JP6621194B2 - ターボファン及びこのターボファンを用いた送風装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボファン及びこのターボファンを用いた送風装置に関するものである。

従来、ターボファンとしては、特許文献１に示すように、モータの回転軸に接続された円盤状の主板と、前記主板に周方向に沿って固定された複数の羽根と、前記主板から軸方向に離間するとともに前記各羽根に固定された円環状の側板とを具備し、前記側板の開口から軸方向に沿って吸入した空気を、主板と側板との間から径方向に沿って吐出するように構成されたものがある。

このターボファンは、送風の高効率化及び騒音の低減を図るべく、図７に示すように、各羽根を前縁の最も径方向外側で反回転方向側に屈曲させており、これにより負圧面で生じる空気の剥離を再付着させるようにしている。

ここで、上述した空気の剥離は、特に側板と羽根の前縁との接続部分で生じやすいことが知られている。この理由は、側板の開口から吸入された空気が前記接続部分で大きく曲げられ、この接続部分では空気の流れが非常に不安定になっているからと考えられる。

しかしながら、上述したターボファンは、図７に示すように、各羽根の屈曲箇所が、側板と羽根の前縁との接続部分に位置しており、この接続部分より下流側において羽根が屈曲していないので、この接続部分で生じる空気の剥離を再付着させることができない。

実用新案登録第３１９３５５６号公報

そこで、本発明は上述した問題を解決すべくなされたものであり、羽根の負圧面で生じる空気の剥離を再付着させて、送風の高効率化及び騒音の低減を図ることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るターボファンは、中心軸周りに回転する円盤状の主板と、前記主板に周方向に沿って固定された複数の羽根と、前記主板から軸方向に離間して対向配置されるとともに前記各羽根に固定された円環状の側板とを具備し、前記側板に形成された開口から空気を吸入し、前記主板と前記側板との間から空気を吐出するものであって、前記各羽根が、前縁のうち最も径方向外側に位置する前縁外端よりもさらに径方向外側において反回転方向側に屈曲していることを特徴とするものである。

このようなターボファンであれば、各羽根を前縁のうち最も径方向外側に位置する前縁外端よりもさらに径方向外側において反回転方向側に屈曲させているので、屈曲箇所が側板と羽根の前縁との接続部分よりも下流側に位置しており、この接続部分で生じる空気の剥離を羽根の屈曲箇所より下流側に再付着させることができ、高効率で低騒音な送風が可能となる。

前記各羽根の負圧面及び正圧面が、それぞれ前記前縁外端よりも径方向外側において反回転方向側に屈曲していることが好ましい。
この構成であれば、剥離した空気を負圧面における屈曲箇所より下流側に再付着させるとともに、正圧面における屈曲箇所より上流側の昇圧性能を向上させて各羽根の仕事効率を向上させることができる。

前記各羽根が、主板側端部及び側板側端部は屈曲せず、前記各端部の間において反回転方向側に屈曲していることが好ましい。
各羽根と主板との接続部及び各羽根と側板との接続部には応力が集中しやすいところ、上述した構成であれば、各羽根の主板側端部及び側板側端部を屈曲させていないので、前記接続部にける応力集中を低減させることができ、回転時の遠心力に対するターボファンの機械的強度を担保することができる。

上述した構成の具体的実施態様としては、前記主板の外縁と前記側板の外縁との軸方向に沿った離間距離をｈ０とし、前記主板からの軸方向に沿った前記各羽根の高さ距離をｈ１とした場合に、前記各羽根が、次の式を満たす高さ距離ｈ１の範囲において反回転方向側に屈曲しているものが挙げられる。
０．２≦ｈ１／ｈ０≦０．８

軸方向に直交する断面において、回転軸から前記前縁までの径方向距離Ｒａ、前記回転軸から前記後縁までの径方向距離Ｒｂ、及び前記回転軸から屈曲箇所までの径方向距離Ｒｃが、次の式を満たすものが好ましい。
０．３≦（Ｒｃ−Ｒａ）／（Ｒｂ−Ｒａ）≦０．７
具体的な実験データについては、後述する。

また、軸方向に直交する断面において、前記前縁における前記羽根の延伸方向と該前縁の回転軌道の接線方向とのなす角度である翼角度βａ及び屈曲箇所における前記羽根の延伸方向と該屈曲箇所の回転軌道の接線方向とのなす角度である翼角度をβｃが、次の式を満たすものが好ましい。
０．６≦βｃ／βａ≦０．９
具体的な実験データについては、後述する。

また、本発明の送風装置は、上記各構成のターボファンを有することを特徴とするものである。
このような送風装置であれば、上述したターボファンが奏し得る作用効果を発揮させることができる。

