JPWO2020026373A1 - 貫流ファンおよび空気調和機 - Google Patents

Abstract

室内ユニットに少なくとも１つ以上の吸込み口および吹出し口とを有し、ファンモータに連結された貫流ファン（１１）であって、貫流ファン（１１）は、貫流羽根車の翼が翼弦が長い主翼（１）と、翼弦が短い小翼（４）を交互に備えており、小翼（４）がファン外周側からファン内周側に向かって、主翼（１）の負圧面側に傾いている。

Description

本発明は貫流ファンおよびその貫流ファンを有する空気調和機に関する。

空気調和機は、建屋内を加熱する暖房運転の際に建屋外から熱を吸収し、建屋内を冷却する冷房運転の際に建屋外へ熱を放出する装置である。例えば冷房運転時には、建屋内の熱は室内機に設けた熱交換器内を流動する冷媒によって奪われ、室外機に設けた熱交換器を介して外気へと放出される。このため、室内機には空気と冷媒を熱交換させる熱交換器と、空気の流れを生み出す送風装置が備わっている。

一般家庭向けの機器については、省スペース性の観点から奥行き寸法の小ささが求められているため、送風装置として円盤状の構造体の外周に複数の翼を供えた貫流ファンが採用されることが多い。貫流ファンは筐体内の限られたスペースに実装されるために、運転時にファンに出入りする空気の流れ方向と翼面上の流れ方向の相違が生じやすい。これにより、部分的に翼面にはく離領域が生じるため、ファン効率に改善の余地がある。

前記の課題に対して、特許文献１では、貫流ファンの主翼の間に翼弦の短い小翼を設け、吹出し時のはく離を抑制することでファン効率の向上を実現している。

実開昭６０−９０５９０号公報

特許文献１は、貫流ファンから空気を吹出す際に生じる翼面上のはく離領域を低減するものであるため、ファンに対して空気が流入する場合については考慮されていない。一方で、吹出し側の寸法自由度が確保できる場合には、吸込側のはく離領域を低減する翼形状とすることが望ましい。

本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、吸込み側のはく離領域を低減し、ファン効率を改善することができる貫流ファンおよび空気調和機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の貫流ファンは、室内ユニットに少なくとも１つ以上の吸込み口および吹出し口とを有し、ファンモータに連結された貫流ファンであって、貫流ファンは、貫流羽根車の翼が翼弦が長い主翼と、翼弦が短い小翼を交互に備えており、小翼がファン外周側からファン内周側に向かって、主翼の負圧面側に傾いていることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、はく離の生じ易い主翼の負圧面側について、空気吸込み時に流れに沿って流路幅が狭くなるように小翼を設け、逆圧力勾配となる領域を低減することではく離を抑制し、ファン効率を向上できる。

第１実施形態に係る空気調和機の室内機を示す断面図である。 第１実施形態に係る貫流ファンの翼付近を示す部分断面図である。 第１実施形態に係る室内機内部の空気の流れを示す模式図である。 小翼のない比較例の貫流ファン周りの流れを示す模式図である。 小翼のある比較例の貫流ファン周りの流れを示す模式図である。 第１実施形態に係る貫流ファン周りの流れを示す模式図である。 第２実施形態に係る貫流ファンの翼付近を示す部分断面図である。 第２実施形態に係る主翼と小翼のピッチを示した説明図である。 比較例の翼形状を示す説明図である。 第１実施形態に係る翼形状を示す説明図である。

以下、本発明における実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
<<第１実施形態>>
図１は、第１実施形態に係る空気調和機の室内機１００（室内ユニット）を示す断面図である。筺体１０は、建屋内に固定するための取り付け面２０と、建屋内側に面した前面パネル１９、空気の流れを建屋内へ送る上下風向板１８、左右風向板２１を備えている。本実施形態では、筺体１０の中心に設置した貫流ファン１１を基準として、取り付け面２０側を背面側、前面パネル１９側を前面側、上下風向板１８の方向を下側、その対面側を上側と定義する。

筺体１０の内部には、貫流ファン１１の上部を覆うように熱交換器１４が設けられている。熱交換器１４は複数の円形の伝熱管１５がフィン１６となる板材を貫通した形状のクロスフィンチューブ型である。熱交換器１４のさらに外側には、第１吸込口３１、第２吸込口３２からの空気流入時の埃などを取り除くためのフィルタ１７が設置されている。

