JP6656372B2 - 軸流送風機 - Google Patents

Description

本発明は、換気扇及びエアコンディショナに用いられる軸流送風機に関する。

軸流送風機用の翼車の回転翼は、主に低騒音化のために、回転方向への前進と吸込み上流側への前傾化とが図られてきた。近年ではさらなる低騒音化のため、回転翼においては翼端渦による干渉を低減させられる形状、すなわち翼外周部を気流の上流側に屈曲させる形状が提案されている。上記形状が提案されるのは、翼が回転すると、回転翼の圧力面と負圧面との圧力差により、翼外周部において圧力面側から負圧面側へ翼外周部を回り込むような漏れ流れが生じ、翼負圧面ではこの漏れ流れに起因する翼端渦が生成され、圧力面、隣接翼又はベルマウスとの干渉により、騒音を悪化させる原因となっているためである。

従来の翼端渦の制御方法として、翼弦中心線の領域を、ボス部側と翼外周側との二つの領域に分け、ボス部側での前傾角を０°よりも大きい角度で上流側へ傾斜させ、さらに翼外周部側での前傾角をボス部領域で定義されている前傾角よりも更に上流側に傾斜させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６８０８４０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、翼外周部を気流の上流側に屈曲させる形状とすることにより、翼端渦を制御し、翼端渦に起因する騒音悪化を抑えることで、低騒音化を達成しているが、翼端渦の制御を行うため、翼外周部が上流部に屈曲する形状となることにより、気流の漏れが多くなる。特に静圧印加時には静圧が低減するため、ファン効率の低下となる傾向にある。

翼半径方向の断面形状を内周側と外周側とに分け、内周側は気流の漏れが起こりにくいような形状とし、外周側は翼端渦が制御できるように、上流側に屈曲している形状とすることで、低騒音化を達成しつつ静圧低下も防ぐ形状が提案されているが、回転翼の前縁側から後縁側に向かうにつれて翼外周部で生成される翼端渦の状況が変化するため、翼端渦の変化に対しては最適形状となっておらず、さらなる低騒音及び高効率化が可能な余地が残されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、翼端渦の変化による騒音の増大及び効率の低下を低減した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、本発明は、モータにより回転駆動されるボス部と、ボス部からモータの回転軸の拡径方向に放射状に突出し、回転軸の軸方向に気流を発生させる複数の回転翼とを備え、回転翼は、内周部側が気流の流れに対して凸で外周部側が気流の流れに対して凹のＳ字形状の半径方向断面を有し、回転翼のＳ字形状の外周側の頂点と翼外周部との間の部分である外側凹部の曲率半径値は、翼前縁部から翼後縁部に近づくにしたがって漸減する分布を有する翼車と、回転翼を翼前縁部が開放された状態で囲んで気流の昇圧及び整流を行うハーフベルマウスとを備える。翼車は、回転翼の翼前縁部の後端から翼後縁部の前端までの翼断面において、翼外周部の平均曲率半径を回転翼の直径で除した値が、０．１３以下の値を有する。

本発明に係る軸流送風機は、翼端渦の変化による騒音の増大及び効率の低下を低減できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る翼車を示す斜視図 実施の形態１に係る翼車の回転翼の平面図 実施の形態１に係る翼車の回転翼の断面図 実施の形態１に係る翼車の回転翼の外側凹部の曲率半径値の変化を示す図 実施の形態１に係る翼車の半径方向断面の翼形状と、翼端渦と半径方向流れを模式的に示した図 実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを用いた軸流送風機の断面模式図 実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを用いた軸流送風機の断面模式図 実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを用いた軸流送風機の気流の分布を示す図 実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを用いた軸流送風機の気流の分布を示す図 実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点における比騒音差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点におけるファン効率のポイント差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と最小比騒音比騒音差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転 翼の無次元外周部平均曲率半径と最高ファン効率のポイント差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点における比騒音差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点におけるファン効率のポイント差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と最小比騒音比騒音差との関係を示す図 実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼 の無次元外周部平均曲率半径と最高ファン効率のポイント差との関係を示す図 静圧が印加された最高ファン効率、最小比騒音と風量静圧特性との関係を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る軸流送風機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る翼車を示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係る翼車の回転翼の平面図である。図３は、実施の形態１に係る翼車の回転翼の断面図である。実施の形態１に係る翼車３は、不図示のモータにより回転駆動されて回転中心Ｏを中心に矢印Ｒ方向に回転する円柱状のボス部２と、三次元立体形状を有する回転翼１とを有する。回転翼１は、ボス部２の外周に放射状に取り付けられている。翼車３が回転することによって、回転翼１は矢印Ａ方向の気流を発生させる。図１に示すように、実施の形態１に係る翼車３は三枚翼であるが、翼車３の回転翼１の枚数は、他の複数の枚数であってもよい。以下では、複数枚の回転翼１のうちの１枚を代表にして説明するが、複数枚の回転翼１は同一形状である。

