JP5825339B2 - クロスフローファンの翼 - Google Patents

Description

本発明は、クロスフローファンの翼に関する。

空気調和機の室内機などでは、送風のために、クロスフローファンが多く用いられている。このようなクロスフローファンの翼断面形状に関しては、翼の圧力面及びその圧力面に対峙する負圧面が、ファン回転軸から翼の外側に向かうにしたがってファン回転方向に湾曲し、翼の中央付近が翼の内周部と外周部とを結ぶ直線に対して離れる弓形に形成されている。

従来から、この翼形状の肉厚分布について、最大肉厚位置が前縁と後縁の中間にあるものでは、前縁部での流れの剥離がおきて乱流が起き易いことが知られている。このような高い負荷がクロスフローファンに掛かったときの不安定な流れを改善するため、特許文献１（特許第３６６１５７９号公報）に記載の翼構造では、翼の最大肉厚位置が翼弦長の内周端から４％の箇所となるように形成するとともに、ブレードの最大肉厚位置から両端部へ向け肉厚を順次薄くしている。しかし、特許文献１に記載されている翼構造では、最大肉厚位置が翼弦長の内側から４％の箇所に在るため、ほぼ最大肉厚位置が内周端でありそのまま肉厚が外周端に向かって急激に薄くなる。このため、内周端で流れが衝突した後に、翼面の大きな曲率によりすぐに剥離し、翼中間位置より手前のファンの外周側で再付着せず下流側へ向け剥離したままとなる場合があった。

また、特許文献２（特開平５−７９４９２号公報）に記載されている翼構造では、翼と翼の間の空気流の方向に対して垂直方向の翼間寸法がファンの外周側と内周側とで略等しくなるように、ファンの外周側に向かうに従って翼が薄肉になっている。特許文献２の翼では、負荷がかかった時に、曲率の大きい負圧面側で、ファンから吹出す流れが翼内周端から外周端に向かうにつれ剥離して乱流となりやすい。そのため、特許文献２の翼では、２次元流れが崩れることにより、極めて不快な「バサバサ」という断続的な異常音が発生しやすい。また、特許文献２の翼間内の流れが乱流になりやすくなることから、ファン回転の異音（低次数狭帯域周波数騒音（以下、Ｎ音という））が増大し、その音は低周波数での突出となって静音性を阻害する。さらに、特許文献２の翼に負荷がかかった時、著しく送風性能が劣化するため、冷房能力または暖房能力が低下する。

上述のように、従来の翼構造では、流れの剥離が起こって有効翼間距離が狭くなり、吹出風速が増加して騒音が大きくなる。また従来の翼構造では流れの剥離により翼面を有効に利用できず、送風効率が低下してしまう。

本発明の課題は、高負荷の場合においても低騒音かつ高効率なクロスフローファンを提供することのできるクロスフローファンの翼を得ることを目的とする。

本発明の第１観点に係るクロスフローファンの翼は、クロスフローファンの内周側に配置され、円弧状に形成されている前縁部と、クロスフローファンの外周側に配置され、円弧状に形成されている後縁部と、前縁部と後縁部との間に形成され、正圧を発生するための正圧面及び負圧を発生するための負圧面を有し、正圧面と負圧面の距離が内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に変化している基部とを備え、前縁部及び後縁部は、前縁部の半径が後縁部の半径よりも大きくなるように形成され、基部は、後縁部よりも前縁部に近い最大肉厚位置で最大肉厚を持ち、翼弦長中間位置で第１肉厚を持ちかつ翼弦の外周端から翼弦長の５％だけ離れた位置で第２肉厚を持ち、第１肉厚を最大肉厚で割った値が第２肉厚を第１肉厚で割った値よりも大きくなるように形成されている。

第１観点に係るクロスフローファンの翼によれば、吹出し時における翼付近の流れに関して、最大肉厚位置が翼中間よりも内周側に存在することで、翼の前縁部から後縁部までの負圧面での流れの剥離が抑制され、前縁部から後縁部への流れを促進して乱流が抑えられ、N音のような低周波狭帯域騒音が低減される。さらに、翼中間付近までは肉厚がなだらかに減少することから負圧面での翼面曲率が大きくならないので、負圧面側での流れの剥離が生じかけても気流が負圧面にすぐに再付着して翼中間までの剥離を抑えることができる。さらに翼中間から後縁部までは肉厚が急に薄くなるので、翼中間から後縁部まで翼間流路幅を広く維持することで効率よく広い流路幅を活用して翼間における吹出し風速が低減できる。

