JP5283691B2 - ターボファンおよび空気調和機 - Google Patents
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Description
たとえば、羽根の入口径を主板側から側板側にかけて漸次拡大し、かつ羽根の側板側端部の入口径を前記側板の吸込口径より大きくし、さらに羽根の上端を羽根車の回転方向に傾斜させたもの、また、羽根車軸心と同心となる円筒状に切断した時の断面を平面状に展開した断面上で羽根車の回転軸と羽根上端部とのなす傾斜角度を羽根車内周側から外周側にかけて大きくなるように設定し、側板近傍では前記傾斜角度が小さくなるように設定したものが、それぞれ開示されている(例えば、特許文献1参照)。
(イ)特許文献1に開示されたターボファンは組立性が悪い。すなわち、羽根の上端を羽根車の回転方向に傾斜させた場合、少なくとも側板と羽根が別体に成形後、溶着、勘合等で羽根車を一体に形成されるターボファンでは、羽根に側板を回転軸方向に力を加え押さえ結合するため、羽根上端の側板側が傾斜形状であるから、羽根の主板側結合部に応力が付加され、さらに羽根の側板側にうまく力が加わりづらい。
(ハ)さらに、羽根の上端の傾斜角度が少なくとも羽根車内周から外周に向かい大きくなることで羽根の側板結合部での流入量が増加するため、羽根の羽根車内周側から流入してきた流れと干渉し、騒音や振動が発生し、周辺環境を悪化させる恐れ(以下「騒音悪化の恐れ」と称す)がある。
(ホ)また、羽根前縁部の側板側結合部が主板側結合部よりも回転方向へ所定量オフセットすることで、側板側結合部付近の剥離は抑制されるが、羽根前縁部の中間部位から羽根側板側結合部までの剥離は依然として存在するため騒音低減の余地がある。
(ト)さらに、羽根側板側結合部を前縁側と後縁側で逆方向にオフセットすることで側板と溶着する羽根側板側結合部から羽根主板側結合部は側板に対し傾斜形状となるため、特許文献1に開示されたターボファンと同様に、組立て性が悪い。
(リ)また、羽根全体が回転方向へ傾斜しているため、少なくとも側板と羽根が別体に成形後、溶着や勘合等で羽根車を一体に形成されるターボファンでは、羽根に対して側板から回転軸方向に力を加え押さえて結合するため、羽根の主板側結合部に応力が付加され、さらに羽根の側板側にうまく力が加わりづらく不安定なため、組立て性が悪い。
(2)また、本発明に係る空気調和機は、ターボファンが搭載され、該ターボファンの吸込口側に通風可能な圧損体を有することを特許とするものである。
(ii)また、本発明に係る空気調和機は、ターボファン吸込口に通風可能なフィルタなどの圧損体を有しても、ターボファンの羽根前縁部における剥離が抑制され、低騒音な運転が可能になる。
図1はこの発明の実施の形態1に係る空気調和機を説明する縦断面図である。本発明に係る実施の形態1における空気調和機は、後記する実施の形態2に係るターボファンを搭載するものであって、以下、図を用いて説明する。
図1において、天井埋込形空気調和機本体(以下「空気調和機本体」と称す)10は、部屋20の天井21に形成された矩形孔に埋め込まれた状態で設置されるものである。すなわち、空気調和機本体10は、下方に開口部を具備する函体であって、上方の天板10aと、天板10aに対向して下方に配置された側板10bと、を有している。このとき、側板10bは中央に側板開口部(本体吸込口10cに連通している)を有し、下端部が天井21と略同一面に位置しているから、空気調和機本体10の開口部も又、天井21と略同一面に位置している。
また、空気調和機本体10の中央部には本体吸込口10cが形成され、本体吸込口10cの周囲には本体吹出口10dが形成されている。このとき、本体吸込口10cは化粧パネル11の吸込グリル11aに連通し、本体吹出口10dは化粧パネル11のパネル吹出口11bに連通している。
