JP2016070089A - ファン - Google Patents

Abstract

【課題】羽根の表面における境界層の剥離、および、それに伴って生じる騒音やファンの回転速度の減少を抑制し、高い送風効率を実現可能なファンを提供すること。【解決手段】ファン１は、回転軸Ｘの周りに回転するハブ２と、ハブ２の周方向に所定の間隔で設けられる羽根３とを備え、回転軸Ｘと平行な方向に、または、回転軸Ｘに対して斜め方向に気流を発生させるファン１であって、羽根３の負圧面側には、縦渦を生じさせる渦発生器４が形成され、渦発生器４は、ハブ２の回転方向前方側に面する第１の面と、第１の面に連結され、回転方向後方側に面する第２の面とを有し、第１の面と第２の面の連結により生じる稜線の端点は、稜線の中心よりも回転方向後方側に位置し、稜線に垂直な各平面で切断した場合の切断面における第１の面および第２の面の羽根３からの高さは、稜線において最も高くなっている。【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機の室外ユニットなどに用いられるファンに関するものである。

近年、軸流ファンや斜流ファンを用いた空気調和機の室外ユニットにおいて、ファンの羽根の表面における境界層の剥離や、それに伴って発生する騒音、ファンの回転速度の減少を抑制することが求められている。このような要求に応えるため、ファンの形状の改善が進められている。

例えば、特許文献１には、プロペラファンの羽根（翼またはブレード）の前縁部全体に、翼弦方向に沿って三角形状の突起部を設け、その前縁部を鋸状とする構成が開示されている。

この三角形状の突起部は、吸い込み空気を切り裂いて縦渦を発生させるために設けられたものである。特許文献１では、これにより吸い込み空気の剥離が抑制され、乱流騒音の減少と送風性能の向上が図られるとされている。

また、特許文献２には、プロペラファンの羽根の負圧面上に、断面が流線型である突起部（リブ）を気流の主流と平行に設ける構成が開示されている。特許文献２では、この突起部が縦渦を発生させることによって送風騒音の低減を図ることができるとされている。

また、特許文献３には、プロペラファンの羽根の負圧面上における気流の剥離位置の上流側に、三角錐形状の突起部を、三角錐の一辺が気流の上流側に位置するように設ける構成が開示されている。特許文献３では、この突起部が縦渦を発生させることにより、送風騒音を低下させるとともに、送風効率を向上させるとされている。

さらに、特許文献４には、プロペラファンの羽根の前縁部または負圧面に、回転方向に対して斜めに設けられ、かつ、回転方向の後方に向かって厚くなるくさび薄板状の突起部を設ける構成が開示されている。特許文献４では、この突起部の側面に気流を衝突させて縦渦を発生させることにより、送風機の騒音を少なく、かつ、高効率にすることができるとされている。

特開２０００−８７８９８号公報 特開２０００−１１０７８９号公報 特開２０００−３４５９９５号公報 特開２００９−６８３６１号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術の場合、強い縦渦を発生させるためには、気流の流入方向に対する羽根の前縁部の角度（迎え角）を大きくし、突起部の前後の圧力差を大きくする必要がある。低騒音での運転を行うために、空気調和機で使用されるプロペラファンの運転範囲では、迎え角が小さく設定されているので、特許文献１の従来技術では、発生する縦渦が弱くなり、吸い込み空気の剥離を抑制する効果が小さくなる。

また、特許文献２の従来技術の場合、気流は流線型の断面を有する突起部の表面に沿って滑らかに流れるため、突起部の周辺に大きな圧力差が生じにくく、縦渦が発生する条件は限られてしまう。

また、特許文献３の従来技術の場合、三角錐の一辺が気流の上流側に位置する形状となるように突起部が形成されているため、気流がその一辺において、左側を流れる気流と右側を流れる気流に分かれることになり、気流の勢いが弱くなって、強い縦渦が発生しにくくなってしまう。

