JP3898411B2

JP3898411B2 - 貫流送風機の設計方法および空気調和機

Info

Publication number: JP3898411B2
Application number: JP2000071336A
Authority: JP
Inventors: 淳吉橋; 尚史池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: JP2001263286A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空気調和機などを構成する貫流送風機に係わり、特にその流量特性と流れの不安定性を改善しファン効率を向上させた貫流送風機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、一般的な空気調和機の構成を示す構成図である。
図９中、空気調和機は、室内に配置される室内機１００と室外に配置される室外機２００と、室内機１００と室外機２００を接続する配管３００とで主に構成されている。また、室内機１００は貫流羽根車１０１と室内熱交換器１０２とを有している。また、室外機２００は、送風機２０１と、室外熱交換器２０２と、四方弁２０３と、圧縮機２０４と、膨張弁２０５とを有している。
【０００３】
次に、暖房運転をする場合での動作について説明する。
まず、冷媒が圧縮器２０４で断熱圧縮されて高温となる。その後に、四方弁２０３を通って、この高温とされた冷媒は室内熱交換器１０２に運ばれる。室温は、冷媒の温度より低いため、室内熱交換器１０２で冷媒は熱を放出し、貫流羽根車１０１が回転することにより、温風が室内に放出される。次に、室内熱交換器１０２で冷やされた冷媒は、膨張弁２０５で断熱膨張され、冷媒の温度は外気温よりも低くなる。その後に、室外熱交換器２０２で、外気より熱を吸収する。
【０００４】
このような室内機では、貫流羽根車を用いた貫流送風機が幅広く使用されており、その効率改善は省エネルギーの立場から、低騒音は快適性の立場から、流れの安定性は製品品質の立場から、重要性が増してきている。
【０００５】
特に、最近では、今まで空気調和機の冷媒として使用されていたＨＣＨＦがオゾン層を破壊することからその使用が制限され、新しい冷媒としてＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃ等が使用されるようになった。しかし、Ｒ４１０ＡやＲ４０７Ｃは高圧冷媒であるために、従来に比較して、圧縮機の運転で使用される電力量が増大した。そして、その分の電力をどこかで削減する必要から、貫流送風機の効率改善の要求は以前にもまして増大している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この貫流送風機の設計手法は、その流れの理論的検証があまり成されておらず未だ十分に確立されているとはいえないので、個々の製品に対応して試行錯誤的な手法により特性の大幅な改善が成されていなかった。
【０００７】
従来の手法としては、例えば、特開平７−３０５６９５号公報に示されているような、スタビライザーの位置を貫流羽根車と相対的に前方の下部から貫流羽根車の中心を通る線と略直交状態の所とし、更にスクロールケーシングをこのスタビライザー位置に対し最適になるように２円弧とすることにより、吐出風量の低下と騒音を抑えているものがあった。
【０００８】
また、特開昭６１−１１８５９７号公報に示されているような、スクロールケーシングを対数ら線形状とし、その拡大率を順次小さくして最適化し、性能を改善しているものもあった。
しかし、特開平７−３０５６９５号公報に記載された手法では、効率改善や低騒音化・安定流れを実現しようとするために、貫流羽根車の吸込み側形状や吹出し部形状を変更しているだけで、貫流羽根車が作り出す流れ本来の現象制御を行っていなかった。また、特開昭６１−１１８５９７号公報に記載された手法では、貫流羽根車の作り出す流れの理論的検証との相関が不明確でその最適形状形成にあたり未だ不備な点を残していて、効率や騒音特性の飛躍的改善は望めないとともに、設計に際し個々の製品に対応した試行錯誤となり品質を低下させるなどの問題点があった。
