JPS6165096A - 軸流羽根車 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、換気扇やエアコンなどに用いられる軸流ファ
ンに係り、特にその空力騒音を極限まで低くする事を可
能にした他流羽根を提供するものである。

〔従来技術〕

軸流ファンは、空調機や、換気間などに幅広く使われて
おり、そのファンから発生するＮ音をできる限り低くす
る四け１社会的に非常に色太である。しかしながら、フ
ァンから発生する騒音を極力低くシ、かつ、ファンの空
力性能を落さないような低騒音ファンの設計手法は確立
されておらず個々の製品に対応したその場限りの試行錯
誤的な設Ｓｔ手法がとられて来た。

それらの従来技術の中で、特公昭５Ｇ−３９２４１号に
見られるような羽根車の前面形状を回転方向に張り出し
たような形状にするなどの手法が多く用いられていた。

第１図は、その特許による羽根車の前面形状全示すもの
で、（１）は羽根車の羽根。

（２）は羽根］１）をとりつけるボス、　（ｌａ）は羽
根ＩＩ＋の先端部＋　（Ｒｔ）は羽根車の外径半径、（
Ｒ）は羽根先端部Ｍ（ｌａ）の半径である。

従来のこの形態の羽根車の場合、外周部の位置の決め方
、及び前縁邪の決め方に関し、明確な判断基準はなく、
単に前面形状の特異性のみから形状を規定する等の方法
がとられていた。

第１図において２羽根先端部（１ａ）は半径比Ｒ，／Ｒ
Ｔ−ａ８８　の所にあり１羽根車の外周部近くＲ６／　
ＲＴ　Ｉ＝ＩＬ　Ｏの所にない事により、最も仕事量の
大きい羽根外周部の面積を実質上減らす事になり、空力
性能の低下を招き、騒音が増大する。

軸流ファンにおける羽根先端部は、空力酌に見て非常に
Ｍ９であり、その形状が回軸方向に対して大きなＲ形状
を持つという事は、流れに対して大きな抵抗になり１羽
根前縁先端部での前縁剥離の誘引となり２羽根面から発
生する騒音を増加させる事になる。又、従来の羽根車で
は羽根に対する流れを単なる２次元流れと考え形状を決
めているため、開放点における５６．１Ｂ特注の改善は
できるにしても、実際のファンの使用形態である静圧印
加時における騒音特性を大巾に改善する事はできない。

したがって、背分１）ｉｉ５０　３７２４１号のような
形状のファンでは１羽根形状に対する３次元的な扱いか
全くなされていないので、ファン構成？このようにして
も、騒音特性金飛蹄的に向上させ。

超低騒音の軸流ファンを會イ成する事はできない。

〔発明のｉｌＦ、要〕

本発明では、従来の軸流ファンの持っていた欠点を改善
すべくなされたもので２羽根車の３次元的形状を明確化
する事により、現在まで存在し得なかった超低騒音の軸
流羽根を提供する事を目的とするものである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を図にて説明する。第２図は。

３枚羽根形状の本実施例による軸流ファンの斜視図で、
（１）は３次元形状を持つ羽根、（２）は羽根ｆｉ＋を
とりつけるだめのボス、（３１は羽根車の回転軸、（４
）は回転方向である。この羽根は１図から見てもわかる
ように１羽根形状が独特なもので、今までに存在しなか
った形状である。

それでは、具体的に本発明による他流ファンをｍ　ＩＢ
Ｍする因子を示す。この羽根は、ファンを６ダ成する諸
因子を明確化する慣により羽根の３次元形状を具体的に
定義する事ができるようにしたもので、膨大なパラメー
タ試験の結果より得られた尋適形状である。軸流ファン
の三次元形状を決めるための重要なパラメータとして本
発明では１羽根の翼弦８中点Ｐ　の位置Ｉを規定してい
る。

