JP2005194900A - 静翼装置、この静翼装置の製造方法、及びこの静翼装置を有する電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の送風装置は、静圧が高くなると風量が低下する。それを改善するためにはファン径を大きくしたりファンを複数台使用すると、ファン取付寸法が変わったり入力電力が増加するという課題があった。
【解決手段】静翼２の翼先端から外周に向かった位置に環状壁を持ち外形が四角形であるハウジング４を有し、静翼とハウジングが結合している静翼装置である。これを、ハウジング外形が同寸法の既存のファン６の後段に設置することによって入力電力を増加させることなく、生産コストの増加も招かずに風量−静圧特性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静翼装置に関する。

近年、機器の小型化、電子化により、電気回路の高密度実装が盛んに使用されるようになってきた。これに伴い電子機器の発熱密度も増加するため、機器冷却用に送風装置が使用されている。このような電子機器冷却用として、軸流ファンとその外径に一定の間隔を空けた位置に環状壁を持ち外形が四角く軸方向に扁平なハウジングを組合せたボックス型送風装置がよく用いられている。

従来のボックス型送風装置は、図１２に示すように複数羽根１を持つファン６が回転可能に配置され、そのファン６の先端から間隔を空けて環状壁３が形成されており、モータ部７に通電した送風状態では、軸流ファンが軸を中心に回転方向８の方向に回転し、吸引側から吐出側に向かう空気流９が発生する。（例えば、特許文献１参照）
特開平０５−３１２１９２号公報

しかしながら、送風機にかかる静圧が高くなると、流量が減少し冷却能力が低下する。そこで、ファンの外径を大きくするという手段が考えられるが、電子機器への取り付け面積が制限されている場合が多く、ファンの外径を大きくすることは適切ではない。また、上記ボックス型送風機を軸方向に二段重ねるという手法が考えられるが、送風機への入力電力が増加してしまうという問題が生じる。

送風機の高圧時の風量を上昇させる方法として、一般的には動翼の後流側に逆回転のファンを設置する二重反転ファンや動翼と静翼を軸方向に並べるというものがある。しかし、標準的な外形寸法が決まっているボックス型送風装置にこのような方法を適用しようとすると、二重反転ファンにおいても静翼付きファンにおいても、各々のファンを軸方向に約１／２程度まで短くしなければならなくなり、前段、後段各々のファン特性が低下してしまうことに加えて駆動部の機構も複雑になる。

したがって、ファンを二段構成にした効果が各々のファンを軸方向に短くした影響により相殺されてしまい、特性の大幅な向上は期待できない。また、取付寸法は同一のままで、軸方向にのみ長くするという手段もあるが、ボックス型送風装置の外形寸法は標準寸法が決まっており、その規格から外れると用途が非常に限定されてしまうので需要が少なくなり生産単価が高くなってしまう。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、既存のボックス型送風装置を利用して、送風機の取り付け面積を大きくすることなく、静圧が高い状態においても風量性能が高く、低消費電力また低コストな送風装置を実現するための静翼装置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、本件出願に係る発明は、静翼の翼先端から外周に向かった位置に環状壁を持ち外形が四角形であるハウジングを有し、静翼とハウジングが結合していることを特徴とする。この静翼装置をハウジング取付寸法が等しい既存のボックス型送風装置の後段に配置して使用することにより、前段の動翼から流出される流れの旋回成分を軸方向成分に変換し、動圧を静圧に回復することができるので、ファンユニットの静圧を増加させることができる。これにより、風量−静圧特性の優れた、低消費電力のファンユニットが提供できる。

また、前段に配置するボックス型送風装置は市場に多く流通し入手が容易で安価であるとともに、本発明の静翼装置は可動部分を有しないので低コストで製造可能であるので、両者を組合せたファンユニットも低コストで、容易に構成できる。

また、本件出願に係る発明は、静翼の出口側の流出角度が０度であることを特徴とする。これによって、静翼からの流出流れは旋回成分を含まなくなるので、動翼から流出された流れの旋回成分を効率良く静圧に変換することができ、ファンユニットの風量−静圧特性をさらに向上させることができる。

また、本件出願に係る発明は、ハウジングの環状壁が吐出側で途切れた状態となっており、環状壁とハウジング外周部の間には吐出し側に開放されたエアポケット部が形成されていることを特徴とする。これによって静翼の翼間や後縁付近、ハウジングの環状壁付近で生じる乱流や渦を抑制することができるので、ファンユニットの風量−静圧特性の向上に加えて騒音の低減もできる。また、この静翼装置の成形に際し、上下コアのみの構成の金型で静翼、環状壁、ハウジング外形部分が成形されたことを特徴とする。これによって、金型が簡略化されることによる設備費の削減、可動部が少なくなることによる設備の長寿命化や保守性の向上、成形工程の削減による生産性の向上や低コスト化が可能となる。

