JP2016114047A - ディフューザ及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心送風機か吹出される空気流について従来よりも広い範囲において動圧から静圧へと効率よく変換できるディフューザを提供する。【解決手段】遠心送風機の外周に設けられるディフューザであって、前記ディフューザが、前記ファン回転軸線を基準として円周方向に並べて設けられており、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に延びる複数の静止翼を具備し、前記ファン回転軸線に直交する仮想平面における前記静止翼の各断面を見た場合に、当該静止翼の先端部が前記複数のブレードの回転方向となす角度である入口角度が、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に進むにつれて各断面で変化する入口角度変化領域を少なくとも一部に形成した。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心送風機の吹出し口の外周に設けられるディフューザ、及び、このディフューザを用いた空気調和装置に関するものである。

天井埋め込み型の空気調和装置の室内機には、底面側に形成された吸込み口と側面側に設けられた吹出し口を有するターボファンと、前記ターボファンの吹出し口の外周に設けられたディフューザと、前記ディフューザの外周に配置された熱交換器と、を備えたものがある。

前記ディフューザは、前記ターボファンの吹出し口から吹き出される空気流の動圧を効率よく静圧へと変換するために設けられている。

例えば特許文献１に示されるディフューザは、前記ターボファンのファン回転軸線に対して円周方向に並び設けられた複数の静止翼を備えたものである。この静止翼は軸方向に等断面形状で延びるように形成してあり、前記吹出し口と対向する前記静止翼の先端部が円周方向となす角である入口角度は２０°以下に設定されている。

また、特許文献２に記載のディフューザを構成する静止翼も軸方向に等断面形状で延びるように形成してあるとともに、円周方向に対して２つの凹凸が形成されるように静止翼を湾曲させてある。

しかしながら、本願発明者が鋭意検討を行った結果、いずれのディフューザであってもターボファンから吹き出される空気流の動圧を十分に静圧へ変換できていないことを見出した。

すなわち、特に天井埋め込み型の空気調和装置の室内機では、ターボファンの下流に配置される熱交換器の形状に合わせてターボファンの外形や吹出し幅が決定されるため、吹出し口からの吹出し風向は理想的なターボファンとは大きく異なっている。より具体的には、このようなターボファンの吹出し風向について軸方向に沿って見た場合、吹出し風向は大きく変化しており、場所によっては５°以上の差が発生している。

したがって、特許文献１及び２のディフューザを構成する各静止翼は軸方向に対して等断面形状であるため、軸方向のある高さ位置では静止翼の入口角度が吹出し風向に対して動圧から静圧への変換効率の良い角度に設定できていたとしても、別の位置ではそれほど効率的ではない関係になってしまっている。

このため、軸方向に沿って各高さ位置での動圧から静圧への変換効率を考えてみると、従来のディフューザは静止翼の一部でしか効率の良い変換が行えておらず、全体として考えると十分な変換効率を達成できていない。

特開２００２−０２１７９０号公報 特許第５３３４３７８号公報

そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、遠心送風機の吹出し口から吹き出される空気流の吹出し風向がファン回転軸線の軸方向に沿って変化しているのに合わせて、従来よりも広い範囲において動圧から静圧へと効率よく変換できるディフューザ及びこのディフューザを用いた空気調和装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のディフューザは、ファン回転軸線を基準として円周方向に回転する複数のブレードと、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に開口する吸込み口と、前記ファン回転軸線を基準として半径方向に開口する吹出し口と、を具備する遠心送風機の外周に設けられるディフューザであって、前記ディフューザが、前記ファン回転軸線を基準として円周方向に並べて設けられており、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に延びる複数の静止翼を具備し、前記ファン回転軸線に直交する仮想平面における前記静止翼の各断面を見た場合に、当該静止翼の先端部が前記複数のブレードの回転方向となす角度である入口角度が、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に進むにつれて各断面で変化する入口角度変化領域が少なくとも一部に形成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、前記静止翼に前記入口角度が前記ファン回転軸線を基準として軸方向に進むにつれて各断面で変化する前記入口角度変化領域が形成されているので、前記遠心送風機の吹出し風向から吹き出される空気流の吹出し風向が軸方向に沿って進むにつれて変化している部分があっても、その変化する吹出し風向に合わせて動圧から静圧に変換するのに適した入口角度に設定することができる。

