JP2005291149A - 流体駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ファン騒音を低減する技術として、フィンピッチ角度を不均等に配置するとともに、表裏面のフィンの位置を半ピッチずらす技術があるが、人の可聴周波数帯域内における騒音のオーバーオール値は低減しない。
【解決手段】 フィン２１ａの枚数をＮ、電動モータ１の回転速度をＳ（回転数／ｓｅｃ）とした場合、Ｎ×Ｓによって求められる値を、人の可聴周波数帯域より高くした。これにより、ファン騒音の１次ピークが可聴周波数帯域外の高域で発生することになり、人に聴こえるファン騒音を低減できる。また、フィンピッチ角度をすべて均一に設けたため、ファン騒音の１次ピークが変動しない。フィン２１ａの枚数を素数に設けたため、１／２次ピーク等が可聴周波数帯域内に発生しない。渦流室２８の終端に容積空間を徐々に小さくする傾斜部を設けたため、回転開始時と回転停止時に、ファン騒音の１次ピークが可聴周波数帯域を通過する際のファン騒音を低くできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のフィンを電動モータによって回転駆動することにより、流体を駆動する流体駆動装置に関するものであり、特にファン騒音を低減する技術に関するものである。

電動エアポンプ（流体駆動装置の一例）のファン騒音を低減する技術として、（１）インペラのフィンピッチ角度を不均等に配置するとともに、（２）インペラの表裏面のフィンの回転方向の位置を変調点０の位置で半ピッチずらす技術が知られている。
この技術は、上記（１）、（２）により、インペラの表裏面で発生する音同士を干渉させて音エネルギーを打ち消し合わせることで、ファン騒音を低減させるものである（例えば、特許文献１参照）。

しかし、フィンピッチ角度を不均等にし、且つ表裏面のフィン位置をずらして変調することにより、常用回転における騒音周波数に、レベルの高い騒音ピークは発生しなくなるものの、不均等のフィンピッチ角度によりレベルの低い騒音ピークが多数分散して発生することになる。この結果、人の可聴周波数帯域内における騒音のオーバーオール値は低減しないという欠点がある。
特開平９−２０９９９７号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は騒音のピーク周波数を人の可聴周波数帯域の外の高域へ移行させることで、人に聴こえる騒音を低く抑えることのできる流体駆動装置の提供にある。

［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用する流体駆動装置は、フィンの枚数をＮ、電動モータが常用回転する際における１秒間当たりの回転数をＳとした場合に、Ｎ×Ｓ（×は乗算）によって求められる値が、人の可聴周波数帯域より高く設けられたものである。
このように設けられることにより、ファン騒音の１次ピークの周波数（Ｎ×Ｓ）が、人の可聴周波数帯域の外の高域側で発生することになり、人に聴こえるファン騒音を低く抑えることができる。

［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用する流体駆動装置は、各フィンのフィンピッチ角度を均一に設けたものである。
このように設けられることにより、ファン騒音のピーク周波数を、１次ピークの１点に集中することができるとともに、１次ピークの周波数変動が無い。このため、ファン騒音の１次ピークの周波数を、人の可聴周波数帯域の外の高域へ完全に移行させることができる。

［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用する流体駆動装置は、フィンの枚数を素数に設けたものである。 このように設けられることにより、ファンによる騒音ピークが１次ピークの他に発生するのを防ぐことができる。この結果、ファン騒音の０．５次ピーク等が人の可聴周波数帯域内に発生するのを防ぐことができる。即ち、騒音ピークが分散するのを防ぎ、人の可聴周波数帯域内に騒音ピークが発生するのを防ぐことができる。

［請求項４の手段］
請求項４の手段を採用する流体駆動装置は渦流式ブロワ装置であり、渦流室における吐出口側の終端に、フィンの回転方向へ向って渦流室の終端の容積空間を徐々に小さくする傾斜部を設けたものである。
渦流室の終端に、渦流室の容積空間を徐々に小さくする傾斜部を設けることにより、フィンが渦流室の終端に侵入する際の圧力の変化が緩やかになり、フィンが終端に侵入する際に発生する騒音エネルギーを低くできる。これによって、回転開始時と、回転停止時に、ファン騒音の１次ピークが可聴周波数帯域を通過する際におけるファン騒音の騒音レベルを低く抑えることができる。

最良の形態の流体駆動装置は、複数のフィンを電動モータによって回転駆動するものであり、フィンの枚数をＮ、電動モータが常用回転する際における１秒間当たりの回転数をＳとした場合に、Ｎ×Ｓによって求められる値を、人の可聴周波数帯域より高く設定したものである。

