JP5121887B2 - ターボファン、空気調和機 - Google Patents
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Description
また、翼と主板の交差部に凹所を設けることで材料を低減し、コスト低減を図るものもあった(例えば、特許文献2参照)。
また、複数の翼の断面形状をシュラウドから主板へ向け徐々に肉厚が厚く拡大される相似形状とし、各翼の隣接距離をシュラウドから主板へ向け徐々に狭くすることで、ターボファンの吹出口にてシュラウドから主板で吹出流れの放出渦に時間差を生じさせ、騒音共振等を防止し低騒音化を図るものもあった(例えば、特許文献3参照)。
また、羽根を中空で翼厚の大きな翼形として、成形時の冷却硬化時間の短縮と冷却硬化時の変形歪み防止し、且つ、プラスチック材料の削減を図るものもあった(例えば、特許文献4参照)。
樹脂注入口から注入された樹脂が各リブに流れる際、ブレード先端側リブ及びブレード後端側リブでは回転中心側と外周側の径方向で2方向に流れ、連結リブでは径方向成分と周方向成分とを有する方向に流れ、ブレード補強リブでは連結リブと反対の方向に流れる。即ち、1つの注入口から注入された樹脂は、径方向に伸びる複数のリブを流れ、このリブから流れ出た樹脂が互いに当接して樹脂合流部を形成することになる。樹脂合流部は、隣接する樹脂注入口から流れ出た樹脂との間にも形成されるため、ターボファン全体として樹脂合流部が数多くできてしまい、ターボファンの強度の向上に限界があった。また、通常、回転軸近くの主板の凸部に複数のモータ冷却用の穴が設けられるのであるが、樹脂合流部が強度の低い開口部であるモータ冷却穴を通る場合には、さらに強度が低くなってしまう。例えば、輸送時などにターボファンに対して回転軸に平行な方向の衝撃が付加されるとモータ冷却穴やその周辺の樹脂合流部で亀裂を生じ、この強度の低い部分が連結していると、生じた亀裂が広がるという問題点があった。また、この湯道の構成では樹脂合流部がファンの外周端にまで伸びる部分もあり、樹脂合流部で生じた亀裂が外周端にまで伸びて破断しやすく、製品品質が低下するという問題点があった。
また、低騒音化を図ることのできるターボファン及びターボファンを搭載した空気調和機を得ることを目的とする。
以下、この発明の実施の形態1に係るターボファン(以下、単にファンと称する)を図に基づいて説明する。
図1(a)はこの実施の形態に係るファンをシュラウド側から見た平面図で、一部シュラウドを切り欠いて翼を示す。図1(b)は図1(a)の側面からみた説明図であり、図に向かって左半分は側面、右半分は図1(a)のO−O1−O2−O3での縦断面を示す。また、図2はこの実施の形態に係るファンの下面、即ちシュラウドと反対側から見た斜視図である。
樹脂の一部はハブ用湯道9aを流動したのち、主板のハブ2aに流れてこの部分を形成する。また、他の一部は連結湯道9cから翼用湯道9bに流れ、翼3及び翼3周辺の主板2に流れてこの部分を形成する。このときの樹脂の流れを図3の矢印Bに示す。それぞれの湯道9を通って矢印Bのように樹脂が成形型に流れ出し、隣り合う湯道9から流れ出た樹脂は、湯道9からほぼ等距離の樹脂合流部で当接して合流する。この樹脂合流部を点線Aで示す。
衝撃に対し強度が低い開口であるモータ冷却穴5に樹脂合流部Aが連結していないので、モータ冷却穴5と樹脂合流部Aに接続した亀裂が生じるのを防止でき、成形されたファン1の強度を向上することができる。従って、輸送時などにファン1の回転軸方向、例えば図1(b)の上下方向に衝撃が付加されモータ冷却穴5の周辺に万一亀裂を生じても、生じた亀裂が主板2の径方向に伸びるのを防止できる。このことで、ファン1が破断してしまうのを防止でき、ファン1の衝撃に対する信頼性を向上できる。
特に、この実施の形態では、ハブ用湯道9aの延長線上にモータ冷却穴5を設けることで、確実にモータ冷却穴5の近くに樹脂合流部Aが形成されるのを避けることができる。