また、特許文献４の従来技術の場合、回転方向の後方に向かって厚くなるくさび薄板状の突起部が回転方向に対して斜めに設けられているため、回転方向に沿った気流が突起部を乗り越えて縦渦となる気流と、突起部に沿って後方に流れる気流とに分かれることになり、気流の勢いが弱くなって、やはり強い縦渦が発生しにくくなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、羽根の表面から剥離しにくい強い縦渦を生成することによって羽根の表面における境界層の剥離、および、それに伴って生じる騒音やファンの回転速度の減少を抑制し、高い送風効率を実現可能なファンを提供することを目的とする。

本発明に係るファンは、回転軸の周りに回転するハブと、ハブの周方向に所定の間隔で設けられる羽根とを備え、回転軸と平行な方向に、または、回転軸に対して斜め方向に気流を発生させるファンであって、羽根の負圧面側には、縦渦を生じさせる渦発生器が形成され、渦発生器は、ハブの回転方向前方側に面する第１の面と、第１の面に連結され、回転方向後方側に面する第２の面とを有し、第１の面と第２の面の連結により生じる稜線の端点は、稜線の中心よりも回転方向後方側に位置し、稜線に垂直な各平面で切断した場合の各切断面において、第１の面と各切断面との交線における２つの端点のうち稜線に属さない端点と、第２の面と各切断面との交線における２つの端点のうち稜線に属さない端点とを結ぶ基準直線に、稜線に属する点から下ろした垂線の長さは、稜線に属する点以外の第１の面と各切断面との交線に属する各点、および、稜線に属する点以外の第２の面と各切断面との交線に属する各点から基準直線に下ろした垂線の長さよりも長い。

本発明によれば、羽根の表面から剥離しにくい強い縦渦を生成することによって羽根の表面における境界層の剥離、および、それに伴って生じる騒音やファンの回転速度の減少を抑制し、高い送風効率を実現可能なファンを提供することができる。

本発明の実施形態１に係るファンの構成の一例を示す正面図 本発明の実施形態１に係る渦発生器の一例を示す拡大斜視図 本発明の実施形態１に係る渦発生器を上方から見た図 図３に示す渦発生器の断面図 縦渦の発生について説明する概念図 本発明の実施形態１に係るファンの羽根付近の拡大図 本発明の実施形態２に係る渦発生器を上方から見た図 図７に示す渦発生器の断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態は一例であり、本発明はこの実施形態により限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るファン１の構成の一例を示す正面図である。ファン１は、回転軸Ｘを中心にして、矢印Ｒの方向に回転する。この場合、羽根３は、矢印Ａの方向から気流を受けることになる。このファン１は、回転軸Ｘと平行な方向に気流を発生させる軸流ファンである。図１に示すファン１は、ハブ２、羽根３、渦発生器４を有する。

ハブ２は、モータ（図示せず）等の装置からの回転力を受け、回転軸Ｘを中心に矢印Ｒの方向に回転駆動される。

羽根３は、ハブ２の外周面上に所定の取り付け角で複数枚取り付けられる。羽根３の前縁部３１、および、後縁部３２の形状は凹状の弧形状であり、外周部３３の形状は凸状の弧形状である。

渦発生器４は、各羽根３の負圧面側に設けられる。渦発生器４の取り付け位置、および、形状については、後に詳しく説明する。

なお、ハブ２、および、羽根３は、例えば、合成樹脂等により一体成形されることによって形成される。また、図１に示す羽根３の数は、３枚であるが、本発明はこれに限らず、３枚以外の数であってもよい。

次に、上述した渦発生器４の形状の一例について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態１に係る渦発生器４の一例を示す拡大斜視図である。

図２に示すように、渦発生器４は、ハブの回転方向前方側に面する第１の面４ａと、第１の面４ａに連結され、ハブの回転方向後方側に面する第２の面４ｂとを有する。

そして、第１の面４ａと第２の面４ｂの連結により生じる稜線４ｃの端点４ｄ、４ｅは、稜線４ｃの中心４ｆよりもハブの回転方向後方側に位置する。なお、図２の例では、稜線４ｃは弓状の形状をしている。

