JPWO2013069397A1 - 車両用空気調和装置の室外冷却ユニット - Google Patents

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Abstract

吸い込み部12の吸い込み面の法線と吐き出し部13の吐き出し面の法線との成す角度が鋭角であって、筐体10の内部の空気の流れが略レの字状(略V字状又は略U字状)になるように構成された車両用空気調和装置の室外冷却ユニット100は、軸流送風機2の翼22が、翼22の内周端223から外周端224までの翼弦中心点225を結んで、回転軸を含む平面上に投影した翼弦中心線226が、半径方向の全領域で下流側に凸の曲線を成すように構成されている。

Description

本発明は、電車等の車両に搭載される車両用空気調和装置の室外冷却ユニットに関するものである。
これまでに車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの騒音を低減した技術として、以下のようなものが知られる。たとえば、「矩形形状の熱交換器の下流側にファンユニットが設けられ、ファンユニットは、ベルマウスおよび環状開口部を有するシュラウド、環状開口部内に配設されているプロペラファンおよびそれを回転駆動するファンモータを備えている車両用熱交換モジュールにおいて、ファンユニットは、モータ入力が所定レベル以下とされている1ファン構成のユニットとされ、プロペラファンには、羽根の根元側の圧力面および負圧面の双方に、各々周方向に沿って半径方向に所定の間隔を隔てて2組のウイングレットが立設されている」車両用熱交換モジュールが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の車両用熱交換モジュールは、上記のような構成を備えたことにより、空気流の剥離、及び、剥離した空気の流れが遠心力で半径方向に飛ばされることによる空気の流れの乱れを抑え込み、空力性能の悪化及び騒音の増大を抑制することができるというものである。
特開2011−85106号公報(第11頁、図2)
ところで、従来から、ベースと、吸い込み部と、吐き出し部からなる筐体に、吸い込み部の直下に配設された軸流送風機と、軸流送風機を囲繞するケーシングと、軸流送風機を支えるモーターと、吐き出し部に近接配置された熱交換器とを備え、吸い込み部の吸い込み面と吐き出し部の吐き出し面の互いの面の法線の成す角度が鋭角であって、筐体内部の空気の流れが略レの字状(略V字状又は略U字状)になるように構成された車両用空気調和装置の室外冷却ユニットが存在している。
このような車両用空気調和装置の室外冷却ユニットでは、軸流送風機の下流の内周側では空気が十分流れ込まないことにより死水域が形成され、また、軸流送風機の下流の外周側では、空気の流れが外周方向へスムーズに流れない(図11参照)。これにより、空気の流れの乱れが増大し、騒音が増大するという問題があった。
また、特許文献1に示されているような車両用熱交換モジュールでは、軸流送風機の空気の流れの乱れを抑える効果はあるものの、上記のような軸流送風機の下流の死水域や空気の流れの乱れの増大を抑制する効果については何ら記載されておらず、従来に比べて十分な低騒音化が実現されているとはいえない。
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、従来に比べて十分な低騒音化を図るようにした車両用空気調和装置の室外冷却ユニットを提供することを目的とする。
本発明に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットは、吸い込み部及び吐き出し部を有する筐体と、軸心まわりに回転するボス、及び前記ボスの外周部に配設される複数枚の翼を有し、前記筐体の上面の一部に開口形成されている前記吸い込み部の直下に配設される軸流送風機と、前記軸流送風機を囲繞するケーシングと、前記軸流送風機を支持し、前記軸流送風機を回転駆動するモーターと、前記筐体の前記吐き出し部に近接配置される熱交換器と、を備え、前記吸い込み部の吸い込み面の法線と前記吐き出し部の吐き出し面の法線との成す角度が鋭角であって、前記筐体の内部の空気の流れが略レの字状になるように構成された車両用空気調和装置の室外冷却ユニットにおいて、前記翼は、前記翼の内周端から外周端までの翼弦中心点を結んで、回転軸を含む平面上に投影した翼弦中心線が、半径方向の全領域で空気流の下流側に張り出した凸の曲線を成すように構成されているものである。
本発明に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットによれば、軸流送風機の翼の翼弦中心線が、半径方向の全領域で下流側に凸の曲線を成すように構成されているので、軸流送風機下流の空気の流れが内周方向と外周方向に拡散されやすくなり、内周側に形成される死水域を抑制できるとともに、外周側の空気の流れが外周方向へ滑らかに向かうようになる。したがって、空気の流れの乱れを抑制でき、低騒音化を実現できる。