また、本件出願に係る発明は、ボス部分がなく、羽根とハウジングのみで構成されたことを特徴とする。これによって、静翼部分の流路面積が広くなり、前段の動翼に対する圧力損失が低減されるのでファンユニットの風量―静圧特性が向上する。

また、本件出願に係る発明は、ボス部分が吸引側から吐出し側に向けて小さくなるテーパ状になっていることを特徴とする。これによって、静翼装置の入口の流路面積より出口の流路面積のほうが広くなり、静翼出口の流出速度が遅くなるので、静圧を向上させることができる。

さらに、ボス付近の流れが静翼のテーパ形状に沿って滑らかに流出するのでボスの吐出し側で生じていた渦が低減し、これによって、ファンユニットとしての流量を増加させると共に騒音を低減することができる。

また、本件出願に係る発明は、上記発明の静翼装置を、前記静翼装置とは別の静翼装置の後段に配置する構成において、前記別の静翼装置の羽根枚数が、前段に配置する動翼の羽根枚数と異なることを特徴とする。これによって、動翼と静翼の干渉音の周波数が高くなり、その結果ファンユニットとしての騒音レベルを低減することができる。

さらに、電子機器の冷却装置として上述のファンユニットを備える場合には、冷却効率の向上、消費電力の低減を図ることができる。

本件出願にかかる発明のうち、請求項１、請求項２記載の発明によれば、既存のボックス型送風装置を利用してファンの後段に静翼装置を設置することにより、入力電力を増加させることなく風量−静圧特性を向上させることができる。

また、請求項３、請求項４記載の発明によれば、漏れ流れによる乱流渦を抑制することにより風量を増加させるとともに乱流騒音を低減することができる。さらに、ハウジングを成形する場合、上下金型のみで静翼、環状壁、ハウジング外形の成形が可能であるため、生産コストの削減、生産効率の向上ができる。

また、請求項５記載の発明によれば、静翼を通過する流路面積が広くなるので、動翼に対する圧力損失が低減し、ファンユニットの流量を上昇させることができる。

また、請求項６記載の発明によれば、出口側の流速が遅くなるのでさらに静圧を上昇させることができる。さらに、静翼ボスの吐出し側で生じる渦流れが抑制されるので、渦損失の低減により風量が増加し、乱流騒音も低減できる。

また、請求項７記載の発明によれば、ファンユニットの風切音を低減させることができるので、ファンユニットを低騒音化することができる。

さらに、請求項８記載の発明によれば、電子機器の冷却効率の向上、静音化、低消費電力化に効果を奏するものである。

以下本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の静翼装置の構造図である。複数の羽根１を持つ静翼２と静翼２の翼先端の外周側に環状壁３を含むハウジング４とを有し、静翼２とハウジング４は結合されている。

図１２に示すように、従来の送風装置においては、ファン６がモータ部７により回転方向８の方向に回転駆動されることにより吸引側から吐出側に向かう空気流９が発生する。しかし、ファン６に圧力が加わると、図２に示すファンの流量−静圧特性の曲線（丸数字１，実線）からわかるように、流量が減少してしまう。そこで、従来の送風装置を図３に示すように軸方向に二段重ねるという手法が考えられ、図２に示すの曲線（丸数字２）の特性のように、ファン一台の場合よりも風量−静圧特性は向上する。この方法によって静圧が高い状態においても風量を高くすることができるが、ファンユニット１０への入力が約２倍に増加してしまう。

また、一般的に羽根の入口角１１と相対流入角度１２は、動作点においてほぼ等しくなるように設計されるが、図３に示す円筒断面翼列の展開図からわかるように、ファンを軸方向に２段重ねて使用すると前段１３から流出される旋回成分を含んだ流れが後段１４に流入されるので、後段のファンでは相対流入角度１２が小さくなる。その結果、後段のファンでは流れが翼面に沿って流れず、前縁１５付近から剥離が生じ、失速状態で回転するためファンとしての十分な働きをなさない。したがって、図２の曲線（丸数字２）に示すように、ファン単体と比較すると流量−静圧特性は向上するものの、静圧は二倍までも上昇しない。ここで、絶対速度ベクトルを１６、周速度ベクトルを１７、相対速度ベクトルを１８とする。

