JP2007170331A - ターボファン及びこれを用いた空気調和機の室内ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】羽根の前縁近傍における剥離流の発生を抑えて、空気流の圧力損失及び騒音の発生を抑制することができるターボファン及びこれを用いた空気調和機の室内ユニットを提供する。
【解決手段】ハブ板とシュラウドとの間に配置される羽根２３は、前縁における入口角がハブ板側からシュラウド側に向かって漸減するように形成される。このため、羽根２３の前縁２４ａ，２４ｂにおいて空気流の流入角γｈ，γｓとその位置の入口角とを近づけるように構成することができ、空気流が羽根２３とほぼ無衝突で羽根間の流路に入っていく。これにより、羽根２３の前縁近傍において剥離流が発生することを抑える。
【選択図】図７

Description

本発明は、回転によってシュラウド側から空気を吸い込み外周側へ吹き出すターボファン及びこれを用いた空気調和機の室内ユニットに関する。

従来、天井埋込型等の空気調和機に用いられる送風ファンとしては、効率面、騒音面を考慮して、ファンの羽根が３次元形状に形成された遠心ファンである、いわゆるターボファンが広く採用されている。このようなターボファンは、一般的に、電動機により回転されるハブ板と、このハブ板の対向位置に設けられる環状のシュラウドと、ハブ板とシュラウドとの間に配置される複数枚の羽根とを備えている。そして、電動機によるターボファンの回転によって、シュラウド側から空気を吸い込み、その空気をターボファンの外周側へ吹き出すようにしている。また、こうしたターボファンの羽根は、特許文献１に示されるように、内周側の端部である前縁が外周側の端部である後縁よりも回転方向側に設けられており、シュラウド側から吸い込んだ空気が羽根の前縁近傍において剥離流を生じてしまうことを抑えるように構成されている。そして、このように剥離流の発生を抑制することにより、吸い込んだ空気を羽根の前縁から後縁へと円滑に案内してターボファンの外周側へと吹き出すようにし、ターボファンを通過する空気流の圧力損失を抑え、騒音の発生を抑えるようにしている。
特開平５−３９９３０号公報

ところで、このようなターボファンは、ハブ板と対向するシュラウド側から吸い込まれた空気が、略垂直方向に方向転換されて外周側から吹き出すように構成されるため、ターボファン内を通過する空気流がハブ板側に偏ってしまう。このため、羽根の前縁に流入する空気流の流入速度や流入方向はハブ板側とシュラウド側とでは異なることとなり、羽根の前縁近傍における剥離流の発生形態についてもハブ板側とシュラウド側とでは異なってくる。従って、羽根のハブ板側からシュラウド側に亘って、それぞれの位置の前縁に流入する空気流の流入態様を加味して剥離流の発生を押さえるような羽根形状にしなければ、空気流の圧力損失及び騒音の発生を有効に抑えることができない。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、羽根の前縁近傍における剥離流の発生を抑えて、空気流の圧力損失及び騒音の発生を抑制することができるターボファン及びこれを用いた空気調和機の室内ユニットを提供することにある。

本発明に係るターボファンは、電動機により回転されるハブ板と、このハブ板の対向位置に設けられる環状のシュラウドと、前記ハブ板と前記シュラウドとの間に配置されて内周側の端部である前縁が外周側の端部である後縁よりも回転方向側に設けられる複数枚の羽根とを備え、回転によって前記シュラウド側から空気を吸い込み外周側へ吹き出すターボファンであって、前記羽根は、前記ハブ板側の前縁が前記シュラウド側の前縁よりも径方向の内側に配置されるとともに、その前縁における入口角が前記ハブ板側から前記シュラウド側に向かって漸減するように形成されることを特徴とする。ここで、入口角とは、羽根の前縁において羽根の翼素のキャンバー線と羽根の回転する円周方向接線とが成す角度である。

ターボファン内を通過する空気流はハブ板側に偏ることから、外周側へ吹き出される空気流の速度はシュラウド側よりもハブ板側の方が高くなり、羽根の前縁における空気流の径方向速度についてもシュラウド側よりもハブ板側の方が高くなる。このため、羽根の前縁における空気流の円周方向接線に対する流入角が、ハブ板側では相対的に大きくシュラウド側では相対的に小さくなる。

