JP2019019759A - 遠心ファンインペラおよび当該遠心ファンインペラを備える遠心ファン - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸に平行な方向のサイズを維持したまま、ブレードの表面積を拡大して遠心ファンの特性を向上させる。【解決手段】本開示の遠心ファンインペラ１００は、リング１２と、背面プレート１４と、リング１２と背面プレート１４との間において回転軸１０の周りに配列された複数のファンブレード２０とを備える。各ファンブレード２０は、径方向内側の前縁と、径方向外側の後縁と、リングに連結された第１端部と、背面プレートに連結された第２端部と、それぞれが、前縁、後縁、第１端部、および第２端部によって区画される表面および裏面とを有している。表面および裏面のそれぞれは、回転軸１０の方向における曲率が正である凸面領域と回転軸の方向における曲率が負である凹面領域とを有しており、凸面領域と凹面領域とが回転軸の方向に沿って連結されている。【選択図】図１

Description

本願は、遠心ファンインペラおよび当該遠心ファンインペラを備える遠心ファンに関する。

遠心ファンは、軸回りに回転する複数のブレードによって空気または他のガスを半径方向外側に流す送風装置である。

特開２００２−３４９４８６号公報は、回転軸の方向から視たブレードの形状に特徴がある遠心送風機を開示している。

特表２０１６−５３５１９４号公報は、ブレードの後縁がＳ字状にカーブした遠心送風機を開示している。

特開２００２−３４９４８６号公報 特表２０１６−５３５１９４号公報

本開示の実施形態は、昇圧性能を向上させた遠心ファンインペラおよび当該インペラを備える遠心ファンを提供する。

本開示の遠心ファンインペラは、例示的な実施形態において、回転軸を有する遠心ファンインペラであって、リングと、背面プレートと、前記リングと前記背面プレートとの間において前記回転軸の周りに配列された複数のファンブレードとを備える。前記複数のファンブレードのそれぞれは、径方向内側の前縁と、径方向外側の後縁と、前記リングに連結された第１端部と、前記背面プレートに連結された第２端部と、それぞれが、前記前縁、前記後縁、前記第１端部、および前記第２端部によって区画される表面および裏面とを有している。前記表面および前記裏面のそれぞれは、前記回転軸の方向における曲率が正である凸面領域と前記回転軸の方向における曲率が負である凹面領域とを有している。前記凸面領域と前記凹面領域とが前記回転軸の方向に沿って連結されている。

本開示の遠心ファンは、例示的な実施形態において、モータと、前記モータに連結された遠心ファンインペラと、前記遠心ファンインペラを収容するケーシングとを備え、前記遠心ファンインペラは、上記の遠心ファンインペラである。

本開示の実施形態によれば、回転軸に平行な方向のサイズを維持したまま、ブレードの表面積を拡大することができ、それによって遠心ファンインペラの特性を向上させることが可能になる。

図１は、本開示の実施形態における遠心ファンインペラの斜視図である。 図２は、本開示の実施形態における遠心ファンインペラの一部を示す斜視図である。 図３は、本開示の実施形態における遠心ファンインペラの断面構成を示す模式図である。 図４は、本開示の実施形態における遠心ファンインペラの上面図である。 図５は、本開示の実施形態における背面プレート上にある代表的な１枚のブレードを模式的に示す斜視図である。 図６は、本開示の実施形態におけるブレードの形状をより詳細に説明するための模式的斜視図である。 図７は、ガウス曲率が正の曲面を示す斜視図である。 図８は、ガウス曲率が負の曲面を示す斜視図である。 図９は、凹面領域および凸面領域が回転軸の方向に沿って連結したブレードの表面を示す斜視図である。 図１０は、回転軸の方向の曲率かゼロである表面を有するブレードを示す斜視図である。 図１１は、１個の凹面領域を挟む２個の凸面領域を有しているブレードを示す斜視図である。 図１２は、「Ｓ字状ブレード」の他の例を示す斜視図である。 図１３は、本開示による遠心ファンの実施形態の構成例を模式的に示す図である。 図１４は、比較例および実施例のそれぞれにおける「出入口の圧力差」を示すグラフである。 図１５は、比較例および実施例のそれぞれにおける「軸出力」を示すグラフである。 図１６は、比較例および実施例のそれぞれにおける「効率」を示すグラフである。 図１７は、比較例および実施例のそれぞれにおける「音圧レベル」を示すグラフである。

