JP4657810B2 - Multi-blade impeller structure - Google Patents
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Description
本発明は電子機器の冷却等に使用される小型の多翼送風機の効率改善と低騒音化を可能とする多翼羽根車構造に関する。 The present invention relates to a multi-blade impeller structure that can improve the efficiency and reduce noise of a small multi-blade fan used for cooling electronic devices.
多翼送風機は、図11に示すように、回転軸100周りに多数の翼101を配置した多翼羽根車102を、空気吸込み口と吐出し口を有するスクロールケーング内に収容したもので、その送風効率と騒音は、スクロールケーシング形状と翼101の形状に大きく左右される。特に、羽根車102内の空気流路に大きく影響する翼101の入口角と出口角と称する翼中心線の成す角度について、考慮を払う必要がある。
As shown in FIG. 11, the multiblade blower accommodates a
図14(a)(b)(c)は、遠心羽根車の翼110,120,130の形状を示した一般的な図であるが(非特許文献3)、入口角は、回転方向の向きに、内径接線Aから翼中心線Bに成す角度を言い、図14(a)(b)(c)では、β1が相当する。一方、出口角は、回転方向の向きに、外形接線Cから翼中心線Bに成す角度を言い、図14(a)(b)(c)では、β2が相当する。入口角β1と出口角β2は翼110,120,130がいかなる形状になっても、共通した箇所の角度を指し、その大きさが変わるのみである。すなわち、出口角β2が90度よりも小さいと翼110は回転方向に対して、後ろ向きとなり、後ろ向き羽根(図14(a))と呼ばれている。入口角β1と出口角β2が等しい翼120は径向き羽根(図14(b))と呼ばれている。一方、出口角β2が90度よりも大きいと翼130は回転方向に対して、前向きとなり、前向き羽根(図14(c))と呼ばれ、これが多翼羽根車である。
FIGS. 14A, 14B, and 14C are general diagrams showing the shapes of the
特許文献1では、図12に示すように、入口角β1が、補角すなわち、反対位置にある。また、特許文献2が、図13に示すように、出口角β2が、補角すなわち、反対位置にある。このように、翼形状を特定する角度は、2種類あり、誤解が生ずるのを避けるためには、角度を定義しておく必要がある。
In
次に、最適な入口角β1と出口角β2の組み合わせであるが、前述のように、多翼ファンでは、羽根車で空気流の向きを変えることで圧力を上昇させるため、本来、回転方向逆向きに翼に流入した空気流が、回転方向向きに、流出する場合が、もっとも羽根車の回転エネルギーを空気流に効率よく与えることになるが、実在の空気では、流れの剥離が発生するなど、理想的な状態とは大きく異なっている。そこで、多翼ファンでは、実験をもとにした設計値が使われている。
特許文献1は、送風効率の改善と騒音低減に有効な出口角について触れている。また、特許文献2は、入口角と出口角が主板側と副板側で各々異なることを特徴としている。
Next, the optimum combination of the inlet angle β1 and the outlet angle β2, but as described above, in the multiblade fan, the pressure is increased by changing the direction of the air flow with the impeller, so that the rotation direction is originally reversed. When the air flow that flows into the blades in the direction flows out in the direction of rotation, the rotational energy of the impeller is most effectively given to the air flow, but in the actual air, flow separation occurs, etc. This is very different from the ideal state. Therefore, design values based on experiments are used for multiblade fans.
