JP2012052443A - プロペラファン - Google Patents

Abstract

【課題】ファンの効率を向上させることができるプロペラファンを提供する。
【解決手段】プロペラファン１９は、モータの回転軸に取り付けられる筒状のハブ１１と、ハブ１１の側面に配設された複数の翼１３とを備えている。各翼１３は、半径方向の外側の端部である翼端１５よりも前記半径方向の内側の端部である翼元１７に近い位置に、反り比が最大となる最大位置Ｍを有している。各翼１３の前記反り比は、最大位置Ｍよりも翼端１５側の領域から最大位置Ｍに向かって漸増し、最大位置Ｍから翼元１７まで漸減している。
【選択図】図１

Description

本発明は、送風機などに用いられるプロペラファンの構造に関するものである。

一般に、送風機などに用いられるプロペラファンは、モータに取り付けられる筒状のハブと、このハブの側面に配設された複数の翼とを備えている。各翼は、例えば薄板を湾曲させた構造を有している。プロペラファンでは、各翼の反りの分布を適切に設計することにより所定の性能が得られる。反りの大きさは、最大反り高さ（ｆ）と翼弦長（Ｃ）の比である反り比（ｆ／Ｃ）で表される。

従来のプロペラファンにおいては、各翼の翼端から翼元までできるだけ均一に仕事をさせるという考えの下、翼端よりも翼元の方が周速度が小さいので、翼端から翼元に向かって反り比が増加するように設計されている。例えば、特許文献１には、翼中央部から翼元にかけて反り比が急激に増大しているプロペラファンが開示されている（特許文献１の図２参照）。

特開平５−１７２０９８号公報

特許文献１に開示されているような従来のプロペラファンでは、上述したように半径方向において翼元まで反り比が増加するように設計されている。しかしながら、各翼の翼元は筒状のハブの側面につながっているため、翼元付近においては、ハブの側面が障壁となって渦（干渉渦）が発生し、空気の流れのはく離が生じやすくなる。このような渦が発生すると、ファンの損失が増大してファンの効率が低下する。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ファンの効率を向上させることができるプロペラファンを提供することにある。

本発明のプロペラファンは、モータの回転軸に取り付けられる筒状のハブ（１１）と、前記ハブ（１１）の側面に配設された複数の翼（１３）と、を備えている。各翼（１３）は、半径方向の外側の端部である翼端（１５）よりも前記半径方向の内側の端部である翼元（１７）に近い位置に、反り比が最大となる最大位置（Ｍ）を有している。各翼（１３）の前記反り比は、前記最大位置（Ｍ）よりも前記翼端（１５）側の領域から前記最大位置（Ｍ）に向かって漸増し、前記最大位置（Ｍ）から前記翼元（１７）まで漸減している。

この構成では、各翼（１３）において、翼端（１５）よりも翼元（１７）に近い位置に反り比の最大位置（Ｍ）を設け、この最大位置（Ｍ）よりも翼端（１５）側の領域から最大位置（Ｍ）に向かって反り比を漸増させることにより、翼端（１５）側よりも周速度の小さい翼元（１７）側の領域においても比較的大きな仕事をさせている。その一方で、最大位置（Ｍ）から翼元（１７）まで反り比を漸減させることにより、この翼元（１７）の近傍領域においては、あまり大きな仕事をさせずに前記渦の発生を抑制している。これにより、流れのはく離が生じるのを抑制することができるので、ファンの効率を向上させることができる。

前記プロペラファンにおいて、各翼（１３）の前記反り比は、前記翼端（１５）から前記半径方向の中間位置までほぼ一定であるのが好ましい。この構成では、前記中間位置よりも周速度の大きな翼端（１５）側の領域において前記中間位置付近の領域よりも大きな仕事をさせている。したがって、この構成によれば、前記中間位置よりも翼端（１５）の反り比の方が小さい構成、すなわち翼端（１５）から前記中間位置まで反り比が漸増する構成に比べて、ファンの効率をより向上させることができる。

