JP2014066199A - 二重反転式軸流送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力であり、風量−静圧特性が改善された二重反転式軸流送風機を低コストで提供する。
【解決手段】三相モータ１２０によって羽根１０１を回転させる第１の軸流送風機１００と、第１の軸流送風機１００と直列に接続され、単相モータ２２０によって羽根２０１を回転させる第２の軸流送風機２００とを備え、羽根１０１と羽根２０１が逆回転する。また、三相モータ１２０は、速度制御によって駆動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、低コストで得ることができ、高い効率を有する二重反転式軸流送風機に関する。

モータを駆動源とした軸流ファンを軸方向で重ね、さらに一方の軸流ファンの回転方向と他方の軸流ファンの回転方向とを反転させた構造の二重反転式軸流送風機が知られている。例えば、特許文献１には、二重反転式軸流送風機において、従来よりも風量を多くし静圧を高めるために、前方ブレードの枚数を５枚とした第１の単体軸流送風機と、後方ブレードの枚数を４枚とした第２の単体軸流送風機とを結合し、さらに、第１の単体軸流送風機の複数本のウエブと第２の単体軸流送風機の複数枚のウエブとを組み合わせてハウジング内に形成される静止ブレードの枚数を３枚とした構造が開示されている。また、特許文献２には、二重反転式軸流送風機において、従来よりも風量を多くし静圧を高めるために、前方ブレードの枚数Ｎと静止ブレードの枚数Ｍと後方ブレードの枚数Ｐを、Ｎ＞Ｐ＞Ｍとするとともに、前方ブレードの軸線方向に沿って測った長さ寸法Ｌ１を、後方ブレードの軸線方向に沿って測った長さ寸法Ｌ２よりも長くした構造が開示されている。

特開２００４−２７８３７０号公報 特開２００７−７７８９０号公報

従来技術における二重反転式軸流送風機では、２台の送風機の駆動部には単相モータまたは三相モータがそれぞれ１対で用いられている。しかし、単相モータ２台を用いた場合は風量が十分ではなく、三相モータ２台を用いた場合は風量の増加は得られるものの、消費電力と製造コストも増加するという問題があった。このような背景において、本発明は、低消費電力であり、風量−静圧特性が改善された二重反転式軸流送風機を低コストで提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、三相モータによって羽根を回転させる第１の軸流送風機と、前記第１の軸流送風機と直列に接続され、単相モータによって前記第１の軸流送風機と逆の回転方向に羽根を回転させる第２の軸流送風機とを備えることを特徴とする二重反転式軸流送風機である。請求項１に記載の発明によれば、２つの軸流送風機を共に三相モータで駆動する場合に比較して、低コスト化でき、また２つの軸流送風機を共に単相モータで駆動する場合に比較して、風量−静圧特性を改善することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記三相モータが速度制御によって駆動されることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、三相モータを単相モータとした場合に比較して、高い効率を得ることができる。なお、速度制御というのは、羽根の回転速度が一定となるように制御を行う駆動方法のことをいう。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１の送風機が吸い込み側に配置されていることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、吸い込み側の軸流送風機が一定速度で回転するので、後段（吐き出し側）の第２の軸流送風機の単相モータが静圧変化の影響を受け難くなり、静圧変化による当該単相モータの送風効率の低下が抑えられる。このため、二重反転式軸流送風機としての送風効率が向上する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１の送風機の羽根の枚数をＮとし、前記第２の送風機の羽根の枚数をＭとしたときに、Ｎ＞Ｍであることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、前段の軸流送風機の速度制御による後段の軸流送風機の効率低下を抑える効果をより効果的に得ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、前記第２の単相モータが一定の周波数および一定の電圧で駆動されることを特徴とする。請求項５に記載の発明によれば、単相モータの駆動が簡素な構成で行えるので、装置全体を低コスト化できる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記三相モータと前記単相モータは、同じ電圧で駆動されることを特徴とする。請求項６に記載の発明によれば、電源の構成が簡素化されるので、装置全体を低コスト化できる。

本発明によれば、低消費電力であり、風量−静圧特性が改善された二重反転式軸流送風機を低コストで提供することができる。

実施形態の断面図である。 実施形態の斜視図である。 電気系のブロック図である。 風量と静圧、風量と回転速度の関係を実測したグラフである。

（概略）
図１および図２には、二重反転式軸流送風機１０が示されている。二重反転式軸流送風機１０は、第１の軸流送風機１００と第２の軸流送風機２００とを軸方向で並べて配置（直列配置）した構造を有している。二重反転式軸流送風機１０は、第１の軸流送風機１００の側（図１の右側）から気体を吸い込み、この吸い込んだ気体を第２の軸流送風機２００の側（図１の左側）から排出する。つまり、二重反転式軸流送風機１０は、図１の右側から吸い込んだ気体を図１の左側の方向に排出する。なお、扱う気体としては、空気、窒素ガス等の各種ガス、その他排気ガス等が挙げられる。