同構成によれば、ハブ板とシュラウドとの間に配置されるターボファンの羽根は、前縁における入口角がハブ板側からシュラウド側に向かって漸減するように形成されるため、羽根の前縁において空気流の流入角と入口角とを近づけるようにすることができる。このため、空気流が羽根とほぼ無衝突で羽根間の流路に入っていくため、羽根の前縁近傍において剥離流が生じることを抑えることができ、空気流の圧力損失及び騒音の発生を抑制することができる。

また、ターボファンの羽根は、ハブ板側の前縁がシュラウド側の前縁よりも径方向の内側に配置されるため、ハブ板側に偏った空気流をハブ板側の前縁近傍で速やかに捉えて後縁に案内するように構成することができる。

また、前記シュラウドは、空気を吸い込むための略円形の開口を有しており、前記羽根は、前記シュラウド側の前縁が、前記開口の外周を回転軸に垂直な面に投影した形状とほぼ同一位置上に配置されるようにしてもよい。

同構成によれば、ターボファンの羽根は、シュラウド側の前縁がシュラウドに形成された略円形の開口の外周を回転軸に垂直な面に投影した円形状とほぼ同一位置上に配置される。このため、シュラウドの開口から吸い込んだ空気流がシュラウド側の羽根と衝突しないようにして空気流の圧力損失を軽減するとともに、シュラウド側の羽根の長さを極力長くして吸い込んだ空気を効率よく後縁に案内するように構成することができる。

また、前記シュラウドは、空気を吸い込むための略円形の開口を有しており、前記羽根は、前記ハブ板側の前縁が、前記開口の外周を回転軸に垂直な面に投影した形状よりも内側に配置されるようにしてもよい。

同構成によれば、ターボファンの羽根は、ハブ板側の前縁がシュラウドに形成された略円形の開口の外周を回転軸に垂直な面に投影した円形状よりも内側に配置される。このため、シュラウドの開口から吸い込まれてハブ板側に偏った空気流を、ハブ板側の前縁近傍で速やかに捉えるように構成することができ、吸い込んだ空気を効率よく後縁に案内することができる。

また、本発明に係る空気調和機の室内ユニットは、上記のターボファンを搭載したことを特徴とする。同構成によれば、上記のようにターボファンの羽根の前縁近傍において剥離流が生じることを抑えることができるため、空気流の圧力損失を抑制して空気調和機の室内ユニット内を流通する空気の流れを円滑にすることができる。その結果、機内抵抗を低減して空気調和機のエネルギー効率を向上させることができる。また、上記のようにターボファンの騒音を抑えることができるため、空気調和機の室内ユニットの騒音を低減することができる。

また、上記のターボファンを搭載した空気調和機の室内ユニットにおいて、前記ターボファンの空気の吸い込み側に空気吸込口が設けられるとともに、前記ターボファンの空気の吹き出し側に熱交換器が配置され、この熱交換器の下流側に空気吹出口が設けられるようにしてもよい。

同構成によれば、ターボファンの空気の吹き出し側に熱交換器を配置するため、空気調和機の室内ユニットを薄型化することができる。また、ターボファンの羽根の前縁近傍において剥離流が生じることを抑えることができるため、整流化された空気を熱交換器へ導くことができ、熱交換器の熱交換効率の向上及び熱交換器の通風抵抗の低下を図ることができる。また、熱交換器の通風抵抗の低下によって、空気調和機の室内ユニットにおける騒音の発生を抑えることができる。

本発明に係るターボファンによれば、ハブ板とシュラウドとの間に配置される羽根は、前縁近傍において剥離流が生じることを抑えるような羽根形状を有しているため、空気流の圧力損失及び騒音の発生を好適に抑制することができる。また、本発明に係る空気調和機の室内ユニットによれば、上記のようなターボファンを用いるため、機内抵抗を低減して空気調和機のエネルギー効率を向上させるとともに、室内ユニットの騒音を低減することができる。

