JP7123290B2 - ターボファン - Google Patents

Description

本開示は、ターボファンに関するものである。

従来、ターボファンのシュラウド内面では空気の流れの剥離が生じ、その剥離は主として羽根の負圧面側に生じている。ターボファンは、これにより羽根に抵抗が生じてファン効率の低下を招くという問題がある。この問題を解決するため、回転軸に固定されるハブとラッパ状に広がるシュラウドとを同軸状に対向配置し、これら両者間に複数枚の羽根を配置してなる羽根車を備え、下記の構成を有するターボファンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のターボファンは、シュラウドに連通口を設けることによってシュラウド外面（高圧側）とシュラウド内面（低圧側）との差圧を利用した還流を作り、上記の剥離の抑制及び剥離に起因する問題の解決を試みている。また、特許文献１に示すような連通口は、シュラウドのうち羽根の負圧面側に位置する部分に設けられることによって、羽根の負圧面側に生じる空気の流れの剥離をより効果的に抑制できる。

特開２００１－６５４９３号公報

しかし、ターボファンは、主にシュラウドと主板と複数枚の羽根とに分けてそれぞれ製造され、それらが接着されて作られることが多い。そして、シュラウドにおいて羽根と接着される部分には、シュラウドの外側に凸となるような窪み（以下、凸構造という）が設けられ、一方羽根にはこの凸構造に嵌合するような出っ張りが設けられる場合が多い。このような凸構造を有するターボファンにおいては、凸構造の回転下流側の圧力が低くなるため、凸構造がないターボファンと比べて連通口を流れる還流速が小さくなり空気の流れの剥離を抑制する効果が低くなる或いは得られないといった課題がある。

本開示は、上記のような課題を解決するためのものであり、シュラウドの外側に凸構造を有するターボファンでも、連通口を流れる還流速を十分に得ることを可能とし、シュラウドの内面における空気の流れの剥離を抑制できるターボファンを提供するものである。

本開示に係るターボファンは、回転軸が接続されるハブを備えた主板と、主板と対向して配置されたシュラウドと、主板とシュラウドとの間に配置された複数の羽根と、を有し、シュラウドは、複数の羽根が取り付けられる嵌合部に、シュラウドの外部に凸となり内側に複数の羽根のそれぞれの端部が挿入される複数の凸構造を有し、シュラウドの回転方向において、ある対象物より前方側を回転上流側と定義し、ある対象物より後方側を回転下流側と定義した場合に、シュラウドには、複数の羽根のうち、隣り合う羽根と羽根との間で、かつ、複数の凸構造のそれぞれの回転下流側に位置する部分に、貫通孔である連通口が形成されており、複数の凸構造はそれぞれ、連通口の回転上流側の部分に、回転方向に凸構造を横断する溝を構成する溝部を有するものである。

本開示に係るターボファンは、羽根を嵌合するための凸構造のうち連通口の回転上流に当たる部分に溝を設けることによって、連通口の入口部の空気の圧力を高め十分な還流速を有する還流を得ることができる。そのため、本開示に係るターボファンは、この還流によるコアンダ効果によってシュラウドの内面における空気の流れの剥離を抑制できる。

実施の形態１に係るターボファンを示す斜視図である。 実施の形態１に係るターボファンの要部を示す断面図である。 実施の形態１に係るターボファンの要部を示す平面図である。 実施の形態２に係るターボファンの要部を示す平面図である。 実施の形態３に係るターボファンの要部を示す平面図である。 実施の形態４に係るターボファンの要部を示す平面図である。 図６に示す外周側凸部の一例を概念的に表した平面図である。 図６に示す外周側凸部の他の一例を概念的に表した側面図である。 実施の形態１～４に係るターボファンの効率特性の一例を示す棒グラフである。

以下、実施の形態に係るターボファン１００について図面を参照しながら説明する。なお、図１を含む以下の図面では、各構成部材の相対的な寸法の関係及び形状等が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。また、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば「上」、「下」、「右」、「左」、「前」及び「後」等）を適宜用いるが、それらの表記は、説明の便宜上、そのように記載しているだけであって、装置あるいは部品の配置及び向きを限定するものではない。

実施の形態１．
［ターボファン１００の構成］
図１は、実施の形態１に係るターボファン１００を示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係るターボファン１００の要部を示す断面図である。図３は、実施の形態１に係るターボファン１００の要部を示す平面図である。図１に示す回転方向Ｒは、ターボファン１００が回転する方向である。また、回転軸ＲＳは、ターボファン１００の仮想の回転軸である。図１～図３を用いて、実施の形態１に係るターボファン１００について説明する。

ターボファン１００は、モータ等（図示は省略）によって回転駆動され、回転軸ＲＳの軸方向から気体を吸入し、回転で生じる遠心力により、径方向外方へ空気を強制的に送出するものである。

図１に示すように、実施の形態１に係るターボファン１００は、モータ等の回転軸が接続されるハブ１と、当該ハブ１を中央に備えた円盤状の主板２と、空気の吸い込み口１３から吹き出し口２３にかけてラッパ状に拡径変化するシュラウド３と、を有する。ターボファン１００は、主板２と、シュラウド３とが対向配置されている。また、ターボファン１００は、主板２とシュラウド３との間に複数の羽根４を有する。

（ハブ１）
ハブ１は、ターボファン１００の回転軸ＲＳに沿って投影的に見た場合に円形をなしており、図１に示すように、主板２側からシュラウド３側に向かって山状に盛り上がる略円錐台形状に形成されている。なお、ハブ１の形状は、上記形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。ハブ１には、モータ等の回転軸が接続される。

（主板２）
主板２は、ハブ１を備え、モータ等の駆動によりハブ１と共に回転する回転体である。主板２は、ハブ１が中央に設けられた円盤状に形成されている。主板２は、平板状に形成されているが、主板２の形状は当該形状に限定されるものではない。例えば、主板２は、ハブ１を中心に山状に形成されてもよく、すなわち、傾斜面を有する円環状に形成されてもよい。

