(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心として複数の羽根が周設された羽根車を有する軸流ファンにおいて、
前記回転軸を中心とする円筒面で前記羽根を切断したときの断面における中心そり線の形状を、羽根前縁部側に設けられ羽根面への気体の無衝突流入方向と略同方向となる直線部と、羽根後縁部側に設けられ羽根面からの気体の流出方向と前記直線部とを連続させる曲線部とを備えた形状としたことを特徴とする軸流ファン。
【請求項２】
請求項１に記載の軸流ファンであって、
前記曲線部は、前記流出方向と略同方向となる流出方向線と前記直線部の双方に接する曲率一定の円弧であることを特徴とする軸流ファン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、換気扇やエアコン等に用いられる軸流ファンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、軸流ファンは、回転軸と羽根車とを備えており、羽根車は、回転軸に軸支されるボス部と、回転軸を中心とした周方向にずれてボス部に設けられた複数の羽根とを有している。
【０００３】
軸流ファンの騒音を低減する従来の構造としては、図８に示すように、各羽根１の前面形状を回転方向Ｓに張り出したような形状とするいわゆる前進角を設けたもの（特公昭５０−３９２４１号公報）や、図９に示すように、羽根１全体を回転軸３に対して直角よりも吸込み側に傾斜させたいわゆる前傾角δｚを設けたもの（特開昭５３−１１６５１２号公報参照）や、前進角と前傾角の双方を設けたものなどが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、理論的には、羽根１の数が無限大と想定した場合に、羽根面へ気体が流入する際の抵抗が最も小さい状態、すなわち羽根前端部の接線方向が羽根面への気体の無衝突流入方向と一致しているときに損失の無い理想的な流れが形成されることが知られており、係る理想的な流れが形成されることが騒音の低減にとっても好ましい状態であるといえる。
【０００５】
ところが、従来の一般的な羽根１は、回転軸３を中心とする円筒面で羽根を切断したときの断面形状が円弧となるいわゆる円弧翼であり、以下に述べる設計上の理由から、羽根前端部の接線方向を無衝突流入方向と一致させることは困難であった。
【０００６】
すなわち、円弧翼の一般的な設計では、まず、風量、静圧、羽根外径、羽根枚数、及び羽根回転数という設計条件をファン性能に合せて設定し、２次元翼理論に基づいて静圧上昇に見合う揚力係数ＣL を求め、係る揚力係数ＣL から迎え角及び曲率半径及び弦長を一意的に決定するという手法を用いており、羽根前端部の接線方向はその設定因子とされていないため、羽根前端部の接線方向が無衝突流入方向と一致するように設計することは極めて困難となる。
【０００７】
従って、いわゆる円弧翼を使用した従来の軸流ファンでは、損失の無い理想的な流れから大きく外れた流れが形成されてしまうことが否めず、ファン性能の向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることは難しかった。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ファン性能の向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることができる軸流ファンを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、回転軸を中心として複数の羽根が周設された羽根車を有する軸流ファンにおいて、前記回転軸を中心とする円筒面で前記羽根を切断したときの断面における中心そり線の形状を、羽根前縁部側に設けられ羽根面への気体の無衝突流入方向と略同方向となる直線部と、羽根後縁部側に設けられ羽根面からの気体の流出方向と前記直線部とを連続させる曲線部とを備えた形状としたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、羽根を設計する場合、風量、静圧、羽根外径、羽根内径、羽根枚数、及び羽根回転数という設計条件をファン性能に合せて設定し、係る設計条件から、無衝突流入方向（入口角度）と流出方向（出口角度）とを求め、回転軸を中心とする円筒面で羽根を切断したときの断面における中心そり線の形状を、無衝突流入方向と略同方向となる羽根前縁部側の直線部と、流出方向と直線部とを連続させる曲線部とを備えた形状とする。この場合、切断する円筒面の半径（回転軸からの距離）は、羽根内径から羽根外径まで変化させる。
