JP2001329994A

JP2001329994A - 多翼遠心送風機の羽根車

Info

Publication number: JP2001329994A
Application number: JP2000149730A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Fujita; 泰範藤田; Masaaki Kawahashi; 正昭川橋
Original assignee: Zexel Valeo Climate Control Corp
Current assignee: Valeo Thermal Systems Japan Corp
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】騒音の低減と効率の向上を図るようにした多
翼遠心送風機の羽根車を提供する。【解決手段】回転軸に固装されるボス部と、このボス
部から連接されるコーン部と、回転軸の軸方向に立設さ
れると共にコーン部の外周縁の円周方向に沿って設けら
れた複数の前向き羽根７とを具備し、吸込口より流入さ
れた空気を前記コーン部に沿って羽根７へ導き、羽根と
羽根との間を通過させる羽根車において、羽根７の翼前
縁部７ａを、コーン部の傾斜角を考慮して決定した流入
角β１に一致させ、羽根７の翼後縁部７ｂを、滑り率を
考慮して決定された流出角β２に一致させる。羽根７
は、翼前縁部７ａから翼後縁部７ｂにかけて翼厚を徐々
に薄く形成し、これら羽根７の負圧面及び正圧面を、楕
円の一部を成す曲線と円弧との組み合わせて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、車載用空調装置な
どに用いられる多翼遠心送風機の羽根車の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】車載用空調装置の送風機として多用され
ている多翼遠心送風機は、車室内の快適性、静粛性の向
上から、更なる大風量化、騒音の低減（低騒音化）、効
率の向上が求められている。このため、送風機の性能向
上を図るうえにおいて、羽根車の果たす役割は大きく、
翼間を通過する空気の流れを考慮した羽根形状の設計が
重要になってくる。

【０００３】通常、羽根車は、回転軸に固装されるボス
部と、このボス部から連接されるコーン部と、回転軸の
軸方向に立設されると共にコーン部の外周縁に円周方向
に沿って設けられた複数の前向き羽根とを具備するもの
であり、このような羽根車に用いられる羽根は、主とし
て図６に示されるような円弧翼で構成されるものが多
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな円弧翼にあっては、羽根Ａの曲率半径、又は、反り
と羽根の取付角α（ここでは、翼列線に対して垂直とな
る線と翼弦との角度とする）とによって、羽根Ａの流入
角β１、及び、流出角β２が決まってしまう。このた
め、取付角αを、図７（ａ）、（ｂ）のように、α１か
らα２に変えた場合には、流入角β１と流出角β２とが
共に変わってしまうこととなる。流出角β２は羽根車の
基本特性にかかわるものであるため、通常、この流出角
β２で取付け角度を決定することから、流入角β１が実
際の流れに必ずしも一致しなくなり、流れに剥離が生じ
て騒音の発生や性能の低下を招いてしまう不都合があ
る。

【０００５】また、多翼遠心送風機の羽根車は、図８
（ａ）に示されるように、回転軸に固装されたボス部Ｂ
から連接されたコーン部Ｃを有し、その外周縁に設けら
れた羽根と羽根との間を空気が通過する構成となってお
り、実際の空気はコーン部Ｃに沿って斜めに流れて羽根
間に流入するものであるが、従来の羽根車の設計にあっ
ては、同図の矢印で示されるように、羽根車の羽根Ａに
対して垂直に空気が流れるモデル、即ち、図８（ｂ）に
も示されるように、羽根Ａの翼前縁部から翼後縁部にか
けて羽根車の回転軸に対して垂直に空気が流れるモデル
を想定し、図９に示されるような流入断面積Ｓと流入速
度Ｖとを考慮して流入角β１を設定するようにしてい
た。このため、設計上の流入角と実際に要求される流入
角とが一致せず、流入空気と羽根の翼前縁部との衝突や
羽根の負圧面での剥離によって騒音や流入損失が増大す
る不都合があった。

【０００６】さらに、流出角β２の設計は、羽根車の基
本特性にかかわることから、慎重な設計が行われるもの
であるが、実際の羽根車にあっては、図６の破線の矢印
で示されるように、羽根Ａの出口側において少なからず
滑りが生じることが確認されており、このような滑りに
よって設定通りの圧力ヘッドを確保することができなく
なる不都合があった。