（シュラウド３）
シュラウド３は、主板２と対向して配置されている。シュラウド３は、ターボファン１００において空気を吸い込む側の導風壁を形成している。また、シュラウド３は、複数の羽根４と連結することで、各羽根４の先端の位置関係を維持し、かつ、複数の羽根４の強度を補強している。

シュラウド３は、上述したようにラッパ状に形成されており、空気の吸い込み口１３から吹き出し口２３にかけて開口径が拡大するように形成されている。換言すれば、シュラウド３は、径方向の外側から中央側に向かって山状に盛り上がっている。そして、シュラウド３の中央には、空気の吸い込み口１３が形成されている。

ターボファン１００は、図１に示すように、シュラウド３の内周側の端部となる内周縁３１によって空気の吸い込み口１３が形成されている。図２に示すように、シュラウド３は、吸い込み口１３から主板２に近づくほど径が大きくなるように形成されている。シュラウド３は、回転軸ＲＳに沿った断面において、主板２側に膨らむ湾曲状に形成されている。すなわち、シュラウド３は、回転軸ＲＳの軸方向に見た平面視において円環状に形成されており、回転軸ＲＳに沿った断面において断面形状が弧状に形成されている。

円環状に形成されたシュラウド３の外周縁を構成する側板外周縁部３３は、シュラウド３の構成部分の中で径が最も大きく、主板２に最も近い位置に配置されている。ターボファン１００は、シュラウド３の側板外周縁部３３と、主板２の外周縁を構成する主板外周縁部２２とによって、側板外周縁部３３と主板外周縁部２２との間に吹き出し口２３が形成されている。

側板外周縁部３３は、シュラウド３の径方向の外周端部であり、上述したように、シュラウド３の外周縁を構成する。主板外周縁部２２は、主板２の径方向の外周端部であり、主板２の外周縁を構成する。吹き出し口２３は、ターボファン１００の回転によって、吸い込み口１３からターボファン１００の内部に吸い込まれた空気が吐出される開口部である。

＜連通口７＞
図１に示すように、シュラウド３には、複数の羽根４のうち、隣り合う羽根４と羽根４との間で、かつ、後述する複数の凸構造５のそれぞれの回転下流側に位置する部分に、連通口７が形成されている。換言すれば、シュラウド３は、羽根４の回転下流側３ａに位置する部分に、シュラウド外面３ｃ側からシュラウド内面３ｄ側へ空気を還流させる連通口７が設けられている。シュラウド外面３ｃは、シュラウド３の外面であり、主板２と対向する側とは反対側の壁面である。また、シュラウド外面３ｃは、羽根４が設けられていない側の壁面である。シュラウド内面３ｄは、シュラウド３の内面であり、主板２と対向する側の壁面である。シュラウド内面３ｄは、羽根４が設けられている側の壁面である。

連通口７は、シュラウド３を貫通する貫通孔である。連通口７の開口形状は、図３に示すように、シュラウド３と同心の円弧形状であってもよいし、開口部の径方向位置、あるいは、開口幅が周方向に変化する形状でもよい。

図１及び図３に示すように、連通口７は、羽根４の回転下流側３ａに形成されており、連通口７は、回転方向Ｒにおいて、羽根４に対して後方に形成されている。すなわち、連通口７は、最も近くに位置する羽根４に対し、羽根４の翼内面４ｂ側に形成されており、羽根４の負圧面側に形成されている。

また、連通口７の開口位置は、図２に示すように、回転軸ＲＳに沿った断面において、流入側端部７ａが流出側端部７ｂに比べてターボファン１００の内周側に位置している。流入側端部７ａは、連通口７のシュラウド外面３ｃ側の開口部である。流出側端部７ｂは、連通口７のシュラウド内面３ｄ側の開口部である。

＜凸構造５＞
シュラウド３は、シュラウド３と羽根４とを互いに嵌合させるため、複数の羽根４が取り付けられる嵌合部３０に、シュラウド３の外部に凸となり、内側に複数の羽根４の端部のそれぞれが挿入される複数の凸構造５を有する。すなわち、シュラウド３は、シュラウド３と羽根４とを互いに嵌合させるため、シュラウド３のうち羽根４と接する部分には凸構造５が設けられている。

凸構造５は、シュラウド３において、シュラウド外面３ｃ側に凸になるように形成されている。凸構造５は、シュラウド内面３ｄ側が羽根４の上端部と嵌合するように窪んでいる。凸構造５は、シュラウド内面３ｄ側が開口した、中空の柱状に形成されている。

凸構造５は、図１及び図３に示すように、羽根４の上縁部の形状に沿って形成されている。凸構造５は、回転方向Ｒに対して後ろ向きに延びるように形成されている。また、凸構造５は、シュラウド３の内周側と外周側との間に延びており、回転方向Ｒにおいて、内周側に位置する一方の端部５ａ１は、外周側に位置する他方の端部５ｂ１の前方に位置している。換言すれば、凸構造５は、シュラウド３の内周側と外周側との間に延びており、回転方向Ｒにおいて、外周側に位置する一方の端部５ｂ１は、内周側に位置する他方の端部５ａ１の後方に位置している。回転方向Ｒにおいて、凸構造５の一方の端部５ａ１は、他方の端部５ｂ１に対して上流側に位置しており、凸構造５の他方の端部５ｂ１は、一方の端部５ａ１に対して下流側に位置している。

実施の形態１に係るターボファン１００は、上記構成のターボファン１００において、凸構造５のうち連通口７の回転上流側に当たる部分に、回転上流側から回転下流側に空気の流れを通過させるための溝部５ｃが設けられている。複数の凸構造５はそれぞれ、連通口７の回転上流側の部分に、シュラウド３の回転方向Ｒに凸構造５を横断する溝を構成する溝部５ｃを有している。

