JP5980180B2 - 軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の翼を備えた軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機に関するものである。

従来の軸流ファンの模式図を図２１に示す。
図２１（ａ）は、流体の流れの上流側から見た斜視図である。
図２１（ｂ）は、流体の流れの下流側から見た正面図である。
図２１（ｃ）は、流体の流れの上流側から見た正面図である。
図２１（ｄ）は、軸流ファンの回転軸の側方から見た側面図である。

従来の軸流ファンは、図２１に示すように円筒状のボス２の周面に沿って複数枚の翼１を備えており、ボス２に与えられる回転力にともなって回転方向３の方向に翼１が回転し、流体の流れ方向５に流体を搬送するもので、翼１の前縁側及び後縁側を回転方向に向かって凹状に湾曲するように形成している。このような構成は、例えば特許文献１などにも開示されている。

軸流ファンは、翼１が回転することで、翼間に存在している流体は翼面に衝突する。流体が衝突する面は圧力が上昇し、流体を回転軸方向に押し出して移動させる。
また、翼１を回転することによって流体は翼１の形状と遠心力の影響を受けるため、回転軸２ａ方向の流速の速い領域は、図２２に示すように翼１の半径方向で外周側に偏ることが知られている（図２１に示す形状の軸流ファンにおける流速分布の実測値として、冷凍空調学会誌２００９年７月号第８４巻第９８１号Ｐ．３４の図１３（ｄ）を参照のこと）。
そして、軸流ファンはベルマウス１３の内部に設置されているので流体の流れは半径方向に広がらず回転軸方向に流れることとなる。

ここで、図２１で示すような軸流ファンの翼１の軸方向の流速分布が場所によって異なる場合の圧力損失について説明する。
はじめに、流体の圧力損失をξとすると、

で表される（ここでＣは圧力損失係数で、開放空間の場合はおよそ１となり、ρは空気の密度、ｖは流速を表す）。

流体の速度分布が翼の半径方向の位置によって異なるため、流体を微小領域に分けて圧力損失ξを計算する。
まず、微小領域の流体の流速Ｖｒｍｓの二乗は、平均流速Ｖａｖｅの二乗と標準偏差σの二乗との和となるから、数式２で表される。

ここで、Ｖａｖｅは、流体の平均流速［ｍ／ｓ］、
σは、平均流速からのズレをあらわす指標である標準偏差［ｍ／ｓ］である。
すると、流体の圧力損失ξは、微小領域の流速の二乗和となり、以下に数式３で示す。
微小領域の数は、翼１の半径方向の領域を等分割した数（ここでは１０）である。

ρは、空気の密度［ｋｇ／ｍ^３］、
ｖ１〜ｖ１０は、半径方向を１０等分に分割した場合の局所平均流速［ｍ／ｓ］、
Ｖａｖｅは、平均流速［ｍ／ｓ］、
σは、平均流速からのズレをあらわす指標である標準偏差［ｍ／ｓ］である。

数式２、３から平均流速からのズレをあらわす指標である標準偏差σ［ｍ／ｓ］を求める数式４を得る。

よって、数式３から圧力損失ξを低減するにはσをゼロにすれば良いことが理解できる。つまり、速度分布の速い所を減らし、遅い所を増やして速度分布を均し、理想的には翼の半径方向の位置における回転軸向きの速度分布がフラット（どの場所でも同じ流速＝一様流）であることが圧力損失の観点から有利なことがわかる。

特開２０１２−１２９４２号公報（図４等を参照）

このように、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布が一様であれば軸流ファンの圧力損失を低減することが可能であるが、図２１に示すような従来の軸流ファンの例では、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布が翼の外周側で速い不均一な分布となっているため、吹出した際の圧力損失が大きくなり、軸流ファンの回転に必要な駆動力が大きくなって、ファンモーターの消費電力が増加してしまうという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、軸流ファンの翼の内周側と外周側の羽根面積を増減させて形状を工夫し、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布をフラットに調整することで、ファンから吐出された風の圧力損失を低減し、駆動モーターの消費電力を削減することができる軸流ファン、及び、その軸流ファンを有する空気調和機を得ることを目的とする。

本発明に係る軸流ファンは、複数の翼が回転して、流体を搬送する軸流ファンであって、前記翼の回転方向における前進側の前縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、回転方向の後進向きに凸形状となる第１湾曲部が形成され、前記第１湾曲部は、回転軸に対して垂直に引いた仮想線と前記第１湾曲部とが接する接点としての前縁最後進点を有し、前記翼の回転方向における後進側の後縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、前記後縁の内周側に位置し回転方向の後進向きに凸形状となる第２湾曲部と、前記後縁の外周側に位置し回転方向の前進向きに凸形状となる第３湾曲部とが形成され、前記第３湾曲部は、回転軸に対して垂直に引いた仮想線と前記第３湾曲部とが接する接点としての後縁最前進点を有し、前記第２湾曲部は、前記回転軸と前記後縁最前進点を通る仮想線からの垂直距離が最大となる後縁最後進点を有し、前記回転軸の同心円のうち前記前縁最後進点を通る第１同心円と前記後縁との交点である第１交点は、前記後縁最後進点と前記後縁最前進点との間に配置され前記第２湾曲部と前記第３湾曲部とは、湾曲方向が異なる変曲点で接続され、前記第１同心円上に前記前縁最後進点と前記変曲点が配置されるものである。

