JP2007113399A - 遠心ファン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、遠心ファンの効率、騒音が最適となるスクロールの諸元を明確にし、高効率かつ低騒音の遠心ファンを提供すること。
【解決手段】 スクロールケーシング内に羽根車を配置し、この羽根車の回転中心に略対応する前記スクロールケーシングの片側壁面に吸込み口を形成し、かつ前記羽根車の吹き出し側に対向する前記スクロールケーシングの側面に吐出し口を有する遠心ファンにおいて、前記羽根車の径をＤとして、該羽根車の回転中心からの前記スクロールケーシングの半径が、羽根車の回転方向に、ｒｔ×Ｄからｒｏ×Ｄまで、前記スクロールケーシングの始点からの角度に比例して変化するように前記スクロールケーシングの形状を形成した遠心ファン。
【選択図】 図２

Description

本発明は送風機器に使用される遠心ファンに関する。

遠心ファンあるいは遠心型送風機と称される送風機は、回転する羽根車を半径が順次拡大する円筒、すなわちスクロールケーシングで取り囲み、スクロールケーシングの羽根車回転軸に対応する片側壁面には、吸込み口が、また、羽根車の吹き出し側に対向するスクロールケーシングの側面には吐出し口が配置されている。

遠心ファンの送風原理は、吸込み口から、吸入された空気を、羽根車の中心から翼間に流入し、羽根車の回転に伴う遠心力により、羽根車の外周外側に、高速、高圧の空気として、噴出する。羽根車から噴出された空気は、スクロールケーシング内を通過することにより、速度エネルギーが圧力に変換され、高圧の空気となり、吐出し口から噴出される。

遠心ファンの効率を左右するのは、羽根車の形状とスクロールの形状であるが、上述のように、羽根車から噴出された空気の圧力を上昇させるスクロールは効率に大きく関与し、羽根車と並び、遠心ファン設計の上で、もっとも重要な個所である。そのため、各種の改善策が提唱されている。
例えば、特許文献１はスクロールの径を回転方向だけではなく、高さ方向にも変化させ、羽根車から噴出する空気の高さ方向での速度の違いにも対処しようとするものである（特許文献１）。

しかしながら、高さ方向の形状よりもスクロールの基本形状が効率にもっとも影響することは明らかであり、特許文献１に代表される対策は、スクロール基本形状を最適化した後に、行われるべきものである。
上述のスクロールケーシング内での速度エネルギーから圧力への変換は、羽根車の回転中心からの半径を羽根車の回転方向に向かって、徐々に変化させることで行っていて、その基本形状については、大きく、２つの方式がある。

一つは、羽根車回転中心からの半径が羽根車の回転方向への角度の一次関数で変化するものでアルキメデススパイラルと呼ばれている。また、もう一つは、羽根車の回転中心からの半径が羽根車の回転方向への角度の対数関数で変化するもので、対数スパイラルと呼ばれている。
アルキメデススパイラルと対数スパイラルでは、その特性に多少の差があるが、作図が容易なことと送風効率が良いことから、アルキメデススパイラルが主流となっている（非特許文献１）。

図１１は、アルキメデススパイラルの羽根車１００をスクロールケーシング１０１内に内蔵した遠心ファンで、アルキメデススパイラルでは、図１１に示すように、その形状を規定するのは、スクロールケーシング１０１と羽根車１００のもっとも狭い部分、すなわち舌部の隙間とスクロールが広がる割合すなわちスクロール角の２つであり、スクロール設計の目標は、効率が大きく、騒音が小さくなるように舌部隙間とスクロール角を設定することである。

ところが、スクロールケーシング１０１基本形状について、提唱された例は少なく、とりわけ、スクロールケーシング１０１形状を規定する諸元の具体的な値について、触れた例は下記、特許文献２を除くと、ほとんど見当たらない。

特許文献２はスクロール角の最適値として、７度から１３度を提唱しているが、スクロールを規定するもう一つの諸元すなわち舌部隙間については、記載がなく、不完全な状態である。また、後述するように、発明者の行った実験では、特許文献２で最適としたスクロール角についても、舌部隙間と関連して、変化することが判明している。
特許第３１２０４１１号公報 特開２００１−９０９７５号 流体機械 著者 原田幸夫 朝倉書店

前述の特許文献２は、スクロール形状を決定するために必要な諸元のうち、舌部隙間についての記述がないこと、提示されたスクロール角が最適とする根拠についての記述がないなど、不完全な点が多い。

