JP2015034503A - 軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機 - Google Patents

軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機 Download PDF

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Abstract

【課題】軸流ファンの翼の内周側と外周側の羽根面積を増減させて形状を工夫し、翼の半径方向の流速分布をフラットに調整することで、ファンから吐出された風の圧力損失を低減し、駆動モーターの消費電力を削減することを目的とする。【解決手段】翼1の前縁10は第1湾曲部10aで形成され、第1湾曲部10aは前縁最後進点11を有し、翼の後縁20は、後縁20の内周側に位置する第2湾曲部20aと、後縁20の外周側に位置する第3湾曲部20bとで形成され、第3湾曲部20bは後縁最前進点23を有し、第2湾曲部20aは後縁最後進点24を有し、回転軸2aの同心円のうち前縁最後進点11を通る第1同心円9aと後縁20との交点である第1交点25は、後縁最後進点24と後縁最前進点23との間に配置される。【選択図】図2

Description

本発明は、複数の翼を備えた軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機に関するものである。
従来の軸流ファンの模式図を図21に示す。
図21(a)は、流体の流れの上流側から見た斜視図である。
図21(b)は、流体の流れの下流側から見た正面図である。
図21(c)は、流体の流れの上流側から見た正面図である。
図21(d)は、軸流ファンの回転軸の側方から見た側面図である。
従来の軸流ファンは、図21に示すように円筒状のボス2の周面に沿って複数枚の翼1を備えており、ボス2に与えられる回転力にともなって回転方向3の方向に翼1が回転し、流体の流れ方向5に流体を搬送するもので、翼1の前縁側及び後縁側を回転方向に向かって凹状に湾曲するように形成している。このような構成は、例えば特許文献1などにも開示されている。
軸流ファンは、翼1が回転することで、翼間に存在している流体は翼面に衝突する。流体が衝突する面は圧力が上昇し、流体を回転軸方向に押し出して移動させる。
また、翼1を回転することによって流体は翼1の形状と遠心力の影響を受けるため、回転軸2a方向の流速の速い領域は、図22に示すように翼1の半径方向で外周側に偏ることが知られている(図21に示す形状の軸流ファンにおける流速分布の実測値として、冷凍空調学会誌2009年7月号第84巻第981号P.34の図13(d)を参照のこと)。
そして、軸流ファンはベルマウス13の内部に設置されているので流体の流れは半径方向に広がらず回転軸方向に流れることとなる。
ここで、図21で示すような軸流ファンの翼1の軸方向の流速分布が場所によって異なる場合の圧力損失について説明する。
はじめに、流体の圧力損失をξとすると、
Figure 2015034503
で表される(ここでCは圧力損失係数で、開放空間の場合はおよそ1となり、ρは空気の密度、vは流速を表す)。
流体の速度分布が翼の半径方向の位置によって異なるため、流体を微小領域に分けて圧力損失ξを計算する。
まず、微小領域の流体の流速Vrmsの二乗は、平均流速Vaveの二乗と標準偏差σの二乗との和となるから、数式2で表される。
Figure 2015034503
ここで、Vaveは、流体の平均流速[m/s]、
σは、平均流速からのズレをあらわす指標である標準偏差[m/s]である。
すると、流体の圧力損失ξは、微小領域の流速の二乗和となり、以下に数式3で示す。
微小領域の数は、翼1の半径方向の領域を等分割した数(ここでは10)である。
Figure 2015034503
ρは、空気の密度[kg/m]、
v1〜v10は、半径方向を10等分に分割した場合の局所平均流速[m/s]、
Vaveは、平均流速[m/s]、
σは、平均流速からのズレをあらわす指標である標準偏差[m/s]である。
数式2、3から平均流速からのズレをあらわす指標である標準偏差σ[m/s]を求める数式4を得る。
Figure 2015034503
よって、数式3から圧力損失ξを低減するにはσをゼロにすれば良いことが理解できる。つまり、速度分布の速い所を減らし、遅い所を増やして速度分布を均し、理想的には翼の半径方向の位置における回転軸向きの速度分布がフラット(どの場所でも同じ流速=一様流)であることが圧力損失の観点から有利なことがわかる。
特開2012−12942号公報(図4等を参照)
このように、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布が一様であれば軸流ファンの圧力損失を低減することが可能であるが、図21に示すような従来の軸流ファンの例では、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布が翼の外周側で速い不均一な分布となっているため、吹出した際の圧力損失が大きくなり、軸流ファンの回転に必要な駆動力が大きくなって、ファンモーターの消費電力が増加してしまうという問題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、軸流ファンの翼の内周側と外周側の羽根面積を増減させて形状を工夫し、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布をフラットに調整することで、ファンから吐出された風の圧力損失を低減し、駆動モーターの消費電力を削減することができる軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機を得ることを目的とする。
