JP2011069320A5 - - Google Patents

Description

貫流ファン、送風機及び空気調和機

この発明は空気調和機の室内機に使われる貫流ファン及び、それを用いた送風機や空気調和機に関するものである。

近年の送風機や空気調和機は、広い部屋に対応するために幅（ファン軸方向）が広い筐体の機種が増えてきている。これに伴い、空気調和機に使われる貫流ファンの軸も長くなっており、ファン軸方向の３次元流れが強く現れて、ファンの消費電力や発生騒音などの送風性能への寄与が大きくなってきている。

貫流ファンを用いた送風機の低入力化や低騒音化を図った従来技術としては、例えば、送風機の壁面上に整流板を設けて吹出し風速分布を均一化する例があった（例えば、特許文献１）。また、羽根音の発生を抑制しつつ風量の増加を図ることを目的として、貫流ファンの羽根外径を変化させて、貫流ファンのリング間において羽根外径が最大値を持つようにした空気調和機があった（例えば、特許文献２）。また、乱流による騒音を抑えてノイズ音を低減することを目的として、羽根中央部よりも仕切板端部側の羽根入口角を小さくしたクロスフローファンがあった（例えば、特許文献３）。

特許第２５９４０６３号公報（第３頁、第２図） 特許第３７７７８９１号公報（第５頁、図１） 特開２００６−３２９０９９号公報（第７頁、図１）

一般に、貫流ファンは翼と翼を支える両端のリングで構成されており、強度を保つため、リング部の方が翼部に比べて外径が大きくなっている。当然、貫流ファンと風路を構成する部材との距離は、リング部の方が小さくなるので、貫流ファンのリング部と風路との間には、より小さな隙間が形成されることになる。従って、風路入口から流入した空気のうち、リング部を通過する空気の方が、より狭い隙間を通過することになるため、高速流となって貫流ファンを通過することになる。

図７は、上述した従来技術における貫流ファンを具備した送風機の吹出し風路の流れを示す模式図であり、図７（ａ）の矢印で示すように、空気調和機上方から、貫流ファン１と風路を構成する部材であるリアガイド１３との間に形成される隙間を観察する。図７（ｂ）が、このときの流れを模式的に示した図である。リング部では隙間が狭いので速い流れ１９ａが生じ、翼部では隙間が広いので遅い流れ１９ｂが生ずる。このように幅方向に速度差が生じると、速い流れ１９ａと遅い流れ１９ｂが混合する２次流れが発生して、吹出し風路方向の軸をもつ渦２０に成長する。この渦は、図７（ｃ）に示すように風路の下流まで延びて次第に大きくなって、吹出し口における空気の流れを妨げることとなり、吹出し口における幅方向の風速分布２１のばらつきが顕著になってしまう。

図８は、従来技術における送風機の吹出し風路風速のシミュレーション結果を示す図である。図８の上図は、空気調和機の正面図であり、リング２と翼３とで構成された貫流ファンの下方に、観測点を表す１から２０までの数字を示している。図８の下図は、各観測点における平均風速を示したグラフであり、図８の上図と合わせて見ると、リング２付近で平均風速が極大値を示していることが分かる。この局所的な高速流が、吹出し口にある風向調整用の羽根に衝突すると、風速の２乗に寄与する圧力損失が大きくなるとともに風向調整用の羽根の表面にかかる圧力変動が大きくなり騒音値も大きくなる。

これに対して、特許文献１のように、風路上に整流板を設けると、整流板と翼との間の狭い隙間に、新たな高速域が発生するため、渦発生を抑制することが困難で、風路出口におけるファン軸方向の風速分布は均一になりにくいという問題点がある。

また、特許文献２に開示された技術では、翼弦長が長くファン外径が大きい領域では翼と風路部材との隙間が狭くなり、かつ、吹出し流れが高速になるため、風路部材で生ずる異常音が大きくなるという問題点がある。また、製造誤差等により翼と風路部材とが接触する可能性もある。

また、特許文献３に開示された技術では、羽根外側の角度を変化させているため、貫流ファンの吸い込み側において、気流の剥離の発生による騒音が発生する可能性があるという問題点がある。

また、上記いずれの特許文献も、貫流ファンにより発生する風速については考慮しているが、貫流ファンと風路部材との隙間を通過する気流の風速差については考慮しておらず、風路出口におけるファン軸方向の風速分布が不均一となってしまい、これにより、送風機や空気調和機の入力や騒音が増大してしまうという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、貫流ファンと風路部材との隙間を通過する気流の風速差について考慮して、風路出口におけるファン軸方向の風速分布を均一とするとともに、ファンの吸い込み側における剥離を低減した貫流ファンを提供し、これにより、低入力化及び低騒音化を実現した貫流ファンや、この貫流ファンを用いた送風機や空気調和機を提供することを目的とする。

