JP6931776B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は回転することで回転軸方向に空気の流れを発生させる軸流ファンに関するものである。

従来、この種の軸流ファンは所定の風量を送風するための回転数を小さくすることによって送風騒音の低減を図っている。軸流ファンの回転数を小さくするために、回転周速が大きく送風能力の高い軸流ファンの羽根の外周側の面積を大きくしている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の軸流ファンを示すものである。図５に示すように、軸流ファン１は、ハブ２と、羽根３と、外周領域４と、羽根３の外周側の面積を大きくするために延長された外周領域後縁５と、から構成されている。

特開２０１３−１４４９５１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、軸流ファンが使われる装置（例えば冷凍サイクル装置）の小型化に伴う通風抵抗の増大によって冷凍サイクル装置の内部の圧力と大気圧との圧力差が増大することと、軸流ファンの回転数を小さくすることによる軸流ファンでの圧力上昇が小さくなることと、が相互に作用して、回転周速が小さく送風能力の低い軸流ファンの内周側において空気が逆流するという課題があり、その結果として、渦が強くなり、軸流ファンの送風騒音が増大していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、軸流ファンの内周側における空気の逆流を低減し、送風騒音を低減した軸流ファンを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の軸流ファンは、複数枚の羽根と、ハブと、羽根と前記ハブとの接続部とを備え、羽根は、ハブによって、回転軸の周りに等間隔に、且つ、回転軸と直交する面に対して所定の角度を有して保持される構成となっており、羽根が回転することによって、空気の流れを発生させる軸流ファンであって、軸流ファンの回転軸の方向への投影図において、接続部の半径と、接続部の半径および軸流ファンの外周部の半径の中間の半径との間に、軸流ファンの外周部から、軸流ファンの外周部と接続部との中間の半径までの範囲における羽根の回転方向の後方の稜線上の最も前方に位置する点と、接続部の半径および軸流ファンの外周部の半径の中間の半径、における回転方向の後方の稜線上の点と、を結ぶ直線よりも、回転方向の後方に向かって延出する補助羽根を備え、前記補助羽根と、前記軸流ファンの回転方向の後方の前記羽根と、のすき間が
略一定の幅であり、かつ、前記すき間は前記接続部の半径における円周の５％以下であることを特徴とした軸流ファンとしたものである。

これによって、軸流ファンの内周側において羽根の面積が増大して軸流ファンによる圧力上昇を増大できるので、軸流ファンが使われる装置をユニットと呼称して、軸流ファンがユニットの内部から外気への空気の搬送に用いられる場合には外気からユニットの内部へ向かって逆流する空気が減少することとなり、もしくは軸流ファンが外気からユニットの内部への空気の搬送に用いられる場合にはユニットの内部から外気へ向かって逆流する
空気が減少することとなる。

本発明の軸流ファンは、逆流する空気を低減することができ、送風騒音の原因である渦を弱くすることによって、送風騒音を低減することができる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１における軸流ファンの正面図 本発明の実施の形態１における軸流ファンの第１の派生形態の正面図 本発明の実施の形態１における軸流ファンの第２の派生形態の正面図 従来の軸流ファンの正面図