しかしながら、図12に示す特許文献1の入口角、出口角と、図13に示す特許文献2の入口角、出口角とは、図中の示す位置が異なっていて、互いに違う箇所の角度をさしていることがわかる。
However, the entrance angle and the exit angle of
また、多翼送風機は、翼に沿って、空気流が流れの向きを変えることで、圧力を上昇するため、入口角と出口角とは、本来、密接な関係があるはずである。
ところが、特許文献1では、出口角については、具体的な数値を示しているが、入口角については、触れていない。一方、特許文献2では、翼の入口部での気流との乖離を防止するために、入口角を適切に設定することが述べられているが、その具体的な数値については、まったく触れていない。すなわち、特許文献1や特許文献2をもとに多翼羽根車を設計しようとしても、おおまかな設計方針についての情報は得られるものの、具体的な指標が得られないため、試行錯誤に頼らざるを得ず、高効率で低騒音の多翼送風機を得るという目的を達成することは、難しい。
このように、従来の多翼羽根車を用いた多翼送風機では、効率、騒音共に、最善の設計となっているとは言い難く、容易に、高い効率で、かつ、低騒音の羽根車を設計する方法が要求されている。前述の特許文献1の翼出口負圧面側と正圧面側の角度を最適に設定することや特許文献2の軸方向での翼入口角、出口角を最適に設定することは、翼の入口角、出口角を最適に設定した後に有効な改善手段である。
However, in
As described above, it is difficult to say that a multi-blade fan using a conventional multi-blade impeller has the best design in terms of both efficiency and noise. An impeller with high efficiency and low noise can be easily obtained. A design method is required. The optimal setting of the blade outlet suction surface side and the pressure surface side angle of
本発明は、上記課題を解決し、従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計を、容易に行うことができるとともに、高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる多翼羽根車構造を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and can easily design a multi-blade impeller for a multi-blade fan that has conventionally had to rely on experiments, and is a highly efficient and low-noise multi-blade impeller. An object of the present invention is to provide a multiblade impeller structure capable of obtaining the above.
本発明は、上記課題を解決するため、共通の円周面上に、円周方向に一定間隔で、かつ軸方向に沿って多数の翼を配置し、これら多数の翼の一端を、回転軸に連結される主板で支持するとともに、該多数の翼の他端を、環状の副板で支持し、上記環状の副板の吸込み口から取り入れた空気を多数の翼の周囲から噴出するようにした多翼羽根車構造において、上記翼中心線の内側の端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと該翼中心線の内側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトルとの成す角を入口角β1とし、上記翼中心線の外側端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと該翼中心線の外側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトルとの成す角を出口角β2として、出口角β2が140度のとき入口角β1を86度、または出口角β2が160度のとき入口角β1を67度に設定したことを特徴とする多翼羽根車構造。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention arranges a large number of wings on a common circumferential surface at regular intervals in the circumferential direction and along the axial direction, and one end of the multitude of wings is connected to the rotating shaft. And supporting the other end of the plurality of blades with an annular sub-plate so that air taken in from the suction ports of the annular sub-plate is ejected from the periphery of the multiple blades. In the multi-blade impeller structure, the angle formed by the tangent vector opposite to the rotational direction starting from the inner end point of the blade center line and the tangent vector of the outer blade center line starting from the inner end point of the blade center line. Is the entrance angle β1, and the angle formed by the tangent vector opposite to the rotation direction starting from the outer end point of the blade center line and the tangent vector of the blade center line outward starting from the outer end point of the blade center line is the exit angle. Enter β2 when the exit angle β2 is 140 degrees Multi-blade impeller structure corners .beta.1 86 degrees, or exit angle β2 which is characterized in that the set inlet angle .beta.1 to 67 degrees when the 160 degrees.
以上のように本発明に係る多翼羽根車構造を用いた多翼送風機では、送風効率、騒音共に良好な結果であり、従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計が、本発明により、誰でも容易に高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる。 As described above, in the multiblade fan using the multiblade impeller structure according to the present invention, both the airflow efficiency and the noise are good results, and the multiblade impeller of the multiblade fan that has conventionally had to rely on experiments According to the present invention, anyone can easily obtain a multi-blade impeller with high efficiency and low noise.
