JP2009275696A - プロペラファンとそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】前縁が前進した翼では、周速度が大きく増加すると揚力と迎え角が相互に増加しつづけ、ついにはある速度で失速などを生じ翼本来の空力仕事を果たさなくなるし、翼への負荷が増加し続けたために翼破断など強度的にも弱点を有しているため、プロペラファンのファン効率を従来以上に向上させる。
【解決手段】円筒状のハブ３に外周側６の弦長がハブ３の側弦長より長く、前縁４も後縁５も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しており、翼自体の半径方向長さｂと翼の自乗平均半径位置で展開された弦長Ｌのアスペクト比ｂ／Ｌ≦１．１以内の翼枚数が２枚から構成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機などの送風機に用いられるプロペラファンの技術に関するもので、特に同翼の形状に関するものである。

従来の斜流ファンの平面図を図８に、その子午面図を図９に示す。この種のプロペラファンは図８に示した様に前縁１４が回転方向に前進している。図８と図９を用いて説明すると斜流ファン１０は、翼１２の前縁１４が前進しており、後縁１５とハブ１３とチップ１６とから構成されている。図９において、ｒ_１は略円錐台状のハブの風上側半径で、ｒ_２は風下側半径であり、Ｒ_１は翼１２の風上側半径で、Ｒ_２は風下側半径である。ｒ＝（ｒ_１＋ｒ_２）／２で、Ｒ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２であり、ｒがハブ１３の代表半径でＲが翼１２の代表半径である。代表自乗平均半径Ｒｒ＝√（（Ｒ^２＋ｒ^２）／２）であり、其の位置Ｅ−Ｅで翼１２を展開した時の弦長がＬであり、ハブ１３と翼１２の代表半径ｒとＲで規定された位置での翼１２の半径方向長さがｂであり、アスペクト比ｂ／Ｌ≦１．０の範囲で翼枚数が２枚からなる斜流ファンを構成している（例えば、特許文献１参照）。
特許第３７４３２２２号公報

しかしながら、前記従来の構成ではアスペクト比ｂ／Ｌ≦１．０の時に騒音当たりの風量が多く、翼が２枚の方が静圧特性が優れ且つ翼摩擦が３枚翼より少ないのでファン効率が良好とされている。しかし、ファン効率向上のみに着眼する時、翼設計は周速度を増加させて且つメリディアン流速を減少させて動圧を減らし、絶対速度の周方向成分も減少させる必要がある。即ち今までより周速度の増加は必須である。前縁が前進した翼では、周速度が大きく増加すると揚力と迎え角が相互に増加しつづけ、ついにはある速度で失速などを生じ翼本来の空力仕事を果たさなくなるし、翼への負荷が増加し続けたために翼破断など強度的にも弱点を有している。理論上、ファン効率向上には限界が有り、強度的にも上記のように課題を有していた。

前記従来の課題を解決するために、本発明のプロペラファンは円筒状のハブに複数枚の翼を備え、前記翼は、外周側弦長がハブ側弦長より長く、前縁と後縁とはそれぞれ螺旋曲線状に回転方向に対して後退しており、前記翼自体の半径方向長さｂと翼の自乗平均半径位置で展開された弦長Ｌのアスペクト比ｂ／Ｌをｂ／Ｌ≦１．１としたものである。

これによって、アスペクト比ｂ／Ｌ≦１．１の複数枚の翼からなり、アスペクト比が適切なので充分な空力仕事を果たしながら、翼面積投入が最も少なく適切なので翼摩擦が少なくファン効率に優れる。前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので、ファン効率向上の要件である周速度を増加させて且つメリディアン流速を減少させて動圧を減らし、絶対速度の周方向成分も減少さると言う内で、周速度を大きく増加させてもハブを流れる空気の速度に後退角の余弦を乗じた速度が翼を通過する速度になるので、翼抗力が減少して適切な揚力と迎え角を維持できる為に失速を抑制できて充分な空力仕事を果たし、且つ翼負荷を低減できるので翼強度的にも余裕を有する事が出来る。よって、更にファン効率を向上できるものである。また前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので時間をずらせて空気を切り進むので低騒音でもある。

