JP2008255966A - プロペラファン - Google Patents

Abstract

【課題】プロペラファンが実際に動作する領域において、騒音を低減させ、かつ、ファン効率の低下を抑えたプロペラファンを得ること。
【解決手段】モータにより回転駆動されるハブ２と、前記ハブ２から径方向外方に延び、回転軸３方向に送風する複数の翼１と、を備えるプロペラファンにおいて、翼前縁部は、前記ハブ２から径方向中間部の屈曲点までの第１領域において０°より大きい一定の第１前傾角で上流側へ傾斜させ、前記屈曲点から翼外周部までの第２領域において前記第１前傾角よりもさらに上流側に傾斜させ、翼後縁部の前傾角は、前記翼前縁部のハブ２と翼外周部を結ぶ線の一定の第２前傾角に略一致させた。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、換気扇やエアコン等に用いるプロペラファンに関するものである。

従来のプロペラファンとして、ハブと、前記ハブの外周側に放射状に形成された複数の翼とを備えたプロペラファンであって、前記複数の翼は、翼外周部が翼前縁側から翼後縁側にわたって負圧面側（上流側）に屈曲するように、かつ、翼面に対する翼外周端の高さが翼弦長の中間よりも翼前縁側で最大になるように形成された屈曲部を有し、翼端渦を低減し翼端渦に起因する送風音を低減するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３８０１１６２号公報

従来の一般的なプロペラファンにおいは、翼外周付近に発生する翼端渦が、ケーシングのベルマウスと干渉したり、翼から剥離して隣接する翼と干渉したりして、騒音が発生する、という問題がある。

また、特許文献１に記載された技術によれば、翼端渦に起因する送風音を低減するために、翼外周部が前縁側から後縁側にわたって負圧面側に屈曲するようにしているので、翼がケーシングのベルマウスとオーバーラップする領域において、翼の正圧面側から負圧面側への空気の漏れが大きくなってしまう、という問題がある。

さらに、プロペラファンを備える送風機や、空調機の室外機においては、プロペラファンが実際に動作する領域は、ある程度静圧が加わった領域であり、この領域付近ではファン効率が低下する、という問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プロペラファンが実際に動作する領域において、騒音を低減させ、かつ、ファン効率の低下を抑えたプロペラファンを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、モータにより回転駆動されるハブと、前記ハブから径方向外方に延び、回転軸方向に送風する複数の翼と、を備えるプロペラファンにおいて、翼前縁部は、前記ハブから径方向中間部の屈曲点までの第１領域において０°より大きい一定の第１前傾角で上流側へ傾斜させ、前記屈曲点から翼外周部までの第２領域において前記第１前傾角よりもさらに上流側に傾斜させ、翼後縁部の前傾角は、前記翼前縁部のハブと翼外周部を結ぶ線の一定の第２前傾角に、略一致させたことを特徴とする。

この発明によれば、プロペラファンが実際に動作する領域において、翼端渦に起因する騒音を低減させ、かつ、ファン効率の低下を抑えたプロペラファンが得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるプロペラファンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、プロペラファンを示す斜視図であり、図２は、プロペラファンを回転軸に直交する平面に投影した平面投影図であり、図３は、図２における各翼弦中心点Ｐｒ´の軌跡を、回転軸と０Ｘ軸とを含む垂直平面に半径Ｒで回転投影した図であり、図４は、図３に示すような一定の前傾角δｚを有する翼の斜視図であり、図５は、一定の前傾角δｚを有する翼とベルマウスの断面図であり、図６は、翼外周部が負圧面側に屈曲した翼の翼弦中心線Ｐｒ１を示す図であり、図７は、翼外周部が負圧面側に屈曲した翼の翼弦中心線Ｐｒ１の定義方法を示す図６と同様の図であり、図８は、図６に示すような翼弦中心線Ｐｒ１を有する翼の斜視図であり、図９は、翼弦中心線Ｐｒ１を有する翼とベルマウスの断面図であり、図１０は、本発明の実施の形態のプロペラファンの翼弦中心線を示す図であり、図１１は、実施の形態のプロペラファンの翼の任意の半径における翼素の位置を示す図であり、図１２は、図３に示す翼弦中心線Ｐｒを有する図４及び図５に示す翼の任意の半径Ｒ´における翼素の展開線６と、図７に示す翼弦中心線Ｐｒ１を有する図８及び図９に示す翼の任意の半径Ｒ´における翼素の展開線を示す図であり、図１３は、翼素の展開線６と翼素の展開線７から導かれる翼素の展開線８を示す図であり、図１４は、翼素の展開線８を有する実施の形態のプロペラファンの斜視図であり、図１５は、翼素の展開線８を有する実施の形態のプロペラファンとベルマウスの断面図であり、図１６は、実施の形態の翼の前縁部１ｂ´から後縁部１ｃ´までの断面位置を示す図であり、図１７は、図１６に示すＡ１〜Ａ４の翼断面、翼端渦及びベルマウスの位置関係を示す図であり、図１８は、実施の形態のプロペラファンの動作点とファン効率の関係を実験的に求めた図であり、図１９は、実施の形態のプロペラファンの動作点と比騒音の関係を実験的に求めた図である。