第３図は１回転・１市（３）と直交する平面に１羽根ｉ
ｌｌ全投影した時の投影図で、（１）は羽根ＩＩ＋の投
影面上の羽根形状、（２）はボス、（３）は回転軸であ
り。

回転軸（３）から半径Ｒの円筒面で羽根＋ｌ＋を切断し
た時の投影面における円弧”ｂ　Ｐ＋　’ｃ　　は羽枦
断面点であり、投影面における翼弦線中心点となる。

投影面におけるＰｌ　　の位置を明確化するために。

半径Ｒｂの円筒訃で１羽根（１）を切断した時の投影面
におけるボス部翼弦睨中心点全Ｐｌ）　　とし１回転軸
（３）の投影面における位置０とを結ぶ直線ｏｐ。

ｆｘ軸、Ｏｆ！：ｉ’ｆＣ点とする座標系を投影面上に
形成する。前記座標系において、直ｓｏｐ　　とＸ＠と
のなす角変？δ、とし、距離をＲとすれば、Ｐｌの位置
は、（Ｒ１δ、）という極座標で表現できる。

この様にして、翼弦線中ＩＤ点Ｐ、の位置を回転軸（３
１と直交する平面上で定義できたので１次に軸方向位置
を定義する。嬉４し１は、第３図における翼弦線中心点
Ｐ　のボス部の点Ｐ、から外周部でのＡＰｆでの半径方
向の軌〃］・ｐ、　ｐｌｐ、　　について、各半径点に
おけるμ張線中心点Ｐ１を回転＠Ｈｌ：３１と、第３図
におけるＸ軸とり両直鍼で定読される平面Ｏｘ　面□□
□、半径Ｒで回転投影した。翼弦線ｃＰｊ１．７魚Ｐ、
の半径方向分布及び１羽根（１；の同一位置での断面ｔ
７廖す。そこで、ボス（２）の外局部における羽根ｍｏ
列注線中ノし・蕉Ｐ５を治り１回転軸（Ｊ）と直交する
平面Ｓ　面？渚える。任意の半径Ｒにおける翼弦続中Ｉ
Ｄ点？Ｐ　とする時１ｍＩ記Ｓ平囲と、Ｐ　点との距Ｐ
ｉｊＥｋｔｓ　ｒ　ｐ　＋　ｐ　ｂと８０十面りなす角
度ｔδ　とすれは、ｔ　又はδ　全規定し半径Ｒを決め
てやれば１回転軸方向の一５玄→中心点Ｐ、の位置も規
定できる。

桐戦車？構成するためにケよ、前記義弦蝕中心魚Ｐ１を
相対りな糸点とし、そこにそり金持った羽根断面を形成
し１羽根面全体を滑らかな曲面にすればよい。

第５図は、翼弦酵中上点Ｐ１金相対原点として。

羽根面を形成した時１羽根中を半径Ｈの円筒面で切断し
、そのし１面を平面状に展開した時の雇開口を示す。羽
根（１）のそり線（５）は２本実施例では、−円弧を用
いているので、その円弧を形成するための中心角をθ１
円弧を形成する半径’ｊｚＲＲ，羽根°　　の前縁をＣ
１ｂ）ｒ後縁を（１〕とする。羽根の取り付は位置は、
翼弦線１ｂ−１，と回転軸（３）と平行な直線（６）と
の角問ヲξとし、ξを半径方向に分布をもたせる事によ
り決定する。ｌは翼弦長で、第６図に示した羽根間の円
周方向距離ｔを用い１／１というパラメータで、半径方
向の羽根の大きさを限定する。このように５つのパラメ
ータ全独自の呟にすることにより、超１．１ｔＥｌｋ音
の軸流羽根が得られる廖を次に示す。

ファン金低騒音化する場合、最も簡単な方法は。

回転数を落してファンの気流音上下げる方法である。し
かし、この方法をとると音は下がるが、ファンとしての
基本的な機能が大巾に低下する。すなわち、風なが低下
し、静圧上昇が得られなくなってしまう。そこで２羽根
車のフローパターンを自由渦（羽根のボス部から外周部
まで一様に仕事をさせる。この場合は、流線の半径方向
分布け。

入口から出ロクではシ一定である）から１周速の大きな
羽根外周部で大きな仕事をさせる強制渦形式のフローパ
ターンにして、風ｒｔ　ｌ静圧を落さずにファンの回転
数２下げＣ＆音を下げようとしていた。