このように構成した本発明によれば、ターボファンにおいて各羽根の負圧面で生じる剥離を再付着させて、送風の高効率化及び騒音の低減を図るとともに、各羽根の正圧面での仕事効率を向上させることができる。

本実施形態におけるターボファンを模式的に示す斜視図。 同実施形態におけるターボファンの軸方向に直交する断面図。 同実施形態におけるターボファンの軸方向に沿った断面図。 同実施形態におけるターボファンの屈曲箇所を説明する模式図。 同実施形態におけるターボファンの効果を示すグラフ。 同実施形態におけるターボファンの効果を示すグラフ。 従来のターボファンを模式的に示す図。

以下に本発明に係るターボファンの一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るターボファン１００は、例えば空気調和機などの送風装置に用いられるものであり、具体的には、図１に示すように、図示しないモータの回転軸部材が接続される円盤状の主板１０と、前記主板１０から軸方向に離間して対向位置された平面視円環状の側板２０と、前記主板１０及び前記側板２０の間でこれらの各板に固定された複数の羽根３０とを具備している。
かかる構成により、前記ターボファン１００は、主板１０、側板２０及び各羽根３０が回転軸Ｃ周りに一体的に回転して、側板２０に形成された開口Ｏから軸方向に沿って空気を吸入し、この空気を主板１０と側板２０との間から径方向に沿って吐出する。

前記主板１０は、図示しないモータの回転軸部材が接続される固定部１１たるハブを有しており、中心軸と回転軸Ｃとが一致するように構成された例えば樹脂製のものである。

前記側板２０は、中央に形成された開口Ｏが空気を吸入する吸入口として設定されたいわゆるシュラウドであり、該側板２０の外縁と前記主板１０の外縁との間が空気を吐出する吐出口として設定されている。
本実施形態の側板２０は、その外径が前記主板１０の外径とが等しい寸法に設定されたものであり、内側に向かうに連れて前記主板１０から遠ざかる方向に湾曲しながら内径が縮小する形状をなし、中心軸と前記回転軸Ｃとが一致するように構成された例えば樹脂製のものである。
なお、側板２０は、上述した形状には限られず、例えば平面視円環状の平板などであっても良い。

前記羽根３０は、図２に示すように、前記回転軸Ｃ周りに回転するとともに、回転方向Ｒ側に膨らむように湾曲した形状をなすものであり、回転方向Ｒ側の外周面である正圧面３１で空気を径方向に押し出すように構成されている。なお、ここでは、正圧面３１及び負圧面３２が、それぞれ回転方向Ｒ側に膨らむように湾曲している。

本実施形態のターボファン１００は、同一形状の例えば樹脂製の羽根３０を複数有しており、各羽根３０は、前記回転軸Ｃを中心に周方向に沿って等間隔に配置されるとともに、各々例えばレーザ溶着などにより主板１０及び側板２０に固定されている。

前記各羽根３０は、図３に示すように、前縁３ａ及び後縁３ｂが、前記主板１０における前記側板２０に対向する面板部１２から前記側板２０の内周面２１に亘って形成されている。
より具体的に説明すると、前記前縁３ａは、平面視において一部が側板２０の開口Ｏよりも内側に設けられており、本実施形態では、前縁３ａと主板１０との接続部分Ｐが前記開口Ｏより内側に位置するとともに、前縁３ａと側板２０との接続部分Ｑが前記開口Ｏより外側に位置するように設けられている。
また、前記後縁３ｂは、平面視において主板１０の外縁及び側板２０の外縁と重なり合うように設けられている。つまり、後縁３ｂは、主板１０の外縁部及び側板２０の外縁部に固定されている。

しかして、本実施形態の羽根３０は、前縁３ａのうち最も径方向外側の前縁外端３５よりもさらに径方向外側において反回転方向側に屈曲させた形状をなすものである。
つまり、各羽根３０は、前縁３ａと後縁３ｂとの間で反回転方向側に屈曲させた形状をなすものであり、ここでは、上述した前縁３ａと側板２０との接続部分Ｑよりも径方向外側において反回転方向側に屈曲している。

