JP2010525211A - 放射状羽根車 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射状羽根車に関し、この放射状羽根車は、互いに距離をおいて設けられた第１の端部プレート（１、１´）および第２の端部プレート（２、２´）であって、第１の端部プレート（１、１´）は放射状羽根車への流入を許容するような開口（６）を有するような第１の端部プレート（１、１´）および第２の端部プレート（２、２´）と、第１および第２の端部プレートの間に設けられた羽根（３）とを備えている。放射状羽根車の最適な効率を得るために、放射状羽根車は、羽根（３）の湾曲（Ｒ１）が、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えるよう形作られているような、羽根（３）の内側部分と、羽根（３）の湾曲（Ｒ２）が、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えないよう形作られているような、羽根（３）の外側部分と、を備えている。

Description

本発明は、放射状羽根車に関し、とりわけ、放射状羽根車の外側部分の形状に関する。

その外径が羽根の外径よりも大きいような端部プレートが設けられた放射状羽根車を形成することが知られている。このことは、端部プレートは、放射状羽根車の回転軸から、羽根よりも突出し、このため、羽根を含まないような外部空間が形成されるということを意味する。このような構成において、羽根は、放射状羽根車が回転しているときに、羽根に沿って流れる粒子に対して羽根がその全長にわたって運動エネルギーを与えるよう、形成されている。

羽根がないような外部空間は、回転ディフューサー（拡散部）を形成している。端部プレート間の距離は、拡散空間において、回転軸から離れる方向において増加する。このことにより流速が減少し、放射状羽根車からの流出速度が減少する。

上述のような放射状羽根車の欠点は、羽根車の性能が最適化されないことである。

本発明の目的は、既知の構成よりも性能が良いような、新規なタイプの放射状羽根車を提供することにある。この目的は、請求項１に記載の構成により達成される。

本発明によれば、羽根の湾曲は、羽根の内側部分が、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えるような湾曲を有する羽根を備え、また、羽根の外側部分が、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えないような湾曲を有する羽根を備えるよう、形成されている。このため、外側部分は、放射状羽根車の性能を向上させるのに貢献するような羽根の戻り部分を形成する。

本発明の好ましい実施の形態によれば、端部プレート間の距離は、羽根の外側部分の少なくとも一部において増加する。このことにより、放射状羽根車からのより低い流出速度が得られ、このため、効率が良くなるとともに放射状羽根車は装置に取り付けられるのにより適したものとなる。端部プレート間の距離は、１つの端部プレートを曲げたり折ったりすることにより増加し、あるいは両方の端部プレートが互いに対してある角度を有することにより増加する。外側部分の羽根により、折れまたは角度は公知の方法よりも大きくなる。この際に、この折れまたは角度によって端部プレートと接触しないような流れが生じることはない。

放射状羽根車の好ましい実施の形態は従属請求項に記載されている。

以下に示す添付図面を参照して、本発明について以下に例示的に述べる。
本発明の実施の形態による放射状羽根車の羽根の形状を示す図である。 図１に示す放射状羽根車の羽根の角度をより詳細に示す図である。 図１および図２に示す放射状羽根車の直径に対する羽根の角度の割合を示す図表である。 図１に示す放射状羽根車の断面図である。 本発明の実施の形態による放射状羽根車の断面図である。 本発明の実施の形態による放射状羽根車の断面図である。

図１は、本発明の実施の形態による放射状羽根車を示す図である。図１に、第１の端部プレート１およびこの第１の端部プレート１に連結された羽根３が示されている。図面における羽根の形状をより明確にするために、第２の端部プレートは省略されている。放射状羽根車が動作されるときに、この放射状羽根車は回転軸８を中心として矢印５の方向に回転し、第１の端部プレート１の開口６を介して流入が行われる。また、羽根３の外縁７、ならびに第１および第２の端部プレートにより範囲が定められる開口を介して流出が行われる。

図２は、図１に示す放射状羽根車の羽根の角度をより詳細に示す図であり、図３は、図１および図２に示す放射状羽根車の直径に対する羽根の角度の割合を示す図表である。

放射状羽根車は、内側部分および外側部分に分割されており、内側部分および外側部分は直径Ｄ３の箇所で区切られている。内側部分の羽根は、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えるような形状となっている。このため、既知の放射状羽根車の形状に類似するような形状を内側部分に用いることができる。図面の例では、このことは、放射状羽根車の回転軸８からの距離が大きくなるほど増加するような羽根の角度により達成される。図３に最も明らかに示されるように、内側部分の直径Ｄ１の箇所における入口角度β１を始点として羽根の角度は増加し、直径Ｄ３の箇所では最も大きな羽根の角度β３が得られる。図面から明らかなように、羽根の角度とは、所定の箇所における、羽根の湾曲（blade curvature）の接線と、円の中心が放射状羽根車の回転軸となるような仮想の円の接線との間の角度のことをいう。

