JP2018503771A - ファンアセンブリ - Google Patents

Abstract

ファンアセンブリ１０は、空気インレット７０、ファンインレット６０、及び、空気アウトレット８０を具備する筐体２０を含む。ファンアセンブリは、インペラ３０と、インペラを駆動するように構成されたモータ４０と、を更に含み、前記インペラは、円周方向に配置される複数の離間ブレード３４を持つ。ユーザがインペラ３０に触れるのを防止するため、空気透過性ガード５０が、空気インレットとファンインレットとの間に配置され、空気透過性ガード５０は、フィルタ９０が空気インレット７０と空気透過性ガード５０との間に供給され得るように、ファンインレット６０から第１の距離５４を空けられているとともに空気インレット７０から第２の距離を空けられている。好ましくは、第１の距離５４は、流入空気がファンインレットに入る前に少なくとも部分的に回転できるような距離である。好ましくは、円周方向に配置された複数の離間ブレード３４は、インペラ３０のドーム状中心３２の周りに円周方向に配置され、ドーム状中心３２は、ファンインレット６０に対向しており、ドーム状中心３２は、離間ブレード３４と共回転する。

Description

本開示は、一般に、効率を改善し、電力消費を低減するファンアセンブリに関する。

新鮮で清潔な空気は、人間の最も基本的なニーズの１つである。しかし、空気には、微粒子、ウイルス、細菌、真菌などの様々な種類の不純物が含まれている可能性があり、その全てが健康上の問題、病気、その他の悪影響を引き起こすか、又は、悪化させる可能性がある。空気の質を向上させるために、空気をきれいにする多くの異なる技術がある。最も一般的なものはエアフィルタである。一般に、フィルタユニットを通じて空気を押したり引っ張ったりするファンによって、フィルタは、空気をきれいにする。

空気清浄ユニット内の空気フィルタを通って空気を押し込む又は引くために、ラジアルファン及び軸流ファンを含む幾つかの異なるファンタイプがある。軸流ファンは、高い流量を生成するが、相対的に低い最大圧力になる。対照的に、ラジアルファンは、比較的高い最大圧力を生成するが、比較的低い最大流量を有する。一般に利用されるタイプのファンは、前方湾曲ラジアルファンである。後方湾曲ラジアルファンと比較して、前方湾曲ファンは、より高い最大流量及びより低い最大圧力を意図している。さらに、前方に湾曲したラジアルファンは、空気清浄機にとって重要な特徴である、最小限の音で高性能の利点を有する。一方、対照的に、高い流量及び高いファン／器具容積に対する高い消費者需要が存在する。本質的に、消費者は、より高い出力及びより低いエネルギー消費を有するより小型のファンを求めている。しかし、これらの２つのニーズは直接衝突している。

機器の容積を減少させるエネルギー効率の良いシステムを提供するためには、機器内の空気の流れにおける圧力降下を低減する必要がある。圧力降下の主な原因は、空気をフィルタに流すこと、並びに、ファンへの空気入口の位置及び構成である。現在の空気清浄機は、例えば、ファンの入口に配置された通気性グリッド又はガードを有するように設計されている。通気性グリッド又はガードは、消費者が羽根車（インペラ）に指で触れるのを防止する。残念なことに、この構成は、空気が入口を通って流れるときに圧力が低下することを含む幾つかの欠点を有する。

従って、望ましくない圧力降下を防止するファン筐体及びインペラの設計が当該技術分野において必要とされている。本発明は、独立請求項によって定義される。従属請求項は、好適な実施形態を規定する。

