JP2008507652A - 増大した流量を有する軸流インペラ - Google Patents
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Abstract
平面XYにおいて軸線2を中心に回転する、増大した流量を有する軸流インペラ1であって、駆動モータ3aの直径より小さな直径を有する中心ハブ3と、基部5及び先端6を有する複数の羽根4とを具備し、羽根4は凸状前縁7と凸状後縁8とによって画成され、インペラの回転平面上への前縁及び後縁の投影は円弧状線分によってそれぞれ形成され、羽根4は空力輪郭18を有する断面から構成され、空力輪郭18は、ハブに向かう縁で開始したとき、減少する長さと増大する湾曲形状とを各々有し、各羽根4はハブの近くで広い座21を形成し、座21はそれにほぼ同じ直径を有する駆動モータ3aにハウジングを提供する。
Description
本発明は、インペラの回転平面において斜めにされた羽根と小さな寸法を有するハブとを備える、増大した流量を有する軸流インペラに関するものである。
本発明によるインペラは、様々な用途、例えば自動車若しくは他の同様の機器のためのエンジン冷却システムの熱交換器若しくはラジエータを通して空気を移動させるため、又は暖房装置用の熱交換器及び/又は自動車の客室で使用される空調装置の蒸発器を通して空気を移動させるために使用され得る。
更に、本発明のインペラは、家庭内の固定された空調又は暖房機器において空気を移動させるために使用され得る。
このタイプのインペラは、低騒音、高効率、コンパクトなサイズ、及び良好な圧力水頭(圧力)値と流量とを得る能力を含む様々な要求事項を満足しなければならない。
小さな寸法のインペラを用いて空気の良好な流量を得るためには、羽根をインペラそれ自身の中心の方に拡大し、そのことにより中心部の流量を増大させることが必要である。
このタイプのインペラは米国特許第6126395号明細書に記載されており、そのコンパクトなインペラはインペラの中心の方への羽根の延長を特徴としており、羽根はハブに接続されると共にそれに部分的に重なる。
ハブは、駆動モータの固定子を含む湾曲した領域を提供する一方で、各羽根は、回転に必要なトルクを生み出すために固定子と協働する永久磁石を収容している。
固定子を取り囲むハブの構造に起因して、インペラを回転駆動するモータのタイプ及びサイズを変更することは困難である。
用途のタイプに応じて、及び最良の性能を得るために、特定のサイズのインペラを異なるサイズ及び定格出力の電動モータに適合させることが必要である。
特に、標準化の要求を満たすために、比較的幅の広い直径を有するモータをサイズが小さいインペラに使用することが必要である。
本発明の一つの目的は、増大した空気流量を特徴とするインペラであって、その全体寸法が概して小さいインペラを生み出すことである。
一つの様相によると、本発明は請求項1で規定された軸流インペラを提供する。
従属請求項は、好適で有利な本発明の実施例を参照する。
添付図面は、本発明の適用の範囲を制限することなく本発明の実施例を示す。
添付図面に示されるように、インペラ1は、軸線2を中心にして平面XYで回転し、また直径D1を有する中心ハブ3を具備しており、前記中心ハブ3に複数の羽根4が取り付けられ、前記羽根4はインペラ1の回転平面XYにおいて湾曲している。
インペラ1は、直径D2を有する電動モータ3aによって駆動され、前記直径D2は通常はハブ3の直径D1とは異なっており、より具体的にはモータ3aはハブ3の直径D1より大きい直径D2を有し、その結果羽根4は部分的にモータ3aの上に重なる。
羽根4は基部5及び先端6を有し、凹状の前縁7と凸状の後縁8とによって画成されている。
効率、流量、及び空気圧力に関して最良の結果を得るために、本発明は、図1及び4に示されるように、インペラ1が回転方向Vに従って回転することを規定し、その結果各羽根4の先端6は基部5より先に空気流に接する。
図4は、羽根4の幾何学的な特徴の一例を示しており、前縁7及び後縁8は、二つの円弧状線分9、10及び11、12によってそれぞれ形成されており、また半径R1及びR2をそれぞれ有し、前記半径R1及びR2において一つの円弧状線分が異なる半径を有する他の円弧状線分に変化する。
