JP2014206084A - ターボファン及びターボファンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、従来のターボファンに比べて生産性に優れ、安価なターボファンを提供することを目的としている。【解決手段】 本発明のターボファンは、中央部にモータの回転軸に固定されるボスを有する主板と、吸込み導風壁を形成するシュラウドと複数の羽根部材を熱可塑性樹脂で別々に成形し、前記主板は、前記複数の羽根部材との嵌合部を有し、前記シュラウドは前記複数の羽根部材との嵌合部を有し、前記複数の羽根部材を、前記主板と前記シュラウドの前記複数の嵌合部に回転軸に平行に嵌合させ超音波溶着にて一体化したことを特徴とするターボファン。【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和機に搭載される熱可塑性樹脂にて成形されるターボファンに係り、溶着組立性の向上及び生産性向上を図ったターボファンに関するものである。

従来のターボファンは、主板と裏側に開口をもつ袋状の中空構造の複数の翼とが熱可塑性樹脂にて一体成形されたファン本体と、シュラウドとで構成されている。
また、ファン本体のそれぞれの翼には翼先端部から翼中空部に連通する嵌合メス部が形成され、シュラウドの各翼相当位置にはシュラウドよりファン高さ方向に延出する嵌合オス部が形成されている。

そして、シュラウドの嵌合オス部はファン本体の嵌合メス部に挿入後、シュラウドの表面とファン本体の傾斜面となる翼先端溶着部及びシュラウドの嵌合オス部の側面とファン本体の嵌合メス部の側面が固着されて一体となり、ターボファンが形成されている。このように形成されたシュラウドとファン本体の両者を固着させる際、シュラウドの嵌合オス部とファン本体の嵌合メス部とにより、容易かつ正確に位置決めが可能なため、製造精度が向上すると共に、生産性を向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。

従来のターボファンは上述のように構成され、シュラウドとファン本体の固着時の製造精度が向上し、生産性の向上が可能である。しかし、シュラウドとファン本体との溶着面は、シュラウドの表面とファン本体の傾斜面となる翼先端溶着部及びシュラウドの嵌合オス部の側面とファン本体の嵌合メス部の側面であり、シュラウドとファン本体の組立て溶着時にターボファンの回転軸方向（上下方向）に両者が加圧されるが、ファン本体の翼先端溶着部は翼の回転方向に傾斜設置されているので翼先端溶着部は傾斜面となり、そのために上下方向の力が逃げ、翼に水平方向の力が付加されて溶着力が低下し、均等に溶着されないおそれがある。

また、水平方向の力を吸収するのは、シュラウドの嵌合オス部とファン本体の嵌合メス部の側面のみであるため、シュラウドの嵌合オス部とシュラウドの接続面に応力が集中して破損するおそれがある。

このような問題を解決するために特許文献２のターボファン及びその製造方法が提案開示されている。
しかし特許文献２の形状のターボファンは、図１３に示すような形状である。ターボファンの翼部分と底板は一体成形されているので成形用の金型が複雑になるという問題があった。またシュラウドにも翼部分と同数の、翼部分と固着接合するための凸状嵌合部が設けられている。従ってシュラウドを成形する金型も複雑になり、製造コストが上昇するという問題があった。

