JP5003198B2 - 空気調和機の室外機 - Google Patents

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Description

本発明は、空気調和機の室外機などに用いられる熱交換促進用の送風機に関するもので、特に送風機のファン効率(静圧効率)向上の技術に関するものである。
この種の空気調和機は、熱交換器と送風機とを有する室内機と、圧縮機と熱交換器と送風機とを有する室外機とを配管で結んで冷凍サイクルを形成し、冷凍サイクル内に充填した冷媒の熱搬送によって冷房運転又は暖房運転することによって室内の空気調和を行っている。室外機において、送風機は熱交換器の熱交換促進を行うものとしてファンとファンモータとを備えて構成されるが、この送風機の風量は空気調和機の能力を大きく左右するとともに、騒音まで含めた性能に大きな影響がある。
特に、暖房運転においては室外機の熱交換器に空気中の水分が凝縮して露となって付着し、それが熱交換器を通過する気流を妨げるようになる。それがさらに低温になると露が氷や霜となって目詰まりするような状態となるため、そのような状況でも風量の低下を抑制し、騒音を低減するためには送風機のファン効率の向上は重要である。
空気調和機の室外機などに用いられる熱交換促進用の送風機と、その動圧を回収する効率を高めて騒音の低減を目的とした後置静翼に関する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
図19は、従来の空気調和機の室外機の横断面図である。室外機80は、本体外箱84に圧縮機スペース83、熱交換器81、熱交換促進用のファンモータ82と送風機85、動圧を回収する後置静翼86、オリフィス87を備え、送風機85とその動圧を回収する後置静翼86をファンモータ82の同一軸心上に風上側から配置して構成している。
特開2002−81695号公報
しかしながら、上記従来の構成では、送風機85の絶対速度Cの周方向成分Vθを後置静翼86で回収しても、静翼による回収ではVθを回収しきれず、動圧の静圧への変換には限界があった。即ちここで言う動圧は、Pd=0.5*ρ*Vθ (ρ:密度で単位はkg・sec・mであり、CとVθの単位はm/sec)である。ちなみに、Φ415mmの送風機85に後置静翼86を装着した場合、動作点静圧効率の向上は、比率で約7%程度であった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、送風機のファン効率(静圧効率)を向上して静圧と風量を増加させる、あるいは送風抵抗に対しても風量の低下を抑制し、騒音を低減することができる空気調和機の室外機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、本発明の空気調和機の室外機は、圧縮機と、熱交換器と、前記熱交換器の熱交換促進用のファンとして2個のプロペラファンとを備え、前記2個のプロペラファンは同軸上に近接して設け、互いに反対方向に回転(反回転)しながら気流方向は同一となるように構成したものである。
これによって、2個のプロペラファンのうち風上側となるプロペラファンの後流の回転
エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を、近接して反回転(互いに反対方向に回転)する風下側となるプロペラファンで回収し、更に風下側プロペラファン後流の回転流をほぼ零とする事ができる。すなわち、空気調和機の室外機にサイズの大きい(奥行きが本発明のプロペラファン2個分と同等程度の)プロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、動作点静圧効率を向上する事ができて、静圧と風量を増加する、あるいは送風抵抗に対しても風量の低下を抑制し、騒音を低減する事が可能となる。その結果ファンモータ入力を低減できて空気調和機のCOPや期間消費電力、および騒音を低減する事が可能となる。
本発明の空気調和機の室外機は、風上側プロペラファン後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファンで回収し、更に風下側プロペラファン後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機にサイズの大きいプロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。その結果ファンモータ入力を低減できて空気調和機のCOPや期間消費電力を低減する、あるいは送風抵抗に対しても風量の低下を抑制し、騒音を低減する事が可能となる。
そして、特に暖房運転において、室外機の熱交換器に空気中の水分が凝縮して露となって付着し、それがさらに低温になると露が氷や霜となって目詰まりするような状態となり、それが熱交換器を通過する気流を妨げるような状況になっても、風量の低下を抑制し、騒音の増加も抑制するような、送風機の効率が良い空気調和機の室外機を提供することができる。
第1の発明は、圧縮機と、熱交換器と、前記熱交換器の熱交換促進用のファンとして2個のプロペラファンと、1個のファンモータと、前記ファンモータの回転方向を反転して伝達する反転機構とを備え、前記2個のプロペラファン同軸上に近接して設け、前記ファンモータと前記反転機構とをプロペラファンと同軸上に設け、風上側から順番に前記熱交換器、前記ファンモータ、前記2個のプロペラファンのうちの風上側プロペラファン、前記反転機構、前記2個のプロペラファンのうちの風下側プロペラファンを配設し、前記風上側プロペラファンを前記ファンモータで駆動し、前記風下側プロペラファンを前記反転機構で駆動し、前記風上側プロペラファンと前記風下側プロペラファンとが互いに反対方向に回転しながら気流方向同一となるように構成したものである。
