JP2730878B2 - 遠心送風機インレットオリフィス及び回転翼用アセンブリ - Google Patents

遠心送風機インレットオリフィス及び回転翼用アセンブリ

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JP2730878B2
JP2730878B2 JP7146242A JP14624295A JP2730878B2 JP 2730878 B2 JP2730878 B2 JP 2730878B2 JP 7146242 A JP7146242 A JP 7146242A JP 14624295 A JP14624295 A JP 14624295A JP 2730878 B2 JP2730878 B2 JP 2730878B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、主に空中ファンに関す
る。特に、本発明はインレットオリフィス構造の改良及
び遠心フローファン回転翼用アセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、遠心フローファン及びこのファン
に設けられたインレットオリフィスは、暖房、加熱及び
空調（Ｈｅａｔｉｎｇ， Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ，
ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ：ＨＶＡ
Ｃ)の分野において種々の用途に幅広く用いられてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ＨＶＡＣシステム及び
周辺機器の設計や製造において重要な目的は、小型化、
エアフローレートの最適化及び騒音の抑制にある。
【０００４】動作時において、通常、遠心フローファン
に流入する空気は回転軸に沿って流入し、ファン内で流
通方向を変えてファンから放射方向へ流出する。アプリ
ケーションに応じて、空気は、ファンの周囲を３６０°
回転するか、または一つ以上のアウトレットがファン回
転翼を取り囲んでいるスクロールを通じて、放出される
空気を１または複数の所定方向へと向ける。
【０００５】ＨＶＡＣアプリケーションにおいては、通
常は電動モータがファン回転翼を回転させる。固定イン
レットオリフィスによって、流入する空気はファン吸入
口へと導入される。サイズ及び効率に関する課題を解決
するために、空気がファンを通過する際に生じる乱流
（nonuniform flow）及び分離流の発生を最小化するこ
とが重要である。
【０００６】本発明は上記背景の下になされたものであ
り、サイズ及び効率に関する課題を解決し、空気がファ
ンを通過する際に生じる乱流及び分離流の発生を最小化
することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
するために、本発明は、インレットオリフィス構造及び
遠心フローファン回転翼用アセンブリであって、インレ
ットオリフィス構造（１０）と、遠心フロータイプのフ
ァン回転翼（２０）とを有し、前記オリフィス構造は、
軸対称なオリフィスリーディングエッジ（１０１）と、
前記オリフィスリーディングエッジに関して空気流の下
流側に設けられて前記リーディングエッジオリフィスか
らトレーリングエッジ（１０３）に延びる軸対称なスロ
ート（１０２）とを有するとともに、前記スロートは、
第１プラナーライン（Ｌ1）を同一平面上のゼネレーシ
ョン軸（ＡG）を軸として回転させて得られる面と同様
の形状をしており、さらに前記第１プラナーラインは、
前記ゼネレーション軸に実質的に平行な長半径(ＡSMO)
を有する第１楕円の１／４にあたり、前記ファン回転翼
は、動作のために前記インレットオリフィス構造と共に
組み立てる際に前記オリフィス構造の前記ゼネレーショ
ン軸に一致する回転軸（ＡR）と、内面（２０２１）を
有して前記回転軸に中心を有する回転翼ハブプレート
