JP6132380B2 - 軸流ファンのインペラ構造 - Google Patents

Description

本発明は軸流ファンに関し、特にインペラの表面形状に関する。

ファンモータの基本構造は、インペラを有するモータと、このモータを支持するハウジング（ケーシング）からなり、インペラは樹脂成形によって形成されるものが多い。成形品の表面の状態は軸流ファンの風量、騒音などの特性に大きな影響を及ぼす。例えば、インペラの回転によって生じる空気流がブレード面より離脱してしまい、その離脱領域には渦状の気流が起き、これにより騒音を増加させ、騒音レベル、トルク、風量―静圧特性ならびに静圧効率特性の悪化を招く問題がある。これに対し、インペラ表面またはハウジング内周面を通過する空気流の状態に着目し、インペラ又はハウジングの表面凹凸の高低差を小さくし、表面を滑らかにすることにより特性を向上させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数枚の羽根を放射状に設けて形成されるプロペラフアンにおいて、羽根の負圧面全体を表面粗さ１００Ｓ以上１０００Ｓ以下の粗面とすることにより、騒音を低下できることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−１１３７５３号公報 特開平１０−８９２９０号公報

軸流ファンにおいては、インペラの正圧面と負圧面で空気流の状態が異なる。このため、騒音を低減したり、送風効率を高めるためには、インペラの正圧面と負圧面の表面形状を、それぞれの空気流に応じて別個に制御する必要がある。

特許文献１に開示されている方法では、インペラ表面の表面凹凸高低差を３μｍ未満としているが、インペラの正圧面と負圧面で区別はしておらず一様の表面粗さとしているため、効果が不十分であるという問題があった。また、特許文献２に開示されている方法では、羽根の負圧面のみを表面粗さ１００Ｓ以上１０００Ｓ以下の粗面としており、正圧面の表面粗さについては考慮していないので、やはり効果が不十分であるという問題があった。さらに、表面粗さの定義のみでは様々な表面形状が存在するため、効果的な形状を一義的に規定することができず、特性が得られないばかりか騒音が増大する、効果のバラツキが大きく再現性にも乏しい、騒音低減の効果は得られても風量低下や消費電力増大などの特性劣化を伴う等、問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたもので、インペラの表面粗さを正圧面と負圧面で個々に制御することにより、騒音の発生を低減し、Ｐ−Ｑ（静圧−風量）特性を改善し、さらに消費電力を低減した軸流ファンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の軸流ファンの特徴は、モータと、そのモータによって回転するインペラとを備え、そのインペラの正圧面の表面粗さをそのインペラの負圧面４の表面粗さより大きくすることを要旨とする。

本発明の軸流ファンにおいては、インペラの正圧面及びインペラの負圧面が、ミクロ的には曲率半径で規定できる丸みを帯びた粗さ形状を有し、インペラの正圧面の算術平均粗さＲａが１〜１００μｍの範囲に、曲率半径ＲａｄＣｒｖが１，０００〜１０，０００μｍの範囲にあるとともに、インペラの負圧面の算術平均粗さＲａ＜０．５μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＞１０，０００μｍであることが好ましい。

インペラの正圧面及びインペラの負圧面の粗さ形状は、カッター等の鋭利な刃物で形成される矩形をなした粗面ではなく、紙やすり等の研磨材が塗布された布紙で形成される丸みを帯びた粗面であるのが好ましい。

さらに、本発明の軸流ファンにおいては、インペラの正圧面及び前記インペラの負圧面は、蒸着、塗装又はメッキのいずれかによって形成された被膜を有する構成でもよい。

本発明によれば、インペラの表面粗さを正圧面と負圧面で個々に制御することにより、騒音の発生を低減し、Ｐ−Ｑ（静圧−風量）特性を改善し、さらに消費電力を低減した軸流ファンを提供することができる。

本発明の実施形態に係るインペラを有する軸流ファンの外観図である。 算術平均粗さ１Ｒａに対応する表面状態を示す図である。 （ａ）矩形粗面 （ｂ）丸みを帯びた粗面 （ｃ）鋸歯状粗面 曲率半径を説明する図である。 粗さ形状に対応する表面の、顕微鏡及び表面形状測定器による外観写真である。 （ａ）滑らかな面 （ｂ）丸みを帯びた粗面 （ｃ）矩形粗面 本発明を説明する概念図である。 （ａ）滑らかな面の負圧面 （ｂ）丸みを帯びた粗面の正圧面 本発明の実施形態に係る軸流ファンにおける、インペラの負圧面表面形状／正圧面表面形状の組合せに対する、騒音量と最大風量の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る軸流ファンにおける、インペラの負圧面表面形状／正圧面表面形状の組合せに対する、消費電力と最大風量の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る軸流ファンにおける、インペラの負圧面表面形状／正圧面表面形状の組合せに対する、静圧と風量の関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る軸流ファンの外観図である。