以下、本開示による遠心ファンインペラの実施形態を説明する。以下の説明において、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

＜遠心ファンインペラ＞
まず、図１および図２を参照する。図１は、本実施形態における遠心ファンインペラ１００の斜視図である。図２は、遠心ファンインペラ１００の一部（半分）を示す斜視図である。「遠心ファンインペラ」は、多翼ファンまたはシロッコファンと称されることがある。本実施形態における遠心ファンインペラ１００は、図１に示されるように、回転軸（中心軸）１０を有しており、動作時において、不図示の電気モータなどによって回転軸１０の周りに回転する。回転軸１０は、回転するシャフトではなく、回転の中心に位置する仮想的な直線である。図２は、回転軸１０を含む平面によって遠心ファンインペラ１００を切断した構成を模式的に示している。

図１および図２には、参考のため、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸から構成されるＸＹＺ座標が示されている。図示されている例において、回転軸１０はＺ軸に平行であり、回転軸１０に直交する平面はＸＹ平面に平行である。図示されている回転軸１０の方向は、実際の使用時における遠心ファンインペラ１００の姿勢を何ら限定しない。なお、本開示において、「回転軸の方向」とは「回転軸に平行な方向」を意味する。「径方向」とは、「回転軸から、回転軸に対して垂直な方向に延びる半直線の方向」を意味する。「径方向」は、図示されているＸＹ平面に平行である。

本実施形態における遠心ファンインペラ１００は、リング１２と、背面プレート１４と、複数のファンブレード２０とを備えている。以下、簡単のため、ファンブレードを「ブレード」と称する。

リング１２は、内径、外径、および厚さによって規定されるリング形状を有している。内径は、円形の開口を規定している。リング１２は、典型的には、合成樹脂材料および／または金属材料から形成され得る。

背面プレート１４は、外径および厚さによって規定される概略的にディスク形状を有している。背面プレート１４は、平板である必要はなく、図１に示されるように、凸状に盛り上がった中央部を有していても良い。また、背面プレート１４の一部にリブまたは溝が形成されていてもよい。背面プレート１４も、典型的には、合成樹脂材料および／または金属材料から形成され得る。

複数のブレード２０は、リング１２と背面プレート１４との間において回転軸１０の周りに配列されている。典型例において、ブレード２０の配置は、回転軸１０に関して軸対称である。本実施形態において、個々のブレード２０は同一の形状およびサイズを有しており、回転軸１０に関する個々のブレード２０の姿勢は、すべてのブレード２０の間で共通している。回転軸１０から各ブレート２０までの距離も同一である。しかし、回転軸１０に関して軸対称であれば、個々のブレード２０が同一の形状を有している必要はない。図１に示されている例において、ブレード２０の個数は１９個であるが、ブレード２０の個数は、この例に限定されない。ブレード２０は、典型的には、合成樹脂材料、金属材料、木材、または複合材料から形成され得る。複合材料の例は、繊維強化プラスチック（たとえばＦＲＰ、ＣＦＲＰ）などの強化樹脂を含む。

次に、図３および図４を参照する。図３は、遠心ファンインペラ１００の断面構成例を示す模式図である。図４は、遠心ファンインペラ１００の上面を示す模式図である。

図３に示されるように、各ブレード２０は、径方向内側に位置する前縁２１と、径方向外側に位置する後縁２２と、リング１２に連結された第１端部２３と、背面プレート１４に連結された第２端部２４とを有している。「径方向内側」および「径方向外側」は、それぞれ、「回転軸１０に近い側」および「回転軸１０から遠い側」である。各ブレード２０は、前縁２１、後縁２２、第１端部２３、および第２端部２４によって区画される表面２５および裏面２６を有している。本開示において、各ブレード２０の表面２５は、遠心ファンインペラ１００が回転しているときに加圧側に位置する面（surface）である。各ブレード２０の裏面２６は、遠心ファンインペラ１００が回転しているときに減圧側に位置する面である。表面２５および裏面２６を、それぞれ、第１の面２５および第２の面２６と呼んでも良い。

