JP2011156883A - 空調ユニットの異音低減構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＶＡＣユニットにおいて、音響的な共振によりＮＺ音が大きくなることを抑制する。
【解決手段】ＨＶＡＣユニット１では、ハウジング１０内に多翼ファンからなるブロア２０とエバポレータ２１とヒータコア２２が一体的に備えられている。ハウジング１０の吸気口１１との間で一定間隔を保ちつつ吸気口１１に対面する邪魔板３１を備えている。邪魔板３１は、共振時において、吸気口１１に形成される音場モードの少なくとも１つの腹の領域に対面しており、複数の腹の領域に吸引される空気圧力がアンバランスとなる。この結果、共振モードに入る励振力が緩和されて共振モードに入り難くなり、ＮＺ音が大きくなることを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調ユニットの異音低減構造に関し、ＮＺ音といわれる異音を効果的に低減できるように工夫したものである。

車両用（自動車用）の空調装置としてＨＶＡＣ（Heating Ventilating and Air Conditioning）ユニットがある。ＨＶＡＣユニットでは、冷房用のエバポレータ，暖房用のヒータコア，吸気用のブロワを一体化したユニット構造となっており、小型軽量化を図っている。
ブロワとしては、多翼ファン（シロッコファン）が採用されている。

ブロワとして使用する多翼ファン（シロッコファン）では、ＮＺ音と呼ばれる耳障りな音が、回転数に応じて発生する。
つまり、多翼ファンでは、羽根車の羽根が固定部（ハウジング等）付近を通過する際に空気の圧力変動が発生し、この圧力変動の周波数に基づいた周波数となっているＮＺ音（純音：単一周波数の音）が発生する。
多翼ファンの回転数をＮ（ｒｐｍ）、羽根車の羽根の枚数をＺ（枚）とすると、ＮＺ音の周波数ｆ（Ｈｚ）は、ｆ＝Ｎ×（Ｚ／６０）で表される。一般的に、多翼ファンでは、羽根枚数は数十枚、回転数が数百（ｒｐｍ）であるため、ＮＺ音の周波数は、人間の聴覚上もっとも耳につく１〜４ＫＨｚの音域に入ることとなる。

この結果、ＨＶＡＣユニットのブロワ（多翼ファン）を起動すると、その回転数に応じた周波数のＮＺ音が発生してしまう。
このとき、ＨＶＡＣユニットのハウジングの内部空間は空気流路となり、この空気流路により形成される音場は固有振動数を有している。またＨＶＡＣユニットは構造系の（機械的な）固有振動数を有している。
したがって、ＨＶＡＣユニットのブロワ（多翼ファン）が起動してその回転数が上昇してきてＮＺ音の周波数が上昇してくると、ＮＺ音の周波数が、空気流路の音場の固有振動数や、ＨＶＡＣユニットの構造系の固有振動数と一致することがある。このようにして、ＮＺ音の周波数と、音場や構造系の固有振動数とが一致すると、共振が発生してＮＺ音が大きくなる、即ちＮＺ音の振幅が大きくなる。

図１２Ａは、ＮＺ音の周波数が、音場の固有振動数に一致していないときの周波数−音圧特性を示しており、図１２Ｂは、ＮＺ音の周波数が、音場の固有振動数に一致したときの周波数−音圧特性を示している。なお両図において、ｆｑは音場の固有振動数を示す。
図１２Ａに示すように、ＮＺ音の周波数が音場の固有振動数に一致していないときには、ＮＺ音は発生しているがその音圧（ｄＢ）は小さく、人間にとっては殆ど感じることができない程度の音圧（ｄＢ）となっている。
一方、図１２Ｂに示すように、ＮＺ音の周波数と音場の固有振動数とが一致すると、共振が発生してＮＺ音の音圧（ｄＢ）が大きくなる、即ちＮＺ音の振幅が大きくなることが分かる。音圧（ｄＢ）は、指数関数で表される値であり、図１２ＢのようにＮＺ音の音圧（ｄＢ）が大きくなると、人間にとっては大きな音として感じる。

ＮＺ音の周波数と構造系の固有振動数とが一致して、共振が発生した場合におけるＮＺ音を低減するには、ＨＶＡＣユニットのハウジングに共振防止用のリブを備えて共振振動を抑制することにより、ＮＺ音の低減を図ることができる。

