JP5460761B2 - 送風機、室外ユニット及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は送風機等に関するものである。特にプロペラファンを用いた送風機の翼形状およびベルマウス形状に関するものである。

従来よりプロペラファンとその外周の一部を隙間を介して覆うベルマウスからなる送風機において、ベルマウスの最小径よりも前縁側の翼外径を大きくすることにより、送風機風量を増加させる、または同一回転時のファン回転数を低減して低騒音化を図るようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、ベルマウス最小径よりも翼の外径を大きくした位置から、更に前縁側の翼の外径を変化させているものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２５５５６０号公報（第４―５頁、第３図） 特開２０００−４５９５１５４号公報（第１１―１３頁、第１２図）

上記の先行技術文献のような送風機では、プロペラファンにおける翼の前縁側、ベルマウス最小径と重なる位置から前縁側までの一部の径をベルマウス最小径よりも大きくしている。このような送風機は、ベルマウスの上流側に径を拡大した端部の径方向における位置が翼の外周径とほぼ同じであるか、又は、ベルマウス上流側の端部の径方向における位置は翼の外周径よりも大きいが、高さ方向位置がベルマウスと狭隙間を介して近接する翼外周の高さ方向における位置と同じである構成になっている。

このような構成の送風機において、ベルマウスに覆われていない翼前縁側の外周縁の負圧面に発生する翼端渦は、ベルマウスと重なる辺りで翼から離脱する。そして離脱した渦（離脱渦）は翼の負圧面から後続する翼の圧力面に向けて、ベルマウスの上流端を覆うように存在する。ベルマウスの上流側に径を拡大した端部の径方向位置が翼の外周径に近い場合には、ベルマウスの端部からの巻き上がる流れが離脱渦と合流して離脱渦が強められる。また、ベルマウスの端部が翼の外周縁と重なる部分から同じ高さ方向位置で径方向外側にある場合は、離脱渦がベルマウスの上面に留まり易くなる。

このような離脱渦は、ベルマウスと干渉することにより騒音発生（騒音増加）の原因となる。また、後続する翼と干渉することにより、送風性能（昇圧性能）の低下、騒音発生等の原因ともなる。そして、離脱渦が崩壊すると、翼間の流れを妨げ送風機の昇圧性能を低下させてしまうなどの問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、翼端渦に起因する渦による騒音増加、送風性能低下を低減をはかり、低騒音、高風量となる送風機等を得るものである。

この発明に係る送風機は、回転方向に対して前側に位置する前縁、周側に位置する外周縁及び回転方向に対して後側に位置する後縁を有する翼を、回転軸を中心として放射状に複数有するプロペラファンと、翼の外周縁の後縁側と、プロペラファンと対向する面となる内側面とが一定間隔の隙間を介して重なる重複域を有するように、プロペラファンの周囲に配置される環状のベルマウスとを備え、プロペラファンの翼は、前縁から後縁までが存在する最大径の円筒断面における最大反りが弦線よりも反回転方向にある反り形状、及び重複域の気体吸込み側における翼の外径がベルマウスの最小径よりも大きい形状であり、ベルマウスは、回転軸を含む平面で切ったときのベルマウスの断面において、重複域の気体吸込み側における径よりも、気体吸込み側に向かって径が拡大していく形状である。

この発明によれば、ベルマウスが、重複域よりも吸込み側部分が、内側面を上方に向かって径が拡大する形状としているので、外周縁から流入する気体はベルマウスの斜面に沿って流入し、離脱渦を下方に押し流すことができる。このため、離脱渦による送風機の騒音発生（増加）、昇圧等の性能低下への影響を小さくでき、重複域の上端側における翼外周縁半径を大きくして翼面積を広くした効果を損なうことなく、低騒音で送風性能の高い送風機を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る送風機１を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る送風機１を吸込み側から見た図である。 図２のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 この発明の実施の形態１に係る送風機１の翼６の断面図である。 翼端に発生した渦の様子を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る空気調和装置の構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における送風機１を示す図である。また、図２は実施の形態１に係る送風機１を吸込み側から見た図である。ここで、説明の都合上、回転軸２に沿う方向（気流の流れる方向）を高さ方向とし、気体（空気）の吸込み側（空気の流れにおいて上流側）を正の方向（図１において上方向）とする。

