JP2010038036A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】軸流ファンのインペラの翼の外縁部に翼面に滑らかに接続する湾曲面を設けつつ翼面の大きさを確保する。
【解決手段】翼２２の外縁部３は全長に亘って、第１翼面２２１の外縁に接続する第１湾曲面４１および第２翼面の外縁に接続する第２湾曲面４２を有する。外縁部３には、インペラ２の中心軸を中心とする径方向外側の側方エッジ部３２において第１湾曲面４１と第２湾曲面４２との間に側方ストレート面４３２が設けられ、側方ストレート面４３２はインペラの中心軸を中心とする円筒面の一部となっている。側方エッジ部３２では、側方ストレート面４３２が設けられることにより第１および第２湾曲面４１，４２の曲率半径が小さくされ、側方エッジ部３２の翼面に平行な方向における幅が小さくされる。これにより、第１翼面２２１および第２翼面２２２の大きさが確保される。
【選択図】図５

Description

本発明は、軸流ファンに関し、特に、翼の形状に関連する。

従来より、様々な電子機器の筐体内部に電子部品を冷却するための冷却ファンが設けられており、多くの場合、冷却ファンとして軸流ファンが利用される。特許文献１に開示されるファンのブレード（翼）では、吸込側の面の側縁と吐出側の面の側縁とを結ぶ端縁面が滑らかに湾曲し、端縁面では、ブレードの回転方向における後方側の後縁面を中心軸に平行な面で切断した断面のエッジが略半円形とされ、ファンの回転軸を中心とする放射方向外側の面を中心軸を含む面で切断した断面のエッジも略半円形とされる。また、回転方向前方側の前縁面を中心軸に平行な面で切断した断面のエッジは吸込側の面に対して滑らかに接続されるとともに吐出側の面に対して垂直に接続される。

なお、特許文献２および３に開示される軸流ファンにおいても、翼の回転方向前縁部および回転方向後縁部が滑らかに湾曲した形状となっている。
特開平１１−１０６８３号公報 米国特許出願公開第２００５／００１９１６５号明細書 米国特許出願公開第２００５／００６８７３０号明細書

ところで、特許文献１ないし３に示されるように、翼の外縁部の断面が半円状とされると、翼として機能する翼面（すなわち、断面が半円状の外縁部を除く面）の大きさが小さくなり、その結果、静圧−風量特性が低下してしまう。

本発明は、上記課題に課題に鑑みなされたものであり、翼の外縁部に滑らかに湾曲する湾曲面を設けるとともに翼面の大きさを確保することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、軸流ファンであって、中心軸を中心としてカップの外側面から径方向外方へと伸びる複数の翼を有するインペラと、前記中心軸を中心として前記インペラを回転させることにより前記中心軸に沿うエアの流れを発生するモータ部と、前記インペラの外周を囲むハウジングとを備え、前記複数の翼のそれぞれが、前記インペラの回転によりエアに衝突する第１翼面と、前記第１翼面とは反対側の第２翼面と、前記第１翼面の外縁から翼の最外周に向かって滑らかに湾曲する第１湾曲面と、前記第２翼面の外縁から前記最外周に向かって滑らかに湾曲する第２湾曲面と、翼の外縁部のうち前記径方向における外側の部位において前記第１湾曲面と前記第２湾曲面との間に位置し、前記中心軸に平行な略円筒状の面の一部である側方ストレート面とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸流ファンであって、前記外縁部のうち回転方向前側の部位において前記第１湾曲面の曲率半径が前記第２湾曲面の曲率半径よりも大きい。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の軸流ファンであって、前記複数の翼のそれぞれが、前記外縁部のうち回転方向後側の部位において前記第１湾曲面と前記第２湾曲面との間に位置し、翼の厚さ方向にほぼ平行な後方ストレート面をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の軸流ファンであって、前記外縁部の前記径方向における外側の前記部位において、前記第１湾曲面の曲率半径が、回転方向前側から後側に向かって漸次減少する。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の軸流ファンであって、前記インペラが射出成形により形成される。

本発明によれば、翼の外縁部に滑らかに湾曲する湾曲面が設けられるとともに、外縁部の側方ストレート面を設けて湾曲面の曲率半径を小さくすることにより翼面の大きさが確保される。請求項２および４の発明では、気流の乱れが低減される。