本発明に係る軸流ファンによれば、翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布がフラットになるので、軸流ファンから吹き出した後の流体の圧力損失が低減され、軸流ファンを回転させるための駆動力を低減することができる。
なお、以降に記載の「プロペラファン」は「軸流ファン」の一例として記載する。

実施の形態１におけるプロペラファンの斜視図である。 実施の形態１におけるプロペラファンの正面図及び側面図である。 実施の形態１における翼弦中心線の位置を説明する図である。 実施の形態１におけるプロペラファンの翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布を示した図である。 本実施の形態２におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。 本実施の形態３におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。 プロペラファンの送風性能を示すＰ−Ｑ線図である。 プロペラファンの翼における圧力面側の限界流線を示した図である。 本実施の形態４におけるプロペラファンの側面図に翼弦中心線の位置を記載した図である。 実施の形態１に係る前傾形のプロペラファンの速度分布と、実施の形態４に係る後傾形のプロペラファンの速度分布とを比較した図である。 実施の形態４におけるプロペラファンをモーターサポートに取り付けた際の側面図である。 本発明のプロペラファンのウイングレットを説明する図である。 本発明のプロペラファンの翼における後縁の断面形状を説明する図である。 本発明のプロペラファンの翼における後縁の断面形状を説明する断面図である。 本発明の翼の後縁とボスとの接続位置の斜視図である。 本発明の翼が回転した際に翼の後縁とボスとが接続する接続部にかかる力を説明した図である。 本発明のプロペラファンの梱包状態を示す模式図である。 本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための模式図である。 本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための正面図である。 本発明のプロペラファンを採用した空気調和機の室外ユニットを示す斜視図である。 従来のプロペラファンの形状を説明するための模式図である。 従来のプロペラファンの翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布を示す図である。

実施の形態１．
図１、２において実施の形態１におけるプロペラファンの構造を説明する。
図１（ａ）は、実施の形態１におけるプロペラファンの流体流れ方向の上流側から見た斜視図である。
図１（ｂ）は、実施の形態１におけるプロペラファンの流体流れ方向の下流側から見た斜視図である。
図２（ａ）は、実施の形態１におけるプロペラファンの流体流れ方向の上流側から見た正面図である。
図２（ｂ）は、実施の形態１におけるプロペラファンの流体流れ方向の下流側から見た正面図である。
図２（ｃ）は、実施の形態１におけるプロペラファンの回転軸の側方から見た側面図である。

実施の形態１のプロペラファンは、モーター等で回転する駆動軸が係合する円筒形状のボス２を中心にしてボス２の周壁に複数の翼１を固定した形状をしている。翼１はボス２の回転軸２ａに対して所定角度傾いて形成されており、プロペラファンの回転に伴って翼間に存在している流体を翼面で押して流体の流れ方向５に搬送する。この際、翼面のうち流体を押して圧力が上昇する面を圧力面１ａとし、圧力面１ａの裏面で圧力が下降する面を負圧面１ｂとする。

翼１は、ボス２に伝達される回転力によって回転方向３で示す向きに回転する。すると、翼間に存在する流体は、流入方向４の方向で翼１の圧力面１ａ側に流入することとなる。
翼１は、翼１の回転方向３における前進側の前縁１０と、翼１の回転方向３における後進側の後縁２０と、翼１の外周にあたる外周縁１２により形状が規定されている。

次に、翼１をボス２の回転軸方向に投影したときの翼１の形状を説明する。
図２（ａ）に示すように、翼１の前縁１０には、翼１をボス２の回転軸方向に投影したときに、回転方向３の後進向きに凸形状となる第１湾曲部１０ａが形成されている。
前縁１０の第１湾曲部１０ａは、ボス２の回転軸２ａに対して垂直に引いた仮想線８と第１湾曲部１０ａとが接する接点としての前縁最後進点１１を有している。
すなわち、前縁最後進点１１は、第１湾曲部１０ａとボス２の回転軸２ａに対して垂直に引いた仮想線８との交点の中で回転方向３の後進向きに最も進んだ点として定義される。
そして、翼１には、仮想線８が前縁最後進点１１を通る際に、仮想線８Ａと前縁１０とボス２の周面とで囲われる略三角形状の領域Ｐが形成される。図２（ａ）に領域Ｐをハッチングで示す。