本発明に係る軸流ファンは、複数の翼を回転させ、流体を回転軸方向の上流側から下流側に搬送する軸流ファンであって、前記翼の回転方向における前進側の前縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、回転方向の後進向きに凸形状となる第1湾曲部が形成され、前記第1湾曲部は、回転軸に対して垂直に引いた仮想線と前記第1湾曲部とが接する接点としての前縁最後進点を有し、前記翼の回転方向における後進側の後縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、前記後縁の内周側に位置し回転方向の後進向きに凸形状となる第2湾曲部と、前記後縁の外周側に位置し回転方向の前進向きに凸形状となる第3湾曲部とが形成され、前記第3湾曲部は、前記仮想線と前記第3湾曲部とが接する接点としての後縁最前進点を有し、前記第2湾曲部は、前記回転軸と前記後縁最前進点を通る仮想線からの垂直距離が最大となる後縁最後進点を有し、前記回転軸の同心円のうち前記前縁最後進点を通る第1同心円と前記後縁との交点である第1交点は、前記後縁最後進点と前記後縁最前進点との間に配置されるものである。
本発明に係る軸流ファンによれば、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布がフラットになるので、軸流ファンから吹き出した後の流体の圧力損失が低減され、軸流ファンを回転させるための駆動力を低減することができる。
なお、以降に記載の「プロペラファン」は「軸流ファン」の一例として記載する。
実施の形態1におけるプロペラファンの斜視図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの正面図及び側面図である。 実施の形態1における翼弦中心線の位置を説明する図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布を示した図である。 本実施の形態2におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。 本実施の形態3におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。 プロペラファンの送風性能を示すP−Q線図である。 プロペラファンの翼における圧力面側の限界流線を示した図である。 本実施の形態4におけるプロペラファンの側面図に翼弦中心線の位置を記載した図である。 実施の形態1に係る前傾形のプロペラファンの速度分布と、実施の形態4に係る後傾形のプロペラファンの速度分布とを比較した図である。 実施の形態4におけるプロペラファンをモーターサポートに取り付けた際の側面図である。 本発明のプロペラファンのウイングレットを説明する図である。 本発明のプロペラファンの翼における後縁の断面形状を説明する図である。 本発明のプロペラファンの翼における後縁の断面形状を説明する断面図である。 本発明の翼の後縁とボスとの接続位置の斜視図である。 本発明の翼が回転した際に翼の後縁とボスとが接続する接続部にかかる力を説明した図である。 本発明のプロペラファンの梱包状態を示す模式図である。 本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための模式図である。 本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための正面図である。 本発明のプロペラファンを採用した空気調和機の室外ユニットを示す斜視図である。 従来のプロペラファンの形状を説明するための模式図である。 従来のプロペラファンの翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布を示す図である。
実施の形態1.
図1、2において実施の形態1におけるプロペラファンの構造を説明する。
図1(a)は、実施の形態1におけるプロペラファンの流体流れ方向の上流側から見た斜視図である。
図1(b)は、実施の形態1におけるプロペラファンの流体流れ方向の下流側から見た斜視図である。
図2(a)は、実施の形態1におけるプロペラファンの流体流れ方向の上流側から見た正面図である。
図2(b)は、実施の形態1におけるプロペラファンの流体流れ方向の下流側から見た正面図である。
図2(c)は、実施の形態1におけるプロペラファンの回転軸の側方から見た側面図である。
実施の形態1のプロペラファンは、モーター等で回転する駆動軸が係合する円筒形状のボス2を中心にしてボス2の周壁に複数の翼1を固定した形状をしている。翼1はボス2の回転軸2aに対して所定角度傾いて形成されており、プロペラファンの回転に伴って翼間に存在している流体を翼面で押して流体の流れ方向5に搬送する。この際、翼面のうち流体を押して圧力が上昇する面を圧力面1aとし、圧力面1aの裏面で圧力が下降する面を負圧面1bとする。
翼1は、ボス2に伝達される回転力によって回転方向3で示す向きに回転する。すると、翼間に存在する流体は、流入方向4の方向で翼1の圧力面1a側に流入することとなる。
翼1は、翼1の回転方向3における前進側の前縁10と、翼1の回転方向3における後進側の後縁20と、翼1の外周にあたる外周縁12により形状が規定されている。
次に、翼1をボス2の回転軸方向に投影したときの翼1の形状を説明する。
図2(a)に示すように、翼1の前縁10には、翼1をボス2の回転軸方向に投影したときに、回転方向3の後進向きに凸形状となる第1湾曲部10aが形成されている。
