JP2008240590A - ターボファン - Google Patents

Abstract

【課題】静圧が高く騒音の少ないターボファンを提供する。
【解決手段】羽根車４の羽根８は基円板４ａの周縁部に立設し、羽根の他端は円環板４ｂに固定される。円環板の内側縁部の径はケーシングの空気吸込み側に設けたベルマウスの内径とほぼ等しい。羽根は湾曲部と延長部から成り湾曲部は円環板で覆われ、延長部８ａは円環板の内側縁部より回転中心側に突出させる。延長部の端部のピッチは５ｍｍ程度で吸込む気流を細分して羽根間の間隙に送り遠心力でケーシングの空隙に脈動の少ない風を送り出す。１例として洗濯乾燥機における現行品と比較して羽根枚数が多く回転数は高くなるが同じ風量で騒音が５ｄＢ以上低くなり、高い静圧が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、洗濯物の乾燥装置などに使用されるターボファンの構造に関する。

従来のターボファン１００は、図８（ａ）の一部を破断した正面図に示すようにケーシング１０１と羽根車１０２とその回転軸１０３で構成される。前記羽根車は回転軸に取着される主円板１０４とその周縁部分に立設される羽根１０５から成り、羽根の他の端部には（ｂ）図に示す円環板１０６が取着されて一種の籠状を形成している。羽根車の回転方向は図中に示した矢印の方向である。羽根の外周縁部のピッチｐは均等で翼厚ｔも一定である。１０７は吹出し口である。同（ｂ）図に羽根車１０２の側面図を示す。羽根の内周縁部の高さは外周縁部の高さより高くなっており側面形状は台形である。ケーシング１０１の外気吸込み口はベルマウス１０１ａが設けられ吸込みを付勢している。また羽根の内周縁部の直径ｄはベルマウスの直径Ｄにほぼ等しい。羽根の内周縁部を高くしたことで外気の吸込み量を大きくし外周縁部の高さをより低くしたことで静圧を高める意図が推察される。

近年洗濯乾燥機は湿気を機外に放出せず、回転軸を傾斜させたドラムの一方から乾燥した温風を送風し、他方から湿った空気を取り出すような循環系を構成し、該循環経路に熱交換機を設けている。熱交換機はヒートポンプ方式で湿った空気を急冷し水滴を除去するとともに冷気を加熱して温風にして循環させドラム内の濡れた洗濯物に温風を吹き付けている。この循環系路に組込まれる送風機の吸気側には熱交換機の熱交換部がほぼ密接して配置されるので送気循環経路には抵抗が生じ静圧の高い送風機が求められる。また洗濯乾燥機は密封型の容器であり、送風機の回転に伴う騒音と振動が容器に伝搬し容器周囲の騒音が特に高く感じられることがある。屋外で洗濯物を干す慣習が少なくなり勤務を終えた人は夜間に洗濯することになるが、深夜に洗濯及び乾燥を行うと騒音が特に問題となる。

小型のターボファンで静圧を高め動作時の騒音が少ない文献として特開２００７−２７０８号が挙げられる。用途は天井埋込み式の空気調和機であり羽根車の羽根の後縁部を曲率の小さい湾曲状の曲面と成し乱流発生を回避して騒音の少ないターボファンを提供している。また羽根の前縁部が円環状のシュラウドの内縁部より突出しているがその効果については特段の記載はない。羽根は回転半径方向に対してかなり傾斜している。
特開２００７−２７０７号公報

