JP5066835B2 - 遠心ファン及びこれを用いた空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、遠心ファン及びこれを用いた空気調和機に関し、特に遠心ファンの羽根の構造に関するものである。
遠心ファンの羽根に関して、従来遠心ファンの効率を向上させる場合には、その断面形状を翼形とすることが行われている。この翼形の一例としては、例えば図12及び図13に示すようなものがある。図12は、遠心ファンに属する従来公知のターボファン1の模式断面図であり、図13は同ターボファン1の羽根車2の斜視図である。これら図において、3は3次元翼形の羽根、4はハブ、5はシュラウド、6はベルマウス、Rは羽根車の回転方向である。羽根車2の羽根3の翼形は、図14に一翼素における羽根の形状を示すように、羽根3の肉厚が羽根車2の内周側先端(羽根3の前縁31)から徐々に厚くなり、その後、羽根車2の外周側先端(羽根3の後縁32)にかけて徐々に薄くなっている。また、羽根3の回転方向側羽根表面3aは、全体として凸形状であり、羽根3の回転方向逆側羽根表面3bは、内周側先端(前縁31)から中央付近にかけては回転方向Rに対し凹形状とされ、中央付近から外周側先端(後縁32)にかけては凸形状に形成されている。また、羽根3は、図13に示すように、羽根3の後縁32におけるシュラウド5側結合部の位置をハブ4側結合部の位置よりも羽根車2の反回転方向に所定量オフセットせしめた3次元の羽根である。
また、図14は、羽根3の一翼素における形状を示すとともに、ターボファン1の設計点における気流の流れ状態を示している。この図14に示すように、断面形状を翼形とした羽根3は、設計点においては気流の吸入方向Sが前縁31に対し無衝突となるように設定されている。すなわち、前縁31に向かって流れてきた気流は、前縁31から滑らかに羽根3の回転方向側羽根表面3a及び回転方向逆側羽根表面3bに沿って流れるとともに、回転方向側羽根表面3a及び回転方向逆側羽根表面3bに沿って流れる気流Sa及びSbが略剥離せずに前縁31から後縁32に向かって流れるように設計されている。つまり、入口角αと流入角βとが同一となるように設計されている。入口角αは、一点鎖線で示すそり線(キャンバー線)Cの前縁における接線C1と、二点鎖線で示す内周側の翼列線Bの前縁における接線B1とのなす角度であり、流入角βは、気流の吸入方向Sと、内周側の翼列線Bの前縁31における接線B1とのなす角度である。なお、図14において、Oは羽根車2の中心点であり、Bgは外周側翼列線である。従来のターボファン1は、このように形成されていることにより、一定肉厚の羽根のものに比べて前縁剥離を少なくして、送風性能を向上させている。なお、断面形状を翼形としたターボファン1の例としては、翼形状が若干異なるが特許文献1、特許文献2、特許文献3などがある。
特開平5−312189号公報 特開2002−364591号公報 特開2002−235695号公報
ところが、図14に示したような断面形状を翼形としたターボファン1であっても、使用点が設計点からずれることがあり得る。すなわち、使用点における圧損の予測値が実際値からずれている場合や、使用点が遠心ファンを組み込んだ装置の使用経過と共に変化する場合などである。
使用点の予測値が設計点からずれる要因の一つとして、羽根車の通過後の流路の形状が複雑であり予測が困難であること、また、羽根車2の周囲の通風路の状態が均一でないため、羽根車の全周囲において使用点と設計点とを合わせることが困難であることなどを挙げることができる。後者の点に関し、天井埋込型空気調和機を例にとりさらに説明する。天井埋込型空気調和機においては、通常遠心ファンであるターボファン1の周囲に室内側熱交換器が配置されているが、この室内側熱交換器は、ターボファン1の周囲に円環状に配置されているのではなく、四角形を形成するように配置されている。したがって、場所により室内側熱交換器とターボファン1との距離が異なるため、羽根車2の周囲の位置により機内抵抗値が変化する。
