JP2019056309A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】特性が改善された軸流ファンを提供すること。【解決手段】実施形態の軸流ファンは、モータと、インペラとを備える。インペラは、モータによって回転され、ハブと、ハブから径方向に延在する複数の翼とを有し、翼の最大キャンバーが根元部から先端部になるにしたがって徐々に大きくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、軸流ファンに関する。

従来、家電製品や情報機器などの電子機器において、冷却や送風に使用される軸流ファンが知られている。かかる軸流ファンでは、モータで回転するインペラ（羽根車）において、円筒状のハブの外周面に設けられる翼の断面形状を適宜改良することにより、特性の改善が図られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３−４０５９８号公報

しかしながら、従来の軸流ファンでは、ハブに対して相対的に翼が長い（たとえば、インペラ全体の直径に対するハブの直径の比率が０．５より小さい）場合については特性の改善が図られている一方で、ハブに対して相対的に翼が短い軸流ファンについては特に検討されていなかった。したがって、ハブに対して相対的に翼が短い軸流ファンの特性については改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特性を改善することができる軸流ファンを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る軸流ファンは、モータと、インペラとを備える。前記インペラは、前記モータによって回転され、ハブと、前記ハブから径方向に延在する複数の翼とを有し、前記翼の最大キャンバーが根元部から先端部になるにしたがって徐々に大きくなる。

本発明の一態様によれば、軸流ファンの特性を改善することができる。

図１は、実施形態に係る軸流ファンの構成を示す断面図である。 図２は、実施形態に係るインペラの構成を示す斜視図である。 図３は、実施形態に係るインペラの構成を示す上面図である。 図４は、実施形態に係る翼の各断面における前縁からの距離と厚み分布との関係を示す図である。 図５は、実施形態に係る翼の各断面における前縁からの距離とキャンバーとの関係を示す図である。 図６は、参考例における翼の各断面における前縁からの距離と厚み分布との関係を示す図である。 図７は、参考例における翼の各断面における前縁からの距離とキャンバーとの関係を示す図である。 図８は、実施形態および参考例における軸流ファンのＰ−Ｑ特性曲線を示す図である。 図９は、実施形態および参考例における軸流ファンの風量と消費電力および効率との関係を示す図である。

以下、実施形態に係る軸流ファンについて図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により軸流ファンの用途が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（軸流ファンの構成）
まず、実施形態に係る軸流ファン１の詳細について、図１を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る軸流ファン１を示す断面図である。

図１に示すように、軸流ファン１は、モータ１０と、インペラ２０と、ケーシング３０と、軸受４０と、回路基板５０とを備える。

モータ１０は、インペラ２０を回転させる。モータ１０は、ステータコア１１と、コイル１２と、ロータ１３とを有する。

ステータコア１１は、ケイ素鋼板などのように軟磁性材料から形成された鋼板をプレス加工し、プレス加工された鋼板を複数枚、軸方向に積層して構成される。ステータコア１１は、円環状の本体部と、かかる本体部の外周側から外方に向かって径方向に延在する複数のティースとを有する。

なお、以降においては、軸流ファン１の径方向、軸方向および周方向を規定して説明する。ここで、「径方向」とは、軸流ファン１の内部で回転するインペラ２０の回転軸Ｘと直交する方向であり、「軸方向」とは、インペラ２０の回転軸Ｘの軸方向と一致する方向であり、「周方向」とは、インペラ２０の回転方向Ｒ（図２参照）と一致する方向である。

コイル１２は、ステータコア１１を軸方向の両側から覆うインシュレータを介して、複数のティースのそれぞれに巻回される。

ロータ１３は、回転軸Ｘを中心としてステータコア１１に対して相対的に回転する。ロータ１３は、シャフト１３ａと、ロータヨーク１３ｂと、ロータマグネット１３ｃとを有する。