特許第３５０９４５６号公報 特開２００７−１２０４４５号公報

このような問題を解決するために、ターボファンの構成部品である主板、シュラウド、及び羽根部材（翼）を別々に成形し、超音波溶着にて組み立て一体化してターボファンを製造することが提案されている。しかし羽根部材は軽量化するために、二つの部材に分け組み合わせる構成となっている。この場合、二つの羽根部材を組み合わせる場合、従来のピンと穴をそれぞれ複数個設け組み合わせるだけでは、超音波溶着時の加圧力により二つの羽根部品の間に隙間が空いてしまい組立不良が生じていた。また主板と羽根部材、シュラウドと羽根部材の嵌め込み部の構成及び溶着エッジの配置の方法を工夫しないと超音波溶着時の組立不良が生じる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、従来のターボファンに比べて生産性に優れ、安価なターボファンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための第１発明のターボファンは、中央部にモータの回転軸に固定されるボスを有する主板と、吸込み導風壁を形成するシュラウドと複数の羽根部材を熱可塑性樹脂で別々に成形し、前記主板は、前記複数の羽根部材との嵌合部を有し、前記シュラウドは前記複数の羽根部材との嵌合部を有し、前記複数の羽根部材を、前記主板と前記シュラウドの前記複数の嵌合部に回転軸に平行に嵌合させ超音波溶着にて一体化したことを特徴とする。

第１発明によれば、ターボファンを、主板、シュラウド及び羽根部材をそれぞれ別々に製造し、組み立てしてターボファンを超音波溶着にて固着させているので、各構成部材を成形する金型の形状が簡素化されターボファンの製造コストが格段に安価となる。更に各構成部材を超音波溶着により組立てているので、ターボファンをレーザ溶接法に比べて安価に製造することができる。

第２発明のターボファンは、第１発明において、前記羽根部材は、二つの羽根部品を組み合わせた羽根部材であって、一方の羽根部品の複数個所に凹部を設け、他方の羽根部品に前記凹部と嵌合する凸部を前記凹部と同数設け、前記二つの羽根部品を嵌合させた羽根部材であることを特徴とする。

第２発明によれば、羽根部材を二つの羽根部品に分けても、一方の羽根部品の複数個所に凹部を設けており、他方の羽根部品に前記の凹部と嵌合する凸部を、前記の凹部と同数設けており、その凹部と凸部を嵌合し組み合わせているので、ターボファンの主板、シュラウド及び羽根部材を組み立てて超音波溶着する際に羽根部材の二つの羽根部品に隙間が発生することが無く、ターボファンの構成部品を問題なく一体化することができる。従ってターボファンの品質を確保するとともに、歩留まりを向上させることができる。

第３発明のターボファンは、第１発明または第２発明において、前記羽根部材は、超音波溶着にて、主板及びシュラウドと溶着する際の加圧方向にリブを設けたことを特徴とする。

第３発明によれば、羽根部材には、主板、シュラウドと羽根部材を超音波溶着する際の加圧方向にリブを設けているので、羽根部材のシュラウドとの接合部位が超音波溶着の加圧力に対抗することができ、変形することが無いので、超音波溶着を問題無く行なうことができる。従ってターボファンの品質を確保するとともに、歩留まりを向上させることができる。

第４発明のターボファンは、第１発明から第３発明のいずれか１つの発明において、前記主板と前記羽根部材との嵌合部、及び前記シュラウドと前記羽根部材との嵌合部に溶着エッジを設けたことを特徴とする。

第４発明によれば、主板とシュラウドが羽根部材と接合される部分には溶着エッジが設けられているので、過度な加圧力を加えることなく超音波溶着をすることができる。従ってターボファンの品質を確保するとともに、歩留まりを向上させることができる。

第５発明のターボファンは、第１発明から第４発明のいずれか１つの発明において、前記シュラウドと前記羽根部材との嵌合部に設けた溶着エッジは、嵌合部の中央から羽根部材の正圧面側または負圧面側に偏らせて設けたことを特徴とする。

第５発明によれば、羽根部材がシュラウドに嵌合される部分に、その中央から偏らせて溶着エッジが設けられているので、超音波溶着加工の加圧力が主板またはシュラウドを通じて羽根部材に加えられても羽根部材が適正な姿勢を保持して超音波溶着をすることができる。従ってターボファンの品質を確保するとともに、歩留まりを向上させることができる。

第６発明のターボファンは、第１発明から第４発明のいずれか１つの発明において、前記シュラウドと前記羽根部材との嵌合部に設けた溶着エッジは、嵌合部の中央に設けたことを特徴とする。

