JP2005083386A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、軸流ファンのブレード面に発生する乱流強度の増加及びブレード面の境界層厚さの増加を抑制して、ハブ領域の空気流動撹乱を抑制すること。
【解決手段】 本発明によるエアコン室外機軸流ファンは、ブレード個数を２個に形成して、ハブからブレードの外側端までのうちハブから一定長さまでは所定のレーキ角を同一に適用して、一定長さ以後からブレードの外側端までは圧力面方向に隆起させて形成され、内外径比が０．３５〜０．４となっている。
【選択図】 図７Ａ

Description

本発明はエアコン軸流ファンの構成要素のうちブレード個数を２個に形成して、ハブからブレードの外側端までのうち前記ハブから一定長さまでは所定のレーキ角を同一に適用して、前記一定長さ以後からブレードの外側端までは圧力面方向に隆起させて形成され、内外径比が０．３５〜０．４になる軸流ファン(cooling fan)に関する。

以下本発明と関連した背景技術を説明する。

一般に空調機は圧縮機、凝縮機、毛細管及び熱交換器などで構成される冷凍サイクル装置が内部に有し、蒸発器で形成される冷気と凝縮機で発生する暖気を室内の状況により適切に送りだして室内の雰囲気を快適に維持する機器である。

前記エアコンは冷凍サイクル装置を一つの本体内に配設して窓などに配設する窓型エアコンと、室内機と室外機を分離して室内と室外にそれぞれ配設する分離型エアコンなどに区分される。特に前記分離型エアコンの場合、設置方法によって壁掛け型、常置型（パッケージエアコン含む）、天井掛け型、天井埋込型等に区分されるが、特に壁掛け型や常置型に使用が可能でありながらユーザーの必要によって天井掛け型に活用できる構造の室内機をコンバーチブル型室内機という。

図１は一般的なエアコンを概略的に示す図面である。
図１を参照すると、従来のエアコンは室外に配置されて外部空気と熱交換を行う室外機２０と、室内に配置されて空気を調和させる室内機１０と、前記室外機と室内機を連結させる連結配管３０で構成されている。

さらに詳細に説明すると、前記室外機２０は外部空気と熱交換を行い、前記室内機１０から流入した低温低圧の気体冷媒を低温低圧の液体冷媒に変換させる手段であって、圧縮機１１、凝縮機１２及び膨脹弁１３で構成されている。

また、前記圧縮機１１は、前記室内機１０から流入した低温低圧の気体冷媒を高温高圧の気体冷媒に変換する装置であり、前記凝縮機１２は前記高温高圧の気体冷媒を中温高圧の液体冷媒に変換する装置であり、前記膨脹弁１３は前記中温高圧の液体冷媒を低温低圧の液体冷媒に変換する装置である。

ここで前記凝縮機１２では外部と直接熱交換が行われ、外部空気の流入のために別途のファン４０が配設されている。
一方、前記室内機１０では、前記室外機１０から流入した低温低圧の液体冷媒が低温低圧の気体冷媒に変換されるが、この時、蒸発を利用して室内の温度を低減する。

前記室内機１０は低温低圧の液体冷媒が低温低圧の気体冷媒に変換される蒸発器２１と、ファン２１ａで構成されている。連結配管３０は前記室外機１０と室内機１０を連結させて冷媒を流動させる部材であって、前記室外機２０と室内機１０の距離によって適正に配置される。

前記したように、分離型エアコンの室外機２０は普通騷音発生が多い圧縮機、凝縮機、冷却ファン（以下、軸流ファンという。）と、前記軸流ファンを回転させる駆動モーターなどで構成され、室内機１０は蒸発器２１と送風ファン２１ａで構成されて室内空気の冷却作用及び循環作用をなす。

図２は、一般的な分離型エアコンを示した斜視図である。
図示するように、前記室内機１０と室外機２０は冷媒管３０により相互連結している。

一方、前記軸流ファン４０は図３Ａに示したように、モーターの回転軸（図示せず）と連結するハブ４２と、前記ハブ４２の外周面に形成された複数個のブレード４４が一体で構成されている。