（２０２）と、複数のブレード（２０３）と、前記ブレ
ードチップに設けられてオリフィスとなる軸対称のシュ
ラウド（２０１）とを有し、前記ブレードは、それぞれ
ルート（２０３１）とチップ（２０３２）を有して前記
ルートにおいて前記内面に取り付けられるともに前記内
面の外方に延在し、ブレード間の角度は一定とはなって
おらず、前記回転翼の通常回転方向に関して後方に流れ
る形状となっており、前記シュラウドは、前記シュラウ
ドオリフィスを通じての空気流に関連して、シュラウド
リーディングエッジ（２０１１）及びシュラウドトレー
リングエッジ（２０１２）を有し、さらに、前記シュラ
ウドは、前記シュラウドリーディングエッジから前記シ
ュラウドトレーリングエッジへと延在するディフューザ
（２０１３）を有するとともに、前記ディフューザは、
第２プラナーライン（Ｌ2）を、この第２プラナーライ
ンと同一平面上にあって前記回転軸に一致するゼネレー
ション軸を軸として回転させて得られる面と同様の形状
であり、前記第２プラナーラインは長半径ＡSMSを有す
る第２の楕円のほぼ１／４部分となっており、実質的に
前記ゼネレーション軸ＡGに平行であり、さらに、前記
ディフューザでの前記リーディングエッジに隣接する部
分の内半径は、前記ファン回転軸及び前記インレットオ
リフィス構造が動作に備えて組み立てられたときに、前
記オリフィス構造の前記スロート部に覆いかぶさってこ
のスロート部を軸として回転可能であることを特徴とす
るアセンブリを提供する。
【０００８】好ましくは、前記第１楕円は、短半径に対
する長半径の比率が1.4とする。
【０００９】また、前記回転翼の最大スウェプト半径に
対する前記第１楕円の短半径の比率は0.20であることが
好ましい。前記第２楕円は、その短半径に対する長半径
の比率が1.64であることが好ましい。前記回転翼の最大
スウェプト半径に対する前記第２楕円の短半径の比率は
0.30であることが好ましい。
【００１０】さらに、前記ハブプレートの内面は輪郭部
（２０２１）を有し、かつこの輪郭部は、第３プラナー
ライン（Ｌ3）を、このラインと同一平面上にあって前
記回転軸に一致する回転軸を軸として回転させることに
より生成される面と同様の形状をしているとともに、前
記第３平面は円の弧となっていることを特徴とする請求
項１記載のアセンブリも提供される。
【００１１】前記円の弧の中心角は45°〜75°であるこ
とが好ましい。
【００１２】また、前記ブレードの数は、６より大きい
素数であることが好ましい。更に、前記ブレード間の角
度は、31.85°、24°、30.25°、31°、24.9°、22.75
°、28.25°、32.15°、27.25°、29.5°、26.6°、23.
25°、28.25°であることが好ましい。
【００１３】以下、本発明を更に詳細に説明する。本発
明はインレットオリフィスの構造及び遠心ファン回転翼
用アセンブリに関する。このアセンブリは、ファンを通
過する空気流にわたって存在する境界層を促進させる。
このファン回転翼は、さらに、ブレードの周期的に形成
された通路から生じるノイズの総量を最小化するように
ブレードが配置されている。このように、このファンは
従来例に係る同じサイズのファンと等しい空気流を生成
するとともに、効率がよくノイズも小さい。
【００１４】ファンの回転軸に垂直な平面におけるイン
レットオリフィス構造の断面は円となる。ファンの回転
軸を通る平面におけるインレットオリフィス構造の断面
は楕円となる。
【００１５】各回転翼のブレードの弦は曲線となってお
り、ファンの回転方向に関して後方に流れる形状をと
り、ベースプレートに固定されている。回転翼のブレー
ド数を７以上の素数とすることで、その性能は最適化さ
れる。好適実施例においては、その数は１３である。
【００１６】ベースプレートの内面は、その中心からそ
の外方の円周に向かってほぼ正確に曲線状に輪郭付けら
れており、ベースプレート内にモータを収容するための
スペースが形成されるようになっている。
