JP2016133105A - 電動送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザの半径方向ベーンの有無にかかわらず羽根車の出口において流速を低下させ、つまり羽根車の出口において流体の運動エネルギーを静圧に変換することで効率を向上させることができる電動送風機を提案する。
【解決手段】電動送風機１は、ハブ１５と、ハブ１５から突出する複数の羽根１６とを有する羽根車５と、羽根車５を駆動させる電動機７と、を備えている。回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］、流量Ｑ［ｍ^３／ｍｉｎ］、揚程Ｈ［ｍ］と表すとき、羽根車５の比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝回転速度Ｎ×√（流量Ｑ）÷揚程Ｈ^３／４＝１２００未満であって、羽根車５の入口面積Ａｉｎは、羽根車５の出口面積Ａｏｕｔよりも大きい。
【選択図】 図４

Description

本発明に係る実施形態は電動送風機に関する。

固定式幾何学的形状のベーンによって羽根車から出る流体の運動エネルギーを静圧に変換するディフューザを備える電動送風機が知られている。

このディフューザは、複数の半径方向ベーンを有する。この半径方向ベーンのブレードの枚数は、１５から２０であり、ソリディティは、０．６から０．８であり、羽根車出口に対する半径方向ベーンのベーン入口の半径比は、１．５未満である。

特開２０１０−１９６７０６号公報

従来の電動送風機は、ディフューザの半径方向ベーンによって羽根車から出る流体の運動エネルギーを静圧に変換することで効率の向上を図ろうとする一方で、半径方向ベーンと流体との摩擦損失の影響によって、結果的には効率の十分な向上を得られないものであった。

そこで、本発明は、ディフューザの半径方向ベーンの有無にかかわらず羽根車の出口において流速を低下させ、つまり羽根車の出口において流体の運動エネルギーを静圧に変換することで効率を向上させることができる電動送風機を提案する。

前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る電動送風機は、ハブと、前記ハブから突出する複数の羽根とを有する羽根車と、前記羽根車を駆動させる電動機と、を備えている。回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］、流量Ｑ［ｍ^３／ｍｉｎ］、揚程Ｈ［ｍ］と表すとき、前記羽根車の比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝回転速度Ｎ×√（流量Ｑ）÷揚程Ｈ^３／４＝１２００未満であって、前記羽根車の入口面積は、前記羽根車の出口面積よりも大きい。

本発明の実施形態に係る電動送風機の分解斜視図。 本発明の実施形態に係る電動送風機の断面図。 本発明の実施形態に係る電動送風機のディフューザの平面図。 本発明の実施形態に係る電動送風機の羽根車の斜視図。 本発明の実施形態に係る電動送風機の羽根車の模式的な斜視図。 比較例の電動送風機の分解斜視図。 比較例の電動送風機の羽根車の斜視図。 本発明の実施形態に係る電動送風機と比較例との比較実験で得られた半径方向ベーンなしでの性能曲線を示す図。 本発明の実施形態に係る電動送風機と比較例との比較実験で得られた半径方向ベーンありでの性能曲線を示す図。

本発明に係る電動送風機の実施形態について図１から図９を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電動送風機の分解斜視図である。

図２は、本発明の実施形態に係る電動送風機の断面図である。

図３は、本発明の実施形態に係る電動送風機のディフューザの平面図である。

図４は、本発明の実施形態に係る電動送風機の羽根車の斜視図である。

図１から図３に示すように、本実施形態に係る電動送風機１は、羽根車５を含むロータ６と、羽根車５を駆動させる電動機７と、羽根車５から吐出する流体を電動機７側へ案内するディフューザ８と、吸込口９を有して羽根車５を覆うシュラウド１１と、を備えている。なお、流体は、もっぱら空気であり、気体である。

ロータ６は、回転中心に配置されるシャフト１２と、シャフト１２に回転一体に設けられる羽根車５と、ディフューザ８にシャフト１２を回転自在に支える軸受カートリッジ１３と、を備えている。

シャフト１２の一方の端部は羽根車５に固定され、シャフト１２の他方の端部は電動機７に接続されている。

羽根車５は、ハブ１５と、ハブ１５から突出する複数の羽根１６と、を備えている。ハブ１５は、シャフト１２を配置する孔１７を中央部に有している。

軸受カートリッジ１３は、間隔を隔てた一対の軸受１８と、一対の軸受１８を離間させる方向へばね力を作用させるバネ１９と、軸受１８およびバネ１９を包囲するスリーブ２１と、を備えている。互いに間隔を隔てる一対の軸受１８は、ロータ６を良好に支持する。