図１は本発明の一の実施の形態に係る軸流ファン１を中心軸Ｊ１を含む平面で切断した縦断面図であり、軸流ファン１はサーバ等の電子機器を空冷するための冷却ファンとして用いられる。軸流ファン１では図１中の上側（すなわち、軸流ファン１の上側）からエアが取り込まれ、下側（すなわち、軸流ファン１の下側）へと送出されるようにエアの流れが発生する。以下の説明では、中心軸Ｊ１方向において、エアが取り込まれる側である図１中の上側を単に「上側」と呼び、エアが送出される側である図１中の下側を単に「下側」と呼ぶ。「上側」および「下側」という表現は必ずしも重力方向に対する上側および下側と一致する必要はない。

軸流ファン１はインペラ２、中心軸Ｊ１を中心としてインペラ２を回転させるモータ部１１、インペラ２の外周を囲むハウジング１２、および、モータ部１１とハウジング１２とを接続する複数の支持リブ１３を備える。なお、図１では、図示の都合上、インペラ２の翼２２および支持リブ１３の概略形状を中心軸Ｊ１の左右に示している。また、モータ部１１は誇張して大きく示しており、各構成要素の断面に対する平行斜線の図示を省略している。

インペラ２は、モータ部１１の外側を覆う有蓋略円筒状のカップ２１、および、カップ２１の外側面から中心軸Ｊ１を中心とする径方向外方へと伸び、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に等ピッチにて配置された複数（本実施の形態では７枚）の翼２２を有する。カップ２１および翼２２は樹脂の射出成形により１つの部材として形成される。

モータ部１１は、回転体であるロータ部１１１および固定体であるステータ部１１２を備え、中心軸Ｊ１に沿ってロータ部１１１がステータ部１１２に対して上側に位置する。ロータ部１１１は、中心軸Ｊ１を中心とする有蓋略円筒状の金属製のヨーク１１１１、ヨーク１１１１の内側に固定される略円筒状の界磁用磁石１１１２、および、ヨーク１１１１の上部中央から下方に突出するシャフト１１１３を備える。ロータ部１１１は、ヨーク１１１１がカップ２１に覆われることによりインペラ２と一体の部品となっている。

ステータ部１１２はベース部１１２１、ベース部１１２１の中央から上側に突出する略円筒状の軸受保持部１１２２、軸受保持部１１２２の外周に取り付けられるステータ１１２３、および、ステータ１１２３の下側にてステータ１１２３に電気的に接続される回路基板１１２４を備え、ステータ１１２３は界磁用磁石１１１２と中心軸Ｊ１を中心とする径方向（以下、単に「径方向」という。）に対向し、ステータ１１２３と界磁用磁石１１１２との間で中心軸Ｊ１を中心とするトルクが発生する。軸受保持部１１２２の内側には軸受機構である玉軸受１１２５，１１２６が中心軸Ｊ１方向の上部および下部に設けられ、軸受保持部１１２２に挿入されたシャフト１１１３が玉軸受１１２５，１１２６により回転可能に支持される。

軸流ファン１の駆動時には、ステータ部１１２に対してロータ部１１１およびインペラ２が相対的に回転して中心軸Ｊ１に沿うエアの流れが発生する。

図２はインペラ２の底面図であり、図３はインペラ２の平面図である。インペラ２の翼２２では、図２に示される下側の面（以下、「第１翼面２２１」という。）の外縁と図３に示される上側の面（以下、「第２翼面２２２」という。）の外縁との間の外縁部３が第１翼面２２１および第２翼面２２２に滑らかに接続される湾曲面を有する。図２および図３では、第１翼面２２１および第２翼面２２２と外縁部３との境界を細線にて示している。以下の説明では、外縁部３の翼２２の回転方向（図２および図３中に矢印９にて示す。）の前側に位置して径方向外方に伸びる部位を「前方エッジ部３１」と呼び、回転方向後側に位置して径方向外方に伸びる部位を「後方エッジ部３３」と呼ぶ。さらに、径方向における外側に位置し、平面視における形状が回転方向９（すなわち、中心軸Ｊ１を中心とする周方向）に沿って伸びる部位を「側方エッジ部３２」と呼ぶ。