第６発明によれば、羽根部材の風を押し出す正圧面とその反対面がその頂部から底部に亘り同一形状である羽根部材の場合、第５発明と同様の効果を発現する。

第７発明のターボファンは、第１発明から第３発明のいずれか１つの発明において、前記羽根部材は、主板との嵌合部、及びシュラウドとの嵌合部に溶着エッジを設けたことを特徴とする。

第７発明によれば、第５発明及び第６発明と同様の効果を発現する。

本発明のターボファンの主板、シュラウド及び羽根部材の組立時のセット状態を示す斜視図。 本発明のターボファンの完成した状態を示す斜視図。 本発明のターボファンの主板の全体概略図。 図３の主板と羽根部材との嵌合部の拡大図。 図３の主板と羽根部材との嵌合部の溶着エッジの説明図。 図３の主板と羽根部材とを嵌合させた状態の説明図。 本発明のターボファンのシュラウドを裏側から見た全体概略図。 図７のシュラウドと羽根部材との嵌合部の拡大図。 図７のシュラウドと羽根部材との嵌合部の拡大図。 図７のシュラウドと羽根部材とを嵌合させた状態の説明図。 本発明のターボファンの羽根部材の全体概略図。 図１１の羽根部材を分解した説明図。 従来型のターボファンの完成した状態を示す斜視図。

本発明のターボファンについて図１から図１３により説明する。

図１は本発明のターボファンの主板、シュラウド及び羽根部材の組立時の状態を示す斜視図、図２は本発明のターボファンの完成した状態を示す斜視図、図３は本発明のターボファンの主板の全体概略図、図４は図３の主板と羽根部材との嵌合部の拡大図、図５は図３の主板と羽根部材との嵌合部の溶着エッジの説明図、図６は図３の主板と羽根部材とを嵌合させた状態の説明図、図７は本発明のターボファンのシュラウドを裏側から見た全体概略図、図８は図７のシュラウドと羽根部材との嵌合部の拡大図、図９は図７のシュラウドと羽根部材との嵌合部の拡大図、図１０は図７のシュラウドと羽根部材とを嵌合させた状態の説明図、図１１は本発明のターボファンの羽根部材の全体概略図、図１２は図１１の羽根部材の分解した説明図、図１３は従来型のターボファンの完成した状態を示す斜視図である。

図２において、本発明のターボファン１は、円板状の主板２、ファンの吸込導風路を形成するシュラウド３、及び主板２とショラウド３を接続する複数の羽根部材４により構成されている。各部品は、熱可塑性樹脂を用いて個別に射出成形される。羽根部材４は、主板２及びシュラウド３の周辺部に複数個所設けた嵌合部に嵌め込んで組立て接合される。接合は、超音波溶着により接合される。尚羽根部材４の構造は、＜３＞にて詳述するが、図１に示すように、風を押し出す正圧面とその反対面である負圧面を有する。正圧面と負圧面は、ターボファンの送風特性を実現するために所要の曲面形状を呈する。但し、図１３に示すように、風を押し出す正圧面とその反対面（負圧面）がその頂部から底部に亘り同一形状（ストレート）である場合もある。

従来、各部材を個別で成形し、組立接合する場合は、超音波溶着にて接合することは、難しくレーザ溶接法にて行なわれていた。レーザ溶接法は、接合する対象物に加圧力を加える必要がなく、レーザ照射により接合することができる。しかしながら、その装置は高価なものである。従ってその装置により製造されたターボファンは高価なものとなる。本発明はこのような問題を解決するためのものである。本発明は、個別に成形した構成部材を図１のように配置して超音波溶着により組立接合することを可能とするものである。発明者は、構成部材の構成及び構造に種々改良を加え、本発明に到達した。以下各部材の構成及び構造について説明する。