電動機７は、シャフト１２に回転一体に固定される回転子２２と、ディフューザ８に固定されて回転子２２を包囲する固定子２３と、を備えている。

ディフューザ８は、軸受カートリッジ１３を介してシャフト１２およびロータ６を回転自在に支持するとともに、電動機７を保持している。ディフューザ８の上流側にロータ６が配置され、下流側に電動機７が配置されている。ディフューザ８は、ハブ３１と、周壁３２と、複数の軸線方向ベーン３３と、を備えている。

ハブ３１の上面には、中央部３５と外側環状部３６とを画定する段部３７が設けられている。ハブ３１は、軸受カートリッジ１３を保持する孔３８を中央部に有している。

周壁３２は、ハブ３１から間隔を隔てて、ハブ３１全体を包囲している。

複数の軸線方向ベーン３３は、２次元翼型であり、周壁３２とハブ３１との間に架設されて周壁３２とハブ３１とを一体化している。複数の軸線方向ベーン３３の後縁は、電動送風機１の流体出口である。つまり、ディフューザ８は、羽根車５から吐出される流体を電動機７側へ案内する。

軸線方向ベーン３３の主要な機能は、ハブ３１と周壁３２との間に風路としての空間を隔ててディフューザ８の流体出口を区画することである。

なお、ディフューザ８は、複数の半径方向ベーン３４（破線）を備えていても良い。複数の半径方向ベーン３４は、外側環状部３６の周囲で周方向に間隔を隔てた２次元翼型である。ディフューザ８に複数の半径方向ベーン３４を設ける場合、シュラウド１１の第三壁４３の内面には、複数の半径方向ベーン３４に対応する複数の凹部４３ａが設けられる。半径方向ベーン３４のそれぞれは、それぞれの凹部４３ａに突入してディフューザ８に固定される。

シュラウド１１は、羽根車５およびディフューザ８の上流側を覆う壁部３９を備えている。壁部３９は、羽根車５へ流体を導く吸込口９を有する円筒形状の第一壁４１と、羽根車５の羽根１６に沿って徐々に拡がる円錐状の第二壁４２と、ディフューザ８の上流側を塞ぐ第三壁４３と、を有している。

吸込口９は、電動送風機１の流体入口であって円形の開口である。

シュラウド１１は、接着剤４４によってディフューザ８の周壁３２に固定されている。羽根車５およびディフューザ８の上流側を覆うシュラウド１１によって、電動送風機１の流体入口（吸込口９）から流体出口（複数の軸線方向ベーン３３の後縁）へ至る流体通路が区画されている。

次いで、羽根車５について詳細に説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る電動送風機の羽根車の斜視図である。

図４に示すように、本実施形態に係る電動送風機１の羽根車５は、遠心式であり、回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］、流量Ｑ［ｍ^３／ｍｉｎ］、揚程Ｈ［ｍ］、比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝回転速度Ｎ×√（流量Ｑ）÷揚程Ｈ^３／４＝１２００未満であり、軸流式よりも効率上、有利あるいは同等な範囲にある。（一般社団法人ターボ機械協会、「ターボ機械−入門編−［新装改訂版］」、新装改訂版、日本工業出版株式会社、平成２３年２月１５日、ｐ．８３）ただし、比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝８０未満では、ターボ形流体要素よりも容積形流体要素の方が効率的に優れているので、比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝８０以上であることが好ましい。

そして、羽根車５の入口面積Ａｉｎは、羽根車５の出口面積Ａｏｕｔ（破線）よりも大きい。羽根車５の入口面積Ａｉｎから羽根車５の出口面積Ａｏｕｔ（破線）の間は滑らかに流路断面積を変化させるので、羽根車５は、入口側（上流側）から出口側（下流側）へ向かって漸減する流路断面を有している。

羽根車５のハブ１５は、円錐台の中腹部分を径方向内側へ窪ませた形状であり、複数の羽根１６は、ハブ１５の側面に巻き付くようにして前縁部１６ａから後縁部１６ｂへと延びている。それぞれの羽根１６は、従来の電気掃除機の羽根よりも長く、羽根車５の周方向に見て後縁部１６ｂの先端側４５が先隣（となりのとなり）の羽根１６の前縁部１６ａの根元側４６に到達している。

ハブ１５と羽根１６の腹側との連接部分４７の凹曲面形状（いわゆるＲ形状）は、羽根車５の入口側（流れの上流側）から出口側（流れの下流側）に向かって曲率半径が拡大している。なお、ハブ１５と羽根１６の背側との連接部分４８の凹曲面形状、いわゆるＲ形状は、連接部分４７と同様な形状であっても良いし、曲率半径が一定であっても良い。