また、翼１の回転方向３における後進側の後縁２０には、翼１をボス２の回転軸２ａ方向に投影したときに、後縁２０の内周側に位置し回転方向３の後進向きに凸形状となる第２湾曲部２０ａと、後縁２０の外周側に位置し回転方向３の前進向きに凸形状となる第３湾曲部２０ｂとが形成されている。
第３湾曲部２０ｂは、ボス２の回転軸２ａに対して垂直に引いた仮想線８Ｂと第３湾曲部２０ｂとが接する接点としての後縁最前進点２３を有している。
また、第２湾曲部２０ａは、ボス２の回転軸２ａと後縁最前進点２３を通る仮想線８Ｂからの垂直距離が最大となる後縁最後進点２４を有している。
そして、前縁最後進点１１を通るボス２の回転軸２ａの同心円である第１同心円９ａと後縁２０との交点である第１交点２５は、後縁最後進点２４と後縁最前進点２３との間に配置されている。

すなわち、翼１の後縁２０の内周側には、第２湾曲部２０ａと第１交点２５を通る仮想線８Ｃとで囲まれ、仮想線８Ｃに対して翼１の面積を増大する領域Ｑが形成される。図２（ａ）に領域Ｑをハッチングで示す。
また、翼１の後縁２０の外周側には、第３湾曲部２０ｂと第１交点２５を通る仮想線８Ｃとで囲まれ、仮想線８Ｃに対して翼１の面積を削減する領域Ｒが形成される。

次に、翼１をボス２の回転軸２ａに垂直な方向から投影したときの翼１の形状を説明する。
図２（ｃ）には、翼弦中心線６と翼弦中心線６がボス２の周面にあたる場所からボス２の回転軸２ａに垂直な方向に延びた垂直面７とが示されている。また、流体が流れる方向は流体の流れ方向５の方向である。
図３は、実施の形態１における翼弦中心線６の位置を説明する図である。
翼弦中心線６は、図３に示すように、前縁１０及び後縁２０とボス２の回転軸２ａを中心とする同心円９との各交点間における該同心円９上の中間点を結んだ曲線として規定されている。
実施の形態１では、翼１は、翼弦中心線６が垂直面７よりも流体の流れの上流側に配置される形状を備えている（以降前傾形という）。

このように構成されたプロペラファンにおける翼１の軸方向の速度分布を図４を用いて説明する。
図４は、実施の形態１におけるプロペラファンの翼の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布を横軸に示した図である。
破線の速度分布（前傾形）３０は、翼１に領域Ｐ、Ｑ、Ｒが無い場合の速度分布を示し、実線の速度分布（前傾形、形状補正）３１は、翼１に領域Ｐ、Ｑ、Ｒがある場合の速度分布を示している。
本実施の形態１では、翼面上に領域Ｐ、Ｑ、Ｒを設定したので、速度分布は、領域Ｐの影響で流速が増える領域Ｖｐ、領域Ｑの影響で流速が増える領域Ｖｑ、領域Ｒの影響で流速が減る領域Ｖｒの各増減効果を得ることとなる。

すると、翼１に領域Ｐ、Ｑ、Ｒがない場合には、翼１の外周側の流速が大きくなっていたのに対して、翼１に領域Ｐ、Ｑ、Ｒを設けた場合には、翼１の内周側に流速の速い領域が形成され、また、翼１の外周側の流速の速い領域の速度が抑えられているのがわかる。
このように、流速分布がフラットになるので、プロペラファンから吹き出した後の風の圧力損失が低減され、プロペラファンを回転させるための駆動力を低減することができるので、モーターの消費電力を削減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、プロペラファンの翼１の形状として、前縁最後進点１１を通るボス２の回転軸２ａの第１同心円９ａと後縁２０との交点である第１交点２５が、後縁最後進点２４と後縁最前進点２３との間に配置された例をあげたが、本実施の形態２は、実施の形態１の構成を、さらに第１交点２５と後縁２０の形状の関係について特定したものである。

図５は、本実施の形態２におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。
図５において、実施の形態１と同様の定義として、翼１は、前縁最後進点１１、後縁最前進点２３、後縁最後進点２４、第１交点２５を備えている。
ここで新たに、後縁２０の第２湾曲部２０ａと第３湾曲部２０ｂが接続する点を変曲点２６とする。

本実施の形態２では、第１交点２５と変曲点２６とを後縁２０上で同一位置とした翼１の形状としている。つまり、前縁最後進点１１を通る回転軸２ａの第１同心円９ａ上に変曲点２６が位置することとなる。

ここで、領域Ｐは翼１の内周側の風量を増加させ、領域Ｒは翼１の外周側の風量を減少させて速度分布の一様化をすることは前述した。つまり、領域Ｐと領域Ｒは風量の増減に対して反対の効果を奏するため、第１交点２５よりも変曲点２６が内周側にある場合は、領域Ｐが増やした流量を領域Ｒで減らすことになる。
これは、前縁１０で増やした流量を後縁２０で無駄に減らすことになり、翼１の速度分布の均一化という視点から非効率的である。

