JP2004332713A

JP2004332713A - 軸流式ファン構造

Info

Publication number: JP2004332713A
Application number: JP2003323477A
Authority: JP
Inventors: Yung-Yu Chiu; 永裕邱; Junsei Cho; 楯成張; Kuo-Cheng Lin; 国正林
Original assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Priority date: 2003-05-05
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2004-11-25
Also published as: US20040223848A1; JP2007263118A; TW595764U; US6981843B2

Abstract

【課題】ハブの真上の空気を利用してファンの効率を高める軸流式ファン装置を提供する。
【解決手段】上面と外周面を有するハブと、前記ハブの外周面上に配置される複数のブレードと、を備える軸流式ファンであって、前記ハブの上面の上方は前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、且つ、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で軸流式ファン構造の側方入気面を構成する。
【選択図】図4

Description

本発明は軸流式ファン構造に関するものであり、特に気流を側方向に案内する働きを付加した軸流式ファン構造に関する。

ファンの主な機能は気流を案内し、放熱の目的を果たすことにあり、よって、高い放熱効果を得るためには、空気に対するファンの案内機能が良くなければならない。従来のファンは軸流式（axial−flow）と遠心式（centifugal）の二種類に分けることができる。軸流式ファンはインぺラの回転を利用して空気を案内することにより、空気をブレードの中心から軸に沿って平行に吸入し、吐出する。軸流式ファンは構造が簡単で、製造コストが低く、出力風量が比較的大きいため、例えば、コンピュータシステム内の放熱ファンなど、各種の空気調節、又は、放熱の装置に利用される。しかし、システム抵抗が大きい場合、軸流式ファンの出力風量は制限され、且つ、ストールとのリスクが存在するため、軸流式ファンの使用はシステム抵抗の低いシステム内に局限されている。

図１は従来の軸流式ファンの静圧力（static pressure）と空気流量（air flow）の関係を示す図である。図１に示す縦軸はファンの静圧力を示し、横軸は空気流量を示している。図１に示すように、従来の軸流式ファンの特性曲線Aとシステム抵抗曲線（System Resistance Curve;SRC）Cは点OPで相交わる。点OPは、ファンがこのシステム抵抗条件下における操作点を示しており、この際の空気流量はQ_opであり、静圧力はP_opである。一方、ファンの回転速度が所定の速度に達した際、空気はブレード表面で境界層分離を生じるため、ファンの回転速度を更に上げても、空気流量を上げることができない。この時、ファンの静圧力の変化は小さく、ファンのストールと呼ばれる(図１の線分DE参照)。

軸流式ファンは構造が簡単であり、コストが低く、風量が大きい、という利点があるため、よく応用されているが、上述した軸流式ファンのストール問題の改善にあたって、インぺラの角度、長さ、数から改善する他に、簡易で有効な解決策が見られない。

図２は従来の軸流式ファンの斜視図である。軸流式ファン１は主に、フレーム１１と、ハブ１２と、複数のブレード１３と、固定子座（図示せず）とを備えている。ブレード１３の縁部１３１は、ハブ１２の外周面１２１上に固着されている。ファンが回転する時、これらのブレード１３はブレード１３上方の空気をファンの回転軸（図示せず）の方向に沿ってブレード１３の下方に流れるように案内する。しかし、軸流式ファン1において、ハブ１２の配置される高さはほぼフレーム１１と揃うため、ハブ１２の真上にある空気はブレード１３に完全に案内されることができず、無効領域を形成する。

そこで、本発明は、ハブの真上にある空気を利用してファンの効率を高める、軸流式ファン構造を提供する。

上述したように、従来の軸流式ファンでは、インぺラのハブが配置される高さはほぼフレームと揃うため、ハブの真上にある空気はブレードに完全に案内されることができず、無効領域を形成する。これを鑑みて、本発明はインぺラがハブの真上の空気を利用できる軸流式ファンを提供する。

本発明の目的は、従来のファンにおいてハブの真上の空気が案内されないという課題を解決し、ハブの真上の空気が遠心力の働きで側方向に案内されるように、ハブを改良した軸流式ファン構造を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、従来の軸流式ファンにおける固有のストール現象を改善し、ファンの効率を大幅に高め、システム抵抗の高い状況でも応用できる、ハブを改良した軸流式ファン構造を提供することにある。

本発明は、上面と外周面を有するハブと、前記ハブの外周面上に配置される複数のブレードとを備える軸流式ファン構造を提供する。そのうち、前記ハブの前記上面の上方は前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、且つ、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で軸流式ファン構造の側方入気面を構成する。前記縁部の一部はハブの外周面に固着されている。

また、本発明の軸流式ファン構造は、上面と下面を有し、前記ハブと前記複数のブレードを収納するためのフレームをさらに備える。前記フレームの上面と前記ハブの上面の間には、前記複数のブレードのブレードエッジに囲まれたスペースがあり、前記複数のブレードの前記ブレードエッジが前記スペースの周囲に構成した包囲面は、前記スペースの空気を側方向に案内するために用いられる。