し力化１羽根面に流入する空気は、外部から強制力を与
えない限り、自らのフローパターンが４％のないボテン
ノヤル流となっている。したがって。

羽根車の翼同流れ全強制渦形式にしても、刀根に流入す
る前の流れは、自由渦的（渡れの軸Ｉハコ人速度は１羽
根車の各半径位置において一定）に流れているので、強
１）ｉｌＪ渦で設計した羽根車にとっては。

羽根車のボス近くではｇ７図に示すように相対的ｂｉ＋
、人角Ｃが大きくなる。羽根（１］に対する無衝突流入
用はｒであるから、と〉ｒの傾向が傭いので。

羽根車中ケζ流入する流れ（７）は２羽根の圧方面（５
ｂ）で、　ｌＩ：Ｉ　；ｔｇ　ｆ（Ｉ離ｔｌ−起し、剥
離域（８）が増大する事により１羽、根から発生する広
帯域ｙ・ｋ音が増大する。この傾向は、風扇が多い開放
点近くで特に顕著になる。ナなＪりち、凪縫が増加する
小により、相対流入角εが増々大きくなり、剥［、！を
域ｔ８＋がＰ、９加するからである。

したがって、開放点近くでの騒音を下げようとして１羽
根の取り付は角ξを大きくして行くと。

静圧が印加された場合、逆に迎え角αが大きくなり過ぎ
て、負圧面（５ａ）からの剥離が生じ羽根は失速する。

そこで、開放点近くでの騒音も低くシ、静圧が印加され
た時の騒音も低くするためＫは９羽根の前縁形状を、醍
適化する必要がある。

本発明では、前記特性を得るために、翼弦線中心点の３
次元的分布状態を規定し２羽根単２体形Ｖ、を決めるも
のである。そこで本発明における基本羽根形状を決める
パラメータの値を次に示す。

δ　−２１５″　　　（半径方向一定）ｔ−Ｒｂ Ｒ，−Ｒｂ ｔ／ど　ｔｏｓ　　　　（半径方向一定）基本羽根では
、δ、の半径方向分布を半径Ｒに対して線形にしている
ので、第３図における翼弦線中心点ｐＫおける］弦、埠
中心点軌跡ｐｂ−ｐ、　−Ｐｔ　　の接線と半径Ｒとの
なす角度Ｐθ　はボス部から羽根先端に向うに従い、急
激にその角度が増大する。それに加えて、Ｒ張線中心点
Ｐ、をδ　−２２，５°になるように配置した事により
。

羽根＠縁部での流れに対して２羽根の実質的そり線形状
は（５Ｃ）のようにそり角θが小さくなった状態になる
。即ち１羽根前縁に流入する流れにとっては、実質的な
羽根上の流線形状は１羽根が回転している事により、流
体に対して遠心力が働くので、半径方向に直交方向から
流入する形態ではなく、やや外周方向へ向いた第３図に
おける（７）のような形態で流入するため、相対的に羽
根前縁と、少し羽根面に入って所での流線位置が、４１
）方向に対して余り変化する事がない状態になる。この
ような流線形態になると１羽根に流入する流れ（７）が
、無衝突で流入する状態すなわち、ｔ　′＝１７という
状態を達成する事ができ、圧力面側での剥離領域（８）
は消滅し、騒音の発生が非常に小さくなる。

δ２とａ、との組み合せは、基本形のものが最も良いが
、ファンを設計する上で軸方向寸法の制限などによって
、この値を変更して使わなければならない場合もある。

そこで、実検的に各々のパラメータを最適な値としてお
き、他方の値を変えた羽根を数Ｆ１）店製作し実検した
結果、第８図、第９図のような結果が得られた。第８図
から判るように、δ　の値は、１）５°〜３２．５°の
間にあれば。