本発明の実施形態に係る軸流ファン１は、モータ駆動部２の周囲に中心対称に複数枚のインペラ３を備えており、軸流ファン１が矢印の方向に回転するとインペラ３の紙面の表側が負圧面４となり、インペラ３の紙面の裏側が正圧面５（図示せず）となる。インペラ３の枚数は、特に限定しない。軸流ファン１は、内部に空気流路を設けたハウジング（図示せず）に収納することができる。

モータ駆動部２とインペラ３を含む軸流ファン１は、樹脂を用いて射出成形等により一体成形することができるが、モータ駆動部２とインペラ３をそれぞれ樹脂又は金属で個別に製作して軸流ファン１に組み立ててもよい。

インペラ３の表面は、成形した樹脂のままでもよく、耐摩耗性等の観点から蒸着、塗装又はメッキ等による被膜を形成してもよい。樹脂の成形金型の表面は研磨面である。本実施形態においては、樹脂の成形によって製作したインペラ３をそのまま用いて、インペラ３の正圧面５と負圧面４に別々に所定の表面形状を形成し、これを複数枚モータ駆動部２に取り付けて軸流ファン１を構成した。

表面形状は、表面粗さ（算術平均粗さＲａ）、形状、曲率半径ＲａｄＣｒｖで規定した。

表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−２００１で規定される算術平均粗さＲａを用いた。

ＪＩＳＢ０６０１−２００１の規定によれば、算術平均粗さＲａが同じであっても、表面の粗面形状により粗面の凸凹の高低差は異なってくる。算術平均粗さを１Ｒａとすると、図２（ａ）に示したように、表面が矩形粗面の場合、粗面の高低差は２Ｒａに相当する。同様に、図２（ｂ）に示したように、表面が丸みを帯びた粗面の場合、粗面の高低差は２．５Ｒａに相当する。同様に、図２（ｃ）に示したように、表面が鋸歯状粗面の場合、粗面の高低差は４Ｒａに相当する。

曲率半径は、図３に示したＲａｄＣｒｖで定義した。図に示した三角形に関するピタゴラスの定理（１）式から、粗面の凹部の曲率半径ＲａｄＣｒｖは、（２）式で表される。
（ＲａｄＣｒｖ−ｓ）^２＋（２／ｄ）^２＝ＲａｄＣｒｖ^２ （１）
ＲａｄＣｒｖ＝（ｓ^２＋（ｄ／２）^２）／２ｓ
（２）

本発明の実施例においては、樹脂の成形によって製作したインペラ３の正圧面５と負圧面４に、以下の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の３種類の表面形状を形成してから複数枚のインペラ３をモータ駆動部２に取り付けて軸流ファン１を構成した。この軸流ファン１を駆動して、騒音値（ｄＢＡ）、消費電力（Ｗ）、静圧（Ｐａ）を測定し、インペラ３の正圧面５の表面形状と負圧面４の表面形状の組合せによる比較を行った。

（Ａ）＃１５，０００のラッピングテープによる研磨面
（Ｂ）＃６０の紙やすりによる丸みを帯びた粗面
（Ｃ）カッターによる矩形粗面

図４は、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の形状を有するインペラ３の表面の、顕微鏡写真と、表面形状測定器による算術平均粗さＲａ、曲率半径ＲａｄＣｒｖを示したものである。図４（ａ）は、（Ａ）＃１５，０００のラッピングテープによる研磨面を示したものであり、算術平均粗さＲａ＝０．２６μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＝７４，０００μｍである。図４（ｂ）は、（Ｂ）＃６０の紙やすりによる丸みを帯びた粗面を示したものであり、算術平均粗さＲａ＝７．３μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＝３，２００μｍである。図４（ｃ）は、（Ｃ）カッターによる矩形粗面を示したものであり、算術平均粗さＲａ＝８．２μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＝７８０μｍである。

図５は、本実施例における軸流ファン１のインペラ３の表面形状を模式的に説明する図である。例えば、図５（ａ）は、複数枚のインペラ３の負圧面４に上記（Ａ）の研磨面を形成したこと表し、図５（ｂ）は複数枚のインペラ３の正圧面５に上記（Ｂ）又は（Ｃ）の粗面を形成したこと表す。