第１の発明は、複数枚の羽根と、ハブと、羽根と前記ハブとの接続部とを備え、羽根は、ハブによって、回転軸の周りに等間隔に、且つ、回転軸と直交する面に対して所定の角度を有して保持される構成となっており、羽根が回転することによって、空気の流れを発生させる軸流ファンであって、軸流ファンの回転軸の方向への投影図において、接続部の半径と、接続部の半径および軸流ファンの外周部の半径の中間の半径と、の間に、軸流ファンの外周部から、軸流ファンの外周部と接続部との中間の半径までの範囲における羽根の回転方向の後方の稜線上の最も前方に位置する点と、羽根とハブとの接続部の半径および軸流ファンの外周部の半径の中間の半径、における回転方向の後方の稜線上の点と、を結ぶ直線よりも、回転方向の後方に向かって延出する補助羽根を備えることを特徴とした軸流ファンとすることにより、軸流ファンの内周側において羽根の面積が増大して軸流ファンによる圧力上昇を増大できるので、軸流ファンが使われる装置をユニットと呼称して、軸流ファンがユニットの内部から外気への空気の搬送に用いられる場合には外気からユニットの内部へ向かって逆流する空気が減少し、もしくは軸流ファンが外気からユニットの内部への空気の搬送に用いられる場合にはユニットの内部から外気へ向かって逆流する空気が減少することとなり、逆流する空気を低減できるので、送風騒音の原因である渦を弱くできて、送風騒音を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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。また、以下の実施の形態でいう半径には、必要に応じてその半径による円弧の概念も含まれる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図を示すものである。図２は、本発明の第１の実施の形態における軸流ファンの正面図を示すものである。図３は、本発明の第１の実施の形態における軸流ファンの第１の派生形態の正面図を示すものである。図４は、本発明の第１の実施の形態における軸流ファンの第２の派生形態の正面図を示すものである。

図１において、冷凍サイクル装置１０は、主回路１１と、圧縮機２０と、室外熱交換器３１と、室内熱交換器３２と、四方弁４０と、室外膨張弁５１と、室内膨張弁５２と、冷媒貯留槽５３と、室外送風機６１と、室内送風機６２と、を備えており、室外熱交換器３１で放熱するとともに室内熱交換器３２で吸熱する、もしくは室外熱交換器３１で吸熱するとともに室内熱交換器３２で放熱するという動作を切り替えることが可能な構成となっている。冷凍サイクル装置１０を、空気を加熱または冷却することを目的として用いた製品がエアコン等と呼ばれ、水を加熱または冷却することを目的として用いた製品がチラー等と呼ばれる。

また、冷凍サイクル装置１０の形態として、圧縮機２０と、室外熱交換器３１と、四方弁４０と、室外膨張弁５１と、冷媒貯留槽５３と、室外送風機６１と、を含む室外機１２、および、室内熱交換器３２と、室内膨張弁５２と、室内送風機６２と、を含む室内機１３、でユニットを分離して構成することもあるし、室外機１２と、室内機１３と、を一体のユニットとして構成することもある。また、室外機１２と室内機１３を分離する構成においても、室外機１２と室内機１３が同数の場合と、室外機１２よりも室内機１３の台数が多い場合と、がある。

本実施の形態においては、家庭用エアコンや店舗用エアコンに多く見られる、室外機１２と室内機１３が分離しており、室外機１２と室内機１３が１台ずつであるエアコンの構成例を示す。

主回路１１は、室外熱交換器３１で放熱して室内熱交換器３２で吸熱する動作を行う場合には、圧縮機２０、四方弁４０の第１経路４１、室外熱交換器３１、室外膨張弁５１、冷媒貯留槽５３、室内膨張弁５２、室内熱交換器３２をこの順に接続しており、室内熱交換器３２から四方弁４０の第２経路４２を経由して圧縮機２０に戻す回路である。圧縮機２０と四方弁４０の第１経路４１を流路９１によって、四方弁４０の第１経路４１と室外熱交換器３１を流路９２によって、室外熱交換器３１と室外膨張弁５１を流路９３によって、室外膨張弁５１と冷媒貯留槽５３を流路９４によって、冷媒貯留槽５３と室内膨張弁５２を流路９５によって、室内膨張弁５２と室内熱交換器３２を流路９６によって、室内熱交換器３２と四方弁４０の第２経路４２を流路９７によって、四方弁４０の第２経路４２と圧縮機２０を流路９８によって、接続している。また、室外熱交換器３１で吸熱して室内熱交換器３２で放熱する動作を行う場合には、圧縮機２０、四方弁４０の第３経路４３、室内熱交換器３２、室内膨張弁５２、冷媒貯留槽５３、室外膨張弁５１、室外熱交換器３１をこの順に接続しており、室外熱交換器３１から四方弁４０の第４経路４４を経由して圧縮機２０に戻す回路である。圧縮機２０と四方弁４０の第３経路４３を流路９１によって、四方弁４０の第３経路４３と室内熱交換器３２を流路９７によって、室内熱交換器３２と室内膨張弁５２を流路９６によって、室内膨張弁５２と冷媒貯留槽５３を流路９５によって、冷媒貯留槽５３と室外膨張弁５１を流路９４によって、室外膨張弁５１と室外熱交換器３１を流路９３によって、室外熱交換器３１と四方弁４０の第４経路４４を流路９２によって、四方弁４０の第４経路４４と圧縮機２０を流路９８によって、接続している。冷凍サイクル装置１０の動作の別による主回路１１の切り替えは四方弁４０により行うようにしている。主回路１１の内部にはＲ３２やＲ４１０Ａに代表される冷媒と、圧縮機２０の摺動部を潤滑するための圧縮機油を封入している。

