JP2011202517A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】翼の枚数を減少させた場合にも、応力による破損を生じること無く、風量を確保することができる軸流ファンを提供する。
【解決手段】プロペラファン１０の翼２０の半径方向断面は、ハブ部１２との接続点Ａから所定の変曲点Ｂまでの間であって、正圧面側を円の中心とする円弧状の第１の曲線３１と、変曲点Ｂから翼端までの間であって、負圧面側を円の中心とする円弧状の第２の曲線３２とから成る形状を呈し、接続点Ａから変曲点Ｂを通り、翼端に渡る線Ｌ１の寸法に対する接続点Ａから変曲点Ｂまでの寸法の比をαとし、回転中心の軸に直交し、接続点Ａを通る線Ｌ２と、線Ｌ１とが成す角度をβとした場合、５０％≦α＜１００％、且つ、５°≦β≦２５°に設定した。
【選択図】図６

Description

本発明は回転中心を備えたハブ部と、このハブ部の外周に設けられた複数枚の前進翼とを備えた軸流ファンに関するものである。

空気調和装置の室外機、換気扇及び扇風機などには、気体を軸方向から吸い込んで軸方向に送風する軸流ファンが採用されている。軸流ファンは、回転中心を備えたハブ部と、ハブ部の外周に配置された複数枚の前進翼を備え、この翼が三次元の曲面形状とされている（例えば、特許文献１参照）。

このような軸流ファンの低騒音化を図るための一つの手段としては、前記特許文献１のような４枚のものから、３枚乃至２枚へと翼の枚数を減らすことが考えられる。しかしながら、同一の回転数であれば、翼の枚数減少はそのまま風量の減少に繋がるため、少ない枚数で同一風量を維持するためには、プロペラピッチ（翼が一回転する間に進む距離）を大きくする必要がある。

即ち、軸流ファンの設計においては、前記プロペラピッチが送風量を決定する最も重要なパラメータの一つとなる。空気は翼の正圧面（吹出側の面）上を概ね同心円状の軌跡を描いて通過することを踏まえると、プロペラピッチはハブ部の回転中心からの或る半径の位置における円周方向断面での翼の迎角に相当し、プロペラピッチを決定するパラメータは、水平距離と高さで与えることができることが分かる。一方で、静圧差を考慮すれば、翼の投影面積は大きく変更できないので、プロペラピッチは軸流ファンの高さによって決定されると云える。

実開平５−６９４００号公報

しかしながら、翼の高さを高くした場合、軸流ファンが回転したときの遠心力によって翼は水平になろうと捩れるため、応力が大きくなって、亀裂や破損が発生する原因となる。ここで、ハブ部を高くすれば翼との接続部の距離が稼げるために強度の向上を図ることもできるが、ハブ部の大型化は質量の増加と材料費の高騰を招く。また、モータの上側に軸流ファンは通常取り付けられることになるため、バランスも悪化することから、ハブ部はできるだけ小さくしたい。そこで、高さの低いハブ部に対して翼の高さを高くするには、ハブ部に対する翼の接続角度を大きくすることになるが、それでは捩れによる応力が一層大きくなる。ハブ部は剛体と見なせるため、応力は当然にハブ部と翼との接続部に集中する。そして、この接続部が軸流ファンにおいて最も強度が弱くなる位置である。

ここで、図９はハブ部１０１の外周に２枚の前進翼１０２を備えたプロペラファン１００（従来）を正圧面１０３Ｓ（翼１０２の表面）側から見た正面図を示しており、回転方向は図中反時計回りである。翼１０２は回転により翼前縁１０４側から翼後縁１０６側へ向かい負圧面（翼１０２の裏面）に沿って空気を流動させ、この空気を全体としてプロペラファン１００の裏側から表側方向に送風する。

翼１０２は、翼面が空間的に捩れながら、しかも翼前縁１０４側が空気の吸込側（負圧面側。翼１０２の裏面）に大きく傾斜した３次元の曲面形状とされている。このようなプロペラファン１００において翼１０２のハブ部１０１への接続角度を大きくした場合の応力分布を曲線Ｔ１〜Ｔ５で示している。応力はＴ５からＴ１に向けて徐々に大きくなり、ハブ部１０１と翼１０２との翼後縁１０６側の接続部において最大応力Ｔ０となる。