【００１７】このような曲線状に輪郭付られていること
で、ファンを通じて流れる空気流が軸方向からスムース
に流れるようになるり、ファンからの流出時における空
気の流出方向は、放射方向となる。
【００１８】回転翼の先端（ｔｉｐ）には環状のシュラ
ウドが設けられている。ファンの回転軸をとおる平面に
おけるシュラウドの断面は楕円形状となっている。この
シュラウドの大きさ及び位置は、固定されたインレット
オリフィスに一部覆いかぶさる（overlap）とともに、
その周囲を自由に回動できるように決定されている。
【００１９】ブレードとブレードとの間の角度は一定に
なってはいないが、回転翼が静的にも動的にもバランス
するような角度となっている。
【００２０】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は本発明に係るインレットオリフィス構
造及び遠心ファン回転翼用アセンブリの説明図である。
遠心オリフィス構造１０にはリーディングエッジ１０
１、スロート１０２、及びトレーリングエッジ１０３が
含まれる。ファン回転翼２０はハブプレート２０２に設
けられたブレード２０３を有し、組み立て時にはブレー
ド２０３に取り付けられる。
【００２１】シュラウド２０１はリーディングエッジ２
０１１、トレーリング２０１２、ディフューザ２０１３
を有する。図２は本発明に係るファン回転翼２０の説明
図であり、ブレード２０３のブレードルート２０３２に
おけるハブプレート２０２への取り付けと、シュラウド
２０１のブレードチップ２０３１への取り付けを示す。
図３は本発明に係るファン回転翼２０の上面図であり、
ブレードコード(bladechord)２０３３の曲線を示す。
【００２２】図４は本発明に係るインレットオリフィス
構造１０及び遠心ファン回転翼２０の部分断面図であ
り、動作時に２つの構造要素が取り付けられる。この図
によれば、楕円状のオリフィススロート１０２がオリフ
ィスリーディングエッジ１０１からオリフィストレーリ
ングエッジ１０３に延在することが示される。シュラウ
ド２０１の楕円状のディフューザ２０１３はシュラウド
リーディングエッジ２０１１からシュラウドトレーリン
グエッジ２０１２へと延びる。特筆すべき点は、リーデ
ィングエッジ２０１１におけるディフューザ２０１３の
内側半径が、ディフューザ２０１３がオリフィス１０の
上に覆いかぶさる（overlap）が、ファンの動作時には
自在に回転可能な大きさとなっていることである。
【００２３】このように覆いかぶさることで、オリフィ
スとシュラウド間の環状の間隙を通じての空気の流れ
は、オリフィスを通じて流入する空気のメインフローと
して、ほぼ同じ方向に揃い、メインフローが乱されるこ
とはない。ハブプレート２０２の曲面となった内面２０
２１を有し、この内面にブレード２０３が取り付けられ
る。内面２０２１の形状によって、モータ３０の一部を
収容するモータリセス２０５を形成するための余地がと
れるようになる。モータ３０は、モータシャフト３０１
を通じてファン回転翼２０を駆動する。
【００２４】図５は、本発明に係るオリフィス構造及び
ファン回転翼の好適実施例の幾何構造及び関係を示すも
のである。
【００２５】オリフィス１０のスロート１０２は、ゼネ
レーション軸（ａｘｉｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏ
ｎ）ＡＧを軸として回転するプラナーライン（ｐｌａｎ
ａｒｌｉｎｅ）Ｌｌにより生成される面と同様に形成さ
れる。ラインＬ ｌ は、短半径Ａｓ ｍ ｏと長半径Ａ ＳＭＯ
とをそれぞれ有する楕円の１／４部分を示す。長半径Ａ
ＳＭＯ は、実質的にゼネレーション軸Ａ Ｇ に平行となっ
ている。
【００２６】シュラウド２０のディフューザ２０１は、
ゼネレーション軸ＡＧを軸として回転するプラナーライ
ンＬ２により生成される面と同様に形成される。ゼネレ
ーション軸ＡＧはファンの回転軸ＡＲに一致している。
ラインＬ ２ は、短半径Ａ ＳｍＳ と長半径Ａ ＳＭＳ とをそ