図１に示すように、通常、プロペラファンは３枚翼であるが、本発明では、翼の枚数は制限されず、他の複数の枚数であってもよい。以下の説明では、主に１枚の翼の形状について述べるが、他の翼の形状も同一の形状である。

図１に示す、３次元立体形状を有する翼１が、図示しないモータに回転駆動されて回転軸３回りに矢印４の方向に回転する円柱状のハブ２の外周部に放射状に取付けられている。なお、実施の形態のハブ２は円柱状であるが、板金を折り曲げて形成されたボスの外周部に、放射状に翼１を形成してもよい。翼１の回転によって矢印Ａの方向の気流が発生する。翼１の上流側の面が負圧面となり、下流側の面が正圧面となる。

図１に示す翼１を回転軸３に直交する平面Ｓｃ（図３参照）に投影すると、図２に示す翼１´の形状となる。図２に示す点Ｐｂ´は、ハブ２の外周における翼前縁部１ｂ´から翼後縁部１ｃ´までの翼弦中心点（中点）を示す。

同様に、Ｐｔ´は、翼外周部１ｄにおける翼前縁部１ｂから翼後縁部１ｃ´までの翼弦中心点（中点）を示す。図２に示す線Ｐｒ´は、ハブの翼弦中心点Ｐｂ´から翼外周部の翼弦中心点Ｐｔ´までの任意の半径Ｒにおける各翼弦中心点の軌跡（翼弦中心線）を示す。

図３は、図２におけるハブの翼弦中心点Ｐｂ´から翼外周部の翼弦中心点Ｐｔ´までの各翼弦中心点の軌跡（翼弦中心線）、すなわち翼弦中心点Ｐｂ´−Ｐｒ´−Ｐｔ´について、任意の半径Ｒにおける各翼弦中心点Ｐｒ´を、回転軸３と０Ｘ軸とを含む垂直平面に半径Ｒで回転投影した各翼弦中心点Ｐｒの軌跡（翼弦中心線）を示す図である。

図３に示すように、回転軸３と０Ｘ軸とを含む垂直平面に回転投影された翼弦中心線Ｐｒ（各翼弦中心点Ｐｒの軌跡）は、ハブ２の翼弦中心点Ｐｂから翼外周部の翼弦中心点Ｐｔまで、気流の上流側に傾斜する前傾角δｚが、回転軸３に直交する平面Ｓｃと一定角度を成す線として表すことができる。

図４に、図３に示す一定の前傾角δｚの翼弦中心線Ｐｒを有する翼の斜視図を示し、図５に、同翼及びベルマウス５の断面図を示す。

図６に破線で示す翼弦中心線Ｐｒは、図３に示す、前傾角δｚが一定角度の翼１の翼弦中心点の軌跡であり、図６に実線で示す翼弦中心線Ｐｒ１は、外周部が、気流Ａの上流方向に反った（屈曲した）翼の翼弦中心点の軌跡である。

翼弦中心線Ｐｒと翼弦中心線Ｐｒ１とは、ハブの翼弦中心点Ｐｂと翼外周部の翼弦中心点Ｐｔとが同一位置にあり、翼外周部の翼弦中心点Ｐｔの平面Ｓｃからの距離は、Ｈとなっている。

図７に、翼外周部が、気流Ａの上流方向に反った翼の各翼弦中心点Ｐｒ２の軌跡と前傾角を示す。回転軸３から任意の半径Ｒでの翼弦中心点をＰｒ２とし、翼弦中心線Ｐｒ１上に位置する翼弦中心点Ｐｒ２の、回転軸３に直交する平面Ｓｃからの距離をＬｓとする。