乾燥あるいは放熱など空調を目的とした送風循環系路に配置される騒音の少ないターボファンを提供すること。

本発明のターボファンは、回転軸に直行する断面形状で示すと曲率半径が徐々に大きくなるケーシングと回転軸に直交する面に回転する基円板とその周縁部に立設する複数の湾曲状の羽根と該羽根の他の端部を覆う円環板とから成り、羽根の湾曲面は前記基円板の半径方向に接線を形成し、また前記羽根の内縁部は前記円環板の内周縁部より回転中心方向へ突出した羽根部を一体若しくは別途形成する羽根車を備えたことを特徴としている。また、前記羽根の内縁部の接円の直径をケーシングの吸気側に設けたベルマウス（吸気口）の内径より小さくすることで吸気の整流効果を向上させ渦流の発生を防止する。前記湾曲面と基円板の半径方向の接線の接点の位置は、該接線に平行に測定される羽根の幅をＷとすれば、羽根の外周縁から接点までの距離は０．５Ｗが基準値であり、騒音のレベルが変わらない範囲は０．４〜０．６Ｗの範囲が好ましい。

前記の突出した羽根部は湾曲面を形成する部材を湾曲面の接線方向に沿って延びる平面又は湾曲面の曲率半径に沿って延びる曲面、若しくはこれら双方の突出した羽根部が画成する間の部位に形成される延長部分を構成する。

前記突出した羽根部は湾曲面を構成する部材と一体の部材で構成されているが、本発明はこれに限定されない。延長部分に相当する羽根を別途作成し基円板に固定しても良い。この場合突出する羽根部分の他の側には円環板が存在していないから、羽根の一部に嵌合させる構造を形成して円環板に固定しその枚数も湾曲面を構成する羽根部と同じ枚数とは限らない。また、羽根の湾曲部の曲率半径も一定ではなく曲率半径の異なる曲面を含むことも本発明に含まれる。

また前記円環板の内周縁部より突出する羽根の内縁部の間隙は羽根車の外径が１５０ｍｍ程度の小型の場合は５ｍｍ程度に設定するのが好ましい。これにより細かい風の供給が可能となり熱交換器などが空気循環経路を塞ぐような場合静圧が上昇するが、この際に生じる脈動する風の流れが無くなり、ケーシングの側面に脈動による振動が伝搬せず固定振動音が発生しないため、乾燥容器全体に伝搬する騒音が減少する効果を奏する。更に羽根車の外径が大きくなる場合はターボファンとして要求される風量が大きくなるから、羽根の高さ及び幅と羽根厚も大きくなり外気の吸い込み量が増大するから羽根の内縁部の間隙は５ｍｍより大きくする必要がある。要は外気が羽根間に流入する際に渦流を生じさせないことが必須条件である。

更に、前述したように羽根の湾曲面が半径方向に接線を形成するような位置にあることから、羽根の半径方向に対する傾きは小さく、円環板より突出した羽根で分割された風の流れを更に整流して羽根車の外周方向へ吹出させるため羽根間に乱流が発生しにくい特徴を有している。従来のターボファンの羽根車の羽根は半径方向に対して傾斜角が大きいため、ベルマウスから吸入される空気を急激に加速するような気流になるため羽根間の気流は速くなる傾向にあり、ベルマウスから流れ込む気流は羽根に流れ込む際に渦流を生じさせる原因となっている。本発明は半径方向に羽根が配置されるため羽根間の気流はさほど速くない。従って空気の羽根間の流量は少なくなると思われるが、羽根枚数を多くして羽根車全体としての空気流量はさほど変わらない。実施例で述べるが毎分当たりの吐出風量を同じにした場合は従来品より本発明品の方が１３％程度回転数が大きくなっている。しかし騒音が低いのは上述した理由の一つと思われる。

羽根車の形状について種々検討の結果、湾曲した羽根の形状は羽根車の半径方向に平行な長さをＷとすれば円環板より突出する延長部分は０．２〜０．３Ｗ程度であり、また延長部分の断面形状は湾曲部の接線方向の直線若しくは湾曲部の曲率半径に沿って延長した曲線が好ましい範囲でありこの範囲を超えると却って騒音が強くなる傾向が見られた。

本発明のターボファンを備えた洗濯乾燥機は暗騒音２１．８ｄＢのとき、少なくとも５ｄＢは騒音が低くなり、洗濯乾燥機を設置した部屋のドアを閉めると運転音は殆ど聞こえなかった。乾燥速度も現行品に比較して速くなる傾向がみられた。

