JP2010156311A - 空調用プロペラファン - Google Patents

Abstract

【課題】空調用プロペラファンにおいて、優れた空力性能及び高強度を維持しつつ、軽量化及び製造コストの低減を図ること。
【解決手段】空調用プロペラファン２００は、軸穴を中心部に有する円環状ハブ５と、この円環状ハブ５の外周面に配設され且つ当該円環状ハブ５の軸方向に対して斜めに配設された複数のファンブレード７とを備える。円環状ハブ５とファンブレード７とは樹脂射出成形により一体成形されている。ファンブレード７はその圧力面７ａと負圧面との境界部を形成する外周面に開口され且つ射出成形時に形成された中空孔５０を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、空調用プロペラファンに係り、特に円環状ハブとファンブレードとを樹脂射出成形により一体成形した空調用プロペラファンに好適なものである。

空調用プロペラファンとして、金属に比べ曲面や板厚分布等の形状自由度が高く、且つ大量生産においては製造コストを低く抑える事ができる、樹脂材料で射出成形された空調用プロペラファンが多く用いられている。

射出成形される空調用プロペラファンの製造コストを低減するには、材料費と成形サイクルタイムの削減が有効である。前者としては軽量化が挙げられ、後者としては冷却時間の低減（すなわち、最大肉厚の低減）、製造工程の低減及びバランス取り工数の削減等が挙げられる。言い換えれば、部品の薄肉化、一体成形による部品点数低減、成形の安定化等が、製造コストを低減する上で有効である。

また、空調用プロペラファンの空力性能の点では、ファンブレードの断面を肉厚形状とし、ファンブレードの前縁側から後縁側に向かって次第に肉厚が薄くなるエアロフォイル形状とすることにより、乱流が抑制され、騒音や効率に対し有利であることが知られている。このような厚肉断面のファンブレードを採用するにあたっては、材料費アップと成形サイクルタイムの増加が問題となる。

さらには、空調用プロペラファンの信頼性の点では、回転中における周囲からの落下物や周辺部品等との接触によってファンブレードが破損することを防止する必要がある。衝撃エネルギーは衝突速度が大きい程大きくなるので、回転体の最外周、すなわちファンブレードの外周側が最も破損しやすい傾向にある。耐衝撃性の向上には、ファンブレードの外周側の肉厚を増加してその強度を高めることが有効であるが、反面、回転中の遠心力が増加し、ファンブレードを支える円環状ハブとの境界周辺の応力が増加するため、回転強度に対しては不利となる。元来、ファンブレードの根元の厚肉化が必要であるが、遠心力は質量ｍ×半径ｒ×回転数ω^２の関係が成り立つため、耐衝撃性向上のためにファンブレードの外周側の肉厚をアップさせると、これを補うべく、ファンブレードの根元肉厚を更に増加させなければならない。その結果、ファンブレードの最大肉厚が増加し、サイクルタイムの増加、延いては製造コストの増加を招く。

さらには、一般的な静止部品等では成形時にガスを注入することによる中空成形が有効であるが、プロペラファンのような回転体にこれを適用すると、形状が安定しないため、大きな質量アンバランスが生ずる。質量アンバランスが大きくなると、製品の振動や騒音が増加するため、例えば、数ｋｇのプロペラファンでも、質量アンバランス量を１ｇ以下に抑えることが一般的に行われている。

従来のプロペラファンとしては、特開平１０−４７２９８号公報（特許文献１）、特開２０００−１６１２９５号公報（特許文献２）及び特開平１０−２５２６９２号公報（特許文献３）に示されたものがある。

特開平１０−４７２９８号公報 特開２０００−１６１２９５号公報 特開平１０−２５２６９２号公報

特許文献１のプロペラファンでは、ファンブレードの片面全体に別部品で成形した蓋体を溶着し、圧力面側と負圧面側との間に中空部を設けている。このプロペラファンは、軽量化と強度の点では優れているが、大きな蓋体の溶着工程が必要となるため、製造コストがアップする共に、蓋体の溶着不良があった場合には大きな蓋体が飛散するという安全性の問題もある。

