WO2022113217A1

WO2022113217A1 - ターボファン及び空気調和機

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Publication number: WO2022113217A1
Application number: PCT/JP2020/043872
Authority: WO
Inventors: 隆太郎浅野; 智哉福井; 一樹磯村; 誠栗原
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-06-02
Also published as: JPWO2022113217A1; GB2615910A; US20230332615A1; AU2020478845A1; DE112020007795T5; CN116507808A; GB202306240D0; AU2020478845B2; JP7003337B1

Abstract

本発明のターボファンは、後退羽根各々が、前縁が後縁より回転方向前方に位置し、前縁と主板との接合点を第１の点とし、前縁とシュラウドの最外周部を通る回転軸と垂直な仮想の平面との交点を第２の点とした場合、前縁を回転軸垂直平面に投影した第１の曲線（Ｌ２１）が、回転軸の軸方向上面視で、第１の点と第２の点を通る仮想直線が横軸で、回転方向側正の座標系に対し、第１変曲点を有し、第１の曲線は、第１変曲点より第１の点に近い部分で反回転方向に凸の部分と、第１変曲点より第２の点に近い部分で回転方向に凸の部分とを有し、後縁が回転軸方向上面視で、回転軸が中心の円弧に沿い、後縁を回転軸と同軸上の円筒面上に投影した第３の曲線が、回転方向に凸であり、第３の曲線とシュラウドとの接合点は、第３の曲線と主板との接合点よりも、回転方向の後方に位置する。これにより、吸込効率低下、及び、羽根出口速度分布の偏りを抑制する。

Description

ターボファン及び空気調和機

　本開示は、後退羽根を有するターボファン及び空気調和機に関する。

　ターボファンは、軸方向に吸い込んだ空気流を遠心力によって半径方向に向きを変えて吹き出す構成を有する。このため、吸い込んだ空気流は、慣性によって主板側に偏った流れとなり、主板に対向するシュラウド側の空気流に対し、羽根による仕事が十分にされない。また、シュラウド側の空気流が剥離してしまうと、圧力抵抗が増加し、ファンの効率低下を招く。また、速度の速い空気流が吹き出されることで、空気流がターボファンの外部に設けられた熱交換器等の構造物と衝突し、圧力損失の増加、又は、騒音の悪化を招く。特に、空気調和機において、比較的比速度を増大させている場合には、上記の課題が顕著である。比速度とは、単位流量の空気流を発生させるために必要な回転速度である。

　特許文献１では、羽根の前縁、及び、後縁を気流方向に凹状とし、又は、羽根を湾曲させ、翼負荷の低減、及び、剥離の抑制を図り、低騒音化、及び、高効率化を実現している。

特許第６６４２９１３号公報

　特許文献１は、羽根の後縁が、気流に沿った方向、すなわち、羽根の厚さ方向の中心線であるキャンバー線に沿った方向に凹状となった形状を有する。このため、羽根の正味の直径が減少し、圧力上昇、又は、風量低下など、送風性能の低下が生じてしまう。

　また、回転軸方向に凹凸状に湾曲させ、羽根の表面積を拡大することで、ファン全体のサイズを維持したまま送風特性、及び、騒音特性を向上させる技術もあるが、羽根に流入する空気流は、回転軸方向に偏り易く、且つ、３次元性を有する。そのため、空気流が羽根断面に沿わないことによる影響で、シュラウド側における負圧面剥離、又は、羽根出口の速度分布の偏りなどが生じ得る。

　本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、送風性能の低下、及び、速度分布の偏りを抑制したターボファン及び空気調和機を提供することを目的とする。

　本開示に係るターボファンは、回転軸が接続されるハブを備えた主板と、前記主板と対向して配置されたシュラウドと、前記主板と前記シュラウドとの間に配置された複数の羽根と、を有し、前記複数の羽根のそれぞれは、前縁と、前記前縁よりも前記回転軸から離れて位置する後縁とを有し、前記前縁が前記後縁よりも回転方向の前方に位置しており、前記前縁と前記主板との接合点を第１の点とし、前記前縁と前記シュラウドの最外周部を通る前記回転軸と垂直な仮想の平面との交点を第２の点とした場合、前記前縁を前記回転軸に垂直な平面に投影して描かれた第１の曲線が、前記回転軸の軸方向から見た上面視で、前記第１の点と前記第２の点とを通る仮想の直線が横軸であり前記回転方向側が正である座標系に対して、第１の変曲点を有し、前記第１の曲線は、前記第１の変曲点より前記第１の点に近い部分で反回転方向に凸である部分と、前記第１の変曲点より前記第２の点に近い部分で前記回転方向に凸である部分と、を有し、前記第１の点は前記第２の点よりも前記回転方向の前方に位置しており、前記後縁を前記回転軸に垂直な平面に投影して描かれた第２の曲線が、前記回転軸の軸方向から見た上面視で、前記回転軸を中心とした円弧に沿っており、前記後縁を前記回転軸と同軸上の円筒面上に投影して描かれた第３の曲線が、前記回転方向に凸であるように形成されており、前記第３の曲線と前記シュラウドとの接合点は、前記第３の曲線と前記主板との接合点よりも、前記回転方向の後方に位置しているものである。