以下、図１〜９を参照して、本発明に係るターボファン及びこのターボファンを用いた空気調和機の室内ユニットを具体化した一実施形態について説明する。
図１は空気調和機の壁掛型室内ユニットの外観斜視図である。室内ユニット１は横長箱型形状に形成されるとともに、そのケーシングが、フレーム１１と、フレーム１１の前面側に取り付けられる前面グリル１２とによって構成される。前面グリル１２には、中央部に室内空気を吸い込む空気吸込口１３と、左右側方部分に室内ユニット１内で熱交換された空気を吹き出すための空気吹出口１４とが形成されている。

図２は図１のＡ−Ａ線に沿う空気調和機の室内ユニット１の断面図であり、図３は室内ユニット１の前面グリル１２を開放した状態を示す斜視図である。室内ユニット１のケーシング内には、空気を循環させるターボファン２と、通過する空気と熱交換を行う熱交換器３とが収納されている。ターボファン２は、室内ユニット１の中央部に配置されるとともに、その回転により前面グリル１２の空気吸込口１３から吸い込んだ空気を左右側方に吹き出すように構成されている。熱交換器３は、ターボファン２の左右両側に配置されるとともに、冷媒回路における凝縮器（暖房運転時）や蒸発器（冷房運転時）として機能して、ターボファン２から吹出された空気と熱交換を行う。また、室内ユニット１のケーシング内には、空気吸込口１３から吸い込んだ空気をターボファン２に案内するベルマウス１５が設けられるとともに、熱交換器３で熱交換された空気を空気吹出口１４に案内する空気通路１６が形成されている。

ターボファン２は、電動機としてのモータ１７により回転され、ターボファン２の回転軸、すなわちモータ１７の回転軸１７ａが室内ユニット１の前後方向となるように配置されている。モータ１７は、薄型仕様のモータ、例えばプリントモータが使用されており、ターボファン２の背面側において、フレーム１１の背壁に固定されている。

ターボファン２は、図４に示されるように、モータ１７により回転されるハブ板２１と、ハブ板２１の対向位置に設けられる環状のシュラウド２２と、ハブ板２１とシュラウド２２との間に配置される複数枚の羽根２３とを備えている。ここで、各図における矢印Ｒはターボファン２の回転方向を示している。

ハブ板２１は、外形２１ａが円形に形成されるとともに、その中心部にモータ１７の回転軸１７ａが固定される孔部２１ｂが設けられている。シュラウド２２は、外形２２ａが円形に形成されるとともに、その中央部に空気を吸い込む開口２２ｂが形成されている。羽根２３は、翼形状を成すとともにその表面が３次元形状に形成されており、内周側の端部である前縁２４が外周側の端部である後縁２５よりも回転方向側に設けられている。ターボファン２は、その回転によってシュラウド２２の開口２２ｂから空気を吸い込み、羽根２３の前縁２４から後縁２５へと空気を案内してターボファン２の外周側へその空気を吹き出す。

次に、羽根２３の形状についてさらに詳しく説明する。図５は羽根２３をシュラウド２２側から見たときの部分平面図である。ここで、Ｏは回転軸中心である。羽根２３は、ハブ板２１側の後縁２５ａがシュラウド２２側の後縁２５ｂよりも回転方向側に配置されて、後縁２５が回転軸方向に対して傾斜するように形成されている。ターボファン２は、シュラウド２２の開口２２ｂから吸い込まれた空気が、略垂直方向に方向転換されて外周側から吹き出すように構成されるため、ターボファン２内を通過する空気流がハブ板２１側に偏ってしまう。このため、ハブ板２１側の後縁２５ａをシュラウド２２側の後縁２５ｂよりも回転方向側に配置することによって、吸い込まれた空気が前縁２４から後縁２５へと案内される間に、その空気をハブ板２１側からシュラウド２２側へと導くことができる。これにより、ターボファン２の吹き出し部である羽根２３の後縁２５において、ハブ板２１側に偏った空気流の風速分布を均すようにしている。