図７に示す翼は、ハブ２（半径Ｒｂ）から径方向中間部の屈曲点Ｐｗまでの第１領域は、一定の第１前傾角δｚｗで上流側に傾斜させ、屈曲点Ｐｗから翼外周部までの第２領域は、前記第１領域よりもさらに上流側に傾斜させている。

翼弦中心線Ｐｒ１上の屈曲点Ｐｗの半径をＲｗ、翼外周部における翼弦中心点Ｐｔとハブ２の外周における翼弦中心点Ｐｂとを結ぶ線Ｐｒの上流側への傾斜角である第２前傾角をδｚｔとする。第１前傾角δｚｗは、次の式で表わされる。
δｚｗ＝ｔａｎ^-1（Ｌｓ／（Ｒ−Ｒｂ））
（Ｒｂ＜Ｒ≦Ｒｗ）

屈曲点Ｐｗから翼外周部（半径Ｒｔ）までの間の第２領域における任意の半径Ｒでの翼弦中心点Ｐｒ２に対応する前傾角δｚｄは、下記に示すように、半径Ｒのｎ次関数（１≦ｎ）になるように形成し、さらに、外周部の翼弦中心点Ｐｔにおける翼弦中心線Ｐｒ１の接線１５の傾斜角δｚｓを、３０°〜４５°の範囲内とする。
δｚｄ＝α（Ｒ−Ｒｂ)ⁿ＋δｚｗ
α＝（δｚｔ−δｚｗ）／（Ｒｔ−Ｒｗ）ⁿ
（Ｒｗ＜Ｒ≦Ｒｔ）
なお、上記の傾斜角δｚｄを半径Ｒのｎ次関数（１≦ｎ）とせずに、第２領域における翼弦中心線Ｐｒ１を、一定の前傾角で直線状に上流側に傾斜させるようにしてもよい。

図８は、図７に示す、翼外周部の翼前縁部１ｂ´から翼後縁部１ｃ´までが負圧面側に屈曲した翼弦中心線Ｐｒ１を有する翼の斜視図であり、図９は、同翼とベルマウスの断面図であり、図１０は、本発明の実施の形態のプロペラファンの翼の定義方法を示す図である。

実施の形態の翼形状を得るため、まず、図１０に破線で示す一定の前傾角の翼弦中心線Ｐｒを有する翼形状を定めると、図４及び図５に示す翼形状が得られる。次に、図１０に実線で示す、第１前傾角及び第２前傾角を有する翼弦中心線Ｐｒ１を有する翼形状を定めると、図８及び図９に示す翼形状が得られる。

ここで、図１１に示すように、翼１を任意の半径Ｒ´で切断すると、任意の半径の翼素１０が得られる。この任意の半径Ｒ´の翼素１０をＺ−Ｙ平面に展開投影した翼素について考える。

まず、図３及び図６に示すような、翼弦中心線Ｐｒ、Ｐｒ１を有する翼１を、図１１に示すように切断し、Ｚ−Ｙ平面に展開投影すると、図１２に示すような翼素の展開線６、７を得ることができる。

更に、図１３に示す翼素の展開線８は、翼前縁部１ｂ´の回転軸方向座標Ｚａは、翼素の展開線７の翼前縁部１ｂ´に一致させ、翼後縁部１ｃ´の回転軸方向座標Ｚｂは、翼素の展開線６の翼後縁部１ｃ´に一致させ、その間の任意の角度位置θでは、翼素の展開線６の回転軸方向座標Ｚａに、下記の式で表されるΔＺを加えて得られた翼素の展開線である。
ΔＺ＝α(θａ−θｂ)−(Ｚａ−Ｚｂ)
ここで、α＝（Ｚａ−Ｚｂ）／（θa−θ）である。

同様な作業を、外周部１ｄ´からハブ２までの、任意の半径Ｒ´について施せば、図１４及び図１５に示すような、翼前縁部１ｂ´付近が、気流Ａの上流方向に第１前傾角及び第２前傾角を有するように反り、翼後縁部１ｃ´付近が一定の第２前傾角を有するように反った翼が得られる。