　本開示に係るターボファンによれば、羽根の前縁と回転軸との距離が減少している領域が拡大し、且つ、主板側の前縁がシュラウド側の前縁よりも回転方向に先行するため、空気流の吸い込み効率の低下が防止され、送風性能を向上させることができる。また、羽根の後縁が回転方向に凸で、且つ、シュラウド側の後縁が主板側の後縁よりも回転方向の後方に位置した構成であるため、羽根出口の速度分布の偏りを抑制することができる。

実施の形態１に係るターボファンの概略斜視図である。実施の形態１に係るターボファンの主板及び羽根の要部の斜視図である。実施の形態１に係るターボファンの主板及び羽根の要部を、図２と異なる方向から見た斜視図である。実施の形態１に係るターボファンの羽根を、回転軸の軸方向から見た上面図である。図４の要部を拡大した図である。実施の形態１に係るターボファンの羽根の後縁ラインを、回転軸を中心とした仮想の円筒面に投影した模式図である。実施の形態２に係るターボファンの羽根を回転軸の軸方向から見た上面図である。実施の形態３に係るターボファンの羽根を回転軸の軸方向から見た上面視である。実施の形態３に係るターボファンの羽根の要部を示す子午面図である。実施の形態４に係るターボファンの羽根を回転軸の軸方向から見た上面視である。実施の形態５に係るターボファンの羽根の前縁の高さと入口角との関係を示すグラフである。実施の形態６に係る空気調和機の内部を示す概略図である。実施例及び比較例に係るターボファンにおける風量に対する回転数の関係を示すグラフである。実施例及び比較例に係るターボファンにおける風量に対する入力の関係を示すグラフである。実施例及び比較例に係るターボファンにおける風量に対する騒音レベルの関係を示すグラフである。

　以下、実施の形態に係るターボファンについて図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面では、各構成部材の相対的な寸法の関係及び形状等が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一、又は、これに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。また、以下の説明では、理解を容易にするために方向を表す、例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、又は、「後」の用語が適宜用いられる。ただし、方向を表す用語は、説明の便宜上の記載であって、装置、又は、部品の配置、及び、向きを限定するものではない。

実施の形態１．
＜ターボファン１００の構成＞
　図１は、実施の形態１に係るターボファン１００の概略斜視図である。ターボファン１００は、ハブ１を備えた主板２と、主板２と対向して配置された環状のシュラウド３と、主板２とシュラウド３との間に配置された複数の羽根４と、を備える。ハブ１は、主板２の中央に設けられており、回転軸ＲＳが接続される。

　図１において、ＸＹ平面は、回転軸ＲＳに垂直な平面で、Ｚ方向に垂直な面である。シュラウド３は、主板２と間隔を有してＺ方向に配置されている。

　ターボファン１００は、図示せぬモータによって回転軸ＲＳを中心とする回転方向ＲＤに回転駆動される。ターボファン１００は、回転駆動することで、空気流Ａ１を回転軸ＲＳの軸方向に吸い込み、回転で生じる遠心力によって、径方向外側に空気流Ａ１を吹き出す。

　ハブ１は、回転軸ＲＳに沿って投影した形状が円形である。つまり、ハブ１は、回転軸ＲＳの軸方向に見た場合に円形である。ハブ１は、主板２側からシュラウド３側に向かって山状に盛り上がる円錐台形状に形成されている。ハブ１には、後述する図１２に示すように、モータ２０１の軸２０１ａが接続される。ハブ１の形状は、上記形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。ハブ１には、モータ２０１の冷却のため、空気を通過させる孔が設けられていてもよい。

　主板２は、ハブ１を有する。主板２は、モータの駆動によりハブ１とともに回転する。主板２には、複数の羽根４が接続されている。主板２は、円盤状に形成されている。主板２の形状は、円盤状に限定されるものではない。主板２は、例えば、ハブ１を中心に山状に形成されていてもよい。主板２の外縁形状は、外径が一定の円形に限らず、外径が変化する多角形などの形状でもよい。

　シュラウド３は、ターボファン１００の空気を吸い込む側に、空気を導くための導風壁を形成するものである。シュラウド３は、複数の羽根４によって主板２からの距離が維持されている。シュラウド３は、拡径変化するラッパ状の形状である。シュラウド３は、ターボファン１００の空気の吸い込み口から吹き出し口にかけて、開口径が拡大するように形成されている。シュラウド３は、径方向外側から中央側に向かって、山状に形成されている。

　複数の羽根４は、主板２及びシュラウド３の間に配置され、主板２及びシュラウド３と連結されている。複数の羽根４は、主板２とともに回転することで、ターボファン１００内部の空気を外周側へと送り出す。複数の羽根４は、前縁４１と、前縁４１よりも回転軸ＲＳから離れて位置する後縁４２とを有する。複数の羽根４の前縁４１は、後縁４２よりも、回転方向ＲＤの前方に位置している。すなわち、複数の羽根４は、後退羽根である。複数の羽根４は、回転軸ＲＳを中心とする円周上に、所定の間隔で配置されている。複数の羽根４の間隔は、全て等しくてもよく、等しくなくてもよい。

