JP5804348B2 - 遠心式送風機または斜流送風機に用いられるインペラ - Google Patents

Description

本発明は、吸気口を有するシュラウドと、ハブと、前記吸気口の円周全体にわたって回転軸周りに分散配置された複数のブレードと、それぞれ周方向において隣接する前記ブレードの間に形成された、前記吸気口の領域から径方向外側または斜め方向外側に通じて外周領域において吹出し口を作り出すブレード間流路とを含んでいる、遠心式送風機または斜流送風機に用いられるインペラに関する。前記ブレード間流路の有効流れ断面サイズは運転中にレイノルズ数が２３００を著しく上回る乱流が達成されるものであり、かつ、前記シュラウドまたは前記ハブあるいはその両方が非回転対称的形状を有するように構成されている。

この種のインペラは乱流のためにターボマシン（ターボ送風機）とも称される。そこで特徴的なことは、レイノルズ数Ｒｅが非常に高く、少なくとも値５０００（つまり、Ｒｅ≧５０００）で、層流（Ｒｅ＜２３００）と乱流（Ｒｅ＞２３００）との間の周知の限界値約２３００を大きく、２倍以上も上回っていることである。ただし、大抵、Ｒｅは≧１００００（倍率＞４）でさえあり、数万まで達することもある（例えば、約３５０００）。ブレード間流路の乱流により、０．６以上、少なくとも０．８までの範囲の高い効率（６０〜８０％）が達成される。これらの流路においては、近似的にいわゆる管内流れを基本とすることが可能であり、その際、固有値として一般に、流れ幅特に理想等価内径ｄと、断面全体にわたって平均化された流速ｖｍと、各流体の（動）粘性率ｖとが基礎とされる。この場合、無次元レイノルズ数には以下が当てはまる。
〔数１〕
Ｒe＝Ｖm・ｄ／ν
ここで、空気については、動粘性率ν＝１．５・１０^−５ｍ^２／ｓを基本とすることができる。

効率は、利用された出力と供給された入力との比として定義され、その際、電動駆動装置においては、電気的入力あるいはまた送風機を回転させるための機械的な軸駆動出力を適用することができる。したがって、いわゆる「自由吹出し効率」は
〔数２〕
η_fa＝dV/dt・Δｐ_fa／P_w
つまり、体積流量と圧力差の積と、入力との比として定義される。

尚、当該数値はＩＳＯ ５８０１に準拠して測定される旨補足しておく。

ここで、“非回転対称的”なる概念は、上記回転軸を含んだ、周方向に一定の挟角を含んだ２つの面内における、上記ハブまたは上記シュラウドあるいはその両方の任意の２つの異なった放射断面が、円周角が異なっていれば、合同ではなく、互いに相異していることを意味している。この場合、その相異は、基本的に、回転軸の方向（軸方向）または半径の方向（径方向）あるいはその両方で作り出すことができる。これは、換言すれば、非回転対称の場合には、回転軸を中心として一定角度だけ回転させても、物体ないしその断面が自分自身に重ならないことを意味している

冒頭に述べたタイプのインペラは、日本特開第２００１−２６３２９４号公報（特許文献１）に種々の実施形態で記載されている。この場合、シュラウドまたはハブまたはこれら双方の板のそれぞれは周方向に傾斜−階段状の輪郭を有している。回転方向に傾斜して形成されたこうした階段形状により、流れの剥離傾向は減少させられ、こうして、騒音および効率に好適な影響が及ぼされることになる。こうした階段形状により、各ブレードはそれらの負圧側と正圧側において（軸方向で測定して）異なった出口幅を有し、しかも適用条件に応じて、負圧側の出口幅は正圧側の出口幅よりも小さいかまたは大きくてよいことになる。

欧州特許公開第１９３３０３９号明細書（特許文献２）は、シュラウドの外側面にリブ、溝ないし切り込みを有する遠心式送風機送風機を開示している。こうした構成は一定の流れガイドによって騒音低減をもたらそうとするものである。