前記モーター駆動による軸流ファン４０が回転すると、前記ハブ４２外周面に複数形成されたブレード４４の前／後面に圧力差が発生する。

このような圧力差によって空気を吸い込む吸入力が発生し、前記した吸入作用を介して外部空気が室外機２０内に吸入されるが、この時、外部空気は室外機２０の吸気口側に設置している凝縮機１２を通過しながら前記凝縮機内部を流動中の気体冷媒との熱交換を介して前記冷媒を液体状態に凝縮させ、次に、軸流ファン４０の送風作用を介して室外機２０外部に排出される。

このような軸流ファン４０の送風特性を決定する特性因子をよく見れば、これはブレード４４の個数をはじめとしてファン外径（直径）Ｄ、ハブ外径（直径）ｄ等のようないわゆる全体因子と、ブレードのピッチ角β、最大キャンバー位置Ｐ、最大キャンバー量ＭＣ、翼弦(chord)長さ、スウィップ角αなどのいわゆるブレード因子に区分される。以下、これに関して図３Ａ及び図３Ｂを参考にして説明する。

前記ブレードのピッチ角βは図３Ｂのように、流体の流れ方向（図面上ｘ軸）と、ブレード４４のリーディングエッジ(leading edge: L.E.)からトレーリングエッジ(trailing edge: T.E.)をつなぐ直線すなわち、翼弦間の角度である。

そして、キャンバー（ブレードの断面上中心線）と翼弦をつなぐ長さをキャンバー量とし、前記キャンバー量の最大地点である最大キャンバー量ＭＣは図３Ｂのように、ブレード４４のリーディングエッジからトレーリングエッジをつなぐ翼弦Ｃ上でリーディングエッジから最大キャンバー位置Ｐにおけるキャンバー量を意味する。

前記スウィップ角αはブレード４４の内側端中心、すなわちブレード４４がハブ４２と接する部分の中心とブレード４４の外側端（チップ）中心点を連結してブレード４４の曲率によって湾曲する線が、前記ブレード４４の内側端中心点及びハブ４２の中心点を通過する線（図面上Ｙ軸）と成す角をいう。

特に、前記スウィップ角αは軸流ファン４０の流動騷音を決定する因子であって、スウィップ角αが大きければハブ４２とブレード４４チップ間での空気流動位相差が大きくなって、スウィップ角αが小さければ空気流動位相差が小さくなる。

また、空気流動の位相差によってブレード４４の外側端で発生する騷音と内側端で発生する騷音にも位相差が発生するが、このような位相差が大きいほどブレード４４を通過する空気流動周波数が減少されて騷音が小さくなる。
そして、前記ブレード４４の個数はファン４０の作動時発生する空気流動騷音を決定する重要因子となる。

このような従来の軸流ファン４０は、本出願人により先出願されて２００３年２月２０日付で公開されたエアコン室外機の軸流ファン（大韓民国特許公開番号２００３−１４９６０号公報）に開示されている。開示された軸流ファンに関しては、モーターの回転軸と連結されるハブ４２と、前記ハブ４２の外周面に一体に形成された複数個のブレード４４を含むが、前記ブレード４４の個数を３個にし、ファンの全体外径Ｄが３４０±２ｍｍであって、ハブ２２の直径ｄが１００±２ｍｍに形成されている。

また、前記ブレード４４はピッチ角βがハブ４２からブレード４４の終端まで３７〜２０゜に線形的に変わる構造で形成されている。
そして、前記ブレード４４は最大キャンバー位置Ｐが翼前端から後端方向に翼弦長さの７０％地点に形成されて、ハブ４２からブレード４４終端まで各半径における最大キャンバー量ＭＣが０．５％に一定に維持される構造で形成されている。