溝部５ｃは、凸構造５に形成された溝であり、凸構造５において、シュラウド３の回転方向Ｒに沿って形成されている。なお、回転上流側とは、ターボファン１００の回転方向Ｒにおいて、ある対象が他の対象の前方、あるいは、回転方向側に位置していることを表している。また、回転下流側とは、回転方向Ｒにおいて、ある対象が他の対象の後方、あるいは、反回転方向側に位置していることを表している。すなわち、シュラウド３の回転方向Ｒにおいて、ある対象物より前方側を回転上流側と定義し、ある対象物より後方側を回転下流側と定義する。

ここで、図３に示すように、ターボファン１００の仮想の回転軸ＲＳからの距離を距離ｒと定義する。また、連通口７の開口部が距離Ｒａ＜距離ｒ＜距離Ｒｂの範囲に位置し、溝部５ｃの出口部が、距離Ｒｃ＜距離ｒ＜距離Ｒｄの範囲に位置するとする。この場合、溝部５ｃと連通口７とは、距離Ｒａ＜距離Ｒｃ＜距離Ｒｂ、又は、距離Ｒａ＜距離Ｒｄ＜距離Ｒｂを満たすように形成されている。

なお、距離Ｒａは、回転軸ＲＳと、連通口７の内周側の内縁部７ａ２との間の距離であり、距離Ｒｂは、回転軸ＲＳと、連通口７の外周側の外縁部７ａ１との間の距離である。また、出口部は、回転方向Ｒにおいて、連通口７の形成側の溝部５ｃの開口部である。そして、距離Ｒｃは、溝部５ｃの出口部において、回転軸ＲＳと、溝部５ｃの内周側の内縁部５１ｃとの間の距離であり、距離Ｒｄは、溝部５ｃの出口部において、回転軸ＲＳと、溝部５ｃの外周側の外縁部５１ｄとの間の距離である。

複数の凸構造５はそれぞれ、内周側凸部５ａと、外周側凸部５ｂと、を有している。シュラウド３の凸構造５は、連通口７の回転上流側に当たる部分に設けられた溝部５ｃによって、内周側凸部５ａと外周側凸部５ｂとに分かれている。内周側凸部５ａは、溝部５ｃに対してシュラウド３の内周側に位置しており、外周側凸部５ｂは、溝部５ｃに対してシュラウド３の外周側に位置している。すなわち、内周側凸部５ａは、溝部５ｃで隔てられた凸構造５のうちターボファン１００の内周側に位置する部分である。また、外周側凸部５ｂは、溝部５ｃで隔てられた凸構造５のうちターボファン１００の外周側に位置する部分である。溝部５ｃは、シュラウド外面３ｃと、内周側凸部５ａの側壁と、外周側凸部５ｂの側壁と、によって形成されている。

（羽根４）
羽根４は、主板２の回転時に主板２と共に回転し、主板２の中心から外周側へと向かう気流を発生させる。羽根４は、後傾した羽根である。複数の羽根４は、主板２とシュラウド３との間に配置され、主板２とシュラウド３とに取り付けられている。複数の羽根４はそれぞれ、ターボファン１００の回転軸ＲＳの軸方向において、一端側が主板２に接合され、他端側がシュラウド３に接合されている。

複数の羽根４は、図１に示すように、回転軸ＲＳを中心とする円周上に配置されており、各羽根４は、主板２の周方向に所定の間隔をあけて配置されている。羽根４は、主板２の回転方向Ｒに対して後ろ向きに延びるように形成されている。複数の羽根４はいずれも、内周端４１が外周端４２よりも回転軸ＲＳに近い位置にあるように形成されている。内周端４１は、羽根４の前縁を構成し、外周端４２は、羽根４の後縁を構成する。羽根４の前縁は、羽根４の後縁に対して回転方向Ｒ側に位置する。

羽根４は、回転軸ＲＳを中心とする径方向において、一方の面に翼外面４ａを有し、他方の面に翼内面４ｂを有する。羽根４において、翼外面４ａは正圧面であり、翼内面４ｂは負圧面である。回転軸ＲＳから遠い方の面である翼外面４ａは、回転方向Ｒの後方になる程、回転軸ＲＳから離れた位置にある。また、回転軸ＲＳに近い方の面である翼内面４ｂは、翼外面４ａと所定の間隔をとりながら、同様に、回転方向Ｒの後方になる程、回転軸ＲＳから離れた位置にある。当該所定の間隔に相当する羽根４の厚さは、中央側から内周端４１及び外周端４２に近づくにつれて徐々に厚みが小さくなっている。すなわち、羽根４は、回転軸ＲＳに垂直な面における断面が一般的な翼形状に近似している。

図２及び図３に示すように、羽根４の上縁部には、凸構造５の内周側凸部５ａと、外周側凸部５ｂとに合わせた形状の出っ張り部４５が設けられている。ターボファン１００は、羽根４の出っ張り部４５が凸構造５の内周側凸部５ａ及び外周側凸部５ｂに挿入され、羽根４とシュラウド３とが嵌合される。

［ターボファン１００の動作］
ターボファン１００は、ハブ１に接続されたモータの回転によって、主板２が回転すると、主板２に固定された羽根４が回転軸ＲＳを中心に周方向に移動する。そして、主板２が回転方向Ｒに回転すると、ターボファン１００の外の空気は、吸い込み口１３を通じて主板２及びシュラウド３と複数の羽根４とによって囲まれた空間に吸い込まれる。そして、ターボファン１００は、羽根４が主板２と共に回転することで、主板２及びシュラウド３と複数の羽根４とによって囲まれた空間に吸い込まれた空気を隣接する羽根４同士の間に通して、径方向外方に送り出す。