本実施の形態２では、前縁最後進点１１と変曲点２６とを第１同心円９ａ上に配置しているので、前縁１０で増やした流量を後縁２０で減らすような無駄が生じない。よって、流量の少ない領域だけを効率的に増やし、流量の多い所は効率的に減らすことが出来るので、速度分布の均一化を図ることが可能となり、プロペラファンが回転する際の駆動力を低減することができるので、モーターの消費電力を削減することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態１及び２の第１交点２５と後縁２０の形状の関係について、さらに特定したものである。

図６は、本実施の形態３におけるプロペラファンを流体の流れ方向の上流側から見た正面図である。
図６において、実施の形態１及び２と同様の定義として、翼１は、前縁最後進点１１、後縁最前進点２３、後縁最後進点２４、第１交点２５、変曲点２６を備えている。

図７は、プロペラファンの送風性能を示すＰ−Ｑ線図である。
一般的に、プロペラファンの送風性能は、図７に示すような流体の圧力（静圧）と単位時間あたりの風量の関係（Ｐ−Ｑ線図）で表される。プロペラファンの風路に抵抗が多く存在すると、圧力損失カーブが通常圧損曲線Ａから高圧損曲線Ｂへと立ち上がり、プロペラファンの能力特性曲線Ｃとの交点である動作点も移動することが知られている。高圧損曲線Ｂは、流路の圧力損失を通常圧損曲線Ａの２倍に設定したものである。
通常圧損曲線Ａと能力特性曲線Ｃとの交点が通常動作点となり、高圧損曲線Ｂと能力特性曲線Ｃとの交点が高圧損動作点となる。

図８は、流路の圧力損失が低い場合と高い場合とで、翼１の圧力面１ａ側の翼表面の限界流線１４を数値流体解析したものを示した図である。ここで限界流線１４とは、表面近傍に流れている流速のベクトルを線で繋いだものである。
図８（ａ）は、通常動作点における圧力面１ａ側での限界流線１４の模式図であり、図８（ｂ）は、高圧損動作点における限界流線１４の模式図である。
さらに、図８（ｂ）における点線は、通常動作点における限界流線１４を示している。
高圧損動作点の場合は、通常動作点の場合と比べて、限界流線１４が翼１の外周側へ移動していることがわかる。

つまり、プロペラファンを運転したときに、その流路の抵抗により圧力損失が大きく、高静圧のファンを必要とする場合、その翼１上での限界流線１４は、図８（ｂ）に示すように前縁最後進点１１から流入した流体が、前縁最後進点１１より翼１の同心円上で外周側にずれ、後縁２０から離脱する軌跡を描くこととなる。

そこで、本実施の形態３に係る翼１は図６のように、回転軸２ａから翼１の外周縁１２までの長さで表されるプロペラファンの半径がｒのときに、回転軸２ａを中心として前縁最後進点１１を通る第１同心円９ａと後縁２０との交点を第１交点２５とし、第１同心円９ａの半径よりも０．１ｒ長い長さの半径を有する第２同心円９ｂと後縁２０との交点を第２交点２７とすると、第１交点２５と第２交点２７との間に第２湾曲部２０ａと第３湾曲部２０ｂとが接続する変曲点２６が配置される構成としたものである。
なお、前縁最後進点１１から流入した流体の限界流線１４の軌跡は、第１同心円９ａの半径に対して０．１ｒ長い長さの半径を有する第２同心円９ｂの内周側の範囲で外周側にずれて流れることが数値流体解析結果により判明している。

以上のように、本実施の形態３は、変曲点２６を第１交点２５よりも翼１の外周方向に設けたことで、限界流線１４が外周側にずれても領域Ｐで増加した風量を領域Ｒで減らしてしまうことがない。
すなわち、第１交点２５と第２交点２７との間に変曲点２６を設けた翼１の形状としたので、限界流線１４が翼１の外周側にずれてしまう高静圧形のプロペラファンとして使用する際にも流体の流速分布をフラットにすることができ、プロペラファンから吹出される流体の圧力損失が低減され、プロペラファンを回転させるための駆動力が低減されるので、モーターの消費電力が削減される。

実施の形態４．
実施の形態１では、プロペラファンの翼１が前傾形である場合について説明したものであるが、実施の形態４では、プロペラファンの翼１が後傾形である場合を説明する。

図９（ａ）は、本実施の形態４のプロペラファンの側面図に翼弦中心線６の位置を記載した図である。
図９（ａ）において、翼弦中心線６がボス２の周壁にあたる当接点６ａからボス２の回転軸に垂直な方向に延びた垂直面７を引くと、翼弦中心線６は垂直面７よりも流体の流れの下流側に位置している。
よって、実施の形態４では、翼１は、翼弦中心線６が垂直面７よりも流体の流れの下流側に配置される形状を備えている（以降後傾形という）。
比較のため、図９（ｂ）で示す前傾形のプロペラファンの場合は、垂直面７から流体の流れの上流側に翼弦中心線６が位置している。