本開示は、ファン及びインペラ構成のための革新的な方法及び装置に関する。本明細書の様々な実施形態及び実施例は、効率を高め、且つ、電力消費を低減するファンアセンブリに関する。一般に、或る態様では、ファンアセンブリは、空気インレット、ファンインレット、及び、空気アウトレットを有する筐体と、円周方向に配置された複数の離間ブレードを有するインペラと、当該インペラを駆動するように構成されたモータと、を有する。ファンアセンブリは、ユーザがインペラに触れるのを防止するため、空気インレットとファンインレットとの間に配置された空気透過性ガードを持つ。当該空気透過性ガードは、フィルタが空気インレットと空気透過性ガードとの間に供給され得るように、ファンインレットから第１の距離を空けられるとともに、空気インレットから第２の距離を空けられる。ここでの様々な実施形態及び実施例を用いて、ファンアセンブリは、空気透過性ガードはファンインレットから第１の距離に配置されるため、空気透過性ガードが比較的小さいファンインレットのために利用可能な領域に限定されない場合、空気が空気透過性ガードが持ち得るより大きな断面領域の結果としてインペラ領域に入る場合に空気により経験される圧力降下を減少させる。また、ファンアセンブリは、好ましくは、空気が空気インレット及びインペラ領域に入る場合に、空気が回転成分を持つことを可能にする。

出願人は、先行技術のインレット構成がファンブレードの領域に遭遇する前に空気の回転成分を制限し、それによって最大圧力及び最大流量に関してファンの性能を制限することを更に認識した。一実施形態では、空気透過性ガードをファンインレットから所定の距離に配置することによって、流入空気をファンインレットに入る前に少なくとも部分的に回転させることができる。この結果、ファン性能が著しく改善される。

好ましい実施形態によれば、円周方向に配置された複数の離間ブレードは、インペラのドーム状中心の周りに円周方向に配置され、ドーム状中心はファンインレットに面し、ドーム状中心は離間ブレードと共回転する。これにより、空気がドームの回転中心で回転することができるので、空気流の抵抗が減少し、結果として効率が向上する。

一実施形態によれば、円周方向に配置された複数の離間ブレードの各々は湾曲している。これは、より高い性能につながる。

一実施形態によれば、インペラのドーム型中心は、複数のスポークを有する。これは、ノイズを少なくする。

一実施形態によれば、ドーム状中心の最大高さは、インペラの最大高さのおよそ１％乃至７５％である。他の実施形態によれば、ドーム状中心の最大高さは、インペラの最大高さのおよそ１％乃至６０％であり、更に他の実施形態によれば、ドーム状中心の最大高さは、インペラの最大高さのおよそ１％乃至５０％である。ドームがより高くなると、空気がドームにぶつかり、抵抗が増し、性能が低下する。ドームは、モータのためのスペースを提供するために存在する。

一実施形態によれば、ドーム状中心の最大幅は、インペラの最大幅のおよそ２０％乃至９５％である。

一実施形態によれば、筐体は、２以上の空気インレットを含む。これは、フィルタ表面の増加を可能にするとともに、より高い流入を可能にする。

一実施形態によれば、空気透過性ガードは、グリッドを有する。

一実施形態によれば、ファンインレットの直径は、インペラの直径の約５０％乃至１００％である。直径が大きいほど空気の流れが乱され、ノイズが増加する一方、直径が小さいほど空気の流れが妨げられる。

一実施形態によれば、空気透過性ガードとファンインレットとの間の所定の距離は、約２ｍｍ乃至８０ｍｍであり、２ｍｍ乃至３０ｍｍであってもよい。

一実施形態によれば、空気透過性ガードは、空気インレットから所定の距離だけ離間されている。これにより、フィルタのためのスペースが確保される。

一実施形態によれば、モータは、ファンインレットから離れて面するインペラの側に配置される。

本発明のこれらの態様及び他の態様が、以下に記載される実施形態を参照して明確且つ明らかになる。

図面において、同様の参照符号は、異なる図を通して同じ部分を指す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに本発明の原理を例示するため強調されている。
図１は、一実施形態に係るファンアセンブリの断面図である。 図２は、一実施形態に係る空気透過性ガードのためのグリッド構成である。 図３は、一実施形態に係るインペラの断面図である。 図４は、一実施形態に係るインペラの上面図である。 図５は、一実施形態に係るファンアセンブリの分解図である。 図６は、空気フローを最適にガイドするためのインペラ筐体における螺旋構造の好適な形状を示している。 図７は、空気アウトレットにおける板が空気フローと位置合わせされる一実施形態を示している。

本開示は、ファンアセンブリの機能を改善するための装置、システム、デバイス、及び、方法の様々な実施形態を記載する。より一般的には、出願人は、動作中の効率を改善し、ファンの電力消費を低減することが有益であると認識し、評価した。本開示の実施形態の利用の具体的な目標は、電力消費を増加させることなくファンアセンブリの出力を増加可能にすることである。