しかし、ＮＺ音の周波数と音場の固有振動数とが一致して共振が発生した場合におけるＮＺ音を低減するのには、困難が伴う。
音場の固有振動数を人間の可聴周波数域よりも高い振動数にすれば、ＮＺ音の低減を図ることは理論的にはできる。しかし、これを実現するには、音場形状つまりハウジングの形状を変更しなければならないが、このようにハウジングの形状を変更することは大きな設計変更となり、現実的にはハウジング形状の変更はできない。このため従来では、音場との共振に伴う大きなＮＺ音の低減を効果的に図ることはできなかった。

特開２００５−６１３０７号公報

特開２００５−６１３０７号公報（特許文献１）には、多翼ファン（シロッコファン）で発生するＮＺ音の低減を図るために、ＮＺ音の発生部であるブロワケーシングの舌部近傍に邪魔板を配置し、音源部に気流が当たらないようにした手法が開示されている。
しかし、特許文献１の技術では、ハウジングの内部の音場の共振を考慮しておらず、特許文献１の技術を用いたとしても、ＮＺ音の周波数と音場の固有振動数とが一致して共振が発生した場合には、大きなＮＺ音が発生してしまうという課題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、ＮＺ音の周波数と音場の固有振動数とが一致した場合であっても、ＮＺ音の低減を効果的に行うことができる、空調ユニットの異音低減構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
吸気口から吹出口に至る内部空間が空気流路となっているハウジング内に、多翼ファンからなるブロワと、冷房手段と、暖房手段が備えられると共に、
前記ブロワの回転中心が前記吸気口の中心に一致することにより、前記ブロワの回転中心部に形成された空間部が前記吸気口に臨んでいる空調ユニットにおいて、
前記吸気口との間で予め決めた間隔を保ちつつ前記吸気口に対面する邪魔板が備えられており、
しかも、前記ブロワから発生するＮＺ音の周波数と、前記空気流路により形成される音場の固有振動数が一致したときに、前記吸気口に固有の音場モードが形成されて前記吸気口に音場モードの腹の領域と音場モードの節の領域が形成されたときに、前記邪魔板が少なくとも１つの腹の領域に対面する状態で前記邪魔板の配置位置と広さが設定されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
吸気口から吹出口に至る内部空間が空気流路となっているハウジング内に、多翼ファンからなるブロワと、冷房手段と、暖房手段が備えられると共に、
前記ブロワの回転中心が前記吸気口の中心に一致することにより、前記ブロワの回転中心部に形成された空間部が前記吸気口に臨んでいる空調ユニットにおいて、
前記吸気口に掛け渡す状態で棒状の邪魔板が備えられており、
しかも、前記ブロワから発生するＮＺ音の周波数と、前記空気流路により形成される音場の固有振動数が一致したときに、前記吸気口に固有の音場モードが形成されて前記吸気口に音場モードの腹の領域と音場モードの節の領域が形成されたときに、前記邪魔板が少なくとも１つの腹の領域を横断する状態で前記邪魔板の配置位置が設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、ブロワから発生するＮＺ音の周波数と、ハウジング内部の空気流路により形成される音場の固有振動数が一致したときに、ハウジングの吸気口に固有の音場モードが形成されて吸気口に音場モードの腹の領域と音場モードの節の領域が形成されたときに、邪魔板が少なくとも１つの腹の領域に対面する状態で邪魔板の配置位置と広さが設定されていたり、邪魔板が少なくとも１つの腹の領域を横断する状態で邪魔板の配置位置が設定されていたりする。このため、複数の腹の領域に吸引される空気圧力がアンバランスとなり、共振モードに入る励振力が緩和されて共振モードに入り難くなり、ＮＺ音が大きくなることを抑制することができる。

本発明の実施例１にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す断面図。 本発明の実施例１にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す斜視図。 本発明の実施例１にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す平面図。 実施例１で用いる衝立を示す斜視図。 実施例１における固有の音場モードの一例を示す特性図。 本発明の実施例２にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す斜視図。 本発明の実施例２にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す平面図。 実施例２における固有の音場モードの一例を示す特性図。 本発明の実施例３にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す斜視図。 本発明の実施例３にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニットを示す平面図。 実施例３における固有の音場モードの一例を示す特性図。 ＮＺ音の周波数が、音場の固有振動数に一致していないときの周波数−音圧特性を示す特性図。 ＮＺ音の周波数が、音場の固有振動数に一致したときの周波数−音圧特性を示す特性図。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１にかかる空調ユニットであるＨＶＡＣユニット１を示す断面図、図２はその斜視図、図３はその平面図を示す。
このＨＶＡＣユニット１のハウジング１０は、一端部側（図では左側）の上面に吸気口１１を有し他端部側（図では右側）の側面に吹出口１２を有し、吸気口１１から吹出口１２に至るハウジング１０の内部空間は空気流路１３となっている。

