JP2009522493A - 食い違い角およびキャンバ角が変化しないファンブレード - Google Patents

Abstract

ファンブレードは、半径方向において実質的に変化しない食い違い角を有している。一の実施の形態では、ファンブレードは、半径方向において実質的に変化しない食い違い角および実質的に変化しないキャンバ角を有している。別の実施の形態では、ファンブレードの各エアフォイル断面が、少なくとも、実質的に同じ食い違い角または実質的に同じキャンバ角を有している。

Description

（関連する出願の相互参照）
本出願は、２００５年１２月２９日に出願された米国仮特許出願第６０／７５５，７４３号に基づく優先権を主張するものであり、その内容は全て、ここに参照により組み入れられる。

本発明は、広くは冷却ファンに関し、より具体的には、冷却ファンのファンブレードの構成に関する。

学説および公知文献によれば、ファンブレードの外形は、食い違い角およびキャンバ角が半径方向に変化するものでなければならない。公知のファンブレードは、半径と共に（ハブからブレードの先端に向かって）食い違い角が増加するよう構成されており、ほとんどのファンブレードが、半径と共にキャンバ角が減少するよう構成されている。

本発明によるファンブレードは、如何なるサイズのファンフレームに用いられるものであっても、半径座標において食い違い角が変化せず、キャンバ角が変化しない形状を有している。すなわち、ファンブレードの断面形状は、その半径方向において変化しない。この製造が容易なファンブレードは、一定のファンサイズおよび一定の回転速度において可能な最大限の流量を捕捉すると共に、ノイズレベルを数デシベル低減する。このファンブレードは、成型が簡単であるため、容易に製造することができる。すなわち、ファンブレードの材料を型に注入し、成型が完成したファンブレードを簡単に取り出すことができる。

我々は、このファンブレードを、ファンブレード高さが非常に低い小型ファンのために発明した。これは、非常に小さいファンブレードでは、吸気流量は半径方向断面（radial sections）間で違いがなく、実際上、「一体」（a body）とみなされるという考えであった。そのため、我々は、食い違い角とキャンバ角の両方について、それぞれ一つの「平均」値を選択した。小型ファンについて試験を行ったところ、予想外に良好な性能を発揮した。そののち、我々は、同じ考えをより大型のファンブレードに適用した。本発明のファンブレードの構成が、全てのサイズのファンブレードにおいて性能を向上させることが分かった。

図１Ａは、ハブ１０２と、ハブ１０２の周囲に配置されたファンブレード１０４とを有する、本発明によるインペラ要素を示す。本発明によると、ファンブレード１０４は、食い違い角が実質的に変化せず、且つキャンバ角が実質的に変化しないように構成されている。本発明の一の実施の形態では、各ファンブレード１０４が、この構成の特徴を有している。他の実施の形態では、全ファンブレードの幾つかが、この構成の特徴を有している。

図１Ｂは、本発明によるファンブレードの構成をさらに詳細に示す。図１Ｂは、インペラ要素の上面図を示す。ハブは、その回転軸および回転方向と共に示されている。ファンブレードは、その根元部分において、ハブに取り付けられている。ファンブレードは、従来より、エアフォイル断面（air foil section）と呼ばれる一連の断面図によって定義される。そのため、幾つか（Ｎ）のエアフォイル断面が与えられると、そのエアフォイル断面を積層し、各エアフォイル断面間の値を補間することにより、ファンブレードが規定される。ファンブレードを定義するために用いられるエアフォイル断面の数は、ファンブレードのサイズと要求精度によって決まり、５から数百までの幅がある。当業者であれば理解されるように、ハブからの積層軸方向に、各エアフォイル断面が取られている。

各エアフォイル断面は、図４に示されたようなパラメータによって特徴付けられている。ハブからの半径方向の線（積層軸）に沿って、図４に示される各エアフォイル断面５１４が取られる。ファンブレードの各エアフォイル断面５１４は、さらに、前縁５１６と、後縁５１８と、上面５２２と、下面５２４とを有している。エアフォイル断面５１４は、さらに、食い違い角５２６、キャンバ角５２８、翼弦線（chord line）５３２、その翼弦長（chord length）５３４、平均キャンバ線５３６および厚さ５３８により規定することができる。従来のファンでは、食い違い角およびキャンバ角は、ハブからブレード先端に向かう半径方向において変化していた。

本発明の考察では、エアフォイル断面は、ハブからの半径方向距離との関連で規定される。判断するうえで都合のよい基準は、図１Ｂに示すように、回転軸からの測定距離である。

それゆえ、本発明によるファンブレードでは、どのエアフォイル断面も、他のエアフォイル断面と実質的に同じ食い違い角を有しており、どのエアフォイル断面も、他のエアフォイル断面と実質的に同じキャンバ角を有している。言い換えると、一つのファンブレードのエアフォイル断面について考えるとき、食い違い角およびキャンバ角は、一のエアフォイル断面と、別のエアフォイル断面との間で実質的に変化しない。さらに言い換えると、ファンブレードは、実質的に一定の食い違い角と、実質的に一定のキャンバ角とを有するという特徴を有している。ファンブレードの食い違い角（全体を通じて一つの値）は、できる限り最大限の流れを捕捉するように選択され、ファンブレードのキャンバ角（全体を通じて一つの値）は、効率的に圧力を発生するように選択される。

