JP2006519336A

JP2006519336A - ラジアル・ファン・ホイール、ファン・ユニット、およびラジアル・ファン装置

Info

Publication number: JP2006519336A
Application number: JP2006504541A
Authority: JP
Inventors: サディ，オマー
Original assignee: ツィーエル−アーベグ・アーゲー
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2006-08-24
Also published as: FI7321U1; DE502004012024D1; CN100458178C; PL1608875T3; EP1608875B1; EP1608875A1; CN1756908A; CA2517994A1; FIU20060060U0; ES2355822T3; ATE492729T1; US20060228212A1; SI1608875T1; WO2004079201A1; RU2321775C1; CA2517994C; US9157452B2; EP1455094A1

Abstract

本発明は、ラジアル・ファン・ホイールに関し、それは、回転方向（８）とは反対に傾斜した羽根（２）（後部に向かって傾斜したラジアル・インペラ）を備え、頂部ディスク（３）と底部ディスク（１）の外側縁域（１４、７）は、羽根の有効直径（ＤＡｓ）を超えて突出する。したがって底部ディスク（１）と頂部ディスク（３）の間に放散空間が確立され、羽根の有効直径（ＤＡｓ）および外側直径（ＤＮ）によって、流体の運動エネルギーが、効率的に圧力ポテンシャルに転換されること（運動圧の静圧への転換）が可能になる。したがって、放散空間の断面積は、それが外向きに半径方向に、長方形状または台形形状に拡張するような形で、具体化される。

Description

本発明は、後部に向かって傾斜した羽根を備えたラジアル・ファン・ホイール、ファン・ユニット、およびラジアル・ファン装置に関する。

そのようなラジアル・ファン・ホイールまたはラジアル・インペラは、例えば温度調節技術や換気技術で使用されている。

内側から外側に回転方向に並ぶ３０〜４０枚の羽根を有する、直径１６０〜４００ｍｍの、前部に向かって傾斜したラジアル・インペラが、流れ整形用螺旋状ハウジングと関連して、換気技術で使用されている。それらの静態的効率は、凡そ３０〜３５％である。そのようなラジアル・インペラは、特開平０６−２９９９９３号から知られている。米国特許第１，４４７，９１５号は、環状の収束吐出を備えた放射状通風孔としての設計を示しているが、そこでは遠心力で加速された空気が、外側で半径方向に収束する出口ノズルによってさらに加速される。

体積のより大きな流れに対しては、羽根が回転方向とは反対に傾斜した、後部に向かって傾斜したラジアル・インペラが圧倒的に使用されている。通常の直径は、２００から１５００ｍｍの間であり、２５００ｍｍを超える直径は、特別の用途で知られている。それらは、例えば螺旋状ハウジングを用いて使用され、螺旋状ハウジングなしでは、所謂送風機ケーシング内で自走する。この場合、外部から吸込開口部を通って軸方向に引き込まれた空気は、羽根同士の間から半径方向に外部に流出する。ラジアル・インペラの動作で発生する望ましくない騒音放射を縮小するために、音緩衝（音吸収）の措置、あるいはラジアル・インペラそのものの構造上の措置であって、流出する空気流れに対して騒音縮小効果を及ぼす措置が必要である。

欧州特許第０８４８７８８号もラジアル・インペラを示しているが、そこでは羽根の外側縁が、回転軸に向かって傾斜した勾配付き縁を備え、音圧力を５０〜３００Ｈｚの周波数帯域に下げるように、端プレートの周囲セクションが湾曲される。

空気流れのラジアル・インペラからの流出で、流れ媒体に含まれる運動エネルギーが静圧の所望の増加へと転換される効率を低下させる効果が、流れの断面が不意に拡がることによって生じる。この効率を向上させるために、例えば欧州特許第１０３９１４２号から知られているような、インペラ・ケージを備えた静電放散環が、ラジアル・インペラに関連して配置される。しかしそのような放散環は設計するのが困難であり、利用可能な空間を縮小し、コスト高である。

