JPH0311200A - 熱交換器用ファンステータ集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気移動ファンに係り、特に、ファンが熱交
換器コイルを通して空気を引入れあるいは押出す構成の
熱交換器用ファンステータ集合体に関する。

本発明は、詳細には、熱交換器コイルを通して空気を移
動させるプロペラファンを有するステータ列を採用した
構成に関する。

以下に説明される特定の実施例では、パッケージ化ター
ミナルエアコンディノヨナ（ＰＴＡＣ）に対し、ステー
タ列が有効に適用され、ルームエアコンや他の類似装置
に対して適切に適用される。

〔従来の技術〕

パッケージ化ターミナルニアコンディショナは、建物の
壁に設けられたペネトレーションを介して、室外側部に
接続された室内側部を有するユニットである。これらの
ユニットは、一般に、夏には冷房用エアコンとして使用
され、冬には暖房用のヒートポンプとして使用されてい
る。ＰＴＡＣは、室内側の遠心カフアン及び室外側のプ
ロペラファンを動かすために、一般に同一のモータ及び
駆動軸を使用している。

ファンの空気移動効率を増大させることは、産業上の大
きな目標であった。この効率の増大は、電力低減及びフ
ァンによる騒音低減の二重の効果をもたらす。

例えば、種々のコンプレッサにおいては、ステータは一
般に良く知られているが、暖房、換気、及びエアコン（
ＨＶＡＣ）の分野では広く使用されていないし、ＰＴＡ
Ｃユニットへ適用した例はなかった。

プロペラファンをステータ集合体と結合した例が、グレ
イの米国特許第４，５４８，５４８号明細書に自動車用
装置として既に開示されている。この特許では、ファン
空気を熱交換器及びファンの直後に置かれた円形ステー
タを通して吹き込まれ、軸方向に排気する構成を取って
いる。ここには、回転成分を取り除き、熱交換器を通る
より滑らかな空気流を与える意図がある。グレイ特許の
ステータ集合体は、熱交換器の前部にファン及びモータ
を懸架するスパイダすなわちフレームの部分を形成して
いる。また、ファンブレード先端が円周スカートによっ
て接続されているいわゆる帯締めファンと共にステータ
を使用することを意図している。グレイ特許では、ファ
ンモータシステムが一体でありかつファンによって支配
される流域を調節するように設計されているので、ステ
ータ断面が円形になっている。これは、ファンの有効面
積がコイルの面積にほぼ等しいか、ファンの軸がコイル
面の幾何学的中心に一致する時に好都合である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、コイルの面積がファンの面積よりも非常
に大きいとき、及び／若しくはファンの軸がコイルの幾
何学的中心から偏心している時には、ステータ配置及び
躬状は、最大効率を得るために、拡散を考慮しなければ
ならない。空気流を円形形状及びファンの放出領域から
より大きく広げること、及び／若しくはコイルの矩形形
状を偏心することは、非常に困難である。

最大拡散は、熱交換器面の不充分な利用及び空気側面コ
イル圧力損失の付随的増加（定流に関連）を持つコイル
面を横切る非一定空気流れに、自然に向かう傾向を最小
化することが必要である。

上述の影響の好ましい制御を行う目的で拡散を最大化す
るために、ステータをコイルに対抗して設置し、かつそ
の全体形状をコイル面の面積と一致させる構造を取るこ
とが有益である。これは、旋回流による遠心力に外方向
拡散プロセスを容易化させ、コイル面を横切る定流を最
大化させる。

ステータが一般にファン放出部におかれる場合には（グ
レイ特許）、旋回流速度成分が拡散プロセス前に除去さ
れる。よって、必要な拡散を行うことは不要である。

本発明の目的は、プロペラファンの拡散から主要な回転
エネルギーを回収し、コイル面を横切る一定気流を最大
化しかつコイルフィンバックと入射空気速度間の角度を
最大化しながら増加圧力等の有効な形に変換することに
ある。

本発明の他の目的は、ファン騒音、及び熱交換器コイル
と共に用いられるプロペラファンのファン軸出力要求を
低減させることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の観点によれば、フィンを持つコンデンサコイル
、あるいは他の熱交換器コイルは、軸流プロペラファン
、ツユラウド、及び実質的にコイルのファン側に対抗し
て配置されたステータ列と結合される。その熱交換器コ
イルは平面をなし、熱交換器を通過する空気流路を形成
する多数のファンを有する。しかし、たいていの場合、
ファン軸は、熱交換器の中心から一方又は他方へ片寄っ
ている。そのファンは、ハブ、及びそのハブから放射状
に出ている多数のブレードを有し、モータ等によって回
転駆動される。ブレードは、ファンが回転するとき軸流
を空気に与えるように選択されたピッチを有する。