また、前記ブレード４４のスウィップ角αは無次元半径座標０．３以下では４７〜４９゜であって、無次元半径座標０．３を超過しては線形的に増加してブレード４４終端で５５〜５７゜範囲で構成されている。

参考に、前記無次元半径座標はハブ４２を除外したブレード４４だけによるファンの性能を考慮するための因子であって、ブレード４４とハブ４２がつく位置を０にして、ブレード４４の終端を１という時、０から１までの数値で決定される。

これに対する無次元半径座標を求める公式は、
ｒ＝（Ｒ−Ｒｈ）／（Ｒｔ−Ｒｈ）
である。ここで、Ｒはファン中心（ハブ中心）から任意の位置までの長さであり、Ｒｈはハブ４２の半径であって、Ｒｔはファン中心（ハブ中心）からブレード４４終端までの長さすなわち、ファンの半径である。

前述したエアコン室外機のブレード４４が３個である軸流ファン４０によれば、図４及び図５に示したように、従来ブレード４４が４個である軸流ファン（図示せず）に比べて圧力係数及び定圧効率が向上するようになって、これによる運転点におけるモーター作動効率も向上する長所と共に、従来ブレード４４が４個である軸流ファンに比べて小さいモーターを利用しても駆動が可能であり、作動に必要な消費電力も２２％程度減少される長所がある。

しかし前記軸流ファン４０の駆動時先行するブレード４４のリーディングエッジ（Ｌ．Ｅ）及びトレーリングエッジ（Ｔ．Ｅ）で発生する後流及び負圧面における剥離による乱流成分が後行するブレード４４に影響を与えてファン４０の性能が低下すると同時に、乱流による騷音発生の原因になる等問題点があった。

大韓民国特許公開番号２００３−１４９６０号公報

本発明は、軸流ファンの構成要素のうちブレード面に発生する乱流強度の増加及びブレード面の境界層厚さの増加を抑制して、ハブ領域の空気流動撹乱を抑制することができる等の最適設計範囲内に軸流ファンを設計することを提案する。

また、従来軸流ファンの同一風量に対する所定領域（３００〜１０００Ｈｚ）の周波数範囲内で騷音特性を大幅に減少させることができるようにするのにまた他の目的がある。

本発明はモーターの回転軸と連結されるハブと、前記ハブと接触する一つ以上のブレードで構成された軸流ファンにおいて、前記ハブからブレードの外側端までのうち前記ハブから一定長さまでは所定のレーキ角を同一に適用して、前記一定長さ以後からブレードの外側端までは圧力面方向に隆起させて形成されるブレードを提供する。
また本発明は前記軸流ファンの内外径比が０．３５〜０．４である。

したがって本発明によれば、軸流ファンにおける騷音を最大に低減及び前記軸流ファンによる圧力係数及び定圧効率が従来軸流ファンに比べて大きく向上する効果がある。

本発明の軸流ファンによれば軸流ファンの構成要素のうちブレード面に発生する乱流強度増加抑制及びブレード面の境界層厚さ増加を抑制して、ハブ領域の空気流動撹乱を抑制することができる等の最適設計範囲（ファン全体面積と翼面積の比率であるソリディティが約０．８７程度、前記ブレードのキャンバー量が約５．０％程度）内に軸流ファンを設計することによって、これによる軸流ファンにおける騷音を最大に低減及び前記軸流ファンによる圧力係数及び定圧効率が従来軸流ファンに比べて大きく向上する効果がある。

また、従来軸流ファンとの同一風量に対する所定領域（３００〜１０００Ｈｚ）の周波数範囲内で騷音特性を大幅に減少させることができる卓越した効果がある。

以下、添付した図面に基づいて、本発明による軸流ファンの望ましい実施形態を説明する。
図６Ａ、６Ｂは本発明による軸流ファンの正面図及び側面図を示したものであって、図７Ａ、７Ｂは従来と本発明による軸流ファンのうち本発明のハブ外周面に所定のレーキ角度にブレードが傾斜して形成された状態図を示したものである。