＜１＞主板の構造
主板２は、図３に示すように、その中央部にモータを覆うように形成された凸形状のハブ２２と、ハブ２２の中心部にモータのシャフトが高さ方向（図１から図３の上下方向）に挿入されて固定されるボス２１とを有している。また主板の周縁部には、図３に示すように、羽根部材４と組立接合する際に羽根部材を嵌込む嵌合部２３を羽根部材４の個数分設けられている。

嵌合部２３は、図４のように構成されている。所定高さ及び厚さを有して主板上に立設し周回するように形成した壁部２３１、ピン部２３２及び溶着エッジ２３３により構成されている。図１１に示す羽根部材４の底部４Ｂがこの嵌合部２３に嵌込まれる。この時、羽根部材４の底部４Ｂには図１１及び図１２に示す穴４１４が設けられており、この穴にピン２３２が挿通する。羽根部材４の底部４Ｂは、この壁部２３１とピン２３２により嵌め込まれ位置決めされる。また嵌合部２３に羽根部材４の底部４Ｂが嵌め込まれると、図６に示すように羽根部材の底部４Ｂの底面が溶着エッジ２３３に接触する状態となる。溶着エッジは、図４及び図５に示すように、ピン２３２を囲むように、壁部２３１に沿うように内側に２列設けられている。その断面は、略三角形状を呈している。

図６は、主板２と羽根部材４が超音波溶着により接合される直前の状態を示している。鋏合部２３を図４及び図５のように構成することにより、超音波溶着時の加圧力を受けても安定した姿勢で接合することができる。

＜２＞シュラウドの構造
シュラウド３を図７により説明する。図７は、図１及び図２のシュラウド３を、嵌合部３３が見えるように裏面から見た図面である。シュラウド３は、図７に示すように、中央部には大きな開口部３１を有している。また周辺部３２には、主板２に嵌合された羽根部材４に相対する位置に、羽根部材の頂部と嵌合する嵌合部３３を羽根部材と同数備えている。周辺部３２は、外周方向に略傾斜面を呈している。嵌合部３３は、図８に示すように、羽根部材の頂部４Ｔの形状（図１１参照）に合わせて階段状を呈し、その壁部３３２に沿って羽根部材４の頂部４Ｔが嵌まり込み位置決めされるように構成されている。嵌合部３３は、以下本実施形態の形状に即して嵌合凹部３３という。

また嵌合凹部３３の天井部３３１には、図９に示すように、溶着エッジ３３３が設けられている。溶着エッジは、階段部分の天井部に、一列設けられている。この溶着エッジ３３３は、嵌合凹部３３の天井部３３１の中央ではなく壁部３３２に対して羽根部材の正圧面側（羽根部材が風を押し出す面側）または負圧面側（正圧面側と反対面側）に偏らせて設けている。尚本実施例の図９では正圧面側に偏らせている。溶着エッジの断面は、略三角形状を呈している。この嵌合凹部に羽根部材４の頂部４Ｔが嵌め込まれると、頂部４Ｔは溶着エッジ３３３に接触する状態となる（図１０参照）。

羽根部材４の形状が、図１３の羽根部材のように、風を押し出す正圧面とその反対面がその頂部から底部に亘り同一形状（ストレート）である羽根部材の場合、溶着エッジは以下の構成とすることができる。すなわち、嵌合凹部３３の天井部３３１に設けた溶着エッジ３３３は、嵌合凹部３３の壁部３３２に沿ってその嵌合凹部の中央に設ける構成とすることができる。

図１０は、シュラウド３と羽根部材４が超音波溶着により接合される直前の状態を示している。嵌合凹部３３を図８及び図９のように構成することにより、超音波溶着時の加圧力を受けても安定した姿勢で接合することができる。