【００１１】
従って、回転軸からの半径方向のほぼ全域において、羽根前端部の接線方向が無衝突流入方向とほぼ一致し、羽根前端部から流入した気体が直線部に沿って流れて曲線部に案内されるので、損失の無い理想的な流れに近い流れとすることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸流ファンであって、前記曲線部は、前記流出方向と略同方向となる流出方向線と前記直線部の双方に接する曲率一定の円弧であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、羽根の設計は、曲線部を、流出方向と略同方向の流出方向線と直線部との双方に接する曲率一定の円弧とした点を除き、請求項１に記載の発明と同様に行うので、請求項１に記載の発明と同様に、損失の無い理想的な流れに近い流れとすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態に係る軸流ファンの前面形状を示す全体正面図、図２は図１の羽根の前面形状を示す拡大図、図３〜図５は図２の羽根を回転軸を中心とする円筒面で切断したときの断面（同径断面）における中心そり線の形状を示す断面図であり、図３は羽根内径（半径Ｒ1 ）の円筒面における中心そり線、図４は半径Ｒ2 （Ｒ1 ＜Ｒ2 ＜Ｒ3 ）の円筒面における中心そり線、図５は羽根外径（半径Ｒ3 ）の円筒面における中心そり線である。また、図６は羽根の設計で用いる速度三角形であり、図７は図１の軸流ファンの側断面図である。ここで、前面形状とは、回転軸と直交する平面へ投影したときの軸流ファンや羽根の形状をいう。
【００１６】
図１に示すように、この軸流ファン１１は、図示外のモータによって駆動される回転軸１３と、回転軸１３に伴って回転する羽根車１５とを備えている。羽根車１５は、回転軸１３に支持されるボス部１７と、ボス部１７の外周面から回転軸１３の径方向に突設された３箇所の羽根取付部１９と、各羽根取付部１９に取り付けられた３枚の羽根２１とを有し、羽根取付部１９及び羽根２１は、回転軸１３を中心とした周方向にほぼ等間隔にずれて設けられている。
【００１７】
羽根２１は、三次元的に変化する薄肉板体であり、回転軸１３を中心とする円筒面で切断したときの断面（同径断面）における中心そり線が、図３〜図５に示すように、羽根前端部２１ａ側に設けられた直線部Ａと、羽根後端部２１ｂ側に設けられた曲線部Ｂとを備えた形状に形成されている。直線部Ａは、羽根２１の表面への気体の無衝突流入方向としての入口角度βｉ（βi1，βi2，βi3）と略同方向に設定され、曲線部Ｂは、羽根２１の表面からの気体の流出方向としての出口角度βｏ（βo1，βo2，βo3）と直線部Ａとが連続するように、出口角度βｏと直線部Ａとに接する曲率一定の円弧に設定されている。ここで、入口角度βｉ及び出口角度βｏは、共に水平面との間に形成される角度で示してある。なお、本実施の形態では羽根２１を薄肉板状としたが、他の翼形状に適用することもでき、薄肉板状の羽根２１では同径断面における中心そり線が断面形状とほぼ一致するが、他の翼形状に適用した場合には必ずしも一致しない。
【００１８】
また、この羽根２１は、いわゆる前進角δθ と前傾角δz とを有している。
【００１９】
前進角δθ とは、次式（１）で表される角度をいう（図２参照）。
【００２０】
【数１】
0003707568.tif 000002
式（１）中において、δθtは、回転軸１３と羽根内径（半径Ｒ1 ）における翼弦線中心点Ｐb （ｅ）とを通る基準線ｘと、羽根外径（半径Ｒ3 ）における翼弦線中心点Ｐt とを通る直線とのなす角度、Ｒは任意の半径、Ｒ1 は羽根内径（半径）、Ｒ3 は羽根外径（半径）であり、前進角δθ は、回転軸１３と任意半径Ｒにおける翼弦線中心点ＰR とを通る直線と、基準線ｘとのなす角度となる。すなわち、前進角δθ を与えることにより、羽根２１の前面形状は、外径側ほど回転軸１３の回転方向Ｓに大きく張り出した形状となる。
【００２１】
また、前傾角δz とは、次式（２）で表される角度をいう（図７参照）。
【００２２】
【数２】
0003707568.tif 000003
式（２）中において、Ｌｓは、羽根内径（半径Ｒ1 ）における翼弦線中心点Ｑb を通り回転軸１３と直交する平面Ｓc と、任意半径Ｒにおける翼弦線中心点ＱR との距離である。すなわち、前傾角δz を与えることにより、羽根２１全体が回転軸１３に対して直角よりも吸込み側に傾斜した状態となる。なお、図７中Ｑt は、羽根外径（半径Ｒ3 ）における翼弦線中心点を示している。
【００２３】