図2〜図17はこの発明の実施の形態2に係るターボファンを説明するものであって、図2は斜視図、図3はファン吸込口側から見た平面部分断面図、図4は図3のX−X断面における側面図、図5は部分を示す側面図、図6〜図9は部分を示す平面視の断面図、図10は部分を示す平面図、図11および図12は部分を示す断面図、図13〜図17は騒音値と各部の角度との関係を示す関係図である。
なお、図2は図1において天井21を見上げた際の斜視図に相当している。また、図4と図1(実施の形態1)とでは、上下が逆転しているため、吸込空気は、図4の上側から吸い込まれ、図4の左右方向に吹き出されることになる。そして、図4の紙面上下方向を「高さ方向」と、紙面の左右方向および表裏方向を「水平方向」と便宜上称す。また、図1(実施の形態1)および各図において、同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
すなわち、主板2は中心(断面略山形の凸部)に、ファンモータ15の回転軸Oとの固定部であるボス2aが形成されている。したがって、回転軸Oは、高さ方向に平行で、水平方向に垂直である。
羽根4は、平面視において、羽根前縁部4aから羽根後縁部4eになるほど、回転軸0から遠ざかるものであって、羽根4の側板3に近い端縁が、羽根後縁部4eに近い範囲(4ec4〜4g1)において前記側板に接合され、羽根前縁部4aに近い範囲(4g1〜4a3)において側板3から離れて側板開口部に位置している。そして、羽根4は、主板2から離れて側板3に近づく程、羽根4の回転軸Oと直交する水平断面における肉厚T(羽根外周面と羽根内周面との距離に同じ)が、除々に薄くなり、内部に空洞を有し主板2の羽根車外方に開口をもつ中空構造になっている。
図5において、羽根4の羽根後縁部4eは、主板2の外周縁と側板3の外周縁とを結ぶ仮想円筒上に位置し、該仮想円筒上において少なくとも2以上の変曲点を具備する波状を呈している。すなわち、水平そり線C1と羽根後縁部4eとの交点は高さ方向で、主板側結合点である交点4ec1に対して、ファン吹出口1bの中央より主板2側の所定位置で回転方向に凸状に回転方向へ湾曲する主板側湾曲点である交点4ec2と、ファン吹出口1bの中央より側板3側の凹状に回転方向と逆へ湾曲する側板側湾曲点である交点4ec3と、側板3の側板側結合点である交点4ec4とを示している。
換言すると、主板側結合点4ec1と側板側結合点4ec4を結ぶ直線Gは、回転軸Oと平行に主板2および側板3の近傍では直立形状を呈し、主板側湾曲点4ec2と側板側湾曲点4ec3との間では主板2側が側板3側に対し回転方向Aに傾斜し、羽根後縁部4eが略S字形状となるように形成されていることになる。
また、羽根後縁部4eは、側板3近傍では側板3の法線に平行になるような形状である。さらに、主板側湾曲部の回転方向A側への最大突出位置である主板側湾曲点4ec2と、側板側湾曲部の回転方向Aの反対方向への最大突出位置である側板側湾曲点4ec3との間では、主板2に近づくほど回転方向Aに突出するから、側面視において傾斜し、略S字形状になっている。
次に、羽根4の高さ方向における水平方向の断面形状について説明する。
図6〜図10は、図4に示すL1−L1断面、L2−L2断面、L3−L3断面、L4−L4断面、L5−L5平面をそれぞれ示している。また、回転方向を「矢印A」にて付記する。
すなわち、図6は主板2との接合部である主板側端部4dにおけるL1−L1断面を、図7はファン吹出口1bの中央より主板2側のL2−L2断面を、図8はファン吹出口1bの中央より側板3側のL3−L3断面を、図9は、ファン吹出口1bの側板3表面を通るL4−L4断面を、図10は、羽根4の1枚分の側板3を外した時のL5−L5平面を、それぞれ示している。
