WO2020115872A1

WO2020115872A1 - 遠心送風機

Info

Publication number: WO2020115872A1
Application number: PCT/JP2018/044955
Authority: WO
Inventors: 一輝岡本; 一樹蓮池; 千景門井; 健一迫田; 菊地　仁
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-11
Also published as: JP6972385B2; JPWO2020115872A1

Abstract

遠心送風機（１）は、駆動モータ（２）と、駆動モータ（２）のシャフト（２ａ）に取り付けられた主板（５）と、複数枚の翼（６）とを備える羽根車（３）と、ベルマウス（８）及び舌部を備えたスクロールケーシング（４）とを有し、ベルマウス（８）は、吸込下流端部（８ａ）が翼端（６ａ）の内径側を塞ぐ遮蔽部（１３）を備え、遮蔽部（１３）は、シャフト（２ａ）の軸方向に沿って見た状態でシャフト（２ａ）と舌部の頂点とを結ぶ線分と吸込下流端部（８ａ）との交点である第１の吸込下流端点を起点に、羽根車（３）の回転の進行方向に向かう角度が第１の角度である第２の吸込下流端点までの領域に設けられており、第１の角度は、３０°以上１２０°以下であり、遮蔽部（１３）が設けられている領域では、羽根車（３）の外周部での主板（５）の上面（５ａ）から吸込下流端部（８ａ）までの高さが、翼（６）の高さよりも低い。

Description

遠心送風機

　本発明は、スクロールケーシングを備えた遠心送風機に関する。

　遠心送風機は、スクロールケーシング内に羽根車を収容している。遠心送風機は、羽根車の回転軸の軸方向に沿って吸込口からスクロールケーシングに吸い込んだ空気を羽根車の回転軸の遠心方向に吹き出す構造であるため、吸込流れに慣性力が作用する。このため、羽根車内を通ってスクロールケーシング内に吹き出される気流は、スクロールケーシングの底面側に偏った速度分布を形成する。そして、スクロールケーシング内に吹き出された空気の一部は、底面に沿って流れた後に、スクロールケーシングの内壁面に沿うように羽根車の主板側から翼の先端方向へと巻き上がる循環流れを形成する。この循環流れと羽根車から吹き出される気流とが、衝突又は干渉することで、遠心送風機の送風性能の低下及び騒音の増大の原因となっている。

　また、遠心送風機は、使用する動作点によって羽根車内及びスクロールケーシング内の気流の速度分布が変化する。例えば、風量が大きくなる開放側の動作点においては、羽根車内を通ってスクロールケーシング内に吹き出される気流が速くなり、気流に対して慣性力が強く作用する。このため、羽根車から吹き出される気流は、吸込口に近いほど主板側への速度成分が大きい。したがって、スクロールケーシングの底面側ほど主板側への速度成分が小さく遠心方向への速度成分が大きくなるため、底面側ほど遠心方向へ向かう空気の風量が大きくなる。また、スクロールケーシングの内壁面に沿うように羽根車の主板側から翼の先端方向へと巻き上がる循環流れも大きく発達しやすくなる。

　特許文献１には、羽根車の内周及び外周に近づくように、吸込口から羽根車の主板側に向けて延出する第１延設部を形成した遠心送風機が開示されている。特許文献１に開示される遠心送風機は、第１延設部を形成することで、翼端の前縁付近に空気の流れのない領域を形成して、循環流れの発生を防止する。

特開平７－２９３４９７号公報

　特許文献１に開示される遠心送風機は、翼端において翼と循環流れとの干渉を防止するものの、第１延設部によって風路が塞がれるため、翼の送風性能が低下する。特に、送風機を使用する動作点が開放側の場合、羽根車内を通ってスクロールケーシング内に吹き出される気流が速くなり風量が増大するため、特許文献１に開示される遠心送風機では、吸込口に形成した第１延設部が大きな空気抵抗となり、送風性能を低下させるとともに騒音も増大してしまう。