　複数の羽根４は、それぞれ同じ特徴を有するため、複数の羽根４の１つについて説明する。羽根４は、外面４ａ、及び、外面４ａの裏面である内面４ｂを有する。内面４ｂは、外面４ａよりも回転軸ＲＳに近くに位置している。外面４ａは、空気圧よりも高い圧力を受ける正圧面であり、内面４ｂは、空気圧よりも低い圧力を受ける負圧面である。羽根４は、厚みが、キャンバー線上で最大厚みとなる位置から、キャンバー線に沿って前縁側又は後縁側に徐々に減少する形状である。キャンバー線とは、羽根４の厚み方向における中心線である。

　つまり、羽根４は、回転軸ＲＳに垂直な平面、すなわち、ＸＹ平面に平行な面における断面が一般的な翼形状になっている。なお、羽根４のキャンバー線に沿った厚みの変化は、単調に変化するのではなく、途中で厚みの変化が変動する領域があってもよい。

　＜羽根４の構成＞
　図２は、実施の形態１に係るターボファン１００の主板２及び羽根４の要部の斜視図である。図３は、実施の形態１に係るターボファン１００の主板２及び羽根４の要部を、図２と異なる方向から見た斜視図である。図２及び図３は、シュラウド３が取り外された状態を示している。図４は、実施の形態１に係るターボファン１００の羽根４を、回転軸ＲＳの軸方向から見た上面図である。図４において、矢印Ａは、図２におけるターボファン１００の主板２及び羽根４の要部の観察方向を示しており、矢印Ｂは、図３におけるターボファン１００の主板２及び羽根４の要部の観察方向を示している。

　図２～図４に示すように、羽根４は、例えば、回転軸ＲＳに垂直な平面の厚さ方向の中心線であるキャンバー線が、回転方向ＲＤに凸となった形状である。羽根４の回転軸ＲＳに垂直な平面であって、ＸＹ平面に平行な断面の形状は、一般的な翼形状である。

　ここで、羽根４が主板２と接する断面における羽根４の厚さ方向の中心線を、キャンバー線ＬＣ１と定義する。主板２と接する断面におけるキャンバー線ＬＣ１の前縁４１は、点Ｐ１１と定義する。すなわち、点Ｐ１１は、前縁４１と主板２とが接する点であり、第１の点の一例である。主板２と接する断面におけるキャンバー線ＬＣ１の後縁４２は、点Ｐ２１と定義する。

　また、羽根４にシュラウド３が取り付けられたときに、シュラウド３の最外周部の高さとなる位置の回転軸ＲＳに垂直な面の断面における羽根４の厚さ方向の中心線を、キャンバー線ＬＣ２と定義する。シュラウド３の最外周部の高さ位置におけるキャンバー線ＬＣ２の前縁４１は、点Ｐ１２と定義する。すなわち、点Ｐ１２は、前縁４１とシュラウド３の最外周部を通る回転軸ＲＳに垂直な平面との交点であり、第２の点の一例である。また、シュラウド３の最外周部の高さ位置におけるキャンバー線ＬＣ２の後縁４２は、点Ｐ２２と定義する。

　羽根４とシュラウド３とが接している点のうち、主板２から最も離れた点を、点Ｐ１２ａと定義する。点Ｐ１１から点Ｐ１２ａまでの前縁４１が描く軌跡を、前縁ラインＬ１とする。点Ｐ２１から点Ｐ２２までの後縁４２が描く軌跡を、後縁ラインＬ２とする。

　＜前縁４１の構成＞
　図５は、図４の要部を拡大した図である。図５において、点Ｐ１１と点Ｐ１２とを通る第１の直線Ｌ１１が横軸であり、第１の直線Ｌ１１に垂直で、羽根４の回転方向ＲＤ側、すなわち、圧力面側が正である座標系を考える。前縁ラインＬ１を回転軸ＲＳに垂直な平面に投影して描かれた線は、第１の曲線Ｌ２１と定義する。

　このとき、羽根４の前縁４１は、回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視で、第１の曲線Ｌ２１が、第１の直線Ｌ１１を横軸とする座標系に対し、第１の変曲点Ｐ１３を有する形状である。そして、羽根４の前縁４１を上面視した第１の曲線Ｌ２１は、点Ｐ１１から第１の変曲点Ｐ１３の間が反回転方向に凸形状であり、点Ｐ１２から第１の変曲点Ｐ１３の間が回転方向ＲＤに凸形状の、Ｓ字状の曲線を描いている。

　ここで、図４に示すような距離Ｒと角度θとを用いた極座標系を考え、点Ｐ１１の座標成分はＰ１１（Ｒ１１、θ１１）とし、点Ｐ１２の座標成分はＰ１２（Ｒ１２、θ１２）とする。距離Ｒは、回転軸ＲＳから任意の点までの距離である。角度θは、回転軸ＲＳを通る任意の仮想直線を基準とし反回転方向を正とした角度である。

　この極座標系において、第１の曲線Ｌ２１は、Ｒ１１＜Ｒ１２、且つ、θ１１＜θ１２を満たす曲線である。つまり、前縁ラインＬ１のうち、主板２側の点Ｐ１１は、シュラウド３側の点Ｐ１２ａよりも回転軸ＲＳからの距離が短い径方向の内側に位置している。また、前縁ラインＬ１のうち、主板２側の点Ｐ１１は、シュラウド３側の点Ｐ１２ａよりも回転方向ＲＤの前方に位置している。

