JP6373414B2 - プロペラファン、流体送り装置および成形用金型 - Google Patents

プロペラファン、流体送り装置および成形用金型 Download PDF

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Description

この発明は、流体を送り出すプロペラファンと、そのようなプロペラファンを備えた流体送り装置と、そのようなプロペラファンを樹脂により成形する際に用いられる成形用金型とに関する。
プロペラファンは、軸方向(回転軸に対して平行な方向)に沿って主として流れるような流体を生成する。特許第4132826号公報(特許文献1)に開示されたプロペラファンは、後縁部にU字型のへこみが設けられた翼を備えている。このプロペラファンは、U字型のへこみの存在によって、翼先端部および翼端部において発生した渦の変動および発達を抑制し、翼面から気流が剥離してしまうことも抑制する。
特開平08−121392号公報(特許文献2)に開示されたプロペラファンは、回転方向における後ろ側の前面周辺部に煽り板が設けられた翼を備えている。このプロペラファンは、煽り板の存在によって、広範囲に変化に富んだ自然の風に近い風を生成する。
特許第4132826号公報 特開平08−121392号公報
従来のプロペラファンは、翼面上における渦の挙動や、ファン全体の送風効率等に着目しているのみであり、翼から流体が送出される時点での流体の挙動(たとえば、流体が翼から離れる際にその流体が進む方向やその流体の流量)についてまではほとんど配慮されていなかった。したがって、翼の回転によって翼の周囲で発生した気流は、翼の後縁部に到達したとしてもそのまま特段規定されることなく(それまでの成り行きを変えることなく)、翼面の影響を受けた状態のままで翼面から離れていた。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであって、翼から流体が送出される際の流体の挙動を規定可能な構成を備えたプロペラファン、そのようなプロペラファンを備えた流体送り装置、および、そのようなプロペラファンを樹脂により成形する際に用いられる成形用金型を提供することを目的とする。
本発明のある局面に基づくプロペラファンは、回転軸周りに回転するボス部と、前記ボス部の外表面に設けられた翼とを備え、上記翼は、回転方向における前方に位置する前縁部と、回転方向における後方に位置する後縁部と、上記前縁部の最外周部である前縁最外周部と上記後縁部の最外周部である後縁最外周部とを接続し、周方向に沿って円弧状に延びる形状を有する外周縁部と、を含み、上記回転軸に対して平行な方向から上記翼を見た場合に、上記後縁最外周部が位置している箇所での上記後縁部に対する接線と、上記後縁最外周部が位置している上記箇所と上記回転軸の位置とを結ぶ直線とのなす角度をαと定義すると、上記後縁最外周部は、角度αが60°となる位置であってかつ最も回転半径方向の外側にある箇所に位置しており、上記後縁最外周部よりも回転半径方向における内側の位置には、回転方向とは反対の方向に向かって上記後縁部の一部が舌片状に延出したような形状を有するガイド部が設けられている。
好ましくは、上記ガイド部は、上記ガイド部の先端部が周方向よりも回転半径方向の外側を向くようにして上記後縁部から延出している。
好ましくは、上記ガイド部は、上記ガイド部の正圧面側が軸方向に凸となり且つ上記ガイド部の負圧面側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。
好ましくは、上記回転軸に対して垂直な方向から上記ガイド部を見た場合に、上記回転軸に垂直な面に対して上記ガイド部の延出方向がなしている角度をθとすると、−10°≦θ≦45°である。
好ましくは、上記翼のうち、上記ボス部の上記外表面に接続している部分を翼根部とすると、上記翼根部は、上記翼根部の正圧面側が軸方向に凸となり且つ上記翼根部の負圧面側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。
好ましくは、上記ガイド部は、上記後縁部のうちの半分よりも外周部寄りの位置に設けられている。
好ましくは、上記外周縁部は、上記外周縁部の一部が回転半径方向の内側に向かって凹むようにして形成された切り欠き部を有している。
本発明の他の局面に基づくプロペラファンは、回転軸周りに回転するボス部と、上記ボス部の外表面に設けられた翼とを備え、上記翼は、回転方向における前方に位置する前縁部と、回転方向における後方に位置する後縁部と、上記前縁部の最外周部である前縁最外周部と上記後縁部の最外周部である後縁最外周部とを接続し、周方向に沿って円弧状に延びる形状を有する外周縁部と、を含み、上記外周縁部の回転方向における最後方の位置には、回転方向とは反対の方向に向かって上記後縁部の一部が舌片状に延出したような形状を有するガイド部が設けられており、上記ガイド部の半径方向における外側縁のうちの上記外周縁部に接続している部分は、上記外周縁部と略同一の半径で上記外周縁部に連続するように形成されており、上記ガイド部は、上記ガイド部の正圧面側が軸方向に凸となり且つ上記ガイド部の負圧面側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。
本発明に基づく流体送り装置は、本発明に基づく上記のプロペラファンを備える。
本発明に基づく成形用金型は、樹脂成形品からなる本発明に基づく上記のプロペラファンを成形するために用いられる。
上記のプロペラファンによれば、翼の後縁部側に舌片状のガイド部が設けられる。ガイド部によれば、翼の回転によって翼面上で発生した気流の挙動は、流体が翼から離れる際に効果的に規定されることが可能となる。