また、特許文献２のプロペラファンでは、蓋体とプロペラファン本体とを移動金型にて別々に成形し、金型を移動させた後に再び型合わせ及び再充填させることで、両者を溶着結合させている。このプロペラファンは、蓋体とプロペラファン本体との結合工程が個々の成形工程と連続して行える点で製造工程が短縮されるが、結合工程（金型移動と再充填）が存在するため、サイクルタイムが長くなると共に、金型構造及び成形設備が複雑且つ大掛かりとなるという問題がある。

さらには、特許文献３のプロペラファンでは、ファンブレードの負圧面に網目状リブを設けることで、軽量化と高強度化を実現している。この実現手段は、基本翼断面が比較的一定厚さでかつ薄肉断面である場合には有効な方法であるが、厚肉断面の場合にはリブ自体の重量増加により回転強度が低下するため、厚肉化にも限界がある。また、リブのエッジで渦や乱れが生じやすく、騒音への影響も懸念される。

本発明の目的は、優れた空力性能及び高強度を維持しつつ、軽量化及び製造コストの低減が図れる空調用プロペラファンを提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明では、軸穴を中心部に有する円環状ハブと、この円環状ハブの外周面に配設され且つ当該円環状ハブの軸方向に対して斜めに配設された複数のファンブレードとを備え、前記円環状ハブと前記ファンブレードとは樹脂射出成形により一体成形されている空調用プロペラファンにおいて、前記ファンブレードはその圧力面と負圧面との境界部を形成する外周面に開口され且つ射出成形時に形成された中空孔を有している構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記中空孔は直線かつ平行に配置された複数の中空孔で構成されていること。
（２）前記中空孔は当該空調用プロペラファンの半径の５０％以上の位置から半径方向外側にのみ延びるように設けられていること。
（３）前記ファンブレードはその前縁側から後縁側に向かって次第に肉厚が薄くなるエアロフォイル形状とされ、前記中空孔は前記ファンブレードの前縁側で且つ前記円環状ハブよりその軸方向外方にのみ位置して設けられていること。
（４）ファンガードを有する吹出口の直下に配置されると共に、前記中空孔は前記ファンブレードの後縁側に設けられていること。
（５）前記中空孔は前記ファンブレードの樹脂材料の比重よりも小さな比重の異種樹脂材料の埋設部材が充填されていること。
（６）前記ファンブレードの半径の５０％以上の位置から半径方向外側の一部もしくは全域を覆うエラストマー部材を備え、前記エラストマー部材は、前記ファンブレードと一体に成形されていると共に、前記中空孔の開口を覆うように成形されていること。

係る本発明の空調用プロペラファンによれば、優れた空力性能及び高強度を維持しつつ、軽量化及び製造コストの低減が図れる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の空調用プロペラファン２００を図１から図４を用いて説明する。

まず、本実施形態の空調用プロペラファン２００を搭載した空調機の室外機１００を図１及び図２を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態の空調用プロペラファン２００を搭載した空調機の室外機１００を正面から見た断面図、図２は図１の室外機１００を側面から見た断面図である。

室外機１００の外郭を形成する筐体３００は、正面カバー３０１、側面カバー３０２、上面カバー３０３、ファンガード３０４、底板３０５及び脚３０６を備え、概略矩形状に構成されている。この筐体３００は、室外空気の吸込用として側面カバー３０２の背面側に形成された吸込口と背面全体に形成された吸込口とを有し、室外空気の吹出用として上面カバー３０３の中央部に形成された吹出口を有している。筐体３００の正面側は脱着可能な正面カバー３０４によって遮蔽されている。

上面カバー３０３の中央には、上方へ突出する円筒状突出部３０３ａが形成されている。この円筒状突出部３０３ａの上下面は開口され、円筒状突出部３０３ａの内側には、室外空気を下方から吸込んで上方へ吹出すように空調用プロペラファン２００が配置されている。即ち、円筒状突出部３０３ａは、空調用プロペラファン２００のケーシングを兼ねており、下面の開口が吸込口となり、上面の開口が吹出口となる。この吹出口には、格子状のファンガード３０４が設置されている。