前記プロペラファンにおいて、各翼（１３）の前記翼元（１７）における前記反り比は、前記翼端（１５）における前記反り比とほぼ同じか、又は前記翼端（１５）における前記反り比よりも小さく設定されているのが好ましい。この程度まで翼元（１７）における反り比を小さくすることにより、前記渦の発生を抑制する優れた効果が得られる。

前記プロペラファンにおいて、各翼（１３）は、翼弦上における最大反り高さ（ｆ）の位置から前縁（２１）までの長さと翼弦長（Ｃ）との比（最大反り位置比）が０．５５〜０．６５の範囲にあるのが好ましい。この構成では、前記最大反り位置比が０．５５〜０．６５の範囲にあることにより、各翼（１３）の後縁（２３）側の領域におけるはく離の範囲が大きくなるのを抑制できるとともに、はく離による空気の流れの乱れの程度が大きくなるのを抑制できる。その結果、騒音が大きくなるのを抑制でき、しかもファンの効率をさらに高めることができる。

前記プロペラファンにおいて、各翼（１３）を前記回転軸の軸方向から見たときに、各翼（１３）の前縁（２１）の翼端（１５）は、その前縁（２１）の翼元（１７）よりも回転方向の前方に位置し、各翼（１３）の後縁（２３）の翼端（１５）は、その後縁（２３）の翼元（１７）よりも前記回転方向の後方に位置しているのが好ましい。この構成では、各翼（１３）において、周速度の大きな翼端（１５）側の領域の面積を確保しつつ、前記渦の発生原因となる翼元（１７）の面積を小さく（翼元（１７）の周方向の長さを小さく）している。これにより、翼端（１５）側の領域においてより大きな仕事をさせつつ、翼元（１７）において前記干渉による損失をより小さく抑えることができるので、ファンの効率をさらに高めることができる。

前記プロペラファンにおいて、各翼（１３）は、前記回転軸を中心とした任意の半径における翼素（２５）の重心（Ｇ）が、前記回転軸を通る平面（Ｐ）上にほぼ位置しているのが好ましい。

プロペラファンの回転時に各翼（１３）が受ける主な力としては、遠心力と、空気の流れが各翼（１３）に及ぼす力とがあり、これらの力のうち遠心力が大きな割合を占める。仮に、任意の半径における翼素（２５）の重心（Ｇ）が、回転軸を通る平面上にない場合には、各翼素（２５）の重心（Ｇ）に働く遠心力は種々の方向を向くことになるので、各翼（１３）にはその翼（１３）をねじる力が作用する。この場合、各翼（１３）をねじる力は翼元（１７）に集中するので、このねじる力に耐え得るように翼元（１７）を補強する必要がある。

一方、本構成では、各翼素（２５）の重心（Ｇ）が回転軸を通る平面（Ｐ）上にほぼ位置しているので、各翼素（２５）の重心（Ｇ）に働く遠心力は、ほぼ同じ方向に向く。すなわち、前記遠心力は、前記平面（Ｐ）上における半径方向外側に向く。したがって、回転時に翼（１３）をねじる力が生じるのを抑制することができる。これにより、上記のような翼元（１７）の補強の程度を軽減できるか、又は補強が不要になるので、プロペラファンを軽量化することができる。

