WO2014010058A1 - プロペラファン、並びに、それを備えた送風機、空気調和機及び給湯用室外機 - Google Patents

Abstract

　気流の漏れ流れ抑制による低騒音化と吹出し風量増加による高効率化との両立を図ることができる、プロペラファン１であって、回転軸線Ｏを含むボス２と、ボス２の外周に設けられた複数の翼３と、複数の翼３をそれぞれの後縁側で部分的に囲むように配置されたベルマウス９とを有しており、翼３はそれぞれ、半径方向の断面形状において、気流の上流側に膨らむ屈曲部１３を有しており、前記ベルマウスの内側の屈曲部の屈曲のほうが該ベルマウスの外側の屈曲部の屈曲よりも緩やかであるように設定されている。

Description

プロペラファン、並びに、それを備えた送風機、空気調和機及び給湯用室外機

　本発明は、プロペラファン、並びに、それを備えた送風機、空気調和機及び給湯用室外機に関するものである。

　空調機等に用いられるプロペラファンとして、特許文献１には、翼断面において外周側を凹形状の円弧状に形成し、前縁から後縁にいくに従い、その円弧の曲率半径を大きくしておき、風下側から風上側へ向かう漏れ流れによって、翼端渦の発生を抑制しようとするものが開示されている。

　また、特許文献２には、後縁にいくに従い翼を下流に傾けて、翼から空気に働く力を内側に向けて、吹出し風速を均一化して騒音を抑制しようとする構成が開示されている。

特開２００３－１４８３９５号公報（図１，図３） 特開平６－２２９３９８号公報（図１、図８）

　送風機においては、送風量（吹出し風量）の増加と低騒音化との両立が望まれるところである。ここで、まず、騒音に関しては、翼外周部から漏れる流れが発生すると、翼端渦の生成により乱れが増加し、騒音も増加する問題が生じうる。その一方、翼外周部から漏れる流れを抑制するために翼を内側に傾けると、翼面の向きがファン内向きになり、ファンが気流に与える力成分で軸方向成分が不足して吹出し風量が低下する問題が生じうる。

　こうした問題に関し、上述した特許文献１の構成では、翼外周部から発生した翼端渦が下流に流れる途中にベルマウスと干渉して騒音増加を招く恐れがある。すなわち、空調機に用いられるプロペラファンの外周側には、ベルマウスが設置されており、通常、このベルマウスとファン外周との隙間は５～１０ｍｍ程度と狭く、乱れた気流がベルマウスに衝突することで騒音が大きくなることがある。また、旋回する気流とベルマウスとの間で発生する摩擦抵抗に起因し、エネルギー損失も生じてしまう。

　一方、特許文献２の構成によれば、翼から気流に働く力の向きを内側に向けることにより、翼外周部から漏れる流れは低減できるが、翼の出口（後縁）において、軸方向の力成分が小さくなり、回転数に対する送風量が少なくなり、送風に要するエネルギーが多くなる課題がある。つまり、特許文献２の構成では、漏れの抑制はある程度期待できるものの、送風量の向上は逆に困難になるものと思われる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、気流の漏れ流れ抑制による低騒音化と吹出し風量増加による高効率化との両立を図ることができる、プロペラファンを提供することを目的とする。

　上述した目的を達成するため、本発明は、回転軸線を含むボスと、前記ボスの外周に設けられた複数の翼と、前記複数の翼をそれぞれの後縁側で部分的に囲むように配置されたベルマウスとを有するプロペラファンであって、前記翼は、半径方向断面形状において、上流側に膨らむ屈曲部を有し、前記ベルマウスの内側の屈曲部の屈曲のほうが該ベルマウスの外側の屈曲部の屈曲よりも緩やかである。