図４に示すように、本発明の実施の形態の静翼装置１９は、動翼２０の後段に配置して利用される。一般的なファンは絶対流入角度２１が０度で設計されているので、前段１３に静翼を配置すると動翼の流入流れに旋回成分が含まれてしまい、設計された適切な動作状態にはならずファンの性能を悪化させてしまうので、図４（ａ）に示すように静翼は後段に配置する。静翼２は前段の動翼２０の流出流れの旋回成分２２を回収し、静翼２の流出流れが軸方向２３を向くように設計される。そうすることによって、前段の動圧を静圧に変換することができ、ファンユニット１０への入力電力が同等のままで、図２の特性（丸数字３、点線）に示すように流量−静圧特性をファン単体の場合よりも向上させることができる。また、図４（ｂ）からもわかるように、静翼からの流出角２４を０度にすることにより、静翼からの流出流れが軸方向成分のみになるので、動翼出口の旋回成分を有効に回収し、静圧を向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２の静翼装置の構造図である。ハウジングの環状壁３は吐出側で途切れた状態となっており、環状壁３とハウジング外周部の間には、吐出し側に開放されたエアポケット部２５が形成されている。

図４に示すように前段のファン６によって、吸引側から吐出し側に向かう空気流９が発生し後段の静翼２に流れる。ファンユニット１０にかかる圧力が高くなると、前段の動翼から流出する流れ２６の遠心方向成分２７が大きくなり、その流れが後段の静翼２のハウジング環状壁３に衝突する。また、静翼の圧力面２８と負圧面２９の圧力差により、後縁部３０において正圧側から負圧側に向かう漏れ流れ３１が生じる。これらの流れは環状壁３と静翼２の間等で渦３２を発生させ、実質的な流路を狭くして風量を低下を招き、乱流騒音を発生させる。

一方、図６に示すように静翼装置のハウジング４にエアポケット部２３を設けると、遠心方向成分を持った動翼からの流出流れや、翼間で生じる正圧面２７から負圧面２８への漏れ流れによる渦３２が一旦このエアポケット２３内に入り、ここである程度乱流エネルギーを減衰させた上で、吐出し側に放出させることにより流路に渦が発生するのを妨げ、流量の増加、さらには乱流騒音の抑制による低騒音化が実現できる。

また、本実施の形態の静翼装置は生産性を向上させることができる。一般的に、樹脂あるいは金属を素材とした射出成形などを行った場合、材料の収縮による形状の歪みを抑えるために、各部の肉厚がほぼ一定になるようにハウジングの形状を外周に凹部を設けた構造とする。図７に実施の形態１のハウジングを成形する場合の金型構造の概略図を示すように、静翼、環状壁、ハウジング外形部分を上下コア３３，３４とそれらと垂直方向に正対してスライドする２つのスライドコア３５，３６より成形するという方法が一般的である。

図８は本実施の形態２の静翼装置１６の静翼、環状壁、ハウジング外形部分を成形する金型構造を示している。本実施の形態の静翼装置はスライドコア３５，３６を有さない、上下２方向からの金型３３，３４で成形されている。ここでのスライドコアは、取付部分などの詳細形状を成形するものではなく、ハウジングの外形の凹部を成形するコアを表す。これにより、金型が簡略化されることによる設備費の削減、可動部が少なくなることによる設備の長寿命化や保守性の向上、成形工程の削減による生産性の向上や低コスト化が可能となる。

さらに、本実施の形態のハウジングはエアポケット部を設けることにより、全体の肉厚をほぼ一定に保つことにより、成形時のヒケを抑え、精度向上が可能になると同時に無駄な部分の材料を省くことにより軽量化および材料コストの削減をすることもできる。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３の静翼装置の構造図である。図４に示すように、静翼装置１９のボス部分は流れの障害物となるため前段動翼に対する圧力損失を増加させ、流路を狭くして流量の低下を招く。そこで、図９に示すようにボス部分を省くことにより流路が広くなるので動翼に対する圧力損失が低減し、流量−静圧特性の向上、騒音の低下が実現できる。また、材料の削減による低コスト化、静翼装置の軽量化ができる。

（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４の静翼装置の構造図である。図１０に示すようにボス部分３７が吸引側から吐出し側に向けて小さくなるテーパ状になっている。これにより、静翼装置の入口の流路面積より出口の流路面積のほうが広くなる。流量は流速の軸方向成分と流路面積の積で求められ、入口と出口で通過する流量は等しいため、出口での流出流れの軸方向成分が減少し流れの運動エネルギーが減少する。その運動エネルギーは静翼出口側で静圧に変換されるのでファンユニットとしての静圧が上昇する。また、動翼から流出されたボス付近の流れが静翼のテーパ形状のボス表面に沿って流れるため、図４に示しているような静翼のボスの吐出し側で生じる渦流れが抑制され、ここで生じていた渦損失が低減するため、流量が増加し乱流騒音も低減できる。