【０００７】そこで、この発明においては、上述した数
々の点を改善した羽根形状を構築し、騒音の低減と効率
の向上を図るようにした多翼遠心送風機の羽根車を提供
することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、この発明に係る多翼遠心送風機の羽根車は、回転軸
に固装されるボス部と、このボス部から連接されるコー
ン部と、前記回転軸の軸方向に立設されると共に前記コ
ーン部の外周縁の円周方向に沿って設けられた複数の前
向き羽根とを具備し、吸込口より流入された空気を前記
コーン部に沿って前記羽根へ導き、羽根と羽根との間を
通過させる多翼遠心送風機の羽根車において、前記羽根
の翼前縁部を、前記羽根車の内径と、前記羽根車の内周
速度と、前記吸込口から前記コーン部に沿って流れる空
気の流速と、前記コーン部の傾斜角とを少なくとも考慮
して決定された流入角に一致させ、前記羽根の翼後縁部
を、前記羽根車の外径と、前記羽根車の外周速度と、前
記羽根から流出する空気の流速と、滑り率とを少なくと
も考慮して決定された流出角に一致させるようにしたこ
とを特徴としている（請求項１）。

【０００９】したがって、羽根の流入角は、羽根車のコ
ーン部の傾斜角、即ち、コーン部に沿って流れて羽根間
に流入する実際の空気流の方向が考慮されて決定される
こととなるので、羽根に流入する空気の実際の流れに即
した最適な流入角が得られようになり、また、流出角に
おいても、滑り率を考慮して決定されるので、流出する
空気の実際の流れに即した最適な流出角を設定すること
ができるようになる。

【００１０】ここで、羽根車の羽根は、翼前縁部から翼
後縁部にかけて翼厚を徐々に薄く形成するようにしても
よく（請求項２）、このような構成とすることで、羽根
と羽根との空気通路を羽根車の内側から外側に向かうに
つれて大きくすることができ、羽根の表面を流れる空気
の流れを整えることができる。

【００１１】また、上述した羽根車の羽根、即ち、コー
ン部に沿って流れる空気流の方向を考慮した流入角と滑
り率を考慮した流出角とを備えた羽根や、翼前縁部から
翼後縁部にかけて翼厚を徐々に薄くする羽根は、正圧面
及び負圧面の翼前縁部から翼後縁部に至る形状を楕円の
一部を成す曲線と円弧との組み合わせて形成すると良い
（請求項３）。

【００１２】このように楕円の一部を成す曲線と円弧と
の組み合わせて正圧面と負圧面とを形成するようにすれ
ば、上述した流入角と流出角とを共に満たした最適な羽
根形状を形成することが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の態様を図
面に基づいて説明する。図１において、この発明に係る
多翼遠心送風機の概略が示され、この多翼遠心送風機
は、渦巻状のケース１と、このケース１に装着されるモ
ータ２と、このモータ２に固着されてケース１に収納さ
れる羽根車３とによって構成されている。

【００１４】羽根車３は、モータ２の回転軸４に固着さ
れるボス部５と、このボス部５から円錐状に径方向へ広
がるコーン部６と、このコーン部６の外周縁から軸方向
に立設し、外周縁の円周方向に沿って設けられた複数の
羽根７とを有して構成されている。

【００１５】羽根車３は、ケース１の開口部１ａに吸入
口８を臨ませるように収納されているもので、コーン部
６は、この構成例においては軸心と直角となる面に対し
て所定の傾斜角θで傾斜させたものとなっており、モー
タ２によって回転されると、吸入口８から流入する空気
が、図２（ａ）にも示されるように、コーン部６に沿っ
て流れ、ほぼコーン部６の傾斜角θで羽根間に流入し、
図２（ｂ）の太線で示されるように、羽根の表面を斜め
に過ぎるように流れる。

【００１６】羽根７は、羽根車３の羽根出口が回転方向
へ傾くように湾曲している前向き羽根によって構成され
ており、図３に示されるように、翼前部７ａから翼後部
７ｂにかけて翼厚を徐々に薄くした翼形をなす形状とな
っている。

【００１７】このような羽根７は、コーン部６に沿って
流入する空気の角度、即ち、コーン部６の傾斜角θを考
慮して流入角β１が設定されており、また、滑り率を考
慮して流出角β２が設定されている点に特徴があり、速
度三角法を利用して次のようにして決定される。尚、本
件においては、図３で示すように、流入角β１を、相対
流入速度の方向と翼列線の翼前縁部での接線ｔ₁とのな
す角で表し、流出角β２を、相対流出速度の方向と翼列
線の翼後縁部での接線ｔ₂とのなす角で表すものとす
る。