本発明であるエアコン室外機の軸流ファン１４０は、モーターの回転軸１４１と連結されるハブ１４２と、前記ハブ１４２外周面に一体に形成された複数個のブレード１４４を含む。

前記でブレード１４４の個数を２個に形成して、内外径比（ハブ直径とファン外径の比率）が０．３５〜０．４であり、ファン１４０全体面積と翼面積との比率であるソリディティ範囲が０．８５±０．０５であって、ハブ１４２のキャンバー量範囲が５．０％±１．０％で構成されている。

以下、本発明であるエアコン室外機の軸流ファンを詳細に説明する。
本発明の軸流ファン１４０は、軸流ファン１４０の駆動時先行するブレード１４４のリーディングエッジ（Ｌ．Ｅ）及びトレーリングエッジ（Ｔ．Ｅ）で発生する後流及び負圧面における剥離による乱流成分が後行するブレード１４４に影響を与えてファン１４０の性能が低下することを防止して、乱流による騷音発生を防止または低減させるためである。

また前記ブレード１４４面に発生する乱流強度の増加抑制及びブレード１４４面の境界層厚さ増加を抑制して、ハブ１４２領域の空気流動撹乱を抑制することができるようにするためである。

前記した目的を達成するために、前記ブレード１４４の個数を２個に形成しながら内外径比（ハブ直径とファン外径の比率）を０．３５〜０．４にして、ファン１４０全体面積と翼面積との比率であるソリディティ範囲が０．８５±０．０５であって、ハブ１４２のキャンバー量範囲が５．０％±１．０％にして軸流ファン１４０を形成したことであって、これに対する本発明の詳細な構成は次の通りである。

本発明によるエアコン室外機の軸流ファン１４０は、図６Ａに示したように、モーターの回転軸と連結されるハブ１４２と、前記ハブ１４２の外周面に一体に形成された複数個のブレード１４４で構成されている。

この時、前記ブレード１４４の個数は２個に形成されており、前記軸流ファン１４０の内外径比すなわち、ハブ１４２直径とファン１４０外径の比率が０．３５〜０．４の範囲にある。

また、ファン１４０全体面積と翼面積との比率であるソリディティ範囲が０．８５±０．０５であって、ハブ１４２のキャンバー量範囲が５．０％±１．０％で構成されているが、前記したソリディティに対する式を説明すると次の通りである。

ソリディティ＝（ｃｈｏｒｄ×Ｚ）／２πｒ
２πｒ：ｒ半径における円周長さ。

ｃｈｏｒｄ：ブレードのリーディングエッジからトレーリングエッジをつなぐ直線。
Ｚ：ブレードの個数。

したがって本発明で提示するソリディティ値は、ハブからチップまでの平均値、例えば積分値といえる。

そして、前記軸流ファン１４０の場合、図７Ａ／図７Ｂに示したように、前記ハブ１４２外周面に形成されたブレード１４４のレーキベースラインが、従来ハブ４２外周面に水平で形成されたブレード４４のレーキベースラインから約２０〜２３゜内外のレーキ角だけ傾斜しているが、前記したレーキ角は前記ブレード１４４をハブ１４２外周面上にどれほど傾けて形成させるかを決定する角度である。

このように、前記したレーキ角を介してハブ１４２外周面にブレード１４４が形成された状態を説明すると、これは図７Ａ、７Ｂに示したように、前記ハブ１４２外周面からブレード１４４の外側端（チップ）まで全体長さのうち前記ハブ１４２外周面から一定長さ部までは前記レーキ角を形成しながら傾斜してあって、前記一定長さ部以後からブレード１４４の外側端（チップ）までは圧力面方向に突出された隆起部１４６が形成されており、前記ブレード１４４の外側端（チップ）は前記ハブ１４２外周面から傾斜した一定長さ部のレーキ角と同一角度で構成されながら軸流ファン１４０の全体的な形状を形成する。