上記を考慮して、様々な実施形態及び実施例は、ファンインレットに入る前に空気を少なくとも部分的に回転可能にするため、空気インレットとファンインレットとの間に配置され、ファンインレットから所定の距離だけ隔てられた空気透過性ガードを備えたファンアセンブリに関する。また、ファンアセンブリは、ファンインレットに対向するドーム状中心の周りに円周方向に配置される複数の離間ブレードを具備する放射状インペラを持つ。

図１によれば、一実施形態では、筐体２０、インペラ３０、及び、モータ４０を含むファンアセンブリ１０が提供される。筐体２０は、様々な形状、サイズ、及び、材料であり得る。例えば、筐体２０は、幾つかある材料の中でも特に、プラスチック、金属、又は、それらの組み合わせで作ることができる。筐体２０は、より小さいインペラ設計を囲むために小さくすることができ、又は、工業的サイズのインペラを収容するために大きくすることができる。ファンアセンブリ１０は、上方を向いた水平位置にあり得るか、又は、ファンアセンブリは下方に面することができる。代替的に、ファンアセンブリは、垂直位置、傾斜位置、及び、多種多様な他の位置に配置され得る。

また、筐体２０は、ファンインレット６０、空気インレット７０、及び、空気アウトレット８０を含む。ファンインレット及び空気インレットは、空気が周囲環境から入ってインペラ３０と係合できるようなサイズ及び／又は形状である。従って、ファンインレット及び空気インレットは、円形、正方形、又は、任意の多種多様な形状であり得る。さらに、筐体２０は、２以上の空気インレット７０、及び／又は、２以上のファンインレット６０を含むことができる。空気インレット７０は、開いていてもよいし、グリッド、メッシュ、ネット、又は、視覚的に魅力的なカバーなどの他のカバーを含んでいてもよい。一実施形態によれば、ファンインレットは、インペラ領域への最大の空気フローを可能にするように開いている。一実施形態によれば、空気インレット及び／又はファンインレットは、円形であり、直径はインペラ３０の直径の約５０％乃至１００％の範囲であり、好ましくはインペラ直径の約６５％乃至９０％の範囲である。ファンインレット６０からインペラまでの距離は、例えば、様々な距離が可能であるが、「Ｄ」がインペラの直径である場合、０．０３×Ｄ未満、好ましくは０．０２×Ｄ未満であり得る。

開いたファンインレットを有することにより、ファンインレットへの空気の通過及び空気インレットからの空気の流れが、少なくとも部分的に回転して、インペラに遭遇することが可能になり、ファン効率が著しく増加する。しかしながら、ファンインレット６０及び空気インレット７０の両方が開いている場合、ユーザは、ファンの機能を妨げる可能性のある、又は、ユーザに怪我をもたらす可能性のあるインペラ３０に直接アクセスすることができる。従って、ファンアセンブリ１０は、空気インレット７０とファンインレット６０との間に配置された空気透過性ガード５０を含む。一実施形態によれば、空気透過性ガード５０は、指又は他の身体部分がファンインレットに入り、インペラ及び／又はモータに遭遇するのを防ぐと同時に、空気フローを最大にする、グリッド、メッシュ、ネット、又は、同様の設計である。