図４は１つの翼２２を径方向外方から示す図であり、第２翼面２２２と外縁部３との境界を細線にて示している。翼２２は、インペラ２（図２および図３参照）の回転により第１翼面２２１（図４において下側に隠れている。）がエアに衝突するように前方エッジ部３１（図４では左側に隠れている。）から後方エッジ部３３に向かって斜め下方に傾斜しており、翼２２の厚さ方向、すなわち、翼２２の傾斜方向に対して垂直な方向における翼２２の幅は前方エッジ部３１から後方エッジ部３３に向かって減少する。翼２２では後方エッジ部３３の厚さが小さくされることにより、翼２２の重量が軽くされて翼２２を回転するために必要な電流値が低減され、材料費も節減される。さらに、翼２２の回転により第１翼面２２１および第２翼面２２２に沿って流れるエアは後方エッジ部３３において互いに滑らかに交わるため後方エッジ部３３近傍の乱流の発生が抑制され、これにより、翼２２の回転による騒音（いわゆる、風切り音）が低減される。

図５は翼２２の前方部を斜め下方から見た図であり、図６は翼２２の後方部を斜め上方から見た図である。図５および図６に示すように、外縁部３は、全長に亘って、第１翼面２２１の外縁に滑らかに接続する第１湾曲面４１、第１翼面２２１とは反対側の第２翼面２２２の外縁に滑らかに接続する第２湾曲面４２、および、第１湾曲面４１と第２湾曲面４２との間に位置し、翼２２の厚さ方向に平行な面で切断した形状が直線状であるストレート面４３を有する。なお、側方エッジ部３２では、ストレート面４３を厚さ方向に平行な面で切断した形状は、正確には僅かに湾曲するが、ほぼ直線状とみなすことができる。図５および図６では、第１湾曲面４１とストレート面４３との境界、および、第２湾曲面４２とストレート面４３との境界を破線にて示し、図５の第１翼面２２１と第１湾曲面４１との境界および図６の第２翼面２２２と第２湾曲面４２との境界を細線にて示している。

図７および図８は図３において最も上側に位置する翼２２の前方エッジ部３１および後方エッジ部３３を矢印Ａの位置にて切断した断面図であり、図９は図４における矢印Ｂの位置にて翼２２の側方エッジ部３２を切断した断面図である。図７ないし図９に示す外縁部３の第１湾曲面４１では、曲率半径が全ての位置において、好ましくは０．５ｍｍ以上とされ、同様に、第２湾曲面４２の曲率半径も全ての位置においても０．５ｍｍ以上とされる。ここで、第１湾曲面４１（および第２湾曲面４２）の曲率半径とは、曲率半径を求める対象となる位置を任意の方向で切断した複数の切断面における曲率半径のうち最小のものを指すものとする。

図７に示すように、外縁部３の前方エッジ部３１では、第１湾曲面４１の曲率半径が第２湾曲面４２の曲率半径よりも大きくされる。さらに、前方エッジ部３１における第１湾曲面４１の曲率半径は側方エッジ部３２および後方エッジ部３３（図８および図９参照）における第１湾曲面４１の曲率半径よりも大きくされる（第２湾曲面４２についても同様）。また、図５に示すストレート面４３の前方エッジ部３１内の部位である前方ストレート面４３１は、中心軸Ｊ１（図２参照）に平行な円筒面の一部となっており、前方ストレート面４３１は前方エッジ部３１における第１湾曲面４１および第２湾曲面４２に比べて翼２２の厚さ方向の幅が十分に小さくされる。

図１０は図４に示す側方エッジ部３２を矢印Ｃの位置にて切断した断面図であり、図４の矢印Ｂの位置よりも後方エッジ部３３側の位置における断面を示している。図１０に示す第１湾曲面４１の曲率半径は図９に示す第１湾曲面４１の曲率半径よりも小さくされ、このように、図５に示す側方エッジ部３２では、前方エッジ部３１近傍の部位を除くおよそ全体において第１湾曲面４１の曲率半径が前方エッジ部３１から後方エッジ部３３に向かって、すなわち、回転方向における前側から後側に向かって漸次減少している。なお、側方エッジ部３２の前方エッジ部３１近傍の部位では前方エッジ部３１に向かって曲率半径が減少する。また、既述のように、図２および図３に示す翼２２の側方エッジ部３２は回転方向９に沿って伸びており、図５に示すように、ストレート面４３の側方エッジ部３２内の部位である側方ストレート面４３２は中心軸Ｊ１に平行な円筒状の面の一部となっている。

図６に示す後方エッジ部３３では、ストレート面４３の後方エッジ部３３内の部位である後方ストレート面４３３が中心軸Ｊ１（図１参照）に平行な方向に対しておよそ４５度で傾斜する軸を中心とする略円筒状の面の一部となっており、後方ストレート面４３３は後方エッジ部３３における翼２２の厚さ方向にほぼ平行な面とされる。また、外縁部３では、第１湾曲面４１の曲率半径および第２湾曲面４２の曲率半径が後方エッジ部３３において最小とされる。