本発明の別の実施の形態では、ファンブレードは、キャンバ角は変化するが、少なくとも食い違い角はファンブレードの半径方向において実質的に変化しないという特徴を有する。言い換えると、本発明によるファンブレードでは、どのエアフォイル断面も、他のエアフォイル断面と実質的に同じ食い違い角を有する。

本発明のさらに別の実施の形態では、ファンブレードは、食い違い角は変化するが、少なくともキャンバ角はファンブレードの半径方向において実質的に変化しないという特徴を有する。言い換えると、本発明によるファンブレードでは、どのエアフォイル断面も、他のエアフォイル断面と実質的に同じキャンバ角を有する。

本発明によるファンブレードの構成は、小型ファン（直径が６０ｍｍより小）、中型ファン（直径が６０〜１２０ｍｍ）および大型ファン（直径が１２０より大）に効果的であることが分かった。

図２は、本発明によるファンを示す。図は、ハブ７１６の周囲に配置された複数のファンブレード７１８を有するインペラ要素７１４を示す。ファンブレード７１８の少なくとも幾つかは、本発明に従って形成されている。それゆえ、ファンブレード７１８の少なくとも一つは、それを構成する各エアフォイル断面において、少なくとも食い違い角が実質的に同じであるという特徴を有する。別の実施の形態では、ファンブレード７１８の各エアフォイル断面における食い違い角が実質的に同じであり、さらに各エアフォイル断面におけるキャンバ角が実質的に同じである。

さらに図２を参照し、ヨークアセンブリは、ヨーク要素７０８と、該ヨーク要素の内側にぴったり取り付けられている環状の永久磁石７１２とを有する。ヨーク要素７０８は、シャフト７１０を有する。ヨークアセンブリは、ハブ７１６の内側に取り付けられている。インペラとヨークとの組立体は、ファンロータ、ロータアセンブリ、または単にロータと、様々に称される。ステータコイル７０４は、一般にファンハウジングのベースプレートである取付板７０２に取り付けられた、複数のコイル巻き線を有する。シャフト７１０は、ステータコイル７０４の中央を貫通するように設けられた中心溝７０６（破線で示す）の内側に収容されている。ベースプレート７０２は、シャフトを支持し、当該シャフトによって規定される回転軸を中心としてシャフトを回転可能とする軸受面を有する。あるいは、該シャフトは、中心溝にぴったり取り付けられたベアリングライナによって支持されてもよい。

ステータコイルを適切に励磁すると、ファンロータが回転する。気流の方向が図示されているが、少なくとも軸方向の吸気流と、少なくとも排気流とを含む。厳密に言えば、ここに開示したヨークアセンブリとステータコイルとの組み合わせは、モータ（この場合、ブラシレスＤＣモータ）を構成する。他のモータの構成も可能である。

本発明の実施の形態によると、ファンブレードを規定するエアフォイル断面におけるキャンバ角および食い違い角は、各エアフォイル断面において実質的に一定である。

本発明の他の実施の形態によると、ファンブレードを規定するエアフォイル断面におけるキャンバ角および食い違い角は、一のエアフォイル断面と、隣接するエアフォイル断面との間で実質的に変化しない。

本発明の別の実施の形態によると、ファンブレードを規定するエアフォイル断面におけるキャンバ角および食い違い角は、５度を超えない範囲で変化する。

本発明の他の実施の形態によると、ファンブレードを規定するエアフォイル断面におけるキャンバ角は実質的に一定であり、食い違い角は５度を超えない範囲で変化する。

本発明の他の実施の形態によると、ファンブレードを規定するエアフォイル断面における食い違い角は実質的に一定であり、キャンバ角は５度を超えない範囲で変化する。

当然のことながら、ファンブレードの全ての断面が、上述した食い違い角および／またはキャンバ角の特徴を有している必要はない。例えば、ファンブレードの根元の近傍の部分および先端の近傍の部分は、ファンブレードの性能に対する寄与が大きくない。従って、これらの部分では、食い違い角およびキャンバ角が変化してもよい。

図３は、あるファンサイズおよび動作速度（ＲＰＭ：毎分回転数）における、立方フィート／分（ＣＦＭ）で表される流量と、圧力（水柱インチ：inches of H₂O）とを示す流量／圧力のグラフである。実線は、従来の構成のファンブレードによる代表的な特性曲線を示す。破線は、本発明に従って構成されたファンブレードによる代表的な特性曲線を示す。試験の結果、本発明によるファンブレードでは、従来のファンブレードと比較して、自由空気状態（すなわち圧力が０）において流量が大幅に増加していることが分かった。従来のファンブレードでは、特性曲線中のこぶに示されるような失速状態（stall condition）が見られる。これに対し、本発明のファンブレードでは、そのような状態は見られない。