本発明を電動エアポンプに適用した実施例１を、図１〜図３を参照して説明する。
電動エアポンプは、空気を圧縮して吐出するものであり、例えば自動車に搭載される排気ガス浄化用の触媒の上流に、加圧された２次空気を供給する２次空気供給システムに用いられるものである。
この実施例１では、電動エアポンプとして、両羽タイプの渦流式ブロワ装置を用いた例を示す。

本実施例の電動エアポンプは、図１に示されるように、電動モータ１、渦流式のブロワ２、フィルタ３を組み込んだエアダクト４より構成される。
（電動モータ１の説明）
この実施例１に示す電動モータ１は、直流モータ（ＤＣモータ）であり、筒状のヨーク５の内周に複数の磁石６を配置して構成される界磁７（固定子）、この界磁７の内周に配置されるアーマチャ８（回転子）、このアーマチャ８に具備されるコンミテータ９に当接する複数のブラシ１０をモータハウジング１１内に配置するブラシアセンブリ１２等より構成される。

アーマチャ８は、電動モータ１内において回転自在に支持される回転軸１３、この回転軸１３の外周に固定されたアーマチャコア１４、このアーマチャコア１４に巻装された複数のアーマチャコイル、このアーマチャコイルに接続された複数のコンミテータ９等より構成される。
ブラシアセンブリ１２は、コンミテータ９に押し付けられるブラシ１０、このブラシ１０をコンミテータ９に向けて摺動可能に保持するブラシ保持部材１５、ブラシ１０をコンミテータ９に向けて付勢するスプリング１６、ブラシ保持部材１５をモータハウジング１１内において支持するスペーサ１７等より構成される。

（ブロワ２の説明）
この実施例１に示すブロワ２は、両羽タイプの渦流式であり、インペラ２１およびブロワハウジング２２よりなる。
インペラ２１は、略円盤形状を呈し、その外周の両面にそれぞれ多数のフィン２１ａが設けられたものであり、円盤部の中心が電動モータ１の回転軸１３の端部に結合手段２３を介して結合されて、回転軸１３と一体に回転するものである。
ブロワハウジング２２は、モータハウジング１１にネジ２４によって結合される第１ケース２５と、この第１ケース２５にクリップ２６によって結合する第２ケース２７とで構成される。また、ブロワハウジング２２の内部には、インペラ２１の回転による多数のフィン２１ａの移動によって、エアを圧縮する渦流室２８が形成されている。

渦流室２８は、インペラ２１の外周に沿う略Ｃ字形（一部が途切れた円形状）を呈し、多数のフィン２１ａが設けられた部分の周囲に、エアが流れる空間を形成するものである。
図２に示すように、渦流室２８の始端２８ａ（フィン２１ａが渦流室２８に侵入を開始する部分）には、外部のエアを渦流室２８内に導入する吸入口３１が設けられている。この吸入口３１は、図１に示すように、エアダクト４の下流端部に接続されるものである。 渦流室２８の終端２８ｂ（フィン２１ａが渦流室２８から出る部分）には、渦流室２８内において圧縮されたエアを外部に排出する吐出口３２が設けられている。

（電動エアポンプの作動）
上記構成よりなる電動エアポンプは、電動モータ１が通電（例えば、リレー等を介して車両に搭載されたバッテリに接続）されると、回転軸１３とともにインペラ２１が回転する。
インペラ２１が回転すると、多数のフィン２１ａの移動によって、渦流室２８の空気は始端２８ａ側から終端２８ｂ側に圧縮される。吸入口３１には負圧が生じるため、フィルタ３で濾過された空気が吸入口３１に導かれるとともに、吐出口３２には高圧が生じるため、渦流室２８の内部で加圧されたエアが吐出口３２から排出される。
ここで、電動モータ１が通常使用される回転速度を常用回転速度と称する。そして、この実施例１の電動モータ１は、通電（オン）と非通電（オフ）の切り替えのみが行われる例を示すものであり、電動モータ１が通電されて回転軸１３およびインペラ２１が安定して回転する回転速度が常用回転速度に相当する。

（実施例１の特徴）
本実施例１の電動エアポンプには、ファン騒音のピーク周波数を人の可聴周波数帯域の外の高域へ移行させることで、人に聴こえる騒音を低く抑える技術が施されており、次にその技術について説明する。

電動エアポンプは、多数のフィン２１ａが一方向に回転し、各フィン２１ａが空気に流速を与える構造であるため、（１）各フィン２１ａによって圧縮された空気が吐出口３２に案内された毎に圧力が変動して脈動音が生じるとともに、（２）ブロワハウジング２２内において渦流室２８の終端２８ｂ〜始端２８ａの間において、渦流室２８の連通を遮断する仕切り部３３（図２参照）にフィン２１ａが侵入する毎に風切り音が発生する。
上記（１）の脈動音は、各フィン２１ａによって駆動される空気の圧力が、吐出口３２に連通するなどして変動する時に生じる音であるため、脈動音の周波数は、主にフィン２１ａと吐出口３２とが交差するサイクルに依存する。
同様に、上記（２）の風切り音は、各フィン２１ａが仕切り部３３に侵入する時に生じる音であるため、風切り音の周波数は、主にフィン２１ａと仕切り部３３とが交差するサイクルに依存する。