そこで、この接続部における翼の強度を上げるためには翼を肉厚にすることが考えられるが、通常樹脂等で成型されることの多いこの種軸流ファンでは、肉厚化は好ましくないのが実情である。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、翼の枚数を減少させた場合にも、応力による破損を生じること無く、風量を確保することができる軸流ファンを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の軸流ファンは、回転中心を備えたハブ部と、このハブ部の外周に設けられた複数枚の前進翼とを備えたものであって、翼の半径方向断面は、ハブ部との接続点Ａから所定の変曲点Ｂまでの間であって、正圧面側を円の中心とする円弧状の第１の曲線と、変曲点Ｂから翼端までの間であって、負圧面側を円の中心とする円弧状の第２の曲線とから成る形状を呈し、接続点Ａから変曲点Ｂを通り、翼端に渡る線Ｌ１の寸法に対する接続点Ａから変曲点Ｂまでの寸法の比をαとし、回転中心の軸に直交し、接続点Ａを通る線Ｌ２と、線Ｌ１とが成す角度をβとした場合、５０％≦α＜１００％、且つ、５°≦β≦２５°に設定したことを特徴とする。

請求項２の発明の軸流ファンは、上記において前記比αを、５３％以上とし、前記角度βを１０°以上としたことを特徴とする。

請求項３の発明の軸流ファンは、上記において前記比αを、８０％以下とし、前記角度βを２０°以下としたことを特徴とする。

請求項４の発明の軸流ファンは、上記各発明において第１の曲線と第２の曲線は、変曲点Ｂにおいて滑らかに連続することを特徴とする。

請求項５の発明の軸流ファンは、上記各発明においてハブ部の外周に翼を２枚又は３枚設けたことを特徴とする。

本発明によれば、回転中心を備えたハブ部と、このハブ部の外周に設けられた複数枚の前進翼とを備えた軸流ファンにおいて、翼の半径方向断面を、ハブ部との接続点Ａから所定の変曲点Ｂまでの間であって、正圧面側を円の中心とする円弧状の第１の曲線と、変曲点Ｂから翼端までの間であって、負圧面側を円の中心とする円弧状の第２の曲線とから成る形状とし、接続点Ａから変曲点Ｂを通り、翼端に渡る線Ｌ１の寸法に対する接続点Ａから変曲点Ｂまでの寸法の比をαとし、回転中心の軸に直交し、接続点Ａを通る線Ｌ２と、線Ｌ１とが成す角度をβとした場合に、５０％≦α＜１００％、且つ、５°≦β≦２５°に設定したので、ハブ部に対する翼の接続角度を拡大すること無く翼の高さを高くし、プロペラピッチを拡大することができるようになる。

これにより、翼とハブ部との接続部における応力集中を抑制しながら、回転数を上げずに、風量を増大させることが可能となり、請求項５の発明の如く２枚又は３枚とする等、翼の枚数を削減して静音化を図った場合にも、回転数を増大させること無く、且つ、応力による破損を回避しながら、風量を確保することができるようになるものである。

特に、請求項２の発明の如く前記比αを、５３％以上とし、前記角度βを１０°以上とすることにより、更には請求項３の発明の如く、前記比αを、８０％以下とし、前記角度βを２０°以下とすることで、より一層確実に前記効果を享受することができる。

また、請求項４の発明の如く翼の断面形状における第１の曲線と第２の曲線を、変曲点Ｂにおいて滑らかに連続させれば、より安定的且つ低騒音の送風を実現することが可能となるものである。