本実施の形態の送風機１はプロペラファン３とベルマウス４とを有している。プロペラファン３はハブ５の周囲に複数（本実施の形態では３枚）の翼（羽根）６を有する。翼６は、ハブ５との接合縁、回転方向７に向いた前縁６ａと、前縁６ａに対向する後縁６ｂと、接合縁と対向して前縁６ａと後縁６ｂとを繋ぐ外周縁６ｃとを有し、接合縁、前縁６ａ、後縁６ｂ及び外周縁６ｃで囲まれる曲面から形成される。曲面は、回転方向７に向いた面（気体吸込み側から見える面）が圧力面６ｄ、圧力面６ｄの裏面（気体吹出し側から見える面）が負圧面６ｅとなる。

図３は図２のＡ−Ａ’線矢視断面図である。ここで、図３における翼６の前縁６ａ、後縁６ｂ及び外周縁６ｃは断面平面に回転投影した線を示している。ベルマウス４は回転軸２を中心として環状の形状をしてプロペラファン３を囲んでいる。ここで、プロペラファン３の回転時に翼６の外周縁６ｃの後縁側と接触しないように、一定の間隔の隙間を介してプロペラファン３を囲んでいる部分を一部有している。本実施の形態では、ベルマウス４において、回転軸２を向いたベルマウス４の面（プロペラファン３との対向側の面）を内側面８と呼ぶこととする。また、外周縁６ｃとベルマウス４の内側面８との間で、一定の間隔で狭い隙間を形成している範囲を重複域９と呼ぶこととする。

重複域９において、ベルマウス４の内側面８は最小内径となる範囲から高さ上方向にかけて内側面８に角部をつけないようにしつつ、径を拡大する形状（テーパ形状）となっている。そして、重複域９の上端では、翼外周縁６ｃはベルマウス最小径Ｒａよりも大きな外径Ｒｂとなる。また、ベルマウス４の内側面８は水平方向、上方に向かって径が拡大する。本実施の形態では、図３に示すように、重複域９の上端と一連に、上方に向かって径が拡大する形状（テーパ形状）を示している。

重複域９よりも下方（吹出し方向）では、ベルマウス４は径方向外側に広がり、例えば、吸込み空間１３と吹出し空間１４とを区切る仕切り板（図示なし）に繋がっている。このため、ベルマウス４の吹出し側の開口部分の径は重複域９における径よりも大きい。一方、重複域９よりも上方（吸込み方向）では、ベルマウス４は、上方に向かって径を広げる形状となる。このため、ベルマウス４の吸入側の開口部分の径についても、重複域９における径よりも大きい。ここで、ベルマウス４の上方端１０の高さ方向の位置は外周縁６ｃの前縁側の端部（前縁６ａと外周縁６ｃとが交わる部分）よりも下方（低い）位置にあることが望ましい。また、ベルマウス４の上方端１０は内側面８が凸となる丸みを付けることが望ましい。

図４はこの発明の実施の形態１に係る送風機１の翼６の断面図である。図４の円筒断面展開図は、回転軸２を中心として、翼６の前縁６ａから後縁６ｂまでが存在する最大半径となる円筒の展開図である。翼６の前縁６ａと後縁６ｂを繋ぐ弦線１１から負圧面６ｅが最も離れる位置を最大反り位置１２と定義する。本実施の形態の送風機における翼６の最大反り位置１２は、弦線１１よりも反回転方向に位置する反り形状とする。

次に送風機１の動作について説明する。このように構成された送風機１においては、ファンモータ（図示なし）等の駆動力によりプロペラファン３が回転すると、翼６が回転する圧力面６ｄ側の領域内の気体を吹出し空間１４に押し出す。それと同時に、吸込み空間１３の気体が、翼６が回転する領域に前縁６ａや後縁６ｂの回転軌跡からなる面から流入する。このようにして、吸込み空間１３側から吹出し空間１４側に向かう気流が生じる。図４に示した弦線１１よりも半回転方向に最大反り位置１２がある翼６の反り形状においては、翼６を基準とした気流の相対速度をみると、翼６の回転領域からの流出速度は、流入速度よりも減速し、減速の程度に応じた静圧上昇が得られるため、吸込み空間１３側から吹出し空間１４側へ気流を搬送する能力が高くなる。

