JP2007113474A - 送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】翼構造を改善することによって高効率化が可能な送風機を提供する。
【解決手段】ボス２の外周部に複数枚の翼３を取り付けた羽根車１を備え、翼３は、羽根車１の回転軸を中心とする円筒断面において翼３の前縁端と後縁端とを結んだ直線と、羽根車１の回転軸に平行でかつ上記直線と交わる直線との成す角γが、羽根車１の半径方向に対して変化し、上記角γが、翼３の内周端３１から外周側３２０に向かって減少すると共に、翼３の外周端３２から内周側３１０に向かって減少し、翼３の内周端３１と外周端３２との間で極小値を有する翼形状である。この構成により、ボスせん断力および遠心力の影響による流量の全体的または局部的減少に起因する流れの剥離を抑制することができ、騒音増大を伴うことなく、羽根車を高効率化することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば空調機などに用いられる送風機に関するもので、特にその翼形状に関するものである。

従来の翼形状を改善して高効率化を実現する送風機としては、例えば特許文献１に示されるものがある。この送風機は、ボスの周囲に複数の翼を一体的に形成してなる軸流送風機であって、回転中の空気流出部に当たる翼後縁端と翼外周端とが交わる角部を空気の流出方向に凸状に膨出する膨出部を形成すると共に、回転軸の中心から翼の最外周までの半径をＲとしたとき、上記膨出部を０．６Ｒ〜Ｒの範囲に形成したものである。

特開２００３−６５２９５号公報（第３頁、第２図）

しかしながら上記のような送風機は、翼の後縁側の面積が小さく、翼の仕事量が低下するため、一定風量を得るためにはそれまでの従来の送風機に比べて回転数を増加させねばならず、騒音増大を伴うという問題があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、騒音増大を伴うことなく、高効率な送風機を提供することを目的とする。

本発明に係る送風機は、ボスの外周部に複数枚の翼を取り付けた羽根車を備え、上記翼は、上記羽根車の回転軸を中心とする円筒断面において上記翼の前縁端と後縁端とを結んだ直線と、上記羽根車の回転軸に平行でかつ上記直線と交わる直線との成す角γが、上記羽根車の半径方向に対して変化し、上記角γが、上記翼の内周端から外周側に向かって減少すると共に、上記翼の外周端から内周側に向かって減少し、上記翼の内周端と上記翼の外周端との間で極小値を有する翼形状であるものである。

本発明によれば、ボスせん断力および遠心力等の影響により軸方向流速が減少した気流に翼形状を適合させる構成であるため流れの剥離が抑制でき、剥離による損失を低減することができるので、騒音増大を伴うことなく、送風機の高効率化を実現することができる。

実施の形態１．
図１〜図３は本発明の実施の形態１による送風機を説明するための図である。より具体的には、図１は本実施の形態１による送風機の正面図、図２は図１に示した送風機の要部側面図、図３は本実施の形態１に係わる羽根車の断面図であり、図３（ａ）は図１のＩ−Ｉ線断面図、図３（ｂ）は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３（ｃ）は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
なお、Ｉ−Ｉ線断面は、翼３の内周端３１を含み、羽根車１の回転軸を中心とする円筒断面である。また、ＩＩ−ＩＩ線断面は、翼３の内周端３１から外周側３２０へ距離Ｌａだけ離れた位置３５における回転軸を中心とする円筒断面、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面は、翼３の外周端３２を含み、羽根車１の回転軸を中心とする円筒断面である。
図４は従来の羽根車の断面図であり、正面図は図１と同様の形状である。図４（ａ）は図１のＩ−Ｉ線に相当する個所の断面図、図４（ｂ）は図１のＩＩ−ＩＩ線に相当する個所の断面図、図４は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する個所の断面図である。

本発明の実施の形態１による送風機は軸流送風機であって、図１に示すように、ボス２の外周部に複数枚の翼３を一定間隔で取り付けた羽根車１を備えている。図中の矢印Ａは羽根車１の回転方向を示している。また、羽根車１は図２に示すように、ベルマウス４と所定の半径方向間隔をおいて配置され、回転することにより矢印Ｂに示す方向に送風するように構成されている。
なお、本実施の形態では翼３は３枚の例を示しているが、３枚に限定されるものではない。
翼３はその前縁端３３が回転方向へ伸びた前進翼であり、さらに、翼３は、翼弦（羽根車１の回転軸を中心とする円筒断面において翼３の前縁端３３と後縁端３４とを結んだ直線）に対し負圧面３ａ側へ凸形状となるように反りが付加されており、羽根車１の半径方向に亘って常に翼３の圧力面３ｂ側に曲率の中心を持つ。