【００１８】この流入角β１と流出角β２を算出するに
あたり、羽根車の内径を２r₁、羽根車の外径を２r₂、羽
根の高さをｂ、羽根車の回転数をｎ、全圧上昇をＰ、空
気の流量をＱ、空気の密度をρ、重力加速度をｇ、羽根
車の内周速度をｕ₁、羽根車の外周速度をｕ₂、流入流
の相対速度をω₁、流出流の相対速度をω₂、流入流の
絶対速度周方向成分をＶu₁、流入流の絶対速度径方向成
分をＶr₁、流出流の絶対速度周方向成分をＶu₂、流出流
の絶対速度径方向成分をＶr₂とする。

【００１９】先ず、流入角β１を決定する場合について
図４に基づいて説明すると、流入流は、羽根車３のコー
ン部６に沿って流れることから、コーン部６に対して垂
直となる流入断面をＳ、流入流（空気）の単位時間あた
りの流量をＱとすると、この流入断面での流入流の絶対
速度をＶr₁' は、数式１のようになる。

【００２０】

【数１】Ｖr₁’＝Ｑ／Ｓ

【００２１】ここで、流入断面の面積Ｓは、図４（ａ）
にも示されるように、コーン部６に沿って流れる空気に
対して垂直となる面であることから、図４（ｂ）に示さ
れるような円錐台の側面に相当する面積となる。したが
って、この面積Ｓは、同図に示す幾何学的関係から数式
２によって求められる。尚、図中、Ｌは、羽根の上端と
コーン部との距離、即ち、円錐台の母線の長さであり、
Ｌ＝ｂcos θで表され、ｒは、円錐台の小円の半径であ
り、ｒ＝r₁−ｂcos θsin θで表されるものである。

【００２２】

【数２】Ｓ＝π（r₁ ²−ｒ²）／sin θ

【００２３】このようにして得られた流速Ｖr₁’は、羽
根車３の軸方向に対してθだけ傾いた流入断面のもので
あるが、流入角β１は、羽根７に対して垂直となる成分
で決定されることから、このＶr₁’を幾何学的関係によ
って水平方向に変換する必要がある。この水平方向に変
換された流入流の絶対速度がＶr₁であることから、Ｖr₁
は数式３のようになる。

【００２４】

【数３】Ｖr₁＝Ｖr₁’・COS θ

【００２５】羽根車の内径速度ｕ₁は、ｕ₁＝r₁・ω
（ω：角速度＝２πｎ／６０）で表されることから、図
５（ａ）に示されるように、羽根車の内径速度ｕ₁と流
入流の絶対速度Ｖr₁との幾何学的関係から、流入角β１
は、数式４によって算出される。

【００２６】

【数４】

【００２７】したがって、このようにして流出角β１を
決定すれば、羽根車３の吸入口８から吸入された空気が
コーン部６に沿って流れて羽根間に流入する実際の流入
流の状態を考慮したβ１を得ることが可能となる。

【００２８】次に、流出角β２を設定する場合について
説明すると、圧力ヘッドＨは、Euler の式より、数式５
のようになる。

【００２９】

【数５】Ｈ＝（ｕ₂・Ｖu₂−ｕ₁・Ｖu₁）／ｇ

【００３０】また与えられた条件より、圧力ヘッドＨ
は、数式６のようになる。

【００３１】

【数６】Ｈ＝Ｐ／ρｇ

【００３２】ここで、流入流の予旋回成分はないものと
すると、Ｖu₁＝０であり、数式５と数式６とからＶu₂を
求めると、数式７のようになる。

【００３３】

【数７】Ｖu₂＝Ｐ／ρｕ₂

【００３４】しかしながら、実際の流出流では滑りが生
じることから、この滑り分を補正する必要がある。この
ため、滑り率をσとして、Ｖu₂をＶu₂／（１−σ）で置
き換える。

【００３５】ところで、羽根間から流出する単位時間当
たりの流量Ｑは、Ｖr₂と翼出口側面積との積になるの
で、Ｖr₂は、数式８によって決定される。

【００３６】

【数８】Ｖr₂＝Ｑ／２πr₂ｂ

【００３７】よって、羽根車の外径速度ｕ₂は、ｕ₂＝
r₂・ω（ω：角速度＝２πｎ／６０）で表されるから、
図５（ｂ）に示す幾何学的関係から、出口角β２は、数
式９のようになる。尚、図５（ｂ）において、Ｖ2 は、
滑りを考慮した流出流の絶対速度ベクトルである。