実施の形態１に係る翼車３の回転翼１は、図３に示すように、ボス部２側の半径方向断面では気流の方向に対して凸形状を有し、かつ外周部側の半径方向断面では、気流の方向に対して凹形状を有する。したがって、回転翼１の断面は、内周側が気流に対して凸で、外周側が気流に対して凹のＳ字形状となっている。ここで、回転翼１の内周側の翼内周部１ｅとＳ字形状の内周側の頂点Ｘとの間の部分を内側凸部Ｐ１、Ｓ字形状の内周側の頂点Ｘと凹凸の切り替わる点Ｙとの間の部分を内側切り替え部Ｐ２、凹凸が切り替わる点ＹとＳ字形状の外周側の頂点Ｚとの間の部分を外側切り替え部Ｐ３とする。また、Ｓ字形状の外周側の頂点Ｚと翼外周部１ｄとの間の部分を外側凹部Ｐ４とする。内側凸部Ｐ１と外側凹部Ｐ４とは、内側切り替え部Ｐ２及び外側切り替え部Ｐ３によって滑らかに接続されている。

回転翼１の外側凹部Ｐ４の曲率半径値Ｒ２は、翼前縁部１ｂから翼後縁部１ｃに向かうにしたがって漸減する分布を有する。図４は、実施の形態１に係る翼車の回転翼の外側凹部の曲率半径値の変化を示す図である。図４に示すように、回転翼１の外側凹部Ｐ４の曲率半径値Ｒ２は、翼前縁部１ｂから翼後縁部１ｃに向かうにしたがって漸減する分布を有し、かつ漸減する割合が翼後縁部１ｃに近づくほど小さくなる。

図５は、実施の形態１に係る翼車の半径方向断面の翼形状と、翼端渦と半径方向流れを模式的に示した図である。図５は、図２中のＯ−Ｄ１、Ｏ−Ｄ２、Ｏ−Ｄ３及びＯ−Ｄ４の各断面での翼形状を示している。なお、Ｏ−Ｄ１は、回転中心Ｏと翼前縁の後端Ｆｒとを結ぶ線と翼外周部１ｄまで延長した線である。Ｏ−Ｄ４は、回転中心Ｏと翼後縁の前端Ｒｆとを結ぶ線である。実施の形態１に係る翼車の回転翼１は、翼中央Ｃよりも翼前縁部１ｂ側であるＯ−Ｄ１断面及びＯ−Ｄ２断面では、翼外周部１ｄから横吸込み流れ９も考慮するため、図５に示すように、翼前縁部１ｂ側は回転翼１全体を気流Ａの上流側に傾斜させ、回転軸４の拡径方向に対して翼は気流の上流側に角度θ（Ｏ−Ｄ１）及びθ（Ｏ−Ｄ２）をなしている。これにより、回転翼１は、翼中央Ｃよりも翼前縁部１ｂ側では、横吸込み流れ９にも適合できるような形状となっている。なお、翼中央Ｃは、翼前縁の後端Ｆｒ及び回転中心Ｏを結ぶ線と翼後縁の前端Ｒｆ及び回転中心Ｏを結ぶ線とがなす角の二等分線上の部分である。さらに、回転翼１は、翼中央Ｃよりも翼後縁部１ｃ側であるＯ−Ｄ３断面及びＯ−Ｄ４断面では、翼端渦５を制御しつつ、昇圧した流れを漏らさないように、回転軸４の拡径方向に対して翼は気流の下流側に角度θ（Ｏ−Ｄ３）及びθ（Ｏ−Ｄ４）をなすようにして翼を気流の下流側に傾斜させている。これにより、回転翼１は、翼中央Ｃよりも翼後縁部１ｃ側では、翼内周部１ｅからの遠心方向への流れ１４を漏らさないような形状となっており、効率低下が防止される。

実施の形態１に係る翼車３は、翼車３を囲んで気流の昇圧及び整流を行うベルマウスとともに用いられることで軸流送風機を形成する。図６は、実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを用いた軸流送風機の断面模式図である。ハーフベルマウス７は、翼前縁部１ｂが側方で開放された状態で回転翼１を囲む。図７は、実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを用いた軸流送風機の断面模式図である。フルベルマウス８は、翼前縁部１ｂを側方から覆った状態で回転翼１を囲む。