ハウジング１０内には、多翼ファン（シロッコファン）からなるブロワ２０と、冷房用のエバポレータ２１と、暖房用のヒータコア２２が一体的に備えられている。
ブロワ（多翼ファン）２０は、その羽根車の回転中心が吸気口１１の中心に一致しており、ブロワ２０の回転中心部に形成された空間部（円筒状の空間部）が、吸気口１１に臨む（一致する）状態になっている。

ここまで説明した構造は、従来のＨＶＡＣユニットと同様である。
なお、図１〜図３において、ハウジング１０内に配置される各種のダンパや空気フィルタ、ハウジング１０の吸気口１１の外側に設置されるインテークボックス等は図示省略している。

更に本実施例１では、吸気口１１に衝立３０を備えている。衝立３０は、図４に拡大して示すように、扇形をなす邪魔板３１と湾曲板状の支持板３２とを一体的に組み合わせて構成されている。
本例では、支持板３２は、吸気口１１の周縁のうちの一部、即ち全周縁（３６０°）のうち１２０°の範囲から、吸気口１１の外側に向かって立ち上がっている。
本例では、邪魔板３１は、開き角度が１２０°になった扇形の板であり、円弧状をなす周縁部が支持板３２により支持されている。このため、邪魔板３１は、吸気口１１との間で予め決めた間隔（支持板３２の立ち上がり高さに相当する間隔）を保ちつつ吸気口１１に対面している。

本例では、邪魔板３１は開き角度が１２０°になった扇形の板であるため、吸気口１１の全面（円状の面）のうちの開き角度が１２０°になった扇形の面に対して、邪魔板３１が対面する状態になっている。

邪魔板３１の配置位置（周方向位置）及び広さは、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動を考慮して決定している。このことを、以下に説明する。

ブロア（多翼ファン）２０から発生するＮＺ音の周波数が上昇してきてその周波数が、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動と一致すると、共振状態となり、空気流路１３内には定在波音場が形成される。このように定在波音場が形成されると、吸気口１１には、固有の音場モードが形成される。

例えば、図５に示すような、固有の音場モードが形成される。つまり、図５において、開き角度が９０°の♯１〜♯４で示す扇形の４つの領域は、音響学的には音圧分布の腹の部分であり、図５において点線で示す部分が音響学的には音圧分布の節の部分となる。
図５のような音場モードでは、♯１，♯３の腹の領域の音圧が高くなる（音波の山となる）ときには、♯２，♯４の腹の領域の音圧が低くなり（音波の谷となり）、♯１，♯３の腹の領域の音圧が低くなる（音波の谷となる）ときには、♯２，♯４の腹の領域の音圧が高くなる（音波の山となる）。
図５において点線で示す音響学的に音圧の節の部分は、音圧が一定（零）となる。

なお共振状態となったときに、吸気口１１に、どのような状態の固有の音場モードが形成されるかは、吸気口１１に音圧センサを配置して実測したり、シミュレーション計算をしたりすることにより、特定することができる。

本例では、開き角度が１２０°になった扇形の邪魔板３１は、吸気口１１に対面し、ちょうど、♯１の腹の領域の全面と、♯２の腹の領域の一部に対面している。

なお、邪魔板３１の開き角度を９０°にして、吸気口１１に形成される音場モードの腹の領域のうちの１つの腹の領域に対面するようにしてもよい。要は、吸気口１１に形成される音場モードの複数の腹の領域のうちの少なくとも１つの腹の領域に邪魔板３１が対面すればよい。

実施例１では、邪魔板３が、吸気口１１に形成される音場モードの複数の腹の領域のうちの少なくとも１つの腹の領域に対面しているため、♯１〜♯４で示す腹の各領域に吸引される空気圧力がアンバランスとなり、共振モードに入る励振力が緩和されて共振モードに入り難くなる。
このため、ブロア（多翼ファン）２０から発生するＮＺ音の周波数が上昇してきてその周波数が、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動と一致した状態になっても、共振状態に入りにくくなり、ＮＺ音が大きくなることを抑制することができる。

