JP2006017449A - 空気調和機の騷音予測方法及びこれを用いた空気調和機の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 実際に空気調和機を製作する前に、空気調和機で発生する騷音を予測できる方法を提供する。
また、このような空気調和機の騷音予測方法を用いることで、熱交換器の製造に要する費用及び時間を節減できる空気調和機の製造方法を提供する。
【解決手段】 一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化するモデリング段階と;モデリングされた作動条件による空気流動を解析して空気の速度情報を得る速度情報取得段階と;前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階とを含んで空気調和機の騷音を予測する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、空気調和機の騷音予測方法及びこれを用いた空気調和機の製造方法に関するもので、詳しくは、空気調和機の室内機において、熱交換器の後方で形成される空気の流動場による騷音予測方法とこれを用いた熱交換器の設計方法に関するものである。
空気調和機は、圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器により構成された冷凍サイクルを用いて室内空間を冷房または暖房する装置であって、冷凍サイクルの全ての構成要素が一つのユニットに設置される一体型と、室内側および室外側の構成要素が相異なるユニットに設置される分離型とに区分される。
分離型空気調和機のうち、室内機を小さく構成することで、室内壁面上に付着した状態で使用できる空気調和機を壁掛け型空気調和機というが、この壁掛け型空気調和機の室内機は、図１に示すように、空気を吸入及び吐出するための吸入口１０ａ及び吐出口１０ｂが形成されたハウジング１０と、このハウジング１０内に設置される熱交換器１１と、この熱交換器１１の後方に設けられて空気の流動力を発生する横流ファン１２と、を備えている。
熱交換器１１には、並列に積層された多数のフィン１１ａが備わり、これらフィン１１ａを貫通する冷媒管１１ｂが設置される。各フィン１１ａには、冷媒管１１ｂが貫通する多数のホールが形成され、熱交換器の熱伝逹効率を高めるために、多数のスリット１１ｃがこれらホールの間に形成される。ハウジング１０内に吸入された空気は、この熱交換器１１の各フィン１１ａの間の空間を通過しながら、冷媒管１１ｂを通過する冷媒から伝達された熱を吸収するか、または、冷媒管１１ｂを通過する冷媒に熱を供給する。
熱交換器１１を通過した空気は、横流ファン１２を経て室内空間に再び吐出される。しかしながら、熱交換器１１を通過する空気は、熱交換器１１に設けられた冷媒管１１ｂおよびスリット１１ｃなどを迂回するため、熱交換器１１の長さ方向全体にかけて所定の速度で流れるのではなく、熱交換器１１の位置によって空気の流出速度が相異なる。このように不均一な流れの空気が横流ファン１２に流入されると、騷音が発生する原因になる。
このような騷音発生を減少するために、日本特開２０００-２９２０８６号のように、空気流れの下流側に鋸歯状のフィンを備え、乱流の渦巻が発生することを抑制する方式、または、日本特開平０６-０３４１５４号のように、フィンの平坦部に突起を形成し、熱交換器から流出される空気の流速を均一にする方式を使用した。
しかしながら、このような従来の技術は、熱交換器の後方で空気の流速分布を変更するための一つの方法を提示するだけで、熱交換器から横流ファンに流れる空気の流速分布と騷音発生との相関関係を具体的に提示しなかった。したがって、実際に空気調和機を製作して実験する前は、騷音発生有無及び騷音程度を知ることができないという問題点があった。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので、実際に空気調和機を製作する前に、空気調和機で発生する騷音を予測できる方法を提供することを目的とする。
また、このような空気調和機の騷音予測方法を用いることで、熱交換器の製造に要する費用及び時間を節減できる空気調和機の製造方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による空気調和機の騒音予測方法は、一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化するモデリング段階と;モデリングされた作動条件による空気流動を解析して空気の速度情報を得る速度情報取得段階と;前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階とを含むことを特徴とする。
