JP6121046B2 - 軸流送風機 - Google Patents

Description

本発明は、換気扇、エアコン、冷却用ファン等に用いられる軸流送風機に関するものである。

軸流送風機用の回転翼は、主として低騒音化のために、回転方向への前進化及び吸込み上流側への前傾化が適用され、さらには、大風量及び静圧化のために、製品寸法の制約内での翼外径及び翼弦長の大型化が適用されている。

上記のように、低騒音化かつ大風量・高静圧化のための形状を採用する場合には、翼前縁付け根に応力集中が生じるような翼形状となる場合が多いが、偏流や突風に対しての強度の確保も必要となる。

従来、上記のような応力集中部に対しては、板厚を変化させて応力集中を回避するように設定されている軸流ファンがある（例えば、特許文献１参照）。

また、羽根前縁部のボス部側の部分を連続するように、羽根前縁部の任意の点よりボス部寄りの部分の羽根前縁部を回転方向に延長することで、ボス部付近の翼厚を局部的に厚くすること無く、応力集中を回避するように設定されている軸流ファンがある（例えば、特許文献２参照）

特許第５０７９０６３号 特許第２９３２９７５号

換気又は空気調和機の室外機等に用いられる軸流送風機は、送風特性の向上及び低騒音化の達成の際に、翼弦長が長いほうが送風−騒音特性が良いことから、製品制約内で大きくとる事が多い。特に、翼付け根部分は、翼強度確保のために翼弦長が長いほうが強度的にも有利となる。
しかし、回転翼が樹脂や金属によって一体成形される際には、金型が抜けるように各翼の翼間距離をある程度とらなければ、成形に際して困難が生じコストアップにもつながる。このため、各翼の翼間距離を十分にとることが必要であった。しかし、特許文献２のように、羽根前縁部の任意の点よりボス部寄りの部分の羽根前縁部を回転方向に延長した場合には、各翼の根元部分の翼間距離を十分にとることができなかった。
また、強度アップのために、特許文献１のように、翼付け根部分の板厚を局所的に増大させる方法を採用したり、或いはリブ形状を導入する等の方法が採用したりしている。しかし、翼付け根部分の板厚アップ又はリブ形状によって、成形の際に板厚が不連続となる。そのため、成形時における冷却及び収縮が不均一となり、翼全体がゆがむ可能性を生じる。
また、近年は回転翼においては、翼の前進化及び前傾化を適用したり、翼外周部を気流の上流側に屈曲する形状を適用しているものが多くなりつつあり、羽根外周部の変形などにより、翼付け根部分にかかる応力は増大する傾向にある。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、風量−静圧特性を向上させ、更に低騒音化のための形状を適用した場合においても、翼付け根の前縁部に生じる応力を緩和させることが可能な軸流送風機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る軸流送風機は、モータによって回転駆動されるボス部と、前記ボス部に放射状に取付けられ、回転軸方向に送風する複数の回転翼とを備えた軸流送風機において、前記複数の回転翼の各々を、前記ボス部から始まり外周側に向う第一領域と、前記第一領域につながり前記第一領域から前記回転翼の最外周までの第二領域とに区画し、前進角の分布は、前記第一領域では２次関数的に変化し、前記第一領域の前進角の最大値を前記第二領域の前進角以下の値とし、前記第二領域の前進角以下の値とし、弦節比の分布は、前記第一領域で根元を最小値として曲線的に変化し、前記第二領域では線形分布を有する。

本発明によれば、上記の構成を採用したことによって、回転翼の応力集中部分の応力緩和を行うことができ、かつ送風−騒音特性の悪化が小さい送風機が得られる、という効果を奏する。