また、羽根２３は、図５に示すように、ハブ板２１側の前縁２４ａにおける入口角βｈが、シュラウド２２側の前縁２４ｂにおける入口角βｓよりも大きくなるように形成されている。すなわち、前縁２４における入口角βがハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように形成されている。ここで、羽根２３の入口角βとターボファン２内を通過する空気流との関係について説明する。図６はターボファン２内の空気流を示す部分断面図であり、図７は羽根２３の前縁２４に空気流が流入する状態を示す部分平面図である。

図６に示すように、ターボファン２内を通過する空気流Ｂはハブ板側に偏ることから、外周側へ吹き出される空気流の速度はシュラウド２２側よりもハブ板２１側の方が高くなる。このため、羽根２３の前縁２４における空気流の径方向速度Ｃについてもシュラウド２２側よりもハブ板２１側の方が高くなる。ここで、図７に示すように、空気流の径方向速度Ｃと羽根２３の前縁２４の周方向速度Ｄとから、羽根２３の前縁２４に対する空気流の相対速度Ｅと前縁２４の周方向接線に対する流入角γとを求めることができる。上述のように、ハブ板２１側の前縁２４ａにおける空気流の径方向速度Ｃｈは、シュラウド２２側の前縁２４ｂにおける空気流の径方向速度Ｃｓよりも高くなるため、ハブ板２１側の前縁２４ａの相対速度Ｅｈは、シュラウド２２側の前縁２４ｂの相対速度Ｅｓより高くなる。そして、ハブ板２１側の前縁２４ａにおける流入角γｈは、シュラウド２２側の前縁２４ｂにおける流入角γｓよりも大きくなる。このため、前縁２４における入口角βがハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように羽根を形成すると、羽根２３の前縁２４の各位置において空気流の流入角γと入口角βとを近づけるようにすることができる。これにより、空気流が羽根２３とほぼ無衝突で羽根間の流路に入っていくため、羽根２３の前縁２４近傍において剥離流が生じることを抑えることができる。

また、羽根２３は、図５に示すように、シュラウド２２側の前縁２４ｂがシュラウド２２の開口２２ｂの外周を回転軸に垂直な面に投影した円形状とほぼ同一位置上に配置されている。これにより、シュラウド２２の開口２２ｂから吸い込んだ空気流がシュラウド２２側の羽根２３と衝突しないようにして空気流の圧力損失を軽減するとともに、シュラウド２２側の羽根２３の長さを極力長くして吸い込んだ空気を効率よく後縁２５に案内するようにしている。また、羽根２３は、ハブ板２１側の前縁２４ａがシュラウド２２の開口２２ｂの外周を回転軸に垂直な面に投影した円形状よりも内側に配置される。これにより、シュラウド２２の開口２２ｂから吸い込まれてハブ板２１側に偏った空気流を、ハブ板２１側の前縁２４ａ近傍で速やかに捉えるようにしている。

熱交換器３は、ターボファン２の左右両側に略対称的に分散配置されている。分散配置された両熱交換器３は、図８に示すように、底部スペースを利用して配置される冷媒配管３１により連結され、一体となって作用するように構成されている。熱交換器３には、前板３２と後板３３との間に扁平チューブ３４が前後方向に平行に６列配置されている。扁平チューブ３４間及び扁平チューブ３４と前板３２又は後板３３との間には、コルゲートフィン３５が設けられる。そして、熱交換器３は、コルゲートフィン３５を通過する空気と熱交換を行う。

次に、空気調和機の室内ユニット１の作用について説明する。空気調和機の運転が開始されてターボファン２が回転されると、前面グリル１２の空気吸込口１３から室内空気が吸い込まれる。この室内空気は、ベルマウス１５により案内されて、シュラウド２２の開口２２ｂからターボファン２の内部に取り込まれる。そして、ターボファン２に取り込まれた空気は、羽根２３の前縁２４から後縁２５へと案内されることにより昇圧されて羽根２３の後縁２５から外周側へ吐き出される。ターボファン２から吹き出された空気は、左右両側の熱交換器３で熱交換された後に、空気通路１６に案内されて、前面グリル１２の空気吹出口１４から室内に吹き出される。