本発明の軸流式ファン構造によれば、全てのブレードの縁部の一部はハブの外周面に固着されており、他の部分はハブの上面の上方にスペースを囲んでいる。前記スペースにある空気は、ファンが回転している時、遠心力の働きで側方向に外側のブレードまで案内され、ファンの効率を上げる。好ましくは、固着部の上端部からファンフレームの底部までの距離が、ファンフレーム全体の高さの3/4倍より小さい場合、比較的優れた側方入気効果が得られる。

本発明の軸流式ファン構造によるハブとブレード間の連結関係はいろいろな変化例がある。例えば、ハブとブレードとの固着部の上端部は、実質上ハブの外周面の上縁と揃い、或いは、ハブの外周面の上縁より低くても良い。さらに、ブレードの縁部とハブの外周面の間には隙間があっても良い。また、ブレードの縁部は固着部の上端部より直接上へ任意の方向へ伸びても良く、或いは、固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから上へ任意の方向で伸びても良い。

本発明の軸流式ファン構造の効果は、第一に、ファン回転時に案内できる空気流量と耐えられる静圧力を上げることができる。第二に、従来のファンが回転時に生じるストール現象を改善し、ファン全体の効率を高めることができる。第三に、ハブの高さを減らすことによりファンの製造コストを下げ、設計の複雑度を簡易化することができる。

図3と図4はそれぞれ本発明の実施の形態である軸流式ファン2の斜視図と模式断面図である。図3と図4に示すように、本発明の実施の形態である軸流式ファン2は、ファンフレーム21と、円柱形のハブ22と、ハブ22の外周面221に固着される複数のブレード23と、固定子座24とを備えている。本実施形態の軸流式ファン2において、ブレード23の縁部231とハブ22の外周面221の固着部の上端部Aは、ブレード23の縁部231の上端部Bより低く、即ち、ブレード23の縁部231は一部のみハブ22の外周面221に固着されている。このため、ハブ22の上面222の上方スペースはブレード23の縁部231によって囲まれ、図4の点線が示す領域224になる。領域224は、軸流式ファン構造の側方入気部として働き、これら縁部231によって構成された包囲面は側方入気面となる。

このようにして、ファンが回転している時、図4の矢印が示す側方入気部224における気流は遠心力の働きで、縁部231に沿って外側におけるブレード23まで案内され、更にブレード23によって下方へ吐出される。即ち、ハブ22の上方の空気は、ブレード23の縁部231が構成する側方入気面を介して導入され、ファンに利用される。ハブ22、ブレード23、フレーム21と固定子座24の間の連結関係、及び、ハブ22の上方の空気の入気状況は、図4に詳しく示すとおりである。実験によれば、ブレード23の縁部231とハブ22の外周面221の固着部の上端部Aからフレーム21の下面212までの高さH2が、ファンフレーム全体の高さH1の3/4倍より小さい場合（或いは、ブレード23の縁部231とハブ22の外周面221の固着部の上端部Aからフレーム21の上面211までの高さH3が、少なくともファンフレーム全体の高さH1の1/4倍である場合）、より高い側方入気効果が得られる。

一方、本実施の形態において、縁部231は曲面であり、ブレード23の縁部231とハブ22の外周面221の固着部の上端部Aは、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃う。ハブ22の上面222は平面であり、その外周面221は円弧面である。

表1は、本発明の実施の形態である軸流式ファン構造と従来の軸流式ファン構造が、同じ操作条件で得られる静圧力と空気流量の実験データを示す表である。これらのデータを基に図5に示す静圧力−空気流率の関係図を得ることができる。図5に示すように、同じ条件下で本発明の軸流式ファン構造はファン回転時の静圧力及び風量を高め、且つ、ストールによって生じる影響を補うことができる。

前記実施形態による説明は、本発明の内容を簡単に説明するための内容に過ぎなく、本発明をそれらの構造に狭義的に制限するものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、本発明の軸流式ファンのハブとブレード間の連結関係にはいろいろな変化が可能である。

図6A〜6Jは、本発明の軸流式ファンのハブ22とブレード23a〜23jの間の連結関係を模式的に示した断面図であり、そのうち、ハブ22は、図3に示すハブと同じく、円柱形であり、その上面は平面であり、その外周面は円弧面である。一方、ハブ22と縁部231aの固着部の上端部の高さH_aとブレード23a〜23ｊの高さH_bは、共にファンフレーム全体の高さ（図示せず）より低く、且つ、H_bはH_aより大きい。

図6Aに示すように、ハブ22とブレード23aの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃っており、ブレード23aの縁部231aは固着部の上端部より垂直上向きに延びているため、縁部231aはハブ22の上方に円柱体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Bに示すように、ハブ22とブレード23ｂの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃っており、ブレード23ｂの縁部231ｂは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから垂直上向きに延びているため、縁部231ｂはハブ22の上方に円柱体の輪郭を有する側方入気部を囲み、且つ、図6Aに示すものより大きい。

