換気フードへ導入された。上述した構成の換気フードを図１に示し てあり「従来技術」と付記してある。 寸法的には、これらの従来の換気フードは、通常の扉を介して運び込むことが 可能であり、且つ９乃至１０フィートの天井に起因する高さ制限と共に３０イン チ幅と３６インチ高さのベンチ上に配置することが可能であるように寸法設定さ れていた。寸法的には、今日製造されるフードは５０年前に製造されたものと事 実上全く同じ寸法のものである。 換気フード性能は、常に、煙可視化テストに基づくものであって、その場合に は、フードの内側でその作業表面上に発煙筒を載置させ、煙がサッシ面から外に 出ることが見えない限り、そのフードは適切に動作するものと考える。推奨面速 度（サッシ開口、即ち「面」を介してフード内へ流れる空気の速度）は１００フ ィート／分（ＦＰＭ）と１５０ＦＰＭとの間である。何年もの間、換気フードの ユーザは、面速度が高ければ高いほど、フードの閉じ込めが一層良好であると感 じていた。高い面速度は空気バイパスフード（概略図２に示してある）の導入と 共に１９６０年代後期に人気を無くし始めており、該空 気バイパスフードはサッシが閉じられた場合にサッシの上方に空気を導入するも のであった。次いで、１９８０年代半ばにおいて、換気フードの性能及びそれが 作業者を保護する能力を測定するために性能トレーサガス解析テストが開発され た。このテストは、初めて、ｐｐｍの単位で実際の溢流率を数値化することを可 能とし、それにより異なる動作条件下においてどのようにフードが性能を発揮す るかを示すものであった。 このトレーサガス性能テストが作られた主な理由の内の一つは、１９８０年代 において劇的に増加したコストが高い加熱換気及び冷却コストを減少させるため の努力において、エネルギを節約するために空調投入空気体積を減少させるため のサッシ窓開放動作と共に換気フード排気体積が減少されていることである。排 気体積は、排気弁をサッシの開閉動作と同期させる開ループによるか、又は差圧 を測定し且つサーボ排気弁を制御する閉ループシステムを使用することのいずれ かによって減少された。これらの手法は全て、一定の面速度がサッシ窓が操作さ れる場合に適切な閉じ込めを与えるものとの一般的に支持されている考え方に基 づくものである。この仮定は必ずしも正しいものではない。何故ならば、それは 何が最適な面速度であるかということ、従って逆流を防止するためにフードを介 しての最適な空気 の流れ、に対処するものではないからである。本出願人の内の一出願人は、図３ に示した換気フード用の渦制御システムを開発し且つ改良しており、それは１９ ９７年１２月１６日にロバートエイチ．モリスに対して発行された米国特許第５ ，６９７，８３８号の要旨であり、それを引用によって本明細書へ取り込む。ロ バートエイチ．モリスによって行われたトレーサガス研究は、排気空気流体積を 減少させることによってエネルギを節約することが可能であるが、可変体積固定 面速度制御技術を使用することによって換気フードを本来的により安全なものと させるものではないことを示した。これらのトレーサガステストは、換気フード 面速度は、換気フードの内部渦、及び例えば室内空気分布、供給空気温度、換気 フード内の散乱物、及び研究室内の換気フードの位置などの動作変数によって影 響を受けるものであることを示した。該第５，６９７，８３８号の渦制御システ ムは、フードの扉口を介して煙霧を担持する空気の逆流を最大とさせるフードの 渦室内に安定な渦を与えるために空気流を動的に制御することによって換気フー ドを介しての空気の流れを最適化させる。渦室側壁に配設されている高感度の圧 力センサが乱流を表す渦圧力における微妙な変動を検知し且つ変換器を介してア ナログ制御器へ信号を送り、該アナログ制御器は比例的インターバル及び適応性 利得アルゴリズムを使用してアクチュエータへの出力信号を形成し、該アクチュ エータはフードシステム内のダンパーを調節して渦室内への空気の流れを変化さ せる。 