図３において、回転軸１０の左側に位置しているブレード２０は、回転によって、図の奥から手前に移動し、図の手前側に加圧面として機能する表面２５を有している。一方、回転軸１０の右側に位置しているブレード２０は、回転により、図の手前から奥に移動し、手前側に減圧面として機能する裏面２６を有している。

図３には、４個の白抜きの矢印によって気流の向きが模式的に示されている。リング１２の開口が気流の入り口（インレット）として機能する。インレットから内部に取り込まれた空気または他のガスは、インペラ１００の回転により、径方向外側に流れてインペラ１００から外側に吹きだされる。

図４に示されるように、本実施形態のブレード２０は、後退翼である。後退翼は、回転の方向において、前縁２１よりも後縁２２が後方に位置している。これとは逆に、前進翼は、回転の方向において、前縁２１よりも後縁２２が前方に位置している。直線翼は、前縁２１および後縁２２が同一の径方向直線上に位置している。

各ブレード２０の前縁２１から後縁２２までの長さは「翼弦長」と呼ばれる。ブレード２０の回転軸１０の方向におけるサイズ、および、翼弦長さは、遠心ファンインペラが配置される空間の大きさに応じて適宜に決定され得る。

次に、図５および図６を参照する。図５は、本実施形態における背面プレート１４の結合された代表的な１枚のブレード２０のみを模式的に示す斜視図である。図６は、ブレード２０の形状をより詳細に説明するための模式的斜視図である。

図６に示されるように、ブレード２０における表面２５は、回転軸１０の方向における曲率が正である凸面領域３０と、回転軸１０の方向における曲率が負である凹面領域３２とを有している。凸面領域３０と凹面領域３２とは、回転軸１０の方向に沿って滑らかに連結されている。本開示において、回転軸の方向における「曲率が正である」とは、観察対象の面に観察者が正対したとき、この面上において回転軸の方向に沿う曲線の曲率中心の位置が観察者から視てその面よりも奥に位置することを意味する。また、回転軸の方向における「曲率が負である」とは、観察対象の面に観察者が正対したとき、この面上において回転軸の方向に沿う曲線の曲率中心の位置が観察者から視てその面よりも手前に位置することを意味する。

ブレード２０の裏面２６も、表面２５と同様に、回転軸１０の方向における曲率が正である凸面領域３０と、回転軸１０の方向における曲率が負である凹面領域３２とを有している。ただし、裏面２６の凸面領域３０は、表面２５の凹面領域３２の裏側に位置している。また、裏面２６の凹面領域３２は、表面２５の凸面領域３０の裏側に位置している。本実施形態では、表面２５における凸面領域３０と裏面２６における凹面領域３２とが略平行な関係でブレード２０の上半分を構成し、表面２５における凹面領域３２と裏面２６における凸面領域３０とが略平行な関係でブレード２０の下半分を構成している。

本実施形態におけるブレード２０は、前述したように、径方向に平面状に延びる直線翼ではなく、後退翼である。このため、ブレード２０の表面２５および裏面２６は、それぞれ、径方向における曲率がゼロではない値を有している。なお、本開示におけるファンブレードは、後退翼に限定されず、前進翼であってもよい。あるいは、後述する図１０に示すような直線翼であっても良い。本発明者の実験によると、後退翼であるときに最も優れた空力特性および騒音特性を発揮する。

図７は、ガウス曲率が正の曲面３００を示す斜視図であり、図８は、ガウス曲率が負の曲面３２０を示す斜視図である。ガウス曲率は、各点における曲率の最大値と曲率の最小値との積で表される。凸面領域上の各点におけるガウス曲率は、概略的に正であればよく、ガウス曲率が正ではない点または領域が一部に含まれていても良い。同様に、凹面領域上の各点におけるガウス曲率は、概略的に負であればよく、ガウス曲率が負ではない点または領域が一部に含まれていても良い。典型例において、ガウス曲率が正の領域が凸面領域に占める割合、および、ガウス曲率が負の領域が凹面領域に占める割合は、いずれも８０％以上である。

曲面３００が規定する凸面領域および曲面３２０が規定する凹面領域を回転軸１０の方向に連結することにより、回転軸１０の方向に沿ってＳ字状にカーブするブレードが実現される。連結の順序を変えることにより、種々の変形例を実現することができる。

図９は、凹面領域３２および凸面領域３０が回転軸１０の方向に沿って連結したブレード２０の表面２５の他の例を示している。図９のブレード２０における凹面領域３２および凸面領域３０の上下配置は、図６のブレード２０における凹面領域３２および凸面領域３０の上下配置を反転した関係にある。