図１６は、図１４及び図１５に示す翼１及びハブ２を、軸直角面Ｓｃに投影した図である。翼１について、翼前縁部１ｂ´から翼後縁部１ｃ´にかけてのＡ１〜Ａ４の位置の翼断面図を図１７に示す。

また、図１７には、翼１が回転したときの、翼１と翼端渦９との関係を示す。図１７に示すように、翼前縁部付近の断面Ａ１位置では、翼の負／正圧面の圧力差により、翼端渦９が図の矢印で示すように生じ、翼端渦９が、翼前縁部１ｂ´から翼後縁部１ｃ´に向って成長する。

実施の形態の翼形状にすることによって、図１７に示すように、翼端渦９が翼外周部１ｄ´の内側に移動し、翼１とベルマウス５のオーバーラップ部付近では、翼端渦９とベルマウス５との干渉を防ぎつつ、空気の漏れを防ぐことができる。

図１８に、図３（図４、５）、図７（図８，９）及び図１０（図１４、１５）に示す翼形状を有するプロペラファンのファン効率η_Tを示す。図１８に示すように、図１０に示す実施の形態の翼のファン効率η_Tは、図７に示す翼のファン効率η_Tに比べ、全域に亘り、＋１．０（ポイント）程度、ファン効率が高い。なお、参考に、図３に示す翼のファン効率η_Tも記載してある。

図１９に、図３（図４、５）、図７（図８、９）及び図１０（図１４、１５）に示す翼を有するプロペラファンの比騒音Ｋ_Tを示す。図１９に示すように、最小比騒音も、図１０に示す実施の形態の翼の比騒音Ｋ_Tが小さく、−１ｄＢ程度、低騒音となる。

なお、動作点ξ_T、比騒音Ｋ_T及びファン効率η_Tは、次の式で定義される。
ξ_T＝Ｐ_T／Ｑ²
Ｋ_T＝ＳＰＬ_A−１０Ｌｏｇ（Ｑ・Ｐ_T ^2.5）
η_T＝（Ｐ_T・Ｑ）／(６０・Ｐ_W）
Ｑ ：風量[ｍ³／ｍｉｎ]
Ｐ_T ：全圧[Ｐａ]
ＳＰＬ_A ：騒音特性（Ａ補正）[ｄＢ(Ａ)]
Ｄ ：プロペラファン外径[ｍ]
Ｐ_W ：軸動力[Ｗ]

以上のように、本発明にかかるプロペラファンは、換気扇やエアコン等に適している。

プロペラファンを示す斜視図である。 プロペラファンを回転軸に直交する平面に投影した平面投影図である。 図２における各翼弦中心点Ｐｒ´の軌跡を、回転軸と０Ｘ軸とを含む垂直平面に半径Ｒで回転投影した図である。 図３に示すような一定の前傾角δｚを有する翼の斜視図である。 図３に示すような一定の前傾角δｚを有する翼及びベルマウスの断面図である。 外周部が負圧面側に屈曲した翼の翼弦中心線Ｐｒ１を示す図である。 外周部が負圧面側に屈曲した翼の翼弦中心線Ｐｒ１の定義方法を示す図６と同様の図である。 図７に示すような翼弦中心線Ｐｒ１を有する翼の斜視図である。 図７に示すような翼弦中心線Ｐｒ１を有する翼及びベルマウスの断面図である。 本発明の実施の形態のプロペラファンの翼弦中心線を示す図である。 実施の形態のプロペラファンの翼の任意の半径における翼素の位置を示す図である。 図３に示す翼弦中心線Ｐｒを有する図４及び図５に示す翼の任意の半径Ｒ´における翼素の展開線と、図７に示す翼弦中心線Ｐｒ１を有する図８及び図９に示す翼の任意の半径Ｒ´における翼素の展開線を示す図である。 翼素の展開線６と翼素の展開線７から導かれる翼素の展開線８を示す図である。 図１３に示す翼素の展開線８を有する、実施の形態のプロペラファンの斜視図である。 図１３に示す翼素の展開線８を有する、実施の形態のプロペラファン及びベルマウスの断面図である。 実施の形態の翼の前縁部１ｂ´から後縁部１ｃ´までの断面位置を示す図である。 図１６に示すＡ１〜Ａ４の翼断面、翼端渦及びベルマウスの位置関係を示す図である。 実施の形態のプロペラファンの動作点ξ_Tとファン効率η_Tとの関係を実験的に求めた図である。 実施の形態のプロペラファンの動作点ξ_Tと比騒音Ｋ_Tとの関係を実験的に求めた図である。

