JP2007263118A - 軸流式ファン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ハブの真上の空気を利用してファンの効率を高める軸流式ファン装置を提供する。
【解決手段】上面と外周面を有するハブと、前記ハブの外周面上に配置される複数のブレードと、を備える軸流式ファンであって、前記ハブの上面の上方は前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、且つ、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で軸流式ファン構造の側方入気面を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は軸流式ファン構造に関するものであり、特に気流を側方向に案内する働きを付加した軸流式ファン構造に関する。

ファンの主な機能は気流を案内し、放熱の目的を果たすことにあり、よって、高い放熱効果を得るためには、空気に対するファンの案内機能が良くなければならない。従来のファンは軸流式（axial−flow）と遠心式（centifugal）の二種類に分けることができる。軸流式ファンはインぺラの回転を利用して空気を案内することにより、空気をブレードの中心から軸に沿って平行に吸入し、吐出する。軸流式ファンは構造が簡単で、製造コストが低く、出力風量が比較的大きいため、例えば、コンピュータシステム内の放熱ファンなど、各種の空気調節、又は、放熱の装置に利用される。しかし、システム抵抗が大きい場合、軸流式ファンの出力風量は制限され、且つ、ストールとのリスクが存在するため、軸流式ファンの使用はシステム抵抗の低いシステム内に局限されている。

図１は従来の軸流式ファンの静圧力（static pressure）と空気流量（air flow）の関係を示す図である。図１に示す縦軸はファンの静圧力を示し、横軸は空気流量を示している。図１に示すように、従来の軸流式ファンの特性曲線Aとシステム抵抗曲線（System Resistance Curve;SRC）Cは点OPで相交わる。点OPは、ファンがこのシステム抵抗条件下における操作点を示しており、この際の空気流量はQ_opであり、静圧力はP_opである。一方、ファンの回転速度が所定の速度に達した際、空気はブレード表面で境界層分離を生じるため、ファンの回転速度を更に上げても、空気流量を上げることができない。この時、ファンの静圧力の変化は小さく、ファンのストールと呼ばれる(図１の線分DE参照)。

軸流式ファンは構造が簡単であり、コストが低く、風量が大きい、という利点があるため、よく応用されているが、上述した軸流式ファンのストール問題の改善にあたって、インぺラの角度、長さ、数から改善する他に、簡易で有効な解決策が見られない。

図２は従来の軸流式ファンの斜視図である。軸流式ファン１は主に、フレーム１１と、ハブ１２と、複数のブレード１３と、固定子座（図示せず）とを備えている。ブレード１３の縁部１３１は、ハブ１２の外周面１２１上に固着されている。ファンが回転する時、これらのブレード１３はブレード１３上方の空気をファンの回転軸（図示せず）の方向に沿ってブレード１３の下方に流れるように案内する。しかし、軸流式ファン１において、ハブ１２の配置される高さはほぼフレーム１１と揃うため、ハブ１２の真上にある空気はブレード１３に完全に案内されることができず、無効領域を形成する。

そこで、本発明は、ハブの真上にある空気を利用してファンの効率を高める、軸流式ファン構造を提供する。

上述したように、従来の軸流式ファンでは、インぺラのハブが配置される高さはほぼフレームと揃うため、ハブの真上にある空気はブレードに完全に案内されることができず、無効領域を形成する。これを鑑みて、本発明はインぺラがハブの真上の空気を利用できる軸流式ファンを提供する。

本発明の目的は、従来のファンにおいてハブの真上の空気が案内されないという課題を解決し、ハブの真上の空気が遠心力の働きで側方向に案内されるように、ハブを改良した軸流式ファン構造を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、従来の軸流式ファンにおける固有のストール現象を改善し、ファンの効率を大幅に高め、システム抵抗の高い状況でも応用できる、ハブを改良した軸流式ファン構造を提供することにある。