実施の形態1における流体送り装置を分解して示す側面図である。 実施の形態1におけるプロペラファンを示す側面図である。 実施の形態1に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンを示す平面図である。 実施の形態1に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンの翼を示す拡大平面図である。 実施の形態1に関し、正圧面側(噴出側)から見たプロペラファンの翼を示す拡大斜視図である。 図5中のVI−VI線に沿った矢視断面図である。 図5中のVII−VII線に沿った矢視断面図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼が動作している様子(負圧面側から見た様子)を示す斜視図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示す断面図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼端渦の挙動を説明するための側面図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼端渦の挙動を説明するための平面図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼先端渦の挙動を説明するための側面図である。 実施の形態1におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼先端渦の挙動を説明するための平面図である。 比較例におけるプロペラファンを示す側面図である。 比較例に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンを示す平面図である。 比較例におけるプロペラファンの翼が動作している様子(負圧面側から見た様子)を示す斜視図である。 比較例におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示す断面図である。 比較例におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼端渦の挙動を説明するための側面図である。 比較例におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼端渦の挙動を説明するための平面図である。 比較例におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼先端渦の挙動を説明するための側面図である。 比較例におけるプロペラファンの翼が動作している様子を示しており、翼先端渦の挙動を説明するための平面図である。 実施の形態2に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンの翼を示す拡大平面図である。 実施の形態3に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンの翼を示す拡大平面図である。 実施の形態4に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンの翼を示す拡大平面図である。 実施の形態5におけるプロペラファンの翼を示す断面図である。 実施の形態6におけるプロペラファンの翼を示す断面図である。 実施の形態7におけるプロペラファンを示す側面図である。 実施の形態7に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンを示す平面図である。 実施の形態7の変形例におけるプロペラファンを示す平面図である。 実施の形態8におけるプロペラファンを示す側面図である。 実施の形態8に関し、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファンを示す平面図である。 実施の形態8に関する実験例の実施例1で採用されたプロペラファンの負圧面側(吸込側)から見た様子を示す平面図である。 実施の形態8に関する実験例の比較例1で採用されたプロペラファンの負圧面側(吸込側)から見た様子を示す平面図である。 実施の形態8に関する実験例の結果として、実施例1および比較例1のそれぞれにおけるプロペラファンの径方向の位置と風速との関係を示す図である。 実施の形態8に関する実験例の結果として、実施例1および比較例1のそれぞれにおけるプロペラファンの回転数と風量との関係を示す図である。 実施の形態8に関する実験例の結果として、実施例1および比較例1のそれぞれにおけるプロペラファンの風量と騒音との関係を示す図である。 実施の形態9における成形用金型を示す断面図である。
本発明に基づいた各実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。各実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。各実施の形態の説明において、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。特に制限が無い限り、各実施の形態に示す構成に示す構成を適宜組み合わせて用いることは、当初から予定されていることである。
[実施の形態1]
図1〜図7を参照して、実施の形態1における流体送り装置100およびプロペラファン30の構成について説明する。図1に示すように、流体送り装置100は、プロペラファン30と、駆動モータ(図示せず)とを備える。
(プロペラファン30)
図2は、プロペラファン30を示す側面図である。図3は、負圧面20Sの側(吸込側)から見たプロペラファン30を示す平面図である。プロペラファン30は、ボス部10と、ボス部10の外表面に設けられた7枚の翼20(図3)とを含む。プロペラファン30は、たとえばAS(acrylonitrile-styrene)樹脂等の合成樹脂を用いて、ボス部10と7枚の翼20とが一体的に成形された1つの樹脂成形品として構成される。プロペラファン30の直径はたとえば200mmであり、全高はたとえば50mmである。
ボス部10は、プロペラファン30を、駆動モータ(図示せず)の出力軸に接続するための部位である。図示しないスクリューキャップを用いて、ボス部10はモータの出力軸に取り付けられる。ボス部10は、駆動モータからの駆動力を受けて、回転軸11の周りに矢印12に示す方向に回転する。
翼20は、ボス部10の外表面から回転半径方向の外側に延出するように形成されている。本実施の形態においては、7枚の翼20が回転方向に沿って互いに離間するように等間隔に配置されており、これらの形状はいずれも同一である。ボス部10が回転軸11の周りに回転することに伴って、翼20も、ボス部10と一体的に回転軸11の周りに回転する。
図4は、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファン30の翼20を示す拡大平面図である。図5は、正圧面側(噴出側)から見たプロペラファン30の翼20を示す拡大斜視図である。図6は、図5中のVI−VI線に沿った矢視断面図である。図7は、図5中のVII−VII線に沿った矢視断面図である。
(翼20の詳細構成)
