JP2007162465A - ターボファンおよびそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のターボファンと同じ大きさでも、送風能力の増大および騒音を低減させたターボファンの構造を提供する。
【解決手段】回転軸が固定されるハブ１１と、同ハブ１１に対向配置される円環状のシュラウド１２と、同シュラウド１２の内径面を入口１５とし、ハブ１１の外径とシュラウド１２の外径との間を出口１６とする空気通路を２分する円環状の仕切板１７と、ハブ１１と仕切板１７との間、及びシュラウド１２と仕切板１７との間にそれぞれ配置される複数のブレード１３とを備えたターボファンにおいて、ハブ１１の外径寸法に対するシュラウド１２の入口１５の側の内径寸法の比率を０．７２〜０．８６にする。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和機に係わり、より詳細には、これに搭載されているターボファンの送風効率を向上させると共に、騒音を低減させた構造に関する。

従来のターボファンを備えた空気調和機としての天井埋込形空気調和機を図５で示す。ただし、図５は、見易さのために、実際に天井に取付けられる際と上下逆にして描かれ、また、内部構造を説明するために一部切除した状態を示している。ターボファン１０１は、この空気調和機２０の中央に配置されている。ターボファン１０１が回転することによって空気が吸込口２１から吸い込まれ、周囲に配置された熱交換器２３に導かれ、熱交換器２３を通過することによって冷却されまたは加熱されたのちに吹出口２２から室内へ排出される。

このターボファン１０１は、上側に空気の入口１５が開口し、下側はハブ１１が覆っており、また、このハブ１１の中央には図示しないモータの回転軸２が固定されている。そして、入口１５の周囲は、シュラウド１２が取囲んでいる。シュラウド１２とハブ１１とに挟まれる外周部分には複数のブレード１３が配置され、ブレード１３の隙間の開口する部分が空気の出口１６となる。

そして、このターボファン１０１自体が一体となって回転することで、ターボファン１０１内部の空気は遠心力によって出口１６から周囲に向けて排出され、ターボファン１０１内部の気圧が低下する。したがって、入口１５から新たな空気が吸い込まれ、連続的に送風が行なわれる。

一方、このターボファン１０１を改良したものとして図６の斜視図に示すものがある。このターボファン１０２は、前述のターボファン１０１に対して仕切板１７を設けた形状になっている。この仕切板１７は、図７の要部断面図で示すように、入口１５から出口１６にかけて流路を２つに分割する形状で設けられている。仕切板１７の一端は、入口１５を外周側と内周側に同心円状に分割し、仕切板１７の他端は、出口１６を高さ方向に上下に分割している。

このため、入口１５から出口１６にかけて、空気は、流れ１９ａ，１９ｂの２通りに分かれて流れる。これは、理論的には、ターボファンを２つ重ねたのと似た構造である。この仕切板１７により、入口および出口における空気の流速分布をより均一なものにし、送風能力の増大および騒音の低減を図る構造になっている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、単に仕切板を備えた構造だけでは送風性能の向上には限界があり、近年、要求される小型で冷暖房能力が高い天井埋込形空気調和機を実現するために、さらなる送風能力の増大および騒音の低減を図る構造が求められていた。

特開２００１−８２３８４号（３頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、従来のターボファンと同じ大きさでも、送風能力の増大および騒音を低減させたターボファンの構造を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、回転軸が固定されるハブと、同ハブに対向配置されるシュラウドと、前記シュラウドの内径面を入口側とし、前記ハブの外径と前記シュラウドの外径との間を出口側とする流路を二つに区画する仕切板と、前記ハブおよび前記仕切板と前記シュラウドおよび前記仕切板との間に夫々配置される複数のブレードとを備えてなるターボファンにおいて、
前記ハブの外径寸法に対する前記シュラウドの入口側内径寸法の比率を、ファン効率を考慮すると共に、前記流路内の流速の最高ピークを低減させて均一な吹き出しにする所定の比率に設定する。

また、前記シュラウド外径と前記仕切板外径との間の出口の高さよりも、前記仕切板の外径と前記ハブの外径との間の出口の高さを大きくする。

また、前記仕切板の内径総面積に対する前記シュラウド内径と前記仕切板内径との間の総面積の比率を入口側総面積比とし、前記仕切板外径と前記ハブ外径との間の総面積に対する前記シュラウドの外径と前記仕切板外径との間の総面積の比率を出口側総面積比とした時、前記入口側総面積比と前記出口側総面積比とをほぼ同じにする。

