JP7150480B2

JP7150480B2 - プロペラファン及びこれを備えた空気調和機用室外ユニット

Info

Publication number: JP7150480B2
Application number: JP2018103741A
Authority: JP
Inventors: 剛江口; 芳裕波良; 一成田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: EP3798451A8; WO2019230582A1; EP3798451A1; EP3798451A4; JP2019206958A

Description

本発明は、プロペラファン及びこれを備えた空気調和機用室外ユニットに関するものである。

空気調和機の室外機には、室外熱交換器に対して送風を行うためにプロペラファンが用いられている。プロペラファンは、入力低減や騒音低減のため、例えば特許文献１に示すように羽根を回転方向に前傾させた鎌形形状とされたものが提案されている。

特許第４４６７９５２号公報

しかし、空気調和機の室外機では、プロペラファンの上流側に室外熱交換器が配置されており、また室外熱交換器との配置上の理由から羽根の前縁側をベルマウスで覆うことができず羽根の後縁側のみがベルマウスで覆われている構成となる。これにより、羽根の半径方向における先端側（チップ側）から半径方向内側に流入する流れと、羽根の上流側から中心軸線に平行な軸線方向に流入する流れとが混在する複雑な流れ場となる。したがって、プロペラファン単体での設計すなわち軸線方向に流入する流れのみを考慮した設計では、現実の流れ場が考慮されていないため、入力低減や騒音低減につながらず、プロペラファンの性能を十分に向上させることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、性能を向上させることができるプロペラファン及びこれを備えた空気調和機用室外ユニットを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るプロペラファンは、中心軸線の回りに回転する軸部と、前記軸部の外周に根元が接続され、半径方向に延在する複数の羽根と、を備え、前記羽根は、前記中心軸線を含む子午面に投影した場合に、前記中心軸線に平行な軸線方向の寸法が、前記根元側よりも先端側が大きくなる後縁側面積増大領域と前縁側面積増大領域とを有し、前記羽根の前縁及び後縁の前記軸線方向の位置は、前記根元側で略一定とされ、前記後縁側面積増大領域は、前記前縁側面積増大領域よりも大きい。

後縁側面積増大領域を前縁側面積増大領域よりも大きくして、後縁側でより多くの仕事をさせて半径方向流れを後縁側面積増大領域で抑え込むこととした。これにより、羽根の根元側の負圧面における流体のはく離を抑制し、羽根高さ方向（半径方向）の流量分布を均一化して、性能を向上させることができる。
例えば、羽根のコード長をピッチで除算したソリディティは、０．５以上１．０以下、好ましくは０．６以上０．９５以下とされる。さらに、羽根高さの途中位置でソリディティが極小値をとることが好ましい。
また、例えば、入口角度から出口角度を減算した転向角度は、羽根の根元側から先端側にかけて略線形に減少するように設定される。
また、例えば、子午面に投影した場合の羽根の軸線方向の寸法は、根元（羽根高さ比０％）から羽根高さ比が略３５％まで略一定とし、羽根高さ比が略３５％から先端（羽根高さ１００％）にかけて略線形に増大するように設定される。

さらに、本発明の一態様に係るプロペラファンでは、前記中心軸線方向に対する前記羽根の羽根取付角度が、羽根の根元側から先端側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に増大している。

羽根の取付角度を増大させると、すなわち羽根の前縁および後縁と隣の羽根との最短距離が短くなるように回転させると、羽根が仕事をしない方向になるので圧力が低くなる。羽根の根元側から先端側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に羽根取付角度を増大させることで、半径方向における羽根表面の圧力分布を適正化することができ、プロペラファンへの必要入力を減らして性能を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係るプロペラファンは、中心軸線の回りに回転する軸部と、前記軸部の外周に根元が接続され、半径方向に延在する複数の羽根と、を備え、前記中心軸線方向に対する前記羽根の取付角度が、羽根の前記根元側から先端側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が、羽根高さの２５％から７５％の範囲で増大して、かつ、前記羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に増大して、前記羽根取付角度は、前記羽根高さの前記中央位置において、正側に１０度回転している。

また、本発明の一態様に係る空気調和機用室外ユニットは、上記のいずれかに記載のプロペラファンと、前記プロペラファンの上流側に設けられた熱交換器と、前記プロペラファンの前縁側を露出させるとともに後縁側を覆うように設けられたベルマウスと、を備えている。

