JP6451756B2 - 遠心ファン - Google Patents

Description

本発明は、遠心ファンに関する。

遠心ファンでは、吸気口から吸入された気体は、インペラの回転によって生ずる遠心力により径方向外側へ押し出され、さらに、インペラの周囲に設けられた環状の風洞部を通過し周方向へ旋回した後、排気口から外部へ気体を排出する。

一般的に、人口呼吸器や排痰装置等の医療機器においては、呼吸の補助や吸引の目的で、遠心ファンを使用して気体を流動させる必要がある。このような機器に使用される遠心ファンは、高い静圧や風量に加え、医療機器の使用環境からも低騒音であることも要求される。

例えば、特開平９−１４１９２号公報には、吸込口に気流ガイドを設けて、騒音を低減した遠心ファンが記載されている。

特開平９−１４１９２号公報

特開平９−１４１９２号公報では、遠心羽根車の翼の中央側の先端同士を結んだ仮想円環の面積と、吸込口の入口面積と、の比を最適化すると共に、吸込口における気流を円滑に導く気流ガイドを設けている。また、気流ガイドは、その断面形状が円弧状となるように形成され、円弧の内側には遠心羽根車の側板の中央に形成された入口部に摺接するシール部材を装着して吸込口の気密を保つようにしている。すなわち、静圧が高く低騒音であるためには、気流ガイドやシール部材を備える必要があり、構造が複雑になる。

本発明の例示的な遠心ファンは、回転軸を中心に回転するインペラと、インペラの周囲に設けられた環状の風洞部と、インペラを収容するインペラケースと、インペラを回転駆動するモータと、インペラケースに連結し、モータを収容するモータケースとを備え、インペラは、回転軸を中心に回転するシャフトに結合されたボス部と、ボス部の外周面から径方向外側へ伸びるハブと、ハブの上面に設けられた複数の羽根とを有し、複数の羽根は、回転軸から径方向外側へ向かって伸びており、複数の羽根を覆うインペラケースの内壁は、複数の羽根の上端部に沿って径方向外側へ向けて広がる内側面を有しており、インペラケースは、中央部に吸気口を有し、該吸気口は、径方向内側へ突出する湾曲面を有し、複数の羽根は、吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも径方向外側において、上側へ突出する軸方向上側端を有しており、複数の羽根の軸方向上側端において、複数の羽根とインペラケースの内側面との距離が最短となり、風洞部は、ハブの平坦面の下側に配置される。

本発明の例示的な遠心ファンは、回転軸を中心に回転するインペラと、インペラを収容するインペラケースと、インペラを回転駆動するモータと、インペラケースに連結し、モータを収容するモータケースとを備え、インペラは、回転軸を中心に回転するシャフトに結合されたボス部と、ボス部の外周面から径方向外側へ伸びるハブと、ハブの上面に設けられた複数の羽根とを有し、複数の羽根は、回転軸から径方向外側へ向かって伸びており、複数の羽根を覆うインペラケースの内壁は、複数の羽根の上端部に沿って径方向外側へ向けて広がる内側面を有しており、インペラケースは、中央部に吸気口を有し、該吸気口は、径方向内側へ突出する湾曲面を有し、複数の羽根は、吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも径方向外側において、上側へ突出する軸方向上側端を有しており、複数の羽根の軸方向上側端において、複数の羽根とインペラケースの内側面との距離が最短となる。

本発明によれば、静圧特性及び風量特性が優れ、かつ騒音が小さい遠心ファンを提供することができる。

本発明の一実施形態における遠心ファンの構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態におけるインペラの構成を示した平面図である。 インペラの他の構成を示した遠心ファンの断面図である。 図１の吸気口の側端部の近傍を示した拡大図である。 本発明の他の実施形態における遠心ファンの構成を示した断面図である。

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、回転軸に平行な方向を「軸方向」とし、回転軸を中心とする径方向を「径方向」とし、回転軸を中心とする周方向を「周方向」としている。また、軸方向に沿う方向を上下方向として、モータに対してインペラ側を上として、各部の形状や位置関係を説明する。