（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５の静圧装置を用いたファンユニットのファン６と静翼装置１９の正面図である。一般的にファンが発生する騒音では羽根が物体を横切るときに生じる音が大きくなる。静翼装置の羽根枚数を動翼の羽根枚数と等しくすると、動翼の各々の羽根が静翼の羽根を同時に横切るために、動翼と静翼との干渉音である羽根枚数Ｚと回転数Ｎ（ｒ／ｓｅｃ）の積の周波数成分の騒音レベルが増幅され、ファンユニットとしての騒音が非常に大きくなってしまう。そこで、動翼の羽根枚数と静翼の羽根枚数が異なり、両数の最小公倍数が各々の羽根枚数よりも大きくなるようにすることによって、ファンユニットとしての騒音の主要な周波数成分は、動翼の羽根枚数と静翼の羽根枚数の最小公倍数ｎと回転数Ｎの積まで高くなるため、騒音レベルが低減できる。

図１１にはその一例として、動翼の羽根枚数が７、静翼の羽根枚数が５の場合を示している。静翼の羽根枚数が動翼と同数の７枚の場合は干渉音の周波数が回転数の７倍となるが、静翼の羽根枚数を５枚にすることにより動翼と静翼の干渉音の周波数が回転数の３５倍まで高くなるので、ファンユニットとしての騒音レベルは低下する。

なお、上記実施例の静翼装置を既存のファンと組合せてファンユニットとし、機器に組み込んで使用することにより、静圧が負荷された場合においても風量が増加し、消費電力を増加させることなく機器の冷却能力の向上効果が得られる。

本発明の静翼装置、この静翼装置の製造方法、及びこの静翼装置を有する電子機器は、電子機器の冷却効率の向上、静音化、低消費電力化に効果を有し、機器の特性向上に有用なモータが提供できる。

本発明の実施の形態１による静翼装置の構造図、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 風量−静圧特性図 ２段重ねファンの構造図、（ａ）は断面図、（ｂ）は翼列図 本発明の実施の形態１によるファンユニットの構造図、（ａ）は断面図、（ｂ）は翼列図 本発明の実施の形態２による静翼装置の構造図、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 本発明の実施の形態２によるファンユニットの断面図 一従来例のハウジングの金型の構造図 本発明の実施の形態２による金型の構造図 本発明の実施の形態３による静翼装置の断面図、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 本発明の実施の形態３による静翼装置の断面図、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 本発明の実施の形態４による静翼装置、（ａ）は前段ファンの正面図、（ｂ）は後段静翼装置の正面図 一従来例の送風装置、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図

符号の説明

１ 羽根
２ 静翼
３ 環状壁
４ ハウジング
５ スポーク
６ ファン
７ モータ部
８ 回転方向
９ 空気流
１０ ファンユニット
１１ 入口角
１２ 相対流入角
１３ 前段
１４ 後段
１５ 前縁
１６ 絶対流入速度
１７ 周速度
１８ 相対流入速度
１９ 静翼装置
２０ 動翼
２１ 絶対流入角度
２２ 旋回成分
２３ 軸
２４ 出口角
２５ エアポケット
２６ 流出流れ
２７ 遠心方向性分
２８ 圧力面
２９ 負圧面
３０ 後縁
３１ 漏れ流れ
３２ 渦
３３ 上コア
３４ 下コア
３５ スライドコア
３６ スライドコア
３７ ボス

Claims (8)

1. 静翼の翼先端から外周に向かった位置に環状壁と、外形が四角形であるハウジングとを有し、前記静翼と前記ハウジングとが結合していることを特徴とする静翼装置。
2. 静翼の出口側の流出角度が０度である請求項１記載の静翼装置。
3. ハウジングの環状壁は吐出側で途切れた状態の構成を有しており、前記環状壁と前記ハウジングの外周部との間には、吐出し側に開放されたエアポケット部を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の静翼装置。
4. 請求項３記載の静翼装置の成形方法は、静翼、環状壁、及びハウジング外形部分が上コアと下コアとの２つの部分で構成された金型を用いて成形されることを特徴とする静翼装置の成形方法。
5. ボス部分を有しない構成であり、羽根とハウジングのみで構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の静翼装置。
6. ボス部分が吸引側から吐出し側に向けて小さくなるテーパ状の構成を有することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の静翼装置。
7. 請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、又は請求項６のいずれか一項に記載の静翼装置を、前記静翼装置とは別の静翼装置の後段に配置する構成において、前記別の静翼装置の羽根枚数が、前段に配置する動翼の羽根枚数と異なることを特徴とする静翼装置。
8. 請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６、又は請求項７のいずれか一項に記載の静翼装置を内蔵する電子機器。
   
   

Images