そこで、本発明の具体的な実施例を説明する前に、本発明者が、本発明に至った技術的な経緯について説明する。
本発明者は、市販の遠心ファンを用いて、スクロール角と舌部隙間を各種の値に変更したスクロールケーシングを試作して、その送風特性、騒音を測定してみた。
なお、一般に送風機の解析では、送風機の送風出力と電動機の軸動力との比を効率として求めている。また、圧力−流量特性については、回転速度、羽根径に依存しないように、無次元化して比較する。すなわち、下記の式で定義された流量係数φ、圧力係数ψ、効率ηを用いて評価を行うのが一般的であり、本発明の実施の形態についてもこれにならって説明を行う（非特許文献１参照）。

ここで、Ｑ、Ｐｔおよびρは、それぞれ流量、全圧および空気密度であり、ＤとＬは羽根車径と厚さであり、ｕは羽根車外周の速度である。また、Ｔはモーターのトルク、ωは羽根車の回転角速度である。
実験に用いた遠心ファンは、羽根車径が１００ｍｍの一般的な多翼ファンであり、表１に示す諸元にしたがって、試作したスクロールケーシングを組み合わせて、測定を行った。

なお、スクロールケーシングの基本形状を表す式は、羽根車径をＤ、舌部隙間をδ、舌部までの角度をβ、スクロール角をαとすると、任意の角度θでのスクロール半径Ｒは次式（数２）となる。

以上のスクロールケーシングでの測定結果から最大効率と騒音の変化をグラフ化したものが図５と図６である。
図５は、舌部隙間／羽根車径による最大効率と騒音の変化を示したものである。舌部隙間はスクロールケーシングに沿って、羽根車回転方向に空気の速度エネルギーが徐々に圧力に変換を開始する点と圧力に変換され、吐出し口に向かう部分を締切る個所であり、その隙間が小さいと、この個所での圧力変動が大きくなり、騒音値が増大することが知られている。図５の舌部隙間の増大に伴い、騒音値が減少するという傾向は、以上の説明と一致する。

一方、舌部隙間が大きいということは、前述の締切る機能を低下させることになり、舌部隙間の増加により、効率は低下すると考えられるが、図５の結果は、これとは逆に舌部隙間の増加により効率が増大している。

また、図６はスクロール角による最大効率の変化を示したものである。特許文献２にしたがえば、スクロール角が７〜１３度において、効率はもっとも大きくなるはずであるが、図６では、１５度前後で効率が最大となっている。
すなわち、図５および図６に示した結果は、一般的な考え方あるいは、別な条件での結果と異なったものとなっている。そこで、発明者は、この原因を探るため、舌部隙間が一定、およびスクロール角が一定という条件では、効率、および騒音値はどのような変化をするのかを調べてみた。

図７は、横軸に最大効率、縦軸に騒音値を、舌部隙間を一定にして、スクロール角を変化させた場合の値を破線と○で、また、スクロール角を一定にして、舌部隙間を変化させた場合の値を実線と□で表示したものである。図７からスクロール角の変化に対しては、騒音は変化せず、効率が大きく変化することが分かる。すなわち、スクロール角は効率を左右する設計諸元である。

一方、舌部隙間の変化に対しては、騒音と同時に効率も変化していることが分かる。これは、スクロール角はスクロールの広がる割合を示したものであり、実際のスクロールの広がりは、これに舌部隙間を加えたものになり、小型遠心ファンでは、この影響は無視できないほど大きく、したがって、舌部隙間の拡大に伴い、スクロール角は一定であってもスクロールの広がりは見かけ上、大きくなり、結果として、効率が上昇したものと考えられる。

以上が、前述の舌部隙間の増加により、効率が増加する、あるいは、条件が異なるとスクロール角の最適値が変化する理由であり、このことにより、スクロール基本形状の最適諸元を明確にするということを困難にし、ひいては、スクロール設計を困難かつ、不完全なものにしていたと考えられる。

以上のように遠心ファンの効率を左右するスクロールの諸元、すなわち、舌部隙間とスクロール角については、試作、実験による試行錯誤に頼らざるを得ない状態であり、設計に多大な労力を費やす、あるいは設計的に不完全な状態で製品化されているのが実情である。

