JP2023044874A - 天井埋込型空調 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボファンから熱交換器にかけて流路断面積が急拡大するような天井埋込型空調においても、より一層効率が向上した天井埋込型空調を提供する。【解決手段】天井埋込型空調は、軸線回りに回転可能な出力軸を有するモータと、出力軸に取り付けられたターボファンと、ターボファンを外周側から囲うとともに、軸線方向における寸法が前記ターボファンの出口流路の前記軸線方向における寸法よりも大きい熱交換器と、を備え、ターボファンは、出力軸に取り付けられ、軸線を中心とする円盤状をなす主板と、主板に対して軸線方向に間隔をあけて配置されたシュラウドと、シュラウドと主板にわたって設けられ、周方向に間隔をあけて複数配列された主翼と、主翼における出力軸の回転方向前方側を向く面である圧力面から周方向に突出するとともに、シュラウド側を向く案内面を有する案内部材と、を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、天井埋込型空調に関する。

空調装置の一例として、下記特許文献１に示されるような天井埋込型空調が広く用いられている。天井埋込型空調は、屋内の天井に埋設されたケーシングと、上下方向に延びる軸線回りに回転する出力軸を有するモータ、及びターボファンと、このターボファンを出力軸に固定する主板と、ターボファンを囲む熱交換器と、ベルマウスと、を主に備えている。ターボファンは、軸線を囲う筒状のシュラウドと、シュラウドの一方側の面上で周方向に間隔をあけて配列された複数の主翼と、を有している。

ターボファンが回転することによって、ケーシングの中央部から屋内の空気がケーシング内に取り込まれる。この空気はターボファンによって外周側に圧送された後、熱交換器を通過することで冷気、又は暖気となって屋内に供給される。

特許第６１３０１３７号公報

ここで、ターボファン出口の流路断面積は、製品に要求される揚程や流量によって決定される。一方で、径方向から見た場合の熱交換器の投影面積（軸線方向の高さと周方向の長さの積）は、製品に要求される温度調整能力によって決定される。多くの場合、熱交換器の投影面積は、ターボファン出口の流路断面積よりも大きく設定されている。つまり、熱交換器の軸線方向における高さが大きくなるために、ターボファンから熱交換器に向かうに従って流路断面積が急拡大している。このため、ターボファンから流れ出した空気の流れの一部が、熱交換器の前方で循環流れを形成し、流速分布が不均一となる場合がある。その結果、流速が低い領域で熱交換器の性能を十分に活用できず、天井埋込型空調の効率が低下してしまう虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より一層効率が向上した天井埋込型空調を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る天井埋込型空調は、軸線回りに回転可能な出力軸を有するモータと、前記出力軸に取り付けられたターボファンと、該ターボファンを外周側から囲うとともに、前記軸線方向における寸法が前記ターボファンの出口流路の前記軸線方向における寸法よりも大きい熱交換器と、を備え、前記ターボファンは、前記出力軸に取り付けられ、前記軸線を中心とする円盤状をなす主板と、該主板に対して前記軸線方向に間隔をあけて配置されたシュラウドと、該シュラウドと前記主板にわたって設けられ、周方向に間隔をあけて複数配列された主翼と、該主翼における前記出力軸の回転方向前方側を向く面である圧力面から周方向に突出するとともに、前記シュラウド側を向く案内面を有する案内部材と、を有する。

本開示によれば、ターボファンから熱交換器にかけて流路断面積が急拡大するような天井埋込型空調においても、より一層効率が向上した天井埋込型空調を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る天井埋込型空調の構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係るターボファンの構成を示す拡大図である。 本開示の第一実施形態に係るターボファンの変形例を示す拡大図である。 本開示の第二実施形態に係るターボファンの構成を示す拡大図である。 本開示の第三実施形態に係るターボファンの構成を示す拡大図である。