次に、使用点がターボファン1を組み込んだ装置の使用経過と共に変化する場合について、空気調和機を例にとりさらに説明する。空気調和機においては、通常室内空気吸込口にエアーフィルタが取り付けられている。ところで、このエアーフィルタは、使用時間の経過とともに通風抵抗が増加する。したがって、当初の予測値を目詰まりの全くない通風抵抗の少ない状態とするか、使用時における平均値を取るかにより、使用点の予測値が設計点より小さくなったり、あるいは大きくなったりすることになる。
図15及び図16は、図14に示した羽根における気流の流れ状態図を示す。図15はターボファン1の使用点の圧損が設計点より小さい場合の流れ状態を示すものであるが、この場合には、流入角βが入口角αより大きくなり、負圧面となる羽根車2の回転方向側羽根表面3aに剥離渦V1が発生して、送風性能が低下すると共に騒音が大きくなる。また、図16はターボファン1の使用点の圧損が設計点より大きい場合の気流の流れ状態図を示すものであるが、この場合には、流入角βが入口角αより小さくなり、負圧面となる羽根車2の回転方向逆側羽根表面3bに剥離渦V2が発生して、送風性能が低下すると共に騒音が大きくなる。これら図に示すように、従来、ターボファン1の使用点の圧損が設計点と異なる場合には、剥離渦V1、V2の発生により、送風性能が低下すると共に騒音が大きくなっていた。
本発明は、従来技術に存在するこのような問題点に着目してなされたものであって、使用点が設計点とずれた場合における騒音を抑制するとともに送風性能の低下を抑制した遠心ファンを提供することを目的とする。また、本発明は、このような遠心ファンを用いた低騒音かつ、高性能の空気調和機を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明に係る遠心ファンは、対向配置されるハブとシュラウドとの間に周方向に所定間隔で羽根が取り付けられたものである。そして、羽根は、断面形状を、羽根の肉厚が前縁から徐々に厚くなり、その後、後縁に掛けて徐々に薄くなる翼形とし、前縁には翼高さ方向に鋸歯状の複数の突出部が形成され、この鋸歯状の突出部は、前縁におけるそり線の接線と直角の方向の厚みが一定の板状に形成されたものであって、前縁におけるそり線の接線方向上に形成されている。このように構成すると、気流が前縁に衝突する際に、突出部の作用により、羽根の負圧面において前縁から後縁にかけて先端部を通る線を中心とする左右に細かい渦からなる縦渦が発生する。そして、この縦渦により羽根表面から剥離しようとする気流が羽根表面に引き寄せられることにより、気流の剥離が抑制され、騒音及び送風性能の低下が抑制される。また、突出部は、一定肉厚の板状物であるので、構造が簡略化され製作が容易である。
また、前記鋸歯状の突出部の先端部を平坦又は曲面に形成することもできる。このようにすれば、先端部が鋭角に尖っていないので、この羽根又は羽根車の取り扱い時に、手に擦り傷や切り傷を負うことが少なくなる。
また、前記鋸歯状の突出部は、突出部のピッチと高さとが略同等に形成したものとしてもよい。このようにすれば、羽根の負圧面における剥離が略一様に抑制される。このため、騒音及び送風性能の低下をより一層抑制することができる。
また、本発明に係る空気調和機によれば、上記構成の遠心ファンを用いたものであるので、低騒音かつ高効率の空気調和機を得ることができる。
本発明に係る遠心ファンによれば、羽根の負圧面において、鋸歯状の突出部の先端部から後縁側にかけて、この先端部を通る線を中心とする左右に細かい渦からなる縦渦が発生する。そして、この縦渦により気流の剥離が抑制され、騒音及び送風性能の低下が抑制される。また、突出部は、一定肉厚の板状物であるので、構造が簡略化され製作が容易である。
以下、本発明の実施の形態に係る遠心ファンについて、図面に基づき説明する。なお、各図面において前述の従来のものと同一の個所には同一の符号を付しその説明を省略する。
(実施の形態1)
まず、実施の形態1に係る遠心ファン及びこの遠心ファンを用いた空気調和機について、図1〜図7に基づき説明する。
