JP2005098272A

JP2005098272A - 遠心ファン

Info

Publication number: JP2005098272A
Application number: JP2003371278A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Shibata; 英俊柴田
Original assignee: Royal Electric Co Ltd
Current assignee: Royal Electric Co Ltd
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】共振音が極めて少ない換気装置用遠心ファンを提供すること。
【解決手段】遠心ファンの潜在特性である固有振動の突出周波数と、使用するＤＣモータの固有振動数が重なること等で発生する共振音の発生を、羽根車７における羽根１１の支持部材である円板状ハブ板９の振動が伝播する面積を削減して共振音を抑制する。一例としてハブ板に穴１０を設けるか制振材１９を添着してハブ板が空気と接触する面積を削減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高気密住宅を常時換気するための換気用遠心ファンに関する。

２００３年７月に施行された建築基準法の改正により、居室を有する建築物はその居室内において制令で定める化学物質の発散による衛生上の支障がないよう建築材料および換気設備について制令で定める技術的基準に適合するものとしなければならないとされている。従来ではキッチンやトイレ、バス等の局所換気設備のみが換気設備の対象であったが、今後はリビング等全居室に常時換気設備の設置が義務付けられている。

常時換気設備で求められることは、（１）先ずランニングコストが安いこと、（２）生活の場面に応じて風量調節が可能なこと、（３）騒音が静かなこと等が性能上の重大要素である。デザインやメンテナンス性はユーザの志向によるところが大きい。

上述した（１）のランニングコストの低減については、従来から多く使用されていたＡＣモータ（インダクションモータ）からＤＣモータ（直流モータ）へ変更することでモータ効率の向上による省エネが期待できる。（２）の風量調整については、ブラシレスＤＣモータの使用によりマイコン制御が可能であり、所望の回転数へ無段階に変更できる。（３）の騒音については、ＤＣモータによる無段変速の宿命とされている羽根車とモータから生じる共振音の発生をいかに抑えるかが大きな課題である。共振音発生のメカニズムは、ＤＣモータが１回転する間に回転磁界として発生するトルク変動が通電相と極数の積であることから、モータ回転数毎にそれぞれの固有振動数（ｎ／ｓｅｃ）を保有している。羽根車も各回転数毎に固有振動周波数（Ｈｚ）と称する騒音特性を潜在的に保有しているので、モータの固有振動数と羽根車の固有振動数が重なる条件が成立すれば、共振音が著しく大きくなり異常な音が発生する。モータの固有振動数は、通電相×極数×回転数／ｓｅｃで算出できる。図６はモータの固有振動数の早見表であり、通電相を３、極数を８とした場合の固有振動数を示している。図７は共振音が著しく大きくなる例を示している。共振音とは、固体の振動が空気を振るわせること、および振動が一つの対象物から次の対象物へと広がっていくことであり、それぞれの対象物の固有振動数が合致するとき共振音は著しく大きくなり異常騒音を発生させる。従って図７に例示した羽根車の振動特性は１７５０ｒｐｍの時には７００Ｈｚに突出した数値を示し、図６に示したＤＣモータの１７５０ｒｐｍに於ける固有振動数は７００／ｓｅｃでありこれらは合致して著しく大きな共振音を発生させる原因となっている。

本発明者は換気装置に於ける騒音を極力少なくするための研究を重ね、騒音の音圧レベルの低減と共振音を回避する手段について検討するなかで、遠心ファンの羽根車の構成に着目し、羽根を固定するハブ板の振動が騒音に直接関係することを見出したのでここに提案するものである。騒音対策としてハブ板の振動に着目した先行技術は見当たらない。ハブ板に穴を空けた先行技術としては次の参考文献が挙げられる。特許文献１では取付枠のどの部分に穴を空けたか不明瞭であるが、第６図の空気の流れを示す矢印に注目している。特許文献２はオイル抜きの孔である。
特開平３−２２２８９９号公報特開２０００−４６３９１号公報

解決しようとする問題点は、ランニングコストの低減、風量調整について生活場面の多様化から換気用ファンの無段変速が可能なこと、なおかつ騒音の極めて少ない運転音であることを実現することである。

