JP2012052431A

JP2012052431A - 遠心送風機

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Publication number: JP2012052431A
Application number: JP2010193541A
Authority: JP
Inventors: Koji Mitsuishi; 康志三石; Masaharu Sakai; 雅晴酒井
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP5409557B2

Abstract

【課題】低騒音効果がある車両空調用のスクロールケーシングを備えた遠心送風機を提供する。
【解決手段】多翼ファンのファン出口角（Ａ）が、２０°〜７５°以内の角度範囲であって、かつ、前記多翼ファンの外径をＤとしたときに、０．０５〜０．１５Ｄ以内の範囲である翼車幅（ｄ）を有する多翼ファンと、前記多翼ファンの周囲に、巻き始め部を起点として渦巻きの拡がり角が２°〜６°以内の角度範囲である渦巻き状のケーシングに囲まれたスクロール室であって、渦巻きの拡がりと共に前記スクロール室の室底面部が前記軸方向下方に徐々に拡大して、前記巻き始め部から吐出口向かい徐々に流路面積が拡大する渦巻き状のスクロール室と、を具備する遠心送風機において、前記室底面部の前記巻き始め部における、前記軸方向下方に向う初期傾斜角θ_０が、５.２°〜２７.５°以内の角度範囲であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両空調用のスクロールケーシングを備えた遠心送風機に関する。

自動車用の空気調和装置に用いられる遠心送風機は、例えば、特許文献１に開示されている。図１（ａ）は、特許文献１に開示された遠心送風機の軸方向に沿う断面図であり、（ｂ）は、正面図であり、（ｃ）は、平面断面図である。
このような従来の遠心送風機は、多数の翼２を有する多翼ファン１６と、この多翼ファン１６が出力軸３３に取り付けられたモータ３４と、多翼ファン１６を内部に収容するとともに共に多翼ファンの外周側に渦巻き状に形成されたスクロール室３０を有するケーシング３１とを備えている。スクロール室３０は、ケーシング３１の舌部１ａを起点にして吐出口に向かって徐々に通路が拡大する渦巻状に形成される。一般に多翼ファンの回転中心Ｏは、スクロール室の中心である。舌部１ａが円弧状の場合は、厳密にはその曲率中心の示す角度位置が巻き始め部（渦巻状ケーシングの始点）であるが、舌部は円弧状とは限らないので、ここでは、舌部と巻き始め部を同じものとして説明する（以下の本発明の説明においても同様である。また、後述する周方向角度φの起点は曲率中心である。）。

ケーシング３１は多翼ファン１６の軸方向一方側の面に吸込口１３を有し、モータ３４が回転すると、多翼ファン１６は吸込口１３から多翼ファン１６の中心部に空気を吸い込む。空気は、多翼ファンの中心部に吸い込まれた後にこの多翼ファンによって運動エネルギ（動圧）を与えられ、スクロール室３０を通過する間にケーシング内で動圧の一部が静圧に変換されて、吐出口より吐出される。

この特許文献１に示される従来技術では、舌部１６近傍の逆流発生に伴う騒音を低減できるとしている。すなわち、段差２１の起点２１ａは巻き始め部と一致しつまり巻き始め部からの周方向角度φが０°となっており、また段差２１の終点２１ｃは、巻き始め部からの周方向角度φが１０°となっている。この従来技術においては段差２１の終点２１ｃをチャンバー部３５の起点として定義するものであり、チャンバー部３５の起点はθ＝１０°である。

この従来技術では、逆流発生に伴う騒音の低減を目的としているものの、スクロール室底面の形状を急拡大するための段差を設け、スクロール室通路を急拡大させているため、後述するように充分な騒音の低減の効果が得られなかった。

特開２００４−３６０４９７公報

本発明は、上記問題に鑑み、低騒音効果がある、車両空調用のスクロールケーシングを備えた遠心送風機を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、多数の翼（２）が周方向に一定の間隔で配置されて翼車を構成し、前記翼車の軸方向上方に空気の吸入口（１３）が設けられてなる多翼ファン（１６）であって、当該多翼ファン（１６）のファン出口角（Ａ）が、２０°〜７５°以内の角度範囲であって、かつ、前記多翼ファン（１６）の外径をＤとしたときに、０．０５〜０．１５Ｄ以内の範囲である翼車幅（ｄ）を有する多翼ファン（１６）と、前記多翼ファン（１６）の周囲に、巻き始め部（１ａ）を起点として渦巻きの拡がり角が２°〜６°以内の角度範囲である渦巻き状のケーシング（３１）に囲まれたスクロール室（３０）であって、渦巻きの拡がりと共に前記スクロール室（３０）の室底面部（１４、１１）が前記軸方向下方に徐々に拡大して、前記巻き始め部（１ａ）から吐出口（２０）向かい徐々に流路面積が拡大する渦巻き状のスクロール室（３０）と、を具備する遠心送風機において、前記室底面部（１４、１１）の前記巻き始め部（１ａ）における、前記軸方向下方に向う初期傾斜角θ₀が、５.２°〜２７.５°以内の角度範囲であることを特徴とする。

