JPH04505199A - 環状螺旋包絡状にエーロフォイル羽根を備えた遠心送風機 - 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】 環状螺旋包ｗｉ状にエーロフオイル羽根を備えた遠心送風機 １見立！遣 本発明は、遠心送風機およびファンに関する。

遠心送風機およびファンは、一般的に、ハウジング内であらかじめ決められた方 向に回転する羽根車を含み、多くは電気モーターにより駆動される。羽根車は、 羽根車の回転軸に沿って軸方向に空気を引き込み、半径方向の外側に向って空気 を送出する。このような送風機は、圧力差、空気の流量、モーターの馬方、モー ターの回転速度、空間の制約、入口および出口の配置、騒音、製造許容誤差など 、多機な設計条件を必要とする広範な分野に使用されている。

遠心ファンの設計上の１つの重要な特徴は１羽根の先端に対する接線と羽根の先 端との角度である。この角度は”羽根の出口角“と呼ばれる０羽根の出口角が９ ０”よりも大きい場合には、羽根車は前方に湾曲した羽根を持つといわれる０羽 根の出口角が９０”よりも小さい場合には、羽根車は後方に湾曲した羽根を持つ といわれる。

次に先行特許に記載されている遠心送風機について説明する。

Ｒｏｇｅｒ、その他のＵ、Ｓ、４．５２６．５０６およびＤＥ２，２１０．２７ １は、渦巻き室を持つ後方に湾曲した遠心送風機を開示している。

ＧＢ２，０８０．８７９は、半径方間の流れを軸方向の流れに変換するための固 定羽根を持つ、後方に湾曲した遠心送風機を開示している。

Ｚｏｃｈｅ　ｌ　ｄのＵ、Ｓ、３．５９７．１１７およびＧＢ２．０６３，３６ ５は、渦巻き室を持つ後方に湾曲した遠心送Ｗ＆機を開示している。

Ｃａ１ａｂｒｏのＵ、Ｓ、３．９６７．８７４は、高圧室１４内に配置された送 風機１６を開示している８羽根の形状と送風機の構造は明らかでないが、高圧室 の底の開口４６は送風機の出口と連通している。

ＧＢ２．１６６．４９４は、軸方向の流出流を生じさせるための案内羽根を設け た遠心放射対称の円錐形のハウジング内に収容された遠心羽根車Ｐ開示している 。

ＧＢｌ、４８３．４５５　とＧＢｌ、４７３．　９１９は、渦巻き室を持つ遠心 送風機を開示している。

ＧＢｌ、４２６．５０３は、２つの開口を持つ遠心送風機を開示している。

鹿谷、その他のＵ、Ｓ、４．２６９．５７］は、軸上の入口２６に空気を引き込 み、円板２２の上部周辺２２および軸上の出口２４から送出する遠心送風機を開 示している。＜３：２６−３６）。

カナダ特許１．１５７．９０２は、金属の湾曲した案内板を持つ遠心送風機を開 示している。

１に１」 本発明は、羽根車の周囲に環状の流路を持ち、回転する羽根車が中央の入口を通 して空気を引き込み、引き込んだ空気を半径方向外方に向って羽根車の周囲の環 状の流路に流入させる後方へ湾曲した複数の羽根を持つ遠心送風機を特徴とする 。

複数のエーロフオイル羽根が、軸方向にずらせた２つのステージとしては環状流 路内に配置されている１羽根は流路に流入する気流を回転させかつ拡散させるよ うに設けられている６ 好ましい実施例では、送風機は、気流の流出路に気流に対する抵抗を発生させる 要素を取り付ける手段（Ｗ４えば熱交換気）を含む。

環状流路は薄い（すなわち内径が５外径の少なくとも８０％である）、送風機は 、送風機（羽根ｊ［）の軸に対して６０°〜７０°の角度で環状の流路に流入す る気流を発生させる羽根の形状と回転速度の範囲を持つ、エーロフオイル羽根は 、環状流路の出口において送風機の軸に対してＯｏから１０”角度をなす気流を 発生させるように環状流路内で空気を回転させる。設計条件の回転速度では、気 流は５０から１００フイート／秒の間の流速で環状流路に流入し、羽根は、１０ から４０フィート／秒の賞の送出流速を発生させるように環状流路内で空気を拡 散させる大きさと位１に設けられる。