すなわち、ハブからチップに向けながら２個の区間に分ける時、最初区間は同一角を適用して回転移動をさせて、第２区間は圧力面に隆起した非線形角を形成して、チップでは（前記２個区間以外区間）最初区間の同一値を適用するようにするものである。

この時のファン外径Ｄが４６０±２ｍｍ、ハブ１４２の直径ｄが１７０±２ｍｍであることを特徴として形成される。

ここで、前記ブレード１４４のピッチ角、最大キャンバー量及びスウィップ角は図３Ａ／図３Ｂに示した従来ブレード４４のピッチ角β及び最大キャンバー量ＭＣ、スウィップ角αと同一に構成されており、これに対するブレード１４４のピッチ角及び最大キャンバー量、スウィップ角を具体的に説明すると次の通りである。

これによる前記ブレード１４４はピッチ角βがハブ１４２からブレード１４４の終端まで３７〜２０゜に線形的に変わる構造で形成される。

そして、前記ブレード１４４は最大キャンバー位置Ｐが翼前端から後端方向に翼弦長さの７０％地点に形成されて、ハブ１４２からブレード１４４終端まで各半径における最大キャンバー量ＭＣが０．５％に一定に維持される構造で形成される。

さらに、前記ブレード１４４のスウィップ角αは無次元半径座標０．３以下では４７〜４９゜であって、無次元半径座標０．３を超過しては線形的に増加してブレード１４４終端で５５〜５７゜になる。

以下、このように構成された軸流ファンにより騷音の変化状態を説明する。
図８は、従来及び本発明による軸流ファンのソリディティ変化による騷音変化状態を示したグラフであって、図９は従来及び本発明による軸流ファンのキャンバー量変化による騷音変化状態を示したグラフであって、図１０は従来本発明による軸流ファンの圧力（定圧）係数及び定圧効率と流量係数との関係を従来軸流ファンと比較して示したグラフであって、図１１は本発明による軸流ファンの周波数変化による騷音変化状態を従来軸流ファンと比較して示したグラフである。

前記で説明及び図面で見るように、本発明の適用によるソリディティ範囲は０．８５±０．０５であって、ハブのキャンバー量範囲が５．０％±１．０％である。

これに反し従来（Ｚ＝３）のソリディティは本発明の場合より比較的大きい値を有し、キャンバー量は小さい値を有する。

以下、図１０、１１を説明する。
図１０のグラフのうち上側のグラフは軸流ファン１４０の圧力（定圧）係数と流量係数との関係を従来軸流ファン４０と比較したものであり、下側のグラフは軸流ファン１４０の定圧効率と流量係数との関係を従来軸流ファン４０と比較したものである。

本発明による軸流ファン１４０の場合、まずファン１４０全体面積と翼面積との比率であるソリディティ変化による騷音変化を測定した結果、図８に示したようにファン１４０全体面積と翼面積の比率が約０．８７程度で騷音が最も少ないことに現れて、また軸流ファン１４０のうちブレード１４４のキャンバー量変化による騷音変化を測定した結果、図９に示したように前記ブレード１４４のキャンバー量が約５．０％程度で騷音が最も少ないことに実験結果明かされた。

そして、本発明による軸流ファン１４０によれば、図１０に示したように、圧力係数及び定圧効率が従来軸流ファン４０に比べて向上することが分かり、前記のように軸流ファン１４０の圧力係数及び定圧効率の向上による運転点におけるモーター作動効率も向上する。

また図１１は、本発明による軸流ファンの周波数変化による騷音変化状態を従来軸流ファンと比較して示したグラフであって、図１１に示したように従来軸流ファン４０との同一風量時３００〜１０００Ｈｚ範囲で騷音が大幅に減少していることが分かる。