　前縁ラインＬ１の主板２側が反回転方向に凸のＳ字状を描くことで、回転軸ＲＳから前縁４１までの距離が、回転軸ＲＳと第１の直線Ｌ１１との距離よりも短い領域が、主板２側で増大する。このため、慣性により主板２側に集中した空気流が、効果的にターボファン１００に吸い込まれる。

　また、主板２側の前縁４１が回転方向ＲＤの前方に位置していることにより、主板２側の空気流がシュラウド３側の羽根４に乱されることがなく、空気流が主板２側の羽根４から効果的に吸い込まれる。

　＜後縁の構成＞
　羽根４の後縁４２は、後縁ラインＬ２が、主板２側の点Ｐ２１から主板２側の点Ｐ２１よりも回転方向ＲＤの前方の点Ｐ２３を通り、点Ｐ２３から回転方向ＲＤの後方に移動してシュラウド３側の点Ｐ２２に到達する形状になっている。点Ｐ２３は、後縁ラインＬ２で最も回転方向ＲＤの前方に位置する点である。

　後縁ラインＬ２は、図４に示すように、回転軸ＲＳに垂直な平面に投影された場合、第２の曲線Ｌ２２を描く。第２の曲線Ｌ２２は、回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視で、回転軸ＲＳを中心とした円弧に沿った軌跡をたどる。

　図６は、実施の形態１に係るターボファン１００の羽根４の後縁ラインＬ２を、回転軸ＲＳを中心とした仮想の円筒面Ｃに投影した模式図である。図６に示すように、羽根４の後縁ラインＬ２は、回転軸ＲＳを中心とした仮想の円筒面Ｃに投影された場合、第３の曲線Ｌ２３を描く。第３の曲線Ｌ２３は、回転軸ＲＳを中心とした仮想の円筒面Ｃにおいて、主板２との接合点であるＰ２１から、回転方向ＲＤの前方に向かい凸形状のＵ字状を描き、シュラウド３との接合点であるＰ２２に至る軌跡をたどる。

　上述のように、回転軸ＲＳに垂直な平面において、回転軸ＲＳからの距離Ｒと、回転軸ＲＳを通る任意の仮想曲線が基準であり反回転方向が正である角度θと、を用いた極座標系を考える。このとき、後縁ラインＬ２は、主板２側の点Ｐ２１が、シュラウド３側の点Ｐ２２に対して、回転方向ＲＤの前方に位置する。つまり、第３の曲線Ｌ２３と、主板２との接合点である点Ｐ２１が、第３の曲線Ｌ２３と、シュラウド３との接合点である点Ｐ２２よりも回転方向ＲＤの前方に位置している。また、第２の曲線Ｌ２２は、極座標系において、点Ｐ２１の座標成分をＰ２１（Ｒ２１、θ２１）、Ｐ２２の座標成分を（Ｒ２２、θ２２）とすると、θ２１＜θ２２を満たす曲線である。

　後縁ラインＬ２が上記の構成を有することにより、主板２側に集中していた空気流が、回転する羽根４に沿って吹出口側に向かう過程で主板２側からシュラウド３側まで分散されるため、羽根４の外面４ａの空気流の風速分布が均一化される。

　なお、第２の曲線Ｌ２２は、回転軸ＲＳを中心とする円弧に沿っていればよく、例えば、羽根４の後縁４２に微細なのこぎり状のセレーションを設けてもよい。後縁４２の半径方向位置、すなわち、第２の曲線Ｌ２２が、回転軸ＲＳを中心とした完全な円弧上にはなくても、第２の曲線Ｌ２２により得られる効果には影響しない。第２の曲線Ｌ２２が回転軸ＲＳを中心とする円弧から過度に外れなければ、羽根４の外径が変動しないため、送風性能を維持できる。

　また、回転方向ＲＤにおける後縁４２の位置の、点Ｐ２１から点Ｐ２３までの変化、又は、点Ｐ２３から点Ｐ２２までの変化は、必ずしも単調である必要はない。点Ｐ２１、点Ｐ２２、及び、点Ｐ２３の位置関係が前述の位置関係を満足する範囲内であれば、後縁４２の一部において変化の方向が逆向きになる部分があってもよい。

　このように、実施の形態１では、羽根４の前縁４１を、回転軸ＲＳの軸方向からみた上面視において、前縁ラインＬ１が主板２側で反回転方向に凸のＳ字状を描く形状とすることで、ターボファン１００の送風特性を向上させることができる。

　また、主板２側の前縁４１は、シュラウド３側の前縁４１に対し、回転方向ＲＤに先行する形状である。これにより、シュラウド３側の羽根４に乱されることなく、空気流が主板２側の羽根４により効果的に吸い込まれる。

　更に、効率的に吸い込まれた空気流は、後縁ラインＬ２の形状により、羽根４に沿って吹き出し口側に向かうにつれて、主板２側からシュラウド３側まで分散され、風速分布がより均一化される。これにより、シュラウド３側での負圧面剥離、又は、羽根４の出口における速度分布の偏りが生じることなく流れ、ファン効率及び騒音への悪影響を防止できる。