ハブ１５とシュラウド１１と複数の羽根１６のうち隣り合う羽根１６とで囲まれる風路について、風路の入口形状は略三角形状α（二点鎖線）であり、風路の出口形状は略四角形状β（二点鎖線）である。略三角形状αは入口面積を構成し、略四角形状βは出口面積を構成している。

複数の羽根１６の後縁部１６ｂは、羽根車５の回転中心線Ｃに平行な方向Ｓへ直立している。

複数の羽根１６は、羽根車５の周方向において前縁部１６ａの根元側４６と先端側４９との角度差θが１０度以上である。

図５は、本発明の実施形態に係る電動送風機の羽根車の模式的な斜視図である。

図５は、ある１つの羽根１６に着目して示す図である。

図５に示すように、本実施形態に係る電動送風機１の複数の羽根１６は、羽根車５の回転中心線Ｃに直交する面（羽根車５の横断面）において直線状（線分Ｌ）に延びている。それぞれの羽根１６の延びる方向、つまり線分の延びる方向は、回転中心線Ｃに直交する面（羽根車５の横断面）においてハブ１５の略接線方向である。なお、線分Ｌは回転中心線Ｃに直交する面（羽根車５の横断面）に含まれている。ただし、羽根１６は、後縁部１６ｂ近傍、例えば羽根車５の出口側（羽根車５の底面）から羽根車５の高さの２分の１程度または、羽根車５の出口側（羽根車５の底面）から羽根車５の出口の高さの２倍程度の範囲ではこの限りではなく、略四角形状βの出口面積を確保するために曲線状の翼形が適宜適用されている。

出願人は図１から図５に示す電動送風機１を実施例１とし、図６および図７に示す電動送風機６１を比較例として実験を行った。

図６は、比較例の電動送風機の分解斜視図である。

図７は、比較例の電動送風機の羽根車の斜視図である。

図６および図７に示すように、比較例の電動送風機６１は、羽根車６５の入口面積Ａｉｎが羽根車６５の出口面積Ａｏｕｔよりも小さい羽根車６５を備えている。

実施例１と比較例との主な違いは、羽根車５と羽根車６５の違いである。また、半径方向ベーン３４の有無についても比較した。

図８は、本発明の実施形態に係る電動送風機と比較例との比較実験で得られた半径方向ベーンなしでの性能曲線を示す図である。

図９は、本発明の実施形態に係る電動送風機と比較例との比較実験で得られた半径方向ベーンありでの性能曲線を示す図である。

電動送風機１の実験で得られた効率ηを実線ａ、圧力Ｐを実線ｂで示し、比較例の実験で得られた効率ηを破線ｃ、圧力Ｐを破線ｄで示す。

なお、電動送風機１は、入口面積Ａｉｎ＝３３９ｍｍ^２、出口面積Ａｏｕｔ＝２６４ｍｍ^２であって、面積比＝入口面積Ａｉｎ÷出口面積Ａｏｕｔ＝１．２８であった。

他方、比較例の電動送風機６１は、入口面積Ａｉｎ＝２６０ｍｍ^２、出口面積Ａｏｕｔ＝２６７ｍｍ^２であって、面積比＝入口面積Ａｉｎ÷出口面積Ａｏｕｔ＝０．９７であった。 図８および図９に示すように、半径方向ベーン３４があってもなくても、実線で示す電動送風機１のほうが破線で示す比較例の電動送風機６１よりも概ね高い効率ηが得られた。半径方向ベーン３４なし（図８）では、流量Ｑの低い領域においてほとんど差がないものの、最大効率ηｍａｘとその近傍では、完全に本実施形態に係る電動送風機１が破線で示す比較例の電動送風機６１に勝っていた。また、半径方向ベーン３４あり（図９）では、空気の流量Ｑの全領域において本実施形態に係る電動送風機１が破線で示す比較例の電動送風機６１に勝っていた。

従来の電動送風機６１は、羽根車６５の入口面積Ａｉｎが羽根車６５の出口面積Ａｏｕｔよりも小さい、つまり羽根車６５が入口側から出口側へ向かって漸増する流路断面を有することによって、羽根車６５からディフューザ８へ吐出する流体の抵抗が相対的に大きくなり羽根車５とシュラウド１１との微小な隙間から流体の逆流が発生して効率を低下させる一方、本実施形態に係る電動送風機１は、比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝１２００未満であって、羽根車５の入口面積Ａｉｎが羽根車５の出口面積Ａｏｕｔよりも大きい、つまり漸減する流路断面を有することによって、羽根車５からディフューザ８へ吐出する流体の抵抗が相対的に小さくなり、羽根車５とシュラウド１１との微小な隙間に生じる流体の逆流が抑制されて効率を向上できると考えられる。