図4は図3の一部を拡大して示す説明図、図5は図4のH1−H2線断面図を示す説明図である。樹脂注入口10は、例えばハブ用湯道9aの連結湯道9cに近い位置に設けられており、ここで、例えば2つの隣り合う樹脂注入口10m、10nについて述べる。樹脂注入口10mはハブ用湯道9am、翼用湯道9bm、連結湯道9cmに接続し、ここから樹脂を注入して翼3m及びこの周辺の主板2を成形する。一方、樹脂注入口10nはハブ用湯道9an、翼用湯道9bn、連結湯道9cnに接続し、ここから樹脂を注入して翼3n及びこの周辺の主板2を成形する。主板2に立設する翼3の肉厚は所定肉厚t3(>t0)とし、翼3の全体でほぼ均等とする。
この実施の形態では、樹脂注入口10をハブ用湯道9aに直接設けているが、翼用湯道9bに樹脂注入口10を設けてもよい。また、連結湯道9cに設けてもよい。連結湯道9cに樹脂注入口10を設ける場合には、樹脂注入口10とハブ用湯道9aの間の湯道の肉厚や幅と、樹脂注入口10と翼用湯道9bの間の湯道の肉厚や幅とを必要とする樹脂の流量に応じて差をつけることにより、樹脂の量のバランスを調整できる。
このように、樹脂の流れ方向が比較的単純になるので、樹脂合流部Aが形成される部分を明確に予測できる。また、スムーズに樹脂を流すことができ、成形性を向上でき信頼性の高いファン1が得られる効果がある。さらに、樹脂合流部Aの距離を短くでき、ターボファンの強度悪化を防止できる。
また、例えば周方向ピッチを変化させたりしたことで、翼3と翼用湯道9bとハブ用湯道9aと連結湯道9cとモータ冷却穴5で構成した組ごとに必要な樹脂の量が異なる場合には、その量に応じて樹脂注入口10から注入する樹脂の量を変化させれば、同様の成形条件で成形でき、上記と同様の効果を奏する。
なお、ここでは、モータ冷却穴5とハブ用湯道9aを同数設けているが、モータ冷却穴5の数がハブ用湯道9aより少なくてもよい。例えば全てのハブ用湯道9aの回転中心O側にモーター冷却穴5を設けていなくてもよい。モータ冷却穴5をハブ2aの樹脂合流部Aを避ける位置で、かつ回転中心Oに対して均等な位置に設けることで、強度的に信頼性が高く、且つ、ある程度均等な成形条件で成形でき、全体として湯回りムラによる空洞発生や肉厚の局所的な薄肉化を防止できるターボファンが得られる。もちろん、モータ冷却穴5とハブ用湯道9aを同数設けたことで、さらに均等な成形条件で成形できることにより、信頼性の高いターボファンが得られる。
また、翼3と翼用湯道9bとハブ用湯道9aと連結湯道9cとモータ冷却穴5で構成した組において、隣り合う組との成す角度のうち少なくとも1つの角度を他の角度と異なるように構成したことにより、騒音を低減できる効果が得られる。
図5、図6に示すように、主板2の湯道9を除く部分の最小肉厚をt0、ハブ用湯道9aの肉厚をt1、中空形状の翼開口部3bの周囲に形成した翼用湯道9bの肉厚をt2、中空形状の翼3の肉厚をt3とする。少なくとも肉厚t1、t2、t3を肉厚t0よりも厚くする。湯道9は、成形時の誤差や角部分がRを有する形状になったりする場合もあるが、肉厚が最大の部分を湯道9の肉厚とする。また、湯道9の肉厚は図に示すように主板2の肉厚と主板面から突出した部分を含んだ部分とする。
図8はハブ用湯道9aの肉厚t1と主板2の湯道以外の部分の最小肉厚t0の比率t1/t0に対する成形時間を示すグラフであり、横軸にt1/t0、縦軸に成形時間(sec)を示す。ここで、形成時間とは図7に示すフローチャートにおけるST2〜ST4にかかった時間を示し、樹脂注入から冷却後、取り出しまでの時間である。
図9のグラフに示すように、t2/t0が1.0以下、即ち翼用湯道9bの肉厚t2が主板2の湯道以外の部分の最小肉厚t0と同等以下の場合には、湯道9bの方が薄肉で樹脂の回りが悪く、樹脂が成形型全体に回るのに時間がかかり成形時間が増加してしまう。また、t2/t0が2.0より大きく、即ち翼用湯道9bの肉厚t2を主板2の湯道以外の部分の最小肉厚t0の2倍よりも厚くした場合には、樹脂の冷却に時間がかかり取り出しまでの時間が長くなる。その結果、1.1≦t2/t0≦2の範囲であれば、少なくとも同一肉厚(t2/t0=1.0)の場合に比べて成形時間を短縮することができる。成形時間を短縮することで、生産量を増加でき、さらに成形機でかかる電気代の低減も可能となり、省エネルギー化を図ることができる。