以上のように、インペラ２の翼２２では、第１翼面２２１の外縁および第２翼面２２２の外縁からそれぞれストレート面４３に向かって滑らかに湾曲する第１湾曲面４１および第２湾曲面４２が設けられることにより、軸流ファン１の組立時等に作業者が翼２２に触れる場合であっても作業が安全に行われる。

また、図７ないし図９に示すように、ストレート面４３の前方ストレート面４３１、側方ストレート面４３２および後方ストレート面４３３は、翼面に垂直な方向から見た場合における翼２２の最外周に位置する（正確には、側方ストレート面４３２はほぼ最外周に位置し、中心軸Ｊ１に平行な方向から見た場合に最外周に位置する。）。これにより、第１湾曲面４１および第２湾曲面４２の翼２２の厚さ方向における幅が小さくされ、翼面に平行な方向における幅も小さくなり（すなわち、湾曲面の曲率半径を小さくすることができ）、その結果、図８および図９に示す側方エッジ部３２および後方エッジ部３３では、（ストレート面を設けずに断面が半円状となるように）同じ曲率半径の湾曲面のみが設けられる翼に比べて第１翼面２２１および第２翼面２２２の大きさが確保される。

図１１はインペラ２の製造に使用される２つの金型８１，８２の断面の一部を拡大して示す図であり、図２および図３に示す１つの翼２２の前方エッジ部３１および当該翼２２に隣接する翼２２の後方エッジ部３３を中心軸Ｊ１を中心とする円筒面にて切断した断面に対応する。図１２は金型８１，８２の図１１に示す断面とは異なる方向からの断面を示す図であり、１つの翼２２の側方エッジ部３２を中心軸Ｊ１を含む面にて切断した断面に対応する。金型８１，８２の中心軸はインペラ２の中心軸Ｊ１に一致しており、以下の説明では、金型８１，８２の中心軸に符号Ｊ１を付す。

図１１における下側の第１金型８１は翼２２の平面視における外縁よりも下側の面、すなわち、第１翼面２２１および外縁部３の下側の面を形成し、図１１における上側の第２金型８２は翼２２の平面視における外縁よりも上側の面、すなわち、第２翼面２２２および外縁部３の上側の面を形成する。このため、平面視における翼２２の輪郭に沿って第１金型８１および第２金型８２のパーティングラインが形成される。

より詳細には、図１１に示すように、翼２２が成形される予定の空間７１の周囲において、第１金型８１と第２金型８２との境界７２（パーティングライン）が、翼２２の前方エッジ部３１の前方ストレート面４３１（図７参照）に対応する面７３の下端と隣接する翼２２の後方エッジ部３３における第２湾曲面４２（図８参照）に対応する面７４の周方向における外側の位置とを結ぶ。さらに、図１２に示すように、翼２２の側方エッジ部３２に対応する面の周囲では、境界７２が第２湾曲面４２に対応する面７５の平面視における外縁から外側へと伸びる。このような構造により、第１金型８１および第２金型８２は中心軸Ｊ１方向に分離可能とされる。

翼２２では、第１金型８１および第２金型８２により成形不能な部位（いわゆる、アンダーカット部）が設けられないため、スライドコア等を利用してアンダーカット処理を施す必要がないことから、金型の製造コストが低減される。さらに、既述のように、図７ないし図９に示す第１湾曲面４１および第２湾曲面４２の曲率半径が０．５ｍｍ以上とされるため、高精度な加工に利用される放電加工に代えて切削加工（例えば、ドリル加工）が金型の製造に利用可能となり、金型の製造コストがより低減されるとともに加工時間も短縮される。

インペラ２の製造の際には、まず、図１１および図１２に示すように、第１金型８１と第２金型８２とが中心軸Ｊ１方向に重ねられ、翼２２に対応する空間７１が形成される。次に、空間７１に熱可塑性の樹脂が注入されて空間７１が樹脂にて満たされ、樹脂が硬化することにより翼２２が形成される。その後、第１金型８１と第２金型８２とが中心軸Ｊ１方向に離間して翼２２が金型８１，８２から外される。なお、インペラ２のカップ２１（図２参照）も翼２２と同時に成形される。