そして、前記ターボファンを空気調和機に搭載する。

以上の手段を用いることにより、本発明によるターボファンによれば、
請求項１に係わる発明は、ハブの外径寸法に対するシュラウドの入口側内径寸法の比率を、ファン効率を考慮すると共に、流路内の流速の最高ピークを低減させて均一な吹き出しにする所定の比率に設定することにより、送風効率を向上させると共に、騒音を低減させることができる。

請求項２に係わる発明は、シュラウド外径と仕切板外径との間の出口側総面積よりも、仕切板の外径とハブの外径との間の出口側の総面積を大きくすることにより、送風効率を高めることができる。

請求項３に係わる発明は、仕切板の内径総面積に対するシュラウド内径と仕切板内径との間の総面積の比率を入口側総面積比とし、仕切板外径とハブ外径との間の総面積に対するシュラウドの外径と仕切板外径との間の総面積の比率を出口側総面積比とした時、入口側総面積比と出口側総面積比をほぼ同じにすることにより、送風効率と送風による騒音とをバランスよく改善することができる。

請求項４に係わる発明は、請求項１〜請求項３のターボファンを空気調和機に搭載することにより、送風効率を高めて熱交換能力を改善したり、騒音を低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明によるターボファンの実施例を示す、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側断面図である。なお、背景技術で説明した構成については、同じ番号を付与して詳細な説明を省略する。また、空気調和機本体も背景技術で説明したものを使用する。

ターボファン１は、モータの回転軸（図示せず）が固定される断面釣鐘状のハブ１１と、同ハブ１１に対向配置される円環状のシュラウド１２と、シュラウド１２の内径面を入口１５とし、ハブ１１の外径とシュラウド１２の外径との間を出口１６とする空気通路を２分する円環状の仕切板１７と、ハブ１１と仕切板１７との間、及びシュラウド１２と仕切板１７との間にそれぞれ配置される複数のブレード１３とを備えている。

このため、入口１５はシュラウド１２の内径と仕切板１７との間である上段入口１５ａと、仕切板１７の内径面である下段入口１５ｂとに分割されている。一方、出口１６は、シュラウド１２の外径と仕切板１７との間である上段出口１６ａと、仕切板１７とハブ１１の外径との間である下段出口１６ｂとに分割されている。
図１（Ｂ）に示すように、ターボファン１の断面において、中心線から半径方向に見た場合、ハブ１１とシュラウド１２と仕切板１７とは、その断面形状が略円弧状に形成されている。従って、入口１５から下方に吸い込まれた空気は、円弧状に送風方向を変更され、出口１６から横方向に吹き出されることになる。

この実施例では、シュラウド１２の内径（Ｄｓ２）を２６６ｍｍ、仕切板１７の内径（Ｄｃ２）を２１０ｍｍ、ハブ１１の外径（Ｄｆ２）を３２０ｍｍとし、また、上段出口１６ａを４１ｍｍに、下段出口１６ｂを６２ｍｍにそれぞれ設定している。また、ターボファン１の高さは１６０ｍｍである。
また、シュラウド１２と仕切板１７とは同心状に配置されているが、仕切板１７の下段入口１５ｂが、シュラウド１２の上段入口１５ａよりも所定の寸法（９ｍｍ）だけ低く構成されている。

本発明の特徴はハブ１１の外径寸法（ターボファン１の外径寸法）に対するシュラウド１２の入口側内径寸法の比率を特定の範囲にしてファンの効率を向上させることである。つまり、図５のターボファン１０１に、図６で説明したような単純に仕切板１７を設けた構造でなく、仕切板１７を設けた効果を最大限に引き出すためのシュラウド１２の入口側内径寸法を特定する。

このため、図５の空気調和機を用いて、図５のターボファン１０１と同じ外径寸法と同じ高さのターボファン１を作成し、それぞれのシュラウド１２の内径を変化させながら、ファン効率を比較測定した。

図４はこのファン効率を比較測定した結果を示すグラフであり、縦軸はファン効率（単位：％）を表し、横軸はそれぞれのターボファンの外径寸法に対するシュラウドの内径寸法の比率を表している。このグラフで「従来の形状」は図５のターボファン１０１を表し、「実施例での形状」は図１（Ａ）のターボファン１を示す。