以上説明したように、本発明によれば、プロペラファンの効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るプロペラファンを示す斜視図である。 前記実施形態に係るプロペラファンを示す平面図である。 前記プロペラファンを示す側面図である。この側面図では、３つの翼のうちの１つのみを描いている。 前記実施形態に係るプロペラファンの翼の翼形を示す断面図である。 前記実施形態に係るプロペラファンの翼における翼元から翼端までの反り比を示すグラフである。 前記実施形態に係るプロペラファンの翼における翼元から翼端までの最大反り位置比を示すグラフである。 （Ａ）は、最大反り位置比が０．５５未満の範囲にある翼形を示す断面図であり、（Ｂ）は、最大反り位置比が０．５５〜０．６５の範囲にある翼形を示す断面図であり、（Ｃ）は、最大反り位置比が０．６５を超える範囲にある翼形を示す断面図である。 （Ａ）は、前記実施形態に係るプロペラファンにおける翼の翼素を説明するための平面図であり、（Ｂ）は、前記実施形態に係るプロペラファンにおいて、前記翼素の重心の位置を翼元から翼端まで模式的に示した平面図であり、（Ｃ）は、従来のプロペラファンにおいて、翼素の重心の位置を翼元から翼端まで模式的に示した平面図である。 前記実施形態に係るプロペラファンと比較例のプロペラファンの効率を比較したグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るプロペラファンについて図面を参照して詳細に説明する。図１〜図３に示すように、本実施形態に係るプロペラファン１９は、図略のモータの回転軸に取り付けられる円筒状のハブ１１と、このハブ１１の側面１１ａに配設された３つの翼１３とを備えている。プロペラファン１９は、前記モータの駆動により、回転軸Ａを中心に回転方向Ｄに回転する。図１に示すように、プロペラファン１９が回転すると、各翼１３の翼元１７の付近には、ハブ１１の側面１１ａが存在するので、空気の渦Ｖが生じる。

３つの翼１３は、互いに同形状であり、ハブ１１の側面１１ａから半径方向の外側に放射状に延設されている。各翼１３における半径方向の内側の端部である翼元１７は、ハブ１１の側面１１ａにつながっている。

各翼１３は、回転軸Ａに対して傾斜して配置されている。具体的には、各翼１３の前縁２１は、後縁２３よりも回転軸Ａの軸方向の一方側（図１及び図３では上方側）に位置している。各翼１３の翼元１７は、回転方向Ｄの前方側の端部１７ａが後方側の端部１７ｂよりも回転軸Ａの軸方向の前記一方側に位置するように回転軸Ａに対して傾斜している。同様に、各翼１３における半径方向の外側の端部である翼端１５は、回転方向Ｄの前方側の端部１５ａが後方側の端部１５ｂよりも回転軸Ａの軸方向の前記一方側に位置するように回転軸Ａに対して傾斜している。

各翼１３は、図４に示すように厚み方向の一方側が凸面で他方側が凹面である翼形を有している。プロペラファン１９の回転時には、各翼１３における凸面（図４における上面）が負圧面１３ａとなり、凹面（図４における下面）が正圧面１３ｂとなる。

本実施形態において、各翼１３における半径方向の任意の位置の翼弦から反り線Ｓまでの距離のうち最大のものを最大反り高さｆと定義する。翼弦長Ｃに対する最大反り高さｆの比を反り比（ｆ／Ｃ）と定義する。翼弦上における最大反り高さｆの位置から前縁２１までの長さＸｆと翼弦長Ｃとの比を最大反り位置比（Ｘｆ／Ｃ）と定義する。

図５に示すように、各翼１３は、翼端１５よりも翼元１７に近い位置に、前記反り比が最大となる最大位置Ｍを有している。言い換えると、各翼１３の最大位置Ｍは、各翼１３における前記半径方向の中間位置よりも翼元１７側に存在する。本実施形態では、図５に示すように、最大位置Ｍにおける反り比は、翼端１５における反り比の１．５倍〜２．０倍程度であるが、これに限定されるものではない。

各翼１３の反り比は、最大位置Ｍよりも翼端１５側の領域から最大位置Ｍに向かって漸増し、最大位置Ｍから翼元１７まで漸減している。各翼１３の反り比は、翼端１５から前記半径方向のおおよそ中間位置までほぼ一定である。本実施形態では、各翼１３の翼元１７における反り比は、翼端１５における反り比とほぼ同じである。翼元１７における反り比は、最大位置Ｍにおける反り比の１／２〜２／３程度であるが、これに限定されるものではない。

すなわち、各翼１３の反り比は、最大位置Ｍから翼元１７まで漸減していればよいので、翼元１７における反り比は、翼端１５における反り比よりも大きくてもよい。ただし、図５に示すように各翼１３の翼元１７における反り比が翼端１５における反り比とほぼ同じ程度まで小さく設定されている場合には、前記渦の発生を抑制する優れた効果を得ることができる。さらに、各翼１３の翼元１７における反り比が翼端１５における反り比よりも小さく設定されている場合には、翼元１７と翼端１５の反り比が同じ場合よりもさらに前記渦の発生を抑制する効果を高めることができる。