本発明の実施の形態1に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの概略断面構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態1に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機2の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機の回転軸を中心とする円筒断面の平面へ展開した状態を示す展開図である。 本発明の実施の形態1に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機の半径方向の断面構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態2に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機の翼弦中心線の外周端における接線と回転軸に垂直な平面との成す角αと騒音低減量との関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態2に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機の翼弦中心線の内周端における接線と回転軸に垂直な平面との成す角βと騒音低減量との関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態3に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットのLf/Lhと騒音低減量との関係を示す関係図である。 本発明の実施の形態4に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの概略断面構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態4に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットのL1/L2と騒音低減量との関係を示す関係図である。 従来の車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの断面図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、参照符号については、図1〜図10において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。たとえば、本発明の実施の形態においては軸流送風機が2台であり、翼枚数が5枚である場合を例に図示しているが、軸流送風機の台数および翼の枚数を特に制限するものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニット100の概略構成を示す斜視図である。図2は、室外冷却ユニット100の概略断面構成を示す概略断面図である。図3は、室外冷却ユニット100の軸流送風機2の概略構成を示す斜視図である。図4は、軸流送風機2の回転軸を中心とする円筒断面の平面へ展開した状態(たとえば図3のI−I断面)を示す展開図である。図5は、軸流送風機2の半径方向の断面構成(たとえば図3のII−II断面)を示す概略断面図である。図1〜図5に基づいて、室外冷却ユニット100について説明する。
図1及び図2に示すように、室外冷却ユニット100は、電車等の車両に搭載されるものであり、筐体10と、軸流送風機2と、ケーシング3と、モーター4と、熱交換器5と、を有している。
筐体10は、ベース11と、吸い込み部12と、吐き出し部13と、を備えている。ベース11は、室外冷却ユニット100の外郭を構成するものであり、底面(モーター4の設置面)と側面とを有し、上面が開放されている。ケーシング3に仕切られた軸流送風機2の配置位置上方における開口部分が、空気の流入口となる吸い込み部12として機能する。また、ケーシング3に仕切られた熱交換器5の配置位置上方における開口部分が、空気の流出口となる吐き出し部13として機能する。
軸流送風機2は、吸い込み部12の直下に配設されており、吸い込み部12を介して筐体10内に空気を取り込み、吐き出し部13を介して筐体10内から空気を吹き出すものである。ケーシング3は、少なくとも軸流送風機2を囲繞するように筐体10に設けられ、筐体10の吸い込み部12と吐き出し部13を区画するものである。モーター4は、軸流送風機2を支持するとともに、軸流送風機2を駆動させるものである。熱交換器5は、図示省略の冷媒配管を導通する冷媒と軸流送風機2により供給される空気との間で熱交換を行うものである。
図2に示すように、室外冷却ユニット100では、吸い込み部12の吸い込み面(図2に示す面A)の法線と、吐き出し部13の吐き出し面(図2に示す面B)の法線との成す角度(図2に示す角度θ)が鋭角を成すようになっている。したがって、室外冷却ユニット100では、筐体10内部の空気の流れは、略レの字状(略V字状又は略U字状)になる(図2に示す筐体10内の矢印C)。なお、図2では、空気の流れを矢印で表わしている。また、図2に示すLf、Lhについては実施の形態3で使用するものとする。さらに、吸い込み面A及び吐き出し面Bは、仮想面である。