圧縮機２０は、ロータリー式圧縮機、すなわち、円筒形の内部空間を有するシリンダと、シリンダの内部の中心軸に対して偏心して配したローターと、シリンダ壁面に設けたスリットに摺動自由に収納されていて先端がローターの円筒面に常に接する構成にした仕切弁と、シリンダにおいて仕切弁の両側に流路９１と流路９８への連通孔と、を備えている。

室外熱交換器３１および室内熱交換器３２は、フィンアンドチューブ式熱交換器、すなわち、厚さ０．１ｍｍ程度のアルミニウムの板に直径５ｍｍ〜８ｍｍ程度の複数個の丸穴が開いていて且つ丸穴が襟状に曲げられているフィンと、銅またはアルミニウムの管と、を備え、数百枚のフィンを並べて丸穴に管を挿入し、管を押し広げてフィンに密着するようにして構成している。

四方弁４０は、内部に備える弁を用いて、第１経路４１と第２経路４２、もしくは、第３経路４３と第４経路４４の組み合わせを切り替えることが可能な構成にしている。

室外膨張弁５１と室内膨張弁５２は、主回路１１に対して冷媒が流れる経路の断面積を小さくする、または、閉塞と開放を切り替える等して、部分的に冷媒を流れにくくする構成にしている。

冷媒貯留槽５３は、容器と、流路９４と流路９５へ接続するための２つの連通孔と、を備え、連通孔から容器内部の下部まで管を延出させており、容器の下部に溜まった液相の冷媒を主回路１１に戻す構成にしている。

室内送風機６２は、ターボファンや、シロッコファンや、クロスフローファンを用いるのが一般的であるが、軸流ファンを用いたものもある。

室外送風機６１は、軸流ファン７０と、ベルマウス８８と電動機８９と、を備える。軸流ファン７０によって発生する空気の流れの上流側から下流側へ向かう方向において、室外熱交換器３１と、電動機８９と、軸流ファン７０と、ベルマウス８８と、をこの順に配置している。軸流ファン７０は電動機８９の回転シャフトに固定している。電動機８９は室外機１２に固定している。ベルマウス８８は、軸流ファン７０の回転軸に対して周方向に、所定の隙間を有して軸流ファン７０を囲繞する略円筒形の形態であって、回転軸方向に少なくとも部分的に軸流ファン７０と重なるように配置し、室外機１２に固定している。

図２において、軸流ファン７０は、複数枚の羽根７１と、ハブ７２と、を備える。羽根７１は、外周に向かうにつれて拡大する扇状である。羽根７１の回転方向の前方の稜線８１は外周に向かうにつれて回転方向の前方に位置している。羽根７１の回転方向の後方の稜線７６は概ね直線状であり、且つ軸流ファン７０の回転軸を中心としたすべての半径断面において羽根７１によって発生する空気の流れの上流に向かって凸になるように羽根７１の断面の長さの６％程度の深さを有して略円弧状に曲げられている板状の形態であって、ハブ７２によって、回転軸周りに等間隔に、且つ、回転軸と直交する面に対して所定の角度を有して保持する構成としており、電動機８９により羽根７１が回転することによって、空気の流れを発生させる構成にしている。

