JP2012026291A

JP2012026291A - 軸流ファン

Info

Publication number: JP2012026291A
Application number: JP2010163007A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Uchiyama; 祐介内山; Hiroshi Iwase; 拓岩瀬; Shigehiro Tsubaki; 繁裕椿
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-02-09
Also published as: CN102338124A; US20120020780A1

Abstract

【課題】
直列使用の軸流ファンにおける大風量化と低騒音化の両立
【解決手段】
空気の流れ方向に対して上流側から、第１の軸流ファン１００-１と第１の整流格子２００-２と第２の軸流ファン１００-２と第２の整流格子２００-２が置かれた直列使用の軸流ファンにおいて、前記第１の整流格子が前記第１の軸流ファンの回転方向に対して“く”の字型に反る形状を有する静翼を備え、前記第２の整流格子が空気の流れ方向に水平に向く後縁形状を有する静翼を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はファンの回転軸方向に直列に配列された軸流ファンに関する。

家電製品やOA・IT機器には、発熱電子部品の冷却用に冷却ファンが搭載されている。近年、市場においてはこれら家電製品やOA・IT機器の小型化・高性能化が進められている。この小型化・高性能化に伴って機器の内部構造における電子部品の高密度化により電子部品からの発熱量が増加する傾向にある。

電子部品からの発熱量増加に対しては、冷却ファンとして小型でかつ風量の得やすい小型軸流ファンが採用されるのが一般的である。
ところが、小型軸流ファンを用いて冷却を行う場合、所望の冷却風量を得るためにはファンを高速回転させざるを得ない。しかしながら、高速回転させることによって風量は増加するものの、騒音が増大するという問題が発生してしまう。

一方、電子部品の高密度化による圧力損失の増加に対処するため、軸流ファンをファンの回転軸方向に直列に並べて使用する構造が採用されている。

特にデータセンタにおけるサーバ機器類に代表されるように、長時間の連続運転を前提とした機器類においては、冷却ファンの故障により冷却機能が完全に停止しないよう冗長性を確保するという観点からも、複数の軸流ファンを直列に並べて使用する構成が採用されている。

したがって直列に並べて使用する軸流ファンにおいては、冷却風量増加時における低騒音化技術が重要視されている。

特許第４１６７８６１号公報

上記特許文献１は、ファンの回転軸方向に２個の軸流ファンが直列に配列されている。この上流側軸流ファンと下流側軸流ファンとの間に内面と外面を備えた固定子と呼ばれる枠と、この枠の中心部から放射状に取り付けられた羽根を備える装置（以下、整流格子という）が取り付けられている。この整流格子によって軸流ファンから生じる空気流の旋回成分が取り除かれて騒音の発生が抑制される。

ところが、特許文献１における整流格子は空気の流れ方向に対して自身の上流側に置かれた軸流ファンから吐き出された空気流に対しては作用するが、下流側に置かれた軸流ファンから吐き出された空気流に対しては作用しない。

そのため、前記整流格子の作用により上流側の軸流ファンから吐き出された空気流の旋回成分を取り除くことはできても、下流側の軸流ファンから吐き出された空気流の旋回成分は取り除けない。したがって、特許文献１は直列使用の軸流ファン全体として見た場合、必ずしも騒音発生という前記課題に対して有効な手段を与えているとは言い難い。

本発明の目的は、直列使用の軸流ファンにおける大風量化と低騒音化を図った軸流ファンを提供することにある。

上記目的は、空気の流れに対して上流側に設置された第１の軸流ファンと、この第１の軸流ファンの下流側に設置された第１の整流格子と、この第２の整流格子の下流側に設置された第２の軸流ファンと、この第２の軸流ファンの下流側に設置された第２の整流格子とを備えた軸流ファンにおいて、前記第１の整流格子を構成する静翼は前記第１の軸流ファンの回転方向に対して反る形状であり、前記第２の整流格子を構成する静翼は前記空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状であることにより達成される。
を特徴とする軸流ファン。