これにより、室底面部の形状を変更することで翼間流れ、渦の発生を改善し、逆流をうまく室底面部へ誘導して騒音の原因となっている空気流の翼間への進入を防ぐことができる。また、逆流防止とともに、室底面部での渦の発生を減少させることから騒音低減、ファン効率アップの効果が得られる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記室底面部（１４、１１）は、傾斜断面形状変化部（２ａ）を境界として、前記巻き始め部（１ａ）から前記傾斜断面形状変化部（２ａ）までの急傾斜室底面部（１４）と、前記傾斜断面形状変化部（２ａ）から前記吐出口（２０）までの緩傾斜室底面部（１１）とから構成されており、前記傾斜断面形状変化部（２ａ）が、前記翼車の軸に対して前記巻き始め部（１ａ）から前記周方向になす角度（φ）が、３０〜６０°以内の角度範囲であって、かつ、前記巻き始め部（１ａ）における室底面部の位置から前記軸方向下方に、前記多翼ファンの翼車全高Ｈに対して０．２〜０．５Ｈ以内の範囲位置（Ｈ２）にあることを特徴とする。これにより、請求項１の発明と同様な効果が得られる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記急傾斜室底面部（１４）が、複数の直線断面形状から構成されていることを特徴とする。これにより、傾斜断面形状変化部での流れの変化をより滑らかにすることができる。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記急傾斜室底面部（１４）が、曲線断面形状から構成されていることを特徴とする。これにより、傾斜断面形状変化部での流れの変化をより滑らかにすることができる。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の発明において、前記巻き始め部（１ａ）から前記吐出口（２０）に亘って、前記翼車の軸に対して前記巻き始め部（１ａ）から前記周方向になす任意の角度（φ）において、前記スクロール室（３０）の上面の幅Ｗ１が、前記室底面部（１４、１１）の幅Ｗ２より小さいことを特徴とする。これにより、下方に向う流れが強くなり、上方に向う流れが弱くなり、逆流が翼間に流れ込むことがなくなる。このため、吸入空気流との衝突が無くなるので、騒音も少なくなる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

（ａ）は、特許文献１に開示された遠心送風機の軸方向に沿う断面図であり、（ｂ）は、正面図であり、（ｃ）は、平面断面図である。本発明の一実施形態における遠心送風機の断面図である。本発明の一実施形態における翼を翼車の軸方向からみた断面図である。遠心送風機における翼間流れを説明する説明図であり、（ａ）は、スクロール室３０の室底面部が下方に拡大していない場合の吸入空気流を示し、（ｂ）は、スクロール室３０の室底面部が下方に拡大させた場合の吸入空気流を示す説明図である。（ａ）は、本発明の一実施形態において、初期傾斜角θ_０とファン効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、初期傾斜角θ_０と騒音との関係を示すグラフである。（ａ）は、本発明の別の実施形態において、傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度φとファン効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度φと騒音との関係を示すグラフである。（ａ）は、急傾斜室底面部１４が段差のような極端に急傾斜の場合の舌部近傍の空気流の状態であり、（ｂ）は、急傾斜室底面部１４が本発明の場合の舌部近傍の空気流の状態を説明する説明図である。本発明の一実施形態のφとＨ２の関係を表示した一例である。（ａ）は、図８の本発明の一実施形態を比較例に比較して、流量係数とファン効率の関係を示したグラフであり、（ｂ）は、図８の本発明の一実施形態を比較例に比較して、流量係数と比騒音の関係を示したグラフである。（ａ）、（ｂ）本発明の他の実施形態を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。従来技術に対しても同様に同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