また、前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階は、前記空気の速度情報を時間領域における空気の速度情報に変換する段階と；前記時間領域における空気の速度情報を周波数領域における空気の速度情報に変換する段階とを含むことを特徴とする。
また、前記モデリングされた作動条件による空気流動を解析して得られた空気の速度情報は、前記熱交換器のフィンの後端部から所定距離離れた各位置における空気の速度情報として提供されることを特徴とする。
また、前記各位置における空気の速度情報は、前記ファンブレードの速度を用いて前記各位置における空気の速度情報を各時間におけるファンブレードと衝突する空気の速度情報に変換することで、時間領域における空気の速度情報に変換することを特徴とする。
また、空気の速度に対する各位置の軸および空気の速度の他の軸を有する座標系として表現された速度プロファイルを得る段階と；前記各位置の軸の値を前記ファンブレードの線速度で分けて前記時間領域における空気の速度情報を得る段階とをさらに含むことを特徴とする。
また、速度スペクトルは、前記時間領域における空気の速度情報にフーリエ変換をして得られることを特徴とする。
また、前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階は、前記速度スペクトルの第１乃至第３ピーク値から騷音レベルを予測する段階をさらに含むことを特徴とする。
また、前記目的を達成するために、本発明による空気調和機の製造方法は、一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化するモデリング段階と；モデル化された空気調和機における熱交換器の後方で空気の速度分布を解析して騷音を予測する段階と；予測された騷音が所定水準以上であるかどうかを判断し、所定水準以上である場合、作動条件を再びモデリングし、所定水準以下である場合、モデリングされた条件によって空気調和機を製造する段階とを含むことを特徴とする。
また、一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化する段階を一回以上反復し、作動条件によって製造された熱交換器の後方で空気の速度分布から騷音を予測する段階と；モデリングおよび予測段階を反復して得られた結果のうち、最小の騒音水準を有すると予測されたモデルによって空気調和機を製造する段階とを含むことを特徴とする。
また、前記空気の速度分布から騷音水準を予測する段階は、前記空気の速度分布を周波数領域における空気の速度情報に変換した後、速度スペクトルを得る段階と；前記速度スペクトルの第１乃至第３ピーク値から騷音レベルを予測する段階とを含むことを特徴とする。
本発明による空気調和機の騷音予測方法は、製品を実際に製作する前に騷音発生を予測でき、この騒音発生予測方法を用いて空気調和機を製造することで、製造費用及び時間を節減できるという効果がある。
以下、本発明の実施形態による空気調和機の騷音予測方法及びこれを用いた空気調和機の製造方法を説明する。
本発明の第１実施形態による空気調和機の騷音予測方法は、熱交換器における後方の空気速度分布に基づいて騷音を予測するもので、図２に示すように、熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの作動条件をモデル化するモデリング段階(ステップ０１)と、ステップ０１でモデリングされた作動条件によって空気流動を解析し、空気の速度情報を得る速度情報取得段階(ステップ０２)と、ステップ０２で取得された速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階(ステップ０３、ステップ０４、ステップ０５)とから構成される。
モデリング段階(ステップ０１)では、図３に示すように、熱交換器を構成するフィン１１０の形状、ファン１２０の形状、熱交換器とファンとの間の距離Ｄ、隣接する二つの冷媒管１１１の間に設けられるスリット１１２の形状などの作動条件を全てモデル化する。以下で説明するように、これらの作動条件のうち、スリット１１２の形状は、騷音を制御するための重要な変数になる。