また上記目的は、前記第１の整流格子を構成する静翼はＵ字状に反る形状であることにより達成される。

また上記目的は、前記第１の整流格子を構成する静翼は２分割されていることにより達成される。

また上記目的は、空気の流れに対して上流側に設置された第１の軸流ファンと、この第１の軸流ファンの下流側に設置された第１の整流格子と、この第１の整流格子の下流側に設置された第２の軸流ファンと、この第２の軸流ファンの下流側に設置された第２の整流格子を備え、前記第２の軸流ファンは前記第１の軸流ファンの回転とは異なる軸流ファンにおいて、前記第１の整流格子を構成する静翼は前記第１の軸流ファンの回転方向に対して腹を向ける形状であり、前記第２の整流格子を構成する静翼は前記空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状であることにより達成される。

また上記目的は、前記第１と第２の軸流ファンと前記第１と第２の整流格子はサーバ機器類の冷却装置として使用されることにより達成される。

本発明によれば、直列使用の軸流ファンにおける大風量化と低騒音化を図った軸流ファンを提供できる。

軸流ファンと整流格子を交互に直列に並べた概略構成図である。軸流ファン単体の側面図である。軸流ファン単体の斜視図である。整流格子単体の側面図である。整流格子単体の斜視図である。本発明の実施例１に係る直列使用の軸流ファンのある円筒面である。軸流ファンの動翼における流入速度と流出速度の関係を示す図である。軸流ファンの性能曲線と抵抗曲線を示すグラフ図である。逆予旋回による空気流の剥離を表す図である。本発明の実施例２に係る軸流ファンのある円筒面である。本発明の実施例３を備えた軸流ファンと整流格子の構成図である。本発明の実施例３に係る直列使用の軸流ファンのある円筒面である。本発明の実施例４を備えた軸流ファンと整流格子の構成図である。本発明の実施例４に係る直列使用の軸流ファンのある円筒面である。本発明の実施例５に係るブレードサーバの概略構成図である。

以下、本発明の一実施例を図にしたがって説明するが、図２〜図５を使って直列配列による軸流ファンと整流格子の概略を説明する。

図１は軸流ファンと整流格子を交互に直列に並べた概略構成図である。
図２は軸流ファン単体の側面図である。
図３は軸流ファン単体の斜視図である。
図４は整流格子単体の側面図である。
図５は整流格子単体の斜視図である。
図１において、矢印で示した空気の流れ方向に対して上流側から、第１の軸流ファン１と、この第１の軸流ファン１の下流側に第１の整流格子２が直列に配置されている。この第１の整流格子２の下流側には第２の軸流ファン３は配置され、この第２の軸流ファン３の下流側には第２の整流格子４が配置されている。

図２，図３において、第１と第２の軸流ファン１，３は中央にボス１０１を備えている。このボス１０１の外周には複数枚の動翼１０２が取り付けられている。前記ボス１０１にはモータ１０３が連結され、このモータ１０３によってボス１０１が回転することで動翼１０２が回転するようになっている。支柱１０５は前記モータ１０３をケーシング１０４に支持するものである。

図４，図５において、第１と第２の整流格子２，４は内枠２０１と外枠２０２を備えている。この内枠２０１と外枠２０２とは内枠２０１から放射状に複数枚伸びた静翼２０３によって連結されている。

上述した特許文献１では第１の軸流ファン１と第２の軸流ファン３との間に整流格子２が介在されたものであり、下流側の第２の整流格子４が存在しない。したがって、特許文献１では、整流格子２の作用により第１の軸流ファン１から吐き出された空気流の旋回成分を取り除くことはできても、第２の軸流ファン３から吐き出された空気流の旋回成分は取り除けない。

そこで、本発明の発明者らは第２の軸流ファン３の下流側に第２の整流格子４を取り付けるとともに、第２の整流格子４の静翼についてその形状を種々検討した結果、以下のごとき実施例を得た。

図６は本発明の実施例１に係る直列使用の軸流ファンのある円筒面である。
つまり、図６は図１に示した第１と第２の軸流ファン１，３の動翼１０２の断面と、第１と第２の整流格子２，４の静翼２０３の断面を円筒面として部分的に取り出したものである。