図５は、翼端に発生した渦の様子を説明する図である。ここでは図５に基づいて翼端に生じる渦について説明する。翼６の回転領域に流入した気体の一部は、重複域９よりも上方にある外周縁６ｃの外側を介して圧力面６ｄから負圧面６ｅに巻き込まれる流れとなる。この巻き込み流れを基にして負圧面６ｅの外周縁６ｃ近くに翼端渦１５と呼ばれる渦構造の流れが形成される。翼端渦１５は前縁６ａ側から後縁６ｂ側に移行するに伴って成長し、重複域９の上端付近においてベルマウス４と接触して、負圧面６ｅから離脱して離れて行く。離脱した渦（離脱渦１６）は周囲の流れに押されて、渦の構造を弱めながら吹出し空間１４に流されて行く。

離脱渦１６はベルマウス４の内側面８と干渉することにより騒音の要因となる。また、後続する隣接の翼６に衝突することにより、騒音の増加、送風性能の低下の要因となる。さらに渦構造を翼間に滞留して吸込み空間１３から吹出し空間１４への流れの妨げになることもある。送風機１の性能を高めるためには離脱渦１６による性能低下を弱めることが必要である。

本実施の形態の送風機１は、重複域９よりも上方において、ベルマウス４（内側面８）を上方に向かって径が拡大する形状としているので、外周縁６ｃから流入する気体はベルマウス４の斜面（内側面８）に沿って流入し、離脱渦１６を下方に押し流す効果を有する。そのため、離脱渦１６が、ベルマウス４の内側面８に留まること及び後続の翼６に衝突する頻度が少なくなる。以上の結果、離脱渦１６による送風機１の騒音増加や性能低下への影響を小さくでき、重複域上端における翼外周縁半径を大きくして翼面積を広くした効果を損なわずに、低騒音で送風性能の高い送風機１を得ることができる。

重複域９よりも上方のベルマウス４形状に関してさらに補足する。例えばプロペラファン３の回転により発生する翼端渦１５が離脱するときの渦の直径は外周最大半径の１０％程度であることがわかっている。ベルマウス４の外周端からの巻き込みは翼外周縁６ｃで生じる巻き込み流れよりも弱い。そこで、ベルマウス上方端１０と翼６の外周縁６ｃとの間を翼端渦１５のサイズよりも離しておくことにより、ベルマウス４の外周端からの巻き込み流れが離脱渦１６を強めることを避けることができる。

そこで、本実施の形態では、ベルマウス上方端１０における半径Ｒｃを、プロペラファン３の最大半径の１１０％よりも大きくするようにベルマウス４を形成する。これにより、離脱渦１６による送風機１の騒音増加や性能低下への影響を小さくでき、低騒音で送風性能の高い送風機１を得ることができる。さらにベルマウス４の上方端１０は内側面８が凸となる丸みを付けることにより、ベルマウス外周端からの巻き込み流れを弱めて、送風機１の低騒音化、送風性能向上の効果をさらに高めることができる。

また、ベルマウス４の上方端１０の高さを翼外周縁６ｃの高さよりも下方とすることにより、外周縁６ｃから流入する気体の流路を失わず、流入する気体を十分に確保することができる。このため、ファン外径を大きくした効果を損なうことなく運転でき、低騒音、高送風性能の送風機１を得ることができる。

重複域９の上端において、翼端渦１５はベルマウス４の内側面８と衝突して離脱する。このため、離脱渦１６はその高さに留まり易い。本実施の形態の送風機１は、重複域９の上方側において内側面８を上方に向かって径が拡大する斜面となるようにベルマウス４を形成している。このため、離脱渦１６がベルマウス４の内側面８に留まらずに下方に流れる。このため、離脱渦１６が内側面８に留まらず、後続の翼６に衝突する頻度も少なくなる。この結果、離脱渦１６による送風機１の騒音、性能低下への影響を小さくすることができる。重複域９の上端における翼外周縁半径を大きくして翼面積を広くした効果を損なわずに、低騒音で送風性能の高い送風機１を得ることができる。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る空気調和装置の構成図である。本実施の形態では、上述した送風機１等を備える室外機１００を有する冷凍サイクル装置について、空気調和装置について説明する。図６の空気調和装置は、室外機１００と室内機２００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、冷媒回路を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管３００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管４００とする。

