JP3448136B2 - プロペラファン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は空調機などの送風機
に適用されるプロペラファンに関する。 【０００２】 【従来の技術】図１４は空調機等に使用される従来技術
に係るプロペラファンの上半部を示す構成図であって、
（ａ）には正面を表わし、（ｂ）には側面を表わす。 【０００３】同図において、プロペラファン１′は、
（ａ）に示すように複数の羽根３′を有し矢印Ａ方向に
回転すると共に、（ｂ）に示すようにベルマウス（或る
いはオリフィス）ケーシング２により吸込側と吐出側と
が隔てられている。なお図１４中の３ａ′は羽根３′の
後縁である。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところでこの種のプロ
ペラファンは、空調機の室外機や換気扇などに多く用い
られるため、低騒音化、軽量化、コンパクト化が要求さ
れる。また通常プロペラファンはプラスチック製の薄板
形状であり、一般に羽根形状が円弧状でほぼ一様な板厚
を持ち、隣り合う羽根どうしが互いにオーバラップせず
生産性に優れていることが要求される。 【０００５】プロペラファンからの発生騒音は、広帯域
騒音と離散周波数騒音とに大きく分けられるが、空調機
用などの低圧ファンでは前者が支配的となる。広帯域騒
音は、上流乱れ、羽根面上の圧力変動及び羽根の後縁か
ら放出される渦により発生する。従ってこの広帯域騒音
を低減するには、できるだけ翼弦長Ｃ（図１０参照）を
長くして翼負荷の低減・分散を図るのがよく、また前傾
化して後縁における境界層の集積を少なくするのがよ
い。 【０００６】ところが最近では低騒音化に対する要求レ
ベルが高くなっており、これには上記の対応だけでは不
足であり、プロペラファンのより一層の低騒音化を図る
ための方策が必要となってきている。これに対する１つ
の方策としては、プロペラファンの広帯域騒音発生の主
原因である前述の（ａ）上流乱れ、（ｂ）後流渦、
（ｃ）羽根面上の圧力変動のうち、（ａ）の上流乱れが
小さい場合（ｂ）の後流渦が騒音に大きく寄与すること
から、羽根断面を翼形にし、羽根面上の流れの変動をな
くし、後縁厚みを薄くすることにより後縁からの放出渦
を低減して騒音低下を図ることが考えられる。しかしな
がら羽根断面を厚肉の翼形にすると、プロペラファンの
重量増大、コストアップにつながり、また樹脂成形をす
る場合ヒケを考えると量産可能な成形限界肉厚が存在す
るため、翼形ファンは実用化が難しく、低騒音化に限界
があった。 【０００７】従って本発明は上記従来技術に鑑み、より
一層の低騒音化を図ることができると共に実用化が容易
なプロペラファンを提供することを課題とする。 【０００８】 【０００９】 【００１０】 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【００１５】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、羽根後縁の形状を同一形状の歯を連続させ
たノコギリ歯状としたプロペラファンにおいて、前記ノ
コギリ歯の形状パラメータである歯の高さをＨ、歯のピ
ッチをＳとし、プロペラファンの直径をＤとしたとき、
Ｈ／Ｄ≒０．０２、Ｓ／Ｄ≒０．０２としたことを特徴
とするプロペラファン。 【００１６】 【００１７】従って上記構成の本発明によれば、羽根後
縁の形状をノコギリ歯状としたことにより、羽根の負圧
面と圧力面との合流が徐々に起って、両者の流れの合流
（混合）がスムーズに行われるため、前記合流によって
発生する渦が細かくなり、且つ後流の速度欠損が小さく
なって、これらにより発生する騒音が低下し、同時にフ
ァン効率も向上する。 【００１８】より詳しくは、羽根面に沿う流れは羽根面
を境にして、羽根のソリが大きい上面では流速が大きく
負圧の流れ、羽根のソリが小さい下面では正圧の流れに
なり、この２つの流れが羽根の後縁を離れて流れる過程
で混合するのであるが、このときに発生する２次元渦が
騒音発生の原因になったり、圧力損失に基づくファン効
率の低下の原因になる。 【００１９】これに対して上記構成の本発明によれば、
羽根後縁の形状をノコギリ歯状にしたことにより、ノコ
