JP2006329097A - 多翼羽根車構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計を、容易に行うことができるとともに、高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる多翼羽根車構造を提供する。
【解決手段】 共通の円周面上に、円周方向に一定間隔で、かつ軸方向に沿って多数の翼を配置し、これら多数の翼の一端を、回転軸に連結される主板で支持するとともに、該多数の翼の他端を、環状の副板で支持し、上記環状の副板の吸込み口から取り入れた空気を多数の翼の周囲から噴出するようにした多翼羽根車構造において、上記翼２の空気取り入れ側が形成する円周の接線ベクトルと上記翼２の空気取り入れ側との成す入口角β１と、上記翼２の空気吹き出し側が形成する円周の接線ベクトルと上記翼２の空気吹き出し側との成す出口角β２の和を、２００度から２４０度の範囲に設定した多翼羽根車構造。
【選択図】 図３Ａ

Description

本発明は電子機器の冷却等に使用される小型の多翼送風機の効率改善と低騒音化を可能とする多翼羽根車構造に関する。

多翼送風機は、図１１に示すように、回転軸１００周りに多数の翼１０１を配置した多翼羽根車１０２を、空気吸込み口と吐出し口を有するスクロールケーング内に収容したもので、その送風効率と騒音は、スクロールケーシング形状と翼１０１の形状に大きく左右される。特に、羽根車１０２内の空気流路に大きく影響する翼１０１の入口角と出口角と称する翼中心線の成す角度について、考慮を払う必要がある。

図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、遠心羽根車の翼１１０，１２０，１３０の形状を示した一般的な図であるが（非特許文献３）、入口角は、回転方向の向きに、内径接線Ａから翼中心線Ｂに成す角度を言い、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）では、β１が相当する。一方、出口角は、回転方向の向きに、外形接線Ｃから翼中心線Ｂに成す角度を言い、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）では、β２が相当する。入口角β１と出口角β２は翼１１０，１２０，１３０がいかなる形状になっても、共通した箇所の角度を指し、その大きさが変わるのみである。すなわち、出口角β２が９０度よりも小さいと翼１１０は回転方向に対して、後ろ向きとなり、後ろ向き羽根（図１４（ａ））と呼ばれている。入口角β１と出口角β２が等しい翼１２０は径向き羽根（図１４（ｂ））と呼ばれている。一方、出口角β２が９０度よりも大きいと翼１３０は回転方向に対して、前向きとなり、前向き羽根（図１４（ｃ））と呼ばれ、これが多翼羽根車である。

特許文献１では、図１２に示すように、入口角β１が、補角すなわち、反対位置にある。また、特許文献２が、図１３に示すように、出口角β２が、補角すなわち、反対位置にある。このように、翼形状を特定する角度は、２種類あり、誤解が生ずるのを避けるためには、角度を定義しておく必要がある。

次に、最適な入口角β１と出口角β２の組み合わせであるが、前述のように、多翼ファンでは、羽根車で空気流の向きを変えることで圧力を上昇させるため、本来、回転方向逆向きに翼に流入した空気流が、回転方向向きに、流出する場合が、もっとも羽根車の回転エネルギーを空気流に効率よく与えることになるが、実在の空気では、流れの剥離が発生するなど、理想的な状態とは大きく異なっている。そこで、多翼ファンでは、実験をもとにした設計値が使われている。
特許文献１は、送風効率の改善と騒音低減に有効な出口角について触れている。また、特許文献２は、入口角と出口角が主板側と副板側で各々異なることを特徴としている。

しかしながら、図１２に示す特許文献１の入口角、出口角と、図１３に示す特許文献２の入口角、出口角とは、図中の示す位置が異なっていて、互いに違う箇所の角度をさしていることがわかる。

また、多翼送風機は、翼に沿って、空気流が流れの向きを変えることで、圧力を上昇するため、入口角と出口角とは、本来、密接な関係があるはずである。
特許２６６７７４８号公報 特許３５０７７５８号公報 大学講義 流体機械、大場、上山、丸善株式会社

ところが、特許文献１では、出口角については、具体的な数値を示しているが、入口角については、触れていない。一方、特許文献２では、翼の入口部での気流との乖離を防止するために、入口角を適切に設定することが述べられているが、その具体的な数値については、まったく触れていない。すなわち、特許文献１や特許文献２をもとに多翼羽根車を設計しようとしても、おおまかな設計方針についての情報は得られるものの、具体的な指標が得られないため、試行錯誤に頼らざるを得ず、高効率で低騒音の多翼送風機を得るという目的を達成することは、難しい。
このように、従来の多翼羽根車を用いた多翼送風機では、効率、騒音共に、最善の設計となっているとは言い難く、容易に、高い効率で、かつ、低騒音の羽根車を設計する方法が要求されている。前述の特許文献１の翼出口負圧面側と正圧面側の角度を最適に設定することや特許文献２の軸方向での翼入口角、出口角を最適に設定することは、翼の入口角、出口角を最適に設定した後に有効な改善手段である。