さらに別の文献、欧州特許公開第１０３２７６６号公報（特許文献３）は、特にターボチャージャ用のインペラを開示している。このインペラにおいて、ブレードは２枚の板（ハブとシュラウド）の少なくとも一方の造形によって形成される。この造形によって、同じく、非回転対称的形状も生ずる。ただし、この文献は流れに影響を及ぼす問題を課題にしているのではなく、主として製造技術的ならびに安定性向上の主題を内容としている。

また、文献、ドイツ特許公開第３２４７４５３号において、この場合、深絞りによって、非回転対称的形状が生ずる。その際、ハブと、このハブに平行な環状板から加熱後に羽根部が成形され、溶接によってそれぞれのカム面に接合され、インペラが形成される。ただし、該文献は、上記の欧州特許公開第１０３２７６６号と同様、流れへの影響に係わるものではなく、単に、熱可塑性プラスチックからのインペラの製造を容易にすると共に安定性の向上を目的としているにすぎない。

米国特許公開第２００７／０１１６５６１号ないし対応する米国特許第７，４５５，５０４号のそれぞれは、超小型仕様の特にコンピュータ向けの、かなり特殊な、異なる実施形態の流体マシンを開示している。この場合、層流を達成すべく、流れ断面の非常に小さな流路が形成されていなければならない。したがって、この従来の技術においてレイノルズ数はいずれにせよ２３００未満でなければならないことは明らかであり、それゆえ、これは本発明の趣旨の「ターボマシン」ではない。具体的には、流れ断面全体は多数の小さな流路に分割される。これは、例えば、ハニカム構造によって達成され、これにより、一見、同じく非回転対称的形状が生ずるが、こうした形状は、層流を保証すべく小さな流路を形成することを目的としている。これら公知の実施形態の特徴は、ここで本発明の範囲内で論じられるタイプの「ターボマシン」には当てはまらない。というのも、作用方式がまったく異なっているからである。したがって、例えばこの公知の「層流マシン」の「ピーク効率」は約０．２（２０％）でしかない。

数多くのその他の文献には、回転対称的なインペラが開示されている。純然たる例示として、ここで、以下の文献、ドイツ特許公開第２９４０７７３号、ドイツ特許公開第１９９１８０８５号、欧州特許公開第１５７４７１６号およびドイツ登録実用新案第２０３０３４４３号ならびにイギリス特許第４３８０３６号も挙げておく。回転対称的に形成されたハブまたはシュラウドあるいはそれら両方を備えたこの種の送風機は回転軸方向にも周方向にも、一部非常に不均等な速度分布および圧力分布、つまり、局所的に高い速度領域／圧力領域を有している。これにより流れの分離および逆流さえ起こり得、また空力損、効率損ならびに騒音放出の増加をももたらす。上記文献、イギリス特許第４３８０３６号については、いずれのブレードまたはいずれのシュラウドもあるいはそれら両方も「段ボール」のように波形に成形された中芯板を経て結合された２つの別々の層で構成されなければならない。これによって確かに双方の層の間に非回転対称的な部分が生ずるが、流れ特性にとって重要なシュラウドの表面は、いずれにせよ回転対称的である。「段ボール」によって機械的に強化された層間空間は貫流されない。

日本特許公開第２００１−２６３３９４号 欧州特許公開第１９３３０３９号 欧州特許公開第１０３２７６６号 ドイツ特許公開第３２４７４５３号 米国特許公開第２００７／０１１６５６１号 米国特許第７，４５５，５０４号 ドイツ特許公開第２９４０７７３号 ドイツ特許公開第１９９１８０８５号 欧州特許公開第１５７４７１６号 ドイツ登録実用新案第２０３０３４４３号 イギリス特許第４３８０３６号

本発明の目的は、優れた機械的安定性が実現されると同時に、流れに対する影響が改善され、体積流量、効率ならびに騒音挙動の点で最適化が達成されるように構成した、冒頭に述べたタイプのインペラを提供することである。