本発明は、このような状況を改善するために、遠心ファンの効率、騒音が最適となるスクロールの諸元を明確にし、高効率かつ低騒音の遠心ファン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、スクロールケーシング内に羽根車を配置し、この羽根車の回転中心に略対応する前記スクロールケーシングの片側壁面に吸込み口を形成し、かつ前記羽根車の吹き出し側に対向する前記スクロールケーシングの側面に吐出し口を有する遠心ファンにおいて、前記羽根車の径をＤとして、該羽根車の回転中心からの前記スクロールケーシングの半径が、羽根車の回転方向に、ｒｔ×Ｄからｒｏ×Ｄまで、前記スクロールケーシングの始点からの角度に比例して変化するように前記スクロールケーシングの形状を形成したことにある。
（ただし、ｒｔはスクロールケーシングの始点半径と羽根車の径との比、ｒｏはスクロールケーシングの終点半径と羽根車の径との比とする。）
また、本発明は、スクロールケーシング内に羽根車を配置し、この羽根車の回転中心に略対応する前記スクロールケーシングの片側壁面に吸込み口を形成し、かつ前記羽根車の吹き出し側に対向する前記スクロールケーシングの側面に吐出し口を有する遠心ファンにおいて、前記羽根車の回転中心に直交する任意の直線から前記羽根車の回転方向にβなる角度の位置から始まり、前記直線から前記羽根車の回転方向に角度θの位置における前記羽根車の中心からの距離が、前記羽根車の径をＤとして、（ｒｔ＋（ｒｏ−ｒｔ）×（θ―β）／（３６０−β））×Ｄとなるように前記スクロールケーシングの形状を形成したことにある。
（ただし、ｒｔはスクロールケーシングの始点半径と羽根車の径との比、ｒｏはスクロールケーシングの終点半径と羽根車の径との比とする。）
さらに、本発明は、上記ｒｔが０．６から０．７の範囲であることである。
またさらに、本発明は、上記ｒｏが０．７から０．９の範囲であることである。

本発明の遠心ファンによれば、送風効率の改善を図ることができる。また、同一のモーターであれば、従来の構造に比べて電力の削減を図ることができる。
また、本発明では、従来例に比して、騒音を低減でき、このうち、耳障りとなる高いピークの翼通過騒音が大きく減少していることから、騒音が与える心理的な影響については、さらに改善されていることが期待される。

前記本発明の課題で説明した実験的事実を基にして成されたものが、本発明であり、以下図示の実施の形態を、図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１Ａおよび図１Ｂに示す本発明の実施形態については、アルキメデススパイラルを用いて、説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは本発明を基に構成された遠心ファンの斜視図である。図２は、本発明を基にしたスクロール基本形状を示した図である。

図１Ａおよび図１Ｂにおいて、多翼羽根車（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を組付けた遠心ファン（多翼送風機とも言う。）は、片側壁面に吸込み口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Ｍの回転軸と接合するハブ７を中心に設置した主板３と、遠心ファンの吸込み側に位置する副板４との間に、円周方向に配列した複数の翼２が両端の軸部を介して固定されている。この多翼羽根車１は、モータＭが回転することで、モータＭの回転軸と共に回転し、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の片側壁面６ａの吸込み口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、スクロールケーシング６の側面６ｂに形成された吐出し口５ｂから流出する。

図２において、任意の角度θでのスクロール半径は、（ｒｔ＋（ｒｏ−ｒｔ）×（θ−β）／（３６０−β））×Ｄで表され、ここで、ｒｔはスクロール始点半径と羽根車の径との比であり、ｒｏはスクロール終点半径と羽根車の径との比である。
ここで、実施例においては、ｒｔについては、本発明よる最適範囲０．６〜０．７のうち、ｒｔ＝０．６５とした。また、ｒｏについては、本発明による最適範囲０．７〜０．９のうち、ｒｏ＝０．８１とした。
また、従来例については、舌部隙間を羽根車径の５％として、スクロール角については、特許文献２の最適範囲７〜１３度に基づき、１０度とした。
その他の諸元については、羽根車は直径１００ｍｍの多翼羽根車であり、スクロール始点の位置βは８５度、また、吸込み口径は７５ｍｍ、スクロール厚さは５４ｍｍであり、これらは本発明の実施例、従来例ともに同じである。
以上の諸元に基づき、試作した本発明によるスクロールケーシング６と従来設計によるスクロールケーシングを組み込んだ遠心ファンの特性、騒音を測定した結果を表２に示す。