次に、速度情報取得段階(ステップ０２)では、モデリング段階で決定された条件による空気の流動を解析する。空気調和機の運転を開始してファン１２０が所定速度で回転すると、熱交換器およびファン１２０を取り囲む空気の流れが定常状態に到達するが、この定常状態の速度分布を計算する。この計算は、ＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics、電算流体力学)プログラムを用いた数値解析的な方法により行われる。この計算によって得られた流動場の一例が図４に示されているが、これは、ファン１２０の直径が８６mm、ファン１２０の回転速度が１２４７rpm、熱交換器とファン１２０との間の距離が１５．５mmである場合をモデリングして得た流動場である。図４に示した速度分布の計算によると、熱交換器における後方の空気流れは、冷媒管１１１やスリット１１２との摩擦及び干渉などにより、熱交換器の後方の位置ごとに異なる速度で分布することが分かる。
このように、不均一な流速分布を有する空気の流れがファン１２０に流入されるとき、ファンブレード１２０ａは、その位置(あるいは時間)ごとに相異なる速度で流れる空気と衝突するが、このような現象が空気調和機の騷音発生に寄与すると予想される。したがって、空気の流れとファンブレード１２０ａとの衝突地点における空気の速度分布が主な関心の対象になる。
図５は、図４の流動場上でフィン１１０の後端部から熱交換器までの距離Ｄだけ離れた地点の速度分布を示したグラフであり、フィン１１０の下端部から距離Ｄだけ離れた地点を基準にしてＸ軸上の各地点に対するＹ軸方向への速度分布を示したものである。実質的に、空気の流動は、Ｙ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向と、図４のＸ軸方向およびＹ軸方向に全て垂直なＺ軸方向にも速度分布を有するため、これらＸ軸方向およびＺ軸方向の速度分布も解析の対象になるが、本実施形態においては、Ｙ軸方向が、空気流れの主要な方向として騷音に最も大きな影響を及ぼすと判断し、Ｙ軸方向の速度分布のみを解析の対象にした。
図５の速度プロファイルは、図４のＸ軸上の各地点の速度分布を示すので、位置に対する空気の速度情報といえる。
次に、速度予測段階では、速度情報獲得段階(ステップ０２)で得た速度情報をさらに有用な情報に変更することで、騷音を予測するようになる。
図４に示すように、ファンブレード１２０ａは、空気流動の下端部から上端部まで順に通過しながら、点線で示した円弧に沿って円運動をする。しかしながら、モデリングされた所定区間でファンブレード１２０ａが近似的に直線運動をすると仮定すると、その運動経路はＸ軸と平行であり、このとき、ファンブレード１２０ａが通過する各位置でファンブレード１２０ａとぶつかる空気の流速分布は、図５の速度分布と同一である。したがって、図５は、ファンブレード１２０ａの回転時、その位置によってファンブレード１２０ａにぶつかる空気の速度分布といえる。
一方、ファンブレード１２０ａは、所定速度を有して回転するため、図５の水平軸の値をファンブレード１２０ａの線速度で分けると、空気とファンブレード１２０ａとがぶつかったときの時間に対する空気の速度情報を得ることができる。すなわち、時間の経過によってファンブレード１２０ａとぶつかる空気の速度分布を得ることができる。ファンブレード１２０ａの線速度は、ファンブレード１２０ａの半径に角速度を掛けた値であり、例えば、１１．２３m/sである。図５の水平軸の値をファンブレード１２０ａの線速度で分けて得られた時間に対する速度分布は、図６に示されている。図５に示した速度分布と比較すると、図６の速度プロファイルは、図５と同一の形状であるが、位置に対する空気の速度情報が時間に対する空気の速度情報に変換される点で異なる。すなわち、図６は、時間領域における空気の速度分布を意味する。
図６の速度分布を周波数領域で観察するために、図６の速度プロファイルをフーリエ変換すると、図７のようなスペクトルを得ることができる。
本出願人は、このようなスペクトル上で、特に第１乃至第３ピークのスペクトル値が騷音に関与する因子になると予想したが、これを実験を通して確認したグラフが図８に示されている。図８は、モデリング段階で決定された条件とおりに製作された実際の空気調和機を用いて騷音を測定したもので、各周波数に対する騷音レベルが示されている。図７に示したスペクトルと比較してみると、第１ピーク(７３１Hz)および第２ピーク(１４６２Hz)の周波数で実際の騷音レベルが高く示されることが分かる。特に、第２ピークに該当する周波数で騷音レベルが著しく高く示されるが、第１ピークの周波数での騷音は、一般に、空気調和機の室内機の他の騷音要因によりマスキングされるため、深刻な問題にはならない。実験の結果、第１ピーク乃至第３ピークでのスペクトル値と実際の騷音レベルとが比例することが分かる。
以上説明したように、熱交換器の後方で空気の速度分布を得て、この速度情報を、時間の経過によってファンブレード１２０ａとぶつかる空気の速度情報に変換した後、再びこの空気の速度情報を周波数領域の情報に変換するためにフーリエ変換をすると、速度スペクトルを得ることができ、このスペクトル上における第１ピーク乃至第３ピークのスペクトル値により騷音レベルを予測することができる。