シャフト１３ａは、円柱状であり、軸方向に延在し、軸受４０により回転可能に支持される。ロータヨーク１３ｂは、カップ状であり、中央部でシャフト１３ａに支持される。

ロータマグネット１３ｃは、円筒状であり、ロータヨーク１３ｂの外周部における内周面に接合される。また、ロータマグネット１３ｃは、ステータコア１１のティースと向かい合うように配置され、内周面にＳ極、Ｎ極が周方向に交互に着磁される複数の磁極が形成される。

インペラ２０は、ハブ２１と、複数の翼２２とを有する。ハブ２１は略円筒状であり、ロータヨーク１３ｂの外周面に支持される。複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ａ（図２参照）に支持される。ハブ２１と複数の翼２２とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。インペラ２０の詳細については後述する。

ケーシング３０は、軸受ホルダー３１と、モータベース３２と、スポーク３３と、ハウジング３４とを有する。軸受ホルダー３１は、円筒状であり、内周側に一対の軸受４０が装着され、外周側にはステータコア１１などが装着されている。モータ１０が配置されるカップ状のモータベース３２は、ハウジング３４の一方端に配置される。

複数のスポーク３３は、モータベース３２の外周側に支持され、径方向に延在してモータベース３２とハウジング３４とを連結する。ハウジング３４は、内側に円孔が形成され、かかる円孔に軸流ファン１の各部材が収容される。モータベース３２と、スポーク３３と、ハウジング３４とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。

また、ケーシング３０には、軸方向における一方側（図１では上側）に吸込口３５が形成され、軸方向における他方側（図１では下側）に吹出口３６が形成される。そして、インペラ２０が所定の回転方向Ｒに回転することにより、吸込口３５から吹出口３６に向けて空気の流れ１００が形成される。

軸受４０は、転がり軸受で構成されており、シャフト１３ａを回転自在に支持する。なお、軸受４０は流体軸受であってもよいし、滑り軸受であってもよい。

回路基板５０は、モータ１０を制御する制御回路を有し、ステータコア１１とモータベース３２との間に配置される。

（インペラの構成）
つづいて、インペラ２０の構成について、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、実施形態に係るインペラ２０の構成を示す斜視図であり、図３は、実施形態に係るインペラ２０の構成を示す上面図である。インペラ２０は、回転軸Ｘを中心として、上面視で反時計方向である回転方向Ｒに回転する。

翼２２は、略円筒状のハブ２１の外周面２１ａから、径方向に外側に延在する。翼２２は、根元部２２ａと、先端部２２ｂと、前縁２２ｃと、後縁２２ｄとを有する。

根元部２２ａは、翼２２における径方向内側の端部であり、ハブ２１の外周面２１ａと当接する部位である。先端部２２ｂは、翼２２における径方向外側の端部である。前縁２２ｃは、翼２２の回転方向Ｒにおける前方側の端部である。後縁２２ｄは、翼２２の回転方向Ｒにおける後方側の端部である。

図２に示すように、翼２２は、回転方向Ｒに対して傾斜して配置される。翼２２は、たとえば、前縁２２ｃが後縁２２ｄより上側になるように傾斜する。また、図３に示すように、複数の翼２２はすべて同じ形状を有し、ハブ２１の外周面２１ａには複数の翼２２が、周方向に等間隔で配置されている。実施形態では、インペラ２０は５つの翼２２を有する。

ここで、図３に示すＡ−Ａ線は、回転軸Ｘを中心とする仮想円筒面Ａの一部を示したものであり、Ｂ−Ｂ線は、回転軸Ｘを中心とする仮想円筒面Ｂの一部を示したものであり、Ｃ−Ｃ線は、回転軸Ｘを中心とする仮想円筒面Ｃの一部を示したものである。

具体的には、翼２２の根元部２２ａを通る仮想円筒面の半径を０（％）、先端部２２ｂを通る仮想円筒面の半径を１００（％）とした場合、仮想円筒面Ａの半径は２５（％）であり、仮想円筒面Ｂの半径は５０（％）であり、仮想円筒面Ｃの半径は７５（％）である。すなわち、Ａ−Ａ線は翼２２の根元部２２ａに近い位置を通り、Ｂ−Ｂ線は翼２２の中央部を通り、Ｃ−Ｃ線は翼２２の先端部２２ｂに近い位置を通る。