図2に示すように、軸流送風機2は、軸心まわりに回転するボス21と、ボス21の外周部に配設される複数枚の翼22と、を有している。つまり、軸流送風機2は、三次元立体形状の複数枚の翼22が、モーター4によって回転駆動する円柱状のボス21の外周部に放射状に取付けられているのである。そして、翼22が回転することによって気流が発生する。
また、図3に示すように、翼22は、前縁221、後縁222、内周端223、外周端224にて囲繞されている。すなわち、翼22は、回転方向の先端側の縁である前縁221と、回転方向の後端側の縁である後縁222と、回転軸(図示省略)に近い方の端部である内周端223と、回転軸に遠い方の端部である外周端224と、によって外縁が構成されている。なお、図3には、軸流送風機2の翼22の外周端224の後縁端部を翼外周後縁端部227として図示している。この翼外周後縁端部227については、実施の形態4で使用するものとする。
図4に示すように、軸流送風機2の回転軸を中心とする円筒断面の平面への展開図上において、前縁221と後縁222を結んだ直線の中点を翼弦中心点225とする。また、図5に示すように、内周端223から外周端224までの翼弦中心点225を結んで、回転軸を含む平面上に投影した曲線を翼弦中心線226とする。そして、軸流送風機2の翼22は、翼弦中心線226が半径方向の全領域で空気流の下流側に張り出した凸の曲線を成すように構成されている。なお、図5に示すα、βについては、実施の形態2で使用するものとする。
上記のような構成により、室外冷却ユニット100は、軸流送風機2の下流の空気の流れが内周方向と外周方向とに拡散されやすくなる。内周方向へ空気の流れが拡散されやすくなることにより、室外冷却ユニット100は、空気の流れが内周方向へ向いていなかった従来の車両用空気調和装置の室外冷却ユニットに比べ、空気が不足して発生していた死水域を抑制することができる。また、外周方向へ空気の流れが拡散されやすくなることにより、室外冷却ユニット100は、外周側の空気の流れが外周方向へ滑らかに向かうようになり、空気の流れが風路の抵抗を受けにくくなる。以上により、室外冷却ユニット100は、空気の流れの乱れを抑制でき、従来に比べて低騒音化が実現できる。
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機の翼弦中心線の外周端における接線と回転軸に垂直な平面との成す角αと騒音低減量との関係を示す関係図である。図7は、本発明の実施の形態2に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの軸流送風機の翼弦中心線の内周端における接線と回転軸に垂直な平面との成す角βと騒音低減量との関係を示す関係図である。図5〜図7に基づいて、本発明の実施の形態2に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットについて説明する。なお、本発明の実施の形態2に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットを便宜的に室外冷却ユニット100Aと称して説明するものとする。また、室外冷却ユニット100Aの基本的な構成は、実施の形態1に係る室外冷却ユニット100の構成(図2に示した構成)と同様である。
実施の形態2に係る室外冷却ユニット100Aは、電車等の車両に搭載されるものであり、より一層の低騒音化を実現するための構成例である。ここで、図5に示すように、軸流送風機2の翼弦中心線226の外周端224における接線と回転軸に垂直な平面との成す角をα、内周端223における接線と回転軸に垂直な平面の成す角をβとし、翼弦中心線226が空気流の下流側に張り出した凸の曲線を成すときの角度を正の角度と定義する。このとき、室外冷却ユニット100Aの軸流送風機2の翼22は、α、βが、0°<α<80°及び0°<β<20°の少なくとも一方を満足するように構成されている。その理由は以下の通りである。
図6を用いて、角度αと騒音低減量との関係を説明する。なお、本明細書で、騒音低減量とは、従来の車両用空気調和装置の室外冷却ユニットの騒音値に対する室外冷却ユニット100Aの騒音値の低減量を表している。図6は、β=0°に固定した場合のグラフである。図6より、0°<α<80°の範囲において、騒音低減効果が得られていることが分かる。
図7を用いて、角度βと騒音低減量との関係を説明する。図7は、α=0°に固定した場合のグラフである。図7より、0°<β<20°の範囲において、騒音低減効果が得られていることが分かる。
上記のような構成により、室外冷却ユニット100Aは、軸流送風機2の下流の空気の流れが最適な角度で内周方向と外周方向とに拡散されるようになる。軸流送風機2の下流の空気の流れが最適な角度で内周方向に拡散されることによって、室外冷却ユニット100Aは、モーター4への空気の衝突がなく、内周側に形成される死水域を効率的に抑制できる。また、室外冷却ユニット100Aは、軸流送風機2の下流の空気の流れが最適な角度で外周方向に拡散されることによって、外周側の空気の流れが外周方向へより一層滑らかに向かうようになる。以上により、室外冷却ユニット100Aは、空気の流れの乱れを効果的に抑制でき、より一層の低騒音化を実現できる。