羽根4の全体的な幾何学的特徴は、直径55mmの理論ハブに関係して定義される。つまり羽根4は、基部5におけるRmin=27.5mmの最小半径と、190mmの外径、つまり先端6におけるRmax=95mmの最大半径とを有し、その結果羽根4は67.5mmの理論半径方向延長を有する。
以下に示されるように、ハブ3は異なるサイズを有してよく、つまりそれは、羽根4がハブ3の有効直径において切り取られた場合に、より大きい。
羽根4は、最小半径Rmin=27.5mm及び最大半径Rmax=95mmを有するので、前縁7に関して、円弧の変化が生じるところの半径R1は、前縁7の半径方向の延長つまり前述した67.5mmの約半分(50%)に対応する。
基部5に近い前縁7の部分9は、最大半径Rmaxの約53%に等しい半径を有する円弧によって形成され、また先端6に近い前縁7の部分10は、羽根4の最大半径Rmaxの約47%に等しい半径を有する円弧状線分によって形成される。
後縁8に関しては、円弧の変化が生じるところの半径R2は、前縁の半径方向の延長つまり67.5mmの約1/3(又は33%)である。
基部5に近い後縁8の部分11は、羽根4の最大半径Rmaxの約30%に等しい半径を有する円弧によって形成され、また先端6に近い後縁8の部分12は、羽根4の最大半径Rmaxの約49%に等しい半径を有する円弧によって形成される。
これら百分率寸法の周辺の値においてさえ、流量、圧力、及び騒音に関して満足できる結果が得られた。特に、百分率表現で上述された情報に従って、上記された寸法のプラス又はマイナス10%の変化量を得ることが可能である。
羽根4の縁7、8の円弧の変化領域に対して適切な接続が与えられ、前記適切な接続は二つの縁7、8によって形成される湾曲が滑らかであると共に尖点をもたないようになっている。
羽根の円周方向の延長又は幅に関しては、再び図4を参照して説明すると、平面XY上への羽根4の投影は、基部5において、約41度の中心角B1、及び先端において約37度の中心角B2をなす。
この場合も同様に、これらの値の周辺の角度B1、B2の値によって、流量、圧力、及び騒音に関して満足できる結果が得られた。特に、これらの角度のプラス又はマイナス10%の変化量を得ることが可能であり、即ち角度B1は36.9度〜45.1度で変化させることが可能である一方で、角度B2は33.3度〜40.7度で変化させることが可能である。
通常は、プラスチック材料からインペラが作られることを考えると、寸法及び角度の全ては示された値のプラス又はマイナス5%だけ変化する可能性がある。
角度B1、B2のそれぞれの二等分線を考慮し、及びインペラ1の回転方向Vに従うと、先端6は約21度の角度B3だけ基部5より先行する。
羽根4の特徴である他の角度は、二つの縁7、8へのそれぞれの接線と、インペラの中心から発して点S、T、N、及びMを通るそれぞれの半径とによって形成される角度B4、B5、B6、及びB7(図4)であって、前記角度B4及びB5はそれぞれ25度及び54度であり、また前記角度B6及びB7はそれぞれ22度及び52度である。
羽根4は4枚から9枚であってよく、また好適な実施例では異なる角度に従って配列された7枚の羽根4がある。
一枚の羽根と次の羽根との間の角度は、例えば対応する前縁7又は後縁8について考えると、50.7、106.0、156.5、205.2、257.5、312.9(度)である。
これらの角度を用いることは、騒音に関する利点を提供する一方で、インペラ1は静的及び動的の両方で完全に平衡を維持する。
各羽根4は、基部5から始まって先端6まで漸進的に接続された一連の空力輪郭から作られている。
図5は七つの輪郭13〜19を示しており、前記七つの輪郭13〜19は、羽根4の半径方向の延長に沿う様々な間隔で得られたそれぞれの断面に関係する。
輪郭13〜19は、該輪郭の一つについての図6で例示された幾何学的特徴によっても規定される。図6に示されるように、各輪郭13〜19は、屈曲又は尖点なしに滑らかな湾曲を形作る中心線L1と、弦L2とを有している。
各輪郭13〜19は、前縁及び後縁における二つの迎え角BLE及びBTEによって更に特徴付けられ、これら角度は、前縁との交点及び後縁との交点における中心線L1に対するそれらのそれぞれの接線と、対応する交点を通り平面XYに垂直なそれぞれの直線とによって形成される。