貫流ファン１１の前面下側と背面上側には、それぞれ貫流ファン１１に近接してフロントノーズ１２とバックノーズ１３が設置されている。貫流ファン１１は、貫流羽根車であり、円盤状の支持材の外周に、円盤に対して垂直に複数の翼（主翼１、小翼４）を設けた構造となっている。貫流ファン１１を構成する円盤状の支持材の端部には、ファンモータ（図示外）が設置されており、ファンモータの回転軸と貫流ファン１１の回転軸が接続されている。

この貫流ファン１１は、ファンモータによって、回転軸周りに回転することで、室内の空気を、前記の前面パネル１９の開閉に応じて第１吸込口３１のみを介して、又は第１吸込口３１及び第２吸込口３２を介して筺体１０の内側に吸い込む。そして、貫流ファン１１は、吸い込んだ空気を吹出口３３を介して筺体１０の外側に吹出すようになっている。つまり、この貫流ファン１１は、室内の空気を筺体１０の内側に吸い込んで熱交換器１４の冷媒と熱交換を行わせ、熱交換した空気（冷暖房のいずれかに温度調整された空気）を筺体１０の外側である室内に吹出すようになっている。

図２は、第１実施形態に係る貫流ファン１１の翼付近を示す部分断面図である。貫流ファン１１の外周側に翼弦が長い主翼１と、翼弦が短い小翼４を交互に配置した構造となっている。ここで、小翼４を挟んで隣接する２つの主翼１のピッチと、主翼１を挟んで隣接する２つの小翼４のピッチは、貫流ファン１１の全域にわたって一定である。

主翼１と小翼４は、側断面視で一方に凸面、他方に凹面となるような湾曲する翼であり、凹面側が、図２中の右回り（時計回り）に回転する貫流ファン１１の回転方向を向くように配置されている。即ち、主翼１と小翼４は、それぞれが円弧状の曲面で構成され、主翼１の凸側の面を主翼負圧面２、主翼１の凹側の面を主翼圧力面３、小翼４の凸側の面を小翼負圧面５、小翼４の凹側の面を小翼圧力面６と称する。

図２において、主翼１は、ファン外周側の端部からファン内周側の端部を直線で結んだ線分の長さがＬ_Ｍ、翼の最大肉厚がδ_Ｍとなっている。また、ファン内周側の端部における、貫流ファン１１に対する同心円８ａの接線と、主翼負圧面２のなす角度はβ_Ｍとなっている。同様に、小翼４についても、ファン外周側の端部からファン内周側の端部を直線で結んだ線分の長さがＬ_Ｓ、翼の最大肉厚がδ_Ｓとなっている。また、ファン内周側の端部における、貫流ファン１１に対する同心円８ｂの接線と、小翼負圧面５のなす角度はβ_Ｓとなっている。ここで、線分Ｌ_Ｓの長さは線分Ｌ_Ｍの長さの約６割、角度β_Ｓは角度β_Ｍの約７割となっている。また、小翼４の肉厚δ_Ｓは主翼１の肉厚δ_Ｍよりも薄い形状となっている。

小翼負圧面５に対して主翼圧力面３から垂直に伸ばした線分が小翼負圧面５の流路幅となり、小翼圧力面６に対して主翼負圧面２から垂直に伸ばした線分が小翼圧力面６の流路幅となる。ここで、小翼負圧面５について、ファン外周側の端部における流路幅はＬｏ_１、ファン内周側の端部における流路幅はＬｉ_１となっている。また、小翼圧力面６について、ファン外周側の端部における流路幅はＬｏ_２、ファン内周側の端部における流路幅はＬｉ_２となっている。この４つの流路幅は、式（１）を満たす関係となっている。

式（１）は、小翼負圧面５の流路について、ファン内周側の端部における流路幅に比べて、ファン外周側の端部における流路幅が相対的に狭いことを意味している。言い換えれば、小翼４はファン外周側から内周側に向かって、主翼負圧面２の方向に傾いていると言える。さらに、ファン外周側の端部における小翼負圧面５の流路幅Ｌｏ_１は、小翼圧力面６の流路幅Ｌｏ_２の約半分となっている。すなわち、ファン外周側からファン内周側へ向かうに連れて、小翼負圧面５は流路幅が広がっていき、小翼圧力面６は流路幅が狭くなっていく。そして互いの流路幅の差は、ファン外周側で大きく、ファン内周側で小さくなっている。