本実施形態では、各翼１３において、最大反り高さｆの位置は、図２に示すように翼元１７から翼端１５に向かって二点鎖線ｆで示す線上に存在している。そして、図６に示すように、各翼１３において、最大反り位置比（Ｘｆ／Ｃ）は、０．５５〜０．６５の範囲にある。具体的には、最大反り位置比（Ｘｆ／Ｃ）は、０．５５〜０．６５の範囲内において翼元１７から翼端１５に向かうにつれて漸減している。

図７（Ａ）は、最大反り位置比が０．５５未満の範囲にある翼形を示す断面図であり、図７（Ｂ）は、最大反り位置比が０．５５〜０．６５の範囲にある翼形を示す断面図であり、図７（Ｃ）は、最大反り位置比が０．６５を超える範囲にある翼形を示す断面図である。

図７（Ａ）に示すように、最大反り位置比が０．５５未満の範囲にある翼形、すなわち最大反り高さｆの位置が前縁２１寄りにある翼形の場合には、空気の流れる向きＹと翼１３の凸形状との関係から、負圧面１３ａの後縁２３側の領域において生じるはく離の範囲が大きくなりやすい。これは、騒音が大きくなるとともにファンの効率が低下する要因となる。

図７（Ｃ）に示すように、最大反り位置比が０．６５を超える範囲にある翼形、すなわち最大反り高さｆの位置が後縁２３寄りにある場合には、負圧面１３ａの後縁２３側の領域において生じるはく離の範囲は小さいが、はく離により生じる流れの乱れの程度が大きくなりやすい。これは、騒音が大きくなる要因となる。

一方、図７（Ｂ）のように、最大反り位置比が０．５５〜０．６５の範囲にある翼形の場合には、負圧面１３ａの後縁２３側の領域においてはく離は生じるものの、はく離の範囲は図７（Ａ）の場合よりも小さく、はく離により生じる流れの乱れの程度も図７（Ｃ）の場合よりも小さい。したがって、翼元１７から翼端１５までの範囲において最大反り位置比が０．５５〜０．６５の範囲にあることにより、翼１３全体にわたって後縁２３側の領域におけるはく離の範囲を小さくでき、かつはく離により生じる流れの乱れの程度を小さくできる。

図２に示すように、各翼１３を回転軸Ａの軸方向から見たときに（平面視したときに）、各翼１３の前縁２１の翼端１５は、その前縁２１の翼元１７よりも回転方向Ｄの前方に位置している。各翼１３の後縁２３の翼端１５は、その後縁２３の翼元１７よりも回転方向Ｄの後方に位置している。

図２の二点鎖線Ｌｆは、前縁２１の翼端１５と回転軸Ａとを結ぶ直線であり、二点鎖線Ｌｒは、後縁２３の翼端１５と回転軸Ａとを結ぶ直線である。これらの直線Ｌｆ，Ｌｒを用いて説明すると、前縁２１の翼元１７、すなわち翼元１７における回転方向Ｄの前方側の端部１７ａは、直線Ｌｆよりも回転方向Ｄの後方に位置している。また、後縁２１の翼元１７、すなわち翼元１７における回転方向Ｄの後方側の端部１７ｂは、直線Ｌｒよりも回転方向Ｄの前方に位置している。

本実施形態では、図２を平面視したときに、翼元１７の前方側の端部１７ａと、この翼１３の前方側に隣り合う翼１３における翼元１７の後方側の端部１７ｂとの距離は、翼端１５の前方側の端部１５ａと、この翼１３の前方側に隣り合う翼１３における翼端１５の後方側の端部１５ｂとの距離よりも大きい。

図８（Ｃ）は、従来のプロペラファンにおける翼素の重心Ｇの位置を示す平面図である。図８（Ｃ）に示すように、従来のプロペラファンでは、翼元１１７から翼端１１５に向かう方向において、翼素の重心Ｇの軌跡は曲線を描いている。すなわち、従来のプロペラファンでは、重心Ｇの軌跡は、回転軸を通る平面上には存在していない。