最小比騒音レベルＫ　の匝は充分小さく、非常に低騒音
である。又、開放点の騒音レベルだけ見ると、δ　が犬
きくなればなる程騒音レベルは低下しているが、δ　−
３１５６以上でのその低下度が飽和しており１強度面か
ら見てもδ　の最大値は３２．５”である。第９図では
δ、の値による比騒音レベルの変化と開放点での騒音レ
ベルの変化を示している。図からも判るように、δ、）
４０’の条件ｔ−漕たせは騒音レベルは非常に低下する
。実質的Ｋｔｉ、δ、は大きい方が騒音は低下する傾向
にあるが１曲げ強変の点から見て、最大５０１糧度が限
界である。従ってδ、−４０”〜５０１の所に値が存在
すれば、騒音は充分低くする事ができる。

又、＠縁形状をＩｎｋ　Ｊ化するために前記のようにδ
、とδ２に半径方向に分布を持たせたため１羽根面が全
体的に吸込み、ｍｑに傾斜する部分が多くなり、そのた
め１羽根面上を円弧上の軌跡を描きながら遭遇して行く
翼間流により、遠心力が羽根負圧面に大きく作用する。

即ち、第４図において遠心力（９）の負圧面側法線分力
（９ａ）が負圧面（５ａ）上に発達する速聞境界層に対
して、大きな圧縮力となり、境界層を非常に薄くできる
。負圧面（５ａ）側から発生する受力騒音は、境界層厚
さに線形で比例するため、境界層を薄くできるという事
は。

発生騒音を低下させる事になる。それに加えて。

境界−に負圧面側法線分力（９ａ）のような圧縮力が作
用するため、低風（・Ｆ域における羽根の迎え角増大に
よる。負圧面（５δ）上の境界Ｉ？′ｊ剥離に対して２
強い抑制作用を生じ２羽根が失速し難くなり。

より広い動作領域を得る事ができる２ 次に羽根の機能要素の１つであるそり角θ及び取りりけ
角ξの分布について述べろ。そり角θは。

円弧翼形状の羽根車の場合２羽根の翼素が行う仕事はを
決定する重要な縫である。一般には、θが大きければ大
きい程羽根は同一回転時により多くの仕事をするが、θ
が大きくなると騒−１−♀も増大するＩＱＩ向にある。

そこで、他のパラメータはすべて基本形のものを使い、
θの分布のさせ方ｆ！：変えた数種類の羽根について騒
音を測定した結果、第１０図を得た。すなわち。

という分布式において、θｂ−３２°として実倹すると
、比騒音レベルはθ、−２０°〜３０°の所で。

充分小さくなり、非常に低騒音の羽根になる事がわかる
。なお図示していないが、θ５の値上２７゛〜３７゛　
まで変化させても、このｉＲ回は変らなかっだｊ（を付
記しておく。

羽根の取りつけ角ξの分布についても、前記したように
δ、とδ２を最適化し１羽根前級部でのフローパターン
を自由渦形式に近いものにしているので、相対的流入角
εに閂し１羽根の取りつけ角ξも強いＩｊｌｉｉｌを与
える。そこで２羽根のとりつけ角ξの分布のさせ方を として他のパラメータをすべて基本形状としていくつか
の羽根に対して、騒音ｔ　ｉｌｌ、１）定してみると。

第１）図のような結果が得られた。図から１）」るよう
に、ξ、−６２°〜Ｔ２°とすれば非ざに低電音の７ア
／が得られる宴が明確である。又１本発明では１節Ｃ凌
化ｔ／ｌ−１，０５としている。すなわち、同−仕ｆＪ
Ｇ　Ｔｒｃに対して只弦長ｌが長ければ長い程そり角θ
を小さくできるので騒音が低下するのは第１０図から見
ても明らかである。しかしながら、一枚の板からプレス
等を用いて羽根を形成するような場合、ｔ／１−ＬＯが
限界であり、プラスチック成形する場合でも低度な羽根
の場合型の関係からこの値が限界となって来る。他方、
　ｔ／ｌｔ−大きくする憂は前記したように、電音を増
大させる原因となる。したがって、ｔ／ｌの最大値とし
ては騒音の悪化分が２ホン程度で済む１／１−１）が限
界値となる。なン半径方向のｔ　／　ｔ　１７）分布に
ついては２羽根面＠緑を前記したように特殊形状とする
だめ、半径方向にはシ一定とするのが良く、ｐ＃に外周
部で１　／　／、を榎端に大きくする°１Ｓは、騒音の
増大全相く。