従来例との特性比較

また、ファン特性の比較結果を図３に、騒音周波数特性の比較結果を図４に示す。
騒音については、無響音室内にて、回転速度２０００ｒ／ｍでの開放状態での騒音値を吸込み口から１ｍの位置で測定した。

図３は、本発明の実施例と従来例の流量係数φに対する圧力係数ψの変化と効率ηの変化を示したものである。
本発明の実施例における流量係数最大値が従来例の流量係数最大値を１５％ほど上回っているほか、同一の流量特性に対して、圧力係数ψが、本発明の実施例が従来例を大きく上回っていることが分かる。すなわち、同一の回転数、大きさであれば、本発明による遠心ファンは従来設計による遠心ファンよりも大きな特性を得られることが分かる。
効率についても図３から、本発明の実施例の効率は従来例の効率を上回っており、より少ないエネルギーで大きな特性が得られることが分かる。その最大効率について比較すると、従来例では４９％であるのに対して本発明の実施例では５６％と７％効率が向上していることが分かる。

また、図４は騒音周波数特性を比較した図である。実線が本発明の実施例における騒音周波数分布を、また、破線が従来例における騒音周波数分布を示している。周波数が１０００Ｈｚ前後にピークが観察されるが、これは、羽根車翼が舌部隙間を通過する際に発生する音で翼通過騒音と呼ばれている。本発明の実施例では、この翼通過騒音が１０ｄＢ以上減少し、その結果、騒音値は、５４．６ｄＢ（Ａ）から５１．８ｄＢ（Ａ）と大きく低減している。
また、一般にｄＢ（Ａ）と表示される騒音値は、騒音の平均的な大きさを表し、騒音が与える心理的影響については、それ以外にも、従来例の騒音周波数分布のように、特定の周波数成分が異常に大きいと耳障りな感覚を与えると言われている。そうしたことからも本発明の実施例は、耳障りとなる孤立した周波数成分が抑えられたことにより、騒音が与える悪影響をさらに軽減していることが分かる。

ここで、本発明者が見出した全く新しい設計方法および設計諸元について詳しく説明する。
本発明者は、実際のスクロールの広がりを一定にすれば、舌部隙間により、効率の増加は生じないだろうと考え、スクロール終点の半径を一定にして、スクロール始点の半径すなわち舌部隙間を変化させてみた。
すなわち、スクロール形状の式として、任意の角度θでのスクロール半径を、次式（数３）で表す。

ここで、ｒｔはスクロール始点半径と羽根車径との比であり、ｒｏはスクロール終点半径と羽根車径との比である。
以上の式を用いて、表３にしたがって、スクロールを設計、試作し、その性能を測定してみた。

その結果が図８であり、予想どおり、スクロール始点半径の増加により、騒音は大きく減少するが、効率も徐々に低下していることがわかる。
ただし、効率低下の割合はわずかであり、スクロール始点半径と羽根車径の比が０．６〜０．７では、騒音の減少に対して、効率の低下は支障のない程度に抑えられることが判明した。

一方、図９はスクロール始点の半径を一定にして、スクロール終点の半径を変化させた場合の効率と騒音の変化であるが、効率はスクロール終点半径と羽根車径の比が０．８前後で最大となり、騒音の増大も支障のない程度に抑えられることが分かった。
また、図１０はｒｔすなわちスクロール始点半径と羽根車径の比を一定にし、ｒｏすなわちスクロール終点半径と羽根車径の比を変化させた場合の最大効率と騒音を破線と○で、また、ｒｏすなわちスクロール終点半径と羽根車径の比を一定にし、ｒｔすなわちスクロール始点半径と羽根車径の比を変化させた場合の最大効率と騒音を実線と□で表示したものである。破線で示す軌跡から、スクロール終点半径を変化させると、騒音は一定のまま、効率が変化することが、また、実線で示す軌跡から、スクロール始点半径を変化させると、効率は一定のまま、騒音が変化することが分かる。

すなわち、従来の舌部隙間とスクロール角という設計諸元に代わり、羽根車径に対するスクロール始点半径とスクロール終点半径の割合という設計諸元を用いることにより、効率については、スクロール終点半径と羽根車径との比が、また、騒音については、スクロール始点半径と羽根車径との比がそれぞれ、独立して、支配できることになり、結果として、大きさ、形状によらずに、スクロール基本形状の最適諸元を明確にできることになる。