図2〜図7に示すように、翼20は、前縁部21、後縁部22、翼根部23および外周縁部24を含み、これらの内側に、厚みを有する翼板部25およびガイド部26が形成されている。換言すると、厚みを有する翼板部25およびガイド部26の周囲に、翼20の前縁部21、後縁部22、翼根部23および外周縁部24が形成されている。
翼板部25は、流体の送出(気流の生成)という、翼20の本来的な機能を主として担う部位である。一方で、後縁部22の一部(ガイド部26)は、回転方向とは反対の方向に向かって略U字状に突出したような形状を有しており、後縁部22のU字状部分の内側に、ガイド部26が形成されている。
ガイド部26は、翼板部25よりも回転方向における後ろ側に位置し、回転方向とは反対の方向に向かって舌片状に延出したような形状を有する。ガイド部26は、翼板部25上で発生した気流が翼20から離れる際に、その流体の挙動(その流体が進む方向やその流体の流量)を規定するための部位である。翼20から流体が離れる際、流体の挙動は、ガイド部26の表面形状に応じて規定されることになる。
図4〜図6を主として参照しながら、プロペラファン30の翼20に関してより詳細に説明する。翼20の翼根部23は、翼20の付け根部分に相当し、翼20をボス部10の外表面に接続している。
翼20の前縁部21は、翼20のうち、回転方向(矢印12方向)の前方側に位置する部位である。プロペラファン30を軸方向から見た場合、前縁部21は、回転方向における翼根部23の前端部を起点として、回転半径方向の内側から外側に向けて延びている。前縁部21は、回転半径方向の内側から外側に向かうにつれて、凹状に湾曲しながらプロペラファン30の回転方向の前方側に向かって滑らかに延びている。
翼20の後縁部22は、翼20のうち、回転方向(矢印12方向)の後方側に位置する部位である。プロペラファン30を軸方向から見た場合、後縁部22(後縁部22のうち、ガイド部26が設けられている部分を除いた部分)は、回転方向における翼根部23の後端部を起点として、回転半径方向の内側から外側に向けて延びている。後縁部22(後縁部22のうち、ガイド部26が設けられている部分を除いた部分)は、回転半径方向の内側から外側に向かうにつれて、凸状に湾曲しながらプロペラファン30の回転方向の前方側に向かって滑らかに延びている。
外周縁部24は、前縁部21の最外周部である前縁最外周部21T(翼先端部ともいう)と後縁部22の最外周部である後縁最外周部22Tとを接続し、周方向に沿っておおよそ円弧状に延びる形状を有している。ここで、回転軸11に対して平行な方向(軸方向)から翼20を見た場合、後縁最外周部22Tが位置している箇所には、後縁部22に対する接線L10を描くことができる。同様に、回転軸11に対して平行な方向から翼20を見た場合、後縁最外周部22Tが位置している箇所と回転軸11の位置とを結ぶように、直線L11を描くことができる。接線L10と直線L11とのなす角度をαと定義すると、後縁最外周部22Tは、角度αが60°となる位置であってかつ最も回転半径方向の外側にある箇所に位置している。
プロペラファン30を軸方向から見た場合、翼20は、前縁部21の前縁最外周部21Tを先端にして、鎌状に尖った形状を有している。翼板部25およびガイド部26は、前縁部21、前縁最外周部21T、外周縁部24、後縁最外周部22T、後縁部22および翼根部23の内側に形成される。翼20の表面(つまり、翼板部25の表面およびガイド部26の表面)は、全体として滑らかに曲成された形状を有している。
翼20が矢印12に示す方向に回転している際、翼20の一方の表面は正圧面20Pを形成し、翼20の他方の表面は負圧面20Sを形成する。正圧面20Pは、軸方向において翼20の噴出側に形成され、負圧面20Sは、軸方向において翼20の吸込側に形成される。翼20は、負圧面20S側(吸込側)から正圧面20P側(噴出側)に向かって流れる気流を発生させる。翼20の周囲で気流が発生することに伴って、翼20の周囲には、正圧面20Pで相対的に大きく、負圧面20Sで相対的に小さいという圧力分布が形成される。
図6を参照して、翼20の翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分は、いわゆる正キャンバー構造を有する。具体的には、翼20の翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分は、食い違い角θAを有している。図6に示すように、翼20の翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分の断面形状について、前縁部21上の点と後縁部22上の点とを結ぶことにより、仮想直線L1が形成される。食い違い角θAとは、仮想直線L1と回転軸11とがこれらの間になす角度のことである。
翼20の翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分は、前縁部21および後縁部22を両端としてその中腹部が仮想直線L1から負圧面20S側(吸込側)に向かって遠ざかるように湾曲している。換言すると、翼20の翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分は、正圧面20P側が軸方向に凹となり且つ負圧面20S側が軸方向に凸となるように反った形状を有している。
図7に示すように、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分は、いわゆる逆キャンバー構造を有していることが好ましい。具体的には、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分は、食い違い角θBを有している。図7に示すように、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分の断面形状について、前縁部21上の点と後縁部22上の点とを結ぶことにより、仮想直線L3が形成される。食い違い角θBとは、仮想直線L3と回転軸11とがこれらの間になす角度のことである。本実施の形態では、食い違い角θBよりも、食い違い角θA(図6)の方が大きくなるように構成される。
翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分は、前縁部21および後縁部22を両端としてその中腹部が仮想直線L3から正圧面20P側(噴出側)に向かって遠ざかるように湾曲している。換言すると、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分は、正圧面20P側が軸方向に凸となり且つ負圧面20S側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。
