JP6038320B2 - 多翼送風機 - Google Patents

Description

本発明は、多翼送風機に関するものである。

多翼送風機は、遠心送風機を基に多くの流量を得ようとして工夫された送風機である。吸込み口径を大きくするために翼の内外径比が、比較的大きい。内外径比が大きいために回転軸に水平な断面で見た翼の長さが短くなるので、剥離を防ぐために翼枚数を多くしている。また一定周速で有効ヘッドを大きくするために、前向き羽根を採用して、出口絶対速度を高め、高い動圧を静圧に変化するためにスクロールケーシングを備えるのが一般的である。構造が簡単で製作費が低いため、一般産業用、空調用などに広く使用されている。

多翼送風機に設けられた羽根車は、複数の細長い翼を周方向に配列し、回転軌跡でみると全体として円柱状となる。円柱の片側または両側の円形状の端面領域が吸込み口となり、吸込み口からの気流が翼間を通り円柱状でいう円筒状の側面領域から流出する。

所定の羽根車径、回転数でより多くの流量を得るためには回転軸方向の寸法を大きくする必要がある。回転軸方向の寸法を大きくした場合に、翼における吸込み口から遠い領域に十分な流量が供給されない問題が生ずる。そのため、非特許文献１の技術文献においては、羽根車の外径に対する回転軸方向の寸法比は、０．５前後が妥当とされている。

また、従来の多翼送風機では、モータを羽根車の内部に挿入した形状において、モータが流れを阻害してしまう問題に対応したものがある。特許文献１には、吸込み口から回転軸方向に離れた翼に対し流れを供給するための工夫として、多翼送風機の羽根車の内部に軸流ファンを設けている。

特開２００７−２３１８６３号公報（第２頁、第３図）

生井武文の著作、株式会社コロナ社出版による「ターボ送風機と圧縮機」、昭和６３年８月２５日、Ｐ２９５

上記の先行技術を応用し、回転軸方向の寸法の大きい多翼送風機の中に軸流ファンを備えることによって、翼における吸込み口から遠い領域への供給流量の増加を図ることは可能である。

しかしながら、軸流ファンを通過する流れは、軸流ファンから旋回成分を付与されるため、軸流ファンの前後で流れのベクトルが異なる。そのため、軸流ファンの上流側において、翼への流入と翼形状とが適切であっても、軸流ファンの下流側では、翼への流入と翼形状とが適切にならず、多翼送風機の回転軸方向の寸法に応じた流量が得られないという課題が生じる。さらに、翼への流入と翼形状とが適切でないために、翼入口部での剥離が大きくなり騒音が大きくなるという課題も生じる。

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、騒音を抑えつつ高い流量を得ることができる、多翼送風機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の多翼送風機は、吸込み口を有するケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられた第一羽根車と、前記第一羽根車の内部空間に回転可能に設けられた第二羽根車とを備え、前記第一羽根車は、円筒状をなすように位置した複数の第一羽根車用翼を有する遠心式ファンであり、前記第二羽根車は、回転軸から放射状に延びる複数の第二羽根車用翼を有する軸流式ファンであり、前記複数の第二羽根車用翼は、前記第一羽根車の内部空間における外周側領域の後流の旋回方向成分が当該内部空間における内周側領域の後流の旋回方向成分よりも小さくなるように構成されている。
また、前記第二羽根車用翼それぞれにおける外周側の領域の食違い角は、該第二羽根車用翼における内周側の領域の食違い角よりも大きくなるように構成してもよい。
また、前記第二羽根車用翼それぞれにおける外周側の領域の弦長は、該第二羽根車用翼における内周側の領域の弦長よりも小さくなるように構成してもよい。
また、前記第一羽根車の内部空間における外周側領域にある前記第二羽根車用翼の枚数は、当該内部空間における内周側領域にある前記第二羽根車用翼の枚数よりも少なくなるように構成してもよい。
前記第一羽根車は、駆動軸に固定された主板を有しており、前記複数の第一羽根車用翼は、前記主板の周囲に沿って配置されており、前記複数の第二羽根車用翼は、前記駆動軸と前記第一羽根車用翼とを接続しており、前記複数の第一羽根車用翼は、前記主板によって保持されていることに加え、前記第二羽根車用翼によっても保持されていると好適である。
好適には、前記第一羽根車における前記吸込み口側の端部から前記第二羽根車の接続位置までの距離は、前記第一羽根車の外径の０．５倍から１．０倍である。
好適には、前記第一羽根車の回転軸方向の寸法は、該第一羽根車の外径の１．０倍から１．５倍である。