なお、図５で示すように従来のターボファン１０１のファンの直径をＤｆ１に、また、シュラウドの内径をＤｓ１と定義する。また、図１（Ｂ）の本実施例のターボファン１のファンの直径をＤｆ２、シュラウドの内径をＤｓ２と定義する。従来と本実施例での外形寸法を同じにして比較するので、Ｄｆ１＝Ｄｆ２＝３２０ｍｍとし、また、ファンの高さをどちらも１６０ｍｍとする。
そして、このＤｓ１とＤｓ２とを２０８ｍｍ（比率が０．６５）から２７５ｍｍ（比率が０．８６）まで変化させて、その時のファン効率をグラフにプロットした。

図４を参照すると、従来の形状（ターボファン１０１）はこの比率が０．７２のときにファン効率が最大（６０％）になり、実施例での形状ではこの比率が０．７８のときにファン効率が最大（６６％）になることが読み取れる。従って、従来の形状での最大効率、つまり、６０％より大きい範囲が実施例での形状における効果のある範囲となる。図４を参照すると、０．７２〜０．８６の比率の範囲が効果のある範囲となる。この比率の範囲の中で騒音やファン効率を加味して最も適切な比率（所定の比率）を選択すればよい。
なお、Ｄｓ１＝Ｄｓ２＝２５０ｍｍの場合に、ターボファンの外径寸法に対するシュラウドの内径寸法の比率が、従来の形状と本実施例での形状の両方で２５０／３２０＝０．７８となる。

次に、図６に示すような仕切板１７を備えた従来型のターボファン１０２と、図１（Ｂ）に示す本実施例でのターボファン１との流速データを比較してみる。図６のターボファン１０２は、その外径Ｄｆ３＝３２０ｍｍ、高さが１６０ｍｍであり、シュラウド１２の内径Ｄｓ３＝２６６ｍｍ、仕切板１７の内径Ｄｃ３＝１８８ｍｍであり、個々の出口１６の高さが、それぞれ５１ｍｍである。

従って、本実施例と異なる部分は、仕切板１７の内径Ｄｃ３と個々の出口１６の高さ寸法である。つまり、仕切板１７で分離されたこのターボファン１０２の各空気通路の入口及び出口の面積を考えた時、２つの入口の総面積比が１：１であり、また、２つの出口の総面積比が１：１となっている。本実施例の場合は、上段入口１５ａ：下段入口１５ｂの比率が０．６０４：１であり、上段出口１６ａ：下段出口１６ｂの比率が０．６６１：１である。なお、この比率の算出方法については後で詳細に説明する。

図２〜図３はターボファンの外径寸法に対するシュラウドの内径寸法の比率が、前述した０．７８のときの流速を測定したものであり、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）が、ターボファン１０２の形状でのデータを示し、図２（Ａ’）、図２（Ｂ’）、図３（Ｃ’）、図３（Ｄ’）が本実施例の形状でのデータを示している。

また、図２は、図５で示すように、矩形の空気調和機２０の吸込口２１を正面として見た時に左の流路出口（測定ポイント）での流速を示すグラフである。図２（Ａ）と図２（Ａ’）は、風の方向を特定しない絶対値を示し、図２（Ｂ）と図２（Ｂ’）は、左方向の風（Ｘ方向成分）のみを特定した値を示している。

また、図３は、図５で示すように、矩形の空気調和機２０の吸込口２１を正面として見た時に上の流路出口（測定ポイント）での流速を示すグラフである。図３（Ｃ）と図３（Ｃ’）は、風の方向を特定しない絶対値を示し、図３（Ｄ）と図３（Ｄ’）は、上方向の風（Ｙ方向成分）のみを特定した値を示している。

図２〜図３の各図では、縦軸が流速（単位：ｍ／Ｓ）であり、横軸が出口１６におけるハブ１１の上面からの距離（単位：ｍ）を示している。また、図２〜図３の各図において、「流速絶対値」とは、測定ポイントにおける風向を無視した流速であり、「流速Ｘ方向成分」とは、測定ポイントにおいてＸ方向（例えば左方向）のみの風向き成分の流速を測定したものであり、「流速Ｙ方向成分」とは、測定ポイントにおいてＹ方向（例えば上方向）のみの風向き成分の流速を測定したものである。

一般的に空気調和機に使用されるターボファンでは、出口から、高さ方向において均等な空気が吹き出すことが要求される。これは、部分的に必要以上の早い空気が吹き出すと騒音の原因となり、また、熱交換器に均等に送風されずに熱交換能力が低減するからである。また、同様に、流速Ｘ方向成分や流速Ｙ方向成分もそれぞれの方向で、出口の高さ方向において均等な空気が吹き出すことが要求される。