　例えば、羽根４の前縁ラインＬ１が、主板２側で反回転方向に凸のＳ字状でない場合には、空気流が集中する主板２側において、前縁４１が他の領域よりも回転軸ＲＳに対して内径側に位置する領域が制限される。前縁ラインＬ１が、主板２側で反回転方向に凸のＳ字状でない場合とは、例えば、羽根４の前縁４１の軌跡が、上面視において直線状である場合、又は、主板２側で回転方向ＲＤに凸である、シュラウド３側で反回転方向に凸であるＳ字状である場合である。主板２側において、前縁４１が他の領域より内径側に位置する領域の範囲が制限されると、主板２側で空気の吸い込み量も制限されてしまう。また、前縁４１の回転方向ＲＤにおける位置が、主板２側とシュラウド３側とで同一であると、空気流がシュラウド３側の羽根４に乱されてしまい、主板２側まで効果的に空気流を吸い込むことができない。

　これに対し、実施の形態１のように、羽根４の前縁ラインＬ１を上面視において反回転方向に凸のＳ字状の形状とすることで、羽根４の前縁４１が直線状である場合などに比べ、主板２側において、前縁４１が他の領域より内径側に位置する領域の範囲を拡大できる。これにより、慣性により流れが集中する主板２側に効果的に空気流が吸い込まれ、ターボファンの送風性能が向上する。

　また、例えば、主板２側に集中する空気流を効率的に吸い込むことができる構成とすると、シュラウド３側での負圧面剥離、又は、羽根４の出口における速度分布の偏りが生じてしまう可能性がある。この場合、羽根４の表面積を拡大させて送風特性及び騒音特性を向上させるべく、例えば、羽根４全体を回転軸方向に凹凸状に湾曲させることが考えられる。しかし、羽根４を軸方向に凹凸状にしても、前縁側から後縁側までの羽根４の断面形状が回転軸ＲＳの軸方向に略同一の形状である場合などは、羽根４に流入する空気流が回転軸ＲＳの軸方向へ偏る可能性、又は、３次元性を有する空気流が羽根４断面に沿わない可能性がある。

　これに対し、実施の形態１の羽根４では、羽根４に流入し、主板２側に集中する空気流が、後縁ラインＬ２の形状により、羽根４に沿って吹き出し口側に向かい、吹き出し口側において、主板２側からシュラウド３側まで分散される。そのため、慣性の影響で主板２側へ偏って流入した空気流の風速分布がより均一化され、シュラウド３側の負圧面における空気流の剥離、又は、ターボファン１００の吹き出し口における空気流の速度分布の偏りによる騒音悪化が抑制される。

　これにより、ターボファン１００の送風性能の向上と、ファン効率の向上と、ファン騒音の改善とを同時に実現することができる。

　以上説明した、実施の形態１に係るターボファン１００によれば、前縁４１の主板２側は、前縁４１を回転軸ＲＳの軸方向から上面視した場合の第１の曲線Ｌ２１が、反回転方向に凸のＳ字状となる形状である。これにより、回転軸ＲＳから前縁４１までの距離が、回転軸ＲＳと第１の直線Ｌ１１との距離よりも小さい領域が、主板２側で増大する。このため、慣性により前縁４１の主板２側に集中する空気流が、効果的に吸い込まれ、送風特性が向上する。また、前縁４１の主板２側は、シュラウド３側の前縁４１よりも回転方向ＲＤの前方に位置する形状である。これにより、空気流が、シュラウド３側の羽根４で乱されることなく、主板２側の羽根４で効果的に空気流を吸い込むことができる。また、後縁４２は、上面視した第２の曲線Ｌ２２が回転軸ＲＳを中心とした円弧上にあり、円筒面Ｃから見た第３の曲線Ｌ２３が回転方向ＲＤに凸形状であって、主板２側がシュラウド３側よりも回転方向ＲＤの前方に位置する形状である。これにより、前縁４１側において主板２側への偏りが助長された空気流が、主板２側からシュラウド３側まで均一に分散され、シュラウド３側の負圧面における空気流の剥離、又は、吹き出し出口における速度分布の偏りによる騒音悪化が防止される。従って、ターボファン１００における送風特定の低下、及び、羽根４の出口の速度分布の偏りが抑制される。

　特に、第１の曲線Ｌ２１における第１の変曲点Ｐ１３が１つであると、吸い込み流れの３次元性、すなわち、気流の軸方向成分により、前縁で空気流に乱れが生じにくい。このため、空気流が後縁に向かい、スムーズに流れることができ、ターボファン１００における空気流の吸い込み効率の低下、及び、羽根４の出口における速度分布の偏りを更に抑制できる。

　実施の形態２．
　図７は、実施の形態２に係るターボファン１００の羽根４を回転軸ＲＳの軸方向から見た上面図である。実施の形態２は、羽根４の構成が、実施の形態１と相違しており、その他の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略し、同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

　図７に示すように、実施の形態２に係る羽根４は、回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視において、主板２側のキャンバー線ＬＣ１と、シュラウド３側のキャンバー線ＬＣ２とが、点Ｐ１４において、互いに交差した構成である。主板２側のキャンバー線ＬＣ１とは、羽根４が主板２と接する面における、羽根４の厚さ方向の中心線である。また、シュラウド３側のキャンバー線ＬＣ２とは、羽根４のシュラウド３の最外周部を通る回転軸ＲＳと垂直な仮想の平面における、羽根４の厚さ方向の中心線である。主板２側のキャンバー線ＬＣ１と、シュラウド３側のキャンバー線ＬＣ２とが交差した構成では、交差していない場合と比較して、羽根４を吸い込み口側から見た場合に見える羽根４の負圧面の面積が増大する。羽根４の負圧面は、すなわち、羽根４の内面４ｂである。

