JP5095770B2 - 送風ファン - Google Patents

Description

本発明は、中心軸に沿った空気流を発生させるインペラを備えた送風ファンに関する。

従来のいわゆる軸流ファン（送風ファン）に用いられるインペラは、円筒状のインペラカップの外周面に固定された複数の動翼が中心軸を中心に回転することによって、中心軸の方向に沿った空気流を発生させる。

ここで、インペラが回転する際、動翼には径方向の遠心力が働く。この遠心力による影響は、インペラを高速で回転させるほど顕著になる。また、前進度合が大きい動翼の場合、動翼の径方向外端が、動翼の付け根よりも回転方向前方に位置するため、動翼の各部位において発生する遠心力によって、動翼の付け根に大きなモーメントが発生する。従って、インペラは、このような遠心力による影響を考慮した強度設計が要求される。

この遠心力の影響を低減するために、複数の動翼を環状の連結部で互いに連結することによって、遠心力に対する動翼の強度を高める技術が、米国特許出願公開第２００８／００５６８９９号明細書、米国特許第６５５４５７４号明細書、米国特許第６２４１４７４号明細書等に記載されている。

一方、軸流ファンの動翼後方には旋回流が必ず生じるが、この旋回流を軸方向流に転向させる目的で、インペラを回転させるモータの支持部（ベース部）の外周面に、放射状に伸びる複数の静翼を設ける技術が知られている。しかし、この複数の静翼は、ベース部の外周面に固定されるため、ベース部の強度が低下する。そこで、複数の静翼を環状の連結部で互いに連結することによって、ベース部の強度を向上させる技術が、特開２００８−２６１２８０号公報に記載されている。また、この連結部を特定の形状にすることによって、空気流の特性を変える技術が、特開２００５−７６５９０号公報に記載されている。
米国特許出願公開第２００８／００５６８９９号明細書 米国特許第６５５４５７４号明細書 米国特許第６２４１４７４号明細書 特開２００８−２６１２８０号公報 特開２００５−７６５９０号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３には、動翼の回転によって発生する空気流と、動翼を連結する連結部との干渉によるインペラ特性の影響は考慮されていない。

また、上記特許文献４〜５には、動翼を連結する連結部と、静翼を連結する連結部との位置関係によるインペラ特性の影響は考慮されていない。

本発明は、動翼の回転によって発生する空気流と連結部との干渉によるインペラ特性の低下を抑制したインペラを備えた送風ファンを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の動翼を互いに連結する環状の連結部を備えたインペラにおいて、連結部を、動翼の径方向に沿った翼長に対して、動翼の付け根から翼長の７０％〜９０％の位置に形成し、かつ、複数の静翼を連結する環状の連結部を、複数の動翼の連結部から径方向内方に配置する構成を採用する。

すなわち、本発明の一側面における送風ファンは、中心軸を中心に回転する略円筒状のカップ部と、カップ部の外周面に固定され、カップ部と共に回転することにより、軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方に排気する複数の動翼と、複数の動翼をカップ部と共に回転させるモータと、モータを支持するベース部と、複数の動翼の外周を囲うハウジングとを備え、複数の動翼は、略環状の第１の連結部によって互いに連結されており、第１の連結部は、動翼の径方向に沿った翼長に対して、動翼のカップ部外周面における付け根から、翼長の７０％〜９０％の位置に、略円筒形状に形成されており、ハウジングとベース部とは、複数の静翼で連結され、かつ、複数の静翼は、略環状の第２の連結部によって互いに連結されており、第２の連結部は、第１の連結部から径方向内方に配置されていることを特徴とする。

ここで、第２の連結部は、第１の連結部から、カップ部外周と第１の連結部との距離に対して、この距離の５０〜６５％の範囲で径方向内方に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、複数の動翼を連結する環状の第１の連結部を備えたインペラにおいて、第１の連結部を、動翼の径方向に沿った翼長に対して、動翼の付け根から翼長の７０％〜９０％の位置に形成することによって、空気流と連結部との干渉による騒音の増加が抑制できると共に、複数の静翼を連結する環状の第２の連結部を、第１の連結部から径方向内方に配置することによって、最大効率における静圧の低下を抑制できる。これにより、インペラ特性の低下を抑制しつつ、強度の高い送風ファンが実現できるため、自由度の高い送風ファンの設計が可能となる。