ここで説明した例および実施の形態は、説明を目的としたものにすぎず、当業者であれば、これらに照らして種々の改良や変形が可能であり、それらも本願の趣旨および範囲並びに添付の特許請求の範囲内に含まれることが理解される。

本発明によるファンのインペラ要素の斜視図である。 本発明のファンブレードの形態を説明するための、インペラ要素の上面図である。 本発明による冷却ファンの実施の形態を示す。 従来のファンブレードと本発明によるファンブレードとを比較した圧力／流量のグラフである。 エアフォイル断面のパラメータを示す。

Claims (14)

1. ハブ要素と、前記ハブ要素の周囲に配置された複数のファンブレードとを有するインペラを備え、
   少なくとも一つの前記ファンブレードはエアフォイル断面を有し、どのエアフォイル断面においてもキャンバ角および食い違い角が実質的に一定であることを特徴とする冷却ファン。
2. 前記ファンブレードのそれぞれのエアフォイル断面は、どのエアフォイル断面においてもキャンバ角および食い違い角が実質的に一定であることを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン。
3. キャンバ角および食い違い角は、前記ファンブレードの根元の近傍から前記ファンブレードの先端の近傍までのエアフォイル断面において、実質的に一定であることを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン。
4. ハブと、前記ハブの周囲に配置された複数のファンブレードとを有するインペラを備え、
   少なくとも一つの前記ファンブレードが、キャンバ角が実質的に５度を超えない範囲で変化し、食い違い角が実質的に５度を超えない範囲で変化するエアフォイル断面を有することを特徴とする冷却ファン。
5. ハブ要素と、前記ハブ要素の周囲に配置された複数のファンブレードとを有するインペラと、
   前記インペラを回転させるために前記ハブに接続されたモータと
   を備え、
   少なくとも一つの前記ファンブレードが、キャンバ角が実質的に５度を超えない範囲で変化し、食い違い角が実質的に変化しないエアフォイル断面を有することを特徴とする冷却ファン。
6. 複数のファンブレードを有するインペラを備え、
   少なくとも一つの前記ファンブレードのエアフォイル断面において、どのエアフォイル断面も食い違い角またはキャンバ角の少なくとも一方は実質的に変化しないことを特徴とする冷却ファン。
7. 複数のファンブレードを有するインペラを備え、
   少なくとも一つの前記ファンブレードのエアフォイル断面において、どのエアフォイル断面も食い違い角またはキャンバ角の少なくとも一方は実質的に５度を超えない範囲で変化することを特徴とする冷却ファン。
8. ハブ要素と、前記ハブ要素の周囲に配置された複数のファンブレードとを有するインペラと、
   前記インペラを回転させるために前記ハブに接続されたモータと
   を備え、
   少なくとも一つの前記ファンブレードのエアフォイル断面において、どのエアフォイル断面も食い違い角またはキャンバ角の一方が半径方向において実質的に変化せず、食い違い角またはキャンバ角の他方が実質的に５度を超えない範囲で変化することを特徴とする冷却ファン。
9. 複数のエアフォイル断面において実質的に一定のキャンバ角および食い違い角を有することを特徴とする１以上のファンブレードを有する冷却ファンであって、
   自由空気条件における空気流量が、ファンブレードが実質的に一定でないキャンバ角および実質的に一定でない食い違い角を有するファンの空気流量よりも、少なくとも１０％多いことを特徴とする冷却ファン。
10. 駆動装置と、
    前記駆動装置に連結され、軸方向を向くように位置決めされたハブ部材と、
    前記ハブ部材に動作可能に連結され、ファン吸気口において流れを捕捉し、捕捉した流れをファン排気口から排気する複数の主ブレード部材とを備え、
    少なくとも一つの前記主ブレード部材が、少なくとも、半径方向において実質的に一定のキャンバ角、または、半径方向において実質的に一定の食い違い角を有することを特徴とするファンアセンブリ。
11. 少なくとも一つの前記主ブレード部材の半径方向において、食い違い角およびキャンバ角の両方が実質的に一定であることを特徴とする請求項１０に記載のファンアセンブリ。
12. 前記主ブレード部材のそれぞれが、少なくとも、半径方向において実質的に一定のキャンバ角、または、半径方向において実質的に一定の食い違い角を有することを特徴とする請求項１０に記載のファンアセンブリ。
13. 複数の前記主ブレード部材のそれぞれが、キャンバ角が変化するブレード部材よりも、少なくとも１０％多い流量を生じることができることを特徴とする請求項１０に記載のファンアセンブリ。
14. 駆動装置と、
    前記駆動装置に連結され、軸方向を向くように位置決めされたハブ部材と、
    前記ハブ部材に動作可能に連結され、ファン吸気口において流れを捕捉し、捕捉した流れをファン排気口から排気する複数の主ブレード部材とを備え、
    複数の前記主ブレード部材のそれぞれが、実質的に一定のキャンバ角および実質的に一定の食い違い角を有し、ファン動作中の圧力対流量のグラフにおいて失速状態（stall condition）が生じないことを特徴とするファンアセンブリ。
    
    

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