　羽根４の吸い込み口側から見える内面４ｂは、羽根４において主にシュラウド３側に位置する領域である。羽根４を吸い込み口側から見た場合に見える内面４ｂの面積を増大させることで、シュラウド３側における羽根４の負圧面側へ空気が流れ易くなり、シュラウド３側における羽根４の負圧面からの空気流の剥離がより効果的に抑制される。

　以上説明した、実施の形態２に係るターボファン１００によれば、吸い込み口側から見える羽根４の負圧面の面積が増大するため、シュラウド３側において、羽根４の負圧面側へ空気流が流れやすくなる。これにより、シュラウド３側における羽根４の負圧面からの空気流の剥離がより効果的に抑制され、ファン効率及びファン騒音を改善することができる。

　実施の形態３．
　図８は、実施の形態３に係るターボファン１００の羽根４を回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視である。実施の形態３は、羽根４の構成が、実施の形態１と相違しており、その他の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略し、同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

　実施の形態３に係るターボファン１００は、回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視における直線距離において、前縁ラインＬ１における第１の変曲点Ｐ１３が、点Ｐ１２より点Ｐ１１に近い。つまり第１の変曲点Ｐ１３と点Ｐ１２との距離よりも、第１の変曲点Ｐ１３と点１１との距離の方が短い。

　図９は、実施の形態３に係るターボファン１００の羽根４の要部を示す子午面図である。子午面図とは、羽根４を回転させてできる回転立体を、回転軸ＲＳを含む平面で切断したときの面を示す図である。

　図９に示すように、羽根４の子午面図において、シュラウド３側における前縁４１の法線と回転軸ＲＳとがなす角度θ３は、主板２側における前縁４１の法線と回転軸ＲＳとがなす角度θ２よりも大きくなっている。上述のように、実施の形態３に係る羽根４は、第１の変曲点Ｐ１３が、回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視において点Ｐ１２より点Ｐ１１に近い位置に配置された構成である。このため、シュラウド３側における前縁４１の法線と回転軸ＲＳとがなす角度θ３が、主板２側における前縁４１の法線と回転軸ＲＳとがなす角度θ２よりも大きくなる。

　このような構成においては、主板２側の空気流Ａ１１、シュラウド３側の空気流Ａ１２及び、主板２とシュラウド３との間における空気流Ａ１３が、それぞれ、羽根４の前縁４１の法線方向から流入することとなる。このため、シュラウド３側では、羽根４の断面に対して斜めに流入する空気流Ａ１２を、羽根４の前縁４１の法線方向が空気流Ａ１２の流入方向となるように調整することができる。

　以上説明した、実施の形態３に係るターボファン１００によれば、羽根４の前縁４１の法線方向を空気の流入方向に合わせて調整することができるため、流れの損失を抑え、ファン効率の向上、及び、ファン騒音の低減を実現することができる。

　実施の形態４．
　図１０は、実施の形態４に係るターボファン１００の羽根４を回転軸ＲＳの軸方向から見た上面視である。実施の形態４は、羽根４の構成が、実施の形態１と相違しており、その他の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略し、同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

　図１０に示すように、羽根４は、主板２側から第１の変曲点Ｐ１３に至るまでの少なくとも一部において、回転軸ＲＳに垂直な断面におけるキャンバー線の湾曲方向が変化する第２の変曲点Ｐ１５を有する構成である。

　羽根４のある断面における、前縁４１と後縁４２とを通る直線である翼弦を、第２の直線Ｌ１２と定義する。図１０では、羽根４の点Ｐ１１を通る断面に対する直線Ｌ１２が例として図示されている。第２の直線Ｌ１２と垂直な直線を、第３の直線Ｌ１３と定義する。そして、第２の直線Ｌ１２と、第３の直線Ｌ１３とにより定義される座標系を考える。このとき、羽根４は、回転軸ＲＳに垂直な断面におけるキャンバー線ＬＣ１の湾曲方向が、座標系に対し、第２の変曲点Ｐ１５で変化する。羽根４は、キャンバー線の湾曲方向が第２の変曲点Ｐ１５において変化する構成を、主板２側の断面から第１の変曲点Ｐ１３の断面に至るまでの少なくとも一部に有する。羽根４は、主板２側から第１の変曲点Ｐ１３の高さに至るまでの全ての位置で、第２の変曲点Ｐ１５を有する構成であってもよい。

　このような構成によれば、主板２側では、羽根４の断面の前縁付近が反回転方向に凸であり、逆ぞりした構成となる。羽根４の主板２側のキャンバー線が、反回転方向に凸となるように逆ぞりした形状であることで、羽根４の断面形状の入口角が空気流の流入速度にあった形状となる。入口角とは、回転軸ＲＳを原点とし前縁４１を通る仮想円の前縁４１における接線と、羽根４のキャンバー線の前縁４１における接線とのなす角のうち、羽根４の負圧面であって、反回転方向側の角度をいう。