羽根２１の設計は、風量Ｑ、静圧Ｐｓ、羽根外径（直径）Ｄｏ、羽根内径（直径）Ｄｉ、羽根枚数Ｚ、及び羽根回転数ｎを設定し、前記前進角δθ 及び前傾角δz を定めて羽根２１の前面形状及び回転軸１３を含む断面形状を決定し、さらに、同径断面における中心そり線の形状を決定することにより行う。
【００２４】
同径断面における中心そり線の形状は、直線部Ａの方向となる入口角度βｉと、曲線部Ｂの羽根後端部２１ｂの接線方向となる出口角度βｏと、翼弦長とによって一意的に定められる。ここで、翼弦長は前面形状によって一意的に定まるので、入口角度βｉと出口角度βｏとを求めれば、同径断面における中心そり線の形状が幾何学的に決定できることになる。
【００２５】
図６に示すように、入口角度βｉは気体の平均軸流速度Ｃｍと流入速度ｗ1 とが形成する速度三角形に、出口角度βｏは気体の平均軸流速度Ｃｍと流出速度ｗ2 とが形成する速度三角形にそれぞれ図解され、入口角度βｉは次式（３）に、出口角度βｏは次式（４）によってそれぞれ求められる。
【００２６】
【数３】
0003707568.tif 000004
式（３），（４）中において、Ｃｍは次式（５）によって求められる平均軸流速度、ｕは羽根回転数ｎと半径Ｒとによって求められる任意半径Ｒでの回転速度、ΔＣｕは次式（６）〜（８）によって求められる速度減少量である。
【００２７】
【数４】
0003707568.tif 000005
式（５）〜（８）中において、Ｑは風量、Ｄｏは羽根外径（直径）、Ｄｉは羽根内径（直径）、Ｇは重力加速度、ｕは半径Ｒでの回転速度、ηｔは羽根の効率、Ｐｔは静圧Ｐｓ＋動圧Ｐｄで求められる全圧、γは空気比重、ｖは通過風速、Ａは通気部分の断面積（吹出穴部の断面積）である。
【００２８】
ここで、式（３），（４）において、平均軸流速度Ｃｍは一定の値となるが、回転速度ｕと速度減少量ΔＣｕとは半径Ｒ（回転軸１３からの距離）によって変化するため、入口角度βｉ及び出口角度βｏは、共に半径Ｒによって異なってくる。
【００２９】
例えば、設計条件を、風量Ｑ＝０．４ｍ3 ／sec （２４ｍ3 ／min ）、静圧Ｐｓ＝３mmＡｑ、羽根外径Ｄｏ＝０．３ｍ（半径Ｒ3 ＝１５０mm）、羽根内径Ｄｉ＝０．１２ｍ（半径Ｒ1 ＝６０mm）、羽根回転数ｎ＝１４５０ｒ／ｍ、空気比重γ＝１．２kg／ｍ3 とし、前進角δθ を内径側から外径側にほぼ３０°〜４０°の範囲で増加させ、前傾角δz を内径側から外径側にほぼ６．７°〜８．４°の範囲で増加させた場合、羽根内径（半径Ｒ1 ＝６０mm）では、図３に示すように、入口角度βi1＝２４°、出口角度βo1＝４８°、曲線部Ｂの曲率半径Ｒａ＝１８３mmとなり、半径Ｒ2 ＝９０mmでは、図４に示すように、入口角度βi2＝２１°、出口角度βo2＝４５°、曲線部Ｂの曲率半径Ｒｂ＝２７５mmとなり、羽根外径  （半径Ｒ3 ＝１５０mm）では、図５に示すように、入口角度βi3＝１４°、出口角度βo3＝３４°、曲線部Ｂの曲率半径Ｒｃ＝４３５mmとなる。なお、図３中のａ〜ｉは、図２中のａ〜ｉに対応する点の位置を示している。また、図３〜図５中のα1 ，α2 ，α3 は、それぞれの同径断面における翼弦と水平面とのなす角度（抑え角）を示し、α1 ＝３２°，α2 ＝２９°，α3 ＝２０°となる。
【００３０】
このように、本実施の形態では、容易な設計手法によって三次元的な羽根２１を設計することができるので、設計の効率化を図ることができる。
【００３１】
次に、従来の軸流ファンとの比較において、本実施の形態の作用及び効果を説明する。
【００３２】
騒音についての比較対象とする従来の軸流ファンとしては、特に図示しないが、同径断面における羽根形状が円弧となるいわゆる円弧翼で、前進角δθ が４０°〜５０°の範囲に、前傾角δz が１２．５°〜３２．５°の範囲にそれぞれ設定されたものを用いる。この従来の軸流ファンは、いわゆる円弧翼であるため、羽根前端部の接線方向は無衝突流入方向とは一致していない。一方、本実施の形態に係る軸流ファン１１は、前記設計条件で設計したものである。
【００３３】
騒音についての測定結果は、以下の通りである。
【００３４】
従来の軸流ファンでは、風量Ｑ＝０．４４ｍ3 ／sec （２６．５ｍ3 ／min ）、静圧Ｐｓ＝０mmＡｑの運転条件において、騒音レベルが４０．７ｄＢ（Ａ）と測定された。
【００３５】
一方、本実施の形態に係る軸流ファン１１では、風量Ｑ＝０．５ｍ3 ／sec   （３０．０ｍ3 ／min ）、静圧Ｐｓ＝０mmＡｑの運転条件において、騒音レベルが４１．７ｄＢ（Ａ）と測定された。
【００３６】
ここで、従来と本実施の形態とでは、運転条件が相違するため、両者の騒音レベルを単純に比較しても、その優劣を判断することができない。従って、次式  （９）に従って比騒音を求めてこれを比較する必要がある。