また、基部は、最大肉厚位置が内周端から翼弦長の５％以上４５％以下の範囲に位置する、ものである。

その結果、最大肉厚位置が内周端から翼弦長の５％以上４５％以下の範囲に位置することで、剥離の抑制と翼間の風速の低減による比較的良い効率の改善が見られる。

また、基部は、第１肉厚を最大肉厚で割った値に対する第２肉厚を第１肉厚で割った値の比の値が、０．８５以下に設定されている、ものである。

その結果、第１肉厚を最大肉厚で割った値に対する第２肉厚を第１肉厚で割った値の比の値が、０．８５以下に設定されていることで、剥離の抑制と翼間の風速の低減による比較的良い効率の改善が見られる。

本発明の第１観点に係るクロスフローファンの翼では、クロスフローファンの低騒音化と高効率化が達成される。また、高効率化の向上が容易になる。

空気調和装置の室内機の概要を示す断面図。 実施形態に係るクロスフローファンの羽根車の概要を示す斜視図。 実施形態の翼の断面形状を説明するための部分拡大平面図。 最大肉厚位置と効率改善量との関係を説明するためのグラフ。 （γ/β）と（β/α）の比と効率改善量との関係を説明するためのグラフ。 従来の翼の断面形状を説明するための部分拡大平面図。 低次数狭帯域周波数騒音の低減効果を説明するためのグラフ。 実施形態の翼の周囲を流れる気流を説明するための概念図。 従来の翼の周囲を流れる気流を説明するための概念図。 従来の翼の周囲を流れる気流を説明するための概念図。

（１）室内機内のクロスフローファン
以下、本発明の一実施形態に係る多翼ファンについて、空気調和装置の室内機に設置されるクロスフローファンを例に挙げて説明する。図１は、空気調和装置の室内機１の断面の概略を示す図である。室内機１は、本体ケーシング２とエアフィルタ３と室内熱交換器４とクロスフローファン１０と垂直フラップ５及び水平フラップ６とを備えている。

図１に示されているように、本体ケーシング２の天面の吸込口２ａの下流側には、吸込口２ａに対向してエアフィルタ３が配置されている。エアフィルタ３のさらに下流側には室内熱交換器４が配置されている。室内熱交換器４は、前面側熱交換器４ａと背面側熱交換器４ｂとが側面視において逆Ｖ字状になるように連結されて構成される。前面側熱交換器４ａも背面側熱交換器４ｂも、多数のプレートフィンを室内機１の幅方向に互いに平行に並べて伝熱管に取り付けることにより構成されている。吸込口２ａを通過して室内熱交換器４に到達する室内空気は、全てエアフィルタ３を通過して塵埃を除去される。そして、吸込口２ａから吸込まれ、エアフィルタ３を通過した室内空気が前面側熱交換器４ａ及び背面側熱交換器４ｂのプレートフィンの間を通り抜ける際に熱交換が生じて空気調和が行われる。

室内熱交換器４の下流側には、略円筒形状のクロスフローファン１０が、本体ケーシング２の幅方向に長く延びるように設けられている。このクロスフローファン１０は、室内熱交換器４に平行に配置されている。クロスフローファン１０は、逆Ｖ字状の室内熱交換器４に挟まれるように囲まれている空間に配置されている羽根車２０と、羽根車２０を駆動するためのファンモータ（図示せず）とを備えている。このクロスフローファン１０は、図１の矢印が示す方向Ａ１（時計回り）に羽根車２０を回転して室内熱交換器４から吹出口２ｂに向かう気流を発生させる。つまり、クロスフローファン１０は、気流がクロスフローファン１０を横切る横流ファンである。

クロスフローファン１０の下流の吹出口２ｂに繋がる吹出通路は、背面側をスクロール部材２ｃで構成されている。スクロール部材２ｃの下端は、吹出口２ｂの開口部の下辺に連結されている。スクロール部材２ｃの案内面は、クロスフローファン１０から吹出される空気を吹出口２ｂにスムーズにかつ静かに導くために、断面視において、クロスフローファン１０の側に曲率中心を持つ滑らかな曲線形状を呈している。クロスフローファン１０の前面側には、舌部２ｄが形成されており、舌部２ｄから続く吹出通路の上面が吹出口２ｂの上辺に連結されている。吹出口２ｂから吹出される気流の方向は、垂直フラップ５と水平フラップ６によって調節される。