図２は、本発明の一実施形態における遠心送風機の断面図である。
遠心送風機（いわゆる遠心式送風機）は、多数の翼２を有する多翼ファン１６と、この多翼ファン１６が取り付けられたモータ３４と、多翼ファン１６をケーシング３１の内部に収容するとともに共に、多翼ファンの外周側に渦巻き状に形成されたスクロール室３０を有するケーシング３１（以下、スクロールケーシングという。）を備えている。
ここで言う多翼ファンは、シロッコファンとも呼ばれるものである。スクロール室３０を有するケーシング３１を、スクロールケーシングと呼ぶ。

ケーシング３１は多翼ファン１６の軸方向一方側の面に吸込口１３を有し、モータ３４が回転すると、多翼ファン１６は吸込口１３から多翼ファン１６の中心部に空気を吸い込む。遠心送風機において、空気は、多翼ファンの中心部に吸い込まれた後にこの多翼ファンによって運動エネルギ（動圧）を与えられ、スクロール室３０を通過する間にケーシング内で動圧の一部が静圧に変換されて、吐出口２０より吐出される。

本発明の一実施形態における遠心送風機において、クロールケーシングを形成する渦巻きの形状は、巻き始め部１ａを起点として渦巻きの拡がり角が２°〜６°以内の角度範囲である。渦巻きの拡がり角とは、対数螺旋関数などで説明される（例えば、特開２００４−２７０５７７号公報の段落００３３、特開２００３−１９３９９８号公報の段落００４５等参照）。

多数の翼２が周方向に一定の間隔で配置されて翼車を構成し、翼車の軸方向上方に空気の吸入口１３が設けられている。翼車とは、多翼ファン１６の部分のうち、多数の翼２が周方向に一定の間隔で並列に円筒状に配置されている部分を指す。翼車の軸とは、多翼ファン１６の回転中心Ｏ（回転軸Ｏとも言う）を指している。電動モータ３４は、多翼ファン１６を回転駆動する駆動手段であり、この電動モータ３４は、多翼ファン１６を収納するケーシング３１に固定されている。図２において、Ｈは、翼車全高を示している（上部の翼車リングを含む）。

図３は、本発明の一実施形態における翼を翼車の軸方向からみた断面図である。図３に示したように、翼２の出口先端における接線方向と、翼２の出口先端Ｔと回転中心Ｏを結ぶ線に直角な方向とのなす角が、ファン出口角Ａである。本発明の一実施形態では、ファン出口角Ａは、２０°〜７５°以内の角度範囲にある。翼２の出口先端Ｔと回転中心Ｏを結ぶ距離は、多翼ファン１６の外径Ｄを指している。翼車幅ｄとは、翼２の出口先端Ｔと内側先端Ｔ’との軌跡半径の差である。本発明の一実施形態では、翼車幅ｄは、多翼ファン１６の外径をＤとしたときに、０．０５〜０．１５Ｄ以内の範囲にある。

ケーシング３１は、多翼ファン１６の回転軸Ｏが、スクロール室の中心軸Ｌに位置するように略渦巻き状に形成されている。ケーシング３１のうち回転軸Ｏの軸方向一端側（モータ３４と反対側、ここでは上方という）には、空気を導入するための吸入口１３が形成されており、この吸入口１３の外形縁部には、吸入空気を滑らかに多翼ファン１６に導くベルマウスが設けられている。

これまで、遠心送風機における騒音の原因として、スクロールケーシングにおいて、巻き始め部近傍で発生する逆流空気と吸入空気流との干渉が知られている。本発明においては、翼間における逆流れを詳細に研究することで、逆流に伴う騒音発生源が、主に翼間流れにあることに着眼した。図４は、遠心送風機における翼間流れを説明する説明図であり、（ａ）は、スクロール室３０の室底面部が下方に拡大していない場合の吸入空気流を示し、（ｂ）は、スクロール室３０の室底面部が下方に拡大させた場合の吸入空気流を示す説明図である。

図４（ａ）の場合では、上方に向う流れが強く、逆流が翼間に流れ込んでしまう。これに対して、図４（ｂ）の場合では、下方に向う流れが強くなり、上方に向う流れが弱くなり、逆流が翼間に流れ込むことがなくなる。これにより、吸入空気流との衝突が無くなるので、騒音も少なくなるのである。
そして、ケーシング形状、特に、スクロール室３０の室底面部の形状を、先の従来技術に対してさらに変更することで翼間流れを改善できることがわかった。以下、多翼ファンの外周側に渦巻き状に形成されたスクロール室３０の室底面部について、図２を参照して説明する。スクロール室３０は、渦巻きの拡がりと共にスクロール室３０の室底面部１４、１１が軸方向下方に徐々に拡大して、巻き始め部１ａから吐出口２０向かい徐々に流路面積が拡大する。