この際、図２に示すように、ターボファン１００の内部を流れる空気の流れは、ターボファン１００から吐出された後、そのまま半径方向へ流れる主流Ａ１と、シュラウド３の上部へ循環する循環流Ａ２とに分かれる。

そして、循環流Ａ２のうちの一部は、連通口７を通る還流Ａ３としてターボファン１００の内部へ吸い込まれる。ターボファン１００は、還流Ａ３によるコアンダ効果によって、シュラウド内面３ｄの空気の流れの剥離が抑制される。なお、図２及び図３に示す空気流Ａ４は、シュラウド外面３ｃに沿って流れる空気の流れである。また、空気流Ａ４は、循環流Ａ２のうち連通口７を通らない空気の流れである。

［ターボファン１００の作用効果］
ターボファン１００は凸構造５を有し、凸構造５は、連通口７の回転上流側の部分に、シュラウド３の回転方向Ｒに凸構造５を横断する溝を構成する溝部５ｃを有している。ターボファン１００は、溝部５ｃによって、凸構造５の回転上流側から回転下流側に空気が流れるため、凸構造５の回転下流側に生じる負圧を解消することができる。そのため、ターボファン１００は、連通口７の内外の差圧を大きくし連通口７を通過する還流を誘起することができ、シュラウド内面３ｄに生じる空気の流れの剥離を効果的に抑制することができる。

より詳細には、ターボファン１００は、連通口７の回転上流側に当たる部分に設けられた溝部５ｃによって、内周側凸部５ａと外周側凸部５ｂとに分かれた凸構造５を有する。上記構成を有するターボファン１００は、羽根４の上方に凸構造５を有するターボファン１００であっても、溝部５ｃによって、凸構造５の回転上流側から回転下流側に空気が流れるため、凸構造５の回転下流側に生じる負圧が解消される。

そのため、ターボファン１００は、特許文献１に示すような凸構造５を有さないターボファンと同様に、ターボファン１００の回転運転時に連通口７の流入側端部７ａと連通口７の流出側端部７ｂとの差圧を得ることができ、還流Ａ３が誘起される。ターボファン１００は、還流Ａ３によってシュラウド内面３ｄにコアンダ効果が生じ、空気の流れの剥離が効果的に抑制される。ターボファン１００は、シュラウド３の内面における空の気流れの剥離を抑制できることによって、ターボファン１００の高効率化を実現することができる。

一方、ターボファンの凸構造５に溝部５ｃが設けられていない場合には、ターボファンは、凸構造５の影響を受けて連通口７の流入側端部７ａの圧力が低下し、連通口７の流入側端部７ａと連通口７の流出側端部７ｂとの差圧が小さくなる。そのため、凸構造５に溝部５ｃが設けられていないターボファンは、還流Ａ３の流速が小さくなり、シュラウド３の内面における空気の流れの剥離を抑制する効果を得られない。

また、ターボファン１００は、凸構造５の内周側凸部５ａと、外周側凸部５ｂとに合わせた形状の出っ張り部４５を羽根４に設け、シュラウド３と羽根４とを嵌合させることにより、凸構造５の機能であるシュラウド３と羽根４との篏合性が損なわれることはない。

また、溝部５ｃと連通口７とは、距離Ｒａ＜距離Ｒｃ＜距離Ｒｂ、又は、距離Ｒａ＜距離Ｒｄ＜距離Ｒｂを満たすように形成されている。そのため、ターボファン１００は、回転方向Ｒにおいて、溝部５ｃと連通口７とは、重なる位置に形成されており、溝部５ｃによって、凸構造５の回転上流側から回転下流側に空気が流れるため、凸構造５の回転下流側に生じる負圧を解消することができる。そのため、ターボファン１００は、連通口７の内外の差圧を大きくし連通口７を通過する還流を誘起することができ、シュラウド内面３ｄに生じる空気の流れの剥離を効果的に抑制することができる。

実施の形態２．
［ターボファン１００Ａの構成］
図４は、実施の形態２に係るターボファン１００Ａの要部を示す平面図である。なお、図１～図３のターボファン１００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、実施の形態１に係るターボファン１００における溝部５ｃの構成を更に特定するものである。従って、以下の説明では、図４を用いて、溝部５ｃの構成を中心に説明する。

実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、溝部５ｃの流路幅を実施の形態１と比較して回転上流側３ｂで大きくし、回転下流側３ａで小さくすると共に、回転上流側３ｂから回転下流側３ａへかけて流路幅を徐々に縮小する形状にしたものである。すなわち、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、シュラウド３の回転に伴い溝部５ｃに流入する空気の流れる方向において、溝部５ｃの幅を空気の入口側から出口側にかけて徐々に縮小するように形成されている。

実施の形態２に係るターボファン１００Ａの溝部５ｃにおいて、回転上流側３ｂの溝部５ｃの流路幅を上流側流路幅Ｗ２１とし、回転下流側３ａの流路幅を下流側流路幅Ｗ２２と定義する。この場合、ターボファン１００Ａは、上流側流路幅Ｗ２１が下流側流路幅Ｗ２２よりも大きくなるように形成されている。すなわち、ターボファン１００Ａは、「上流側流路幅Ｗ２１＞下流側流路幅Ｗ２２」を満たすように形成されている。

また、図３に示すように、実施の形態１に係るターボファン１００の溝部５ｃにおいて、回転上流側３ｂの溝部５ｃの流路幅を上流側流路幅Ｗ１１とし、回転下流側３ａの流路幅を下流側流路幅Ｗ１２と定義する。実施の形態１に係るターボファン１００は、例えば、上流側流路幅Ｗ１１と下流側流路幅Ｗ１２とは略等しい大きさ（上流側流路幅Ｗ１１＝下流側流路幅Ｗ１２）である。なお、実施の形態１に係るターボファン１００の流路幅は、当該大きさに限定されるものではない。例えば、実施の形態１に係るターボファン１００は、上流側流路幅Ｗ１１が下流側流路幅Ｗ１２よりも大きくなるように形成されてもよい。