本発明の実施の形態１による羽根車１の特徴とする点は、翼弦と、羽根車１の回転軸に平行でかつ翼弦と交わる直線との成す角度を食違い角γとすると、食違い角γが羽根車１の半径方向に対して変化し、翼３の内周側３１０では内周端３１から外周側３２０に向かって減少すると共に、翼３の外周側３２０では外周端３２から内周側３１０に向かって減少し、翼３の内周端３１と外周端３２との間で極小値を有する翼形状であることである。すなわち、図３に示すように、翼３の内周端３１の食違い角をγａ、翼３の外周端３２の食違い角をγｂ、食違い角が極小値γｍとなるときの、翼３の内周端３１からの距離をＬａ（食違い角極小値半径）３５とすると、翼３の内周側３１０においては、翼３の内周端３１から食違い角極小値半径Ｌａ３５までの食違い角γが半径の増加とともに減少し（γａ＞γ＞γｍ）、翼３の外周側３２０においては、食違い角極小値半径Ｌａ３５から翼３の外周端３２までの食違い角γが半径の増加とともに増加する（γｂ＞γ＞γｍ）形状を有することである。

従来の軸流送風機では、図４に示すように、翼３の内周端３１での食違い角γａ’、翼３の中央部での食違い角γｍ’、および翼３の外周端３２での食違い角γｂの関係は、γａ’＜γｍ’＜γｂとなるように設計されている。これは、気流が翼面の同一半径上の線素である翼素に沿って流れると仮定した場合の２次元的な最適設計である。
しかしながら、実際の３次元流れにはそのまま適用できない。すなわち、翼３の内周側３１０における流れは、羽根車１が回転することにより発生する遠心力によって、翼３の前縁端３３から後縁端３４に向かって流れるにつれ、翼３の外周側３２０に向かう流れとなる。この作用により、翼３の内周側３１０では流量が減少するため、軸方向の流速Ｖ１が減少し、その結果、軸方向の流速Ｖ１と回転速度Ｖ２との合成ベクトルＶ３で示される相対流速ベクトルの軸方向に対する角度（翼３への気流の流入角）が大きくなり、翼３の負圧面３ａでは流れの剥離を引き起こす。また、翼３の内周側３１０の気流は、ボス２の壁面からせん断力を受けて軸方向流速が減少するため、内周側３１０で流量の減少を引き起こすので、同様に、流入角が大きくなり剥離流れを生じる。

本発明者らは、上記のように、翼の内周側に発生する遠心力による流量欠損、および翼の内周側に発生するボスせん断力による流量欠損により、従来の軸流送風機構成では剥離渦を形成する現象を発見すると共に、この剥離渦がエネルギーの損失、効率の低下を引き起こすことを発見した。
本発明は、このような現象の発見に基づきなされたものであり、遠心力やボスせん断力などにより翼の内周側で軸方向流速が減少した気流に翼の形状を適合させることにより、流れの剥離を抑制し、剥離による損失を低減して、高効率な送風機を提供するものである。

すなわち、本実施の形態では、翼３の内周側３１０において、翼３の内周端３１から食違い角極小値半径Ｌａ３５までの食違い角γが半径の増加とともに減少する構成とすることにより、上記現象により減少した軸方向の流速Ｖ１と回転速度Ｖ２との合成ベクトルＶ３で示される相対流速ベクトルが、翼３の負圧面３ａに沿うように流れるようになり、剥離流れが減少する。その結果、渦の発生が軽減され、渦の消散によるエネルギーの損失を抑制し、高効率化が可能となる。