れぞれ有する楕円の１／４部分を示す。長半径Ａ ＳＭＳ
は、実質的にゼネレーション軸Ａ Ｇ に平行となってい
る。
【００２７】ディフューザ２０１３の最小スウェプト半
径（swept radius）はＲISである。回転翼２０の最大ス
ウェプト半径はＲMAXである。ハブプレート２１２の内
面２０２１は、ゼネレーション軸ＡGを軸として回転す
るプラナーラインＬ3により生成される表面と同様とな
っている。ラインＬ3は円の弧となっている。
【００２８】試作品によって確認された理論操業では、
ラインＬ1を構成する楕円の短半径に対する長半径の比
率は、少なくとも1.2、つまりＡSMO／ＡSmO≧1.2とな
り、その比率を1.4とすると優れた効率が得られること
が示された。
【００２９】このような理論操業により、ファン回転翼
の最大スウェプト半径に対する、ラインＬ1を構成する
楕円の短半径の比率は少なくとも0.14、つまりＡSmO／
ＲMAX≧0.14となり、その比率を0.2とすると優れた効率
が得られることが示された。
【００３０】同様に、ラインＬ2を構成する楕円の短半
径に対する長半径の比率は、少なくとも1.2、つまりＡ
SMS／ＡSmS≧1.2となり、その比率を1.64とすると優れ
た効率が得られることが示された。
【００３１】また、このような理論操業により、ファン
回転翼の最大スウェプト半径に対する、ラインＬ1を構
成する楕円の短半径の比率は少なくとも0.25、つまりＡ
SmO／ＲMAX≧0.25となり、その比率を0.30とすると優れ
た効率が得られることが示された。
【００３２】ラインＬ3により規定される弧は、もとの
円の約４５〜７５°で延びる、つまりこの弧の中心角が
４５°〜７５°となるようにすべきである。
【００３３】ファンから放出されるノイズの主な生成源
は、基本ブレード通過周波数（fundamental blade pass
frequency：ＦBP）及びＦBPの倍数にあり、ＦBPの２、
３、４倍が主となっている。この基本ブレード通過周波
数は、ファンブレードの数（ＮB）にファンの回転周波
数（ＦR）を乗算して得られたもの、つまりＦBP＝ＮB×
ＦRによって得られる。
【００３４】回転周波数はファン回転翼の回転速度に関
する。等間隔にブレードを設けたファンにおいては、別
個の（discrete）ブレードノイズはＦBPの狭い帯域にあ
り、倍音（harmonics）も狭い。例えば、単純なバラン
スの２枚羽根アキシャルファンの調性的な（tonal）ノ
イズは、２×ＦRに等しいＦBPの調性的なノイズに等し
い。ブレード数の多いファンにおいては、ブレード間の
角度が一定でなく変動している場合、ブレードのノイズ
はそれぞれ別個のトーン（discrete tone）ではなく、
約ＦBPの周波数帯域を隔てて分布している。帯域の広い
ノイズは、調性のあるノイズに比較して、聴取者に与え
る刺激が小さい（less offensive）。ブレード配置間隔
をランダムにすることで、ブレード周波数帯域が広くな
るが、ブレード配置を完全にランダムにしてしまうと、
回転翼の静的バランスや動的バランスが損なわれる。た
とえファンのバランスをたってＦBPにおけるトーンが減
少した場合でも、周波数が低い他のトーンが生じる可能
性もある。
【００３５】ファンから放出されるノイズの他の発生源
としては、空気流の相互作用や、回転翼のブレード間の
同調、及びその他のファン構造部材や、ファンを格納す
る装置内の他の構造部材等がある。非常に手が加えられ
た構造物は、規則的な配置を有する傾向があることか
ら、ブレード数が素数となっているファンの回転翼は、
同調の程度が低いノイズを生成する。
【００３６】このように、本発明に係るファン回転翼
は、ブレード数が素数となっており、かつブレードとブ
レードの間の間隔は、完全にランダムというわけではな
いが、一定間隔とはなっていない。ブレード数は６より
大きい素数とすべきであり、好適実施例においては、ブ
レード数は１３である。
【００３７】回転翼の静的及び動的バランスは、各ブレ