本発明の一実施形態におけるインペラの軸方向吸気側から見た平面図である。 図１のインペラの側面図である。 図１のインペラを備えた送風ファンの構成を示した断面図である。 異なる位置に第１の連結部が形成されたインペラの複数のサンプルについて、各インペラの静圧特性及び騒音特性を示したグラフである。 本発明の一実施形態における送風ファンの構成を示した断面図である。 ２種類の静翼Ｘ、Ｙを用いて作製した送風ファンにおけるボス部半径、第１の連結部の距離、第２の連結部の距離をそれぞれ示した表である。 図６の静翼Ｘ、Ｙを用いて作製した送風ファンの静圧特性を示したグラフである。 本発明の一実施形態における送風ファンのハウジングを軸方向吸気側から見た平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態における説明では、中心軸に平行な方向を「軸方向」とし、中心軸を中心とする半径方向を「径方向」としている。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態におけるインペラ１の軸方向吸気側から見た平面図で、図２は、図１のインペラ１の側面図である。また、図３は、図１のインペラ１を備えた送風ファン２の断面図である。

本実施形態におけるインペラ１は、図１及び図２に示すように、中心軸Ｊを中心に回転する略円筒状のカップ部１０と、カップ部１０の外周面１０ａに固定され、カップ部１０と共に回転することにより、軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方に排気する複数の動翼１１と、複数の動翼１１を互いに連結する略環状の連結部１２とを備えている。ここで、連結部１２は、中心軸Ｊを中心とした任意の円に沿って周方向に、略円筒形状に形成されている。

また、本実施形態における送風ファン２は、図３に示すように、インペラ１を駆動するモータと、モータを支持するベース部２４と、インペラ１の外周を囲うハウジング３０と、ハウジング３０とベース部２４とを連結する複数の静翼３１とを備えている。

モータは、インペラ１のカップ部１０の内周面に取り付けられたロータホルダ２２及びロータマグネット２３と、ステータコアにコイルを巻装してなるステータ２６と、軸受保持部２５の内側に固定されたスリーブ軸受２１とを備えている。カップ部１０の中心部に固定されたシャフト２０は、スリーブ軸受２１に挿入されて回転可能に支持されている。

このように構成された送風ファン２は、ステータ２６のコイルに駆動電流を供給することによって、ステータ２６とロータマグネット２３との間で回転トルクを発生させ、これにより、カップ部１０の外周面１０ａに固定された複数の動翼１１が中心軸Ｊを中心に回転する。

本願発明者等は、動翼１１の回転によって発生する空気流と連結部１２との干渉によるインペラ特性の影響を検討した結果、動翼１１の径方向における連結部１２の形成位置に関して重要な知見を得た。

図４は、動翼１１の径方向に対して異なる位置に連結部１２が形成されたインペラ１の複数のサンプルＡ〜Ｅについて、インペラ１の静圧特性及び騒音特性をそれぞれ示したグラフである。ここで、サンプルＡ〜Ｅは、図１に示すように、連結部１２を、動翼１１の径方向に沿った翼長Ｌａに対して、動翼１１のカップ部外周面１０ａにおける付け根から連結部１２までの距離Ｌｂが、翼長Ｌａの５０％、７０％、８０％、９０％、１００％になる位置にそれぞれ形成したものである。図中の曲線Ｇ１ｂ〜Ｇ５ｂは、サンプルＡ〜Ｅの風量と静圧との関係を、また、曲線Ｇ１ａ〜Ｇ５ａは、サンプルＡ〜Ｅの風量と騒音との関係を、それぞれ測定した結果を示したものである。

図４に示すように、連結部１２の位置が５０％、１００％に対応するサンプルＡ、Ｅ（曲線Ｇ１ａ、Ｇ５ａ）では、連結部１２の位置が７０％、８０％、９０％に対応するサンプルＢ、Ｃ、Ｄ（曲線Ｇ２ａ、Ｇ３ａ、Ｇ４ａ）に比べて騒音が増大しているのが分かる。サンプルＡで騒音が増大するのは、動翼１１の径方向の中央部は、空気流生成の寄与度が大きいため、空気流と連結部１２との干渉が大きくなるためと考えられる。また、サンプルＥで騒音が増大するのは、連結部１２を動翼１１の径方向外端１１ｂに設けると、連結部１２とハウジングの側壁との隙間に、逆方向の空気流が発生するためと考えられる。