各輪郭13〜19の厚さは、翼形の典型的な形状に従って、はじめは増大し、中心線L1の長さの約20%において最大値S−MAXに達し、そこから後縁8まで徐々に減少する。
百分率で表現すると、厚さS−MAXは最大半径Rmaxの2.26%から2.42%の間にあり、輪郭の厚さは中心線L1に対して対称に分配されている。
好適には、輪郭13〜19は、前縁7側は楕円状接続によって形成され、後縁8側は直線状線分によってもたらされた先端切り取りによって形成されている。
前述したように、本発明によるインペラ1の重要な特徴はハブ3によって提供される。ハブ3は、制限された厚さと、モータ3aの直径よりも小さな直径とを有している。
ハブ3と各羽根4との間には、少なくとも部分的にハブ3と各羽根4との間に接続を提供する箱形部分20もある。例えば図に示された場合では、七つ、つまり羽根4がある部分と同じ数量の箱形部分20が示されており、前記羽根4がある部分とは前縁7の近くの領域でハブ3に部分的かつ直接的に取り付けられている部分である。
部分20は、モータ3aの外側形状に合っており、また通常はモータ3aのための座21を提供する。従って、モータ3aはこの座21内に部分的に含まれ、従ってそれはハブ3よりも大きい。
インペラ1が回転すること、及び僅かに異なる直径を有するモータをインペラ1が収容することを可能にするために、座21はモータ3aの直径D2より僅かに大きな直径を有している。
ハブ3が円板状であり、また羽根4が比較的大きい迎え角を基部5に有しているので、羽根4は、後縁8に近接する部分ではハブ3に直接に取り付けられ得ないことが銘記されるべきである。
実際、後縁8に近接する部分は、ハブ円板3に対して軸方向にずれた位置に配置されている。従って、箱形部分20は、接続がハブ3と羽根4の後縁8への近接部分との間に形成されること、及び基部5における羽根4の一定程度の補剛を達成することを可能にする。
図3aに示された本発明の別形態によると、インペラ1は円板ハブ3と部分20aとを有しており、前記部分20aの唯一の機能は、後縁8に近接する羽根の部分を補剛して接続することであり、前記後縁8に近接する羽根の部分はハブ円板3に対して軸方向にずれた部分に配置されている。
この実施例では、部分20aは電動モータのための座を明確には形成せず、前記電動モータは、ハブ3の直径に比較しうるか又はそれより小さい寸法(特に直径)を有している。
しかしながら、円板状のハブ3は、ハブが側方スカートを備える旧来の解決法に比較して空気流が通る断面の増大を引き起こすので、羽根4によって生み出される空気流は増大する。
図解された例では、ハブ3は75mmの直径D1を有する一方で、モータ3aは100mmの直径D2を有する。
座21は、モータ3aを収容するために約105mmの直径を有している。羽根4に関する前述のデータを考えると、羽根4は基部5において75mmの直径D1、つまり37.5mmの半径で切られ、また後縁8への近接部分では、更に羽根4は部分20に部分的に置き換えられている。
モータ3aが前縁7への近接部分に部分的に重なっているとはいえ、それは、インペラ1によって生み出される空気流及び全体的な性能を増強することに貢献する。
図7、8、9、10、11、及び12に示される第2及び第3の実施例では、インペラ1はリング22も備えており、前記リング22は、回転の軸線2に同軸であると共に各羽根4の先端6に取り付けられている。リング22は円形断面を有する円筒壁によって形成されており、前記円筒壁は回転の軸線2に平行であって、羽根4の先端6に一体の内側領域23を有している。リング22の主要な機能は、遠心力及び動的空気力によって引き起こされる羽根の歪を制限するために羽根6を補剛することである。またリング22は、インペラ1の効率を高めるように、羽根6によって形成される円板を通る空気流を案内することを可能にする。
図10〜12の第3の実施例は、フレーム24を更に備えており、前記フレーム24はリング22の縁に取り付けられて、回転の軸線2から遠ざかるように半径方向に延びている。フレームは、前記回転の軸線2に垂直な平面内に延在する外側部分を有している。インペラ1は通常は、固定支持壁に設けられた適当な開口に取り付けられるので、前記壁に部分的に重なるフレーム24は、達成され得る圧力水頭を更に高めるために、羽根6の円板の外側を通過する空気流を羽根6それ自身と前記開口の内縁との間に封じ込めることを可能にする。