本発明の多翼送風機によれば、騒音を抑えつつ高い流量を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る多翼送風機の外観図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線による断面を示す図である。 外周側の第二羽根車用翼の形状を説明するための断面図である。 羽根車内部の子午面流れを示す図である。 羽根車の寸法を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る多翼送風機の外観図である。 外周側の第二羽根車用翼の形状を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る多翼送風機の外観図である。 本発明の実施の形態４に関し、図２のＩＸ−ＩＸ線による第一羽根車用翼の断面を示す図である。 本実施の形態４に関し、図２のＸ−Ｘ線による第一羽根車用翼の断面を示す図である。

以下、本発明に係る多翼送風機の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る多翼送風機の外観図であり、後述する吸込み口を紙面表面側とし吸込み口に向かって見た状態を示している。図２は、かかる図１のＩＩ−ＩＩ線による多翼送風機の断面を示す図である。

多翼送風機１は、例えば空調機や換気扇等に使用される送風機であり、ケーシング２と、羽根車３と、駆動源である駆動モータ４とを備える。駆動モータ４と羽根車３とは、回転軸５を共有する。説明においては、回転軸５と平行な方向を回転軸方向と呼び、回転軸５を垂線とする面において回転軸５を端点とした直線の放射方向を径方向と呼び、径方向の回転軸５に近い側を内周側、遠い方を外周側とする。

ケーシング２は、例えばスクロール型ケーシングであり、吸込み口６と、スクロール壁７と、吹出し口８とを有している。スクロール壁７は、回転軸５に垂直な断面において拡大風路となるスクロール形状を形成する。吸込み口６は、ベルマウス状の環状部により形成された開口である。吸込み口６は、ケーシング２の一方の側面にあり、その開口の中心を通るように回転軸５が延びている。吹出し口８は、ケーシング２のスクロール形状の旋回方向の面に形成される。

駆動モータ４は、ケーシング２における吸込み口６と反対側の側面の外に配置されている。駆動モータ４のモータシャフト９は、ケーシング２を貫通して、ケーシング２内を回転軸５に沿って延びている。また、駆動軸であるモータシャフト９は、吸込み口６に向けて突出している。

羽根車３は、シロッコファン等の遠心式ファンである第一羽根車３ａと、軸流式ファンである第二羽根車３ｂとを有しており、ケーシング２に収納されている。第一羽根車３ａは、略円盤状の主板１０と、複数の第一羽根車用翼１１とを有している。主板１０は、吸込み口６と反対側のケーシング２の内壁面の近傍において、モータシャフト９に固定されている。

複数の第一羽根車用翼１１は、回転軸５方向に沿って細長く延びており、円筒状をなすように位置している。また、複数の第一羽根車用翼１１は、主板１０の周囲に沿って配置されており、等角度間隔で離隔して環状をなすように配列されている。複数の第一羽根車用翼１１における、吸込み口６側の端部には、補強用の環状部材１２が嵌め合わされている。外周リング１５が第一羽根車用翼１１の外周側を覆う形状となっているから、外周リング１５の外径は、第一羽根車用翼１１の外径よりも大きい。

第二羽根車３ｂは、円筒状をなす第一羽根車３ａの内部空間（径方向内側空間）に配置されており、第一羽根車３ａの主板１０と、吸込み口６との間に位置しており、さらに、モータシャフト９に支持されている。第二羽根車３ｂは、環状のハブ１３と、複数の第二羽根車用翼１４と、外周リング１５とを有している。ハブ１３は、モータシャフト９の先端近傍に固定されており、複数の第二羽根車用翼１４は、回転軸５から放射状に延びており、より詳細には、ハブ１３の外周に放射状に設けられている。外周リング１５は、複数の第二羽根車用翼１４の径方向外側を接続するように設けられている。

