JP5287772B2 - 遠心式多翼ファン - Google Patents

Description

本発明は、回転軸周りに多数枚の翼が配置された遠心式多翼ファンに関し、車両用空調装置の送風機に用いて好適である。

従来、この種の遠心式多翼ファンにおいて、翼（羽根）の前縁にテーパをかけたものが特許文献１、２に記載されている。ここで、「翼の前縁にテーパをかける」とは、ファンの側板側（吸込み側）の内径が主板側（吸込み側とは反対側）よりも大きくなったテーパー型のファンになっていることを言う。

具体的には、上記従来技術では、反り線（キャンバーライン）の先端（リーディングエッジ）を主板側から側板側に向かい徐々に短くして、側面から見た上部前縁先端形状を略円弧または略楕円形状としている。

特許文献１には、テーパー型のファンの効果として、流入口となる側板側の領域において内径を拡げることができるので流入抵抗を減らすことができる一方、流れの主流となる主板側では長い翼弦を活かして有効に送風作用を行うことができる旨が記載されている。

特許文献２には、テーパー型のファンの効果として、吸込み部となる側板側の領域では、吸込み部が大きくなって風量性能が向上するとともに翼前縁までの距離が大きくなることで乱れを減衰させて低騒音化を図ることができる一方、その他の領域では通常の通り弦長が長いため静圧を向上させることができる旨が記載されている。

特開２０００−９０８３号公報 特開２００６−１２５２２９号公報

しかしながら、上記従来技術のテーパー型のファンによると、側板側では翼前縁での剥離が引き起こされ易く、性能低下を招くという問題がある。以下、このことを説明する。

図８は、上記従来技術の問題点を説明する説明図であり、図８（ａ）は上記従来技術に対応するテーパー型のファン（以下、比較例と言う。）の断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＸ−Ｘ断面図（側板２２側での断面を示す図）であり、図８（ｃ）は図８（ａ）のＹ−Ｙ断面図（主板２３側での断面を示す図）である。

図８（ｂ）、（ｃ）の角度β１、β２は、各々の断面における入口角を示している。ここで、入口角とは、翼２１の各断面（回転軸と直交する方向に切断したときの断面）において、正圧面２１５側の角部２１７における正圧面２１５の接線と、正圧面２１５側の角部２１７における翼列線（図８（ｂ）、（ｃ）中の二点鎖線）の接線とがなす角度のことである。正圧面２１５とは、翼２１のうち回転方向Ｒ側の面のことであり、負圧面２１６とは、回転方向Ｒと反対側の面のことである。

図８（ｂ）、（ｃ）からわかるように、側板２２側のＹ−Ｙ断面における入口角β２は、主板２３側のＸ−Ｘ断面における入口角β１よりも顕著に大きくなっている。すなわち、上記比較例では、側板２２側に向かうにつれて反り線（キャンバーライン）の先端を短くしているので、側板２２側と主板２３側とで反り線（キャンバーライン）の先端の向きが顕著に異なることとなり、その結果、側板２２側と主板２３側とで入口角も顕著に異なることとなる。

しかるに、遠心式多翼ファンでは、図８（ａ）中の矢印に示すように、主板２３側では空気流れ方向の変化（回転軸方向から径方向への変化）が比較的緩やかであるのに対し、側板２２側では空気流れ方向の変化が急激であるので、側板２２側での流入速度が主板側に比べて遅くなる。また、翼前縁での周速は、内径の大きい側板２２側の方が内径の小さい主板２３側よりも早くなる。

このため、翼前縁での剥離を抑制するためには、主板２３側から側板２２側に行くに従い入口角を小さくすることが望ましいのであるが、上記比較例では、これに反して側板２２側の入口角β２が主板２３側の入口角β１よりも大きくなっているので、側板２２側で流入条件（流入速度）と入口角とのズレが大きくなって翼前縁での剥離を引き起こしてしまい、ひいては性能低下を引き起こしてしまう。