このように、上記脈動音および風切り音は、どちらも固定部材（吐出口３２、仕切り部３３）とフィン２１ａとが交差するサイクルに依存する音であるため、ファン騒音（脈動音および風切り音）の１次ピークは、固定部材とフィン２１ａとが交差するサイクルに発生する。
即ち、フィン２１ａの枚数をＮ（枚）、電動モータ１の１秒間当たりの回転数をＳ（回転／ｓｅｃ）とした場合に、Ｎ×Ｓ（×は乗算）によって求められる値Ｆ（Ｈｚ）にファン騒音の１次ピークが発生する。

（Ａ）この実施例１の電動エアポンプは、電動モータ１の常用回転速度域（電動モータ１が通電されて電動モータ１が安定して回転する速度域）において、固定部材とフィン２１ａとが交差するサイクル（周波数）を、人の可聴周波数帯域より高い値に設定したものである。
即ち、フィン２１ａの枚数をＮ（枚）、電動モータ１が常用回転する際における１秒間当たりの回転数をＳ（回転／ｓｅｃ）とした場合に、Ｎ×Ｓによって求められる値Ｆを、人の可聴周波数帯域Ｆｈ（Ｈｚ）より高く設定したものである（Ｎ×Ｓ＝Ｆ≧Ｆｈ）。
ここで、本発明の「人の可聴周波数帯域」とは、通常の人に聴こえる周波数の範囲内であり、「人の可聴周波数帯域より高い周波数」とは、通常の人に聴こえる周波数より高い周波数である。具体的な一例として２０ｋＨｚ以上である。

なお、上述したように、ファン騒音は、固定部材とフィン２１ａとが交差するサイクルで発生するものであるため、この実施例１のようにインペラ２１の表裏のそれぞれにフィン２１ａが設けられる場合は、表側のフィン２１ａによるファン騒音と、裏側のフィン２１ａによるファン騒音とが発生する。
このため、表側のフィン２１ａの枚数および裏側のフィン２１ａの枚数は、それぞれにおいて上記の条件（Ｎ×Ｓ＝Ｆ≧Ｆｈ）を満たすように設けられるものである。なお、この実施例１は、表裏のフィン２１ａの枚数は同じであり、後述するようにそれぞれが７９枚である。

（Ｂ）この実施例１では、インペラ２１の表裏に設けられる各フィン２１ａのフィンピッチ角度は、図３（ａ）に示すように、すべて均一に設けられている。
なお、この実施例１では、インペラ２１の表裏面のフィン２１ａの回転方向の位置は、図３（ｂ）に示すように、表裏で一致する例を示すが、表裏面のフィン２１ａの回転方向の位置を変調点０の位置で半ピッチずらしても良い。

（Ｃ）この実施例１では、インペラ２１の表裏にそれぞれ設けられるフィン２１ａの枚数は、素数に設けられている。
具体的に、インペラ２１の表裏には、それぞれ７９枚のフィン２１ａが形成されている。なお、電動モータ１の常用回転する際の１秒間当たりの回転数をＳ（回転／ｓｅｃ）とした場合に、７９×Ｓによって求められる値Ｆ（Ｈｚ）が２０．５ｋＨｚに設定されている。即ち、ファン騒音の１次ピークが２０．５ｋＨｚに設定されており、ファン騒音の１次ピークが人の可聴周波数帯域より高い周波数（２０ｋＨｚ以上）である条件を満足するように設定されている。

（Ｄ）この実施例１では、渦流室２８の終端２８ｂに、フィン２１ａの回転方向へ向って渦流室２８の終端２８ｂの容積空間を徐々に小さくする傾斜部３４が設けられている。 この傾斜部３４は、渦流室２８を区画する仕切り部３３のフィン２１ａが侵入する部分に設けられるものであり、実施例１では、図２に示すように、フィン２１ａの回転方向に向けて徐々に浅くなるＶ字形状の傾斜溝（切欠溝）によって形成されている。
なお、この実施例１では、インペラ２１の表裏にフィン２１ａが設けられているため、表のフィン２１ａが仕切り部３３に侵入する部位と、裏のフィン２１ａが仕切り部３３に侵入する部位とのそれぞれに、傾斜溝による傾斜部３４を設けている。
ここで、傾斜溝の本数は、図２に示す２本以外の数（１本、または３本以上）でも良い。また、傾斜溝ではなく、フィン２１ａが仕切り部３３に侵入する部位に斜面を設けることで傾斜部３４を設けても良い。さらに、フィン２１ａの外周縁が仕切り部３３に侵入する部位に傾斜部３４を設けても良い。