空調用プロペラファン２００の直下にファンモータ２０１が配置されている。ファンモータ２０１のモータシャフト２０１ａは垂直に上方へ延びて空調用プロペラファン２００の軸穴６（図３参照）に挿入され、空調用プロペラファン２００はこの回転軸２０１ａに固定されている。ファンモータ２０１は、板状部材で形成されたモータ取付部材２０２に固定されて支持されている。

圧縮機等の冷凍サイクル部品４０１は底板３０５に載置され、制御基板等を収納した電気品箱４０３は冷凍サイクル部品４０１の上方に位置して正面カバー３０１に載置されている。

概略コ字状に形成された熱交換器４００は、筐体３００の背面及び両側面の吸込口に沿うように配置されている。なお、筐体３００の正面側に熱交換器４００を設けない理由は、冷凍サイクル部品４０１や電気品箱４０３への工事・メンテナンス等を良好にするためである。

ファンモータ２０１が駆動され、空調用プロペラファン２００が回転されると、室外空気は、矢印９００で示すように、筐体３００の側面及び背面の吸込口より熱交換器４００を通して筐体３００内に吸込まれ、熱交換器４００と熱交換される。この室外空気は、さらに、空調用プロペラファン２００を通って上面カバー３０３の吹出口から筐体上方に向かって吹出される。

次に、図３及び図４を参照しながら、空調用プロペラファン２００を具体的に説明する。図３は図１の空調用プロペラファン２００を負圧面７ｂ側から見た斜視図、図４は図３の空調用プロペラファン２００を圧力面７ａ側から見た斜視図である。なお、図３では中空穴５０を省略してあり、図４では１枚のファンブレードのみを表し残りのファンブレードを省略してある。

空調用プロペラファン２００は、ファンモータ２０１のモータシャフト２０１ａと締結する軸穴６を中心部に有する樹脂製円環状ハブ５と、この円環状ハブ５の外周面に配設され且つ当該円環状ハブ５の軸方向に対して斜めに配設された複数の樹脂製ファンブレード７とを備えて構成されている。

円環状ハブ５とファンブレード７とは射出成形により樹脂材料で一体成形されている。ファンブレード７は、その前縁側４から後縁側３に向かって次第に肉厚が薄くなるエアロフォイル形状に形成されている。これによって、優れた空力性能を得ることができる。

空調用プロペラファン２００は、図３の紙面方向から見て時計回り（図４の紙面方向から見て反時計回り）に回転され、ファンブレードの表側の面が圧力面７ａとなり、裏側の面が負圧面７ｂとなり、空気の流れを生じさせる。この空気の流れは前縁側４から後縁側３に向かって流れる。

空調用プロペラファン２００が回転すると、ファンブレード７の質量と回転数から決まる遠心力が発生し、これを支持する部位、即ちファンブレード７と円環ハブ５との境界部に応力が発生する。ファンブレード７は円環ハブ５に対して軸方向に斜めに取り付けられ、ファンブレード７の前縁側４は後縁側３よりも軸方向に大きく迫り出しているため、回転中は前縁側４が水平になる方向に変形力が発生しする。この変形力により、特に前縁側４に応力が集中する。そこで、ファンブレード７の付根側１の特に前縁側の板厚を厚くする必要がある。

このファンブレード７の遠心力は、質量ｍ×半径ｒ×回転数ω^２で決まるため、ファンブレード７の外縁側２の質量が小さい程、応力を小さくすることができる。しかしながら、質量低減のために外縁側２の肉厚を単に薄くすると、耐衝撃強度が低下してしまう。すなわち、衝撃エネルギーは衝突速度が大きい程大きくなるので、移動速度（π×直径×回転数）が大きな外縁側ほど物の衝突によって壊れやすい。耐衝撃性向上のために外縁側２の肉厚をアップさせると、回転中には付根側１に過大な応力が集中するため、付根側１の肉厚を更にアップさせる必要があり、サイクルタイムが増加してしまう。従って、外縁側２は軽量でかつ高強度な構造が望ましい。

そこで、本実施形態では、ファンブレード７は中空孔５０を設けている。この中空穴５０は、射出成形時に形成され、ファンブレード７の圧力面７ａと負圧面７ｂとの境界部を形成する外周面８に開口されている。この中空穴５０によって、強度と空力性能を殆ど低下させることなく、重量のみを低減させることができる。