これによって、2個のプロペラファンのうち風上側となるプロペラファンの後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を、近接して反回転(互いに反対方向に回転)する風下側となるプロペラファンで回収し、更に風下側プロペラファン後流の回転流をほぼ零とする事ができる。すなわち、空気調和機の室外機にサイズの大きい(奥行きが本発明のプロペラファン2個分と同等程度の)プロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、動作点静圧効率を向上する事ができて、静圧と風量を増加する、あるいは熱交換器に付着した露や霜などの送風抵抗による風量の低下を抑制し、騒音を低減する事が可能となる。その結果ファンモータ入力を低減できて空気調和機のCOPや期間消費電力、および騒音を低減する事が可能となり、またこれによって、1個のファンモータで2個のプロペラファンを互いに反対方向に回転するように駆動することが可能であり、重量のあるファンモータが一つなので空気調和機の室外機の構成部品が少なく、低コストで軽量に生産することができ、また熱交換器より少しでも遠くに2個のプロペラファンを配置して、熱交換器とプロペラファンとの間に少しでも大きな空間を構成することができるので、熱交換器の風速分布を均一にして、より熱交換促進を図ることができる。また、熱交換器と風上側プロペラファンとの干渉による風切り音も発生しない。さらに、風下側プロペラファンの下流にファンモータが存在しないので通風抵抗を少なくすることができる。
第2の発明は、特に第1の発明の空気調和機の室外機において、2個のプロペラファンを、各々の翼形状が弦形状の湾曲方向が逆であり、同一軸心方向から見て線対称に形成したもので、換言すれば、一方のプロペラファンの平面形状は反転したときに同一又は相似形である。これによって、形状として変更するのはバブだけであるとともに、2重反転ファンとしての性能を発揮させるための設計が容易となる。
の発明は、第1または第2の発明の反転機構が、風上側プロペラファンのハブ内部、もしくは風下側プロペラファンのハブ内部、あるいは風上側及び風下側プロペラファンの両方のハブ内部に収納されたもので、2個のプロペラファン同士をより近接して構成することが可能となる。
の発明は、第1〜第3の発明において、ファンモータをアウターロータ式としたもので、ファンモータをプロペラファンのハブ内部に構成することでファンモータのためのスペースが不要となるので、室外機の風路となる空間をより有効に利用することが可能となって、熱交換器の風速分布の均一化や騒音低減の向上を図ることができる。また、室外機を小型化することが可能となる。
の発明は、第1〜第の発明において、同軸上の反回転する2個のプロペラファン(2重反転ファン)のそれぞれの回転数を変えて設定したもので、反回転する2個のプロペラファンの回転数を変えることにより、個々のプロペラファンの速度三角形が異なり、個々のプロペラファンの翼列が仕事をする時間のタイミングがずれるので、それぞれの翼
列が仕事をする時間軸をとっても干渉することがなく、高調による離散的騒音のピークを発生する事も無く、低騒音にもできる。
の発明は、第1〜第の発明において、プロペラファンの翼の自乗平均半径位置での翼弦長Lと翼の半径方向の代表実長さbとの比であるアスペクト比b/Lがb/L≦1.1であり、前記プロペラファンの外周側翼弦長がハブ側翼弦長以上としたものである。
各々のプロペラファンの外周側弦長がハブ側弦長より長く構成されているので、翼端での翼面積を大きく確保することが空力負荷を充分に吸収して仕事を行い、各々のプロペラファン自体のファン効率向上と低騒音化を達成することになる。更に、アスペクト比b/L≦1.1に設定すると、騒音当たりの風量を多くすることができる。
の発明は、第1〜第の発明において、同軸上の反回転する2個のプロペラファンが子午面(回転投影図、Meridional plane)上の前縁が風上側に対し凹状であり、半径方向断面で翼断面形状が風上側に対し凹状であり、個々のプロペラファンの外周側弦長をハブ側弦長以上に構成したものである。
上記の構成によって、風上側プロペラファン後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファンで回収し、更に風下側プロペラファン後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機にサイズの大きいプロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、同軸上の反回転する2個のプロペラファンの負圧面から圧力面に向かう洩れ流れを一因として、プロペラファンの負圧面のチップ側付近に発生する翼端渦を、上記の半径方向断面の翼断面形状の風上側に対し凹状部分が、この翼端渦の生成を促進させて、個々のプロペラファンの翼の流動状態を最適化できるので、動作点静圧効率を更に向上させる事ができる。また、個々のプロペラファンファンの外周側弦長がハブ側弦長以上なので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
の発明は、第1〜第の発明において、同軸上の反回転する2個のプロペラファンが子午面(回転投影図)上の前縁が風上側に対し翼の中点付近よりチップ側は凹状であり、ハブ側は凸状であり、半径方向断面で翼の断面形状がチップ側が風上側に対し凹状であり、ハブ側が凸状であり、個々のプロペラファンファンの外周側弦長がハブ側弦長以上に構成したものである。
上記の構成によって、風上側プロペラファン後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファンで回収し、更に風下側プロペラファン後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機にサイズの大きいプロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、同軸上の反回転する2個のプロペラファンの負圧面から圧力面に向かう洩れ流れを一因として、プロペラファンの負圧面のチップ側付近に発生する翼端渦を、上記の半径方向断面の翼断面形状のチップ側が風上側に対し凹状部分が、この翼端渦の生成を促進させる。上記の半径方向断面の翼断面形状のハブ側凸状部分がプロペラファンの翼の外周側から半径方向に流入してくる流れを誘引するので、翼渦の生成促進と半径方向流の促進により、個々のプロペラファンの翼の流動状態を最も最適化できるので、動作点静圧効率を更に向上させる事ができる。また、個々のプロペラファンファンの外周側弦長がハブ側弦長より大きいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