第１の態様によると、本発明は、底部ディスクと、吸込開口部を備えた頂部ディスクとを備えたラジアル・ファン・ホイールを提供する。上述のディスクは羽根輪によって相互に接合されるが、羽根輪は、内側から外側に回転方向の反対に傾斜する、軸方向を向く羽根を備える。羽根の外側縁は、回転軸と並行に延び、羽根の有効直径となっている。羽根の有効直径を超えて延びる頂部ディスクと底部ディスクに形成された外側周囲領域は、環状放散空間を形成し、それは、羽根の有効直径よりも最大で２５％大きな外側直径を有し、その断面の輪郭は長方形、または外向きに拡げられた台形形状である。

追加の態様は、吸気プレートを備えたファン・ユニットに関し、その吸気プレートは、一体型吸込ノズルを有し、取付具を介して支持材によって、駆動ユニットを支持する取付台に連結される。上記のタイプのファン・ホイールが、駆動ユニットと吸込ノズルの間の駆動シャフトに配置される。

追加の態様は、以下のものを備えるラジアル・ファン装置に関する。羽根輪によって相互に接合された、吸込開口部を備えた頂部ディスクと、底部ディスクとを備えたラジアル・ファン・ホイールであって、羽根輪が、内側から外側に回転方向の反対方向に傾斜し、軸方向を向く羽根を備え、羽根の外側縁が、回転軸と並行に延び、羽根の有効直径（ＤＡｓ）となり、頂部ディスクと底部ディスクに形成された外側周囲領域が、羽根の有効直径を超えて延び、環状放散空間を形成し、その外側直径（ＤＡ）が、羽根の有効直径（ＤＡｓ）よりも最大で２５％大きく、その断面の輪郭が、長方形、または外向きに拡げられた台形形状であるラジアル・ファン・ホイールと、ゾーンであって、放散空間に径方向に隣接し、かつ少なくとも１つの外側周囲領域に軸方向に隣接し、このゾーンを通って流れる流体の圧力プロファイルおよび／または速度プロファイルに実質的に影響を及ぼす案内要素を備えないゾーン。

追加の特徴がここに開示するデバイスおよび方法に含まれ、あるいは以下の実施形態の詳しい記述および添付図面から当業者に明らかである。

本発明の実施形態を、例として添付図面を参照して述べる。

図１はファン・ホイールの立体図を示す。図１についての詳しい記述をする前に、諸実施形態に関する様々な説明を提示する。

本明細書で示すファン・ホイールでは、流出する流体流れが平滑化され、運動エネルギーが静圧に転換される環状の放散空間が、頂部ディスクと底部ディスクの外側周囲領域の間に形成される。頂部ディスクと底部ディスクの外側直径を、羽根の有効直径よりも適切に増大させることによって、この「放散環」の断面形態に、長方形の形状を与えることは、設計と製造技術の点で特に容易である。任意選択で、これを外向きに拡げて台形形状にすることができ、それによって、断面を追加的に拡げることで放散効果が増幅され、したがって効率を上昇させることができ、ホイールの直径を縮小することができる。

実施形態によっては、放散空間（例えば図２、４、５の１６）の外側直径（ＤＮ）は、羽根の有効直径（ＤＡｓ）より８〜２０％、好ましくは１０〜１５％、さらに好ましくは１２％大きい。これらは、上述の効果が最も顕著となる直径範囲である。

実施形態によっては、外側周囲領域（例えば図４および５の７）と回転軸に垂直な平面が、３５°未満、また例えば２５°未満の角度αを形成する。一例をあげると、この角度αは１２％である。これらは、所望の空気の流れが特に効果的となり、特に効果的な放散作用が達成される口径角度である。

空気の進入域で特に効果的なファン・ホイールの設計を有する実施形態では、頂部ディスクの吸込開口部が、内側に向けて拡張されたラッパ形状になる。これらの実施形態によっては、羽根の内側縁は、頂部ディスクへの連結域で凸形湾曲を有する。