＜第一実施形態＞
（天井埋込型空調の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る遠心圧縮機としての天井埋込型空調１００について、図１から図４を参照して説明する。図１に示すように、天井埋込型空調１００は、ケーシング１と、モータ２と、主板３と、ターボファン４と、熱交換器５と、ベルマウス６と、を備えている。

ケーシング１は、建物の天井壁９０に埋め込まれている。ケーシング１は、下方から見て矩形をなすとともに、上方に向かって凹没することで内部に空間を形成している。具体的には、ケーシング１は、天井面９０ａに露出するパネル１ａと、パネル１ａの上方に設けられた箱状のキャビネット１ｂと、を有している。パネル１ａは、矩形の枠体であるパネル本体１１と、下部中央に設けられた吸込口１１ａとしてのグリル１２と、を有している。パネル本体１１は、この吸込口１１ａの周囲に吹出口１１ｂを形成する。

モータ２は、キャビネット１ｂ内部で下方を向く底面１ｓの中央部に設けられている。モータ２は、コイルや磁石等を収容するモータ本体２１と、モータ本体２１から鉛直下方に突出する出力軸２２と、を有している。出力軸２２は、鉛直方向（上下方向）に延びる軸線Ｏ回りに回転駆動される。

出力軸２２には、当該出力軸２２から径方向外側に広がるとともに軸線Ｏを中心とする円盤状の主板３が固定されている。主板３は、軸線Ｏを含む断面視で、径方向内側から外側に向かうに従って、下方から上方に向かって延びる断面形状を有している。主板３の下面における径方向外側の端縁を含む部分には、ターボファン４が取り付けられている。

ターボファン４は、周方向に間隔をあけて配列された複数の主翼４１と、これら主翼４１を下方から覆う円環状のシュラウド４２と、主翼４１の表面に設けられた案内部材４３と、を有している。ターボファン４の詳細な構成については後述する。出力軸２２の回転に伴って主板３、及びターボファン４が回転して、吸込口１１ａから吸い込まれた空気が径方向外側に送られる。

ターボファン４の径方向外側には、当該ターボファン４を囲む環状の熱交換器５が設けられている。熱交換器５は、冷凍サイクルを有する冷媒回路の一部である。この熱交換器５では、軸線Ｏ方向における寸法がターボファン４の出口流路の軸線Ｏ方向における寸法よりも大きく設定されている。具体的には、熱交換器５の下側の端面は、ターボファン４よりも下側に張り出している。つまり、ターボファン４の出口に比べて、熱交換器５の方が径方向から見た断面積（軸線Ｏ方向における熱交換器の高さと周方向の長さとの積）が大きい。したがって、ターボファン４の出口から熱交換器５に向かうに従って流路断面積は急拡大している。

ターボファン４によって熱交換器５に送られた空気は、当該熱交換器５を通過する際に冷媒と熱交換する。これにより、熱交換器５の外周側に流れ出た空気は冷気、又は暖気となる。この空気は、キャビネット１ｂの側面に沿って下方に流れ、吹出口１１ｂから室内に供給される。

ターボファン４の下方には、パネル本体１１の上部に固定されたベルマウス６が配置されている。ベルマウス６は、吸込口１１ａから導入された空気を案内してターボファン４に送るために設けられている。ベルマウス６は、下方から上方に向かうに従って次第に縮径することで円錐形状をなしている。ベルマウス６の軸線Ｏ方向一方側（上側）の端部は、上述のシュラウド４２によって外周側から囲まれている。

（ターボファンの構成）
次いで、ターボファン４の構成について詳述する。図２に示すように、シュラウド４２は、軸線Ｏ方向他方側から一方側に向かうに従って、径方向外側に向かうように湾曲している。言い換えれば、軸線Ｏ方向下方から上方に向かうに従って、径方向外側に向かうように湾曲している。シュラウド４２の厚さ方向の両面のうち、内周側を向く面はシュラウド内周面４２ｓとされている。