の発明は、第1〜第の発明において、同軸上の反回転する2個の熱交換促進用のファンが、プロペラファンを用いる代わりに斜流ファンを用いるもので、この斜流ファンは各々の翼形状が同一軸心方向から見てほぼ線対称に設計され翼枚数が1枚以上からなる斜流ファンであり、斜流ファンのハブ形状は略円錐台状に形成されたものである。
上記の構成によって、風上側斜流ファン後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側斜流ファンで回収し、更に風下側斜流ファン後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機室外機にサイズの大きい斜流ファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、基本的に斜流ファンはプロペラファンより静圧が高い。空気調和機の室外機にファン径の大きいファンを使用する時に、送風機のファン径と回転数の相似則から自明な様に、静圧は低下する。そこで、空気調和機の室外機にファン径の大きいファンを投入する時には、静圧の高い斜流ファンを用いるのが最適な構成となる。
それは、動作点静圧効率を向上させる事につながる。また、個々の斜流ファンファンの外周側弦長がハブ側弦長より大きいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における空気調和機の室外機の横断面図である。図2は、同室外機をA方向から見た風上側プロペラファンの平面図である。図3は、同室外機をA方向から見た風下側プロペラファンの平面図である。図4は、各プロペラファンのアスペクト比−風量特性図で、騒音41dBあたりの風量を示す。
図1において、室外機1は、熱交換器2、縦型圧縮機3、圧縮機室と送風路とを仕切る防音板4、風上側プロペラファン5、風下側プロペラファン6、ファンモータ7、ファンモータ7の回転方向を反転して伝達するメカニズムを有したギアなどを収納する反転機構8、オリフィス9、前面グリル10、ファンモータ台11により構成される。風上側プロペラファン5と風下側プロペラファン6とは、熱交換器2に送風作用を生じ熱交換促進用の送風機で2重反転ファンとして作用する。
図2において、風上側プロペラファン5の翼20は翼枚数2枚からなり、外周縁を構成するチップ21、前縁22、後縁23、ハブ24により構成される。Bは、風上側プロペラファン5の自乗平均半径位置での翼20の円筒切断線である。そして、プロペラファンの翼の自乗平均半径位置での翼弦長Lと翼の半径方向の代表実長さbである。また、図3において、風下側プロペラファン6の翼25は翼枚数が2枚からなり、風上側プロペラファン5と同様に、チップ26、前縁27、後縁28、ハブ29により構成される。Bは、風下側プロペラファン6の自乗平均半径位置での翼20の円筒切断線である。空気の流動は、それぞれの前縁22,27から流入し、後縁23,28から流出するのを基本としている。前縁22,27は回転方向に前進(前傾)している。
風上側プロペラファン5と風下側プロペラファン6とは、各々の翼20,25の形状が弦形状の湾曲方向が逆であり、3次元座標系では各々同一軸心方向から見てほぼ線対称に設計されて形成されたものである。言い換えれば、2個のプロペラファン5,6のそれぞれの形状は、平面形状は反転したときに同一又は相似形であり、翼の湾曲はお互い反対方向に回転したときに気流方向が同一になるものである。これによって、形状として変更するのはバブだけであるとともに、2重反転ファンとしての性能を発揮させるための設計が容易となる。ちなみに、2個のプロペラファンの回転数を変える場合には、風上側プロペラファン5より風下側プロペラファン6の方が回転数を低く設定することが多い。
なお、翼の枚数は、本実施の形態1では2枚としているが、特に限定するものではない。また、図1〜3に示すように、本実施の形態1においては、前縁22,27を螺旋曲線で構成し、風下側プロペラファン6を風上側プロペラファン5より小径としている。しかしそれに限るものではない。また、前縁22,27を直線状として3角状の翼(3角翼)を直線状前縁に密着して外周側に同一半径になるように取り付けた形状で構成しても良い。
また、各々のプロペラファンの外周側弦長がハブ側弦長より長く構成することにより、翼端での翼面積を大きく確保することで空力負荷を充分に吸収して仕事を行い、各々のプロペラファン自体のファン効率向上と低騒音化を達成することになる。更に、アスペクト
比b/L≦1.1に設定すると、図4に騒音41dBあたりの風量特性を示すように、同一騒音当たりの風量を多く出すことができる。
室外機1の構成としては、圧縮機3、熱交換器2を備え、熱交換促進用のファンとして反回転する2個の風上側プロペラファン5と風下側プロペラファン6とを設け、風上側プロペラファン5の上流側で風上側プロペラファン5を回転させるためのファンモータ台11に支持された1個のファンモータ7と、風上側プロペラファン5の下流側でファンモータ7の同軸上に回転方向を反回転させる反転機構8を備え、反転機構8の下流側にファンモータ7の同軸上に反回転する風下側プロペラファン6を備えている。
このように並べた構成によって、熱交換器2より少しでも遠くに2個のプロペラファン5,6を配置して、熱交換器2と風上側プロペラファン5との間により大きな空間を構成することにより、熱交換器2の風速分布を均一にして、より熱交換促進を図ることができる。特に、熱交換器2が図1に示すU字形状であったり、図示しないL字形状であったりする時には、風速分布が悪くなりやすいのでより効果的である。また、熱交換器2と風上側プロペラファン5との干渉による風切り音も防ぐことができる。さらに、風下側プロペラファン6の下流にファンモータ7やファンモータ台11が存在しないので、通風抵抗を少なくして低騒音化を図ることができる。
そして、特に暖房運転において、室外機の熱交換器に空気中の水分が凝縮して露となって付着し、それがさらに低温になると露が氷や霜となって目詰まりするような状態となり、それが熱交換器を通過する気流を妨げるような状況になっても、風量の低下を抑制し、騒音の増加も抑制するような、送風機の効率が良い空気調和機の室外機を提供することができる。