【００３８】

【数９】β２＝１８０−ｔａｎ^-1（Ｖr₂／（Ｖu₂／（１
−σ）−ｕ₂）

【００３９】したがって、このようにして流出角β２を
決定すれば、流出流の実際の滑りを考慮したβ２を得る
ことが可能となる。

【００４０】例えば、羽根車の内径（２r₁）を１３０ｍ
ｍ、羽根車の外径（２r₂）を１５２ｍｍ、羽根の高さ
（ｂ）を６８ｍｍ、羽根車の回転数を２８００ｒｐｍ、
全圧上昇（Ｐ）を５８０Ｐａ、空気の流量（Ｑ）を４８
０ｍ³/h とし、コーン部６の傾斜角θ、即ち、コーン部
６に沿って流入する空気流と回転軸４に対して垂直とな
る面との角度を４５度とし、さらに、実際の流出流では
５０％程度の滑りが確認されていることから、滑り率σ
＝０．５にすると、ｕ₁＝１９．０６m/s 、ｕ₂＝２
２．２９m/s であり、数式１及び数式２からＶr₁’＝
９．１９m/s 、数式４からβ１＝１９度となる。また、
数式７からＶu₂＝２１．６９m/s 、数式８からＶr₂＝
４．１１m/s となり、数式９からβ２＝１６９度とな
る。

【００４１】したがって、上述の例では、流入角β１＝
１９度、流出角β２＝１６９度として羽根形状を決定す
ればよいこととなる。ところで、このような最適な流入
角β１と流出角β２とを同時に満たす羽根形状を決定す
るにあたり、従来のような単一円弧によって羽根の正圧
面と負圧面との形状を決定したのでは、前述した如く流
出角β２を優先して取付角が設定されれば、流入角β１
を犠牲にすることとなり、騒音の増加、効率の低下など
の不都合をきたすこととなる。

【００４２】そこで、上述の流入角β１と流出角β２と
を同時に満たす羽根形状について、本発明者らによって
研究が重ねられた結果、羽根の正圧面と負圧面との形状
を楕円の一部を構成する曲線と円弧との組み合わせて決
定すれば、上述の流入角β１と流出角β２とを同時に満
たす最適な羽根形状を形成できることが確認されてい
る。

【００４３】例えば、羽根の正圧面と負圧面とのそれぞ
れを、翼前縁部から羽根の中程にかけて楕円の一部で構
成し、この例では、羽根の翼前縁部に楕円の長軸を合わ
せ、そこから短軸に至る楕円の１／４の曲線を割り当て
て構成し、また、羽根の中程から翼後縁部にかけては、
円弧を割り当てて構成し、楕円の長径ａ及び短径ｂと楕
円の中心Ｏ1 、円弧部分の曲率半径Ｒと円弧の中心Ｏ2
を実験や数値解析などによって適宜選定することによっ
て上述した流入角β１と流出角β２とを同時に満たす最
適な羽根形状を得ることができる。

【００４４】特に本構成例においては、正圧面と負圧面
とで楕円の長径ａ及び短径ｂと楕円の中心、円弧部分の
曲率半径Ｒと円弧の中心の全部、又は、一部を変えるこ
とによって、翼前縁部から翼後縁部にかけて、徐々に翼
厚が薄くなる翼形状に形成されている。

【００４５】したがって、上述のような羽根形状を有す
る羽根車を用いれば、コーン部６の傾斜角θ、即ち、コ
ーン部６に沿って流れる実際の空気流の流入方向が考慮
された流入角β１を有しているので、空気の流入流と羽
根との衝突を緩和することができ、騒音の低減、流入損
失の低減を図ることができる。また、滑り率を考慮した
羽根の流出角β２を有しているので、設定通りの圧力ヘ
ッドを確保することができる。

【００４６】しかも、羽根の負圧面及び正圧面の翼前縁
部から翼後縁部に至る形状を楕円の一部を成す曲線と円
弧との組み合わせて形成することによって、翼前縁部か
ら翼後縁部にかけて羽根の翼厚が徐々に形成されている
ので、羽根の負圧面での流入流の剥離を低減することが
でき、翼間での損失を低減できるようになる。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
羽根車の羽根の翼前縁部を、羽根車の内径と、羽根車の
内周速度と、吸込口から前記コーン部に沿って流れる空
気の流速と、羽根車のコーン部の傾斜角とを少なくとも
考慮して決定された流入角に一致させ、羽根の翼後縁部
を、羽根車の外径と、羽根車の外周速度と、羽根から流
出する空気の流速と、滑り率とを少なくとも考慮して決
定された流出角に一致させるようにしたので、次のよう
な効果が得られる。

【００４８】即ち、コーン部に沿って流れる空気流の角
度を考慮して流入角が設定されるので、実際の空気の流
れ方に見合った流入角とすることができ、空気の流入流
と羽根との衝突を緩和することができ、騒音の低減、流
入損失の低減を図ることが可能となる。