実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、上流側流路幅Ｗ２１が上流側流路幅Ｗ１１よりも大きくなるように形成されており、下流側流路幅Ｗ２２が下流側流路幅Ｗ１２よりも小さくなるように形成されている。すなわち、ターボファン１００Ａは、「上流側流路幅Ｗ２１＞上流側流路幅Ｗ１１」かつ「下流側流路幅Ｗ２２＜下流側流路幅Ｗ１２」を満たすように形成されている。

実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、連通口７の径方向の開口幅を下流側流路幅Ｗ２２と合わせた大きさに形成してもよい。すなわち、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、連通口７の径方向の開口幅を、実施の形態１に係るターボファン１００の連通口７の径方向の開口幅と比較して小さくしてもよい。

［ターボファン１００Ａの作用効果］
実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、シュラウド３の回転に伴い溝部５ｃに流入する空気の流れる方向において、溝部５ｃの幅を空気の入口側から出口側にかけて徐々に縮小するように形成されている。このような構成によれば、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、実施の形態１に係るターボファン１００と比較して大きな風量の空気の流れを縮流させて連通口７に流入させることができる。そのため、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、実施の形態１に係るターボファン１００と比較して還流Ａ３の流速が大きくなり、空気の流れの剥離を抑制する効果を一層得ることができる。

このような構成によれば、溝部５ｃを通過する空気の流れは縮流されて連通口７に流入するため、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、溝部５ｃの幅が一定の場合のターボファンと比較して少ない空気の流量で還流Ａ３の大きな流速を得ることができる。したがって、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、ターボファンの風量特性を悪化させることなく還流による空気の流れの剥離を抑制する効果を得ることができる。

また、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、下流側流路幅Ｗ２２が下流側流路幅Ｗ１２よりも小さくなるように形成されていると共に、連通口７の開口幅が実施の形態１に係るターボファン１００の連通口７の開口幅よりも小さく形成されている。このような構成によれば、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、より少ない風量で十分な流速の還流Ａ３を得ることができる。そのため、実施の形態２に係るターボファン１００Ａは、局所的にシュラウド内面３ｄにおける空気の流れの剥離を抑制することができると共に、還流Ａ３によるターボファン１００Ａの風量特性の悪化を抑えることができる。

実施の形態３．
［ターボファン１００Ｂの構成］
図５は、実施の形態３に係るターボファン１００Ｂの要部を示す平面図である。なお、図１～図４のターボファン１００等と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。実施の形態３に係るターボファン１００Ｂは、実施の形態１に係るターボファン１００、又は、実施の形態２に係るターボファン１００Ａにおける溝部５ｃの構成を更に特定するものである。従って、以下の説明では、図５を用いて、溝部５ｃの構成を中心に説明する。

実施の形態３に係るターボファン１００Ｂの溝部５ｃは、内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇを有する。内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇは、溝部５ｃの一部を構成する。なお、図示は省略しているが、実施の形態１に係るターボファン１００及び実施の形態２に係るターボファン１００Ａも、内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇを有している。

内周側入口角部５ｄ及び外周側入口角部５ｅは、ターボファン１００Ｂの回転時に溝部５ｃに流れ込む空気の流れに対して、空気の入口を構成する入口側の角部である。

内周側入口角部５ｄは、内周側凸部５ａの内側前壁部５ａ１１と内側壁部５ａ１２とによって形成される出隅である。内側前壁部５ａ１１は、内周側凸部５ａの回転方向Ｒ側の壁面であり、ターボファン１００Ｂの回転時に、空気の流れと対向する壁面である。内側壁部５ａ１２は、内周側凸部５ａの外周側の壁面を構成する壁であり、溝部５ｃの溝の内周側の壁面を構成する壁である。

外周側入口角部５ｅは、外周側凸部５ｂの外側前壁部５ｂ１１と外側壁部５ｂ１２とによって形成される出隅である。外側前壁部５ｂ１１は、外周側凸部５ｂの回転方向Ｒ側の壁面であり、ターボファン１００Ｂの回転時に、空気の流れと対向する壁面である。外側壁部５ｂ１２は、外周側凸部５ｂの内周側の壁面を構成する壁であり、溝部５ｃの溝の外周側の壁面を構成する壁である。

内周側出口角部５ｆ及び外周側出口角部５ｇは、ターボファン１００Ｂの回転時に溝部５ｃに流れ込んだ空気の流れに対して、空気の出口を構成する出口側の角部である。

内周側出口角部５ｆは、内周側凸部５ａの内側後壁部５ａ２１と内側壁部５ａ１２とによって形成される出隅である。内側後壁部５ａ２１は、内周側凸部５ａの回転方向Ｒとは逆側の壁面であり、ターボファン１００Ｂの回転時に、溝部５ｃから空気が流出する側の壁面である。

外周側出口角部５ｇは、外周側凸部５ｂの外側後壁部５ｂ２１と外側壁部５ｂ１２とによって形成される出隅である。外側後壁部５ｂ２１は、外周側凸部５ｂの回転方向Ｒとは逆側の壁面であり、ターボファン１００Ｂの回転時に、溝部５ｃから空気が流出する側の壁面である。

溝部５ｃは、シュラウド外面３ｃと、内周側凸部５ａの内側壁部５ａ１２と、外周側凸部５ｂの外側壁部５ｂ１２と、によって形成されている。実施の形態３に係るターボファン１００Ｂは、溝部５ｃの一部を構成する内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇがラウンド形状に形成されている。内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇのラウンド形状は、それぞれ異なる形状に形成されてもよい。なお、ラウンド形状とは、丸みを帯びた形状であり、例えば、Ｒ形状、あるいは、面取りされた形状である。