　羽根４の主板２側の前縁４１は、シュラウド３側の前縁４１よりも、回転軸ＲＳからの距離である内径が小さいため、主板２側の前縁４１が、シュラウド３側の前縁４１よりも、ハブ１に近くなる。また、羽根４の主板２側の前縁４１では、空気流が主板２の粘性の影響を受けて、空気の流入速度の半径方向成分が低減する傾向がある。入口角を適切に設計することにより、羽根４の前縁４１における空気流と羽根４との衝突損失、又は、前縁４１における空気流の剥離が効果的に抑制され、ファン効率の向上、及び、ファン騒音の低減が実現される。

　以上説明した、実施の形態４に係るターボファン１００によれば、羽根４のキャンバー線の湾曲方向が変化する構成である。入口角が空気流の流入速度に合うように羽根４の形状が設計されることで、羽根４の前縁４１における空気流と羽根４との衝突損失、及び、空気流の羽根４からの剥離が効果的に抑制され、ファン効率の向上、及び、ファン騒音の低減を実現することができる。

　実施の形態５．
　図１１は、実施の形態５に係るターボファン１００の羽根４の前縁４１の高さと入口角との関係を示すグラフである。実施の形態５は、羽根４の構成が、実施の形態１と相違しており、その他の構成は実施の形態１と同様であるため、説明を省略し、同様あるいは相当部分には同じ符号を付している。

　図１１に示すように、羽根４は、羽根４の前縁４１の高さが第１の変曲点Ｐ１３よりも大きくなると、入口角のうち反回転方向側の角度が、漸次減少する構成である。羽根４の前縁４１の高さとは、主板２から羽根４の前縁４１までの垂直方向の距離であり、主板２と回転軸ＲＳとの交点を原点とした場合の＋Ｚ方向の距離である。また、入口角とは、上述のように、回転軸ＲＳを原点とし羽根４の前縁４１を通る円の前縁４１における接線と、羽根４のキャンバー線の前縁４１における接線と、のなす角である。すなわち、羽根４は、前縁ラインＬ１の第１の変曲点Ｐ１３を前縁４１とする羽根４の断面から、シュラウド３側の羽根４の断面にかけて、回転軸ＲＳに垂直な断面の入口角が漸次縮小する構成である。

　前縁４１における空気流は、羽根４の内径が縮小する主板２側においてハブ１及び主板２の影響を受けやすい。また、前縁４１における空気流は、シュラウド３側に向かうにつれて、ハブ１及び主板２の影響を受けることがなくなり、羽根４の断面に対する空気の流入角が減少する傾向がある。

　そのため、羽根４の入口角が、シュラウド３側で減少する構成であることで、羽根４に対する空気流の衝突損失、又は、羽根４の前縁４１からの空気流の剥離が抑制され、ファン効率の向上、及び、ファン騒音の低減を実現することができる。

　以上説明した実施の形態５に係るターボファン１００によれば、羽根４の前縁４１の高さが第１の変曲点Ｐ１３における前縁４１の高さよりも大きくなると、羽根４の入口角が漸次減少する構成である。そのため、羽根４に対する空気流の衝突損失、及び、前縁剥離が抑制され、ファン効率の向上、及び、ファン騒音の低減を実現することができる。

　実施の形態６．
　図１２は、実施の形態６に係る空気調和機２００の内部を示す概略図である。実施の形態６は、実施の形態１～５のいずれかに記載のターボファン１００を備えた空気調和機２００であり、実施の形態１～５と同様あるいは相当部分についての説明を省略し、同じ符号を付している。

　図１２に示すように、空気調和機２００は、羽根４を有するターボファン１００と、ターボファン１００に、軸２０１ａを介して連結されたモータ２０１とを搭載している。ターボファン１００の吹き出し側には、熱交換器２０２が配置されている。ターボファン１００の吸い込み側には、ベルマウス２０３が設けられている。

　ターボファン１００が回転駆動すると、空気流が吸い込み口２０５から空気調和機２００の内部に吸い込まれる。空気流は、ベルマウス２０３、ターボファン１００、及び、熱交換器２０２を通過した後、吹き出し口２０４から空気調和機２００の外部へ吹き出される。

　ターボファン１００から吹き出される空気流は、出口における速度分布が均一化されているため、熱交換器２０２へ流入する空気流の速度分布も均一化される。これにより、熱交換器２０２を通過する際の空気流の圧力損失の低減、及び、熱交換性能の向上効果が得られ、空気調和機２００全体としての性能向上及び省エネ化に資する。

　実施例．
　続いて、実施例に係るターボファン１００の性能評価について説明する。性能評価は、実施例に係るターボファン１００と、比較例に係る一般的な構成のターボファンとの比較実験に基づき行った。

　実験において、実施例に係るターボファン１００及び比較例に係るターボファンは、羽根４として直径が４８０［ｍｍ］の羽を有する構成であり、それぞれが実験用の空気調和機に搭載されている。

　次に、空気調和機に搭載された実施例に係るターボファン１００及び比較例に係るターボファンを、所定の回転数で駆動させた。風量、モータ入力、及び、騒音レベルの測定は、空気調和機の吸い込み口２０５と吹き出し口２０４の差圧が０となる条件下で実施した。また、騒音レベルの測定は、空気調和機の吸い込み口２０５と吹き出し口２０４の差圧が０となる条件下で、吸い込み口２０５から吸い込み面に垂直な方向に１ｍ離れた位置で実施した。