図1は、実施の形態1に係る遠心ファンを用いた天井埋込型空気調和機の断面図である。この図に示す天井埋込型空気調和機10は、略正方形の天井開口部11から天井裏に挿入されて設置される本体12と、天井開口部11を下方から覆うように本体12の下面に固定される化粧パネル13とを備えている。本体12は、平面視略正方形であり、化粧パネル13は、平面視、本体12より一回り大きい略正方形に形成されている。
化粧パネル13は、中央部に略正方形の室内吸込口14が形成され、室内吸込口14を取り囲むように4辺の周縁部それぞれに室内吹出口15が形成されている。また、本体12内の中央部には、遠心ファンとしてのターボファン1が配置されている。ターボファン1は、下方を吸入口とし、羽根車2の半径方向外周を吹出口としている。そして、吹出口の周囲には室内側熱交換器16が設けられている。この室内側熱交換器16は平面視略正方形の4辺を形成するように環状に配置され、室内側熱交換器16の下方にはドレンパン17が配置されている。また、ターボファン1の下方には、吸込口を形成するベルマウス6が取り付けられ、このベルマウス6と室内吸込口14との間にはエアーフィルタ18が配置されている。
この天井埋込型空気調和機10は、図示しない室外機に接続されており、室外機と共に運転されることにより室内を空調するものである。室内空調時、室内空気は、ターボファン1の送風作用により室内吸込口14から吸い込まれ、エアーフィルタ18で塵埃が除去された後ターボファン1に吸入される。ターボファン1に吸入された室内空気は、羽根車2の外周から周囲の室内側熱交換器16に向かって吹き出され、室内側熱交換器16で空調される。室内側熱交換器16で空調された室内空気は、4辺の室内吹出口15から吹き出され室内を空調するように作用する。
次に、上記構成の空気調和機に使用されるターボファン1について説明する。
本実施の形態に係るターボファン1の羽根車2は、図2の羽根車の斜視図に示すように、対向配置されるハブ4とシュラウド5との間に周方向に所定間隔で羽根3が取り付けられている。羽根3は、図4に示すように、断面形状を翼形としている。図4は、図14の場合と同様に、ターボファン1の一翼素のおける羽根形状を示すとともに、使用点と設計点とが一致する場合における気流の流れ状態を図示している。
ターボファン1の翼形は、図4に示すように、基本形状が前述の従来例に示すものと同一であるが、本実施の形態におけるターボファン1の羽根3においては、図1、図2、図3(図3は羽根の側面図である)、図4などに示すように、前縁31に、翼高さ方向に鋸歯状をなす複数の突出部7が形成されている。また、ターボファン1の翼形は、従来のものと同様であって、設計点においては、回転方向側羽根表面3a及び回転方向逆側羽根表面3bに沿って流れる気流Sa及びSbが、略剥離せずに前縁31から後縁32に向かって流れるように設計されている。
突出部7は、前縁31の略全高に亘り同一のピッチPで形成されている。また、突出部7の高さHは、ピッチPと略同一に形成されている。そして、各突出部7の先端は、鋸歯状を成す突出部7における翼高さ方向の寸法(つまり、この寸法は突出部7の幅寸法であり、突出部7のピッチPに相当する)の略中心に位置し、さらに、突出部7の翼厚方向の位置は、前縁31における翼形のそり線Cの接線C1方向上に略位置するように形成されている。
このターボファン1が設計点において使用されるときは、前述の従来の羽根と同様の翼形とされているので、図4に示すように気流の流入角βと入口角αとが一致する。したがって、羽根車2の回転方向側羽根表面3a及び羽根車2の回転方向逆側羽根表面3bに沿って流れる気流Sa、Sbは、突出部7から後縁32にかけて、殆ど剥離を生じない。