また、L2−L2断面(図7)については、断面における肉厚中心線を「水平そり線C2」で示し、「水平そり線C2と羽根前縁部4aとの交点」および「水平そり線C2と羽根後縁部4eとの交点」を、「4ac2」および「4ec2」にて示している。
以下、同様に、L3−L3断面(図8)については、「水平そり線C3」を「4ac3」および「4ec3」にて示している。また、L4−L4断面(図9)については、「水平そり線C3」を「4ac4」および「4ec4」にて示している。なお、高さ方向の位相を明瞭にするため、各図に、「4ac1」および「4ec1」を付記している。
図6に示すL1−L1断面において、回転方向Aに対し後傾し径方向外方へ湾曲し、図7に示すL2−L2断面では羽根後縁部4eの主板2側は回転方向Aへ逆反り状に湾曲し、図8に示すL3−L3断面では羽根後縁部4eが前記主板側結合部4ec1よりも回転方向Aと逆方向に反り湾曲している。
さらに、図10に示す平面視において、主板側結合部4ec1、側板側結合部4ec4をまたぎ、所定角度γを有す状態で主板側湾曲点4ec2、側板側湾曲点4ec3が配設され形成している。
図7(L2−L2断面)において、水平そり線C2と羽根後縁部4eとの交点4ec2における、水平そり線C2の接線E2と、回転軸Oと同心で交点4ec2を通る円の接線F2とのなす角度(鋭角)を「出口角β22」と称す。以下同様に、 図8(L3−L3断面)において「出口角β23」を、図9(L4−L4断面)において「出口角β24」を、それぞれ規定する。
このとき、羽根4はそれぞれの出口角が、「β23<β21=β24<β22」の関係となるように形成されている。
図2および図3において、羽根4の空気の入口側となる羽根前縁部4aの形状は、側板側端部4a1と内周側端部4a2とで成り、前縁先端部4a3を屈曲点とし連続している。そして、側板側端部4a1は、高さ方向では、前縁先端部4a3から「羽根4と側板3の密着部である側板結合部4g(図4参照)」に近づくにつれ、ファン吸込口1aに向かって傾斜している。すなわち、側板側端部4a1は、側板3の法線方向に近づくように傾斜しながら側板3に近づいている。
そして、羽根前縁内周端部4a2近傍における弦線Dに垂直な縦断面を「K1−K1断面」とし、K1−K1断面における羽根4を図11に示している。また、側板結合部の回転方向先端部4g1(接合範囲と側板開口部に位置する範囲との境界に同じ)における弦線Dに垂直な縦断面を「K2−K2断面」とし、K2−K2断面における羽根4を図12に示している。
また、図11および図12において、K1−K1断面およびK2−K2断面における羽根4の高さ方向における肉厚中心線(羽根外周面と羽根内周面との中央に同じ)を「垂直そり線C12」とし、羽根前縁先端部4a3(K1−K1断面)および羽根側板接合部4g1(K2−K2断面)における垂直そり線C12と回転軸Oとのなす角度を、それぞれ「湾曲角度ε1」および「湾曲角度ε2」としている。
すなわち、羽根前縁側板側端部4a1および前縁内周側端部4a2の側板3側は、側板結合部4gの羽根外周面における回転方向先端部4g1を支点、羽根前縁先端部4a3を力点として、湾曲角度εが羽根車内周側へ向かう(羽根前縁部4aに近づくに同じ)につれて、大きくなるように径方向外方へ湾曲している。
さらに、図4および図11のように、羽根前縁部4aの主板2側の羽根外周面4bが、径方向外方へ湾曲するように羽根肉厚Tが徐々に厚く、かつ垂直そり線C12も径方向外方へ湾曲している。
そして、図6〜図10の各断面に示す鋭角の入口角β11、β12、β13、β14は、「β14<β11」であって、さらに、高さ方向中央部のβ12、β13は少なくともβ11、β14より大きくなる(β12>β11、β13>β14)ように、径方向内方において羽根前縁先端部4a3から側板3にかけては徐々に入口角β1が拡大し、羽根前縁先端部4a3の入口角β14が最も小さくなるように形成されている。