ここでは、ハブ用湯道9aの肉厚t1と翼用湯道9bの肉厚t2について別々に記載したが、どちらか一方を満足するように構成にしてもいいし、共に満足する構成としてもよい。共に満足する構成にすれば、成形時間を多く短縮でき、効果的である。
1枚の翼3の構成を図10及び図11に示す。図10及び図11はこの実施の形態に係る翼3を示す説明図であり、図10(a)は翼1枚の側面、図10(b)は図10(a)のZ−Z線における横断面を示し、図11は図10(b)のY−Y線における縦断面を示す。
図10(a)に示すように、翼中空部3dの翼内周側中空部3dc、翼外周側中空部3ddは回転軸に平行な直線Xに対し、任意角度θ1、θ2で主板2に設けられた翼開口部3bを基部として翼吸込側端部3eに向かって中空形状の内側に傾斜する構成である。翼3の肉厚はほぼ均等としているので、翼内周側端部3aと翼外周側端部3cも回転軸に平行な直線Xに対して任意角度θ1、θ2で翼開口部3bから翼吸込側端部3eに向かって中空形状の内側に傾斜している。
また、図11に示すように、翼3の回転方向Dに対して翼前方中空部3daと翼3の反回転方向側面の翼後方中空部3dbは回転軸に平行な直線Xに対し、任意角度θ3、θ4で翼開口部3bから翼吸込側端部3eに向かって中空形状の内側に傾斜する構成である。翼3の肉厚はほぼ均等としているので、翼前方側部3fと翼後方側部3gも回転軸に平行な直線Xに対して任意角度θ3、θ4で翼開口部3bから翼吸込側端部3eに向かって中空形状の内側に傾斜している。
これに加えて、翼3を中空形状としたことで、中空形状ではないものと比較して軽量化できる。また、翼3の肉厚が不均等の場合には、樹脂の冷却硬化時間ムラによる成形不具合が発生し、成形性が悪いという問題があったが、翼3の肉厚を略均等としたので、樹脂の冷却硬化時間をほぼ均等にでき、成形不具合を防止でき、成形性を向上できる。
さらに、翼3の肉厚をほぼ均等としたことにより、樹脂の冷却硬化時間を均等にでき、成形性がよいターボファンが得られる。
さらにまた、翼3を中空形状としたので、ファン1全体を軽量化できる。
傾斜角度θ<0°の場合、翼3は主板2側からシュラウド4側に向かって広がった形状になるので、成形型が離型できず不可能な構成となる。θ=0°の場合、即ち回転軸に対して傾斜していない場合には、翼3と成形型との摩擦が大きく、ゆっくりと離型しないと成形型に翼3が付着して破損してしまうため、長い成形時間が必要となる。これに対して傾斜角度θをつけることで、離型が容易になって離型時間を短縮でき、さらに翼3の表面積が大きくなって冷却面積が大きくなるので、冷却時間が短縮化される。このため、傾斜角度θをつけることで成形時間を短くできる。傾斜角度θは1°であれば、成形時間は傾斜角度0°の場合と比較して1/2程度になる。従って、傾斜角度θは少なくとも1°以上であれば、成形時間が短くなって成形性が高い。
傾斜角度θと騒音値の関係において、傾斜角度θが大きすぎると隣り合う翼3と翼3の間の流路が狭くなり、通過風速が上昇することから騒音が増加してしまう。図12の計測結果によれば、傾斜角度θが3°よりも大きく傾斜させると、騒音が大きくなっている。このため、傾斜角度θを1°≦θ≦3°の範囲に構成すれば、良好な騒音値を保持できる。
以上の結果より、傾斜角度θを1°≦θ≦3°の範囲とすることで、騒音変化が小さく、且つ成形性の高いターボファンが得られる。
また、翼内周側端部3a、翼外周側端部3c、翼吸込側端部3e、翼の回転方向に対し前方の翼前方側部3f、後方の翼後方側部3gの各肉厚は翼3全体でほぼ均等な肉厚としたが、これに限るものではなく、成形誤差などによって多少異なっていてもよい。翼内周側端部3aや翼外周側端部3cでは、回転方向の幅が小さくこの部分で肉厚を同一に構成するのは困難である。ある程度の変動を有する範囲で翼3の肉厚をほぼ均等にすればよい。肉厚を均等に構成することで、樹脂が均等に注入されると共に均等に冷却されるので、良好な成形体を得ることができる。
