JP2013185440A - 遠心ファン - Google Patents

Abstract

【課題】静圧が高く、かつ風量特性の優れた遠心ファンを提供する。
【解決手段】遠心ファン100は、回転軸を中心に回転するインペラ10、インペラを回転駆動するモータ30、インペラ及びモータを収容するケースを備え、ケースは、上ケース20、下ケース21、両ケース20、21を固定する締結部23を有し、ケース内にはモータよりも径方向外方に位置する第１の環状空間50が形成され、第１の環状空間は、締結部の内周縁23a、モータ収容部の径方向最外周部との最短距離を直径とすると共に締結部の内周縁と接する仮想円を環状に連続させることで形成される空間、上ケース、下ケースで構成される第２の環状空間51を有し、第２の環状空間にインペラの一部が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い静圧を有する遠心ファンに関する。

従来、静圧を高めることを目的する遠心ファンが知られている。

例えば、米国特許公開第２００９／０３０１４８５号明細書には、インペラの上部にシュラウドを設けたブロアが記載されている。

また、特表２００５−５１０６６３号公報には、圧縮室に連通する円環状圧縮室を有したタービンが記載されている。

米国特許公開第２００９／０３０１４８５号明細書 特表２００５−５１０６６３号公報

米国特許公開第２００９／０３０１４８５号明細書では、インペラの上部にシュラウドを設けることにより、吸気口からインペラの下部に流れ込んだ気体が吸気口側に逆流することを抑制している。これにより、風洞部内の通風抵抗が大きくなり、静圧が高められている。

しかしながら、より静圧を高めようとすると、インペラの径を大きくすることで風洞部内の通風抵抗を大きくするか、インペラの上端に設けられたシュラウドの面積を増やし、同様に、通風抵抗を大きくする必要がある。その場合、遠心ファンの大型化を招き、小型化にすることが難しい。特に、人口呼吸器や排痰装置等の医療機器においては、携帯性等の要求から、遠心ファンを小型化することが望まれている。

また、特表２００５−５１０６６３号公報では、円環状圧縮室（複数の翼の下方空間）に空気が流れ込むことで、下方空間内の通風抵抗が高められている。そのため、複数の翼の下方空間に流れ込んだ空気が、吸気口側に逆流することが抑制され、タービンの静圧を高めている。

しかしながら、インペラの下方空間に流れ込んだ空気は、そこに一時的に滞留する。この滞留した空気は、主として吸気口からの連続した空気の吸入によって循環される。すなわち、インペラの下方空間に流れ込んだ空気には、周方向への旋回成分がさほど作用していない。したがって、周方向外方（排気口側）への空気の循環が促進され難い。そのため、風量特性の向上を図ることが難しい。なお、人口呼吸器や排痰装置等の医療機器においては、起動特性の要求から、高静圧の遠心ファンが望まれている。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、小型化しつつ、より静圧や風量を高めた遠心ファンを提供することである。

本発明の例示的な遠心ファンは、回転軸を中心に回転するインペラと、インペラを回転駆動するモータと、インペラ及びモータを収容するケースとを備えている。ケースは、上ケースと、モータの外周を覆うモータ収容部を有する下ケースと、上ケースと下ケースとを固定する締結部とを有し、ケース内には、モータよりも径方向外方に位置する第１の環状空間が形成されている。第１の環状空間は、締結部の内周縁とモータ収容部の径方向最外周部との最短距離を直径とすると共に締結部の内周縁と接する仮想円を環状に連続させることで形成される空間と、上ケースと、下ケースと、で囲まれた空間で構成される第２の環状空間を有し、第２の環状空間に、インペラの一部が配置されている。

本発明によれば、第２の環状空間にインペラの一部を配置することによって、第２の環状空間内の通風抵抗が高まる。そのため、吸気口から吸入された気体が、吸気口側へ逆流することを抑制できる。更に、吸気口から吸入された気体が第２の環状空間を循環する際に、環状空間に配置されたインペラの一部によって、第２の環状空間内の気体に周方向への旋回成分が発生する。そのため、周方向外方（排気口側）への気体の循環が効率よく行われる。これによって、静圧が高く、風量特性の優れた小型の遠心ファンを提供することができる。