強度面から本発明による肉流羽根を見ると、基本的に汎
弦ｌｖ４中Ｉし点金円裡台「田土に配列したト？造であ
り、そり角θの分布のし方を外周部で２４．５’。

ボス部で３２”としたため０羽根の全体形状は半径方向
に対してわん曲した曲面形状となり、従来の平面形状の
羽根に比べて外宮に佃げゆ託が増加している。そのだめ
、従来品では３朋斤以上の板を使わなければいけなかっ
た羽根に対しても２１）１８程度の板で羽根を病成すれ
ば良いので、材料コストが非常に下げられる。又１羽根
厚みを薄くできるため、ファンの型針軽減化する事がで
き、このためモータの負荷を低減でき、より小さな出力
のモータで駆動する事が可能となり、省エネルギ化が図
れる。又１羽根弁圧面の境界層を強く圧縮できる構造に
したため１羽根面上に生じる二次流れも抑制できるだめ
、効率の増加するなど利点も有する。

なお本実施例は羽根枚数３枚のもつについて述べたが８
必伯パラメータを前；弓のようにすれば羽根枚数によら
ず同様の効果か出るｒｓを付記しておく。

〔発明の効果〕

以上で述べた本発明によれば、羽根車の必須パラメータ
、δ２　、δ６．θ、ξ、ｔ／ｌを蒔適化したがＵ流羽
根を＋に成したので犬１へ寸、冒静圧でしかも、・田低
騒音のｌｌｌ１ｌｌ流羽根を提供する債ができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ｆ−７１Ｆ′ｉ従来の仙流羽髪の前面形状図、第２
図は本発明の一実施例による軸流羽根のｆ！＋視図、第
３図は上記１実綺例におけろδθの定電や、を示す前面
形状図、＠４国はδ〜の定稍を示す回転軸を含む平面に
対する回転投影図１Ｍ５図は羽根の翼断面を示すＶｒＷ
１図、第６図は１羽根の相互位置を示す前面形状図、第
７図は羽根に対する流れの相対関係を示す羽根断面Ｍ、
第８図けδ　の変化に対する比腫音レベルと、開放点騒
音レベルの＠を示す実験結果による特注図、第９図はδ
、の変化に対する比騒陛レベルと開放点騒音レベルの１
直を示す実験結果による特性図、第１０図はθ　の変化
に対する比騒汗レベルと開放点騒音レベルの値を示す実
検結果による特性図、第１）図はξ　の変化に対する比
騒廿レベルＫ　と開放点騒音レベルの１直を示す実験結
果による特性図である。 図中、（ＩＩ・・・羽根、（１）・・・前面投影図にお
ける羽根、（１ａ）・・・羽根先端、（１ａ“）・・・
前面投影図における羽根先端、　（１ｂ）−・・羽根前
縁、（１ｂ’）・・・前面投影図における羽根前縁、　
（ｊｃ）・・羽根後縁、（ｊｃ’）・・・＋ｉｉＴ面投
影図ｐｃあ・ける羽根先ｔ★、（２）・・・ボス、（３
）・・・回転ｉａｌ　、　＋４１・・・回転方向、（５
）・・・そり線、（５ａ）・・羽根負圧面、　（５ｂ）
・・羽恨圧力面、　（５Ｃ）・・相対的そり線。 （６）・・・回転軸平行線、（７）・・・羽根面流入ベ
クトル、（８１・・・圧力面側剥離領域、（９）・・・
翼間流れによる遠心力。 （９ａ）・・遠心力の羽根負圧面法線分力、　（９ｂ）
・・・遠心力の羽根負圧面平行分力。 ＲＴ・・・羽根外周部半径、Ｒ，・・・羽根先端位置半
径。 Ｒｂ・・・ボス部の半径、Ｒ・・・半径、Ｐｌ・・翼弦