したがって、吹出し口から吹き出される空気流の大部分について前記静止翼において動圧から静圧へ効率よく変換できるようになり、全体の変換効率を従来と比較して大幅に向上させることができる。

軸方向に対して変化する前記吹出し口からの空気流の吹出し風向に応じて前記静止翼の入口角度を適切に設定できるようにするには、前記入口角度変化領域が、前記静止翼において前記吹出し口と対向している範囲内に形成されていればよい。

前記遠心送風機の外周に前記ディフューザを配置しやすくするとともに、動圧の回収効果を高めるには、前記静止翼が前記吹出し口に対して前記ファン回転軸線を基準として半径方向に所定距離離間させて設けられていればよい。

前記吹出し口から吹き出される空気流の動圧を前記静止翼で効率よく変換することができる前記静止翼の入口角度の具体的な構成例としては、各仮想平面で形成される前記静止翼の各断面の前記入口角度が、各仮想平面における前記吹出し口から吹き出される空気流の理論吹出し風向よりも５°以上大きく設定されているものが挙げられる。

前記吹出し口から吹き出される空気流の軸方向に対する吹出し方向の変化傾向に合わせて前記静止翼の入口角度を設定でき、動圧から静圧への変換効率をさらに高められるようにするには、前記入口角度変化領域において、前記ファン回転軸を基準として前記吸込み口側から前記主板側へと軸方向に進むにつれて各断面の前記入口角度が大きくなるように構成されていればよい。

前記静止翼の形状を成形しやすくするとともに、動圧から静圧への変換効率も高められるようにするには、前記入口角度変化領域が、前記吹出し口から空気流が吹き出されているファン吹出し範囲内の一部にのみ形成されており、その他の部分では各断面の入口角度が一定の値となるように形成されていればよい。

前記吹出し口から吹き出される空気流の大部分に対して前記静止翼の入口角度を動圧回収に適した角度に設定できるとともに、樹脂成型を容易にしやすい具体的な構成例としては、前記入口角度変化領域が、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に対して各仮想平面における前記吹出し口から吹き出される空気流の吹出し風向が単調に変化している領域に設定されているものが挙げられる。

より好ましくは、前記入口角度変化領域が、前記理論吹出し風向が極大値から極小値までの間で単調減少する領域に設定されているものが挙げられる。

前記吹出し口から吹き出される空気流のうち、吹出し風向が大きく変化するとともに渦等が発生しやすく安定的でなく動圧回収を行いにくいため性能が悪化する可能性もある領域については静止翼の形状を単純化し空気の流れに対する抵抗とならないようにするとともに、空気の流れが安定的な領域では動圧の回収効率を高められるようにするには、前記入口角度変化領域では前記静止翼の断面形状が翼形状をなし、前記吹出し口から空気流が吹き出されているファン吹出し範囲において前記吸込み口側の２０％の領域では前記静止翼の断面形状が翼形状をなさないようにすればよい。

例えばスライド金型等を用いずに上下分割金型等の簡単な金型で前記ディフューザを容易に成型できるようにするには、前記ファン回転軸線を基準として軸方向から見た場合に、前記ディフューザを構成する各静止翼が互いに重なり合わないように配置されていればよい。

本発明のディフューザと、遠心送風機と、を備えた空気調和装置であれば、従来よりも遠心送風機から吹き出される空気流の動圧を静圧へ効率よく変換できるので、空気調和装置が送風するためにかかるエネルギーを削減し、空気調和装置として省エネを実現できる。