いくつかの実施形態によっては、底部ディスク（例えば図１〜６の１）にハブ装置（例えば９）が装備される。

いくつかの実施形態によっては、ファン・ホイールの羽根の数は、６から１０枚羽根の範囲にある。

羽根の接触角度は、例えば１９°〜２５°の範囲にあり、羽根の出口角度は、２８°〜３４°の範囲にある（ここで述べた値は、各事例それぞれに当てはまる）。

これらの実施形態は、吸込プレート（７など）を備えたファン・ユニットも示し、吸込プレートは、一体型吸気ノズル（１８など）を備え、取付具（１９など）を介して支持材（２０など）によって、駆動ユニット（２２など）を支持する取付台（２１など）に連結され、一実施形態によれば、ファン・ホイールが、駆動ユニットと吸込ノズルの間の駆動シャフト（２３など）に配置される。

いくつかの実施形態は、ラジアル・ファン装置であって、概して追加の空気誘導要素なしでラジアル・インペラが使用され、特に出口域にそのような要素がないように保たれる装置に関する。このようなラジアル・ファン装置は、例えば以下のものを備える：羽根輪によって相互に接合された、吸込開口部を備えた頂部ディスクと、底部ディスクとを備えたラジアル・インペラ・ホイールであって、羽根輪は、内側から外側に回転方向の反対に傾斜し、軸方向に延びている羽根を備え、羽根の外側縁は、回転軸と並行に延び、羽根の有効直径（ＤＡｓ）を決め、羽根の有効直径を超えて延びる頂部ディスクと底部ディスクに形成される外側周囲領域は、環状放散空間を形成し、それは、羽根の有効直径（ＤＡｓ）よりも、最大で２５％大きな外側直径（ＤＡ）を有し、その断面の輪郭は、長方形、または外向きに拡げられた台形形状であるラジアル・ファン・ホイールと；ゾーンであって、径方向放散空間に、また軸方向に好くなくとも１つの外側周囲領域に隣接し、このゾーンを通って流れる流体の圧力プロファイルおよび／または速度プロファイルに実質的に影響を及ぼす案内要素を備えないゾーン。

いくつかの実施形態によっては、上記のファン・ホイールは、例えば実質的に立方体の送風機ケーシングで、自走ファン・ホイールとして使用される。他の実施形態では、ファン・ホイールは螺旋状ハウジングで使用される。

図１に戻ると、ここに示すファン・ホイールは、平坦な底部ディスク１と、いくつかの羽根２から成る羽根輪と、頂部ディスク３とからなる。底部ディスクと頂部ディスク１、３は、回転軸４に対して同心に、相互から間隔Ｂをおいて配置され、羽根輪を介して一緒に接合される。頂部ディスク３は、直径ＤＥの吸込開口部５を備え、動作中、空気がそこを通って引き込まれる。

頂部ディスク３は、吸込開口部５の限界である上側縁６から、内側に開口するラッパの形状に外側周囲領域７内へ放射状に広がっている。底部ディスク１は、ファン・ホイールを駆動するために駆動ユニットに接続される、円形ディスクとして構築され、開口部１０を備えたハブ装置９を中央に配置している（図６）。ここに図示しない実施形態では、底部ディスクと駆動フランジを一体に形成することができる。

底部ディスクと頂部ディスクは、それらの外側縁８によって半径方向限界とされ、羽根輪によって接合され、間隔Ｂで相互に分離されている（外部回転子モータによって駆動される）。