また、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。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。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図１は、本発明の一実施形態における遠心ファン１００の構成を模式的に示した断面図である。図２は、本発明の一実施形態におけるインペラ１０の構成を示した平面図である。図３は、インペラ１０の他の構成を示した遠心ファンの断面図である。

図１に示すように、本実施形態における遠心ファン１００は、回転軸Ｊを中心に回転するインペラ１０と、インペラ１０の周囲に設けられた環状の風洞部５０と、インペラ１０の上側に吸気口４０を設けつつインペラ１０を収容するインペラケース２０と、インペラ１０を回転駆動するモータ３０と、インペラケース２０に連結し、モータ３０を収容するモータケース２１とを備えている。

インペラ１０は、回転軸Ｊと同軸上を回転するシャフト３１に結合されたボス部１１と、ボス部１１の外周面から径方向外側へ伸びるハブ１２と、ハブ１２の上面に設けられた複数の羽根１３とを有している。

ボス部１１は、モータ３０よりも上側において、回転軸Ｊに沿って上下へ伸びるシャフト３１の外周面に略筒状に結合されている。これにより、シャフト３１の保持強度が向上し、インペラ１０の回転によるシャフト３１の振れを抑制することができる。

また、ボス部１１は、シャフト３１の上端部を覆いつつ、上側へ向けて突出する蓋部を設けても良い。蓋部は、曲面を有している。これにより、吸気口４０の側端部２０ａから吸入された気体が、曲面に沿って風洞部５０へ効率良く流れ込み、静圧および風量特性が向上する。

ハブ１２の上面は、ボス部１１の外周面から下側へ向かって径方向外側へ傾斜する傾斜面１２ａと、傾斜面１２ａの径方向外側端から回転軸Ｊに対して略垂直に伸びる平坦面１２ｂと、を有している。これにより、吸気口４０から吸入された気体が、傾斜面１２ａに沿って風洞部５０に効率良く流れ込み、静圧および風量特性が向上する。なお、傾斜面１２ａは、傾きが一定の傾斜面ではなく、傾きが一定でない湾曲面であっても良い。

なお、傾斜面１２ａは、径方向内側且つ下側へ凹んだ湾曲面を有することが好ましい。これにより、ボス部１１の径方向外側にスペースが設けられ、吸気口４０から吸入した気体が、湾曲面に沿って風洞部５０へ効率良く流れ込む。さらに、言い換えると、吸気口４０の吸気流路を広く確保することができ、静圧および風量特性が向上する。

ハブ１２の平坦面１２ｂの周縁は、複数の羽根１３の周縁よりも、径方向外側へ突出していることが好ましい。複数の羽根１３の回転によって、吸気口４０から吸入された気体は、径方向外側へ排出されて、風洞部５０へ流れ込む。このとき、平坦面１２ｂの周縁が、複数の羽根１３の周縁よりも径方向外側へ突出していれば、吸気口４０から風洞部５０へ流れ込んだ気体は、吸気口４０側へ逆流しにくくなる。その結果、風洞部５０の気体密度が高くなるため、静圧を高めることができる。

また、ハブ１２は、平坦面１２ｂの周縁の径方向外側に、下側へ向かって径方向外側へ傾斜した傾斜面を有していることが好ましい。これにより、吸気口４０から吸入した気体を、効率良く風洞部５０へ流し込むことができる。なお、傾斜面は、傾きが一定の傾斜面ではなく、傾きが一定でない湾曲面であっても良い。

複数の羽根１３は、図１に示すように、断面視において、回転軸Ｊから径方向外側へ向かって伸びている。また、複数の羽根１３は、最も径方向内側に位置する径方向内側端１３ａと、上側へ突出する軸方向上側端１３ｂと、最も径方向外側に位置する径方向外側端１３ｃとを有している。すなわち、複数の羽根１３は、径方向内側端１３ａから軸方向上側端１３ｂへ向かって、径方向外側且つ上側へ伸び、軸方向上側端１３ｂから径方向外側端１３ｃへ向かって、径方向外側且つ下側へ伸びている。但し、図３に示すように、複数の羽根１３は、径方向内側端１３ａから径方向外側且つ下側へ伸びていても良い。