前縁10の第1湾曲部10aは、ボス2の回転軸2aに対して垂直に引いた仮想線8と第1湾曲部10aとが接する接点としての前縁最後進点11を有している。
すなわち、前縁最後進点11は、第1湾曲部10aとボス2の回転軸2aに対して垂直に引いた仮想線8との交点の中で回転方向3の後進向きに最も進んだ点として定義される。
そして、翼1には、仮想線8が前縁最後進点11を通る際に、仮想線8Aと前縁10とボス2の周面とで囲われる略三角形状の領域Pが形成される。図2(a)に領域Pをハッチングで示す。
また、翼1の回転方向3における後進側の後縁20には、翼1をボス2の回転軸2a方向に投影したときに、後縁20の内周側に位置し回転方向3の後進向きに凸形状となる第2湾曲部20aと、後縁20の外周側に位置し回転方向3の前進向きに凸形状となる第3湾曲部20bとが形成されている。
第3湾曲部20bは、ボス2の回転軸2aに対して垂直に引いた仮想線8Bと第3湾曲部20bとが接する接点としての後縁最前進点23を有している。
また、第2湾曲部20aは、ボス2の回転軸2aと後縁最前進点23を通る仮想線8Bからの垂直距離が最大となる後縁最後進点24を有している。
そして、前縁最後進点11を通るボス2の回転軸2aの同心円である第1同心円9aと後縁20との交点である第1交点25は、後縁最後進点24と後縁最前進点23との間に配置されている。
すなわち、翼1の後縁20の内周側には、第2湾曲部20aと第1交点25を通る仮想線8Cとで囲まれ、仮想線8Cに対して翼1の面積を増大する領域Qが形成される。図2(a)に領域Qをハッチングで示す。
また、翼1の後縁20の外周側には、第3湾曲部20bと第1交点25を通る仮想線8Cとで囲まれ、仮想線8Cに対して翼1の面積を削減する領域Rが形成される。
次に、翼1をボス2の回転軸2aに垂直な方向から投影したときの翼1の形状を説明する。
図2(c)には、翼弦中心線6と翼弦中心線6がボス2の周面にあたる場所からボス2の回転軸2aに垂直な方向に延びた垂直面7とが示されている。また、流体が流れる方向は流体の流れ方向5の方向である。
図3は、実施の形態1における翼弦中心線6の位置を説明する図である。
翼弦中心線6は、図3に示すように、前縁10及び後縁20とボス2の回転軸2aを中心とする同心円9との各交点間における該同心円9上の中間点を結んだ曲線として規定されている。
実施の形態1では、翼1は、翼弦中心線6が垂直面7よりも流体の流れの上流側に配置される形状を備えている(以降前傾形という)。
このように構成されたプロペラファンにおける翼1の軸方向の速度分布を図4を用いて説明する。
図4は、実施の形態1におけるプロペラファンの翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布を横軸に示した図である。
破線の速度分布(前傾形)30は、翼1に領域P、Q、Rが無い場合の速度分布を示し、実線の速度分布(前傾形、形状補正)31は、翼1に領域P、Q、Rがある場合の速度分布を示している。
本実施の形態1では、翼面上に領域P、Q、Rを設定したので、速度分布は、領域Pの影響で流速が増える領域Vp、領域Qの影響で流速が増える領域Vq、領域Rの影響で流速が減る領域Vrの各増減効果を得ることとなる。
すると、翼1に領域P、Q、Rがない場合には、翼1の外周側の流速が大きくなっていたのに対して、翼1に領域P、Q、Rを設けた場合には、翼1の内周側に流速の速い領域が形成され、また、翼1の外周側の流速の速い領域の速度が抑えられているのがわかる。
このように、流速分布がフラットになるので、プロペラファンから吹き出した後の風の圧力損失が低減され、プロペラファンを回転させるための駆動力を低減することができるので、モーターの消費電力を削減することができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、プロペラファンの翼1の形状として、前縁最後進点11を通るボス2の回転軸2aの第1同心円9aと後縁20との交点である第1交点25が、後縁最後進点24と後縁最前進点23との間に配置された例をあげたが、本実施の形態2は、実施の形態1の構成を、さらに第1交点25と後縁20の形状の関係について特定したものである。
図5は、本実施の形態2におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。
図5において、実施の形態1と同様の定義として、翼1は、前縁最後進点11、後縁最前進点23、後縁最後進点24、第1交点25を備えている。
ここで新たに、後縁20の第2湾曲部20aと第3湾曲部20bが接続する点を変曲点26とする。
本実施の形態2では、第1交点25と変曲点26とを後縁20上で同一位置とした翼1の形状としている。つまり、前縁最後進点11を通る回転軸2aの第1同心円9a上に変曲点26が位置することとなる。
ここで、領域Pは翼1の内周側の風量を増加させ、領域Rは翼1の外周側の風量を減少させて速度分布の一様化をすることは前述した。つまり、領域Pと領域Rは風量の増減に対して反対の効果を奏するため、第1交点25よりも変曲点26が内周側にある場合は、領域Pが増やした流量を領域Rで減らすことになる。
これは、前縁10で増やした流量を後縁20で無駄に減らすことになり、翼1の速度分布の均一化という視点から非効率的である。
本実施の形態2では、前縁最後進点11と変曲点26とを第1同心円9a上に配置しているので、前縁10で増やした流量を後縁20で減らすような無駄が生じない。よって、流量の少ない領域だけを効率的に増やし、流量の多い所は効率的に減らすことが出来るので、速度分布の均一化を図ることが可能となり、プロペラファンが回転する際の駆動力を低減することができるので、モーターの消費電力を削減することができる。
実施の形態3.