本発明のプロペラファンは、アスペクト比ｂ／Ｌ≦１．１の複数枚の翼からなり、アスペクト比が適切なので充分な空力仕事を果たしながら、翼面積投入が最も少なく適切なので翼摩擦が少なくファン効率に優れる。前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので、ファン効率向上の要件である周速度を増加させて且つメリディアン流速を減少させて動圧を減らし、絶対速度の周方向成分も減少さると言う内で、周速度を大きく増加させてもハブを流れる空気の速度に後退角の余弦を乗じた速度が翼を通過する速度になるので、翼抗力が減少して適切な揚力と迎え角を維持できる為に失速を抑制できて充分な空力仕事を果たし、且つ翼負荷を低減できるので翼強度的にも余裕を有する事が出来る。よって、更にファン効率を向上できるものである。また前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので時間をずらせて空気を切り進むので低騒音でもある。

第１の発明のプロペラファンは、円筒状のハブに複数枚の翼を備え、前記翼は、外周側弦長がハブ側弦長より長く、前縁と後縁とはそれぞれ螺旋曲線状に回転方向に対して後退しており、前記翼自体の半径方向長さｂと翼の自乗平均半径位置で展開された弦長Ｌのアスペクト比ｂ／Ｌをｂ／Ｌ≦１．１としたものである。

これによって、アスペクト比ｂ／Ｌ≦１．１の複数枚の翼からなり、アスペクト比が適切なので充分な空力仕事を果たしながら、翼面積投入が最も少なく適切なので翼摩擦が少なくファン効率に優れる。前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので、ファン効率向上の要件である周速度を増加させて且つメリディアン流速を減少させて動圧を減らし、絶対速度の周方向成分も減少さると言う内で、周速度を大きく増加させてもハブを流れる空気の速度に後退角の余弦を乗じた速度が翼を通過する速度になるので、翼抗力が減少して適切な揚力と迎え角を維持できる為に失速を抑制できて充分な空力仕事を果たし、且つ翼負荷を低減できるので翼強度的にも余裕を有する事が出来る。よって、更にファン効率を向上できるものである。また前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので時間をずらせて空気を切り進むので低騒音でもある。

第２の発明のプロペラファンは、特に第１の発明において、翼の子午面の形状でハブと翼のチップとの中点付近より外周側は風上側に対して凹状の曲線で、中点付近よりハブ側は凸状の曲線で形成し、かつ翼の半径方向断面形状で中点付近より外周側は風上側に対して凹状の曲線で、中点付近よりハブ側は凸状の曲線で形成したものである。これによって、翼の圧力面から負圧面に向かう洩れ流れを一因として、翼のチップ付近の負圧面に発生する翼端渦の生成を翼自体の凹状曲線部で促進させ、ファン効率の向上を図る事ができる。また、ハブ側の翼の凸状曲線部で、高負荷域での半径方向流入を円滑化させ静圧の向上を同時に図る事ができる。

第３の発明のプロペラファンは、特に第１の発明において、翼の子午面の形状でハブと前記翼のチップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凹状の曲線で構成し、かつ前記翼の半径方向断面形状で前記ハブと前記チップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凹状の曲線で構成したものである。これによって、翼圧力面から負圧面に生じる洩れ流れを一因として発生する翼端渦の生成を、ハブと翼のチップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凹状の曲線部で促進させる事で良好な翼流動状態を実現でき、ファン効率向上と低騒音化を図る事ができる。

第４の発明のプロペラファンは、翼の子午面の形状でハブと前記翼のチップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凸状の曲線で構成し、かつ前記翼の半径方向断面形状で前記ハブと前記チップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凸状の曲線で構成したものである。これによって、翼外周側から流入する半径方向流を促進させると共に、翼面上の後縁側での剥離を極力防止し、良好な翼流動状態を実現できてファン効率向上と高静圧化を図ることができる。

第５の発明のプロペラファンは、特に第１〜４のうちいずれかの発明において、翼を厚翼で構成し厚翼の自乗平均半径位置の断面形状で、最大翼厚みｔと自乗平均半径位置での弦長Ｌとの比ｔ／Ｌが５〜１２％の範囲で前縁が丸みを有し、後縁が尖った翼型形状をしたものである。これによって、翼からの流れの剥離が防がれ、更なる低騒音化を達成する事が出来る。但し、ｔ／Ｌが５％から低騒音効果が発揮され、１２％で低騒音効果が飽和する。