このように本発明のディフューザであれば、前記入口角度変化領域が前記静止翼に形成されているので、前記遠心送風機から吹き出される空気流が軸方向に進むにつれて吹出し風向が変化しているのに合わせて前記静止翼の入口角度を適切なものに設定できる。したがって、空気流の大部分において効率よく動圧から静圧への変換を行うことができ、従来よりも効率を大幅に向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るディフューザ及び空気調和装置の室内機を示す模式的底面図。 第１実施形態における空気調和装置の室内機を示す模式的縦断面図。 第１実施形態におけるディフューザを吸込み口側から見た模式的斜視図。 第１実施形態におけるディフューザの静止翼及び各部位の断面形状を示す模式的斜視図。 第１実施形態における吹出し風向及び静止翼の入口角度の定義を示す模式図。 第１実施形態における軸方向に対する静止翼の入口角度の変化を示すグラフ。 第１実施形態におけるディフューザの変形例について示す模式図。 本発明の第２実施形態に係るディフューザ及び空気調和装置の室内機を示す模式的縦断面図。 第２実施形態における軸方向に対する静止翼の入口角度の変化を示すグラフ。 本発明の第３実施形態に係るディフューザ及び空気調和装置の室内機を示す模式的断面図。

本発明の第１実施形態に係るディフューザ１００及び空気調和装置２００について図１乃至図５を参照しながら説明する。

第１実施形態の空気調和装置２００は、天井埋め込み型の室内機を有したものであり、図１に示すように前記室内機は、遠心送風機の一種であるターボファン１０１と、前記ターボファン１０１の外周に設けられたディフューザ１００と、前記ディフューザ１００の外周に設けられた熱交換７とを備えたものである。すなわち、前記室内機は中央部から室内の空気を吸込み、前記熱交換７を通過した空気を室内に戻すように構成してある。

前記ターボファン１０１は、天井側に設けてあり、モータ（図示しない）の回転軸がファン回転線に沿って取り付けてある主板１と、前記ファン回転軸線Ｌを基準として円周方向に並べて前記主板１に設けてある複数のブレード２と、前記主板１と対向させて室内側に設けてあり、前記ファン回転軸線Ｌを基準として軸方向に開口する吸込み口３が開口させてあるシュラウド４と、を備えたものである。前記主板１と前記シュラウド４との間には前記ファン回転軸線Ｌを基準として半径方向に開口する吹出し口５を形成するようにしてある。なお、以下の説明では軸方向、円周方向、半径方向との文言は前記ファン回転軸線Ｌを基準として定義する。

前記複数のブレード２は、図１に示すように底面側である前記吸込み口３側から見た場合に、円周方向に対して反時計周り方向に凸となるように湾曲させてある。モータによって主板１を回転させて前記各ブレード２を反時計周り方向へ回転させるようにしてある。

前記各ブレード２が回転することにより、図２に示すように前記吸込み口３から軸方向の主板１側へと空気が吸い込まれ、その後前記主板１及びシュラウド４に沿って半径方向に曲がり、前記吹出し口５から空気流が吹き出される。

前記ディフューザ１００は、前記吹出し口５から吹き出される空気流の動圧を静圧に変換するためのものである。より具体的には、前記ディフューザ１００は、図１に示すように前記ファン回転軸線Ｌを基準として円周方向に複数並べてある静止翼６を具備している。図１及び図３に示すように各静止翼６は吸込み口３側から見た場合に時計周り方向に渦を巻くように配置してあり、各静止翼６の吸込み口３側の端部はリング状の欄干部材６Ａにより連結してある。

図３及び図４に示すように前記静止翼６は軸方向に延びるものであるとともに、軸方向に沿って前記吸込み口３側から前記主板１側へと進むに連れて湾曲する部分を有するように形成してある。言い換えると、前記静止翼６は、前記ファン回転軸線Ｌに対して垂直な仮想平面ＶＰにより切り取られる各断面において、前記ターボファン１０１の前記吹出し口５と対向する先端部の向きが変化する領域を有している。