本実施の形態3は、実施の形態1及び2の第1交点25と後縁20の形状の関係について、さらに特定したものである。
図6は、本実施の形態3におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。
図6において、実施の形態1及び2と同様の定義として、翼1は、前縁最後進点11、後縁最前進点23、後縁最後進点24、第1交点25、変曲点26を備えている。
図7は、プロペラファンの送風性能を示すP−Q線図である。
一般的に、プロペラファンの送風性能は、図7に示すような流体の圧力(静圧)と単位時間あたりの風量の関係(P−Q線図)で表される。プロペラファンの風路に抵抗が多く存在すると、圧力損失カーブが通常圧損曲線Aから高圧損曲線Bへと立ち上がり、プロペラファンの能力特性曲線Cとの交点である動作点も移動することが知られている。高圧損曲線Bは、流路の圧力損失を通常圧損曲線Aの2倍に設定したものである。
通常圧損曲線Aと能力特性曲線Cとの交点が通常動作点となり、高圧損曲線Bと能力特性曲線Cとの交点が高圧損動作点となる。
図8は、流路の圧力損失が低い場合と高い場合とで、翼1の圧力面1a側の翼表面の限界流線14を数値流体解析したものを示した図である。ここで限界流線14とは、表面近傍に流れている流速のベクトルを線で繋いだものである。
図8(a)は、通常動作点における圧力面1a側での限界流線14の模式図であり、図8(b)は、高圧損動作点における限界流線14の模式図である。
さらに、図8(b)における点線は、通常動作点における限界流線14を示している。
高圧損動作点の場合は、通常動作点の場合と比べて、限界流線14が翼1の外周側へ移動していることがわかる。
つまり、プロペラファンを運転したときに、その流路の抵抗により圧力損失が大きく、高静圧のファンを必要とする場合、その翼1上での限界流線14は、図8(b)に示すように前縁最後進点11から流入した流体が、前縁最後進点11より翼1の同心円上で外周側にずれ、後縁20から離脱する軌跡を描くこととなる。
そこで、本実施の形態3に係る翼1は図6のように、回転軸2aから翼1の外周縁12までの長さで表されるプロペラファンの半径がrのときに、回転軸2aを中心として前縁最後進点11を通る第1同心円9aと後縁20との交点を第1交点25とし、第1同心円9aの半径よりも0.1r長い長さの半径を有する第2同心円9bと後縁20との交点を第2交点27とすると、第1交点25と第2交点27との間に第2湾曲部20aと第3湾曲部20bとが接続する変曲点26が配置される構成としたものである。
なお、前縁最後進点11から流入した流体の限界流線14の軌跡は、第1同心円9aの半径に対して0.1r長い長さの半径を有する第2同心円9bの内周側の範囲で外周側にずれて流れることが数値流体解析結果により判明している。
以上のように、本実施の形態3は、変曲点26を第1交点25よりも翼1の外周方向に設けたことで、限界流線14が外周側にずれても領域Pで増加した風量を領域Rで減らしてしまうことがない。
すなわち、第1交点25と第2交点27との間に変曲点26を設けた翼1の形状としたので、限界流線14が翼1の外周側にずれてしまう高静圧形のプロペラファンとして使用する際にも流体の流速分布をフラットにすることができ、プロペラファンから吹出される流体の圧力損失が低減され、プロペラファンを回転させるための駆動力が低減されるので、モーターの消費電力が削減される。
実施の形態4.
