JP2015086803A - 羽根車及びこれを備えた軸流送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】可変速運転に際しても異常振動や過大な応力が発生する虞のない軸流送風機を提供する。【解決手段】ブレード４をカップ状のボス部材５の外周面に設けた軸流送風機の羽根車３において、ブレード上に部分的に鋼板プレート９を設け、固有振動数を増加させながら重量増加を抑制し、共振周波数を回避するように構成した。鋼板プレートは、前記ブレードの前記ボス部材への取付け部分である根元部分での前縁部と後縁部との中心に沿って半径方向に接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は羽根車及びこれを備えた軸流送風機に関する。

軸流送風機は、運転中、或る特定の回転数(回転速度)のとき、大きな振動を発生することがある。これは、軸流送風機の羽根車が固有値として持つ共振周波数が軸流送風機の運転周波数と一致したことによる共振現象であり、プロペラ形の羽根車の場合、羽根が片持ち支持になっているので、特に著しい。

また、このようなプロペラ形の羽根車には、扇風機など比較的小型の場合を除き、金属板の羽根をボス部に取り付けたものが一般的であるが、このとき羽根の取り付けに溶接を用いた、いわゆる溶接羽根車においては、ボスプレートに羽根をリベット付けしたリベット付け型の場合と比較して、リベット付け型は、ボスプレートと羽根が別体であるのでそれぞれの厚さを容易に変えられるのに対して、溶接羽根車は1枚の羽根の厚さが一様であるので、共振時での大振幅により大きな応力が羽根の取り付け部に働いてしまう可能性が高い。

そこで、従来の軸流送風機では、共振周波数を避けた運転周波数で運転する必要があり、軸流送風機を設計する際は、運転周波数と固有値が重ならないようにしていた。また、駆動軸に対する羽根車の取り付けに制振作用を有する介在物を装着する方法が特開平４−２０３２９６号公報（特許文献１）に記載されている。

特開平４−２０３２９６号公報

上記特許文献１は、軸流送風機の運転回転数の変更に対する共振について配慮がされておらず、単に振動を小さくするのみで、可変速運転の適用に問題があった。

近年、省エネ意識が高まり、軸流送風機の運転周波数をインバータ制御などにより変化させ、可能な限り回転数を下げ、消費電力を抑えた運転をしたいという需要が増えているが、この場合、運転周波数の設定は使用者によって異なるため、広範囲にわたる運転周波数を前提にする必要がある。

しかし、既に説明したように、軸流送風機の羽根車は必ず固有周波数を持つため、広範囲の運転周波数に対応させた場合、軸流送風機の運転周波数と軸流送風機の固有周波数が重なる可能性があり、このときは共振現象が発生し、異常振動や過大な応力が発生して、製品の信頼性が著しく低下することになり、従って、従来技術では可変速運転の適用に問題が生じてしまう場合がある。

この問題に対する従来の解決方法の一例では、部材の板厚を厚くすることで固有振動数を増加させ、共振周波数を回避する方法があるが、鋼板製の溶接構造の羽根車では、低コストのために板厚が一様である鋼板を使用するため、板厚を厚くすると重量が増加するために遠心力が増加し羽根の根元部分に発生する応力が大きくなってしまい、製品の信頼性が低下してしまう問題があった。

本発明の目的は、可変速運転に際しても異常振動や過大な応力発生の虞のない軸流送風機を提供することにある。

上記目的は、カップ状のボス部材の外周面に複数のブレードが取り付けられた羽根車であって、前記複数のブレードのそれぞれに部分的に鋼板プレートを設けたことで達成される。

本発明によれば、可変速運転に際しても異常振動や過大な応力が発生する虞がなく、高信頼性の軸流送風機を提供することができる。

本発明における実施例の軸流送風機の側面図と正面図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す図である。 鋼板プレートの形状の変形例を示す図である。 鋼板プレートの形状の変形例を示す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