　したがって、送風性能を低下させたり騒音を増大させたりすることなくスクロールケーシング内での循環流れの発生を防止した遠心送風機を実現することが望まれていた。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、送風性能を低下させたり騒音を増大させたりすることなくスクロールケーシング内での循環流れの発生を防止した遠心送風機を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、駆動モータと、駆動モータのシャフトに取り付けられた主板と、主板の周縁部に環状に配列された複数枚の翼とを備える羽根車と、主板に対向する吸込口と、吸込口に向かう気流を案内するベルマウスと、羽根車を回転可能に収容するスクロール部と、羽根車が発生させた気流を吹き出す吹出口と、羽根車が発生させた気流を吹出口に導く舌部と、スクロール部と吹出口とを接続し、舌部から吹出口に向かって風路断面積が拡大するディフューズとを備えたスクロールケーシングとを有する。ベルマウスは、吸込下流端部が翼の翼端の内径側を塞いで吸込口からスクロールケーシングに流入する吸込流れの一部を遮断する遮蔽部を備える。遮蔽部は、シャフトの軸方向に沿って見た状態でシャフトと舌部の頂点とを結ぶ線分と吸込下流端部との交点である第１の吸込下流端点を起点に、羽根車の回転の進行方向に向かう角度が第１の角度である第２の吸込下流端点までの領域に設けられている。第１の角度は、３０°以上１２０°以下である。遮蔽部が設けられている領域では、羽根車の外周部での主板の上面から吸込下流端部までの高さが、翼の高さよりも低い。遮蔽部が設けられている領域よりも羽根車の回転の進行方向の前方の領域では、羽根車の外周部での主板の上面から吸込下流端部までの高さが、翼の高さよりも高い。

　本発明に係る遠心送風機は、送風性能を低下させたり騒音を増大させたりすることなくスクロールケーシング内での循環流れの発生を防止できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る遠心送風機の斜視図実施の形態１に係る遠心送風機の平面図実施の形態１に係る遠心送風機の羽根車の回転軸を通る平面での断面図実施の形態１に係る遠心送風機の羽根車の回転軸に垂直な平面での断面図実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の設計のための流体解析による翼の高さ方向の風速分布結果を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の設計のための流体解析による羽根車の回転方向の風速分布結果を示す図実施の形態１に係る遠心送風機のスクロールケーシングの拡大角を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の吸込口の形状を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の変形例を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の形状を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の大きさとファン効率の改善量との関係を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の静圧効率と風量との関係を示す図実施の形態１に係る遠心送風機の吸込騒音と風量との関係を示す図

　以下に、本発明の実施の形態に係る遠心送風機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る遠心送風機の斜視図である。図２は、実施の形態１に係る遠心送風機の平面図である。図３は、実施の形態１に係る遠心送風機の羽根車の回転軸を通る平面での断面図である。図３は、図２中のIII-III線に沿った断面を示している。図４は、実施の形態１に係る遠心送風機の羽根車の回転軸に垂直な平面での断面図である。図４は、図３中のIV-IV線に沿った断面を示している。実施の形態１に係る遠心送風機１は、駆動モータ２と、羽根車３と、スクロールケーシング４とを有する。羽根車３は、駆動モータ２のシャフト２ａに取り付けられた主板５と、主板５の周縁部に環状に配列された複数枚の翼６と、翼６の外周に取り付けられた環状の補強リング７とを有する。羽根車３は、シャフト２ａを中心に回転する。シャフト２ａの軸方向に沿って見た場合、羽根車３の回転中心Ｏは、シャフト２ａ上に位置する。