本発明は、換気装置に遠心ファンを用いており、該遠心ファンの羽根車の潜在特性である固有振動の突出周波数と、羽根車の駆動に使用するＤＣモータの固有振動数が重なることで発生する著しく大きな共振音を、前記羽根車の支持部材である円板状のハブ板の振動が伝播する面積を削減して共振音を抑制する。遠心ファンの羽根車はモータの回転軸に固定される円板状のハブ板とその周縁部に複数の羽根を立設し、羽根の他の端部を円環状のリング板に固定した円筒篭型である。ＤＣモータの固有振動が回転軸から羽根車の外周に向かって波紋状に振動が広がっていくことに着眼し、振動の伝導体となっているハブ板の空気に接触する表面積を削減することで振動の伝達を少なくすると共に空気を振動させる面積も削減する。

請求項２の発明は、前記のハブ板の一部に複数の穴を設けてハブ板の表面積を削減する。穴の大きさ及び形状は、円筒状に立設された羽根の内側内周とハブの外周の間に入る大きさであれば特に限定されない。小さい穴を多数配列することも可能であるが現実的でなくハブ板に歪みが残存する。実用的には直径が１０ｍｍ以上の円形の穴を円周上に等間隔に１又は複数列配列する。

請求項３の発明は、前記のハブ板の一部に制振材を取着してハブ板から空気への振動の伝播を抑制する。制振材としてはブチルゴム系の粘着剤又は自己粘着型制振材、ポリウレタン樹脂が利用できる。他に防振塗料を用いることもできるが厚塗りが必要で回転バランスに注意が必要である。制振材はハブ板の片面あるいは両面に装着し抑え板を添えてリベットで固定する。前出の穴以外の部分に制振材を装着して併用すると更に効果が大きくなる。

請求項４の発明は、前記の遠心ファンが両吸込み式であり、ハブ板に複数の穴を設けたことを特徴としており、羽根車の構成は羽根の長さのほぼ中央にハブ板があり、羽根の両端にはリング板が設けられこれに羽根がかしめられている。ハブ板の中心部はモータの回転軸に固定されるから、モータが配置される位置によって表面側と裏面側の吸い込み面積に差が生じ、ハブ板の振動が増大する原因になると共に、ケーシング（スクロール）から吐出される風量等に損失が認められた。ハブ板に複数の穴を設けることでこれらの損失が解消され、風量及び消費電力が改善され共振音の抑制にも功を奏する。

請求項５の発明は、羽根車の羽根の端部をハブ板及びリング板にかしめて固定し、更に接着剤を併用して、モータの固有振動と羽根車の振動がかしめ部分に作用して生じるびびり音を抑制する。かしめの構造はハブ板の周縁にスリットを設けてこれに羽根を挿入し、ハブ板の周縁部をロールで押圧して羽根を固定する場合と、羽根の端部を折り曲げて固定する場合があり、羽根のかしめによる固定は強固ではあるが必ずしも一体的ではなく、振動により隙間が生じてびびり音が生じるので接着剤で一体的に固定し羽根車の剛性を高めて共振音の拡大を抑制することができる。

本発明によれば、回転数の調整が容易なＤＣモータを遠心ファンに使用した場合、ＤＣモータ特有の振動が羽根車に伝播することを抑制し著しい共振音を排除するので、遠心ファンの回転数を自在に調整することができる。従って、住宅等の常時換気設備として生活場面に応じた快適な風量調整が可能になる。

ＤＣモータと可変速制御基板を使用して遠心ファンの回転数を無段変速制御し住宅の常時換気設備として、低速から高速の可変速運転中の異常な共振音の解消を実現した。

図４は、本発明の遠心ファン１を装備した換気装置２の概略を示す斜視図である。１ａはケーシングであり羽根車を包むように配置され吐出口に通じている。３は本体ケース、４は吐出口、５は吸込み口、６はマイコンを用いた可変速制御板であり、前面パネルとベルマウスなど他の部材は省略している。遠心ファンが作動すると本体ケース内が負圧になり吸込み口から居室の空気を吸気し、吐出口からダクトを通じて屋外に排出するように構成されている。可変速制御板は希望する吸気量を設定するが、居室にセンサーが設置される場合は自動的に遠心ファンの回転数を制御して吸気量を制御することができる。