まず、図１は、本実施例の軸流送風機を示したものである。なお、図１（ａ）は一部断面による側面図、同（ｂ）は正面図を示している。図１において、１は電動機、２は回転軸、３は羽根車、４はブレード(羽根)、５はボス部材、６はハブ部材、７はワッシャ(座金)、８はボルト、９は鋼板プレートである。

ここで、まず電動機１は、例えばＶＶＶＦ(可変電圧可変周波数)インバータ給電により可変速駆動される誘導電動機であり、その回転軸２にプロペラ型の羽根車３が取付けられ、軸流送風機の主要部を構成している。このとき、図示してないが、羽根車３の周辺を覆うダクト又はシュラウドと呼ばれる略円筒状の部材を備えた筐体があり、これに電動機１が保持されている。

次に、羽根車３は、ブレード４を複数枚、例えば図示のように８枚、略カップ状に作られているボス部材５の外周面に取り付けたもので、このときボス部材５の中心には、羽根車３を電動機１の回転軸２に取り付けるための肉厚短円筒形をしたハブ部材６が設けてある。そこで、このハブ部材６の孔を回転軸２に嵌合させ、この後、ワッシャ７を介してボルト８を回転軸２に締定することにより、羽根車３を回転軸２に取り付けることができる。

この軸流送風機は、樹脂で成形される羽根車を使用する一般家庭用の換気扇に比べて大風量、高静圧が得られるものである。また、羽根車の材質は使用環境、使用温度などの関係で鋼板製が要求され、さらに羽根車の強度は強固なものが要求される。

次に、羽根車３について詳しく説明する。図２は、羽根車３を詳細に示したもので、図１（ｂ）Ａ−Ａ断面を下側から見た図である。図２において、ブレード４は、金属板、例えば鋼板を、例えばプレス加工して所定の平面形状に打ち抜かれた後、鋼板プレート９を重ね合わせて、例えばレーザ溶接、あるいはスポット溶接にて接合した後、所定の曲面形状に成形される。

ボス部材５は、これも例えば鋼板で作られ、同じくプレス加工によりカップ状に成形されたものであり、このボス部材５の外周面にブレード４が溶接され、羽根車３として完成する。

本実施例の特徴は、このブレード４に、鋼板プレート９が設けられていることである。

ここで、固有振動数ｆは、一般的に、重量Ｍ、バネ定数Ｋとの関係で式（１）として表わされる。

ｆ＝√(Ｋ／Ｍ） …（１）

よって、羽根車にこれを適用した場合、バネ定数Ｋは、ブレード４の捩じれ易さ、または、撓り易さに対応し、捩じれにくい、または、撓りにくいほど、バネ定数Ｋが高くなる。よって、ブレード４の厚さを厚くするほど、バネ定数Ｋが高くなり、固有振動数ｆは高くなる。しかし、厚くするとブレード４の重量も増加するので固有振動数ｆを低くする方向に働く。よって、固有振動数ｆを高くするには、捩じれにくく、または、撓りにくくすると同時に、重量の増加を抑える必要がある。

よって、本実施例では、ブレードに部分的に鋼板プレートを設けることで、実質的に、部分的にブレード４の厚さを厚くし、固有振動数ｆを高くし、軸流送風機の運転周波数の可変範囲よりも高い周波数に固有振動数を設定することが出来、共振現象を回避する。なお、固有振動数の低い方向は、軸流送風機の運転周波数をインバータ制御などにより変化させ、可能な限り回転数を下げ、消費電力を抑えた運転をしたいという需要が増えている点、および、筐体と一体となったとき、低い周波数が共振周波数となるのが一般的であるので、低い周波数での共振の可能性が高くなり、避けた方が望ましい。