この発明に係る貫流ファンは、横長の風路内に回転自在に配設され、略平行に設けられた複数の環状のリングと、これらリングの隣接するリング間に放射状に設けられた複数の断面円弧状の翼とを備えた貫流ファンであって、前記翼は、前記リング間において、翼外径が同一かつ出口角が同一に形成されるとともに、前記翼の回転時に、前記リングの外周面に沿って流れる気流と前記翼中央部を流れる気流とが略均一な風速となるように、翼中央部と前記リング側とで前記翼の形状を相違させたものである。

本発明によれば、貫流ファンと風路部材との隙間を通過する気流の風速差について考慮して、風路出口におけるファン軸方向の風速分布を均一とするとともに、ファンの吸い込み側における剥離を低減した貫流ファンが得られ、これにより、低入力化及び低騒音化を実現した貫流ファンや、この貫流ファンを用いた送風機や空気調和機を得ることができる。

実施の形態１に係る貫流ファンを示し、（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ）は要部正面図、（ｃ）は縦断面図である。 実施の形態１に係る貫流ファンの縦断面図であり、（ａ）は連端部の縦断面図、（ｂ）は連中央部の縦断面図である。 実施の形態１に係る貫流ファンを用いた空気調和機の縦断面図である。 実施の形態１に係る貫流ファンを用いた空気調和機の要部縦断面図であり、（ａ）はリング部分の要部縦断面図、（ｂ）は翼部分の要部縦断面図である。 実施の形態２に係る貫流ファンの縦断面図であり、（ａ）は連端部の縦断面図、（ｂ）は連中央部の縦断面図である。 実施の形態３に係る貫流ファンを示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は斜視図である。 従来技術を説明する模式図であり、（ａ）は観察する視線を示す図、（ｂ）は風路上の流れを示す図、（ｃ）は渦の成長を示す模式図、である。 従来技術における送風機の吹出し風路風速のシミュレーション結果を示す図である。

実施の形態１．
図１（ａ）はこの発明の実施の形態１に係る貫流ファン１の外観を示す斜視図である。リング２によって両端を支持された翼３が、リング２の円周方向に複数取り付けられている。このリング２と翼３によって構成される羽根車単体４（以下、一連という）がファンの軸方向にいくつか連結されて、貫流ファン１を構成している。図１（ｂ）は、羽根車単体４の要部正面図である。図１（ｂ）で示すように、翼３の外縁部からなる外径は貫流ファン１の軸方向で一定となっている。図１（ｃ）は一連分の羽根車の縦断面を示したものである。リング外径５は翼３の外径よりも大きくなっており、翼３はリング２の外円周よりも内側に、放射状にリング２に接着固定されている。また、翼３の断面形状は円弧状に形成されている。

図２は、実施の形態１に係る貫流ファン１の縦断面図である。ここで、羽根車一連のリングとリングにはさまれた翼３を３つの領域に分け、左から（ａ）、（ｂ）、（ａ）として翼断面形状を相違させて形成する。この領域（ａ）の分割割合は１連長さの約１／３から１／２未満程度とする。以下、翼のうちリング２側の領域（ａ）を連端部と呼び、翼中央部の領域（ｂ）を連中央部と呼ぶ。

図２（ａ）は連端部の縦断面図、図２（ｂ）は連中央部の縦断面図である。翼３の外周部をなす翼先端から、翼３の内周部をなす後端までの翼厚みの中心を翼中心線とし、連端部の翼中心線を６ａ、連中央部の翼中心線を６ｂとする。これら翼中心線６ａ及び６ｂの翼先端から後端までの角度をそれぞれ反り角７ａ、７ｂとする。このとき、連中央部の反り角７ｂは、連端部の反り角７ａよりも大きく形成されている（７ａ＜７ｂ）。

また、羽根断面で、翼中心線６ａ（又は６ｂ）と翼外径の円弧２４とが交わる交点２５における出口角２６ａ（又は２６ｂ）が、連中央部と連端部とで等しくなるようにしている（２６ａ＝２６ｂ）。ここで、出口角とは、交点２５において、翼中心線６ａ（又は６ｂ）の接線と翼外径の円弧２４の接線とがなす角を意味している。

なお、連中央部の反り角７ｂを大きく形成するには、翼中心線６ｂを翼３の内周方向に延長してもよいし、出口角２６ｂを変えない条件の下、後述する翼弦長を内周方向に延長してもよい。