このターボファン1が設計点の圧損より小さい状態で使用される場合、すなわち、上記空気調和機にあって機内抵抗が設計点の圧損より小さい場合、あるいは、羽根車2の場所によって機内抵抗が設計点の圧損より小さい場合は、図5のような気流状態となる。すなわち、気流の吸入方向Sが羽根車2の回転方向Rの逆側から前縁31に衝突する状態となり、流入角βが入口角αより大きくなる。この場合には、羽根車2の回転方向側羽根表面3aが負圧面となる。しかし、気流Saが前縁31に衝突する際に鋸歯状の突出部7の先端部により、この先端部を中心として、羽根車2の負圧面である回転方向側羽根表面3aにおいて、前縁31側から後縁32側にかけて細かい渦からなる縦渦Vaが発生する。そして、この縦渦Vaが剥離しようとする気流Saを回転方向側羽根表面3aに引き寄せて剥離を低減する。この結果、気流Saの剥離が抑制され、騒音が抑制されるとともに送風性能の低下が抑制される。
また、このターボファン1が設計点の圧損より大きい状態で使用される場合、すなわち、上記空気調和機にあって機内抵抗が設計点の圧損より大きい場合、あるいは、羽根車2の場所によって機内抵抗が設計点の圧損より大きい場合は、図6のような気流状態となる。すなわち、気流の吸入方向Sが羽根車2の回転方向R側から前縁31に衝突する状態となり、流入角βが入口角αより小さくなる。この場合には、羽根車2の回転方向逆側羽根表面3bが負圧面となる。しかし、気流Sbが前縁31に衝突する際に鋸歯状の突出部7の先端部により、この先端部を中心として、羽根車2の負圧面である回転方向逆側羽根表面3bにおいて、前縁31側から後縁32側にかけて細かい渦からなる縦渦Vbが発生する。そして、この縦渦Vbが剥離しようとする気流Sbを回転方向逆側羽根表面3bに引き寄せて剥離を低減する。この結果、気流Sbの剥離が抑制され、騒音が抑制されるとともに送風性能の低下が抑制される。
なお、エアーフィルタ18が使用後の時間経過により通風抵抗が大きくなった場合は、上述の機内抵抗が設計点の圧損より大きい場合に該当し、同様の作用により、図6のような気流状態となる。すなわち、気流の吸入方向Sが羽根車2の回転方向R側から前縁31に衝突する状態となり、流入角βが入口角αより小さくなる。しかし、この場合も上述の場合と同様に、羽根車2の負圧面である回転方向逆側羽根表面3bに縦渦Vbが発生して、気流の剥離が抑制され、騒音が抑制されるとともに送風性能の低下が抑制される。
図7は、このように構成された本実施の形態に係るターボファン1と図12〜図16に示した従来のターボファン1との騒音を比較した図である。横軸の目盛りは、風量であり、1目盛りが2m/minである。また、縦軸の目盛りは、騒音であり、1目盛りが5dBAである。また、この図における騒音最小位置は、設計点と使用点とが一致している場合の使用状態である。この騒音最小位置においては、翼形羽根の作用により剥離渦V1、V2が発生し難いために、従来ファンも本発明ファンも騒音に大差ないと考えられる。しかし、使用点が設計点と異なる場合には、つまり、図7において使用点が騒音最小位置より左右にずれている状態においては、風量が変化するとともに騒音が増加し、従来ファンと本発明ファンとの間に騒音差が生じている。特に、圧損が設計点より低くなった場合には、風量が増加し、騒音が増加するが、本発明ファンと従来ファンとの騒音差が顕著になることが分かる。
本実施の形態に係るターボファン1及び天井埋込型空気調和機10は次のような作用効果を奏する。
(1)本実施の形態に係るターボファン1においては、羽根3の断面形状が翼形とされ、前縁31に翼高さ方向に鋸歯状の複数の突出部7が形成されている。また、各突出部7は、その先端部が各突出部における翼高さ方向の中心であって、かつ、前縁31におけるそり線Cの接線C1上に略位置するように形成されている。この結果、気流が前縁31に衝突する際に、突出部7の作用により、羽根3の負圧面において、前縁31から後縁32にかけて突出部7の先端部を通る線を中心とする左右に細かい渦からなる縦渦Va、Vbが発生する。そして、この縦渦Va、Vbにより羽根3の表面3a、3bから剥離しようとする気流Sa、Sbが羽根3の表面3a、3bに引き寄せられることにより、気流Sa、Sbの剥離が抑制され、騒音が抑制されるとともに送風性能の低下が抑制される。
(2)鋸歯状の突出部7は、前縁31におけるそり線Cの接線C1上において所定肉厚の板状に形成されているので、構造が簡略化され製作が容易である。