本発明の一実施形態における遠心ファンの構成を示した断面図である。 図１において、第１の環状空間の近傍を拡大して示した部分断面図である。 第２の環状空間の空間的形状の一例を示した部分断面図である。 インペラの他の構成を示した部分断面図である。 インペラの他の構成を示した部分断面図である。 本発明の他の実施形態における遠心ファンの構成を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態における説明では、回転軸に平行な方向を「軸方向」とし、回転軸に直交する方向を「径方向」とし、回転軸を中心とする円周に向かう方向を「周方向」としている。また、軸方向に沿う方向を上下方向として、モータに対してインペラ側を上として、各部の形状や位置関係を説明する。また、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図１は、本発明の一実施形態における遠心ファン１００の構成を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、本実施形態における遠心ファン１００は、回転軸Ｊを中心に回転するインペラ１０と、インペラ１０を回転駆動するモータ３０と、インペラ１０及びモータ３０を収容するケース２０、２１とを備えている。インペラ１０の軸方向上方には、遠心ファン１００の外部から気体を吸気する吸気口４０が形成されている。

インペラ１０は、回転軸Ｊを中心に回転するシャフト３１に結合された略円形平板のハブ１１と、ハブ１の軸方向上方に設置された複数の第１の羽根１２と、ハブ１１の軸方向下方に設置された複数の第２の羽根１３とを有している。

ハブ１１の周縁部は、複数の第１の羽根１２の周縁部よりも、径方向外方に突出している。これにより、複数の第１の羽根１２の回転によって吸気口４０から吸入された気体が、吸気口４０側へ逆流することを抑制することができる。

複数の第１の羽根１２は、回転軸Ｊから軸方向下方且つ径方向外方に向かって延びるともに、複数の第１の羽根１２を覆うケース２０の内壁は、複数の第１の羽根１２の軸方向上端部に沿った内壁面を有している。これにより、第１の羽根１２の回転によって、吸気口４０から吸入された気体は、軸方向下方且つ径方向外方に流れ込む。つまり、複数の第１の羽根１２は、吸気口４０から吸入された気体をケース２０、２１内に効率良く流し込む作用を主として有している。また、複数の第１の羽根１２は、平面視において、回転軸Ｊを中心としてインペラ１０の回転方向と同じ方向に向かう角度を有すると共に、回転軸Ｊを中心として放射状に延びている。複数の第１の羽根１２の、インペラ１０の回転方向と同じ方向に向かう角度は、径方向位置によって、一定ではない。すなわち、回転軸Ｊから周方向外方に延びるに従って、インペラ１０の回転方向と同じ方向に向かう角度が大きくなる。これにより、第１の羽根１２の回転によって、軸方向下方且つ径方向外方の旋回成分を主とする気体に対して、周方向外方への旋回成分が付加されやすくなる。すなわち、より効率良く排気口（不図示）に向かって排出することができる。

複数の第２の羽根１３は、ケース２０，２１内に流し込まれた気体を、排出口（不図示）へ向かって排出する作用を主として有している。

モータ３０は、回転軸Ｊを中心としてロータ３３を回転可能に支持する軸受３２と、軸受３２を支持する軸受保持部３５と、軸受保持部３５に支持されるステータ３４とを備えている。回転軸Ｊを中心に回転するシャフト３１に固定されたハブ１１は、軸方向下方に延出する略円筒状のロータ保持部１１ａを備え、ロータマグネット３３は、ロータ保持部１１ａの内周面に固定されている。なお、図１に例示したモータ３０は、アウターロータ型のモータであるが、インナーロータ型のモータであってもよい。

遠心ファン１００は、ステータ３４に駆動電流を供給することによって、ロータマグネット３３とステータ３４との間で回転トルクを発生させ、これにより、ハブ１１に固定されたインペラ１０が、回転軸Ｊを中心に回転する。