本発明の一実施形態において、室底面部１４、１１は、傾斜断面形状変化部２ａを境界として、巻き始め部１ａから傾斜断面形状変化部２ａまでの急傾斜室底面部１４と、傾斜断面形状変化部２ａから吐出口２０までの緩傾斜室底面部１１とから構成されている。
そして、室底面部１４、１１の巻き始め部１ａにおける初期傾斜角θ₀（一説明例として表現すれば、スクロール室３０内側において、室底面部１４近傍の内側円筒壁面（図２の４０）に、室底面部を投影して展開したときに、回転軸Ｏに対する垂直面となす角度のこと。図２のθ_０参照）が、５.２°〜２７.５°以内の角度範囲、好ましくは、６．９°〜２７．５°以内の角度範囲であることを特徴としている。これにより、ファン効率、騒音が改善されることがわかった。
図５（ａ）は、本発明の一実施形態において、初期傾斜角θ_０とファン効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、初期傾斜角θ₀と騒音との関係を示すグラフである。このように、初期傾斜角θ_０が、５.２°〜２７.５°以内の角度範囲にした場合明らかな効果が発生している。

本発明の別の実施形態において、巻き始め部から傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度をφ（回転軸Ｏを中心として計測）とするとき、傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度φは、巻き始め部１ａから周方向３０〜６０°以内の角度範囲であって、かつ、傾斜断面形状変化部２ａは、巻き始め部１ａの室底面部における位置から軸方向下方に、多翼ファンの翼車全高Ｈに対して０．２〜０．５Ｈ以内の範囲位置（Ｈ２）にあるようにしても良い。図６（ａ）は、本発明の別の実施形態において、傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度φとファン効率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度φと騒音との関係を示すグラフである。このように、傾斜断面形状変化部２ａの周方向角度φが、３０〜６０°以内の角度範囲にした場合明らかな効果が発生している。

以上の実施形態における騒音発生が抑制される仕組みについて述べる。図７（ａ）は、急傾斜室底面部１４が段差のような極端に急傾斜の場合の舌部近傍の空気流の状態であり、（ｂ）は、急傾斜室底面部１４が本発明の場合の舌部近傍の空気流の状態を説明する説明図である。図７（ａ）のような、急傾斜室底面部１４が段差のような極端に急傾斜の場合には、渦が多く発生しファン効率低下や騒音の原因となる。これに対して、図７（ａ）のように、初期傾斜角θ_０が、５.２°〜２７.５°以内の角度範囲にした場合には、流線が滑らかに推移して、流れに乱れが発生しない。図２において、Ｗ２は、スクロール室３０の室底面部１４、１１の半径方向の幅をさし、Ｗ１は、翼２の出口先端Ｔ（多翼ファン１６の最外周）とスクロール室３０の上面１０の最外周内面との距離をいう。Ｗ２を全てのφにおいてＷ１より大きくすると、流れに乱れが発生せず効果的である。Ｗ２は、Ｗ１に対して、１０から３０％程度小さくすると良い。

図８は、本発明の一実施形態のφとＨ２の関係を表示した一例である。１０１は、傾斜断面形状変化部２ａがない、一定の傾斜で室底面部が変化した比較例である。図９（ａ）は、図８の本発明の一実施形態を比較例と比較して、流量係数とファン効率の関係を示したグラフであり、（ｂ）は、図８の本発明の一実施形態を比較例と比較して、流量係数と比騒音の関係を示したグラフである。比騒音、流量係数等の定義、試験方法はＪＩＳに準拠するものである。
この本発明の一実施形態の一例では、傾斜断面形状変化部２ａがφ＝４５°にある場合である。図８の実施形態は、本実施形態の代表的なケース側面形状である。傾斜断面形状変化部２ａにかけて、巻き始め１ａから室底面部の形状を変化させ、急傾斜室底面部１４とし、ケースの流路断面積が急拡大している。巻き始め１ａはφ=０°であって、傾斜断面形状変化部２ａはφ＝４５°である。傾斜断面形状変化部２ａから巻き終りの吐出口２０にかけて、なだらかに下にひろがる形状の緩傾斜室底面部１１を有している。図９に示すように、図８の比較例の室底面部の場合に比較して、使用領域での効果が認められる。