　本発明のプロペラファンによれば、気流の漏れ流れ抑制による低騒音化と吹出し風量増加による高効率化との両立を図ることができる。

本発明の実施の形態１におけるプロペラファンを下流側からみた向きで示す斜視図である。 図１のプロペラファンを側方から示す図である。 図１のプロペラファンを回転軸線の方向からみた図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う半径断面図である。 プロペラファンの翼の前縁付近の半径断面図である。 図５と同態様の図であり、図５よりも後方部位での半径断面図である。 プロペラファンの翼の後縁付近の半径断面図である。 本発明の実施の形態２に関し、屈曲部の屈曲度合いを示す角度θと、前縁から後縁に向かう位置の点Ｔとの関係を示す図である。 Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３における翼断面を示す図である。 翼前縁付近における外側と内側とに漏れる流れの様子を説明する図である。 本発明の実施の形態３に関する、図８と同態様の図である。 本実施の形態３に関する、図９と同態様の図である。 本発明の実施の形態４にプロペラファンの翼の半径断面図である。

　以下、本発明に係るプロペラファンの実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１におけるプロペラファンを下流側からみた向きで示す斜視図である。プロペラファン１においては、回転軸線Ｏに設置されたボス２の周りに複数の翼３が設置されている。符号４で示す矢印は、回転方向を示している。翼３それぞれの周縁には、回転方向前方側に位置する前縁５と、その逆側に位置する後縁６と、それら前縁５及び後縁６を結ぶように半径方向の外側に位置する外側縁７とが含まれている。また、符号８で示す矢印は、気流方向を示している。

　図２は、図１のプロペラファンを側方から示す図である。図２においては、プロペラファン１は、回転軸線Ｏを包含する面に対し回転軌跡を投影的に図示するように示されている。図２から分かるように、プロペラファン１は、その径方向外方から環状のベルマウス９に包囲されるように配置される。プロペラファン１とベルマウス９との間には、所定の隙間が確保されている。

　プロペラファン１の上流側Ａ及び下流側Ｂは、このベルマウス９によって仕切られている。また、図２においてみて、プロペラファン１は、ベルマウス９によって包囲されていない領域も有している。回転軸線Ｏを垂線とする仮想面１０ａであって、ベルマウス９の吸込み側の端部９ａの位置を含む仮想面１０ａを観念した場合、この仮想面１０ａと翼３の周縁とが交差する部位を、ラップ開始点１０と称して説明する。図２においてみて、翼３はそれぞれ、このラップ開始点１０よりも上流側の領域が、ベルマウス９に包囲されず、上流側Ａの空間で、開放されている。

　図３は、プロペラファンを回転軸線の方向からみた図であり、図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う半径断面図である。各翼３において、気流方向に対し、下流側の翼面は、ファン回転により気流を押す面であり圧力面１１または正圧面と称し、上流側の翼面は、その逆で負圧面１２と称する。

　各翼３には、図４に示されるように、翼断面の上流側、すなわち負圧面１２側に膨らむ屈曲部１３が設けられている。屈曲部１３の頂点をＰと定義する。また、翼断面でみた負圧面１２を構成する曲線において、頂点Ｐから半径方向の内側及び半径方向の外側それぞれに関し、負圧面における最も近い端部あるいは曲線の変曲点のいずれかの点に着目する。変曲点とは、例えば曲線が上及び／又は下に凸の複数態様の曲部で構成されている場合に、それらの曲部の境界が相当する。但し、ゴルフボール表面にあるようなディンプルなど細かい凹凸を構成する曲線は変曲点として考慮せず、翼断面の概略を構成する曲面を対象に考える。本実施の形態では、頂点Ｐよりも半径方向外側では、外周端Ｑ１（負圧面側の外周端）が着目点であり、頂点Ｐより半径方向内側では、翼表面を構成する曲線上の変曲点Ｑ２が着目点になる。そして、外周端Ｑ１及び変曲点Ｑ２上の接線をそれぞれＬＱ１及びＬＱ２とし、それら２本の接線ＬＱ１及びＬＱ２が相互になす角度を、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θとする。

　上記の前提において、半径方向断面において上記の屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θを前縁部と後縁部とで比較した場合、本実施の形態は、その角度θが前縁部より後縁部の方が小さいこと、すなわち、後縁部に近づくにつれて屈曲部の屈曲が緩やかであることを特徴の一つとする。また、ベルマウスとの関係においては、ベルマウスの内側ほうがベルマウスの外側よりも屈曲部の屈曲が緩やかであることを特徴の一つとする。本実施の形態の一例では、ボス径はファン径の約３０％であり、屈曲部１３の頂点Ｐは、翼外周から漏れる流れを抑制する働きをするため、回転軸線Ｏから半径の約６０％以上離れた位置に設定されている。また、翼断面の負圧面１２側の付け根Ｑ３と翼外周端Ｑ１とを比較すると、Ｑ１が下流側に取り付けてられた後傾翼である。