ケース２０、２１は、上ケース２０と、モータ３０の外周を覆うモータ収容部２２を有する下ケース２１と、上ケース２０と下ケース２１とを固定する締結部２３とを有している。上ケース２０は、吸気口４０の周縁部から軸方向下方且つ径方向外方へ向かって広がっている。下ケース２１は、締結部２３から軸方向下方且つ径方向内方へ湾曲し、モータ収容部２２の上端と連続する。但し、下ケース２１は、必ずしも締結部２３から径方向内方へ湾曲し始めなくても良い。つまり、締結部２３から所定の長さだけ軸方向下方へ延びた位置から径方向内方へ湾曲し始めても良い。また、下ケース２１は、必ずしも径方向内方へ湾曲してモータ収容部２２の上端と連続しなくても良い。つまり、締結部２３から所定の長さだけ軸方向下方へ延びた位置から径方向内方に向かって略直角に折れ曲がり、モータ収容部２２の上端と連続しても良い。なお、所定の長さとは、締結部２３からモータ収容部２２の下端までの軸方向長さの範囲内で適宜設定される。また、締結部２３から径方向内方へ傾斜し、モータ収容部２２の上端と連続しても良い。さらに、締結部２３から径方向内方へ傾斜する角度を変化させつつ、モータ収容部２２の上端と連続しても良い。少なくとも、下ケース２１は、締結部２３よりも軸方向下方の空間を形成しつつ、モータ収容部２２と連続している。

ケース２０、２１内には、モータ３０よりも径方向外方に位置する第１の環状空間（風洞部）５０が形成されている。吸気口４０から吸入された気体は、インペラ１０の回転によって、インペラ１０の周囲に設けられた第１の環状空間５０を通過しつつ周方向に旋回し、排気口（不図示）から排出される。

図２は、図１において、第１の環状空間５０の近傍を拡大して示した部分断面図である。

図２に示すように、第１の環状空間５０は、締結部２３の内周縁２３ａとモータ収容部２２の径方向最外周部２２ａとの最短距離を直径Ｒとすると共に締結部２３の内周縁２３ａと接する仮想円を環状に連続させることで形成される空間と、上ケース２０と、下ケース２１と、で囲まれた空間で構成される第２の環状空間５１を有している。第２の環状空間５１には、インペラ１０の一部が配置されている。ここで言う仮想円とは、回転軸Ｊを含む断面で切断された面内に位置する仮想的な円を指している。

なお、本実施形態で例示した構成では、締結部２３の内周縁２３ａに対して、径方向内方に、モータ収容部２２の径方向最外周部２２ａが位置していない。このような場合、「締結部２３の内周縁２３ａと、モータ収容部２２の径方向最外周部２２ａとの最短距離」は、「締結部２３の内周縁２３ａと、モータ収容部２２の径方向最外周部２２ａの軸方向への延長線２２ｂとの最短距離」とする。

さらに、本実施形態において、上ケース２０と下ケース２１とを固定する締結部２３の内周縁２３ａは、第２の環状空間５１を規定するために便宜的に定めた基準である。インペラ１０の軸方向下方に位置し、渦流を形成する環状空間（風洞部）を規定するものであれば、締結部２３の内周縁２３ａの位置を厳密に定める必要はない。

本実施形態において、第２の環状空間５１は、モータ３０よりも径方向外方に位置する第１の環状空間５０のうち、インペラ１０の軸方向下方も含むように拡張された環状の風洞部を構成する。従って、第２の環状空間５１に流れ込んだ気体には、インペラ１０の回転によって発生する周方向への旋回成分が付加される。また、インペラ１０の回転によって、吸気口４０から吸入された気体は絶え間無く、第２の環状空間５１内に送り込まれる。これにより、第２の環状空間５１内の気体密度が高くなる。そのため、吸入口４０から排気口（不図示）までの通風抵抗が増すため、遠心ファン１００の静圧を高めることができる。

さらに、本実施形態では、第２の環状空間５１に、インペラ１０の一部が配置されている。これにより、第２の環状空間５１に流れ込んだ気体は、インペラ１０の回転によって、周方向への旋回成分が付加される。その結果、第２の環状空間５１内の気体密度は更に高まる。また、インペラ１０の一部が第２の環状空間５１内に配置されているため、第２の環状空間内の気体の流路を塞ぎ通風抵抗が高まる。結果として、静圧を高めることができる。更には、第２の環状空間５１にインペラ１０の一部を配置することで、インペラ１０の周方向の面の面積を拡大することができる。結果として、遠心ファン１００の風量も高めることができる。

すなわち、本実施形態における遠心ファン１００は、モータ３０よりも径方向外方に位置する第１の環状空間５０のうち、インペラ１０の軸方向下方も含むように拡張された環状の第２の環状空間５１を設け、この第２の環状空間５１に、インペラ１０の一部を配置することによって、静圧が高く、かつ風量特性の優れた遠心ファンを実現することができる。