一実施形態によれば、空気透過性ガード５０は、最大空気流を可能にするのに十分な数及び／又はサイズの開口部を含む。図２に示されるように、例えば、空気透過性ガード５０の実施形態は、上から見られ、ガードの総面積が「ｚ」×「ｙ」であるような高さ「ｚ」及び幅「ｙ」を有するが、他の構成も可能である。同様に、開口の各々は、指又は他の身体部分が開口を通過するのを防止するような寸法「ｌ」及び「ｍ」が設定された高さ「ｌ」及び幅「ｍ」を含むことができる。例えば、「ｌ」及び「ｍ」は、約４ｍｍ乃至１８ｍｍの範囲にあり、より好ましくは、約６ｍｍ乃至１５ｍｍの範囲にある。「ｌ」及び「ｍ」の値は異なっていてもよい。空気透過性ガード５０を通る空気流は、ガードの全面積（「ｚ」×「ｙ」）に対する空気流を許容する面積（「ｌ」×「ｍ」×開口の数）の比として規定され得る。一実施形態によれば、当該比は、約３０％乃至９０％、好ましくは約５０％乃至７５％の範囲である。空気透過性ガード５０は、図２では正方形として示されているが、ガードは、長方形、円形、及び、多くの他の形状を含む様々な形状のいずれかとすることができる。一例として、ガードコンポーネントは、他の多くの構成の中でも特に、空気流を最大にするために、前縁を丸くして後縁を指すことができる。また、２つ以上の異なる寸法及び／又は形状を有するように構成することができる。ガード５０のバーは、前側に丸みを帯びていて、バーの丸み半径は０．５ｍｍ以上であるべきである。裏側（ファン側）のバーは鋭いが、好ましくは丸い。ガードは、均一に分布した穴を有する、６５％乃至７０％（２９２ｍｍ×３７２ｍｍの表面積に基づく）の透磁率を有するべきである。穴の大きさは指の安全性試験に合格すべきである。

空気透過性ガード５０がしばしばファンインレット６０自体の全部又は一部を形成する従来技術の構成とは対照的に、本発明によれば、空気透過性ガード５０は、図１に示されるように、ファンインレット６０から分離して所定の距離５４離れている。好ましい実施形態では、この所定の間隔は、空気透過性ガード５０を通過した空気が、インペラに遭遇するファンインレットに入る前に少なくとも部分的に回転することを可能にする。これは、ファン効率を著しく増加させる。一実施形態によれば、空気透過性ガード５０は、フィルタ９０から分離され、フィルタ９０から所定の距離５２離れている。所定の距離５２及び所定の距離５４は、距離５２又は距離５４のいずれか大きい方が同じであっても異なっていてもよい。さらに、所定の距離５２及び所定の距離５４のうちの１又は複数を調整可能とすることができる。

一実施形態によれば、所定距離５２は、約０ｍｍ乃至８０ｍｍであり、好ましくは約２ｍｍ乃至１０ｍｍである。しかしながら、広範囲の距離が可能であり、筐体のサイズ、所望の空気流、及び、多くの他の要因を含む多くの要因に依存し得る。一実施形態によれば、所定距離５４は、約２ｍｍ乃至８０ｍｍであり、好ましくは約２ｍｍ乃至３０ｍｍである。しかしながら、広範囲の距離が可能であり、筐体のサイズ、所望の空気流、及び、多くの他の要因を含む多くの要因に依存し得る。好ましくは、距離５４は、空気を回転させ、したがって抵抗を減少させて性能を向上させるために、約１５ｍｍ乃至２５ｍｍ、好ましくは少なくとも１８ｍｍである。２５ｍｍを超える距離は、ファンアセンブリのサイズを不必要に増加させるようである。真空掃除機用途では、２ｍｍ乃至１０ｍｍの距離５４で十分である。

例えば、空気濾過装置の場合、フィルタ９０は、ウイルス、細菌、及び／又は、真菌を含む（がこれらに限定されない）空気中の微粒子を除去及び／又は中和するように設計されている。ろ過を増加させるために、空気流路に沿って複数のフィルターを設けることもできる。２つ以上のフィルタは、異なる機能を提供することができ、及び／又は、空気から異なる微粒子を濾過するように設計することができる。一実施形態によれば、フィルタは、臭気又はガスを除去及び／又は中和するように設計することもできる。図１の実施形態によれば、フィルタ９０は、空気インレット７０と空気透過性ガード５０との間のある点に配置される。或る掃除機用途では、フィルタ９０は空気透過性ガード５０に直接隣接し、インレットグリルによって形成された空気インレットはフィルタ９０の他の側に置かれる。