本発明のエーロフオイル羽根は、接線方向の速度を静圧に変換することにより効 率を大幅に向上させる。実際、好ましい実施例では、＃線方向の速度エネルギー はほぼ完全に圧力として取り去られる。そのため流出する気流はほとんど接線方 向の速度を持たない、また結果とじて得られる構成は、騒音が小さい、流出口の 下流側に１がれな熱交換器（例えば自動車のニアコンディショナーの蒸発器）は 、有効な流れに対する抵抗な提供する。熱交換器を通る気流は、流出口において 均一な軸方向の流れになっている結果、大幅に効率が良い０本発明は、また、比 較的小型化することを可能にする。

本発明のその他の特徴と利截は、次の好ましい実施例から明らかになるであろう 。

好まし−８」（１Ｌ−」工］し明 以下の好ましい実施例の説明は、あくまで本発明を説明するためのらのであり、 本発明の範囲を限定するものではない、以下の説明は、出願人が本日そりが可変 な羽根を持つ遠心ファンというタイトルで出願し、ここでも参照している米国特 許出願において説明し請求した特徴を含んでいる。２．前記流路に気流に対する 抵抗を発生させる取り付ける手段を含む請求項１の送風機。

３、前記環状流路の内径が外径の少なくとも８０％である請求項１の送風機。

４　前記送風機の羽根が前記環状流路に送風機の軸に対して６０°〜７０３の角 度で流入する気流を発生させ、前記羽根が前記環状流路の出口において前記送風 機の軸に対してＯｏから１０°の気流を発生させるように前記環状流路内で空気 を回転させるように設けられている請求項１の送風機。

５．前記送風機の羽根が５０から１００フイート／秒σ間の速度で前記環状流路 に流入する気流を発生させ、穿記羽根が前記環状流路の出口において１５から４ ０フィート／秒の間の速度で前記環状流路内に拡散させる大きさと位置に設けら れている請求項１の送風機。

２、前記流路に気流に対する抵抗を発生させる取り付ける手段を含む請求項１の 洋風機。

３６前記環状流路の内径が外径の少なくとも８０％である請求項１の送風機。

４、前記送風機の羽根が前記環状流路に送風機の軸に対して６０°〜７０°の角 度で流入する気流を発生させ、前記羽根が前記環状流路の出口において前記送風 機の軸に対して０°から１０°の気流を発生させるように前記環状流路内で空気 を回転させるように設けられている請求項１の送風機６ ５、前記送風機の羽根が５０から１００フイート／秒の間の速度で前記環状流路 に流入する気流を発生させ、前記羽根が前記環状流路の出口において１５から４ ０フィート／秒の間の速度で前記環状流路内に拡散させる大きさと位１に設けら れている請求項１の送風機。

の　単ｔ　賢 図１は、遠心送風機と自動車のニアコンディショナーの　の気化器の断面図であ る。

剪　図２Ａは、図１の送風機の羽根車の羽根の横断面の説イ　明図である。

き　図２Ｂは、図２Ａの１部分を拡大した説明図である。

図３は、図１の送風機の環状の包絡面の１部を破断しす　な上面図である。

区４は、接線方向の旋回速度に対する圧力を示すグラ５　図５は、羽根弦上の各 位置における羽根の表面の圧力を示すグラフである。

１　羽根の　造の 図１において、送風機１ｏは、この後にさらに詳しく翁　説明されている複数の 羽根（１４および１５、図２に示されている）から成る羽根＊１２を含む０羽根 車１２は、Ｖ　羽根車の軸１８に取り付けられた電気モーター１６により駆動さ れる。

羽根車１２は、ステータ２０の内部で回転する。固定’　ＦＪ２０は、羽根車１ ２とモーター１６と同軸に延びるほぼ円筒形のハウジング２１の１部として形成 されている。

はぼ円筒形のモーター・ハウジング２２は、環状流路２４の内径を形成する。環 状流路２４の外径は、ハウジング２１により形成される。

エーロフオイル 環状流路２４の内部には、図３に最も分りやすく示されている２組のエーロフオ イル形状の羽根が配室されている。ＣＬはモーター、送風機、および羽根車の中 心線（軸）である、これらの羽根は、羽根車から離れていく空気から接線方向（ 回転または渦巻き）の速さを取り去り、そのエネルギーを取り戻して静圧Ｃ変換 する。

