JPH09144697A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ファン性能の向上と騒音の十分な低減とを両
立して図ることができる軸流ファンの提供。 【解決手段】 回転軸を中心として複数の羽根２１が周
設された羽根車を有する軸流ファンにおいて、回転軸を
中心とする円筒面で羽根２１を切断したときの断面にお
ける中心そり線の形状を、羽根前縁部２１ａ側に設けら
れ羽根面への気体の無衝突流入方向βi1と略同方向とな
る直線部Ａと、羽根後縁部２１ｂ側に設けられ羽根面か
らの気体の流出方向βo1と直線部Ａとを連続させる曲線
部Ｂとを備えた形状としたので、羽根前端部２１ａから
流入した気体が直線部Ａに沿って流れて曲線部Ｂに案内
されて、損失の無い理想的な流れに近い流れを形成する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、換気扇やエアコン
等に用いられる軸流ファンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、軸流ファンは、回転軸と羽根車
とを備えており、羽根車は、回転軸に軸支されるボス部
と、回転軸を中心とした周方向にずれてボス部に設けら
れた複数の羽根とを有している。

【０００３】軸流ファンの騒音を低減する従来の構造と
しては、図８に示すように、各羽根１の前面形状を回転
方向Ｓに張り出したような形状とするいわゆる前進角を
設けたもの（特公昭５０−３９２４１号公報）や、図９
に示すように、羽根１全体を回転軸３に対して直角より
も吸込み側に傾斜させたいわゆる前傾角δｚを設けたも
の（特開昭５３−１１６５１２号公報参照）や、前進角
と前傾角の双方を設けたものなどが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、理論的には、
羽根１の数が無限大と想定した場合に、羽根面へ気体が
流入する際の抵抗が最も小さい状態、すなわち羽根前端
部の接線方向が羽根面への気体の無衝突流入方向と一致
しているときに損失の無い理想的な流れが形成されるこ
とが知られており、係る理想的な流れが形成されること
が騒音の低減にとっても好ましい状態であるといえる。

【０００５】ところが、従来の一般的な羽根１は、回転
軸３を中心とする円筒面で羽根を切断したときの断面形
状が円弧となるいわゆる円弧翼であり、以下に述べる設
計上の理由から、羽根前端部の接線方向を無衝突流入方
向と一致させることは困難であった。

【０００６】すなわち、円弧翼の一般的な設計では、ま
ず、風量、静圧、羽根外径、羽根枚数、及び羽根回転数
という設計条件をファン性能に合せて設定し、２次元翼
理論に基づいて静圧上昇に見合う揚力係数ＣL を求め、
係る揚力係数ＣL から迎え角及び曲率半径及び弦長を一
意的に決定するという手法を用いており、羽根前端部の
接線方向はその設定因子とされていないため、羽根前端
部の接線方向が無衝突流入方向と一致するように設計す
ることは極めて困難となる。

【０００７】従って、いわゆる円弧翼を使用した従来の
軸流ファンでは、損失の無い理想的な流れから大きく外
れた流れが形成されてしまうことが否めず、ファン性能
の向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることは難し
かった。

【０００８】本発明は、このような従来の課題を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、フ
ァン性能の向上と騒音の十分な低減とを両立して図るこ
とができる軸流ファンを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、回転軸を中心として複数の羽根が周設された羽根車
を有する軸流ファンにおいて、前記回転軸を中心とする
円筒面で前記羽根を切断したときの断面における中心そ
り線の形状を、羽根前縁部側に設けられ羽根面への気体
の無衝突流入方向と略同方向となる直線部と、羽根後縁
部側に設けられ羽根面からの気体の流出方向と前記直線
部とを連続させる曲線部とを備えた形状としたことを特
徴とするものである。

【００１０】請求項１に記載の発明では、羽根を設計す
る場合、風量、静圧、羽根外径、羽根内径、羽根枚数、
及び羽根回転数という設計条件をファン性能に合せて設
定し、係る設計条件から、無衝突流入方向（入口角度）
と流出方向（出口角度）とを求め、回転軸を中心とする
円筒面で羽根を切断したときの断面における中心そり線
の形状を、無衝突流入方向と略同方向となる羽根前縁部
側の直線部と、流出方向と直線部とを連続させる曲線部
とを備えた形状とする。この場合、切断する円筒面の半
径（回転軸からの距離）は、羽根内径から羽根外径まで
変化させる。