【００３７】
【数５】
0003707568.tif 000006
式（９）中において、Ｑは風量、Ｐｔは全圧であり、全圧Ｐｔは次式（１０）に従って求められる。なお、式（１０）中において、Ｐｓは静圧、Ｐｄは動圧、ｖは通過風速、Ａは通気部分の断面積（吹出穴部の断面積）である。
【００３８】
【数６】
0003707568.tif 000007
以下、前式（９），（１０）に従って比騒音を求める。
【００３９】
従来の場合、Ｐｓ＝０mmＡｑ、Ｑ＝０．４４ｍ3 ／sec 、Ａ＝π／４×（０．３０６ｍ）2 を式（１０）に代入すると、Ｐｔ＝２．２０mmＡｑとなり、このＰｔ及び前記Ｑと騒音レベル＝４０．７ｄＢ（Ａ）を式（９）に代入すると、比騒音＝１９．６ｄＢ（Ａ）となる。
【００４０】
一方、本実施の形態の場合、Ｐｓ＝０mmＡｑ、Ｑ＝０．５ｍ3 ／sec 、Ａ＝π／４×（０．３０６ｍ）2 を式（１０）に代入すると、Ｐｔ＝２．８３mmＡｑとなり、このＰｔ及び前記Ｑと騒音レベル＝４１．７ｄＢ（Ａ）を式（９）に代入すると、比騒音＝１７．９ｄＢ（Ａ）となる。
【００４１】
なお、従来及び本実施の形態において、Ａを求める際に使用した０．３０６ｍは、断面円筒状の吹出穴部の直径である。
【００４２】
係る結果より、本実施の形態に係る軸流ファン２１の方が、同一の静圧Ｐｓ＝０mmＡｑで風量Ｑが多いにもかかわらず、比騒音が小さく抑えられていることが分かる。これは、両者の羽根２１の同径断面における中心そり線の形状の相違から、本実施の形態の方が、従来よりも損失の無い理想的な流れに近い流れが形成されていることに起因した結果といえる。
【００４３】
すなわち、本実施の形態によれば、同径断面における中心そり線を、羽根前端部２１ａ側に設けられた直線部Ａと、羽根後端部２１ｂ側に設けられた曲線部Ｂとを備えた形状としたので、回転軸１３からの半径方向のほぼ全域において、羽根前端部２１ａの接線方向が無衝突流入方向とほぼ一致し、羽根前端部２１ａから流入した気体が直線部Ａに沿って流れて曲線部Ｂに案内される。このため、吸込み側から吹出し側へ損失の無い理想的な流れに近い流れを形成することができ、ファン性能の向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることができる。
【００４４】
また、羽根２１の設計において、容易な設計手法によって三次元的な羽根２１を設計することができるので、設計の効率化を図ることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は請求項２に記載の発明によれば、回転軸からの半径方向のほぼ全域において、羽根前端部の接線方向が無衝突流入方向とほぼ一致し、羽根前端部から流入した気体が直線部に沿って流れて曲線部に案内されるので、損失の無い理想的な流れに近い流れとすることができ、ファン性能の向上と騒音の十分な低減とを両立して図ることができる。また、容易な設計手法によって三次元的な羽根を設計することができるので、設計の効率化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る軸流ファンの前面形状を示す全体正面図である。
【図２】図１の羽根の前面形状を示す拡大図である。
【図３】図２の羽根の羽根内径（半径Ｒ1 ）における同径断面の中心そり線の形状を示す断面図である。
【図４】図２の羽根の半径Ｒ2 （Ｒ1 ＜Ｒ2 ＜Ｒ3 ）における同径断面の中心そり線の形状を示す断面図である。
【図５】図２の羽根の羽根外径（半径Ｒ3 ）における同径断面の中心そり線の形状を示す断面図である。
【図６】羽根の設計で用いる速度三角形である。
【図７】図１の軸流ファンの側断面図である。
【図８】従来例の前面形状の拡大図である。
【図９】他の従来例の側面図である。
【符号の説明】
１１  軸流ファン
１３  回転軸
２１  羽根
２１ａ  羽根前端部
２１ｂ  羽根後端部
Ａ  直線部
Ｂ  曲線部
βｉ  入口角度（気体の無衝突流入方向）
βｏ  出口角度（気体の流出方向）
【図１】
0003707568.tif 000008
【図２】
0003707568.tif 000009
【図３】
0003707568.tif 000010
【図４】
0003707568.tif 000011
【図５】
0003707568.tif 000012
【図６】
0003707568.tif 000013
【図７】
0003707568.tif 000014
【図８】
0003707568.tif 000015
【図９】
0003707568.tif 000016