本発明によって提供されるインペラは多くの利点を獲得する。
前述したとおり、ハブ3の側方スカートのない円板形状が、空気流が通過する断面の増大、及び従って流量それ自身の増大を引き起こす。
更に、インペラの中心に向かって延びる羽根も空気流を増大させる。
箱形部分20によって生み出される座は、大きい直径の電動モータの装着を可能にし、特に大きいトルクを提供する大きい電動モータを装着することが可能である。
従って、あるタイプのインペラに必要なトルクを生み出す既存の電動モータを使用して、インペラと電動モータとの間の適切な連結を見つけ出すことが可能である。
このように、インペラハブに適合するサイズにされた新しい電動モータを設計する必要性を回避することが可能である。
更に、ハブの側方スカートがないこと及びインペラの中心に向かう羽根の延長が電動モータの冷却を促進する。
前述の発明は、請求項で規定された本発明の概念の範囲から逸脱することなく変更及び変形され得る。
1 軸流インペラ
2 回転の軸線
3 中心ハブ
3a 電動モータ
4 インペラ羽根
5 羽根4の基部
6 羽根4の先端
7 凹状前縁
8 凸状後縁
9 前縁7の内側円弧状線分
l0 前縁7の外側円弧状線分
ll 後縁8の内側円弧状線分
12 後縁8の外側円弧状線分
13〜19 空力輪郭13〜19
20 箱形部分
20a 補剛部分
21 モータ3aのための座
22 リング
23 リングの内側領域
24 リングのフレーム
XY 回転平面
V 回転方向
R1 線分9及び10の変化点の半径
R2 線分11及び12の変化点の半径
XY 平面内の投影
Bl〜B7 羽根4の特性角度
M、N、S、T 羽根4の特性点
Ll 中心線
L2 弦
BLE 前縁における迎え角
BTE 後縁における迎え角
Dl ハブ3の直径
D2 モータ3の直径
Rmin ハブ理論半径
Rmax インペラ外側半径
2 回転の軸線
3 中心ハブ
3a 電動モータ
4 インペラ羽根
5 羽根4の基部
6 羽根4の先端
7 凹状前縁
8 凸状後縁
9 前縁7の内側円弧状線分
l0 前縁7の外側円弧状線分
ll 後縁8の内側円弧状線分
12 後縁8の外側円弧状線分
13〜19 空力輪郭13〜19
20 箱形部分
20a 補剛部分
21 モータ3aのための座
22 リング
23 リングの内側領域
24 リングのフレーム
XY 回転平面
V 回転方向
R1 線分9及び10の変化点の半径
R2 線分11及び12の変化点の半径
XY 平面内の投影
Bl〜B7 羽根4の特性角度
M、N、S、T 羽根4の特性点
Ll 中心線
L2 弦
BLE 前縁における迎え角
BTE 後縁における迎え角
Dl ハブ3の直径
D2 モータ3の直径
Rmin ハブ理論半径
Rmax インペラ外側半径
Claims (21)
- 直径(D1)の中心ハブ(3)と、
複数の羽根(4)であって、各羽根が、理論開始半径(Rmin)を有する基部(5)と先端半径(Rmax)まで延びる先端(6)とを有するとともに、凹状前縁(7)と凸状後縁(8)とによって画成される複数の羽根(4)と、を具備する回転方向(V)で軸線(2)を中心にしてモータ(3a)によって平面(XY)において回転駆動される軸流インペラ(1)において、
前記羽根(4)が、前記モータ(3a)のハウジングの直径(D1)よりも大きな直径(D2)を有する座(21)を形成する箱形部分(20)を含むことを特徴とする、軸流インペラ(1)。 - 円板状の中心ハブ(3)と、
複数の羽根(4)であって、各羽根が、理論開始半径(Rmin)を有する基部(5)と先端半径(Rmax)まで延びる先端(6)とを有するとともに、凹状前縁(7)と凸状後縁(8)とによって画成される複数の羽根(4)と、を具備すること、及び