一方、翼板部25よりも回転方向における後方に位置するガイド部26(図6参照)は、いわゆる逆キャンバー構造を有する。翼20のガイド部26は、後縁最外周部22Tよりも回転半径方向における内側の位置に設けられている。本実施の形態のガイド部26は、翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分(正キャンバー構造を有している部分)の後端部に連続するように形成されるとともに、正圧面20P側が軸方向に凸となり且つ負圧面20S側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。
図4に示すように、以上のような構成を有するガイド部26においては、ガイド部26の先端部26dが周方向CRよりも回転半径方向の外側を向くようにして、ガイド部26が後縁部22から延出していることが好ましい。本実施の形態では、ガイド部26の根元部分(点26a,26b間に位置する部分)の丁度中央の位置(点26cの位置)と、ガイド部26の延出方向における先端部26dの位置とを直線で結んで矢印A1を描いたとすると、この矢印A1は、点26cの位置を起点として周方向CRよりも回転半径方向の外側を向いて延びている。周方向CRとは、回転軸11の位置を中心とし、かつ点26cを通る正円によって描かれる周方向である。
回転軸11に対して垂直な方向からガイド部26を見た場合において(または、図4中の矢印A1に示す位置におけるガイド部26の断面形状を見た場合において)、ガイド部26のすぐ下に、回転軸11に対して垂直となる面SSを規定したとする。この面SSに対して、ガイド部26の延出方向(点線L2に示す方向)がなしている角度をθとすると、ガイド部26は、−10°≦θ≦45°の関係を具備していることが好ましい。本実施の形態においては、角度θは約10°である。ガイド部26の延出方向とは、ガイド部26のうちの先端部26d寄りの部分の下面(正圧面20P)によって規定される方向である。
(作用および効果)
図8は、プロペラファン30の翼20が動作している様子(負圧面20S側から見た様子)を示す斜視図である。図9は、プロペラファン30の翼20が動作している様子を示す断面図である。図8および図9を参照して、翼20の回転によって、矢印DR1,DR2(図9)に示すような気流が生成される。これにより、流体送り装置100(図1)はたとえば扇風機として送風を実現することが可能となる。
矢印DR1は、負圧面20S上を流れる気流の挙動を模式的に示しており、矢印DR2(図9)は、正圧面20P上を流れる気流の挙動を模式的に示している。本実施の形態では、ガイド部26が、翼板部25よりも回転方向における後ろ側に位置し、回転方向とは反対の方向に向かって舌片状に延出したような形状を有する。ガイド部26は、後縁最外周部22Tよりも回転半径方向における内側の位置に設けられており、翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分(正キャンバー構造を有している部分)の後端部に連続するように形成されるとともに、正圧面20P側が軸方向に凸となり且つ負圧面20S側が軸方向に凹となるように反った形状(つまり逆キャンバー構造)を有している。
したがってこのような形状を有するガイド部26によれば、翼20の回転によって翼面上で発生した気流の挙動(その流体が進む方向やその流体の流量)は、流体が翼20から離れる際に効果的に規定されることが可能となる。翼20から流体が離れる際、流体の挙動は、ガイド部26の表面形状に応じて規定される(定義される)ことになる。
逆キャンバー構造を有する舌片状のガイド部26を後縁部22に設けることによって、翼20の翼面から噴出側(正面側)に向かって押し出される風を転向させることができるため、送風の範囲を広げたり、送風の範囲を狭くしたり、送風量を増加させたり、送風量を減少させたり、最大風速を速くしたり、最大風速を遅くしたりすることが可能となる。
図10および図11は、プロペラファン30の翼20の回転によって発生する翼端渦の挙動を説明するための側面図および平面図である。上述のとおり、翼20は、負圧面20S側(吸込側)から正圧面20P側(噴出側)に向かって流れる気流を発生させる。翼20の周囲で気流が発生することに伴って、翼20の周囲には、正圧面20Pで相対的に大きく、負圧面20Sで相対的に小さいという圧力分布が形成される。これにより、翼20の外周縁部24の付近には翼端渦が発生する。本実施の形態においては、ガイド部26の存在によって、翼端渦の一部の拡散方向が、外側を向くように転向される(矢印DR3参照)。ガイド部26の形状を適切に設計することによって、翼端渦(風)の拡散方向のみならず、翼端渦の拡散の程度(風量)を調整することも可能となる。このような現象は、翼先端渦についてもあてはまる。
ここで、翼20の外周縁部24の付近で発生した翼端渦は、コアンダ効果により、遠心力に打ち勝って、外周縁部24の回転方向前方から回転方向後方に向かって沿い続けながら流れることができる。外周縁部24の回転方向最後方にさしかかった翼端渦は、コアンダ効果によりそのまま後縁部22に沿って流れようとするが、後縁最外周部22Tの近辺で翼20の縁形状が周方向の向きから半径方向の向きに急激に変化しているため、コアンダ効果による力に対して遠心力が打ち勝ち、翼端渦が翼20の縁から剥離し、ファンの下流側へと押し流される。剥離の起点になるポイント(コアンダ効果による力に対して遠心力が打ち勝つポイント)は概ね、翼20の縁の接線(L10)と半径方向とのなす角度(α)が60°以下になる点である。この60°になる点を、後縁最外周部22Tと定義している。
なお、翼面に沿う流れが翼面から剥離する要因は、物体の形状、表面粗さ、圧力や遠心力など、様々なものがある。また、翼面に沿う流れが翼面から剥離するポイントは、流体の物性値(たとえば温度や粘性など)によっても左右される。したがって、剥離点は上記60°の点から多少ずれる場合があるが、剥離点を60°の点であるとして翼20を設計することで、おおむね適切な送風性能を得ることができることが経験上判明している。
図12および図13は、プロペラファン30の翼20の回転によって発生する翼先端渦の挙動を説明するための側面図および平面図である。翼20が回転している際、翼20の周りには、前縁部21の前縁最外周部21T(翼先端部)を起点として回転方向の下流側に向かって流れる翼先端渦が発生する。本実施の形態においては、ガイド部26の存在によって、翼先端渦の一部の拡散方向も、外側を向くように転向される(矢印DR4参照)。ガイド部26の形状を適切に設計することによって、翼先端渦(風)の拡散方向のみならず、翼先端渦の拡散の程度(風量)を調整することも可能となる。