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットのLf/Lhと騒音低減量との関係を示す関係図である。図2及び図8に基づいて、本発明の実施の形態3に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットについて説明する。なお、本発明の実施の形態3に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットを便宜的に室外冷却ユニット100Bと称して説明するものとする。また、室外冷却ユニット100Bの基本的な構成は、実施の形態1に係る室外冷却ユニット100の構成(図2に示した構成)と同様である。
実施の形態3に係る室外冷却ユニット100Bは、電車等の車両に搭載されるものであり、より一層の低騒音化を実現するための構成例である。図2に示すように、ベース11から吸い込み部12までの筐体の高さをLh、翼22の軸方向高さをLfとしたとき、室外冷却ユニット100Bの軸流送風機2の翼22は、Lf/Lhが0.15<Lf/Lh<0.5を満足するように構成されている。その理由は以下の通りである。
図8を用いて、Lf/Lhと騒音低減量tpとの関係を説明する。翼22の軸方向高さLfを短縮することは、翼22の翼面積を低減することになる。よって、翼22の有効仕事を確保するためには、翼22の枚数の増加が必要となる。翼22の枚数の増加は、音源数の増加を意味し、騒音が増大するという結果を招く。一方、翼22の軸方向高さLfを伸張することは、軸流送風機2から吹き出された空気の流れの通風路が狭隘となることを意味する。そのため、通風抵抗が増大して騒音が増大するという結果を招く。
図8より、0.15<Lf/Lh<0.5の範囲で騒音低減量がほぼ5dB以上となり、騒音低減効果が高いことが分かる。そこで、室外冷却ユニット100Bでは、0.15<Lf/Lh<0.5を満足するように翼22を構成することにより、上記のような騒音増大を効果的に抑制できるため、より一層の低騒音化を実現できることになる。以上により、室外冷却ユニット100Bは、より一層の低騒音化を実現できる。
実施の形態4.
図9は、本発明の実施の形態4に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニット100Cの概略断面構成を示す概略断面図である。図10は、室外冷却ユニット100CのL1/L2と騒音低減量との関係を示す関係図である。図9及び図10に基づいて、室外冷却ユニット100Cについて説明する。なお、実施の形態4では実施の形態1との相違点を中心に説明し、実施の形態1と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
実施の形態4に係る室外冷却ユニット100Cは、電車等の車両に搭載されるものであり、より一層の低騒音化を実現するための構成例である。室外冷却ユニット100Cは、ケーシング3Cの形状が実施の形態1に係る室外冷却ユニット100と相違している。図9に示すように、軸流送風機2を囲繞するケーシング3Cは、上流側の吸い込みラウンド形状部31と、ストレートダクト部32と、下流側の吹き出しラウンド形状部33と、によって構成されている。なお、吸い込みラウンド形状部31と吹き出しラウンド形状部33とは、ストレートダクト部32によって接続されている。
そして、翼外周後縁端部227とベース11(筐体10の底面)との距離をL1、吹き出しラウンド形状部33の下流端とベース11(筐体10の底面)との距離をL2としたとき、室外冷却ユニット100Cの軸流送風機2の翼22は、L2/L1が0.5<L2/L1<1.2を満足するように構成されている。その理由は以下の通りである。
図10を用いて、L2/L1と騒音低減量tpとの関係を説明する。ケーシング3Cの下流側に吹き出しラウンド形状部33を設けることにより、軸流送風機2の下流の空気の流れが吹き出しラウンド形状部33に沿って滑らかに外周方向へ誘導されるため、空気の流れの乱れを抑制することができる。L2を短縮することは、軸流送風機2からの吹き出し空気の流れ用通風路が狭隘化するため通風抵抗が増加し、騒音が増大するという結果を招く。また、L2を拡大することは、軸流送風機2とケーシング3Cとのギャップを拡大させ、空気の漏れ流れが増加し、騒音が増大するという結果を招く。