本発明は、上面と外周面を有するハブと、前記ハブの外周面上に配置される複数のブレードとを備える軸流式ファン構造を提供する。そのうち、前記ハブの前記上面の上方は前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、且つ、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で軸流式ファン構造の側方入気面を構成する。前記縁部の一部はハブの外周面に固着されている。

また、本発明の軸流式ファン構造は、上面と下面を有し、前記ハブと前記複数のブレードを収納するためのフレームをさらに備える。前記フレームの上面と前記ハブの上面の間には、前記複数のブレードのブレードエッジに囲まれたスペースがあり、前記複数のブレードの前記ブレードエッジが前記スペースの周囲に構成した包囲面は、前記スペースの空気を側方向に案内するために用いられる。

本発明の軸流式ファン構造によれば、全てのブレードの縁部の一部はハブの外周面に固着されており、他の部分はハブの上面の上方にスペースを囲んでいる。前記スペースにある空気は、ファンが回転している時、遠心力の働きで側方向に外側のブレードまで案内され、ファンの効率を上げる。好ましくは、固着部の上端部からファンフレームの底部までの距離が、ファンフレーム全体の高さの３/４倍より小さい場合、比較的優れた側方入気効果が得られる。

本発明の軸流式ファン構造によるハブとブレード間の連結関係はいろいろな変化例がある。例えば、ハブとブレードとの固着部の上端部は、実質上ハブの外周面の上縁と揃い、或いは、ハブの外周面の上縁より低くても良い。さらに、ブレードの縁部とハブの外周面の間には隙間があっても良い。また、ブレードの縁部は固着部の上端部より直接上へ任意の方向へ伸びても良く、或いは、固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから上へ任意の方向で伸びても良い。

本発明の軸流式ファン構造の効果は、第一に、ファン回転時に案内できる空気流量と耐えられる静圧力を上げることができる。第二に、従来のファンが回転時に生じるストール現象を改善し、ファン全体の効率を高めることができる。第三に、ハブの高さを減らすことによりファンの製造コストを下げ、設計の複雑度を簡易化することができる。

図３と図４はそれぞれ本発明の実施の形態である軸流式ファン２の斜視図と模式断面図である。図３と図４に示すように、本発明の実施の形態である軸流式ファン２は、ファンフレーム２１と、円柱形のハブ２２と、ハブ２２の外周面２２１に固着される複数のブレード２３と、固定子座２４とを備えている。本実施形態の軸流式ファン２において、ブレード２３の縁部２３１とハブ２２の外周面２２１の固着部の上端部Aは、ブレード２３の縁部２３１の上端部Bより低く、即ち、ブレード２３の縁部２３１は一部のみハブ２２の外周面２２１に固着されている。このため、ハブ２２の上面２２２の上方スペースはブレード２３の縁部２３１によって囲まれ、図４の点線が示す領域２２４になる。領域２２４は、軸流式ファン構造の側方入気部として働き、これら縁部２３１によって構成された包囲面は側方入気面となる。

このようにして、ファンが回転している時、図４の矢印が示す側方入気部２２４における気流は遠心力の働きで、縁部２３１に沿って外側におけるブレード２３まで案内され、更にブレード２３によって下方へ吐出される。即ち、ハブ２２の上方の空気は、ブレード２３の縁部２３１が構成する側方入気面を介して導入され、ファンに利用される。ハブ２２、ブレード２３、フレーム２１と固定子座２４の間の連結関係、及び、ハブ２２の上方の空気の入気状況は、図４に詳しく示すとおりである。実験によれば、ブレード２３の縁部２３１とハブ２２の外周面２２１の固着部の上端部Aからフレーム２１の下面２１２までの高さH２が、ファンフレーム全体の高さH１の３/４倍より小さい場合（或いは、ブレード２３の縁部２３１とハブ２２の外周面２２１の固着部の上端部Aからフレーム２１の上面２１１までの高さH３が、少なくともファンフレーム全体の高さH１の１/４倍である場合）、より高い側方入気効果が得られる。