また、吸気口１１と邪魔板３１との間に間隔を開けているため、吸気口１１に入る空気全体としての吸気量を減少させることはない。
更に、吸気口１１と邪魔板３１との間に間隔を開けているため、邪魔板３１が、吸気口１１に吸い込まれる空気流の抵抗体となることはなく、ブロワ２０のモータに対する負担が増加することもない。

なお、実施例１の説明では邪魔板３１の形状を扇形としているが、形状は扇形に限るものではなく、吸気口１１に形成される音場モードの複数の腹の領域のうちの少なくとも１つの腹の領域に対面できる広さを有していれば、どのような形状であってもよい。

本発明の実施例２に係るＨＶＡＣユニット１を、斜視図である図６及び平面図である図７を参照して説明する。なお、実施例１と同一機能を果たす部分についての説明は省略し、実施例２において独得な部分について説明をする。

実施例２では、棒状の邪魔板４１と棒状の邪魔板４２を十字型に組み合わせた物が、吸気口１１に配置されている。

実施例２のＨＶＡＣユニット１では、ブロア（多翼ファン）２０から発生するＮＺ音の周波数が上昇してきてその周波数が、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動と一致すると、共振状態となり、空気流路１３内には定在波音場が形成される。このように定在波音場が形成されると、吸気口１１には、固有の音場モードが形成される。

例えば、図８に示すような、固有の音場モードが形成される。つまり、図８において、♯１１〜♯１４で示す扇形の４つの領域は、音響学的には音圧分布の腹の部分であり、図８において点線で示す部分が音響学的には音圧分布の節の部分となる。
図８のような音場モードでは、♯１１，♯１３の腹の領域の音圧が高くなる（音波の山となる）ときには、♯１２，♯１４の腹の領域の音圧が低くなり（音波の谷となり）、♯１１，♯１３の腹の領域の音圧が低くなる（音波の谷となる）ときには、♯１２，♯１４の腹の領域の音圧が高くなる（音波の山となる）。
図８において点線で示す音響学的に音圧の節の部分は、音圧が一定（零）となる。

実施例２では、邪魔板４１は、周方向に１８０°ずれた位置にある♯１２，♯１４の２つの腹の領域を横断する状態で、吹出口１１に掛け渡す状態で配置されている。邪魔板４２は、周方向に１８０°ずれた位置にある♯１１，♯１３の２つの腹の領域を横断する状態で、吹出口１１に掛け渡す状態で配置されている。

このように実施例２では、邪魔板４１，４２が、♯１２，♯１４の腹の領域と♯１１，１３の腹の領域を横断するため、♯１１〜♯１４で示す腹の各領域に吸引される空気圧力がアンバランスとなり、共振モードに入る励振力が緩和されて共振モードに入り難くなる。
このため、ブロア（多翼ファン）２０から発生するＮＺ音の周波数が上昇してきてその周波数が、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動と一致した状態になっても、共振状態に入りにくくなり、ＮＺ音が大きくなることを抑制することができる。

また、邪魔板４１，４２は棒状でありその面積が狭いので、吸気口１１に入る空気全体としての吸気量を減少させることはない。
更に、邪魔板４１，４２は棒状でありその面積が狭いので、吸気口１１に吸い込まれる空気流の抵抗体となることはなく、ブロワ２０のモータに対する負担が増加することもない。

なお実施例２では、邪魔板４１，４２が、♯１２，♯１４の腹の領域と♯１１，♯１３の腹の領域を横断するように邪魔板４１，４２を配置したが、邪魔板４１が♯１１〜♯１４の腹の領域のうちの少なくとも１つを横断し、邪魔板４２が♯１１〜♯１４の腹の領域のうちの少なくとも１つを横断するように配置する状態になっていればよい。

本発明の実施例３に係るＨＶＡＣユニット１を、斜視図である図９及び平面図である図１０を参照して説明する。なお、実施例１と同一機能を果たす部分についての説明は省略し、実施例３において独得な部分について説明をする。

実施例３では、棒状の邪魔板５１が吸気口１１に配置されている。

実施例３のＨＶＡＣユニット１では、ブロア（多翼ファン）２０から発生するＮＺ音の周波数が上昇してきてその周波数が、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動と一致すると、共振状態となり、空気流路１３内には定在波音場が形成される。このように定在波音場が形成されると、吸気口１１には、固有の音場モードが形成される。