以下、本発明の実施の形態を図1ないし図7により詳細に説明する。
図1は本発明に係る多翼羽根車の斜視図、図2Aは、多翼送風機の斜視図、図2Bは、多翼送風機の一部を切り欠いて示す斜視図である。
図1、図2A、および図2Bにより本実施の形態の多翼羽根車および多翼送風機の全体構成を説明する。
多翼羽根車1は、共通の円周面上に、円周方向に一定間隔で、かつ軸方向に沿って多数の翼2を配置し、これら多数の翼2の一端を、回転軸に連結される主板3で支持するとともに、該多数の翼2の他端を、環状の副板4で支持したものである。多翼羽根車1を組付けた多翼送風機は、側壁に吸込口5aを形成したスクロールケーシング6内に多翼羽根車1を内蔵したもので、多翼羽根車1の主板3にモータMの回転軸が連結されて多翼羽根車1を回転駆動するものである。
多翼羽根車1は、モータの回転軸と接合するハブ7を中心に設置した主板3と、多翼送風機吸込み側に位置する副板4との間に、複数の翼2が両端の軸部を介して固定されていて、モータが回転することで、多翼羽根車1が回転し、多翼羽根車1外周に向かう気流を作り出すものである。
多翼羽根車1は、スクロールケーシング6のスクロール中心に位置し、多翼羽根車1の回転により、スクロールケーシング6の側面に形成した吸込口5aから流入した空気は、多翼羽根車1の遠心方向に、多翼羽根車1から流出する。次いで、スクロールケーシング6に沿って、圧力が上昇した空気流は、吐出口5bから流出される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a perspective view of a multi-blade impeller according to the present invention, FIG. 2A is a perspective view of a multi-blade fan, and FIG. 2B is a perspective view showing a part of the multi-blade fan.
The overall configuration of the multiblade impeller and the multiblade blower of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2A, and 2B.
In the
The
The
図3A、図3Bは多翼羽根車の翼の形状を示す平面図である。
図3A、図3Bにおいて、多翼羽根車内側から流入した空気流は、翼2により、流れの向きを変える際に、圧力を上昇する。このように、翼2での流れの変更が、多翼送風機の送風原理であり、したがって、翼2の入口角β1、出口角β2が多翼送風機設計の際の重要なポイントとなる。
すなわち、翼中心線16の内側の端点8から始まる回転方向と逆向きの該翼中心線16の内側端点8を通る円の接線ベクトル9と該翼中心線16の内側端点8から始まる羽根車外向きの翼中心線16の接線ベクトル10との成す角度11(入口角β1)と、該翼中心線16の外側端点12から始まる回転方向と逆向きの該翼中心線16の外側端点12を通る円の接線ベクトル13と該翼中心線16の外側端点12から始まる羽根車外向きの翼中心線接線ベクトル14との成す角度15(出口角β2)の和を200度から240度の範囲に設定した。
3A and 3B are plan views showing the shape of the blades of the multiblade impeller.
In FIG. 3A and FIG. 3B, when the air flow which flowed in from the inside of a multiblade impeller changes the direction of a flow with the wing |
That is, the
次に、本発明の多翼羽根車構造における入口角β1、出口角β2を求める方法を説明すると、種々の入口角β1、出口角β2の多翼羽根車を試作し、市販の多翼送風機の羽根車と交換し、その送風効率、騒音を測定することで、最適な入口角β1と出口角β2を求めた。 Next, a method for obtaining the inlet angle β1 and the outlet angle β2 in the multiblade impeller structure of the present invention will be described. Trial manufacture of a multiblade impeller having various inlet angles β1 and outlet angles β2 The optimum inlet angle β1 and outlet angle β2 were obtained by replacing the impeller and measuring the blowing efficiency and noise.