本実施形態の作用と効果について説明する。
図３は、第１実施形態に係る室内機１００（室内ユニット）内部の空気の流れを示す模式図である。図示外のファンモータによって、貫流ファン１１は時計回りに回転する。これにより、フロントノーズ１２とバックノーズ１３を結んだ線分よりも前面上側の領域から空気が流入し、もう一方の領域から空気が吹出口３３から流出する。建屋内の空気は、吸込口（第１吸込口３１、第２吸込口３２）、フィルタ１７、熱交換器１４を経由することで熱交換器１４を流通する冷媒と熱交換した後、貫流ファン１１へと吸い込まれる。貫流ファン１１を流出した流れは筺体１０の下部を経由し、上下風向板１８、左右風向板２１（図１参照）によって吹出し方向が制御されて建屋内へと吹き出す。

本実施形態の貫流ファン１１の流れ場を説明する前に、比較例の貫流ファン１１の流れ場について、図４および図５を参照して説明する。

図４は、小翼のない比較例の貫流ファン１１周りの流れを示す模式図である。図３における貫流ファン１１の前面上側の領域においては、熱交換器１４と貫流ファン１１を近接して配置するために、貫流ファン１１の翼前後で、流れの向きが急激に変化する場合がある。このとき、図４に示すように、流入した流れは主翼負圧面２を追従できずに、広いはく離領域７が生じる。はく離領域７の下流は渦によるエネルギの散逸が生じるため、加えたエネルギに対して得られる圧力と風量が減少し、ファン効率が低下する。

図５は、小翼のある比較例の貫流ファン周りの流れを示す模式図である。図５を用いて、本実施形態の寸法関係と異なる小翼４を設けた場合の流れ場について説明する。図５は、主翼１と小翼４を交互に配置した構造だが、貫流ファン１１の外周側から内周側に向かって小翼４が主翼１の圧力面側に傾いている点が異なる。この場合、小翼圧力面６の流路に流入した空気は、流路が次第に拡大するため逆圧力勾配となり、主翼負圧面２にはく離領域７が生じ易くなる。

図６は、第１実施形態に係る貫流ファン１１周りの流れを示す模式図である。流路幅を式（１）の関係にすることで、小翼圧力面６の流路が空気の流れに沿って縮小する。これにより主翼負圧面２に順圧力勾配の領域が生じ、流れが加速するためにはく離が生じにくくなる。

ここで、ファン外周側に比べてファン内周側の総風路断面積が小さくなるため、下流ほど平均流速が増加することとなるが、ファン外周側において小翼負圧面５の流路幅Ｌｏ_１（図２参照）を小翼圧力面６の流路幅Ｌｏ_２（図２参照）よりも小さくすることで、平均流速の高いファン内周側の流路幅を近づけて、摩擦抗力の増加を抑制している。特に、Ｌｏ_１とＬｏ_２の流路比は式（２）を満たす関係とする場合に効果が高い。

式（２）は流路比が０．７以上の場合にはファン内側の流れの加速によって小翼圧力面６の摩擦抵抗が大きくなり、流路比が０．５以下の場合には、小翼負圧面側の流路が過剰に狭くなることで流れが流入しにくくなり、ファン効率が低下することを意味している。
小翼負圧面５の流路は流れに沿って流路が拡大するため逆圧力勾配となり、はく離が生じ易くなるが、ファン内周側における小翼４の出口角度β_Ｓ（図２参照）を主翼１の出口角度β_Ｍ（図２参照）よりも小さくすることで、流路幅の拡大をゆるやかにして、はく離領域７を抑制している。特に、小翼４の出口角度β_Ｓと主翼１の出口角度β_Ｍの角度比を式（３）の関係とする場合に効果が高い。

式（３）は角度比が０．８以上の場合には、小翼負圧面５からのはく離が生じ易くなり、０．６以下の場合には小翼圧力面６の縮流構造が弱まることで、主翼負圧面２からのはく離が生じ易くなることを示している。