ハーフベルマウス７及びフルベルマウス８のいずれも、吸い込み側曲面Ｒｉｎと、円筒形状を有するストレート部ＳＴと、吐出側曲面Ｒｏｕｔとを有する。

図８は、実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを用いた軸流送風機の気流の分布を示す図である。図６に示すハーフベルマウス７を有する軸流送風機は、翼前縁部１ｂが側方で大きく開放しているため、回転翼１に流れ込む流れは、翼前縁部１ｂから翼後縁部１ｃへ向かう翼内部の流れ１０のみならず、回転翼１に横吸込み流れ９が流れ込むことにより、翼端渦５は、回転翼１の前縁側から大きく発達する。また、翼内部の流れは翼前縁部１ｂから翼後縁部１ｃに向かうにしたがって、流れの状況が変化することにより、軸方向の位置で翼端渦５の状況は大きく異なることになる。

図９は、実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを用いた軸流送風機の気流の分布を示す図である。図７に示すフルベルマウス８を有する軸流送風機は、翼前縁部１ｂの側方での開放がほとんどないため、翼前縁部１ｂの横吸込み流れ９は、ハーフベルマウス７と比較するとほとんどない状態となる。したがって、翼への流れはほぼ翼内部の流れ１０のみとなり、翼端渦５の生成も、翼前縁部１ｂから始まらず、ある程度昇圧が始まったポイントから翼端渦５が発生し始める。

以上のように、同じ回転翼１であっても、翼端渦５の位置は、ベルマウスの形状によって変化する。

また、同一製品内でハーフベルマウス７とフルベルマウス８との２種類のベルマウスが設定されている場合もあり、それぞれに合った回転翼を専用に設計すると、回転翼にかかるコストが２倍になる。したがって、ベルマウス形式が異なっても同一の回転翼を使用する場合もあり、ベルマウス形式が異なっても低騒音かつ高効率化が達成できる回転翼が求められる。

図１０は、実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点における比騒音差との関係を示す図である。図１１は、実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点におけるファン効率のポイント差との関係を示す図である。図１２は、実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と最小比騒音比騒音差との関係を示す図である。図１３は、実施の形態１に係る翼車とハーフベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と最高ファン効率のポイント差との関係を示す図である。図１４は、実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点における比騒音差との関係を示す図である。図１５は、実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と開放点におけるファン効率のポイント差との関係を示す図である。図１６は、実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と最小比騒音比騒音差との関係を示す図である。図１７は、実施の形態１に係る翼車とフルベルマウスとを有する軸流送風機の回転翼の無次元外周部平均曲率半径と最高ファン効率のポイント差との関係を示す図である。また図１０から図１７に示した結果は、直径が２６０ｍｍの回転翼１で評価を行った結果である。

なお、無次元外周部平均曲率半径は、翼外周部１ｄの前縁から後縁までの曲率半径の平均値を羽根外径で除して定義される。

図１０及び図１４で用いられる比騒音Ｋ_Ｔは、次の式で定義される計算値である。
Ｋ_Ｔ＝ＳＰＬ_Ａ−１０Ｌｏｇ（Ｑ・Ｐ_Ｔ ^2.5）
Ｑ ：風量[ｍ^３／ｍｉｎ]
Ｐ_Ｔ ：全圧[Ｐａ]
ＳＰＬ_Ａ：騒音特性（Ａ補正後）[ｄＢ]

図１１及び図１５で用いられるファン効率Ｅ_Ｔは、次の式で定義される計算値である。 Ｅ_Ｔ＝（Ｐ_T・Ｑ）／(６０・Ｐ_Ｗ）
Ｑ ：風量[ｍ^３／ｍｉｎ]
Ｐ_Ｔ ：全圧[Ｐａ]
Ｐ_Ｗ ：軸動力[Ｗ]

図１２及び図１６で用いられる比騒音Ｋ_Ｓは、次の式で定義される計算値である。
Ｋ_Ｓ＝ＳＰＬ_Ａ−１０Ｌｏｇ（Ｑ・Ｐ_Ｓ ^2.5）
Ｑ ：風量[ｍ^３／ｍｉｎ]
Ｐ_Ｓ ：静圧[Ｐａ]
ＳＰＬ_Ａ：騒音特性（Ａ補正後）[ｄＢ]

図１３及び図１７で用いられるファン効率Ｅ_Ｓは、次の式で定義される計算値である。
Ｅ_Ｓ＝（Ｐ_Ｓ・Ｑ）／(６０・Ｐ_Ｗ）
Ｑ ：風量[ｍ^３／ｍｉｎ]
Ｐ_Ｓ ：静圧[Ｐａ]
Ｐ_Ｗ ：軸動力[Ｗ]