直径Ｄ３以降の外側部分において、羽根の湾曲は、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えないような形状となっている。このため、外側部分では、圧力の戻りが行われ、エネルギーが追加されることはない。このことは、羽根のある箇所から次の箇所に送られる大気中の粒子は、羽根からエネルギーを受けないということを意味する。このような、羽根の機能が十分に果たされないような外側部分は、Ｕ×Ｃｕの値が一定になったときに得られる。ここで、Ｕは周速度であり、Ｃｕは、粒子の絶対速度における周速度の方向成分である。

図１乃至３に示す例において、外側部分の羽根３は、放射状羽根車の中心軸８からの距離が大きくなるほど羽根の角度が減少するような湾曲形状となっている。図３から最も明らかなように、直径Ｄ３における箇所の角度β３から羽根の角度が減少し、羽根の外縁７の箇所における直径Ｄ２の箇所では角度β２となる。最終的な出口角度β２は、半径方向から見て、どれくらい大きな部分が羽根の外側部分として用いられるかに基づく。

とりわけ、内側部分において第１の半径Ｒ１により湾曲し外側部分において第２の半径Ｒ２で湾曲するよう羽根３が形作られるように、放射状羽根車の羽根を形成することができる。

図１乃至図３による放射状羽根車を用いて行われた実際の実験では、外側部分に対する内側部分の割合について、外側部分の外径Ｄ２が、内側部分から外側部分に変わる箇所における直径Ｄ３よりも１０％乃至２０％大きい場合に良好な性能が得られるということがわかった。外径Ｄ２が１４％大きい場合（すなわち、Ｄ２＝１．１４×Ｄ３の場合）には、圧力曲線は既知の放射状羽根車よりも約３０％大きくなった。

図４は、図１に示す放射状羽根車の断面図である。この図は、放射状羽根車の上半分のみを示している。図４は、互いに距離があるよう設けられた第１の端部プレート１および第２の端部プレート２を示す。第１の端部プレート１は、放射状羽根車への流入を許容するような開口６を有している。矢印に示すように、羽根３の外縁７に向かって半径方向外側に流れが続き、この外縁７は、第１の端部プレート１および第２の端部プレート２とともに、放射状羽根車からの流出を許容するような開口の範囲を定める。好ましくは、第２の端部プレート２は、モータ等のアクチュエータに放射状羽根車を取り付けるために中心に配置された取付部材を備えている。このアクチュエータにより、放射状羽根車は回転軸８を中心として回転することができるようになる。

図４から明らかなように、端部プレート１、２の外側部分（図４における最も上側）は平行であり、これらのプレートの間の距離は一定である。この例では、２つの端部プレート１、２は、半径方向から見て、羽根３の外縁７の外部には延びないような寸法となっている。このような形状により、放射状羽根車には、既知の放射状羽根車における回転ディヒューサー（拡散器）として用いられるような最も外側における羽根のない空間が存在しない。このため、放射状羽根車の外径は、得られる性能に関して最適となるよう小さくなる。

本発明によれば、第１の端部プレート１および／または第２の端部プレート２が、羽根３の外縁７の外側にわずかに延びることが好ましい。この場合、端部プレートの最も外側の部分において、縁（直線状、湾曲、または折れている）が形成され、構造が十分に頑丈なものとなる。この場合、端部プレートの外径が羽根の外径Ｄ２よりも１乃至２．５％大きいことが、最も十分なものとなる。この場合、動作および得られる結果に対してほとんど影響を与えることはない。