後縁側面積増大領域を前縁側面積増大領域よりも大きくすることによって、プロペラファンの性能を向上させることができる。

空気調和機用室外ユニットを側面視した縦断面図である。空気調和機用室外ユニットを平面視した縦断面図である。プロペラファンの中心軸線方向から見た正面図である。２枚の羽根を所定の羽根高さ位置で切断した断面図である。羽根高さ比に対して転向角度を示したグラフである。羽根高さ比に対して羽根の軸方向寸法を示したグラフである。子午面に投影した場合の羽根の前縁及び後縁の分布を示したグラフである。羽根を子午面に投影して示した模式図である。一般的なプロペラファンの負圧面を中心軸線方向から見た正面図に限界流線を示したシミュレーション結果である。第１実施形態に係るプロペラファンの負圧面を中心軸線方向から見た正面図に限界流線を示したシミュレーション結果である。第２実施形態に係り、羽根高さ２５％の位置で羽根取付角度を変化させた入力比を示したグラフである。羽根高さ５０％の位置で羽根取付角度を変化させた入力比を示したグラフである。羽根高さ７５％の位置で羽根取付角度を変化させた入力比を示したグラフである。第２実施形態に係るプロペラファンの負圧面を中心軸線方向から見た正面図に限界流線を示したシミュレーション結果である。

［第１実施形態］
以下に、本発明にかかる第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、空気調和機用室外ユニット１（以下、単に「室外ユニット１」という。）を側面視した断面図が示されている。室外ユニット１は、１又は複数の室内ユニット（図示せず）と冷媒配管によって接続されている。室外ユニット１の筐体３内には、プロペラファン５が配置されている。筐体３は、床面に設置される脚部４上に立設された略直方体形状とされている。

プロペラファン５は、モータ７によって中心軸線Ｌ１回りに回転する。中心軸線Ｌ１は、水平方向に延在しているので、プロペラファン５は水平方向に空気を流す横吹きとされている。

プロペラファン５は、モータ７に接続されて中心軸線Ｌ１側に位置してハブとなる軸部６と、軸部６の外周面に固定された３枚の羽根８とを有している。なお、羽根８の枚数は、２枚であっても、４枚以上であっても良い。羽根８は、軸部６に接続された根元８ａから先端８ｂに向かって半径方向外側に延在している。

プロペラファン５の空気流れの上流側（同図において右側）には、室外熱交換器９が配置されている。プロペラファン５の空気流れの下流側（同図において左側）には、ベルマウス１０が配置されている。

ベルマウス１０は、プロペラファン５の前縁側５ａの周囲には存在せず、プロペラファン５の後縁側５ｂの周囲を覆うように設けられている。このように、ベルマウス１０からプロペラファン５の前縁側５ａが露出する配置となっている。

図２には、図１の室外ユニット１を平面視した縦断面図が示されている。同図から分かるように、室外熱交換器９は、筐体３の一方の左側面３ａから背面３ｂにわたって設けられており、Ｌ字状に折り曲げられた形状とされている。このようなＬ字状とされた室外熱交換器９とされているので、室外熱交換器９を通過してプロペラファン５に流入する空気流れは複雑な流れ場となる。

筐体３の右側面３ｃ側には、冷媒を圧縮する圧縮機などが配置される機械室１２が設けられている。機械室１２とプロペラファン５によって空気が流れる空間とは、仕切壁１４によって区画されている。

図３には、プロペラファン５を中心軸線Ｌ１方向から見た正面図が示されている。同図において反時計方向が回転方向Ｒとなっている。羽根８の前縁８ｃ及び後縁８ｄは、根元８ａ側よりも先端８ｂ側の方が大きく張り出している形状となっている。また、羽根８の前縁８ｃが回転方向Ｒに前傾した鎌形形状となっている。

羽根８のソリディティσは、０．５以上１．０以下、好ましくは０．６以上０．９５以下とされている。また、羽根高さの途中位置でソリディティσが極小値をとるようになっている。ソリディティσは、図４に羽根８を模式的に示すように、各羽根高さの断面においてコード長Ｃを羽根８間の距離であるピッチＰで除算した値である（σ＝Ｃ／Ｐ）。同図において、羽根８の回転方向Ｒは下向きであり、空気流れは左から右である。したがって、同図に示すように、中心軸線Ｌ１方向に対する前縁８ｃの傾斜角度が入口角度α１となり、中心軸線Ｌ１方向に対する後縁８ｄの傾斜角度が出口角度α２となる。