しかし、その流れもまた、旋回成分、すなわち接線方向
即ち円１１方向成分を持つ。ツユラウドは、空気をファ
ンに案内するため、ファン及び熱子間器を覆って設置さ
れている。また、ツユラウドは、空気が熱交換器を通過
するのを強制し、ファンの入力端に再循環を生じさせな
い役割をする。ステータ列は、熱交換器の平面に設けら
れ、実質的にそれと同面積を占めている。ステータ列は
、平面の周囲と実質的に一致する外側フレームと、実質
的にファンと同軸のリングを有する。多数の放射状ステ
ータ翼すなわちブレードが、リングからフレームに伸び
、これらの翼はファンブレードのピッチと相補的なピッ
チを有している。ステータ免は、空気速度が一般に軸方
向になるまで空気流を曲げる。これは、旋回運動エネル
ギーを、静圧上昇によって、より一層有効な形のエネル
ギーに変換する。また、これは、コイルファンと入射空
気流間の角度を最小化し、それにより、コイルの空気側
面圧力損失を低域させる。

ステータをファン放出の直前に置くよりもそれをコイル
に対抗して置くことは、旋回を静圧に変換する前に拡散
を助ける旋回を与える利点がある。

旋回は、コイル面上の定流を促進させる空気流に遠心力
を与える。この拡散が最大化された後のみステータが旋
回を取除き始め、それを静圧に変換する。最大拡散が発
生するので、その流域は、コイルのプレゼンス及びキャ
ラクタリスティックディメンノヨンによって支配される
。それ故、最適ステータは一般矩形のコーイルを仮定し
て構成される。

空気流回路のプロペラファンが、流体静圧及び運動エネ
ルギーを増加させることが理解される。

ファンブレードからの空気流は軸成分及び接線成分Ｖｏ
ｏを有する速度ベクトルＶＡＦを有する。接線成分にお
けるエネルギー回収がない場合、このエネルギーは熱と
して浪費される。すなわち、旋回すなわち接線成分は、
期待になされる仕事そして損失を表わす。接線成分Ｖｏ
ｏが有効に回収される場合、損失は最小となる。この成
分Ｖｏｏの変化は、静圧の増大として回収される。固定
ステータブレードすなわち翼が平面配列されているステ
ータ列への空気流は流速ｖＡ、を持つ。一方、ステータ
列を出る空気流は流速Ｖｓ’を有し、その流速は、非常
に小さい接線成分Ｖｏ＋を含んでいる。ステータ翼の存
在による損失が少ないこれらの成分Ｖｏ。

及びＶｏ＋間の差は、熱交換器面における静圧変換を表
している。次に、この変換は、静圧の増加を表わす。ス
テータ列は、運動エネルギーを静圧に変換することによ
って失われるものを回収しているので、前と同じ静圧を
発生するために必要な流体仕事は小さくなる。このプロ
セスを助けることで、システムの静圧要求を減らせるこ
とになる。この低域は、フィンチャネルと入射空気流間
の角度低減、並びにコイルを横切る一層一定な空気流の
結果として、コイル損失の低減から生ずる。従って、同
じシステムに対して、ステータ列と関連して、より低い
静圧上昇ファンが、ステータなしで高圧上昇ファンの代
わりに使用できる。これは、より一層静かな運転をもた
らし、所定の流量速度を与えるのに必要な電力を大幅に
低減させる。

いかに説明させる実施例と関連して行われた試験では、
ＰＴＡＣの外側すなわちコンデンサ側について、プロペ
ラファンのステータ列ダウンンストリームによって、輸
出力が４０％低減し、騒音が３．６ｄＢＡ低減された。

これは、実際の空気流速が減少することなく達成された
。

〔実施例及び作用〕

第１図を参照する。パッケージ化ニアコンディショナー
（ＰＴＡＣ）ユニットｌＯは、蒸発器コイル１４、及び
駆動軸１８に設けられた遠心機ファン１６を含む室内部
１２を有している。室外部２０は、コンデンサコイル２
２、及び軸１８によって駆動されるプロペラファン２４
を有する。ファン２４は、軸１８に設けられたハブ２６
、及びハブ２６から放射状に出ている多数のブレード２
８を有−４−る。

シュラウド３０は、ファンブレード２８の先端にある円
形開口３２からコイル２２を覆うように伸びている。そ
のシュラウド３０は空気をファンに案内し、その後で熱
交換器用コイル２２を通過させる。また、シュラウドは
、空気の旋回、再循環流がファンを通過するのを防止す
る働きをする。