　スクロールケーシング４は、主板５に対向する吸込口９と、吸込口９に向かう気流を案内するベルマウス８と、羽根車３を回転可能に収容するスクロール部４１と、羽根車３が発生させた気流を吹き出す吹出口１０と、羽根車３が発生させた気流を吹出口１０に導く舌部１１と、スクロール部４１と吹出口１０とを接続し、舌部１１から吹出口１０に向かって風路断面積が拡大するディフューズ１２とを備えている。ベルマウス８は、翼端６ａの内径側を塞いで吸込流れの一部を遮断する遮蔽部１３を備えている。

　図３及び図４に示すように、遮蔽部１３は、シャフト２ａの軸方向から見た状態でシャフト２ａと舌部１１の頂点とを結ぶ線分とベルマウス８の吸込下流端部８ａとの交点に位置する第１の吸込下流端点Ａを起点に、羽根車３の回転の進行方向に向かう角度が角度θまでの領域に設けられている。すなわち、第１の吸込下流端点Ａから羽根車３の回転方向に第１の角度である角度θ進んだ第２の吸込下流端点Ｂにかけて、遮蔽部１３が形成されている。遮蔽部１３が設けられた領域では、羽根車３の外周部での主板５の上面５ａからベルマウス８の吸込下流端部８ａまでの高さＨｒが、翼６の全高Ｈｂよりも低くなっている。第２の吸込下流端点Ｂから回転方向に進んだ下流側の領域では、遮蔽部１３が形成されていないため、羽根車３の外周部の主板５の上面５ａからベルマウス８の吸込下流端部８ａまでの高さＨｒは、全高Ｈｂよりも高くなっている。

　吸込口９から吸い込まれた空気は、羽根車３を通過して、スクロールケーシング４内に吹き出される。気流には慣性力が作用するため、羽根車３を通過する気流は主板５側に偏った速度分布を形成する。羽根車３からスクロールケーシング４内に吹き出された空気の一部は、スクロールケーシング４の側壁面４ａに沿うように主板５側から翼端６ａ方向へと巻き上がる気流を形成し、やがて翼端６ａ付近まで到達する循環流れＵとなる。循環流れＵと羽根車３から吹き出される気流とがスクロールケーシング４内で衝突又は干渉すると、遠心送風機１の送風性能の低下及び騒音増大の原因となる。なお、循環流れＵは、羽根車３から吹き出される気流によって生じるが、スクロールケーシング４内において循環流れＵが翼端６ａ付近に到達するには、ある程度の時間を要する。

　実施の形態１に係る遠心送風機１は、遮蔽部１３を備えない遠心送風機の内部の気流の流体解析を行って、羽根車の外周付近における気流の速度分布を求め、この速度分布に基づいて遮蔽部１３を設計している。なお、流体解析に用いた羽根車の大きさは直径１８０ｍｍ、翼の高さは１００ｍｍであり、羽根車の回転速度８００回／分及び作動風量８ｍ^３／分の条件下において、羽根車の回転中心から９５ｍｍの位置での径方向速度を求めた。

　図５は、実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の設計のための流体解析による翼の高さ方向の風速分布結果を示す図である。図６は、実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の設計のための流体解析による羽根車の回転方向の風速分布結果を示す図である。図５及び図６に示すように、遮蔽部１３を備えない遠心送風機における羽根車から吹き出される気流の速度分布は、スクロールケーシング内の回転方向位置と翼の高さ方向の位置とによって変化する。ここで、羽根車の翼の全高をＨｂ’、羽根車の回転中心と舌部の頂点とを結んだ直線を起点にして羽根車の回転方向への角度を角度θ’としたとき、角度θ’が０°の舌部から角度θ’が１２０°以下の領域では、根元からの高さｈ＝０．９Ｈｂ’である翼端側における速度ｖ１及び根元からの高さｈ＝０．５Ｈｂ’である翼の中央部における速度ｖ２は、ともに正の値となる。これは、スクロールケーシング内において生じる循環流れＵが翼端付近まで到達しておらず、羽根車から吹き出される気流が循環流れＵによって阻害されていないことを示している。