本発明は、上記課題を解決し、従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計を、容易に行うことができるとともに、高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる多翼羽根車構造を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、共通の円周面上に、円周方向に一定間隔で、かつ軸方向に沿って多数の翼を配置し、これら多数の翼の一端を、回転軸に連結される主板で支持するとともに、該多数の翼の他端を、環状の副板で支持し、上記環状の副板の吸込み口から取り入れた空気を多数の翼の周囲から噴出するようにした多翼羽根車構造において、上記翼の空気取り入れ側が形成する円周の接線ベクトルと上記翼の空気取り入れ側との成す入口角と、上記翼の空気吹き出し側が形成する円周の接線ベクトルと上記翼の空気吹き出し側との成す出口角の和を、２００度から２４０度の範囲に設定したことにある。
また、本発明は、上記翼の入口角と出口角の和が２２０度±１２度であることにある。
またさらに、本発明は、上記翼の出口角が１４０度から１７０度の範囲であることにある。
また、本発明は、上記翼の入口角として、翼中心線の内側端点を通る円の接線ベクトルであって、該翼中心線の内側の端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと、該翼中心線の内側端点から始まる多翼羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトルとの成す角度を用いることにある。
さらに、本発明は、上記翼の出口角として、翼中心線の外側端点を通る円の接線ベクトルであって、該翼中心線の外側端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと、該翼中心線の外側端点から始まる多翼羽根車外向きの翼中心線接線ベクトルとの成す角度を用いることにある。

以上のように本発明に係る多翼羽根車構造を用いた多翼送風機では、送風効率、騒音共に良好な結果であり、従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計が、本発明により、誰でも容易に高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図１ないし図７により詳細に説明する。
図１は本発明に係る多翼羽根車の斜視図、図２Ａは、多翼送風機の斜視図、図２Ｂは、多翼送風機の一部を切り欠いて示す斜視図である。
図１、図２Ａ、および図２Ｂにより本実施の形態の多翼羽根車および多翼送風機の全体構成を説明する。
多翼羽根車１は、共通の円周面上に、円周方向に一定間隔で、かつ軸方向に沿って多数の翼２を配置し、これら多数の翼２の一端を、回転軸に連結される主板３で支持するとともに、該多数の翼２の他端を、環状の副板４で支持したものである。多翼羽根車１を組付けた多翼送風機は、側壁に吸込口５ａを形成したスクロールケーシング６内に多翼羽根車１を内蔵したもので、多翼羽根車１の主板３にモータＭの回転軸が連結されて多翼羽根車１を回転駆動するものである。
多翼羽根車１は、モータの回転軸と接合するハブ７を中心に設置した主板３と、多翼送風機吸込み側に位置する副板４との間に、複数の翼２が両端の軸部を介して固定されていて、モータが回転することで、多翼羽根車１が回転し、多翼羽根車１外周に向かう気流を作り出すものである。
多翼羽根車１は、スクロールケーシング６のスクロール中心に位置し、多翼羽根車１の回転により、スクロールケーシング６の側面に形成した吸込口５ａから流入した空気は、多翼羽根車１の遠心方向に、多翼羽根車１から流出する。次いで、スクロールケーシング６に沿って、圧力が上昇した空気流は、吐出口５ｂから流出される。

図３Ａ、図３Ｂは多翼羽根車の翼の形状を示す平面図である。
図３Ａ、図３Ｂにおいて、多翼羽根車内側から流入した空気流は、翼２により、流れの向きを変える際に、圧力を上昇する。このように、翼２での流れの変更が、多翼送風機の送風原理であり、したがって、翼２の入口角β１、出口角β２が多翼送風機設計の際の重要なポイントとなる。
すなわち、翼中心線１６の内側の端点８から始まる回転方向と逆向きの該翼中心線１６の内側端点８を通る円の接線ベクトル９と該翼中心線１６の内側端点８から始まる羽根車外向きの翼中心線１６の接線ベクトル１０との成す角度１１（入口角β１）と、該翼中心線１６の外側端点１２から始まる回転方向と逆向きの該翼中心線１６の外側端点１２を通る円の接線ベクトル１３と該翼中心線１６の外側端点１２から始まる羽根車外向きの翼中心線接線ベクトル１４との成す角度１５（出口角β２）の和を２００度から２４０度の範囲に設定した。