上述のような構成に限られず、プロペラファン30は、7枚以外の複数枚の翼20を備えていてもよいし、1枚のみの翼20を備えていてもよい。プロペラファン30は、扇風機やサーキュレータとしての流体送り装置100に限られず、ヘアドライヤ、カールドライヤ、ペット用ドライヤ、エアーコンディショナ、ブロアー、空気清浄機、加湿機、除湿機、ファンヒータ、冷却装置または換気装置などの、様々な流体送り装置に用いられることもできる。これらいずれの場合においても、ガイド部26の形状や大きさ、指向方向を適切に設定することによって、翼20から送出される流体の挙動を所望の値に規定(定義)することが可能となる。
翼20から送出される流体の挙動を規定できるということは、たとえば次のような効果を得ることが可能となる。上述のとおり、本実施の形態のガイド部26においては、ガイド部26の先端部26dが周方向CRよりも回転半径方向の外側を向くようにして、ガイド部26が後縁部22から延出している(図4参照)。すなわち、たとえば近年の扇風機においては、使い方が従来のものから変わり始めている。過去、扇風機は夏期に単独で用いられ、風を使用者に吹き付けることで使用者に涼感を与えるものであった。風量が大きくかつ風速も早い風を収束させて使用者に吹き付けることが求められていた。
その後、夏期にはエアコンが単独で用いられることが主流になり、扇風機は初夏または秋といった、エアコンを運転するほど暑くない時期に補助的に用いられるようになった。但し、扇風機に求められる要件ないし仕様は過去のものから変わっておらず、補助的な使用用途に合致するものではなかった。近年、地球環境保全および省エネルギーの観点から、夏期に、エアコンと扇風機とを併用することがある。併用により、部屋の温度ムラ(足元が冷たく、頭上が暑いといった状況)を解消できるとともに、風の吹き付けによって体感温度を下げることで、エアコンの設定温度を緩め(高め)に設定することが可能となる。
しかしながら、併用の場合、空気の温度がエアコンにより低くなっているため、従来のように風量が大きくかつ風速の早い風を収束させて使用者に吹き付けると、体温の過度な低下を招く場合がある。このことは、快適性を損なわせるだけでなく、風邪などを引き起こす可能性も考えられる。したがって、風量が大きくかつ風速も早い風を収束させて使用者に吹き付けるのではなく、風を広範囲に広げ、優しい風を作りたいという要望が存在している。遠心ファンや斜流ファンなどはこれに似たような要望に応えることができるが、風量がプロペラファンに比べて小さいため、これらのファンは「大風量の風を広範囲に送風したい」という要望に応えることは難しい。これのような要望に十分に応えるためには、プロペラファンの送風に対し、軸方向だけではなく強い半径方向成分を与える必要がある。
冒頭で述べたように、特許第4132826号公報(特許文献1)に開示されたプロペラファンは、後縁部にU字型のへこみが設けられた翼を備えている。U字型のへこみの近傍部分は、正キャンバー構造を有しているため、翼の他の部分と同じ作用効果を生じることになる。U字型のへこみの近傍部分の周り流れにおいては、翼端渦が支配的になり、周方向下流側に翼端渦を放出するのみとなる。特許文献1に開示されたプロペラファンでは、周縁部に生ずる翼端渦を半径方向外側に方向を曲げて放出することはできない。
これに対し、上述の実施の形態1におけるガイド部26は、翼板部25のうちの外周縁部24寄りの部分(正キャンバー構造を有している部分)の後端部に連続するように形成されるとともに、正圧面20P側が軸方向に凸となり且つ負圧面20S側が軸方向に凹となるように反った形状(つまり逆キャンバー構造)を有している。さらに、ガイド部26においては、ガイド部26の先端部26dが周方向CRよりも回転半径方向の外側を向くようにして、ガイド部26が後縁部22から延出している。
このような構造を有するガイド部26は、翼20の外周縁部24の付近に生じていた翼端渦に強い半径方向の力を作用させることができるとともに、特に、ガイド部26の箇所に遠心力による半径方向成分の強い流れを生じさせることができ、この流れを半径方向内側から、翼20の外周縁部24に生ずる翼端渦に作用させることができるため、外周縁部24の付近に生ずる翼端渦を半径方向外側に方向を曲げて放出することができる。
さらに、本実施の形態のガイド部26は、回転軸11に垂直となる面SSに対して、ガイド部26の延出方向(点線L2に示す方向)がなしている角度をθとすると、ガイド部26は、−10°≦θ≦45°の関係を具備している。本実施の形態においては、角度θは約10°である。この構成によると、後縁部22に設けられたガイド部26の向きが、下方向(軸方向)と比較してより横方向に指向することになるため、半径方向の外側に向かう流れが強まり、より大きく風を拡散することが可能となる。
また上述のとおり、本実施の形態のプロペラファン30においては、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分は、いわゆる逆キャンバー構造を有しており、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分は、正圧面20P側が軸方向に凸となり且つ負圧面20S側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。この構成によると、ガイド部26を有する翼20の拡散性能を高めることが可能となる。すなわち、翼20の翼板部25のうちの翼根部23寄りの部分が逆キャンバー構造を有していれば、翼20の翼板部25の中央付近での送風能力が増加する。翼20の翼板部25の中央付近での送風能力が高いと、ガイド部26による流体の転向の効果を十分に得ることが可能となり、ひいては風を十分に拡散することが可能となる。
[比較例]
図14〜図21を参照して、実施の形態1の比較例におけるプロペラファン30Zについて説明する。図14および図15に示すように、プロペラファン30Zの翼20は、実施の形態1におけるガイド部26に相当する部位を備えていないという点で、実施の形態1のプロペラファン30とは異なっている。