　角度θ’が１２０°を超え２５０°以下の領域では、翼の中央部における速度ｖ２は正の値であるが、翼端側における速度ｖ１は負の値となる。これは、翼端付近まで循環流れＵが到達し、羽根車から吹き出される気流が阻害されていることを示している。角度θ’が１２０°を超え２５０°以下の領域での翼端側における速度ｖ１が負の値となるのは、角度θ’が０°を超え１２０°以下の領域で羽根車からスクロールケーシング内に吹き出された気流の一部が循環流れＵに関与した結果である。角度θ’が２５０°を超え３６０°未満の領域では、翼端側における速度ｖ１、翼の中央部における速度ｖ２ともに正の値となる。これは、スクロールケーシングの側壁面が羽根車から離れており、羽根車から吹き出された気流が、循環流れＵとなって翼端付近に到達する前にディフューズを通って吹出口へと向かうため、羽根車から吹き出される気流が循環流れＵによって阻害されていないことを示している。

　実施の形態１に係る遠心送風機１は、上記の流体解析結果に基づいて、第１の吸込下流端点Ａから第２の吸込下流端点Ｂまでの羽根車３の回転方向に沿った角度となる角度θを３０°以上１２０°にすることで、角度θが１２０°を超え２５０°以下の領域において翼端６ａに到達する循環流れＵを低減させ、速度ｖ１が低下することを防いでいる。

　このように、実施の形態１に係る遠心送風機１は、遮蔽部１３が翼端６ａの内径側を塞いで吸込流れの一部を遮断することにより、羽根車３からスクロールケーシング４内に吹き出される気流を弱め、スクロールケーシング４内に生じる循環流れＵの発達を低減する。したがって、羽根車３から吹き出される気流が循環流れＵに阻害されずにスクロールケーシング４内を通過しやすくなり、遠心送風機１の送風性能を向上させることができる。また、実施の形態１に係る遠心送風機１は、羽根車３から吹き出される気流とスクロールケーシング４内の循環流れＵとの衝突及び干渉を低減できるため、騒音を低減することができる。

　遮蔽部１３が翼端６ａを塞いで吸込流れの一部を遮断することは、一見すると、遠心送風機１の送風性能を低下させるようにみえる。しかし、図５及び図６に示すように、遮蔽部１３を備えない遠心送風機の羽根車からスクロールケーシング内に吹き出される空気は角度θ’の大きい下流側において速くなり、風量が増える。これは、スクロールケーシングの風路断面積が徐々に拡大していくことで空気が流れやすくなるためである。したがって、実施の形態１に係る遠心送風機１は、角度θの大きい領域における送風特性を高めることで遠心送風機１全体の送風性能をも高めている。

　上述したように、実施の形態１に係る遠心送風機１では、第２の吸込下流端点Ｂから回転方向に進んだ下流側において循環流れＵの発達が低減されるため、羽根車３から吹き出される気流が循環流れＵに阻害されずにスクロールケーシング４内を通過しやすくなる。したがって、翼６のまわりの風路をさらに広くして翼６が機能しやすくすることにより、翼６が機能しやすくなることと風路が広がることとの相乗効果で、遠心送風機１の送風性能をより高めることができる。

　図７は、実施の形態１に係る遠心送風機のスクロールケーシングの拡大角を示す図である。スクロールケーシング４の拡大角は、羽根車３の外径とスクロールケーシング４の側壁面４ａとを各々平面状に展開した場合に、両者がなす角度で定義される。図７に示すように、舌部１１の頂点を起点に回転方向に進んだ角度θが１２０°以下の領域におけるスクロールケーシング４の拡大角α１よりも、回転方向へ進んだ下流側の角度θが１２０°を超え２５０°以下の領域におけるスクロールケーシング４の拡大角α２の方が大きくなっている。このようにすることで、スクロールケーシング４の拡大角が拡大角αで一定の場合よりも、羽根車３の回転中心Ｏからスクロールケーシング４の側壁面４ａまでの距離が延びてスクロールケーシング４内の風路断面積が拡大することになる。このため、吸込口９から吸い込まれた空気が羽根車３内を通って、スクロールケーシング４内に吹き出されやすくなり、さらなる送風性能の向上を実現できる。また、拡大角α１を拡大角αよりも小さく抑えることで、スクロールケーシング４全体が大型化することを抑制しつつ、遠心送風機１の送風性能を向上させることができる。