その結果、図4および図5に示すように、入口角β1と出口角β2には、効率、騒音を最適化する組み合わせがあることが判明した。
すなわち、図4は出口角β2が140度、160度、170度と入口角β1が48度、67度、86度、104度の計12種類の組み合わせの羽根車の最大送風効率すなわち、送風出力と軸動力の比の最大値を表したものであるが、入口角β1と出口角β2とが、それぞれ、β1=48度とβ2=170度、β1=67度とβ2=160度、β1=86度とβ2=140度のときに、最大効率がもっとも大きくなっていることが分かる。すなわち、入口角β1と出口角β2との和が、220度前後で最大となることが分かる。一方、図5は、同様に入口角β1と出口角β2の12種類の組み合わせの羽根車での騒音値を表したものであるが、同じく、入口角β1と出口角β2とが、それぞれ、β1=48度とβ2=170度、β1=67度とβ2=160度、β1=86度とβ2=140度のときに、騒音レベルがもっとも小さくなっていることが分かる。これは、送風効率が最大となる入口角β1と出口角β2の組み合わせと同じである。
すなわち、入口角β1と出口角β2の和が220度前後で、送風効率、騒音とも最適な状態となることが判明した。そして、入口角β1と出口角β2の和が220度±12度の範囲が送風効率、騒音とも最適な状態となる。この場合、上記翼2の出口角β2が140度から170度の範囲が好ましい範囲となる。
なお、実験に使用した入口角β1と出口角β2は、前述の一般的な定義に基づいている。
As a result, as shown in FIGS. 4 and 5, it has been found that there is a combination that optimizes efficiency and noise in the entrance angle β1 and the exit angle β2.
In other words, FIG. 4 shows the maximum blowing efficiency of the impeller having 12 types of combinations of the outlet angle β2 of 140 degrees, 160 degrees, 170 degrees and the inlet angle β1 of 48 degrees, 67 degrees, 86 degrees, and 104 degrees, that is, the blowing output. Is the maximum value of the ratio of the shaft power and the inlet angle β1 and the outlet angle β2 are β1 = 48 degrees and β2 = 170 degrees, β1 = 67 degrees and β2 = 160 degrees, and β1 = It can be seen that the maximum efficiency is the largest when 86 degrees and β2 = 140 degrees. That is, it can be seen that the sum of the entrance angle β1 and the exit angle β2 becomes maximum at around 220 degrees. On the other hand, FIG. 5 shows the noise values of 12 types of impellers having the same combination of the entrance angle β1 and the exit angle β2, and the entrance angle β1 and the exit angle β2 are respectively represented by β1. = 48 degrees and β2 = 170 degrees, β1 = 67 degrees and β2 = 160 degrees, and β1 = 86 degrees and β2 = 140 degrees show that the noise level is the smallest. This is the same as the combination of the inlet angle β1 and the outlet angle β2 that maximizes the air blowing efficiency.
That is, it was found that the sum of the inlet angle β1 and the outlet angle β2 is around 220 degrees, and that the air blowing efficiency and noise are both optimal. A range where the sum of the inlet angle β1 and the outlet angle β2 is 220 degrees ± 12 degrees is an optimum state of both the blowing efficiency and noise. In this case, the exit angle β2 of the
The entrance angle β1 and the exit angle β2 used in the experiment are based on the general definition described above.
また、図6は、最適な入口角β1と出口角β2の組み合わせの羽根車同士で、送風効率と騒音レベルを比較したものであるが、出口角β2が170度のものは、送風効率が大きく、同時に騒音レベルも大きいことが分かる。一方、出口角β2が140度のものは、他の最適な組み合わせと比べると、騒音レベルが小さいが、送風効率は、多少劣ることが分かる。すなわち、入口角β1と出口角β2の和が220度前後となる最適な組み合わせの内、出口角β2を小さく設定すると、低騒音であることを重視した設計になり、出口角β2を大きく設定すると効率を重視した設計になることが分かる。なお、それぞれは、送風効率、騒音が最も良くなる組み合わせであり、従来の設計を基にしたものよりも、効率、騒音いずれにおいても優れていることは言うまでもない。 FIG. 6 is a comparison of the air blowing efficiency and the noise level between the impellers having the optimum inlet angle β1 and outlet angle β2, and the air blowing efficiency is large when the outlet angle β2 is 170 degrees. At the same time, it can be seen that the noise level is also high. On the other hand, when the exit angle β2 is 140 degrees, the noise level is small as compared with other optimum combinations, but it is understood that the air blowing efficiency is somewhat inferior. That is, among the optimal combinations in which the sum of the entrance angle β1 and the exit angle β2 is around 220 degrees, when the exit angle β2 is set small, the design is focused on low noise, and when the exit angle β2 is set large. It can be seen that the design emphasizes efficiency. In addition, each is a combination in which the blowing efficiency and the noise are the best, and it goes without saying that both the efficiency and the noise are superior to those based on the conventional design.
