JP2018105294A - 遠心ファン - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることのできる遠心ファンを提供する。
【解決手段】遠心ファン１は、回転軸ＡＸを中心として回転し、羽根を有さないロータ１０と、ロータ１０を収納する上ケーシング２０および下ケーシング３０と、ロータ１０を回転駆動するモータ４０とを備えている。上ケーシング２０は、下ケーシング３０によって覆われる開口２１ａを含む本体部２１と、本体部２１における頂点ＴＰに設けられた流体の吸込口２４と、本体部２１よりも下ケーシング３０に近い側に設けられ、開口２１ａの周囲において外径方向に延在する環状のフランジ部２２とを含んでいる。遠心ファン１は、フランジ部２２と下ケーシング３０との間に配置され、フランジ部２２または下ケーシング３０に固定された複数の支柱５０をさらに備えている。フランジ部２２と下ケーシング３０との隙間における複数の支柱５０が設けられていない部分は、流体の吐出口を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は遠心ファンに関し、より特定的には、小型化を図ることのできる遠心ファンに関する。

家電機器、ＯＡ（Ｏｆｆｉｃｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）機器、産業機器の冷却、換気、空調、車両用の空調、または送風などに広く用いられている送風機として、遠心ファンが知られている。一般に遠心ファンは、空気などの流体を回転軸方向から吸い込み、吸い込んだ流体を、インペラなどの回転部材の回転によって発生した遠心力によって外径方向に吐き出すものである。このような遠心ファンは、たとえば下記特許文献１などに開示されている。

下記特許文献１に記載の遠心ファンは、上ケーシングと下ケーシングとからなる四角形のケーシングと、ケーシングの中に収納されたインペラとを備えている。この遠心ファンは、インペラの高速回転により吸込み口から空気を吸い込み、吸い込んだ空気をインペラの羽根の間を通じてインペラの外周から外方に吹き出す。空気は、上ケーシングと下ケーシングとの間の側面に形成された４箇所の吹出し口から外径方向に向けて吹き出される。

しかしながら、従来の遠心ファンでは、流体は動翼である羽根の間を通過するため、流体が羽根によって機械的に剪断されたり、流体が羽根と衝突したりする現象が起こる。その結果、風量特性の損失や騒音が発生しやすくなる。

そこで、風量特性の損失や騒音の発生を抑止し得る遠心ファンとして、動翼である羽根を有さない複数の円板を所定間隔で重ね合わせて構成された多板式層流ファンが提案されている。多板式層流ファンは、たとえば下記特許文献２などに開示されている。

下記特許文献２の多板式層流ファンは、複数の円板を所定間隔で重ね合わせて構成されたインペラと、インペラを収納するスクロールケーシングとを備えている。この多板式層流ファンは、インペラの回転により吸込穴から流体を吸い込み、吸い込んだ流体の粘性および遠心力を利用して、円板の外周縁からスクロールケーシング内に流体を流入させる。流体は、スクロールケーシング内の流体通路を旋回した後で、吐出口から外方に吹き出される。

特開２０１２−２０７６００号公報 特開平５−２３１３７９号公報

特許文献２に記載の多板式層流ファンにおいては、スクロールケーシングの内周面（内周壁）とインペラの外周縁との隙間が流体通路となっており、この流体通路は舌部から吐出口に向かうにしたがって漸増している。これにより、流体の静圧を増加させている。

一方、特許文献２に記載の多板式層流ファンにおいては、舌部から吐出口までの流路を長く取る必要があるため、インペラの外周全体に流体通路が設けられており、全ての流体はインペラの外周の流体通路を一周してから吹き出される。また、スクロールケーシングにおいては、スクロールケーシングの内周面とインペラの外周縁との隙間を漸増させる必要がある。その結果、スクロールケーシングの半径方向のサイズが増大し、従来の多板式層流ファンは、半径方向のサイズを小さくして小型化を図ることが難しいという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、小型化を図ることのできる遠心ファンを提供することである。