一方、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施形態のプロペラファン１９では、各翼１３は、回転軸Ａを中心とした任意の半径における翼素２５の重心Ｇが、回転軸Ａを通る平面Ｐ上にほぼ位置している。ここで、翼素とは、翼１３における任意の半径の円弧とそれよりわずかに大きい半径の円弧とで囲まれる微少部分（例えば、図８（Ａ）の２本の二点鎖線で囲まれた部分）をいう。プロペラファンでは、各翼素の重心Ｇに半径方向外側を向いた遠心力が働く。本実施形態のプロペラファン１９では、各浴素２５の重心Ｇが平面Ｐ上に並ぶように構成されているので、回転時に翼１３をねじる力が生じるのを抑制することができる。

また、図８（Ｂ）に示すように、平面視したときに、本実施形態のプロペラファン１９の各翼１３は、直線Ｌに関してほぼ対称な形状を有している。したがって、プロペラファン１９の回転時に、各翼１３における直線Ｌの両側の領域にそれぞれ及ぼされる空気の流れによる力の差を小さくすることができるので、回転時に翼１３をねじる力が生じるのをさらに抑制することができる。

図９は、本実施形態に係るプロペラファン１９と比較例のプロペラファンの効率を比較したグラフである。図９に示すように、本実施形態（実施例）のプロペラファン１９は、比較例のプロペラファンに比べてファンの効率（ファンの静圧効率及び全圧効率）が優れており、特に風量が大きい場合のファンの効率（ファンの静圧効率及び全圧効率）が優れている。なお、図９における比較例のプロペラファンとしては、図５に示す反り比を有するものを用いた。

以上説明したように、本実施形態のプロペラファン１９では、各翼１３は、半径方向の外側の端部である翼端１５よりも前記半径方向の内側の端部である翼元１７に近い位置に、反り比が最大となる最大位置Ｍを有し、前記反り比が、最大位置Ｍよりも翼端１５側の領域から最大位置Ｍに向かって漸増する構造とすることにより、翼端１５側よりも周速度の小さい翼元１７側の領域においても比較的大きな仕事をさせている。その一方で、最大位置Ｍから翼元１７まで前記反り比が漸減する構造とすることにより、反り比を漸減させている翼元１７近傍領域には、あまり大きな仕事をさせずに前記渦の発生を抑制している。これにより、流れのはく離が生じるのを抑制することができるので、ファンの効率を向上させることができる。

また、前記実施形態では、各翼１３の前記反り比は、翼端１５から前記半径方向の中間位置までほぼ一定であるので、前記中間位置よりも周速度の大きな翼端１５側の領域において前記中間位置付近の領域よりも大きな仕事をさせている。したがって、翼端１５から前記中間位置まで反り比が漸増する構成に比べて、全体としてファンの効率がより向上する。

また、前記実施形態では、各翼１３の翼元１７における前記反り比は、翼端１５における前記反り比とほぼ同じである。この程度まで翼元１７における反り比を小さくすることにより、前記渦の発生を抑制する効果をより高めることができる。

また、前記実施形態では、各翼１３は、翼弦上における最大反り高さｆの位置から前縁２１までの長さと翼弦長との比（最大反り位置比）が０．５５〜０．６５の範囲にある。これにより、各翼１３の後縁２３側の領域におけるはく離の範囲が大きくなるのを抑制できるとともに、はく離による空気の流れの乱れの程度が大きくなるのを抑制できる。その結果、騒音が大きくなるのを抑制でき、しかもファンの効率をさらに高めることができる。

また、前記実施形態では、各翼１３を回転軸Ａの軸方向から見たときに、各翼１３の前縁２１の翼端１５は、その前縁２１の翼元１７よりも回転方向Ｄの前方に位置し、各翼１３の後縁２３の翼端１５は、その後縁２３の翼元１７よりも回転方向Ｄの後方に位置している。この構成では、各翼１３において、周速度の大きな翼端１５側の領域の面積を確保しつつ、前記渦の発生原因となる翼元１７の面積を小さく（翼元１７の周方向の長さを小さく）している。これにより、翼端１５側の領域においてより大きな仕事をさせつつ、翼元１７において前記干渉による損失をより小さく抑えることができるので、ファンの効率をさらに高めることができる。