第１Ａ図に示される様に、ファン２４からの空気流は軸
方向にはなく、それは、大きな入射角で熱交換器のファ
ン３４が角度付けられている。従って、熱交換ムの表面
で、空気流は軸方向面げられ、フィン３４の間の通路を
通るようにされる必要がある。この大きな向きの変更は
、熱交換器を介しての圧力損失を増大させる。

旋回流を補正するため、ステータ列４０がコンデンサコ
イル２２のファン側に、そのコイルに対抗して置かれて
いる。例えば、第２図には第３図に示されているごとく
、ステータ列４０は、コンデンサコイル２２のファン面
側の周囲と実質的に適合するフレーム４２を有し、長方
形状をなしている。ファン軸がコイル２２に関して偏心
しているので、ファン２４は、コンデンサコイル２２の
領域よりもより小さな前方突出領域を有する。また、こ
の形状により、翼支持リング４４は、プロペラファン２
４と同軸であるように、フレーム４２の中心の一方側に
位置付けられている。これらの翼４６の代表的なものを
か、第４図に示されている。翼４６は、必要ではないが
好ましくは、端から他端まで幅及び形状が実質的に一定
であり、第５図に示されるごとく、横断面が幾分弧を描
いている。リング４４の位置で、翼４６は、互いにでき
るだけ密接しているが、必ずしも必要ではない。フレー
ム４２、リング４４及び翼４６は、好ましくはプラスチ
ック合成樹脂で一体成形される。

リング４４内の開領域４８は、そこを通して空気を流さ
せる役目をする。

この集合体の作用効果について、第６図及至第１Ｏ図に
関連して以下に説明する。

１５０度の翼食い違い角を持つ摩擦のない理想的なファ
ンに対して、放出空気流の旋回速度成分にＩ−）える圧
力上昇の相対蛾は、一般に第６図に示される様になって
いる。その旋回速度成分が避けられるか補正され得る場
合には、縦軸に示されたパーセントまでの量は、例えば
より高い外圧の回復され得る。

ステータ列４０の補正効果は、第７図から理解され得る
。ここでは、簡単化のために、摩擦のない理想的なファ
ン及び理想的ステータであると仮定されている。ファン
の径方向に見られる様に、ファンブレード２８は、その
紙面の左方向に動いている。また、図示されている様に
、ファンブレード先端速度ベクトルＵｒを有する。強制
空気放出速度ベクトルＶＲＦ、すなわち、ファンブレー
ドの後縁方向に沿って存在する。一方、絶対ファン放出
速度ベクトルＶＡＦ、すなわちステータ列４６に関する
ベクトルは、ベクトルＶアＦ及びＵＦを代数学的な結合
から生ずる。この成分を持つ。第７図の右側に示されて
いるごとく、補正されない場合には、その流速度ベクト
ル３６は、コンデンサコイルファン３４を大きな角度で
打つ。このため、大きな圧力損失が生ずる。さらに、Ｖ
ｏｏは最終的に熱として消費される空気量に加えられた
運動エネルギーを表す。それ故、それは損失を表してい
る。

第７図の右側にグラフ的に表していうように、ステータ
列４０に関して、ステータｖＸ４６は、空気流速度ベク
トルの方向を変える。翼４６のピッチは、ファンブレー
ド２８のピッチに対して相補的であるので、図示のよう
に、結果的にステータ絶対放出速度ベクトルＶｓが得ら
れる。この速度ベクトルは、比較的小さな接線すなわち
旋回成分Ｖｏ＋を有する。流速ベクトルＶｏｏとＶｏ、
間の差は、コンデンサコイル２２の面における静圧利得
を表す。また、流量ベクトルＶｓは再び軸方向に向けら
れるので、コイル２２に当たる空気は一層直接的に軸方
向に沿って、すなわち、フィン３４と平行に入り込む。

それによって、コイル２２の萌面における乱気流損失を
大幅に低減できる。それ故、システムの静圧要求ら同様
に低減される。

第８図に示されている様に、ステータ列４０は、プロペ
ラファンを使用した時、（破壊曲線）プロペラファンの
み（実線曲線）で与えられる圧力と比較して、大きな静
圧上昇を発生できる。

４二述の検討は、摩擦のない理想的なファン及び摩擦の
ない理想的なステータを仮定して行った。

しかし、粘性効果によって、損失は旋回回復と関係する
。第９図に示されているように、ロータ翼すなわちブレ
ード４６゛が（流入及び流出矢印で示されているように
）流速ベクトルが完全に方向転換されるように選択され
る場合には、ステータブレードすなわち翼４６′の表面
上の乱気流領域３８のために、エネルギー損失が生ずる
。一般に、これらの損失は、空気流が真直ぐにされる度
合いに関係して増大する。従って、ステータ列４０によ
る最大の利点は、第１θ図の部分回復モードに示すよう
にステータ放出角すなわち流出角が軸方向にない時に生
じ得る。