【００１１】従って、回転軸からの半径方向のほぼ全域
において、羽根前端部の接線方向が無衝突流入方向とほ
ぼ一致し、羽根前端部から流入した気体が直線部に沿っ
て流れて曲線部に案内されるので、損失の無い理想的な
流れに近い流れとすることができる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の軸流ファンであって、前記曲線部は、前記流出方向と
略同方向となる流出方向線と前記直線部の双方に接する
曲率一定の円弧であることを特徴とするものである。

【００１３】請求項２に記載の発明では、羽根の設計
は、曲線部を、流出方向と略同方向の流出方向線と直線
部との双方に接する曲率一定の円弧とした点を除き、請
求項１に記載の発明と同様に行うので、請求項１に記載
の発明と同様に、損失の無い理想的な流れに近い流れと
することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図７に基づいて説明する。

【００１５】図１は本発明の実施の形態に係る軸流ファ
ンの前面形状を示す全体正面図、図２は図１の羽根の前
面形状を示す拡大図、図３〜図５は図２の羽根を回転軸
を中心とする円筒面で切断したときの断面（同径断面）
における中心そり線の形状を示す断面図であり、図３は
羽根内径（半径Ｒ1 ）の円筒面における中心そり線、図
４は半径Ｒ2 （Ｒ1 ＜Ｒ2 ＜Ｒ3 ）の円筒面における中
心そり線、図５は羽根外径（半径Ｒ3 ）の円筒面におけ
る中心そり線である。また、図６は羽根の設計で用いる
速度三角形であり、図７は図１の軸流ファンの側断面図
である。ここで、前面形状とは、回転軸と直交する平面
へ投影したときの軸流ファンや羽根の形状をいう。

【００１６】図１に示すように、この軸流ファン１１
は、図示外のモータによって駆動される回転軸１３と、
回転軸１３に伴って回転する羽根車１５とを備えてい
る。羽根車１５は、回転軸１３に支持されるボス部１７
と、ボス部１７の外周面から回転軸１３の径方向に突設
された３箇所の羽根取付部１９と、各羽根取付部１９に
取り付けられた３枚の羽根２１とを有し、羽根取付部１
９及び羽根２１は、回転軸１３を中心とした周方向にほ
ぼ等間隔にずれて設けられている。

【００１７】羽根２１は、三次元的に変化する薄肉板体
であり、回転軸１３を中心とする円筒面で切断したとき
の断面（同径断面）における中心そり線が、図３〜図５
に示すように、羽根前端部２１ａ側に設けられた直線部
Ａと、羽根後端部２１ｂ側に設けられた曲線部Ｂとを備
えた形状に形成されている。直線部Ａは、羽根２１の表
面への気体の無衝突流入方向としての入口角度βｉ（β
i1，βi2，βi3）と略同方向に設定され、曲線部Ｂは、
羽根２１の表面からの気体の流出方向としての出口角度
βｏ（βo1，βo2，βo3）と直線部Ａとが連続するよう
に、出口角度βｏと直線部Ａとに接する曲率一定の円弧
に設定されている。ここで、入口角度βｉ及び出口角度
βｏは、共に水平面との間に形成される角度で示してあ
る。なお、本実施の形態では羽根２１を薄肉板状とした
が、他の翼形状に適用することもでき、薄肉板状の羽根
２１では同径断面における中心そり線が断面形状とほぼ
一致するが、他の翼形状に適用した場合には必ずしも一
致しない。