なお、反転機構8を風上側プロペラファン5のハブ24の内部、または風下側プロペラファン6のハブ29の内部、あるいは風上側プロペラファン5のハブ24の内部と風下側プロペラファン6のハブ29の両方のハブ24,29の内部に収納してもよく、そうすれば室外機1をより省スペース化できる。同時に、ファンモータ7をアウターロータ式のファンモータとして、風上側プロペラファン5のハブ24の内部、または風下側プロペラファン6のハブ29の内部に収納するようにしても良く、室外機1をさらに省スペース化することができる。反転機構8とファンモータ7については、ファンのハブ内部の利用の仕方としていろいろな組み合わせが考えられ、それらを有効に活用することで省スペース化を図ることができる。
上記構成によって、風上側プロペラファン5後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファン6で回収し、更に風下側プロペラファン6後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機室外機1にサイズの大きいプロペラファン1個のみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。その結果ファンモータ7の入力を低減できて空気調和機のCOPや期間消費電力を低減する事が可能となる。ファンモータ7は1個であるが、風上側プロペラファン5後流の反転機構8に内蔵されたギア形状などの組み合わせにより、ファンモータ7の軸の回転方向を風下側プロペラファン6に反回転方向として伝達する事が可能であり、重量があるファンモータ7が一つなので空気調和機の室外機の構成部品が少なく、低コストで軽量に生産できる。前縁22と27は回転方向が前進しているので、翼端の負荷を高くできて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
更に図5を用いて、性能を詳しく説明する。図5は、各プロペラファンの自乗平均半径
位置の円筒切断面の展開翼列と速度三角形を示した性能図である。翼20の展開翼列(図2でB円筒で切断し展開した翼列)に、絶対速度Cで流入し、Uが回転速度、Wが相対速度、絶対速度Cで流出し、Uが回転速度(U=U)、Wが出口の相対速度である。絶対速度Cのメリディアン流速がCm2、周方向成分がVθである。展開翼列25の出口の絶対速度がC、回転速度がU(U<U)、相対速度がWであり、メリディアン流速がCm3である。展開翼列25にて周方向成分Vθが完全回収されて、動圧Pdは静圧に変換されるのでトータル静圧は増加する。
Pd=0.5*ρ*Vθ (ρは、密度で単位は、kg/sec・m
このCm2が、展開翼列25(図5でB円筒で切断し展開した翼列)にファンモータ7により角トルクを与えられて、増速されて絶対速度Cとなり、回転流成分が非常に少ない。それで、メリディアン流速Cm3は増加して、Cm2<Cm3と成るので、メリディアン流速の積算である風量q(m/min)は増加する事になる。また、ここで相対速度W1>Wの関係を保っている。ここで、以上の各流速の単位は(m/sec)である。展開翼列25の後流Cの回転流は殆ど零に近い。
その結果、後述する図6の様に、反回転する2個のプロペラファン(2重反転ファン)の静圧−風量特性は、ただ1個の単段のプロペラファンを用いる場合より増加する事になる。ここでは仮に、風上側及び風下側プロペラファンの回転数は550rpmに設定し、ファン径はΦ415mmである。これは、反回転する2個のプロペラファン(2重反転ファン)のファン静圧効率が向上する事を意味している。これにより、空気調和機のCOPや期間消費電力を低減する事が可能となる。
図6は、本発明の室外機の2重反転ファンの静圧−風量特性図で、反回転する2個のプロペラファンからなる2重反転ファンの特性曲線と、2重反転ファンの内の1個(単段)のプロペラファンの特性曲線とを比較して示す。空気調和機の室外機1に、本発明の2重反転ファンと同等の奥行きを有するサイズの大きいプロペラファン(ファン径Φ415mm)を1個のみ使う場合に比較して、風上側及び風下側プロペラファン5,6(2重反転ファン、ファン径Φ415mm)を使用する場合に、動作点静圧効率は比率で18%向上する事が実験データより判明した。
そして、風下側プロペラファン6の直径を、風上側プロペラファン5の直径より小さくしてもよい。その方が、風上側プロペラファン5後流の回転流のエネルギーを無駄なく回収できる。また、風下側プロペラファン6の直径を、風上側プロペラファン5の直径より大きくしても風下側プロペラファン6の作動回転数を更により小さく設定すれば、風上側プロペラファン5後流の回転流のエネルギーを無駄なく回収し、メリディアン流速はCm3>Cm2となり増速できて風量が増える。
また、風上側及び風下側プロペラファン5,6の外周縁のチップ21,26側弦長がハブ24,29側弦長より大きいので(但し、少なくともチップ21,26側弦長がハブ24,29側弦長と同じ長さまでである)、翼端の負荷を強め、翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
更に、図には示していないが、前縁22,27は回転方向に前進しているが、他の場合として風上下側プロペラファン5,6が線対称で、前縁22,27が回転方向に後進していても2重反転ファンの効果を発揮する事ができる。また、風上下側プロペラファン5,6が少なくとも線対称でなく、更に図5に示したような回転翼列の方向関係(翼20と25の湾曲方向が逆)を保ってさえいれば、前縁22,27のどちらかが回転方向に前進と後進の組み合わせでも良く、これらの場合でも2重反転ファンの効果を発揮する事ができ
る。また、翼の断面形状としては、薄翼又は翼型形状をした厚翼のいずれでも良いが、厚翼であれば流れの境界層制御により剥離を低減でき、より低騒音を実現できる。
(実施の形態2)
図7は、本発明の第2の実施の形態における空気調和機の室外機の横断面図である。図7において、室外機1は、熱交換器2、縦型圧縮機3、圧縮機室と送風路とを仕切る防音板4、風上側プロペラファン5、風下側プロペラファン6、風上側プロペラファン5を駆動するファンモータ7a、風下側プロペラファン6を駆動するファンモータ7b、オリフィス9、前面グリル10、およびファンモータ台11a,11bにより構成される。風上側プロペラファン5と風下側プロペラファン6は、同軸上で互いに半回転して熱交換器2に送風作用を生じ熱交換促進用の送風機(2重反転ファン)として作用する。2個のファンモータ7a,7bはアウターロータ式ファンモータであり、風上側プロペラファン5,風下側プロペラファン6それぞれのハブ内部に埋め込まれ、ファンと一体に構成されている。