図６において、矢印で示す空気の流れ方向に対して上流側から、回転する第１の軸流ファン１の動翼１０２ａ（以下、第１の動翼１０２ａという）が存在する。この動翼１０２ａの下流側には第１の整流格子２の静翼２０３ａ（以下、第１の静翼２０３ａという）が静止した状態で存在する。この静翼２０３ａの下流側には第２の軸流ファン３の動翼１０２ｂ（以下、第２の動翼１０２ｂという）が回転しながら存在する。回転する動翼１０２ｂの下流側には第２の整流格子４の静翼２０３ｂ（以下、第２の静翼２０３ｂという）が静止した状態で置かれている。

前記第１の動翼１０２ａと第２の動翼１０２ｂは同一方向に回転し、かつそれぞれの回転軸は同一直線上に存在する。また、第１の静翼２０３ａは動翼１０２ａおよび動翼１０２ｂの回転方向に対してＵ字状に反った形状となっている。第２の静翼２０３ｂは空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状を有している。

これら整流格子２，４によって空気流は回転場においては相対速度３０２ａで、静止場においては絶対速度３０３ａで動翼１０２ａに流入する。一般に３次元円筒座標系で表現される回転場において相対速度は、周速度と絶対速度の和として与えられる。

前記動翼１０２ａを通過した空気流は、回転場においては相対速度３０２ｂで、静止場においては絶対速度３０３ｂで流出する。

図７は一般的な軸流ファンの動翼における空気流の流入速度と流出速度の関係を示すグラフ図である。

図７において、空気流は動翼に対して、回転場においては相対流入速度３０２（a）および相対流入角３０５（a）で、静止場においては絶対流入速度３０３（a）および絶対流入角３０４（a）で流入する。空気流は動翼を通過した後、回転場においては相対流出速度３０２（b）および相対流出角３０５（b）で、静止場においては絶対流出速度３０３（b）および絶対流出角３０４（b）で流出する。動翼の作用により空気流が受ける速度の変化は、回転場においては前記相対流入速度３０５（a）と前記相対流出速度３０５（b）との差３０６（b）であり、静止場においては前記絶対流出速度３０３（b）と前記絶対流入速度３０３（a）との差３０６（a）である。

式１は動翼の作用により空気流が得る理論全圧上昇を示すものである。式中の記号はそれぞれ、P_thは理論全圧上昇、ρは空気の密度、uは周速度、w_θin は相対流入速度の旋回成分、w_θout は相対流出速度の旋回成分、v_θin は絶対流入速度の旋回成分、v_θout は絶対流出速度の旋回成分を表す。式１は空気流が得る理論全圧上昇は動翼の作用により空気流が受ける速度の変化に比例することを意味している。

前記第１の動翼１０２ａにおいては、図６における前記第１の動翼１０２ａに対する空気流の流入速度および流出速度に対応するだけの理論全圧上昇が式１から得られる。

前記第１の動翼１０２ａから流出した空気流は静止場において前記第１の静翼２０３ａに前記絶対速度３０３ｂで流入し、前記第１の静翼２０３ａの作用により減速されて絶対速度３０３ｃで流出する。前記第１の静翼２０３ａは前記第２の動翼１０２ｂの回転方向に対してＵ字状に反る形状を有している結果、前記絶対速度３０３ｃは逆予旋回と呼ばれる前記第２の動翼１０２ｂの回転方向に対して逆向きの旋回成分を有することとなる。

式２は一般的な静翼の作用により空気流が得る理論静圧上昇を示すものである。式中の記号はそれぞれ、Δp_sは理論静圧上昇、ρは空気の密度、V_in は絶対流入速度、V_out は絶対流出速度を表す。式２より静翼の作用により空気流の絶対速度が減速されることで空気流は静圧上昇していることがわかる。

前記第１の静翼２０３ａにおいては、図６における前記第１の静翼２０３ａに対する空気流の流入速度および流出速度に対応するだけの理論静圧上昇が式２から得られる。

前記第１の静翼２０３ａから流出した空気流は、回転場においては相対速度３０２ｃで、静止場においては絶対速度３０３ｃで前記第２の動翼１０２ｂに流入する。前記第２の動翼１０２ｂを通過した空気流は、回転場においては相対速度３０２ｄで、静止場においては絶対速度３０３ｄで流出する。このとき、式１が示す空気流の理論全圧上昇において、絶対流入速度の旋回成分の符号が負であることから、その符号が正の場合と比較すると理論全圧上昇を大きくすることできる。この効果により、絶対流入速度の旋回成分の符号が正の場合と同じ大きさの理論全圧上昇を空気流に与える際に、周速度を小さくすることが可能となる。