本発明による、遠心式送風機または斜流送風機に用いられるインペラは、吸気口を有するシュラウドと、ハブと、前記吸気口の円周全体にわたって回転軸周りに分散配置された回転方向に対して前方または後方に彎曲した複数のブレードと、それぞれ周方向において隣接する前記ブレードの間に形成された、前記吸気口の領域から径方向外側または斜め方向外側に通じて外周領域において吹出し口を作り出すブレード間流路とを含んでおり、前記ブレード間流路有効流れ断面サイズは運転中にレイノルズ数（Ｒｅ）が２３００を著しく上回る乱流が達成されるものであり、かつ、前記シュラウドまたは前記ハブあるいはその両方が非回転対称的形状で、少なくとも前記各ブレードを横切る周方向に連続する輪郭を形成する前記回転軸方向における形状差を有する形状を有するように構成されている。さらに、前記非回転対称的形状は、前記回転軸に平行な方向に、連続した輪郭を有し、前記シュラウドおよび／または前記ハブは周方向に波形に形成され、それぞれ２枚の隣接する前記ブレードの間には外に向かって凸状に彎曲した区域が形成され、隣接する前記区域は、それぞれのブレードの領域において、前記回転軸方向に階段形状を有することなく互いに連続している。

第一の発明態様において、請求の範囲に記載したように、それぞれ非回転対称的なシュラウドないしハブが、さらに軸方向ないし軸と平行な方向で見て、ハブまたはシュラウドあるいはそれら両方の外面につき円周全体にわたって（また、ブレード領域を越えて）連続的で点状につながった延設ラインを有する。これは、軸を通って延びる２つの放射断面の間に、双方の放射断面の持続的接近により、ハブまたはシュラウドあるいはそれら両方のそれぞれの外面の軸方向における形状差がますます小さくなる限界角α_G＞０°が存在することを意味している。したがって、これは軸方向への連続的な延びであり、これにより、例えば日本特開第２００１−２６３２９４号およびまた欧州特許公開第１９３３０３９号記載の階段状の延びに比較して著しい改善が達成される。

この第一の発明態様に加えて、あるいは別な態様として、請求項８に記載の態様におけるように、上記それぞれ非回転対称的なシュラウドないしハブは、回転軸を含んだ、それぞれのブレードの両側に位置する２枚の放射断面の間で、各ブレード越しに階段形状を生ずることなく形成されてもよい。この構成も本発明の目的を達成する趣旨からして好都合である。

本発明のさらに別の態様において、上記それぞれ非回転対称的な板（シュラウドまたはハブ）の、回転軸を含んだ２つの異なる断面の径方向における形状差は（本発明による、軸方向におけるいずれにせよ点連続的な延びとは異なり）任意であってよい。このことは、径方向において、選択的に、点連続的な延びまたは急激に変化する延びも可能であることを意味している。

公知の回転対称的に形成されたハブまたはシュラウドあるいはそれら両方によるブレードの形状構成ならびに羽根間に形成される流路の形状構成を以って、回転軸方向の速度・圧力分布に影響を及ぼすことは可能であるが、他方、これによっては、依然として、周方向における不均等性にほとんど影響を及ぼすことはできない。これとは異なり、本発明による非回転対称的形状を採用すれば、さらに、周方向に発生する速度・圧力分布の不均等性に対して適確に有利な影響を及ぼすことができる。これにより、特に、以下の利点が生ずる。
− インペラからの空気流出に影響を及ぼして、特に周方向における流れの均等化と、そ れによる、局所的に生ずる最大流速の低下とをもたらすことができ、インペラの空力 ・音響特性に好ましい効果が現れ、結果、効率および騒音放射の改善が達成されるこ と。
− インペラ内の流れに適確な影響を及ぼしてブレード間流路内壁との相互作用を減少さ せ、騒音低下および、体積流量ならびに効率の向上を実現しうること。
− （特に周方向における）流れに対する影響行使ならびに流れガイドのための自由度の 向上により、ブレード間流路内の流れの安定化と共に流れの分離傾向の減少が達成さ れること。
− 機械的安定性の向上ならびに、それによって、材料節減も可能になること。

