JP2019019758A - Centrifugal fan impeller and centrifugal fan with centrifugal fan impeller - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、遠心ファンインペラおよび当該遠心ファンインペラを備える遠心ファンに関する。 The present application relates to a centrifugal fan impeller and a centrifugal fan including the centrifugal fan impeller.
遠心ファンは、軸回りに回転する複数のブレードによって空気または他のガスを半径方向外側に流す送風装置である。 A centrifugal fan is a blower that causes air or other gas to flow radially outward by a plurality of blades that rotate about an axis.
特開2002−349486号公報は、回転軸の方向から視たブレードの形状に特徴がある遠心送風機を開示している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-349486 discloses a centrifugal blower characterized by the shape of a blade viewed from the direction of a rotating shaft.
本開示の実施形態は、動作点における軸出力および効率を向上させた遠心ファンインペラおよび当該インペラを備える遠心ファンを提供する。 Embodiments of the present disclosure provide a centrifugal fan impeller with improved shaft output and efficiency at an operating point, and a centrifugal fan including the impeller.
本開示の遠心ファンインペラは、例示的な実施形態において、回転軸を有する遠心ファンインペラであって、リングと、背面プレートと、前記リングと前記背面プレートとの間において前記回転軸の周りに配列された複数のファンブレードとを備える。前記複数のファンブレードのそれぞれは、径方向内側の前縁と、径方向外側の後縁と、前記リングに連結された第1端部と、前記背面プレートに連結された第2端部と、それぞれが、前記前縁、前記後縁、前記第1端部、および前記第2端部によって区画される表面および裏面とを有している。前記複数のファンブレードは、後退翼であり、前記回転軸から前記ファンブレードの前記後縁までの距離Rは、前記背面プレートからの高さhの関数であるR(h)によって表現される。前記背面プレートからの前記ファンブレードの高さをH、前記ファンブレードの前記第1端部の位置におけるR(h)の大きさをR(H)、前記ファンブレードの前記第2端部の位置におけるR(h)の大きさをR(0)とするとき、|R(H)−R(0)|/Hは、0.1以上である。 In an exemplary embodiment, the centrifugal fan impeller of the present disclosure is a centrifugal fan impeller having a rotation axis, and is arranged around the rotation axis between a ring, a back plate, and the ring and the back plate. A plurality of fan blades. Each of the plurality of fan blades includes a radially inner front edge, a radially outer rear edge, a first end connected to the ring, and a second end connected to the back plate, Each has a front surface and a back surface defined by the front edge, the rear edge, the first end, and the second end. The plurality of fan blades are swept blades, and a distance R from the rotation axis to the trailing edge of the fan blade is expressed by R (h) that is a function of a height h from the back plate. The height of the fan blade from the back plate is H, the size of R (h) at the position of the first end of the fan blade is R (H), and the position of the second end of the fan blade Where R (h) is R (0), | R (H) −R (0) | / H is 0.1 or more.
本開示の遠心ファンインペラは、例示的な実施形態において、モータと、前記モータに連結された遠心ファンインペラと、前記遠心ファンインペラを収容するケーシングとを備える。前記遠心ファンインペラは、上記の遠心ファンインペラである。 In an exemplary embodiment, the centrifugal fan impeller of the present disclosure includes a motor, a centrifugal fan impeller coupled to the motor, and a casing that houses the centrifugal fan impeller. The centrifugal fan impeller is the centrifugal fan impeller described above.
本開示の実施形態によれば、遠心ファンインペラの動作点における軸出力および効率を向上させることが可能になる。 According to the embodiment of the present disclosure, the shaft output and the efficiency at the operating point of the centrifugal fan impeller can be improved.
以下、本開示による遠心ファンインペラの実施形態を説明する。以下の説明において、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 Hereinafter, an embodiment of a centrifugal fan impeller according to the present disclosure will be described. In the following description, a more detailed description than necessary may be omitted. For example, detailed descriptions of already well-known matters and repeated descriptions for substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid the following description from becoming unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art. The inventors provide the accompanying drawings and the following description to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure. They are not intended to limit the claimed subject matter.