第二羽根車用翼１４の形状は、その内周側から外周側にかけて変化させている。内周側と外周側とで異なる翼形状にすることにより、外周側において第二羽根車用翼１４の後流に生ずる出口絶対流れの旋回方向成分ｃ２θ（後述する図３参照）を小さくしている。

本実施の形態１の特徴の一つである、第二羽根車用翼１４における外周側の領域の食違い角γを内周側の領域の食違い角よりも大きくした態様を説明する。

図３は、外周側の第二羽根車用翼１４の形状を説明するための断面図であり、回転軸５を中心とした弧状断面を平面状に展開して示している。また、図３は、図１の参照符号ＩＩＩの位置の断面に相当する。図３の左側［ｃａｓｅＡ］が、外周側の食違い角γを内周側と同じとした場合であり、図３の右側［ｃａｓｅＢ］が、外周側の食違い角γを内周側よりも大きくした場合である。すなわち、本実施の形態１は、［ｃａｓｅＢ］に該当する。

図３の紙面上方が吸込み口６側、紙面下方が主板１０側となり、紙面右側から左側に向かう向きが羽根車３の回転方向である。

第二羽根車用翼１４の断面において回転方向の端部を前縁端１６、反回転方向の端部を後縁端１７と呼ぶ。前縁端１６と後縁端１７とを結ぶ直線を弦線１８と呼ぶ。回転軸５と平行な直線１９と弦線１８とがなす角を食違い角γと呼ぶ。なお、紙面において後縁端１７の下方に示した矢印は、軸流ファン用羽根の下流の流れの速度成分を模式的に示す速度三角形である。

出口周速ｕ２は回転軸５からの距離に比例するので外周側は内周側よりも周速が大きくなり、出口絶対速度ｃ２の旋回方向成分ｃ２θが大きくなる。［ｃａｓｅＡ］と［ｃａｓｅＢ］との比較から分かるように、食違い角γを大きくすることにより、出口相対速度ｗ２に関する流出角β２が大きくなり、絶対速度の旋回方向成分を低く抑えられる。

次に多翼送風機１の動作について説明する。
この多翼送風機１では、駆動モータ４が運転されると、モータシャフト９、主板１０、ハブ１３を介して第一羽根車用翼１１及び第二羽根車用翼１４が回転する。それにより、外部の空気が吸込み口６から羽根車３の内部に吸込まれ、羽根車３の昇圧作用によりケーシング２内に吹出され、ケーシング２のスクロール壁７で形成される拡大風路により減速、静圧回復して、吹出し口８から外部に吹出される。これにより送風が行われる。

本実施の形態１の多翼送風機１は、第一羽根車３ａの内部に軸流形式の第二羽根車３ｂを有するので、外部の空気を吸込み口６から主板１０の側に搬送する能力が高く、羽根車３の回転軸方向寸法が大きい場合でも、第一羽根車用翼１１における、主板１０の近くの領域にまで空気を供給できる。

図４の破線矢印は、吸込み口６から第一羽根車用翼１１へ向かう子午面流れを模式的に示したものである。第二羽根車用翼１４における外周側を通過した空気は、第一羽根車用翼１１の部分のうちの、第二羽根車用翼１４に近い領域の部分に流入する。

本実施の形態１の多翼送風機１は、第二羽根車用翼１４の外周側の食違い角γを内周側の食違い角よりも大きくして、後流の旋回方向成分ｃ２θを小さくしているので、第二羽根車３ｂの上流側と比べて第一羽根車用翼１１に流入する流れの角度変化が小さく抑えられている。そのため、第一羽根車用翼１１へ入射する角度が不適当になることによる送風性能の低下が小さくなる。その結果、流量が大きく確保され、騒音が小さい多翼送風機１を得ることができる。