本発明によるインペラの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は直径断面によって軸方向断面を示す図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 別実施形態のインペラを示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。 本発明を詳細に説明するために、たとえば図４（ａ）に示した実施形態を例とした本発明によるインペラを拡大して示すさらに別の斜視図である。

図面によって具体的に示した複数の実施例に基づき、以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
すべての実施例において、回転軸Ｚを中心にして回転駆動される本発明によるインペラ１は、好ましくは基本的に中央に位置する空気吸気口４を有するシュラウド２と、軸方向Ｚにおいて前記シュラウドに対向するハブ６と、複数のブレード８とを含んでなる。これらのブレード８はハブ６とシュラウド２との間に配置されているかまたは全面的もしくは部分的にハブ６またはシュラウド２あるいはそれら両方を一定に成形すること（図８、参照）で形成されており、その際、これらの板２、６は当該領域において互いに直接結合されている。ブレード８は一定の間隔で周方向に分散され、回転軸Ｚならびに吸気口４周りに配置されている。周方向において隣接した２枚のブレード８の間には、それぞれ、吸気口４の領域から径方向外側または斜め方向外側に通じて、インペラ１の外周領域において吹出し口１１を作り出すブレード間流路１０が形成されている。

すでに冒頭で述べたように、「ターボ送風機」に通例の方法で、ブレード間流路１０の有効流れ断面サイズは、運転中に、０．６〜１．０の高効率で、レイノルズ数Ｒｅが２３００を著しく上回る乱流が達成されるものであり、そのように設計されている。さらに吸気口４は、それぞれのブレード間流路の有効流れ幅Ｄ_Kとの比がいずれにせよ１０未満、とりわけ３未満であるような有効吸気口流れ幅Ｄ_sを有している。前記の流れ幅は一般に円形が前提とされるため、実際の流れ断面が円形とは相違している場合にも、理想直径が基本とされる。

本発明によるインペラ１において、先ず重要な点は、シュラウド２またはハブ６または双方の板２、６それぞれが、流れに影響を及ぼすべく、非回転対称的形状を有していることである。さらに、シュラウド２とハブ６とが互いに平行でないことが重要である。

この点につき、ここで、図１０を参照されたい旨指摘しておく。同図には、付加的に、半径ｒ方向に延びて回転軸Ｚで互いに交差する、一定の挟角αを有する２枚の放射面Ｅ１およびＥ２が記入されている。本発明の趣旨の非回転対称性とは、面Ｅ１および面Ｅ内の各板２または板６あるいはそれら両方の断面が、円周角が異なれば、互いに相異していることである。

ただし、この場合さらに、ハブ６またはシュラウド２あるいはそれら両方の外面における、それぞれ非回転対称的な板２または板６あるいはそれら両方の軸方向の延びは円周領域全体にわたって（また羽根越しに）点連続的であり、換言すれば、挟角αの減少と共に、２つの放射断面Ｅ１とＥ２（図１０、参照）の持続的接近により、ハブ６またはシュラウド２あるいはそれら両方の外面の軸方向Ｚにおける形状差がますます小さくなる限界角αG＞０°が存在する。別法として、またはさらに加えて、回転軸Ｚを含んだ、したがって回転軸Ｚで互いに交差する２つの面内の断面２つは、各々のブレード８の両側で回転方向において羽根８越しに急激な変化を示さないようになされている。

軸方向Ｚにおける点連続的な延びとは異なり、本発明によれば、回転軸Ｚを含んだ２つの異なる断面の半径（図１０の半径ｒ）方向における形状差は任意であってよい。これは、この場合、点連続的な延び、急激に変化する延びいずれも可能であることを意味している。