特に、軸流ファン７０は、軸流ファン７０の回転軸の方向への投影図において、羽根７１とハブ７２との接続部１００の半径と、羽根７１とハブ７２との接続部１００の半径および軸流ファン７０の外周部の半径の中間の半径と、の範囲である内周領域７３に、軸流ファン７０の外周部から、軸流ファン７０の外周部と接続部１００との中間の半径までの範囲における羽根７１の回転方向の後方の稜線７６上の最も前方に位置する前端点７９と、羽根７１とハブ７２との接続部１００の半径および軸流ファン７０の外周部の半径の中間の半径、における回転方向の後方の稜線上の中間点７８と、を結ぶ基準後縁線８０よりも、回転方向の後方に向かって延出する補助羽根７４を備える。補助羽根７４によって羽根７１の面積を増大させて軸流ファン７０による圧力上昇を増大させることによって、軸流ファン７０が室外機１２の内部から外気への空気の搬送に用いられる場合には外気から室外機１２の内部へ向かう逆流を低減し、もしくは軸流ファン７０が外気から室外機１２の内部への空気の搬送に用いられる場合には室外機１２の内部から外気へ向かう逆流を低減する構成にしている。

図３において、補助羽根７４は、軸流ファン７０の回転方向の後方の羽根とのすき間である羽根間すき間７５を、略一定の幅で、内周領域７３の最小半径における円周の５％以下にしている。

図４において、補助羽根７４は、補助羽根７４の最大半径における回転方向の後方の端
点７７と、内周領域７３の最大半径における羽根７１の回転方向の後方の稜線７６上の中間点７８と、を直線状に繋いで拡張し、且つ、それによってできる角部や隅部を丸み付けして羽根７１の曲面が滑らかに変化するようにしている。

以上のように構成された冷凍サイクル装置１０および軸流ファン７０について、以下その動作、作用を説明する。

まず、冷凍サイクル装置１０が室外熱交換器３１で放熱するとともに室内熱交換器３２で吸熱する動作を行う場合は、主回路１１において、主回路１１に封入した冷媒が低温低圧の気相の状態で圧縮機２０に吸入され、圧縮機２０によって高温高圧の気相の状態に圧縮される。冷媒は四方弁４０によって流れの方向が選択されて室外熱交換器３１へ流れ、室外熱交換器３１によって放熱して中温中圧の液相の状態となる。冷媒は冷媒貯留槽５３に蓄えられた後に、室内膨張弁５２で冷媒の流れる量が調整されて吐出され、室内熱交換器３２において外気から吸熱して蒸発し、低温低圧の気相の状態に戻り、再び圧縮機２０によって高温高圧の気相の状態に圧縮される。この一連の動作によって、冷媒を介して室内の熱を室外に移動することになるので、エアコンにおける冷房動作となる。

また、冷凍サイクル装置１０が室外熱交換器３１で吸熱するとともに室内熱交換器３２で放熱する動作を行う場合は、主回路１１において、主回路１１に封入された冷媒が低温低圧の気相の状態で圧縮機２０に吸入され、圧縮機２０によって高温高圧の気相の状態に圧縮される。冷媒は四方弁４０によって流れの方向が選択されて室内熱交換器３２へ流れ、室内熱交換器３２によって放熱して、中温中圧の液相の冷媒となる。冷媒は冷媒貯留槽５３に蓄えられた後に、室外膨張弁５１で冷媒の流れる量が調整されて吐出され、室外熱交換器３１において外気へ放熱して蒸発し、低温低圧の気相の状態に戻り、再び圧縮機２０によって高温高圧の気相の状態に圧縮される。この一連の動作によって、冷媒を介して室外の熱を室内に移動することになるので、エアコンにおける暖房動作となる。