また、第１の羽根１２の回転によって吸気口４０から吸入された気体は、ケース２０，２１内に流れ込み、第１の環状空間５０、さらには第２の環状空間５１に導かれる。本実施形態では、ハブ１１の周縁部が、第１の羽根１２の周縁部よりも、径方向外方に突出している。そのため、第２の環状空間５１に導かれた気体は、第１の羽根１２側に逆流しにくくなる。その結果、第２の環状空間５１内の気体密度が高くなると共に、周方向に気体が押し出されるため、静圧および風量をより高めることができる。

また、複数の第２の羽根１３は、第２の環状空間５１において、径方向内方側に配置されている。吸気口４０から吸入された気体は、第２の環状空間５１の径方向外方側の空間に流れ込み、第２の環状空間５１の径方向内側の空間で滞留しやすい。そのため、複数の第２の羽根１３を、第２の環状空間５１において、径方向内方側に配置することにより、滞留した気体を効率良く径方向外方へ排出することができる。

なお、本実施形態における第２の環状空間５１は、種々の空間的形状を取り得る。例えば、第２の環状空間５１を覆うケース２０、２１の内壁を、軸方向横断面が曲面を有するようにすれば、吸気口４０から吸入された気体を、第２の環状空間５１内へスムーズに流れ込ますことができる。なお、この曲面は、必ずしも球面である必要はない。

図３は、第２の環状空間５１の空間的形状の一例を示した部分断面図である。第１の環状空間５０は、締結部２３の内周縁２３ａとモータ収容部２２の径方向最外周部２２ａとの最短距離を直径Ｒとすると共に締結部２３の内周縁２３ａと接する仮想円を環状に連続させることで形成される空間と、上ケース２０と、下ケース２１と、で囲まれた空間で構成される第２の環状空間５１よりも軸方向下方に位置する空間５１ａをさらに有している。上ケース２０の内壁に沿って吸入された気体は、下ケース２１の内壁に沿って空間５１ａの径方向外方から径方向内方に導かれ、渦流となって滞留する。この時、吸入された気体が渦流となって滞留する位置は、下ケース２１の軸方向長さに依存する。そのため、本実施形態において、吸入された気体が渦流となって滞留する位置は、第１の環状空間５０が空間５１ａを有さない実施形態よりも軸方向下方で渦流が発生する。この場合、複数の第２の羽根１３を軸方向下方へ延ばすことが好ましい。例えば、軸方向において、締結部２３もしくはモータ収容部２２の最外周部と同じ位置まで、もしくは各部位よりも軸方向下方へ延ばすことが好ましい。これにより、複数の第２の羽根１３の位置と、渦流が発生する位置が断面視で重なり、渦流となって滞留する気体を効率良く径方向外方へ押し出すことができる。但し、吸入された気体が渦流となって滞留する位置は、下ケース２１の軸方向長さだけでなく、下ケース２１の内壁の形状にも依存する。そのため、単に複数の第２の羽根１３を軸方向下方に延ばすだけでなく、下ケース２１の内壁の形状を適宜変更することにより、複数の第２の羽根１３と、渦流が発生する位置を、断面視で重なるようにしても良い。

本実施形態において、インペラ１０の構成は特に制限されない。例えば、図１に示した構成のインペラ１０に対して、図４または図５に示したような構成のインペラ１０であってもよい。

図４に示した構成のインペラ１０は、ハブ１１の周縁部が、第１の羽根１２の周縁部よりも、径方向外方に突出しておらず、第１の羽根１２及び第２の羽根１３の周縁部と面一になっている。これにより、インペラ１０の径方向の大きさを縮小できる。

また、図５に示した構成のインペラ１０は、第１の羽根１２の周縁部と第２の羽根１３の周縁部とが、ハブ１１の周縁部の径方向外方において、互いに連なっている。これにより、第１の羽根１２及び第２の羽根１３を一体的に形成することができる。

図６は、本発明の他の実施形態における遠心ファン１１０の構成を模式的に示した断面図である。本実施形態における遠心ファン１１０は、所謂、斜流ファンと呼ばれるものである。

本実施形態においては、インペラ１０の構成が、図１に示した構成と異なる。なお、モータ３０の構成は、図１に示した構成と同じなので、説明は省略する。

本実施形態におけるインペラ１０は、回転軸Ｊを中心に回転するシャフト３１に結合され、かつ、シャフト３１から周縁部に向かって軸方向下方に傾斜したハブ１１と、ハブ１１の軸方向上方に設置された複数の第１の羽根１２とを有している。複数の第１の羽根１２の一部１２ａは、第２の環状空間５１に配置されている。なお、第２の環状空間５１は、図２で説明した第２の環状空間５１と同じ定義で規定される。