本発明は、換気フード室内の渦は他の環境変化によって極めて容易に影響され るという、換気フードのバッフルにおけるスロットを操作していたときに成され た発見に基づいている。渦室の上部部分における流れ条件を図４に示してあり、 それはフードの室領域の概略図である。渦室の上部領域内における表面上におい て渦バブルが発生することが示されている。その渦は、渦室区域内の後部バッフ ル表面に沿っての層流制御用噴流によって制御される。この層流ジェット噴流は 持続する圧力差を発生させ且つそれを取り囲む空気のいくらかを取り込む。壁側 部上の取り込まれた空気は壁に対してトラップされ、一方面速度からの大気が反 対側からの取り込まれた空気を置換させる。その結果は、壁から離れた側部上に おいては大気圧であり且つ噴流と壁との間はより低い圧力となる。この圧力差は 噴流を変形させ且つ該より低い圧力の領域内に単安定な渦バブルを形成する。図 ５はこの単安定な渦を示した換気フードの概略図である。 従って、従来の換気フードにおける渦は単安定のものであると思われる。制御 用の空気ジェット噴流 が層流状態にとどまる限り、その渦は壁の上に静止状態にとどまる。しかしなが ら、例えば室内の圧力変動や、交差通風や、換気フード負荷や、供給補給空気の 熱的温度変化等の環境条件に起因して層流のジェット噴流が乱されると、渦バブ ルは充填され且つ圧力勾配が失われる。単安定な渦は無秩序なものとなり且つ破 壊される。渦バブルの喪失は、換気フード閉じ込めの故障の前兆である。ジェッ ト噴流が再度層流状態となる迄、単安定な渦はそれ自身を回復することは不可能 である。 本発明は双安定な渦フードを具備する換気フードを提供している。本明細書に おいて使用する「双安定な渦」という用語は、サッシが開いているか又は閉じて いるかに拘らずに安定であるフードにおける渦のことを意味するものとして使用 されている。双安定渦はバッフル配列によって与えられる。双安定渦バブルは単 安定渦バブルと同じ壁表面上に発生されるが、より一層対称的な形状によって特 性付けられ且つそれを乱させ且つ渦を破壊させるためには対向するジェット噴流 を必要とする。 本発明は主要な特徴として双安定渦バブルを換気フードにおいて使用すること を有するものである。 本発明の別の特徴は、換気フードのサッシ窓の水力半径比に関連した水力半径 比を有する渦室を具備する改良した換気フードを提供することである。 本発明の更なる特徴は、自動的に位置調節可能なバッフルと、渦室回転羽根と 、換気フードにおいて双安定渦を形成する場合に共同するマルチ３エントリエア ロフォイル（翼）とを具備する換気フードを提供することである。 本発明は、以下の説明と共に且つその内の幾つかについては既に言及しており 且つ以下に簡単に説明する図面に関連して検討した場合に、以下の詳細な説明か ら一層明らかなものとなる。 図１は、標準的な従来の換気フードを正面図で示した概略図である。 図２は、従来のバイパス換気フードの図１と同様の図である。 図３は、上に引用によって取り込んだ米国特許第５，６９７，８３８号の発明 に基づく渦制御システムを具備する換気フードの図１と同様の図である。 図４は、渦室の上部領域及びその中の流れによって形成された渦バブルを示し た換気フードの上部部分の概略図である。 図５は、渦室内の単安定渦を有する流れパターンを示した図１と同様の図であ る。 図６は、全て本発明に基づく、双安定渦を有する換気フード及び特にその面速 度及び渦室の概略教育的図である。 図７は、双安定渦換気フード及び双安定渦を与え るその構成要素を示した概略図である。 図８は、図７に示した換気フードであってサッシを包含する正面部分及びその 動作ハードウエアの斜視図である。 図９ａ及び９ｂは、夫々、図８における９−９を包含する水平面に沿って取っ たものであり且つサッシ支柱の空気力学的形状に対する別の実施例を示した一部 断面図である。 図１０は、回転羽根として使用した空気力学的形状のサッシハンドルを示した 図８における１０−１０線を包含する垂直面に沿って取った一部断面図である。 