また、前記実施形態では、各翼１３は、回転軸Ａを中心とした任意の半径における翼素２５の重心Ｇが、回転軸Ａを通る平面Ｐ上にほぼ位置しているので、各翼素２５の重心Ｇに働く遠心力は、ほぼ同じ方向に向く。すなわち、前記遠心力は、平面Ｐ上における半径方向外側に向く。したがって、回転時に翼１３をねじる力が生じるのを抑制することができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は、前記各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

例えば、前記実施形態では、各翼１３の反り比が翼端１５から半径方向の中間位置までほぼ一定である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、各翼１３の反り比は、翼端１５から最大位置Ｍまで漸増していてもよい。

また、前記実施形態では、最大反り位置比が０．５５〜０．６５の範囲にある場合を例示したが、これに限定されない。

また、前記実施形態では、各翼１３を回転軸Ａの軸方向から見たときに、各翼１３の前縁２１の翼端１５が、その前縁２１の翼元１７よりも回転方向Ｄの前方に位置し、各翼１３の後縁２３の翼端１５が、その後縁２３の翼元１７よりも回転方向Ｄの後方に位置している場合を例示したが、これに限定されない。

また、前記実施形態では、各翼１３は、回転軸Ａを中心とした任意の半径における翼素２５の重心Ｇが、回転軸Ａを通る平面Ｐ上にほぼ位置している場合を例示したが、これに限定されない。

１１ ハブ
１３ 翼
１５ 翼端
１７ 翼元
１９ プロペラファン
２１ 前縁
２３ 後縁
Ａ 回転軸
Ｃ 翼弦長
Ｄ 回転方向
ｆ 最大反り高さ
ｆ／Ｃ 反り比
Ｇ 翼素の重心
Ｍ 最大位置
Ｐ 回転軸を通る平面
Ｓ 反り線
Ｘｆ 最大反り高さの位置から前縁までの長さ

Claims (6)

1. モータの回転軸に取り付けられる筒状のハブ（１１）と、前記ハブ（１１）の側面に配設された複数の翼（１３）と、を備えているプロペラファンであって、
   各翼（１３）は、半径方向の外側の端部である翼端（１５）よりも前記半径方向の内側の端部である翼元（１７）に近い位置に、反り比が最大となる最大位置（Ｍ）を有し、
   各翼（１３）の前記反り比は、前記最大位置（Ｍ）よりも前記翼端（１５）側の領域から前記最大位置（Ｍ）に向かって漸増し、前記最大位置（Ｍ）から前記翼元（１７）まで漸減している、プロペラファン。
2. 各翼（１３）の前記反り比は、前記翼端（１５）から前記半径方向の中間位置までほぼ一定である、請求項１に記載のプロペラファン。
3. 各翼（１３）の前記翼元（１７）における前記反り比は、前記翼端（１５）における前記反り比とほぼ同じか、又は前記翼端（１５）における前記反り比よりも小さい、請求項１又は２に記載のプロペラファン。
4. 各翼（１３）は、翼弦上における最大反り高さ（ｆ）の位置から前縁（２１）までの長さと翼弦長（Ｃ）との比が０．５５〜０．６５の範囲にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプロペラファン。
5. 各翼（１３）を前記回転軸の軸方向から見たときに、各翼（１３）の前縁（２１）の翼端（１５）は、その前縁（２１）の翼元（１７）よりも回転方向の前方に位置し、各翼（１３）の後縁（２３）の翼端（１５）は、その後縁（２３）の翼元（１７）よりも前記回転方向の後方に位置している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプロペラファン。
6. 各翼（１３）は、前記回転軸を中心とした任意の半径における翼素（２５）の重心（Ｇ）が、前記回転軸を通る平面（Ｐ）上にほぼ位置している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプロペラファン。
   

Images