一例として洗濯乾燥機に装着可能なサイズのターボファンを作成し、直径１５０ｍｍ、高さ３５ｍｍの羽根車を用いて、ベルマウスの内径より突出した羽根の延長部を有するように構成することでより騒音の少ないターボファンを提供する。本例では比較的小型のターボファンについて説明するが、更にこれより大きい外径の羽根車を用いた場合のターボファン、例えばビル用送風装置のようなきわめて大きいファンにおいても、羽根の内縁部が円環板の内周縁部より突出する羽根部を形成することで風の整流が行われ騒音が少なく静圧の高いターボファンを提供できる。

（実施例１）
図１(a)は本発明のターボファン１のベルマウスを含む側板と羽根車の円環板を除去した状態の正面図である。２はケーシングであり、内側面は回転軸３を中心とした曲率半径Ｒ１が徐々に大きくなる渦巻き形状であり羽根車４の外周縁部とケーシング内面の成す空隙が大きい方に吹出し口５を設けている。１点鎖線で示した円はベルマウス（吸気口）の内径を示す。図１（ｂ）図は羽根車４の側面図であり、羽根８の内側端部に対する側板２ａとベルマウス６の位置関係を示す。羽根車４が回転した時のベルマウスからの吸込み気流の方向を矢示している。

図２は本発明のターボファン１の全体を示す斜視図であり、側板２ａにはベルマウス６が備えられている。側板２ｂは取着基板であり、該基板にモータ７が取付けられ回転軸３に羽根車４が装着される。図３は羽根車４の斜視図であり、モータの回転軸３に取着するボスを中心部に構成した円形の基円板４ａとその周縁部には羽根８の片方端部が同心円上に複数個垂直に固定され、羽根８の他方端部は円環板４ｂ（一部のみ示す）に固定される。円環板の内側縁部の直径はベルマウスの直径にほぼ等しく設定している。羽根８は円環板４ｂの内側縁部から突出して延長部８ａを形成しており本発明の重要な要素である。基円板４ａと円環板４ｂは平行に配置され、羽根は０．６ｍｍ厚のアルミ板を用いている。羽根の固定部分は特に図示していないが羽根の両端部に折曲げしろを備えこれを基円板及び円環板に穿設した穴に差込みこれを折り曲げて固定している。本実施例では羽根の湾曲部の曲率半径は４０．４ｍｍで、板厚０．６ｍｍのアルミ板を曲げ加工して用いている。

図４（ａ）図は羽根８の一部を示す回転軸に直交する面の拡大断面図である。円環板４ｂで覆われる羽根８は所定の半径ｒで湾曲した曲面で成る板であり、羽根車の回転軸３の中心から延びる半径方向の接線との接点Ｐを形成している。円環板４ｂ内側縁部から突出する羽根の延長部８ａは羽根の曲率半径ｒの接線方向に直線で延長されている場合を示す。同（ｂ）図は羽根を拡大した図であり、羽根の延長部８ａが羽根の曲率半径と同じ曲率半径ｒで延長部を形成した例である。これらの延長部の範囲では騒音レベルに変化はないが、同（ｃ）図に示すように延長部８ｂが湾曲部のｒより小さい曲率半径ｒ１又は延長部８ｃのように逆方向の曲率半径ｒ２で延長部を形成すると騒音が高くなる傾向を示す。外気を吸込むときに外気を細分化して羽根の間隙に風を送り込むとき乱流が生じて騒音を発生させると思われる。また羽根の湾曲部と延長部を含めた半径方向接線に平行な羽根幅をＷとすれば接点Ｐの位置は羽根の外縁部からの距離がＷ１の位置にあり、設計の基準値として０．５Ｗすなわち羽根幅の１／２の点においているが０．４〜０．６Ｗに相当する位置で羽根の接線に対する角度設定を行っている。同じく延長部８ａの幅Ｗ２の基準値はＷ／４を基準値とし、０．２〜０．３Ｗの範囲に設定可能である。換言するとＷ／４は円環板に覆われる部分の長さと延長部の長さが３：１の比率なってることを示している。これらの範囲に設定することで羽根の回転軸３の中心を通る所定のｒに設定した湾曲部の接線に対する羽根の傾きと延長部８ａの長さを規定するようにしている。前記接点Ｐが０．４Ｗより小さい位置になると吹出し風量が減少し、０．６Ｗより大きいと半径方向接線に対して羽根の傾きが大きくなり騒音が顕著になる。また、延長部の幅Ｗ２が０．２Ｗより小さいと騒音が大きくなり、０．４Ｗより大きいと延長部の先端部の間隙が狭くなり吸込み量が減少し吹出し風量が減少する。