本発明の軸流ファンの一実施形態にかかるプロペラファンを適用した室外機の斜視図である。 プロペラファンを正圧面側から見た正面図である。 プロペラファンを正圧面側から見た斜視図である。 プロペラファンの正圧面における空気の流れを説明する図である。 プロペラファンの噴出流速を説明する図である。 プロペラファンの翼の半径方向断面図である。 翼に加わる応力を説明するプロペラファンを正圧面側から見た正面図である。 翼の変曲点を変更した場合の応力の変化を説明する図である。 従来のプロペラファンの翼に加わる応力を説明する正圧面側から見た正面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の軸流ファンの一実施形態にかかるプロペラファンを適用した室外機１の斜視図である。この室外機１は、室外に配置され、室内の天井や壁に配置された図示しない室内機と配管接続されて空気調和装置を構成するものである。空気調和装置は、室外機１と室内機とで構成される冷媒回路に冷媒を流して冷房運転や暖房運転などを行う。室外機１は、外気と冷媒とを熱交換し、冷房運転時には冷媒を凝縮させて外気へ熱を放出し、暖房運転時には冷媒を蒸発させて外気から熱を取り込むものである。

この室外機１は、筐体２内に図示しない圧縮機や熱交換器を配設し、本実施例では、当該筐体２の側面に空気流入部３・・が形成されており、その上面には、空気吐出部（オリフィス）４が形成されている。そして、この空気吐出部４内には、本発明の軸流ファンの一実施例としてのプロペラファン１０が配設されている。このプロペラファン１０は下側に位置する図示しないファンモータ（従って、プロペラファン１０はファンモータの上側に位置する）に連結され、このファンモータが前記圧縮機や熱交換器の上方に配置される。このプロペラファン１０のファンモータによる回転駆動によって、空気（外気）が空気流入部３より筐体２内に吸入され、熱交換器に至り、当該熱交換器内の冷媒と外気とが熱交換される。そして、熱交換された後の空気は、プロペラファン１０の回転駆動によって空気吐出部４より外部に吐出される。

次に、実施例のプロペラファン１０について図面を参照して説明する。図２及び図３はプロペラファン１０の正圧面側から見た正面図及び斜視図である。プロペラファン１０は、回転中心１１を備えたハブ部１２と、このハブ部１２の外周に１８０°の間隔で配置され、接続部３０において接続された２枚の同一形状の前進翼２０とを有して構成される。これらのハブ部１２及び各前進翼２０は、例えば一体に樹脂成形される。

ハブ部１２は、その回転中心１１に前記ファンモータの回転軸が下側から挿通され、ファンモータの駆動により各前進翼２０を図２の矢印Ｎ方向（反時計回り）に回転させる。本実施例では、筐体２の上面に形成された空気吐出部４にプロペラファン１０が配設されることから、当該プロペラファン１０の正圧面２１Ｓ側が上面、負圧面２４Ｆ（図６）側が筐体２側（下面）となるように配設される。また、このハブ部１２は、外径が略円柱形状に構成されている。尚、ハブ部１２は、円柱形状に限定されず、翼２０の接続部を底辺とする三角錐形状や円錐台形状であっても良い。

これにより、上記翼２０は、矢印Ｎ方向の回転により、その翼前縁２２側から翼後縁２３側へ向かい負圧面２４Ｆ（翼２０の裏面）に沿って空気（外気）を流動させ、この空気を全体として、プロペラファン１０の裏側から表側方向、この場合、筐体２内側から筐体２の上面方向に送風する。

ここで、空気は翼２０の正圧面２１Ｓ上を概ね同心円状の軌跡を描いて通過する。この様子が図４に示される。図４はプロペラファン１０の翼２０の正圧面２１Ｓにおける空気の流れを説明するためのオイルフローを様式化した図である。オイルフローは、翼２０の正圧面２１Ｓ上に油滴を落とした場合に、油滴が風に吹かれて伸びていく様子を示し、軸流ファンの翼面上の場合、図４の様に抽象化できる。矢印で示す油滴の軌跡がプロペラファン１０が回転したときの空気の流れる方向を意味している。そして、プロペラファン１０の場合、図５に示すように翼２０の内側（ハブ部１２側）では噴出流速が遅く、外側（半径方向先端側）で速い。