　ここで、半径方向断面の定義について説明する。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）のＶ－Ｖ線に関する半径方向断面を示している。翼前縁では、外周側ほど、回転方向に前進する形状である物が多く、図５（ａ）でもそうであるように、回転中心と前縁とを結ぶ半径方向断面では、ボスから外周縁までの断面全体が現れない場合もある。屈曲部頂点の位置を半径６０％以上と先述したことから、断面形状がおよそファン外径Ｒｏの５０％から９０％より外側の翼断面が現れた範囲で考える。すなわち、本明細書で述べる「前縁部」や「後縁部」とは、上記の様に翼断面が現れる範囲で最も前縁側、後縁側の断面を前縁部、後縁部とする。

　以下、本実施の形態に係る翼の作用・動作について、図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、図５と同態様の図であり、図６の（ｂ）及び図７の（ｂ）は、それぞれ、対応する（ａ）のＶＩ－ＶＩ線及びＶＩＩ－ＶＩＩ線に関する半径方向断面を示す。また、図６は、図５よりも回転方向後方の位置であり、図７はさらに、図６よりも後方の位置を示している。

　圧力面１１上に流入した気流が、屈曲部１３を通過するとき、ベルマウスの外側である前縁側（図６）においては、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θａが大きく、屈曲部より外周側の翼面法線は、内周側（回転軸線側）を向き、翼から気流に与える力１４ａが内側に働く。このため、気流８ａは、翼外周から漏れずに翼面に沿って流れ、翼から気流にエネルギーが供給される。また、漏れ流れが殆ど無いため、翼端で発生する渦を抑制することができ、流れの乱れを抑制した騒音を低減することができる。

　一方、ベルマウスの内側である後縁側（図７）においては、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θｂは、前縁側の上記角度θａよりも小さく、屈曲部１３の翼面法線は、前縁側に比べて軸方向を向くため、気流は軸方向に力１４ｂを受ける。その結果、翼面上を流れてエネルギー上昇した流れ８ｂが翼表面から下流に押し出される。ここで、後縁側は、ベルマウスに囲まれているため、ファン翼間に気流を滞留させると、ベルマウスと気流との摩擦を増大させ、摩擦によるエネルギー損失と、乱れによる騒音増加とを招く恐れがある。しかしながら、本実施の形態は、後縁側においては、ベルマウスとのラップ域の気流を軸方向に早く排出することにより、摩擦を抑制している。このような過程により、渦発生の抑制や摩擦の抑制により低騒音化を達成し、且つ、摩擦を抑制しながら流れを積極的に下流に押し出すことで送風量の増加をも達成している。

　以上のように構成された本実施の形態によれば、吸込み側である前縁部では上流側に膨らむ屈曲部により圧力面上を流れる気流が外周に漏れることを防いで、翼面上に気流を沿わせることにより、気流にエネルギー供給を行うことができ、且つ、後縁部に近づくにつれて屈曲部の角度を緩やかにし、翼面の法線方向を軸方向に向けることにより、ベルマウスとの摩擦によるエネルギー損失を抑えて送風量を増加でき、さらに、漏れ流れを抑制するため、気流の乱れを抑制して騒音を低減することができる。

　実施の形態２．
　次に、図８及び図９を用いて本発明の実施の形態２について説明する。図８は、本実施の形態２に関し、屈曲部の屈曲度合いを示す角度θと、前縁から後縁に向かう位置の各点Ｔとの関係を示す図である。図９は、Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３における翼断面を示す図である。

　図８に示されるように、本実施の形態２のプロペラファン１０１では、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θが前縁部Ｔ０と後縁部Ｔ３との間におけるある点Ｔ１までは、一定値であり、さらに点Ｔ１から後縁部Ｔ３に向かって減少する。図８の図示例では、直線的に減少する。