なお、Ａ補正とは、人間の聴覚の特性に合わせて低周波の音を小さくする補正であり、一例を挙げると、ＪＩＳ Ｃ １５０２−１９９０に定められたＡ特性に基づいた補正である。

図１８は、静圧が印加されたファン効率と風量との関係、比騒音と風量との関係及び静圧と風量との関係を示す図である。図１８中の風量静圧特性中の破線は、圧力損失を示している。静圧と圧力損失とが一致する風量に近い風量において、比騒音が最小となり、ファン効率が最大となることが理解できる。

図１０から図１７に示すように、実施の形態１に係る翼車３は、ハーフベルマウス７及びフルベルマウス８のどちらを用いた場合でも、またいずれの位置においても、低騒音かつ高効率化を図ることが可能となることが分かる。

特に、実施の形態１に係る翼車３は、無次元外周部平均曲率半径Ｒ２’が小さいほど、低騒音かつ高効率となる傾向があり、ベルマウスの形態及び比較する位置によりその最適値は若干異なる。図１０及び図１１に示すように、ハーフベルマウスの開放点では、Ｒ２’＝０．１３よりも小さい領域、図１２及び図１３に示すように、ハーフベルマウスで静圧印加時には、Ｒ２’＝０．１４５よりも小さい領域、図１４及び図１５に示すように、フルベルマウスの開放点では、Ｒ２’＝０．１４５よりも小さい領域、図１６及び図１７に示すように、フルベルマウスで静圧印加時には、Ｒ２’＝０．１３よりも小さい領域で比騒音差が−０．５ｄＢ以下、ファン効率のポイント差が＋０．５ポイント以上の効果を得られることが分かる。

実施の形態１に係る翼車３において、回転翼１の外側凹部Ｐ４の部分の曲率半径値Ｒ２は、翼前縁部１ｂから翼後縁部１ｃに近づくにしたがって漸減する分布を有し、かつ漸減する割合が翼後縁部１ｃに近づくほど小さくなるため、翼端渦５の変化による騒音の増大及び効率の低下を低減することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 回転翼、１ｂ 翼前縁部、１ｃ 翼後縁部、１ｄ 翼外周部、１ｅ 翼内周部、２ ボス部、３ 翼車、４ 回転軸、５ 翼端渦、７ ハーフベルマウス、８ フルベルマウス、９ 横吸込み流れ、１０ 翼内部の流れ。

Claims (4)

1. モータにより回転駆動されるボス部と、前記ボス部から前記モータの回転軸の拡径方向に放射状に突出し、前記回転軸の軸方向に気流を発生させる複数の回転翼とを備え、前記回転翼は、内周部側が前記気流の流れに対して凸で外周部側が前記気流の流れに対して凹のＳ字形状の半径方向断面を有し、前記回転翼のＳ字形状の外周側の頂点と翼外周部との間の部分である外側凹部の曲率半径値は、翼前縁部から翼後縁部に近づくにしたがって漸減する分布を有する翼車と、
   前記回転翼を前記翼前縁部が開放された状態で囲んで前記気流の昇圧及び整流を行うハーフベルマウスとを備え、
   前記翼車は、前記回転翼の前記翼前縁部の後端から前記翼後縁部の前端までの翼断面において、翼外周部の平均曲率半径を前記回転翼の直径で除した値が、０．１３以下の値を有することを特徴とする軸流送風機。
2. モータにより回転駆動されるボス部と、前記ボス部から前記モータの回転軸の拡径方向に放射状に突出し、前記回転軸の軸方向に気流を発生させる複数の回転翼とを備え、前記回転翼は、内周部側が前記気流の流れに対して凸で外周部側が前記気流の流れに対して凹のＳ字形状の半径方向断面を有し、前記回転翼のＳ字形状の外周側の頂点と翼外周部との間の部分である外側凹部の曲率半径値は、翼前縁部から翼後縁部に近づくにしたがって漸減する分布を有する翼車と、
   前記翼前縁部を側方から覆った状態で前記回転翼を囲んで前記気流の昇圧及び整流を行うフルベルマウスとを備え、
   前記翼車は、前記回転翼の前記翼前縁部の後端から前記翼後縁部の前端までの翼断面において、翼外周部の平均曲率半径を前記回転翼の直径で除した値が、０．１３以下の値を有することを特徴とする軸流送風機。
3. 前記回転翼の凹形状の部分の曲率半径値は、漸減する割合が前記翼後縁部に近づくほど小さくなることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸流送風機。
4. 前記回転翼は、前記翼前縁部では前記気流の上流側に傾斜し、前記翼後縁部に近づくにしたがって傾斜角は小さくなり、前記翼後縁部では、前記気流の下流側に傾斜していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軸流送風機。

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