図において、モータ冷却穴5の周囲を囲むように形成された冷却穴用湯道9dを設け、この冷却穴用湯道9dとハブ用湯道9aとを連結して一体の湯道として構成している。
また、モータ冷却穴5の外周に冷却穴用湯道9dを設けたことで、開口であるモータ冷却穴5の周囲は冷却穴用湯道9dが固まって残り、肉厚に構成される。このため、開口で強度低下しやすいモータ冷却穴5周囲の強度を向上でき、衝撃がかかっても破断に対して耐久性を有するターボファンが得られる。
図において、直線状のハブ用湯道9aはモータ冷却穴5の周囲の冷却穴用湯道9dに接続し、さらにハブ上部厚肉部2dに連結する。モータ冷却穴5の回転中心側はハブ上部厚肉部2dとなっており、主板2の湯道以外の主な部分の肉厚よりも肉厚が厚い部分である。
さらにこの構成では、冷却穴用湯道9dがそのままハブ傾斜面の肉厚より厚いボス近傍のハブ上部厚肉部2dに連結している。このため、樹脂がハブ上部厚肉部2dまでスムーズに流れ、冷却穴用湯道9dを流れる樹脂は、モータ冷却穴5の樹脂流動方向前方、即ちモータ冷却穴5のボス2c側でさらに確実に再合流してハブ上部厚肉部2dへ流れる。従って、開口であるモータ冷却穴5の周囲に確実に冷却穴用湯道9dの肉厚分で樹脂を注入でき、開口で強度低下しやすいモータ冷却穴5周囲の強度向上を図ることができる。
例えば、図15〜図18に示すように中空形状の翼3の開口の周囲に翼用湯道9bを設け、翼回転方向前方側の翼用湯道9bを翼前方湯道9ba、翼回転方向後方側の翼用湯道9bを翼後方湯道9bbとする。そして、翼前方湯道9baの主板2の面からの突出高さと翼後方湯道9bbの主板2の面からの突出高さに差を付け、翼前方湯道9baの回転軸方向の突出高さを翼後方湯道9bbの突出高さよりも所定高さだけ高くして、ファン外部側へ突出させる。
また、翼用前方湯道9baの肉厚が厚くなるので、翼3へ樹脂がさらに流れやすくなりヒケの防止が可能で、しかも翼前方湯道9baでの強度も向上するので、ファンの強度も向上する。
高さの差Δtが小さいと、翼前方湯道9baを離れる流れは充分な高さのある放物線にはならずに、翼後方湯道9bbの角に衝突することになる。このため、翼開口部3bでの圧力変動による騒音が発生する。逆に翼前方湯道9baが高すぎる、即ち差Δtが大きすぎると、翼前方湯道9baで流れが剥離し、回転数に起因するピーク音が発生してしまう。このように翼前方湯道9baと翼後方湯道9bbとの高さの差Δtには、望ましい範囲が存在する。
Δt/F<4%の場合には、最大開口直径Fに対して湯道の差Δtが小さく、翼前方湯道9baを離れた流れが翼後方湯道9bbの角に衝突する可能性が高くなって、圧力変動を生じ狭帯域で騒音を発生する。一方、22%<Δt/Fの場合には、最大開口直径Fに対して湯道の突出高さの差Δtが大きく、翼前方湯道9baを離れた流れが剥離して、回転数に起因するピーク音によって騒音が大きくなる。
例えば、樹脂合流部を避けてモータ冷却穴5を設けることで、強度的に信頼性の高いターボファンが得られる。また、ハブ用湯道9aを設けたことで、樹脂が主板2の頂上付近のボス2cまで流れやすく、主板全体での樹脂流動性を向上できる。また、翼3が中空構造のためターボファン全体で軽量化できる。さらに、翼中空部3dが主板2からシュラウド4に向け所定角度θで傾斜した成形抜き勾配を有する先細り形状のため、成形型の離型がしやすく型に翼3が付着し翼の破損を防止でき成形性が高い。また、翼3の肉厚を略均等としたため、冷却硬化時間が均等にできるので、冷却硬化時間の不均一であることで生じるムラによる成形不具合の発生をある程度防止できる。
また、モータ冷却穴5の数をハブ用湯道9aの数と同じに構成したが、前述したようにモータ冷却穴5の数をハブ用湯道9aの数よりも少なくしてもよい。ただし、モータ冷却穴5をハブ用湯道9aの延長線上に配置すれば、モータ冷却穴5と樹脂合流部とが連結することなく強度の高いものが得られる。このため、モータ冷却穴5の数をハブ用湯道9aの数よりも少なくした場合でも、モータ冷却穴5をハブ用湯道9aの延長線上に配置するのが好ましい。モータ冷却穴5の数を少なくすれば、モータを冷却する機能は低下するが、ファンのハブ2aの強度を高くすることができる。