より具体的には図４に示すように前記静止翼６の各断面を見た場合に、当該静止翼６の先端部が前記複数のブレード２の回転方向となす角度である入口角度θが、前記ファン回転軸線Ｌを基準として軸方向に進むにつれて各断面で変化する入口角度変化領域６１を前記静止翼６の一部に形成してある。

ここで前記静止翼６の入口角度θは、幾何学的な演算により求められる前記ターボファン１０１の理論吹出し風向、又は、流体解析等のシミュレーションあるいは実測により求められる実際の吹出し風向に基づいて定めてある。

ここで理論吹出し風向は図５（ａ）に示すような各ベクトルの関係から算出される。ここで、前記ブレード２は軸方向に等断面形状であるため、演算上は理論吹出し風向は軸方向の位置にかかわらず一定角度となる。また、前記静止翼６の入口角度θも図５（ｂ）に示されるように円周方向（前記複数のブレード２の回転方向）に延びる接線と前記静止翼６の先端部側面とで形成される角度として定義できる。

第１実施形態では、図６のグラフに示すように図５（ａ）のような関係から導出される理論吹出し風向に対して前記静止翼６の入口角度θはどの部分においても５°以上大きく設定してある。

また、前記ターボファン１０１から吹き出される空気流の吹出し風向は前記吹出し口５の軸方向の位置によって大きく変化する。より具体的には図６に示されるように、実吹出し風向は前記吹出し口５における吸込み口３からの距離を変数とした場合に３つの頂点（極値）を有する四次関数として表せるような特性がある。この特性はターボファン１０１の中央の空気流と主板１の表面に沿って流れる空気流とシュラウド４の表面に沿って流れる空気流の組み合わせによって生じる。まず、実際の吹出し風向は、前記吹出し口５の吸込み口３側端の端部２０％に相当する範囲であり、前記吸込み口３側から前記主板１側へ軸方向に進むにつれて吹出し風向が大きく単調増加する吸込み側端部域と、極大値から次の極小値までに吹出し風向が減少する減少域と、理論吹出し風向よりも大きい値で極小値の頂点と極大値の頂点との間で吹出し風向が単調増加する中央部増加域と、前記吹出し口５において前記主板１側の端部であり、吹出し風向が単調減少する主板側端部域がある。

第１実施形態では、極大値と極小値に挟まれている範囲で最も広い前記増加域における実際の吹出し風向の変化に合わせて、前記入口角度変化領域６１及びその入口角度θを変化させて設定してある。また、中央部増加域以外の部分では実際の吹出し風向に対して前記入口角度θを厳密に一致させるのではなく、一定の入口角度θで保つようにしてある。一方、前記吹き出し口５において主版１側の端部や吸込み口３側の端部であって、流れが不安定な範囲については入口角度θを変化させず一定値に保ち、空気の流れを妨げないようにしてある。

すなわち、前記静止翼６の入口角度θは前記吸込み口３側では一定角度θminで保たれた後、前記入口角度変化領域６１において前記吸込み口３側から前記主板１側へ軸方向に進むにつれて入口角度θが大きくなるようにしてある。さらに前記静止翼６の前記主板１側は前記入口角度変化領域６１における入口角度θの最大値で一定角度θmaxにしてある。

加えて前記静止翼６は軸方向から見た場合に前記入口角度変化領域６１において湾曲するように形成してあるが、図１に示されるように軸方向から見た場合に各静止翼６は重なりあわないように配置して前記ディフューザ１００を構成してある。

このように構成されたディフューザ１００であれば、図６のグラフに示されるようにターボファン１０１から吹き出される空気流の実際の吹出し風向が軸方向に対して変化しているのに対して、前記ディフューザ１００を構成する各静止翼６の前記入口角度変化領域６１において入口角度θを変化させて一致するように設定してあるので、吹き出される空気流のほとんどに対して動圧から静圧に変換するのに適した角度関係を設定することができる。