本発明の一の局面に従う遠心ファンは、回転軸を中心として回転し、羽根を有さないロータと、ロータを収納する第１のケーシングと、第１のケーシングとともにロータを収納する第２のケーシングと、ロータを回転駆動するモータとを備え、第１のケーシングは、第２のケーシングによって覆われる開口を含む本体部と、本体部における回転軸と仮想的に交差する位置である頂点に設けられた流体の吸込口と、本体部よりも第２のケーシングに近い側に設けられ、開口の周囲において外径方向に延在する環状のフランジ部とを含み、フランジ部と第２のケーシングとの間に配置され、フランジ部または第２のケーシングに固定された複数の支柱をさらに備え、フランジ部と第２のケーシングとの隙間における複数の支柱が設けられていない部分は、流体の吐出口を構成する。

上記遠心ファンにおいて好ましくは、ロータの外周面と本体部の内周面との隙間の幅は、本体部における頂点からフランジ部に向かって増加する。

上記遠心ファンにおいて好ましくは、第１のケーシングは、本体部とフランジ部とを連接する連接部をさらに含み、連接部は、回転軸を含む平面で切った断面で見た場合に円弧形状を有する。

上記遠心ファンにおいて好ましくは、複数の支柱の各々は、回転軸の延在方向から見た場合に翼形状を有し、回転軸の延在方向に沿った長さが同一であり、回転軸を中心とした周方向に沿って等間隔で設けられる。

上記遠心ファンにおいて好ましくは、ロータは、略半球形状を有し、本体部は、回転軸を含む平面で切った断面で見た場合に円弧形状を有する。

上記遠心ファンにおいて好ましくは、第２のケーシングは、回転軸の延在方向から見た場合に円板形状を有する。

本発明によれば、小型化を図ることのできる遠心ファンを提供することができる。

本発明の一実施の形態における遠心ファン１の外観の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態における遠心ファン１の構成を示す断面図であって、ロータ１０の回転軸ＡＸを含む平面で切った場合の断面図である。 本発明の一実施の形態において、上ケーシング２０を取り外した状態の遠心ファン１の構成を示す平面図である。 本発明の一実施の形態における遠心ファン１の各部の寸法を示す一部断面図である。 本発明の一実施の形態の遠心ファン１における流体の流れを模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態の変形例における遠心ファン１ａの構成を示す断面図であって、ロータ１０の回転軸ＡＸを含む平面で切った場合の断面図である。 本発明の一実施例におけるモデルＡ〜Ｅの各々の条件と、流体の最大流量のコンピュータシミュレーション結果との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における遠心ファン１の外観の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施の形態における遠心ファン１の構成を示す断面図であって、ロータ１０の回転軸ＡＸを含む平面で切った場合の断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態における遠心ファン１は、ロータ１０と、上ケーシング２０（第１のケーシングの一例）と、下ケーシング３０（第２のケーシングの一例）と、モータ４０と、複数の支柱５０とを主に備えている。上ケーシング２０および下ケーシング３０が構成する内部空間には、ロータ１０およびモータ４０が収納されている。上ケーシング２０のフランジ部２２と下ケーシング３０との間には複数の支柱５０が配置されている。複数の支柱５０によって、フランジ部２２と下ケーシング３０との間には微小な隙間６１が形成されている。

ロータ１０、上ケーシング２０、下ケーシング３０、および複数の支柱５０の各々は、樹脂を射出成型することにより形成されている。複数の支柱５０は下ケーシング３０と一体成型にて形成されている。

なお、複数の支柱５０は、上ケーシング２０と一体的に形成されていてもよいし、上ケーシング２０および下ケーシング３０とは別体で形成されており、上ケーシング２０と下ケーシング３０との間に介装されていてもよい。さらに、上ケーシング２０、下ケーシング３０、および複数の支柱５０の各々は、樹脂以外の材料よりなっていてもよく、射出成型以外の方法により形成されていてもよい。

ロータ１０は、インペラとしての役割を果たすものであり、回転軸ＡＸを中心として回転方向ＲＤに沿って回転する。ロータ１０は、中空の略半球形状を有している。ロータ１０は羽根を有しておらず（無翼であり）、ロータ１０の内周面および外周面１１には、特別な凹凸は形成されていない。