（実施例１の効果）
実施例１の電動エアポンプは、上記（Ａ）で示したように、フィン２１ａの枚数をＮ（枚）、電動モータ１が常用回転する際における１秒間当たりの回転数をＳ（回転／ｓｅｃ）とした場合に、Ｎ×Ｓによって求められる値Ｆを、人の可聴周波数帯域Ｆｈ（Ｈｚ）より高く設定されている（Ｎ×Ｓ＝Ｆ≧Ｆｈ）。
これによって、ファン騒音の１次ピークの周波数Ｆ（Ｈｚ）が、人の可聴周波数帯域の外の高域で発生することになり、人に聴こえるファン騒音を低く抑えることができる。

実施例１の電動エアポンプは、上記（Ｂ）で示したように、インペラ２１の表裏に設けられる各フィン２１ａのフィンピッチ角度が、すべて均一に設けられている。
これによって、ファン騒音のピーク周波数を、１次ピークの１点に集中することができるとともに、１次ピークの周波数が変動しない。このため、ファン騒音の１次ピークの周波数を、人の可聴周波数帯域の外の高域へ完全に移行させることができる。

実施例１の電動エアポンプは、上記（Ｃ）で示したように、インペラ２１の表裏にそれぞれ設けられるフィン２１ａの枚数が、素数（７９枚）に設けられている。
これによって、ファン騒音の１／２次ピークや、１／４次ピーク等が人の可聴周波数帯域内に発生するのを防ぐことができる。即ち、騒音ピークが分散するのを防ぎ、人の可聴周波数帯域内に騒音ピークが発生するのを防ぐことができる。

実施例１の電動エアポンプは、上記（Ｄ）で示したように、渦流室２８の終端２８ｂに、フィン２１ａの回転方向へ向って渦流室２８の終端２８ｂの容積空間を徐々に小さくする傾斜部３４を設けられている。渦流室２８の終端２８ｂに、渦流室２８の容積空間を徐々に小さくする傾斜部３４を設けることにより、フィン２１ａが仕切り部３３に交差する際に発生する圧力の変化が緩やかになり、フィン２１ａが仕切り部３３に交差する際の風切り音を小さくできる。これによって、電動エアポンプの回転開始時と、回転停止時に、ファン騒音の１次ピークが可聴周波数帯域を通過する際におけるファン騒音を低減することができる。

（変形例）
上記の実施例では、空気を加圧して吐出する電動エアポンプに本発明を適用する例を示したが、空気以外の気体（ガス等）を加圧して吐出する流体駆動装置に本発明を適用しても良い。また、気体と液体（例えば霧状液体等）とが混合する気液混合流体を加圧して吐出する流体駆動装置に本発明を適用しても良い。
上記の実施例では両羽タイプのインペラ２１を用いた流体駆動装置（実施例では電動エアポンプ）を例に示したが、片羽タイプ（即ち、表裏の区別のないフィンを用いたタイプ）のインペラを用いた流体駆動装置に本発明を適用しても良い。
上記の実施例では、渦流式の流体駆動装置（実施例では電動エアポンプ）を例に示したが、他の遠心式の流体駆動装置に本発明を適用しても良いし、軸流式の流体駆動装置に本発明を適用しても良い。

電動エアポンプの断面図である。 仕切り部に設けた傾斜部の説明図である。 インペラに設けられたフィンの説明図である。

符号の説明

１ 電動モータ
２ ブロワ
２１ インペラ
２１ａ フィン
２２ ブロワハウジング
２８ 渦流室
２８ｂ 渦流室の終端
３１ 吸入口
３２ 吐出口
３４ 傾斜部

Claims (4)

1. 複数のフィンを電動モータによって回転駆動する流体駆動装置において、
   前記フィンの枚数をＮ、
   前記電動モータが常用回転する際における１秒間当たりの回転数をＳとした場合、
   Ｎ×Ｓによって求められる値が、人の可聴周波数帯域より高く設けられたことを特徴とする流体駆動装置。
2. 請求項１に記載の流体駆動装置において、
   各フィンのフィンピッチ角度は均一であることを特徴とする流体駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の流体駆動装置において、
   前記フィンの枚数は、素数であることを特徴とする流体駆動装置。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれかに記載の流体駆動装置において、
   この流体駆動装置は、
   前記複数のフィンを有するインペラと、
   このインペラを覆い、前記複数のフィンに沿って、流体の吸入口から流体の吐出口に向かう渦流室を形成するブロワハウジングと、を備える渦流式ブロワ装置であり、
   前記渦流室における前記吐出口側の終端には、前記フィンの回転方向へ向って前記渦流室の終端の容積空間を徐々に小さくする傾斜部が設けられたことを特徴とする流体駆動装置。
   

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