JP6236242B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、軸流ファンに関する。

一般的な軸流ファンの場合、吹き出し口から出た気流は外周方向に拡散する傾向にあり、静圧があがらない。この問題を解決するために、静翼に工夫を施した例がある（特許文献１）。

特許文献１では、静翼を内側と外側に、環状のリングで二分し、外側静翼の翼幅を内側静翼の翼幅よりも大きくすることで、中心軸から離れた領域において外側静翼により気流の周方向に旋回する成分が効率よく中心軸方向に変換され中心軸に近い領域では、エアの流量が少なくても気流が受ける抵抗の影響を少なくでき、静圧−風量特性を向上できるとしている。
このことから、特許文献１の構成では、従来の軸流ファンと比べ、高い静圧効率（＝（静圧×風量）／消費電力）が得られる可能性がある。

特開２００８−２６１２８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された静翼の構成では、中心軸からどこまでの範囲を内側静翼とし、どこからを外側静翼とすればよいのかや、内側静翼と外側静翼という２つの静翼について、それぞれ、どのような形状に設計すればよいのかなど、設計すべき項目が多く、そのための費用がかかる。
また、環状のリング構造を含め、静翼の構造も複雑であるため、金型等も高価になる。
このように、静翼の構造が複雑になると、それに伴って製造コストが嵩み、その結果、製品価格の上昇を招くことになる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、製品価格の上昇を抑制しつつ、高い静圧効率が得られる軸流ファンを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために本発明は、以下の構成によって把握される。
（１）本発明の軸流ファンは、羽根を有するインペラと、ロータシャフトと、前記ロータシャフトを軸として前記インペラを回転させるモータ部と、前記インペラを取り囲むケーシングと、前記モータ部を支持するベース部と、前記ケーシングと前記ベース部を連結する静翼と、を備え、前記静翼は気流の吹き出し口側に配置されており、前記ベース部の面は、径方向に延在しており、前記静翼の表面には交差する２つの壁が設けられている。

（２）上記（１）の構成において、前記２つの壁のうち、一方の壁は軸方向に延在している。
（３）上記（１）または（２）の構成において、前記２つの壁により溝又は突起が形成されている。
（４）上記（３）の構成において、前記静翼は、前記吹き出し口側に向けられた第１の面と、吸込み口側に向けられた第２の面を備え、前記静翼の表面は前記第１の面であり、前記第１の面は、前記ベース部の面に対して傾斜しており、前記溝又は前記突起が前記第１の面に形成されている。
（５）上記（４）の構成において、前記溝又は前記突起は、前記第１の面に沿って流れる気流を前記吹き出し口の方向から外部へ整流して誘導する誘導部である。
（６）上記（３）乃至（５）の構成において、前記溝又は突起が、前記静翼の前記ベース部側から前記ケーシング側まで一体に設けられている。
（７）上記（３）乃至（６）の構成において、前記溝又は突起の断面形状はＬ字であり、前記一方の壁は、前記ロータシャフトに平行な壁である。
（８）上記（３）乃至（７）の構成において、軸方向において、前記溝又は前記突起が、前記静翼の中央位置と吹き出し口側の端部との中間に設けられる。

本発明によれば、製品価格の上昇を抑制しつつ、高い静圧効率が得られる軸流ファンを提供することができる。

本発明の軸流ファンの全体構成を示す縦断面図である。 図１の吹き出し口側から見た図である。 （ａ）溝を設けていない静翼の断面図である。（ｂ）Ｌ字型の溝を設けた静翼の断面図である。 （ａ）図３（ａ）の静翼の場合の吹き出し口から吹き出す気流を示す図である。（ｂ）図３（ｂ）の静翼の場合の吹き出し口から吹き出す気流を示す図である。 （ａ）静圧−風量特性（Ｐ−Ｑ）、及び、静圧効率（効率）を示すグラフである。（ｂ）消費電力、及び、静圧効率（効率）を示すグラフである。 逆Ｌ字型の突起を設けた静翼の断面図である。

