JP5366532B2 - 軸流ファンおよび空気調和機の室外機 - Google Patents

Description

本発明は、軸流ファンおよび空気調和機の室外機に関し、特に曲線からなる翼断面形状を有する軸流ファンおよびこの軸流ファンを備える空気調和機の室外機に関する。

軸流ファン（プロペラファンともいう）の翼断面形状には、正圧面側と負圧面側の形状が全く異なる厚翼型と、正圧面側と負圧面側がほぼ同等の形状からなる薄翼型の二種類がある。樹脂成型や板金で作る軸流ファンの翼断面形状は、薄翼型が一般的である。そして、この薄翼型の軸流ファンの翼断面形状としては、１つの円弧を使う単一円弧翼が一般的である（特許文献１を参照）。

また、２つ以上の円弧を組み合わせるような複合円弧翼を有する軸流ファンが提案されている（特許文献２を参照）。
特開２００４−３３２６７４号公報 特開２００４−１２４７４８号公報

軸流ファンの翼の原理を単純化すると、軸流ファンは回転速度を翼の傾斜方向に偏向させて軸方向の風を作り出すものであるから、翼の傾斜角が大きいほど回転速度を風量に変換できるといえる。しかし、単一の角度の平板翼では、翼の前縁部の突入角度が大きくなってしまうために、翼の前縁部での空気抵抗が大きくなり翼の負圧面側では流れが面に沿って流れない剥離現象を引き起こしてしまい、軸流ファンの効率を大きく下げ大きな流体騒音が生じてしまう。

そこで、円弧等の負圧面側に膨出させた翼にすると、上述した矛盾は緩和できるが、実際の機器設計時に問題となる翼高さの問題やモータの回転数の上限等の制約に関係するような、次の問題がある。

（１）曲率半径の小さな円弧翼の軸流ファンは、前縁部側における流れの突入角度を小さくすると、翼の回転方向に沿う断面における翼高さが高くなる。そして、円弧を描く分、後縁部側の末端角度は大きくなり、回転角度がより多く軸方向風速に転換されるので、低い回転数でも大風量が得られる。しかし、曲率半径が小さいために、翼の負圧面側では空気の流れが剥離し易く大きな流体騒音が発生し、軸流ファンの効率が下がる。また、翼を短くしない限り翼高さ方向に関してコンパクトな設計にならないため、そのバランスをとならければならない。

（２）曲率半径の大きい円弧翼の軸流ファンは、逆に翼の回転方向に沿う断面における翼高さを抑えた設計ができ、翼の負圧面側での流れの剥離が少ないファンとなるが、後縁部側の末端角度が小さいために、回転数を上げなければ大風量が得られない。

そこで、最近では、特許文献２で示すような２つ以上の円弧を組み合わせるような複合円弧翼を使って、バランスを取るように模索されてきたが、低い翼高さで高回転にしないで風量を向上させ、低騒音でファン効率を高めることができない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、低い翼高さで高回転にしないで風量を向上させ、低騒音でファン効率を高めることができる軸流ファンおよび空気調和機の室外機を提供することである。

本発明の軸流ファンは、ハブの周囲に複数枚の翼を一体的に形成している軸流ファンにおいて、上記翼を上記ハブの中心を中心とする円筒面で切断したときの上記翼の回転方向に沿う断面形状が、上記翼の負圧面側に膨出する膨出部と、上記翼の正圧面側に膨出する膨出部と、を交互に３箇所以上有し、上記負圧面側に膨出する上記膨出部と上記正圧面側に膨出する上記膨出部を等分する線を上記翼の中立線として、上記膨出部は、上記翼の上記中立線からの距離が、上記翼の前縁部から上記翼の後縁部に向かうにしたがって、大きくなるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明の軸流ファンは、膨出部の数が奇数の場合には、上記前縁部側の上記膨出部を上記負圧面側に膨出する膨出部とし、上記膨出部の数が偶数の場合には、上記前縁部側の上記膨出部を上記正圧面側に膨出する膨出部とすることを特徴とする。

