(57)【要約】【課題】遠心ファンの動作点における軸出力および効率を向上させる。【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、後退翼である。回転軸１０からブレード２０の後縁２２までの距離Ｒは、背面プレート１４からの高さｈの関数であるＲ（ｈ）によって表現される。背面プレート１４からのブレード２０の高さをＨ、ブレード２０の第１端部２３の位置におけるＲ（ｈ）の大きさをＲ（Ｈ）、ブレード２０の第２端部２４の位置におけるＲ（０）の大きさをＲ（Ｈ）とするとき、|Ｒ（Ｈ）−Ｒ（０）|／Ｈは、０．１以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記複数のファンブレードは、後退翼であり、
前記回転軸から前記ファンブレードの前記後縁までの距離Ｒは、前記背面プレートからの高さｈの関数であるＲ（ｈ）によって表現され、
前記背面プレートからの前記ファンブレードの高さをＨ、
前記ファンブレードの前記第１端部の位置におけるＲ（ｈ）の大きさをＲ（Ｈ）、
前記ファンブレードの前記第２端部の位置におけるＲ（ｈ）の大きさをＲ（０）とするとき、
|Ｒ（Ｈ）−Ｒ（０）|／Ｈは、０．１以上である、遠心ファンインペラ。
【請求項２】
前記ファンブレードの前記第１端部における翼弦長をＣ１、
前記ファンブレードの前記第２端部における翼弦長をＣ２、
前記回転軸の方向における前記ファンブレードの長さをＨとするとき、
Ｃ１／ＨおよびＣ２／Ｈは、それぞれ、０．１以上０．９以下である、請求項１に記載の遠心ファンインペラ。
【請求項３】
前記ファンブレードの前縁と後縁とによって規定される翼弦の方向が、径方向を基準として５度以上７０度以下の角度だけ後退している、請求項１または２に記載の遠心ファンインペラ。
【請求項４】
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３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４９４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示の実施形態は、動作点における軸出力および効率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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。前記複数のファンブレードは、後退翼であり、前記回転軸から前記ファンブレードの前記後縁までの距離Ｒは、前記背面プレートからの高さｈの関数であるＲ（ｈ）によって表現される。前記背面プレートからの前記ファンブレードの高さをＨ、前記ファンブレードの前記第１端部の位置におけるＲ（ｈ）の大きさをＲ（Ｈ）、前記ファンブレードの前記第２端部の位置におけるＲ（ｈ）の大きさをＲ（０）とするとき、|Ｒ（Ｈ）−Ｒ（０）|／Ｈは、０．１以上である。
【０００７】
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、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る。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。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の実施形態によれば、遠心ファンインペラの動作点における軸出力および効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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】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側面図である。
【図３】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】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】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】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図である。
【図７】図７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８】図８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９】図９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１０】図１０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１１】図１１は、比較例における代表的なブレードを示す斜視図である。
【図１２】図１２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Ｓ字状ブレードを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
＜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の側面図である。「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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、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。
【００１６】
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から各ブレード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３６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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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に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図である。
【００２４】
図５および図６に示されるように、本実施形態におけるブレード２０の第１端部２３の位置は、第２端部２４の位置よりも、径方向外側にシフトしている。言い換えると、回転軸１０からブレード２０の第１端部２３の中央までの距離は、回転軸１０からブレード２０の第２端部２４の中央までの距離よりも長い。
【００２５】
図示されている例において、ブレード２０の前縁２１および後縁２２は、回転軸１０の方向に平行ではなく、回転軸１０に対して傾斜している。図６に示すように、ブレード２０の前縁２１と回転軸１０の方向との間の角度をθＬ、ブレード２０の後縁２２と回転軸１０の方向との間の角度をθＴとするとき、本実施形態におけるθＬは、例えば１°以上４５°以下であり、θＴは、例えば１°以上４５°以下である。θＬとθＴとは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。
【００２６】