また、複数の羽根１３は、図２に示すように、平面視において、遠心ファン１００の回転方向と同じ方向へ傾斜しつつ、径方向外側へ放射線状に伸びている。さらに、複数の羽根１３は、主翼１５と補助翼１６とから構成されており、周方向において、主翼１５の間に補助翼１６が２つ設けられている。但し、主翼１５の間に補助翼１６が１つだけ設けられていても良い。すなわち、周方向において、主翼１５と補助翼１６とが交互に配置されていても良い。

複数の羽根１３を覆うインペラケース２０の内壁は、複数の羽根１３の上端部に沿って径方向外側へ向けて広がる内側面２０ｂを有している。複数の羽根１３の上端部とインペラケース２０の内側面２０ｂとは略平行に対向している。好ましくは、主翼１５と補助翼１６とは、各軸方向上側端１３ｂよりも径方向外側において、インペラケース２０の内側面２０ｂと略平行に対向している。

なお、インペラケース２０は、中央部に吸気口４０を有し、吸気口４０の側端部２０ａにおいて、径方向内側へ突出する湾曲面を有している。ここで、吸気口４０から吸入された気体は、インペラ１０の回転によって、風洞部５０を通過し周方向に旋回した後、排気口（不図示）から排出される。

モータ３０は、回転軸Ｊを中心としてロータマグネット３３を回転可能に支持する軸受３２と、軸受３２を支持する軸受保持部３５と、軸受保持部３５に支持されるステータ３４と、を備えている。回転軸Ｊを中心に回転するシャフト３１に固定されたハブ１２は、下側へ伸びる略円筒状のロータ保持部１２ｃを備え、ロータマグネット３３は、ロータ保持部１２ｃの内周面に固定されている。なお、図１に例示したモータ３０は、アウターロータ型のモータであるが、インナーロータ型のモータであってもよい。

ステータ３４に駆動電流を供給することによって、ロータマグネット３３とステータ３４との間で回転トルクが発生する。これにより、シャフト３１に固定されたインペラ１０が、回転軸Ｊを中心に回転する。

モータケース２１は、モータ３０を径方向外側から囲むモータ収容部２１ａと、モータ収容部２１ａよりも径方向外側において下側へ凹む凹部２１ｂと、を有している。モータ収容部２１ａは、ロータ保持部１２ｃの径方向外側に配置されている。凹部２１ｂは、径方向外端部において、インペラケース２０と連結している。

凹部２１ｂは、曲面を有している。凹部２１ｂが曲面を有するため、吸気口４０からインペラケース２０の内側面に沿って凹部２１ｂへ流れ込んだ気体が、凹部２１ｂの径方向外側から径方向内側へ効率良く流れ込む。凹部２１ｂの径方向内側へ流れ込んだ気体は、インペラ１０の回転によって生じる周方向への旋回成分が付加され、排気口（不図示）の方向へと押し出される。つまり、凹部２１ｂが曲面を有することによって、吸気口４０から吸入された気体が、排気口（不図示）から効率よく排出される。

本実施形態では、複数の羽根１３の径方向内側端１３ａが、できるだけ径方向内側に位置するように設けている。すなわち、径方向内側端１３ａは、吸気口４０の側端部２０ａよりも、径方向内側に位置している。これにより、吸気口４０から吸入された気体を、複数の羽根１３の回転によって効率的に風洞部５０へ流し込むことができるため、静圧を高めることができる。一方、複数の羽根１３の径方向内側端１３ａを径方向内側に位置すると、吸気口４０の吸気流路が狭くなり、騒音が大きくなる。騒音を小さくするには、吸気口４０の開口を小さくする必要がある。ところが、吸気口４０の開口を小さくすると、風量が低下する。そこで、本実施形態では、風量の低下を抑制するために、吸気口４０の側端部２０ａに、径方向内側へ突出する湾曲面を設けている。これにより、吸気口４０から効率良く気体を吸入することができ、風量の低下を抑制することができる。併せて、騒音も低減できる。