さらに、この中空穴５０は直線かつ平行に配置された複数の中空孔で構成されている。係る構成によって、一方向のスライド金型で複数の中空穴５０を成形できることとなり、ファンブレード７と円環ハブ７とを一体成形する際に中空孔５０も同時に成形できる。本実施形態の中空穴５０を有する空調用プロペラファン２００は、ガスの注入による中空成形品に比べて形状が安定するため、バランス取りの工数も増大することがない。このような構成とすることで、強度と空力性能に優れた空調用プロペラファンを低コストで提供することができる。

（第２〜第６実施形態）
次に、本発明の第２〜第６実施形態について図５〜図９を用いて説明する。この第２〜第６実施形態は、以下に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一である。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態の空調用プロペラファン２００の斜視図であり、図４に対応する図である。

この第２実施形態では、中空孔５０は空調用プロペラファン２００の半径の５０％以上の位置から半径方向外側にのみ延びるように設けられている。空力性能向上や騒音低減のため、ファンブレード７は曲面で構成されているが、肉厚の厚さによっては、中空孔５０がファンブレード７の根元側１にまで直線的に形成できないケースがある。前述の通り、遠心力の大きさは外周側の質量ほど寄与が大きいため、そこで、この第２実施形態では、ファンブレード７の外縁側２のみに直線状の中空穴５０を複数設けたものであり、これによっても中空穴５０の効果が得られ、強度と空力性能に優れた空調用プロペラファンを低コストで提供することができ、且つ第１実施形態よりも形状の自由度が高い。

（第３実施形態）
図６は本発明の第３実施形態の空調用プロペラファンの斜視図であり、図４に対応する図である。

前述の通り、遠心力による応力は前縁側４の質量の寄与が大きいため、第３実施形態では、中空孔５０はファンブレード７の前縁側４で且つ円環状ハブ５よりその軸方向外方にのみに中空孔５０を設けたものである。外縁側２に露出する中空孔５０の数が少なくできるため、中空孔５０による騒音への影響を少なくすることができる。

（第４実施形態）
図７は本発明の第４実施形態の空調用プロペラファンの斜視図であり、図４に対応する図である。

第１実施形態に示す空調機の室外機１００に空調用プロペラファン２００が使用される場合、石や氷などの異物が吹出し口のファンガード３０４より落下し、空調用プロペラファン２００を破損させるおそれがある。特に、冬期の雨天において暖房運転すると、室外機１００の吹出し風の温度は零度以下になる場合も多く、ファンガード３０４に付着した雨水が凍り、空調用プロペラファン２００に氷が落下することがある。空調用プロペラファン２００が停止中もしくは低速回転中であれば問題はないが、高速回転中である場合には、特に周速の大きいファンブレード７の外周側が破損しやすい。そして、上方からの異物の自由落下に対しては、ファンガード３０４と空調用プロペラファン２００との距離から衝突時の自由落下速度が決まり、更に空調用プロペラファン２００の回転数とファンブレード７の枚数から通過時間（１枚のファンブレード７が通過してから次のファンブレード７が通過するまでの時間）がわかるので、異物が衝突できる領域が幾何学的に限定できる。具体的には後縁側３に限定できる場合が多く、特に周速が大きな外周側で破損が起こりやすい。そこで、この第４実施形態では、後縁側３に厚肉部５１を設けた上で、遠心力低減（回転強度アップ）や材料費低減のために、後縁側３の外周部に中空孔５０を設けている。このような構成でも、強度と空力性能に優れた空調用プロペラファンを低コストで提供することができる。

（第５実施形態）
図７は本発明の第５実施形態の空調用プロペラファンの斜視図であり、図４に対応する図である。

この第５実施形態では、中空孔５０にファンブレード７の比重よりも小さな比重の異種材料の埋設部材５２を充填することで、騒音への影響を最小限に抑えている。充填材料は、比重の小さな樹脂、例えば非強化材料や発泡樹脂等を射出成形によって再充填すれば、接着工程は不要である。このような構成でも、強度と空力性能に優れた空調用プロペラファンを低コストで提供することができる。