一方、本実施の形態において、縁部２３１は曲面であり、ブレード２３の縁部２３１とハブ２２の外周面２２１の固着部の上端部Aは、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃う。ハブ２２の上面２２２は平面であり、その外周面２２１は円弧面である。

表１は、本発明の実施の形態である軸流式ファン構造と従来の軸流式ファン構造が、同じ操作条件で得られる静圧力と空気流量の実験データを示す表である。これらのデータを基に図５に示す静圧力−空気流率の関係図を得ることができる。図５に示すように、同じ条件下で本発明の軸流式ファン構造はファン回転時の静圧力及び風量を高め、且つ、ストールによって生じる影響を補うことができる。

前記実施形態による説明は、本発明の内容を簡単に説明するための内容に過ぎなく、本発明をそれらの構造に狭義的に制限するものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、本発明の軸流式ファンのハブとブレード間の連結関係にはいろいろな変化が可能である。

図６A〜６Jは、本発明の軸流式ファンのハブ２２とブレード２３a〜２３jの間の連結関係を模式的に示した断面図であり、そのうち、ハブ２２は、図３に示すハブと同じく、円柱形であり、その上面は平面であり、その外周面は円弧面である。一方、ハブ２２と縁部２３１aの固着部の上端部の高さH_aとブレード２３a〜２３ｊの高さH_bは、共にファンフレーム全体の高さ（図示せず）より低く、且つ、H_bはH_aより大きい。

図６Aに示すように、ハブ２２とブレード２３aの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃っており、ブレード２３aの縁部２３１aは固着部の上端部より垂直上向きに延びているため、縁部２３１aはハブ２２の上方に円柱体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Bに示すように、ハブ２２とブレード２３ｂの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃っており、ブレード２３ｂの縁部２３１ｂは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから垂直上向きに延びているため、縁部２３１ｂはハブ２２の上方に円柱体の輪郭を有する側方入気部を囲み、且つ、図６Aに示すものより大きい。

図６Cに示すように、ハブ２２とブレード２３ｃの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁より低く、且つ、ブレード２３ｃの縁部２３１ｃは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから垂直上向きに延びて、縁部２３１ｃとハブ２２の外周面２２１ｃの間に隙間M１が存在する。この場合、縁部２３１ｃはハブ２２の上方に円柱体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Dに示すように、ハブ２２とブレード２３ｄの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃っており、且つ、ブレード２３ｄの縁部２３１ｄは固着部の上端部より斜め上向きに延びているため、縁部２３１ｄはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Eに示すように、ハブ２２とブレード２３eの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃っており、且つ、ブレード２３eの縁部２３１eは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから斜め上向きに延びているため、縁部２３１eはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Fに示すように、ハブ２２とブレード２３ｆの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁より低く、且つ、ブレード２３ｆの縁部２３１ｆは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから斜め上向きに延びて、縁部２３１ｆとハブ２２の外周面２２１の間に隙間M２が存在する。この場合、縁部２３１ｆはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Gに示すように、ハブ２２とブレード２３ｇの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁より低く、且つ、ブレード２３ｇの縁部２３１ｇは固着部の上端部より斜め上向きに延びて、縁部２３１ｇとハブ２２の外周面２２１の間に隙間M３が存在する。この場合、縁部２３１ｇはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Hに示すように、ハブ２２とブレード２３ｈの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃っており、且つ、ブレード２３ｈの縁部２３１ｈは固着部の上端部より、内側へ且つ斜め上向きに延びているため、縁部２３１ｈはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Iに示すように、ハブ２２とブレード２３iの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁と揃っており、且つ、ブレード２３iの縁部２３１iは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから内側へ且つ斜め上向きに延びているため、縁部２３１iはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