<遠心ファンインペラ>
まず、図1および図2を参照する。図1は、本実施形態における遠心ファンインペラ100の斜視図である。図2は、遠心ファンインペラ100の側面図である。「遠心ファンインペラ」は、多翼ファンまたはシロッコファンと称されることがある。本実施形態における遠心ファンインペラ100は、図1に示されるように、回転軸(中心軸)10を有しており、動作時において、不図示の電気モータなどによって回転軸10の周りに回転する。回転軸10は、回転するシャフトではなく、回転の中心に位置する仮想的な直線である。
<Centrifuge fan impeller>
First, FIG. 1 and FIG. 2 will be referred to. FIG. 1 is a perspective view of a
図1および図2には、参考のため、相互に直交するX軸、Y軸およびZ軸から構成されるXYZ座標が示されている。図示されている例において、回転軸10はZ軸に平行であり、回転軸10に直交する平面はXY平面に平行である。図示されている回転軸10の方向は、実際の使用時における遠心ファンインペラ100の姿勢を何ら限定しない。なお、本開示において、「回転軸の方向」とは「回転軸に平行な方向」を意味する。「径方向」とは、「回転軸から、回転軸に対して垂直な方向に延びる半直線の方向」を意味する。「径方向」は、図示されているXY平面に平行である。
1 and 2 show XYZ coordinates composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other for reference. In the illustrated example, the
本実施形態における遠心ファンインペラ100は、リング12と、背面プレート14と、複数のファンブレード20とを備えている。以下、簡単のため、ファンブレードを「ブレード」と称する。
The
リング12は、内径、外径、および厚さによって規定されるリング形状を有している。内径は、円形の開口を規定している。リング12は、典型的には、合成樹脂材料および/または金属材料から形成され得る。
The
背面プレート14は、外径および厚さによって規定される概略的にディスク形状を有している。背面プレート14は、平板である必要はなく、凸状に盛り上がった中央部を有していても良い。また、背面プレート14の一部にリブまたは溝が形成されていてもよい。背面プレート14も、典型的には、合成樹脂材料および/または金属材料から形成され得る。
The
複数のブレード20は、リング12と背面プレート14との間において回転軸10の周りに配列されている。典型例において、ブレード20の配置は、回転軸10に関して軸対称である。本実施形態において、個々のブレード20は同一の形状およびサイズを有しており、回転軸10に関する個々のブレード20の姿勢は、すべてのブレード20の間で共通している。回転軸10から各ブレード20までの距離も同一である。しかし、回転軸10に関して軸対称であれば、個々のブレード20が同一の形状を有している必要はない。図1に示されている例において、ブレード20の個数は36個であるが、ブレード20の個数は、この例に限定されない。ブレード20は、典型的には、合成樹脂材料、金属材料、木材、または複合材料から形成され得る。複合材料の例は、繊維強化プラスチック(たとえばFRP、CFRP)などの強化樹脂を含む。
The plurality of
次に、図3および図4を参照する。図3は、遠心ファンインペラ100の断面構成例を示す模式図である。図4は、遠心ファンインペラ100の上面を示す模式図である。
Reference is now made to FIGS. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration example of the
図3に示されるように、各ブレード20は、径方向内側に位置する前縁21と、径方向外側に位置する後縁22と、リング12に連結された第1端部23と、背面プレート14に連結された第2端部24とを有している。「径方向内側」および「径方向外側」は、それぞれ、「回転軸10に近い側」および「回転軸10から遠い側」である。各ブレード20は、前縁21、後縁22、第1端部23、および第2端部24によって区画される表面25および裏面26を有している。本開示において、各ブレード20の表面25は、遠心ファンインペラ100が回転しているときに加圧側に位置する面(surface)である。各ブレード20の裏面26は、遠心ファンインペラ100が回転しているときに減圧側に位置する面である。表面25および裏面26を、それぞれ、第1の面25および第2の面26と呼んでも良い。
As shown in FIG. 3, each
図3において、回転軸10の左側に位置しているブレード20は、回転によって、図の奥から手前に移動し、図の手前側に加圧面として機能する表面25を有している。一方、回転軸10の右側に位置しているブレード20は、回転により、図の手前から奥に移動し、手前側に減圧面として機能する裏面26を有している。
In FIG. 3, the
図3には、4個の白抜きの矢印によって気流の向きが模式的に示されている。リング12の開口が気流の入り口(インレット)として機能する。インレットから内部に取り込まれた空気または他のガスは、インペラ100の回転により、径方向外側に流れてインペラ100から外側に吹きだされる。