従って、連結部１２を、動翼１１の径方向に沿った翼長Ｌａに対して、動翼１１の付け根から、翼長Ｌａの７０％〜９０％の位置に形成することによって、連結部１２の付与に起因した騒音の増加を抑制することができる。

また、連結部１２は、動翼１１の径方向外端１１ｂよりも径方向内方側に配置されるため、連結部１２よりも径方向内方に位置する動翼１１の領域１１Ａにおいては、連結部１２の内側面がハウジングの内側面の役目を担うことになる。すなわち、仮想的なハウジングの内側面（連結部１２の内側面）と連結部１２よりも径方向内方に位置する動翼１１の領域１１Ａとの間にはギャップがない。そのため、連結部１２よりも径方向内方に位置する動翼１１の領域１１Ａにおいて、空気流の逆流が発生しにくくなり、逆流する空気流の大半は、連結部１２よりも径方向外方に位置する動翼１１の領域１１Ｂを通過することになる。その結果、連結部１２よりも径方向外方に位置する動翼１１の領域１１Ｂは、専ら空気流の逆流防止のために機能させることができる。これにより、連結部１２よりも径方向内方に位置する動翼１１の領域１１Ａにおいてインペラ１の風量特性を確保しつつ、低風量側での静圧特性の改善を図ることができる。

なお、複数の動翼１１を連結部１２で互いに連結することによって、遠心力に対する動翼１１の強度が高められるが、動翼１１が前進翼として構成されている場合、特にその効果が発揮される。ここで、前進翼とは、図１に示すように、動翼１１の回転方向Ｒの最前方に位置する前縁１１ａと、動翼１１の径方向外端に位置する動翼端１１ｂとの交点Ｐ１が、前縁１１ａとカップ部１０の外周面１０ａとの交点Ｐ２よりも回転方向Ｒの前方側に位置するものをいう。また、前進度合が極端に大きい場合、すなわち、図１に示すように、動翼１１の回転方向Ｒの後方に位置する後縁１１ｃと、動翼１１の径方向外端に位置する動翼端１１ｂとの交点Ｐ３が、動翼１１の回転方向Ｒの前方に位置する前縁１１ａと、カップ部１０の外周面１０ａとの交点Ｐ２よりも回転方向Ｒの前方側に位置している場合に、さらにその効果が発揮し得る。

ところで、本願発明者等は、図５に示すように、複数の静翼３１を略環状の連結部３２で互いに連結した送風ファンの静圧特性について検討していたところ、動翼１１に設けた連結部（第１の連結部）１２に対する静翼３１に設けた連結部（第２の連結部）３２の配置位置によっては、最大効率における静圧が十分に上昇しない場合があることが分かった。

図６は、２種類の静翼Ｘ、Ｙを用いて作製した送風ファンにおけるボス部半径、第１の連結部の距離、第２の連結部の距離をそれぞれ示した表で、図７は、静翼Ｘ、Ｙを用いて作製した送風ファンの静圧特性を示したグラフである。

ここで、作製した送風ファンは、図５に示すように、カップ部１０の半径（Ａ）を３１．５ｍｍ、第１の連結部１２のカップ部１０の側面からの距離（Ｂ）を１８．２５ｍｍとした。また、第２の連結部３２の第１の連結部１２からの距離（Ｃ）を、静翼Ｘでは１０．４５ｍｍ、静翼Ｙでは−２．２５ｍｍとした。なお、静翼Ｘでは、第２の連結部３２を第１の連結部１２から径方向内方に配置し、静翼Ｙでは、第２の連結部３２を、第１の連結部１２から径方向外方に配置している。

図７のグラフにおいて、曲線Ｌ１は、静翼Ｘを用いて作製した送風ファンの静圧特性、曲線Ｌ２は、静翼Ｙを用いて作製した送風ファンの静圧特性をそれぞれ示す。図７に示すように、第２の連結部３２を第１の連結部１２から径方向外方に配置した送風ファンでは、最高効率における静圧が低下しているのに対し、第２の連結部３２を第１の連結部１２から径方向内方に配置した送風ファンでは、最高効率における静圧の低下が抑制されているのが分かる。