ベルマウス４形状や風路形状により、上記剥離の領域は異なるが、翼３の内周端３１から翼３の外周端３２までの半径方向長さをＬとしたとき、食違い角γが半径の増加とともにγａよりγｍまで減少していく距離Ｌａと上記Ｌとの比であるＬａ／Ｌを０．１≦Ｌａ／Ｌ≦０．５の範囲にするとより効果的に剥離を抑制でき、確実な高効率化が可能となる。また、そのときの翼３の内周端３１での食違い角γａと食違い角極小半径Ｌａ３５での食違い角γｍとの差は、１０°≦γａ−γｍ≦３０°の範囲になるようにとるとよい。
図５に、Ｌａ／Ｌ＝０．３３、γｂ＝６７．５°、γｍ＝５７．０°とし、γａを変化させた場合の効率の変化を示す。図５において、横軸はγａとγｍの差であるγａ−γｍ、縦軸は最高効率ηｍａｘである。図５より、１０°≦γａ−γｍ≦３０の°とき、従来の羽根車に比べて効率が１〜２％改善していることが分かる。
なお、図５ではＬａ／Ｌが０．３３の場合を示したが、０．１≦Ｌａ／Ｌ≦０．５の範囲において、１０°≦γａ−γｍ≦３０°の範囲にγａを設定すれば同様の効果がある。

また、本実施の形態の翼３の形状は、図１に示す形状にかぎらない。例えば、前述の従来の翼形状に対し、図４（ａ）に太い破線で示すように、内周側３１０の翼３の反り線（円筒断面における厚さ方向の中心を結ぶ線）を、同一曲率半径で前縁端３３から延長した形状にすることによって、γａをγａ’より大きくすることが出来るので、γａ＞γｍとなるように内周側３１０の翼３を前縁端３３より延長することにより、上記実施の形態と同様、γａ＞γｍ、γｂ＞γｍとなる翼形状を実現することができる。

実施の形態２．
図６〜図７は本発明の実施の形態２による送風機を説明するための図である。より具体的には、図６は本実施の形態２に係わる羽根車の断面図であり、正面図は図１と、側面図は図２と同様の形状である。図６（ａ）は図１のＩ−Ｉ線に相当する個所の断面図、図６（ｂ）は図１のＩＩ−ＩＩ線に相当する個所の断面図、図６は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する個所の断面図である。また、図７は本実施の形態２に係わる羽根車の翼の内周側の反り形状を示す説明図である。

本実施の形態２による送風機は軸流送風機であって、実施の形態１と基本形状を同じくするものであるため、以下では主に実施の形態１との相違点について述べる。
本実施の形態２に係わる羽根車１に取り付けられた翼３の特徴とする点は、図７に示すように、翼３の内周側３１０において、翼３の反りに沿った反り線３６は、翼３の前縁端３３から曲率の変曲点３７に至るまでは、圧力面３ｂ側に曲率の中心を持ち、負圧面３ａ側を凸とする反り形状を有し、曲率の変曲点３７から翼３の後縁端３４に至るまでは負圧面３ａ側に曲率の中心を持ち、圧力面３ｂ側を凸とする反り形状を有する。翼３の外周側３２０については、常に圧力面３ｂ側に曲率の中心を持ち、負圧面３ａ側を凸とする反り形状を有する。

従来の軸流送風機では、図４に示すように、翼３は内周側３１０および外周側３２０のいずれにおいても、前縁端３３から後縁端３４にかけて、一様に翼弦に対し負圧面３ａ側に凸となる反りを有している。しかし、翼３の内周側３１０においては、前述のように、翼３に沿って流れる気流は、回転している羽根車１の遠心力により、前縁端３３から後縁端３４に向かって気流が流れるに従い、除々に翼３の外周側３２０へ向かう流れとなる。これにより、気流の下流側となる翼３の後縁側は前縁側より流量が減少し、剥離流れを生じ、効率の低下の原因となる。

これに対し、本実施の形態では、翼３の内周側３１０の後縁端３４近傍の所定の領域において、翼形状を圧力面３ａ側に凸にしているため、凹から凸にかわる圧力面３ｂにおける曲率の変曲点（または凸から凹にかわる負圧面３ａにおける曲率の変曲点）３７から翼３の後縁端３４までの領域は、翼形状の軸方向への変化が翼３の前縁側と比べてなだらかとなり、上記のような遠心力による後縁側の局所的な流量の減少に伴う気流に適合した翼形状となる。その結果、翼３の前縁端３３から曲率の変曲点３７に至るまでの流れを乱すことなく、曲率の変曲点３７から翼３の後縁端３４に至る流れの剥離を効果的に抑制し、羽根車１を高効率化することが可能となる。

ベルマウス４形状や風路形状によりこの剥離領域は異なるが、図７に示すように翼３の前縁端３３と曲率の変曲点３７とを結ぶ直線の長さをＭａとし、曲率の変曲点３７と翼３の後縁端３４とを結ぶ直線の長さをＭｂとしたとき、α＝Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）とおくと、０．１＜α＜０．５となるようにすることにより、高効率化が可能となる。