図９（ａ）で示す矢印は、翼１が回転した場合に流体が押される方向１５であり、翼１の内周側に向かって傾斜（＝閉じた流れ）して流れる。
比較のため図９（ｂ）の前傾形のプロペラファンでは逆に、空気が押される方向は翼１の外周側に向かって傾斜（＝開いた流れ）して流れる。

次に、図１０において、前傾形と後傾形のプロペラファンの回転軸に垂直な方向の速度分布の違いについて説明する。
前傾形のプロペラファンの速度分布は図４で示したように、翼１の領域Ｐ、Ｑ、Ｒの速度増減の効果によりフラットに近づき改善はしているものの、まだ翼１の外周側に速い領域を残している。
図１０（ａ）は、前傾形のプロペラファンの速度分布（前傾形）３０と、後傾形のプロペラファンの速度分布（後傾形）３２として比較した図である。
速度分布の最も高い（＝風量が多い）場所は、前述したように風が翼１に押される方向が異なるため、後傾形は前傾形よりもピークの位置が翼１の内周側に寄る傾向がある。

図１０（ｂ）及び（ｃ）は、本実施の形態４の後傾形のプロペラファンに実施の形態１に係る翼１の領域Ｐ、Ｑ、Ｒを設けた場合の速度分布（後傾形、形状補正）３３を示している。速度分布は翼面上に領域Ｐ、Ｑ、Ｒを設定したので、実施の形態１と同様に、領域Ｐの影響で流速が増える領域Ｖｐ、領域Ｑの影響で流速が増える領域Ｖｑ、領域Ｒの影響で流速が減る領域Ｖｒの各増減効果を得ることとなり、速度分布（後傾形、形状補正）３３となる。

図１０（ｄ）は、実施の形態１の前傾形のプロペラファンの速度分布（前傾形、形状補正）３１と、実施の形態４の後傾形のプロペラファンの速度分布（後傾形、形状補正）３３を比較した図である。
図示のように本実施の形態４に係る後傾形のプロペラファンは、速度分布が翼１の外周側に広がることを抑えることで、外周側の流速分布のピークが低減され、速度分布をフラットに構成することができる。
したがって、プロペラファンから吐出した風の圧力損失を低減し、送風に必要な駆動力が低減されるので、モーターの消費電力を削減することが可能となる。

なお、後傾形の翼弦中心線６が垂直面７よりも流体の流れの下流側に全て配置された翼形状の例を示したが、翼弦中心線６の長さの７０％が垂直面７よりも流体の流れの下流側に配置されている翼１の形状であれば、上記と同様の機能及び効果を有する。

ここで、実施の形態４に係る後傾形の翼１を備えたプロペラファンをモーターサポート７０に取り付けた際の構成についてさらに説明する。
図１１（ａ）は、実施の形態４におけるプロペラファンをモーターサポート７０に取り付けた際の側面図である。
上記後傾形の翼１は、翼弦中心線６が垂直面７よりも流体の流れの下流側に配置される形状を備えているが、図１１（ａ）に記載した後傾形のプロペラファンは、回転軸方向の長さにおいて、前縁１０の長さＬ２が翼１の長さＬ１の長さの２０％以内の範囲に限定されたものである。

図１１（ｂ）は、比較のため回転軸方向の長さにおいて、前縁１０の長さＬ１２が翼１の長さＬ１１の長さの２０％以内の範囲に入っていない前傾形の翼１を示した側面図である。

図１１（ｃ）は、モーターサポート７０を通過した流体のカルマン渦７１の挙動を示した図である。
図１１（ｄ）は、実施の形態４に係るプロペラファンをモーターサポートに取り付けた送風装置を空気調和機の室外ユニットに内蔵した際の上面断面図である。
図１１（ａ）、（ｂ）に示すプロペラファンが回転すると、モーターサポート７０の下流側で発生したカルマン渦７１の中を翼１が横切ってカルマン渦７１を切断することとなる。
この時、ちぎれたカルマン渦７１は翼１の前縁１０近傍に衝突して、大きな圧力変動が生じる。これはいわゆる空力騒音の発生であり、騒音の増大を招くことで知られている。カルマン渦７１は下流に移動するにつれて弱くなり減衰していく。

図１１（ｂ）に示す前傾形のプロペラファンでは、前縁１０の回転軸方向の長さＬ１２が、翼１の回転軸方向の長さの最大値Ｌ１２の２０％以内に入っていないので、前縁１０の外周側とモーターサポート７０との距離Ｌ１３が短くなり、モーターサポート７０から発生した強いカルマン渦７１の中を翼１が通過して翼１の前縁１０に衝突する。すると、前縁１０で大きな圧力変動が生じて空力騒音が大きくなる。