ギリ歯の山形切り欠き部で、正圧域から負圧域に向かう
漏れ流れが発生する。この漏れ流れは、山形切り欠き部
の頂点を通る羽根断面に対称な縦渦を形成する。この縦
渦の速度成分は羽根面に沿う主流の速度成分と合成さ
れ、羽根端を流れる流れは螺旋状の流れになり混合が促
進され、混合域の流れの乱れが減少するため、２次元渦
が発生する従来のプロペラファンに対して騒音発生は低
減し、ファン効率は向上する。 【００２０】この説明のモデル様を図６の（ａ）及び
（ｂ）に示す。またこの説明のシミュレーション例を図
７の（ａ）及び（ｂ）に示す。図７（ａ）は羽根のノコ
ギリ歯を横断する断面内の２次流れ、図７（ｂ）は羽根
のノコギリ歯から所定距離離れた混合域での２次流れ、
をそれぞれシミュレーションした例である。 【００２１】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。なお図１４と同様の部分には
同一の符号を付し重複する説明は省略する。 【００２２】図１は、本発明の実施例に係るプロペラフ
ァンの上半部を示す構成図である。同図に示すように、
本実施例に係るプロペラファン１は、その複数の羽根３
の各後縁３ａの形状がノコギリ歯状に形成されている。
図１中の破線は従来の後縁形状である（図１４参照）。
なお図１では歯のピッチＳと歯の幅とが等しい場合（歯
のピッチ＝歯の幅）の例を示しているが、図２に示す形
状のように歯のピッチＳが歯の幅Ｗよりも大きい（歯の
ピッチ＞歯の幅）場合もある。 【００２３】かかる構成のプロペラファン１の性能を、
図３，図４及び図５に基づいて説明する。 【００２４】図３は羽根後縁の形状をノコギリ歯状にし
た場合としない場合（従来）の羽根後縁における速度パ
ターン比較を示す説明図である。羽根後縁の形状をノコ
ギリ歯状にしない場合には、図３（ａ）に示すように、
羽根後縁で羽根の負圧面側と圧力面側の流れが合流する
が、羽根後縁の厚みｔの存在もあり、合流直後に大きな
速度欠損が生じる。この欠損部では隣り合う流体の速度
差が大きいため（速度勾配大）大きな乱れが発生し、こ
の乱れにより羽根全体の揚力変動を引き起こして、騒音
が大きくなる。 【００２５】これに対して羽根後縁の形状をノコギリ歯
状にした場合には、図３（ｂ）に示すように、ノコギリ
歯状の部分で少しずつ合流し始め、後縁付近では既にか
なり合流して速度欠損が小さくなる。このため上記の場
合に比べて速度勾配が減少し、これによる乱れの発生が
少なくなり、騒音が低下する。また同時に合流部の欠損
部が小さくなるため、混合ロスが低減してファン効率も
改善される。 【００２６】図４は羽根後縁の歯の寸法のファン性能に
与える影響を示す特性図であって、横軸には歯の高さ
Ｈ、歯のピッチＳ（図１参照、ここではＨ＝Ｓ）のプロ
ペラファン外径Ｄに対する割合を示し、縦軸には騒音低
減量及びファン効率向上割合を示す。同図に示すように
Ｈ，Ｓ／Ｄ＝１〜４％で、騒音が１ｄＢ（Ａ）以上低減
し効率も向上しており、そのピークはＨ，Ｓ／Ｄが約２
％のところにある。 【００２７】図５は羽根後縁の形状をノコギリ歯状にし
た場合としない場合（従来）の騒音分析結果の比較を示
す特性図であって、横軸には周波数ｆを示し、縦軸には
音圧レベルを示す。同図に示すように、羽根後縁の形状
をノコギリ歯状にすることにより、ノコギリ歯状にしな
い場合に比べて、広い範囲で騒音レベル（音圧レベル）
の低下が見られる。 【００２８】以上は、プロペラファンの諸元 Ｄ＝３９
４ ｍｍΦ、Ｃ＝０．２５ ｍ、Ｓ／Ｈ＝１．０ に対して、プロペラファンの速度 Ｕ∝＝１４．５ ｍ
／ｓ の条件で行った実験結果から得られる結論である。 【００２９】現象をより正確に把握するため、上記条件
に対応して、２次流れのフローパターンのシミュレーシ
ョン、及びノコギリ歯の形状パラメータ変化特性の把握
を行った。 【００３０】図７（ａ）、（ｂ）に羽根後縁部の２次流
れのフローパターンのシミュレーション結果を示す。図
７（ａ）には図６（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面での２次流
れのフローパターンを示し、図７（ｂ）には図６（ａ）
のＢ−Ｂ線矢視断面での２次流れのフローパターンを示
す。これらは羽根に沿う流れの同断面内の速度成分の大