実際的例では、第１０図にグラフ的に示されているよう
に、ステータ翼は、ファンブレードの杉状と関連して、
選択された形状を有し、旋回成分の最大正味回復を得る
ようになっている。すなわち、旋回成分ｖｏＩ及びステ
ータ翼４６の存在によって生ずる乱気量に関連するエネ
ルギー損失が、全体として最小化される。

上述の特徴を持つステータ列４０がＰＴＡＣ（ユニット
）の室外側に組み込ま、れた時、共にステータ列が原因
となって、必要な輸出力が４０パーセント低減され、騒
音が３．６ｄＢＡ低減された。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ファン騒音を大幅に低減でき、所定の
ｔＮ、ｍ速度を与えるのに必要な電力を大幅に低減出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係り、熱交換器、ファン
、及びステータ集合体を合体させているパッケージ化タ
ーミナルニアコンディショナーユニット（ＰＴＡＣ）の
概略断面図、第１Ａ図は、熱交換器のフィン上への空気
流の入射角の効果を説明するための第１図示ユニットの
一部分の補足図、第２図は、ＰＴＡＣの室外部すなわち
コンデンサ部の分解透視図、第３図は、本発明のこの実
施例に係るステータ集合体の前部立面図、第４図は、第
３図のステータ集合体の代表的ステータ翼すなわちブレ
ードを示す図、第５図は、線５−５で取られた第４図の
ステータ翼の断面図、第６図は放出空気流における旋回
速度成分の原因となる摩擦のないファンからの理想的ガ
ス圧上昇に関するチャート図、第７図は、熱交換器のフ
ィン上への空気入射角に関してステータ集合体の効果を
示すもので、ファン及びステータ集合体の径方向に取ら
れた概略図、第８図は、ステータ集合体を存するプロペ
ラファンと、摩擦のないプロペラファンを比較するチャ
ート図、第９図及び１０図は、それぞれ旋回成分の完全
回収、部分的回収のためのステータ及びファン配置を示
す図である。 〔符号の説明〕 １２は室内部、１４はコンデンサコイル１８は駆動手段
、２０は室外部、 ２２は熱交換コイル、２８はブレード ３４はフィン、４０はステータ ＦＩＧ、　３ 夕 ？沃−１１イ叱款 ＦＩＧ、　９ ＦＩＧ、　１０ 御分田吠

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平面と、該平面に垂直な熱交換器を通過する空気
   通路をその間に形成する複数個のフィンを有する熱交換
   器コイル（２２）、 ハブ（２６）と、該ハブから放射状に出ている複数個の
   ブレード（２８）と、ハブとブレードを回転させるため
   の駆動手段（１８）を有し、熱交換器を通過する軸を有
   する上記熱交換器平面に向い合って配置された軸流プロ
   ペラファン（２４）、 上記ファン内に空気を案内し、それによって熱交換器コ
   イル（２２）を強制的に通過させるために、上記ファン
   及び熱交換器を覆っているシュラウド手段（３０）、 空気を熱交換器通路（Ｖｓ）により直接的に入れる様に
   熱交換器面での空気流の旋回成分（Ｖｏｏ）を軸方向に
   向かって曲げるためのファンブレードのピッチと相補的
   なピッチを持つ複数個の放射状翼（４６）を有し、実質
   的に熱交換器と同じ位置を占める様に上記熱交換器の上
   記平面に設けられたステータ（４０）、 から構成され、上記ブレードは、ファン回転時に空気に
   軸流を与える様に選択されたピッチを有し、その流れは
   、円周方向に旋回成分（Ｖｏｏ）を有することを特徴と
   する熱交換器用ファンステータ集合体。
2. （２）請求項（１）記載の集合体において、上記ステー
   タ（４０）は、上記平面の周囲と同じ場所を占める長方
   形の外側フレーム（４２）と、上記ファンと実質的に同
   軸のリング（４４）を有し、上記ステータ翼（４６）は
   、上記リング（４４）から上記外側フレーム（４２）に
   径方向に伸びていることを特徴とする熱交換器用ファン
   ステータ集合体。
3. （３）請求項（２）記載の集合体において、上記ファン
   の軸は、上記熱交換器平面の中心の一方側に配置され、
   上記ステータは、同じ側に対応して置かれたリング（４
   ４）で形成されていることを特徴とする熱交換器用ファ
   ンステータ集合体。