　図８は、実施の形態１に係る遠心送風機の吸込口の形状を示す図である。図８に示すように、羽根車３の回転中心Ｏに対して第２の吸込下流端点Ｂと軸対称に位置する第３の吸込下流端点Ｃと羽根車３の回転中心Ｏとの距離Ｌ２は、羽根車３の回転中心Ｏと第２の吸込下流端点Ｂとの距離Ｌ１よりも長くなっている。すなわち、シャフト２ａの軸方向に沿って見た状態で、シャフト２ａを挟んで第２の吸込下流端点Ｂの反対側に位置する第３の吸込下流端点Ｃとシャフト２ａとの距離Ｌ２は、第２の吸込下流端点Ｂとシャフト２ａとの距離Ｌ１よりも長い。こうすることで、吸込口９の開口面積が拡がり、吸込流れの平均風速が低下して風路圧損が減少するとともに、羽根車３内を空気が流れやすくなるため、さらに送風性能を向上させることができる。

　図９は、実施の形態１に係る遠心送風機の変形例を示す図である。図９に示すように、翼６の中間部から翼端６ａに向かって羽根内径が増加するように、又は羽根内径及び羽根外径がともに増加するように羽根車３を形成してもよい。図９に示す例では、翼６の中間部から翼端６ａに向かって羽根内径はＤＩ１からＤＩ２まで増加しており、羽根外径はＤＯ１からＤＯ２まで増加している。このようにすることで、遮蔽部１３と翼６との隙間が広がるため、遮蔽部１３を設計しやすくなる。また、羽根内径に合わせて吸込口９の開口面積をより拡げられるため、吸込流れの平均風速を低下させて風路圧損を減少させるとともに、羽根車３内を気流が通過しやすくなり、さらに送風性能を向上させることができる。さらに、翼６の形状変化に伴い、送風性能を向上させることができる。

　図１０は、実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の形状を示す図である。図１０に示すように、吸込口９からスクロールケーシング４に流入する吸込流れの一部を遮断するために、複数の遮蔽部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを設けてもよい。特に、遠心送風機１を空気調和機のような装置の筐体内に実装して使用する場合には吸込流れが局所的に速まるため、遮蔽部１３の形状及び大きさを個別に調整することで、吸込流れの一部を効果的に遮断し、送風性能を向上させることが期待できる。なお、図１０には、遮蔽部１３を三つ設けた構造を示したが、複数の遮蔽部１３は、二つでも四つ以上でもよい。

　図１１は、実施の形態１に係る遠心送風機の遮蔽部の大きさとファン効率の改善量との関係を示す図である。なお、遮蔽部１３の大きさは、シャフト２ａの軸方向と垂直な平面において第１の吸込下流端点Ａとシャフト２ａと第２の吸込下流端点Ｂとがなす遮蔽部１３の中心角である∠ＡＯＢで表している。図１１に示すように、遮蔽部１３の大きさと遠心送風機１のファン効率ηの改善量Δηとの関係から、遮蔽部１３の中心角である∠ＡＯＢが、３０°≦∠ＡＯＢ≦１２０°となるように遮蔽部１３を形成するとファン効率ηを０．５ポイント以上改善できる。同じく６０°＜∠ＡＯＢ＜１１０°となるように遮蔽部１３を形成すると、ファン効率ηを１ポイント以上改善できる。なお、遠心送風機１のファン効率ηは、静圧Ｐ［Ｐａ］、風量Ｑ［ｍ^３／分］及び軸出力Ｗ［Ｗ］に基づいて、η＝Ｐ・Ｑ／６０Ｗの演算を行って算出した。