以上のように少なくとも羽根前縁部4aは内周側からの側面視において、羽根外周面4bの羽根側板4a1側および主板2側が、回転方向Aに対し凹形状を成し、羽根内周面4cは径方向外方へ湾曲した形状に形成されている。
ターボファン1は以上のような構成であるから、図2に示すように、ファンモータ15により回転方向Aに回転された際、ファン吸込口1aから吸い込んだ室内空気(吸込空気に同じ)を、羽根4を通過した後、ファン吹出口1bから略放射状に吹き出すことになる。このとき、以下の作用、効果を奏する。
また、羽根後縁部4eの主板2および側板3近傍は直立しているので、従来のターボファンのように主板2、側板3に対し後縁部4eが傾斜しているものに比べ、溶着組立て時に回転軸Oに平行した力が正確に加えられ、羽根4の逃げによる溶着不具合が抑制されることになる。
このため、従来ではファン1と熱交換器16が近い領域ではファン吹出口1bの主板2側に流れが集中し、側板3側で剥離が大きく騒音悪化が大きかったが、本発明では風速分布の変化が小さく騒音の発生が抑えられる(これについては、「出口角度差△β2と同一風量時の騒音値との関係」を示す図15参照)。
したがって、ファン回転数が同一である時の送風量を増加することができ、空気調和機10の熱交換に必要な送風量に対し、ファン回転数を低下することができるため、低騒音化することができると共に、ファンの回転駆動を低トルク化することができ、モータの消費電力を低減することが可能である。
また、羽根4へ流れが衝突することなく滑らかに羽根外周面4bへ導入され乱れが抑制される。
その結果、従来ファン吹出口の主板側へ集中していた風速分布に対し、側板側の剥離抑制と主板側への集中回避によって吹出風速分布が均一化され、かつ低騒音化を図ることができる。
そのため、従来の回転軸Oに直交する水平線を起点に湾曲したものに比べ、羽根4の前縁内周側端部4a2の側板3側における流入量と、前縁側板側端部4a1における流入量との差が縮小される。
また、羽根4の側板側端部4a1において、羽根前縁先端部4a3から側板結合部4gにかけて徐々に入口角β1が拡大するように形成したものであるから、羽根前縁内周側端部4a2における回転軸Oと直交する水平断面上の「吸込流れJ」と入口角β1との角度差である「入射角δ」を小さくすることができ、吸引空気を剥離が小さく滑らかに誘引することができ、低騒音化を図ることができる。
そうすると、図17に示すように、角度差△β1が大き過ぎると、羽根内周面4cの主板2側で剥離が生じ、騒音悪化が生じるものの、角度差△β1が「10°〜20°」の間となるように形成すれば、低騒音効果が得られる。
さらに両形状を組み合わせることで、吸引空気は、羽根前縁部4a全体から滑らかに流入するため、羽根後縁部4eへ向け整流された流れが流入する。これにより、略S字形状の羽根表面に流れが沿い易く、かつ、乱れの少ない流れが流入するから、さらに風速分布も均一化され、かつ、相乗して騒音低減が促進される。
図18および図19は本発明の実施の形態3に係るターボファンを説明するものであって、図18は斜視図、図19は部分を示す断面図(正確には、図18に示す羽根主板側端部4bにおける弦線Dに直交する平面における羽根4の縦断面図)である。なお、実施の形態2(図2〜図12)と同じ部分または対応する部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
すなわち、ターボファン30には、径方向外方へ湾曲する羽根4の前縁側板側端部4a1と、前縁内周側端部4a2の側板3側の羽根外周面4bとに、側板結合部4gの羽根外周面4bにおける回転方向先端部4g1から羽根4の前縁内周側端部4a2へ向け、徐々に主板2側へ向かう折り曲げ線Bが生成されている。