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」と称する）について説明する。
実施形態の説明では全体を通して、同じ要素には同じ番号を付与している。

（軸流ファンの全体構成）
本発明の第１実施形態の軸流ファン１００の全体構成を図１に基づいて説明する。
図１は、本発明の軸流ファン１００の縦断面図である。
図１に示すように、本発明の軸流ファン１００は、ハブ１１の外周部に等間隔で配置される羽根１２を有するインペラ１０と、インペラ１０の中心に配置され、ハブ１１に固定されたロータシャフト２０と、ロータシャフト２０を回転自在に支持する軸受ハウジング２１とを有し、軸受ハウジング２１がベース部３０に固定されると共に、インペラ１０の外周を取り囲むケーシング４０が静翼５０によって、ベース部３０に連結された構成となっている。

なお、第１実施形態では、成形型に軸受ハウジング２１をセットして、成形型に樹脂を供給してケーシング４０と静翼５０とベース部３０とを一体に成形している。
しかしながら、予めケーシング４０と静翼５０とベース部３０だけを樹脂成形しておいて、ベース部３０の中央に軸受ハウジング２１を後から取り付けるようにしてもよい。

また、ステータ６０は、軸受ハウジング２１の外周にインシュレータ６１とステータコア６２とコイル６３とを設けることによって構成されている。
一方、ロータ７０は、インペラ１０のハブ１１の内側に一体的に設けられたロータヨーク７１と、そのロータヨーク７１の内側に装着されたロータマグネット７２によって構成されている。
なお、上記では、ロータヨーク７１は、ハブ１１の内側に一体的に設けた場合を示しているが、ハブ１１の内側に装着するようにしてもよい。

そして、モータ部８０が、ステータ６０とロータ７０とで構成されており、電源部（図示せず）からコイル６３に電流を供給することにより、羽根１２を有するインペラ１０を回転させる。
空気は、このインペラ１０の回転により、インペラ１０が配置される側（図１の上部）の吸い込み口側１から吸い込まれ、ケーシング４０内を通って静翼５０が配置される側（図１の下部）の吹き出し口側２に排出される。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の軸流ファン１００について、さらに、図１から図５に基づいて説明する。
図１に示すように、静翼５０には、静翼５０の吹き出し口側２に向いた面に、誘導部５１がベース部３０からケーシング４０に亘って形成されている。
具体的には、静翼５０の表面にＬ字型の溝を形成することで誘導部５１が構成されている。

図２は、図１の吹き出し口側２から見た図である（但し、ベース部３０とケーシング４０と静翼５０とだけを図示し、インペラ１０等は図示を省略している。）。
図２に示されるように、この誘導部５１は、それぞれの静翼５０に設けられている。
そして、図１に示されるように、静翼５０は、ベース部３０とケーシング４０によって構成される流路９０内で、ベース部３０とケーシング４０を連結するように形成されている。
この流路９０の部分について見てみると、ベース部３０の外形が吹き出し口側２に向かって中心側に傾斜するように形成されているとともに、ケーシング４０の内形も吹き出し口側２に向かって中心側に傾斜するように形成されている。
従って、流路９０は、吹き出し口の角度が中心軸側を向くようになっている。

そして、気流は、この流路９０を通過するときに、流路９０内にある静翼５０によって、気流の周方向に旋回する成分が中心軸方向の成分に変換される。

図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、図の上側が吹き出し口側２、図の下側が吸い込み口側１となるように示している。つまり、静翼５０をロータシャフト２０（図示せず）の軸方向に沿って見た断面視である。
図３（ａ）に示されるように、一般的な軸流ファン３００の場合、静翼３５０は、吹き出し口側２に向かって、緩やかな曲面となるようにされている。
ここで、静翼３５０の表面近傍を表面に沿って流れる気流は、その表面の影響を強く受ける。
このため、矢印で示すように、静翼３５０の表面近傍を表面に沿って流れている気流が、静翼３５０の吹き出し口側２の端部３５２から吹き出し口側に離脱しようとする際に、静翼３５０の曲面形状と相まって反り返る気流が発生する（以下、この反り返る気流を「反り返り成分」という。）。

