JP2009275524A - 軸流送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】翼外周部が気流の上流方向に屈曲し、翼の大部分がベルマウス風洞内に収容された軸流送風機であって、翼端渦に起因する騒音が低く、かつ、送風性能の低下度合いが小さい軸流送風機を得ること。
【解決手段】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、外周部が上流側へ屈曲し、回転軸方向に送風する複数の翼と、を備えて成るプロペラファンと、前記翼の大部分を収容し、大径の吸込口側から吹出口側に向かって漸次縮径するベルマウス風洞と、を備える。
【選択図】 図８

Description

本発明は、換気扇やエアコン等に用いる軸流送風機に関するものである。

軸流送風機では、翼が回転すると翼の圧力面と負圧面の圧力差により、翼外周部において圧力面側から負圧面側へ翼外周部を回り込むような漏れ流れが生じる。翼負圧面側では、この漏れ流れに起因する翼端渦が生成され、翼圧力面、隣接翼又はベルマウスと干渉して騒音を発生させている。この翼端渦の干渉を低減させて低騒音化を図るために、翼外周部を気流の上流方向に屈曲させた翼が提案されている。

また、換気扇やエアコン等に用いられる軸流送風機では、プロペラファン単体で用いられる例は少なく、気流の整流化や圧力上昇を目的として、プロペラファンとベルマウスを組合わせて用いられることが多い。従って、プロペラファンのみならず、ベルマウスの形状、プロペラファンとベルマウスの位置関係等が、軸流送風機の送風−騒音特性に大きく影響する。

従来、ハブの外周に複数の翼を周設したプロペラファンと、ファンガイドとから成る軸流送風機であって、前記翼の平均流面における迎え角を略６０°とし、前記ファンガイドを筒形に形成すると共に、前記ファンガイドの軸方向長さを、前記翼の高さに対し０．８Ｈ以上とし、かつ、前記ファンガイドの吸込側端部を前記翼の吸入側端部に対し吹出側に変位させて、その変位量Ｕを０．３Ｈ≦Ｕ≦０．５Ｈとしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、駆動源により回転されるプロペラファンを備え、そのプロペラファンの後方に所定量のスペースを確保しつつ当該プロペラファンを内包する管状の空気導通部と、前記プロペラファン前方の広範囲の空気を前記空気導通部へ導くために前記空気導通部に連続してプロペラファンの前方へ開放されるシュラウドを備えた軸流送風機において、前記シュラウドの前記開放部を前記空気導通部へ収束させるように斜状に形成し、前記プロペラファンの各翼を、その回転方向へ前進させるように傾けて設ける一方、プロペラファンの回転軸線に対しては当該軸線方向において各翼の前縁部が略垂直になるようにし、そのプロペラファンの回転軸方向の前端側を前記空気導通部と解放部との境目から前記開放部へ所定量だけ前進させて配置したものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、回転中心となるハブの外周面に、エアフォイル翼で代表される厚肉翼形状の複数の翼を形成してなるプロペラファンと、該プロペラファンの半径方向外側に位置して吸込領域と吹出領域とを仕切るベルマウスと、前記プロペラファンの吹出側に位置するファンガードとを備えた送風装置であって、前記ベルマウスが、吸込側に位置する吸込側円弧部と、吹出側に位置する吹出側円弧部と、該吹出側円弧部と前記吸込側円弧部との間に位置する円筒部とを有して構成されていて、前記ベルマウスにおける軸方向高さのうち前記各翼の外周部とオーバーラップしている部分の高さをＨ_１とし、前記各翼の外周部における軸方向高さをＨ_０としたとき、Ｈ_１／Ｈ_０＝０．４０〜０．６５の範囲となるように設定されているものがある（例えば、特許文献３参照）。

特許文献１〜３に開示された従来の軸流送風機は、プロペラファンの翼弦中心から翼後縁にかけてベルマウスとオーバーラップする半開放ベルマウスを有するものや、プロペラファンの殆んどがベルマウス風洞内に収容される形態のものである。