上ケーシング２０は、ハット状であり、本体部２１と、フランジ部２２と、連接部２３と、吸込口２４とを含んでいる。本体部２１は、図２に示す断面で見た場合に円弧形状を有している。本体部２１は、下ケーシング３０側に開口２１ａを含んでおり、開口２１ａは下ケーシング３０によって覆われている。

吸込口２４は、上ケーシング２０の外部から空気などの流体を吸い込む穴である。吸込口２４は、本体部２１における回転軸ＡＸと仮想的に交差する位置（つまり、本体部２１の頂点ＴＰ）に設けられている。吸込口２４は、たとえば円形状を有している。

フランジ部２２は、環状であり、本体部２１よりも下ケーシング３０に近い側に設けられている。フランジ部２２は開口２１ａの周縁を構成しており、開口２１ａの周囲において回転軸ＡＸを中心とした外径方向に延在している。

連接部２３は、本体部２１とフランジ部２２とを連接している。連接部２３は、図２に示す断面で見た場合に円弧形状を有している。

下ケーシング３０は、回転軸ＡＸの延在方向から見た場合に円板形状を有している。

モータ４０は、ロータ１０を回転駆動する。モータ４０は、ロータ１０の内部において下ケーシング３０に固定されている。モータ４０は、回転軸ＡＸと同軸のシャフト４１を含んでいる。モータ４０は、シャフト４１でロータ１０を支持しており、シャフト４１を通じてロータ１０に対して動力を伝達する。

なお、モータ４０は任意の場所に配置されればよく、上ケーシング２０および下ケーシング３０の外部（下ケーシング３０の図２中下部など）に配置されてもよい。

図３は、本発明の一実施の形態において、上ケーシング２０を取り外した状態の遠心ファン１の構成を示す平面図である。

図１〜図３を参照して、複数の支柱５０の各々は、固定翼として機能するものであり、下ケーシング３０に固定されている。複数の支柱５０の各々は回転軸ＡＸを中心とした周方向に沿って等間隔で設けられている。複数の支柱５０の各々は、図３で見た場合に翼形状を有しており、前縁５１および後縁５２を含んでいる。

複数の支柱５０の各々において、後縁５２は下ケーシング３０の外周縁３１に略接するように配置されており、前縁５１は後縁５２よりも回転方向ＲＤに沿った前方（下流側）に位置している。翼弦は、回転軸ＡＸ（下ケーシング３０の中心）と支柱５０の前縁５１とを通る直線Ｌ１に対して、所定の傾斜角αだけ傾斜している。

フランジ部２２と下ケーシング３０との隙間６１における複数の支柱５０が設けられていない部分は、流体の吐出口６２を構成している。

なお、複数の支柱５０の各々は、下ケーシング３０に固定される代わりに上ケーシング２０に固定されていてもよい。

図４は、本発明の一実施の形態における遠心ファン１の各部の寸法を示す一部断面図である。なお、図４および図５では、上ケーシング２０を断面で示している。

図４を参照して、ロータ１０の半球状の外周面（外表面）１１は、曲率半径Ｒ１を有している。上ケーシング２０の内周面２５は、曲率半径Ｒ２（Ｒ１＜Ｒ２）を有している。

ロータ１０の外周面１１と上ケーシング２０の内周面２５との隙間６３の幅は、上ケーシング２０における頂点ＴＰからフランジ部２２に向かって漸増（増加）している。言い換えれば、隙間６３は、頂点ＴＰにおいて最小値である幅Ｈ１ａとなり、連接部２３において最大値である幅Ｈ１ｂとなる。隙間６３は、吸込口２４から吐出口６２に流れる流体の流路となる。このため、遠心ファン１における流体の流路の断面積は、上ケーシング２０の頂点ＴＰからフランジ部２２に向かって増加している。

連接部２３は、曲率半径Ｒ３を有している。

複数の支柱５０の各々は、回転軸ＡＸの延在方向に沿った長さ（図４中縦方向の長さ）が同一であり、長さＨ２を有している。

ロータ１０と下ケーシング３０との間には、ロータ１０が回転するための隙間６４が設けられている。隙間６４は、幅Ｈ３を有している。隙間６４の幅Ｈ３は、遠心ファン１の小型化の観点でなるべく小さいことが好ましい。一方、隙間６４の幅Ｈ３は、ロータ１０の高速回転によって負圧が生じても、吐出口に案内される流体の一部がロータ１０の内部に吸い込まれる事態を抑止する程度の大きさが必要である。ここでは、幅Ｈ３は、吐出口６２の高さに相当する長さＨ２よりも僅かに小さい値に設定されている。