＜３＞羽根部材の構造
羽根部材４について、図１１及び図１２により説明する。羽根部材４は、主板２の嵌合部２３に嵌り込む底部４Ｂとシュラウド３の嵌合凹部３３に嵌り込む頂部４Ｔを備えている。また底部には、主板２の嵌合部２３のピン２３２が挿通する穴４１４が設けられている。主板２とシュラウド３は、各々の嵌合部２３と嵌合凹部３３に複数の羽根部材４の底部４Ｂと頂部４Ｔを嵌め込み接合される。

羽根部材は、複数枚あるので、ターボファンを軽量化するために、内部を空洞化する必要がある。このため一つの羽根部材４は、二つの部材を組み合わせた構成としている。図１２は、その二つの部材４１・４２の説明図である。説明上部材４２は、表側から見た図であり、部材４１は内側から見た図である。本実施例では、部材４１が正圧面側であり、部材４２は負圧面側である。部材４１は、その周縁部に厚さを有する起立部が形成された略ケース状を呈している。部材４２は、薄肉の曲面状の蓋である。二つの部材４１と４２の組立工程を簡素化するために、二つの部材を複数のピン穴４１１・ピン４２１、及び差込凸部４２２・差込凹部４１２により嵌め込み一体化して使用する。ピンとピン穴のみで嵌め込むみ超音波溶着すると二つの部材４１と４２が開いて隙間が発生してしまう。この超音波溶着加工時の隙間発生を防止するために、差込凸部及び差込凹部を設けて嵌め込んでいる。

ピン４２１は、図１２では、部材４２側に３箇所設けられている。ピンを設ける位置は、この図の位置に限定されない。問題なく嵌め込まれる場所であれば良い。部材４１のピン穴４１１は、部材４２のピン４２１に対応する位置に設けられている。ピン及びピン穴は、全て同一形状でよい。

差込凸部４２２は、部材４２側に４箇所設けられている。羽根部材４の底部側に相当する箇所に1箇所４２２Ａ、羽根部材の縦方向の端部に２箇所４２２Ｂ・４２２Ｃ、さらに頂部に１箇所４２２Ｄが設けている。差込凸部は、４箇所ともに板状に形成されている。差込凹部は、板状の差込凸部４２２Ａ、４２２Ｂ、４２２Ｃ及び４２２Ｄを差込が可能な凹部である。差込凸部４２２Ａが差込凹部４１２Ａに対応し差し込まれ、差込凸部４２２Ｂが差込凹部４１２Ｂに、差込凸部４２２Ｃが差込凹部４１２Ｃに、更に差込凸部４２２Ｄが差込凹部４１２Ｄに差し込まれる。差込凹部４１２Ａは、図１１及び図１２に示すように矩形状の切欠形状となっている。差込凹部４１２Ｂと４１２Ｃは、図１２のＸ矢視図及びＹ矢視図に示すように、袋状の凹部である。また差込凹部４１２Ｄは、Ｚ１矢視図に示すように、部材４１の頂部屋根に貫通した長穴状に設けられている。この長穴状の差込凹部に差込まれる差込凸部４２２Ｄは、図１２のＺ２矢視図に示すように、部材４２の頂部の屋根にこの長穴に嵌込む突起状に設けられている。

部材４１及び部材４２は、薄肉であり、羽根部材４の底部４Ｂと頂部４Ｔは薄肉の板状を呈する。このような薄肉の部材を、ピンとピン穴、差込凸部と差込凹部で嵌め合せても、超音波溶着加工において、シュラウドの溶着エッジを通じて羽根部材４の各部材に加圧力が加えられるので、各部材の頂部は変形する。この変形を防止するために、部材４１の内側には補強用のリブ４１３が設けられている。

このように構成された部材４１及び部材４２をピンとピン穴、差込凸部と差込凹部で嵌め合せ、羽根部材４として使用する。

また超音波溶着時に作用する溶着エッジは、これまでの説明では、主板の嵌合部とシュラウドの嵌合凹部に設けていた。しかしこれに限定されるものではなく、例えば以下の構成とすることもできる。すなわち、溶着エッジは、嵌合部に設けるのではなく、羽根部材の底部４Ｂと頂部４Ｔに設ける構成とすることもできる。