式３はモータの回転数の変化による騒音の大きさの変化を示すものである。式中のNは変化前の回転数、N'は変化後の回転数、L_Aは変化前の騒音、L_A'は変化後の騒音を表す。

前記第２の動翼１０２ｂの周速度を小さくすることでモータの回転数が減少すると、式３に示されるように騒音が低減される。

前記第２の動翼１０２ｂから流出した空気流は静止場において前記第２の静翼２０３ｂに前記絶対速度３０３ｄで流入し、前記第２の静翼２０３ｂの作用により減速されて絶対速度３０３ｅで流出する。その際に空気流は式２が示すだけの理論静圧上昇を得る。

図８は軸流ファンの性能曲線と抵抗曲線を示すグラフ図である。
図８において、軸流ファンの風量は一般的に、軸流ファンの使用環境における風量と圧力損失の特性曲線４０１と軸流ファン固有の風量と圧力の特性曲線４０２の交点である動作点によって決められる。したがって、前記第２の静翼の作用により静圧上昇が得られることは、前記風量と圧力の特性曲線が風量と圧力の特性曲線４０３に変化することを表し、その結果動作点が大風量側へと移動する。すなわち、風量が増加する。

本実施例において、図１に示す前記第１の軸流ファン１が故障した場合、前記第１の軸流ファン１は障害物となる。このとき前記第２の軸流ファン２を最大回転数で運転する。

図６に示したように、前記第１の静翼２０３ａの作用により前記第２の動翼１０２ｂに逆予旋回を与えることで、式１において逆予旋回を与えないとき以上の空気流の理論全圧上昇を上昇させることができる。また、前記第２の静翼２０３ｂの作用により、図１において前記第２の整流格子４がない場合と比較して、より大きな風量を得ることができる。すなわち、前記第１の軸流ファン１が故障した時における風量の低下をより小さく抑えることができる。

以上のように、本実施例においては第１の静翼２０３ａと第２の静翼２０３ｂの形状が異なることによって軸流ファンの騒音低減と風量増加、および故障時の性能劣化抑制作用が得られることがいえる。

ところで、本発明の実施例１である図１で説明した第１の軸流ファン１と第２の軸流ファン２の回転方向が異なる場合について説明する。
一般に、回転方向の異なる２つの軸流ファンを直列に並べて使用するものは二重反転ファンと呼ばれている。この二重反転ファンは空気の流れ方向に対して上流側の軸流ファンを通過した空気流が有する旋回成分が、下流側のファンに対して逆予旋回となる。そのため、実施例１に示した逆予旋回による圧力上昇を常に期待できる。

ところが、使用環境の変化等により上流側の軸流ファンへの空気の流入条件が変化し、下流側の軸流ファンに対する逆予旋回が大きくなりすぎると、図９に示すように翼背面の空気流が大きな圧力上昇に耐えられずに剥離してしまい、損失が生じてしまう。

そこで実施例２では、回転する第１の動翼１０２ａと回転する第２の動翼１０２ｃが設けられたものである。この第２の動翼１０２ｃの回転方向が異なる際に、静止した第１の静翼２０３ａが前記第１の動翼１０２ａの回転方向に対して腹を向けており、静止した第２の静翼２０３ｂは空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状となっている。

以下に図１０を用いて本実施例の作用を説明する。
図１０は本発明の実施例２に係る軸流ファンのある円筒面である。
図１０において、前記第１の静翼２０３ａを通過した空気流は静止場において絶対速度３０３ｃを有する。空気流は前記第２の動翼１０２ｃに、回転場においては相対速度３０２ｄで、静止場においては絶対速度３０３ｄで流入する。このとき、前記第１の静翼２０３ａの作用により空気流が前記第２の動翼１０２ｃに流入する際に逆予旋回が大きくなりすぎず、流れの剥離に起因する損失の発生が抑えられ、望ましくは式１により期待される理論全圧上昇が得られる。前記第２の動翼１０２ｃを通過した空気流は実施例１に示したように、静止した第２の静翼２０３ｂの作用により静圧上昇が得られる。