本発明は上記点に鑑みて、テーパー型のファンにおいて翼前縁での剥離を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、軸方向の一端側から空気を吸引して径方向外側に向かって空気を吹き出す遠心式多翼ファンであって、
回転軸（１１）の周りに多数枚配置された翼（２１）と、
翼（２１）のうち一端側における端部（２１１）同士を連結する側板（２２）と、
回転軸（１１）に結合されるとともに、翼（２１）のうち軸方向の他端側における端部（２１２）同士を連結する主板（２３）とを備え、
翼（２１）の前縁（２１３）は、主板（２３）側から側板（２２）側に向かうにつれて径方向外側に傾斜した形状を有し、
前縁（２１３）には、正圧面（２１５）側の角部（２１７）と負圧面（２１６）側の角部（２１８）とが形成され、
翼（２１）のうち側板（２２）側の部位を回転軸（１１）と直交する方向に切断したときの断面を基準断面とし、
正圧面（２１５）を基準断面で切断したときに現れる曲線を正圧面基準曲線（Ｌ１）とし、
基準断面における正圧面（２１５）側の角部（２１７）を正圧面側基準角部（Ｃ１）としたとき、
軸方向から見たときに、正圧面（２１５）側の角部（２１７）は、正圧面側基準角部（Ｃ１）における正圧面基準曲線（Ｌ１）の接線上に位置しており、
軸方向から見たときに、負圧面（２１６）は、側板（２２）側から主板（２３）側に向かうにつれて曲率半径が大きくなっていることを特徴とする。

これによると、回転軸（１１）の軸方向から見たときに、正圧面（２１５）側の角部（２１７）が、正圧面側基準角部（Ｃ１）における正圧面基準曲線（Ｌ１）の接線上に位置しているので、正圧面（２１５）側の角部（２１７）における正圧面（２１５）の接線の方向を側板（２２）側と主板（２３）側とで同等にすることができる。

換言すれば、側板（２２）側と主板（２３）側とで前縁（２１３）の向きを同等にすることができる。このため、テーパー型のファンにおいて側板（２２）側と主板（２３）側とで入口角の差を小さくすることができる。

さらに、軸方向から見たときに、負圧面（２１６）は、側板（２２）側から主板（２３）側に向かうにつれて曲率半径が大きくなっているので、正圧面（２１５）側の角部（２１７）を正圧面側基準角部（Ｃ１）における正圧面基準曲線（Ｌ１）の接線上に位置させても、側板（２２）と主板（２３）側とで前縁（２１３）での翼厚（ｔ）の差が大きくなることを抑制できる。以上のことから、翼前縁での剥離を抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の遠心式多翼ファンにおいて、前縁（２１３）での翼厚（ｔ）が側板（２２）側から主板（２３）側にかけて一定となるように、負圧面（２１６）の曲率半径が設定されていることを特徴とする。

このように前縁（２１３）での翼厚（ｔ）が側板（２２）側から主板（２３）側にかけて一定にすることで、翼前縁での剥離をより抑制できる
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の遠心式多翼ファンにおいて、軸方向から見たときに、正圧面（２１５）は同一曲線上に重なっていることを特徴とする。

これによると、翼（２１）の成形に際して成形型を回転軸（１１）の軸方向に抜くことができて型抜きが容易であるので、翼（２１）の成形型を簡素化でき、ひいては製造コストを抑えることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の遠心式多翼ファンにおいて、前縁（２１３）および翼（２１）の後縁（２１４）を所定数の分割点（Ｘ１〜Ｘ６、Ｙ１〜Ｙ６）で等分割し、所定数の分割点（Ｓｉ１〜Ｓｉ６、Ｓｏ１〜Ｓｏ６）のうち同一番の分割点同士を結んだ仮想線を分割線（Ｚ１〜Ｚ６）としたとき、
分割線（Ｚ１〜Ｚ６）を含む各断面での翼長が互いに同一に設定されていることを特徴とする。

これによると、側板（２２）側においても翼（２１）の翼長を十分に確保することができるので、前縁（２１３）で剥離した流れが再付着した後の整流区間を十分に確保することができる。その結果、性能向上を図ることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における送風機を示す断面図である。 図１の遠心式多翼ファンを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のファンを示す断面図である。 第１実施形態の入口角と比較例の入口角とを比較して示すグラフである。 第２実施形態における遠心式多翼ファンを示す断面図である。 第３実施形態における遠心式多翼ファンを示す断面図である。 比較例における遠心式多翼ファンを示す断面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、本発明の遠心式多翼ファンを車両用空調装置の送風機に適用したものであり、図１は本実施形態における遠心式多翼ファンを有する遠心式送風機の模式的な断面図である。

遠心式送風機は、回転軸１１を有するモータ１と、このモータ１により回転駆動されて空気を吹き出す樹脂製の遠心式多翼ファン（以下、ファンと言う。）２と、このファン２を収納するとともに、ファン２から吹き出す空気を集合させる渦巻き状の流路３１を有する樹脂製のスクロールケーシング（以下、ケーシングと言う。）３とからなる。