符号の説明

１ 翼
１´ 回転軸に直交する面に投影した翼
１ｂ´ 翼前縁部
１ｃ´ 翼後縁部
１ｄ´ 翼外周部
２ ハブ
３ 回転軸
４ 回転方向
Ａ 気流の方向
Ｐｂ，Ｐｂ´ ハブの翼弦中心点
Ｐｔ，Ｐｔ´ 翼外周部の翼弦中心点
Ｐｒ，Ｐｒ´ 一定の前傾角を有する翼の翼弦中心線
Ｐｒ１ 翼外周部が負圧面側に屈曲した翼の翼弦中心線
Ｐｒ２ 翼外周部が負圧面側に屈曲した翼の翼弦中心点
Ｐｗ 一定の前傾角を変化させる起点となる屈曲点
Ｓｃ ハブの翼弦中心点を通り回転軸に直交する平面
Ｈ 翼外周部の翼弦中心点Ｐｔから平面Ｓｃまでの距離
１５ 外周部の翼弦中心点Ｐｔにおける翼弦中心線の接線
δｚ 翼の前傾角
δｚｗ 屈曲点Ｐｗより内側の第１領域の一定の前傾角（第１前傾角）
δｚｔ ハブの翼弦中心点Ｐｂと翼外周部の翼弦中心点Ｐｔとを結ぶ線の前傾角（第２前傾角）
δｚｄ 屈曲点Ｐｗより外側の第２領域における任意の半径Ｒでの翼弦中心点Ｐｒ２とハブの翼弦中心点Ｐｂとを結ぶ線の前傾角
δｚｓ 翼外周部の翼弦中心点Ｐｔにおける翼弦中心線Ｐｒ１の接線の前傾角
Ｒ´ 任意の半径位置
５ ベルマウス
６ 翼弦中心線Ｐｒを有する図４、５に示す翼の任意の半径Ｒ´における翼素の展開線
７ 翼弦中心線Ｐｒ１を有する図８、９に示す翼の任意の半径Ｒ´における翼素の展開線
８ 翼前縁部は翼素７に一致し、翼後縁部は翼素６に一致する翼素の展開線
Ｚ 回転軸方向
θ 任意の周方向角度
Ｙ Ｘ軸に直角な軸
１０ 任意の半径の翼素
Ｚａ 翼素６の前縁部の回転軸方向座標
θａ 翼素６の前縁部の周方向角度座標
Ｚｂ 翼素７の後縁部の回転軸方向座標
θｂ 翼素７の後縁部の周方向角度座標
Ａ１ 翼断面位置１
Ａ２ 翼断面位置２
Ａ３ 翼断面位置３
Ａ４ 翼断面位置４
９ 翼端渦
Ａ１´ Ａ１における翼断面
Ａ２´ Ａ２における翼断面
Ａ３´ Ａ３における翼断面
Ａ４´ Ａ４における翼断面

Claims (4)

1. モータにより回転駆動されるハブと、前記ハブから径方向外方に延び、回転軸方向に送風する複数の翼と、を備えるプロペラファンにおいて、
   翼前縁部は、前記ハブから径方向中間部の屈曲点までの第１領域において０°より大きい一定の第１前傾角で上流側へ傾斜させ、前記屈曲点から翼外周部までの第２領域において前記第１前傾角よりもさらに上流側に傾斜させ、
   翼後縁部の前傾角は、前記翼前縁部のハブと翼外周部を結ぶ線の一定の第２前傾角に、略一致させたことを特徴とするプロペラファン。
2. 前記翼の、前記ハブから翼外周部までの任意の同一半径にある翼素の回転軸方向座標は、前記同一半径の前記翼前縁部にある翼素の回転軸方向座標と、前記同一半径の前記翼後縁部にある翼素の回転軸方向座標と、の間の座標となっていることを特徴とする請求項１に記載のプロペラファン。
3. 前記屈曲点から翼外周部までの間の第２領域における任意の半径での翼弦中心点に対応する前傾角は、半径のｎ次関数となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロペラファン。
4. 前記屈曲点から翼外周部までの間の第２領域における翼弦中心線を一定の前傾角で直線状に上流側に傾斜させたことを特徴とする請求項１又は２に記載のプロペラファン。

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