図１０は、参考のために、回転軸１０の方向の曲率がゼロである表面２５を有するブレード２０Ｃを示している。ここで、回転軸１０の方向におけるブレード２０Ｃの高さが図９のブレード２０の高さに等しいとする。このとき、ブレード２０の回転軸１０の方向における曲率が０ではないため、ブレード２０の表面積はブレード２０Ｃの表面積よりも拡大する。

本開示の実施形態におけるブレード２０（例えば図９参照）の表面２５および裏面２６が示すガウス曲率は、回転軸１０の方向におけるサイズが同一の比較例（図１０のブレード２０Ｃ）における表面積の１．０１倍以上、好ましくは１．１倍以上の表面積を有するように決定される。

図１１は、１個の凹面領域３２を挟む２個の凸面領域３０を有しているブレード２０を示している。これらの凸面領域３０および凹面領域３２が回転軸１０の方向に沿って交互に配列されている。このブレード２０も、回転軸１０の方向に沿ってＳ字状にカーブする部分を有している。本開示において、Ｓ字状にカーブする部分は、ブレード２０の前縁２１から後縁２２に拡がっている。本願では、このように回転軸１０の方向に沿ってＳ字状にカーブする部分が前縁２１から後縁２２に拡がっているブレードを「Ｓ字状ブレード」と称する。図１１の例では、ブレード２０の表面２５および裏面２６のそれぞれが有する凸面領域３０の個数および凹面領域３２の個数のうち一方が複数である。本開示の実施形態は、この例に限定されない。ブレード２０の表面２５および裏面２６のそれぞれが有する凸面領域３０の個数および凹面領域３２の個数のうちの少なくとも一方が複数であってもよい。

図１２は、「Ｓ字状ブレード」の他の例を示す。図１２のブレード２０Ｆは、直線翼型のＳ字状ブレードである。回転軸１０に直交する平面に平行な方向において、ブレード２０Ｆの表面の曲率は０である。このため、ブレード２０Ｆのガウス曲率は０である。しかし、ブレード２０Ｆも回転軸１０の方向に沿ってＳ字状にカーブする部分を前縁２１から後縁２２にわたって有している。従って、凸面領域３０のガウス曲率および凹面領域３２のガウス曲率が、いずれもゼロであるブレード２０Ｆも、広義の「Ｓ字状ブレード」に含まれる。

図１２の例において、ブレード２０Ｆを回転軸１０に直交する平面で切り取った切断面は、切断面の位置によらず、同一の方向に直線的に延びている。しかし、第１端部２３の近傍における切断面が延びる方向と、第２端部２４の近傍における切断面が延びる方向とが一致している必要はなく、これらがツイストしいてもよい。このようなツイストは、図６、図９、および図１１に示されるブレード２０が有していてもよい。

＜遠心ファン＞
図１３は、本開示による遠心ファンの実施形態の構成例を模式的に示す図である。

本実施形態における遠心ファン１０００は、前述したインペラ１００と、インペラ１００を収容するケーシング２００と、インペラ１００を回転させるモータ３００とを備えている。モータ３００の構成は特に限定されず、種々の構造を備えることができる。

図１３における一点鎖線の矢印は、インペラ１００の回転方向を示している。インペラ１００から外側に出た空気または他のガスは、ケーシング２００の出口２２０から吐き出される。ケーシング２００の出口は、不図示のダクトなどに接続され得る。

図１４から図１７は、本実施形態における遠心ファンの実施例と比較例とについて得られた数値流体力学のシミュレーション結果を示すグラフである。実施例は、図１に示される遠心ファンインペラを備える遠心ファンである。これに対し、比較例は、回転軸の方向における曲率がゼロであるブレード（図１０参照）を備える遠心ファンインペラを備える遠心ファンである。より具体的なパラメータは以下の通りである。
リングの外径、内径、厚さ ＝ ２８０ｍｍ、１２５ｍｍ、２ｍｍ
ブレードの回転軸方向の長さ、翼弦長、厚さ ＝ １００ｍｍ、７２ｍｍ、２ｍｍ
ブレードの枚数 ＝ １９枚
回転速度 ＝ １３８０ｒｐｍ
動作流体 ＝ 空気