（２）クロスフローファンの羽根車の構造
図２には、クロスフローファン１０の羽根車２０の概略構造が示されている。羽根車２０は、例えば、エンドプレート２１，２４と複数のファンブロック３０とが接合されて構成される。この例では７つのファンブロック３０が接合されている。羽根車２０の一端にエンドプレート２１が配置され、軸心Ｏ上に金属製の回転軸２２を有している。そして、各ファンブロック３０は、それぞれ、複数の翼４０と円環状の支持プレート５０とを備えている。

（３）クロスフローファンの翼の構造
図３には、一つのファンブロック３０の支持プレート５０上に固定されている複数の翼４０が示されている。支持プレート５０は、円環状であって、クロスフローファン１０の内周側にある内周端５１と外周側にある外周端５２とを有している。各翼４０は、基部４１と前縁部４２と後縁部４３とを備えている。そして、一つのファンブロック３０に配置されている全ての翼４０には、支持プレート５０に平行な平面で切断した断面において、次のような断面形状が共通に採用されている。一つのファンブロック３０に配置されている全ての翼４０は、内周端５１及び外周端５２と同心円状の一つの内接円ＩＬ及び一つの外接円ＯＬに接するように配置されている。

前縁部４２は、翼４０の内周側に凸の滑らかな円弧状を描くように形成され、断面円弧状の表面を持っている。後縁部４３は、翼４０の外周側に凸の滑らかな円弧状を描くように形成され、断面円弧状の表面を持っている。基部４１は、前縁部４２と後縁部４３との間に形成され、正圧面４１ｐと負圧面４１ｎとを有している。基部４１は、正圧面４１ｐで正圧を発生し、負圧面４１ｎで負圧を発生する。

翼４０は、クロスフローファン１０の中心軸Ｏに直交し、中心軸Ｏから外周に向かって放射状に延びる放射状の線ＲＬに対してθだけ傾いている。ここで、翼４０の傾きθは、翼４０の内周側の接線ＴＬと放射状の線ＲＬとのなす角で定義される。

翼４０の正圧面４１ｐも負圧面４１ｎも、断面が外周側に膨らんだなだらかな弧を描くように湾曲している。翼４０が放射状の線ＲＬに対して傾きθを持っているため、正圧面４１ｐの弧の曲率中心も、負圧面４１ｎの弧の曲率中心も内周面側に位置している。

翼弦長ＣＬは、前縁部４２の前端から後縁部４３の後端までの長さである。具体的には、翼４０の内周側の接線ＴＬを内周側と外周側に延長し、接線ＴＬに立てた前縁部４２と接する垂線ＰＬ１及び、接線ＴＬに立てた後縁部４３と接する垂線ＰＬ２を引く。これら垂線ＰＬ１から垂線ＰＬ２までの長さが翼弦長ＣＬになる。

翼４０は、基部４１の肉厚、つまり正圧面４１ｐと負圧面４１ｎの距離が内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に変化している。そのため、基部４１の肉厚が最大になるところが一箇所存在する。以下、基部４１の肉厚が最大となる位置を最大肉厚位置と呼ぶ。なお、この明細書において基部４１の肉厚とは、正圧面４１ｐに対して垂直な方向における正圧面４１ｐと負圧面４１ｎの間隔と定義する。最大肉厚位置は、正圧面４１ｐと負圧面４１ｎの中間位置から翼弦長ＣＬを定義する接線ＴＬに下ろした垂線の足の位置で表す。

クロスフローファン１０の性能は、翼４０の断面形状に大きな影響を受ける。次に、クロスフローファン１０の高い性能を引き出すための翼４０の断面形状について説明する。各翼４０は、前縁部４２の円弧の半径Ｒ１が後縁部４３の円弧の半径Ｒ２よりも大きくなるように形成されている。例えば、Ｒ１／Ｒ２＞１．５、さらに好ましくはＲ１／Ｒ２＞１．７５の関係を持つように、前縁部４２の円弧の半径Ｒ１と後縁部４３の円弧の半径Ｒ２が設定されている。翼４０の最大肉厚位置Ｍｘｐは、後縁部４３よりも前縁部４２に近い位置にある。つまり、最大肉厚位置Ｍｘｐは、翼弦長中間位置ＣＬｍよりも前縁部４２に近い側に位置する。翼４０は、翼弦長中間位置ＣＬｍにおける肉厚を中間肉厚βとして翼弦の外周端ＣＬｐから翼弦長ＣＬの５％だけ離れた外周側位置ＣＬ５の肉厚を外周側肉厚γとすると、最大肉厚αとこれらの肉厚との間に、β／α＞γ／βの関係が成り立つような断面形状を有している。