したがって、前記ターボファン１０１から吹き出される空気流のほとんどについて効率よく動圧を回収する事が可能となり、従来と同じサイズのものであっても前記熱交換器７への送風効率を高められる。このことから空気調和装置２００において送風のために必要なエネルギーを削減し、空気調和装置２００全体での省エネを実現できる。

また、前記静止翼６において前記吹出し口５の前記吸込み口３側の端部と前記主板１側の端部と対向する部分については、各断面における前記入口角度θが一定に保たれ、軸方向に対して等断面形状となるように形成してあるので、空気の流れが不安定な範囲であっても前記静止翼６を設けることで空気の流れに対する抵抗が大きくなるのを防ぐことができる。また、静止翼６の中央部においてのみ湾曲させる単純な形状とすることができるので、図３及び図４に示されるように前記静止翼６にはアンダーカットが存在せず、図３に示されるような複数の静止翼６が一体化されたディフューザ１００の状態で例えば上下分割金型といった単純な金型で樹脂射出成型により容易に製造できる。

つまり、第１実施形態のディフューザ１００であれば、動圧から静圧への変換効率の高く構成しながらも、その製造も容易にできる。

次に第１実施形態の変形例について説明する。

図７（ａ）に示すように前記ディフューザ１００を構成する各静止翼６は、軸方向から見た場合にそれぞれの円周方向に対して隙間が形成してあり、接触する部分がなかったが、図７（ｂ）に示すように軸方向から見た場合に各静止翼６の一部が接するように隙間なく並べて設けても構わない。このようなものであっても、製造の容易性を損なうことはない。また、静止翼６の枚数や設置間隔については前記ターボファン１０１の仕様や設計上の制約に応じて適宜設定することができる。

次に第２実施形態に係るディフューザ１００及び空気調和装置２００について図８及び図９を参照しながら説明する。

第２実施形態のディフューザ１００は、各静止翼６は前記吸込み口３側において前記ターボファン１０１の前記吹出し口５と対向していない部分については設けないように第1実施形態と比較して軸方向の長さを短く設定してある。

なお、図８のグラフに示すように前記静止翼６において前記吹出し口５と対向している部分については第1実施形態と同様に前記入口角度変化領域６１を設け、軸方向に対する実際の吹出し風向に合わせて入口角度θが変化するようにしてある。

また、図８に示すように各静止翼６の前記主板１側の端部は天井側に設けられる収容体８の上底に一体化してある。

このようなものであっても第1実施形態と略同様に前記ターボファン１０１から吹き出される空気流の動圧を静圧へ効率よく変換できるとともに、前記静止翼６が前記収容体８と一体化されているので前記ディフューザ１００を前記ターボファン１０１の外周に対して配置させやすい。

次に第３実施形態のディフューザ１００及び空気調和装置２００について図１０を参照しながら説明する説明する。

第３実施形態のディフューザ１００は、図１０に示すように各静止翼６の軸方向に対する取り付け位置を調節する位置調節機構９を備えたものである。この位置調節機構９は天井側に設けられ、その厚みを変更可能なものである。

例えば図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すターボファン１０１はそれぞれ吹出し口５の寸法が異なるものであるが、軸方向に対する実際の吹出し風向の変化傾向はよく似た傾向を示す。そこで、ターボファン１０１が異なる種類であったとしても、前記位置調節機構９により前記静止翼６における入口角度変化領域６１の軸方向の位置を調節し、実際の吹出し風向の変化傾向をと入口角度θの変化傾向を近づけることでどのような種類のターボファン１０１に対しても１つのディフューザ１００により効率よく動圧を静圧に変換することができる。

したがって、空気調和装置２００に複数のラインナップがあったとしても前記位置調節機構９があれば前記ディフューザ１００としては一種類のみを用意しておけばよく、部品の種類数を低減し、製造コストを低減することができる。

その他の実施形態について説明する。

前記実施形態では、静止翼の一部にのみ前記入口角度変化領域を設け、湾曲させていたが、実際の吹出し風向の変化に全て合わせて前記静止翼を形成しても構わない。また、各実施形態に示しているように前記増加域の全域と一致するように前記入口角度変化領域を設けるのではなく、その一部分あるいはさらに中央部増加域の外側まで吹出し風向と入口角度を一致させるように前記静止翼を形成しても構わない。