図５に示すように、入口角度α１から出口角度α２を減算した転向角度Δα（＝α１－α２）は、羽根８の根元８ａ側から先端８ｂ側にかけて略線形に減少するように設定される。同図において、横軸が羽根高さ比であり、縦軸が転向角度Δαである。羽根高さ比は、根元８ａが０（０％）となり、先端８ｂが１．０（１００％）となる。

図６に示すように、子午面に投影した場合の羽根８の中心軸線Ｌ１方向の寸法は、根元８ａ（羽根高さ比０％）から羽根高さ比が略３５％まで略一定とし、羽根高さ比が略３５％から先端（羽根高さ比１００％）にかけて略線形に増大するように設定されている。同図において、横軸が羽根高さ比であり、縦軸が羽根８の先端８ｂにおける直径で無次元化した軸方向寸法（中心軸線Ｌ１方向の寸法）である。

図７には、子午面に投影した場合の羽根８の前縁８ｃ及び後縁８ｄの分布が半径方向（横軸）と軸方向（縦軸）で示されている。同図から分かるように、図６に示したように羽根８の根元８ａ側よりも先端８ｂ側の方が軸方向寸法が大きくなっている。

前縁８ｃの軸方向位置が、一定とされた根元８ａ側から、先端８ｂ側にかけて空気流れの上流側（同図において下側）に張り出す領域（前縁側面積増大領域Ｓ１）が存在する。同様に、後縁８ｄの軸方向位置が、一定とされた根元８ａ側から、先端８ｂ側にかけて空気流れの下流側（同図において上側）に張り出す領域（後縁側面積増大領域Ｓ２）が存在する。そして、後縁側面積増大領域Ｓ２は、前縁側面積増大領域Ｓ１よりも大きくされている（Ｓ２＞Ｓ１）。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
後縁側面積増大領域Ｓ２を前縁側面積増大領域Ｓ１よりも大きくしたので、後縁８ｄ側でより多くの仕事をさせることで、半径方向流れを後縁側面積増大領域Ｓ２で抑え込むこととした。すなわち、図８に模式的に示したように、実線矢印で示した半径方向成分を有する流れを、破線矢印で示したように半径方向成分を減じて水平方向（中心軸線Ｌ１方向）に向けることができる。これにより、羽根８の根元８ａ側の負圧面における流体のはく離を抑制し、羽根高さ方向の流量分布を均一化して、性能を向上させることができる。

図９及び図１０には、本実施形態のシミュレーション結果が示されている。シミュレーションは、図１及び図２に示したように、プロペラファン５、熱交換器９及びベルマウス１０の位置関係を条件として行われた。つまり、プロペラファン５単体でのシミュレーション結果ではない。図９及び図１０の羽根８の回転方向Ｒは、図３と異なり時計回り（右回り）である。

図９は、比較例としての一般的なプロペラファンのシミュレーション結果である。同図から分かるように、羽根８の負圧面に示された限界流線は、半径方向に向いていることが分かる。これに対して、本実施形態を適用したプロペラファン５では、図１０に示すように、羽根８の負圧面に示される限界流線は、半径方向成分が減じられ、略回転方向Ｒに沿った方向となっている。この傾向は、羽根８の根元８ａの領域で顕著である。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態の羽根に対して部分的に形状を変更したものである。したがって、第１実施形態と共通する事項についてはその説明を省略する。

第１実施形態に示した羽根８の取付角度を変更する。図４に示すように、羽根取付角度β１は、羽根高さ方向の所定の位置で切断した羽根８の圧力面側（腹側）に接する接線Ｌ２が中心軸線Ｌ１方向となす角度である。本実施形態では、羽根８の重心と中心軸線Ｌ１とを最短距離で結んだ線と、羽根高さ方向の所定の位置で切断した羽根断面との交点を中心位置Ａと定義し、中心位置Ａ回りに回転させることで羽根取付角度β１を変更した場合の性能を比較した。中心位置Ａ回りの回転方向は、図４において反時計回りすなわち羽根８が閉じる方向、すなわち前縁８ｃおよび後縁８ｄが隣の羽根８に近づく方向を＋（正）とした。具体的には、羽根高さ比が２５％、５０％、７５％の位置で羽根８を±１０°回転させた場合を検討した。