以上、本発明の実施例における送風効率は５６％であり、従来例での送風効率４９％に対して、７％の効率改善となっている。従来例と同等の出力を得るには、４９／５６＝８７．５％のエネルギーで十分であることになり、同一のモーターであれば、１２．５％の電力を削減できることが分かる。
また、本発明の実施例では、従来例に比して、３ｄＢほど騒音を低減でき、このうち、耳障りとなる高いピークの翼通過騒音が大きく減少していることから、騒音が与える心理的な影響については、さらに改善されていることが期待される。

なお、羽根車の翼形状により、遠心ファンは、翼が回転と逆向きのターボファン、翼が径向きのパドルファン、翼が回転向きの多翼ファンに分かれるが、スクロールについては、ほぼ共通しているため、本発明の実施形態や効果が羽根車の種類により、変わるものではない。

また、本発明の実施例では、アルキメデススパイラルを採用したが、対数スパイラルやその他のスパイラルでも、本発明の趣旨は本質的に同じであり、実施形態やその効果が変わるものではない。
さらに、スクロール形状を高さ方向にも考慮することにより、さらなる効率改善や騒音低減が期待できるが、前述のように、本発明によるスクロール基本形状を決定した後のことであり、このことにより、本発明の実施形態や効果が代わるものではないことは言うまでもない。
さらにまた、吸込み口の径やスクロールケーシングの厚みを最適化することにより、さらなる効率改善や騒音低減が期待できるが、このことにより、本発明の実施形態や効果が変わることはない。

本発明の遠心ファンの実施の形態を示す斜視図である。 本発明の遠心ファンの実施の形態を、図１Ａの一部を切り欠いて示す斜視図である。 図１Ａの実施の形態のスクロール曲線を示す概念図である。 本発明の遠心ファンの実施例と従来例の遠心ファンのファン特性を比較した図である。 本発明の遠心ファンの実施例と従来例の遠心ファンの騒音周波数特性を比較した図である。 舌部隙間による最大効率と騒音の変化を示した図である。 スクロール角による最大効率と騒音の変化を示した図である。 舌部隙間とスクロール角の変化による最大効率と騒音の変化軌跡を示した図である。 スクロール始点半径による最大効率と騒音の変化を示した図である。 スクロール終点半径による最大効率と騒音の変化を示した図である。 スクロール始点半径とスクロール終点半径の変化による最大効率と騒音の変化軌跡を示した図である。 従来設計によるスクロール曲線を示す図である。

符号の説明

１ 多翼羽根車（羽根車）
２ 翼
６ スクロールケーシング
５ａ 吸込み口
５ｂ 吐出し口
６ａ 片側壁面
６ｂ 側面

Claims (4)

1. スクロールケーシング内に羽根車を配置し、この羽根車の回転中心に略対応する前記スクロールケーシングの片側壁面に吸込み口を形成し、かつ前記羽根車の吹き出し側に対向する前記スクロールケーシングの側面に吐出し口を有する遠心ファンにおいて、前記羽根車の径をＤとして、該羽根車の回転中心からの前記スクロールケーシングの半径が、羽根車の回転方向に、ｒｔ×Ｄからｒｏ×Ｄまで、前記スクロールケーシングの始点からの角度に比例して変化するように前記スクロールケーシングの形状を形成したことを特徴とする遠心ファン。
   （ただし、ｒｔはスクロールケーシングの始点半径と羽根車の径との比、ｒｏはスクロールケーシングの終点半径と羽根車の径との比とする。）
2. スクロールケーシング内に羽根車を配置し、この羽根車の回転中心に略対応する前記スクロールケーシングの片側壁面に吸込み口を形成し、かつ前記羽根車の吹き出し側に対向する前記スクロールケーシングの側面に吐出し口を有する遠心ファンにおいて、前記羽根車の回転中心に直交する任意の直線から前記羽根車の回転方向にβなる角度の位置から始まり、前記直線から前記羽根車の回転方向に角度θの位置における前記羽根車の中心からの距離が、前記羽根車の径をＤとして、（ｒｔ＋（ｒｏ−ｒｔ）×（θ―β）／（３６０−β））×Ｄとなるように前記スクロールケーシングの形状を形成したことを特徴とする遠心ファン。
   （ただし、ｒｔはスクロールケーシングの始点半径と羽根車の径との比、ｒｏはスクロールケーシングの終点半径と羽根車の径との比とする。）
3. 前記ｒｔを０．６から０．７の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の遠心ファン。
4. 前記ｒｏを０．７から０．９の範囲に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の遠心ファン。

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