以下、個々の実施例を簡潔詳細に説明する。

図１に示した実施形態において、シュラウド２は吸気口４の領域に羽根車流入口１２を備えており、シュラウド２はこの羽根車流入口１２の領域において回転軸Ｚ方向に非回転対称的に形成されている。図示実施例において、羽根車流入口１２はシュラウド２から軸方向にリブ状に突出し、周方向において軸方向凸部とそれらの間の凹部とで形成される波形輪郭を有している。このインペラ１はこの場合、遠心式送風機として形成されている。さらに加えてまたは別法として、シュラウド２は吸気口４ないし羽根車流入口１２の領域において径方向にも非回転対称的に形成されていてよい。

図２に示した実施形態も遠心式送風機であり、この場合、シュラウド２のみが回転軸Ｚの方向に非回転対称的に形成されている。そのため、この実施例において、シュラウド２は周方向に波形に形成されており、それぞれ２枚のブレード８の間には外に向かって凸状に彎曲した区域が形成されている。これらの区域はそれぞれのブレード８の領域において互いに入り組んで連続している。

図３には、ハブ６のみが軸方向Ｚにおいて非回転対称的に形成された遠心式送風機の実施形態が表されている。これは具体的には、図２に示したシュラウド２の場合と同じタイプの実施態様である。

図４に示した実施形態は実質的に、図２および図３に示した２つの実施形態を組み合わせたものである。このことは、この遠心式送風機はシュラウド２の領域でも、ハブ６の領域でも、非回転対称的に形成されていることを意味している。

図５には斜流送風機として形成されたインペラ１が示されており、ここで、シュラウド２は径方向ｒにおいて、しかも連続的にではなく不連続的に、非回転対称的に形成されている。これは、シュラウド２の外側円周端縁１４の、連続的にではなく角を形成して径方向に延びるカーブによって達成される。

図６は遠心式送風機としての実施形態を示しており、この場合、シュラウド２は径方向ｒにおいて非回転対称的に、しかも点連続的に形成されている。このことは、シュラウド２が、角または他の不連続箇所のない連続的な周方向延びを有していることを意味している。

図７に示した非常に類似した実施形態にも同様に当てはまるが、この場合、点Ｐの箇所にそれぞれ角ないし屈曲が生じている。

図８は遠心式送風機としての実施形態を示しており、この場合、双方の板すなわちシュラウド２もハブ６も、周方向に波形を描く輪郭カーブによって、回転軸Ｚの方向に非回転対称的に形成されている。さらに、シュラウド２とハブ６とはインペラ１の外側円周領域において互いに直接結合されており、共同してブレード８の少なくとも１部分領域を形成するようになされている。これを具体的に示すため追加された図８の（ｃ）では、ブレード間流路１０の一領域において、シュラウド２の部分領域が離れて表されている。基本的に、ブレード８は、適切に成形されたハブ６またはシュラウド２あるいはそれら両方が羽根８の延び全体にわたって互いに直接結合されることにより完全に形成される。ただし、図示実施形態において、板２、６は外側円周領域においてのみ互いに結合されており、ブレード間流路１０の内側流入領域では、従来の羽根区域が別個の部材として成形されている。

以上に述べたすべての実施形態において、非回転対称的な設計態様により、周方向に周期的に反復して形成される幾何的構造が生ずる。ただし、幾何的構造が形状または配置あるいはそ両方の点で不規則的であるように選択することもまた本発明の範囲内にある。

そのため、図９には一実施例が示されている。この実施例もまた、非回転対称的なシュラウド２を備えた遠心式送風機である。このシュラウド２は一円周箇所１６で半径ｒが急激に変化しており、シュラウド２の外側円周端縁１４は上記円周箇所１６から出発して円周全体にわたって連続的に半径を変化させて延び、３６０°回転した後、再び、半径が急激に変化する上記円周箇所１６に達している。これにより、この実施例において、円周端縁１４は渦巻き状に延びている。