軸流送風機の回転翼を示す斜視図である。 図１の回転翼を回転軸に直交するＸ−Ｙ平面から視た平面図である。 図２の回転翼の１翼のみを抽出し、前進角の定義を示した図である。 図２の回転翼の弦節比の定義を示した図である。 翼根元の弦長を部分的に増加させた回転翼を示した平面図である。 本発明の一実施の形態に係る軸流送風機の平面図である。 本実施の形態の回転翼における前進角の分布と、従来の回転翼における前進角の分布を示した図である。 本実施の形態に係る回転翼における弦節比の分布と、従来の回転翼における弦節比の分布とを示した図である。 本実施の形態に係る回転翼の応力集中部を示した図である。 従来の回転翼における応力分布を示した図である。 根元の翼弦長が従来に比べ長い場合の従来の回転翼（図５）における応力分布を示した図である。 本実施の形態に係る回転翼における応力分布を示した図である。 最大応力の比較表である。 本実施の形態に係る回転翼と従来の回転翼における送風−静圧特性を示した図である。 本実施の形態に係る回転翼と従来の回転翼における送風−騒音特性を示した図である。

以下に、本発明に係る軸流送風機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態
本発明の一実施の形態について説明する前に、本実施の形態の構成が採用された根拠を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は、軸流送風機の回転翼を示す斜視図であり、図２は図１の回転翼を回転軸３に直交するＸ−Ｙ平面に投影した平面図である。なお、図１の軸流送風機の回転翼１は、５枚の例であるが、本実施の形態の回転翼の枚数は、それ以外の枚数であってもよい。以下の説明は、回転翼１について主に１枚の回転翼の形状について説明するが、他の回転翼の形状も同一の形状である。

回転翼１は、図１に示されるように、全体的に流れの下流方向に後傾する３次元立体形状を有しており、その根元が円柱状のボス部２の外周部に放射状に取付けられている。ボス部２は、図示しないモータに回転駆動されて回転軸３を中心として回転することで、回転翼１が矢印４方向に回転する。回転翼１の矢印４方向の回転によって、矢印Ａ方向の気流が発生する。回転翼１の上流側が負圧面となり、下流側が正圧面となる。

図３は、図２の回転翼１´の１翼を抽出し、前進角の定義を示した図である。
図３において、Ｐｔ´は、翼外周部１ｄ´における翼前縁部１ｂ´から翼後縁部１ｃ´までの翼弦線中心点（中点）を示す。線Ｐｒ´は、ボス部の翼弦線中心点Ｐｂ´から外周部の翼弦線中心点Ｐｔ´における翼弦線中心点の軌跡（翼弦中心線）を示している。

また、図３において、ボス部２の翼弦線中心点Ｐｂ´と回転中心Ｏを結んだ直線と、任意の半径Ｒと翼弦中心線の交点と回転中心Ｏを結んだ直線とのなす角を、前進角δθ、と定義する。

図４は、図２の回転翼１´の弦節比の定義を示す図である。
図４において、任意の半径Ｒでの回転翼１´の断面を、断面を切った円弧を平面上に展開すると、Ａ−Ａ´断面展開図のように示される。回転翼１´の翼弦長をＬ，回転翼１の翼ピッチをｔとすると、弦節比σはσ＝Ｌ／ｔ、と定義できる。

図５は、翼根元の弦長を部分的に増加させた回転翼１´を備えた軸流送風機の平面図である。翼内周側の翼弦長が長い（翼根元の弦長を部分的に増加させた）場合の前縁部１ｅは、図５に示されるような形態になっている。その結果、図５の回転翼１´は、その根元の翼弦長が大きくなり、一定半径まで翼弦長の分布が徐々に変化し、一定半径を越えると外周まで線形的に変化した形態になっている。

回転翼１´の前縁部１ｅを図５のような形態とすることにより、最大応力が発生する翼根元前縁付近の翼面積のみを増加させることが出来るため、応力集中を緩和することが可能となる。

但し、図５に示される形態では、応力緩和は可能となるが、翼根元部の翼間隙間が小さくなり、一体成形等で回転翼を成形する際に、金型の設計及び製作が困難となる、という課題が依然として残る。