室外機１００は、本実施の形態においては、圧縮機１０１、四方弁１０２、室外側熱交換器１０３、室外側送風機１０４、絞り装置（膨張弁）１０５で構成する。

圧縮機１０１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機１０１は、インバータ装置等を備え、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機１０１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。四方弁１０２は、制御装置（図示せず）からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。

また、室外側熱交換器１０３は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、液配管４００から流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁１０２側から流入した圧縮機１０１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。室外側熱交換器１０３には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、上述の実施の形態１で説明したベルマウス４、プロペラファン３等を有する送風機１である室外側送風機１０４が設けられている。室外側送風機１０４についても、インバータ装置によりファンモータの運転周波数を任意に変化させてプロペラファン３の回転速度を細かく変化させるようにしてもよい。絞り装置１０５は、開度を変化させることで、冷媒の圧力等を調整するために設ける。

一方、室内機２００は、負荷側熱交換器２０１及び負荷側送風機２０２で構成される。負荷側熱交換器２０１は冷媒と空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管３００から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させ、液配管４００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、例えば絞り装置１０５により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管３００側に流出させる。また、室内機２００には、熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側送風機２０２が設けられている。この負荷側送風機２０２の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。特に限定するものではないが、負荷側送風機２０２にも実施の形態１で説明した送風機１を用いるようにすることができる。

以上のように実施の形態２の空気調和装置では、実施の形態１において説明した送風機１を室外側送風機１０４として室外機１００に搭載することで、低騒音等を実現し、損傷等を防止することができる。

本発明の活用例として、冷凍サイクル装置を構成する室外機、例えば空気調和機や給湯器などの室外機、その他、送風機が設置される各種装置や設備などに広く利用することができる。

１ 送風機、２ 回転軸、３ プロペラファン、４ ベルマウス、５ ハブ、６ 翼、６ａ 前縁、６ｂ 後縁、６ｃ 外周縁、６ｄ 圧力面、６ｅ 負圧面、７ 回転方向、８ 内側面、９ 重複域、１０ ベルマウス上方端、１１ 弦線、１２ 最大反り位置、１３ 吸込み空間、１４ 吹出し空間、１５ 翼端渦、１６ 離脱渦。

Claims (7)

1. 回転方向に対して前側に位置する前縁、周側に位置する外周縁及び回転方向に対して後側に位置する後縁を有する翼を、回転軸を中心として放射状に複数有するプロペラファンと、
   前記翼の前記外周縁の前記後縁側と、前記プロペラファンと対向する面となる内側面とが一定間隔の隙間を介して重なる重複域を有するように、前記プロペラファンの周囲に配置される環状のベルマウスとを備え、
   前記プロペラファンの前記翼は、前記前縁から前記後縁までが存在する最大径の円筒断面における最大反りが弦線よりも反回転方向にある反り形状、及び前記重複域の気体吸込み側における前記翼の外径が前記ベルマウスの最小径よりも大きい形状であり、
   前記ベルマウスは、前記回転軸を含む平面で切ったときの前記ベルマウスの断面において、前記重複域の気体吸込み側における径よりも、前記気体吸込み側に向かって径が拡大していく形状であることを特徴とする送風機。
2. 前記ベルマウスは、前記回転軸を含む平面で切ったときの前記ベルマウスの断面において、前記重複域における気体吸込み側の内側面が、気体の吸込み側に向かって前記ベルマウスの最小径よりも径が拡大していく形状となっていることを特徴とする請求項１記載の送風機。
3. 前記ベルマウスの前記気体吸込み側の端部における外周半径が、前記翼における前記外周縁の最大半径の１１０％よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の送風機。
4. 前記ベルマウスの前記気体吸込み側の端部における高さが、前記翼における前記外周縁が前記前縁と交わる位置の高さよりも低いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の送風機。
5. 前記ベルマウスの前記気体吸込み側の端部が、前記内側面側が凸となる丸みを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の送風機。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   冷媒と気体との熱交換を行う室外熱交換器と、
   該室外側熱交換器に気体を通過させるための請求項１〜５のいずれかに記載の送風機と
   を備えることを特徴とする室外ユニット。
7. 熱交換対象と冷媒とを熱交換する複数の負荷側熱交換器及び該負荷側熱交換器に流入させる冷媒の流量を調整するための流量調整手段を有する負荷ユニットと、
   請求項６記載の室外ユニットと
   を配管接続して冷媒回路を構成することを特徴とする冷凍サイクル装置。

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