＜４＞ターボファンの組立接合
上記ように構成された、主板２、シュラウド３及び複数の羽根部材４を図１に示すように、主板２の嵌合部２３に羽根部材４の底部４Ｂを嵌め合せ、シュラウド３の嵌合凹部３３に羽根部材４の頂部４Ｔを嵌め合せし仮組を行なう。このように仮組されたものを、以下「ワーク」と称する。この状態で、羽根部材４の底部４Ｂは、図６に示すように主板２の嵌合部２３の溶着エッジと接触している状態である。また、羽根部材４の頂部４Ｔは、図１０に示すようにシュラウド３の嵌合凹部３３の溶着エッジと接触している状態である。

このように仮組されたワークを超音波溶着機の治具上に載置する。ワークのシュラウド３の所定位置を超音波溶着機のホーンが接触加圧して、溶着エッジが溶融しワークは一体化される。ワークを超音波溶着機の治具上に載置する方法は、図１に示すように主板２を治具上にセットしても良いし、反転してシュラウドを治具上にセットしても良い。

この超音波溶着加工の過程において、主板２の嵌合部２３の構成、シュラウド３の嵌合凹部３３の構成、及び羽根部材４の部材４１と部材４２を嵌め込んだ構成が相互に作用し、各部材が位置ズレすることなく、また羽根部材の部材４１と部材４２の隙間が発生することなく超音波溶着することができる。従って超音波溶着加工により安定した品質のターボファンを得ることができる。しかも製造コストは、レーザ溶接法に比べ格段に安価である。

１ ターボファン
２ 主板
２１ ボス
２２ ハブ
２３ 嵌合部
２３１ 壁部
２３２ ピン部
２３３ 溶着エッジ
３ シュラウド
３１ 開口部
３２ 周辺部
３３ 嵌合凹部
３３１ 天井部
３３２ 壁部
３３３ 溶着エッジ
４ 羽根部材
４１ 部材
４２ 部材
４１１ ピン穴
４１２ 差込凹部
４１３ リブ
４１４ 穴
４２１ ピン
４２２ 差込凸部
４Ｂ 羽根部材の底部
４Ｔ 羽根部材の頂部

Claims (7)

1. 中央部にモータの回転軸に固定されるボスを有する主板と、吸込み導風壁を形成するシュラウドと複数の羽根部材を熱可塑性樹脂で別々に成形し、
   前記主板は、前記複数の羽根部材との嵌合部を有し、
   前記シュラウドは前記複数の羽根部材との嵌合部を有し、
   前記複数の羽根部材を、前記主板と前記シュラウドの前記複数の嵌合部に回転軸に平行に嵌合させ超音波溶着にて一体化した
   ことを特徴とするターボファン。
2. 前記羽根部材は、二つの羽根部品を組み合わせた羽根部材であって、
   一方の羽根部品の複数個所に凹部を設け、他方の羽根部品に前記凹部と嵌合する凸部を前記凹部と同数設け、前記二つの羽根部品を嵌合させた羽根部材であることを特徴とする請求項１に記載のターボファン。
3. 前記羽根部材は、超音波溶着にて、主板及びシュラウドと溶着する際の加圧方向にリブを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボファン。
4. 前記主板と前記羽根部材との嵌合部、及び前記シュラウドと前記羽根部材との嵌合部に溶着エッジを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のターボファン。
5. 前記シュラウドと前記羽根部材との嵌合部に設けた溶着エッジは、嵌合部の中央から羽根部材の正圧面側または負圧面側に偏らせて設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のターボファン。
6. 前記シュラウドと前記羽根部材との嵌合部に設けた溶着エッジは、嵌合部の中央に設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のターボファン。
7. 前記羽根部材は、主板との嵌合部、及びシュラウドとの嵌合部に溶着エッジを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のターボファン。

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