インペラ３０は、ラジアルインペラ及び軸流インペラを含むが、これに限定されない任意のタイプのインペラとすることができる。例えば、インペラがラジアルインペラである場合、それは前方湾曲又は後方湾曲インペラとすることができる。インペラは、筐体のサイズ及び／又はファンアセンブリの意図された使用又は位置に部分的に応じて、多種多様なサイズとすることができる。図３に示される実施形態によれば、インペラ３０は、モータ４０に取り付けられた中心点の周りに円周方向に配置された複数の離間したブレード３４を有する半径方向インペラである。図３の実施形態に示されるように、間隔を置いて配置されたブレードの各々は、ブレードの底部でインペラの本体に取り付けられ、バスケット状のインペラ設計を形成する。インペラは、ブレード３４が上部又は下部にのみ取り付けられているか、あるいは、交互に設計されている様々な他の形状のいずれかであり得る。ブレード３４は、前方に湾曲しても後方に湾曲していてもよく、又は、複数の方向の混合物であってもよい。軸方向の設計では、例えば、ブレードは、インペラの中心３２から外側に延び、多数の方向に湾曲することができる。

インペラ３０は、ドームの中心３２の頂点が流入空気の方向に面するように、ドーム状の中心３２を含むことができる。当該中心は、中実構造を有することができ、又は、ファンの後部から放射される音を低減するために、図４に示されているようなスポーク３１を含むことができる。一実施形態によれば、図４のスポークなどの中心３２は、それぞれが滑らかな曲線と一致する設計である。図１に示すような実施形態によれば、インペラは、ブレード３４によって規定される最大高さ３６を有する。ドーム状の中心部は、インペラの最大高さ３６と同じか又はそれよりも小さいことができる最大高さ３８を有する。一実施形態によれば、インペラのドーム型中心３２の高さ３８は、インペラの高さ３６の約１％乃至１００％であり、インペラ高さ３６の約１％乃至７５％の範囲にあることが好ましい。別の実施形態によれば、ドーム型中心３２の最大高さ３８はインペラの最大高さ３６の約１％乃至６０％であり、好ましくはドーム型中心の最大高さはインペラの最大高さの約１％乃至５０％である。

さらに、一実施形態及び図４に示されるように、インペラは、最も離れたブレード３４の最も外側のリーチによって画定される最大幅３５を有する。また、インペラ中心３２は、最大幅３５よりも小さい最大幅３７を有する。一実施形態によれば、中心３２の幅は最大幅３７の約１％乃至９９％であり、好ましくは最大幅３７の約２０％乃至９５％の範囲内である。インペラ３０及び中心３２の高さ及び幅は、他の多くの設計目標の中でも、回転速度及び／又は空気流を最大にし、ノイズを最小限に抑えるように設計又は予め決定することができる。一実施形態によれば、インペラ３０の中心３２は、インペラのブレードと共回転する。ファンインレットがインペラの上方に配置される実施形態では、インペラ領域に引き込まれた空気は、最初に、インペラの中心又はインペラの中心の直上の空間に当たる。共回転中心は、入ってくる空気に回転成分を与え、ファンの効率を向上させる。この効果は、インペラ３０の中心３２がドーム状であるファン組立体の実施形態においてさらに顕著である。

モータ４０は、インペラ３０の所望の回転を引き起こすのに十分な任意のモータ又は駆動装置である。一実施形態によれば、モータ４０は、インペラの回転軸に近い点でインペラに取り付ける駆動軸を含む。モータは、例えば結合要素を介して間接的にインペラに接続することもできる。モータ４０は、単一の回転速度で動作することができ、又は、様々な異なる速度で動作することができる。また、モータ４０は、回転速度をゆっくりと増加又は減少させる、所定の可変速度を提供する動作プロファイル、又は、他の変化を含むことができる。図１に示されるように、例えば、モータ４０は、モータがファン内の空気流を妨げないように、ファンインレット６０から離れて面するインペラの側部全体に配置することができる。しかしながら、インペラ及びモータの他の構成も可能である。