図４に示すように、第１の端部プレート１が羽根３の外縁７に交わるような箇所Ａは、 第２の端部プレート２が羽根３の外縁７に交わるような箇所Ｂよりも、放射状羽根車の回転軸８から遠い箇所に位置している。このような構成により、羽根の外縁における圧力の広がりに影響を与えることができる。回転軸から羽根の外縁までの半径方向の距離が一定ではない場合には、外縁の異なる箇所における圧力の広がりを、望ましい方法により一定とすることができる。しかし、本発明によれば、このことは全ての実施の形態において必要ではない。階段状となっているような外縁７の形状（図４参照）の代わりに、外縁を直線状としてもよい。この場合、外縁７は回転軸８と平行となる（すなわち、箇所Ａおよび箇所Ｂは回転軸から同じ距離の場所に位置される）か、あるいは外縁は直線状に傾斜する（階段状とならない）。後者の場合、図４に示す場合と同様に、箇所Ａおよび箇所Ｂは回転軸から異なる距離の場所に位置される。このような代替的な構成は、図５および図６で示される実施の形態のものを適用することもできる。

本発明による放射状羽根車は、動的圧力を静的圧力に変換するようなファンハウジング（静止ディフューサー）に使用するのにも適している。しかしながら、既知の放射状羽根車を組み合わせた場合には、このようなファンハウジングを十分な高性能で用いることができない。本発明による放射状羽根車が合計圧力の増加の比較的大きな部分を担うことにより、ケーシング内に取り付けられた従来の羽根車と比較して性能が向上する。

図５は、本発明の実施の形態による放射状羽根車の断面図である。この図は、放射状羽根車の上半部のみを示している。図５に示される実施の形態は、ほとんどの部分において、図４による実施の形態に対応している。すなわち、図５による実施の形態は、これらの実施の形態の差異を以下に提示することにより説明される。

図５において、放射状羽根車は、少なくとも羽根の外側部分の箇所において、放射状羽根車の回転軸からの距離が大きくなるにつれて端部プレート間の距離が大きくなるよう、形付けられている。このような距離の増加は、外側部分全体では行われず、外側部分の最も外側の部分で距離の増加が開始するのみとなっている。代わりに、内側部分と同じように初期から距離の増加が開始するようになっていてもよい。

図５に示す実施の形態では、端部プレート１´、２の間の距離の増加は、第１の端部プレート１´が、放射状羽根車の回転軸８と直交するようなライン９に対して角度αで外側に折れることにより達成される。このようにして、放射状羽根車からの流出速度を低くすることができ、その結果、性能をより向上させることができるとともに放射状羽根車を装置内により適切に取り付けることができるようになる。

図５におけるＤ０は、第１の端部プレート１´の開口の直径である。実際には、第１の端部プレートにおける外側への折れの開始箇所を、直径Ｄ０よりも少なくとも約２０％大きいような直径Ｄ４（Ｄ４＞１．２×Ｄ０）で開始することが好ましい。羽根３に外側部分が設けられていることにより、端部プレート１´の折れた箇所において端部プレート１´に接触しないような流れが生じることなく、角度αを既知の構成よりも大きくすることができる。実際には、この角度αは、放射状羽根車の直径に基づいて、０°乃至４０°の大きさであってもよい。羽根における外側部分が開始するような直径の箇所において端部プレート間の距離の増加が開始するような方法が行われる。このことは、例えばＤ４＝Ｄ３であるときに達成される。本発明によれば、しかしながら、羽根における外側部分が開始する直径Ｄ３よりも大きなまたは小さな直径Ｄ４の箇所で、端部プレート間の距離の増加を開始させることができる。

図５に示すような、直線状ではあるが角度を持って折れているような外側部分を有する第１の端部プレート１´の代わりに、この部分を第２の端部プレート２から遠ざかるよう湾曲させてもよい。

図６は、本発明の実施の形態による放射状羽根車の断面図である。この図は、放射状羽根車の上半部のみを示している。図６に示される実施の形態は、ほとんどの部分において、図４による実施の形態に対応している。すなわち、図６による実施の形態は、これらの実施の形態の差異を以下に提示することにより説明される。

図６に示す放射状羽根車は、図５に関連して行われた説明に基づいて形成される第１の端部プレート１´を有している。図５に示す実施の形態と比較して、図６における第２の端部プレート２´も、その外側部分が、放射状羽根車の回転軸８に直交するライン１０に対して角度βで外側に折れるよう、形成されている。両方の端部プレートが互いに対して折れていたり湾曲していたりすることにより、端部プレート間の距離は、回転軸８から遠ざかる方向においてより早く大きくなる。

第２の端部プレート２´の折れが開始するような開始箇所は、直径Ｄ４の箇所である。この箇所で、第１の端部プレートにおける外側への折れも開始する。代わりに、第２の端部プレートにおける外側への折れが、第１の端部プレートにおける外側への折れの開始箇所である直径Ｄ４よりも大きなまたは小さな直径の箇所で開始するようになっていてもよい。