従来技術で説明したように、少ない枚数（実施例のように２枚等）の翼２０、２０で所望の風量を確保するためには、プロペラピッチを拡大しなければならず、そのためには翼２０の高さを高くする必要がある。しかしながら、そのためにハブ部１２に対する翼２０の接続角度を大きくすると、捩れによる応力が大きくなり、それがハブ部１２と翼２０との接続部３０（最も強度が弱くなる箇所）に集中してしまう（図９）。

そこで、本発明ではもともと噴出流速の遅い（図５）内側（ハブ部１２側）は流速が遅くなっても良しとし、浅い角度でハブ部１２と翼２０とを接続し、半径方向内側から外側に向けて徐々に翼２０を捩り上げることとした。また、そのまま捩り上げたのでは外側（翼２０の半径方向先端側）の角度が大きくなり過ぎるため、外側では反対側に捩ることとした。以下に本発明のプロペラファン１０の翼２０の断面形状について説明する。

図６は実施例のプロペラファン１０の翼２０の半径方向断面図を示している。本発明のプロペラファン１０の翼２０の半径方向における断面形状は、内側である接続部３０の或る点（断面を切った箇所の接続点Ａ）から外側である半径方向の先端となる翼端Ｃまでの間に所定の変曲点Ｂを設定し、接続点Ａから変曲点Ｂまでの間は、翼２０の正圧面２１Ｓ側を円の中心とする円弧状の第１の曲線３１、変曲点Ｂから翼端Ｃまでの間は、翼２０の負圧面２４Ｆ側を円の中心とする円弧状の第２の曲線３２とされている。

この場合、第１の曲線３１と第２の曲線３２とは変曲点Ｂにおいて滑らかに連続している。また、第１の曲線３１及び第２の曲線３２は、円弧そのものに限らず、円弧に近似した滑らかな曲線であれば良い。このように第１の曲線３１と第２の曲線３２とで翼２０の半径方向断面の形状を構成することにより、第１の曲線３１でハブ部１２に対する翼２０の接続角度（後述するγ）を小さくしながら捩り上げるかたちとなり、接続角度γは小さくなり、応力は接続部３０に集中しなくなる。そして、翼２０の高さを高くすることができるが、一方で第２の曲線３２により外側（半径方向先端側）における角度は小さくなる。

係る断面形状の本発明のプロペラファン１０の応力分布を図７に曲線Ｔ１〜Ｔ５で示している。応力はこの場合もＴ５からＴ１に向けて徐々に大きくなるように示しているが、集中箇所（Ｔ１で示す）はハブ部１２と翼２０との接続部３０では無く、外側（半径方向における先端側）の中途部における翼後縁２３に移動し、その最大応力も従来よりも２／３程の大きさとなることが分かった。

ここで、図６においてαは接続点Ａから変曲点Ｂを通り、翼２０の翼端Ｃまで渡る線Ｌ１の寸法Ｙに対する接続点Ａから変曲点Ｂまでの寸法Ｘの比Ｘ／Ｙである。また、βはハブ部１２の回転中心１１を通る軸（前記ファンモータの回転軸）と直交し、接続点Ａを通る線Ｌ２と、接続点Ａと変曲点Ｂとを結ぶ前記線Ｌ１とが成す角度である。更に、γは接続点Ａにおける第１の曲線３１の接線Ｌ３と線Ｌ２とが成す角度、即ち、ハブ部１２に対する翼２０の接続角度である。

次に、これら比α、角度β、γを用いて係るプロペラファン１０の翼２０の理想的な寸法関係を応力の面から検証する。図８は図６の翼２０の比αを３６％〜８０％、角度βを５°〜２５°、接続角度γを０°〜２５°（β≧γ）で変化させて強度を解析した結果である（有限要素法（ＦＥＭ）による強度解析を何通りか行って有効範囲を特定したもの）。

この図８においては前記比αの変化を横の列に、前記角度βの変化を縦の列に示している。また、比αは左から３６％、４４％、５３％、６２％、７１％、８０％の場合を示し、角度βは下から５°、１０°、１５°、２０°、２５°の場合を示している。接続角度γを０°から５°刻みで大きくし、応力の最大値をプロットしており、各線分は各プロットの線形近似である。