（４）翼の構造と効率改善の関係
図４には、最大肉厚位置Ｍｘｐと効率改善量との関係が示されている。横軸は、翼弦の内周端ＣＬｉを基準とする最大肉厚位置Ｍｘｐが翼弦長ＣＬに対する比で表されている。また、縦軸は、図６に示されている従来の形状を持つ翼１４０の軸動力からの低下割合が表されている。つまり、所定の風量を得るのに必要な従来の翼１４０を用いた従来のクロスフローファン１００の軸動力ＳＰｏとし、同じ風量を得るのに必要な翼４０を用いたクロスフローファン１０の軸動力ＳＰｎとすると、低下割合は、（ＳＰｏ−ＳＰｎ）／ＳＰｏ×１００（％）で与えられる。なお、図３に示されている翼４０は、（γ/β）/(β/α)の値が０．６４に設定されている。

図６に示されている従来のクロスフローファン１００については、内接円ＩＬ９の半径がクロスフローファン１０の内接円ＩＬの半径にほぼ等しく、外接円ＯＬ９の半径がクロスフローファン１０の外接円ＯＬの半径にほぼ等しい。各翼１４０の翼弦長ＣＬ９も翼４０の翼弦長ＣＬにほぼ等しく、翼１４０の傾きθ９（翼１４０の内周側の接線ＴＬ９と放射状の線ＲＬ９とのなす角）も翼４０の傾きθにほぼ等しい。図６の翼１４０は、前縁部１４２の半径Ｒ９１と後縁部１４３の半径Ｒ９２がほぼ同じである点が、図３の翼４０と異なっている。また、翼１４０の最大肉厚位置Ｍｘｐ９は、翼弦長ＣＬ９の中間位置ＣＬｍ９の近傍であって中間位置ＣＬｍ９よりも外周側に配置されている。このような配置になっているため、翼１４０は、内周側と外周側に向かって同じように肉厚が減少するような三日月形の断面形状になっている。

図４に示されているように、内周端ＣＬｉから最大肉厚位置Ｍｘｐまでの距離は、翼弦長ＣＬの５％から４５％の範囲に設定されることが好ましいことが分かる。内周端ＣＬｉから最大肉厚位置Ｍｘｐまでの距離が翼弦長ＣＬの５％から４５％の範囲にあると０．８〜１．３％程度の効率改善量が見込めるが、この範囲を外れると効率改善量が急激に低下するからである。

図５には、（γ/β）と（β/α）の比と効率改善量との関係が示されている。図５の改善量は、特許文献１の翼のように最大肉厚位置が４％の箇所にあって前縁部の半径が翼４０の前縁部４２の半径Ｒ１とほぼ等しくかつ後縁部の半径が翼４０の後縁部４３の半径Ｒ２とほぼ等しい比較対象の翼の軸動力からの低下割合である。この比較対象の翼は、最大肉厚位置と後縁部の間の正圧面及び負圧面の断面が一つの円弧を描き、一様に肉厚が減少するような断面形状を有している。なお、図３に示されている翼４０は、最大肉厚位置Ｍｘｐが１７％の箇所に設定されている。

図５から分かるように、（γ/β）/（β/α）が０．８５以下に設定されると、効率改善量が１％より大きな値になる。このように（γ/β）/（β/α）は０．８５以下であることが好ましい。

（５）特徴
以上説明したように、クロスフローファン１０の翼４０は、前縁部４２の半径Ｒ１が後縁部４３の半径Ｒ２よりも大きくなるように形成されている。また、翼４０の基部４１は、後縁部４３よりも前縁部４２に近い最大肉厚位置Ｍｘｐで最大肉厚αを持っている。また、翼４０は、翼弦長中間位置ＣＬｍで肉厚β（第１肉厚の例）を持ちかつ翼弦の外周端ＣＬｐから翼弦長の５％だけ離れた外周側位置ＣＬ５で肉厚γ（第２肉厚の例）を持っている。そして、翼弦長中間位置ＣＬｍの箇所の肉厚βを最大肉厚αで割った値が外周側位置ＣＬ５の肉厚γを肉厚βで割った値よりも大きくなるように形成されている。つまり、β／α＞γ／βの関係を持つように翼４０の断面形状が形成されている。