　また、図９の翼断面で示すと、前縁部Ｔ０と点Ｔ１の翼断面では、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θはθ１と一定であり、点Ｔ１から点Ｔ２、点Ｔ３にかけて角度θ２、角度θ３と小さくなる。

　ここで、プロペラファンの翼弦長は、外周側で最も長く、図１０の（ａ）のように上流側においては、半径方向の断面では一部でしか翼断面が現れないため、翼から気流が漏れやすい状態にある。そして、Ｘ－Ｘ線に関する半径方向断面である図１０の（ｂ）に示すように、説明の便宜上、相対的に回転方向の前後に隣接する一対の翼でみた場合、前方の翼３ａにおいて、翼３ａに流入した後、半径方向の内側に漏れた気流１８ａは、隣接する後方の翼３ｂにより再度捉えることができ、再度圧力上昇させる機会が得られる。

　その一方、半径方向の外側に漏れた気流１８ｂは、隣接する翼３ｂで捉えることができず、圧力上昇させることができない。そのため、前縁側（上流側）においては翼面に沿って流れる気流を外側に漏らさないように保持することが重要になる。

　そこで、本実施の形態２では、図８及び図９で示したように、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θを、前縁部Ｔ０から下流に向かう途中の点Ｔ１までは一定に維持して、半径方向の外側へと気流を漏らさないようにし、そして、気流へのエネルギー供給を確実に行うようにする。

　なお、一定値θ１の終端である点Ｔ１から後縁部Ｔ３に至るまでの角度θは、図８に示した直線で減少する態様には限らず、破線で示したような滑らかな曲線で減少する態様とすることもできる。例えば、ファンが必要とする圧力上昇が大きい場合には、圧力面、負圧面の差圧が大きくなるため、なす角を緩やかに減少させて気流漏れを防ぐような選択をする。逆に、差圧が小さい場合には、角度θを前述の実線態様よりも早く減少させて気流を下流に押し出す方法を選んでもよく、ファンが使用される環境に応じて適切な角度減少態様を設定するとよい。

　このような本実施の形態２によっても、実施の形態１と同様、発生の抑制や摩擦の抑制により低騒音化を図り、且つ、摩擦を抑制しながら流れを積極的に下流に押し出すことで送風量の増加を図ることができ、さらに、漏れの発生や渦の発生をより効率的に抑制することができる。

　実施の形態３．
　次に、図１１及び図１２を用いて本発明の実施の形態３について説明する。図１１及び図１２はそれぞれ、本実施の形態３に関する、図８及び図９に対応する図である。図１１における点Ｔ４は、前述したラップ開始点１０を含む翼断面の位置であるラップ開始点の対応点であり、本実施の形態３のプロペラファン２０１では、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θが前縁点Ｔ０からラップ開始点の対応点Ｔ４までは、一定値であり、さらに対応点Ｔ４から後縁部Ｔ３に向かって減少する。図１１の図示例では、直線的に減少する。

　これにつき説明すると、まず、前縁部Ｔ１からベルマウスとラップするラップ開始点の対応点Ｔ４までは、プロペラファン２０１の外周回りが開放空間になっているため、気流が外側に漏れやすい。そこで、前縁部Ｔ１からラップ開始点の対応点Ｔ４までは、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θを一定とし、気流漏れを抑制させる。そして、ラップ開始点の対応点Ｔ４から下流側の点Ｔ２・後縁部Ｔ３においては、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θをθ２・θ３と小さくしている。なお、角度を減少させる過程については、前述の実施の形態２と同様である。

　このような本実施の形態３によっても、実施の形態２と同様な利点が得られており、さらに、本実施の形態３では、特に、プロペラファン２０１の開放領域の漏れについても、効率的に漏れ抑制効果を付与することが可能である。

　実施の形態４．
　次に、図１３を用いて本発明の実施の形態４について説明する。図１３は、本実施の形態４に係るプロペラファンの翼の半径断面図である。図１３に示されるように、本実施の形態４のプロペラファン３０１では、翼３における屈曲部１３よりも外周部に、下流側に膨らむ外周折り曲げ部１５が設けられている。なお、本実施の形態４においても、屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度θに関しては、上述した実施の形態１乃至３の何れかと同様であるものとする。