これに対して、図１１（ａ）に記載された後傾形のプロペラファンでは、前縁１０の回転軸方向の長さＬ１が、翼１の回転軸方向の長さの最大値Ｌ２の２０％以内に入っており、前縁１０の外周側とモーターサポート７０との距離Ｌ３が長くなる。すると、カルマン渦７１の中を翼１が通過してカルマン渦７１を切断しても、カルマン渦７１が移動距離により減衰しているので、空力騒音を抑制することができる。
このようなプロペラファンを図１１（ｄ）のように空気調和機の室外ユニットに内蔵することで騒音の小さいユニットを提供することが可能になる。

＜実施の形態１〜４に係るプロペラファンに適用することができる構成＞
次に、実施の形態１〜４に係るプロペラファンに追加することが可能な翼１の細部の構成を説明する。
［ウイングレット］
実施の形態１〜４における、翼１の外周縁１２の形状について説明する。
図１２（ａ）は、プロペラファンを流体の流れの上流側から見た正面図である。
図１２（ｂ）は、プロペラファンの翼の半径方向の断面図である。
図１２（ａ）、（ｂ）において、翼１の外周縁１２には、流体の流れの上流側に向けて曲折されたウイングレット４０が形成されている。

プロペラファンにおいて、翼１が回転すると翼１の外周縁１２には、高静圧の圧力面１ａ側から低静圧の負圧面１ｂ側に向かう流体の流れが生じ、この流れによって翼端渦が形成される。翼端渦は、螺旋状の渦構造を有している。
先行の翼１にて発生した翼端渦は、後続の翼１に流入して干渉するとともにプロペラファンの周囲に配置されるベルマウスの壁面に衝突して静圧変動を生じさせるため、騒音が増加し、モーター入力が増大する。
ウイングレット４０は、図１２（ｂ）に示すように翼端渦を抑制する効果があり、翼１の高静圧の圧力面１ａ側から低静圧の負圧面１ｂ側に向かう流体の流れをウイングレット４０の曲線部に沿わせてスムーズに流すことができる。

ウイングレット４０を設ける位置は、回転軸２ａを中心とした翼１の半径をｒとすると０．８ｒより外周側に設置することが望ましい。これは、翼端渦を抑制する効果と翼１の曲げ強度を向上させる効果の両方を奏するためである。
このようにウイングレット４０を設けることで翼端渦の発生を抑制し、ベルマウス近傍を翼１が高速で通過した場合の圧力変動が緩和され騒音が低減される。

［後縁の断面形状］
実施の形態１〜４における、翼１の後縁２０の断面形状について説明する。
図１３は、翼１の後縁２０の断面形状を説明する断面図である。
図１３（ａ）は、プロペラファンの断面位置５０を示す正面図である。
図１３（ｂ）は、プロペラファンの断面位置５０を示す斜視図である。
図１３（ｃ）は、図１３（ａ）及び（ｂ）における断面位置５０から見た翼１の断面図である。
図１３（ｄ）は、図１３（ｃ）における翼１の後縁２０の断面拡大図である。

図１３（ｃ）、（ｄ）の翼１の断面は、図１３（ａ）、（ｂ）における断面位置５０から見た翼１の断面形状である。
図１３（ｃ）に示すように翼１は、圧力面１ａと負圧面１ｂとを有している。翼１の後縁２０の断面は、図１３（ｄ）に示すように２つの第１円弧２０ｃと第２円弧２０ｄとで形成されている。
ここで、翼断面は、圧力面１ａ側から連続する第１円弧２０ｃの断面半径ｒ１が、負圧面１ｂ側から連続する第２円弧２０ｄの断面半径ｒ２よりも大きい半径で規定されている。

図１４は、翼１の後縁２０の断面形状を説明する断面図である。
後縁２０の第１円弧２０ｃと第２円弧２０ｄとの断面半径の大小における流体の流れの違いをわかりやすく説明するために、図１４（ａ）に示す翼１の断面は、圧力面１ａ側の第１円弧２０ｃの断面半径ｒ１を小さく（＝ゼロ＝直角）し、負圧面１ｂ側の第２円弧２０ｄの断面半径ｒ２を大きくした場合を示す。逆に、図１４（ｂ）は、圧力面１ａ側の第１円弧２０ｃの断面半径ｒ１を大きくし、負圧面１ｂ側の第２円弧２０ｄの断面半径ｒ２を小さく（＝ゼロ＝直角）設定したものである。

図１４（ａ）、（ｂ）は、翼面近傍の流線を記載しているが、圧力面１ａ側で押された流体は、翼１の後縁２０から離れると流れの方向を変え、その時のズレ角度は図中の角度θで示される。
この際に、図１４（ａ）に示す後縁２０の断面形状では、圧力面１ａ側の第１円弧２０ｃは存在せず、負圧面１ｂ側に断面半径ｒ２の第２円弧２０ｄのみが形成されている。すると、圧力面１ａ側の後縁２０がエッジ形状の断面であるので、流体が後縁２０から離れるときに後縁２０に引っかかり、流体の剥離領域５１が発生する。