また、周方向に不規則的な形状のシュラウド２またはハブ６あるいはそれら両方が生ずるような別途実施形態も可能であることはいうまでもない。

ブレード８が任意の延びを有していてよいことはすべての実施形態に当てはまる。例えば、回転羽根は回転方向に対して前方または後方に彎曲していてよい。
その他、上述したすべての個別的特徴を任意に組み合わせることも可能である。

本発明は図示説明した実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨で同様に機能するすべての実施形態を含むものである。さらに、本発明はこれまでもそれぞれの独立した請求項によって定義された特徴組み合わせに制限されるものではなく、総じて開示されたすべての個別的特徴のうちの特定の特徴のその他のあらゆる任意の組み合わせによって定義されることも可能である。このことは、実際のところ基本的に、それぞれの独立した請求項の任意の個別的特徴は省かれても、あるいは本出願のその他の箇所で開示された少なくとも１つの個別的特徴によって置き換えられてもよいことを意味している。その限りで、本出願の請求項は単に発明を画定するための第１の試みとして理解されなければならない。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

１：インペラ
２：シュラウド
４：吸気口
６：ハブ
８：ブレード
Ｚ：回転軸

Claims (9)

1. 吸気口（４）を有するシュラウド（２）と、ハブ（６）と、前記吸気口（４）の円周全体にわたって回転軸（Ｚ）周りに分散配置された、回転方向に対して前方または後方に彎曲した複数のブレード（８）と、それぞれ周方向において隣接する前記ブレード（８）の間に形成された、前記吸気口（４）の領域から径方向外側または斜め方向外側に通じて外周領域において吹出し口（１１）を作り出すブレード間流路（１０）とを含んでおり、前記ブレード間流路（１０）の有効流れ断面サイズは運転中にレイノルズ数（Ｒｅ）が２３００を上回る乱流が達成されるものであり、かつ、前記シュラウド（２）または前記ハブ（６）あるいはその両方が非回転対称的形状で、少なくとも前記各ブレードを横切る周方向に連続する輪郭を形成する前記回転軸（Ｚ）方向における形状差を有する形状を有するように構成した、遠心式送風機または斜流送風機に用いられるインペラであって、
   前記非回転対称的形状は、前記回転軸（Ｚ）に平行な方向に、連続した輪郭を有し、
   前記シュラウド（２）および／または前記ハブ（６）は周方向に波形に形成され、
   それぞれ２枚の隣接する前記ブレード（８）の間には外に向かって凸状に彎曲した区域が形成され、
   隣接する前記区域は、それぞれのブレード（８）の領域において、前記回転軸（Ｚ）方向に階段形状を有することなく互いに連続していることを特徴とするインペラ。
2. 前記非回転対称的形状は、径方向（ｒ）で見て、連続的に延びているまたは不連続的で、階段状に延びていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
3. 前記シュラウド（２）の前記吸気口（４）の領域は前記回転軸（Ｚ）方向または径方向（ｒ）あるいはその両方向に非回転対称的に形成され、前記吸気口（４）を包囲する、軸方向に突出した羽根車流入口（１２）の領域は凸部と凹部とが交互に連続する波形に延びる輪郭を有することを特徴とする請求項１または２に記載のインペラ。
4. 前記シュラウド（２）は径方向（ｒ）に非回転対称的に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインペラ。
5. 前記ハブ（６）は径方向（ｒ）に非回転対称的に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインペラ。
6. 前記ブレード（８）は少なくとも部分的に、適切に成形された前記シュラウド（２）および前記ハブ（６）間の直接結合によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインペラ。
7. 前記非回転対称的形状が、形状または配置あるいはその両方の点で、周方向に周期的にまたは不規則的に反復して形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のインペラ。
8. 前記非回転対称的形状が、前記回転軸（Ｚ）を含んだ、各ブレード（８）の両側に位置する２枚の放射断面の間で、前記ブレード（８）越しに階段形状を生ずることなく形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のインペラ。
9. 前記吸気口（４）は、それぞれのブレード間流路（１０）の有効流れ幅（ＤＫ）との比が１０未満であるような有効吸気口流れ幅（Ｄｓ）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のインペラ。

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