第６の発明の空気調和機は、セパレート型空気調和機の室外機で圧縮機・熱交換器・電装・外箱を有し、室内機と接続配管で冷凍サイクルを構成し、その室外機側熱交換促進用のファンとして上記第１〜第５の発明のうちいずれか１項のプロペラファンを用いたものである。これによって、プロペラファンのファン効率が高いので、空気調和機のＣＯＰを向上させる事ができ、低騒音化も達成する事が出来る。更に静圧が高いので、空気調和機の暖房運転時に室外熱交換器に着霜が生じてもプロペラファンにより充分な風量を確保できるので、冷凍サイクルとして高暖房能力を維持することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定させるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるプロペラファンの平面図であり、図２は同プロペラファンの子午面図であり、図３は同プロペラファンの自乗平均半径位置Ａ−Ａで翼を展開した図であり、図４は同プロペラファンのアスペクト比と４１ｄＢ当たりの風量性能を示した特性図であり、図５は同プロペラファンの作動状態を示した模式図である。

図１において、プロペラファン１は、円筒状のハブ３に２枚の翼２を備えている。翼２は、回転方向の前側が前縁４であり、後側が後縁５であり、外周側がチップ６である。Ｂ−Ｂは翼２の半径方向断面位置を示している。翼２は、チップ６の弦長がハブ３側の弦長より長く、前縁４と後縁５とはそれぞれ螺旋曲線状に回転方向に対して後退しており、翼２の半径方向長さｂと翼２の自乗平均半径位置で展開された弦長Ｌ（図３に示す）のアスペクト比ｂ／Ｌをｂ／Ｌ≦１．１としたものである。図２において、自乗平均半径Ｒｒは、Ｒｒ＝√（（Ｒ^２＋ｒ^２）／２）で示される。図５のようにこのプロペラファン１をオリフィス９に収めて、モータ２０で回転させることで送風機としての機能を発揮する事ができる。

これによって、図４に示したようにアスペクト比ｂ／Ｌ≦１．１で４１ｄＢ当たりの風量が多く発揮する事ができる。翼２の枚数が２枚からなり、２枚であってもアスペクト比が適切なので充分な空力仕事を果たしながら、翼面積投入が最も少なく適切なので翼摩擦が少なくファン効率に優れる。前縁４も後縁５も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので、ファン効率向上の要件である周速度を増加させて且つメリディアン流速を減少させて動圧を減らし、絶対速度の周方向成分も減少されると言う内で、周速度を大きく増加させてもハブ３を流れる空気の速度に後退角θの余弦を乗じた速度が翼２を通過する速度になるので翼２を流れる速度が低下し、翼抗力が減少して適切な揚力と迎え角を維持できる為に失速を抑制できて充分な空力仕事を果たし、且つ翼負荷を低減できるので翼強度的にも余裕を有する事ができる。よって、２枚からなる翼２と相まって更にファン効率をより向上できるものである。また、前縁４も後縁５も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので時間をずらせて空気を切り進むので低騒音でもある。

なお、本実施の形態１では翼の枚数を２枚として説明したが、これに限定するものではない。また、図３のように前縁４から後縁５までの厚さがほぼ一定の薄翼で説明したが、後述する図１１に示すような前縁４と後縁５との間の厚みが次第に大きくなる翼型形状の
厚翼ではより大きな効果が得られる。

（実施の形態２）
図６は図１のＢ−Ｂ断面図であり、本実施の形態２におけるプロペラファンの半径方向の断面を示す。図１の平面図に示すプロペラファンにおいて、翼２の子午面の形状でハブ３と翼２のチップ６との中点（Ｃ−Ｃ）付近より外周側は風上側に対して凹状の曲線で、中点付近よりハブ側は凸状の曲線で形成し、かつ翼２の半径方向断面形状で中点（Ｃ−Ｃ）付近より外周側は風上側に対して凹状の曲線で、中点付近よりハブ側は凸状の曲線で形成したものである。

これによって、翼２の圧力面８から負圧面７に向かう洩れ流れを一因として、翼２のチップ６付近の負圧面７に発生する翼端渦の生成を翼自体の凹状曲線部で促進させ、ファン効率の向上を図る事ができる。また、ハブ３側の翼２の凸状曲線部で、高負荷域での半径方向流入を円滑化させ静圧の向上を同時に図る事ができる。