図６は、インペラ３の（負圧面４の表面形状）／（正圧面５の表面形状）の組合せの異なる軸流ファン１の騒音量（ｄＢＡ）の最大風量（ｍ^３／ｍｉｎ）依存性を示したものである。図中、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、上記表面形状を表す。現行品は、負圧面４の表面形状、正圧面５の表面形状とも、同じ滑らかな表面形状となっている。

表１は、図６の結果を騒音量が低い順に並べたものである。

図６、表１から、騒音値に関しては、正圧面を粗面化、すなわち正圧面を荒らした方が良好であることがわかる。軸流ファン１の騒音量（ｄＢＡ）は、（Ｂ）／（Ｂ）の組合せで最も少なく、（Ａ）／（Ｂ）の組合せがこれに近くなっており、これらは、現行品の騒音量（ｄＢＡ）よりも顕著に少なくなっている。

図７は、インペラ３の（負圧面４の表面形状）／（正圧面５の表面形状）の組合せの異なる軸流ファン１の電力量（Ｗ）の最大風量（ｍ^３／ｍｉｎ）依存性を示したものである。図中、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、上記表面形状を表す。現行品は、負圧面４の表面形状、正圧面５の表面形状とも、同じ滑らかな表面形状となっている。

表２は、図７の結果を消費電力が低い順に並べたものである。

図７、表２から、消費電力に関しては、負圧面を研磨面にした方が良好であることがわかる。軸流ファン１の電力量（Ｗ）は、（Ａ）／（Ｂ）の組合せで最も小さく、これは、現行品の電力量（Ｗ）よりも顕著に小さくなっている。

図６、表１、図７、表２に示した結果から、（Ａ）／（Ｂ）の組合せ、すなわち、インペラ３の負圧面４の表面形状を（Ａ）研磨面とし、正圧面５の表面形状を（Ｂ）丸みを帯びた粗面とした場合に、騒音、電力量とも顕著に低減された軸流ファン１が得られることが明らかとなった。ここで、上記のように、（Ａ）研磨面は算術平均粗さＲａ＝０．２６μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＝７４，０００μｍを有し、（Ｂ）丸みを帯びた粗面は算術平均粗さＲａ＝７．３μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＝３，２００μｍを有する。

図８は、インペラ３の（負圧面４の表面形状）／（正圧面５の表面形状）の組合せの異なる軸流ファン１のＰ−Ｑ特性、すなわち静圧（Ｐａ）と風量（Ｑ）の関係を示したものである。図中、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、上記表面形状を表す。現行品は、負圧面４の表面形状、正圧面５の表面形状とも、同じ滑らかな表面形状となっている。

図８から、（Ａ）／（Ｂ）の組合せで、現行品よりも顕著に高い風量が得られることがわかる

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。また、その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

１ 軸流ファン
２ モータ駆動部
３ インペラ
４ 負圧面
５ 正圧面

Claims (8)

1. モータによって回転される軸流ファン用のインペラであって、
   前記インペラの正圧面の表面粗さは前記インペラの負圧面の表面粗さより大きく、
   前記インペラの負圧面は研磨面であり、
   前記インペラの正圧面は、全面的に、ミクロ的には曲率半径で規定できる丸みを帯びた粗さ形状を有している、インペラ。
2. 前記インペラの正圧面の算術平均粗さＲａが１〜１００μｍの範囲に、曲率半径ＲａｄＣｒｖが１，０００〜１０，０００μｍの範囲にあるとともに、
   前記インペラの負圧面の算術平均粗さＲａ＜０．５μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ＞１０，０００μｍである、請求項１に記載のインペラ。
3. 前記インペラの正圧面の算術平均粗さＲａが７．３〜８．２μｍの範囲に、曲率半径ＲａｄＣｒｖが１，０００〜３，２００μｍの範囲にある、請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記インペラの負圧面の算術平均粗さＲａ＜０．５μｍ、曲率半径ＲａｄＣｒｖ≧７４，０００μｍである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 前記インペラの正圧面の算術平均粗さＲａが７．３μｍ程度であり、曲率半径ＲａｄＣｒｖが３，２００μｍ程度であるとともに、
   前記インペラの負圧面の算術平均粗さＲａが０．２６μｍ程度であり、曲率半径ＲａｄＣｒｖが７４，０００μｍ程度である、請求項１又は２に記載のインペラ。
6. 前記インペラの正圧面及び前記インペラの負圧面は、樹脂面である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインペラ。
7. 前記インペラの正圧面及び前記インペラの負圧面は、被膜を有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のインペラ。
8. モータと、当該モータによって回転される請求項１乃至７のいずれか一項に記載のインペラと、を備えた軸流ファン。