次に、本発明の多翼羽根車構造における入口角β１、出口角β２を求める方法を説明すると、種々の入口角β１、出口角β２の多翼羽根車を試作し、市販の多翼送風機の羽根車と交換し、その送風効率、騒音を測定することで、最適な入口角β１と出口角β２を求めた。

その結果、図４および図５に示すように、入口角β１と出口角β２には、効率、騒音を最適化する組み合わせがあることが判明した。
すなわち、図４は出口角β２が１４０度、１６０度、１７０度と入口角β１が４８度、６７度、８６度、１０４度の計１２種類の組み合わせの羽根車の最大送風効率すなわち、送風出力と軸動力の比の最大値を表したものであるが、入口角β１と出口角β２とが、それぞれ、β１＝４８度とβ２＝１７０度、β１＝６７度とβ２＝１６０度、β１＝８６度とβ２＝１４０度のときに、最大効率がもっとも大きくなっていることが分かる。すなわち、入口角β１と出口角β２との和が、２２０度前後で最大となることが分かる。一方、図５は、同様に入口角β１と出口角β２の１２種類の組み合わせの羽根車での騒音値を表したものであるが、同じく、入口角β１と出口角β２とが、それぞれ、β１＝４８度とβ２＝１７０度、β１＝６７度とβ２＝１６０度、β１＝８６度とβ２＝１４０度のときに、騒音レベルがもっとも小さくなっていることが分かる。これは、送風効率が最大となる入口角β１と出口角β２の組み合わせと同じである。
すなわち、入口角β１と出口角β２の和が２２０度前後で、送風効率、騒音とも最適な状態となることが判明した。そして、入口角β１と出口角β２の和が２２０度±１２度の範囲が送風効率、騒音とも最適な状態となる。この場合、上記翼２の出口角β２が１４０度から１７０度の範囲が好ましい範囲となる。
なお、実験に使用した入口角β１と出口角β２は、前述の一般的な定義に基づいている。

また、図６は、最適な入口角β１と出口角β２の組み合わせの羽根車同士で、送風効率と騒音レベルを比較したものであるが、出口角β２が１７０度のものは、送風効率が大きく、同時に騒音レベルも大きいことが分かる。一方、出口角β２が１４０度のものは、他の最適な組み合わせと比べると、騒音レベルが小さいが、送風効率は、多少劣ることが分かる。すなわち、入口角β１と出口角β２の和が２２０度前後となる最適な組み合わせの内、出口角β２を小さく設定すると、低騒音であることを重視した設計になり、出口角β２を大きく設定すると効率を重視した設計になることが分かる。なお、それぞれは、送風効率、騒音が最も良くなる組み合わせであり、従来の設計を基にしたものよりも、効率、騒音いずれにおいても優れていることは言うまでもない。

また、多翼送風機においても、相似則、すなわち、大きさの異なる形状が相似の送風機同士の特性は、大きさをパラメータとした一定の関係があるため、本発明の入口角β１と出口角β２の関係は、羽根車の大きさによらずに、成り立つことは、言うまでもない。

次に、図１ないし図３に示した多翼送風機において、従来の多翼羽根車と本発明に係る多翼羽根車とを収容し、流量および圧力特性を測定して、送風効率を算出することと、無負荷時の騒音レベルを測定することで、比較を行った。
多翼羽根車の外径は９５ｍｍ、翼数は２３、翼厚みは２ｍｍであり、従来例、本発明実施例とも同じである。
翼の入口角β１、出口角β２については、従来例としては、前述のように、角度設定の見解の相違や、実験により設定していることなどから、確たる値はないため、ここでは、入口角β１＝１０３度、出口角β２＝１７０度とした。これが図１１に示す従来例である。

一方、本発明に係る実施例では、入口角β１＝６７度と出口角β２＝１６０度の組み合わせと入口角β１＝４８度と出口角β２＝１７０度の２種類について、測定を行った。なお、入口角β１と出口角β２の和は、本発明の請求項にあるように、それぞれ、２２７度、２１８度と送風効率、騒音共に最適化する角度となっている。
流量−圧力特性を測定した後、流量と圧力の積と軸動力の比から、送風効率を求める。ついで、流量は、無次元則を用いて、流量係数φに換算する。送風効率は、流量が開放時の流量の５０％前後で最大となり、この流量、圧力で使用するのが、もっとも効率が良い。ここでは、最大送風効率を比較することにした。