すなわち、本実施形態では、複数の羽根１３の径方向内側端１３ａを、できるだけ径方向内側に設けた遠心ファンにおいて、吸気口４０の開口を小さくするとともに、吸気口４０の側端部２０ａに、径方向内側へ突出する湾曲面を設けることによって、静圧及び風量を高め、かつ騒音を小さくすることができる。

また、本実施形態では、複数の羽根１３は、回転軸Ｊから径方向外側へ向かって伸びるとともに、インペラケース２０の内壁は、複数の羽根１３の上端部に沿って径方向外側へ向けて広がる内側面２０ｂを有している。これにより、複数の羽根１３の回転によって、吸気口４０から吸入された気体は、下側へ向かって径方向外側へ排出されるため、効率良く風洞部５０に流し込まれる。

なお、本実施形態のインペラ１０において、ボス部１１、ハブ１２、及び複数の羽根１３は、一体的に形成されてもよい。例えば、射出成型にて連続する一体部材として成型されてもよい。

ここで、吸気口４０から吸入される気体量（風量）は、吸気口４０の開口の大きさに依存する。そのため、吸気流路を広く確保することで、風量特性を向上させることができる。なお、吸気口４０の開口の大きさとは、単にインペラケース２０の吸気口４０の側端部２０ａの径方向長さを指すのではなく、吸気口４０の側端部２０ａの開口面積を指す。

なお、吸気口４０から吸入される気体量（風量）は、吸気口４０の開口の大きさだけでなく、吸気口４０の側端部２０ａの形状や、吸気口４０と吸気口４０周辺の構成との位置関係にも依存する。

以下、図４を用いて、吸気口４０の側端部２０ａの形状や、吸気口４０と吸気口４０周辺の構成との位置関係について説明する。但し、本実施形態において、吸気口４０の側端部２０ａに設けた湾曲面の形状は特に制限されない。図４は、図１において、Ａで示したインペラケース２０の吸気口４０の側端部２０ａの近傍を示した拡大図である。

図４に示すように、吸気口の側端部２０ａの湾曲面は、径方向最内端Ｐと軸方向最上端Ｑを有している。吸気口４０の側端部２０ａの湾曲面は、径方向最内端Ｐと軸方向最上端Ｑとを結んだ仮想線Ｘに対して、径方向外側へ突出している。すなわち、吸気口の側端部２０ａの湾曲面は、吸気口４０の側端部２０ａの湾曲面の径方向最内端Ｐよりも上側へ突出している。これにより、側端部２０ａの湾曲面に沿って、より効率的に気体を吸入することができる。その結果、遠心ファン１００の静圧をより高めることができる。

また、径方向最内端Ｐは微小なＲ部を有している。これにより、Ｒ部に沿って、より効率的に気体を吸入することができる。その結果、遠心ファン１００の静圧をより高めることができる。

吸気口４０から吸入された気体は、径方向最内端Ｐで剥離する可能性が大きい。気体が剥離すると乱流が起こり、効率的に気体を吸入しにくくなる。そのため、径方向最内端Ｐが微小なＲ部を有することで、径方向最内端Ｐで気体が剥離することを抑制しつつ、効率的に気体を吸入することができる。

なお、かかる側端部２０ａの湾曲面は、図１に示すように、径方向内側且つ上側へ突出しているので、容易に形成することができる。

また、図４に示すように、吸気口の側端部２０ａの湾曲面において、軸方向の長さＬ_１は、径方向の長さＬ_２よりも小さいことが好ましい。これにより、吸気口４０から吸入される気体の風量が増加するため、風量特性をより向上させることができる。

なお、軸方向の長さＬ_１は、軸方向最上端Ｑを通る回転軸Ｊに対して垂直な線と、径方向最内端Ｐを通る回転軸Ｊに平行な線と、の交点と、径方向最内端Ｐとの最短距離のことを言う。また、径方向の長さＬ_２は、既述の交点と、軸方向最上端Ｑとの最短距離のことを言う。