図６Jに示すように、ハブ２２とブレード２３ｊの固着部の上端部は、実質上ハブ２２の外周面２２１の上縁より低く、且つ、ブレード２３ｊの縁部２３１ｊは固着部の上端部より、まず径方向外向きに、それから内側へ且つ斜め上向きに延びて、縁部２３１ｊとハブ２２の外周面２２１の間に隙間M４が存在する。この場合、縁部２３１ｊはハブ２２の上方に円錐体の輪郭を有する側方入気部を囲む。

なお、図６A〜図６Jに示す軸流式ファン構造において、ブレードの縁部２３１a〜２３１ｊとハブ２２の上面の間に挟まれる角度（図６Dに示すθ）は任意の角度であって良い。

一方、ハブ２２と縁部２３１aの固着部の上端部の高さH_aとブレード２３a〜２３ｊの高さH_bが両者ともファンフレーム全体の高さ（図示せず）より低く、且つ、H_bがH_aより大きければ、ハブの上面は平面に限らず、図７Aに示すハブ２２aのような曲面であっても良く、この場合、この曲面はハブの上方にある空気の側方入気効果を妨げない。この他、図７Bに示すように、本発明の軸流式ファン構造のブレード２３ｋの縁部２３１ｋは曲面であっても良く、平面に限られない。

従来の軸流式ファンの静圧力と空気流量の関係を示した図である。 従来の軸流式ファンを示した斜視図である。 本発明の実施の形態である軸流式ファンを示した斜視図である。 本発明の実施の形態である軸流式ファンを示した部分断面図である。 本発明の実施の形態である軸流式ファン構造と従来の軸流式ファン構造が、同じ操作条件で得られる静圧力と空気流量の関係を示す曲線図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明の十種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明のもう二種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。 本発明のもう二種類の変化例を示した軸流式ファン構造の部分断面図である。

符号の説明

１ 軸流式ファン
１１ フレーム
１２ ハブ
１２１ 外周面
１３ ブレード
１３１ ブレードの縁部
２ 軸流式ファン
２１ フレーム
２１１ 上面
２１２ 下面
２２、２２a ハブ
２２１ 外周面
２２２ 上面
２２４ 側方入気部
２３、２３a〜２３k ブレード
２３１、２３１a〜２３１k 縁部
２４ 固定子座
M１〜M４ 隙間

Claims (4)

1. 上面と外周面を有するハブと、
   前記ハブの前記外周面上に配置される複数ブレードと、を備える軸流式ファン構造であって、
   前記ハブの前記上面の上方は、前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で前記軸流式ファン構造の側方入気面を構成し、前記縁部の一部は前記ハブの前記外周面に固着されており、
   前記ブレードの前記縁部は、前記ハブの側面又は上面の外周面より一つの方向に延びて、更に方向を変えて他の方向に延びることを特徴とする、軸流式ファン構造。
2. 上面と外周面を有するハブと、
   前記ハブの前記外周面上に配置される複数ブレードと、を備える軸流式ファン構造であって、
   前記ハブの前記上面の上方は、前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で前記軸流式ファン構造の側方入気面を構成し、前記縁部の一部は前記ハブの前記外周面に固着されており、
   前記ブレードの前記縁部は、前記ハブの上面の外周面よりファンの中心へ斜め向きに延びることを特徴とする、軸流式ファン構造。
3. 上面と外周面を有するハブと、
   前記ハブの前記外周面上に配置される複数ブレードと、を備える軸流式ファン構造であって、
   前記ハブの前記上面の上方は、前記複数のブレードの縁部に囲まれることによって、前記軸流式ファン構造の側方入気部を構成しており、前記複数のブレードの前記縁部は、前記側方入気部の周囲で前記軸流式ファン構造の側方入気面を構成し、前記縁部の一部は前記ハブの前記外周面に固着されており、
   前記ブレードの前記縁部は、前記ハブの前記上面より低く、前記固着している部分の前記上端部より斜め向きに延びることを特徴とする、軸流式ファン構造。
4. 前記ブレードの前記縁部は曲面又は平面であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の軸流式ファン構造。

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