以上より、本実施例において図１における前記第１の整流格子２が有する静翼２０３ａの形状と前記第２の整流格子４が有する静翼２０３ｂの形状が異なることで、軸流ファン、特に二重反転ファンにおける損失の発生を抑制する効果が得られる。

本発明における実施例３を図１１で説明する。
図１１は本発明の実施例３を備えた軸流ファンと整流格子の構成図である。
図１１において、矢印で示した空気の流れ方向に対して上流側から順に、第１の軸流ファン１と第１の整流格子２と第２の整流格子２ａと第２の軸流ファン３と第３の整流格子４が置かれる構成となっている。

図１２は本発明の実施例３に係る直列使用の軸流ファンのある円筒面である。
図１２において、本実施例は静止した第１の静翼２０３ａは回転する第１の動翼１０２ａの回転方向に対して前縁が反る形状を有しており、静止した第２の静翼２０３ｂは前記第１の動翼の回転方向に対して後縁が反る形状を有しており、静止した第３の静翼２０３ｃは空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状を有する構成となっている。

換言すると、第１の静翼２０３ａと第２の静翼２０３ｂは図６の実施例１で説明した第１の静翼２０３ａを二つの翼で形成したものである。これはＵ字状となった静翼２０３ａ一体の金型で成型しようとすると金型が抜けない形状となる場合がある、本実施例では二つの翼で静翼を形成したものである。このように分割しておくことにより容易な成型が可能となる。

次に、図１２を用いて本実施例の作用を説明する。
前記第１の動翼１０２ａを通過した空気流は静止場における絶対速度３０１ｂで前記第１の静翼２０３ａに流入する。静止場において前記第１の静翼２０３ａを通過した空気流は旋回成分が緩和された絶対速度３０３ｃを有して、前記第２の静翼２０３ｂに流入する。前記第２の静翼２０３ｂを通過した空気流は絶対速度３０３ｄを有するが、これは回転する第２の動翼１０２ｂに対する逆予旋回を有する。前記第２の動翼１０２ｂに流入する空気流に逆予旋回を与える際に、前記第１の静翼２０３ａの作用により空気流の旋回成分を緩和することで、前記第２の静翼２０３ｂを空気流が通過する際に生じ得る流れの剥離を抑制する効果が得られる。その結果、流れの剥離に起因する損失の発生を抑制、望ましくは除去することができる。

以上より、本実施例において図１１における第１の整流格子２が有する静翼２０３ａと第２の整流格子２ａが有する静翼２０３ｂの形状が異なることで、前記第２の軸流ファン３に流入する空気流に整流格子を使用して逆予旋回を与えようとする際に、流れの剥離に起因する損失を抑制する効果があるといえる。

また、本実施例におけるもう１つの作用として、上述したように前記第１の静翼２０３ａおよび前記第２の静翼２０３ｂを鋳型で製作する際に比較的容易に製作を行うことが可能であるという点が挙げられる。

本発明における実施例４を図１３で説明する。
図１３は本発明の実施例４を備えた軸流ファンと整流格子の構成図である。
図１３において、矢印で示した空気の流れ方向に対して上流側から順に、第１の整流格子２と第１の軸流ファン１と第２の整流格子４と第２の軸流ファン３と第３の整流格子５から構成されている。

本実施例は、図１３のある円筒面である図１４に示すように、静止した第１の静翼２０３ａは回転する第１の動翼１０２ａの回転方向に後縁が反る形状を有しており、静止した第２の静翼２０３ｂは回転する第２の動翼１０２ｂの回転方向に対してＵ字状に反る形状を有しており、静止した第３の静翼２０３ｃは空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状を有する構成となっている。

次に、図１４を用いて本実施例の作用を説明する。
空気流は前記第１の動翼１０２ａに流入する際に、前記第１の静翼２０３ａを静止場における絶対速度３０３ｂを有するように通過する。一般に軸流ファンにおいて、設計段階で想定される使用環境と実際の使用環境が異なるために、環境に起因する空気の流入条件によって流れの剥離による損失が発生する。前記第１の静翼２０３ａの作用はこの損失を抑制、望ましくは除去することである。