(3)鋸歯状の突出部7は、突出部7のピッチPと高さHとが略同等に形成されているので、羽根3の負圧面における剥離が略一様に抑制される。このため、騒音がより一層抑制されるとともに送風性能の低下がより一層抑制される。
(4)本実施の形態に係る天井埋込型空気調和機10は、上記構成のターボファン1を用いたものであるので、低騒音かつ高効率の天井埋込型空気調和機10を得ることができる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態実施の形態2に係る遠心ファンについて、図8〜図10に基づいて説明する。なお、図8は、実施の形態2に係る遠心ファンとしてのターボファン突出部の谷間を通る一翼素の羽根断面図であって、使用点と設計点とが一致する場合の気流の流れ状態図である。図9は実施の形態1の場合の気流の流れ状態の比較図であって、(a)は実施の形態1の場合の気流流れ図であり、(b)は実施の形態2の場合の気流流れ図の状態図である。図10は実施の形態1のターボファンと実施の形態2のターボファンとの騒音比較図である。
実施の形態2に係るターボファン1は、実施の形態1に係るターボファン1において、鋸歯状の突出部7の形状を変更したものである。すなわち、実施の形態2に係るターボファン1においては、鋸歯状の突出部71は、図8に示すように、実施の形態1の突出部7と同様に、各突出部71の先端部が各突出部71における翼高さ方向の中心であって、かつ、前縁31におけるそり線Cの接線方向上に略位置するように形成されている。また、鋸歯状の突出部71は、翼厚方向の断面が、突出部71の先端部から羽根車2の回転方向側羽根表面3a及び羽根車2の回転方向逆側羽根表面3bに対し滑らかに接続される形状に形成されている。実施の形態2に係るターボファン1は、以上のように鋸歯状の突出部71が実施の形態1における鋸歯状の突出部7と異なる以外は、実施の形態1と同一である。
実施の形態2に係るターボファン1は、以上のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。実施の形態1の場合は、突出部7が所定肉厚の板状物であるため、図9(a)に示すように、突出部7に衝突した気流Sa、Sbが突出部7の表面に沿って流れた後に羽根3の前縁31に衝突する。このため、突出部7により生成されるべき縦渦Va、Vb(図示せず)の形成が低減されるものと考えられる。これに対し、実施の形態2の場合は、突出部71の断面が、突出部71の先端部から羽根車2の回転方向側羽根表面3a及び羽根車2の回転方向逆側羽根表面3bに対し滑らかに接続される形状とされているので、突出部71の表面を流れる気流Sa、Sbが、羽根3の表面に滑らかに流れる。このため、突出部71の左右に形成される縦渦Va、Vb(図示せず)が前縁31から後縁32に向けて成長し、気流の剥離が縦渦Va、Vbにより抑制され、騒音がより一層抑制されるとともに送風性能の低下がより一層抑制されるものと考えられる。
図10は、図7と同様の図であって、ここでは実施の形態1と実施の形態2との比較を行っている。図7の場合と同様に、騒音最下点位置は、使用点と設計点とが一致する場合である。この図に示すように、使用点の圧損が設計点よりずれた場合、すなわち、図10における騒音最下点位置の左右位置においては、実施の形態2のターボファン1が実施の形態1のターボファン1に比し騒音が小さくなっている。
(実施の形態3)
次に、実施の形態3に係るターボファン1について、図11に基づき説明する。なお、図11は、図3に相当する羽根3の側面図である。図11に示すように、実施の形態3に係るターボファン1は、羽根3の前縁31に鋸歯状の突出部72を形成するとともに、突出部72の先端部72aを平坦にしたものであって、他の点については実施の形態1と同一である。実施の形態3に係るターボファン1は、以上のように構成されているので、羽根3又は羽根車2の取り扱い時に、手に擦り傷や切り傷を負うことが少なくなる点に利便性がある。
(変形例)
(1)各実施の形態において、羽根3は、羽根3の後縁32におけるシュラウド5側結合部の位置とハブ4側結合部の位置とを、羽根3の回転方向に対し同一とした2次元の羽根としてもよい。