（第１の軸流送風機）
第１の軸流送風機１００は、５枚の羽根１０１を供えている。羽根１０１は、以下に説明する構造の三相モータ１２０によって駆動され回転する。５枚の羽根１０１は、樹脂製のハブ１０２と一体に成形されている。ハブ１０２は、樹脂を原料とした射出成形法により製造される部材であり、略カップ形状を有している。ハブ１０２は、三相モータ１２０のロータの一部を構成する部材であり、気体を吸い込む側(図１の右側)の軸中心に近い部分１０２ａが、気体の流れの上流側に向かって、徐々に縮径し、先細りとなるテーパー形状に成形されている。こうすることで、図１の右側の方向から吸引する気体の抵抗を抑えている。ハブ１０２の内側には、金属性でカップ形状を有した補強部材１０３が取り付けられている。補強部材１０３は、樹脂により構成されるボス部１０４と一体化されている。ボス部１０４は、回転軸となるシャフト１０５に取り付けられている。

シャフト１０５は、玉軸受け１０６，１０７により、ステータ部材１０８に回転自在な状態で保持されている。ステータ部材１０８は、略筒形状を有し、内側に玉軸受け１０６，１０７の外輪が固定されている。ステータ部材１０８は、樹脂製のモータベース１０９に固定されている。モータベース１０９は、４本のリブ１１０によって、略円筒形状の外枠１１１につながっている。モータベース１０９、リブ１１０、外枠１１１は、樹脂を原料した一体成形品である。４本のリブ１１０は、固定羽根の役割も果たしている。

ステータ部材１０８の外周には、ステータコア１１２が取り付けられている。ステータコア１１２は、通常の三相モータにおけるものと同じ構造であり、特定の形状とされた電磁鋼板を軸方向で複数積層した構造を有している。ステータコア１１２は、シャフト１０５の回転中心から離れる方向に延在した複数の突極を備えている。図１には、この突極の先端の部分であり、突極面を備えた先端部１１３が示されている。突極には、樹脂製のインシュレータ１１４が装着されており、このインシュレータ１１４を介して、突極にマグネットワイヤが巻きつけられ、ステータコイル１１５が形成されている。突極の先端部１１３の外面（突極面）から隙間を隔てた位置にロータマグネット１１６が配置されている。ロータマグネット１１６は、略円筒形状を有し、補強部材１０３の内周面に取り付けられている。ロータマグネット１１６は、周方向に沿ってNＳN・・と極性が反転した状態で着磁されている。

ステータコイル１１５に三相の交流駆動電流が流されることで、突極の先端部１１３とロータマグネット１１６の磁極との間で磁気吸引力および磁気反発力が作用し、ハブ１０２がステータコア１１２に対して回転する。この回転の原理は、通常の三相モータの場合と同じである。

（第２の軸流送風機）
第２の軸流送風機２００は、３枚の羽根２０１を供えている。羽根２０１は、以下に説明する構造の単相モータ２２０によって駆動され回転する。３枚の羽根２０１は、羽根１０１と同じ直径であり、樹脂製のハブ２０２と一体に成形されている。ハブ２０２は、樹脂を原料とした射出成形法により製造される部材であり、略カップ形状を有している。ハブ２０２は、単相モータ２２０のロータの一部を構成する部材である。ハブ２０２は、ハブ１０１と異なり、気体の流れの下流側に向かって外径が略一定とされ、加速された気流が直線的に図の左の方向に吐き出される構造とされている。ハブ２０２の内側には、金属性でカップ形状を有した補強部材２０３が取り付けられている。補強部材２０３は、軸中心の部分にボス部を備え、このボス部にシャフト２０５が嵌め込まれて固定されている。

シャフト２０５は、玉軸受け２０６，２０７により、ステータ部材２０８に回転自在な状態で保持されている。ステータ部材２０８は、略筒形状を有し、内側に玉軸受け２０６，２０７の外輪が固定されている。ステータ部材２０８は、樹脂製のモータベース２０９に固定されている。モータベース２０９は、４本のリブ２１０によって、略円筒形状の外枠２１１につながっている。モータベース２０９、リブ２１０、外枠２１１は、樹脂を原料した一体成形品である。４本のリブ２１０は、固定羽根の役割も果たしている。