【０００９】
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、スクロールケーシングの形状を、貫流羽根車の内部から翼部に流れる風の風速および流入角度にそうような形の形状とすることで、効率改善化と低騒音化ができる貫流送風機を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる貫流送風機では、貫流羽根車をスクロールケーシングに内装し、前記スクロールケーシングの延長線上に吹出しダクトを有する貫流送風機において、前記スクロールケーシングは、前記スクロールケーシングの流入側端部をθ＝０°とし、前記貫流羽根車の中心と前記流入側端部の距離をｒ 0 とした時に、式ｒ＝ｒ 0 ×ｅｘｐ（ｎ L ×θ）によって表せる形状をし、さらに、ｎ L の値は、前記角度θでの前記貫流羽根車の翼内周部から翼外周部に流入する風の流入速度の大きさ、あるいは風の流入角度の大きさのうち少なくとも一方が大きくなるに従って大きくなるようにした。
【００１１】
さらに、スクロールケーシングは、スクロールケーシング流入側端部と吹出し流れ下側までの中間で拡大率が一つの極大値を持つようにした。
【００１２】
さらに、θが、ほぼ０°≦θ≦３６０°×３／ｎ（ｎ：貫流羽根車の翼枚数）の範囲では、ｎ L ＝０とした。
【００１３】
さらに、圧縮機と、前記圧縮機に接続された第１の熱交換器と、四方弁とを備えた室外機と、第２の熱交換器と貫流送風機を備えた室内機とを有する空気調和機において、前記貫流送風機は請求項１から請求項３のいずれかの方法により設計するようにした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における貫流送風機を組み込んだ空気調和機の室内機の断面図である。
図１中、１は本体であり、２はこの本体の前面から装着されるパネルである。パネル２には、前面から吸込まれる空気の取り入れ口を形成する前面グリル３と、上部から空気を取り入れる吸込み口４と、下部から空気を吹出す吹出し口５が設けられている。また、本体１には、熱交換器６と、この熱交換器６に付着して滴下するドレン水を受けるドレンパン７と、この熱交換器６内を流れる冷媒と室内空気とを熱交換させるために必要な空気流を作り出す貫流羽根車８とが配置されている。なお、貫流羽根車８は、時計回りに回転する。
【００１７】
また、本体１の背面はスクロールケーシング９を兼用し、その下部延長線に吹出し流れ下側案内部１０が配置されている。ドレンパン７の一部はスタビライザー１１と吹出し流れ上側案内部１２とを兼用している。１３は、吹出しダクトであり、吹出し流れ上側案内部１２と吹出し流れ下側案内部１０で構成されている。なお、貫流送風機は、貫流羽根車８とスクロールケーシング９とスタビライザー１１と吹出しダクト１３により構成されている。
【００１８】
また、スクロールケーシング９は、対数ら線、すなわち貫流羽根車８の中心１４からスクロールケーシング９までの任意の距離ｒが、
【００１９】
ｒ＝ｒ₀×ｅｘｐ（ｎ_L×θ） …数１
【００２０】
で表わされる形状をしている。ここで、ｒ₀はスクロールケーシング９の流入側端部１５と貫流羽根車８の中心１４との距離、ｎ_Lはスクロールケーシング９の広がり量で、一般的には拡大率と呼ばれるものである。なお当然に、この拡大率ｎ_Lの値が大きくなるに従って広がり程度が大きくなる。また、θはスクロールケーシング９の流入側端部１５を基準とした広がり角度である。
【００２１】
次に、図１の室内機での貫流送風機付近での空気の流れについて説明する。
図２は、図１の構成において、貫流送風機付近における空気の流れ状態を示した図である。まず、貫流羽根車８が回転すると、スタビライザー１１を境界に前面グリル３と上部吸込み口４を通り熱交換器６を通過してきた吸込み流れが、貫流羽根車８の内部に流れ込み、通過して、吹出しダクト１３へ流れ込んでゆき、吹出し流れとなる。このとき、貫流羽根車８内でスタビライザー１１近傍付近に強制渦流れ１６が中心１７を持って形成されると考えられる。強制渦流れ１６は、理論的には、渦流れを作り出す回転するアクチュエーターの内側のみに形成されるとされ、図１のような貫流羽根車８の場合、このアクチュエータが貫流羽根車８の翼１８、特に翼内側１８ａが相当する。なお、翼１８は、その一端が外側を向くように、ランダムな間隔で複数配置されている。