図10より、0.5<L2/L1<1.2の範囲で騒音低減量がほぼ5dB以上となり、騒音低減効果が高いことが分かる。そこで、室外冷却ユニット100Cでは、0.5<L2/L1<1.2を満足するように翼22を構成することにより、上記のような騒音増大を効果的に抑制できるため、より一層の低騒音化を実現できることになる。以上により、室外冷却ユニット100Cは、より一層の低騒音化を実現できる。すなわち、室外冷却ユニット100Cは、ケーシング3Cに吹き出しラウンド形状部33を設けることにより、軸流送風機2の下流の空気の流れが吹き出しラウンド形状部33に沿って滑らかに外周方向へ誘導され、空気の流れの乱れを抑制することができる。また。室外冷却ユニット100Cは、0.5<L2/L1<1.2を満足するように翼22を構成したことにより、L2を短縮することによる軸流送風機2からの吹き出し空気の流れ用通風路の狭隘化に伴う通風抵抗の増大や、L2を拡大することによるケーシングギャップ拡大に伴う空気の漏れ流れの増大を効果的に抑制でき、大きな騒音低減効果が得られる。
上記のように、本発明について実施の形態を分けて説明したが、各実施の形態の特徴事項を組み合わせることを否定するものではない。
2 軸流送風機、3 ケーシング、3C ケーシング、4 モーター、5 熱交換器、10 筐体、11 ベース、12 吸い込み部、13 吐き出し部、21 ボス、22 翼、31 ラウンド形状部、32 ストレートダクト部、33 ラウンド形状部、100 室外冷却ユニット、100A 室外冷却ユニット、100B 室外冷却ユニット、100C 室外冷却ユニット、221 前縁、222 後縁、223 内周端、224 外周端、225 翼弦中心点、226 翼弦中心線、227 翼外周後縁端部。
本発明に係る車両用空気調和装置の室外冷却ユニットは、吸い込み部及び吐き出し部を有する筐体と、軸心まわりに回転するボス、及び前記ボスの外周部に配設される複数枚の翼を有し、前記筐体の上面の一部に開口形成されている前記吸い込み部の直下に配設される軸流送風機と、前記軸流送風機を囲繞するケーシングと、前記軸流送風機を支持し、前記軸流送風機を回転駆動するモーターと、前記筐体の前記吐き出し部に近接配置される熱交換器と、を備え、前記吸い込み部の吸い込み面の法線と前記吐き出し部の吐き出し面の法線との成す角度が鋭角であって、前記筐体の内部の空気の流れが略レの字状になるように構成された車両用空気調和装置の室外冷却ユニットにおいて、前記翼は、前記翼の内周端から外周端までの翼弦中心点を結んで、回転軸を含む平面上に投影した翼弦中心線が、半径方向の全領域で空気流の下流側に張り出した凸の曲線を成すように構成されており、かつ、前記筐体の高さをLh、前記翼の軸方向高さをLfとしたとき、0.15<Lf/Lh<0.5を満足するように構成されているものである。

Claims (4)

  1. 吸い込み部及び吐き出し部を有する筐体と、
    軸心まわりに回転するボス、及び前記ボスの外周部に配設される複数枚の翼を有し、前記筐体の上面の一部に開口形成されている前記吸い込み部の直下に配設される軸流送風機と、
    前記軸流送風機を囲繞するケーシングと、
    前記軸流送風機を支持し、前記軸流送風機を回転駆動するモーターと、
    前記筐体の前記吐き出し部に近接配置される熱交換器と、を備え、
    前記吸い込み部の吸い込み面の法線と前記吐き出し部の吐き出し面の法線との成す角度が鋭角であって、前記筐体の内部の空気の流れが略レの字状になるように構成された車両用空気調和装置の室外冷却ユニットにおいて、
    前記翼は、
    前記翼の内周端から外周端までの翼弦中心点を結んで、回転軸を含む平面上に投影した翼弦中心線が、半径方向の全領域で空気流の下流側に張り出した凸の曲線を成すように構成されている
    ことを特徴とする車両用空気調和装置の室外冷却ユニット。
  2. 前記軸流送風機の前記翼弦中心線の外周端における接線と回転軸に垂直な平面との成す角をα、
    前記軸流送風機の前記翼弦中心線の内周端における接線と回転軸に垂直な平面との成す角をβ、
    前記翼弦中心線が下流側に凸の曲線を成すときの角度を正の角度と定義したとき、
    前記翼は、
    0°<α<80°及び0°<β<20°の少なくとも一方を満足するように構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の車両用空気調和装置の室外冷却ユニット。
  3. 前記筐体の高さをLh、
    前記翼の軸方向高さをLfとしたとき、
    前記翼は、
    0.15<Lf/Lh<0.5を満足するように構成されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用空気調和装置の室外冷却ユニット。
  4. 前記ケーシングは、
    上流側の吸い込みラウンド形状部と、下流側の吹き出しラウンド形状部と、前記吸い込みラウンド形状部と前記吹き出しラウンド形状部を接続するストレートダクト部と、によって構成されており、
    前記軸流送風機の翼外周後縁端部と前記筐体の底面との距離をL1、
    前記吹き出しラウンド形状の下流端部と前記筐体の底面との距離をL2としたとき、
    前記翼は、
    0.5<L2/L1<1.2を満足するように構成されている
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の車両用空気調和装置の室外冷却ユニット。
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