また、本実施形態に係る電動送風機１は、ハブ１５と羽根１６との連接部分４７の凹曲面形状を羽根車５の入口側（流れの上流側）から出口側（流れの下流側）に向かって曲率半径を拡大させることによって、羽根１６の前縁側における凹曲面形状の曲率半径を小さくし、羽根１６を薄くして、流体と羽根１６との衝突損失による性能低下を抑制できる。

さらに、本実施形態に係る電動送風機１は、羽根車５の回転中心線Ｃに直交する面において直線状に延びる羽根１６を備えることで、従来の電動送風機６１よりも高い効率を得ることができる。

さらにまた、本実施形態に係る電動送風機１は、羽根１６の後縁部１６ｂを羽根車５の回転中心線Ｃに平行な方向Ｓへ直立させることによって、当該部分を傾けた（寝かせた）従来の電動送風機６１よりも高い効率を得ることができる。

また、本実施形態に係る電動送風機１は、ハブ１５とシュラウド１１と複数の羽根１６のうち隣り合う羽根１６とで囲まれる風路について、風路の入口形状を三角形状α、風路の出口形状を四角形状βにすることで、流体の流れ方向や、流体と羽根１６との衝突による損失が大きくなる入口部分において、境界層を形成する羽根１６の表面積を減じて損失を抑制し、効率を向上できる。

さらに、本実施形態に係る電動送風機１は、前縁部１６ａの根元側４６と先端側４９との角度差θを１０度以上に確保することで、樹脂などによる成形性を良好に保つことができる。

したがって、本実施形態に係る電動送風機１によれば、ディフューザ８の半径方向ベーン３４の有無にかかわらず羽根車５の出口において流速を低下させ、つまり羽根車の出口において流体の運動エネルギーを静圧に変換することで効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 電動送風機
５ 羽根車
６ ロータ
７ 電動機
８ ディフューザ
９ 吸込口
１１ シュラウド
１２ シャフト
１３ 軸受カートリッジ
１５ ハブ
１６ 羽根
１６ａ 前縁部
１６ｂ 後縁部
１７ 孔
１８ 軸受
１９ バネ
２１ スリーブ
２２ 回転子
２３ 固定子
３１ ハブ
３２ 周壁
３３ 軸線方向ベーン
３４ 半径方向ベーン
３５ 中央部
３６ 外側環状部
３７ 段部
３８ 孔
３９ 壁部
４１ 第一壁
４２ 第二壁
４３ 第三壁
４３ａ 凹部
４４ 接着剤
４５ 先端側
４６ 根元側
４７、４８ 連接部分
４９ 先端側
６１ 従来の電動送風機
６５ 羽根車

Claims (6)

1. ハブと、前記ハブから突出する複数の羽根とを有する羽根車と、
   前記羽根車を駆動させる電動機と、を備え、
   回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］、
   流量Ｑ［ｍ^３／ｍｉｎ］、
   揚程Ｈ［ｍ］と表すとき、
   前記羽根車の比速度Ｎｓ（ｍｉｎ^−１、ｍ^３／ｍｉｎ、ｍ 基準）＝回転速度Ｎ×√（流量Ｑ）÷揚程Ｈ^３／４＝１２００未満であって、
   前記羽根車の入口面積は、前記羽根車の出口面積よりも大きい電動送風機。
2. 前記ハブと前記羽根との連接部分の凹曲面形状は、前記羽根車の入口側から出口側に向かって曲率半径が拡大している請求項１に記載の電動送風機。
3. 前記複数の羽根は、前記羽根車の回転中心線に直交する面において直線状に延びている請求項１または２に記載の電動送風機。
4. 前記複数の羽根の後縁部は、前記羽根車の回転中心線に平行な方向へ直立している請求項１から３のいずれか１項に記載の電動送風機。
5. 前記羽根車を覆うシュラウドを備え、
   前記ハブと前記シュラウドと前記複数の羽根のうち隣り合う羽根とで囲まれる風路の入口形状は略三角形状であり、前記風路の出口形状は略四角形状である請求項１から４のいずれか１項に記載の電動送風機。
6. 前記複数の羽根は、前記羽根車の周方向において前縁部の根元側と先端側との角度差が１０度以上である請求項１から５のいずれか１項に記載の電動送風機。

Images