ここで、稜線４ｃに垂直な平面で切断した場合の切断面における稜線４ｃの高さについて、図３、４を用いて説明する。図３は、本実施形態１に係る渦発生器４を上方から見た図であり、図４は、図３に示す渦発生器４の断面図である。

ここで、図４（ａ）は、図３のＡ−Ａ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面で渦発生器４を切断した断面図である。図４（ｂ）は、図３のＢ−Ｂ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面で渦発生器４を切断した断面図である。図４（ｃ）は、図３のＣ−Ｃ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面で渦発生器４を切断した断面図である。

なお、図３のＢ−Ｂ’線は、渦発生器４の稜線４ｃの中心４ｆを通り、稜線４ｃに垂直な直線である。例えば、渦発生器４は、Ｂ−Ｂ’線の方向と気流Ａの方向とが一致するように配置される。詳細については後述する。

図４（ａ）〜（ｃ）に示す断面図において、交線Ｌ１および交線Ｌ２は、それぞれ、第１の面４ａと切断面との交線、および、第２の面４ｂと切断面との交線である。

交線Ｌ１における２つの端点４ｇ、４ｈのうち、端点４ｇは、稜線４ｃに属する端点であり、端点４ｈは、稜線４ｃに属さない端点である。そして、交線Ｌ２における２つの端点４ｇ、４ｉのうち、端点４ｉも、稜線４ｃに属さない端点である。

また、基準直線Ｌ３は、交線Ｌ１における稜線４ｃに属さない端点４ｈと、交線Ｌ２における稜線４ｃに属さない端点４ｉとを結ぶ直線である。

図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、基準直線Ｌ３に端点４ｇから下ろした垂線の長さは、端点４ｇ以外の交線Ｌ１に属する点、および、端点４ｇ以外の交線Ｌ２に属する点から基準直線Ｌ３に下ろした垂線の長さよりも長くなっている。

また、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、各切断面の面積は、稜線４ｃの端点４ｄまたは４ｅに近い切断面ほど小さくなる。例えば、図４（ａ）および図４（ｃ）に示す切断面は、図４（ｂ）に示す切断面よりも稜線４ｃの端点４ｄ、４ｅに近い切断面であるため、図４（ａ）および図４（ｃ）に示す各切断面の面積は、図４（ｂ）に示す切断面の面積よりも小さくなる。

なお、図４に示されるように、第１の面４ａは、上に凸の面であり、第２の面４ｂは、下に凸の面であることが好ましいが、平面であってもよい。第２の面４ｂが平面の場合、交線Ｌ２は、直線となる。

渦発生器４をこのような形状とすることにより、羽根３の表面上を流れる空気流の剥離が抑制され、その結果、騒音の発生や圧力損失の増大を効果的に抑制できるようになる。以下にこの点について説明する。

図５は、縦渦５の発生について説明する概念図である。渦発生器４は、図５の矢印Ａの方向から気流を受けると、縦渦５を発生させるような構造になっている。具体的には、渦発生器４付近では、第１の面４ａに沿って稜線４ｃに向かって流れる気流が発生する。

第２の面４ｂは、稜線４ｃから気流の下流方向へといくに従い、羽根３からの高さが減少するため、気流が稜線４ｃに到達すると、稜線４ｃよりも下流側において縦渦５が発生する。

このような縦渦５が発生すると、羽根３からの気流の剥離が抑制されることになる。その結果、騒音の発生や圧力損失の増大を抑制できる。なお、気流の剥離を効果的に抑制するためには、渦発生器４を、羽根３の前縁側に設けることが好ましい。

また、稜線４ｃの形状を図３に示すような弓状の形状とすることにより、気流の方向が矢印Ａの方向（渦発生器４の中心）からずれたとしても、縦渦５を発生させることができるので、騒音の発生や圧力損失増大を効果的に抑制できる。