実施の形態1では、プロペラファンの翼1が前傾形である場合について説明したものであるが、実施の形態4では、プロペラファンの翼1が後傾形である場合を説明する。
図9(a)は、本実施の形態4のプロペラファンの側面図に翼弦中心線6の位置を記載した図である。
図9(a)において、翼弦中心線6がボス2の周壁にあたる当接点6aからボス2の回転軸に垂直な方向に延びた垂直面7を引くと、翼弦中心線6は垂直面7よりも流体の流れの下流側に位置している。
よって、実施の形態4では、翼1は、翼弦中心線6が垂直面7よりも流体の流れの下流側に配置される形状を備えている(以降後傾形という)。
比較のため、図9(b)で示す前傾形のプロペラファンの場合は、垂直面7から流体の流れの上流側に翼弦中心線6が位置している。
図9(a)で示す矢印は、翼1が回転した場合に流体が押される方向15であり、翼1の内周側に向かって傾斜(=閉じた流れ)して流れる。
比較のため図9(b)の前傾形のプロペラファンでは逆に、空気が押される方向は翼1の外周側に向かって傾斜(=開いた流れ)して流れる。
次に、図10において、前傾形と後傾形のプロペラファンの回転軸に垂直な方向の速度分布の違いについて説明する。
前傾形のプロペラファンの速度分布は図4で示したように、翼1の領域P、Q、Rの速度増減の効果によりフラットに近づき改善はしているものの、まだ翼1の外周側に速い領域を残している。
図10(a)は、前傾形のプロペラファンの速度分布(前傾形)30と、後傾形のプロペラファンの速度分布(後傾形)32として比較した図である。
速度分布の最も高い(=風量が多い)場所は、前述したように風が翼1に押される方向が異なるため、後傾形は前傾形よりもピークの位置が翼1の内周側に寄る傾向がある。
図10(b)及び(c)は、本実施の形態4の後傾形のプロペラファンに実施の形態1に係る翼1の領域P、Q、Rを設けた場合の速度分布(後傾形、形状補正)33を示している。速度分布は翼面上に領域P、Q、Rを設定したので、実施の形態1と同様に、領域Pの影響で流速が増える領域Vp、領域Qの影響で流速が増える領域Vq、領域Rの影響で流速が減る領域Vrの各増減効果を得ることとなり、速度分布(後傾形、形状補正)33となる。
図10(d)は、実施の形態1の前傾形のプロペラファンの速度分布(前傾形、形状補正)31と、実施の形態4の後傾形のプロペラファンの速度分布(後傾形、形状補正)33を比較した図である。
図示のように本実施の形態4に係る後傾形のプロペラファンは、速度分布が翼1の外周側に広がることを抑えることで、外周側の流速分布のピークが低減され、速度分布をフラットに構成することができる。
したがって、プロペラファンから吐出した風の圧力損失を低減し、送風に必要な駆動力が低減されるので、モーターの消費電力を削減することが可能となる。
なお、後傾形の翼弦中心線6が垂直面7よりも流体の流れの下流側に全て配置された翼形状の例を示したが、翼弦中心線6の長さの70%が垂直面7よりも流体の流れの下流側に配置されている翼1の形状であれば、上記と同様の機能及び効果を有する。
ここで、実施の形態4に係る後傾形の翼1を備えたプロペラファンをモーターサポート70に取り付けた際の構成についてさらに説明する。
図11(a)は、実施の形態4におけるプロペラファンをモーターサポート70に取り付けた際の側面図である。
上記後傾形の翼1は、翼弦中心線6が垂直面7よりも流体の流れの下流側に配置される形状を備えているが、図11(a)に記載した後傾形のプロペラファンは、回転軸方向の長さにおいて、前縁10の長さL2が翼1の長さL1の長さの20%以内の範囲に限定されたものである。
図11(b)は、比較のため回転軸方向の長さにおいて、前縁10の長さL12が翼1の長さL11の長さの20%以内の範囲に入っていない前傾形の翼1を示した側面図である。
図11(c)は、モーターサポート70を通過した流体のカルマン渦71の挙動を示した図である。
図11(d)は、実施の形態4に係るプロペラファンをモーターサポートに取り付けた送風装置を空気調和機の室外ユニットに内蔵した際の上面断面図である。
図11(a)、(b)に示すプロペラファンが回転すると、モーターサポート70の下流側で発生したカルマン渦71の中を翼1が横切ってカルマン渦71を切断することとなる。
この時、ちぎれたカルマン渦71は翼1の前縁10近傍に衝突して、大きな圧力変動が生じる。これはいわゆる空力騒音の発生であり、騒音の増大を招くことで知られている。カルマン渦71は下流に移動するにつれて弱くなり減衰していく。
図11(b)に示す前傾形のプロペラファンでは、前縁10の回転軸方向の長さL12が、翼1の回転軸方向の長さの最大値L12の20%以内に入っていないので、前縁10の外周側とモーターサポート70との距離L13が短くなり、モーターサポート70から発生した強いカルマン渦71の中を翼1が通過して翼1の前縁10に衝突する。すると、前縁10で大きな圧力変動が生じて空力騒音が大きくなる。