例えば、図１１に示すような、固有の音場モードが形成される。つまり、図１１において、♯２１，♯２２で示す扇形の２つの領域は、音響学的には音圧分布の腹の部分であり、図１１において点線で示す部分が音響学的には音圧分布の節の部分となる。
図１１のような音場モードでは、♯２１の腹の領域の音圧が高くなる（音波の山となる）ときには、♯２２の腹の領域の音圧が低くなり（音波の谷となり）、♯２１の腹の領域の音圧が低くなる（音波の谷となる）ときには、♯２２の腹の領域の音圧が高くなる（音波の山となる）。
図１１において点線で示す音響学的に音圧の節の部分は、音圧が一定（零）となる。

実施例３では、邪魔板５１は、周方向に１８０°ずれた位置にある♯２１，♯２２の２つの腹の領域を横断する状態で、吹出口１１に掛け渡す状態で配置されている。

このように実施例３では、邪魔板５１が、♯２１，♯２２の腹の領域を横断するため、♯２１，♯２２で示す腹の各領域に吸引される空気圧力がアンバランスとなり、共振モードに入る励振力が緩和されて共振モードに入り難くなる。
このため、ブロア（多翼ファン）２０から発生するＮＺ音の周波数が上昇してきてその周波数が、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の固有振動と一致した状態になっても、共振状態に入りにくくなり、ＮＺ音が大きくなることを抑制することができる。

また、邪魔板５１は棒状でありその面積が狭いので、吸気口１１に入る空気全体としての吸気量を減少させることはない。
更に、邪魔板５１は棒状でありその面積が狭いので、吸気口１１に吸い込まれる空気流の抵抗体となることはなく、ブロワ２０のモータに対する負担が増加することもない。

なお実施例３では、邪魔板５１が、♯２１，♯２２の腹の領域を横断するように邪魔板５１を配置したが、邪魔板５１が♯２１，♯２２の腹の領域のうちの少なくとも１つを横断するように配置する状態になっていればよい。

なお、吸気口１１に形成される音場の固有モードは、一般的には、偶数個の腹の領域が形成される。つまり、ハウジング１０の内部空間の空気流路１３により形成される音場の状況に応じて、腹の領域が、２個、４個、６個、８個・・・という状態で音場の固有モードが形成される。
したがって、吸気口１１に形成される音場の固有モードに応じて、実施例１に示すような邪魔板の配置位置及び広さや、実施例２，３に示すような棒状の邪魔板の配置位置を決定する。

本発明は自動車用の空調装置であるＨＶＡＣユニットのみならず、多翼ファン（シロッコファン）を用いたその他の空調ユニットにも適用することができる。

１ ＨＶＡＣユニット
１０ ハウジング
１１ 吸気口
１２ 吹出口
１３ 空気流路
２０ ブロワ
２１ エバポレータ
２２ ヒータコア
３０ 衝立
３１ 邪魔板
３２ 支持板
４１，４２，５１ 邪魔板

Claims (2)

1. 吸気口から吹出口に至る内部空間が空気流路となっているハウジング内に、多翼ファンからなるブロワと、冷房手段と、暖房手段が備えられると共に、
   前記ブロワの回転中心が前記吸気口の中心に一致することにより、前記ブロワの回転中心部に形成された空間部が前記吸気口に臨んでいる空調ユニットにおいて、
   前記吸気口との間で予め決めた間隔を保ちつつ前記吸気口に対面する邪魔板が備えられており、
   しかも、前記ブロワから発生するＮＺ音の周波数と、前記空気流路により形成される音場の固有振動数が一致したときに、前記吸気口に固有の音場モードが形成されて前記吸気口に音場モードの腹の領域と音場モードの節の領域が形成されたときに、前記邪魔板が少なくとも１つの腹の領域に対面する状態で前記邪魔板の配置位置と広さが設定されていることを特徴とする空調ユニットの異音低減構造。
2. 吸気口から吹出口に至る内部空間が空気流路となっているハウジング内に、多翼ファンからなるブロワと、冷房手段と、暖房手段が備えられると共に、
   前記ブロワの回転中心が前記吸気口の中心に一致することにより、前記ブロワの回転中心部に形成された空間部が前記吸気口に臨んでいる空調ユニットにおいて、
   前記吸気口に掛け渡す状態で棒状の邪魔板が備えられており、
   しかも、前記ブロワから発生するＮＺ音の周波数と、前記空気流路により形成される音場の固有振動数が一致したときに、前記吸気口に固有の音場モードが形成されて前記吸気口に音場モードの腹の領域と音場モードの節の領域が形成されたときに、前記邪魔板が少なくとも１つの腹の領域を横断する状態で前記邪魔板の配置位置が設定されていることを特徴とする空調ユニットの異音低減構造。

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