ケーシング３には、ファン回転軸方向（以下、軸方向と言う。）の一端側（図１の上方側）に向けて開口した空気の吸入口３２が形成されており、この吸入口３２の外縁部には、ファン２の内周側に向けて延びて吸入空気を吸入口３２に導くベルマウス３３が形成されている。

図２に示すように、ファン２は、回転軸１１の周りに板状の翼２１を多数枚配置してなるものである。この翼２１は、その軸方向一端側（吸入口３２側）における端部２１１が側板２２によって連結されている。側板２２は、翼２１をファン径方向（以下、径方向と言う。）の外側から覆うリング形状に形成されている。なお、リング状の側板２２は、翼２１の端部２１１を軸方向外側から覆うようになっていてもよい。

翼２１は、その軸方向他端側（吸入口３２と反対側）における端部２１２が円板状の主板２３によって連結されている。翼２１、側板２２および主板２３は、樹脂にて一体成形されている。主板２３は、その中心部において回転軸１１に結合されており、モータ１の駆動力が回転軸１１および主板２３を介してファン２に伝達される。

そして、このファン２は、モータ１により回転駆動されることにより、軸方向一端側（側板２２側）からファン２内に空気を吸引し、その吸入した空気を径方向外側に向かって吹き出すようになっている。

次に、翼２１の具体的形状について説明する。図１からわかるように、翼２１の前縁２１３は、主板２３側から側板２２側に向かうにつれて径方向外側に傾斜した形状を有している。これにより、ファン２は、内径が軸方向一端側から軸方向他端側に向かうにつれて拡大したテーパー形状を有している。

本実施形態では、翼２１の後縁２１４は、主板２３側から側板２２側にかけて回転軸１１の径方向と平行に延びている。これにより、ファン２は、外径が軸方向一端側から軸方向他端側にかけて一定になっている。

図３は図１の翼２１のＡ−Ａ断面図である。Ａ−Ａ断面は、翼２１のうち側板２２側の部位を軸方向と直交する方向に切断したときの断面であり、翼２１の形状を設計する際の基準となる基準断面である。図３中の矢印Ｒは、ファン２の回転方向を示している。

以下では、翼２１のうち回転方向Ｒ側の面を正圧面２１５と言い、回転方向Ｒと反対側の面を負圧面２１６と言う。

翼２１は前縁２１３において所定の翼厚ｔを有している。したがって、翼２１の前縁２１３には、正圧面２１５側の角部２１７と、負圧面２１６側の角部２１８とが形成されている。

なお、両角部２１７、２１８は、実際には製造上の都合等により若干丸みを帯びて形成される場合がある。このような場合には、本明細書における角部２１７、２１８とは、丸みを帯びずに形成されていると仮定したときの仮想の角部のことを意味しているものとする。

以下では、正圧面２１５側の角部２１７を正圧面側角部と言い、負圧面２１６側の角部２１８を負圧面側角部２１８と言う。

図３中、曲線Ｌ１は、正圧面２１５をＡ−Ａ断面（基準断面）で切断したときに現れる曲線を示し、以下では正圧面基準曲線と言う。図３中、曲線Ｌ２は、負圧面２１６をＡ−Ａ断面で切断したときに現れる曲線を示し、以下では負圧面基準曲線と言う。図３中、線分Ｅ１は、Ａ−Ａ断面における前縁２１３を示している。

図３中、点Ｃ１は、Ａ−Ａ断面における正圧面側角部２１７を示し、以下では正圧面側基準角部と言う。図３中、点Ｃ２は、Ａ−Ａ断面における負圧面２１６側の角部２１８を示し、以下では負圧面側基準角部と言う。

図３のように軸方向から見たときに、翼２１の正圧面２１５は同一曲線上に重なっている。これに対し、翼２１の負圧面２１６は図３のように軸方向から見たときに重なっておらず、側板２２側から主板２３側に向かうにつれて曲率半径が大きくなっている。

図３のように軸方向から見たときに、正圧面側角部２１７は、正圧面側基準角部Ｃ１における正圧面基準曲線Ｌ１の接線上に位置している。

図３のように軸方向から見たときに、負圧面側角部２１８は、負圧面側基準角部Ｃ２から正圧面基準曲線Ｌ１と平行に延びる直線上に位置している。したがって、前縁２１３の翼厚ｔは、側板２２側から主板２３側にかけて一定となる。

図３中、角度β１は、翼２１のうち主板２３側の部位での入口角を示し、角度β２は、翼２１のうち側板２２側の部位（具体的にはＡ−Ａ断面）での入口角を示している。

ここで、入口角とは、翼２１の各断面（回転軸１１と直交する方向に切断したときの断面）において、正圧面２１５側の角部２１７における正圧面２１５の接線と、正圧面２１５側の角部２１７における翼列線（図３中の二点鎖線）の接線とがなす角度のことである。