これに対して、図11(a)に記載された後傾形のプロペラファンでは、前縁10の回転軸方向の長さL1が、翼1の回転軸方向の長さの最大値L2の20%以内に入っており、前縁10の外周側とモーターサポート70との距離L3が長くなる。すると、カルマン渦71の中を翼1が通過してカルマン渦71を切断しても、カルマン渦71が移動距離により減衰しているので、空力騒音を抑制することができる。
このようなプロペラファンを図11(d)のように空気調和機の室外ユニットに内蔵することで騒音の小さいユニットを提供することが可能になる。
<実施の形態1〜4に係るプロペラファンに適用することができる構成>
次に、実施の形態1〜4に係るプロペラファンに追加することが可能な翼1の細部の構成を説明する。
[ウイングレット]
実施の形態1〜4における、翼1の外周縁12の形状について説明する。
図12(a)は、プロペラファンを流体の流れの上流側から見た正面図である。
図12(b)は、プロペラファンの翼の半径方向の断面図である。
図12(a)、(b)において、翼1の外周縁12には、流体の流れの上流側に向けて曲折されたウイングレット40が形成されている。
プロペラファンにおいて、翼1が回転すると翼1の外周縁12には、高静圧の圧力面1a側から低静圧の負圧面1b側に向かう流体の流れが生じ、この流れによって翼端渦が形成される。翼端渦は、螺旋状の渦構造を有している。
先行の翼1にて発生した翼端渦は、後続の翼1に流入して干渉するとともにプロペラファンの周囲に配置されるベルマウスの壁面に衝突して静圧変動を生じさせるため、騒音が増加し、モーター入力が増大する。
ウイングレット40は、図12(b)に示すように翼端渦を抑制する効果があり、翼1の高静圧の圧力面1a側から低静圧の負圧面1b側に向かう流体の流れをウイングレット40の曲線部に沿わせてスムーズに流すことができる。
ウイングレット40を設ける位置は、回転軸2aを中心とした翼1の半径をrとすると0.8rより外周側に設置することが望ましい。これは、翼端渦を抑制する効果と翼1の曲げ強度を向上させる効果の両方を奏するためである。
このようにウイングレット40を設けることで翼端渦の発生を抑制し、ベルマウス近傍を翼1が高速で通過した場合の圧力変動が緩和され騒音が低減される。
[後縁の断面形状]
実施の形態1〜4における、翼1の後縁20の断面形状について説明する。
図13は、翼1の後縁20の断面形状を説明する断面図である。
図13(a)は、プロペラファンの断面位置50を示す正面図である。
図13(b)は、プロペラファンの断面位置50を示す斜視図である。
図13(c)は、図13(a)及び(b)における断面位置50から見た翼1の断面図である。
図13(d)は、図13(c)における翼1の後縁20の断面拡大図である。
図13(c)、(d)の翼1の断面は、図13(a)、(b)における断面位置50から見た翼1の断面形状である。
図13(c)に示すように翼1は、圧力面1aと負圧面1bとを有している。翼1の後縁20の断面は、図13(d)に示すように2つの第1円弧20cと第2円弧20dとで形成されている。
ここで、翼断面は、圧力面1a側から連続する第1円弧20cの断面半径r1が、負圧面1b側から連続する第2円弧20dの断面半径r2よりも大きい半径で規定されている。
図14は、翼1の後縁20の断面形状を説明する断面図である。
後縁20の第1円弧20cと第2円弧20dとの断面半径の大小における流体の流れの違いをわかりやすく説明するために、図14(a)に示す翼1の断面は、圧力面1a側の第1円弧20cの断面半径r1を小さく(=ゼロ=直角)し、負圧面1b側の第2円弧20dの断面半径r2を大きくした場合を示す。逆に、図14(b)は、圧力面1a側の第1円弧20cの断面半径r1を大きくし、負圧面1b側の第2円弧20dの断面半径r2を小さく(=ゼロ=直角)設定したものである。
図14(a)、(b)は、翼面近傍の流線を記載しているが、圧力面1a側で押された流体は、翼1の後縁20から離れると流れの方向を変え、その時のズレ角度は図中の角度θで示される。
この際に、図14(a)に示す後縁20の断面形状では、圧力面1a側の第1円弧20cは存在せず、負圧面1b側に断面半径r2の第2円弧20dのみが形成されている。すると、圧力面1a側の後縁20がエッジ形状の断面であるので、流体が後縁20から離れるときに後縁20に引っかかり、流体の剥離領域51が発生する。
実施の形態1〜4に係る翼1は、図14(b)で示すような圧力面1a側の後縁20に断面半径r1の第1円弧20cを形成したので、流体の流れの向きが変わっても、大きな断面半径r1を持つ第1円弧20cに沿って流体が滑らかに流れるので、剥離領域51は発生しない。したがって、後縁20での流体の剥離が抑制され、流体の損失エネルギーが低減されるので、プロペラファンを回転するための駆動力が低減され、モーターの消費電力が削減される。
なお、上記の例では、後縁20全体の断面形状を第1円弧20cと第2円弧20dとで形成する例を示したが、後縁20のうちでも流速の速い外周側である第3湾曲部20bの部分のみにこの断面形状を採用してもよい。
[後縁とボスとの接続形状]
実施の形態1〜4における、後縁20の内周側とボス2の接続部60の形状について説明する。
図15(a)、(b)は、翼1の後縁20とボス2との接続位置の斜視図である。