ードにおける参照点からの相似点（similar point）に
おける角度のずれのサインの総和及びコサインの総和を
可能な限り０に近づけることで達成される。プロセスを
繰り返し行った結果、ブレードが１３枚となるような、
以下に示すブレード間隔が最も好ましいことが判明し
た。下記表において、βは各ブレードにおける参照点か
らの相似点における角度のずれ、αは２つの隣り合うブ
レード上の相似点(similiar points)間の角度を示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】本発明のオリフィス構造及びファン回転翼
の試作品を試験したところ、試作品の回転翼は同様のサ
イズの従来例に係るファンと比較して、１０％程度低い
回転速度で同様の空気流が生成された。この試作品は、
6.7ｄＢＡ静かで、放出された音波エネルギは従来技術
のファンに比較して７８％低かった。このファンは、そ
のブレード通過周波数において調性（tones）を生成せ
ず、かつ倍音も生じることはなかった。音量レベルは１
２５Ｈｚから２０００Ｈｚにおいて４〜５ｄＢ／オクタ
ーブで減少し、ファンの近く可能な音量は非常に小さ
い。
【００４０】本発明は、例えば、住宅地用のダクト−フ
リー”split”空調システムの熱交換機内部に設けられ
るシーリングに用いる。このようなシステムは、コンプ
レッサ、コンデンサ及びコンデンサファンがビル建造物
の外部の一角に設けられ、エバポレータ、エバポレータ
ファンが冷却すべき空間（部屋）に設けられた、気体圧
縮タイプのものであり、セントラルエバポレータやファ
ンユニットからの冷却された空気を供給するための内部
ダクティングを行わずにすませるものである。しかし、
このようなファンが適切である用途に本発明が適用可能
であることは、遠心ファンの実施例からも理解されよ
う。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
サイズ及び効率に関する課題を解決し、空気がファンを
通過する際に生じる乱流及び分離流の発生を最小化する
ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインレットオリフィス構造及び遠
心ファン回転翼用アセンブリの説明図。
【図２】本発明に係るファン回転翼の説明図。
【図３】本発明に係るファン回転翼の上面図。
【図４】本発明に係るインレットオリフィス構造及び遠
心ファン回転翼用アセンブリの部分断面図。
【図５】本発明に係る、構成要素の幾何構造及び関係を
示すダイヤグラム。
【符号の説明】
１０…オリフィス構造 １０１…リーディングエッジ １０２…スロート １０３…トレーリングエッジ ２０…ファン回転翼 ２０１…シュラウド ２０１１…リーディングエッジ ２０１２…トレーリング ２０１３…ディフューザ ２０２…ハブプレート ２０３…ブレード ２０３１…ブレードチップ ２０３２…ブレードルート ２０３３…ブレードコード

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インレットオリフィス構造及び遠心フロ
    ーファン回転翼用アセンブリであって、 インレットオリフィス構造（１０）と、 遠心フロータイプのファン回転翼（２０）とを有し、 前記オリフィス構造は、軸対称なオリフィスリーディン
    グエッジ（１０１）と、前記オリフィスリーディングエ
    ッジに関して空気流の下流側に設けられて前記リーディ
    ングエッジオリフィスからトレーリングエッジ（１０
    ３）に延びる軸対称なスロート（１０２）とを有すると
    ともに、前記スロートは、前記オリフィスリーディング
    エッジの中心軸と一致するゼネレーション軸（Ａ Ｇ ）を
    軸として第１プラナーライン（Ｌ １ ）を回転させて得ら
    れる面と同様の形状をしており、さらに前記第１プラナ
    ーラインは、前記ゼネレーション軸に実質的に平行な長
    半径（Ａ ＳＭＯ ）と、短半径と、をそれぞれ有する第１