回転軸１０からブレード２０の後縁２２までの距離をＲとすると、距離Ｒは、背面プレート１４からの高さｈに応じて変化している。この距離Ｒを高さｈの関数であるＲ（ｈ）によって表現することができる。本実施形態におけるＲ（ｈ）は、ブレード２０の第１端部２３の位置（ｈ＝Ｈ）で最も大きな値を示し、ブレード２０の第２端部２４の位置（ｈ＝０）で最も小さい値を示している。この場合のＲ（ｈ）の典型例は、単調増加関数であるが、後縁２２に凹凸が形成されている場合、Ｒ（ｈ）は複雑な関数である。本実施形態におけるＲ（ｈ）は、長さの単位をミリメートル（ｍｍ）とするとき、ａ×ｈ＋ｂ ［ｍｍ］で近似的に表現され得る。なお、本開示において最も重要な点は、ブレード２０が後退翼を構成する曲面を持ちながら、第１端部２３の位置が第２端部２４の位置よりも径方向にシフトしていることにある。このため、Ｒ（ｈ）の関数形は、上記の例に限定されない。
【００２７】
本開示の遠心ファンインペラ１００は、上記の例に限定されない。Ｒ（ｈ）がｈの増加に伴って減少する関数であってもよい。本開示において、Ｒ（ｈ）が増加関数である遠心ファンインペラ１００は「正勾配」を有し、Ｒ（ｈ）が減少関数である遠心ファンインペラ１００は「逆勾配」を有していると定義する。
【００２８】
ブレード２０の第１端部２３における翼弦長をＣ１、ブレード２０の第２端部２４における翼弦長をＣ２、回転軸１０の方向におけるブレード２０の長さ（高さ）をＨとするとき、Ｃ１／ＨおよびＣ２／Ｈは、それぞれ、例えば０．１以上０．９以下である。本開示の実施形態では、ブレード２０の高さＨに対する翼弦長の比率が相対的に小さいと、ブレード周りの流れの剥離による性能低下を防ぐというという効果が得られる。なお、Ｃ１とＣ２とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。ブレード２０の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００２９】
本実施形態におけるブレード２０は、径方向に平面状に延びる直線翼ではなく、後退翼である。本発明者のシミュレーションの結果によると、後退翼を用い、かつ、|Ｒ（Ｈ）−Ｒ（０）|／Ｈが０．１以上の勾配があるとき、軸出力および効率を向上させ得ることがわかった。|Ｒ（Ｈ）−Ｒ（０）|／Ｈは、例えば０．１以上２．０以下の範囲に設定され得る。特に、|Ｒ（Ｈ）−Ｒ（０）|／Ｈが０．２以上１．０以下の範囲にあるとき、優れた特性を実現することができる。このような効果は、ブレード２０の前縁２１と後縁２２とによって規定される翼弦の方向が、径方向を基準として５度以上７０度以下の角度だけ後退しているときに実現することもわかった。
【００３０】
＜遠心ファン＞
図７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。
【００３１】
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。
【００３２】
図７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。
【００３３】
図８から図１０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。モデルＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４について、シミュレーションを実行した。各モデルの特徴点は、以下の通りである。
【００３４】
【表１】
2019019758.tif 000003
【００３５】
モデルＮｏ．１は図１および図２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。モデルＮｏ．２は、モデルＮｏ．１の遠心ファンインペラを逆勾配に改変した構成を備えている。これらに対し、モデルＮｏ．４は、図１１に示されるように回転軸１０に平行なブレード２０Ｃを備えた遠心ファンインペラである。モデルＮｏ．３は、図２に示されるような正勾配を有しているが、ブレードが前進翼である点で、モデルＮｏ．１とは異なる。モデルＮｏ．１およびＮｏ．２が実施例に相当し、モデルＮｏ．３およびＮｏ．４は比較例に相当する。
【００３６】
なお、下記のパラメータは、すべてのモデルで共通している。
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、４６ｍｍ、２ｍｍ
ブレードの枚数 ＝ ３６枚
回転速度 ＝ １５００ｒｐｍ
動作流体 ＝ 空気
【００３７】
図８は、各モデルにおける「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７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８から明らかなように、実施例では、動作点における出入口の圧力差が減少している。なお。「動作点」は、シミュレーションに用いるモデルにおける「システムインピーダンス」と「風量−静圧特性曲線」との交点である。グラフ中の「動作点」は、動作流体（空気）の体積流量が６００［ｍ３／ｈ］のときの動作状態に対応している。
【００３８】
図９は、各モデルにおける「軸出力」を示すグラフである。単位はワット（Ｗ）である。図９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。
【００３９】
図１０は、各モデルにおける「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１０から明らかなように、実施例によれば効率が増加する。
【００４０】
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、ブレードが回転軸に対して平行な遠心ファンに比べて出入口の圧力差は減少してしまうが、軸出力を低下して効率を高めることが可能になる。
【００４１】
なお、本開示の実施形態は、例えば図１２に示すように回転軸１０の方向に沿ってＳ字状にカーブしたブレード２０を用いても良い。このブレード２０は、ガウス曲率が正の凸面領域３０およびガウス曲率が負の凹面領域３２が回転軸１０の方向に連結した形状を有している。このようなブレード２０を回転軸１０に対して傾斜して配列することにより、ブレード２０の表面積が実効的に増加するため、より高い効率を実現することが可能になる。
【００４２】
また、空力騒音を低減するために、前縁２１および後縁２２の少なくとも一方に複数のセレーション列を形成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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、動作点における軸出力および効率を向上させた遠心ファンが提供され得る。
【符号の説明】
【００４４】
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
【図１】
2019019758.tif 000004
【図２】
2019019758.tif 000005
【図３】
2019019758.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2019019758.tif 000011
【図９】
2019019758.tif 000012
【図１０】
2019019758.tif 000013
【図１１】
2019019758.tif 000014
【図１２】
2019019758.tif 000015