図15において、翼1の後縁20とボス2とが接続される接続部60は、ラウンド処理がされない谷折線を成すエッジ形状で構成されている。
この構成の理由を図16を用いて説明する。
図16は、翼1が回転した際に翼1の後縁20とボス2とが接続される接続部60にかかる力を説明した図である。
図16において、ボス2の周面上に取り付けられた翼1が回転方向3に向けて回転すると、翼1の重心61には、遠心力65aと、翼1の重心61がボス2に引張られる引張力65bとが作用し、翼1の重心61にこれらの合成力65cが作用する。なお、図16のハッチング部分は翼1の後縁20で翼面積を削減した第3湾曲部20bである。
合成力65cのベクトルは図16のように流体の流れ方向5の上側側に向いている。よって、翼1の後縁20とボス2とが接続される接続部60には引張力が働く。
樹脂などでプロペラファンを成形した場合は、引張力が働く箇所から亀裂が進展し、破壊に至るケースが多いことが知られている。これらを回避するためには、重心61の位置をボス2に近い方向に近づけることが望ましい。
以下に遠心力の基礎式を示す。
Figure 2015034503
ここで、Fは遠心力、mは質量、aは加速度、vは速度、ωは角加速度である。
翼1の内周側と外周側とで遠心力65aへの影響を比較すると、同一質量でも半径rがかかっているため外周側の質量が遠心力65aに及ぼす影響率が大きいことがわかる。つまり、回転軸2aよりも遠い場所の質量を削減すれば、遠心力65aが小さくなり、結果として合成力65cを小さくすることができる。
本実施の形態1〜4に係るプロペラファンは、翼1の後縁20の外周側に翼1の面積を削減した第3湾曲部20bを設けたことにより、遠心力65aの影響を少なくすることができる。よって、後縁20とボス2との接続部60の引張力が緩和され、接続部60にラウンド処理を施さない谷折線を成すエッジ形状を採用しても引張力に対応することができる。
したがって、ラウンド処理をするための樹脂の使用量が削減でき、ファンが軽量化され、モーターの消費電力を削減することができる。
[プロペラファンの梱包]
実施の形態1〜4における、プロペラファンの梱包について説明する。
図17は、プロペラファンの梱包状態を示す模式図である。
図17において、梱包用のダンボール81内にプロペラファンが積層されて収納されており、ダンボール81の底面から翼1の前縁10までは距離Lが確保されている。また、ボス2の蓋面2bが上側になるように積層されて梱包されている。
このような梱包のため、トラックなどで運搬されて到着後にダンボール81が開封されても、ダンボールに付いた汚れや工場内に浮遊する塵やゴミ等がボス2内に進入することを防ぐことができる。
よって、モーター軸とボス2の軸穴の間にゴミが挟まってプロペラファンの軸心がぶれることによる回転不安定や異音が発生を回避することができる。
[ボスレス形プロペラファン]
図18は、本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための模式図である。
図19は、本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための正面図である。
上記実施の形態では、翼1をボス2の周面に取り付けるボス付のプロペラファンを例にあげて説明をしたが、図18、19に示すようなボスレス形のプロペラファンに上記実施の形態に係る翼1の構成を適用することも可能である。
ボスレス形のプロペラファンを採用した場合でも、図19に記載があるように領域P、領域Q、領域Rを翼1に形成することで、翼1の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布がフラットになるので、プロペラファンから吹き出した後の風の圧力損失が低減される。よって、プロペラファンを回転させるための駆動力を低減することができるので、モーターの消費電力を削減することができる。
[室外ユニットへの適用]
図20(a)、(b)は、本発明のプロペラファンを採用した空気調和機の室外ユニットを示す斜視図である。
実施の形態1〜4に係るプロペラファンを室外ユニット90に採用するときには、ベルマウス13とともに室外ユニット90に収納され、室外熱交換器に熱交換用の外気を送風する。この際、プロペラファンの翼の半径位置における回転軸方向の風速分布が均一になっているので、圧力損失が少なく、消費電力の小さい室外ユニット90を実現することが可能となる。
以上の実施の形態に記載したプロペラファンの翼形状は、様々な送風装置に採用することが可能であるが、例えば空気調和機の室外ユニットの他にも室内ユニットの送風装置として採用することができる。また、一般的な送風機や換気扇、ポンプなど、流体を搬送する軸流圧縮機形の翼形状として広く適用することが可能である。