きさと方向の分布を求めた結果の一例である。なお図６
（ａ）は羽根後縁及び羽根後流特に縦渦の説明図、図６
（ｂ）は切り欠き部（谷部）を正圧域から負圧域にかけ
て流れる流れの説明図である。 【００３１】図７（ａ）から、ノコギリ歯の谷部では正
圧域（図面の下方）から負圧域（図面の上方）に向かう
流れが発生しており、谷の頂点を通る断面に対称な縦渦
が発生しているのが分かる。また図７（ｂ）から、羽根
の後縁を離れた流れでは、ノコギリ歯の谷の頂点を通る
断面に対称な縦渦がより完全に発達しているのが分か
る。 【００３２】図８、図９にノコギリ歯の形状変化特性を
示す。図８には速度特性を示し、図９には乱れ特性を示
す。これらは羽根の後縁における山部及び谷部の速度及
び乱れを、ノコギリ歯の形状パラメータＳ、Ｈについ
て、Ｓ／Ｈ＝１．０の下にＳを Ｓ＝０．０、Ｓ＝２．０、Ｓ＝７．５ に変化させた場合の速度（ｍ／ｓ）、及び乱れ（％）を
羽根の表面からの距離Ｘ（符号は正圧域、負圧域をそれ
ぞれ＋、−に対応させている。図９参照）に対して示し
たものである。 【００３３】図８から次のことが分かる。即ち、羽根後
縁の中心位置での速度の落ち込みは、Ｓ＝７．５の谷
部、Ｓ＝７．５の山部、Ｓ＝２．５、ベースの順に大き
くなる。要するに、或る程度の大きさＳの谷部、即ち切
り欠きがあれば、速度の落ち込みが小さいことを示す。 【００３４】また図９から次のことが分かる。即ち、羽
根後縁の中心位置での流れの乱れは、Ｓ＝７．５の谷
部、Ｓ＝７．５の山部、Ｓ＝２．５、ベースの順に大き
くなる。要するに、或る程度の大きさＳの谷部、即ち切
り欠きがあれば、流れの乱れが小さく収まることを示
す。 【００３５】以上は、プロペラファンの諸元 Ｄ＝３９
４ ｍｍΦ、Ｃ＝０．２５ ｍ、Ｓ／Ｈ＝１．０ プロペラファンの速度 Ｕ∝＝１４．５ ｍ／ｓ の条件で行った実験結果及びシミュレーションから得ら
れる結論である。 【００３６】これに対して、プロペラファンの諸元とプ
ロペラファンの速度を プロペラファンの諸元 Ｄ＝３２０ ｍｍΦ、Ｃ＝０．
１０ ｍ、Ｓ／Ｈ＝１．０ プロペラファンの速度 Ｕ∝＝４０〜５０ ｍ／ｓ に変えて騒音低減特性を測定した。この結果を、図１１
に先の結果と合わせて×記号で示す。 【００３７】図１１から、次のことが分かる。 （１）プロペラファンの外径Ｄの大きさに関わらず、騒
音低減量は、Ｓ／Ｄ≒２〜３％、Ｈ／Ｄ≒２〜３％の時
最小になる。 （２）ノコギリ歯の形状パラメータＨ、Ｓに関し以上の
議論はＳ／Ｈ＝１．０の場合であるが、１ｄＢ（Ａ）以
上の低減域が、０．０１＜Ｓ／Ｄ、Ｈ／Ｄ＜０．０４で
あることを考慮すると、０．５≦Ｓ／Ｈ≦２に設定すれ
ば１ｄＢ（Ａ）以上の低減が期待できることが分かる。 【００３８】ところで、プロペラファンの羽根の後縁を
図１に示すようなノコギリ歯状にすると、ノコギリ歯の
歯先端が鋭くとがっているので、この先端部で騒音を発
生させる可能性があり、また樹脂成形時にヒケあるいは
バリ等が発生しやすい。 【００３９】そこで、図１２（ａ）、（ｂ）に示すよう
に（（ａ）にはプロペラファンの上半部を示し、（ｂ）
には（ａ）のＤ部拡大図を示す）、ノコギリ歯の歯先端
を丸くする。 【００４０】即ち、図１２に示すプロペラファン１１
は、その複数の羽根１３の各後縁１３ａの形状がノコギ
リ歯状で且つその歯先端に半径Ｒの丸みがつけられてい
る。 【００４１】ノコギリ歯の歯先端に丸みがないと、この
歯先端で流れが特異点を持つこととなり、急な合流や局
所的な２次流れの発生のために騒音を発生しやすくな
る。 【００４２】これに対して歯先端に丸みをつけると、流
れの特異性が解消され騒音の発生が低減する。また歯先
端に丸みをつけることにより、型の冷却の改善による樹
脂成形時のヒケやバリ等の発生も抑えることができる。 【００４３】図１３はプロペラファン１１において最も
騒音が低く効率も改善されるＳ／Ｄ＝Ｈ／Ｄ＝０．０２
のとき歯先端の丸みをパラメータ（Ｒ／Ｓ，Ｈ）にした
ときのファン騒音に与える影響を示す特性図である。図
１３から、Ｒ／Ｓ，Ｈが約５０％以下において、歯先端
がとがっている場合（Ｒ＝０）に比べて騒音が低減する
ことが分かる。 【００４４】以上のように本実施例に係るプロペラファ
ン１又は１１によれば、従来のプロペラファン１′に比