【００２２】
一方、吹出しダクト１３内へ流れ込んでゆく吹出し流れは、一般的な前向き翼遠心羽根車の理論に則り対数ら線上に形成された流れとして、羽根車外へ吹出される。このとき、対数ら線の流れ形状を決定する重要な物理量として、各翼の翼内側１８ａを結ぶことによって形成されるラインよりも外側にある翼部１８ｂに流入する速度の大きさと向き（以下、「角度」とする）が存在する。一般的な前向き翼遠心羽根車の場合、この物理量は、どの翼部吸込み部分においてもほぼ一定であるため、一意的に対数ら線の流れ形状を決定できる。
【００２３】
しかし、図１のような貫流羽根車８の場合、対数ら線の流れ形状を決定する物理量が強制渦流れ１６に支配されるため、その渦流れの特性により一意的に決定できなくなる。図３は、貫流羽根車８内に形成される強制渦流れ１６の渦中心１７からの渦半径と、その半径点における渦周方向周分速度の関係を簡略化して示したグラフである。また、図４は、強制渦流れ１６が貫流羽根車８の翼部１８ｂに流入するときの流入角度と広がり角度θとの関係を簡略化して示したグラフである。なお、流入角度とは、貫流羽根車８内の強制渦流れ１６が翼部内側１８ａから流入するときの角度であり、半径方向外側に向いている場合を０°とし、貫流羽根車８の回転している方向から流入する場合を正値、反対方向すなわち回転している方向へ向かって流入する場合を負値として表わす。
【００２４】
これらのグラフから分かるように、貫流羽根車８の翼部１８ｂに流入する速度の大きさと角度は広がり角度θにより様々に変化していることが分かる。すなわち対数ら線の流れ形状を決定する重要な物理量は、それぞれの翼吸込み部分において様々な値を示すため、一意的に対数ら線の流れ形状を決定することができず、ここに生じた流れに即した形状にすれば貫流羽根車８より吹出される流れの損失を少なくすることができ、よって、角度θでの拡大率ｎ_Lは、その角度で、貫流羽根車８の翼部１８ｂに内部より流入する風の速度、あるいは貫流羽根車８の翼部１８ｂに内部より流入する風の流入角度に応じて決定する必要がある。
【００２５】
すなわち、貫流羽根車８の翼部１８ｂに内部より流入する風の速度が大きくなるに従って拡大率ｎ_Lを大きくし、風の速度が小さくなるに従って拡大率ｎ_Lを小さくする、あるいは、貫流羽根車８の翼部１８ｂに内部より流入する風の流入角度が大きくなるに従って拡大率ｎ_Lを大きくし、風の流入角度が小さくなるに従って拡大率ｎ_Lを小さくする設計とする。
【００２６】
このように、角度θでの拡大率ｎ_Lの大きさを、貫流羽根車８の翼部１８ｂに内部より流入する風の速度、貫流羽根車８の翼部１８ｂに内部より流入する風の流入角度に応じて決定させることで、貫流羽根車８より吹出される流れの損失を少なくすることが可能となり、高効率かつ低騒音で個々の製品に対応した高品質な貫流送風機を得ることができる。
【００２７】
また、さらに、図３及び図４より翼部１８ｂへの流入速度及び角度すなわち速度ベクトルを総合的に判断すると、拡大率ｎ_Lと広がり角度θの関係が、図５に示すように、上に凸の、一つの極大値を持つような関係、すなわちスクロールケーシング流入側端部１５と吹出し流れ下側案内部１０までのスクロールケーシング９の中間に一番拡大された場所が形成されるような形状において、貫流羽根車８より吹出される流れの状態に一番近く、非常に良好であることが判る。
【００２８】
よって、スクロールケーシング９の形状を、スクロールケーシング流入側端部１５と吹出し流れ下側案内部１０までのスクロールケーシング９の中間に一番拡大された場所が形成されるようにｎ_Lを決定することにより、貫流羽根車８より吹出される流れの損失をさらに小さくすることができる。
【００２９】
また、貫流羽根車８の材質としては、マグネシウム合金を使用することで、軽量化並びにリサイクル性向上という効果が得られる。
【００３０】
実施の形態２．