実施の形態１〜４に係る翼１は、図１４（ｂ）で示すような圧力面１ａ側の後縁２０に断面半径ｒ１の第１円弧２０ｃを形成したので、流体の流れの向きが変わっても、大きな断面半径ｒ１を持つ第１円弧２０ｃに沿って流体が滑らかに流れるので、剥離領域５１は発生しない。したがって、後縁２０での流体の剥離が抑制され、流体の損失エネルギーが低減されるので、プロペラファンを回転するための駆動力が低減され、モーターの消費電力が削減される。

なお、上記の例では、後縁２０全体の断面形状を第１円弧２０ｃと第２円弧２０ｄとで形成する例を示したが、後縁２０のうちでも流速の速い外周側である第３湾曲部２０ｂの部分のみにこの断面形状を採用してもよい。

［後縁とボスとの接続形状］
実施の形態１〜４における、後縁２０の内周側とボス２の接続部６０の形状について説明する。

図１５（ａ）、（ｂ）は、翼１の後縁２０とボス２との接続位置の斜視図である。
図１５において、翼１の後縁２０とボス２とが接続される接続部６０は、ラウンド処理がされない谷折線を成すエッジ形状で構成されている。

この構成の理由を図１６を用いて説明する。
図１６は、翼１が回転した際に翼１の後縁２０とボス２とが接続される接続部６０にかかる力を説明した図である。
図１６において、ボス２の周面上に取り付けられた翼１が回転方向３に向けて回転すると、翼１の重心６１には、遠心力６５ａと、翼１の重心６１がボス２に引張られる引張力６５ｂとが作用し、翼１の重心６１にこれらの合成力６５ｃが作用する。なお、図１６のハッチング部分は翼１の後縁２０で翼面積を削減した第３湾曲部２０ｂである。

合成力６５ｃのベクトルは図１６のように流体の流れ方向５の上側側に向いている。よって、翼１の後縁２０とボス２とが接続される接続部６０には引張力が働く。
樹脂などでプロペラファンを成形した場合は、引張力が働く箇所から亀裂が進展し、破壊に至るケースが多いことが知られている。これらを回避するためには、重心６１の位置をボス２に近い方向に近づけることが望ましい。

以下に遠心力の基礎式を示す。

ここで、Ｆは遠心力、ｍは質量、ａは加速度、ｖは速度、ωは角加速度である。
翼１の内周側と外周側とで遠心力６５ａへの影響を比較すると、同一質量でも半径ｒがかかっているため外周側の質量が遠心力６５ａに及ぼす影響率が大きいことがわかる。つまり、回転軸２ａよりも遠い場所の質量を削減すれば、遠心力６５ａが小さくなり、結果として合成力６５ｃを小さくすることができる。

本実施の形態１〜４に係るプロペラファンは、翼１の後縁２０の外周側に翼１の面積を削減した第３湾曲部２０ｂを設けたことにより、遠心力６５ａの影響を少なくすることができる。よって、後縁２０とボス２との接続部６０の引張力が緩和され、接続部６０にラウンド処理を施さない谷折線を成すエッジ形状を採用しても引張力に対応することができる。
したがって、ラウンド処理をするための樹脂の使用量が削減でき、ファンが軽量化され、モーターの消費電力を削減することができる。

［プロペラファンの梱包］
実施の形態１〜４における、プロペラファンの梱包について説明する。
図１７は、プロペラファンの梱包状態を示す模式図である。
図１７において、梱包用のダンボール８１内にプロペラファンが積層されて収納されており、ダンボール８１の底面から翼１の前縁１０までは距離Ｌが確保されている。また、ボス２の蓋面２ｂが上側になるように積層されて梱包されている。

このような梱包のため、トラックなどで運搬されて到着後にダンボール８１が開封されても、ダンボールに付いた汚れや工場内に浮遊する塵やゴミ等がボス２内に進入することを防ぐことができる。
よって、モーター軸とボス２の軸穴の間にゴミが挟まってプロペラファンの軸心がぶれることによる回転不安定や異音が発生を回避することができる。

［ボスレス形プロペラファン］
図１８は、本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための模式図である。
図１９は、本発明の翼を採用したボスレス形のプロペラファンの形状を説明するための正面図である。

上記実施の形態では、翼１をボス２の周面に取り付けるボス付のプロペラファンを例にあげて説明をしたが、図１８、１９に示すようなボスレス形のプロペラファンに上記実施の形態に係る翼１の構成を適用することも可能である。
ボスレス形のプロペラファンを採用した場合でも、図１９に記載があるように領域Ｐ、領域Ｑ、領域Ｒを翼１に形成することで、翼１の半径方向の位置における回転軸向きの流速分布がフラットになるので、プロペラファンから吹き出した後の風の圧力損失が低減される。よって、プロペラファンを回転させるための駆動力を低減することができるので、モーターの消費電力を削減することができる。