このように、第２の連結部３２を第１の連結部１２から径方向外方に配置した送風ファンで、最高効率における静圧が低下しているのは、カップ部１０と第２の連結部３２との間に安定した大きな空気渦が発生し、第２の連結部３２と第１の連結部１２との流路が狭くなるためと考えられる。一方、第２の連結部３２を第１の連結部１２から径方向内に配置した送風ファンで、最高効率における静圧の低下が抑制されているのは、カップ部１０と第２の連結部３２との間に発生する空気渦が大きくなるのが抑制されるので、第２の連結部３２と第１の連結部１２との流路が広くなるためと考えられる。

なお、図６に示すように、静翼Ｘにおいて、第１の連結部１２の距離（Ｂ）に対する第２の連結部３２の距離（Ｃ）の比（Ｃ／Ｂ）は０．５７となっており、第２の連結部３２を配置する位置が、第１の連結部１２よりも径方向内方に位置する動翼１１の領域１１Ａに対して中央近傍にある。第２の連結部３２を、動翼１１の領域１１Ａの中央近傍に配置することによって、カップ部１０と第２の連結部３２との間で空気渦が大きくなることを抑制するため、最高効率における静圧の低下をより抑制することができる。このことから、第２の連結部３２は、動翼１１の領域１１Ａの中央近傍、すなわち、第１の連結部１２から、カップ部１０の外周と第１の連結部１２との距離（Ｂ）に対して、距離（Ｂ）の５０〜６５％の範囲で径方向内方に配置されていることが好ましい。

図８は、本実施形態における送風ファン２を軸方向吸気側から見た平面図である。図８に示すように、ベース部２４とハウジング３０とは、複数の静翼３１で連結され、複数の静翼３１は、略環状の第２の連結部３２によって互いに連結されている。そして、第２の連結部３２は、第１の連結部（不図示）から径方向内方に配置されている。

ここで、ベース部２４、ハウジング３０、複数の静翼３１、及び第２の連結部１２は、射出成形により一体成形されていてもよい。また、第２の連結部１２の形状は特に制限されないが、軸方向排気側に向かって、中心軸に近づくように傾斜した帯状にすることによって、第２の連結部１２に集風効果を付与することができる。

Claims (5)

1. 中心軸を中心に回転する略円筒状のカップ部と、
   前記カップ部の外周面に固定され、該カップ部と共に回転することにより、軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方に排気する複数の動翼と、
   前記複数の動翼を前記カップ部と共に回転させるモータと、
   前記モータを支持するベース部と、
   前記複数の動翼の外周を囲うハウジングと、
   を備え、
   前記複数の動翼は、略環状の第１の連結部によって互いに連結されており、該第１の連結部は、前記動翼の径方向に沿った翼長に対して、前記動翼の前記カップ部外周面における付け根から、前記翼長の７０％〜９０％の位置に、略円筒形状に形成されており、
   前記ハウジングと前記ベース部とは、複数の静翼で連結され、かつ、該複数の静翼は、略環状の第２の連結部によって互いに連結されており、
   前記第２の連結部は、前記第１の連結部から径方向内方に配置されている、送風ファン。
2. 請求項１に記載の送風ファンにおいて、
   前記複数の動翼は、前進翼として構成されている、送風ファン。
3. 請求項１に記載の送風ファンにおいて、
   前記第２の連結部は、前記第１の連結部から、前記カップ部外周と前記第１の連結部との距離に対して、該距離の５０〜６５％の範囲で径方向内方に配置されている、送風ファン。
4. 請求項１に記載の送風ファンにおいて、
   前記第２の連結部は、略円筒形状に形成されている、送風ファン。
5. 請求項１に記載の送風ファンにおいて、
   前記動翼の回転方向後方に位置する後縁と、前記動翼の径方向外端に位置する動翼端との交点は、前記動翼の回転方向前方に位置する前縁と、前記カップ部外周面との交点よりも、回転方向前方側に位置している、送風ファン。

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