    楕円の１／４にあたり、 前記ファン回転翼は、動作のために前記インレットオリ
    フィス構造と共に組み立てる際に前記オリフィス構造の
    前記ゼネレーション軸に一致する回転軸（ＡＲ）と、内
    面（２０２１）を有して前記回転軸に中心を有する回転
    翼ハブプレート（２０２）と、複数のブレード（２０
    ３）と、前記ブレードチップに設けられてオリフィスと
    なる軸対称のシュラウド（２０１）とを有し、 前記ブレードは、それぞれルート（２０３１）とチップ
    （２０３２）を有して前記ルートにおいて前記内面に取
    り付けられるともに前記内面の外方に延在し、ブレード
    間の角度は一定とはなっておらず、前記回転翼の通常回
    転方向に関して後方に流れる形状となっており、 前記シュラウドは、前記シュラウドオリフィスを通じて
    の空気流に関連して、シュラウドリーディングエッジ
    （２０１１）及びシュラウドトレーリングエッジ（２０
    １２）を有し、 さらに、前記シュラウドは、前記シュラウドリーディン
    グエッジから前記シュラウドトレーリングエッジへと延
    在するディフューザ（２０１３）を有するとともに、 前記ディフューザは、第２プラナーライン（Ｌ２）を、
    この第２プラナーラインと同一平面上にあって前記回転
    軸に一致するゼネレーション軸を軸として回転させて得
    られる面と同様の形状であり、前記第２プラナーライン
    は、前記ゼネレーション軸（Ａ Ｇ ）に実質的に平行な長
    半径（Ａ ＳＭＳ ）と、短半径と、をそれぞれ有する第２
    楕円のほぼ１／４部分となっており、 さらに、前記ディフューザでの前記リーディングエッジ
    に隣接する部分の内半径は、前記ファン回転軸及び前記
    インレットオリフィス構造が動作に備えて組み立てられ
    たときに、前記オリフィス構造の前記スロート部に覆い
    かぶさってこのスロート部を軸として回転可能であるこ
    とを特徴とするアセンブリ。
  2. 【請求項２】 前記第１楕円は、その短半径に対する長
    半径の比率が１．４であることを特徴とする請求項１記
    載のアセンブリ。
  3. 【請求項３】 前記回転翼の最大スウェプト半径に対す
    る前記第１楕円の短半径の比率は０．２０であることを
    特徴とする請求項１記載のアセンブリ。
  4. 【請求項４】 前記第２楕円は、その短半径に対する長
    半径の比率が１．６４であることを特徴とする請求項１
    記載のアセンブリ。
  5. 【請求項５】 前記回転翼の最大スウェプト半径に対す
    る前記第２楕円の短半径の比率は０．３０であることを
    特徴とする請求項１記載のアセンブリ。
  6. 【請求項６】 前記ハブプレートの内面は輪郭部（２０
    ２１）を有し、かつこの輪郭部は、第３プラナーライン
    （Ｌ３）を、このラインと同一平面上にあって前記回転
    軸に一致する回転軸を軸として回転させることにより生
    成される面と同様の形状をしているとともに、前記第３
    プラナーラインは円弧の一部となっていることを特徴と
    する請求項１記載のアセンブリ。
  7. 【請求項７】 前記円の弧の中心角は４５゜〜７５゜で
    あることを特徴とする請求項６記載のアセンブリ。
  8. 【請求項８】 前記ブレードの数は、６より大きい素数
    であることを特徴とする請求項１記載のアセンブリ。
  9. 【請求項９】 前記ブレード間の角度は、３１．８５
    ゜、２４゜、３０．２５゜、３１°、２４．９゜、２
    ２．７５゜、２８．２５゜、３２．１５゜、２７．２５
    ゜、２９．５゜、２６．６゜、２３．２５゜、２８．２
    ５゜であることを特徴とする請求項８記載のアセンブ
    リ。
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