本発明の空気調和機の室外機は、室外機本体内に、圧縮機と、室外熱交換器と、上記室外熱交換器に送風する上記構成の軸流ファンと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、低い翼高さで高回転にしないで風量を向上させ、低騒音でファン効率を高めることができる軸流ファンおよび空気調和機の室外機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の軸流ファンを備える空気調和機の室外機の好ましい実施形態を示す水平断面図である。

図１に示す空気調和機の室外機１１は、室外機本体１２を備え、室外機本体１２には、吸込み口１２ａと、吹出し口１２ｂと、ベルマウス１２ｃが設けられている。この室外機本体１２内には、室外熱交換器としての熱交換器１と、この熱交換器１に送風する軸流ファン２０と、冷媒を圧縮する圧縮機１４が収納されている。

図１に示す軸流ファン２０は、モータ１５の出力軸１６に取り付けられている。このモータ１５が駆動されて軸流ファン２０が回転することで、室外空気がＴ方向に沿って吸込み口１２ａから導入されて、熱交換器１を通って熱交換された後に、吹出し口１２ｂから放出されるようになっている。軸流ファン２０は樹脂成型や板金で作られている。

図２は、図１に示す軸流ファン２０をＳ方向から見た正面図であり、翼の負圧面が見えている図である。

図２に示す軸流ファン２０は、プロペラファンとも言いＲ方向に連続回転する。軸流ファン２０は、３枚の翼２１と、中央のハブ２２を有しており、各翼２１は同じ形状を有している。このハブ２２は、図１に示すモータ１５の出力軸１６に取り付けられる。３枚の翼２１は、ハブ２２に対して１２０度毎に離して半径方向に突出して形成されている。各翼２１は、前縁部３１と、後縁部３２と、外周部３３を有している。図２では、各翼２１において、破線により円筒カット面３５がハブ２２の中心ＣＬを中心として描かれている。また実線により外周部３３を含む円３６がハブ２２の中心ＣＬを中心として描かれている。

図３は、図２に示す各翼２１の円筒カット面３５に沿ったＡ−Ａ線における翼の形状例を示す断面図である。

図３には、翼２１の前縁部３１と、後縁部３２と、膨出部５１，５２，５３を示しており、前縁部３１と膨出部５１，５２，５３と後縁部３２の断面に沿って、１本の中立線４０と、２本の起伏頂点（振幅）の拡大状況を示す起伏頂点ライン４１，４２が描かれている。膨出部５１，５２，５３は、起伏凸部とも言う。

図３に示す翼２１は、正圧面側６１と負圧面側６２を有している。中立線４０は、翼２１の断面の中央を通っており、翼２１は、この中立線４０を挟んで３つの膨出部５１，５２，５３を有している。膨出部５１は、中立線４０に対して起伏頂点高さＨ１を有しており、同様にして膨出部５２は、中立線４０に対して起伏頂点高さＨ２を有し、膨出部５３は、中立線４０に対して起伏頂点高さＨ３を有している。膨出部５２は、起伏頂点ライン４１に接しており、膨出部５１，５３は、起伏頂点ライン４２に接している。

図３に示す起伏頂点Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の大小関係は、Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３となっており、起伏頂点ライン４１，４２は、中立線４０を中心として膨出部５１，５２，５３に至るに従って広がっている。軸流ファンの翼２１の３つの膨出部５１，５２，５３の断面の形状が、図３に示すように中立線４０に対して交互に逆方向へ、凸とする起伏になっている。このような断面における波状の曲線形状では、起伏頂点ライン４１，４２で示すように、曲線の各膨出部５１，５２，５３の頂点位置、いわゆる振幅が、翼２１の前縁部３１から後縁部３２へ進むに従って大きくなっている。すなわち、起伏頂点ライン４１，４２で曲線の各膨出部５１，５２，５３を挟むことで、負圧面側６２において、空気の境界層が下流にいくほど厚くなっていくのを防ぐことができる。