べて、より一層騒音を低下させることができると共にフ
ァン効率を向上させることができ、しかも実用化が容易
である。 【００４５】またプロペラファン１１によれば、ノコギ
リ歯の歯先端を丸くすることにより、歯先端が鋭くとが
っている場合よりも一層騒音を低下させることができ、
またプロペラファンを成形する際のヒケやバリ等の発生
を低下させることができる。 【００４６】なお参考例としては、羽根後縁の形状を、
大きい歯から小さい歯へと歯の大きさを順次変化させた
ノコギリ歯状としたり、角度の異なる形状の歯を適宜組
合わせたノコギリ歯状としてもよい。また、これら各種
のノコギリ歯の歯先端に丸みをつけてもよい。 【００４７】 【発明の効果】以上実施例と共に具体的に説明したよう
に本発明によれば、羽根後縁の形状をノコギリ歯状とし
たことにより、従来に比べてより一層騒音を低下させる
ことができると共に、ファン効率を向上させることがで
き、しかも実用化が容易である。 【００４８】

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例に係るプロペラファンの上半部
を示す構成図である。 【図２】ノコギリ歯の他の形状を示す説明図である。 【図３】羽根後縁の形状をノコギリ歯状にした場合とし
ない場合（従来）の羽根後縁における速度パターン比較
を示す説明図である。 【図４】羽根後縁の歯の寸法のファン性能に与える影響
を示す特性（騒音低減特性及びファン効率特性）図であ
る。 【図５】羽根後縁の形状をノコギリ歯状にした場合とし
ない場合（従来）の騒音分析結果を比較して示す特性図
である。 【図６】流れの説明モデル図及びモデル様であって、
（ａ）は羽根後縁及び羽根後流特に縦渦の説明図、
（ｂ）は切り欠き部（谷部）を正圧域から負圧域にかけ
て流れる流れの説明図である。 【図７】シミュレーションによる羽根後縁部の２次流れ
のフローパターンであって、（ａ）には図６（ａ）のＡ
−Ａ線矢視断面での２次流れのフローパターンを示し、
（ｂ）には図６（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面での２次流れ
のフローパターンを示す。 【図８】ノコギリ歯の形状変化に関わる速度特性図であ
る。 【図９】ノコギリ歯の形状変化に関わる乱れ特性図であ
る。 【図１０】図６（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面を示す説明図
である。 【図１１】羽根後縁の歯の寸法のファン性能に与える影
響を示す特性（騒音低減特性及びファン効率特性）図で
ある。 【図１２】（ａ）は本発明の他の実施例に係るプロペラ
ファンの上半部を示す構成図、（ｂ）は（ａ）のＤ部拡
大図である。 【図１３】ノコギリ歯の歯先端の丸みのファン騒音に与
える影響を示す特性図である。 【図１４】空調機等に使用されている従来技術に係るプ
ロペラファンの上半部を示す構成図である。 【符号の説明】 １，１１ プロペラファン ３，１３ 羽根 ３ａ，１３ａ 後縁 Ｈ 歯の高さ Ｓ 歯のピッチ Ａ 回転方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 昌照 愛知県西春日井郡西枇杷島町字旭町３丁 目１番地 三菱重工業株式会社 エアコ ン製作所内 (72)発明者 伊藤 明広 愛知県西春日井郡西枇杷島町字旭町３丁 目１番地 三菱重工業株式会社 エアコ ン製作所内 (56)参考文献 特開 昭55−7982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−15210（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04D 29/38

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 羽根後縁の形状を同一形状の歯を連続さ
   せたノコギリ歯状としたプロペラファンにおいて、 前記ノコギリ歯の形状パラメータである歯の高さをＨ、
   歯のピッチをＳとし、プロペラファンの直径をＤとした
   とき、Ｈ／Ｄ≒０．０２、Ｓ／Ｄ≒０．０２としたこと
   を特徴とするプロペラファン。