これらは、風上側から順番に熱交換器2、アウターロータ式ファンモータ7aを内臓した風上側プロペラファン5、もう一つのアウターロータ式ファンモータ7bを内蔵した風下側プロペラファン6、前面グリル10となるように構成するとともに、風上側プロペラファン5と風下側プロペラファン6は、各々の翼形状が弦形状の湾曲方向が逆であり、3次元座標系では同一軸心方向から見てほぼ線対称に形成され、翼枚数が2枚からなるものである。
上記構成によって、風上側プロペラファン5後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファン6で回収し、更に風下側プロペラファン6後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機1にサイズの大きいプロペラファン1個のみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。その結果ファンモータ7a,7bの入力を低減できて空気調和機のCOPや期間消費電力を低減する事が可能となる。更に、2個のファンモータ7a,7bを使用すると言っても、必要風量と静圧は、空気調和機の室外機1にサイズの大きいプロペラファン1個のみ使用する場合と同じ設計であるし、2個の個々のプロペラファン5,6(2重反転ファンとも言われる)にかかる翼負荷を低くできるので、結果的に2個のファンモータ7a,7b入力を総合しても、サイズの大きいプロペラファン1個のみ使用する場合の1個のファンモータのみ使用する場合より低入力化できるものである。
更に、2個のファンモータ7a,7bはアウターロータ式で互いに反回転し、2個のプロペラファン5,6のハブ部内部に埋め込まれているので、プロペラファン5,6とアウターロータ式ファンモータ7a,7bが一体化されているので、空気調和機の室外機の省スペースも実現できる。ここで、ファンモータ7a,7bは、アウターロータ式ファンモータでなく、一般的な、ファンモータシャフトを回転させるファンモータを、風上下側プロペラファンの同軸上外部に設置しても、勿論、スペースをとるだけなので、特に支障がなければかまわない。更に、風上側からアウターロータ式ファンモータ7aを内臓した風上側プロペラファン5、もう一つのアウターロータ式ファンモータ7bを内臓した風下側プロペラファン6の順序で配置する構成によって、熱交換器2より最も遠くに2個のプロペラファン5,6を配置して熱交換器2と風上側プロペラファン5との間に少しでも大きな空間を構成し、熱交換器2の風速分布を均一にして、より熱交換促進を図ることができる。また、熱交換器2と風上側プロペラファン5との干渉による風切り音も防ぐことができる。さらに、風下側プロペラファン6の下流にファンモータやファンモータ台が存在しないので、通風抵抗を少なくして低騒音化を図ることができる。
また、個々のプロペラファン5,6の外周側21,26弦長がハブ24,29側弦長より大きいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
(実施の形態3)
本発明の第三の実施の形態を、図1と図7を用いて説明する。符号と構成は、実施の形態1,2にて説明しているので略する。
同軸上の反回転する2個のプロペラファン5,6(2重反転ファン)の回転数を変えて設定し、熱交換促進用のファンとして用いる2個のプロペラファン5,6(2重反転ファン)を備えた空気調和機の室外機を提供してなるものである。例えば、実施の形態1においては、反転機構である反転機構8のギア比によって風上側プロペラファン5の回転数と、風下側プロペラファン6の回転数の比率を設定することができる。また、実施の形態2においては、それぞれのプロペラファン5,6にファンモータ7a,7bが配設されているので、それぞれの回転数は自由に設定することができる。
上記の構成によって、反回転する2個のプロペラファン5,6の回転数を変えることができるので、個々のプロペラファン5,6の速度三角形が異なり、個々のプロペラファン5,6の翼列20,25が仕事をする時間のタイミングがずれるので、それぞれの翼列20,25が仕事をする時間軸をとっても干渉することがなく、高調による離散的騒音のピークを発生する事も無く、低騒音にもできる。そして、個々のプロペラファンファン5,6の外周側21,26弦長がハブ24,29側弦長よりしておけば、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
(実施の形態4)
図8は、本発明の第4の実施の形態における室外機の2重反転ファンのプロペラファンの子午面図である。図9は、図8に示すプロペラファンの半径方向断面図で、上側を示す。個々の風上下側プロペラファンは、符号30として統一する。
図8と図9において、プロペラファン30は2枚の翼31からなり、前縁32、後縁33、ハブ34、チップ35により構成される。同軸上の反回転する2個のプロペラファン30(2重反転ファン)が子午面(回転投影図)上の前縁32が風上側に対し凹状であり、個々のプロペラファン30は気流方向から見て線対称に形成されており、半径方向断面で翼31断面形状が風上側に対し凹状に形成されている。そして、これらの2個のプロペラファン30を備えた空気調和機の室外機を提供してなるものである。
上記の構成によって、風上側プロペラファン30後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファン30で回収し、更に風下側プロペラファン30後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機1にサイズの大きいプロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、同軸上の反回転する2個のプロペラファン30の負圧面から圧力面に向かう洩れながれを一因として、プロペラファンの負圧面のチップ側付近に発生する翼端渦を、上記の半径方向断面の翼31断面形状の風上側に対し凹状部分が、この翼端渦の生成を促進させて、個々のプロペラファン30の翼31の流動状態を最適化できるので、動作点静圧効率を更に向上させる事ができる。ここで、プロペラファン30の凹型翼形状は、どちらか一方のファンに採用しても効果があるが、両方に採用した方が、本効果をより発揮することができる。