上記の羽根の傾きについて図５を用いて説明する。（ａ）図は回転軸３の中心を通る垂直な羽根８の湾曲面に対する接線とその接点Ｐを有する羽根８を示し、接点Ｐは羽根幅をＷとした場合その半分の位置すなわち０．５Ｗの位置にある（Ｗ１）。延長部８ａの幅Ｗ２は０．２Ｗに相当する長さを設定している。同（ｂ）図は接点ＰがＰ１へ変更したときの接点であり接線に平行な羽根の外縁部からの長さＷ１は０．６Ｗに相当する。このときの羽根の配置は羽根８−１で示され、接線に対する羽根外縁部の傾斜角度は大きくなる。羽根幅Ｗに対して延長部の幅Ｗ２は０．２Ｗに設定している。同（ｃ）図は接点ＰがＰ２へ変更された時の羽根８−２の配置状態を示す。羽根の外縁部からの距離Ｗ１は０．４Ｗに相当する長さである。接線に対する羽根外縁部の傾斜角度は小さくなるが延長部の接線に対する傾斜角度は大きくなっている。延長部の接線に対して平行な長さＷ２を０．３Ｗに相当する長さにした。このように羽根の湾曲部と回転軸３を通る接線との接点Ｐの位置が変更されると羽根の傾斜角度が変わり風量と静圧及び運転時の騒音に与える影響は顕著になる。注意すべき点は延長部８ａの端部の内接円に沿った間隙Ｇは３〜５ｍｍは必要であり、３ｍｍより狭いと風量が極端に少なくなり、５ｍｍより広くなると渦流が生じて騒音が大きくなり静圧が減少する。

（実施例２）
実施例１のターボファン１を洗濯乾燥機に装着して騒音測定を行った結果を図６に表で示す。洗濯乾燥機は（株）東芝製のＴＷ−２５００ＶＣを用いている。本発明以前の現行品と本発明品を比較している。図６（ａ）図は洗濯乾燥機１０の外観図であり前開きのドア１０ａがあり、のぞき窓１０ｂの奥にドラムが傾斜した状態で回転する。外形寸法概略は幅６６５ｍｍ、奥行き７１４ｍｍ、高さ１１００ｍｍで前扉は湾曲して後退し天板の奥行きは５５０ｍｍである。騒音の測定位置はのぞき窓の前方１ｍ、機体の右側側面中央部から１ｍ離れた位置及び左側側面の中央部から１ｍ離れた位置にマイクを設置して測定した。（ｂ）図の表はターボファンの送風風量２．０ｍ^３／分の場合であり、（ｃ）図は風量２．５ｍ^３／分の場合である。騒音は本発明品が回転数が高いにも拘わらず５．４ｄＢ低くなっている。