そして、翼４０の基部４１は、最大肉厚αが内周端から翼弦長ＣＬの５％以上４５％以下の範囲に位置するように形成されている。つまり、５≦（内周端ＣＬｉから最大肉厚位置Ｍｘｐ間での距離）／ＣＬ×１００≦４５の関係を持つように、基部４１が形成されている。また、基部４１は、翼弦長中間位置ＣＬｍの箇所の肉厚βを最大肉厚αで割った値に対する外周側位置ＣＬ５の肉厚γを肉厚βで割った値の比（（γ／β）／（β／α））の値が、０．８５以下に設定されている。

図８には、翼４０の周囲を流れる気流が概念的に示されている。また、図９には、上述の図４の効率改善量の基準となった翼１４０（図６参照）の周囲を流れる気流が概念的に示されている。さらに、図１０には、上述の図５の効率改善量の基準となった翼２４０の周囲を流れる気流が概念的に示されている。なお、図８、図９及び図１０において、二点鎖線よりも翼側が比較的気流の速度の遅くなっている部分である。

翼４０が上述のような形状を持っている結果、吹出し時における翼付近の流れに関して、最大肉厚位置Ｍｘｐが翼弦長中間位置ＣＬｍよりも前縁部４２に近い位置つまり翼中間よりも内周側に存在することで、翼４０の前縁部４２から後縁部４３までの負圧面４１ｎ（図８の領域Ａｒ１）での流れの剥離が抑制される。さらに、翼中間付近までは肉厚がなだらかに減少することから負圧面での翼面曲率が大きくならないので、負圧面側での流れの剥離が生じかけても気流が負圧面にすぐに再付着して翼中間までの剥離を抑えることができる。それに対して、図９に示されている従来の翼１４０では、翼１４０の最大肉厚の部分から急激に肉厚が薄くなるため、この領域Ａｒ２で剥離が生じ易い。図１０に示されている従来の翼２４０では、翼２４０の最大肉厚の部分が前縁部に近くかつ最大肉厚の部分から肉厚が薄くなり始めるため、前縁部に流れが衝突した後の領域Ａｒ３で、翼面の大きな曲率によりすぐに剥離が生じ、翼中間位置よりも外周側で再付着せずに下流側に向けて剥離したままの状態となる可能性が高くなっている。

上述の翼４０では、前縁部４２から後縁部４３への流れが促進されて乱流が抑えられ、N音のような低周波狭帯域騒音が低減される。具体的に図３に示されている翼４０と図６に示されている翼１４０を比較すると、低周波狭帯域騒音N音も図７に示されているように低減される。特に、図７の二点鎖線で囲まれている部分に、従来の翼１４０から実施形態の翼４０に変更したことによるＮ音の顕著な低減効果が見られる。

１０ クロスフローファン
３０ ファンブロック
４０ 翼
４１ 基部
４１ｐ 正圧面
４１ｎ 負圧面
４２ 前縁部
４３ 後縁部
５０ 支持プレート

特許第３６６１５７９号公報 特開平５−７９４９２号公報

Claims (1)

1. クロスフローファン（１０）の内周側に配置され、円弧状に形成されている前縁部（４２）と、
   前記クロスフローファンの外周側に配置され、円弧状に形成されている後縁部（４３）と、
   前記前縁部と前記後縁部との間に形成され、正圧を発生するための正圧面（４１ｐ）及び負圧を発生するための負圧面（４２ｎ）を有し、前記正圧面と前記負圧面の距離が内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に変化している基部（４１）と
   を備え、
   前記前縁部及び前記後縁部は、前記前縁部の半径が前記後縁部の半径よりも大きくなるように形成され、
   前記基部は、前記後縁部よりも前記前縁部に近い最大肉厚位置で最大肉厚を持ち、翼弦長中間位置で第１肉厚を持ちかつ翼弦の外周端から翼弦長の５％だけ離れた位置で第２肉厚を持ち、前記第１肉厚を前記最大肉厚で割った値が前記第２肉厚を前記第１肉厚で割った値よりも大きくなるように形成され、かつ
   前記基部は、前記第１肉厚を前記最大肉厚で割った値に対する前記第２肉厚を前記第１肉厚で割った値の比の値が、０．８５以下に設定され、かつ
   前記基部は、前記最大肉厚位置が内周端から翼弦長の５％以上４５％以下の範囲に位置する、クロスフローファンの翼。

Images