図16は、プロペラファン30Zの翼20が動作している様子(負圧面20S側から見た様子)を示す斜視図である。図17は、プロペラファン30Zの翼20が動作している様子を示す断面図である。図16および図17に示すように、ガイド部26を後縁部22に設けない場合には、翼20の回転によって翼20の周囲で発生した気流は、翼20の後縁部22に到達したとしてもそのまま特段規定されることなく(それまでの成り行きを変えることなく)、翼面の影響を受けた状態のままで翼20から離れる。
図18および図19は、プロペラファン30Zの翼20の回転によって発生する翼端渦の挙動を説明するための側面図および平面図である。図18および図19に示すように、このような現象は、翼端渦についてもあてはまる(矢印DR3参照)。すなわち、比較例のプロペラファン30Zにおいては、ガイド部26が設けられていないため、翼端渦の拡散方向が転向されることもない。
図20および図21は、プロペラファン30Zの翼20の回転によって発生する翼先端渦の挙動を説明するための側面図および平面図である。図20および図21に示すように、このような現象は、翼先端渦についてもあてはまる(矢印DR4参照)。すなわち、比較例のプロペラファン30Zにおいては、ガイド部26が設けられていないため、翼先端渦の拡散方向が転向されることもない。
これに対して上述の実施の形態1によれば、逆キャンバー構造を有する舌片状のガイド部26を後縁部22に設けることによって、翼20の翼面から噴出側(正面側)に向かって押し出される風を転向させることができるため、送風の範囲を広げたり、送風の範囲を狭くしたり、送風量を増加させたり、送風量を減少させたり、最大風速を速くしたり、最大風速を遅くしたりすることが可能となる。
[実施の形態2]
図22は、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファン30Aの翼20を示す拡大平面図である。本実施の形態のプロペラファン30Aの翼20においては、ガイド部26の先端部26dが周方向CRを向くようにして、ガイド部26が後縁部22から延出している。具体的には、本実施の形態では、ガイド部26の根元部分(点26a,26b間に位置する部分)の丁度中央の位置(点26cの位置)と、ガイド部26の延出方向における先端部26dの位置とを直線で結んで矢印A2を描いたとすると、この矢印A2は、点26cの位置を起点として周方向CRの接線方向と同一の方向を向いて延びている。周方向CRの接線方向とは、周方向CR上の点26cを通る接線の方向である。翼20から流体が離れる際、流体の挙動は、ガイド部26の表面形状に応じて規定されることになるため、実施の形態2の構成は、実施の形態1の場合に比べて風の拡散の程度を小さくできる。
[実施の形態3]
図23は、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファン30Bの翼20を示す拡大平面図である。本実施の形態のプロペラファン30Bの翼20においては、ガイド部26の先端部26dが周方向CRよりも回転半径方向の内側を向くようにして、ガイド部26が後縁部22から延出している。具体的には、本実施の形態では、ガイド部26の根元部分(点26a,26b間に位置する部分)の丁度中央の位置(点26cの位置)と、ガイド部26の延出方向における先端部26dの位置とを直線で結んで矢印A3を描いたとすると、この矢印A3は、点26cの位置を起点として周方向CRよりも回転半径方向の内側を向いて延びている。周方向CRの接線方向とは、周方向CR上の点26cを通る接線の方向である。翼20から流体が離れる際、流体の挙動は、ガイド部26の表面形状に応じて規定されることになるため、実施の形態3の構成は、実施の形態1,2の場合に比べて風の拡散の程度を小さくできる。
[実施の形態4]
図24は、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファン30Cの翼20を示す拡大平面図である。図24に示すように、ガイド部26は、後縁部22のうちの半分よりも外周部寄りの位置に設けられていることが好ましい。
具体的には、回転軸11を中心とする正円を考えた場合、後縁部22は、半径R2の正円と半径R3の正円との間に形成されている。半径R2の正円CR2とは、後縁部22の後縁最外周部22Tを通る円であり、半径R3の正円とは、ボス部10の外周部分を規定する円である。半径R1は、(半径R2+半径R3)の半分の値である。ガイド部26は、半径R1の正円CR1と半径R2の正円CR2との間に形成されていることが好ましい。より好ましくは、0.8×半径R2の半径を有する正円を描いた場合、ガイド部26は、ガイド部26の付け根部分の位置26aが、この正円の位置よりも回転半径方向の外側に位置しているとよい。本実施の形態では、ガイド部26の先端部26dが0.82×半径R2の半径を有する正円上に位置するように構成されている。
これらの構成を採用した場合、翼端渦の進行方向をより適切に転向させることが可能となり、転向の効果を高めることができる。また、翼20の半径方向外側の部分は、その内側の部分と比較して送風能力の高いため、内側にガイド部26を設けるよりも外側ガイド部26に設けた方が、転向の効果を高めることができる。
[実施の形態5]
図25は、実施の形態5におけるプロペラファン30Dの翼20を示す断面図である。上述のとおり、ガイド部26のすぐ下に、回転軸11に対して垂直となる面SSを規定したとする。この面SSに対して、ガイド部26の延出方向がなしている角度をθとすると、ガイド部26は、−10°≦θ≦45°の関係を具備していることが好ましい。本実施の形態においては、角度θは0°である。当該構成によれば、回転半径方向の外側への風の大きな拡散効果を期待できる。
[実施の形態6]
図26は、実施の形態6におけるプロペラファン30Eの翼20を示す断面図である。上述のとおり、ガイド部26のすぐ下に、回転軸11に対して垂直となる面SSを規定したとする。この面SSに対して、ガイド部26の延出方向(点線L4に示す方向)がなしている角度をθとすると、ガイド部26は、−10°≦θ≦45°の関係を具備していることが好ましい。本実施の形態においては、角度θは−10°である。ガイド部26の延出方向とは、ガイド部26のうちの先端部26d寄りの部分の下面(正圧面20P)によって規定される方向である。当該構成によっても、回転半径方向の外側への風の大きな拡散効果を期待できる。
[実施の形態7]
図27は、実施の形態7におけるプロペラファン30Fを示す側面図である。図28は、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファン30Fを示す平面図である。本実施の形態においては、ガイド部26が、外周縁部24の回転方向における最後方の位置で、後縁最外周部22Tに連続するように設けられている。一方で、上述の各実施の形態においては、ガイド部26は、後縁部22の後縁最外周部22Tから離れた位置に設けられている。