翼外周部を気流の上流方向に傾斜させた形状のプロペラファンについても、ベルマウスとの位置関係について最適位置が提案されている。

例えば、回転中心となるハブと、該ハブの外周面に設けられた、前縁および後縁の外周端が回転方向前方に位置する複数枚の翼と、空気吸込口側第１のアール面部、該アール面部の下流側の所定の幅の円筒部、該円筒部の下流側の空気吹出口側第２のアール面部よりなり、上記複数枚の翼の外周に設けられたベルマウスとを備え、上記各翼の外周端部を吸込側に傾斜させてなる軸流送風機であって、上記各翼の上記傾斜した後縁部の外周端が、それぞれ上記ベルマウスの上記円筒部の空気吹出側端部に位置するとともに、前記傾斜した部分を除く上記各翼の後縁部が、それぞれ上記ベルマウスの上記第２のアール面部の空気吹出側端部に位置するように構成されているものがある（例えば、特許文献４参照）。

また、回転中心となるハブと、該ハブの外周面に設けられた、前縁および後縁の外周端が回転方向前方に位置する複数枚の翼とを備えて成る軸流送風機であって、上記各翼は、それぞれその外周端部が吸込側に傾斜し、かつ該傾斜部の半径方向の幅が、前縁付近から後縁付近にかけて次第に大きくなるように形成されているものがある（例えば、特許文献５参照）。

実開昭６２−１６９２９５号公報 特許第２５６０７９３号公報 特開２００２−２５７０９６号公報 特許第３７４４４８９号公報 特開２００３−１８４７９２号公報

特許文献４及び５に開示されているように、翼外周部を気流の上流方向に傾斜させたプロペラファンは、半開放ベルマウスと組合せて用いられることが多い。これに対して、翼の殆んどが、ベルマウス風洞内に収容される軸流送風機においては、翼の周囲にダクトが存在するため、半開放ベルマウスと組合わせた場合と異なり、翼に流入する空気が乱れやすくなり、この空気の乱れに起因して騒音が発生する、という問題があった。

また、ベルマウス内壁が翼に近接しているため、翼外周近傍で生成される翼端渦がベルマウス内壁と干渉して騒等が発生し、半開放ベルマウスに比べて騒音が悪化する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、翼外周部が気流の上流方向に屈曲し、翼の大部分がベルマウス風洞内に収容された軸流送風機であって、翼端渦に起因する騒音が低く、かつ、送風性能の低下度合いが小さい軸流送風機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、外周部が上流側へ屈曲し、回転軸方向に送風する複数の翼と、を備えて成るプロペラファンと、前記翼の大部分を収容し、大径の吸込口側から吹出口側に向かって漸次縮径するベルマウス風洞と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、翼外周部が気流の上流方向に屈曲し、翼の大部分がベルマウス風洞内に収容された軸流送風機であって、翼端渦に起因する騒音が低く、かつ、送風性能の低下度合いが小さい軸流送風機が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる軸流送風機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Ｓｃ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、翼外周部が負圧面側（上流側）に屈曲した実施の形態の翼の翼弦中心点Ｐｒ１の軌跡を示す図３と同様の図であり、図５は、翼外周部が負圧面側（上流側）に屈曲した実施の形態の翼の各翼弦線中心点Ｐｒ２の軌跡の定義方法を示す図４と同様の図であり、図６は、図１〜図５に示すプロペラファンをベルマウスの風洞内に収容した軸流送風機の一例を示す断面図であり、図７は、図１〜図５に示すプロペラファンをベルマウスの風洞内に収容した軸流送風機の他の例を示す断面図であり、図８は、本発明の実施の形態の軸流送風機を示す断面図であり、図９は、本発明の実施の形態の軸流送風機の変形例を示す断面図であり、図１０は、図６〜図９に示す軸流送風機の騒音低減量を示す図であり、図１１は、本発明の実施の形態の軸流送風機の別の変形例を示す断面図である。

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４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）本発明の実施の形態の翼の翼弦中心点の軌跡である。本発明の実施の形態の翼弦中心線Ｐｒ１は、ハブ２の翼弦中心点Ｐｂから翼外周部の翼弦中心点Ｐｔまでの領域で、前傾角一定の場合の翼弦中心線Ｐｒと、ハブ２の翼弦中心点Ｐｂを通り回転軸３に直交する０Ｘ軸（前傾角＝０°）とに挟まれた領域内に位置している。