多翼ファン１６から吐出された風流れは、舌部に衝突し急激に流れの方向を変えるが、急傾斜室底面部１４の効果により底面方向へ流れが誘導され騒音の原因となっている翼間への進入を防ぐものである。本出願人による研究の結果、翼間流れを定量的に計測すると、特定の範囲（０〜４５°）の翼間で逆流の影響を受け騒音が発生していることがわかっている。ケースの内の流れは、多翼ファンの回転に伴う周速成分が最も大きいことは知られている。この周速成分に対して、上記騒音源の元となる翼間への逆流を防止するために、傾斜断面形状変化部２ａの位置が、３０〜６０°範囲において特に有効な効果が得られることを実験により確認した。φ＝０〜３０°では室底面部への急激な流れの変化を生じてしまうため、性能は良くならない。また、φ＝６０°以上であると逆流をうまくケース底面へ誘導することができず効果が生じないのである。

図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態を示す説明図である。
図１０（ａ）に示す本発明の他の実施形態は、巻き始め部１ａから傾斜断面形状変化部２ａまでの急傾斜室底面部１４を、複数の直線断面形状で構成したものである。ここでは２段であるが、複数段にしても良い。また、図１０（ｂ）に示す本発明の他の実施形態は、巻き始め部１ａから傾斜断面形状変化部２ａまでの急傾斜室底面部１４を、曲線断面形状で構成したものである。ここでは、直線と円弧で構成した一例である。図１０（ａ）、（ｂ）のいずれの場合であっても、請求項１の発明の要件を満たしている。その他、傾斜断面形状変化部２ａから吐出口２０までの緩傾斜室底面部１１を同様に複数の直線断面形状で構成してもよい。

２翼
１１緩傾斜室底面部
１３吸入口
１４急傾斜室底面部
１６多翼ファン
２０吐出口
３０スクロール室
３１ケーシング

Claims

多数の翼（２）が周方向に一定の間隔で配置されて翼車を構成し、前記翼車の軸方向上方に空気の吸入口（１３）が設けられてなる多翼ファン（１６）であって、当該多翼ファン（１６）のファン出口角（Ａ）が、２０°〜７５°以内の角度範囲であって、かつ、前記多翼ファン（１６）の外径をＤとしたときに、０．０５〜０．１５Ｄ以内の範囲である翼車幅（ｄ）を有する多翼ファン（１６）と、前記多翼ファン（１６）の周囲に、巻き始め部（１ａ）を起点として渦巻きの拡がり角が２°〜６°以内の角度範囲である渦巻き状のケーシング（３１）に囲まれたスクロール室（３０）であって、渦巻きの拡がりと共に前記スクロール室（３０）の室底面部（１４、１１）が前記軸方向下方に徐々に拡大して、前記巻き始め部（１ａ）から吐出口（２０）向かい徐々に流路面積が拡大する渦巻き状のスクロール室（３０）と、を具備する遠心送風機において、
前記室底面部（１４、１１）の前記巻き始め部（１ａ）における、前記軸方向下方に向う初期傾斜角θ_０が、５.２°〜２７.５°以内の角度範囲であることを特徴とする遠心送風機。
前記室底面部（１４、１１）は、傾斜断面形状変化部（２ａ）を境界として、前記巻き始め部（１ａ）から前記傾斜断面形状変化部（２ａ）までの急傾斜室底面部（１４）と、前記傾斜断面形状変化部（２ａ）から前記吐出口（２０）までの緩傾斜室底面部（１１）とから構成されており、
前記傾斜断面形状変化部（２ａ）が、前記翼車の軸に対して前記巻き始め部（１ａ）から前記周方向になす角度（φ）が、３０〜６０°以内の角度範囲であって、かつ、前記巻き始め部（１ａ）における室底面部の位置から前記軸方向下方に、前記多翼ファンの翼車全高Ｈに対して０．２〜０．５Ｈ以内の範囲位置（Ｈ２）にあることを特徴とする請求項１に記載の遠心送風機。
前記急傾斜室底面部（１４）が、複数の直線断面形状から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心送風機。
前記急傾斜室底面部（１４）が、曲線断面形状から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心送風機。
前記巻き始め部（１ａ）から前記吐出口（２０）に亘って、前記翼車の軸に対して前記巻き始め部（１ａ）から前記周方向になす任意の角度（φ）において、
前記スクロール室（３０）の上面の幅Ｗ１が、前記室底面部（１４、１１）の幅Ｗ２より小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心送風機。