以上より、本実施例において図１３に示す第１の整流格子２が有する静翼２０３ａと、第２の整流格子４が有する静翼２０３ｂと、第３の整流格子５が有する静翼２０３ｃの形状が異なることで、使用環境の変化に起因する前記第１の軸流ファン１への流入条件の違いによる損失の発生を抑制する効果が得られる。

本発明における実施例５を図１５で説明する。
図１５は本発明の実施例５に係るブレードサーバの概略構成図である。
図１５において、ブレードサーバ５００は筐体５０１と、前記筐体内に置かれたサーバブレード５０２と、前記サーバブレードを冷却するための冷却ファンモジュール５０３によって構成されている。

前記冷却ファンモジュール５０３として本発明の構成では、例えば実施例１を採用することにより、実施例１の作用から大風量でかつ低騒音のブレードサーバが得られる。故障した際の冗長性にも優れている前記冷却ファンモジュールを実現することが可能である。

また本実施例における冷却ファンモジュールの用途としては、ブレードサーバのみに限定されるものではなく、ラックサーバやPCサーバ等のサーバ機器類全般を対象とした冷却ファンモジュールである。

以上のごとく本発明によれば、第１の整流格子の作用により前記第２の軸流ファンの回転数が下げられることができるので騒音を大幅に低減できる。また前記第１の整流格子と前記第２の整流格子の作用で静圧上昇が得られることにより風量が増加する。

さらに、前記第２の整流格子を設けているので仮に第１の軸流ファンが故障したとしても冷却性能の低下を抑えることが可能である。

一方、前記第１の整流格子の作用により前記第２の軸流ファンで生じる空気流の剥離を抑制することで損失の発生を抑制することが可能となるばかりでなく、前記第１の軸流ファンへの空気流の流入条件により生じる損失を抑制することが可能となる。

さらに、低騒音で大風量の軸流ｖファンを提供できたことにより、故障時の冗長性にも優れたサーバ用冷却ファンモジュールを実現することが可能である。

１・・・第１の軸流ファン、２・・・第１の整流格子、３・・・第２の軸流ファン、４・・・第２の整流格子、１０１・・・ボス、１０２・・・動翼、１０３・・・モータ、１０４・・・ケーシング、１０５・・・支柱、２０１・・・内枠、２０２・・・外枠、２０３・・・静翼。

さらに、低騒音で大風量の軸流ファンを提供できたことにより、故障時の冗長性にも優れたサーバ用冷却ファンモジュールを実現することが可能である。

Claims

空気の流れに対して上流側に設置された第１の軸流ファンと、この第１の軸流ファンの下流側に設置された第１の整流格子と、この第２の整流格子の下流側に設置された第２の軸流ファンと、この第２の軸流ファンの下流側に設置された第２の整流格子とを備えた軸流ファンンにおいて、
前記第１の整流格子を構成する静翼は前記第１の軸流ファンの回転方向に対して反る形状であり、前記第２の整流格子を構成する静翼は前記空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状であることを特徴とする軸流ファン。
請求項１記載の軸流ファンンにおいて、
前記第１の整流格子を構成する静翼はＵ字状に反る形状であることを特徴とする軸流ファン。
請求項１記載の軸流ファンンにおいて、
前記第１の整流格子を構成する静翼は２分割されていることを特徴とする軸流ファン。
空気の流れに対して上流側に設置された第１の軸流ファンと、この第１の軸流ファンの下流側設置された第１の整流格子と、この第１の整流格子の下流側に設置された第２の軸流ファンと、この第２の軸流ファンの下流側に設置された第２の整流格子を備え、前記第２の軸流ファンは前記第１の軸流ファンの回転とは異なる軸流ファンンにおいて、
前記第１の整流格子を構成する静翼は前記第１の軸流ファンの回転方向に対して腹を向ける形状であり、前記第２の整流格子を構成する静翼は前記空気の流れ方向に対して平行に向く後縁形状であることを特徴とする軸流ファン。
請求項１乃至４のいずれかに記載の軸流ファンにおいて、
前記第１と第２の軸流ファンと前記第１と第２の整流格子はサーバ機器類の冷却装置として使用されることを特徴とする直列使用の軸流ファン。