また、ハブ１２と補助翼１６との繋ぎ目から側端部２０ａへの接線より下側に、微小なＲ部を有した径方向最内端Ｐが位置していることが好ましい。すなわち、ハブ１２と補助翼１６との繋ぎ目が、径方向最内端Ｐよりも径方向内側に位置している。これにより、径方向最内端Ｐで気体が剥離することを抑制しつつ、より効率的に気体を吸入することができる。

他、ボス部１１の上端部は、吸気口４０の側端部２０ａの径方向最内端Ｐよりも下側に位置している。さらに、ボス部１１の上端部は、吸気口４０の側端部２０ａの径方向最内端Ｐよりも径方向内側に位置している。これにより、吸気口４０の吸気流路を広く確保することができ、風量特性が向上する。

さらに、主翼１５は、吸気口４０の側端部２０ａの径方向最内端Ｐより径方向内側から径方向外側へ伸びている。主翼１５の軸方向上側端１３ｂは、吸気口４０の側端部２０ａの径方向最内端Ｐよりも径方向外側に位置している。補助翼１６は、吸気口４０の側端部２０ａの径方向最内端Ｐより径方向外側から径方向外側へ伸びている。

また、主翼１５の軸方向上側端１３ｂにおいて、主翼１５とインペラケース２０の内側面２０ｂとの距離が最短となる。これにより、吸気口４０に吸入された気体を効率良く風洞部５０へ流し込むことができ、静圧を高めることができる。また、補助翼１６の径方向外側端１３ｃにおいて、補助翼１６とインペラケース２０の内側面２０ｂとの距離が最短となる。これにより、風洞部５０に流れ込んだ気体に対して、周方向への旋回成分を付加しやすくなり、風量を高めることができる。

図５は、本発明の他の実施形態における遠心ファン１１０の構成を模式的に示した断面図である。本実施形態における遠心ファン１１０は、所謂、斜流ファンと呼ばれるものである。

本実施形態においては、インペラ１０の構成が、図１に示した構成と異なる。なお、モータ３０の構成は、図１に示した構成と同じなので、説明は省略する。

本実施形態におけるインペラ１０は、回転軸Ｊと同軸上を回転するシャフト３１に結合されたボス部１１と、ボス部１１の外周面の一部から、下側へ向かって径方向外側へ傾斜したハブ１２と、ハブ１２上に設けられた複数の羽根１３とを有している。また、複数の羽根１３及びインペラケース２０の内壁は、それぞれ、ハブ１２の傾斜に沿って傾斜している。すなわち、複数の羽根１３、インペラケース２０の内壁、およびハブ１２が、略平行に傾斜している。これにより、吸気口４０から吸入された気体を、風洞部５０に効率良く流し込むことができる。

また、ハブ１２は、ボス部１１の外周面の上端部から、下側へ向かって径方向外側へ傾斜していることが好ましい。これにより、インペラ１０の回転によるシャフト３１の振れをさらに抑制することができる。なお、ボス部１１の外周面の上端部とは、ボス部１１の外周面のうち、ボス部１１の最上端と最下端との間の中間位置よりも上側の部位のことを言う。

なお、本実施形態においても、複数の羽根１３の径方向内側端１３ａを、できるだけ径方向内側に設けた遠心ファンにおいて、吸気口４０の開口を小さくするとともに、吸気口４０の側端部２０ａに、径方向内側へ突出する湾曲面を設けることによって、風量を高め、且つ騒音を小さくすることができる。

また、図５に示すように、複数の羽根１３の上端部には、環状のシュラウド１４が配置されていてもよい。ここで、シュラウド１４の径方向内側端１４ａ、ハブ１２の径方向外側端１２ｄよりも、径方向外側に位置している。これにより、複数の羽根１３の回転によって、吸気口４０から風洞部５０へ効率良く気体を流し込むとともに、吸気口４０側へ逆流することを抑制することができる。その結果、風洞部５０において、渦流が形成され滞留しやすくなるため、静圧を高めることができる。