羽根に外側部分が設けられていることにより、端部プレート２´の折れた箇所において端部プレート２´に接触しないような流れが生じることなく、角度βを既知の構成よりも大きくすることができる。実際には、この角度βは、放射状羽根車の直径に基づいて、０°乃至４０°の大きさであってもよい。

図６に示すような、直線状ではあるが角度を持って折れているような外側部分を有する第２の端部プレート２´の代わりに、この端部を第１の端部プレート１´から遠ざかるよう湾曲させてもよい。

図面および関連する記載は、本発明の範囲を制限することなく、例示的な方法により本発明を説明するに過ぎない。当業者にとって、本発明の範囲はこれらの例に関連する変更を含むことは明らかである。

Claims (11)

1. 放射状羽根車であって、
   互いに距離をおいて設けられた第１および第２の端部プレート（１、１´、２、２´）であって、第１の端部プレート（１、１´）は放射状羽根車への流入を許容するような開口（６）を有するような第１および第２の端部プレート（１、１´、２、２´）と、
   第１および第２の端部プレート（１、１´、２、２´）の間に設けられ、これらの第１および第２の端部プレート（１、１´、２、２´）に連結された羽根（３）であって、羽根（３）の外縁（７）、ならびに第１および第２の端部プレート（１、１´、２、２´）により放射状羽根車からの流出を許容するような開口の範囲を定めるような羽根（３）と、
   を備え、
   放射状羽根車は、
   羽根（３）の湾曲（Ｒ１）が、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えるよう形作られているような、羽根（３）の内側部分と、
   羽根（３）の湾曲（Ｒ２）が、放射状羽根車が回転している間に、流れる粒子に運動エネルギーを与えないよう形作られているような、羽根（３）の外側部分と、
   を備えたことを特徴とする放射状羽根車。
2. 内側部分における羽根（３）の湾曲は、放射状羽根車の回転軸（８）からの距離が大きくなるほど羽根の角度が大きくなるよう形作られており、
   外側部分における羽根（３）の湾曲は、放射状羽根車の回転軸（８）からの距離が大きくなるほど羽根の角度が小さくなるよう形作られていることを特徴とする請求項１記載の放射状羽根車。
3. 内側部分が外側部分に変わる箇所における直径はＤ３であり、外側部分の外径Ｄ２は直径Ｄ３よりも約１０％乃至２０％大きいことを特徴とする請求項１または２記載の放射状羽根車。
4. 外側部分の外径Ｄ２は直径Ｄ３よりも１４％大きいことを特徴とする請求項３記載の放射状羽根車。
5. 端部プレート（１´、２´）の間の距離は、放射状羽根車の回転軸（８）からの距離が大きくなるほど、少なくとも羽根（３）の外側部分の一部において大きくなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放射状羽根車。
6. 第１の端部プレート（１´）の開口（６）の直径はＤ０であり、第１の端部プレート（１´）は、第２の端部プレート（２、２´）から遠ざかるよう折れ、このような折れは直径Ｄ０よりも少なくとも約２０％大きいような直径Ｄ４から開始することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放射状羽根車。
7. 第１の端部プレート（１´）の外側部分と、放射状羽根車の回転軸（８）と直交するライン（９）との間の角度は０°乃至４０°であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の放射状羽根車。
8. 第２の端部プレート（２´）の外側部分と、放射状羽根車の回転軸（８）と直交するライン（１０）との間の角度は０°乃至４５°であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の放射状羽根車。
9. 少なくとも第１および第２の端部プレート（１、１´、２、２´）の最も外側の直径は、羽根（３）の外側部分の外径（Ｄ２）とほぼ等しいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の放射状羽根車。
10. 羽根（３）の外縁（７）は、羽根（３）の外縁（７）が第２の端部プレート（２、２´）に連結する箇所における放射状羽根車の回転軸（８）からの距離よりも大きいような、放射状羽根車の回転軸（８）からの距離の箇所で、第１の端部プレート（１、１´）に連結していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の放射状羽根車。
11. 羽根（３）の外側部分で、流れる粒子に羽根（３）が運動エネルギーを与えないよう、外側部分の羽根（３）の湾曲は、Ｕ×Ｃｕが一定の大きさとなるよう形作られており、Ｕは周速度であり、Ｃｕは、羽根（３）に沿った粒子の絶対速度における周速度の方向成分であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の放射状羽根車。

Images