なお、室外熱交換器３１で放熱または吸熱する際に、軸流ファン７０を併用することによって、室外機１２の効率向上を図っている。すなわち、軸流ファン７０を併用しない場合は、室外熱交換器３１は熱い空気は鉛直上方または冷たい空気は鉛直下方に移動するという自然な空気の流れで放熱するので空気の入れ替えが少なく室外機１２の効率が低いのに対して、軸流ファン７０を併用する場合は、室外熱交換器３１は軸流ファン７０によって生じる空気の流れで放熱するので空気の入れ替えが多く室外機１２の効率を向上することができる。

特に、室外機１２を小型化すると室外熱交換器３１の通風路断面積も小さくなるので、室外熱交換器３１の厚さを増大したり、アルミニウムのフィンの集積度合を大きくしたりするなどして、室外機１２の効率の維持を図るが、その影響で室外熱交換器３１の通風抵抗は増大して、軸流ファン７０の上流と下流で空気の圧力差が大きくなり、回転周速が小さい軸流ファン７０の内周側では圧力が上がりにくいために空気が逆流して渦を巻いて送風騒音が増大してしまうため、補助羽根７４によって逆流を低減することで、送風騒音を低減している。

以上のように、本実施の形態においては、軸流ファン７０の回転軸の方向への投影図において、羽根７１とハブ７２との接続部１００の半径と、羽根７１とハブ７２との接続部１００の半径および軸流ファン７０の外周部の半径の、中間の半径と、の範囲である内周領域７３に、軸流ファン７０の外周部から、軸流ファン７０の外周部と接続部１００との中間の半径までの範囲における羽根７１の回転方向の後方の稜線７６上の最も前方に位置する前端点７９と、羽根７１とハブ７２との接続部１００の半径および軸流ファン７０の外周部の半径の中間の半径、における回転方向の後方の稜線７６上の中間点７８と、を結
ぶ基準後縁線８０よりも、回転方向の後方に向かって延出する補助羽根７４を備える。これにより、軸流ファン７０の内周側において羽根７１の面積が増大するので、軸流ファン７０による圧力上昇を増大することができる。このため、室外機１２の内部から外気への空気の搬送に用いられる場合には外気から室外機１２の内部へ向かって逆流する空気を低減でき、もしくは軸流ファン７０が外気から室外機１２の内部への空気の搬送に用いられる場合には室外機１２の内部から外気へ向かって逆流する空気を低減できる。空気の逆流を低減することで、送風騒音の原因である渦を弱くできるので、送風騒音を低減することができる。

また、本実施の形態の第１の派生形態として、家庭用エアコンや店舗用エアコンで使用される環境（軸流ファン７０の回転数、所定の風量、軸流ファン７０の上流と下流の差圧）においては軸流ファン７０を回転軸方向に投影した場合の羽根間すき間７５を略一定にするように、且つ、羽根７１の枚数と同数ある羽根間すき間７５の１つあたりの幅が、内周領域７３の最小半径における円周の５％以下になるように補助羽根７４を構成としたことにより、羽根７１の回転方向の後方の稜線７６から、内周領域７３の最小半径における円周の１０％程度後方の位置において逆流していたのに対して、補助羽根７４で逆流を堰き止めることで低減できて、送風騒音の原因である渦を弱くでき、送風騒音を更に低減することもできる。

また、本実施の形態の第２の派生形態として、羽根７１の回転方向の後方の稜線７６を、補助羽根７４の最大半径における回転方向の後方の端点７７と、内周領域７３の最大半径よりも内周側における、羽根７１の回転方向の後方の稜線７６上の中間点７８と、を直線状に結び、且つ、これによる角部と隅部を丸み付けした構成としたことにより、補助羽根７４が同一半径で構成される場合には、周方向には略円弧状の羽根形状だが半径方向には羽根形状になっていないので、補助羽根７４の外周側の端面において補助羽根７４がない場合の逆流と比較すると弱いものの、外周方向への漏れ流れが生じるのに対して、半径方向にも羽根形状になるので漏れ流れを抑制できること、また、直線状に結ぶことによって羽根７１の曲面が不連続になることで羽根７１から空気が剥がれやすかったのに対して曲面を連続にすることで空気の剥がれを抑制できること、によって補助羽根７４の周囲に発生する送風騒音の原因である渦を弱くできて、送風騒音を更に低減することもできる。