１０ インペラ
１１ ボス部
１２ ハブ
１２ａ 傾斜面
１２ｂ 平坦面
１２ｃ ロータ保持部
１２ｄ 径方向外側端
１３ 羽根
１３ａ 径方向内側端
１３ｂ 軸方向上側端
１３ｃ 径方向外側端
１４ シュラウド
１４ａ 径方向内側端
１５ 主翼
１６ 補助翼
２０ インペラケース
２０ａ 側端部
２０ｂ 内側面
２１ モータケース
２１ａ モータ収容部
２１ｂ 凹部
３０ モータ
３１ シャフト
３２ 軸受
３３ ロータマグネット
３４ ステータ
３５ 軸受保持部
４０ 吸気口
５０ 風洞部
１００、１１０ 遠心ファン

Claims (12)

1. 回転軸を中心に回転するインペラと、
   前記インペラの周囲に設けられた環状の風洞部と、
   前記インペラを収容するインペラケースと、
   前記インペラを回転駆動するモータと、
   前記インペラケースに連結し、前記モータを収容するモータケースと
   を備え、
   前記インペラは、
   回転軸と同軸上を回転するシャフトに結合されたボス部と、
   前記ボス部の外周面から径方向外側へ伸びるハブと、
   前記ハブの上面に設けられた複数の羽根と
   を有し、
   前記複数の羽根は、回転軸から径方向外側へ向かって伸びており、
   前記複数の羽根を覆う前記インペラケースの内壁は、前記複数の羽根の上端部に沿って径方向外側へ向けて広がる内側面を有しており、
   前記インペラケースは、中央部に吸気口を有し、該吸気口の側端部は、径方向内側へ突出する湾曲面を有し、
   前記複数の羽根は、前記吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも径方向外側において、上側へ突出する軸方向上側端を有しており、
   前記複数の羽根の軸方向上側端において、前記複数の羽根と前記インペラケースの内側面との距離が最短となり、
   前記風洞部は、前記ハブの平坦面の下側に配置される、遠心ファン。
2. 前記ボス部の上端部は、前記吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも下側に位置している、請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記ボス部の上端部は、前記吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも径方向内側に位置している、請求項１または２に記載の遠心ファン。
4. 前記複数の羽根の上端部、前記インペラケースの内側面、および前記ハブの上面が、略平行に傾斜している、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の遠心ファン。
5. 前記吸気口の湾曲面は、前記吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも上側へ突出している、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の遠心ファン。
6. 前記吸気口の湾曲面において、軸方向の長さは、径方向の長さよりも小さい、請求項５に記載の遠心ファン。
7. 前記複数の羽根は、
   前記吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも径方向内側から径方向外側へ伸びる主翼と、
   前記吸気口の湾曲面の径方向最内端よりも径方向外側から径方向外側へ伸びる補助翼と、を有している、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の遠心ファン。
8. 前記ハブの上面は、前記ボス部の外周面から下側へ向かって径方向外側へ傾斜する傾斜面を有している、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の遠心ファン。
9. 前記ハブの傾斜面は、径方向内側且つ下側へ凹んだ湾曲面を有している、請求項８に記載の遠心ファン。
10. 前記ハブの上面は、
    前記傾斜面の径方向外側端から回転軸に対して略垂直に伸びる平坦面と、を有しており、
    前記平坦面の周縁が、前記複数の羽根の周縁よりも、径方向外側へ突出している、請求項８または９に記載の遠心ファン。
11. 前記ハブは、前記平坦面の周縁の径方向外側に、下側へ向かって径方向外側へ傾斜した傾斜面を有している、請求項１０に記載の遠心ファン。
12. 前記複数の羽根の上端部に、環状のシュラウドが配置されており、
    前記シュラウドの径方向内側端は、前記ハブの径方向外側端よりも、径方向外側に位置している、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の遠心ファン。

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