図５を用いて羽根車の寸法、位置に関し補足する。第一羽根車３ａの外径をＤ１、羽根車３の回転軸５方向の寸法をＬ１、第一羽根車３ａにおける吸込み口６側の端部から第二羽根車３ｂの接続位置までの距離をＬ２、第一羽根車３ａにおける第二羽根車３ｂの接続位置から主板１０の接続位置までの距離をＬ３とする。

第二羽根車３ｂを有しない従来の一般的な多翼送風機の回転軸方向の寸法は、前述した技術文献にも記載があるようにＤ１の０．５倍程度までが適正とされている。本実施の形態１の多翼送風機１は、第二羽根車３ｂの昇圧能力が加わるため、第一羽根車３ａにおける吸込み口６側の端部から第二羽根車３ｂの接続位置までの距離Ｌ２は、Ｄ１の約０．５から１．０倍までが妥当である。また、第一羽根車３ａにおける第二羽根車３ｂの接続位置から主板１０の接続位置までの距離はＤ１の約０．５倍までが妥当である。よって羽根車の回転軸方向の寸法Ｌ１は、Ｄ１の約１．０倍から１．５倍が適当である。

また、上記のように、第二羽根車３ｂの作用により、多翼送風機１における羽根車３の回転軸５方向の寸法を大きくすることができるが、一般的には、回転軸方向の寸法が大きい場合には、回転により翼に生じる遠心力や、羽根車の重心と回転軸とのずれ等により、回転時の羽根車のぶれが大きくなり易いという問題がある。しかしながら、本実施の形態１の多翼送風機１では、少なくとも複数枚の（好適な一例として本実施の形態１では全ての）第二羽根車用翼１４が、モータシャフト９と第一羽根車用翼１１とを接続しており、つまり、主板１０に加え、主板１０と距離をおいて、第二羽根車３ｂによっても第一羽根車用翼１１を保持することができる。よって、流量増加や騒音低減に貢献する第二羽根車３ｂが第一羽根車３ａの支持にも寄与するため、上記のような問題に対し、回転時のぶれを小さく抑えることができるという利点も得られている。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７はそれぞれ、本実施の形態２に関する、図１及び図３と同態様の図である。すなわち、図６は、図１と同一方向視の本実施の形態２の多翼送風機の外観図であり、図７は、図６の参照符号ＶＩＩの位置の断面に相当する。また、本実施の形態２は、第二羽根車用翼の形状が実施の形態１の場合と異なるものであり、以下に説明する部分を除いては、実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２の多翼送風機１０１もまた、第二羽根車用翼１１４の形状が変化し、すなわち、第二羽根車用翼１１４における外周側の領域の弦長ＬＢを内周側の領域の弦長よりも小さくするものである。

図７には、［ｃａｓｅＣ］として、外周側の弦長ＬＢを内周側と同じとした場合と、［ｃａｓｅＤ］として、外周側の弦長ＬＢを内周側よりも小さくした場合とを示すが、［ｃａｓｅＤ］が本実施の形態２に該当する。

紙面において後縁端１７の下方に示した矢印は、軸流ファン用羽根の下流の流れの速度成分を模式的に示す速度三角形であり、入口相対速度ｗ１を重ねて示している。入口相対速度ｗ１から出口相対速度ｗ２への角度変化が転向角Δβであり、翼が気流に与えたエネルギーが大きいと転向角Δβが大きくなる。転向角Δβが大きいと出口絶対流れの旋回方向成分ｃ２θも大きくなる。

［ｃａｓｅＣ］と［ｃａｓｅＤ］との比較で示すように、弦長ＬＢを短くすると翼から空気へ与えられるエネルギーが低下し、転向角Δβが小さくなる。転向角Δβが小さくなると出口絶対流れの旋回方向成分ｃ２θを小さくできる。