前記羽根(4)が、ハブ(3)と羽根(4)それ自身との間に接続及び補剛部分(20、20a)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の軸流インペラ(1)。 - 前記前縁(7)が、前記先端半径(Rmax)の47.7%から58.3%の間に含まれる半径を有して前記基部(5)に隣接する第1円弧状線分(9)と、前記先端半径(Rmax)の42.3%から51.7%の間に含まれる半径を有して前記先端(6)に隣接する第2円弧状線分(10)と、前記二つの円弧状線分(9、10)の間の半径変化点にして、前記羽根(4)の延長(Rmax−Rmin)の45%から55%の間に含まれる半径変化点とを具備することを特徴とする、請求項1又は2に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記後縁(8)が、前記先端半径(Rmax)の27%から33%の間に含まれる半径を有して前記基部(5)に隣接する第1円弧状線分(11)と、前記先端半径(Rmax)の44.1%から53.9%の間に含まれる半径を有して前記先端(6)に隣接する第2円弧状線分(12)と、前記二つの円弧状線分(11、12)の間の半径変化点にして、前記羽根(4)の延長(Rmax−Rmin)の29.7%から36.3%の間に含まれる半径変化点とを具備することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記前縁(7)が、前記先端半径(Rmax)の53%に等しい半径を有して前記基部(5)に隣接する第1円弧状線分(9)と、前記先端半径(Rmax)の47%に等しい半径を有して前記先端(6)に隣接する第2円弧状線分(10)と、前記二つの円弧状線分(9、10)の間の半径変化点にして、前記羽根(4)の延長(Rmax−Rmin)の50%に対応する半径変化点とを具備することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記後縁(8)が、前記先端半径(Rmax)の30%に等しい半径を有して前記基部(5)に隣接する第1円弧状線分(11)と、前記先端半径(Rmax)の49%に等しい半径を有して前記先端(6)に隣接する第2円弧状線分(12)と、前記二つの円弧状線分(11、12)の間の半径変化点にして、前記羽根(4)の延長(Rmax−Rmin)の33%に対応する半径変化点とを具備することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記基部(5)における前記羽根(4)の前記平面(XY)へ投影された幅が、前記インペラの中心に関して36.9から45.1度の間に含まれる角度(B1)を形成するようになっていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記先端(6)における前記羽根(4)の前記平面(XY)へ投影された幅が、前記インペラの中心に関して33.3から40.7度の間に含まれる角度(B2)を形成するようになっていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記基部(5)における前記羽根(4)の前記平面(XY)へ投影された幅が、前記インペラの中心に関して約41度に等しい角度(B1)を形成するようになっていることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記先端(6)における前記羽根(4)の前記平面(XY)へ投影された幅が、該インペラの中心に関して約37度に等しい角度(B2)を形成するようになっていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)の前記平面(XY)上への投影及び該インペラ(1)の回転方向(V)を考慮すると、前記先端(6)が、該インペラの中心に関して約21度の角度(B3)で前記基部(5)より先行することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)の前記平面(XY)上への投影が、前記後縁(8)と前記ハブ(3)との交点(M)を形成するとともに25度に等しい角度(B4)を形成することを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)であって、前記角度(B4)は、前記交点(M)における後縁(8)に対するそれぞれの接線と、該インペラ(1)の前記軸線(2)から発して前記交点(M)を通るそれぞれの半径とによって形成されるものである、軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)の前記平面(XY)上への投影が、前記後縁(8)と前記