この図８中の破線Ｇで囲んだ範囲は、線分が右上がりとなっている。このことは即ち、この範囲Ｇでは接続角度γが小さい程、応力が小さくなることを意味しており、比αを５０％以上１００％未満、且つ、角度βを５°以上２５°以下に設定することで、図３の断面形状を用いて接続角度γを小さくすることにより、図７の応力集中箇所の移動と縮小が可能となることが分かる。

但し、図８から明らかな如く、理想的には５３％≦α≦８０％、１０°≦β≦２０°とすることで、確実に上記効果を享受することが可能となる。

以上詳述した如く、本発明ではプロペラファン１０の翼２０の半径方向断面を、ハブ部１２との接続点Ａから所定の変曲点Ｂまでの間であって、正圧面側を円の中心とする円弧状の第１の曲線３１と、変曲点Ｂから当該翼２０の先端までの間であって、負圧面側を円の中心とする円弧状の第２の曲線３２とから成る形状とし、図６の比αと角度βを、５０％≦α＜１００％、且つ、５°≦β≦２５°に設定したので、ハブ部１２に対する翼２０の接続角度γを拡大すること無く翼２０の高さを高くし、プロペラピッチを拡大することができる。

これにより、翼２０とハブ部１２との接続部３０における応力集中を抑制しながら、回転数を上げずに、風量を増大させることが可能となり、実施例のように２枚の翼２０のプロペラファン１０として静音化を図った場合にも、回転数を増大させること無く、且つ、応力による破損を回避しながら、風量を確保することができるようになる。

特に、比αを、５３％以上とし、角度βを１０°以上とすることにより、更には比αを、８０％以下とし、角度βを２０°以下とすることで、より一層確実に前記効果を享受することができる。また、翼２０の断面形状における第１の曲線３１と第２の曲線３２を、変曲点Ｂにおいて滑らかに連続させているので、より安定的且つ低騒音の送風を実現することが可能となる。

尚、実施例ではハブ部１２に２枚の翼２０を設けたプロペラファンで本発明を説明したが、例えば４枚翼のプロペラファンの翼枚数を削減する場合には、３枚翼のプロペラファンにも本発明は有効である。即ち、翼の枚数を削減する際に本発明は有効であり、請求項１乃至請求項４の発明は、できあがったプロペラファンの翼の枚数に限定されるものでは無い。

１ 室外機
２ 筐体
３ 空気流入部
４ 空気吐出部（オリフィス）
１０ プロペラファン
１１ 回転中心
１２ ハブ部
２０ 前進翼
２１Ｓ 正圧面
２１Ｆ 負圧面
２２ 翼前縁
２３ 翼後縁
３０ 接続部
３１ 第１の曲線
３２ 第２の曲線
Ａ 接続点
Ｂ 変曲点

Claims (5)

1. 回転中心を備えたハブ部と、該ハブ部の外周に設けられた複数枚の前進翼とを備えた軸流ファンにおいて、
   前記翼の半径方向断面は、前記ハブ部との接続点Ａから所定の変曲点Ｂまでの間であって、正圧面側を円の中心とする円弧状の第１の曲線と、前記変曲点Ｂから翼端までの間であって、負圧面側を円の中心とする円弧状の第２の曲線とから成る形状を呈し、
   前記接続点Ａから前記変曲点Ｂを通り、前記翼端に渡る線Ｌ１の寸法に対する前記接続点Ａから前記変曲点Ｂまでの寸法の比をαとし、
   前記回転中心の軸に直交し、前記接続点Ａを通る線Ｌ２と、前記線Ｌ１とが成す角度をβとした場合、
   ５０％≦α＜１００％、且つ、５°≦β≦２５°に設定したことを特徴とする軸流ファン。
2. 前記比αを、５３％以上とし、前記角度βを１０°以上としたことを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記比αを、８０％以下とし、前記角度βを２０°以下としたことを特徴とする請求項２に記載の軸流ファン。
4. 前記第１の曲線と前記第２の曲線は、前記変曲点Ｂにおいて滑らかに連続することを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかに記載の軸流ファン。
5. 前記ハブ部の外周に前記翼を２枚又は３枚設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れかに記載の軸流ファン。

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