また、個々のプロペラファン30の外周側35弦長がハブ34側弦長より大きいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
(実施の形態5)
図10は、本発明の第5の実施の形態における室外機の2重反転ファンのプロペラファンの子午面図である。図11は、図10に示すプロペラファンの半径方向断面図で、上側を示す。個々の風上下側プロペラファンは、符号36として統一する。
図10と図11において、プロペラファン36は、2枚かの翼37からなり、前縁38、後縁39、ハブ40、チップ41により構成される。C−Cは翼37の中点線である。同軸上の反回転する2個のプロペラファン36(2重反転ファン)が子午面(回転投影図)上の前縁38が風上側に対し翼37の中点付近(C−C)よりチップ41側は凹状であり、ハブ40側は凸状であり、半径方向断面で翼37の断面形状がチップ41側が風上側に対し凹状であり、ハブ40側が凸状に形成されている。そして、これらの2個のプロペラファン36を備えた空気調和機の室外機を提供してなるものである。
上記の構成によって、風上側プロペラファン36後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファン36で回収し、更に風下側プロペラファン36後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機1にサイズの大きいプロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、同軸上の反回転する2個のプロペラファン36の負圧面から圧力面に向かう洩れながれを一因として、プロペラファン36の負圧面のチップ側付近に発生する翼端渦を、上記の半径方向断面の翼37断面形状のチップ41側が風上側に対し凹状部分が、この翼端渦の生成を促進させる。上記の半径方向断面の翼36断面形状のハブ40側凸状部分がプロペラファン36の翼37の外周側から半径方向に流入してくる流れを誘引するので、翼渦の生成促進と半径方向流の促進により、個々のプロペラファン36の翼37の流動状態を最も最適化できるので、動作点静圧効率を更に向上させる事ができる。ここで、プロペラファン36の凹凸形翼形状は、どちらか一方のファンに採用しても効果があるが、両方に採用した方が、本効果をより発揮することができる。
また、個々のプロペラファン36の外周側41弦長がハブ40側弦長より大きいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
(実施の形態6)
図12は、本発明の第6の実施の形態における室外機の風上側斜流ファンのA方向平面図、図13は風下側斜流ファンのA方向平面図、図14は風上下斜流ファンの子午面図である。個々の風上下側プロペラファンは、符号42として統一する。
図12において、風上側斜流ファン42は、2枚の翼43、回転方向に前進した前縁44、後縁45、チップ46、ハブ47により構成される。図13において、風下側斜流ファンは、2枚の翼49、回転方向に前進した前縁50、後縁51、チップ52、ハブ53により構成される。同軸上の反回転する2個の熱交換促進用のファンが、プロペラファンでなく斜流ファンであり、各々の翼43,49形状が弦形状の湾曲方向が逆であり、3次元座標系では同一軸心方向から見てほぼ線対称に設計され、翼枚数が2枚からなる斜流ファン42,48(2重反転ファン)であり、斜流ファン42,48のハブ47,53形状
は略円錐台状に形成されている。そして、この2個の斜流ファン42,48を備えた空気調和機の室外機を提供してなるものである。ここで、風上側斜流ファン42は風下側斜流ファン48より、回転速度は速い。前縁44と50は回転方向に前進している。この前縁44,50は螺旋曲線で構成されているが、前縁44,50は直線状で、3角状の翼(3角翼)を直線状前縁に密着して外周側に取り付け、そして尚、翼43,49の半径を同一になるように構成しても良い。
上記の構成によって、風上側斜流ファン42後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側斜流ファン48で回収し、更に風下側斜流ファン48後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機室外機1にサイズの大きい斜流ファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、基本的に斜流ファンはプロペラファンより静圧が高い。空気調和機室外機1にファン径の大きいファンを使用する時に、送風機のファン径と回転数の相似則から自明な様に、静圧は低下する。そこで、空気調和機の室外機1にファン径の大きいファンを投入する時には、静圧の高い斜流ファンを用いるのが最適な構成となる。それは、動作点静圧効率を向上させる事につながる。前縁44と50は回転方向に前進しているので、翼端の負荷を高くできて、より強い翼端渦を生成させることができる。翼端渦は早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせるのが、後方翼に干渉せず、ファン騒音,ファン効率の性能が良い。
また、個々の斜流ファン42,48の外周側46,52弦長がハブ47,53側弦長より大きいので(但し、少なくとも外周側46,52弦長がハブ47,53側弦長と同じ長さまでである)、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
更に、図には示していないが、前縁44,50は回転方向に前進しているが、他の場合として風上下側斜流ファン42,48が点対称性を保ち前縁44,50が回転方向に後進していても2重反転ファンの効果を発揮する事ができる。また、風上下側斜流ファン42,48が少なくとも線対称ではなく、更に図5に示したような回転翼列の方向関係(図5を転用するなら、翼20と25の湾曲方向が逆)を保ってさえいれば、風上下側斜流ファン42,48の前縁44,50のどちらかが回転方向に対し前進と後進の組み合わせでも良く、これらの場合でも2重反転ファンの効果を発揮する事ができる。
(実施の形態7)
本発明の第7の実施の形態を、図15と図16を用いて説明する。図15は本発明の2重反転ファンの個々の斜流ファンの子午面図、図16は、本発明の2重反転ファンの個々の斜流ファンの半径方向断面図である。個々の風上下側プロペラファンは、符号60として統一する。