図6Cに示すように、ハブ22とブレード23ｃの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁より低く、且つ、ブレード23ｃの縁部231ｃは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから垂直上向きに延びて、縁部231ｃとハブ22の外周面221ｃの間に隙間M1が存在する。この場合、縁部231ｃはハブ22の上方に円柱体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Dに示すように、ハブ22とブレード23ｄの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃っており、且つ、ブレード23ｄの縁部231ｄは固着部の上端部より斜め上向きに延びているため、縁部231ｄはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Eに示すように、ハブ22とブレード23eの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃っており、且つ、ブレード23eの縁部231eは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから斜め上向きに延びているため、縁部231eはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Fに示すように、ハブ22とブレード23ｆの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁より低く、且つ、ブレード23ｆの縁部231ｆは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから斜め上向きに延びて、縁部231ｆとハブ22の外周面221の間に隙間M2が存在する。この場合、縁部231ｆはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Gに示すように、ハブ22とブレード23ｇの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁より低く、且つ、ブレード23ｇの縁部231ｇは固着部の上端部より斜め上向きに延びて、縁部231ｇとハブ22の外周面221の間に隙間M3が存在する。この場合、縁部231ｇはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Hに示すように、ハブ22とブレード23ｈの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃っており、且つ、ブレード23ｈの縁部231ｈは固着部の上端部より、内側へ且つ斜め上向きに延びているため、縁部231ｈはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Iに示すように、ハブ22とブレード23iの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁と揃っており、且つ、ブレード23iの縁部231iは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから内側へ且つ斜め上向きに延びているため、縁部231iはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図6Jに示すように、ハブ22とブレード23ｊの固着部の上端部は、実質上ハブ22の外周面221の上縁より低く、且つ、ブレード23ｊの縁部231ｊは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから内側へ且つ斜め上向きに延びて、縁部231ｊとハブ22の外周面221の間に隙間M4が存在する。この場合、縁部231ｊはハブ22の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

なお、図6A〜図6Jに示す軸流式ファン構造において、ブレードの縁部231a〜231ｊとハブ22の上面の間に挟まれる角度（図6Dに示すθ）は任意の角度であって良い。

一方、ハブ22と縁部231aの固着部の上端部の高さH_aとブレード23a〜23ｊの高さH_bが両者ともファンフレーム全体の高さ（図示せず）より低く、且つ、H_bがH_aより大きければ、ハブの上面は平面に限らず、図7Aに示すハブ22aのような曲面であっても良く、この場合、この曲面はハブの上方にある空気の側方入気効果を妨げない。この他、図7Bに示すように、本発明の軸流式ファン構造のブレード23ｋの縁部231ｋは曲面であっても良く、平面に限られない。

従来の軸流式ファンの静圧力と空気流量の関係を示した図である。従来の軸流式ファンを示した斜視図である。本発明の実施の形態である軸流式ファンを示した斜視図である。本発明の実施の形態である軸流式ファンを示した部分断面図である。本発明の実施の形態である軸流式ファン構造と従来の軸流式ファン構造が、同じ操作条件で得られる静圧力と空気流量の関係を示す曲線図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明のもう二種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。本発明のもう二種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。

符号の説明

1 軸流式ファン
11 フレーム
12 ハブ
121 外周面
13 ブレード
131 ブレードの縁部
2 軸流式ファン
21 フレーム
211 上面
212 下面
22、22a ハブ
221 外周面
222 上面
224 側方入気部
23、23a〜23k ブレード
231、231a〜231k 縁部
24 固定子座
M1〜M4 隙間

Claims

上面と外周面を有するハブと、
前記ハブの外周面上に配置される複数ブレードと、を備える軸流式ファン構造であって、前記ハブの上面の上方は、前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、前記複数のブレードの縁部は、前記側方入気部の周囲で軸流式ファン構造の側方入気面を構成し、前記縁部の一部はハブの外周面に固着されていることを特徴とする、軸流式ファン構造。
上面と下面を有し、前記ハブと前記複数のブレードを収納するためのフレームをさらに備え、前記側方入気部が前記フレームの上面と前記ハブの上面の間に介在することを特徴とする、請求項1に記載の軸流式ファン構造。
前記複数のブレードが前記ハブの外周面上に固着している部分の上端部から前記フレームの下面までの垂直距離が少なくとも前記フレームの高さの3/4倍であることを特徴とする、請求項2に記載の軸流式ファン構造。
前記複数のブレードが前記ハブの外周面に固着している部分の上端部は、前記ハブの外周面の上縁と揃っていることを特徴とする、請求項1に記載の軸流式ファン構造。
前記側方入気部が円柱形、又は円錐形である、ことを特徴とする、請求項1に記載の軸流式ファン構造。