【００１８】また、この羽根２１は、いわゆる前進角δ
θ と前傾角δz とを有している。

【００１９】前進角δθ とは、次式（１）で表される
角度をいう（図２参照）。

【００２０】

【数１】 式（１）中において、δθtは、回転軸１３と羽根内径
（半径Ｒ1 ）における翼弦線中心点Ｐb （ｅ）とを通る
基準線ｘと、羽根外径（半径Ｒ3 ）における翼弦線中心
点Ｐt とを通る直線とのなす角度、Ｒは任意の半径、Ｒ
1 は羽根内径（半径）、Ｒ3 は羽根外径（半径）であ
り、前進角δθ は、回転軸１３と任意半径Ｒにおける
翼弦線中心点ＰR とを通る直線と、基準線ｘとのなす角
度となる。すなわち、前進角δθ を与えることによ
り、羽根２１の前面形状は、外径側ほど回転軸１３の回
転方向Ｓに大きく張り出した形状となる。

【００２１】また、前傾角δz とは、次式（２）で表さ
れる角度をいう（図７参照）。

【００２２】

【数２】 式（２）中において、Ｌｓは、羽根内径（半径Ｒ1 ）に
おける翼弦線中心点Ｑb を通り回転軸１３と直交する平
面Ｓc と、任意半径Ｒにおける翼弦線中心点ＱR との距
離である。すなわち、前傾角δz を与えることにより、
羽根２１全体が回転軸１３に対して直角よりも吸込み側
に傾斜した状態となる。なお、図７中Ｑt は、羽根外径
（半径Ｒ3 ）における翼弦線中心点を示している。

【００２３】羽根２１の設計は、風量Ｑ、静圧Ｐｓ、羽
根外径（直径）Ｄｏ、羽根内径（直径）Ｄｉ、羽根枚数
Ｚ、及び羽根回転数ｎを設定し、前記前進角δθ 及び
前傾角δz を定めて羽根２１の前面形状及び回転軸１３
を含む断面形状を決定し、さらに、同径断面における中
心そり線の形状を決定することにより行う。

【００２４】同径断面における中心そり線の形状は、直
線部Ａの方向となる入口角度βｉと、曲線部Ｂの羽根後
端部２１ｂの接線方向となる出口角度βｏと、翼弦長と
によって一意的に定められる。ここで、翼弦長は前面形
状によって一意的に定まるので、入口角度βｉと出口角
度βｏとを求めれば、同径断面における中心そり線の形
状が幾何学的に決定できることになる。

【００２５】図６に示すように、入口角度βｉは気体の
平均軸流速度Ｃｍと流入速度ｗ1 とが形成する速度三角
形に、出口角度βｏは気体の平均軸流速度Ｃｍと流出速
度ｗ2 とが形成する速度三角形にそれぞれ図解され、入
口角度βｉは次式（３）に、出口角度βｏは次式（４）
によってそれぞれ求められる。

【００２６】

【数３】 式（３），（４）中において、Ｃｍは次式（５）によっ
て求められる平均軸流速度、ｕは羽根回転数ｎと半径Ｒ
とによって求められる任意半径Ｒでの回転速度、ΔＣｕ
は次式（６）〜（８）によって求められる速度減少量で
ある。

【００２７】

【数４】 式（５）〜（８）中において、Ｑは風量、Ｄｏは羽根外
径（直径）、Ｄｉは羽根内径（直径）、Ｇは重力加速
度、ｕは半径Ｒでの回転速度、ηｔは羽根の効率、Ｐｔ
は静圧Ｐｓ＋動圧Ｐｄで求められる全圧、γは空気比
重、ｖは通過風速、Ａは通気部分の断面積（吹出穴部の
断面積）である。

【００２８】ここで、式（３），（４）において、平均
軸流速度Ｃｍは一定の値となるが、回転速度ｕと速度減
少量ΔＣｕとは半径Ｒ（回転軸１３からの距離）によっ
て変化するため、入口角度βｉ及び出口角度βｏは、共
に半径Ｒによって異なってくる。