　本実施の形態４によれば、外周折り曲げ部１５から外側の外周縁付近１５ａにおける圧力面１１ａと負圧面１２ａとの差圧を低減して、外周部からの気流の漏れにより発生する渦（翼端渦１６）を弱くすることができる。これにより、気流の漏れを抑制する上述した実施の形態に対し、本実施の形態４では、外周折り曲げ部１５を併用することにより、気流が漏れた場合にも強い渦にならないようにすることができ、漏れた場合の乱れを最小化し、渦による乱れを一層小さくして、低騒音化を図ることができる。

　このような本実施の形態４によっても、実施の形態１と同様な利点が得られており、さらに、本実施の形態４では、気流が漏れた後の状態をも考慮し、気流が漏れた場合にも強い渦にならないようにすることで、低騒音化をより一層すすめることができる。

　実施の形態５．
　次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態５として、上述したプロペラファンの具体的適用を示す。上述した実施の形態のプロペラファンは、プロペラファンの高効率化及び低騒音化に関するものであるが、このプロペラファンを送風機に搭載すれば、高効率な送風すなわち送風量増加が可能となり、圧縮機や熱交換器などで構成される冷凍サイクル装置である空気調和機、給湯用室外機に搭載すれば、やはり高効率な送風により熱交換器通過風量を稼ぐことができ、機器の省エネを実現することができる。なお、そのような送風機、空気調和機及び給湯用室外機の何れにもおいても、プロペラファン以外の構成については、特に限定はなく、例えば周知・既存の態様に構成されていてもよい。

　以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

　１　プロペラファン、２　ボス、３　翼、９　ベルマウス、１０　ラップ開始点、１０ａ　仮想面、１３　屈曲部、１５　外周折り曲げ部、Ｏ　回転軸線、Ｐ　頂点、Ｑ１　外周端、Ｑ２　変曲点、ＬＱ１，ＬＱ２　接線、Ｑ３　付け根、θ　屈曲部１３の屈曲度合いを示す角度。

Claims (9)

1. 　回転軸線を含むボスと、前記ボスの外周に設けられた複数の翼と、前記複数の翼をそれぞれの後縁側で部分的に囲むように配置されたベルマウスとを有するプロペラファンであって、
   　前記翼は、半径方向断面形状において、上流側に膨らむ屈曲部を有し、
   　前記ベルマウスの内側の屈曲部の屈曲のほうが該ベルマウスの外側の屈曲部の屈曲よりも緩やかである
   プロペラファン。
2. 　前記屈曲部の頂点より半径方向外側にある外周端Ｑ１と、前記屈曲部の頂点より半径方向外側にある変曲点Ｑ２とに関し、前記外周端Ｑ１及び前記変曲点Ｑ２上の接線をそれぞれＬＱ１及びＬＱ２とし、それら接線ＬＱ１及びＬＱ２が相互になす角度を、屈曲部の屈曲度合いを示す角度θとした場合、
   　前記角度θは、前縁部より後縁部で小さくなる、
   請求項１のプロペラファン。
3. 　前記角度θは、前縁部とその後方の任意点との間では一定であり、当該任意点と後縁部との間では減少する、
   請求項２のプロペラファン。
4. 　前記翼は、その周囲に配置された前記ベルマウスの吸込み側の端部の位置を含む仮想面を観念した場合に、この仮想面と該翼の周縁とが交差する部位を、ラップ開始点とし、そのラップ開始点を含む翼断面の位置をラップ開始点の対応点としたとき、
   　前記任意点は、前記ラップ開始点の対応点である、
   請求項３のプロペラファン。
5. 　前記翼は、前記屈曲部よりも外周部に、下流側に膨らむ外周折り曲げ部が設けられている、
   請求項１乃至４の何れか一項のプロペラファン。
6. 　前記翼は、半径方向断面において、外側縁が前記ボス側の付け根よりも前記回転軸線でいう下流側に位置する後傾翼である、
   請求項１乃至５の何れか一項のプロペラファン。
7. 　請求項１乃至６の何れか一項のプロペラファンを備えた送風機。
8. 　請求項１乃至６の何れか一項のプロペラファンを備えた空気調和機。
9. 　請求項１乃至６の何れか一項のプロペラファンを備えた給湯用室外機。

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