ターボファン１００Ｂは、回転上流側３ｂの２つの角部のラウンドと、回転下流側３ａの２つの角部のラウンドと、を大きくとることによって、溝部５ｃを通過する空気の流れの入口圧力損失及び出口圧力損失を効果的に低減することができる。すなわち、ターボファン１００Ｂは、溝部５ｃにおいて、回転上流側３ｂの内周側入口角部５ｄ及び外周側入口角部５ｅの２つの角部の曲率を小さくすることによって、溝部５ｃを通過する空気の流れの入口圧力損失を効果的に低減することができる。また、ターボファン１００Ｂは、溝部５ｃにおいて、回転下流側３ａの内周側出口角部５ｆ及び外周側出口角部５ｇの２つの角部の曲率を小さくすることによって、溝部５ｃを通過する空気の流れの出口圧力損失を効果的に低減することができる。

また、ラウンド形状とする角部は、必ずしも内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇの全ての角部でなくてもよい。ターボファン１００Ｂは、内周側入口角部５ｄ、外周側入口角部５ｅ、内周側出口角部５ｆ、及び、外周側出口角部５ｇのうち、少なくとも１つの角部をラウンド形状とすれば圧力損失の低減を図ることができる。また、ターボファン１００Ｂは、シュラウド３の回転に伴い溝部５ｃに流入する空気の流れる方向において、溝部５ｃの空気の流れの入口側と出口側の少なくとも一方の角部がラウンド形状に形成されてもよい。

［ターボファン１００Ｂの作用効果］
ターボファン１００Ｂは、凸構造５の溝部５ｃにおいて、溝部５ｃの空気の流れの入口側と出口側とに設けた角部のラウンド形状によって、溝部５ｃを通過する空気流Ａ４の入口圧力損失と出口圧力損失とがそれぞれ低減される。したがって、ターボファン１００Ｂは、溝部５ｃを構成する角部にラウンド形状がない場合と比較して連通口７の流入側の圧力が高くなり、還流Ａ３の流速を増幅することができる。そのため、ターボファン１００Ｂは、シュラウド内面３ｄに発生する空気の流れの剥離を効果的に抑制することができ、ターボファン１００Ｂのより一層の高効率化を実現することができる。

また、ターボファン１００Ｂは、シュラウド３の回転に伴い溝部５ｃに流入する空気の流れる方向において、溝部５ｃの空気の流れの入口側と出口側の少なくとも一方の角部がラウンド形状に形成されてもよい。この構成によって、ターボファン１００Ｂは、溝部５ｃを通過する空気の流れの入口圧力損失又は出口圧力損失が減少するため、溝部５ｃの空気の流れの入口側及び出口側にラウンド形状を施さないターボファンと比較して連通口７の入口部の圧力が上昇する。そのため、当該構成を有するターボファン１００Ｂは、還流Ａ３の流れが一層促進され、還流Ａ３による空気の流れの剥離を抑制する効果も一層促進される。

実施の形態４．
［ターボファン１００Ｃの構成］
図６は、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃの要部を示す平面図である。なお、図１～図５のターボファン１００等と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、実施の形態１に係るターボファン１００、実施の形態２に係るターボファン１００Ａ、及び、実施の形態３に係るターボファン１００Ｃの外周側凸部５ｂの形状を更に特定するものである。従って、以下の説明では、図６を用いて、外周側凸部５ｂの構成を中心に説明する。

実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、図６に示す通り、実施の形態１、２又は３に記載の凸構造５の外周側凸部５ｂを連通口７に沿うように延長したものである。凸構造５の外周側凸部５ｂは、シュラウド３の側板外周縁部３３と、連通口７との間に延びるように形成されている。外周側凸部５ｂにおいて、シュラウド３の側板外周縁部３３と、連通口７との間に延びるように形成されている部分を延長部５ｈという。

外周側凸部５ｂは、外側前壁部５ｂ１１、外側壁部５ｂ１２、外側後壁部５ｂ２１、及び、外側外壁部５ｂ２２を側壁とし、四角柱状に形成されている。外側壁部５ｂ１２は、上述したように、外周側凸部５ｂの内周側の壁面を構成する壁であり、外周側凸部５ｂの内周側において、外側前壁部５ｂ１１と外側後壁部５ｂ２１とを接続する側壁である。外側外壁部５ｂ２２は、外周側凸部５ｂの外周側の壁面を構成する壁であり、外周側凸部５ｂの外周側において、外側前壁部５ｂ１１と外側後壁部５ｂ２１とを接続する側壁である。外周側凸部５ｂの外側壁部５ｂ１２は、連通口７の外周側の外縁部７ａ１に沿って形成されている。

図７は、図６に示す外周側凸部５ｂの一例を概念的に表した平面図である。図６に示すように、ターボファン１００の径方向において、外周側凸部５ｂの幅を幅Ｗ３と定義する。幅Ｗ３は、ターボファン１００の径方向において、外側壁部５ｂ１２と外側外壁部５ｂ２２との間の距離である。外周側凸部５ｂは、図７に示すように、延長部５ｈの幅Ｗ３が回転上流側Ｒ１から回転下流側Ｒ２に向けて徐々に縮小してもよい。すなわち、延長部５ｈは、外側前壁部５ｂ１１側の幅Ｗ３が、外側後壁部５ｂ２１側の幅Ｗ３よりも大きく形成されており、幅Ｗ３が外側前壁部５ｂ１１側から外側後壁部５ｂ２１側に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成されている。