本実施形態における遠心ファン１１０では、複数の第１の羽根１２が、回転軸Ｊから周縁部に向かって、軸方向下方に傾斜している。そのため、第１の羽根１２の回転によって、吸気口４０から吸入された気体は、軸方向下方且つ径方向外方に排出される。そのため、吸気口４０から吸入された気体を、第２の環状空間５１にスムーズに導くことができる。

また、複数の第１の羽根１２の軸方向上方端部には、環状のシュラウド１４が形成されていてもよい。ここで、シュラウド１４は、第２の環状空間５１の軸方向上方に位置している。これにより、第１の羽根１２の回転によって、吸気口４０から第２の環状空間５１に導かれた気体は、第１の羽根１２側に逆流しにくくなる。その結果、第２の環状空間５１内の気体密度が高くなると共に、周方向に気体が押し出されるため、静圧をより高めることができる。

１０ インペラ
１１ ハブ
１１ａ ロータ保持部
１２ 第１の羽根
１２ａ 第１の羽根の一部
１３ 第２の羽根
１４ シュラウド
２０ 上ケース
２１ 下ケース
２２ モータ収容部
２２ａ モータ収容部の径方向最外周部
２３ 締結部
２３ａ 締結部の内周縁
３０ モータ
３１ シャフト
３２ 軸受
３３ ロータマグネット
３４ ステータ
３５ 軸受保持部
４０ 吸気口
５０ 第１の環状空間
５１ 第２の環状空間
１００、１１０ 遠心ファン

Claims (9)

1. 回転軸を中心に回転するインペラと、
   前記インペラを回転駆動するモータと、
   前記インペラ及び前記モータを収容するケースと、
   を備え、
   前記ケースは、
   上ケースと、
   前記モータの外周を覆うモータ収容部を有する下ケースと、
   前記上ケースと下ケースとを固定する締結部と、
   を有し、
   前記ケース内には、前記モータよりも径方向外方に位置する第１の環状空間が形成され、
   前記第１の環状空間は、
   前記締結部の内周縁と、前記モータ収容部の径方向最外周部との最短距離を直径とすると共に前記締結部の内周縁と接する仮想円を環状に連続させることで形成される空間と、前記上ケースと、前記下ケースと、で構成される第２の環状空間を有し、
   前記第２の環状空間に、前記インペラの一部が配置されている、遠心ファン。
2. 前記第１の環状空間は、前記第２の環状空間よりも軸方向下方に位置する空間をさらに有している、請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記インペラは、
   前記回転軸を中心に回転するシャフトに結合された略円形平板のハブと、
   前記ハブの軸方向上方に設置された複数の第１の羽根と、
   前記ハブの軸方向下方に設置された複数の第２の羽根と
   を有し、
   前記複数の第２の羽根は、前記第２の環状空間に配置されている、請求項１に記載の遠心ファン。
4. 前記ハブの周縁部は、前記第１の羽根の周縁部よりも、径方向外方に突出している、請求項３に記載の遠心ファン。
5. 前記複数の第１の羽根は、回転軸から軸方向下方且つ径方向外方へ向かって延びており、
   前記複数の第１の羽根を覆う前記ケースの内壁は、前記複数の第１の羽根の軸方向上端部に沿った内壁面を有している、請求項１に記載の遠心ファン。
6. 前記第２の環状空間を覆う前記ケースの内壁は、軸方向横断面が曲面を有している、請求項１に記載の遠心ファン。
7. 前記複数の第２の羽根は、前記第２の環状空間において、径方向内方側に配置されている、請求項１に記載の遠心ファン。
8. 前記インペラは、
   前記回転軸を中心に回転するシャフトに結合され、かつ、該シャフトから周縁部に向かって軸方向下方に傾斜したハブと、
   前記ハブの軸方向上方に設置された複数の第１の羽根と、
   を有し、
   前記複数の第１の羽根の一部は、前記第２の環状空間に配置されている、請求項１に記載の遠心ファン。
9. 前記複数の第１の羽根の軸方向上方端部に、環状のシュラウドが形成されており、
   前記シュラウドは、前記第２の環状空間の軸方向上方に位置している、請求項８に記載の遠心ファン。

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