［室外ユニットへの適用］
図２０（ａ）、（ｂ）は、本発明のプロペラファンを採用した空気調和機の室外ユニットを示す斜視図である。
実施の形態１〜４に係るプロペラファンを室外ユニット９０に採用するときには、ベルマウス１３とともに室外ユニット９０に収納され、室外熱交換器に熱交換用の外気を送風する。この際、プロペラファンの翼の半径位置における回転軸方向の風速分布が均一になっているので、圧力損失が少なく、消費電力の小さい室外ユニット９０を実現することが可能となる。

以上の実施の形態に記載したプロペラファンの翼形状は、様々な送風装置に採用することが可能であるが、例えば空気調和機の室外ユニットの他にも室内ユニットの送風装置として採用することができる。また、一般的な送風機や換気扇、ポンプなど、流体を搬送する軸流圧縮機形の翼形状として広く適用することが可能である。

１ 翼、１ａ 圧力面、１ｂ 負圧面、２ ボス、２ａ 回転軸、２ｂ 蓋面、３ 回転方向、４ 流入方向、５ 流体の流れ方向、６ 翼弦中心線、６ａ 当接点、７ 垂直面、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ 仮想線、９ 同心円、９ａ 第１同心円、９ｂ 第２同心円、１０ 前縁、１０ａ、第１湾曲部、１１ 前縁最後進点、１２ 外周縁、１３ ベルマウス、１４ 限界流線、１５ 流体が押される方向、２０ 後縁、２０ａ 第２湾曲部、２０ｂ 第３湾曲部、２０ｃ 第１円弧、２０ｄ 第２円弧、２３ 後縁最前進点、２４ 後縁最後進点、２５ 第１交点、２６ 変曲点、２７ 第２交点、４０ ウイングレット、５０ 断面位置、５１ 剥離領域、６０ 接続部、６１ 重心、６５ａ 遠心力、６５ｂ 引張力、６５ｃ 合成力、７０ モーターサポート、７１ カルマン渦、８１ ダンボール、９０ 室外ユニット。

Claims (10)

1. 複数の翼が回転して、流体を搬送する軸流ファンであって、
   前記翼の回転方向における前進側の前縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、回転方向の後進向きに凸形状となる第１湾曲部が形成され、
   前記第１湾曲部は、回転軸に対して垂直に引いた仮想線と前記第１湾曲部とが接する接点としての前縁最後進点を有し、
   前記翼の回転方向における後進側の後縁には、前記翼を回転軸方向に投影したときに、前記後縁の内周側に位置し回転方向の後進向きに凸形状となる第２湾曲部と、前記後縁の外周側に位置し回転方向の前進向きに凸形状となる第３湾曲部とが形成され、
   前記第３湾曲部は、回転軸に対して垂直に引いた仮想線と前記第３湾曲部とが接する接点としての後縁最前進点を有し、
   前記第２湾曲部は、前記回転軸と前記後縁最前進点を通る仮想線からの垂直距離が最大となる後縁最後進点を有し、
   前記回転軸の同心円のうち前記前縁最後進点を通る第１同心円と前記後縁との交点である第１交点は、前記後縁最後進点と前記後縁最前進点との間に配置され
   前記第２湾曲部と前記第３湾曲部とは、湾曲方向が異なる変曲点で接続され、
   前記第１同心円上に前記前縁最後進点と前記変曲点が配置されることを特徴とする軸流ファン。
2. 前記翼の翼弦中心線の長さの７０％以上は、前記翼弦中心線がボスの周面にあたる場所から前記回転軸に垂直な方向に延びた垂直面よりも流体の流れの下流側に位置する後傾形の翼形状を有することを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記翼の翼弦中心線の全ては、前記翼弦中心線がボスの周面にあたる場所から前記回転軸に垂直な方向に延びた垂直面よりも流体の流れの下流側に位置する後傾形の翼形状を有することを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
4. 前記翼の外周縁には、流体の流れの上流方向に曲折したウイングレットを形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸流ファン。
5. 前記ウイングレットは、前記回転軸を中心として前記翼の半径の８０％より外周側の範囲に形成されることを特徴とする請求項４に記載の軸流ファン。
6. 前記翼は、流体の衝突する圧力面と、前記圧力面の裏側の負圧面から構成され、
   前記翼の後縁の断面形状は、前記圧力面側から連続して形成される第１円弧部と前記負圧面から連続して形成される第２円弧部を有し、
   前記第１円弧部の半径は、前記第２円弧部の半径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸流ファン。
7. ボスの周面と前記翼の後縁は、谷折線を成すエッジ形状で接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の軸流ファン。
8. 前記翼の前記前縁の回転軸方向の長さは、前記翼の回転軸方向の最大長さの２０％以内となる形状を有し、前記翼の前縁側には駆動用モーターを支持するモーターサポートが立設されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸流ファン。
9. 前記軸流ファンは、ボスレス形であることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の軸流ファンを備えることを特徴とする空気調和機。

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