なお、本実施形態では、図１に示すように、翼２１のうち側板２２側の端部近傍（Ａ−Ａ断面よりも側板２２側の部位）に、残余の部位よりも傾斜のきついテーパー形状を形成している。

また、本実施形態では、図４に示すように、翼２１の所定の各断面における翼長が互いに同一に設定されている。

ここで、所定の各断面とは、具体的には、翼２１の前縁２１３および後縁２１４をそれぞれ、前縁２１３および後縁２１４に沿った長さ（図４の２点鎖線上の長さ）が等しくなるように所定数の分割点（仮想点）Ｓｉ１〜Ｓｉ６、Ｓｏ１〜Ｓｏ６で等分割し、この所定数の分割点Ｓｉ１〜Ｓｉ６、Ｓｏ１〜Ｓｏ６のうち同一番の分割点同士を結んだ線を分割線（仮想線）Ｚ１〜Ｚ６としたとき、この分割線Ｚ１〜Ｚ６を含む各断面のことである。翼長はＬ＝（Ｄｏ−Ｄｉ）／２で定義される。但し、Ｌは翼長、Ｄｏはファン外径、Ｄｉはファン内径である。

なお、図１、図２の例では側板２２が単純なリング状に形成されているが、図４の例のように側板２２は、翼２１を径方向外側から覆うシュラウド形状に形成されていてもよい。また、図１、図２の例では翼２１の後縁２１４が主板２３側から側板２２側にかけて回転軸１１の径方向と平行に延びているが、図４の例のように翼２１の後縁２１４は、主板２３側から側板２２側に向かうにつれて径方向外側に傾斜していてもよい。

次に、上記構成における作動について説明する。車両用空調装置が作動してモータ１が回転すると、電動モータ１からの回転駆動力によってファン２が回転する。ファン２が回転すると、ファン２はケーシング３の吸入口３２から空気を吸い込んで流路３１に吹き出す。流路３１に吹き出された空気はケーシング３の吹出口（図示せず）から送風される。

本実施形態によると、図３のように軸方向から見たときに、正圧面２１５側の角部２１７が、正圧面側基準角部Ｃ１における正圧面基準曲線Ｌ１の接線上に位置しているので、正圧面２１５側の角部２１７における正圧面２１５の接線の方向が主板２３側と側板２２側とで同等になる。このため、主板２３側の入口角β１と側板２２側の入口角β２との差が小さくなる。

特に本実施形態では、軸方向から見たときに、翼２１の正圧面２１５が同一曲線上に重なっているので、正圧面２１５側の角部２１７における正圧面２１５の接線の方向は主板２３側と側板２２側とで全く同じになる。このため、主板２３側の入口角β１と側板２２側の入口角β２との差がより小さくなる。

すなわち、本実施形態では、主板２３側と側板２２側とでファン２の内径が異なっていることから、正圧面２１５側の角部２１７における翼列線の接線の方向が主板２３側と側板２２側とで異なることとなる。

よって、正圧面２１５側の角部２１７における正圧面２１５の接線の方向が主板２３側と側板２２側とで全く同じになっている本実施形態においては、翼列線の接線の方向が主板２３側と側板２２側とで異なる分だけ、主板２３側の入口角β２と側板２２側の入口角β１とに差が生じることとなる。

図５は、本実施形態と図８の比較例とで入口角を比較したグラフである。なお、図５では、本実施形態と比較例とで主板側の入口角が同じになっている場合を例に挙げて示している。

図５からわかるように、本実施形態によると、上記比較例と比較して、入口角が主板側から側板側に行くに従い大きくなることを抑制できるので、側板側と主板側とで入口角の差Δβを小さくすることができる。

このため、側板側における流入条件（流入速度）と入口角とのズレを小さく押さえることができるので、テーパー型のファンにおいて翼前縁での剥離を抑制することができ、ひいては性能低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態によると、図３のように軸方向から見たときに翼２１の負圧面２１６の曲率半径を側板２２側から主板２３側に向かうにつれて大きくすることによって、前縁２１３の翼厚ｔを側板２２側から主板２３側にかけて一定にしているので、翼前縁での剥離をより抑制できる。

さらに、本実施形態では図４のように、所定の各断面での翼長を互いに同一に揃えることによって、側板２２側においても翼２１の翼長を十分に確保することができる。このため、前縁２１３で剥離した流れが再付着した後の整流区間を十分に確保することができるので、性能向上を図ることができる。