図１を参照すると，従来の換気フード１０は床１５を具備する作業空間１４を 閉じ込めている包囲体１２と、作業空間１４のほぼ上方にあるヘッドスペース１ ６と、その上部及び底部エッジに沿ってシール２０を具備する垂直に摺動可能な サッシ窓又は扉１８と、サッシ１８用の底部停止体を画定しているエアロフォイ ル２２と、サッシ１８が閉じられている場合に補給空気２６を流入させる床掃引 エントリ２４とを有している。サッシ１８が開いていると、空気２７はサッシ開 口２９を介して包囲体１２内に引き込まれる。包囲体１２内には、包囲体１２の 後部壁３０から離隔されてプリナム３１を形成するためにバッフル２８が設けら れており、プリナム３１ へ空気を導入させるために上部、中間、底部横方向スロット３２，３４，３６を 具備している。プリナム３１は排気ファン（不図示）へ通づる排気ダクト３８と 連通している。 図２を参照すると、従来の換気フードの別の実施例４０は、サッシ１８を夫々 開放又は閉塞した場合のサッシ開口部２８の面積の増加又は減少と面積が等しい 空気バイパスポート４２を開放することによってフード排気部に対して基本的に 一定の空気の流れを与える。バイパスバッフル４４は、グリル４８を介してヘッ ドスペース１６へ流入する二次的補給空気４６の速度を調節するために可変的に 開放又は閉塞させることが可能である。 図３乃至５を参照すると，換気フード５０は引用によって取り込んだ米国特許 第５，６９７，８３８号の発明に基づく単安定渦制御システムを有している。渦 室５４を包含するヘッドスペース１６の側壁を介しての開口内に装着されている 渦センサ５２が、渦室とフード５０の外部との間の圧力差を継続的に測定し且つ 制御器５６をしてダンパ５８及び６０の位置を変化させ、それは、センサ５２に よって測定中の圧力差における最小変化によって表されるように安定な渦５２が 得られるまで、スロット３２及び３６の開放面積を夫々制御する。該引用文献に 記載されているように、このシステムは、サッシが開放 又は閉塞される場合にサッシ開口部２９を変化させる間に作業空間１４内への空 気の層流流れを維持することが可能である。 図６を参照すると，典型的なサッシ高さ及び直線的長さの換気フード６４が示 されている。これらの寸法は，勿論、ユーザの必要性に依存して変化するもので ある。フード渦６２は本発明に従って双安定なものとされている。双安定渦は、 作業室１４上方の渦室５４において必要とされる水力半径比に対する開放サッシ ２９窓面積の水力半径に対する以下の関係を使用して（以下の式１）維持される 。これらの関係は、(ａ)渦室の水力半径は開放サッシ窓の水力半径の約８０％と 約９０％との間であり、且つ（ｂ）渦室の垂直成分（高さ）はサッシ窓開口部の 最大高さの約８０％と約８５％との間である、というものである。水力半径比関 係式（以下の式１）を使用することによって、フードの最適深さは、式２を使用 して、各及び全ての換気フードサッシ開口部に対して決定することが可能である 。 水力半径比＝水力半径渦室／水力半径開放サッシ （式１） 尚、ａ＝開放窓面積、ｐ＝開放窓周囲長 これらの寸法及び開放面面積に対する関係は換気 フード包囲体内に双安定渦を発生させるために必要なエンベロープを与える。図 ７に示した回転羽根６５は有用な付加物となる場合があり、且つその角度αは約 ３０°と約４５°との間とすべきである。該回転羽根は渦室寸法の高さの約半分 とすることが可能である。これらの渦室との関係は本発明の特徴である。 換気フードは、サッシ１８が完全に開放状態にあり且つ渦室５４がその最小状 態にある場合に、環境変化に対して最も敏感である。図３に示した自動渦制御シ ステムは渦を検知し且つ上述した如くに後部バッフルシステムを位置調節して装 置負荷及び空間圧力、交差通風、フード前方の活動などにおける変動を補償する 。本発明に基づく双安定渦バッフルシステムは、更に、夫々、上部及び下部のイ ンターロック又は蝶番型の動作可能なバッフル６６及び６８を有しており、それ らは、図７に示したように、従来の構成における固定型のバッフル２８を置換し ている。