また、気流の剥離をより効果的に抑制するためには、渦発生器４の向きを気流の向きに合わせることが好ましい。以下では、羽根３に配置される渦発生器４の向きについて、図３、図４、および、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態１に係るファンの羽根３付近の拡大図である。

図３、図４、および、図６に示したように、稜線４ｃに垂直な各平面で切断した場合の各切断面のうち、稜線４ｃに属する点から基準直線Ｌ３に下ろした垂線の長さが最も長くなる切断面（例えば、Ｂ−Ｂ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面）の法線方向と、当該切断面上の稜線４ｃに属する点４ｆから、ハブ２の回転軸Ｘに下ろした垂線の方向とが、略平行となるように渦発生器４が配置される。

この場合、気流の方向、つまり、図３に示した矢印Ａの方向は、Ｂ−Ｂ’線の方向と平行または略平行となる。このような向きに渦発生器４を配置することにより、渦発生器４は、羽根３からの気流の剥離をより効果的に抑制できる縦渦５を発生させることができる。

なお、図１に示すようなファン１では、回転軸Ｘから遠いほど、つまり外周側ほど気流の流速が大きくなる。そして、流速が大きい箇所では、剥離が発生すると騒音が大きくなり、また、空気流の乱れも大きくなって送風効率が低下してしまう。そのため、回転軸Ｘから遠い位置、つまり外周側に配置される渦発生器４ほど大きさを大きくし、剥離の発生をより抑制することが望ましい。

そのため、例えば、回転軸Ｘから遠い位置に配置される渦発生器４ほど、渦発生器４の羽根３からの高さを高くすることとしてもよい。すなわち、図４に示した基準直線Ｌ３に稜線４ｃに属する端点４ｇから下ろした垂線の長さが、回転軸Ｘから遠い位置に設けられた渦発生器４ほど長くなるようにしてもよい。さらに、このような各渦発生器４の形状が、互いに相似となるようにしてもよい。

（実施形態２）
一般に、ファンが有する羽根の重量が増加すると、ファンの一部に大きな応力が発生し、ファンの強度が低下する。実施形態２では、渦発生器の効果を維持しつつ、ファンの強度の低下を防止するファンについて説明する。

以下、実施形態２に係るファンについて、図７、８を用いて説明する。なお、実施形態１に係るファン１と同様の構成については、同じ参照符号を付し、その説明を省略する。

図７は、実施形態２に係る渦発生器４を上方から見た図であり、図８は、図７に示す渦発生器４の断面図である。図８（ａ）は、図７のＡ−Ａ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面で渦発生器４を切断した断面図である。図８（ｂ）は、図７のＢ−Ｂ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面で渦発生器４を切断した断面図である。図８（ｃ）は、図７のＣ−Ｃ’線を含み、稜線４ｃに垂直な平面で渦発生器４を切断した断面図である。

図３と図７を比較して明らかなように、上方から見た場合、実施形態２に係る渦発生器４は、実施形態１に係る渦発生器４と同様である。

一方、図４と図８を比較すると、実施形態２に係るファンの羽根３では、渦発生器４を形成する面（負圧面）の部分の反対側の面（正圧面）の部分が凹部６となっている。

これにより、渦発生器４が形成された部分がその周辺部より肉厚になることを防ぎ、重量の増加によって大きな応力が発生することを防止することができる。その結果、縦渦５を発生させて羽根３からの気流の剥離を効果的に抑制しつつ、ファンの強度の低下を防止することができる。

ここで、渦発生器４の厚みを渦発生器４の周辺の羽根の厚みと同一または略同一になるようにしてもよい。これにより、渦発生器４の強度と渦発生器４の周辺の羽根の強度とを均一にすることができる。

なお、上記実施形態では、ファン１が回転軸Ｘと平行な方向に気流を発生させる軸流ファンである場合について説明したが、本発明を回転軸Ｘに対して斜め方向に気流を発生させる斜流ファンに適用することとしてもよい。