例としてここに図示する実施形態では、羽根輪は、回転軸４に対して規則的な星形形状で配置された７枚の羽根２を備える。回転軸４に面する内側縁１１が直径ＤＳｉを決め、外側縁１２が羽根の外側直径ＤＳａを決める。羽根刃そのものは内側縁１１から径方向に延び、回転方向Ｒの反対方向に外側に傾斜し、外側縁１２で終っている（図３）。軸方向に延びている羽根は、回転軸４に対して追加的に凸側が外に向くように湾曲されている。このようなファン・ホイールは後ろ向きに湾曲されたインペラと呼ばれる。（ここに図示しない）代替的実施形態に装備されたものは、例えば６〜１４枚の羽根を備え、それらの羽根２の形状は平面である。羽根の長い縁は底部ディスク１と頂部ディスク３に、適切なやり方で接合され、長い縁の輪郭は、連結域で底部ディスク１と頂部ディスク３の湾曲に沿う。外側縁１２と内側縁１１は、実質的に回転軸４と並行に延び、内側縁１１は、図示する実施形態では、技術製造と技術的流れの理由から、頂部ディスクとの連結域で湾曲されている。

本明細書の羽根の接触角β₁（図３）は、内側基点における羽根の接線に対する、この基点を通る円周接線の角度である。羽根の射出角γ［ｓｉｃ；β₂］は、同様に、外側基点における羽根の接線の、この基点を通る円周接線に対する角度である。適切な対数曲線を有する羽根では、接触角と射出角は等しい；図面に示す実施形態では、接触角β₁が射出角β₂よりも小さくなるように、羽根は小さい湾曲である。

底部ディスク１と頂部ディスク３は、羽根の有効直径ＤＳａよりも大きな外側直径ＤＮを有する。したがって、外側周囲領域１４が、底ディスク１の外側縁８と羽根の有効直径ＤＳａとの間に形成されている。頂部ディスク３と底部ディスク１の間隔、または羽根の幅Ｂは最大で、
５（ＤＮ−ＤＳ_a）／２である。

動作中、ファン・ホイールは駆動方向Ｒに動かされ（図３）、羽根がファン・ホイール内側の流体を外向きに移送し、そこで流体は、実質的に半径方向に、羽根の有効直径ＤＳａのところで流出する。ファン・ホイールの内部で生じた陰圧によって、空気が外側から吸込開口部５を通って引き込まれる。したがって流れ方向は、実質的に同軸に吸込開口部５を通ってファン・ホイールの内部へ至り、外向きに半径方向に方向付けられ、流れの断面は連続的に拡張する。流れは最初に、半径ＤＳａのところで羽根同士の間の空間１５から環状放散空間１６内へと移動するが、空間１６は、羽根２の外側縁１２同士の間の区域と、頂部ディスク３と底部ディスク１のそれぞれの外側周囲領域７、１４と、対応する外側縁８の外側直径ＤＮによって形成される。この領域の設計は、ファン・ホイールの効率と騒音発生に影響を及ぼす。羽根同士の間の空間１５から出た後、放射状の流れは、軸方向に両端で外側周囲領域７、１４に含まれてから、ファン・ホイールから出るという事実によって、流れが軸方向に直接開放される場合に現れるカルノー放散効果が回避される。放散空間内への制御された放散が起こるのは、本発明によって空気流れを案内すること、即ち羽根同士の間の空間１５の空気に与えられた運動エネルギーが、低損失で圧力ポテンシャルに変換されることによる。流体力学的に表すと、これが意味するところは、動圧力が静圧に変換されるということである。カルノー放散を避けることによって、効率が上昇し、出口縁８と１２の乱流を低下させることで騒音放射が縮小される。

図４、５で示す設計は、断面が、図２で示す長方形形状とは対照的に、台形形状に外向きに拡張する放散空間を形成している。図４によると、頂部ディスク３の外側周囲領域７は、０〜３５°の範囲の角度αだけ外向きに開く。この追加の拡がりによって放散効果を増幅させ、外側周囲領域７、１４をより狭く設計することを可能にし、それによって外側直径ＤＮが、有効直径ＤＳａよりも２０％しか大きくない；しかし少なくとも８％は大きくすべきである。

図５は、頂部ディスク３と底部ディスク１の両外側周囲領域７、１４が対応して外向きに開いているのを示す。しかし周囲の外向き開くのを、（ここで図示しない）底部ディスク１にだけ構築することもできる。