シュラウド内周面４２ｓ上には、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の主翼４１が設けられている。主翼４１は、主板３の下面からシュラウド内周面４２ｓにわたって延びている。主翼４１の軸線Ｏに直交する断面形状は二次元翼状をなしている。より具体的には、主翼４１の断面形状は一例として矩形をなしている。

主翼４１の前縁４１ａ（つまり、径方向内側の端縁）は、軸線Ｏ方向に延びている。主翼４１の後縁４１ｂ（つまり、径方向外側の端縁）も、軸線Ｏ方向に延びている。主翼４１の周方向両面のうち、出力軸２２の回転方向前方側を向く面は圧力面４１ｐとされ、後方側を向く面は負圧面４１ｎとされている。周方向に隣り合う一対の主翼４１同士の間には、案内部材４３が設けられている。

案内部材４３は、主翼４１の表面を複数（２つ）の領域に区画している。案内部材４３は主翼４１の軸線Ｏ方向における中央部に位置している。案内部材４３は、一方の主翼の圧力面４１ｐから他方の主翼４１の負圧面４１ｎにかけて延びている。つまり、案内部材４３は周方向に連続して延びている。なお、案内部材４３は少なくとも圧力面４１ｐに設けられていればよく、負圧面４１ｎ側に接続されていなくてもよい。つまり、案内部材４３が圧力面４１ｐのみから周方向に突出している構成を採ることが可能である。

案内部材４３の径方向内側の端縁は、主翼４１の前縁４１ａ上に位置している。また、案内部材４３の径方向外側の端縁は、主翼４１の後縁４１ｂ上に位置している。なお、案内部材４３の形状は上記に限定されず、径方向内側の端縁が前縁４１ａ上に位置していなくてもよい。また、径方向外側の端縁が後縁４１ｂ上に位置していなくてもよい。

案内部材４３は、シュラウド４２の延びる方向に沿うように湾曲している。つまり、案内部材４３は、軸線Ｏ方向他方側から一方側に向かうに従って、径方向外側に向かうように湾曲している。なお、案内部材４３は、シュラウド４２の延びる方向に完全に沿うように湾曲していなくてもよく、実質的にシュラウド４２と同一の方向に延びていればよい。案内部材４３の軸線Ｏ方向を向く両面のうち、シュラウド４２側を向く面は案内面４３ａとされている。この案内面４３ａとシュラウド内周面４２ｓとの間の離間距離は、径方向内側から外側にかけて一定である。なお、ここで言う「一定」とは実質的な一定を指すものであって、例えば設計上の公差や製造上の誤差は許容される。つまり、案内面４３ａとシュラウド内周面４２ｓとの間の離間距離は完全に一定でなくてもよい。

なお、シュラウド４２と案内面４３ａとの間の離間距離は、以下のように設定することも可能である。即ち、主板３とシュラウド４２との間の流路における径方向内側から外側にかけての流路断面積の縮小率を下回らない範囲で、径方向外側に向かうに従って案内面４３ａがシュラウド４２側に近接するように延びる構成を採ることが可能である。

（作用効果）
次に、上記の天井埋込型空調１００の動作について説明する。天井埋込型空調１００を運転するに当たっては、まずモータ２を駆動する。モータ２を駆動することで出力軸２２、主板３、及びターボファン４が軸線Ｏ回りに回転する。ターボファン４が回転することで、吸込口１１ａから室内の空気が取り込まれる。この空気は、ベルマウス６を経てターボファン４に送られた後、径方向外側に向かって圧送されることで主流を形成する。主流は、主板３の下面に沿って流れる。つまり、主流は、下方から上方に向かうに従って径方向内側から外側に向かって流れる。この主流の大部分は、熱交換器５を通過することで冷媒と熱交換し、冷気、又は暖気となって吹出口１１ｂから室内に供給される。