図６は、図１に示した空気調和機の室内機での空気の流れ状態を示したものであり、図２において、さらに翼部１８ｂでの流れの詳細を示したものである。さらに、図７は、０°≦θ≦３６０°×３／ｎ（ｎ：貫流羽根車８の翼枚数）での翼部近傍での空気の流状態を示す図である。なお、図６での座標系は、回転する貫流羽根車８と同じ座標系である。図６から分かるように、スクロールケーシング９の流入側端部１５からスクロールケーシング９の下流側へ向けて貫流羽根車８の翼枚数三枚分の翼ピッチをほぼ規定する広がり角度θである０°≦θ≦３６０°×３／ｎの範囲の間では、翼１８の間で、その方向を変える循環流れ１９となり、貫流羽根車８より吹出される流れは存在しなくなる。
【００３１】
従って、この部分では貫流羽根車８とスクロールケーシング９の間に無駄な空間が生じることで生じる渦２０やみだれ２１、あるいは、貫流羽根車８の回転と逆方向を向く逆流流れ２２により、吹出される流れの損失が発生する。
このことより、スクロールケーシング流入側端部１５からスクロールケーシング９の下流側へ向けて貫流羽根車８の翼枚数三枚分にほぼ相当する、数式１で０°≦θ≦３６０°×３／ｎ（ｎ：貫流羽根車８の翼枚数）のｎ_Lを０にし、等円弧形状とすることで、吹出し流の損失を防止し、さらに効率のよい貫流送風機を得ることができる。なお、図８は、貫流送風機を組み込んだ空気調和機の室内機の断面図であり、図１において、スクロールケーシングのうち、０°≦θ≦３６０°×３／ｎ（ｎ：貫流羽根車８の翼枚数）で示される部分を等円弧形状にしたものである。
【００３２】
【発明の効果】
このように、この発明では、貫流羽根車より吹出される流れの損失を少なくすることが可能となり、高効率かつ低騒音で個々の製品に対応した高品質な貫流送風機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における貫流送風機を用いた室内機の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における室内機の貫流送風機付近での空気の流れを示す図である。
【図３】渦半径と渦周方向周分速度の関係を示す図である。
【図４】広がり角度と流入角度の関係を示す図である。
【図５】この発明の実施形態３における拡大率と広がり角度の関係を示す図である。
【図６】貫流羽根車の翼部付近の空気の流れを示す図である。
【図７】空気の流状態を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２おける貫流送風機を用いた室内機の断面図である。
【図９】従来の空気調和機の構成を示す図である。
【符号の説明】
１本体、２パネル、３前面グリル、４吸込み口、
５吹出し口、６熱交換器、７ドレンパン、
８貫流羽根車、９スクロールケーシング、
１０吹出し流下側案内部、１１スタビライザー、
１２吹出し流上側案内部、１３吹出しダクト、
１４貫流羽根車の中心、１５流入側端部、
１６強制渦流れ、１７強制渦流れの中心、
１８貫流羽根車の翼、１８ａ翼内側、１８ｂ翼部、
１９循環流れ、２０渦、２１みだれ、２２逆流流れ

Claims

貫流羽根車をスクロールケーシングに内装し、前記スクロールケーシングの延長線上に吹出しダクトを有する貫流送風機において、
前記スクロールケーシングは、前記スクロールケーシングの流入側端部をθ＝０°とし、前記貫流羽根車の中心と前記流入側端部の距離をｒ0とした時に、式ｒ＝ｒ0×ｅｘｐ（ｎL×θ）によって表せる形状をし、さらに、ｎLの値は、前記角度θでの前記貫流羽根車の
翼内周部から翼外周部に流入する風の流入速度の大きさ、あるいは風の流入角度の大きさのうち少なくとも一方が大きくなるに従って大きくなることを特徴とする貫流送風機の設計方法。
スクロールケーシングは、スクロールケーシング流入側端部と吹出し流れ下側までの中間で拡大率が一つの極大値を持つことを特徴とする請求項１に記載の貫流送風機の設計方法。
θが、ほぼ０°≦θ≦３６０°×３／ｎ（ｎ：貫流羽根車の翼枚数）の範囲では、ｎL＝０であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の貫流送風機の設計方法。
圧縮機と、前記圧縮機に接続された第１の熱交換器と、四方弁とを備えた室外機と、第２の熱交換器と貫流送風機を備えた室内機とを有する空気調和機において、前記貫流送風機は請求項１から請求項３のいずれかの方法により設計したことを特徴とする空気調和機。