そして、かかる湾曲範囲の羽根内周面4cには、折り曲げ線Bに略垂直となり、回転軸Oに対し側板3側から主板2側へ向け斜め外方に延出する長方形状の凹溝5を形成されている。
図19において、凹溝5の深さは、前縁側板側端部4a1に近づくに伴って浅くなっている。
すなわち、羽根4は、羽根外周面を形成する部材と羽根内周面を形成する部材とから形成され、内部に空洞を具備する二重構造であって、両者が前縁側板側端部4a1において接合され、前縁側板側端部4a1から遠ざかるほど両者の間隔が広くなっている。
そして、凹溝5の溝底部5aが羽根外周面を形成する部材によって形成されているから、凹溝5の深さは、羽根外周面を形成する部材の内周側面と羽根内周面を形成する部材の内周側面との距離に相当している。
このとき、羽根4に空気が流入する際、前縁側板側端部4a1は径方向外方へ湾曲しているため、羽根外周面4c上に空気が沿い滑らかに羽根後縁部へ流れるから、乱れが抑制される。また、凹溝5が回転軸Oに対し側板3側から主板2側へ拡大しながら斜め方向に延出するように形成されているため、溝底部5aにより流れが整流されるから、さらに乱れが抑制され低騒音化を促進することができる。
特に、ファン吸込口1aにフィルタ等の通風可能な圧損体が配設される空気調和機10(図1参照)にターボファン30が搭載されると、徐々にフィルタへホコリが堆積し通風抵抗が増加した場合であっても、剥離を抑制し低騒音を維持することができる。
Claims (16)
- モータの回転軸が固定される固定部であるボスを有する円盤状の主板と、該主板と共に導風壁を形成する中心に側板開口部を具備する円環状の側板と、前記主板と前記側板とに跨って設置された複数枚の羽根と、を有するターボファンにおいて、
前記羽根は、平面視において、前記羽根前縁部から前記羽根後縁部になるほど、前記回転軸から遠ざかり、反回転方向に位置するものであって、
前記羽根の羽根外周面および羽根内周面は、羽根前縁部において高さ方向の中央範囲が前記回転軸に略平行であって、前記主板に近い範囲が前記主板に近づくほど、前記主板の径方向外方に位置するように傾斜した裾野部を具備し、前記側板に近い範囲が前記側板に近づくほど、前記側板の径方向外方に位置するような裾野部を具備し、前記羽根前縁部の羽根外周面の前記主板側が前記主板の径方向外方に湾曲していることを有することを特徴とするターボファン。 - 前記羽根の前記側板に近い端縁が、前記羽根後縁部に近い範囲において前記側板に接合され、前記羽根前縁部に近い範囲において前記側板から離れて前記側板開口部に位置し、
前記羽根の羽根後縁部は、前記主板の外周縁と前記側板の外周縁とを結ぶ仮想円筒上に位置する少なくとも2以上の変曲点を具備する波状であって、前記主板寄りの範囲において回転方向に向かって突出する主板側湾曲部と、前記側板寄りの範囲において回転方向と逆の方向に向かって突出する側板側湾曲部と、を有することを特徴とする請求項1記載のターボファン。 - 前記羽根の側板に近い端縁が、前記側板開口部に位置する範囲において、平面視において前記羽根前縁部に近づくほど径方向外方に位置するように湾曲した湾曲範囲が形成され、側面視において前記湾曲範囲が前記羽根前縁部に近づくほど前記端縁から遠ざかるように拡大することを特徴とする請求項1記載のターボファン。
- 前記羽根後縁部と前記主板との結合部と、前記羽根後縁部と前記側板との結合部とを結ぶ直線は、前記回転軸と平行であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のターボファン。
- 前記羽根は、前記羽根外周面と前記羽根内周面との間隔が、前記主板から前記側板へ向けて小さくなる先細り形状であって、内部に空洞を具備する中空構造であることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のターボファン。