本実施の形態に係る回転翼は、以上のような検討事項を背景として構成されたものであり、図６〜図１５において本実施の形態について説明する。

図６は、本発明の一実施形態に係る軸流送風機１００の平面図である。
本実施の形態に係る回転翼１０´は、図５の形態との相違点は、翼根元部の翼後縁部１ｃ´がカットされた形態の後縁部１ｆが形成されていることにある。なお、回転翼１０´は、図２の例と同様に、回転軸３に直交する面に投影した本実施の形態の回転翼である。本実施の形態の軸流送風機１００の全体形状は、図１と基本的に同様であり、回転翼１０´は、全体的に流れの下流方向に後傾する３次元立体形状を有しており、ボス部２に放射状に取り付けられている。

図６に示される形態の回転翼１０´では、最大応力が発生する翼根元前縁付近では、翼面積が増加することにより応力集中を緩和することが可能となる。さらに、翼後縁部１ｃ´は翼間の隙間を確保するため、後縁形状が曲線的に変化するようになっている。この回転翼１０´の形態は、前進角の分布及び弦節比の分布に着目すると、次のようにして特定される。
回転翼１０´は、ボス部２から翼の内周側の第一領域１１と、第一領域１１の外周側の第二領域１２とに区画される。そして、回転翼１０´の前進角δθの分布は、第一領域１１では２次関数的に変化して増加し（但し、その最大値は第二領域１２の前進角以下の値である）、第二領域１２では線形分布（第一領域１１の最終値が更に直線的に増加）を有する（詳細は図７参照）。さらに、回転翼１０´の弦節比の分布は、第一領域１１では根元を最小値として曲線的に変化して増加し、第二領域１２では線形分布（ぼぼ直線的に減少）を有する（詳細は図８参照）。

図６の回転翼１０´は、図５の回転翼に比べて若干応力は高くなるが、図２の回転翼に比べると、応力は約３０(％)程度緩和できることが強度解析より判明している。（後述の図１２、図１３参照）

図７は、本実施の形態に係る回転翼１０´の前進角δθの分布と、従来の回転翼の前進角δθの分布を示した図である。本実施の形態に係る回転翼１０´の前進角δθは、上記のように、第一領域１１において２次関数的に変化して増加し、第二領域１２では線形分布（直線的に増加）している。一方、従来の回転翼の前進角δθは、第一領域及び第二領域を通じて線形分布（直線的に増加）している。

図８は、本実施の形態に係る回転翼１０´の弦節比の分布と、従来の回転翼の弦節比の分布を示した図である。本実施の形態に係る回転翼１０´の弦節比は、第一領域１１では弦節比の分布は根元を最小値として曲線的に変化して増加し、第二領域１２では線形分布（ぼぼ直線的に減少）している。一方、従来の回転翼の弦節比は、第一領域１１及び第二領域を通じて線形分布（直線的に減少）している。

図７及び図８に示される前進角及び弦節比の分布を用いると、図６に示される本実施の形態の回転翼１０´を得ることが可能となる。このような形態の回転翼１０´によれば、応力集中を緩和し、かつ送風−騒音特性への悪化が少ない軸流送風機を得ることが可能となる。

本実施の形態に係る回転翼１０´では、外径Ｒｔ＝１３０(ｍｍ)の回転翼において、第一領域１１は翼根元から０．６５×Ｒｔの位置までとし、図７及び図８に示される前進角及び弦節比の分布を適用した。なお、本実施の形態において、回転翼１０´の外径Ｒｔとは、回転軸３から回転翼１０´の外周部までの長さをいうものとする。

図９は、回転翼１０の応力分布を示した図である。
図９に示されるように、回転の遠心力により、回転翼１０の前縁付近の部位５に応力集中が生じている。

図１０は、従来の回転翼の応力分布を示した図である。図１１は、根元の翼弦長が従来に比べ長い場合の従来の回転翼（図５）の応力分布を示した図である。図１２は、本実施の形態の回転翼の応力分布を示した図である。図１３は、最大応力の比較表である。

図１０の応力分布と図１１及び図１２の応力分布とを比較すると、図１１及び図１２の回転翼の前縁付近で発生する応力集中が緩和されていることが分かる。また、最大応力を比較すると、図１３に示されるように、根元の翼弦長を延長した回転翼（図５）と本実施の形態とは、従来の回転翼に比べ約−３０(％)程度の低減が確認できた。