第二羽根車用翼１１４における外周側の領域を通過した空気は、第一羽根車用翼１１における第二羽根車用翼１１４の近傍の領域に流入する。本実施の形態２の多翼送風機１０１は、第二羽根車用翼１１４における外周側の領域の後流の旋回方向成分を小さくしているので、第二羽根車３ｂの上流と比べて第一羽根車用翼１１に流入する流れの角度変化が小さく抑えられている。そのため、第一羽根車用翼１１へ入射する角度が不適当になることによる送風性能の低下が小さくなる。その結果、流量が大きく確保され、騒音が小さい多翼送風機１０１を得ることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態３に関する、図１と同態様の図であり、図１と同一方向視の本実施の形態３の多翼送風機の外観図である。また、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、実施の形態１又は２と同様であるものとする。

本実施の形態３に係る多翼送風機２０１は、第一羽根車３ａの内部空間における外周側領域と内周側領域とで、そこに存在する第二羽根車用翼の枚数が異なる。すなわち、一例であるが、図８に示されるように、外周側領域（図８においてみて概ね環状の領域）には、合計５枚の第二羽根車用翼２１４ａがあり、内周側領域（図８においてみて概ね円形の領域）には、合計１０枚の第二羽根車用翼２１４ａ，２１４ｂがある。つまり、本実施の形態３では、第一羽根車３ａの内部空間における外周側領域にある第二羽根車用翼の枚数を、内周側領域にある第二羽根車用翼の枚数よりも少なくしている。なお、上記領域それぞれに関する枚数は、あくまでも一例であり、本発明としては、これに限定されない。

図８の例に関する具体的構成について説明すると、第二羽根車３ｂを構成する翼として、第二羽根車用翼２１４ａと、第二羽根車用翼２１４ｂとを用意し、第二羽根車用翼２１４ａは、相対的にみて径方向寸法が大きく、第二羽根車用翼２１４ａの径方向外側端部は、第一羽根車３ａに達している。一方、第二羽根車用翼２１４ｂは、相対的にみて径方向寸法が小さく、第二羽根車用翼２１４ｂの径方向外側端部は、自由端として第一羽根車３ａから離れている。そして、これら２種類の第二羽根車用翼２１４ａと、第二羽根車用翼２１４ｂとは、周方向に等角度間隔で且つ交互に配列される。

第一羽根車３ａの内部空間における外周側領域の第二羽根車３ｂの翼枚数の低減により、第二羽根車３ｂの翼が空気へ与えるエネルギーが減少する。空気へ与えるエネルギーが減少すると、流れの転向角Δβが小さくなり、付与される旋回方向成分ｃ２θも小さくなる。

第二羽根車用翼２１４ａにおける外周側の領域を通過した空気は、第一羽根車用翼１１における第二羽根車用翼２１４ａの近傍の領域に流入する。本実施の形態３の多翼送風機２０１は、第二羽根車用翼２１４ａにおける外周側の領域の後流の旋回方向成分を小さくしているので、第二羽根車３ｂの上流と比べて第一羽根車用翼１１に流入する流れの角度変化が小さく抑えられている。そのため、翼へ入射する角度が不適当になることによる送風性能の低下が小さくなる。その結果、流量が大きく確保され、騒音が小さい多翼送風機１を得ることができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について、図９及び図１０を用いて説明する。図９及び図１０は、本実施の形態４に関する第一羽根車用翼に関する翼形状を示す図である。より詳細には、図９及び図１０はそれぞれ、図２の矢印ＩＸ及び矢印Ｘに沿う第一羽根車用翼の断面を示す。また、本実施の形態４は、以下に説明する部分を除いては、実施の形態１〜３の何れかと同様であるものとする。

本実施の形態４に係る多翼送風機では、第一羽根車３ａの第一羽根車用翼１１それぞれの形状が、第二羽根車３ｂの上流側領域（図９に図示）と下流側領域（図１０に図示）とで異なる。

第一羽根車用翼３１１の入口側（内周側）の端点を前縁端３２０と呼ぶ。回転軸５と前縁端３２０とを通る直線３２１を観念し、さらに、前縁端３２０においてその直線３２１と直角に交わり且つ回転方向３１７の後方側に延びる直線３２２を観念したとき、前縁端３２０における接線３２３と、前述の直線３２２とが成す角を翼入口角βｂ１と呼ぶ。