図４は、本発明の実施の形態の図３に示す翼２１の形状と回転方向Ｒを示す断面図である。図４では、翼２１の翼高さＭと、回転軸方向流速成分Ｎと、吹出し直後の風速ベクトルＶと、回転方向Ｒを示している。

図５（Ａ）は、図４に示した本発明の実施の形態の翼２１の断面形状を示し、図５（Ｂ）は、比較例として突入角度と末端角度が本発明の実施の形態の翼２１と同等な場合の単一翼の断面形状を示している。

図５（Ａ）に示す翼２１では、図４に示す翼高さＭを小さくしながら、前縁部３１側の突入角度θ１を小さくして空気の抵抗が小さくできるとともに、後縁部３２側の末端角度θ２を大きくして風量を増やすことができすることができる。また、図４に示すように、空気の流れＣは翼２１に沿って流れるので、空気の流れの大きな剥離を引き起こすことなく、図５（Ａ）に示すように空気の剥離が開始する角度θ３の位置は後縁部３２寄りの位置Ｐ１である。このため、騒音が小さくなりファン効率が高まる。すなわち、回転軸方向流速成分Ｎと吹出し直後の風速ベクトルＶが大きくでき、風量が大きくなる。このように、軸流ファンの翼２１は、低い翼高さＭで高回転にしないで風量を向上させることができ、従って低騒音でファン効率を高めることができる。

これに対して、図５（Ｂ）に示す比較例では、翼２００の突入角度θ１と末端角度θ２が、図５（Ａ）に示す翼２１の突入角度θ１と末端角度θ２と同等であるが、単一円弧または複合円弧（凸の向きは同じ）に形成されている。このため、図５（Ａ）に示す翼２１と比較すると、流れの剥離開始角度θ４が翼２００の後縁部から離れて前縁部寄りの位置にあるので、騒音が大きくなりファン効率が低下する。

次に、図６（Ａ）は、図４に示した本発明の実施の形態の翼２１の断面形状を示し、図６（Ｂ）は、比較例である膨出部の振幅が翼３００の前縁部から後縁部まで同じ場合の断面形状を示している。

図６（Ａ）に示す本発明の実施の形態の翼２１では、すでに説明したように断面において波状の曲線形状は、起伏頂点ライン４１，４２で示すように、曲線の各膨出部５１，５２，５３の頂点位置、いわゆる振幅が、翼２１の前縁部３１から後縁部３２へ行くに従って大きくなっている。

これに対して、図６（Ｂ）に示す比較例の翼３００では、２本の起伏頂点ライン３０１，３０２は中立線３０３に対して平行である。このため、突入角度θ６は突入角度θ１に比べて大きくなり、空気の抵抗が大きくなる。逆に、比較例の翼３００では、末端角度θ７は末端角度θ２に比べて小さくなるので、風量はそれほど増やせない。

次に、図７〜図１２を参照して、本発明のさらに別の実施の形態を説明する。なお、以下に示す本発明の別の実施の形態では、図３に示す実施の形態と同じ個所には同じ符号を付けて説明を省略する。

図７に示す本発明の実施の形態では、これまでの本発明の実施の形態とは異なり、翼２１の中立線が曲線中立線４０Ｐになっている。図８の実施の形態では、翼２１の中立線が折れ線中立線４０Ｒになっている。このように中立線は、曲線であっても折れ線であっても良い。

図９に示す本発明の実施の形態では、翼２１には４つの膨出部５９，５１，５２，５３が形成されている。このように、４つ（偶数）の膨出部５９，５１，５２，５３が形成されている場合には、最終位置の膨出部５３は、負圧面側１２側に凸になるように形成されていなければならない。そこで４つ（偶数）の膨出部５９，５１，５２，５３が形成されている際には、前縁部３１の第１番目の膨出部５９は正圧面側６１に凸になるように形成されている。