洗濯乾燥機はヒートポンプ方式で濡れた洗濯物を通過した湿った空気を熱交換機で冷却し水滴を除去して湿度を下げ、再びその残余の湿気を含んだ空気を熱交換機で加熱しドラム内の洗濯物に吹き付けるような動作を循環させている。従って図７に示す説明図では、ターボファン１の吸気側と吹出し側にはパイプ１３を通じてドラム１１に温風が送気され、ドラムから洗濯物の水分を含んだ湿度の高い空気が熱交換機１２へ送気される。湿度の高い空気は第１の熱交換機で冷却され湿気を水滴にして除去し、更に第２の熱交換機で加熱され温風をドラムに送気する。これを繰り返して洗濯物は乾燥する。熱交換機のラジエータのメッシュが循環する空気の流路を塞ぐように配置されターボファンにかかる負担は大きくなる。静圧が高く脈動の少ない風を発生させる性能を有するターボファンが求められる所以である。

密閉度の高い住宅が普及し、屋外への排気が限定される現状に鑑み、洗濯乾燥機の需要は大きい。ヒートポンプ方式の乾燥機が普及し騒音対策が求められるなか本発明のターボファンは騒音を少なくするために有効な手段である。また騒音が少なく静圧が高いことを利用してコンピュータラックの滞留する熱気を吸収しヒートポンプ方式で冷却しラック内に循環させてＣＰＵの加熱を防止できる。更にヒートポンプ方式は室内の湿度、温度、換気の調整を行う空調設備に利用されているのでヒートポンプの熱交換部に本発明のターボファンを使用して空調効率を高めることができる。

（ａ）図は本発明のターボファンの正面図であり、（ｂ）図は羽根車の側面図である。（実施例１） 本発明のターボファンの全体を示す斜視図である。（実施例１） 本発明の羽根車の斜視図である。（実施例１） （ａ）図羽根の取着形態を示す説明図であり、（ｂ）図は羽根の詳細を示す説明図であり、（ｃ）図は羽根の別の形状を示す説明図である。（実施例１） (ａ)、（ｂ）及び（ｃ）図は羽根と接線の接点の位置の変更に伴う羽根の配置状態を示す説明図である。（実施例１） （ａ）図は洗濯乾燥機の騒音測定位置を示す説明図であり、（ｂ）及び（ｃ）図は測定結果を示す表である。（実施例２） 洗濯乾燥機の乾燥機構を示す説明図である。（実施例２） （ａ）図は従来のターボファンの正面図であり、（ｂ）図は羽根車の側面図である。（実施例１）

符号の説明

１ ターボファン
２ ケーシング
３ 回転軸
４ 羽根車
５ 吹出し口
６ ベルマウス
７ モータ
８ 羽根
１０ 洗濯乾燥機
１１ ドラム
１２ 熱交換機
１００ 従来のターボファン

Claims (6)

1. 回転軸に直行する断面形状の曲率半径が徐々に大きくなるケーシングと、回転軸に直交する面に回転する基円板と、その周縁部に立設する複数の湾曲状の羽根と、該羽根の他の端部を覆う円環板とから成り、羽根の湾曲面は前記基円板の半径方向に回転軸心を通る接線を形成し、また前記羽根の内縁部は前記円環板の内周縁部より回転中心方向へ突出した羽根部を形成する羽根車を備えたターボファン。
2. 前記突出した羽根部が前記羽根の湾曲面の接線方向に沿って延びる平面又は湾曲面の曲率半径に沿って延びる曲面、若しくはこれら双方の突出した羽根部が画成する間の部位に形成されることを特徴とする請求項１に記載のターボファン。
3. 前記羽根の湾曲面の前記基円板の半径方向の接線に平行な方向の羽根の幅をＷとした場合、湾曲面と接線の接点Ｐと羽根の外周縁部の距離が０．４〜０．６Ｗであり、同じく延長部の長さが０．２〜０．３Ｗの範囲に設定された請求項１又は２に記載のターボファン。
4. 洗濯乾燥機の乾燥循環経路の送風に用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボファン。
5. コンピュータのＣＰＵが放熱する熱気を冷却する冷却経路の送風に用いた請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボファン。
6. 湿度、温度、換気のうち少なくとも一つを調整する空調機に用いた請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボファン。

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