図６は、軸方向断面（図６ａ）と横断面（図６ｂ）の完全なユニットを示す。上述のファン・ホイールに加えて、そのユニットは一体型吸込ノズル１８を備えた吸気プレート１７も有し、それは取付具１９と支持材２０を介してモータ取付台２１に連結されている。取付台２１はモータ２２を支持し、その駆動シャフト２３はハブ装置９と結合される。この自走ファン・ホイールを備えた完全なユニットは、実質的に立方体の送風機ケーシング２４内に挿入される。後者の内部で、ファン・ユニットが圧力を上げ、それが１つまたは複数の流出路に体積流量を生成する。そのような送風機ケーシングは、一般的に流れの動力学的観点では設計されないので、上記に言及した放散効果は、追加の流れ案内措置または音緩衝措置を取らずに済ますことが可能であるので、特に効果的である。特に、放散空間１６の横に隣接する静的放散輪などの案内要素がない。さらに、一方または両方の側周囲領域７、１４の外向き端面には案内要素がない。ファン・ホイール１は、送風機ケーシング２４内の螺旋状ハウジングに封入されることはない。送風機ケーシングの壁は、ファン・ホイールの外側周囲、即ち放散空間から径方向に比較的離れたところにあり（通常ファン・ホイールの半径の１５％より大きく、したがって放散空間の外側直径ＤＮの半分を超える）、放散空間の外側直径ＤＮのところで、ファン・ホイールには、軸方向の一方または両方に放散空間を区画するハウジングがない（つまり、送風機ケーシングの壁は、ホイールの出口のホイールの幅よりも軸方向に広い）。

以下の寸法を有する、自走構成のファン・ホイールで、５％の効率増加が達成された：
外側直径ＤＮ：４５７ｍｍ
有効羽根直径ＤＳａ：４０６．４ｍｍ
内側羽根直径ＤＳｉ：２５２．４ｍｍ
出口Ｂでの羽根幅Ｂ：１１０．５ｍｍ
吸込開口部直径ＤＥ：２５７．４ｍｍ
接触角β₁：２２°
射出角β₂：３１°
ファン・ホイールの他の実施形態の寸法は以下の範囲である：
外側直径ＤＮ：２００〜１８００ｍｍ
有効羽根直径ＤＳａ：１６０〜１４００ｍｍ
内側羽根直径ＤＳｉ：１００〜６５０ｍｍ
出口Ｂでの羽根幅Ｂ：４０〜２８０ｍｍ
吸込開口部直径ＤＥ：９８〜６６０ｍｍ
接触角β₁：１９°〜２５°
射出角β₂：２８°〜３４°

図７ａ（軸方向断面）および７ｂ（横断面）は、上述のファン・ホイール１を、螺旋状ハウジング２５と併せて使用することもできることも示す。それは、効率上昇をこの場合でも使用できるからである。螺旋状ハウジング２５は、舌状突起物２６を備える。これは、ファン・ホイールからの半径方向の間隔が最小になる（ファン・ホイール半径の例えば１５％未満である）螺旋状ハウジングのその部分によって形成される。舌状突起物から始まって、この間隔は（例えば直線的または対数的に）出口開口部２７まで増大してゆく。軸方向に、螺旋状ハウジングは、放散空間を形成するホイールの壁に直接隣接することができ、またはそれをこれらの「壁」から間隔ｘだけ分離させて配置することができ、その間隔は、例えば図７ａに示すように、出口（即ち放散器）でのホイールの幅未満であることができる。

この記述で言及した全ての発行物および既存システムを、参照により本明細書の一部とする。

本発明の教示を遵守して構築された特定の製品についてこの記述で述べたが、本特許の保護範囲はそれに限定されない。そうではなく、本特許は、添付請求項の保護範囲内に、字義通りに、または均等物の理論によって入る本発明の教示の全実施形態を網羅する。