小翼４のファン外周側の端部からファン内周側の端部を結んだ線分Ｌ_Ｓは、主翼１のファン外周側の端部からファン内周側の端部を結んだ線分Ｌ_Ｍの約６割となっている。小翼４の長さＬ_Ｓを主翼長さＬ_Ｍの半分以上とすることで、小翼自身も流れに対して仕事を加えつつ、主翼負圧面２の曲率変化が大きい領域を覆うことではく離領域７を低減し、ファン効率を向上することができる。さらに、小翼４は流れの整流が主目的であるため、主翼１よりも薄くし、小翼４の後流領域を低減することで、エネルギ損失を抑制している。

以上の原理により、本実施形態によって従来生じていた貫流ファン１１の主翼負圧面２のはく離を抑制し、ファン効率を向上することが可能となる。

<<第２実施形態>>
第２実施形態について図７〜図８を参照して説明する。
図７は、第２実施形態に係る貫流ファン１１の翼付近を示す部分断面図である。図８は、第２実施形態に係る主翼と小翼のピッチを示した説明図である。第２実施形態は、第１実施形態と比べて主翼１と小翼４のピッチが異なる。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

小翼４を挟んで隣接する２つの主翼１のピッチをＰ_Ｍ、主翼１を挟んで隣接する２つの小翼４のピッチをＰ_Ｓとし、図中の一転鎖線からの角度θに沿ってそれぞれの間隔に番号を与える。このときのθと小翼４および主翼１のピッチの関係は図８のようになっている。主翼１のピッチは角度θに関わらずほぼ一定だが、小翼４のピッチは広い部分と狭い部分が交互に存在する。

すなわち、小翼４を挟んで隣接する主翼１の間隔の最大値と最小値の差（図８のピッチＰ_Ｍｉ参照）は、主翼１を挟んで隣接する小翼４の間隔の最大値と最小値の差（図８のピッチＰ_Ｓｉ参照）よりも小さい。

貫流ファン１１は１秒間あたりの回転数と、円周上に並んだ翼の枚数の積から算出される周波数の騒音が発生しやすい。これはフロントノーズ１２やバックノーズ１３、さらにはファンの翼端から生ずる圧力変動が原因である。第１実施形態の構造についても、任意の点における１秒間あたりの翼の通過枚数に対応する騒音が発生しやすい。

前記に対して、円周上に並んだ翼のピッチを不均等にして、任意の点に対する翼の通過タイミングをずらすことで、ピーク周波数の騒音を低減できる。本実施形態に対しては、仕事を行う主翼１のピッチの変化を、小翼４のピッチの変化より小さくすることで、仕事を行う主翼１を効率よく使用し、小翼４によって騒音を低減できる。特に、本実施形態のように主翼１を一定のピッチで配置し、小翼４のピッチを変化させることで、効果が高まる。

以上の構成により、第１の実施形態に比べて特定の周波数の騒音が少なく、ファン効率が高い貫流ファン１１を提供できる。

図９Ａは、比較例の翼形状を示す説明図である。図９Ａは、特許文献１の図７である。図９Ｂは、第１実施形態に係る翼形状を示す説明図である。図９Ａと図９Ｂを参照して、両者の相違点を比較する。図９Ａでは、翼の外周側において、主翼負圧面２と小翼圧力面６のなす流路幅Ｌｏ_２ａと、主翼圧力面３と小翼負圧面５のなす流路幅Ｌｏ_１ａは、ほぼ同等である。

一方、図９Ｂでは、翼の外周側において、主翼負圧面２と小翼圧力面６のなす流路幅Ｌｏ_２ｂと、主翼圧力面３と小翼負圧面５のなす流路幅Ｌｏ_１ｂの関係は、
Ｌｏ_２ｂ＞Ｌｏ_１ｂ ・・・（４）
となっている。このような構成とすることで、外周側から内周側に向かう吸込み側の流れに対して、主翼負圧面２と小翼圧力面６のなす流路幅は減少していき、主翼負圧面２におけるはく離領域を低減することができる。吐出側では、吸込み側に対して流速が速く、多少のはく離が生じた場合でも、翼間から気流が吐き出されるため問題はない。

本実施形態によれば、はく離の生じ易い主翼の負圧面側（主翼負圧面２）について、空気吸込み時に流れに沿って流路幅が狭くなるように小翼４を設け、逆圧力勾配となる領域を低減することではく離を抑制し、ファン効率を向上できる。