要するに前記静止翼についてファン回転軸線に対して垂直な仮想断面での各断面を見た場合に、その入口角度が変化している部分があればよい。

前記各実施形態では遠心送風機としてターボファンを例示したが、本発明のディフューザを例えばシロッコファン等の別の遠心送風機に適用しても構わない。また、空気調和装置だけでなく、その他の用途に前記ディフューザを用いても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

２００・・・空気調和装置
１００・・・ディフューザ
１０１・・・ターボファン（遠心送風機）
１ ・・・主板
２ ・・・ブレード
３ ・・・吸込み口
４ ・・・シュラウド
５ ・・・吹出し口
６ ・・・静止翼
７ ・・・熱交換器
８ ・・・収容体
９ ・・・位置調節機構

Claims (12)

1. ファン回転軸線を基準として円周方向に回転する複数のブレードと、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に開口する吸込み口と、前記ファン回転軸線を基準として半径方向に開口する吹出し口と、を具備する遠心送風機の外周に設けられるディフューザであって、
   前記ディフューザが、
   前記ファン回転軸線を基準として円周方向に並べて設けられており、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に延びる複数の静止翼を具備し、
   前記ファン回転軸線に直交する仮想平面における前記静止翼の各断面を見た場合に、当該静止翼の先端部が前記複数のブレードの回転方向となす角度である入口角度が、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に進むにつれて各断面で変化する入口角度変化領域が少なくとも一部に形成されていることを特徴とするディフューザ。
2. 前記入口角度変化領域が、前記静止翼において前記吹出し口と対向している範囲内に形成されている請求項１記載のディフューザ。
3. 前記静止翼が前記吹出し口に対して前記ファン回転軸線を基準として半径方向に所定距離離間させて設けられている請求項１又は２記載のディフューザ。
4. 各仮想平面で形成される前記静止翼の各断面の前記入口角度が、各仮想平面における前記吹出し口から吹き出される空気流の理論吹出し風向よりも５°以上大きく設定されている請求項１乃至３いずれかに記載のディフューザ。
5. 前記入口角度変化領域において、前記ファン回転軸を基準として前記吸込み口側から前記主板側へと軸方向に進むにつれて各断面の前記入口角度が大きくなるように構成されている請求項１乃至４いずれかに記載のディフューザ。
6. 前記入口角度変化領域が、前記吹出し口から空気流が吹き出されているファン吹出し範囲内の一部にのみ形成されており、その他の部分では各断面の入口角度が一定の値となるように形成されている請求項１乃至５いずれかに記載のディフューザ。
7. 前記入口角度変化領域が、前記ファン回転軸線を基準として軸方向に対して各仮想平面における前記吹出し口から吹き出される空気流の理論吹出し風向が単調に変化している領域に設定されている請求項１乃至６いずれかに記載のディフューザ。
8. 前記入口角度変化領域が、吹出し風向が極大値から極小値までの間で単調減少する領域に設定されている請求項７記載のディフューザ。
9. 前記入口角度変化領域では前記静止翼の断面形状が翼形状をなし、前記吹出し口から空気流が吹き出されているファン吹出し範囲において前記吸込み口側の２０％の領域では前記静止翼の断面形状が翼形状をなさない請求項１乃至８いずれかに記載のディフューザ。
10. 前記ファン回転軸線を基準として軸方向から見た場合に、前記ディフューザを構成する各静止翼が互いに重なり合わないように配置されている請求項１乃至９いずれかに記載のディフューザ。
11. 前記各静止翼の軸方向の位置を調節する位置調節機構をさらに備えた請求項１乃至１０いずれかに記載のディフューザ。
12. 請求項１乃至１１いずれかに記載のディフューザと、
    遠心送風機と、を備えた空気調和装置。