以上、軸流ファン１およびインペラ２の製造に使用される金型８１，８２について説明したが、軸流ファン１では、翼２２の外縁部３の全長に亘って第１湾曲面４１および第２湾曲面４２が設けられるとともに、側方エッジ部３２の側方ストレート面４３２（さらには、後方エッジ部３３の後方ストレート面４３３）により第１翼面２２１および第２翼面２２２の大きさが確保される。その結果、静圧−風量特性の低下が抑制される。翼２２では、外縁部３の前方エッジ部３１における第２湾曲面４２の曲率半径が第１湾曲面４１の曲率半径よりも大きくされることにより、気流の乱れが低減される。さらに、側方エッジ部３２における第２湾曲面４２の曲率半径が翼２２の回転方向９における前側から後側に向かって漸次減少することにより気流の乱れがより低減される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、翼２２の側方エッジ部３２の側方ストレート面４３２が中心軸Ｊ１に平行な円筒面の一部とされるが、完全に円筒面の一部とされる必要はない。すなわち、側方ストレート面４３２は略円筒状の面の一部であればよい。また、側方ストレート面４３２は中心軸Ｊ１にほぼ平行である円筒面の一部とされてもよい。

側方エッジ部３２は、前方エッジ部３１近傍の部位を除いた部位において第１湾曲面４１の曲率半径が回転方向９における前側から後側に向かって漸次減少する形状とされるが、全長に亘って曲率半径が漸次減少する形状とされてもよい。

軸流ファン１では樹脂製のインペラ２に代えて金属製のものが採用されてもよく、この場合、例えば、インペラの製造において金属粉を利用する射出成形が用いられる。

第１の実施の形態に係る軸流ファンの断面図である。 第１の実施の形態に係る軸流ファンの翼の底面図である。 翼の平面図である。 翼の側面図である。 翼の前方部を斜め下方から見た斜視図である。 翼の後方部を斜め上方から見た斜視図である。 翼の前方エッジ部の断面図である。 翼の後方エッジ部の断面図である。 翼の側方エッジ部の断面図である。 翼の側方エッジ部の断面図である。 翼の成形に使用される金型の断面図である。 翼の成形に使用される金型の断面図である。

符号の説明

１ 軸流ファン
２ インペラ
３ （翼の）外縁部
１１ モータ部
１２ ハウジング
２１ カップ
２２ 翼
３１ 前方エッジ部
３２ 側方エッジ部
３３ 後方エッジ部
４１ 第１湾曲面
４２ 第２湾曲面
４３ ストレート面
２２１ 第１翼面
２２２ 第２翼面
４３２ 側方ストレート面
４３３ 後方ストレート面
Ｊ１ 中心軸

Claims (5)

1. 軸流ファンであって、
   中心軸を中心としてカップの外側面から径方向外方へと伸びる複数の翼を有するインペラと、
   前記中心軸を中心として前記インペラを回転させることにより前記中心軸に沿うエアの流れを発生するモータ部と、
   前記インペラの外周を囲むハウジングと、
   を備え、
   前記複数の翼のそれぞれが、
   前記インペラの回転によりエアに衝突する第１翼面と、
   前記第１翼面とは反対側の第２翼面と、
   前記第１翼面の外縁から翼の最外周に向かって滑らかに湾曲する第１湾曲面と、
   前記第２翼面の外縁から前記最外周に向かって滑らかに湾曲する第２湾曲面と、
   翼の外縁部のうち前記径方向における外側の部位において前記第１湾曲面と前記第２湾曲面との間に位置し、前記中心軸に平行な略円筒状の面の一部である側方ストレート面と、
   を備えることを特徴とする軸流ファン。
2. 請求項１に記載の軸流ファンであって、
   前記外縁部のうち回転方向前側の部位において前記第１湾曲面の曲率半径が前記第２湾曲面の曲率半径よりも大きいことを特徴とする軸流ファン。
3. 請求項１または２に記載の軸流ファンであって、
   前記複数の翼のそれぞれが、前記外縁部のうち回転方向後側の部位において前記第１湾曲面と前記第２湾曲面との間に位置し、翼の厚さ方向にほぼ平行な後方ストレート面をさらに備えることを特徴とする軸流ファン。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記外縁部の前記径方向における外側の前記部位において、前記第１湾曲面の曲率半径が、回転方向前側から後側に向かって漸次減少することを特徴とする軸流ファン。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記インペラが射出成形により形成されることを特徴とする軸流ファン。

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