ステータ部材２０８の外周には、ステータコア２１２が取り付けられている。ステータコア２１２は、通常の単相モータにおけるものと同じ構造であり、特定の形状とされた電磁鋼板を軸方向で複数積層した構造を有している。ステータコア２１２は、シャフト２０５の回転中心から離れる方向に延在した複数の突極を備えている。この突極は、先端の部分の突極面２１３を備えている。突極には、樹脂製のインシュレータ２１４が装着されており、このインシュレータ２１４を介して、各突極にマグネットワイヤが巻きつけられ、ステータコイル２１５が形成されている。突極面２１３から隙間を隔てた位置にロータマグネット２１６が配置されている。ロータマグネット２１６は、略円筒形状を有し、補強部材２０３の内周面に取り付けられている。ロータマグネット２１６は、周方向に沿ってNＳN・・と極性が反転した状態で着磁されている。

ステータコイル２１５に単相の交流駆動電流が流されることで、各突極とロータマグネット２１６の磁極との間で磁気吸引力および磁気反発力が作用し、ハブ２０２がステータコア２１２に対して回転する。この回転の原理は、通常の単相モータの場合と同じである。

（全体の構造）
第１の軸流送風機１００のモータベース１０９と第２の軸流送風機のモータベース２０９とが接合され、第１の軸流送風機１００と第２の軸流送風機２００とが軸方向で直列に結合されている。この２つの軸流送風機の結合は、接着剤により行われている。勿論、ボルト等の締結手段で、第１の軸流送風機１００と第２の軸流送風機２００の結合を行うこともできる。

羽根１０１と羽根２０１は、互いに逆方向に回転する。また、三相モータにより駆動される第１の軸流送風機１００は、インバータを用いた速度制御により作動する。速度制御というのは、静圧変化によらず常に一定の回転速度で回転が行われるようにする制御である。つまり、第１の軸流送風機１００に対しては、羽根１０１が一定の速度で回転するように、インバータにより駆動周波数が調整される制御が行われる。

単相モータにより駆動される第２の軸流送風機２００は、静圧変化により回転速度が変化する従来方式の制御で作動させる。すなわち、予め定められた一定の駆動条件（一定の電源周波数および一定の電源電圧）で駆動する。したがって、軸流送風機２００の回転速度は静圧条件の影響を受ける。

（電気系の構成）
図３には、二重反転式軸流送風機１０のブロック図が示されている。図３に示すように、二重反転式軸流送風機１０は、第１の軸流送風機１００と第２の軸流送風機２００により構成されている。第１の軸流送風機１００は、三相モータ１２０により駆動され、第２の軸流送風機２００は、単相モータ２２０によって駆動される。ここで、三相モータ１２０は、図１に関連して説明した第１の軸流送風機１００に組み込まれている。単相モータ２２０は、図１に関連して説明した第２の軸流送風機２００に組み込まれている

三相モータ１２０のロータの回転は、図１では図示省略されている回転速度検出装置３０１によって検出される。回転速度検出装置３０１は、例えば、ロータ側にマグネットを配置し、このマグネットの回転をステータ側に配置されたホール素子により検出することで行われる。回転速度検出装置３０１からは、三相モータ１２０の回転速度に係るデータ信号が出力され、このデータ信号が三相電源３０３に入力される。三相電源３０３は、インバータ電源であり、回転速度検出装置３０１からのデータ信号に基づき、三相モータ１２０が特定の決められた回転速度で常に回転するように制御を行う。具体的には、条件によらず、三相モータ１２０の回転速度が一定の値となるように、三相モータ１２０に供給する駆動電流の周波数を調整する制御動作が三相電源３０３において行われる。

例えば、静圧条件の変化等に起因して、三相モータ１２０の回転速度が変化した場合、それが回転速度検出装置３０１によって検出される。この検出に基づき、三相電源３０３は、三相モータ１２０の回転速度が特定の値となるように、供給する三相交流の周波数を調整する。こうして、第１の軸流送風機１００の回転速度が静圧条件によって変化せず、一定の値となるように速度制御が行われる。他方において、単相モータ２２０には、単相電源３０４から、特定の周波数の駆動電流が供給され、三相モータ１２０のような制御は行われない。なお、三相電源３０３と単相電源３０４の出力電圧を同じ電圧とすることは、２つのモータの動作を同期させる点や電源構成を簡素化し、低コスト化する点で好ましい。