また、本実施形態によると、軸方向から見たときに、翼２１の正圧面２１５は同一曲線上に重なっており、翼２１の負圧面２１６は側板２２側から主板２３側に向かうにつれて曲率半径が大きくなっているので、翼２１の成形に際して成形型を軸方向（図１の上下方向）に抜くことができて型抜きが容易である。このため、翼２１の成形型を簡素化でき、ひいては製造コストを抑えることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、翼２１の前縁２１３がほぼ直線的に傾斜しているが、本第２実施形態では、図６に示すように、翼２１の前縁２１３が２次曲線的に傾斜している。

より具体的には、翼２１の前縁２１３の傾斜度合いが主板２３側から側板２２側に向かうにつれて小さくなっている。本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

因みに図６の例では、主板２３の中心側部位を軸方向一端側（図６の上方側）に向かって窪ませている。この主板２３の窪んだ部分に電動モータ１の一部を配置することで遠心式送風機の軸方向寸法の小型化を図ることができる。

（第３実施形態）
上記第２実施形態では、翼２１の前縁２１３が２次曲線的に傾斜しているが、本第３実施形態では、図７に示すように、翼２１の前縁２１３が円弧状に傾斜している。具体的には、翼２１の前縁２１３の傾斜度合いが主板２３側から側板２２側に向かうにしたがって大きくなっている。本実施形態においても、上記第１、第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、本発明の遠心式多翼ファンを車両用空調装置の送風機に適用した例を示したが、これに限定されることなく、種々の遠心式送風機に本発明を適用可能である。

１１ 回転軸
２１ 翼
２２ 側板
２３ 主板
２１３ 前縁
２１５ 正圧面
２１６ 負圧面
２１７ 正圧面側の角部
Ｌ１ 正圧面基準曲線
Ｃ１ 正圧面側基準角部

Claims (6)

1. 軸方向の一端側から空気を吸引して径方向外側に向かって空気を吹き出す遠心式多翼ファンであって、
   回転軸（１１）の周りに多数枚配置された翼（２１）と、
   前記翼（２１）のうち前記一端側における端部（２１１）同士を連結する側板（２２）と、
   前記回転軸（１１）に結合されるとともに、前記翼（２１）のうち前記軸方向の他端側における端部（２１２）同士を連結する主板（２３）とを備え、
   前記翼（２１）の前縁（２１３）は、前記主板（２３）側から前記側板（２２）側に向かうにつれて径方向外側に傾斜した形状を有し、
   前記前縁（２１３）には、正圧面（２１５）側の角部（２１７）と負圧面（２１６）側の角部（２１８）とが形成され、
   前記翼（２１）のうち前記側板（２２）側の部位を前記回転軸（１１）と直交する方向に切断したときの断面を基準断面とし、
   前記正圧面（２１５）を前記基準断面で切断したときに現れる曲線を正圧面基準曲線（Ｌ１）とし、
   前記基準断面における前記正圧面（２１５）側の角部（２１７）を正圧面側基準角部（Ｃ１）としたとき、
   前記軸方向から見たときに、前記正圧面（２１５）側の角部（２１７）は、前記正圧面側基準角部（Ｃ１）における前記正圧面基準曲線（Ｌ１）の接線上に位置しており、
   前記軸方向から見たときに、前記負圧面（２１６）は、前記側板（２２）側から前記主板（２３）側に向かうにつれて曲率半径が大きくなっていることを特徴とする遠心式多翼ファン。
2. 前記前縁（２１３）での翼厚（ｔ）が前記側板（２２）側から前記主板（２３）側にかけて一定となるように、前記負圧面（２１６）の曲率半径が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心式多翼ファン。
3. 前記軸方向から見たときに、前記正圧面（２１５）は同一曲線上に重なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心式多翼ファン。
4. 前記前縁（２１３）および前記翼（２１）の後縁（２１４）を所定数の分割点（Ｘ１〜Ｘ６、Ｙ１〜Ｙ６）で等分割し、前記所定数の分割点（Ｓｉ１〜Ｓｉ６、Ｓｏ１〜Ｓｏ６）のうち同一番の分割点同士を結んだ仮想線を分割線（Ｚ１〜Ｚ６）としたとき、
   前記分割線（Ｚ１〜Ｚ６）を含む各断面での翼長が互いに同一に設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の遠心式多翼ファン。
5. 前記前縁（２１３）は、２次曲線的に傾斜した形状を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の遠心式多翼ファン。
6. 前記前縁（２１３）は、円弧状に傾斜した形状を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の遠心式多翼ファン。

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