(2)実施の形態2において、実施の形態3の場合のように鋸歯状の突出部71の先端部を平坦に形成してもよい。また、実施の形態1及び実施の形態3において、鋸歯状の突出部7、72の先端部を曲面状に形成してもよい。このように、鋸歯状の突出部7、72の先端部を曲面状に形成すると、擦り傷や切り傷を負うことがより少なくなる。
(3)遠心ファンの例として実施の形態1〜3においては、ターボファン1としているが、翼形の羽根を備えたラジアルファンとしてもよい。
(4)実施の形態1の場合と同様に、実施の形態2及び実施の形態3に係るターボファン1を天井埋込型空気調和機10に組み込むことにより、低騒音化及び高性能化された天井埋込型空気調和機10を提供することができる。また、空気調和機としては、前述の天井埋込型空気調和機10に限定されるものではなく、他型式の空気調和機、例えば、天井吊型空気調和機や壁掛型空気調和機など適宜の空気調和機に応用することができる。
本発明の実施の形態1に係るターボファンを用いた空気調和機の断面図である。 同ターボファンの羽根車の斜視図である。 同ターボファンの羽根の側面図である。 同ターボファンの羽根の一翼素における断面形状を示すとともに、同ターボファンの使用点の圧損が設計点と同一の場合の気流の流れ状態を示した図である。 同ターボファンの使用点の圧損が設計点より小さい場合の気流の流れ状態を示した図である。 同ターボファンの使用点の圧損が設計点より大きい場合の気流の流れ状態を示した図である。 同ターボファンと従来ターボファンとの騒音比較図である。 本発明の実施の形態2に係るターボファンの羽根の一翼素における断面形状を示すとともに、同ターボファンの使用点の圧損が設計点と同一の場合の気流の流れ状態を示した図である。 同ターボファンと実施の形態1に係るターボファンにおける気流流れ状態の比較図であって、(a)は実施の形態1の場合のものであり、(b)は実施の形態2の場合のものである。 同ターボファンと実施の形態1に係るターボファンとの騒音比較図である。 本発明の実施の形態3に係るターボファンの羽根の側面図である。 従来のターボファンの断面図である。 同ターボファンの羽根車の斜視図である。 同ターボファンの羽根の一翼素における断面形状を示すとともに、同ターボファンの使用点の圧損が設計点と同一の場合の気流の流れ状態を示した図である。 同ターボファンの使用点の圧損が設計点より小さい場合の気流の流れ状態を示した図である。 同ターボファンの使用点の圧損が設計点より大きい場合の気流の流れ状態を示した図である。
符号の説明
C…そり線、C1…接線、P…突出部のピッチ、H…突出部の高さ、2…羽根車、3…羽根、3a…羽根車の回転方向側羽根表面、3b…羽根車の回転方向逆側羽根表面、4…ハブ、5…シュラウド、31…前縁、7、71、72…突出部、72a…先端部、10…天井埋込型空気調和機。

Claims (4)

  1. 対向配置されるハブとシュラウドとの間に周方向に所定間隔で羽根が取り付けられた遠心ファンであって、この羽根は、断面形状を、羽根の肉厚が前縁から徐々に厚くなり、その後、後縁に掛けて徐々に薄くなる翼形とし、前縁には翼高さ方向に鋸歯状の複数の突出部が形成され、この鋸歯状の突出部は、前縁におけるそり線の接線と直角の方向の厚みが一定の板状に形成されたものであって、前縁におけるそり線の接線方向上に形成されていることを特徴とする遠心ファン。
  2. 前記鋸歯状の突出部は、先端部が平坦又は曲面に形成されていることを特徴とする請求項記載の遠心ファン。
  3. 前記鋸歯状の突出部は、突出部のピッチと高さとが略同等に形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の遠心ファン。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載の遠心ファンを用いたことを特徴とする空気調和機。
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