また、本実施の形態において、翼３の半径方向の形状は上記実施の形態１と同様、羽根車１の回転軸を中心とする円筒断面において、翼３の前縁端３３と後縁端３４とを結んだ直線と、羽根車１の回転軸に平行でかつ上記直線と交わる直線との成す角γが、羽根車１の半径方向に対して変化し、上記角γが、翼３の内周端３１から外周側３２０に向かって減少すると共に、翼３の外周端３２から内周側３１０に向かって減少し、翼３の内周端３１と外周端３２との間で極小値を有する翼形状である。すなわち、図６において、γａ＞γｍ、γｂ＞γｍを満たしている。
γが極小値γｍとなるときのＬａに関しても、実施の形態１で示したと同様、０．１≦Ｌａ／Ｌ≦０．５となることが望ましい。
翼３の内周端３１でのγ＝γａとＬａでのγ＝γｍとの差に関しても、実施の形態１と同様、１０°≦γａ−γｍ≦３０°の範囲であることが望ましい。
α＝０．３、Ｌａ／Ｌ＝０．５のときに従来の羽根車に対して最高効率点において、効率２％の改善が確認された。

本発明の実施の形態１による送風機の正面図である。 本発明の実施の形態１による送風機の要部側面図である。 本発明の実施の形態１に係わる羽根車の断面図である。 従来の送風機の断面図である。 本発明の実施の形態１における食違い角と羽根車の最高効率との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係わる羽根車の断面図である。 本発明の実施の形態２に係わる羽根車の構成を説明する図である。

符号の説明

１ 羽根車、２ ボス、３ 翼、３ａ 負圧面、３ｂ 圧力面、３１ 内周端、３２ 外周端、３３ 前縁端、３４ 後縁端、３５ 食違い角極小値半径、３６ 翼の反り線、３７ 曲率の変曲点、３１０ 内周側、３２０ 外周側、４ ベルマウス。

Claims (6)

1. ボスの外周部に複数枚の翼を取り付けた羽根車を備え、
   上記翼は、上記羽根車の回転軸を中心とする円筒断面において上記翼の前縁端と後縁端とを結んだ直線と、上記羽根車の回転軸に平行でかつ上記直線と交わる直線との成す角γが、上記羽根車の半径方向に対して変化し、
   上記角γが、上記翼の内周端から外周側に向かって減少すると共に、上記翼の外周端から内周側に向かって減少し、上記翼の内周端と上記翼の外周端との間で極小値を有する翼形状であることを特徴とする送風機。
2. 翼の回転方向側の面を圧力面、反対側の面を負圧面としたとき、上記翼は、羽根車の回転軸を中心とする円筒断面の形状が、上記羽根車の半径方向に亘って常に、上記翼の圧力面側に曲率の中心を持つ反り形状であることを特徴とする請求項１記載の送風機。
3. 翼の回転方向側の面を圧力面、反対側の面を負圧面としたとき、上記翼は、羽根車の回転軸を中心とする円筒断面の形状が、上記羽根車の半径方向に亘って変化し、
   上記翼の内周側では、上記翼の前縁側が、上記圧力面側に曲率の中心を持つ反り形状であり、上記翼の後縁側が、上記負圧面側に曲率の中心を持つ反り形状であり、
   上記翼の外周側では、常に上記翼の圧力面側に曲率の中心を持つ反り形状であることを特徴とする請求項１記載の送風機。
4. 翼の内周側において、翼の前縁端と曲率の変曲点とを結ぶ直線の長さをＭａ、曲率の変曲点と翼の後縁端とを結ぶ直線の長さをＭｂ、α＝Ｍｂ／（Ｍａ＋Ｍｂ）とすると、０．１＜α＜０．５であることを特徴とする請求項３記載の送風機。
5. 翼の内周端から外周端までの半径方向長さをＬ、γが極小値となる、翼の内周端からの半径方向の距離をＬａとしたとき、Ｌａ／Ｌは、０．１≦Ｌａ／Ｌ≦０．５の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の送風機。
6. 翼の内周端でのγ＝γａとＬａでのγ＝γｍとの差は、１０°≦γａ−γｍ≦３０°の範囲であることを特徴とする請求項５記載の送風機。

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