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５に、翼外周部が、気流Ａの上流方向に反った実施の形態の翼の各翼弦中心点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５に示す実施の形態の翼は、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５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。

次に、上記のような形状のプロペラファン１００をベルマウス風洞７内に収容した軸流送風機について説明する。図６に示すように、軸流送風機１１０は、翼外周部が気流の上流方向に反った形状のプロペラファン１００の翼１の大部分が、ベルマウス風洞７内に収容される形態の軸流送風機である。

翼１の大部分がベルマウス風洞７内に収容されているため、ベルマウス吸込口９の曲率半径Ｒが小さいと、吸込口９にて翼外周方向からの気流の流れ（吸込み流れ）Ｂが急激に変化して乱流が生じ、この乱流を吸込むと軸流送風機１１０の騒音が極めて大きくなる。

さらに、翼１がベルマウス風洞７の内部に設置されているので、翼１の外周部近傍に生成される翼端渦がベルマウス内壁に近接し、翼端渦とベルマウス内壁の干渉による騒音も大きくなる。

図７に示す軸流送風機１２０のように、ベルマウス吸込口９ａの曲率半径Ｒを大きくすると、吸込流れＢの乱れを少なくすることができ、吸込流れＢの乱れに起因する騒音を低減することができ、図６に示す軸流送風機１１０に比べて低騒音となる。

しかし、図７に示す軸流送風機１２０のように、単に、吸込口９ａの曲率半径Ｒを大きくしただけでは、翼１の前縁部付近以外では、ベルマウス内壁が翼１の外周部と近接しており、翼端渦とベルマウス内壁の干渉に起因する騒音の低減効果は小さい。

また、図７に示す軸流送風機１２０のように、ベルマウス吸込口９ａの曲率半径Ｒを大きくしようとしても、曲率半径Ｒの大きさは、製品外郭８の寸法との兼ね合いから、製品形態によっては十分に大きくできない場合もある。

そこで、図８に示すように、本発明の実施の形態の軸流送風機１３０は、図示しないモータにより回転駆動されるハブ２と、ハブ２から径方向外方に延び、外周部が上流側へ屈曲し、回転軸方向に送風する複数の翼１と、を備えて成るプロペラファン１００と、翼１の大部分を収容し、大径の吸込口側から吹出口側に向かって漸次縮径するベルマウス風洞７と、を備えるようにしている。

また、実施の形態のベルマウス風洞７は、吸込口側の曲率半径が小さく、吹出口側に向かって曲率半径が漸次大きくなる楕円曲線９ｂ状に縮径している。さらに、楕円曲線９ｂの短軸と長軸の比が、１：２〜３となっている。

また、本発明の実施の形態の軸流送風機の変形例として、図９に示すように、ベルマウス風洞７を、直線９ｃ状に縮径させた軸流送風機１４０としてもよい。

図８又は図９に示すように、ベルマウス風洞７を、大径の吸込口側から吹出口側に向かって漸次縮径する楕円曲線９ｂ状、又は、直線９ｃ状とすることにより、吸込流れＢが急激に曲げられて、乱流となるのを抑制できるので、吸込流れＢの乱れに起因する騒音を低減することができる。

また、ベルマウス吸込口９に単純円弧形状を形成した場合に比べ、大径の吸込口側から吹出口側に向かって漸次縮径する楕円曲線９ｂ状又は直線９ｃ状とすることにより、翼１とベルマウス内壁が漸次離れることとなるため、翼外周部近傍に生成される翼端渦もベルマウス内壁と離れることとなる。

従って、翼端渦とベルマウス内壁の干渉に起因する騒音を低減することができる。さらに、翼外周部が気流の上流方向に屈曲した形状の翼１により、翼端渦に起因する騒音自体も低減されるため、さらに騒音低減効果が大きくなる。

次に、図１０を参照して、ベルマウス形式とその騒音低減量（ｄＢ）について説明する。ベルマウス形式の単純Ｒは、今回基準としたベルマウス吸込側の曲率半径Ｒの大きさである。単純Ｒ×２は、図７に示すように、ベルマウス吸込側の曲率半径を２Ｒ（基準値の２倍）とした場合である。