　図１３は、実施例及び比較例に係るターボファン１００における風量に対する回転数の関係を示すグラフである。図１４は、実施例及び比較例に係るターボファン１００における風量に対する入力の関係を示すグラフである。図１５は、実施例及び比較例に係るターボファン１００における風量に対する騒音レベルの関係を示すグラフである。図１３から図１５において、ファンＡは、比較例に係るターボファンを示し、ファンＢは、実施例に係るターボファン１００を示している。

　図１３に示すように、同一回転数における風量は、ターボファンそれぞれの定格回転数において、ファンＢでは、ファンＡと比較して約３［ｍ^３／ｍｉｎ］増加することがわかった。すなわち、実施例に係るターボファン１００により、送風機の送風性能を向上させる効果があることが確かめられた。

　図１４に示すように、同一風量時のモータ入力は、ターボファンそれぞれの定格風量において、ファンＢでは、ファンＡと比較して約１１［Ｗ］低減することがわかった。すなわち、実施例に係るターボファン１００により、送風機の省エネ性能が向上することが確かめられた。

　図１５に示すように、同一風量時の騒音レベルは、ターボファンそれぞれの定格風量において、ファンＢでは、ファンＡと比較して、約２［ｄＢ］低減することがわかった。すなわち、実施例に係るターボファン１００により、送風機の低騒音化の効果が得られることがわかった。

　以上の実験結果より、実施例に係るターボファン１００によれば、送風性能の向上、低入力化、及び、低騒音化が同時に実現されることがわかった。

　１　ハブ、２　主板、３　シュラウド、４　羽根、４ａ　外面、４ｂ　内面、４１　前縁、４２　後縁、１００　ターボファン、２００　空気調和機、２０１　モータ、２０１ａ　軸、２０２　熱交換器、２０３　ベルマウス、２０４　吹き出し口、２０５　吸い込み口。

Claims

　回転軸が接続されるハブを備えた主板と、前記主板と対向して配置されたシュラウドと、前記主板と前記シュラウドとの間に配置された複数の羽根と、を有し、
　前記複数の羽根のそれぞれは、前縁と、前記前縁よりも前記回転軸から離れて位置する後縁とを有し、前記前縁が前記後縁よりも回転方向の前方に位置しており、
　前記前縁と前記主板との接合点を第１の点とし、前記前縁と前記シュラウドの最外周部を通る前記回転軸と垂直な仮想の平面との交点を第２の点とした場合、
　前記前縁を前記回転軸に垂直な平面に投影して描かれた第１の曲線が、
　前記回転軸の軸方向から見た上面視で、前記第１の点と前記第２の点とを通る仮想の直線が横軸であり前記回転方向側が正である座標系に対して、第１の変曲点を有し、
　前記第１の曲線は、前記第１の変曲点より前記第１の点に近い部分で反回転方向に凸である部分と、前記第１の変曲点より前記第２の点に近い部分で前記回転方向に凸である部分と、を有し、
　前記第１の点は前記第２の点よりも前記回転方向の前方に位置しており、
　前記後縁を前記回転軸に垂直な平面に投影して描かれた第２の曲線が、前記回転軸の軸方向から見た上面視で、前記回転軸を中心とした円弧に沿っており、
　前記後縁を前記回転軸と同軸上の円筒面上に投影して描かれた第３の曲線が、前記回転方向に凸であるように形成されており、
　前記第３の曲線と前記シュラウドとの接合点は、前記第３の曲線と前記主板との接合点よりも、前記回転方向の後方に位置している
　ターボファン。
　前記第１の変曲点は、第１の曲線に単一に存在する
　請求項１に記載のターボファン。
　前記複数の羽根のそれぞれは、
　前記主板と接する面における、前記複数の羽根のそれぞれの厚さ方向の中心線と、
　前記シュラウドの前記最外周部を通る前記回転軸と垂直な仮想の平面における、前記複数の羽根のそれぞれの厚さ方向の中心線と、が、
　前記回転軸の方向から見た上面視で、交差している
　請求項１又は２に記載のターボファン。
　前記回転軸の軸方向から見た上面視において、前記第１の変曲点と前記第２の点との距離よりも、前記第１の変曲点と前記第１の点との距離が短い
　請求項１～３のいずれか一項に記載のターボファン。
　前記第１の点を通り前記回転軸に垂直な平面における前記羽根の断面から、前記第１の変曲点を通り前記回転軸に垂直な平面における前記羽根の断面までの間の少なくとも一部において、
　前記羽根の厚さ方向の中心線の湾曲方向が、
　前記回転軸に垂直な平面における前記羽根の断面において前記前縁と前記後縁とを通る第１の直線と、それに垂直な第２の直線と、によって定義される座標系において、第２の変曲点を有する、
　請求項１～４のいずれか一項に記載のターボファン。
　前記回転軸に垂直な平面における前記羽根の断面において、
　前記回転軸を原点とし前記前縁を通る円の前記前縁における接線と、前記羽根の厚さ方向における中心線の前記前縁における接線と、のなす角である入口角のうち、前記羽根の前記反回転方向側の角度が、
　前記第１の変曲点を通り前記回転軸に垂直な平面における前記羽根の断面から、前記羽根と前記シュラウドとが接する面に至るまで、漸次減少する、
　請求項１～５のいずれか一項に記載のターボファン。
　請求項１～６のいずれか一項に記載のターボファンを搭載し、
　前記ターボファンの吹き出し出口側に熱交換器を備えた
　空気調和機。