より詳細に説明すると、前記各羽根３０は、図２及び図４に示すように、前縁３ａと後縁３ｂとの間で、屈曲率が非連続的に変化する屈曲箇所３ｃを有しており、前記屈曲箇所３ｃにおいて各羽根３０の正圧面３１及び負圧面３２がそれぞれ反回転方向側に屈曲している。
より具体的には、前記正圧面３１及び前記負圧面３２は、前縁３ａから屈曲箇所３ｃまでの前段屈曲率が一定又は連続的に変化するとともに、屈曲箇所３ｃから後縁３ｂまでの後段屈曲率が一定又は連続的に変化しており、前段屈曲率と後段屈曲率とが異なる屈曲率又は異なる変化率となるように構成されている。
なお、各羽根３０を上述した構成にするためには、例えば、正圧面３１と負圧面３２との中点を通過する中心線（いわゆるキャンバーライン）を、屈曲箇所３ｃで反回転方向側に屈曲させて、該屈曲箇所３ｃの前後で前記中心線の屈曲率を変化させることが挙げられる。

前記屈曲箇所３ｃは、平面視において側板２０の開口Ｏよりも径方向外側に位置しており、ここでは、図４に示すように、軸方向に直交する断面において、回転軸Ｃから前縁３ａまでの径方向距離Ｒａ、回転軸Ｃから後縁３ｂまでの径方向距離Ｒｂ、回転軸Ｃから屈曲箇所３ｃまでの径方向距離Ｒｃとしたとき、次の式（１）を満たすように屈曲箇所３ｃが設けられている。
０．３≦（Ｒｃ−Ｒａ）／（Ｒｂ−Ｒａ）≦０．７・・・（１）

また、本実施形態の各羽根３０は、図４に示すように、軸方向に直交する断面において、前縁３ａにおける羽根３０の延伸方向と該前縁３ａの回転軌道の接線方向とのなす角度である翼角度βａ及び屈曲箇所３ｃにおける羽根３０の延伸方向と該屈曲箇所３ｃの回転軌道の接線方向とのなす角度である翼角度をβｃが、次の式（２）を満たすように構成されている。
０．６≦βｃ／βａ≦０．９・・・（２）

ここで、上述した屈曲箇所３ｃは、図３に示すように、各羽根３０の主板側端部３３及び側板側端部３４には形成されておらず、前記各端部３３、３４の間においてのみ形成されている。
つまり、本実施形態の各羽根３０は、主板１０との接続部及び側板２０との接続部は、いずれも屈曲することなく滑らかに湾曲した形状をなしており、各接続部の間において軸方向に沿った所定範囲のみが反回転方向側に屈曲した形状をなしている。

より詳細に説明すると、図３に示すように、主板１０の外縁と側板２０の外縁との軸方向に沿った離間距離をｈ０とし、主板１０からの軸方向に沿った羽根３０の高さ距離をｈ１とした場合に、各羽根３０は、次の式（３）を満たす高さ距離ｈ１の範囲において反回転方向側に屈曲している。
０．２≦ｈ１／ｈ０≦０．８・・・（３）

次に、本実施形態のターボファン１００において、上述した式（１）の範囲で（Ｒｃ−Ｒａ）／（Ｒｂ−Ｒａ）を変化させた場合の静圧効率と基準の静圧効率η _０ との比率の変化を図５に示す。なお、このグラフは、（Ｒｃ−Ｒａ）／（Ｒｂ−Ｒａ）が０．３の場合の静圧効率を基準の静圧効率η _０ としたときの静圧効率の比率を表している。
このグラフに示すように、上述した式（１）の範囲において、（Ｒｃ−Ｒａ）／（Ｒｂ−Ｒａ）が０．４５の場合に最も静圧効率が高くなることが分かる。

また、上述した式（２）の範囲で、βｃ／βａを変化させた場合の静圧効率と基準の静圧効率ηｂとの比率の変化を図６に示す。なお、このグラフは、βｃ／βａが０．６の場合の静圧効率を基準の静圧効率ηｂとしたときの静圧効率の比率を表している。
このグラフに示すように、上述した式（２）の範囲において、βｃ／βａが０．７５の場合に最も静圧効率が高くなることが分かる。なお、βｃ／βａ＜０．６の場合は、正圧面３１側で空気の剥離が生じるうえ、径方向に向かって流れる空気が屈曲箇所３ｃから後縁３ｂまでに当たってしまい、この部分が抵抗となってしまう。また、βｃ／βａ＞０．９の場合は、前縁３ａから屈曲箇所３ｃにおける正圧面３１の負荷を大きくすることができず、送風効率を向上させることができない。

このように構成された本実施形態に係るターボファン１００によれば、各羽根３０を前縁３ａのうち最も径方向外側に位置する前縁外端３５よりもさらに径方向外側において反回転方向側に屈曲させており、この屈曲箇所３ｃが前縁３ａと側板２０との接続部分Ｑよりも径方向外側に位置しているので、負圧面３２で剥離した空気を各羽根３０の屈曲箇所３ｃより下流側に再付着させることができ、高効率で低騒音な送風が可能となる。