なお、ファン１枚あたりの表面積（片面）は、 実施例で１３７４８ｍｍ²、比較例で１３５３０ｍｍ²である。

図１４は、比較例および実施例のそれぞれにおける「出入口の圧力差」を示すグラフである。出入口の圧力差は、図１３の出口２２０における圧力から、リング１２の開口中央部における圧力を差し引いた値である。圧力差の単位はパスカル（Ｐａ）である。図１４から明らかなように、実施例によれば出入口の圧力差が増大する。

図１５は、比較例および実施例のそれぞれにおける「軸出力」を示すグラフである。軸出力は、ガスの体積流量が０．１６７［ｍ³／ｓ］のときのモータ出力（消費電力）である。単位はワット（Ｗ）である。図１５から明らかなように、実施例によれば、同一の体積流量を実現するために必要な消費電力を低減することができる。

図１６は、比較例および実施例のそれぞれにおける「効率」を示すグラフである。効率は、「軸出力を流体エネルギーに変換する割合」である。単位はパーセント（％）である。図１６から明らかなように、実施例によれば効率が増加する。

図１７は、比較例および実施例のそれぞれにおける「音圧レベル」を示すグラフである。音圧レベルは、基準圧力Ｐ０を２０×１０^-6、騒音のピーク圧力をＰとするとき、２０×ｌｏｇ₁₀ （Ｐ／Ｐ０）によって示される。単位はデシベル（ｄＢ）である。図１７から明らかなように、実施例によれば、同じ動作条件では騒音が小さくなる。

このように本開示の遠心ファンの実施形態によれば、同一の動作条件において、非Ｓ字カーブのブレードを持つ遠心ファンに比べて出入口の圧力差を拡大すること、軸出力を低下すること、効率を高めること、および騒音を低減することの少なくとも１つを達成することが可能である。

本開示の遠心ファンインペラは、各種の遠心ファンに好適に用いられ得る。また、本開示によれば、空力特性および／または騒音特性に優れた遠心ファンが提供され得る。

１０ 回転軸（axis of rotation）
１２ リング
１４ 背面プレート
２０ ファンブレード
２１ ブレードの前縁
２２ ブレードの後縁
２３ ブレードの第１端部
２４ ブレードの第２端部
２５ ブレードの表面
２６ ブレードの裏面
１００ 遠心ファンインペラ
２００ ケーシング
３００ モータ
１０００ 遠心ファン

Claims (6)

1. 回転軸を有する遠心ファンインペラであって、
   リングと、
   背面プレートと、
   前記リングと前記背面プレートとの間において前記回転軸の周りに配列された複数のファンブレードと、
   を備え、
   前記複数のファンブレードのそれぞれは、
   径方向内側の前縁と、
   径方向外側の後縁と、
   前記リングに連結された第１端部と、
   前記背面プレートに連結された第２端部と、
   それぞれが、前記前縁、前記後縁、前記第１端部、および前記第２端部によって区画される表面および裏面と、
   を有しており、
   前記表面および前記裏面のそれぞれは、前記回転軸の方向における曲率が正である凸面領域と前記回転軸の方向における曲率が負である凹面領域とを有しており、前記凸面領域と前記凹面領域とが前記回転軸の方向に沿って連結されている、遠心ファンインペラ。
2. 前記複数のファンブレードは、前進翼または後退翼である、請求項１に記載の遠心ファンインペラ。
3. 前記凸面領域のガウス曲率は正であり、前記凹面領域のガウス曲率は負である、請求項１または２に記載の遠心ファンインペラ。
4. 前記凸面領域のガウス曲率および前記凹面領域のガウス曲率は、いずれもゼロである、請求項１に記載の遠心ファンインペラ。
5. 前記表面および前記裏面のそれぞれが有する前記凸面領域の個数および前記凹面領域の個数の少なくとも一方は複数であり、前記凸面領域および前記凹面領域が前記回転軸の方向に沿って交互に配列されている、請求項１から４のいずれか記載の遠心ファンインペラ。
6. モータと、
   前記モータに連結された遠心ファンインペラと、
   前記遠心ファンインペラを収容するケーシングと、
   を備え、
   前記遠心ファンインペラは、請求項１から５のいずれかに記載の遠心ファンインペラである、遠心ファン。

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