また、渦発生器４の形状は、図１〜図８に示した形状に限定されない。

具体的には、渦発生器４の形状は、ハブの回転方向前方側に面する第１の面と、第１の面に連結され、ハブの回転方向後方側に面する第２の面との連結により生じる稜線の端点が、稜線の中心よりもハブの回転方向後方側に位置し、基準直線Ｌ３に端点４ｇから下ろした垂線の長さが、端点４ｇ以外の交線Ｌ１に属する点、および、交線Ｌ２に属する点から基準直線Ｌ３に下ろした垂線の長さよりも長くなっていればよい。

例えば、渦発生器４の稜線４ｃは、弓状の形状ではなく、Ｖ字状またはコの字状であってもよい。

また、渦発生器を配置する位置、および、数は、上述したものに限定されることなく、適宜変更が可能である。

本発明にかかる渦発生器を備えたファンは、空気調和機の室外ユニットなどに用いるのに好適である。

１ ファン
２ ハブ
３ 羽根
３１ 前縁部
３２ 後縁部
３３ 外周部
４ 渦発生器
４ａ 第１の面
４ｂ 第２の面
４ｃ 稜線
４ｄ，４ｅ，４ｇ，４ｈ，４ｉ 端点
４ｆ 稜線の中心
５ 縦渦
６ 凹部
Ｌ１，Ｌ２ 交線
Ｌ３ 基準直線
Ｘ 回転軸

Claims (8)

1. 回転軸の周りに回転するハブと、前記ハブの周方向に所定の間隔で設けられる羽根とを備え、前記回転軸と平行な方向に、または、前記回転軸に対して斜め方向に気流を発生させるファンであって、
   前記羽根の負圧面側には、縦渦を生じさせる渦発生器が形成され、
   前記渦発生器は、前記ハブの回転方向前方側に面する第１の面と、前記第１の面に連結され、前記回転方向後方側に面する第２の面とを有し、
   前記第１の面と前記第２の面の連結により生じる稜線の端点は、前記稜線の中心よりも前記回転方向後方側に位置し、
   前記稜線に垂直な各平面で切断した場合の各切断面において、前記第１の面と各切断面との交線における２つの端点のうち前記稜線に属さない端点と、前記第２の面と各切断面との交線における２つの端点のうち前記稜線に属さない端点とを結ぶ基準直線に、前記稜線に属する点から下ろした垂線の長さは、前記稜線に属する点以外の前記第１の面と各切断面との交線に属する各点、および、前記稜線に属する点以外の前記第２の面と各切断面との交線に属する各点から前記基準直線に下ろした垂線の長さよりも長い、
   ファン。
2. 前記基準直線に前記稜線に属する点から下ろした垂線の長さは、前記回転軸に遠い位置に設けられた前記渦発生器ほど長くなる、
   請求項１に記載のファン。
3. 前記羽根の異なる位置に設けられた前記渦発生器の形状は、互いに相似の関係にある、
   請求項２に記載のファン。
4. 前記稜線は弓状であり、前記各切断面の面積は、前記稜線の端点に近い切断面ほど小さくなる、
   請求項１に記載のファン。
5. 前記第１の面と各切断面との交線は、直線であるか、または、前記基準直線に対して凸となる曲線であり、前記第２の面と各切断面との交線は、直線であるか、または、前記基準直線に対して凹となる曲線である、
   請求項１に記載のファン。
6. 前記稜線は、Ｖ字状またはコの字状である、
   請求項１に記載のファン。
7. 前記各切断面のうち、前記稜線に属する点から前記基準直線に下ろした垂線の長さが最も長くなる切断面の法線方向と、当該切断面上の前記稜線に属する点から前記ハブの回転の中心軸に下ろした垂線の方向とが、略平行となるように前記渦発生器が配置される、
   請求項１に記載のファン。
8. 前記羽根において前記渦発生器を形成している面の部分の反対側の面の部分が凹部となっている、
   請求項１に記載のファン。
   

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