流路２４の出口２８には、蒸発器３０が取り付けられている。蒸発器３０に到達 する空気流の渦巻運動は実際上はとんど除去され、蒸発器３０にかかる空気の圧 力が高められる。より具体的には、羽根２５と２７は、１つには次の理由により 重要である。ａ方へ湾曲した遠心送ｉＬ機により作り出される流れのエネルギー の約１／４から１／２が速さの形であること、エーロフオイル羽根はこの流れの エネルギーのかなりの割合（４０〜８０％）を取り戻すことである。

流出速度が均等であることと流れのエネルギーを取り戻すことによる送風機の高 い効率は、環状流路の形状により助けられている。環状流路は、放射対称でかつ 滑らかに湾曲している。さらに環状流路の半径方向の幅は小さい、そのため圧力 と速さは、出口において比較的均等送風機の動作時の圧力／渦流の関係を図４に 示す０図４は、圧力係数（Ｃｐ）を接線方向の流速（Ｖｔ）の関数として表にし たものである。図４におけるＣｐは次式で定義される。

Ｃｐ　＝　１　／　２　ｐ　Ｖ　”　−１／　２　ｐ　Ｖ　２ｔ　ｌｓこの式の Ｖは羽根車を出る空気の流速、Ｖ　ｔ　ｌ　ｅは羽根車れている０本発明の送風 機は、Ｖｔ＝０．５−１およびＣｐ＝０．５−２であるハツチングを施した領域 内で動作さ上記した流れの条件下では、接線方向から２０〜３０゜引き起こされ る横断面積の減少に合わせて、ハブの直径が小さくしである。

図３には、ステータに入る気流ｖ１のベクトル図も示しである。このベクトル図 においてＶ　ｔ　＋はステータに流入する気流の接線方向の回転速度であり、Ｖ −１はステータに流入する気流の軸方向の速度である。Ｖｔｏは送風機の車（羽 根車）の接線方向の速度である。角α１は２０〜３０゛、角β２は６０へ一７０ °である。第１ステージを出て第２ステージに入る気流に対しても同様のの図を 描くことができる。第２ステージを出・ば（に対しては、Ｖ、スとＶ−２の間の 角α２は８０〜９０゛、角β２はＯ〜１０”になるであろう、たとえＶ　ｘｉ　 ＝　Ｖ　ｘ２でも、流れの角度の変化めために最終的な効果は■２く〈Ｖｌにな る。

第２ステージが必要であるのは５第１ステージに対する境界層負荷値がアタッチ ド・フローに対する最大エンジニアリング値（０６）を踵えるからである。この 条件において、拡散俤数を＜　１−Ｖ２／Ｖ＋）　＋　（Ｖｔ＋−Ｖｔ２）　／ 　２　ｃｊ　Ｖ　Ｉ４７）　ヨ’）　Ｌｓ一定義ｔ　ル、　コ、：：−ｆ　Ｖ　 ＩとＶ２はそれぞれステージに流入する気流の速度およびステージから流出する 気流の速度、Ｖ　Ｃ１とＶ’ｔｔはそれぞれステージに流入する気流の接線速度 およびステージから流出する気流の接線速度、σは羽根の弦節比（すなわち羽根 の弦÷羽根の間隔）である。

孔１！ユｊＪ ［］２Ａと２Ｂは１本発明の羽根１４および１５の横断面の説明図であり、羽根 のＳ形（すなわち逆そり）を示している。これらの羽根は後方へ湾曲しており、 高い効率と低騒音で、（比較的小さいサイズで）大きなスラストまたは圧力を発 生させる。より詳細には、図２Ａと２Ｂは、Ｓ形の弦の長い羽根１４とＳ形の弦 の短い補助羽根１５を示す。

高スラストの後方へ湾曲した羽根を持つ送風機の設計における１つの大きな問題 は、羽根の吸込み側の面のアタ・ソチド　フローを、前縁から後縁（すなわち送 風機の外径）まで維持することである。境界層のはく離は、送風機の羽根の幾何 学的なそり曲線と実際の気流の流線のずれつながる。このずれは直接性能の低下 となって現われる。なぜなら拡散プロセス（速度のエネルギーを圧力に変える） が、境界層のはく離が発生したところで止まるからである。まなこの羽根と流線 のずれは、直接流出流の接線方向の速度の減少による性能の低下にもっながアタ ・ンチド・フローを維持するには、表面の境界層のエネルギーを持続させる必要 がある。なぜなら境界層のエネルギーは、羽根の弦に沿って散逸するからである 。