（実測結果）
表１に、実施例と比較例を同条件で運転して比較した結果を示す。ここで、ファン効率は、（風量×静圧／消費電力）×100％で定義される。また、駆動電圧は、１２Vである。ここで、比較例は実施例と同じ基本構成で、モータが二台の軸流送風機とも単相モータとしたものである。表１に示すように、実施形態は、比較例に対して、ファン効率を１７％改善することができた。

図４には、実施例と比較例のP-Q特性曲線（横軸：風量、左縦軸：静圧）および風量（横軸）と回転速度（右縦軸）との関係が示されている。図４において、曲線１が実施例、曲線２が比較例のP-Q特性曲線である。

P-Q特性曲線を見ると、静圧がゼロ、すなわち最大風量においては実施例と比較例に差はない。しかしながら、実際の運転時に多用されるのは最大静圧と最大風量の間の条件である。この実際の運転に即した条件では、左側の縦軸から、同じ静圧に対して実施例の方が比較例より風量が多く、P-Q特性（風量−静圧特性）が改善されていることが分かる。

図４における符号3と4は、右側の縦軸を使って、吸い込み側のモータを速度制御で回転させながら風量を増加させたときの速度変化を示したグラフである。実施例の三相モータ（符号３）では、風量を増加させても速度が変化せず電力のロスが少ない。一方、比較例（符号４）は、２つの軸流送風機が共に単相モータなので、速度制御を行っても速度が一定にならず、電力のロスが実施例よりも大きい。このことは、実施例の方が、消費電力が少なくて済むことを示している。

（優位性）
以上述べたように、本実施形態では、２台の軸流送風機を直列に連結した二重反転式軸流送風機において、吸い込み側の第１の軸流送風機と、吐き出し側の第２の軸流送風機のいずれか一方を駆動するブラシレスDCモータを単相モータとし、他方のブラシレスDCモータを三相モータとしている。これにより、従来よりも消費電力を抑えつつ、風量−静圧特性が改善された二重反転式軸流送風機を低コストで提供することができる。すなわち、三相モータ２台を連結するよりも低コストで、また、単相モータを２台連結するよりも消費電力を増大させずに風量を増加させることができる。

（その他）
吸引側を単相モータとし、吐き出し側を三相モータとすることもできる。この場合も三相モータの側を速度制御とし、単相モータの側を一定の条件で駆動する。本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、アウターロータ型のブラシレスモータに利用することができる。

１０…二重反転式軸流送風機、１００…第１の軸流送風機、１０１…羽根（５枚羽）、１０２…ハブ、１０３…補強部材、１０４…ボス部、１０５…シャフト、１０６…玉軸受け、１０７…玉軸受け、１０８…ステータ部材、１０９…モータベース、１１０…リブ、１１１…外枠、１１２…ステータコア、１１３…突極面、１１４…インシュレータ、１１５…ステータコイル、１１６…ロータマグネット、１２０…三相モータ、２００…第２の軸流送風機、２０１…羽根（５枚羽）、２０２…ハブ、２０３…補強部材、２０４…ボス部、２０５…シャフト、２０６…玉軸受け、２０７…玉軸受け、２０８…ステータ部材、２０９…モータベース、２１０…リブ、２１１…外枠、２１２…ステータコア、２１３…突極面、２１４…インシュレータ、２１５…ステータコイル、２１６…ロータマグネット、２２０…単相モータ。

Claims (6)

1. 三相モータによって羽根を回転させる第１の軸流送風機と、
   前記第１の軸流送風機と直列に接続され、単相モータによって前記第１の軸流送風機と逆の回転方向に羽根を回転させる第２の軸流送風機と
   を備えることを特徴とする二重反転式軸流送風機。
2. 前記三相モータが速度制御によって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の二重反転式軸流送風機。
3. 前記第１の送風機が吸い込み側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の二重反転式軸流送風機。
4. 前記第１の送風機の枚羽の枚数をＮとし、前記第２の送風機の羽根の枚数をＭとしたときに、Ｎ＞Ｍであることを特徴とする請求項３に記載の二重反転式軸流送風機。
5. 前記第２の単相モータが一定の周波数および一定の電圧で駆動されることを特徴とする請求項３または４に記載の二重反転式軸流送風機。
6. 前記三相モータと前記単相モータは、同じ電圧で駆動されることを特徴とする請求項５に記載の二重反転式軸流送風機。

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