また、多翼送風機においても、相似則、すなわち、大きさの異なる形状が相似の送風機同士の特性は、大きさをパラメータとした一定の関係があるため、本発明の入口角β1と出口角β2の関係は、羽根車の大きさによらずに、成り立つことは、言うまでもない。 Also, in the multiblade fan, the similarity law, that is, the characteristics of the fans having similar shapes of different sizes have a certain relationship with the size as a parameter, and therefore the inlet angle β1 and the outlet angle β2 of the present invention. Needless to say, this relationship is established regardless of the size of the impeller.
次に、図1ないし図3に示した多翼送風機において、従来の多翼羽根車と本発明に係る多翼羽根車とを収容し、流量および圧力特性を測定して、送風効率を算出することと、無負荷時の騒音レベルを測定することで、比較を行った。
多翼羽根車の外径は95mm、翼数は23、翼厚みは2mmであり、従来例、本発明実施例とも同じである。
翼の入口角β1、出口角β2については、従来例としては、前述のように、角度設定の見解の相違や、実験により設定していることなどから、確たる値はないため、ここでは、入口角β1=103度、出口角β2=170度とした。これが図11に示す従来例である。
Next, in the multiblade blower shown in FIGS. 1 to 3, the conventional multiblade impeller and the multiblade impeller according to the present invention are accommodated, the flow rate and pressure characteristics are measured, and the blowing efficiency is calculated. And comparing the noise level at no load.
The outer diameter of the multiblade impeller is 95 mm, the number of blades is 23, and the blade thickness is 2 mm, which is the same as in the conventional example and the embodiment of the present invention.
As for the inlet angle β1 and the outlet angle β2 of the blade, as described above, there is no certain value because of the difference in the opinion of angle setting or the fact that it is set by experiment as described above. The angle β1 = 103 degrees and the exit angle β2 = 170 degrees. This is the conventional example shown in FIG.
一方、本発明に係る実施例では、入口角β1=67度と出口角β2=160度の組み合わせと入口角β1=48度と出口角β2=170度の2種類について、測定を行った。なお、入口角β1と出口角β2の和は、本発明の請求項にあるように、それぞれ、227度、218度と送風効率、騒音共に最適化する角度となっている。
流量−圧力特性を測定した後、流量と圧力の積と軸動力の比から、送風効率を求める。ついで、流量は、無次元則を用いて、流量係数φに換算する。送風効率は、流量が開放時の流量の50%前後で最大となり、この流量、圧力で使用するのが、もっとも効率が良い。ここでは、最大送風効率を比較することにした。
On the other hand, in the Example which concerns on this invention, it measured about two types, the combination of entrance angle (beta) 1 = 67 degree and exit angle (beta) 2 = 160 degree, entrance angle (beta) 1 = 48 degree, and exit angle (beta) 2 = 170 degree. The sum of the entrance angle β1 and the exit angle β2 is 227 degrees and 218 degrees, respectively, as shown in the claims of the present invention, and is an angle that optimizes both blowing efficiency and noise.
After measuring the flow rate-pressure characteristics, the blowing efficiency is obtained from the ratio of the product of the flow rate and pressure and the shaft power. Next, the flow rate is converted into a flow coefficient φ using a dimensionless rule. The blowing efficiency becomes maximum when the flow rate is about 50% of the flow rate when the air flow is open, and it is most efficient to use this flow rate and pressure. Here, we decided to compare the maximum ventilation efficiency.
また、騒音については、多翼羽根車の回転速度が2000r/mでの無負荷時の騒音を吸込み口から1mの位置でマイクロホンで測定し、聴覚補正の一種であるA特性補正を行った値を比較することとした。
図7は従来例と本発明の実施例のうち、入口角β1=67度、出口角β2=160度の多翼送風機について、送風効率を比較したもので、図8は同じく、騒音特性を比較したものである。送風効率については、大きな差はないものの、騒音については、従来例が51.4dB(A)に対して、本発明の実施例は、48.4dB(A)と大幅に低減していることが分かる。
As for noise, a value obtained by measuring the noise under no load when the rotational speed of the multi-blade impeller is 2000 r / m with a microphone at a position 1 m from the suction port, and performing A characteristic correction which is a kind of auditory correction. We decided to compare.
