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
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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(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。
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。
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)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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (13)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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