図５は、本発明の一実施の形態の遠心ファン１における流体の流れを模式的に示す図である。図５において、流体の流れは矢印で示されている。

図５を参照して、モータ４０の駆動によるロータ１０の回転に伴って、上ケーシング２０および下ケーシング３０が構成する内部空間には負圧が発生する。上ケーシング２０および下ケーシング３０の外部に存在する流体は、この負圧により頂点ＴＰの吸込口２４から上ケーシング２０および下ケーシング３０の内部空間に吸い込まれる。吸い込まれた流体は、流体自身の粘性により回転するロータ１０からの摩擦力を受けて、頂点ＴＰ付近の隙間６３において周方向に回転し始める。流体は、ロータ１０から受ける遠心力により、本体部２１の内周面２５に押し付けられて下降しながら回転し、螺旋状の経路を辿る。流体は、連接部２３の位置まで下降すると、上ケーシング２０の内周面２５を離れて隙間６１に案内される。流体は、複数の支柱５０の各々の間に設けられた吐出口６２を通じて、上ケーシング２０および下ケーシング３０の外部に吹き出される。

遠心ファン１内部において流体が受ける遠心力の大きさは、頂点ＴＰからフランジ部２２に向かって大きくなるため、遠心ファン１内部における流体の流速および圧力は、流体が頂点ＴＰからフランジ部２２に進行するに従って増加する。一方で、遠心ファン１内部の流体の流路の断面積（隙間６３の幅）は、上述のように上ケーシング２０の頂点ＴＰからフランジ部２２に向かって増加している。このため、遠心ファン１内部における流体の流速および圧力の増加を妨げずに、流体を吐出口６２から放出することができる。

また、隙間６１の入口付近には、円弧形状を有する連接部２３が設けられているため、上ケーシング２０の内周面２５からの流体の剥離を抑止しつつ、隙間６１に案内することができる。これにより、隙間６１の入口において上ケーシング２０の内周面２５から剥離した流体によって渦や縮流が発生する事態を抑止することができ、渦や縮流に起因する圧力損失を抑止することができる。

本実施の形態によれば、ロータ１０が羽根を有しておらず、支柱５０は固定翼であるため、流体が動翼によって機械的に剪断されたり、流体が動翼と衝突したりすることが無くなり、風量特性の損失や騒音を抑止することができる。また、上ケーシング２０および下ケーシング３０の半径方向のサイズを小さくすることができ、遠心ファンの小型化を図ることができる。

また、隙間６３の幅が上ケーシング２０の頂点ＴＰからフランジ部２２に向かって漸増しているので、遠心ファン１内部における流体の流速および圧力の増加を妨げずに、流体を吐出口６２から放出することができる。

また、所定の曲率半径Ｒ３の円弧形状を有する連接部２３を設けることにより、隙間６１の入口において上ケーシング２０の内周面２５から剥離した流体によって渦や縮流が発生する事態を抑止することができ、渦や縮流に起因する圧力損失を抑止することができる。

さらに、複数の支柱５０の各々が翼形状を有しているので、支柱５０が固定翼として機能し、吐出口６２から吐き出される流体を整流することができる。

［変形例］

図６は、本発明の一実施の形態の変形例における遠心ファン１ａの構成を示す断面図であって、ロータ１０の回転軸ＡＸを含む平面で切った場合の断面図である。

図６を参照して、本変形例における遠心ファン１ａは、ロータ１０および上ケーシング２０の形状が、上述の実施の形態の場合と異なっている。本変形例におけるロータ１０および上ケーシング２０の各々は、円錐の斜面の形状を有している。ロータ１０の外周面１１と上ケーシング２０の内周面２５との隙間６３の幅は、上ケーシング２０の頂点ＴＰ側からフランジ部２２に向かって漸増している。