このような考え方に基づいて図２〜図３を検証してみる。
図２（Ａ）の従来のターボファン１０２では、流速の最高ピークが８．５１であり、また、特性曲線の右肩の部分（出口の距離：０．１２０以上）が急激に下降している。一方、図２（Ａ’）の本実施例のターボファン１では、流速の最高ピークが８．１３にやや減少していると共に、従来のターボファン１０１での特性曲線の右肩の部分が改善され、必要以上の流速を押さえることにより、比較的均一な吹き出しに改善されていることが読み取れる。

図２（Ｂ）の従来のターボファン１０２では、ほとんどの領域に渡って逆方向への送風があり、その流速のピークは−４．３６５８であること確認できるが、図２（Ｂ’）の本実施例のターボファン１では、逆方向へのピークが−４．０００に減少していることが読み取れる。

図３（Ｃ）の従来のターボファン１０２では、流速の最高ピークが８．８７７４であり、また、特性曲線の右肩の部分（出口の距離：０．１２０以上）が急激に下降している。一方、図３（Ｃ’）の本実施例のターボファン１では、流速の最高ピークが８．３に減少していると共に、従来のターボファン１０２での特性曲線の右肩の部分が改善され、必要以上の流速を押さえることにより、比較的均一な吹き出しに改善されていることが読み取れる。

図３（Ｄ）の従来のターボファン１０２では、流速の最高ピークが４．５１６５であり、また、特性曲線のほぼ中央から右の部分が急激な谷になっている。一方、図３（Ｄ’）の本実施例のターボファン１では、流速の最高ピークが４．４に減少しているが、従来のターボファン１０２に比較して、逆方向の送風が−２．７８３８から−２．２程度に改善されている事が読み取れる。

以上説明したように、従来のターボファン１０２よりも流速のピークを減少させ、代わりに出口の距離の広い領域に渡って出来るだけ均一な送風特性に改善したため、この均一な送風特性により騒音の低減を図ることがでる。

なお、ここには図示しないが、図５で示すように、矩形の空気調和機２０の吸込口２１を正面として見た時に、右の流路出口での流速とその時の流速Ｘ方向成分のデータや、吸込口２１を正面として見た時に下の流路出口での流速とその時の流速Ｙ方向成分のデータも前述と同様の傾向を示している。

次に図１（Ｂ）を用いて上段出口１６ａの高さと下段出口１６ｂの高さとの関係について説明する。本実施例のようなターボファンの場合、上段出口１６ａよりも下段出口１６ｂからの送風量が多くなる傾向がある。従って、下段出口１６ｂを主として活用し、上段出口１６ａを補助的に活用することで送風効率を高めることができる。つまり、シュラウド１２の外径と仕切板１７の外径との間の出口側の高さよりも、仕切板１７の外径とハブ１１の外径との間の出口側の高さを大きくすることにより、送風効率を高めることができる。

本実施例の場合、上段出口１６ａの高さが４１ｍｍであり、また、下段出口１６ｂの高さが６２ｍｍである。従って、下段出口１６ｂの高さに対して上段出口１６ａの高さは約０．６６倍の寸法になっている。なお、ここでは、出口の高さを用いて説明しているが、シュラウド１２の外径と仕切板１７の外径とハブ１１の外径とは同じ寸法であるため、上段出口１６ａと下段出口１６ｂとのそれぞれの総面積で比較しても同様である。つまり、シュラウド１２の外径と仕切板１７の外径との間の出口側総面積よりも、仕切板１７の外径とハブ１１の外径との間の出口側の総面積を大きくすることにより、送風効率を高めることができる。

また、仕切板１７の内径総面積（下段入口側総面積）に対するシュラウド１２内径と仕切板１７内径との間の総面積（上段入口側総面積）の比率を入口側総面積比とし、仕切板１７外径とハブ１１外径との間の総面積（下段出口側総面積）に対するシュラウド１２の外径と仕切板１７外径との間の総面積（上段出口側総面積）の比率を出口側総面積比とした時、入口側総面積比と出口側総面積比とをほぼ同じにすることにより、送風効率と送風による騒音とをバランスよく改善することができる。

これは入口側総面積比に対して出口側総面積比を小さくする、つまり、相対的に下段出口１６ｂを大きくすると、吸込み時の乱流音が増加して騒音が大きくなり、一方、入口側総面積比に対して出口側総面積比を大きくする、つまり、相対的に上段出口１６ａを大きくすると、上段の送風路内側での風の剥離が発生し、送風効率が低下するためである。