In FIG. 3, the direction of the airflow is schematically shown by four white arrows. The opening of the
図4に示されるように、本実施形態のブレード20は、後退翼である。後退翼は、回転の方向において、前縁21よりも後縁22が後方に位置している。これとは逆に、前進翼は、回転の方向において、前縁21よりも後縁22が前方に位置している。直線翼は、前縁21および後縁22が同一の径方向直線上に位置している。
As shown in FIG. 4, the
各ブレード20の前縁21から後縁22までの長さは「翼弦長」と呼ばれる。ブレード20の回転軸10の方向におけるサイズ、および、翼弦長は、遠心ファンインペラが配置される空間の大きさに応じて適宜に決定され得る。
The length from the leading
次に、図5および図6を参照する。図5は、本実施形態における背面プレート14に結合された代表的な1枚のブレード20のみを模式的に示す斜視図である。図6は、ブレード20の形状をより詳細に説明するための模式図である。
Reference is now made to FIGS. FIG. 5 is a perspective view schematically showing only one
図5および図6に示されるように、本実施形態におけるブレード20の第1端部23の位置は、第2端部24の位置よりも、径方向外側にシフトしている。言い換えると、回転軸10からブレード20の第1端部23の中央までの距離は、回転軸10からブレード20の第2端部24の中央までの距離よりも長い。
As shown in FIGS. 5 and 6, the position of the
図示されている例において、ブレード20の前縁21および後縁22は、回転軸10の方向に平行ではなく、回転軸10に対して傾斜している。図6に示すように、ブレード20の前縁21と回転軸10の方向との間の角度をθL、ブレード20の後縁22と回転軸10の方向との間の角度をθTとするとき、本実施形態におけるθLは、例えば1°以上45°以下であり、θTは、例えば1°以上45°以下である。θLとθTとは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。
In the illustrated example, the leading
回転軸10からブレード20の後縁22までの距離をRとすると、距離Rは、背面プレート14からの高さhに応じて変化している。この距離Rを高さhの関数であるR(h)によって表現することができる。本実施形態におけるR(h)は、ブレード20の第1端部23の位置(h=H)で最も大きな値を示し、ブレード20の第2端部24の位置(h=0)で最も小さい値を示している。この場合のR(h)の典型例は、単調増加関数であるが、後縁22に凹凸が形成されている場合、R(h)は複雑な関数である。本実施形態におけるR(h)は、長さの単位をミリメートル(mm)とするとき、a×h+b [mm]で近似的に表現され得る。なお、本開示において最も重要な点は、ブレード20が後退翼を構成する曲面を持ちながら、第1端部23の位置が第2端部24の位置よりも径方向にシフトしていることにある。このため、R(h)の関数形は、上記の例に限定されない。
When the distance from the
本開示の遠心ファンインペラ100は、上記の例に限定されない。R(h)がhの増加に伴って減少する関数であってもよい。本開示において、R(h)が増加関数である遠心ファンインペラ100は「正勾配」を有し、R(h)が減少関数である遠心ファンインペラ100は「逆勾配」を有していると定義する。
The
ブレード20の第1端部23における翼弦長をC1、ブレード20の第2端部24における翼弦長をC2、回転軸10の方向におけるブレード20の長さ(高さ)をHとするとき、C1/HおよびC2/Hは、それぞれ、例えば0.1以上0.9以下である。本開示の実施形態では、ブレード20の高さHに対する翼弦長の比率が相対的に小さいと、ブレード周りの流れの剥離による性能低下を防ぐというという効果が得られる。なお、C1とC2とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。ブレード20の厚さは、例えば0.1mm以上10mm以下である。
When the chord length at the
本実施形態におけるブレード20は、径方向に平面状に延びる直線翼ではなく、後退翼である。本発明者のシミュレーションの結果によると、後退翼を用い、かつ、|R(H)−R(0)|/Hが0.1以上の勾配があるとき、軸出力および効率を向上させ得ることがわかった。|R(H)−R(0)|/Hは、例えば0.1以上2.0以下の範囲に設定され得る。特に、|R(H)−R(0)|/Hが0.2以上1.0以下の範囲にあるとき、優れた特性を実現することができる。このような効果は、ブレード20の前縁21と後縁22とによって規定される翼弦の方向が、径方向を基準として5度以上70度以下の角度だけ後退しているときに実現することもわかった。
The
<遠心ファン>
図7は、本開示による遠心ファンの実施形態の構成例を模式的に示す図である。
<Centrifuge fan>
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration example of an embodiment of a centrifugal fan according to the present disclosure.