実施の形態7におけるガイド部26は、ガイド部26の半径方向における外側縁のうちの外周縁部24に接続している部分は、外周縁部24と略同一の半径で外周縁部24に連続するように形成されている。ガイド部26は、ガイド部26の正圧面20P側が軸方向に凸となり且つガイド部26の負圧面20S側が軸方向に凹となるように反った形状を有している。実施の形態7の構成によっても、上述の各実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
ただし、実施の形態7のガイド部26は、半径方向の外側において外周縁部24にそのまま接続しているため、翼端渦と翼先端渦とが並行しながら半径方向外側に放出される。翼端渦と翼先端渦とは、互いに融合して(衝突して)大きくなることがあり、渦が一つ後ろにある翼にぶつかる確率が高く、騒音が生ずるが場合ある。したがって実施の形態7の構成は、必要に応じて採用されるとよい。騒音の懸念がある場合には、上述の各実施の形態のように、ガイド部26は、後縁部22の後縁最外周部22Tから離れた位置に設けられていることが好ましい。
(変形例)
図29は、実施の形態7の変形例におけるプロペラファン30Faを示す平面図である。プロペラファン30Faのガイド部26も、実施の形態7の場合と同様に、外周縁部24の回転方向における最後方の位置で、後縁最外周部22Tに連続するように設けられている。プロペラファン30Faと上述の実施の形態7のプロペラファン30Fとは、実施の形態1〜6の場合と同様に、角度αが60°となるような位置が存在しており、この位置に後縁最外周部22Tが形成され、この後縁最外周部22Tに連続するようにガイド部26が形成されているという点において相違している。当該構成によっても、上述の各実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。
[実施の形態8]
図30は、実施の形態8におけるプロペラファン30Gを示す側面図である。図31は、負圧面側(吸込側)から見たプロペラファン30Gを示す平面図である。図30および図31に示すように、プロペラファン30Gにおいては、外周縁部24が、外周縁部24の一部が回転半径方向の内側に向かって凹むようにして形成された切り欠き部28を有している。
回転軸11に対して平行な方向(軸方向)から翼20を見た場合、切り欠き部28が形成されている箇所には、接線L20を描くことができる。同様に、回転軸11に対して平行な方向から翼20を見た場合、切り欠き部28が位置している箇所と回転軸11の位置とを結ぶように、直線L21を描くことができる。接線L20と直線L21とのなす角度をβと定義すると、切り欠き部28は、角度βが60°以外(たとえば64°)となる箇所に位置している。すなわち、切り欠き部28は、後縁最外周部22Tを構成するものではない。
この構成によると、一枚の翼20によって小さな二枚分の翼20が存在するかのような擬似的な効果が得られる。すなわち、あたかも翼枚数を増やしたかのような効果が得られ、圧力変動も小さくなる。小さく軽い翼20によって送風が実現されるため、いわゆるバサバサ感といった大きな翼20が生成するような雰囲気も小さくなる。このような構成は、半径方向外側に拡散した風が、内側の風と比較してなお強すぎるような場合に、切り欠き部28を設けることでより快適性を高めることが可能となる。
(実験例)
図32〜図36を参照して、実施の形態8に関して行なった実験例について説明する。当該実験例では、図32に示すプロペラファン30Ga(実施例1)と、図33に示すプロペラファン30Gz(比較例1)との性能を比較した。
図32に示すプロペラファン30Gaは、上記の実施の形態8におけるプロペラファン30G(図31)と略同様の特徴を有しており、その大きさは直径が約320mmであり、全高が約55mmである。一方で、図33に示すプロペラファン30Gzは、プロペラファン30Ga(図32)と比較して、ガイド部26を有していないという点において相違している。
図34は、プロペラファン30Ga,30Gzのそれぞれについて、径方向の位置と風量との関係を求めた結果を示している。横軸の値が0(ゼロ)の位置は、プロペラファン30Ga,30Gzの径方向における中心位置を示しており、横軸で示される値はこの中心位置からの距離に等しい。縦軸は、ファンガード直近で測定した風速を示している。図34に示される測定結果からすれば、実施例1の場合は、比較例1の場合よりも風が外側に向けて広がるように吹き出されており、風の吹き出す方向を制御できていることがわかる。
図35は、プロペラファン30Ga,30Gzのそれぞれについて、回転数と風量との関係を求めた結果を示している。たとえば、回転数660rpmにおける風量は、45m/minから57m/minに上昇しており、回転数890rpmにおける風量は、69m/minが81m/minに上昇している。実施例1の場合は、比較例1の場合よりもガイド部26のはたらきによって風が径方向外側に広がっており、同一回転数においてはより大きな(約20%上昇した)風量が得られることがわかる。なおここで示している風量とは、日本工業規格(JIS)C9601に基づいて測定した値である。
図36は、プロペラファン30Ga,30Gzのそれぞれについて、風量と騒音との関係を求めた結果を示している。風量が同一である場合には、騒音が約3dB低減できていることがわかる。たとえば、風量が69m/minである場合には(これは、比較例の回転数が890rpmであり、実施例1の回転数が770rpmである場合に得られる)、比較例1の騒音は44dBであるのに対して、実施例1の騒音は41dBである。すなわち、実施例1の場合は、騒音も小さくできることがわかる。なおここで示している騒音とは、日本電機工業会基準(JEMA)HD−130に基づいて測定した値である。
[実施の形態9]
(成形用金型)
本実施の形態では、上述の各実施の形態における各種のプロペラファンを樹脂を用いて成形するための成形用金型40について説明する。
図37は、プロペラファンの製造に用いられる成形用金型を示す断面図である。成形用金型40は、固定側金型42および可動側金型41を有する。固定側金型42および可動側金型41により、プロペラファンと略同一形状であって、流動性の樹脂が注入されるキャビティ43が規定されている。