本実施例の場合は、下段入口側総面積＝π×半径の２乗＝３．１４×（１／２×Ｄｃ２）の２乗＝３４６１９平方ミリメートルであり、上段入口側総面積＝シュラウド内径の総面積−下段入口側総面積でるため、上段入口側総面積＝５５５４３−３４６１９＝２０９２４平方ミリメートルとなる。一方、下段出口側総面積＝出口高さ×π×直径＝６２×３．１４×３２０（Ｄｆ２）＝６２２９８平方ミリメートルであり、同様に上段出口側総面積＝４１×３．１４×３２０＝４１１９７平方ミリメートルである。

従って、入口側総面積比＝上段入口側総面積／下段入口側総面積＝０．６０４となる。また、出口側総面積比＝上段出口側総面積／下段出口側総面積＝０．６６１となる。このように、入口側総面積比（０．６０４）と出口側総面積比（０．６６１）をほぼ同じ値とする構成になっている。

また、本実施例のターボファンを空気調和機に用いることにより、送風効率を高めて熱交換能力を改善したり、騒音を低減させることができる。

なお、本実施例のターボファンは１つの形状例を示しており、記載されている寸法や形状に限定されるものではない。また、応用例として空気調和機に限定されるものでなく、一般的な送風機構に使用しても同様の効果を得ることができる。

本発明によるターボファンの実施例を示す、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側断面図である。 矩形の空気調和機の吸込口を正面として見た時に左の流路出口での流速を示すグラフである。（Ａ）と（Ｂ）は従来のターボファン、（Ａ’）と（Ｂ’）は本発明によるターボファンを示し、（Ａ）と（Ａ’）は、風の方向を特定しない絶対値を示し、（Ｂ）と（Ｂ’）は、左方向の風（Ｘ方向成分）のみを特定した値を示している。 矩形の空気調和機の吸込口を正面として見た時に上の流路出口での流速を示すグラフである。（Ｃ）と（Ｄ）は従来のターボファン、（Ｃ’）と（Ｄ’）は本発明によるターボファンを示し、（Ｃ）と（Ｃ’）は、風の方向を特定しない絶対値を示し、（Ｄ）と（Ｄ’）は、上方向の風（Ｙ方向成分）のみを特定した値を示している。 従来と本発明によるターボファンの効率を示すグラフである。 従来の空気調和機を示す斜視図である。 仕切板を備えた従来のターボファンを示す斜視図である。 仕切板を備えた従来のターボファンの要部断面図である。

符号の説明

１ ターボファン
２ 回転軸
１１ ハブ
１２ シュラウド
１３ ブレード
１５ 入口
１５ａ 上段入口
１５ｂ 下段入口
１６ 出口
１６ａ 上段出口
１６ｂ 下段出口
１７ 仕切板
１９ａ、１９ｂ 流れ
２０ 空気調和機
２１ 吸込口
２２ 吹出口
２３ 熱交換器
１０１ ターボファン
１０２ ターボファン

Claims (4)

1. 回転軸が固定されるハブと、同ハブに対向配置されるシュラウドと、前記シュラウドの内径面を入口側とし、前記ハブの外径と前記シュラウドの外径との間を出口側とする流路を二つに区画する仕切板と、前記ハブおよび前記仕切板と前記シュラウドおよび前記仕切板との間に夫々配置される複数のブレードとを備えてなるターボファンにおいて、
   前記ハブの外径寸法に対する前記シュラウドの入口側内径寸法の比率を、ファン効率を加味すると共に、前記流路内の流速の最高ピークを低減させて均一な吹き出しにする所定の比率にしてなることを特徴とするターボファン。
2. 前記シュラウド外径と前記仕切板外径との間の出口の高さよりも、前記仕切板の外径と前記ハブの外径との間の出口の高さを大きくしてなることを特徴とする請求項１記載のターボファン。
3. 前記仕切板の内径総面積に対する前記シュラウド内径と前記仕切板内径との間の総面積の比率を入口側総面積比とし、前記仕切板外径と前記ハブ外径との間の総面積に対する前記シュラウドの外径と前記仕切板外径との間の総面積の比率を出口側総面積比とした時、
   前記入口側総面積比と前記出口側総面積比とをほぼ同じにしてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボファン。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のターボファンが用いられてなることを特徴とする空気調和機。

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