矢印で示されるように、この反り返り成分は、吹き出し口側２に向かう成分ではないため、吹き出し口側２に向かって流れようとする気流にとっては、流れを阻害する要因となる。
従って、このような反り返り成分は、吹き出し口側２に向かって流れようとする気流に対する空気抵抗として作用する。
そして、気流に対する空気抵抗があると、モータにかかる負荷が増大することになるため、消費電力が上昇する。

一方、図３（ｂ）に示される本発明の軸流ファン１００の静翼５０の場合、静翼５０の吹き出し口側２の端部５２より手前（吸い込み口側１）に誘導部５１としてＬ字型の溝が設けられている。
このＬ字型の溝は、ロータシャフト２０（図示せず）とほぼ平行な縦壁を有し、この縦壁が静翼５０の表面近傍を表面に沿って流れている気流を吹き出し口側２の方向へ誘導する誘導面５３となる。

つまり、矢印で示すように、静翼５０の表面近傍を表面に沿って流れてきた気流は、誘導面５３に沿って流れ、吹き出し口側２の方向に向かう気流となり、静翼５０の表面から離れていく。
その結果、静翼５０の吹き出し口側２の端部５２に到達する静翼５０の表面近傍を流れる気流が減少し、反り返り成分の発生が抑制され、前述したような空気抵抗も減少する。

また、誘導面５３によって誘導された気流は、吹き出し口側２に向かうように整流された流れとなっているので効率よく吹き出し口から外部へ排出される。
このように、静翼５０の一部に誘導部５１（Ｌ字型の溝）を設け、吹き出し口側２へ向かう気流に対する空気抵抗を低減するとともに、効率よく吹き出し口から外部に気流が排出されるようにすることによって、モータにかかる負荷が減少し、消費電力を抑制することが可能となる。

この誘導部５１は、図３（ｂ）に示すように、静翼５０の中心軸方向に沿った断面で見て、つまり、静翼５０のロータシャフト２０（図示せず）の軸に沿った方向において、静翼５０の中央位置５４と吹き出し口側２の端部５２との中間に設けられている。

一方、この誘導部５１を設ける位置を、吸い込み口側１（図３（ｂ）の下側）の方へ移動していくと、つまり、誘導部５１から端部５２までの距離を長くしていくと、その効果が減少する。
静翼５０の表面近傍を表面に沿って流れる気流は、誘導部５１によって、一旦、減少するが、その後、端部５２に至るまでの間に、徐々に静翼５０の表面近傍を流れる気流が増加していくと考えられる。
このため、誘導部５１から端部５２に至るまでの距離が長くなるにつれて、再び、表面近傍を流れる気流が増えていき、これに伴って、反り返り成分も増えていくためと推察される。

これとは逆に、この誘導部５１を設ける位置を、吹き出し口側２の端部５２の方に移動していった場合も、吹き出し口側２の端部５２の方に移動していくにつれ、その効果が減少する。
これは、気流が整流状態となって静翼５０の表面から十分に離れる前に、静翼５０の吹き出し口側２の端部５２に到達する気流が増え、反り返り成分となるためと推察される。
なお、誘導部５１が、端部５２に到達するぐらいに近接すると、端部５２自体の形状が変ってくることになるので、より複雑に気流が乱れるようになると推察される。

このように、誘導部５１を設ける位置には、最適な位置があり、図３（ｂ）に示すように、その位置としては、静翼５０のロータシャフト２０（図示せず）の軸に沿った方向で、静翼５０の中央位置５４と吹き出し口側２の端部５２とのほぼ中間が好ましい。