図５は、ファンアセンブリ１０の一実施形態の分解図である。ファンアセンブリは、空気アウトレット８０を規定する筐体２０を含む。空気アウトレットは、例えば、筐体内の空気フローの方向において配置され得る。筐体は、例えば、図５に示されるインペラ筐体２２などの１又は複数の構成要素であってもよい。また、ファンアセンブリは、インペラ３０と、インペラを駆動するためのモータ４０と、を含む。モータ４０の背後では、筐体は閉じられている。外部からインペラへの空気の流れに続いて、ファンアセンブリは、フロントプレートと筐体との間に少なくとも２ｃｍの幅を有する空気インレット７０と、フィルタ９０と、空気透過性ガード５０と、ファンインレット６０とを含む。図５の空気インレット７０の構成に示されるように、空気は、システムへの空気流を最大にするために複数の側面又は方向から入ることができる。好ましくは、空気インレット７０の吸気口は、鋭い角部を有さず、（鋭い）屈曲部を有さない。好ましくは、ファンインレット６０は、少なくとも空気インレットに面する側で、その厚さに亘って完全に丸められて、抵抗を低減する。インペラ筐体２２は、好ましくは、ファンインレットとファンとの間の距離が５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下となるような寸法にされる。ファンブレードと螺旋構造との間の最小距離は、好ましくは約１６ｍｍである。

図６においてより詳細に示されるように、インペラ筐体２２は、インペラ３０を取り囲む螺旋構造（渦巻き）Ｖを有し、不必要な抵抗を再度低減するように空気流が最適に誘導されるように成形されている。この目的のために、渦巻きＶの部分Ｖ１は、インペラ３０のファンブレードに接線方向であり、渦巻きＶの第２の部分Ｖ２は、空気流と位置合わせされる。図６に示される実施形態では、インペラボトムは閉じられているが、インペラは、好ましくは、図３及び図４に示されるようなスポークを有する。

図７においてより詳細に示されるように、空気アウトレット８０における板状のバー８２は、不必要な抵抗を再び低減するように、空気流Ｆに対して角度付けられるべきである。アウトレットにおけるバーは、好ましくは、少なくとも０．５ｍｍの丸み半径を有する器具の内側の側で少なくとも丸みを帯びている。

上述の実施形態は、本発明を限定するよりむしろ例示しており、当該技術分野における当業者は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの代替的な実施形態を設計可能であることに留意すべきである。請求項中、括弧内の任意の参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」なる用語は、請求項に記載された要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外しない。単数形の要素は、かかる要素が複数存在することを除外しない。特定の特徴が相互に異なる従属形式請求項において規定されているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。

Claims (10)

1. 空気インレット、ファンインレット、及び、空気アウトレットを有する筐体と、
   前記ファンインレットと前記空気アウトレットとの間のインペラであって、円周方向に配置された複数の離間ブレードを有する前記インペラと、
   前記インペラを駆動するモータと、
   を有する、ファンアセンブリであって、
   前記ファンアセンブリは、
   ユーザが前記インペラに触れることを防止するため前記空気インレットと前記ファンインレットとの間に配置された空気透過性ガードを有し、前記空気透過性ガードは、フィルタが前記空気インレットと前記空気透過性ガードとの間に供給され得るように、前記ファンインレットから第１の距離を空けられているとともに前記空気インレットから第２の距離を空けられている、ファンアセンブリ。
2. 前記第１の距離が、流入空気が前記ファンインレットに入る前に少なくとも部分的に回転することを可能にする、請求項１記載のファンアセンブリ。
3. 前記円周方向に配置された複数の離間ブレードが、前記インペラのドーム状中心の周りに円周方向に配置され、前記ドーム状中心は、前記ファンインレットに対向しており、前記ドーム状中心は、前記離間ブレードと共回転する、請求項１又は２に記載のファンアセンブリ。
4. 前記インペラの前記ドーム状中心が、複数のスポークを有する、請求項３記載のファンアセンブリ。
5. 前記ドーム状中心の最大高さが、前記インペラの最大高さのおよそ１％乃至７５％である、請求項３又は４に記載のファンアセンブリ。
6. 前記ドーム状中心の最大幅が、前記インペラの最大幅のおよそ２０％乃至９５％である、請求項３乃至５のいずれか１項に記載のファンアセンブリ。
7. 前記第１の距離が、少なくとも１５ｍｍである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のファンアセンブリ。
8. 前記第１の距離が、２５ｍｍよりも小さい、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のファンアセンブリ。
9. 前記インペラを囲む螺旋構造を持つとともに、前記インペラのファンブレードに正接する前記空気アウトレットに向かう部分を持つ、インペラ筐体を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のファンアセンブリ。
10. 前記空気アウトレットが、空気フローと位置合わせされる板を持つ、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のファンアセンブリ。

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