FIG. 7 shows a comparison of the blowing efficiency of a conventional blade and a multi-blade fan having an inlet angle β1 = 67 degrees and an outlet angle β2 = 160 degrees of the embodiment of the present invention, and FIG. 8 similarly compares the noise characteristics. It is a thing. Although there is no significant difference in the air blowing efficiency, the noise of the example of the present invention is significantly reduced to 48.4 dB (A) compared to 51.4 dB (A) in the conventional example. I understand.
さらに、図9は従来例と本発明の実施例のうち、入口角β1=48度、出口角β2=170度の多翼送風機について、送風効率を比較したもので、図10は同じく、騒音特性を比較したものである。騒音については、本発明の実施例が1dBほど低減し、効率については、従来例が48.1%に対して、本発明の実施例が50.6%と大きく改善されていることがわかる。 Further, FIG. 9 is a comparison of the air blowing efficiency of a multiblade fan having an inlet angle β1 = 48 degrees and an outlet angle β2 = 170 degrees of the conventional example and the embodiment of the present invention, and FIG. Is a comparison. Regarding the noise, it can be seen that the embodiment of the present invention is reduced by about 1 dB, and the efficiency is greatly improved to 50.6% in the embodiment of the present invention compared to 48.1% in the conventional example.
上記実施の形態によると、本発明に係る多翼羽根車構造を用いた多翼送風機では、送風効率、騒音共に良好な結果であり、従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計が、本発明により、誰でも容易に高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる。 According to the above embodiment, in the multiblade fan using the multiblade impeller structure according to the present invention, both the air blowing efficiency and the noise are good results, and conventionally, many of the multiblade fans that have had to rely on experiments. The blade impeller design allows anyone to easily obtain a highly efficient and low noise multiblade impeller.
1 多翼羽根車
2 翼
3 主板
4 副板
5a 吸込口
5b 吐出口
6 スクロールケーシング
7 ボス
8 翼中心線の内側端点
9 翼中心線の内側端点から始まる羽根車回転方向と逆向きの内径接線ベクトル
10 翼中心線の内側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトル
12 翼中心線の外側端点
13 翼中心線の外側端点から始まる羽根車回転方向と逆向きの外径接線ベクトル
14 翼中心線の外側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトル
β1 入口角
β2 出口角
DESCRIPTION OF
Claims (1)
上記翼中心線の内側の端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと該翼中心線の内側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトルとの成す角を入口角β1とし、上記翼中心線の外側端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと該翼中心線の外側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトルとの成す角を出口角β2として、出口角β2が140度のとき入口角β1を86度、または出口角β2が160度のとき入口角β1を67度に設定したことを特徴とする多翼羽根車構造。 A large number of wings are arranged on the common circumferential surface at regular intervals in the circumferential direction and along the axial direction, and one end of each of the wings is supported by a main plate connected to a rotating shaft, In the multi-blade impeller structure in which the other end of a large number of blades is supported by an annular sub-plate, and the air taken in from the suction port of the annular sub-plate is ejected from the periphery of the numerous blades.
The angle formed between the tangent vector opposite to the rotational direction starting from the inner end point of the blade center line and the tangent vector of the blade center line outward starting from the inner end point of the blade center line is defined as an entrance angle β1, and the blade The angle formed by the tangential vector opposite to the rotational direction starting from the outer end point of the center line and the tangent vector of the blade center line outward starting from the outer end point of the blade center line is defined as the exit angle β2, and the exit angle β2 is 140. The multi-blade impeller structure is characterized in that the inlet angle β1 is set to 86 degrees when the angle is 60 degrees, or the inlet angle β1 is set to 67 degrees when the outlet angle β2 is 160 degrees .
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