バッフル６６及び６８は、各々、水平軸周りに回動可能であり、バッフ ル６８の上端部７０はバッフル６６の下端部にキー結合され且つスレーブ即ち従 動され、中間スロット３４がそれらの間に形成されている。上部スロット３２は バッフル６６の上部に形成されており、且つ底部スロット３６はバッフル６８の 底端部７２に形成されている。アクチュ エータ７４がバッフル６６を回転させるべく動作可能に配設されており、且つス レーブ延長バッフル６８によって、それらの軸周りに輪郭方向に回転させて三つ のスロットの寸法及び作業室１４及び渦室５４の幾何学的形状を同時的に変化さ せる。 動作について説明すると、サッシ１８が下降されると、閉ループ渦制御システ ムがアクチュエータ７４を付勢してバッフル６６を時計回りに回転させ、そのこ とは上部スロットを閉塞する傾向となり且つそうすることによって中央スロット をサッシへ向かって片持ち梁動作させ、それにより作業室１４内においてクリア リング作用を誘発させる。この特徴は極めて重要である。何故ならば、単安定フ ードにおいては、作業室は煙霧で充填される場合があり、そのことは、サッシが 上昇された場合に、回収し且つオペレータへ向かって溢流させる傾向となる。バ ッフルシステムの作用は、又、それが作業表面に沿って回転するので、双安定渦 バブルをサッシ窓から更に移動させる(単安定位置である図５における渦６２の 位置と双安定位置である図６とを比較すると良い)。このクリアリング作用はサ ッシ開口部下側のエアロフォイル７６を介してフード内への空気の層流流れによ って向上される。好適には、エアロフォイル７６はサッシ開口部の直ぐ内側の作 業室の床に装着されており且つマルチプル（３個）のスロット形 態を有しており、上部及び中央のスロット７６ａ及び７６ｂは空気を中央バッフ ルスロット３４へ指向させ且つ３番目のスロット７６ｃは、図７に示したように 、下部バッフルスロット３６に向かって作業室の床に沿って空気を指向させる。 ある適用例においては、特に極端に単安定の渦換気フードにおいては、渦セン サ及び渦制御システムの関与無しで開ループ制御用のフードを構成することが可 能であり、その場合に、動作可能なバッフルの作用及び位置は、ポテンシオメー タなどの公知の電気的手段又はプーリ、ギア等の公知の機械的手段によってサッ シの位置及び運動に対して試行錯誤により同期させることが可能である。このそ れほど洗練されていない開ループ制御方法は、例えば、完全に閉じたループ制御 システムよりもより低コストで既存の従来のフードに対して改良したフード性能 を提供することが可能である。 本発明に基づくフードの好適実施例においては、図７及び８に示したフード組 立体７８は、従来の作業室１４とヘッドスペース１６とを有しているが、更に、 新たに構成したフードか又は既存のフードをレトロフィットした形のいずれかで 、線８０に沿って従来のフード包囲体１２の前部に取付けることの可能な付加的 な前方フード部分７９を有している。この様な態様で換気フードを構成すること によって、 迅速且つ容易な組立てを現場において行うことが可能である。組立体７８をベン チに装着したフードとして示してあるが、より大型の床に据え付けたウオークイ ン型即ち立って入れる大きさの実施例も本発明の範囲内のものである。フード組 立体７８の利点は、ベンチ８２の端部８１の実質的に前方へ延在しており、エア ロフォイル７６をサッシ開口部２９の下端部後方で且つフードの底部内に位置さ せることを可能としている、という点である。前方部分７９は、付加的な作業空 間１４ａ及びヘッドスペース１６ａを有しており、これらの室を一層深いものと させており、そのことは式１と一貫した幾何学的関係を改善することを可能とし ている。着脱可能な部分７９は、双安定渦換気フードを、通常標準的な戸口を介 して適合させることが可能であるか又は容易に研究室のベンチ上に配置させるこ とが可能な寸法に制限されるものではないことを可能とさせている。