（実施の形態３）
図７は実施の形態３におけるプロペラファンの子午面図であり、図８は図１のＢ−Ｂ断面図で、同プロペラファンの半径方向の断面図を示す。本実施の形態３におけるプロペラファンの平面図は図１と同じで、自乗平均半径位置Ａ−Ａで翼を展開した図は図３と同じである。

図１の平面図に示すプロペラファンにおいて、図７のように翼２の子午面の形状でハブ３と翼２のチップ６とを繋ぐ前縁４ｂの曲線を風上側に対して凹状の曲線で構成し、かつ図８のように翼２の半径方向断面形状でハブ３と翼２のチップ６とを繋ぐ曲線を風上側に対して凹状の曲線で構成している。このように構成することで、翼圧力面８から負圧面７に生じる洩れ流れを一因として発生する翼端渦の生成を、ハブ３と翼２のチップ６とを繋ぐ凹状の曲線部で促進させる事で良好な翼流動状態を実現でき、ファン効率向上と低騒音化を図ることができる。

（実施の形態４）
図９は実施の形態４におけるプロペラファンの子午面図であり、図１０は図１のＢ−Ｂ断面図で、同プロペラファンの半径方向の断面図を示す。本実施の形態４におけるプロペラファンの平面図は図１と同じで、自乗平均半径位置Ａ−Ａで翼を展開した図は図３と同じである。

図１の平面図に示すプロペラファンにおいて、図９のように翼２の子午面の形状でハブ３と翼２のチップ６とを繋ぐ前縁４ｂの曲線を風上側に対して凸状の曲線で構成し、かつ図１０のように翼２の半径方向断面形状でハブ３と翼２のチップ６とを繋ぐ曲線を風上側に対して凸状の曲線で構成している。このように構成することで、翼外周側６から流入する半径方向流Ｆを促進させることができるので翼面上の後縁５側での剥離を極力防止し、良好な翼流動状態を実現できてファン効率向上と高静圧化を図ることができる。

（実施の形態５）
図１１は、図１に示す翼２の自乗平均半径位置Ａ−Ａで展開した翼断面図である。翼２を厚翼で構成し厚翼の自乗平均半径位置Ａ−Ａの断面形状で、最大翼厚みｔと自乗平均半径位置Ａ−Ａでの弦長Ｌとの比ｔ／Ｌが５〜１２％の範囲で前縁４が丸みを有し、後縁５が尖った翼型形状をしたプロペラファン１を提供するものである。

これによって、翼２からの流れの剥離が防がれ、更なる低騒音化を達成する事が出来る。但し、ｔ／Ｌが５％から低騒音効果が発揮され、１２％で低騒音効果が飽和することが
実験で検証することができた。外径Ф４１５のプロペラファンでｔ／Ｌ＝９％の厚翼を用いた場合、厚さがほぼ一定の薄翼に比較して約３ｄＢ（Ａ）の低騒音効果が得られている。本実施の形態５で示した厚翼の形状は、上記第１〜第４の発明のいずれにも適用できる。

（実施の形態６）
セパレート型空気調和機において、セパレート型空気調和機の室外機で圧縮機と熱交換器と電装と外箱とを有し、室内機と接続配管で冷凍サイクルを構成し、その室外機側熱交換促進用のファンとして上記第１〜第５の発明のうちいずれか１項に記載のプロペラファンを用いた空気調和機を提供するものである。

これによって、プロペラファン１のファン効率が高いので、空気調和機のＣＯＰを向上させる事ができ、低騒音化も達成する事ができる。更に静圧が高いので、空気調和機の暖房運転時に室外熱交換器に着霜が生じてもプロペラファンにより充分な風量を確保できるので、冷凍サイクルとして高暖房能力を維持することができる。

以上に記載してきた技術要件は、ハブが円柱形状のプロペラファンに限らず、ハブが円錐台形状の斜流ファンに適用しても同様の効果を発揮することができるし、特に斜流ファンはより高静圧である特性を有する。また、本発明においては静圧特性が優れ、かつ翼摩擦がより少ない翼枚数２枚で説明したが、翼枚数は２枚に限定しなくても３枚などでも同様の効果を発揮できる。