- 前記羽根の羽根外周面と羽根内周面との中心線は、前記側板に接合した範囲において、
前記回転軸と平行であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のターボファン。 - 前記羽根後縁部の先端の側面視において、前記主板側湾曲部の回転方向の最大突出位置と前記側板側湾曲部の回転方向の反対方向の最大突出位置とを結ぶ傾斜線が、前記主板との結合部と前記板側との結合部とを結ぶ垂直線に対して、傾斜角度10°〜30°の間で傾斜することを特徴とする請求項2又は4記載のターボファン。
- 前記主板との接合部の平面視における、前記羽根外周面と前記羽根内周面との中央を示す水平そり線の前記主板の外周縁と交差する点と、前記回転軸の中心とを結ぶ線と、
前記側板との接合部の平面視における、前記羽根外周面と前記羽根内周面との中央を示す水平そり線の前記側板の外周縁と交差する点と、前記回転軸の中心とを結ぶ線とが、平面視においてなす角度である周方向湾曲角度が、5°〜15°の間であることを特徴とする請求項2又は4記載のターボファン。 - 前記主板側湾曲部の平面視において、前記羽根外周面と前記羽根内周面との中央を示す水平そり線の前記羽根後縁部の先端における接線と、前記回転軸の中心を中心とする前記羽根後縁部の先端を通る円の前記羽根後縁部の先端における接線と、のなす主板側出口角と、
前記側板側湾曲部の平面視において、前記羽根外周面と前記羽根内周面との中央を示す水平そり線の前記羽根後縁部の先端における接線と、前記回転軸の中心を中心とする前記羽根後縁部の先端を通る円の前記羽根後縁部の先端における接線と、のなす側板側出口角と、の角度差は、20°〜35°の間であることを特徴とする請求項2又は4記載のターボファン。 - 側面視における前記羽根外周面と前記羽根内周面との中央を示す垂直そり線の前記羽根前縁部の先端における接線と、前記回転軸とのなす角度である湾曲角度が、25°〜45°の間であることを特徴とする請求項3記載のターボファン。
- 平面視における前記羽根前縁部の先端において、
前記側板寄りの位置における入口角である羽根側板側入口角と、
前記側板と前記主板との高さ方向の中央付近における入口角である羽根中央付近入口角と、
前記主板寄りの位置における入口角である羽根主板側入口角と、
の間に、「羽根中央付近入口角>羽根主板側入口角>羽根側板側入口角」の関係があることを特徴とする請求項1乃至10何れかに記載のターボファン。 - 平面視における前記羽根前縁部の先端において、
前記側板と前記主板との高さ方向の中央付近の前記内周側の端部における入口角である羽根中央内周入口角と、
前記側板寄りの端部における入口角である羽根側板側入口角と、
の平面視における角度差が、10°〜20°の間であることを特徴とする請求項11記載のターボファン。 - 前記羽根の前記湾曲範囲における前記羽根内周部に、前記側板寄りの端部に至る凹溝が形成され、
前記湾曲範囲とこれを除く前記羽根内周部との境界に折り曲げ線が形成され、
前記凹溝が、前記折り曲げ線に略平行であることを特徴とする請求項3記載のターボファン。 - 前記凹溝は、断面矩形であって、前記側板寄りの端部に近づくほど浅くなることを特徴とする請求項13記載のターボファン。
- 請求項1乃至14の何れかに記載のターボファンを搭載し、該ターボファンの吸込口側に通風可能な圧損体を有することを特徴とする空気調和機。
- 請求項1乃至15の何れかに記載のターボファンを搭載し、該ターボファンの吹出口側に通風可能な圧損体を有することを特徴とする空気調和機。
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