吸込み側の境界層は、次の３つの大きな妨害力に打ち克たなければならない、す なわち慣性の法則により羽根の表面の曲線がら受ける加速度、羽根の前縁から後 縁に向って生じる圧力の上昇により引き起こされる圧力勾配、そして羽根と空気 の界面に存在するＲ１擦である。これは空気が丘を登るときに似ている。境界層 の空気はある量の運動エネルギーを持って丘を登り始める。この運動エネルギー は、１部は摩擦により散逸し、１部は位置エネルギーに変わる。同時に空気は湾 曲した経路に沿って流れ、この曲がりに伴う運動量の変化が、境界層を厚くする 。

主流によって境界層にエネルギーが注入されるが、境界層の厚さが増大するにつ れてその効率が低下する。やがて妨害力が揚力よりも大きくなり、流れが羽根の 表面から離れる、すなわち表面からそれる。この点において、上記の損失効果が 現われる。

本発明の羽根の形状は、羽根の前縁付近の大きな正のそりと、羽根の弦の中間部 から羽根の後縁の間の明かな負のそりの組み合わせを持つことである。そのため この羽根は、ＢＬが強いときは流れを強く引っばり、ＢＬか弱いときは弱く引っ ばる。早期に流れを強く引っばることは、より多くの１次羽根のための余地を生 みだし、これにより境界層力を低減させることができる。なぜなら送風機のする 正味の仕事は、すべての羽根の面積全体に分散されるからである。

さらに、より短い弦を持つ中間羽根のためのスペースを生み出し、それにより再 び負の揚力に関係したＢＬ力を低下させることができる。これらの短かい羽根の そりの曲線は、これらの短い羽根が存在する領域における１次羽根に似せる。こ れらの羽根も１次羽根と同様のＳ形にすることができる（ただし必ずそうする必 要なない）。

より詳細には、遠心送風機の羽根の形状は、他の事項と共に、次のような送風機 の特性についての知識を用いて選択する。

１　送風機の昇圧能力は、羽根の外径側の先端の＃線方向の速度の２乗に比例し て増大する。この速度は、直径と回転速度の積である。したがって、用途によっ て必要とされる圧力が、主として、送風機の回転速度と直径を決定する。

２　羽根により発生される圧力は、理論的には１図４に示すように１羽根の出口 角が９０度のときに最も大きくなる。しかしながら、実験で観測される圧力は７ 羽根の出口角が、たぶん５０〜６０度後方へ湾曲しているときに最大になる１本 質的には、羽根の２次元の幾何学的形状が拡散経路を決定する。この拡散経路は 、羽根の出口角が９０度のとき総拡散が最大になる。境界層の物理現象がこの最 大拡散を妨げる。

３　羽根によって送出される空気の速度は１羽根の出口角が大きくなるにつれて 大きくなり、９０度よりもずっと大きい出口角で最大になる。与えられるエネル ギーは、速度の２乗に引例して増大する。静圧が必要な用途では、高速の送出流 から拡散により静圧を得ることができる。

拡散プロセスの効率は、一般的に、送出流を拡散させるどのようなプロセスにお けるよりも、送風機の羽根の間がずっと高い、すなわち羽根によるプロセスは９ ０％もの高い効率であるが、送出プロセスでは約５０％である。

したがって、最も効率の良い送風機は、一般的に、拡散の大部分を羽根内で成し 遂げるものであるということになる。しかしながら、ここに説明した送風機の羽 根の形状は、小さな直径と低い回転速Ｉｔ（騒音が低下する）により高い効率の 組み合わせ達成する。

４．＠音を低減させ羽根による拡散を最大にするには。

羽根の前縁を気流と一致させる必要がある。したがって。

羽根の入口角はＲＰＭ、入口の直径、前縁の羽根の長さ、および流れの設計点（ ｆｔ’／■ｉｎ）により決きまる。

図５は、羽根の弦上の位置（羽根の前縁を０、後縁を１として、弦の全長に対す るパーセントで表わされている）とその点における局所的な表面の圧力（Ｃｐ） の関係を示すグラフである。ここで（ｐは次の式によって定義される０式中のＰ 、は表面圧力であり、Ｖｔ・・は先端の速度である。