ここで、ターボファン４の出口の流路断面積は、製品に要求される揚程や流量によって決定される。一方で、径方向から見た場合の熱交換器５の断面積は、製品に要求される温度調整能力によって決定される。多くの場合、本実施形態のように熱交換器５の断面積はターボファン４の出口の流路断面積よりも大きく設定されている。つまり、ターボファン４から熱交換器５に向かうに従って流路断面積が急拡大している。このため、ターボファン４から流れ出した空気の流れの一部が、熱交換器５とターボファン４との間の流路の前方で循環流れを形成し、流速分布が不均一となる場合がある。その結果、熱交換器５の性能を十分に活用できず、天井埋込型空調１００の効率が低下してしまう虞がある。

そこで、本実施形態では、主翼４１に案内部材４３が設けられている。この構成によれば、ターボファン４の主翼４１に沿って径方向外側に向かう空気の流れは、案内部材４３によって、軸線Ｏ方向に複数に分割された状態となる。これにより、ターボファン４の出口で、軸線Ｏ方向における流速分布をより均一化することができる。その結果、例えば、熱交換器５の前方で循環流れが形成されてしまう可能性が低減される。したがって、熱交換器５に対して、その断面積の全面にわたって空気の流れが供給され、熱交換器５としての性能を十分に活用することができる。よって、天井埋込型空調１００の効率を向上させることが可能となる。

さらに、上記構成によれば、案内部材４３が圧力面４１ｐから負圧面４１ｎにかけて周方向に連続して延びていることから、当該周方向の全域にわたって安定的に流速分布を均一化することができる。これにより、上述の循環流れが形成されてしまう可能性をさらに低減することができる。

また、上記構成によれば、案内部材４３が前縁４１ａから後縁４１ｂにかけて延びていることから、径方向の全域にわたってさらに安定的に空気の流れを案内することができる。

加えて、上記構成によれば、案内部材４３（案内面４３ａ）とシュラウド４２との離間距離が径方向内側から外側にかけて一定であることから、案内部材４３を配置したことによる圧力損失の発生を最小限に抑えることが可能となる。これにより、天井埋込型空調１００の効率をさらに向上させることができる。

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

上記第一実施形態では、軸線Ｏ方向に１つのみの案内部材４３が設けられている例について説明した。しかしながら、案内部材４３の数は上記に限定されず、図３に変形例として示すように、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数（２つ以上）の案内部材４３を配列することも可能である。この構成によれば、径方向外側に向かう空気の流れがさらに細かく分割されるため、軸線Ｏ方向における流速分布をさらに均一化することが可能となる。

＜第二実施形態＞
次いで、本開示の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態では、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数の案内部材４３が配列されている。さらに、これら複数の案内部材４３は、軸線Ｏ方向において主板３側よりもシュラウド４２側に偏って配置されている。つまり、案内部材４３と主板３との間の離間距離よりも、案内部材４３とシュラウド４２との間の離間距離の方が小さく設定されている。

ここで、主板３側よりもシュラウド４２側の方が形状の曲率が大きい。このため、図１中の矢印から明らかなように、シュラウド４２側では軸線Ｏ方向から径方向外側に向かって流れの向きが急激に変化する。これにより、当該シュラウド４２側では損失が大きくなる傾向にある。しかしながら、上記の構成によれば、案内部材４３がシュラウド４２側に偏って配置されていることから、当該シュラウド４２側における整流効果をさらに高めることができる。これにより、損失を低減することが可能となる。その結果、天井埋込型空調１００の効率をさらに向上させることが可能となる。

以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。上記第二実施形態では、複数の案内部材４３が設けられている例について説明した。しかしながら、１つのみの案内部材４３を備え、当該案内部材４３がシュラウド４２側に偏った位置に設けられている構成を採ることも可能である。

＜第三実施形態＞
次いで、本開示の第三実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では主翼４１における後縁４１ｂの形状が上記の各実施形態とは異なっている。