（第６実施形態）
図８は本発明の第６実施形態の空調用プロペラファンの斜視図であり、図４に対応する図である。

この第６実施形態では、ファンブレード７の外縁側２の領域を、柔軟性を有する樹脂、例えばエラストマー樹脂５３で被覆している。中空孔５０の開口部が露出しないので、騒音への影響を最小限に抑えると同時に、衝撃に対しても緩衝材の役目を果たし、耐衝撃性も向上することができる。特にエラストマーを用いている理由は、２色成形による接着工程の省略で製造コスト低減が比較的容易にできる点と、接着不良による飛散防止の安全性を加味したものである。このような構成でも、強度と空力性能に優れた空調用プロペラファンを低コストで提供することができる。

本発明の第１実施形態の空調用プロペラファンを搭載した空調機の室外機を正面から見た断面図。 図１の室外機を側面から見た断面図。 図１の空調用プロペラファンを負圧面側から見た斜視図。 図３の空調用プロペラファンを圧力面側から見た斜視図。 本発明の第２実施形態の空調用プロペラファンの斜視図。 本発明の第３実施形態の空調用プロペラファンの斜視図。 本発明の第４実施形態の空調用プロペラファンの斜視図。 本発明の第５実施形態の空調用プロペラファンの斜視図。 本発明の第６実施形態の空調用プロペラファンの斜視図。

１…ファンブレードの付根側、２…ファンブレードの外縁側、３…ファンブレードの後縁側、４…ファンブレードの前縁側、５…円環状ハブ、６…軸穴、７…ファンブレード、７ａ…ファンブレードの圧力面、７ｂ…ファンブレードの負圧面、８…ファンブレードの外周面、５０…中空孔、５１…後縁側の肉厚アップ部、５２…充填材料、１００…室外機、２００…空調用プロペラファン、２０１…ファンモータ、２０１ａ…モータシャフト、２０２…モータ取付部材、３００…筐体、３０１…正面カバー、３０２…側面カバー、３０３…上面カバー、３０４…ファンガード、３０５…底板、３０６…脚、４００…熱交換器、４０１…冷凍サイクル部品、４０３…電気品箱、９００…室外空気の流れ。

Claims (7)

1. 軸穴を中心部に有する円環状ハブと、この円環状ハブの外周面に配設され且つ当該円環状ハブの軸方向に対して斜めに配設された複数のファンブレードとを備え、
   前記円環状ハブと前記ファンブレードとは樹脂射出成形により一体成形されている空調用プロペラファンにおいて、
   前記ファンブレードはその圧力面と負圧面との境界部を形成する外周面に開口され且つ射出成形時に形成された中空孔を有している
   ことを特徴とする空調用プロペラファン。
2. 請求項１において、前記中空孔は直線かつ平行に配置された複数の中空孔で構成されていることを特徴とする空調用プロペラファン。
3. 請求項１または２において、前記中空孔は当該空調用プロペラファンの半径の５０％以上の位置から半径方向外側にのみ延びるように設けられていることを特徴とする空調用プロペラファン。
4. 請求項１または２において、前記ファンブレードはその前縁側から後縁側に向かって次第に肉厚が薄くなるエアロフォイル形状とされ、前記中空孔は前記ファンブレードの前縁側で且つ前記円環状ハブよりその軸方向外方にのみ位置して設けられていることを特徴とする空調用プロペラファン。
5. 請求項１において、ファンガードを有する吹出口の直下に配置されると共に、前記中空孔は前記ファンブレードの後縁側に設けられていることを特徴とする空調用プロペラファン。
6. 請求項１から５の何れかにおいて、前記中空孔は前記ファンブレードの樹脂材料の比重よりも小さな比重の異種樹脂材料の埋設部材が充填されていることを特徴とする空調用プロペラファン。
7. 請求項１から６の何れかにおいて、前記ファンブレードの半径の５０％以上の位置から半径方向外側の一部もしくは全域を覆うエラストマー部材を備え、前記エラストマー部材は、前記ファンブレードと一体に成形されていると共に、前記中空孔の開口を覆うように成形されていることを特徴とする空調用プロペラファン。

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