なお、冷凍サイクル装置１０において、第一の実施の形態に対して以下の構成であっても良い。

圧縮機２０の圧縮形式については、ロータリー式でも良いし、スクロール式やレシプロ式やターボ式でも良い。また圧縮機２０の動力については、圧縮機２０の内部に備えられた電動機でも良いし、圧縮機とは独立した電動機を動力としても良いし、電動機ではなく原動機を動力としても良い。気相の冷媒を圧縮できる機構であれば、その形式や動力は問わない。

なお、室内機１３は、室内の空気を温度調節する代わりに水を温度調節するチラーモジュールであっても良く、単独の筐体という形態を取らずに化学物質の分留設備等に一体に組み込まれていても良い。主回路１１から外部へ熱交換が可能な構成であれば、温度調節する対象や形態は問わない。

なお、室内熱交換器３２は、扁平管を並べた形態の熱交換器であっても、直径の異なる円筒管を同軸に配した熱交換器であっても、容器の内部に管を並べた熱交換器であっても良い。主回路１１から外部へ熱交換が可能な構成であれば形式は問わない。

なお、室外熱交換器３１は、扁平管を並べた形態の熱交換器であっても良い。軸流ファ
ン７０によって発生する空気の流れを通過させることで熱交換が促進できる構成であれば形式は問わない。

なお、主回路１１に封入する冷媒は相変化を伴わないＣＯ２等であってもよく、冷媒の種類は問わない。

以上のように、本発明にかかる軸流ファンは、通風抵抗が増大した場合であっても逆流を低減する構成にすることによって送風騒音の低減が可能となるので、エアコンやチラー等の冷凍サイクル装置の他にも、換気装置や、噴霧装置や、ファンヒーター等の燃焼器の吸気装置や、バイオベンチ等の気流循環装置、等の用途にも適用できる。

１ 軸流ファン
２ ハブ
３ 羽根
４ 外周領域
５ 外周領域後縁
１０ 冷凍サイクル装置
１１ 主回路
１２ 室外機
１３ 室内機
２０ 圧縮機
３１ 室外熱交換器
３２ 室内熱交換器
４０ 四方弁
４１ 第１経路
４２ 第２経路
４３ 第３経路
４４ 第４経路
５１ 室外膨張弁
５２ 室内膨張弁
５３ 冷媒貯留槽
６１ 室外送風機
６２ 室内送風機
７０ 軸流ファン
７１ 羽根
７２ ハブ
７３ 内周領域
７４ 補助羽根
７５ 羽根間すき間
７６ 稜線
７７ 端点
７８ 中間点
７９ 前端点
８０ 基準後縁線
８１ 稜線
８８ ベルマウス
８９ 電動機
９１〜９８ 流路
１００ 接続部

Claims (1)

1. 複数枚の羽根と、ハブと、前記羽根と前記ハブとの接続部とを備え、
   前記羽根は、前記ハブによって、回転軸の周りに等間隔に、且つ、前記回転軸と直交する面に対して所定の角度を有して保持される構成となっており、前記羽根が回転することによって、空気の流れを発生させる軸流ファンであって、
   前記軸流ファンの前記回転軸の方向への投影図において、前記接続部の半径と、前記接続部の半径および前記軸流ファンの外周部の半径の中間の半径と、の間に、前記軸流ファンの外周部から、前記軸流ファンの外周部と前記接続部との中間の半径までの範囲における前記羽根の回転方向の後方の稜線上の最も前方に位置する点と、前記接続部の半径および前記軸流ファンの外周部の半径の中間の半径における回転方向の後方の稜線上の点と、を結ぶ直線よりも、回転方向の後方に向かって延出する補助羽根を備え、
   前記補助羽根と、前記軸流ファンの回転方向の後方の前記羽根と、のすき間が略一定の幅であり、かつ、前記すき間は前記接続部の半径における円周の５％以下であることを特徴とした軸流ファン。

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