【００２９】例えば、設計条件を、風量Ｑ＝０．４ｍ³
／sec （２４ｍ³ ／min ）、静圧Ｐｓ＝３mmＡｑ、羽根
外径Ｄｏ＝０．３ｍ（半径Ｒ3 ＝１５０mm）、羽根内径
Ｄｉ＝０．１２ｍ（半径Ｒ1 ＝６０mm）、羽根回転数ｎ
＝１４５０ｒ／ｍ、空気比重γ＝１．２kg／ｍ³ とし、
前進角δθ を内径側から外径側にほぼ３０°〜４０°
の範囲で増加させ、前傾角δz を内径側から外径側にほ
ぼ６．７°〜８．４°の範囲で増加させた場合、羽根内
径（半径Ｒ1 ＝６０mm）では、図３に示すように、入口
角度βi1＝２４°、出口角度βo1＝４８°、曲線部Ｂの
曲率半径Ｒａ＝１８３mmとなり、半径Ｒ2 ＝９０mmで
は、図４に示すように、入口角度βi2＝２１°、出口角
度βo2＝４５°、曲線部Ｂの曲率半径Ｒｂ＝２７５mmと
なり、羽根外径 （半径Ｒ3 ＝１５０mm）では、図５に
示すように、入口角度βi3＝１４°、出口角度βo3＝３
４°、曲線部Ｂの曲率半径Ｒｃ＝４３５mmとなる。な
お、図３中のａ〜ｉは、図２中のａ〜ｉに対応する点の
位置を示している。また、図３〜図５中のα1 ，α2 ，
α3 は、それぞれの同径断面における翼弦と水平面との
なす角度（抑え角）を示し、α1 ＝３２°，α2 ＝２９
°，α3 ＝２０°となる。

【００３０】このように、本実施の形態では、容易な設
計手法によって三次元的な羽根２１を設計することがで
きるので、設計の効率化を図ることができる。

【００３１】次に、従来の軸流ファンとの比較におい
て、本実施の形態の作用及び効果を説明する。

【００３２】騒音についての比較対象とする従来の軸流
ファンとしては、特に図示しないが、同径断面における
羽根形状が円弧となるいわゆる円弧翼で、前進角δθ
が４０°〜５０°の範囲に、前傾角δz が１２．５°〜
３２．５°の範囲にそれぞれ設定されたものを用いる。
この従来の軸流ファンは、いわゆる円弧翼であるため、
羽根前端部の接線方向は無衝突流入方向とは一致してい
ない。一方、本実施の形態に係る軸流ファン１１は、前
記設計条件で設計したものである。

【００３３】騒音についての測定結果は、以下の通りで
ある。

【００３４】従来の軸流ファンでは、風量Ｑ＝０．４４
ｍ³ ／sec （２６．５ｍ³ ／min ）、静圧Ｐｓ＝０mmＡ
ｑの運転条件において、騒音レベルが４０．７ｄＢ
（Ａ）と測定された。

【００３５】一方、本実施の形態に係る軸流ファン１１
では、風量Ｑ＝０．５ｍ³ ／sec （３０．０ｍ³ ／min
）、静圧Ｐｓ＝０mmＡｑの運転条件において、騒音レ
ベルが４１．７ｄＢ（Ａ）と測定された。

【００３６】ここで、従来と本実施の形態とでは、運転
条件が相違するため、両者の騒音レベルを単純に比較し
ても、その優劣を判断することができない。従って、次
式（９）に従って比騒音を求めてこれを比較する必要が
ある。

【００３７】

【数５】 式（９）中において、Ｑは風量、Ｐｔは全圧であり、全
圧Ｐｔは次式（１０）に従って求められる。なお、式
（１０）中において、Ｐｓは静圧、Ｐｄは動圧、ｖは通
過風速、Ａは通気部分の断面積（吹出穴部の断面積）で
ある。

【００３８】

【数６】 以下、前式（９），（１０）に従って比騒音を求める。

【００３９】従来の場合、Ｐｓ＝０mmＡｑ、Ｑ＝０．４
４ｍ³ ／sec 、Ａ＝π／４×（０．３０６ｍ）² を式
（１０）に代入すると、Ｐｔ＝２．２０mmＡｑとなり、
このＰｔ及び前記Ｑと騒音レベル＝４０．７ｄＢ（Ａ）
を式（９）に代入すると、比騒音＝１９．６ｄＢ（Ａ）
となる。