図１１には、羽根高さ比が２５％の位置で回転させて羽根取付角度β１を変化させた場合を示している。同図において、横軸が羽根８の中心位置Ａ回りの回転角度、縦軸が羽根８の入力比、すなわち羽根８を回転させるために必要な動力を基準値で除した値である。同図から分かるように、回転角度が＋５°あたりで最も入力比が小さくなっている。

これに対して、図１２に示すように、羽根高さ比が５０％の位置では、回転角度が＋１０°あたりで最も入力比が小さくなっており、図１３に示すように、羽根高さ比が７５％の位置では、回転角度が＋５°あたりで最も入力比が小さくなっている。

図１１～図１３から、羽根高さ方向の中央あたりで最も羽根８を＋（正）側に回転させて羽根取付角度β１を大きくすること、換言すれば、羽根８の根元８ａ側から先端８ｂ側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に羽根８の羽根取付角度β１を増大させることが好ましいことが分かる。

図１４には、図９及び図１０と同様に、本実施形態の羽根８の負圧面における限界流線が示されている。図１０と図１４を比較すると、根元８ａ側の半径方向成分がより減少していることが分かる。

本実施形態は、以下の作用効果を奏する。
羽根取付角度β１を増大させると、すなわち前縁８ｃおよび後縁８ｄが隣の羽根８との最短距離が短くなるように回転させられると、羽根８が仕事をしない方向になるので圧力が低くなる。そこで、羽根８の根元側から先端側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に羽根取付角度β１を増大させることで、半径方向における羽根表面の圧力分布を適正化することができ、プロペラファン５への必要入力を減らして性能を向上させることができる。

なお、第２実施形態は、第１実施形態の羽根の形状を調整するために用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１実施形態の羽根に限らず他の形状の羽根に対しても用いることができる。

１室外ユニット（空気調和機用室外ユニット）
３筐体
３ａ左側面
３ｂ背面
３ｃ右側面
４脚部
５プロペラファン
５ａ前縁側
５ｂ後縁側
６軸部（ハブ）
７モータ
８羽根
８ａ根元
８ｂ先端
８ｃ前縁
８ｄ後縁
９室外熱交換器
１０ベルマウス
１２機械室
１４仕切壁
Ａ中心位置
Ｃコード長
Ｌ１中心軸線
Ｌ２接線
Ｐピッチ
Ｒ（プロペラファンの）回転方向
α１入口角度
α２出口角度
β１羽根取付角度
σ ソリディティ

Claims

中心軸線の回りに回転する軸部と、
前記軸部の外周に根元が接続され、半径方向に延在する複数の羽根と、
を備え、
前記羽根は、前記中心軸線を含む子午面に投影した場合に、前記中心軸線に平行な軸線方向の寸法が、前記根元側よりも先端側が大きくなる後縁側面積増大領域と前縁側面積増大領域とを有し、
前記羽根の前縁及び後縁の前記軸線方向の位置は、前記根元側で略一定とされ、
前記後縁側面積増大領域は、前記前縁側面積増大領域よりも大きいプロペラファン。
前記中心軸線方向に対する前記羽根の羽根取付角度が、前記根元側から前記先端側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に増大している請求項１に記載のプロペラファン。
中心軸線の回りに回転する軸部と、
前記軸部の外周に根元が接続され、半径方向に延在する複数の羽根と、
を備え、
前記中心軸線方向に対する前記羽根の羽根取付角度が、前記羽根の前記根元側から先端側に向かって略線形に増加する分布を基準として、その分布からの変化量が、羽根高さの２５％から７５％の範囲で増大して、かつ、前記羽根高さの中央位置で極大値を有するように局所的に増大して、
前記羽根取付角度は、前記羽根高さの前記中央位置において、正側に１０度回転しているプロペラファン。
請求項１から３のいずれかに記載のプロペラファンと、
前記プロペラファンの上流側に設けられた熱交換器と、
前記プロペラファンの前縁側を露出させるとともに後縁側を覆うように設けられたベルマウスと、
を備えている空気調和機用室外ユニット。