以下、本発明の第２実施形態による空気調和機の製造方法を説明する。
本発明の第２実施形態による空気調和機の製造方法は、前記した空気調和機の騷音予測方法を用いて騷音を最小化した空気調和機の製造方法に関するもので、図９に示すように、熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度を含む作動条件をモデル化する段階と、前述した騷音予測方法を用いてモデル化された空気調和機の騷音を予測する段階と、予測された騷音が所定水準以下であるかどうかを判断する段階と、前記判断の結果、予測された騒音が所定水準を越える場合は、作動条件を再びモデリングし、予測された騒音が所定水準以下である場合は、モデリングされた作動条件によって空気調和機を製造する製造段階とから構成される。
予測された騷音水準に対する基準が定まらない場合は、図１０に示すように、モデル化および騷音予測を１回以上反復し、反復した結果のうち、最小の騷音水準を有すると予測されるモデルによって空気調和機を製造することができる。
以下、実際の設計例に基づいて空気調和機の製造方法を説明する。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、従来の熱交換器におけるフィン２００の形状を示した図であり、図１２Ａおよび図１２Ｂは、新しく変更した熱交換器におけるフィン３００の形状の示した図である。空気調和機は、ファンの直径が８６mm、ファンの回転速度が１２４７rpm、熱交換器とファンとの間の距離が１５．５mmの作動条件でモデリングされる。熱交換器の後方で空気の速度分布を数値解析的な方法により求めると、図１３のとおりである。図１３のグラフは、熱交換器のフィン上の各冷媒管の間の折半部で流れる空気の速度分布を解析したもので、水平軸の原点は、各冷媒管の間の中間地点を意味する。図１３の点線で示した速度プロファイルは、従来の熱交換器の形状による速度分布を示し、実線で示した速度プロファイルは、改善された熱交換器の形状による速度分布を示す。
この速度プロファイルを、ファンブレードの速度によって時間領域の速度情報に変換した後、これをフーリエ変換すると、第１ピーク及び第２ピークでのスペクトル値を得ることができる。図１４は、このスペクトル値を示したもので、従来のフィン２００の場合、第１ピーク(７３１Hz)でのスペクトル値が０．０９３で、第２ピーク(１４６２Hz)でのスペクトル値が０．０２４である反面、改善されたフィン３００の場合、第１ピーク(７３１Hz)でのスペクトル値が０．０３１で、第２ピーク(１４６２Hz)でのスペクトル値が０．００３である。すなわち、第１ピークでのスペクトル値においては、改善されたフィン３００が従来のフィン２００よりも１／３に低下し、第２ピークでのスペクトル値においては、改善されたフィン３００が従来のフィン２００よりも１／８に低下したことが分かる。よって、改善されたフィン３００の形状によって製造された空気調和機は、従来のフィン２００の形状によって製造された空気調和機に比べて騷音が低いと予想される。
図１５及び図１６は、モデリングされた形状によって実際に製作された空気調和機を用いて騷音を測定した図で、図１５は、従来のフィン２００の形状とおりに製造された空気調和機における騷音レベルを測定した図であり、図１５は、改善されたフィン３００の形状とおりに製造された空気調和機における騷音レベルを測定した図である。これら図面に示したように、改善されたフィン３００の形状とおりに製造された空気調和機では、第２ピークでの騷音値が著しく減少したことが分かる。ここで、第１ピークの場合、騒音レベルの減少が著しいが、これは、前述したように、第１ピークでの騷音が他の騷音要因によってマスキングされて示されないためである。
以上のように、第１ピーク、第２ピークあるいは第３ピークでのスペクトル値を小さくするために、熱交換器のフィンの形状、特に、スリットの形状を継続的に変更すると、空気調和機の騷音発生を最小化することができる。