図８は、図６に示す外周側凸部５ｂの他の一例を概念的に表した側面図である。図６に示すように、ターボファン１００の回転軸ＲＳの軸方向において、外周側凸部５ｂの高さを高さＨと定義する。高さＨは、回転軸ＲＳの軸方向において、外周側凸部５ｂの天面部５ｂ２３と、シュラウド外面３ｃとの間の距離である。外周側凸部５ｂは、図８に示すように、延長部５ｈの高さＨが回転上流側Ｒ１から回転下流側Ｒ２に向けて徐々に縮小してもよい。すなわち、延長部５ｈは、外側前壁部５ｂ１１側の高さＨが、外側後壁部５ｂ２１側の高さＨよりも大きく形成されており、高さＨが外側前壁部５ｂ１１側から外側後壁部５ｂ２１側に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成されている。

実施の形態４に係るターボファン１００Ｃの外周側凸部５ｂは、延長部５ｈの幅Ｗ３と高さＨとの少なくとも一方が回転上流側Ｒ１から回転下流側Ｒ２に向かって徐々に縮小するように形成されてもよい。

また、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、実施の形態３に係るターボファン１００Ｂと同様に溝部５ｃの空気の流れの入口側と出口側の少なくとも一方の角部をラウンド形状としてもよい。

［ターボファン１００Ｃの作用効果］
実施の形態４に係るターボファン１００Ｃの外周側凸部５ｂは、連通口７に沿って回転下流側に延長され、シュラウド３の側板外周縁部３３と、連通口７との間に延びるように形成されている延長部５ｈを有している。実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、延長部５ｈによって、実施の形態１～３に係るターボファン１００等において、延長部５ｈがない場合には連通口７に流入せず流れていたシュラウド外面３ｃの空気流Ａ４の一部をせき止めることができる。すなわち、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、延長部５ｈが設けられていない場合には連通口７を通らずシュラウド３の外部を循環していた空気の流れの一部が、延長部５ｈによってせき止められ連通口７へ流入するようになる。

実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、延長部５ｈによってシュラウド外面３ｃの空気流Ａ４の一部を連通口７に流入させることができ、還流Ａ３の流速を増幅することができる。その結果、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、シュラウド内面３ｄに発生する空気の流れの剥離を効果的に抑制し、ターボファン１００Ｃの高効率化を図ることができ、また、発生する騒音を低減することができる。

また、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃの外周側凸部５ｂは、延長部５ｈの幅Ｗ３と高さＨとの少なくとも一方が回転上流側Ｒ１から回転下流側Ｒ２に向かって徐々に縮小するように形成されている。実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、当該構成によって、凸構造５によって生じる圧力抵抗を低減させることができるため一層の高効率化を促進することができる。

また、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃは、溝部５ｃの角部にラウンド形状を施すことによって、実施の形態３に係るターボファン１００Ｂと同様に圧力損失を低減することができる。

実施の形態５．
［ターボファン１００の構成］
図９は、実施の形態１～４に係るターボファン１００等の効率特性の一例を示す棒グラフである。実施の形態５では、実施の形態１～４に係るターボファン１００等について具体的な実施の一例を示す。図９の横軸は、ターボファンの種類を示している。「特許文献１」は、特許文献１に基づくターボファンであり、「溝なし」は、後述する基本構成のターボファンである。なお、特許文献１に基づくターボファンは、凸構造５を有していない。「形態１」は、基本構成のターボファンに対し溝部５ｃが設けられた、実施の形態１に係るターボファン１００である。「形態２」は、基本構成のターボファンに対し溝部５ｃが設けられた、実施の形態２に係るターボファン１００Ａである。「形態３」は、基本構成のターボファンに対し溝部５ｃが設けられた、実施の形態３に係るターボファン１００Ｂである。「形態４」は、基本構成のターボファンに対し溝部５ｃが設けられた、実施の形態４に係るターボファン１００Ｃである。図９の縦軸は、ターボファンのファン効率を示している。

基本構成のターボファンは、外周半径が共に１２０ｍｍの主板２及びシュラウド３を対向配置し、高さ５０ｍｍの羽根４を７枚備えている。また、基本構成のターボファンは、各羽根４とシュラウド３との嵌合部３０に高さ約１０ｍｍの凸構造５を有している。また、基本構成のターボファンは、シュラウド３の外周縁から１５ｍｍの位置に幅１ｍｍの連通口７が設けられている。この連通口７は、凸構造５の回転下流側近傍の位置から回転方向Ｒに対して２０度にわたって設けられている。すなわち、連通口７は、凸構造５の回転下流側近傍の位置から反回転方向側に向かって２０度にわたって設けられている。

実施の形態５に係るターボファン１００は、上述した基本構成のターボファンに対して、実施の形態１～４のいずれか１つ以上に記載の溝部５ｃが施されている。溝部５ｃは、連通口７の回転上流にあたる位置に設けられており、溝部５ｃの幅は連通口７の幅よりも大きく形成されている。

実験では上述した各構成のターボファンを１０００ｍｉｎ^－１で回転させ、補助送風機を用いて所定の風量に調整したときのファン効率を測定し評価した。ファン効率とは、ファンによる空気出力すなわち静圧と風量との積を、ファンの駆動に必要な軸動力で除したものと定義する。このとき実施の形態１～４に係るターボファン１００等の溝部５ｃの各組合せに対するファン効率の一例を図９に示している。

なお、図９の「形態１」は、基本構成のターボファンに対し溝部５ｃが設けられた、実施の形態１に係るターボファン１００のファン効率を示している。また、「形態１、２」は、実施の形態１のターボファン１００に、実施の形態２の流路幅の構成を追加したターボファン１００Ａのファン効率を示している。また、「形態１、２、３」は、実施の形態１のターボファン１００に、実施の形態２の流路幅の構成及び実施の形態３の角部のラウンド形状の構成の双方を追加したターボファンのファン効率を示している。また、「形態１、２、３、４」は、実施の形態１のターボファン１００に、実施の形態２の流路幅の構成、実施の形態３の角部のラウンド形状の構成、及び、実施の形態４の延長部の構成の全てを追加したターボファンのファン効率を示している。