図４（ａ）は図３（ａ）に示される静翼３５０を用いた一般的な軸流ファン３００の吹き出し口から吹き出す気流の状態を示したものであり、図４（ｂ）は図３（ｂ）に示される静翼５０の一部にＬ字型の溝からなる誘導部５１を設けた本発明の軸流ファン１００の吹き出し口から吹き出す気流の状態を示したものである。

図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較するとわかるとおり、図４（ａ）では吹き出し口から吹き出した気流は、反り返り成分の影響で、吹き出し口の方向に流れる気流の流れが阻害され、乱された結果、直線的に噴出する気流となっておらず、中央側に向かうような流れが発生している。
また、中央側に流れた気流同士の影響で、その後、広がるような発散する流れとなっている。

一方、図４（ｂ）に示される本発明の軸流ファン１００の場合、吹き出し口から吹き出した気流は、反り返り成分が低減され、直線的に噴出する整流された気流が生成されており、反り返り成分に伴う空気抵抗も低減できていると予想される。

この気流の違いにより、どのように効率等が変わるのかについて、図５を参照しながら説明する。
なお、図５に示されるグラフにおいて効率［％］と記載されているのは、静圧効率（＝（静圧×風量）／消費電力）のことである。
静圧効率の上記式は、一般的に用いられる評価式であるので詳細な説明は省略するが、簡単なイメージとしては、インペラを回転させるために投入された消費電力（エネルギー）のうち、どの程度の割合のエネルギーが気流に変換されたかを求めたものである。従って、静圧効率が高いと効率が良い軸流ファンであることを意味する。

図５（ａ）に示されるグラフは、左縦軸に静圧［Ｐａ］、横軸に風量［ｍ^３／ｍｉｎ］、右縦軸に効率（静圧効率）［％］を取っている。
つまり、静圧−風量特性（Ｐ−Ｑ）と静圧効率（効率）とを示したグラフになっている。
一方、図５（ｂ）に示されるグラフは、左縦軸に効率［％］、横軸に風量［ｍ^３／ｍｉｎ］、右縦軸に消費電力［Ｗ］を取っている。
グラフに示されているデータは、図３（ａ）に示された静翼に溝を設けていない一般的な軸流ファン３００のデータと、図３（ｂ）に示したように誘導部５１としてＬ字型の溝を設けた点だけが異なる本発明の軸流ファン１００のデータである。

これらの軸流ファンの動作点として使用される領域である中域（風量１．００ｍ^３／ｍｉｎ近傍）について見てみると、図５（ａ）に示される通り、この領域での静圧−風量特性（Ｐ−Ｑ）は、溝の有り無しで殆ど差がない。
しかしながら、前述した通り、本発明の軸流ファン１００は、気流に対する空気抵抗が抑制されているため、図５（ｂ）に示される通り、中域（風量１．００ｍ^３／ｍｉｎ近傍）で必要な消費電力が約２〜３Ｗ抑制されている。

この結果、図５（ａ）、（ｂ）に示される静圧効率（効率）を見ると、消費電力の抑制効果により、風量が０．４〜１．４ｍ^３／ｍｉｎの範囲では、本発明の軸流ファン１００は、溝がない従来の軸流ファン３００よりも静圧効率が高くなっていることがわかる。
特に、風量が０．６０〜１．２０ｍ^３／ｍｉｎの領域（実使用領域）では、明らかに、本発明の軸流ファン１００の静圧効率が良くなっていることが確認できる。

上記の通り、本発明は、従来の軸流ファンの構造を踏襲しながら、静翼５０の表面に、表面に沿って流れる気流を吹き出し口から外部へ整流して誘導する誘導部５１を設けることよって静圧効率を向上させている。
しかも、誘導部５１は、静翼５０の吹き出し口側に向いた面にＬ字型の溝を設けるといった極めてシンプルな構造であるから、製造コストが嵩むことが無く、製品価格の上昇を抑制することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の軸流ファン２００について、図６に基づいて説明する。
第１実施形態では、誘導部５１を構成するために、静翼５０の表面にロータシャフト２０とほぼ平行な縦壁を有するＬ字型の溝を設けた。
一方、図６に示されるように、第２実施形態では、この誘導部２５１を構成するために、静翼２５０の表面にロータシャフト２０（図示せず）とほぼ平行な縦壁を有する逆Ｌ字型の突起を設けた。