　図１２は、実施の形態１に係る遠心送風機の静圧効率と風量との関係を示す図である。実施の形態１に係る遠心送風機１は、遮蔽部１３を備えない遠心送風機に対して、最大で静圧効率が１．５ポイント向上した。図１３は、実施の形態１に係る遠心送風機の吸込騒音と風量との関係を示す図である。実施の形態１に係る遠心送風機１は、遮蔽部１３を備えない遠心送風機に対して、最大で－１ｄＢの騒音低減の効果を得られた。

　実施の形態１に係る遠心送風機１は、シャフト２ａの軸方向に沿って見た状態で第１の吸込下流端点Ａを起点に、第２の吸込下流端点Ｂまでの領域に遮蔽部１３を設けているため、送風性能を低下させたり騒音を増大させたりすることなくスクロールケーシング４内での循環流れＵの発生を防止することができる。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　遠心送風機、２　駆動モータ、２ａ　シャフト、３　羽根車、４　スクロールケーシング、４ａ　側壁面、５　主板、５ａ　上面、６　翼、６ａ　翼端、７　補強リング、８　ベルマウス、８ａ　吸込下流端部、９　吸込口、１０　吹出口、１１　舌部、１２　ディフューズ、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ　遮蔽部、４１　スクロール部。

Claims

　駆動モータと、
　前記駆動モータのシャフトに取り付けられた主板と、前記主板の周縁部に環状に配列された複数枚の翼とを備える羽根車と、
　前記主板に対向する吸込口と、前記吸込口に向かう気流を案内するベルマウスと、前記羽根車を回転可能に収容するスクロール部と、前記羽根車が発生させた気流を吹き出す吹出口と、前記羽根車が発生させた気流を前記吹出口に導く舌部と、前記スクロール部と前記吹出口とを接続し、前記舌部から前記吹出口に向かって風路断面積が拡大するディフューズとを備えたスクロールケーシングとを有し、
　前記ベルマウスは、吸込下流端部が前記翼の翼端の内径側を塞いで前記吸込口から前記スクロールケーシングに流入する吸込流れの一部を遮断する遮蔽部を備え、
　前記遮蔽部は、前記シャフトの軸方向に沿って見た状態で前記シャフトと前記舌部の頂点とを結ぶ線分と前記吸込下流端部との交点である第１の吸込下流端点を起点に、前記羽根車の回転の進行方向に向かう角度が第１の角度である第２の吸込下流端点までの領域に設けられており、
　前記第１の角度は、３０°以上１２０°以下であり、
　前記遮蔽部が設けられている領域では、前記羽根車の外周部での前記主板の上面から前記吸込下流端部までの高さが、前記翼の高さよりも低く、
　前記遮蔽部が設けられている領域よりも前記羽根車の回転の進行方向の前方の領域では、前記羽根車の外周部での前記主板の上面から前記吸込下流端部までの高さが、前記翼の高さよりも高いことを特徴とする遠心送風機。
　前記遮蔽部が設けられている領域での前記スクロールケーシングの拡大角は、前記遮蔽部が設けられている領域よりも前記羽根車の回転の進行方向の前方の領域での前記スクロールケーシングの拡大角よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の遠心送風機。
　前記シャフトの軸方向に沿って見た状態で、前記シャフトを挟んで前記第２の吸込下流端点の反対側に位置する第３の吸込下流端点と前記シャフトとの距離は、前記第２の吸込下流端点と前記シャフトとの距離よりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心送風機。
　前記翼は、高さ方向の中間部から翼端に向かって、羽根内径及び羽根外径のうち少なくとも羽根内径が増加することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心送風機。