図１４は、本実施の形態の回転翼と従来の回転翼（前進角及び弦節比が線形分布の回転翼）の送風−静圧特性を示した図である。図１５は、本実施の形態の回転翼と従来の回転翼（前進角及び弦節比が線形分布の回転翼）の送風−騒音特性を示した図である。
本実施の形態の回転翼１０は、図１４及び図１５の特性から、従来の回転翼と比べて、実使用ポイント付近では、送風／静圧−騒音特性の差は小さいことがわかる。

ところで、上記の具体例においては、第一領域１１と第二領域１２とを区画する基準値を「０．６５×Ｒｔ」とする例について説明したが、その根拠を説明する。
図１に示されるような形状の回転翼は、その吹き出しの流速分布において、流速が速い領域部分は略０．７Ｒｔ〜Ｒｔ（Ｒｔ：羽根外径）に集中するので、この部分が送風性能への寄与が大きい。また、それより内側では流速が遅いため、外周部に比べると送風性能への寄与は小さくなる。したがって、送風性能への寄与が小さい範囲で、羽根形状を変化させるための基準値を設定するのが好ましい。また、強度面から考えると、内周部で急激に形状を変化させると、応力集中部が生じるので、送風性能に影響が小さい範囲で、穏やかに変化させた方が、構造上無理が生じない。このよう理由から、上記の具体例では基準値を「０．６５Ｒｔ」に設定している。しかし、この基準値は「０．６５Ｒｔ」に限定されるものではなく、上記の理由から、０．５Ｒｔ〜０．６５Ｒｔの範囲であれば、本発明の課題を達成することができる。

以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る回転翼１０（即ち軸流送風機１００）では、送風−騒音特性にほとんど影響を与えず、強度特性を改善できることが分かる。また、回転翼１０が樹脂又は金属によって一体成形される際には、金型が抜けるように各翼の翼間距離を確保できるので、金型が薄くならず金型強度を確保でき単純な金型構造（軸方向に二分割して抜く構造）でも成形的することができる。つまり、スライド金型を使って、回転翼の根元だけ金型抜き方向を部分的に変更する必要がない。

以上のように、本発明に係る軸流送風機は、回転翼の応力集中部分の応力緩和を行うことができ、かつ送風−騒音特性の悪化が小さい送風機として、換気扇、エアコン、冷却ファン等に適用される。

１、１０ 回転翼、１´、１０´ 回転軸に直交する面に投影した回転翼、１ｂ´ 翼前縁部、１ｃ´ 翼後縁部、１ｄ´ 翼外周部、２ ボス部、３ 回転軸、４ 回転方向、Ａ 気流の方向、Ｏ 回転中心、Ｐｂ，Ｐｂ´ ボス部の翼弦線中心点、Ｐｔ，Ｐｔ´ 翼外周部の翼弦線中心点、Ｐｒ，Ｐｒ´ 翼弦線中心点の軌跡（翼弦中心線）、δθ 前進角、Ｌ 翼弦長、ｔ 翼ピッチ、σ 弦節比、１ｅ 翼内周側の翼弦長が長い場合の前縁部、１ｆ 本実施の形態の後縁部、５ 応力集中部、１１ 第一領域、１２ 第二領域、１００ 軸流送風機。

Claims (3)

1. モータによって回転駆動されるボス部と、
   前記ボス部に放射状に取付けられ、回転軸方向に送風する複数の回転翼と
   を備えた軸流送風機において、
   前記複数の回転翼の各々を、前記ボス部から始まり外周側に向う第一領域と、前記第一領域につながり前記第一領域から前記回転翼の最外周までの第二領域とに区画し、
   前進角の分布は、前記第一領域では２次関数的に変化し、前記第一領域の前進角の最大値を前記第二領域の前進角以下の値とし、
   弦節比の分布は、前記第一領域で根元を最小値として曲線的に変化し、前記第二領域では線形分布を有する、軸流送風機。
2. 前進角の分布は、前記第二領域では線形分布を有する、
   請求項１に記載の軸流送風機。
3. 前記複数の回転翼の各々は、全体的に流れの下流方向に後傾する形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載の軸流送風機。

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