図１は遠心ファン１のケース内に装備される羽根車７であり、８はモータの回転軸に固定するためのハブであり、９はハブ板、１０は新規に設けた穴である。従来は図１０に示す羽根車７’であり、ハブ板９’には穴を設けていない。その理由として従来はＡＣモータを使用しておりモータに顕著な固有振動が含まれないためである。しかし速度制御はインバータを使用するなどして装置が高価になっていた。１１は羽根であり湾曲した帯状の金属又は樹脂からなり、その両端はハブ板９とリング板１２にかしめられている。

本発明では、羽根車の回転駆動にＤＣモータを使用して回転数の制御をマイコンで行うようにしており、ＤＣモータの固有振動とその影響については先に述べた通りであり、図７に示すように羽根車には回転数により突出した騒音を示す固有振動周波数を有している。この突出した騒音を発生させる原因はハブ板にあることに着目し、ハブ板の面積を削減して音圧を下げるようにした。一つの手段としてハブ板に穴を設けることである。穴を空けることでハブ板が空気を振動させる実質的な面積が減少し、突出する騒音が生じてもその音圧が低く不快感が無くなる。図６からモータの１７５０ｒｐｍ時における固有振動数は７００回／ｓｅｃであり、モータの回転軸に羽根車が固定されるので、羽根車は１７５０ｒｐｍで回転し７００Ｈｚに突出した固有振動数を有していることから共振が著しく大きくなることが判る。

上述したハブ板に穴を空けた効果を実証した例を次ぎに説明する。羽根車は図１に示した羽根車７を使用した。ハブ板９の直径は１２０ｍｍで厚さ１ｍｍのアルミニウム板である。Ｐ．Ｃ．Ｄ．６０ｍｍにて直径２０ｍｍの穴を５箇所に等間隔で設けた。換気装置を無断速調する際に共振音が発生する羽根車の回転数を調べた結果、１９００ｒｐｍで共振音が発生することが判明した。モータの固有振動数を計算して表１に示す。計算式は固有振動数（Ｈｚ）＝通電相×極数×回転数／秒であり、通電相は３、極数は８である。回転数１９００ｒｐｍの時の固有振動数は７６０Ｈｚである。

次ぎに上述した換気装置の騒音をリオン（株）製のシグナルアナライザー（ＳＡ−７７）により測定した結果を穴有りと穴無しの場合について表２に示す。穴無しの場合は周波数７６０Ｈｚ時の音圧が突出しており、穴を設けた方が９．２ｄＢ音圧が下がっていることが判る。その前後の周波数に於いても音圧が低下しており、騒音がはるかに少なくなったことを実感することができた。

遠心ファンが両吸込み式の場合の羽根車を図２に示す。羽根車１３は羽根１４のほぼ中央にハブ板１５が配置され、羽根の両端にはリング板１６ａと１６ｂが配置され、羽根が差し込まれた箇所はハブ板及びリング板の外周縁部をローラーで押圧し羽根をかしめている。ハブ板の中心部にハブ１７が設けられモータの回転軸に固定されて羽根車１３は回転する。この羽根車はハブ板の両面側にそれぞれ羽根車を構成したことになるから、モータに取り付く側は吸引される空気の流れがモータにより阻害されることになる。ハブ板１５に穴１０を設けたので共振による著しい騒音は軽減されるが、この羽根車をケーシングに収めた遠心ファンの排風量が増加し消費電力が減少することを見出した。測定結果を図５にグラフで示す。縦軸に靜圧を横軸に風量を示す。また風量測定点に於ける遠心ファンの消費電力をワット（Ｗ）で示した。ハブ板に穴を設けた場合のグラフを太い実線で示し穴を設けない場合のグラフを細い実線で示している。測定に使用された遠心ファンの羽根車のサイズは外周直径が１９０ｍｍ、羽根の内周直径が１５６ｍｍ、羽根の長さ８４ｍｍ、羽根数４８の円筒形であり、ハブ板に直径２８ｍｍの穴を同一円周上に等間隔で７箇所に配設した。穴の形状は特に円形に限らず楕円や台形などが基本形状として用いられ、ハブ板の強度が維持されことを前提として、穴の面積の合計即ち開口率は５〜７０％が妥当なところである。