本実施の形態３の多翼送風機では、第一羽根車用翼３１１における第二羽根車３ｂの下流側の領域の入口角βｂ１（図１０に図示）を、第一羽根車用翼３１１における第二羽根車３ｂの上流側の領域の入口角βｂ１（図９に図示）よりも大きくしている。

図９及び図１０それぞれの翼断面の前縁端３２０の下方（回転軸側）の矢印は、入口側の流れの状態を説明するための速度三角形である。第一羽根車用翼３１１における第二羽根車３ｂの下流側の領域では、第二羽根車用翼から付与される旋回方向成分ｃ２θの影響を受け、第一羽根車用翼３１１へ流入する絶対流れｃ１における、入口周速ｕ１と平行な旋回方向成分ｃ１θが、第一羽根車用翼３１１における第二羽根車３ｂの上流側の領域での、第一羽根車用翼３１１へ流入する絶対流れｃ１の旋回方向成分ｃ２θよりも大きくなる。そのため、第一羽根車用翼３１１へ流入する相対流れｗ１も異なり、第二羽根車３ｂよりも下流側の領域では、流入角β１が小さくなる態様で第一羽根車用翼３１１へ流入する。

このように本実施の形態４では、第一羽根車用翼３１１における第二羽根車３ｂの下流側の領域の入口角βｂ１を、第一羽根車用翼３１１における第二羽根車３ｂの上流側の領域の入口角βｂ１よりも大きくしているため、第二羽根車３ｂの上流側においても下流側においても、第一羽根車用翼１１への入射する角度を適正にすることができる。これによっても、流量を大きくし、且つ、騒音を小さくする効果が得られている。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１，１０１，２０１ 多翼送風機、２ ケーシング、３ａ 第一羽根車、３ｂ 第二羽根車、５ 回転軸、６ 吸込み口、９ モータシャフト（駆動軸）、１０ 主板、１１，３１１ 第一羽根車用翼、１４，１１４，２１４ａ，２１４ｂ 第二羽根車用翼。

Claims (7)

1. 吸込み口を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に設けられた第一羽根車と、
   前記第一羽根車の内部空間に回転可能に設けられた第二羽根車とを備え、
   前記第一羽根車は、円筒状をなすように位置した複数の第一羽根車用翼を有する遠心式ファンであり、
   前記第二羽根車は、回転軸から放射状に延びる複数の第二羽根車用翼を有する軸流式ファンであり、
   前記複数の第二羽根車用翼は、前記第一羽根車の内部空間における外周側領域の後流の旋回方向成分が当該内部空間における内周側領域の後流の旋回方向成分よりも小さくなるように構成されている、
   多翼送風機。
2. 前記第二羽根車用翼それぞれにおける外周側の領域の食違い角は、該第二羽根車用翼における内周側の領域の食違い角よりも大きい、
   請求項１の多翼送風機。
3. 前記第二羽根車用翼それぞれにおける外周側の領域の弦長は、該第二羽根車用翼における内周側の領域の弦長よりも小さい、
   請求項１又は２の多翼送風機。
4. 前記第一羽根車の内部空間における外周側領域にある前記第二羽根車用翼の枚数は、当該内部空間における内周側領域にある前記第二羽根車用翼の枚数よりも少ない、
   請求項１〜３の何れか一項の多翼送風機。
5. 前記第一羽根車は、駆動軸に固定された主板を有しており、
   前記複数の第一羽根車用翼は、前記主板の周囲に沿って配置されており、
   前記複数の第二羽根車用翼は、前記駆動軸と前記第一羽根車用翼とを接続しており、
   前記複数の第一羽根車用翼は、前記主板によって保持されていることに加え、前記第二羽根車用翼によっても保持されている、
   請求項１〜４の何れか一項の多翼送風機。
6. 前記第一羽根車における前記吸込み口側の端部から前記第二羽根車の接続位置までの距離は、前記第一羽根車の外径の０．５倍から１．０倍である、
   請求項１〜５の何れか一項の多翼送風機。
7. 前記第一羽根車の回転軸方向の寸法は、該第一羽根車の外径の１．０倍から１．５倍である、
   請求項６の多翼送風機。

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