このように構成しても、気流は、誘導面２５３に沿って、図６に矢印で示されるような流れとなり、図３（ｂ）を参酌しながら詳細に説明したのと同じ状態を得ることができ、静圧効率を高めることができる。
また、その構造自体、Ｌ字型の溝と同様に、シンプルな構造が付加されているだけである。
このことから、第２実施形態の軸流ファン２００も、第１実施形態と同様に製品価格の上昇を抑制することができる。

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。
上記実施形態では、吹き出し口の角度が中心軸側を向くように、流路９０が形成されている場合について説明してきた（段落［００１７］及び図１参照。）。

しかしながら、例えば、吹き出し口の角度が中心軸とほぼ平行であるような流路、つまり、軸方向に沿ってストレート状の流路であってもよく、また、吹き出し口の角度が外側（中心軸と反対方向）に向くような流路であってもよい。

但し、上記実施形態で具体的に示した吹き出し口の角度が中心軸側を向くようにした流路９０の場合が、特に誘導面を設けることの効果が大きかった。
従って、吹き出し口の角度が中心軸側を向くようにした流路９０とすることが好ましい。

上記実施形態では、誘導部５１（２５１）の設ける位置や流路９０の状態などについて、特に好ましい形態について具体的に説明してきた。
しかしながら、本発明は、その具体的な実施形態に限定されるものでなく、本発明の精神を逸脱しない限り、多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 吸い込み口側
２ 吹き出し口側
１０ インペラ
１１ ハブ
１２ 羽根
２０ ロータシャフト
２１ 軸受ハウジング
３０ ベース部
４０ ケーシング
５０ 静翼
５１，２５１ 誘導部
５２ 端部
５３，２５３ 誘導面
５４ 中央位置
６０ ステータ
６１ インシュレータ
６２ ステータコア
６３ コイル
７０ ロータ
７１ ロータヨーク
７２ ロータマグネット
８０ モータ部
９０ 流路
１００，２００，３００ 軸流ファン

Claims (7)

1. 羽根を有するインペラと、
   ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトを軸として前記インペラを回転させるモータ部と、
   前記インペラを取り囲むケーシングと、
   前記モータ部を支持するベース部と、
   前記ケーシングと前記ベース部を連結する静翼と、を備え、
   前記静翼は気流の吹き出し口側に配置されており、
   前記ベース部の面は、径方向に延在しており、
   前記静翼の表面には、交差する２つの壁が設けられており、
   前記２つの壁は、前記静翼の表面に沿って流れる気流を前記吹き出し口の方向から外部へ整流して誘導する誘導部である軸流ファン。
2. 前記２つの壁のうち、一方の壁は軸方向に延在している、請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記２つの壁により溝又は突起が形成されている、請求項１又は２に記載の軸流ファン。
4. 前記静翼は、前記吹き出し口側に向けられた第１の面と、吸込み口側に向けられた第２の面を備え、前記静翼の表面は前記第１の面であり、
   前記第１の面は、前記ベース部の面に対して傾斜しており、
   前記溝又は前記突起が前記第１の面に形成されている、請求項３に記載の軸流ファン。
5. 前記溝又は突起が、前記静翼の前記ベース部側から前記ケーシング側まで一体に設けられている、請求項３又は４に記載の軸流ファン。
6. 前記溝又は突起の断面形状はＬ字であり、
   前記一方の壁は、前記ロータシャフトに平行な壁である、請求項３から５のいずれか１項に記載の軸流ファン。
7. 軸方向において、前記溝又は前記突起が、前記静翼の中央位置と吹き出し口側の端部との中間に設けられることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の軸流ファン。