そして、図23に示すように、熱交換器15はターボファン1の外周側を囲むように略C字形状に形成される。この略C字形状の熱交換器15の2つの端部の一方の伝熱管15bには各伝熱管15bへの冷媒量を調整するヘッダー16や分配器17と室外機との接続配管18が取り付けられている。伝熱管15b内には例えば二酸化炭素などの冷媒を循環させる。
即ち、ターボファン1の成形性の向上により、薄肉化して軽量化でき、製品全体の重量を軽量化できる。また、強度信頼性を向上できたので、ターボファン1が輸送時の振動等の衝撃によって破壊するのを防止でき、空気調和機としても製品信頼性を向上できる。
また、モータ冷却穴5や翼3を不等ピッチとしたターボファン1では、モータ冷却穴5からターボファン1の外部へ放出される気流の乱れ及び翼3から吹出される気流に周期性を持たないので、ファンの回転数に起因する騒音を低減でき、低騒音化を図ることができた。このファン1を空気調和機に搭載することで、ファン1から流出してパネル吹出口13bに流れる気流の乱れも低減されるので、ファン1の騒音低減に加え、空気調和機としてさらに騒音を低くでき、静粛な空気調和機が得られる。また、気流の乱れが低減された状態で熱交換器15で冷媒と熱交換するので、効率の良い空気調和機が得られる。
また、空気調和機に限るものではなく、ターボファンを搭載した換気扇や空気清浄器に適用することもでき、上記と同様の効果を得ることができる。
即ち、樹脂注入口10に連続し主板のハブ2aの斜め傾斜面の肉厚より厚くファン半径方向に直線状に延出した複数のハブ用湯道9aを主板2のモータ側側面に所定間隔で有し、前記ハブ用湯道9aから成形時ハブ傾斜面の肉厚より厚いボス近傍のハブ上部肉厚部2dへ向け樹脂が流動した際、樹脂合流部Aが衝撃に対し強度が低い開口であるモータ冷却穴5に連結せずモータ冷却穴5の間に形成されるので、ボス2cまで流れやすく成形性が向上するとともに、主板2に生成される樹脂合流部を短くできるので、輸送時などターボファン1の軸方向(図1(b)の上下方向)に衝撃が付加され万一亀裂を生じても、ターボファンが破断しづらく、成形性の向上とターボファンの衝撃に対する信頼性を高くできる。
さらに、翼の軽量化によりターボファンの回転中心に対しターボファン外周部での重量が軽量化されることから回転時の遠心力が軽減され翼の主板付け根に付加される応力が低減され強度向上が可能で、回転時のターボファンの破損を防止できる。以上の結果、軽量で成形性および強度が高く高信頼性のターボファンを得られる。
Claims (4)
- 円盤状の主板と、前記主板の中央部を回転軸方向に突出させて成る凸状のハブと、前記主板の外周側平板部を基部とし前記ハブの突出方向に立設すると共に前記基部に開口を有する中空形状の複数の翼と、前記開口の周囲に前記主板から前記翼の立設方向と反対の方向に突出するように設けた翼用湯道と、を備え、前記中空形状の翼の外側と中空内側の立設面を中空内側に傾斜させ、前記翼の外側と前記中空内側を前記基部から先細り形状とし、前記開口の回転方向前方の周囲に位置する前記翼用湯道の突出高さを、前記開口の回転方向後方の周囲に位置する前記翼用湯道の突出高さよりも高くしたことを特徴とするターボファン。
- 前記翼の肉厚をほぼ均等としたことを特徴とする請求項1記載のターボファン。
- 前記中空形状の翼の外側と中空内側の立設面を回転軸に対し所定の傾斜角度θで中空内側に傾斜させるとし、前記所定の傾斜角度θのそれぞれを1°≦θ≦3°の範囲としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のターボファン。
- 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のターボファンと、熱交換器とを備え、前記ターボファンによって吸込口から吸込んだ空気を前記熱交換器で冷媒と熱交換して吹出口から吹出すように構成したことを特徴とする空気調和機。
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