具体的には、主翼４１におけるシュラウド４２側の端部は、主板３側の端部よりも径方向外側に位置している。また、主翼４１の後縁４１ｂは、主板３側からシュラウド４２側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている。つまり、後縁４１ｂは軸線Ｏに対して傾斜している。

ここで、シュラウド４２側では、主板３側に比べて空気の流れの曲率が大きい。このため、当該シュラウド４２側では損失が大きくなる傾向にある。しかしながら、上記の構成によれば、主翼４１の後縁４１ｂが主板３側からシュラウド４２側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている。つまり、シュラウド４２側では主翼４１が径方向外側に張り出している。これにより、当該シュラウド４２側で主翼４１が空気の流れに対してする仕事が増加し、揚程を拡大することができる。その結果、シュラウド４２側における損失を低減することが可能となる。その結果、天井埋込型空調１００の効率をさらに向上させることが可能となる。

以上、本開示の第三実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。また、上記の各実施形態で説明した構成を相互に組み合わせることも可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の天井埋込型空調１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る天井埋込型空調１００は、軸線Ｏ回りに回転可能な出力軸２２を有するモータ２と、前記出力軸２２に取り付けられたターボファン４と、該ターボファン４を外周側から囲うとともに、前記軸線Ｏ方向における寸法が前記ターボファン４の出口流路の前記軸線Ｏ方向における寸法よりも大きい熱交換器５と、を備え、前記ターボファン４は、前記出力軸２２に取り付けられ、前記軸線Ｏを中心とする円盤状をなす主板３と、該主板３に対して前記軸線Ｏ方向に間隔をあけて配置されたシュラウド４２と、該シュラウド４２と前記主板３にわたって設けられ、周方向に間隔をあけて複数配列された主翼４１と、該主翼４１における前記出力軸２２の回転方向前方側を向く面である圧力面４１ｐから周方向に突出するとともに、前記シュラウド４２側を向く案内面４３ａを有する案内部材４３と、を有する。

上記構成によれば、ターボファン４の主翼４１に沿って径方向外側に向かう空気の流れは、案内部材４３の案内面４３ａにぶつかることで、軸線Ｏ方向に複数に分割された状態となる。これにより、ターボファン４の出口で、軸線Ｏ方向における流速分布を均一化することができる。その結果、例えば、熱交換器５の前方で循環流れが形成されてしまう可能性が低減される。

（２）第２の態様に係る天井埋込型空調１００では、前記案内部材４３は、前記圧力面４１ｐから、該圧力面４１ｐに隣接する他の前記主翼４１における前記回転方向後方側を向く面である負圧面４１ｎにかけて周方向に連続して延びている。

上記構成によれば、案内部材４３が周方向に連続して延びていることから、当該周方向の全域にわたって安定的に流速分布を均一化することができる。

（３）第３の態様に係る天井埋込型空調１００では、前記案内部材４３は、前記主翼４１の径方向内側の端縁である前縁４１ａから、径方向外側の端縁である後縁４１ｂにかけて延びている。

上記構成によれば、案内部材４３が前縁４１ａから後縁４１ｂにかけて延びていることから、径方向の全域にわたって安定的に空気の流れを案内することができる。

（４）第４の態様に係る天井埋込型空調１００では、前記案内部材４３と前記シュラウド４２との間の離間距離は、径方向内側から外側にかけて一定である。

上記構成によれば、案内部材４３とシュラウド４２との離間距離が径方向内側から外側にかけて一定であることから、案内部材４３を配置したことによる圧力損失の発生を最小限に抑えることが可能となる。

（５）第５の態様に係る天井埋込型空調１００では、前記案内部材４３は、前記軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数配列されている。