線中心点。 Ｐｌ・・・前面投影図における翼弦線中心点、Ｐｔ・・
・羽根外周部の翼弦線中心点、Ｐ、・・・前面投影図に
おける羽根外周部の翼弦線中心点、Ｐｂ・・・ボス邪外
周の翼弦線中Ｉシ・点、Ｐｂ・・・＃面投影図における
ボス部外周の４弧線中心点、０・・・前面投影図におけ
るボスの原点、工・・・Ｘ軸２δ、・・・半径Ｒにおけ
る列弦線中心点のＸ軸に対する角度、Ｓｏ・・・Ｐ、を
通り回煽軸と直交する平面、ｌ・・・半径Ｒの翼弦線中
心点と８平面との距ｉ）准、δ・・・Ｓ平面と線分Ｐｂ
・Ｐ、のなす角度、ｔ・・・翼弦長、θ・・そり角、ξ
・・・羽根取り付は角、　ＲＲ・・・円弧羽根の基準半
径、ｔ・・・羽根の周方向取り付はピッチ。 なお１図中同一群号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸を中心とする半径Ｒの円筒面で羽根車を切
   断した時の断面における翼弦線中心点Ｐ＿１と、羽根の
   ボス部を半径Ｒ＿ｂの円筒面で切断した時の断面におけ
   る翼弦線中心点Ｐ＿ｂをとうり回転軸と直交する平面Ｓ
   ＿ｃとの距離をｌ＿ｓとした時、空気流の吸込み方向を
   正方向とした座標系においてＰ＿１点をＳ＿ｃ平面に対
   して常に正方向に位置させ、δ＿ｚ＝ｔａｎ＾−＾１＝
   ［ｌ＿ｓ／（Ｒ−Ｒ＿ｂ）で表現できるδ＿ｚの値をδ
   ＿ｚ＝１２．５°〜３２．５°とし、 かつ、回転軸と直交する平面に羽根面を投影した時の投
   影面において、羽根のボス部を半径Ｒ＿ｂの円筒面で切
   断した時の断面における翼弦線中心点Ｐとし、羽根車の
   回転軸を原点Ｏとして、前記Ｏ点とＰ＿ｂ′点を結ぶ直
   線をＸ軸とした座標系で、羽根面を半径Ｒの円筒面で切
   断した時の翼弦線中心点をＰ＿１′として直線Ｐ＿１′
   −ＯとＸ軸のなす角度をδ＿θとした場合、δ＿θの半
   径方向分布をδ＿θ＝（δ＿θ＿ｔ−δ＿θ＿ｂ）×［
   （Ｒ−Ｒ＿ｂ）／（Ｒ＿ｔ−Ｒ＿ｂ）］＋δ＿θ＿ｂ（
   Ｒ＿ｔ：羽根チップ半径、Ｒ＿ｂ：羽根ボス半径）で与
   え、 δ＿θ＿ｔ＝４６°〜５０°、δ＿θ＿ｂ＝−５°〜５
   °とし、かつ、羽根面を半径Ｒの円筒面で切断し、その
   断面を２次元平面に展開して得られる展開図において、
   その翼断面におけるそり線の形状を円弧形状とし、その
   円弧を形成するための中心角をθとした場合、θの半径
   方向分布を θ＝（θ＿ｔ−θ＿ｂ）×［（Ｒ−Ｒ＿ｂ）／（Ｒ＿ｔ
   −Ｒ＿ｂ）］＋θ＿ｂで与え、θ＿ｔ＝２０°〜３０°
   、θ＿ｂ＝２７°〜３７°、θ＿ｔ＜θ＿ｂとし、 前記展開図において、羽根の翼弦線と、回転軸と平行で
   翼の前縁を通る直線とのなす角度をξとするとき、ξの
   半径方向分布を ξ＝（ξ＿ｔ−ξ＿ｂ）×［（Ｒ−Ｒ＿ｂ）／（Ｒ＿ｔ
   −Ｒ＿ｂ）］＋ξ＿ｂで与え、ξ＿ｔ＝６２°〜７２°
   、ξ＿ｂ＝５３°〜６３°、ξ＿ｔ＜ξ＿ｂとし、 前記展開図において、羽根の翼弦長をｌとし、羽根と羽
   根との同一半径点におけるピッチをｔとしたとき、各半
   径点におけるｔ／ｌの比をｔ／ｌ＝１〜１．１とした事
   を特徴とする軸流羽根。