図15において、風上下側斜流ファン60の翼61は、前縁62、後縁63、チップ64、ハブ65により構成される。D−Dは翼61の中点線である。同軸上の反回転する2個の熱交換促進用のファンがプロペラファンでなく斜流ファン60(2重反転ファン)であり、同一軸心方向から見てほぼ対称に設計され翼枚数が2枚からなる斜流ファン60であり、斜流ファン60のハブ形状65は略円錐台状に形成され、斜流ファン60の子午面(回転投影図)上の前縁62が風上側に対し翼の中点(D−D)付近よりチップ64側は凹状であり、ハブ65側は凸状であり、半径方向断面で翼61断面形状がチップ64側が風上側に対し凹状であり、ハブ65側が凸状である2個の斜流ファン60を備えた空気調和機を構成している。
上記の構成によって、風上側斜流ファン60後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側斜流ファン60で回収し、更に風下側斜流ファン60後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機1にサイズの大きい斜流ファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、基本的に斜流ファンはプロペラファンより静圧が高い。空気調和機の室外機1にファン径の大きいファンを使用する時に、送風機のファン径と回転数の相似則から自明な様に、静圧は低下する。そこで、空気調和機の室外機1にファン径の大きいファンを投入する時には、静圧の高い斜流ファンを用いるのが、最適な構成となる。それは、動作点静圧効率を向上させる事になる。
更に、同軸上の反回転する2個の斜流ファン60の負圧面から圧力面に向かう洩れながれを一因として、斜流ファン60の負圧面のチップ64側付近に発生する翼端渦を、上記の半径方向断面の翼61断面形状のチップ64側が風上側に対し凹状部分が、この翼端渦の生成を促進させる。上記の半径方向断面の翼61断面形状のハブ65側凸状部分が斜流ファン60の翼の外周側から半径方向に流入してくる流れを誘引するので、翼端渦と半径方向流の促進により、個々の斜流ファン60の翼の流動状態を最も最適化できるので、動作点静圧効率を更に向上させる事ができる。ここで、斜流ファン60の凹凸形翼形状は、どちらか一方のファンに採用しても効果があるが、両方に採用した方が、本効果をより発揮することができる。
また、個々の斜流ファン60の外周側64弦長がハブ65側弦長よりおおきいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
(実施の形態8)
本発明の第8の実施の形態を、図17と図18にて説明する。図17は、本発明の2重反転ファンの個々の斜流ファンの子午面図、図18は本発明の2重反転ファンの個々の斜流ファンの半径方向断面図である。ここで、風上下側斜流ファンは、符号66として統一する。
図17において、風上下斜流ファン66の翼67は、前縁68、後縁69、チップ70、ハブ71により構成される。同軸上の反回転する2個の熱交換促進用のファンがプロペラファンでなく斜流ファン66(2重反転ファン)であり、斜流ファン66のハブ71形状は略円錐台状に形成され、同一軸心方向から見てほぼ線対称に設計され翼枚数が2枚からなる斜流ファン66であり、斜流ファン66の子午面(回転投影図)上の前縁68が風上側に対し凹状であり、半径方向断面で翼67の断面形状が風上側に対し凹状である2個の斜流ファン66を備えた空気調和機の室外機1を構成してなるものである。
上記構成によって、風上側斜流ファン66後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側斜流ファン66で回収し、更に風下側斜流ファン66後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機1にサイズの大きい斜流ファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。更に、基本的に斜流ファンはプロペラファンより静圧が高い。空気調和機の室外機1にファン径の大きいファンを使用する時に、送風機のファン径と回転数の相似則から自明な様に、静圧は低下する。そこで、空気調和機の室外機1にファン径の大きいファンを投入する時には、静圧の高い斜流ファンを用いるのが、最適な構成となる。それは、動作点静圧効率を向上させる事になる。更に、同軸上の反回転する2個の斜流ファン66の負圧面から圧力面に向かう洩れながれを一因として、斜流ファン66の負圧面のチップ側70付近に発生する翼端渦を、上記の半径方向断面の翼
67断面形状の風上側に対し凹状部分が、この翼端渦の生成を促進させて、個々の斜流ファン66の翼67の流動状態を最適化できるので、動作点静圧効率を更に向上させる事ができる。ここで、斜流ファン66の凹型翼形状は、どちらか一方のファンに採用しても効果があるが、両方に採用した方が、本効果をより発揮することができる。
また、個々の斜流ファン66の外周側70弦長がハブ71側弦長より大きいので、翼端の負荷を強めて翼端渦を早く強く生成させて、そして、早くブレークダウンさせることができ、後方翼に干渉せず、ファン騒音やファン効率の性能を向上することが可能となる。
以上のように本発明にかかる、空気調和機の室外機は、風上側プロペラファン後流の回転エネルギー(回転流に伴う無駄となるエネルギー)を反回転する風下側プロペラファンで回収し、更に風下側プロペラファン後流の回転流をほぼ零とする事ができるので、空気調和機の室外機にサイズの大きいプロペラファン一つのみ使用する場合に比較して、静圧と風量を増加させる事が出来て、動作点静圧効率を向上させる事が可能となる。その結果ファンモータ入力を低減できて空気調和機のCOPや期間消費電力を低減する、あるいは送風抵抗に対しても風量の低下を抑制し、騒音を低減する事が可能となり、ルームエアコンや店舗用パッケージエアコンなど、各種の空気調和機に適用できる。
また、この2重反転ファンは、ファンを用いる工業製品である民生用の機器に展開可能である。即ち、換気扇、扇風機、コンピュータ冷却ファンなどとしても展開可能である。