図３は、この貫流ファン１を用いた空気調和機の縦断面図である。貫流ファン１の周囲を取り囲むように空気と冷媒の熱交換をする熱交換器８が配置されている。空気調和機の上面には吸込み口３０が設けられており、吸込み口３０と熱交換器８との間には、空気清浄用機器９やフィルター１０が配設されている。

また、貫流ファン１の吸込み側と吹出し側とはユニット正面側のノズル１１先端に取り付けられたスタビライザー１２、及び背面側のリアガイド１３とで仕切られており、吸込み口３０から吹出し口１７に至る風路を２分した構成となっている。吹出し口１７には、風向調整用のベーン１６が設けられている。

次に動作について説明する。
図３において、貫流ファン１が１４で示す方向に回転すると、送風機の吸込み口３０から流入した気流１５は貫流ファン１を通過して吹出し口１７から吹出す。

図４は、実施の形態１に係る貫流ファンを用いた空気調和機の要部縦断面図である。リング２とリアガイド１３との隙間は、翼３とリアガイド１３との隙間に比べて狭いので、リング付近を通過した気流１９ａは、翼付近を通過した気流１９ｂに比べて速くなる。しかし、翼３の反り角は、連中央部の方が連端部よりも大きいので、翼３が気流に与える仕事量は、連中央部の方が大きい。このため、連中央部から吹出す気流２２ｂの方が、連端部から吹出す気流２２ａに比べて速くなる。

従って、リング付近の隙間を通過した速い気流１９ａは遅い気流２２ａによって、翼付近を通過した遅い気流１９ｂは速い気流２２ｂによって、それぞれ増速されることになるが、翼付近を通過した遅い気流１９ｂの方が、より速い気流２２ｂによって増速されるので、ファン下流における気流１９ａと気流１９ｂとの風速差を縮小することができる。

このように、貫流ファン１とリアガイド１３との間を通過した気流に対して、翼が与える仕事量を変えることにより、連端部と連中央部とのファン下流における風速差が小さくなり、風速差に起因する渦発生を抑制することができ、ファン下流における風速分布が均一化される。ファン下流において風速分布が均一化された気流は、気流制御用のベーン１６で定められた方向に従って、吹出し口１７から機外に排出される。

一方、図２で示したように、出口角２６ａ（又は２６ｂ）は、連中央部と連端部とで等しくなるようにしている（２６ａ＝２６ｂ）。出口角が異なると、幅方向のいずれかの個所の翼で、気流の剥離が発生して騒音を増加させるおそれがあるが、実施の形態１では出口角２６を揃えて、翼先端への流入状態を同じにしている。その結果、流入翼列で剥離による騒音を悪化させずに吹出し風路の風速分布を均一化させることができる。

表１は、従来の貫流ファンを用いた空気調和機と、実施の形態１に係る空気調和機との比較実験結果を示すものである。表１には、ファン電力の差分及び騒音の差分を示す。表１に示すように、実施の形態１に係る貫流ファンを用いることにより、電力、騒音ともに減少しており、改善されていることが分かる。

実施の形態１によれば、翼３の外径を一定とするとともに、送風機や空気調和機で発生する貫流ファン１とリアガイド１３との隙間差による速度分布を貫流ファンの吹出し風速分布で打ち消しているので、気流の抵抗となる渦は消滅し、風路出口での風速分布を均一化することができる。また、出口角を同一にすることにより、翼間の気流通過を阻害するおそれと剥離の発生のおそれをなくした貫流ファンを実現できる。

これにより、風路出口の風速分布は均一化されるので、局所的な高速流はなくなり、気流制御用のベーン１６を通過する風速も均一化して圧力損失が低減し、ファンの入力が低減される効果がある。また、ベーン１６や風路表面の圧力変動が低減されて騒音も低減されるという効果もある。

実施の形態２．
実施の形態１では、吹出し風量の増減を翼の反りで変化させたが、次に翼の弦長により風量を変化させてもよい。

図５は、実施の形態２に係る貫流ファン１の縦断面図である。実施の形態１と同様に、一連分の羽根車断面を連端部（ａ）と連中央部（ｂ）に分けて示したものである。翼断面に着目すると、翼先端と翼後端を結ぶ直線（翼弦長２３）に関して、連中央部の翼弦長２３ｂは連端部の翼弦長２３ａよりも長くなっていることを特徴としている（２３ａ＜２３ｂ）。

また、実施の形態１と同様に、羽根断面で、翼中心線６ａ（又は６ｂ）と翼外径の円弧２４とが交わる交点２５における出口角２６ａ（又は２６ｂ）が、連中央部とリング付近とで等しくなるようにしている（２６ａ＝２６ｂ）。