したがって、鋼板プレート９の形状は、本実施例では、図１（ｂ）に示すように、ブレード４のボス部材５への取付け部分である、ブレード４の根元部分での前縁部と後縁部との中心に沿って半径方向に、羽根車中心部のボス部材５と同一径（たとえば１００mm以上）の位置から羽根車外径（たとえば２００mm以上）と同一径の位置までに配置している。すなわち、ブレード４の根元から先端まで鋼板プレートで補強することで撓りにくくし、かつ、ブレード４の前縁部と後縁部との中心部分のみに配置する。これにより、ブレード４を、捩じれにくく、または、撓りにくくすると同時に、重量の増加を抑えることで、固有振動数を高くすることができる。

また、鋼板プレート９の形状の変形例を図３に示す。図３は、図１（ｂ）における、複数枚のブレードのうち１枚のみを取り出して表示したもので、ブレードと鋼板プレートの関係を示したものである。図３に示すように、捩じれにくくするという観点で、鋼板プレートを、ブレード４のボス部材５への取付け部分である、ブレード４の根元部分に配置し、ブレード４の半径方向先端部には設けないようにして、重量の増加を抑えた形状としても良い。

また、鋼板プレート９の形状のさらなる変形例を図４に示す。図４は、図３と同様に、複数枚のブレードのうち１枚のみを取り出して表示したもので、ブレードと鋼板プレートの関係を示したものである。図４に示すように、ブレード４の根元部分に発生する応力が大きい部分にのみ鋼板プレートを配置することで、捩じれにくく、または、撓りにくくすることと、軽量化を図り、固有振動数を高くしてもよい。

また、図１（ａ）において、羽根車が回転すると、風は右側から左側に流れるが、羽根の左側の面、すなわち下流側は圧力が高いため、この面に鋼板プレート９を接合すると圧力変動が大きくなり騒音が増加してしまうため、羽根の右側の面、すなわち上流側に鋼板プレートを接合することで、騒音の増加を極力抑制している。

なお、鋼板プレート９は、ブレード４と分割されているため、それぞれの板厚を変更できるという利点がある。例えば、鋼板プレート９の板厚を厚く（たとえば約２.３mm以上）することで固有振動数が増加でき、ブレード４の板厚を薄く（たとえば約２.３mm以下）することで重量増加を抑制することができる。

さらには、ブレード４の板厚をより薄くことで、鋼板プレートを付加する前よりも、重量を軽くすることも可能である。

従って、本実施例によれば、ブレード上に部分的に鋼板プレートを設け、固有振動数を増加させながら重量増加を抑制し、共振周波数を回避するように構成した。よって、可変速運転した場合でも共振現象を回避することができるため、可変速運転に際しても異常振動や過大な応力が発生する虞がなく、高信頼性の軸流送風機を提供することができる。また、省エネ意識に応えることができるという効果もある。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：電動機 、２：回転軸、３：羽根車、４：ブレード(羽根)、５：ボス部材
６：ハブ部材、７：ワッシャ(座金)、８：ボルト、９：鋼板プレート

Claims (6)

1. カップ状のボス部材の外周面に複数のブレードが取り付けられた羽根車であって、
   前記複数のブレードのそれぞれに部分的に鋼板プレートを設けたことを特徴とする羽根車。
2. 請求項１に記載の羽根車であって、
   前記鋼板プレートは、前記ブレードの前記ボス部材への取付け部分である根元部分での前縁部と後縁部との中心に沿って半径方向に接合されていることを特徴とする羽根車。
3. 請求項１に記載の羽根車であって、
   前記鋼板プレートは、前記ブレードの前記ボス部材への取付け部分である根元部分での前縁部と後縁部との中心に沿って半径方向に根元から先端まで接合されていることを特徴とする羽根車。
4. 請求項１に記載の羽根車であって、
   前記鋼板プレートは、前記ブレードの前記ボス部材への取付け部分である根元部分での発生する応力が大きい部分に接合されていることを特徴とする羽根車。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の羽根車であって、
   前記羽根車が取り付けられた状態で風が流れる前記ブレードの上流側の面に前記鋼板プレートを接合したことを特徴とする羽根車。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の羽根車と、
   該羽根車を回転させる電動機で構成されることを特徴とする軸流送風機。

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