本実施形態における遠心ファン1000は、前述したインペラ100と、インペラ100を収容するケーシング200と、インペラ100を回転させるモータ300とを備えている。モータ300の構成は特に限定されず、種々の構造を備えることができる。
The
図7における一点鎖線の矢印は、インペラ100の回転方向を示している。インペラ100から外側に出た空気または他のガスは、ケーシング200の出口220から吐き出される。ケーシング200の出口は、不図示のダクトなどに接続され得る。
The arrow of the alternate long and short dash line in FIG. 7 indicates the rotation direction of the
図8から図10は、本実施形態における遠心ファンの実施例と比較例とについて得られた数値流体力学のシミュレーション結果を示すグラフである。モデルNo.1、No.2、No.3、No.4について、シミュレーションを実行した。各モデルの特徴点は、以下の通りである。 8 to 10 are graphs showing numerical fluid dynamics simulation results obtained for the example of the centrifugal fan and the comparative example of the present embodiment. Model No. 1, no. 2, no. 3, no. For 4, the simulation was performed. The characteristic points of each model are as follows.
モデルNo.1は図1および図2に示される遠心ファンインペラを備える遠心ファンである。モデルNo.2は、モデルNo.1の遠心ファンインペラを逆勾配に改変した構成を備えている。これらに対し、モデルNo.4は、図11に示されるように回転軸10に平行なブレード20Cを備えた遠心ファンインペラである。モデルNo.3は、図2に示されるような正勾配を有しているが、ブレードが前進翼である点で、モデルNo.1とは異なる。モデルNo.1およびNo.2が実施例に相当し、モデルNo.3およびNo.4は比較例に相当する。
Model No.
なお、下記のパラメータは、すべてのモデルで共通している。
リングの外径、内径、厚さ = 280mm、125mm、2mm
ブレードの回転軸方向の長さ、翼弦長、厚さ = 100mm、46mm、2mm
ブレードの枚数 = 36枚
回転速度 = 1500rpm
動作流体 = 空気
The following parameters are common to all models.
Ring outer diameter, inner diameter, thickness = 280mm, 125mm, 2mm
Blade length, chord length, thickness = 100mm, 46mm, 2mm
Number of blades = 36 Rotation speed = 1500 rpm
Working fluid = Air
図8は、各モデルにおける「出入口の圧力差」を示すグラフである。出入口の圧力差は、図7の出口220における圧力から、リング12の開口中央部における圧力を差し引いた値である。圧力差の単位はパスカル(Pa)である。図8から明らかなように、実施例では、動作点における出入口の圧力差が減少している。なお。「動作点」は、シミュレーションに用いるモデルにおける「システムインピーダンス」と「風量−静圧特性曲線」との交点である。グラフ中の「動作点」は、動作流体(空気)の体積流量が600[m3/h]のときの動作状態に対応している。
FIG. 8 is a graph showing the “pressure difference at the inlet / outlet” in each model. The pressure difference at the inlet / outlet is a value obtained by subtracting the pressure at the center of the opening of the
図9は、各モデルにおける「軸出力」を示すグラフである。単位はワット(W)である。図9から明らかなように、実施例によれば、同一の体積流量を実現するために必要な消費電力を低減することができる。 FIG. 9 is a graph showing “axis output” in each model. The unit is watt (W). As is apparent from FIG. 9, according to the embodiment, it is possible to reduce the power consumption required to realize the same volume flow rate.
図10は、各モデルにおける「効率」を示すグラフである。効率は、「軸出力を流体エネルギーに変換する割合」である。単位はパーセント(%)である。図10から明らかなように、実施例によれば効率が増加する。 FIG. 10 is a graph showing “efficiency” in each model. Efficiency is the “ratio of converting shaft output to fluid energy”. The unit is percent (%). As is apparent from FIG. 10, the efficiency increases according to the embodiment.
このように本開示の遠心ファンの実施形態によれば、同一の動作条件において、ブレードが回転軸に対して平行な遠心ファンに比べて出入口の圧力差は減少してしまうが、軸出力を低下して効率を高めることが可能になる。 As described above, according to the embodiment of the centrifugal fan of the present disclosure, the pressure difference at the inlet / outlet is reduced under the same operating condition as compared with the centrifugal fan in which the blade is parallel to the rotation axis, but the shaft output is reduced. Efficiency.