ハブ板が振動することで騒音が発生するから、空気との接触面積を削減して騒音を軽減するために穴を空けることで対応した例を述べたが、要はハブ板の振動が空気に伝播するのを妨げればよい訳であり、制振材を用いても目的が達成される。図３に制振材を用いた例を示す。図３（ａ）は、図９に示した従来のハブ板に穴を設けない羽根車のハブ板９’に、制振材を取着した羽根車１８の一部を断面で示す斜視図であり、同（ｂ）図は破線で囲まれた部分の拡大図である。ハブ板９’の両面にブチルゴム系の粘着性制振材を貼着しその上側に抑え板２０を添設してこれらをリベット２１でかしめた構造である。ハブ８がモータの回転軸に固定されモータの固有振動がハブ板９’に伝達された場合、ハブ板の振動は少なくとも制振材で覆われた箇所では空気に伝播しないので共振音を軽減できる。また制振材を接着剤で貼着し表面を薄い樹脂製のシートで被覆する構造でもよい。制振材の代わりに防振塗料も利用できる。

羽根車の羽根はハブ板とリング板に挿入された後、羽根の両端及び中央部がかしめられて固定されるが、モータから伝わる振動に加えて、羽根自体も０．６ｍｍ程度の薄板であるために空気を切る際に微震動を起こし、かしめ部分からびびり音が発生する。羽根のかしめ方の主な手法を図９に示す。同（ａ）図は両吸込み式の羽根車１３（図２参照）を例示した斜視図である。ハブ板１５とリング板１６ａにはその外周部に開口する孔２２が設けられ、円周外方から羽根１４をさし込み、次いでリング板及びハブ板の外周縁部２３ａ及び２３ｂをローラーで押圧し開口した箇所を押しつぶして羽根を固定する。更に接着剤２４を羽根とリング板及びハブ板の交点に塗布して間隙を埋め乾燥させてかしめ部分を補強し、振動によるびびり音の発生を防止する。同（ｂ）図は別のかしめ手法を示す斜視図であり、片吸込み式の羽根車７（図１参照）を例示している。ハブ板９とリング板１２に孔２５が設けられる。羽根１１の両端には羽根の幅より狭い突出部２６ａと２６ｂが形成されており、該突出部は前記孔２５に挿通される。突出部は折り曲げるようにかしめられ、更に羽根とハブ板及びリング板の交点と突出部の周囲に接着剤２４を塗布し間隙を埋め乾燥させてかしめ部分を補強し、振動によるびびり音の発生を防止する。接着剤は特に限定されないがエポキシ樹脂系のセメダイン等がぬれ性も良く好適である。このようにしてハブ板の振動が拡大しないように羽根車を構成することで共振音を抑制している。

遠心ファンの騒音の主たる原因とされるハブ板の振動する面積を少なくすることで、著しく大きな共振音を抑制しているので直流モータの固有振動に特段の配慮が不要である。従って居室の換気に留まらず、直流モータの回転数制御がマイコンにより容易に行えることから、遠隔操作が求められる工業用に利用される排気ダクトの送風機、あるいは医療施設などにおける静かさと送排気量の微調整が求められる分野に好適な換気装置を提供できる。

本発明の片吸込み式の羽根車の斜視図である。（実施例１）本発明の両吸込み式の羽根車の斜視図である。（実施例２）別の実施態様を示す羽根車の斜視図である。（実施例３）換気用ファンの一例を示す斜視図である。（実施例１）両吸込み式の遠心ファンの風量特性を示すグラフである。（実施例２）ＤＣモータの固有振動数を算出する早見表である。（実施例１）ＤＣモータと遠心ファンの共振点を例示するグラフである。（実施例１）騒音を実測したグラフである。羽根車のかしめ部を示す斜視図である。（実施例１及び２）従来の羽根車を示す斜視図である。

符号の説明

１遠心ファン
２換気用ファン
３本体ケース
４吐出口
５吸込口
６可変速制御板
７羽根車
８ハブ
９ハブ板
１０穴
１１羽根
１２リング板
１３羽根車
１４羽根
１５ハブ板
１６リング板
１９制振材
２２孔
２４接着剤

Claims

羽根の支持部材である円板状ハブ板の振動が伝播する面積を削減して共振音を抑制することを特徴とする直流モータを用いた遠心ファン。
前記のハブ板の一部に複数の穴を設けた請求項１に記載の遠心ファン。
前記のハブ板の一部に制振材を取着した請求項１又は２に記載の遠心ファン。
前記の遠心ファンが両吸込み式であり、ハブ板に複数の穴を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心ファン。
羽根車の羽根の端部をハブ板及びリング板にかしめて固定し、更に接着剤を併用してびびり音を抑えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心ファン。