また、騒音については、多翼羽根車の回転速度が２０００ｒ／ｍでの無負荷時の騒音を吸込み口から１ｍの位置でマイクロホンで測定し、聴覚補正の一種であるＡ特性補正を行った値を比較することとした。
図７は従来例と本発明の実施例のうち、入口角β１＝６７度、出口角β２＝１６０度の多翼送風機について、送風効率を比較したもので、図８は同じく、騒音特性を比較したものである。送風効率については、大きな差はないものの、騒音については、従来例が５１．４ｄＢ（Ａ）に対して、本発明の実施例は、４８．４ｄＢ（Ａ）と大幅に低減していることが分かる。

さらに、図９は従来例と本発明の実施例のうち、入口角β１＝４８度、出口角β２＝１７０度の多翼送風機について、送風効率を比較したもので、図１０は同じく、騒音特性を比較したものである。騒音については、本発明の実施例が１ｄＢほど低減し、効率については、従来例が４８．１％に対して、本発明の実施例が５０．６％と大きく改善されていることがわかる。

上記実施の形態によると、本発明に係る多翼羽根車構造を用いた多翼送風機では、送風効率、騒音共に良好な結果であり、従来、実験に頼らざるを得なかった多翼送風機の多翼羽根車の設計が、本発明により、誰でも容易に高効率かつ低騒音の多翼羽根車を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態による多翼羽根車構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態による多翼羽根車を備えた多翼送風機の斜視図である。 本発明の実施の形態による多翼羽根車を備えた多翼送風機の一部切り欠き斜視図である。 本発明の実施の形態による多翼羽根車構造を示す平面図である。 図３Ａの多翼羽根車構造を示す一部拡大図である。 本発明の実施の形態による多翼羽根車構造の入口角と出口角による送風効率の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態による多翼羽根車構造の入口角と出口角による騒音レベルの変化を示すグラフである。 本発明を実施した多翼送風機の送風効率と騒音レベルを示すグラフである。 本発明の多翼羽根車を内蔵した多翼送風機と従来の多翼羽根車を適用した多翼送風機の送風効率の比較を示す特性図である。 本発明の多翼羽根車を内蔵した多翼送風機と従来の多翼羽根車を適用した多翼送風機の騒音レベルの比較を示す特性図である。 本発明の他の実施の形態による多翼羽根車を内蔵した多翼送風機と従来の多翼羽根車を適用した多翼送風機の送風効率の比較を示す特性図である。 本発明の他の実施の形態による多翼羽根車を内蔵した多翼送風機と従来の多翼羽根車を適用した多翼送風機の騒音レベルの比較を示す特性図である。 従来の多翼羽根車の平面図である。 従来の多翼羽根車の入口角、出口角を示す図である。 従来の多翼羽根車の入口角、出口角を示す図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は従来の多翼羽根車の入口角、出口角の例を示す概念図である。

符号の説明

１ 多翼羽根車
２ 翼
３ 主板
４ 副板
５ａ 吸込口
５ｂ 吐出口
６ スクロールケーシング
７ ボス
８ 翼中心線の内側端点
９ 翼中心線の内側端点から始まる羽根車回転方向と逆向きの内径接線ベクトル
１０ 翼中心線の内側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトル
１２ 翼中心線の外側端点
１３ 翼中心線の外側端点から始まる羽根車回転方向と逆向きの外径接線ベクトル
１４ 翼中心線の外側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトル
β１ 入口角
β２ 出口角

Claims (5)

1. 共通の円周面上に、円周方向に一定間隔で、かつ軸方向に沿って多数の翼を配置し、これら多数の翼の一端を、回転軸に連結される主板で支持するとともに、該多数の翼の他端を、環状の副板で支持し、上記環状の副板の吸込み口から取り入れた空気を多数の翼の周囲から噴出するようにした多翼羽根車構造において、上記翼の空気取り入れ側が形成する円周の接線ベクトルと上記翼の空気取り入れ側との成す入口角と、上記翼の空気吹き出し側が形成する円周の接線ベクトルと上記翼の空気吹き出し側との成す出口角の和を、２００度から２４０度の範囲に設定したことを特徴とする多翼羽根車構造。
2. 上記翼の入口角と出口角の和が２２０度±１２度であることを特徴とする請求項１に記載の多翼羽根車構造。
3. 上記翼の出口角が１４０度から１７０度の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の多翼羽根車構造。
4. 上記翼の入口角として、翼中心線の内側端点を通る円の接線ベクトルであって、該翼中心線の内側の端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと、該翼中心線の内側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線の接線ベクトルとの成す角度を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の多翼羽根車構造。
5. 上記翼の出口角として、翼中心線の外側端点を通る円の接線ベクトルであって、該翼中心線の外側端点から始まる回転方向と逆向きの接線ベクトルと、該翼中心線の外側端点から始まる羽根車外向きの翼中心線接線ベクトルとの成す角度を用いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の多翼羽根車構造。

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