ここで、ターボファン２の羽根２３の前縁２４における入口角βをハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように形成した場合の効果を見るために、室内ユニット１の騒音を測定した。図９はハブ板２１側からシュラウド２２側に至るまでの羽根２３高さに対する実施例と従来例との入口角βの変化を示した図である。図９の横軸はハブ板２１側端部の入口角βを基準として入口角βの変化量を示したものである。図９に示すように、実施例のターボファン２は入口角βがハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように形成され、従来例のターボファンは入口角βがシュラウド２２側において漸増するように形成されている。実施例のターボファン２と従来例のターボファンとをそれぞれ室内ユニット１に組み込んで騒音を測定したところ、実施例のターボファン２を搭載した場合は、従来例のターボファンを搭載した場合よりも室内ユニット１の騒音が０．４ｄＢＡ低減した。室内ユニット１の騒音は、熱交換器３の熱交換効率や通風抵抗とも相関を有するため、入口角βをハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように形成することにより、熱交換器３の熱交換効率を向上させるとともに、熱交換器３の通風抵抗を低下させることができると推測される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、ターボファン２の羽根２３は、前縁２４における入口角βがハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように形成される。ターボファン２内を通過する空気流はハブ板２１側に偏ることから、外周側へ吹き出される空気流の速度はシュラウド２２側よりもハブ板２１側の方が高くなり、羽根２３の前縁２４における空気流の径方向速度についてもシュラウド２２側よりもハブ板２１側の方が高くなる。従って、羽根２３の前縁２４における空気流の流入角γは、ハブ板２１側よりもシュラウド２２側の方が小さくなる。上記実施形態のように、前縁２４における入口角βをハブ板２１側からシュラウド２２側に向かって漸減するように形成すると、羽根２３の前縁２４において空気流の流入角γと入口角βとを近づけるようにすることができる。このため、空気流が羽根２３とほぼ無衝突で羽根間の流路に入っていくため、羽根２３の前縁２４近傍において剥離流が生じることを抑えることができ、空気流の圧力損失及び騒音の発生を抑制することができる。

（２）上記実施形態では、ターボファン２の羽根２３の前縁２４近傍において剥離流が生じることを抑えるように構成されているため、空気流の圧力損失を抑制して空気調和機の室内ユニット１内を流通する空気の流れを円滑にすることができ、機内抵抗を低減して空気調和機のエネルギー効率を向上させることができる。また、剥離流の発生を抑制することによりターボファン２の騒音を抑えることができるため、空気調和機の室内ユニット１の騒音を低減することができる。

（３）上記実施形態では、ターボファン２の空気の吹き出し側に熱交換器３が配置されるため、剥離流の発生が抑制され整流化された空気がターボファン２から熱交換器３へと導かれる。このため、熱交換器３の熱交換効率の向上及び熱交換器３の通風抵抗の低下を図ることができる。また、熱交換器３の通風抵抗の低下によって、空気調和機の室内ユニット１における騒音の発生を抑えることができる。また、ターボファン２の空気の吹き出し側に熱交換器３を配置するため、空気調和機の室内ユニット１を薄型化することができる。

（４）上記実施形態では、羽根２３は、ハブ板２１側の前縁２４ａがシュラウド２２側の前縁２４ｂよりも径方向の内側に配置される。このため、ハブ板２１側に偏った空気流をハブ板２１側の前縁２４ａ近傍で速やかに捉えて後縁２５に案内するように構成することができる。

（５）上記実施形態では、羽根２３は、シュラウド２２側の前縁２４ｂがシュラウド２２の開口２２ｂの外周を回転軸に垂直な面に投影した円形状とほぼ同一位置上に配置される。このため、シュラウド２２の開口２２ｂから吸い込んだ空気流がシュラウド２２側の羽根２３と衝突しないようにして空気流の圧力損失を軽減するとともに、シュラウド２２側の羽根２３の長さを極力長くして吸い込んだ空気を効率よく後縁２５に案内することができる。