一般の空気調和機の室内機を示した側断面図である。 本発明の第１実施形態による空気調和機の騷音予測方法を示したフローチャートである。 モデリングされた熱交換器及びファンの一例を示した図である。 図３のモデリングされた熱交換器における後方の流動場を示した図である。 図４の熱交換器から所定距離Ｄだけ離れた各地点における速度分布を示したグラフである。 図５の速度分布を時間に対する速度分布に変換したグラフである。 図６の速度分布をフーリエ変換して得た速度スペクトルである。 図３のモデリングによって製作した空気調和機の騷音を測定したグラフである。 本発明の第２実施形態による空気調和機の製造方法を示したフローチャートである。 本発明の第３実施形態による空気調和機の製造方法を示したフローチャートである。 従来の熱交換器のフィン形状を示した正面図である。 従来の熱交換器のフィン形状を示した平面図である。 改善された熱交換器のフィン形状を示した正面図である。 改善された熱交換器のフィン形状を示した平面図である。 従来及び改善された熱交換器における後方の空気速度分布を示したグラフである。 図１３のグラフを時間領域の速度情報に変換し、これをフーリエ変換して得る第１ピーク及び第２ピークのスペクトル値を示したグラフである。 従来の熱交換器の形状によって製造した空気調和機で騷音を測定して示したグラフである。 改善された熱交換器の形状によって製造した空気調和機で騷音を測定して示したグラフである。
符号の説明
１１０ フィン
１１１ 冷媒管
１１２ スリット
１２０ ファン

Claims (10)

  1. 一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化するモデリング段階と;
    モデリングされた作動条件による空気流動を解析して空気の速度情報を得る速度情報取得段階と;
    前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階とを含むことを特徴とする空気調和機の騷音予測方法。
  2. 前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階は、前記空気の速度情報を時間領域における空気の速度情報に変換する段階と；前記時間領域における空気の速度情報を周波数領域における空気の速度情報に変換する段階とを含むことを特徴とする請求項１記載の空気調和機の騷音予測方法。
  3. 前記モデリングされた作動条件による空気流動を解析して得られた空気の速度情報は、前記熱交換器のフィンの後端部から所定距離離れた各位置における空気の速度情報として提供されることを特徴とする請求項２記載の空気調和機の騷音予測方法。
  4. 前記各位置における空気の速度情報は、前記ファンブレードの速度を用いて前記各位置における空気の速度情報を各時間におけるファンブレードと衝突する空気の速度情報に変換することで、時間領域における空気の速度情報に変換することを特徴とする請求項３記載の空気調和機の騷音予測方法。
  5. 空気の速度に対する各位置の軸および空気の速度の他の軸を有する座標系として表現された速度プロファイルを得る段階と；前記各位置の軸の値を前記ファンブレードの線速度で分けて前記時間領域における空気の速度情報を得る段階とをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の空気調和機の騷音予測方法。
  6. 速度スペクトルは、前記時間領域における空気の速度情報にフーリエ変換をして得られることを特徴とする請求項５記載の空気調和機の騷音予測方法。
  7. 前記空気の速度情報を解析して騷音を予測する騷音予測段階は、前記速度スペクトルの第１乃至第３ピーク値から騷音レベルを予測する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の空気調和機の騷音予測方法。
  8. 一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化するモデリング段階と；モデル化された空気調和機における熱交換器の後方で空気の速度分布を解析して騷音を予測する段階と；予測された騷音が所定水準以上であるかどうかを判断し、所定水準以上である場合、作動条件を再びモデリングし、所定水準以下である場合、モデリングされた条件によって空気調和機を製造する段階とを含むことを特徴とする空気調和機の製造方法。
  9. 一つ以上の熱交換器の形状、ファンの形状、ファンの回転速度などの空気調和機の作動条件をモデル化する段階を一回以上反復し、作動条件によって製造された熱交換器の後方で空気の速度分布から騷音を予測する段階と；モデリングおよび予測段階を反復して得られた結果のうち、最小の騒音水準を有すると予測されたモデルによって空気調和機を製造する段階とを含むことを特徴とする空気調和機の製造方法。
  10. 前記空気の速度分布から騷音水準を予測する段階は、前記空気の速度分布を周波数領域における空気の速度情報に変換した後、速度スペクトルを得る段階と；前記速度スペクトルの第１乃至第３ピーク値から騷音レベルを予測する段階とを含むことを特徴とする請求項９記載の空気調和機の製造方法。
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