図１０に示す本発明の実施の形態では、翼２１には５つの膨出部５８，５９，５１，５２，５３が形成されている。このように、５つ（奇数）の膨出部５８，５９，５１，５２，５３が形成されている場合には、前縁部３１の第１番目の膨出部５８は負圧面側６２に凸になるように形成されている。図９と図１０に示すように、膨出部が偶数であるか奇数であるかによって前縁部３１の第１番目の膨出部の凸になる向きを定めることにより、同一の効果を得ることができる。

図１１に示す実施の形態の翼２１は、図３に示す翼２１の変形例である。

図１１（Ａ）における翼２１は、３つの円弧７１，７２，７３を組み合わせて構成されており、３つの円弧７１，７２，７３は、曲率半径は異なる正接円弧である。図１１（Ｂ）の翼２１は、３つの円弧８１，８２，８３の間を接続部分８４，８５により繋いでいる。これらの接続部分８４，８５は、円弧と円弧を繋ぐ短い直線や曲線である。

図１２は、本発明のさらに別の実施の形態を示している。

図１２に示す翼２１は、他の翼の形状例であり、翼２１に厚みを持たせた上で、翼２１の前縁部３１と後縁部３２は、適当なＲ処理（曲面処理）やカット処理が施されている。また、正圧面側１１と負圧面側１２が同じ曲線であってもなくても良い。負圧面側１２には、しばしば突起形状等も設けられるようにしても良い。さらに、翼の外周側は上記各実施態様で説明した断面形状を有し、翼の内周側は異なる断面形状を有している。すなわち、上述した各実施態様のような翼２１の特徴的な形状は、翼のボス付け根から外周まで構成されている必要はなく、図２において、ハブ２２の中心ＣＬから各翼２１の外周部３３までの半径Ｗとして、少なくともハブ２２の中心ＣＬからの半径Ｗ１＝０．７Ｗ〜０．９Ｗの範囲に形成されていることが望ましい。

図１３は、本発明の実施の形態と比較例について、静圧（Ｐａ）に対する流量（ｍ^３／ｈ）の関係を示している。

図１３では、本発明の実施の形態は、実線の折れ線Ｌ１で示しており、比較例は破線の折れ線Ｌ２で示している。折れ線Ｌ１と折れ線Ｌ２を比較すると、本発明の実施の形態は比較例に比べて、同一静圧（圧力損失）において、矢印Ｂで示すように流量（風量）が増加しているので、軸流ファンの性能が向上している。

図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）は、三角関数を用いた翼２１の形状例を示しており、関数として分かり易いように、水平鉛直のｘ−ｙ座標系を用いて図示している。

図１４（Ａ）に示す翼２１は、三角関数を用いて形成されている。中立線４０は直線であり、この三角関数は、次の通りである。

ｙ＝ａ・ｘ・ｓｉｎ（ｂ・ｘ）
図１４（Ｂ）に示す翼２１は、中立線４０Ｒが円弧を描くように、円弧を表す関数と、上記三角関数との和をとった合成関数により形成されている。図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）に示す例のように、既存の三角関数を用いることにより、軸流ファンの設計が容易になる。

本発明の軸流ファンは、ハブの周囲に複数枚の翼を一体的に形成している軸流ファンにおいて、上記翼の回転方向に沿う断面形状が、上記翼の負圧面側に膨出する膨出部と、上記翼の正圧面側に膨出する膨出部と、を交互に３箇所以上有し、上記負圧面側に膨出する上記膨出部と上記正圧面側に膨出する上記膨出部を等分する線を上記翼の中立線として、上記膨出部は、上記翼の上記中立線からの距離が、上記翼の前縁部から上記翼の後縁部に向かうにしたがって、大きくなるように形成されている。これにより、軸流ファンは、低い翼高さで高回転にしないで風量を向上させることができ、低騒音でファン効率を高めることができる。