なお、本開示の実施形態は、例えば図12に示すように回転軸10の方向に沿ってS字状にカーブしたブレード20を用いても良い。このブレード20は、ガウス曲率が正の凸面領域30およびガウス曲率が負の凹面領域32が回転軸10の方向に連結した形状を有している。このようなブレード20を回転軸10に対して傾斜して配列することにより、ブレード20の表面積が実効的に増加するため、より高い効率を実現することが可能になる。
In the embodiment of the present disclosure, for example, a
また、空力騒音を低減するために、前縁21および後縁22の少なくとも一方に複数のセレーション列を形成しても良い。
In order to reduce aerodynamic noise, a plurality of serration rows may be formed on at least one of the leading
本開示の遠心ファンインペラは、各種の遠心ファンに好適に用いられ得る。また、本開示によれば、動作点における軸出力および効率を向上させた遠心ファンが提供され得る。 The centrifugal fan impeller of the present disclosure can be suitably used for various centrifugal fans. Moreover, according to this indication, the centrifugal fan which improved the axial output and efficiency in an operating point can be provided.
10 回転軸(axis of rotation)
12 リング
14 背面プレート
20 ファンブレード
21 ブレードの前縁
22 ブレードの後縁
23 ブレードの第1端部
24 ブレードの第2端部
25 ブレードの表面
26 ブレードの裏面
100 遠心ファンインペラ
200 ケーシング
300 モータ
1000 遠心ファン
10 axis of rotation
12
Claims (4)
リングと、
背面プレートと、
前記リングと前記背面プレートとの間において前記回転軸の周りに配列された複数のファンブレードと、
を備え、
前記複数のファンブレードのそれぞれは、
径方向内側の前縁と、
径方向外側の後縁と、
前記リングに連結された第1端部と、
前記背面プレートに連結された第2端部と、
それぞれが、前記前縁、前記後縁、前記第1端部、および前記第2端部によって区画される表面および裏面と、
を有しており、
前記複数のファンブレードは、後退翼であり、
前記回転軸から前記ファンブレードの前記後縁までの距離Rは、前記背面プレートからの高さhの関数であるR(h)によって表現され、
前記背面プレートからの前記ファンブレードの高さをH、
前記ファンブレードの前記第1端部の位置におけるR(h)の大きさをR(H)、
前記ファンブレードの前記第2端部の位置におけるR(h)の大きさをR(0)とするとき、
|R(H)−R(0)|/Hは、0.1以上である、遠心ファンインペラ。 A centrifugal fan impeller having a rotating shaft,
Ring,
A back plate,
A plurality of fan blades arranged around the rotation axis between the ring and the back plate;
With
Each of the plurality of fan blades is
A radially inner leading edge;
A radially outer trailing edge;
A first end connected to the ring;
A second end connected to the back plate;
Front and back surfaces each defined by the leading edge, the trailing edge, the first end, and the second end;
Have
The plurality of fan blades are swept wings;
The distance R from the rotational axis to the trailing edge of the fan blade is represented by R (h), which is a function of the height h from the back plate,
The height of the fan blade from the back plate is H,
The size of R (h) at the position of the first end of the fan blade is R (H),
When the size of R (h) at the position of the second end of the fan blade is R (0),
| R (H) −R (0) | / H is a centrifugal fan impeller having a value of 0.1 or more.
前記ファンブレードの前記第2端部における翼弦長をC2、
前記回転軸の方向における前記ファンブレードの長さをHとするとき、
C1/HおよびC2/Hは、それぞれ、0.1以上0.9以下である、請求項1に記載の遠心ファンインペラ。 The chord length at the first end of the fan blade is C1,
The chord length at the second end of the fan blade is C2,
When the length of the fan blade in the direction of the rotation axis is H,
The centrifugal fan impeller according to claim 1, wherein C1 / H and C2 / H are 0.1 or more and 0.9 or less, respectively.
前記モータに連結された遠心ファンインペラと、
前記遠心ファンインペラを収容するケーシングと、
を備え、
前記遠心ファンインペラは、請求項1から3のいずれかに記載の遠心ファンインペラである、遠心ファン。 A motor,
A centrifugal fan impeller coupled to the motor;
A casing for accommodating the centrifugal fan impeller;
With
The centrifugal fan impeller is a centrifugal fan impeller according to any one of claims 1 to 3.
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