また、各羽根３０の負圧面３２及び正圧面３１が、それぞれ前縁外端３５よりも径方向外側において反回転方向側に屈曲しているので、剥離した空気を各羽根３０の負圧面３２に再付着させるとともに、正圧面３１における昇圧性能を向上させて各羽根３０の仕事効率を向上させることができる。

さらに、各羽根３０の主板側端部３３及び側板側端部３４を屈曲させていないので、各羽根３０と主板１０との接続部や各羽根３０と側板２０との接続部に生じる応力集中を低減させることができ、回転時の遠心力に対するターボファン１００の機械的強度を担保することができる。

加えて、主板１０、側板２０及び各羽根３０が樹脂製のものであるので、ターボファン１００を軽量化することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の羽根３０は、前縁３ａと主板１０との接続部分Ｐが平面視において側板２０の開口Ｏよりも内側に位置するように設けられていたが、この接続部分Ｐは、平面視において側板２０の開口Ｏよりも外側に位置するように設けても良い。
また、前記実施形態の羽根３０は、前縁３ａと側板２０との接続部分Ｑが平面視において側板２０の開口Ｏよりも外側に位置するように設けられていたが、前縁３ａが側板２０の内縁部に接続されていても良い。

さらに、前記実施形態の羽根３０は、後縁３ｂが平面視において主板１０の外縁及び側板２０の外縁と重なり合うように設けられていたが、この後縁３ｂの一部又は全部が主板１０の外縁及び側板２０の外縁よりも内側に位置するように設けられていても良い。

そのうえ、前記実施形態では、主板１０の外径と側板２０の外径とが等しい寸法に設定されていたが、主板１０の外径と側板２０の外径とは互いに異なる寸法であっても良い。

加えて、前記実施形態では、主板１０、側板２０及び各羽根３０が樹脂製のものであったが、これらの材質は例えば金属等の種々の材質に変更して構わない。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ターボファン
１０ ・・・主板
２０ ・・・側板
Ｏ ・・・開口
３０ ・・・羽根
３ａ ・・・前縁
３ｂ ・・・後縁
３ｃ ・・・屈曲箇所
３１ ・・・正圧面
３２ ・・・負圧面
３５ ・・・前縁外端
Ｒ ・・・回転方向

Claims (6)

1. 中心軸周りに回転する円盤状の主板と、前記主板に周方向に沿って固定された複数の羽根と、前記主板から軸方向に離間して対向配置されるとともに前記各羽根に固定された円環状の側板とを具備し、前記側板に形成された開口から空気を吸入し、前記主板と前記側板との間から空気を吐出するターボファンであって、
   前記各羽根が、
   軸方向と直交する断面において、前縁のうち最も径方向外側に位置する前縁外端よりもさらに径方向外側において反回転方向側に屈曲しており、
   同断面において、前縁と後縁との間に、屈曲率が非連続的に変化する屈曲箇所を有するものであって、
   同断面において、回転軸から前記前縁までの径方向距離Ｒａ、前記回転軸から前記後縁までの径方向距離Ｒｂ、及び前記回転軸から前記屈曲箇所までの径方向距離Ｒｃが、次の式を満たすことを特徴とするターボファン。
   ０．３≦（Ｒｃ−Ｒａ）／（Ｒｂ−Ｒａ）≦０．７
2. 前記各羽根の負圧面及び正圧面が、それぞれ前記前縁外端よりも径方向外側において反回転方向側に屈曲していることを特徴とする請求項１記載のターボファン。
3. 前記各羽根の負圧面及び正圧面が、主板側端部及び側板側端部は屈曲せず、前記各端部の間において反回転方向側に屈曲していることを特徴とする請求項１又は２記載のターボファン。
4. 前記主板の外縁と前記側板の外縁との軸方向に沿った離間距離をｈ０とし、前記主板からの軸方向に沿った前記各羽根の高さ距離をｈ１とした場合に、
   前記各羽根の負圧面及び正圧面が、次の式を満たす高さ距離ｈ１の範囲において反回転方向側に屈曲していることを特徴とする請求項３記載のターボファン。
   ０．２≦ｈ１／ｈ０≦０．８
5. 軸方向に直交する断面において、前記前縁における前記羽根の延伸方向と該前縁の回転軌道の接線方向とのなす角度である翼角度βａ及び屈曲箇所における前記羽根の延伸方向と該屈曲箇所の回転軌道の接線方向とのなす角度である翼角度をβｃが、次の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか一項に記載のターボファン。
   ０．６≦βｃ／βａ≦０．９
6. 請求項１乃至５のうち何れか一項に記載のターボファンを有する送風装置。