【００４９】また、羽根の流出角を滑り率をも考慮して
設定するようにしたので、流出する空気の実際の流れに
見合った最適な流出角とすることができ、設定した圧力
ヘッドを確保することが可能となる。

【００５０】羽根車のコーン部に沿った空気の流れを考
慮した流入角と滑り率を考慮した流出角とを備える羽根
車の羽根は、翼前縁部から翼後縁部にかけて翼厚を徐々
に薄く形成することが好ましく、このような構成とする
ことによって、羽根の負圧面での流入流の剥離を低減す
ることができるので翼間での損失を低減することが可能
となり、また、圧力変動の低減、出口流速の平均化を図
ることができるので、騒音の低減が可能となり、羽根の
正圧面と負圧面との圧力差を低減することができるの
で、回転軸のトルクの低減を図ることができるようにな
る。

【００５１】さらに、上述の羽根車の羽根の負圧面及び
正圧面の翼前縁部から翼後縁部に至る形状を楕円の一部
を成す曲線と円弧との組み合わせて形成すれば、羽根車
のコーン部に沿って流入する空気流の角度を考慮した流
入角と滑り率を考慮した流出角を備えた適切な羽根車の
羽根形状を構築し易いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本願発明にかかる多翼遠心送風機の全
体構成を示す概略図であり、図１（ａ）はその平面図で
あり、図１（ｂ）はその側面図を示す。

【図２】図２は、羽根車の羽根に対して実際の空気の流
入方向を考慮した本願のモデルを説明するための図であ
り、図２（ａ）は、傾斜角θの羽根車のコーン部に沿っ
て空気が流入する状態を示す図であり、図２（ｂ）は、
本発明に係る羽根車の羽根を示し、羽根間を通過する空
気の軌跡を太線で示した図である。

【図３】図３は、本発明の羽根車の羽根を拡大して示し
た平面図である。

【図４】図４は、本発明に係る羽根車の羽根の流入角を
決定する手法を説明するための説明図であり、図４
（ａ）は、図３（ａ）のモデルを書き直した図であり、
図４（ｂ）は、図４（ａ）のモデルに基づいて流入断面
を算出するために利用する説明図である。

【図５】図５（ａ）は、本発明にかかる羽根車の翼入口
での速度ベクトル図を示し、図５（ｂ）は、本発明にか
かる羽根車の翼出口での速度ベクトル図を示す。

【図６】図６は、従来の羽根車の羽根を拡大して示した
平面図である。

【図７】図７は、従来の羽根車の羽根の取付け角を異な
らせた状態を示す図である。

【図８】図８（ａ）は、羽根車の羽根に対して垂直に空
気が流入する場合を想定した従来のモデルを示し、図８
（ｂ）は、従来の羽根車の羽根を示し、羽根間を通過す
る空気の軌跡を太線で示した図である。

【図９】図９は、図８（ａ）のモデルに基づいて流入断
面を算出するために利用する説明図である。

【符号の説明】

３羽根車４回転軸５ボス部６コーン部７羽根７ａ翼前縁部７ｂ翼後縁部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸に固装されるボス部と、このボス
部から連接されるコーン部と、前記回転軸の軸方向に立
設されると共に前記コーン部の外周縁の円周方向に沿っ
て設けられた複数の前向き羽根とを具備し、吸込口より
流入された空気を前記コーン部に沿って前記羽根へ導
き、羽根と羽根との間を通過させる多翼遠心送風機の羽
根車において、前記羽根の翼前縁部を、前記羽根車の内径と、前記羽根
車の内周速度と、前記吸込口から前記コーン部に沿って
流れる空気の流速と、前記コーン部の傾斜角とを少なく
とも考慮して決定された流入角に一致させ、前記羽根の翼後縁部を、前記羽根車の外径と、前記羽根
車の外周速度と、前記羽根から流出する空気の流速と、
滑り率とを少なくとも考慮して決定された流出角に一致
させるようにしたことを特徴とする多翼遠心送風機の羽
根車。
【請求項２】前記羽根は、翼前縁部から翼後縁部にか
けて翼厚を徐々に薄く形成したことを特徴とする請求項
１記載の多翼遠心送風機の羽根車。
【請求項３】前記羽根の負圧面及び正圧面は、翼前縁
部から翼後縁部に至る形状を楕円の一部を成す曲線と円
弧との組み合わせて形成されていることを特徴とする請
求項１又は２記載の多翼遠心送風機の羽根車。