本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の横断面図 本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の風上側プロペラファンのA方向平面図 本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の風下側プロペラファンのA方向平面図 本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機のプロペラファンのアスペクト比−風量特性図 本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の風上下側プロペラファンの自乗平均半径位置の円筒切断面の展開翼列と速度三角形を示す性能図 本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の風上下側プロペラファン(2重反転ファン)の静圧−風量特性図 本発明の実施の形態2における空気調和機の室外機の横断面図 本発明の実施の形態4における空気調和機の室外機の風上下側プロペラファンの子午面図 本発明の実施の形態4における空気調和機の室外機の風上下側プロペラファンの半径方向断面図 本発明の実施の形態5における空気調和機の室外機の風上下側プロペラファンの子午面図 本発明の実施の形態5における空気調和機の室外機の風上下側プロペラファンの半径方向断面図 本発明の実施の形態6における空気調和機の室外機の風上側斜流ファンのA方向平面図 本発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の風下側斜流ファンのA方向平面図 本発明の実施の形態6における空気調和機の室外機の風上下側斜流ファンの子午面図 本発明の実施の形態7における空気調和機の室外機の風上下側斜流ファンの子午面図 本発明の実施の形態7における空気調和機の室外機の風上下側斜流ファンの半径方向断面図 本発明の実施の形態8における空気調和機の室外機の風上下側斜流ファンの子午面図 本発明の実施の形態8における空気調和機の室外機の風上下側斜流ファンの半径方向断面図 従来の実施例の空気調和機の室外機の横断面図
符号の説明
1 室外機
2 熱交換器
3 圧縮機
4 防音板
5 風上側プロペラファン
6 風下側プロペラファン
7 ファンモータ
8 反転機構
9 オリフィス
10 前面グリル
11,11a,11b ファンモータ台
7a 風上側プロペラファン用アウターロータモータ
7b 風下側プロペラファン用アウターロータモータ
20,25,31,37 翼
21,26,35,41 チップ
22,27,32,38 前縁
23,28,33,39 後縁
24,29,34,40 ハブ
30,36 風上下側プロペラファン
42 風上側斜流ファン
43,49,61,67 翼
44,50,62,68 前縁
45,51,63,69 後縁
46,52,64,70 チップ
47,53,65,71 円錐状ハブ
48 風下側斜流ファン
60,66 風上下側斜流ファン
自乗平均半径位置での円筒切断線
自乗平均半径位置での円筒切断線
C−C 翼の中点線
D−D 翼の中点線
,C,C 絶対速度
,U,U 回転速度
,W,W 相対速度

Claims (9)

  1. 圧縮機と、熱交換器と、前記熱交換器の熱交換促進用のファンとして2個のプロペラファンと、1個のファンモータと、前記ファンモータの回転方向を反転して伝達する反転機構とを備え、前記2個のプロペラファン同軸上に近接して設け、前記ファンモータと前記反転機構とをプロペラファンと同軸上に設け、風上側から順番に前記熱交換器、前記ファンモータ、前記2個のプロペラファンのうちの風上側プロペラファン、前記反転機構、前記2個のプロペラファンのうちの風下側プロペラファンを配設し、前記風上側プロペラファンを前記ファンモータで駆動し、前記風下側プロペラファンを前記反転機構で駆動し、前記風上側プロペラファンと前記風下側プロペラファンとが互いに反対方向に回転しながら気流方向同一となるように構成したことを特徴とする空気調和機の室外機。
  2. 2個のプロペラファンは、各々の翼形状が弦形状の湾曲方向が逆であり、同一軸心方向から見て線対称に形成したことを特徴とする請求項1記載の空気調和機の室外機。
  3. 反転機構は、風上側プロペラファンのハブ内部、もしくは風下側プロペラファンのハブ内部、あるいは風上側及び風下側プロペラファンの両方のハブ内部に収納したことを特徴とする請求項1または2に記載の空気調和機の室外機。
  4. ファンモータをアウターロータ式としたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の空気調和機の室外機。
  5. 同軸上の反回転する2個のプロペラファンの回転数を変えて設定したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気調和機の室外機。
  6. プロペラファンの翼の自乗平均半径位置での翼弦長Lと翼の半径方向の代表実長さbとの比であるアスペクト比b/Lがb/L≦1.1であり、前記プロペラファンの外周側翼弦長がハブ側翼弦長以上であることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか一項に記載の空気調和機の室外機。
  7. プロペラファンの子午面上の前縁が風上側に対し凹状であり、半径方向断面で翼断面形状
    が風上側に対し凹状であり、前記プロペラファンの外周側弦長がハブ側弦長以上であることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか一項記載の空気調和機の室外機。
  8. プロペラファンの子午面上の前縁が風上側に対して翼の中点付近よりチップ側は凹状であるとともにハブ側は凸状であり、半径方向断面で翼の断面形状が、チップ側が風上側に対し凹状であるとともにハブ側が凸状であり、前記プロペラファンの外周側翼弦長がハブ側翼弦長以上であることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか一項記載の空気調和機の室外機。
  9. 熱交換促進用としてプロペラファンを用いる代わりに、ハブ形状が略円錐台形状に形成された斜流ファンを用いたことを特徴とする請求項1〜8のうちいずれか一項記載の空気調和機の室外機。
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