前記したように本発明は、エアコン室外機の軸流ファンの構成要素のうちブレード個数を２個に形成して、ハブからブレードの外側端までのうち前記ハブから一定長さまでは所定のレーキ角を同一に適用して、前記一定長さ以後からブレードの外側端までは圧力面方向に隆起させて形成され、内外径比が０．３５〜０．４になる軸流ファンに関する。

以上で本発明の望ましい実施形態を説明したが、本発明は多様な変化と変更及び均等物を用いることができる。本発明は前記実施形態を適切に変形して同一に応用できることが明確である。

例えば、本発明の軸流ファンを冷蔵庫及びその他冷媒を凝縮する過程及び蒸発する目的のためのファンで適用可能である。
したがって前記記載内容は特許請求範囲の限界により本発明の範囲が限られるのでない。

本発明は冷暖房装置の軸流ファンに適用可能である。

一般的なエアコンを概略的に示す図面である。 一般的な分離型エアコンを示した斜視図である。 従来軸流ファンの正面図である。 従来軸流ファンの側面図である。 従来軸流ファンの圧力係数と流量係数との関係を従来軸流ファンと比較して示したグラフである。 従来軸流ファンの定圧効率と流量係数との関係を従来軸流ファンと比較して示したグラフである。 本発明による軸流ファンの正面図である。 本発明による軸流ファンの側面図である。 従来と本発明の軸流ファンを比較して示す図である。 従来と本発明による軸流ファンであって、本発明のハブ外周面に所定のレーキ角度にブレードが傾斜して形成された状態図である。 従来及び本発明による軸流ファンのソリディティ変化による騷音変化状態を示したグラフである。 従来及び本発明による軸流ファンのキャンバー量変化による騷音変化状態を示したグラフである。 従来及び本発明による軸流ファンの圧力（定圧）係数及び定圧効率と流量係数との関係を従来軸流ファンと比較して示したグラフである。 従来及び本発明による軸流ファンの周波数変化による騷音変化状態を従来軸流ファンと比較して示したグラフである。

Claims (14)

1. モーターの回転軸と連結されるハブと、前記ハブと接触する一つ以上のブレードで構成された軸流ファンにおいて、
   前記ハブからブレードの外側端までのうち前記ハブから一定長さまでは所定のレーキ角を同一に適用して、前記一定長さ以後からブレードの外側端までは圧力面方向に隆起させて形成されることを特徴とする軸流ファン。
2. 前記ハブ外周面で一定長さまで形成されたブレードのレーキベースラインが２３゜内外のレーキ角だけ傾斜して形成されることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記ハブ外周面に形成されたブレードのレーキベースラインが２０〜２３゜レーキ角だけ傾斜してあることを特徴とする請求項２に記載の軸流ファン。
4. 前記外側端からは前記レーキ角で構成されることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
5. モーターの回転軸と連結されるハブと、前記ハブと接触する一つ以上のブレードで構成された軸流ファンにおいて、
   前記軸流ファンの内外径比が０．３５〜０．４であることを特徴とする軸流ファン。
6. 内外径比値はファン外径をハブ直径で分けた値であることを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
7. 前記ブレードの個数を２個に形成することを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
8. ソリディティ範囲が０．８５±０．０５であることを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
9. ハブのキャンバー量範囲が５．０％±１．０％であることを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
10. ファン外径が４６０±２ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
11. ハブの直径が１７０±２ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
12. ３００〜１０００Ｈｚ範囲で騷音減少の効果が大きいことを特徴とする請求項５に記載の軸流ファン。
13. モータの回転軸に連結されたハブと、前記ハブの周囲に設けられた少なくとも２つのブレードとを具備する軸流ファンにおいて、
    前記ブレードが、レーキ角が一定な第１の部分と、レーキ角が一定になっていない第２の部分と有して成る軸流ファン。
14. 前記ブレードの第１の部分は、前記ブレードの内側端部から所定の部分まで形成されており、前記第２の部分は前記ブレードの所定部分から外側端部まで形成されている請求項１３に記載の軸流ファン。
    

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