図９に示すように、実施の形態１を施したターボファン１００は、「溝なし」のターボファンと比較してファン効率が上昇する。また、実施の形態１及び２の両方を施したターボファン１００Ａは、凸構造５を有しても、凸構造５がなく連通口７を有した特許文献１に記載のターボファンと近いファン効率を示している。さらに、図９から、ターボファンは、実施の形態３に係るターボファン１００Ｂの溝部５ｃ、あるいは、実施の形態３及び４に係るターボファン１００Ｃ等の溝部５ｃが施されることによって、特許文献１のターボファンを上回るファン効率を示すことがわかる。

上記の各実施の形態１～５は、互いに組み合わせて実施することが可能である。また、以上の実施の形態に示した構成は、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、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 ハブ、２ 主板、３ シュラウド、３ａ 回転下流側、３ｂ 回転上流側、３ｃ シュラウド外面、３ｄ シュラウド内面、４ 羽根、４ａ 翼外面、４ｂ 翼内面、５ 凸構造、５ａ 内周側凸部、５ａ１ 端部、５ａ１１ 内側前壁部、５ａ１２ 内側壁部、５ａ２１ 内側後壁部、５ｂ 外周側凸部、５ｂ１ 端部、５ｂ１１ 外側前壁部、５ｂ１２ 外側壁部、５ｂ２１ 外側後壁部、５ｂ２２ 外側外壁部、５ｂ２３ 天面部、５ｃ 溝部、５ｄ 内周側入口角部、５ｅ 外周側入口角部、５ｆ 内周側出口角部、５ｇ 外周側出口角部、５ｈ 延長部、７ 連通口、７ａ 流入側端部、７ａ１ 外縁部、７ａ２ 内縁部、７ｂ 流出側端部、１３ 吸い込み口、２２ 主板外周縁部、２３ 吹き出し口、３０ 嵌合部、３１ 内周縁、３３ 側板外周縁部、４１ 内周端、４２ 外周端、４５ 出っ張り部、５１ｃ 内縁部、５１ｄ 外縁部、１００ ターボファン、１００Ａ ターボファン、１００Ｂ ターボファン、１００Ｃ ターボファン、Ａ１ 主流、Ａ２ 循環流、Ａ３ 還流、Ａ４ 空気流、Ｈ 高さ、Ｒ 回転方向、Ｒ１ 回転上流側、Ｒ２ 回転下流側、ＲＳ 回転軸、Ｒａ 距離、Ｒｂ 距離、Ｒｃ 距離、Ｒｄ 距離、Ｗ１１ 上流側流路幅、Ｗ１２ 下流側流路幅、Ｗ２１ 上流側流路幅、Ｗ２２ 下流側流路幅、ｒ 距離。

Claims (6)

1. 回転軸が接続されるハブを備えた主板と、
   前記主板と対向して配置されたシュラウドと、
   前記主板と前記シュラウドとの間に配置された複数の羽根と、
   を有し、
   前記シュラウドは、
   前記複数の羽根が取り付けられる嵌合部に、前記シュラウドの外部に凸となり内側に前記複数の羽根のそれぞれの端部が挿入される複数の凸構造を有し、
   前記シュラウドの回転方向において、ある対象物より前方側を回転上流側と定義し、ある対象物より後方側を回転下流側と定義した場合に、
   前記シュラウドには、
   前記複数の羽根のうち、隣り合う羽根と羽根との間で、かつ、前記複数の凸構造のそれぞれの回転下流側に位置する部分に、貫通孔である連通口が形成されており、
   前記複数の凸構造はそれぞれ、
   前記連通口の回転上流側の部分に、前記回転方向に前記凸構造を横断する溝を構成する溝部を有するターボファン。
2. ターボファンの仮想の回転軸からの距離を距離ｒと定義し、
   前記仮想の回転軸と前記連通口の内周側の縁部との間の距離を距離Ｒａと定義し、
   前記仮想の回転軸と前記連通口の外周側の縁部との間の距離を距離Ｒｂと定義し、
   前記仮想の回転軸と前記溝部の内周側の縁部との間の距離を距離Ｒｃと定義し、
   前記仮想の回転軸と前記溝部の外周側の縁部との間の距離を距離Ｒｄと定義し、
   前記連通口の開口部が、距離Ｒａ＜距離ｒ＜距離Ｒｂの範囲に位置し、
   前記溝部の出口部が、距離Ｒｃ＜距離ｒ＜距離Ｒｄの範囲に位置するとした場合に、
   前記溝部と前記連通口とは、距離Ｒａ＜距離Ｒｃ＜距離Ｒｂ、又は、距離Ｒａ＜距離Ｒｄ＜距離Ｒｂを満たすように形成されている請求項１に記載のターボファン。
3. 前記シュラウドの回転に伴い前記溝部に流入する空気の流れる方向において、前記溝部の幅が空気の入口側から出口側にかけて徐々に縮小するように形成されている請求項１又は２に記載のターボファン。
4. 前記シュラウドの回転に伴い前記溝部に流入する空気の流れる方向において、前記溝部の空気の入口側及び出口側の少なくとも一方の角部がラウンド形状に形成されている請求項１～３のいずれか１項に記載のターボファン。
5. 前記複数の凸構造はそれぞれ、
   前記溝部に対して前記シュラウドの内周側に位置する内周側凸部と、
   前記溝部に対して前記シュラウドの外周側に位置する外周側凸部と、
   を有し、
   前記外周側凸部は、
   前記連通口に沿って回転下流側に延長され、前記シュラウドの外周縁部と、前記連通口との間に延びるように形成された延長部を有する請求項１～４のいずれか１項に記載のターボファン。
6. 前記外周側凸部は、
   前記延長部の幅と高さとの少なくとも一方が回転上流側から回転下流側に向かって徐々に縮小するように形成されている請求項５に記載のターボファン。

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