先端(6)との交点(N)を形成すると共に54度に等しい角度(B5)を形成することを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)であって、前記角度(B5)は、前記交点(N)における後縁(8)に対するそれぞれの接線と、該インペラ(1)の前記軸線(2)から発して前記交点(N)を通るそれぞれの半径とによって形成されるものである、軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)の前記平面(XY)上への投影が、前記前縁(7)と前記ハブ(3)との交点(S)を形成すると共に22度に等しい角度(B6)を形成することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)であって、前記角度(B6)は、前記交点(S)における前記前縁(7)に対するそれぞれの接線と、該インペラ(1)の前記軸線(2)から発して前記交点(S)を通るそれぞれの半径とによって形成されるものである、軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)の前記平面(XY)上への投影が、前記前縁(7)と前記先端(6)との交点(T)を形成すると共に52度に等しい角度(B7)を形成することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)であって、前記角度(B7)は前記交点(T)における前記前縁(7)に対するそれぞれの接線と、該インペラ(1)の前記軸線(2)から発して前記交点(T)を通るそれぞれの半径とによって形成されるものである、軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)が、該羽根(4)の半径方向の延長の様々な間隔で得られたそれぞれの断面の空力輪郭(13〜19)の少なくとも一部によって形成されることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)であって、
前記各輪郭(13〜19)は、屈曲又は尖点なしに滑らかな湾曲を形作る中心線(L1)と、前記前縁及び前記後縁における二つの迎え角(BLE、BTE)とによって形成されるものであり、前記二つの迎え角は、前記前縁との交点及び前記後縁との交点における前記中心線(L1)に対するそれぞれの接線と、前記平面(XY)に垂直でかつ対応する前記交点を通るそれぞれの線分とによって形成されるものであり、
更に前記輪郭(13〜19)の前記迎え角(BLE、BTE)が以下の表に示される値を有することを特徴とする、軸流インペラ(1)。
- 前記羽根(4)が、該羽根(4)の半径方向の延長の様々な間隔で得られたそれぞれの断面の空力輪郭(13〜19)であって、屈曲又は尖点なしに滑らかな湾曲を形作る中心線(L1)によって形成された各空力輪郭(13〜19)の少なくとも一部によって形成されること、及び前記輪郭(13〜19)が、前記先端半径(Rmax)の2.26%から2.42%の間に含まれる厚さS−MAXを有することを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 不等の角度間隔で配置された7枚の羽根(4)を具備することを特徴とする、請求項1〜18のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)であって、前記角度間隔は、一枚の羽根(4)と次のものとの間のもので、例えば対応する前縁(7)又は対応する後縁(8)を用いて度で表現すると以下の値、すなわち50.7、106.0、156.5、205.2、257.5、312.9度である、軸流インペラ(1)。
- 前記回転の軸線(2)に同軸であるとともに各羽根(4)の前記先端(6)に接続されたリング(22)を更に具備することを特徴とする、請求項1〜19のいずれか一項に記載の軸流インペラ(1)。
- 前記リング(22)の縁に取り付けられて前記回転の軸線(2)から半径方向に離れるように延びるフレーム(24)を更に具備することを特徴とする、請求項20に記載の軸流インペラ(1)。
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