（６）上記実施形態では、羽根２３は、ハブ板２１側の前縁２４ａがシュラウド２２の開口２２ｂの外周を回転軸に垂直な面に投影した円形状よりも内側に配置される。このため、シュラウド２２の開口２２ｂから吸い込まれてハブ板２１側に偏った空気流を、ハブ板２１側の前縁２４ａ近傍で速やかに捉えることができ、吸い込んだ空気を効率よく後縁２５に案内することができる。

（７）上記実施形態では、ターボファン２の羽根２３は、ハブ板２１側の後縁２５ａがシュラウド２２側の後縁２５ｂよりも回転方向側に配置される。このため、ターボファン２の回転によって吸い込まれた空気が前縁２４から後縁２５へと案内される間に、その空気をハブ板２１側からシュラウド２２側へと導くことができる。これにより、ハブ板２１側に偏った空気流の風速分布を羽根２３の後縁２５において均一化することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、ターボファン２の羽根２３が、翼形状に形成されているが、板形状に形成されていてもよい。

・上記実施形態では、空気調和機の室内ユニット１を壁掛型としたが、天井埋込型等、他の形式の室内ユニットとしてもよい。
・また、熱交換器３は、クロスフィンコイル式熱交換器等、他の形式の熱交換器としてもよい。

・上記実施形態では、室内ユニット１の構成を、ターボファン２の空気の吹き出し側に熱交換器３が配置されるようにしたが、ターボファン２の空気の吸い込み側に熱交換器３が配置されるようにしてもよい。

本発明に係る空気調和機の室内ユニットの外観斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿う空気調和機の室内ユニットの断面図。 空気調和機の室内ユニットの前面を開放した状態を示す斜視図。 ターボファンの斜視図。 ターボファンの羽根の配置を示す部分平面図。 ターボファン内の空気流を示す部分断面図。 ターボファンの羽根の前縁に空気流が流入する状態を示す部分平面図。 熱交換器の斜視図。 羽根高さに対する入口角の変化を示すグラフ。

符号の説明

１…室内ユニット、２…ターボファン、３…熱交換器、１１…フレーム、１２…前面グリル、１３…空気吸込口、１４…空気吹出口、１５…ベルマウス、１６…通気通路、１７…モータ、２１…ハブ板、２２…シュラウド、２３…羽根、２４…前縁、２５…後縁、β…入口角、γ…流入角。

Claims (5)

1. 電動機により回転されるハブ板と、このハブ板の対向位置に設けられる環状のシュラウドと、前記ハブ板と前記シュラウドとの間に配置されて内周側の端部である前縁が外周側の端部である後縁よりも回転方向側に設けられる複数枚の羽根とを備え、回転によって前記シュラウド側から空気を吸い込み外周側へ吹き出すターボファンであって、
   前記羽根は、前記ハブ板側の前縁が前記シュラウド側の前縁よりも径方向の内側に配置されるとともに、その前縁における入口角が前記ハブ板側から前記シュラウド側に向かって漸減するように形成される
   ことを特徴とするターボファン。
2. 請求項１に記載のターボファンにおいて、
   前記シュラウドは、空気を吸い込むための略円形の開口を有しており、
   前記羽根は、前記シュラウド側の前縁が、前記開口の外周を回転軸に垂直な面に投影した形状とほぼ同一位置上に配置される
   ことを特徴とするターボファン。
3. 請求項１に記載のターボファンにおいて、
   前記シュラウドは、空気を吸い込むための略円形の開口を有しており、
   前記羽根は、前記ハブ板側の前縁が、前記開口の外周を回転軸に垂直な面に投影した形状よりも内側に配置される
   ことを特徴とするターボファン。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボファンを搭載したことを特徴とする空気調和機の室内ユニット。
5. 請求項４に記載の空気調和機の室内ユニットにおいて、
   前記ターボファンの空気の吸い込み側に空気吸込口が設けられるとともに、前記ターボファンの空気の吹き出し側に熱交換器が配置され、この熱交換器の下流側に空気吹出口が設けられる
   ことを特徴とする空気調和機の室内ユニット。

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