【００４０】一方、本実施の形態の場合、Ｐｓ＝０mmＡ
ｑ、Ｑ＝０．５ｍ³ ／sec 、Ａ＝π／４×（０．３０６
ｍ）² を式（１０）に代入すると、Ｐｔ＝２．８３mmＡ
ｑとなり、このＰｔ及び前記Ｑと騒音レベル＝４１．７
ｄＢ（Ａ）を式（９）に代入すると、比騒音＝１７．９
ｄＢ（Ａ）となる。

【００４１】なお、従来及び本実施の形態において、Ａ
を求める際に使用した０．３０６ｍは、断面円筒状の吹
出穴部の直径である。

【００４２】係る結果より、本実施の形態に係る軸流フ
ァン２１の方が、同一の静圧Ｐｓ＝０mmＡｑで風量Ｑが
多いにもかかわらず、比騒音が小さく抑えられているこ
とが分かる。これは、両者の羽根２１の同径断面におけ
る中心そり線の形状の相違から、本実施の形態の方が、
従来よりも損失の無い理想的な流れに近い流れが形成さ
れていることに起因した結果といえる。

【００４３】すなわち、本実施の形態によれば、同径断
面における中心そり線を、羽根前端部２１ａ側に設けら
れた直線部Ａと、羽根後端部２１ｂ側に設けられた曲線
部Ｂとを備えた形状としたので、回転軸１３からの半径
方向のほぼ全域において、羽根前端部２１ａの接線方向
が無衝突流入方向とほぼ一致し、羽根前端部２１ａから
流入した気体が直線部Ａに沿って流れて曲線部Ｂに案内
される。このため、吸込み側から吹出し側へ損失の無い
理想的な流れに近い流れを形成することができ、ファン
性能の向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることが
できる。

【００４４】また、羽根２１の設計において、容易な設
計手法によって三次元的な羽根２１を設計することがで
きるので、設計の効率化を図ることもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１又は請求
項２に記載の発明によれば、回転軸からの半径方向のほ
ぼ全域において、羽根前端部の接線方向が無衝突流入方
向とほぼ一致し、羽根前端部から流入した気体が直線部
に沿って流れて曲線部に案内されるので、損失の無い理
想的な流れに近い流れとすることができ、ファン性能の
向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることができ
る。また、容易な設計手法によって三次元的な羽根を設
計することができるので、設計の効率化を図ることもで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る軸流ファンの前面形
状を示す全体正面図である。

【図２】図１の羽根の前面形状を示す拡大図である。

【図３】図２の羽根の羽根内径（半径Ｒ1 ）における同
径断面の中心そり線の形状を示す断面図である。

【図４】図２の羽根の半径Ｒ2 （Ｒ1 ＜Ｒ2 ＜Ｒ3 ）に
おける同径断面の中心そり線の形状を示す断面図であ
る。

【図５】図２の羽根の羽根外径（半径Ｒ3 ）における同
径断面の中心そり線の形状を示す断面図である。

【図６】羽根の設計で用いる速度三角形である。

【図７】図１の軸流ファンの側断面図である。

【図８】従来例の前面形状の拡大図である。

【図９】他の従来例の側面図である。

【符号の説明】

１１ 軸流ファン １３ 回転軸 ２１ 羽根 ２１ａ 羽根前端部 ２１ｂ 羽根後端部 Ａ 直線部 Ｂ 曲線部 βｉ 入口角度（気体の無衝突流入方向） βｏ 出口角度（気体の流出方向）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を中心として複数の羽根が周設さ
   れた羽根車を有する軸流ファンにおいて、 前記回転軸を中心とする円筒面で前記羽根を切断したと
   きの断面における中心そり線の形状を、羽根前縁部側に
   設けられ羽根面への気体の無衝突流入方向と略同方向と
   なる直線部と、羽根後縁部側に設けられ羽根面からの気
   体の流出方向と前記直線部とを連続させる曲線部とを備
   えた形状としたことを特徴とする軸流ファン。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の軸流ファンであって、 前記曲線部は、前記流出方向と略同方向となる流出方向
   線と前記直線部の双方に接する曲率一定の円弧であるこ
   とを特徴とする軸流ファン。