ｃｐ＝ｐ、・１、−’２　ｐ　＜Ｖｔ＋ｅ）　”！！１５のグラフは、１次羽根 だけの性能のコンピュータ・モデルに基づいている。下側の線は吸込み測の局所 表面圧力を表わし、上側の線は加圧側の局所表面圧力を表わす、なされる全仕事 は１羽根に流入する側の平均圧力（左軸、２つのグラフの間の中間の位ｆ）と羽 根を履れる側の平均圧力（右輪、２つのグラフが一致する位置）の差によって表 わされる０図５のグラフは、２４ＯＰＥ側のＣＰと羽根の吸込み側のｃｐの差Δ Ｃｐによって示されるように５弦の０．０−０．４の領域で強く引っばる１弦の ０．４〜１．０の＠域では、羽根は少ししか仕事をしない。

より詳細には、羽根は前縁の近くで高い正のそりを持ち、羽根の中間部と後縁の 間のどこかの点で負のそりを持つ、最も好ましくは、正のそりは羽根の前半部（ すなわち２０〜３０％）において１〜３％の最大値に達し、負のそりは羽根の後 半部（すなわち７０〜８０％）において０．２５％〜３％である。

送風機の動作条件は、さらに、流数（Ｊ）と圧力数（Ｋｔ）によって次のように 定義される。

ＣＦＭ・０２１２ １７００・静圧 上式において、ｎ＝回転速度（回転数７秒）、Ｄ＝羽根車の直径（フィート）で ある、静圧はインチ・水で測定され、大気圧（２９，９２インチＨｇ）にしたが って補正される。

好ましくは、流数Ｊは０．３５から０．８であり、圧力数Ｋｔ＞２．４である０ 羽根の弦のレイノルズ数は４ｏ、ｏｏｏ〜２００．０００である。これらの特性 を備えた送風機は、直径が２フイート、好ましくは１２インチよりも小さい。

流路２４の出口１５の横断面積は入口領域１３の面積よりも大きい（少なくとも ｘｌ、２＞、この増大させた面積は５羽根による拡散を表わす、なぜなら出Ｃ１ １５は気流により満たされるからである。入口の面積を小さくすることにより、 騒音が大幅に低減される。

この送風機は、プラスチック、例えば繊維を混入したプラスチックを用いて射出 成形により製造する。

他の実施例は、次のクレーム内に記載されている。

第１図 浄書を内容だ変更なし） １コ 手続補正書 特許庁長官　殿　平成４年６月１０日 （平成２年特許願第５０３７４Ｉ号） ２　出願人 電話（０３１３３８０−７５３３ よる書面の特許出願人の代表者の欄、代理権を証する書面、明細書及び請求の範 囲の翻訳文、図面。

（４）別紙の通り、図面翻訳文の浄書（第２図〜第５図）を提出する。なお、図 面の実体的内容に変更はない。

（２）委任状及び翻訳文　各１通

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．軸上で回転するように支持された羽根車を含み、前記羽根車は中央の入口を 通して空気を引き込み、引き込んだ空気を半径方向外方に向って前記羽根車の周 囲の環状の流路に流入させる後方へ湾曲した複数の羽根を含む遠心送風機であっ て、 前記外側の流府内に配置された複数のエーロフォイル羽根を含み、前記エーロフ ォイル羽根が互に軸方向にずらせて配置された少なくとも２つのステージを構成 するように配置されており、前記羽根が前記流路に流入する気流に対して前記流 路内で空気を回転させかつ拡散させて回転エネルギーを圧力に変換する角度に取 り付けられている 送風機。
2. ２．前記流路に気流に対する抵抗を発生させる取り付ける手段を含む請求項１の 送風機。
3. ３．前記環状流路の内径が外径の少なくとも８０％である請求項１の送風機。
4. ４．前記送風機の羽根が前記環状流路に送風機の軸に対して６０°〜７０°の角 度で流入する気流を発生させ、前記羽根が前記環状流路の出口において前記送風 機の軸に対して０°から１０°の気流を発生させるように前記環状流路内で空気 を回転させるように設けられている請求項１の送風機。
5. ５．前記送風機の羽根が５０から１００フィート／秒の間の速度で前記環状流路 に流入する気流を発生させ、前記羽根が前記環状流路の出口において１５から４ ０フィート／秒の間の速度で前記環状流路内に拡散させる大きさと位置に設けら れている請求項１の送風機。