ストレート形状は、図９に示すように、ベルマウス吸込側が単純Ｒ×２の場合と同じ径位置から始まり、後部に向かって漸次縮径する形状である。楕円形状は、図８に示すように、楕円曲線状に、ベルマウス吸込側から後部に向かって漸次縮径する形状である。

図１０に示す騒音低減量（ｄＢ）は、上記の各ベルマウス吸込側形状による騒音低減量を実験的に確認したものである。図１０に示すように、単純にＲを大きくした場合に比べ、ストレート形状、楕円形状の方が騒音低減量（ｄＢ）が大きい。

図１１は、吸込側から後部に向かって漸次縮径するベルマウス風洞であって、翼後縁部（翼の一部分）が、ベルマウス風洞とオーバーラップしていない軸流送風機１５０を示す図である。このような軸流送風機１５０では、静圧負荷時における送風特性が悪化するなどの問題があるが、ベルマウス吸込側から後部吹出口に向かって漸次縮径しない形式のベルマウス風洞に比べ、低騒音化は達成できる。なお、図１１は、楕円形状を示しているが、ストレート形状（直線状）のものでも同様に低騒音化を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる軸流送風機は、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。 翼外周部が負圧面側（上流側）に屈曲した本発明の実施の形態の翼の翼弦中心点Ｐｒ１の軌跡を示す図３と同様の図である。 翼外周部が負圧面側（上流側）に屈曲した実施の形態の翼の各翼弦線中心点Ｐｒ２の軌跡の定義方法を示す図４と同様の図である。 図１〜図５に示すプロペラファンをベルマウスの風洞内に収容した軸流送風機の一例を示す断面図である。 図１〜図５に示すプロペラファンをベルマウスの風洞内に収容した軸流送風機の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の軸流送風機を示す断面図である。 本発明の実施の形態の軸流送風機の変形例を示す断面図である。 図６〜図９に示す軸流送風機の騒音低減量を示す図である。 本発明の実施の形態の軸流送風機の別の変形例を示す断面図である。

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´ 翼弦中心点の軌跡（翼弦中心線）
Ｐｒ１ 本発明の実施の形態の翼弦中心点の軌跡（翼弦中心線）
Ｐｒ２ 本発明の実施の形態の翼弦中心点
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の平面Ｓｃからの距離
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と翼外周部の翼弦線中心点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とを結ぶ線の上流側への傾斜角
５ 翼外周部の翼弦中心点Ｐｔにおける翼弦中心線の接線
７ ベルマウス風洞
８ 製品の外郭
９ ベルマウス吸込口（単純Ｒ形状）
９ａ ベルマウス吸込口（単純Ｒ形状 Ｒ大）
９ｂ ベルマウス吸込口（楕円曲線状）
９ｃ ベルマウス吸込口（直線状）
１３ ベルマウス吹出口
１００ プロペラファン
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０ 軸流送風機

Claims (7)

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、外周部が上流側へ屈曲し、回転軸方向に送風する複数の翼と、を備えて成るプロペラファンと、
   前記翼の大部分を収容し、大径の吸込口側から吹出口側に向かって漸次縮径するベルマウス風洞と、
   を備えることを特徴とする軸流送風機。
2. 前記ベルマウス風洞は、吸込口側の曲率半径が小さく、吹出口側に向かって曲率半径が漸次大きくなる楕円曲線状に縮径していることを特徴とする請求項１に記載の軸流送風機。
3. 前記楕円曲線の短軸と長軸の比が、１：２〜３となっていることを特徴とする請求項２に記載の軸流送風機。
4. 前記ベルマウス風洞は、直線状に縮径していることを特徴とする請求項１に記載の軸流送風機。
5. 前記翼は、前記ハブから径方向中間部の屈曲点までの第１領域における翼弦中心線を、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領域における翼弦中心線を、前記第１前傾角よりもさらに上流側に傾斜させたことを特長とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の軸流送風機。
6. 前記ハブにおける翼弦中心点と前記第２領域における翼弦中心点とを結ぶ線の上流側への傾斜角が、前記第２領域における翼弦中心点の半径のｎ次関数（１≦ｎ）となっていることを特徴とする請求項５に記載の軸流送風機。
7. 前記第２領域における翼弦中心線を一定の前傾角で上流側へ傾斜させたことを特徴とする請求項５に記載の軸流送風機。

Images