上記構成によれば、径方向外側に向かう空気の流れが複数の案内部材４３によって分割される。これにより、軸線Ｏ方向における流速分布をさらに均一化することが可能となる。

（６）第６の態様に係る天井埋込型空調１００では、前記案内部材４３は、前記軸線Ｏ方向において前記主板３側よりも前記シュラウド４２側に偏って配置されている。

ここで、シュラウド４２側では、主板３側に比べて空気の流れの曲率が大きい。このため、当該シュラウド４２側では損失が大きくなる傾向にある。しかしながら、上記の構成によれば、案内部材４３がシュラウド４２側に偏って配置されていることから、当該シュラウド４２側における整流効果をさらに高めることができる。これにより、損失を低減することが可能となる。

（７）第７の態様に係る天井埋込型空調１００では、前記主翼４１における前記シュラウド４２側の端部は、前記主板３側の端部よりも径方向外側に位置し、前記主翼４１の径方向外側の端縁である後縁４１ｂは、前記主板３側から前記シュラウド４２側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている。

ここで、シュラウド４２側では、主板３側に比べて空気の流れの曲率が大きい。このため、当該シュラウド４２側では損失が大きくなる傾向にある。しかしながら、上記の構成によれば、主翼４１の後縁４１ｂが主板３側からシュラウド４２側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている。つまり、シュラウド４２側では主翼４１が径方向外側に張り出している。これにより、当該シュラウド４２側で主翼４１の仕事が増加し、揚程を拡大することができる。その結果、シュラウド４２側における損失を低減することが可能となる。

１００ 天井埋込型空調
１ ケーシング
１ａ パネル
１ｂ キャビネット
１ｓ 底面
２ モータ
３ 主板
４ ターボファン
５ 熱交換器
６ ベルマウス
６ｓ 外周面
７ フェンス
１１ パネル本体
１１ａ 吸込口
１１ｂ 吹出口
１２ グリル
２１ モータ本体
２２ 出力軸
３１ 環状部
３２ 縮径部
４１ 主翼
４１ａ 前縁
４１ｂ 後縁
４２ シュラウド
４２ｓ シュラウド内周面
４３ 案内部材
４３ａ 案内面
Ｏ 軸線

Claims (7)

1. 軸線回りに回転可能な出力軸を有するモータと、
   前記出力軸に取り付けられたターボファンと、
   該ターボファンを外周側から囲うとともに、前記軸線方向における寸法が前記ターボファンの出口流路の前記軸線方向における寸法よりも大きい熱交換器と、
   を備え、
   前記ターボファンは、
   前記出力軸に取り付けられ、前記軸線を中心とする円盤状をなす主板と、
   該主板に対して前記軸線方向に間隔をあけて配置されたシュラウドと、
   該シュラウドと前記主板にわたって設けられ、周方向に間隔をあけて複数配列された主翼と、
   該主翼における前記出力軸の回転方向前方側を向く面である圧力面から周方向に突出するとともに、前記シュラウド側を向く案内面を有する案内部材と、
   を有する天井埋込型空調。
2. 前記案内部材は、前記圧力面から、該圧力面に隣接する他の前記主翼における前記回転方向後方側を向く面である負圧面にかけて周方向に連続して延びている請求項１に記載の天井埋込型空調。
3. 前記案内部材は、前記主翼の径方向内側の端縁である前縁から、径方向外側の端縁である後縁にかけて延びている請求項１又は２に記載の天井埋込型空調。
4. 前記案内部材と前記シュラウドとの間の離間距離は、径方向内側から外側にかけて一定である請求項１から３のいずれか一項に記載の天井埋込型空調。
5. 前記案内部材は、前記軸線方向に間隔をあけて複数配列されている請求項１から４のいずれか一項に記載の天井埋込型空調。
6. 前記案内部材は、前記軸線方向において前記主板側よりも前記シュラウド側に偏って配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の天井埋込型空調。
7. 前記主翼における前記シュラウド側の端部は、前記主板側の端部よりも径方向外側に位置し、前記主翼の径方向外側の端縁である後縁は、前記主板側から前記シュラウド側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている請求項１から６のいずれか一項に記載の天井埋込型空調。

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