なお、本変形例の遠心ファン１ａにおける上述以外の構成および動作は、上述の実施の形態における遠心ファン１の構成および動作と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

［実施例］

次の本発明の一実施例について説明する。

本願発明者は、上述の実施の形態の効果を確認すべく、モデルＡ〜Ｅの遠心ファンについて、吐出口６２から放出される流体の最大流量のコンピュータシミュレーションを行った。

図７は、本発明の一実施例におけるモデルＡ〜Ｅの各々の条件と、流体の最大流量のコンピュータシミュレーション結果との関係を示す図である。

図７を参照して、モデルＡ〜モデルＤ（本発明例）として、図１〜図４に示す構成を有する遠心ファン１を設定した。

モデルＥ（比較例）として、図１〜図４に示す構成を有する遠心ファン１において、上ケーシング２０のフランジ部２２および連接部２３が無いものを設定した。モデルＥとしては、支柱５０の前縁がロータ１０の外周面に接近した状態で支柱５０が下ケーシング３０に配置されているものを設定した。

シミュレーションの結果、モデルＥにおける流体の最大流量を基準値Ｑとした場合に、モデルＡ〜Ｄにおける流体の最大流量は、それぞれ２．１Ｑ、２．２Ｑ、２．４Ｑ、および２．２Ｑとなり、モデルＥにおける流体の最大流量の約２倍にまで増加した。

上述の実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ 遠心ファン
１０ ロータ
１１ ロータの外周面
２０ 上ケーシング（第１のケーシングの一例）
２１ 上ケーシングの本体部
２１ａ 本体部の開口
２２ 上ケーシングのフランジ部
２３ 上ケーシングの連接部
２４ 吸込口
２５ 上ケーシングの内周面
３０ 下ケーシング（第２のケーシングの一例）
３１ 下ケーシングの外周縁
４０ モータ
４１ モータのシャフト
５０ 支柱
５１ 支柱の前縁
５２ 支柱の後縁
６１ フランジ部と下ケーシングとの隙間
６２ 吐出口
６３ ロータの外周面と上ケーシングの内周面との隙間
６４ ロータと下ケーシングとの隙間
ＡＸ 回転軸
Ｌ１ 回転軸と支柱の前縁を通る直線
ＲＤ ロータの回転方向
ＴＰ 上ケーシングの頂点
α 傾斜角

Claims (6)

1. 回転軸を中心として回転し、羽根を有さないロータと、
   前記ロータを収納する第１のケーシングと、
   前記第１のケーシングとともに前記ロータを収納する第２のケーシングと、
   前記ロータを回転駆動するモータとを備え、
   前記第１のケーシングは、
   前記第２のケーシングによって覆われる開口を含む本体部と、
   前記本体部における前記回転軸と仮想的に交差する位置である頂点に設けられた流体の吸込口と、
   前記本体部よりも前記第２のケーシングに近い側に設けられ、前記開口の周囲において外径方向に延在する環状のフランジ部とを含み、
   前記フランジ部と前記第２のケーシングとの間に配置され、前記フランジ部または第２のケーシングに固定された複数の支柱をさらに備え、
   前記フランジ部と前記第２のケーシングとの隙間における前記複数の支柱が設けられていない部分は、流体の吐出口を構成する、遠心ファン。
2. 前記ロータの外周面と前記本体部の内周面との隙間の幅は、前記本体部における前記頂点から前記フランジ部に向かって増加する、請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記第１のケーシングは、前記本体部と前記フランジ部とを連接する連接部をさらに含み、
   前記連接部は、前記回転軸を含む平面で切った断面で見た場合に円弧形状を有する、請求項１または２に記載の遠心ファン。
4. 前記複数の支柱の各々は、前記回転軸の延在方向から見た場合に翼形状を有し、前記回転軸の延在方向に沿った長さが同一であり、前記回転軸を中心とした周方向に沿って等間隔で設けられる、請求項１〜３のいずれかに記載の遠心ファン。
5. 前記ロータは、略半球形状を有し、
   前記本体部は、前記回転軸を含む平面で切った断面で見た場合に円弧形状を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の遠心ファン。
6. 前記第２のケーシングは、前記回転軸の延在方向から見た場合に円板形状を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の遠心ファン。

Images