以上のように、本発明にかかるプロペラファンは、アスペクト比ｂ／Ｌ≦１．１以内の翼枚数が２枚からなるので、２枚であってもアスペクト比が適切なので充分な空力仕事を果たしながら、翼面積投入が最も少なく適切なので翼摩擦が少なくファン効率に優れる。前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので、ファン効率向上の要件である周速度を増加させて且つメリディアン流速を減少させて動圧を減らし、絶対速度の周方向成分も減少さると言う内で、周速度を大きく増加させてもハブを流れる空気の速度に後退角の余弦を乗じた速度が翼を通過する速度になるので、翼抗力が減少して適切な揚力と迎え角を維持できる為に失速を抑制できて充分な空力仕事を果たし、且つ翼負荷を低減できるので翼強度的にも余裕を有する事が出来る。よって、更にファン効率を向上できるものである。また前縁も後縁も螺旋曲線状に回転方向に対して後退しているので時間をずらせて空気を切り進むので低騒音となるので、空気調和気に限らず、換気扇や扇風機やコンピュータ用ＣＰＵ冷却ファンとしても用いることが可能である。

本発明の実施の形態におけるプロペラファンの平面図 本発明の実施の形態１におけるプロペラファンの子午面図 本発明の実施の形態１におけるプロペラファンの自乗平均半径位置Ａ−Ａでの翼展開図 本発明の実施の形態１におけるプロペラファンのアスペクト比ｂ／Ｌと４１ｄＢ当たりの風量性能図 本発明の実施の形態１におけるプロペラファンの作動状態模式図 本発明の実施の形態２におけるプロペラファンの図１のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態３におけるプロペラファンの子午面図 本発明の実施の形態３におけるプロペラファンの図１のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態４におけるプロペラファンの子午面図 本発明の実施の形態４におけるプロペラファンの図１のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態５におけるプロペラファンの自乗平均半径位置Ａ−Ａでの翼展開図 従来の斜流ファンの平面図 従来の斜流ファンの子午面図

１ プロペラファン
２ 翼
３ ハブ
４ 前縁
５ 後縁
６ チップ
７ 負圧面
８ 圧力面
９ オリフィス
２０ モータ
Ａ−Ａ プロペラファンの自乗平均半径位置
Ｂ−Ｂ プロペラファンの半径方向断面位置
Ｃ−Ｃ 翼の子午面の形状でハブと翼のチップとの中点
Ｆ 半径方向流

Claims (6)

1. 円筒状のハブに複数枚の翼を備え、前記翼は、外周側弦長が前記ハブ側弦長より長く、前縁と後縁とはそれぞれ螺旋曲線状に回転方向に対して後退しており、前記翼の半径方向長さｂと前記翼の自乗平均半径位置で展開された弦長Ｌのアスペクト比ｂ／Ｌをｂ／Ｌ≦１．１としたことを特徴とするプロペラファン。
2. 翼の子午面の形状でハブと前記翼のチップとの中点付近より外周側は風上側に対して凹状の曲線で、前記中点付近より前記ハブ側は凸状の曲線で形成し、かつ前記翼の半径方向断面形状で前記中点付近より外周側は風上側に対して凹状の曲線で、前記中点付近より前記ハブ側は凸状の曲線で形成したことを特徴とする請求項１記載のプロペラファン。
3. 翼の子午面の形状でハブと前記翼のチップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凹状の曲線で構成し、かつ前記翼の半径方向断面形状で前記ハブと前記チップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凹状の曲線で構成したことを特徴とする請求項１記載のプロペラファン。
4. 翼の子午面の形状でハブと前記翼のチップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凸状の曲線で構成し、かつ前記翼の半径方向断面形状で前記ハブと前記チップとを繋ぐ曲線を風上側に対して凸状の曲線で構成したことを特徴とする請求項１記載のプロペラファン。
5. 翼を翼型形状をした厚翼で構成し、前記厚翼の自乗平均半径位置の断面形状で、最大翼厚みｔと自乗平均半径位置での弦長Ｌとの比ｔ／Ｌが５〜１２％の範囲で、前記前縁が丸みを有し、後縁が尖った翼型形状をしたことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のプロペラファン。
6. 室外機に圧縮機と熱交換器と電装と外箱とを有し、室内機と接続配管で冷凍サイクルを構成し、前記室外機の熱交換促進用のファンとして請求項１〜５のうちいずれか１項記載のプロペラファンを用いたことを特徴とする空気調和機。

Images