従来の単安 定渦フードよりも一層大きなものであるように現場において組み立てることの可 能な換気フードは本発明の更に別の特徴である。 効率的で溢流のないフードの構成及び動作における重要な目的は、フードの全 ての領域において層流の空気流れを最大とさせ且つ乱流を最小とさせることであ る。図９ａ、９ｂ及び１０は、サッシ開放動作に関連する所望の層流流れ促進特 徴を示している。 図９ａにおいて、左側フード支柱８４はサッシ開口部２９への入口に対して湾 曲させた角部８６を有しており、且つサッシチャンネル８８の直ぐ外側に設けら れており、離隔されたエアロフォイル羽根９０が支柱８４にボルト止めしたスペ ーサ９２上に装着されて、該羽根と支柱との間に開放端型のプリナム９３を形成 している。羽根９０は好適にはサッシ開口部２９の高さ全体にわたって延在して いる。実際上は、右側フード支柱に対しても鏡像関係で羽根が据え付けられてい る。 図９ｂは図９ａの形態に対する別の実施例を示しており、その場合には角部８ ６は穿孔又はスロットが設けられていて、空気が通過することを可能としており 、且つサッシチャンネル８８はフランジ８９で空気プリナム９３を形成すべく再 構成されている。 図１０は空気力学的ハンドル９４を示しており、それは、好適には、サッシ１ ８の底部の幅全体に延在しており且つサッシが完全に閉じられていない場合にサ ッシの下端部を横断しての層流の空気の流れを与え、且つサッシが完全に閉塞さ れている場合には、エアロフォイルの上部スロットに対する空気力学的表面を与 える。 以上の説明から、改良された換気フードが提供されていることが明らかであり 、その場合に、動作可能であり関節型のバッフル及び渦制御システムが双 安定であるヘッドスペース渦を与える。本発明に基づくここに記載した換気フー ドの変形例及び修正例は疑い無く当業者に対して示唆している。従って、前述し た説明は例示的なものであって制限的な意図でとらえるべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (71)出願人 モリス，ロバート エイチ. アメリカ合衆国，ニュージャージー 02885，ワートン，イースト シャウニー トレイル 30 (72)発明者 デルカ，ロバート エイ. アメリカ合衆国，ニューヨーク 11772, パッチョク，グローブ アベニュー 475 (72)発明者 モリス，ロバート エイチ. アメリカ合衆国，ニュージャージー 02885，ワートン，イースト シャウニー トレイル 30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．その前部側に沿ってのサッシ開口部において動作可能な可動サッシを具 備する室を有する換気フードにおいて、前記室内において関節運動可能なバッフ ル、前記室内において前記バッフルシステムへ向けて空気の流れを指向付けるエ アロフォイル、前記室内に双安定渦を維持するために前記関節運動可能なバッフ ルを移動させる手段、を有している換気フード。 ２．請求項１において、前記移動させる手段が渦検知システムを有している フード。 ３．請求項１において、前記移動させる手段が前記サッシ開口部における前 記サッシの移動と前記関節運動可能なバッフルの移動とを同期させる手段を有し ているフード。 ４．請求項１において、前記関節運動可能なバッフルが上部及び下部バッフ ルを有しており、前記バッフルがそれらの間にスロットを画定するために関節動 作可能に連結されているフード。 ５．請求項４において、前記エアロフォイルが前記室の底部部分に配設され ているフード。 ６．請求項５において、前記エアロフォイルが前記関節運動可能な連結部へ 向けて空気を指向させるための上部スロットと中間スロットと前記室の床に沿っ て空気を指向させる第３スロットとを包含す る３個のマルチスロットを有しているフード。 ７．請求項１において、前記フードは分離可能な前部部分と後部部分とを具 備しており、前記前部部分は前記サッシとそれを動作させる手段とを包含してい るフード。