また、本発明の軸流ファンは、上記膨出部の数が奇数の場合には、上記前縁部側の上記膨出部を上記負圧面側に膨出する膨出部とし、上記膨出部の数が偶数の場合には、上記前縁部側の上記膨出部を上記正圧面側に膨出する膨出部とする。これにより、前縁部の第１番目の膨出部の凸になる向きを定めることにより、軸流ファンの後縁部側の末端角度を大きくできるので、空気の風量を増やすことができる。

本発明の空気調和機の室外機は、室外機本体内に、圧縮機と、室外熱交換器と、上記室外熱交換器に送風する。これにより、軸流ファンは、低い翼高さで高回転にしないで風量を向上させることができ、低騒音でファン効率を高めることができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
翼の断面形状は、軸流ファンのボス付け根まで構成されている必要はない。ボスの付け根部は、翼全体の強度を保つことを重視した形状である必要があり、翼長さも短く、また角速度が一定でも半径が小さくなるほど周速度は小さいので、風量に寄与する効果も小さいためである。

そこで、本発明の実施の形態では、ボスの付け根に向かって不連続に、または徐々に変化していく三次元的な翼形状になる。

また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の軸流ファンを備える空気調和機の室外機の好ましい実施形態を示す水平断面図である。 図１に示す軸流ファンをＳ方向から見た正面図である。 図２に示す各翼２１の円筒カット面３５に沿ったＡ−Ａ線における翼の断面図である。 本発明の実施の形態の図３に示す翼２１の形状と回転方向Ｒを示す断面図である。 図５（Ａ）は、図４に示した本発明の実施の形態の翼の断面形状を示し、図５（Ｂ）は、比較例である突入角度と末端角度が同等な場合の単一翼の断面形状を示す図である。 図６（Ａ）は、図４に示した本発明の実施の形態の翼の断面形状を示し、図６（Ｂ）は、比較例である膨出部の振幅が翼の前縁部から後縁部まで同じ場合の断面形状を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態を示す図である。 静圧（Ｐａ）に対する流量（ｍ^３／ｈ）の関係を示す図である。 三角関数を用いた翼２１の形状例を示す図である。

符号の説明

１…熱交換器、１１…空気調和機の室外機、１２…室外機本体、３…、１４…圧縮機、１５…モータ、２０…軸流ファン、２１…翼、２２…ハブ、３１…前縁部、３２…後縁部、３５…円筒カット面、４０…中立線、４１，４２…起伏頂点ライン、５１，５２，５３…膨出部、６１…正圧面側、６２…負圧面側、θ１…突入角度、θ２…末端角度

Claims (3)

1. ハブの周囲に複数枚の翼を一体的に形成している軸流ファンにおいて、
   上記翼を上記ハブの中心を中心とする円筒面で切断したときの上記翼の回転方向に沿う断面形状が、上記翼の負圧面側に膨出する膨出部と、上記翼の正圧面側に膨出する膨出部と、を交互に３箇所以上有し、
   上記負圧面側に膨出する上記膨出部と上記正圧面側に膨出する上記膨出部を等分する線を上記翼の中立線として、
   上記膨出部は、上記翼の上記中立線からの距離が、上記翼の前縁部から上記翼の後縁部に向かうにしたがって、大きくなるように形成されていることを特徴とする軸流ファン。
2. 上記膨出部の数が奇数の場合には、上記前縁部側の上記膨出部を上記負圧面側に膨出する膨出部とし、上記膨出部の数が偶数の場合には、上記前縁部側の上記膨出部を上記正圧面側に膨出する膨出部とすることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 室外機本体内に、圧縮機と、室外熱交換器と、上記室外熱交換器に送風する請求項１または請求項２に記載の上記軸流ファンと、を備えたことを特徴とする空気調和機の室外機。

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