１ 主翼
２ 主翼負圧面（主翼の負圧面）
３ 主翼圧力面（主翼の圧力面）
４ 小翼
５ 小翼負圧面（小翼の負圧面）
６ 小翼圧力面（小翼の圧力面）
７ はく離領域
８ａ，８ｂ 同心円
１０ 筐体
１１ 貫流ファン
１２ フロントノーズ
１３ バックノーズ
１４ 熱交換器
１５ 伝熱管
１６ フィン
１７ フィルタ
１８ 上下風向板
１９ 前面パネル
２０ 取り付け面
２１ 左右風向板
３１ 第１吸込口（吸込み口）
３２ 第２吸込口（吸込み口）
３３ 吹出口（吹出し口）
１００ 室内機（室内ユニット）

前記目的を達成するために、本発明の貫流ファンは、室内ユニットに少なくとも１つ以上の吸込み口および吹出し口とを有し、ファンモータに連結された貫流ファンであって、貫流ファンは、貫流羽根車の翼が翼弦が長い主翼と、翼弦が短い小翼を交互に備えており、小翼がファン外周側からファン内周側に向かって、主翼の負圧面側に傾いており、小翼のファン外周側の端部における、小翼の負圧面側と主翼の圧力面側のなす流路幅をＬｏ _１ 、小翼の圧力面側と主翼の負圧面側のなす流路幅をＬｏ _２ とし、小翼のファン内周側の端部における、小翼の負圧面側と主翼の圧力面側のなす流路幅をＬｉ _１ 、小翼の圧力面側と主翼の負圧面側のなす流路幅をＬｉ _２ としたとき、式（１）の関係を満たすことを特徴とする。

本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

Claims (9)

1. 室内ユニットに少なくとも１つ以上の吸込み口および吹出し口とを有し、ファンモータに連結された貫流ファンであって、
   前記貫流ファンは、貫流羽根車の翼が翼弦が長い主翼と、翼弦が短い小翼を交互に備えており、前記小翼がファン外周側からファン内周側に向かって、前記主翼の負圧面側に傾いている、貫流ファン。
2. 請求項１に記載の貫流ファンにおいて、
   前記小翼の前記ファン外周側の端部における、前記小翼の負圧面側と前記主翼の圧力面側のなす流路幅をＬｏ_１、前記小翼の圧力面側と前記主翼の負圧面側のなす流路幅をＬｏ_２とし、
   前記小翼の前記ファン内周側の端部における、前記小翼の負圧面側と前記主翼の圧力面側のなす流路幅をＬｉ_１、前記小翼の圧力面側と前記主翼の負圧面側のなす流路幅をＬｉ_２としたとき、
   式（１）の関係を満たすことを特徴とする、貫流ファン。
   

   
3. 請求項１に記載の貫流ファンにおいて、
   前記小翼の前記ファン外周側の端部における、前記小翼の圧力面側と前記主翼の負圧面側のなす流路幅Ｌｏ_２よりも、前記小翼の負圧面側と前記主翼の圧力面側のなす流路幅Ｌｏ_１が小さいことを特徴とする、貫流ファン。
4. 請求項３に記載の貫流ファンにおいて、
   式（２）の関係を満たすことを特徴とする、貫流ファン。
   

   
5. 請求項１に記載の貫流ファンにおいて、
   前記ファン内周側における、前記小翼と前記主翼の端部に対する、前記貫流ファンと同心円の接線と、それぞれの翼の負圧面側のなす角度を出口角度βとしたとき、
   前記小翼の前記出口角度β_Ｓが、前記主翼の前記出口角度β_Ｍよりも小さいことを特徴とする、貫流ファン。
6. 請求項５に記載の貫流ファンにおいて、
   式（３）の関係を満たすことを特徴とする、貫流ファン。
   

   
7. 請求項１に記載の貫流ファンにおいて、
   前記小翼の前記ファン外周側の端部と前記ファン内周側の端部を結んだ線分は、前記主翼の前記ファン外周側の端部と前記ファン内周側の端部を結んだ線分の半分よりも大きいことを特徴とする、貫流ファン。
8. 請求項１に記載の貫流ファンにおいて、
   前記小翼を挟んで隣接する前記主翼の間隔の最大値と最小値の差は、前記主翼を挟んで隣接する前記小翼の間隔の最大値と最小値の差よりも小さいことを特徴とする、貫流ファン。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の貫流ファンと、熱交換器とを有することを特徴とする、空気調和機。

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