図１は、ファン・ホイールの立体図である。図２は、図１で示すファン・ホイールの回転軸に沿って表した図である。図３は、底ディスクに向かったファン・ホイールを回転軸方向に見た図である。図４は、ファン・ホイールの周囲領域の設計の一変化形態を示す図である。図５は、周囲領域の代替的な設計の一変化形態を示す図である。図６ａ、６ｂは、送風機ケーシング内で自走するファン・ホイールの装置を、軸方向断面および横断面で示す図である。図７ａ、７ｂは、螺旋状ハウジング内の（自走していない）ファン・ホイールの装置を、軸方向断面および横断面で示す図である。

Claims

羽根輪によって相互に接合された、吸込開口部（５）を備えた頂部ディスク（３）と、底部ディスク（１）とを備えたラジアル・ファン・ホイールであって、その羽根輪が、内側から外側に回転方向の反対方向に傾斜し、軸方向に延びている羽根（２）を備え、その外側縁（８）が、回転軸（４）と並行に延び、羽根の有効直径（ＤＡｓ）を決め、羽根の有効直径を超えて延びる外側周囲域（７、１４）が、頂部ディスク（３）と底部ディスク（１）に形成され、羽根の有効直径（ＤＡｓ）よりも、最大で２５％大きな外側直径（ＤＮ）を有する環状放散空間（１６）を形成し、その断面の輪郭が、長方形、または外向きに拡げられた台形形状である、ラジアル・ファン・ホイール。
放散空間（１６）の外側直径（ＤＮ）が、羽根の有効直径（ＤＡｓ）よりも８〜２０％
、好ましくは１０〜１５％、さらにより好ましくは１２％大きい請求項１に記載のラジアル・ファン・ホイール。
外側周囲域（７、１２）と、回転軸に垂直な平面とが、３５°未満、好ましくは２５°未満の角度αを形成する請求項１または２に記載のラジアル・ファン・ホイール。
角度αが１２％である請求項３に記載のラジアル・ファン・ホイール。
頂部ディスクの吸込開口部（５）が、内側に向けてラッパ形状に拡張される先行する請求項のいずれか一項に記載のラジアル・ファン・ホイール。
羽根（２）の内側縁（１０）が、頂部ディスク（３）との連結域で凸状の湾曲を有する請求項５に記載のラジアル・ファン・ホイール。
底部ディスク（１）にハブ装置（９）が装備される先行する請求項のいずれか一項に記載のラジアル・ファン・ホイール。
一体型吸込ノズル（１８）を有し、取付具（１９）を介して支持材（２０）によって、駆動ユニット（２２）を支持する取付台（２１）に連結される吸気プレート（７）を備えたファン・ユニットであって請求項７に記載のファン・ホイールが、駆動ユニット（２２）と吸込ノズル（１８）の間の駆動シャフト（２３）に配置されるファン・ユニット。
ラジアル・ファン装置であって、
羽根輪によって相互に接合された、吸込開口部を備えた頂部ディスクと、底部ディスクとを備えたラジアル・ファン・ホイールであって、羽根輪が、内側から外側に回転方向の反対方向に傾斜した、軸方向に延びている羽根を備え、その外側縁が回転軸と並行に延び、羽根の有効直径（ＤＡｓ）を決め、羽根の有効直径を超えて延びる外側周囲域が、頂部ディスクと底部ディスクに形成され、羽根の有効直径（ＤＡｓ）よりも最大で２５％大きい外側直径（ＤＡ）を有する環状放散空間を形成し、その断面の輪郭が、長方形、または外向きに拡げられた台形形状であるラジアル・ファン・ホイールと；ゾーンであって、放散空間に径方向に隣接し、かつ少なくとも１つの外側周囲域に軸方向に隣接し、このゾーンを通って流れる流体の圧力プロファイルおよび／または速度プロファイルに実質的に影響を及ぼす案内要素を備えないゾーンとを備えるラジアル・ファン装置。
請求項８に記載のファン・ユニットをファン装置、特に送風機ケーシングでの使用。
請求項１から７の一項に記載のラジアル・ファン・ホイールを、自走ラジアル・ファン・ホイールとしての使用。