1 翼、1a 圧力面、1b 負圧面、2 ボス、2a 回転軸、2b 蓋面、3 回転方向、4 流入方向、5 流体の流れ方向、6 翼弦中心線、6a 当接点、7 垂直面、8A、8B、8C 仮想線、9 同心円、9a 第1同心円、9b 第2同心円、10 前縁、10a、第1湾曲部、11 前縁最後進点、12 外周縁、13 ベルマウス、14 限界流線、15 流体が押される方向、20 後縁、20a 第2湾曲部、20b 第3湾曲部、20c 第1円弧、20d 第2円弧、23 後縁最前進点、24 後縁最後進点、25 第1交点、26 変曲点、27 第2交点、40 ウイングレット、50 断面位置、51 剥離領域、60 接続部、61 重心、65a 遠心力、65b 引張力、65c 合成力、70 モーターサポート、71 カルマン渦、81 ダンボール、90 室外ユニット。

Claims (13)

  1. 複数の翼を回転させ、流体を回転軸方向の上流側から下流側に搬送する軸流ファンであって、
    前記翼の回転方向における前進側の前縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、回転方向の後進向きに凸形状となる第1湾曲部が形成され、
    前記第1湾曲部は、回転軸に対して垂直に引いた仮想線と前記第1湾曲部とが接する接点としての前縁最後進点を有し、
    前記翼の回転方向における後進側の後縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、前記後縁の内周側に位置し回転方向の後進向きに凸形状となる第2湾曲部と、前記後縁の外周側に位置し回転方向の前進向きに凸形状となる第3湾曲部とが形成され、
    前記第3湾曲部は、前記仮想線と前記第3湾曲部とが接する接点としての後縁最前進点を有し、
    前記第2湾曲部は、前記回転軸と前記後縁最前進点を通る仮想線からの垂直距離が最大となる後縁最後進点を有し、
    前記回転軸の同心円のうち前記前縁最後進点を通る第1同心円と前記後縁との交点である第1交点は、前記後縁最後進点と前記後縁最前進点との間に配置されることを特徴とする軸流ファン。
  2. 前記第2湾曲部と前記第3湾曲部とは、湾曲方向が異なる変曲点で接続され、
    前記変曲点は、前記後縁上で前記第1交点よりも前記翼の外周側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の軸流ファン。
  3. 前記変曲点は、前記第1交点と、前記第1同心円の半径に対して前記回転軸と前記翼の外周縁との距離の0.1倍長い長さの半径を有する第2同心円と前記後縁との交点である第2交点との間に配置される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2湾曲部と前記第3湾曲部とは、湾曲方向が異なる変曲点で接続され、
    前記第1同心円上に前記前縁最後進点と前記変曲点が配置されることを特徴とする請求項1に記載の軸流ファン。
  5. 前記翼の翼弦中心線の長さの70%以上は、前記翼弦中心線がボスの周面にあたる場所から前記回転軸に垂直な方向に延びた垂直面よりも流体の流れの下流側に位置する後傾形の翼形状を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  6. 前記翼の翼弦中心線の全ては、前記翼弦中心線がボスの周面にあたる場所から前記回転軸に垂直な方向に延びた垂直面よりも流体の流れの下流側に位置する後傾形の翼形状を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  7. 前記翼の外周縁には、流体の流れの上流方向に曲折したウイングレットを形成したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  8. 前記ウイングレットは、前記回転軸を中心として前記翼の半径の80%より外周側の範囲に形成されることを特徴とする請求項7に記載の軸流ファン。
  9. 前記翼は、流体の衝突する圧力面と、前記圧力面の裏側の負圧面から構成され、
    前記翼の後縁の断面形状は、前記圧力面側から連続して形成される第1円弧部と前記負圧面から連続して形成される第2円弧部を有し、
    前記第1円弧部の半径は、前記第2円弧部の半径よりも大きいことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  10. ボスの周面と前記翼の後縁は、谷折線を成すエッジ形状で接続されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  11. 前記翼の前記前縁の回転軸方向の長さは、前記翼の回転軸方向の最大長さの20%以内となる形状を有し、前記翼の前縁側には駆動用モーターを支持するモーターサポートが立設されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  12. 前記軸流ファンは、ボスレス形であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の軸流ファン。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の軸流ファンを備えることを特徴とする空気調和機。
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