翼弦長が長くなると翼が気流に与える仕事量が増えるため、翼間通過後の気流速度は上昇する。一方、翼弦長が短い箇所では翼が気流に与える仕事量が小さいため翼間通過後の気流速度は前者よりも遅い。このため実施の形態１と同様に、風路の隙間差による風速分布が縮小されて風路内の渦は消滅する。その結果、風路出口の風速分布が均一化されてベーンでの圧力損失が低減されて、低入力化するとともに、騒音も低減される送風機や空気調和機を実現できる。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様、翼３の外径が一定とするとともに、送風機や空気調和機で発生するファンと風路の隙間差による速度分布を貫流ファンの吹出し風速分布で打ち消しているので、気流の抵抗となる渦は消滅し、風路出口での風速分布を均一化することができる効果がある。

また、吸い込み側の気流方向に対して、翼外周端の方向を同一にすることにより、翼間の気流通過を阻害するおそれと剥離の発生のおそれをなくした貫流ファンを実現できる効果があり、ファン吹出し後の風速差が大きい送風機や空気調和機でも風路出口の風速分布が均一化され、ベーンでの圧力損失は低減されて低入力化するとともに、騒音も低減されるようになる効果がある。

なお、実施の形態１及び実施の形態２では、翼の形状パラメータを１種類ずつ変化させたものであったが、風路に生じる風速差が大きい場合はファン吹出し風速分布を強くしなければならない。そのようなときは、翼弦長、反りのパラメータを組み合わせた翼形状にしてもよい。

複数のパラメータを組み合わせることで、１つのパラメータで調整するよりも大きな風速差を作ることができるので、風路出口での風速分布が強い従来の送風機や空気調和機であっても、風路出口の風速分布が均一化されて低入力化し、騒音が低減される送風機や空気調和機を実現できる効果がある。

実施の形態３．
これまで示した形態は羽根車一連間で翼形状が幅方向に異なる事例であった。幅方向に翼形状を変える際、急激に変化させると翼面上に段差を作り表面での渦発生や圧力変動を大きくして騒音を悪化させるおそれがある。

図６（Ａ）は、実施の形態３に係る貫流ファンの正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）における領域（ａｂ）部分の貫流ファンの斜視図である。実施の形態３では、羽根車の領域（ａ）と領域（ｂ）の間に連続的な傾斜面を形成する領域（ａｂ）を設けることにより、領域（ａ）と領域（ｂ）との間で翼面上に段差が生じないように滑らかに変化させている。

実施の形態３によれば、翼表面の段差がなくなるため表面での渦発生や圧力変動による音発生がなくなる効果がある。また、この貫流ファンを送風機や空気調和機に登載すれば、翼形状の変化の影響を抑制しながら、ファン下流の風速分布は均一化されて低入力化し、騒音が低減される送風機や空気調和機を実現できる効果がある。

本発明は、空気清浄機や除湿機など貫流ファンを用いた他の機器に対して適用しても同様の効果が得られる。

１ 貫流ファン
２ リング
３ 翼
４ 羽根車単体
５ リング外径
６ 翼中心線
７ 反り角
８ 熱交換器
９ 空気清浄用機器
１０ フィルター
１１ ノズル
１２ スタビライザー
１３ リアガイド
１４ 貫流ファンの回転方向
１５ 空気調和機を通過する気流
１６ ベーン
１７ 吹出し口
１９ 気流
２０ 渦
２１ 吹出し口の風速分布
２２ ファン通過直後の気流
２３ 翼弦長
２４ 翼外径の円弧
２５ 交点
２６ 出口角
３０ 吸込み口

Claims (5)

1. 横長の風路内に回転自在に配設され、略平行に設けられた複数の環状のリングと、これらリングの隣接するリング間に放射状に設けられた複数の断面円弧状の翼とを備えた貫流ファンであって、
   前記翼は、前記リング間において、翼外径が同一かつ出口角が同一に形成されるとともに、前記翼の回転時に、前記リングの外周面に沿って流れる気流と前記翼中央部を流れる気流とが略均一な風速となるように、翼中央部と前記リング側とで前記翼の形状を相違させた貫流ファン。
2. 前記翼の反り角を、翼中央部よりも前記リング側を小さくした請求項１記載の貫流ファン。
3. 前記翼の弦長を、翼中央部よりも前記リング側を小さくした請求項１又は請求項２記載の貫流ファン。
4. 前記翼の表面を連続的な傾斜面から形成した請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の貫流ファン。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の貫流ファンを用いた送風機又は空気調和機。