成形用金型40には、キャビティに注入された樹脂の流動性を高めるための図示しないヒータが設けられてもよい。このようなヒータの設置は、たとえば、ガラス繊維入りAS樹脂のような強度を増加させた合成樹脂を用いる場合に特に有効である。
プロペラファンとして、材料に金属を用い、プレス加工による絞り成形により一体に形成するものがある。これらの成形は、厚い金属板では絞りが困難であり、質量も重くなるため、一般的には薄い金属板が用いられる。この場合、大きなプロペラファンでは、強度(剛性)を保つことが困難である。これに対して、翼部分より厚い金属板で形成したスパイダーと呼ばれる部品を用い、翼部分を回転軸に固定するものがあるが、質量が重くなり、ファンバランスも悪くなるという問題がある。また、一般的には、薄く、一定の厚みを有する金属板が用いられるため、翼部分の断面形状を翼型にすることができないという問題がある。これに対して、プロペラファンを樹脂を用いて形成することにより、これらの問題を一括して解決することができる。
以上、本発明に基づいた各実施の形態について説明したが、今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 ボス部、11 回転軸、12,A1,A2,A3,DR1,DR2,DR3,DR4 矢印、20 翼、20P 正圧面、20S 負圧面、21 前縁部、21T,22T 最外周部、22 後縁部、23 翼根部、24 外周縁部、25 翼板部、26 ガイド部、26a 位置、26c 点、26d 先端部、28 切り込み部、30,30A,30B,30C,30D,30E,30F,30Fa,30G,30Ga,30Gz,30Z プロペラファン、40 成形用金型、41 可動側金型、42 固定側金型、43 キャビティ、100 流体送り装置、CR 周方向、CR1,CR2 正円、L1,L3 仮想直線、L2,L4 線、L10,L20 接線、L11,L21 直線、R1,R2,R3 半径、SS 面。

Claims (9)

  1. 回転軸周りに回転するボス部と、
    前記ボス部の外表面に設けられた翼とを備え、
    前記翼は、
    回転方向における前方に位置する前縁部と、
    回転方向における後方に位置する後縁部と、
    前記前縁部の最外周部である前縁最外周部と前記後縁部の最外周部である後縁最外周部とを接続し、周方向に沿って円弧状に延びる形状を有する外周縁部と、を含み、
    前記回転軸に対して平行な方向から前記翼を見た場合に、前記後縁最外周部が位置している箇所での前記後縁部に対する接線と、前記後縁最外周部が位置している前記箇所と前記回転軸の位置とを結ぶ直線とのなす角度をαと定義すると、前記後縁最外周部は、角度αが60°となる位置であってかつ最も回転半径方向の外側にある箇所に位置しており、
    前記後縁最外周部よりも回転半径方向における内側の位置には、回転方向とは反対の方向に向かって前記後縁部の一部が舌片状に延出したような形状を有するガイド部が設けられており、
    前記ガイド部は、前記ガイド部の先端部が周方向よりも回転半径方向の外側を向くようにして前記後縁部から延出している、
    プロペラファン。
  2. 回転軸周りに回転するボス部と、
    前記ボス部の外表面に設けられた翼とを備え、
    前記翼は、
    回転方向における前方に位置する前縁部と、
    回転方向における後方に位置する後縁部と、
    前記前縁部の最外周部である前縁最外周部と前記後縁部の最外周部である後縁最外周部とを接続し、周方向に沿って円弧状に延びる形状を有する外周縁部と、を含み、
    前記回転軸に対して平行な方向から前記翼を見た場合に、前記後縁最外周部が位置している箇所での前記後縁部に対する接線と、前記後縁最外周部が位置している前記箇所と前記回転軸の位置とを結ぶ直線とのなす角度をαと定義すると、前記後縁最外周部は、角度αが60°となる位置であってかつ最も回転半径方向の外側にある箇所に位置しており、
    前記後縁最外周部よりも回転半径方向における内側の位置には、回転方向とは反対の方向に向かって前記後縁部の一部が舌片状に延出したような形状を有するガイド部が設けられており、
    前記ガイド部は、前記ガイド部の正圧面側が軸方向に凸となり且つ前記ガイド部の負圧面側が軸方向に凹となるように反った形状を有している、
    プロペラファン。
  3. 前記回転軸に対して垂直な方向から前記ガイド部を見た場合に、前記回転軸に垂直な面に対して前記ガイド部の延出方向がなしている角度をθとすると、
    −10°≦θ≦45°である、
    請求項に記載のプロペラファン。
  4. 前記翼のうち、前記ボス部の前記外表面に接続している部分を翼根部とすると、
    前記翼根部は、前記翼根部の正圧面側が軸方向に凸となり且つ前記翼根部の負圧面側が軸方向に凹となるように反った形状を有している、
    請求項1からのいずれかに記載のプロペラファン。
  5. 前記ガイド部は、前記後縁部のうちの半分よりも外周部寄りの位置に設けられている、請求項1からのいずれかに記載のプロペラファン。
  6. 前記外周縁部は、前記外周縁部の一部が回転半径方向の内側に向かって凹むようにして形成された切り欠き部を有している、
    請求項1からのいずれかに記載のプロペラファン。
  7. 回転軸周りに回転するボス部と、
    前記ボス部の外表面に設けられた翼とを備え、
    前記翼は、
    回転方向における前方に位置する前縁部と、
    回転方向における後方に位置する後縁部と、
    前記前縁部の最外周部である前縁最外周部と前記後縁部の最外周部である後縁最外周部とを接続し、周方向に沿って円弧状に延びる形状を有する外周縁部と、を含み、
    前記外周縁部の回転方向における最後方の位置には、
    回転方向とは反対の方向に向かって前記後縁部の一部が舌片状に延出したような形状を有するガイド部が設けられており、
    前記ガイド部の半径方向における外側縁のうちの前記外周縁部に接続している部分は、前記外周縁部と略同一の半径で前記外周縁部に連続するように形成されており、
    前記ガイド部は、前記ガイド部の正圧面側が軸方向に凸となり且つ前記ガイド部の負圧面側が軸方向に凹となるように反った形状を有している、
    プロペラファン。
  8. 請求項1からのいずれかに記載のプロペラファンを備える、
    流体送り装置。
  9. 樹脂成形品からなる請求項1からのいずれかに記載のプロペラファンを成形するために用いられる、
    成形用金型。
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