図４は、実施形態に係る翼２２の各断面における前縁２２ｃからの距離と厚み分布との関係を示す図であり、上述のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線の各断面について示している。

なお、図４の横軸は、各断面における翼２２の前縁２２ｃでの値をゼロ、翼２２の後縁２２ｄでの値を１としてすべて規格化し、無次元量に変換した値である。また、図４の縦軸は、翼２２の前縁２２ｃおよび後縁２２ｄでの値をいずれもゼロ、翼２２の翼弦長の値を１としてすべて規格化し、無次元量に変換した値である。

すなわち、図４に示す一点鎖線が、各断面における翼弦線に対応し、グラフ中の曲線は各断面における翼型に対応する。

図４に示すように、実施形態では、Ａ−Ａ線断面からＢ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面になるにしたがって、翼２２の反り量が徐々に大きくなっている。すなわち、実施形態では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって、翼２２の反り量を徐々に大きくしている。

図５は、実施形態に係る翼２２の各断面における前縁２２ｃからの距離とキャンバーとの関係を示す図である。なお、図５の横軸は、図４と同様に各断面における翼２２の前縁２２ｃでの値をゼロ、翼２２の後縁２２ｄでの値を１としてすべて規格化し、無次元量に変換した値である。また、図５の縦軸は、翼弦長に対するキャンバー（翼型中心線と翼弦線との距離）の比率を示している。

図５に示すように、実施形態では、Ａ−Ａ線断面からＢ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面になるにしたがって、最大キャンバー（キャンバーの最大値）の値が徐々に大きくなっている。すなわち、実施形態では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって、翼２２の最大キャンバーを徐々に大きくしている。なお、実施形態では、いずれの断面でも、翼２２の中央部分でキャンバーが最大になっている。

また、実施形態では、図５に示すように、Ａ−Ａ線断面からＢ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面になるにしたがって、前縁２２ｃから後縁２２ｄまでの全体的なキャンバーの値が徐々に大きくなっている。すなわち、実施形態では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって、翼２２の前縁２２ｃから後縁２２ｄまでのキャンバーを徐々に大きくしている。

図６は、参考例における翼２２の各断面における前縁２２ｃからの距離と厚み分布との関係を示す図であり、実施形態の図４に対応する図である。すなわち、図６の横軸は、各断面における翼２２の前縁２２ｃでの値をゼロ、翼２２の後縁２２ｄでの値を１としてすべて規格化し、無次元量に変換した値である。また、図６の縦軸は、翼２２の前縁２２ｃおよび後縁２２ｄでの値をいずれもゼロ、翼２２の翼弦長の値を１としてすべて規格化し、無次元量に変換した値である。

図６に示すように、参考例では、Ａ−Ａ線断面からＢ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面のいずれにおいても、翼２２の反り量が略等しい。すなわち、参考例では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂにかけて、翼２２の反り量は略等しくなっている。

図７は、参考例における翼２２の各断面における前縁２２ｃからの距離とキャンバーとの関係を示す図であり、実施形態の図５に対応する図である。すなわち、図７の横軸は、図５と同様に各断面における翼２２の前縁２２ｃでの値をゼロ、翼２２の後縁２２ｄでの値を１としてすべて規格化し、無次元量に変換した値である。また、図７の縦軸は、翼弦長に対するキャンバーの比率を示している。

図７に示すように、参考例では、Ａ−Ａ線断面からＢ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面のいずれにおいても、最大キャンバーの値が略等しい。すなわち、参考例では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂにかけて、翼２２の最大キャンバーは略等しくなっている。

また、参考例では、図７に示すように、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂにかけて、翼２２の前縁２２ｃから後縁２２ｄまでのキャンバーは略等しくなっている。

図８は、実施形態および参考例における軸流ファン１のＰ−Ｑ特性曲線を示す図である。なお、Ｐ−Ｑ特性曲線とは、軸流ファン１の風量と静圧との関係を示した曲線であり、同じ風量における静圧の値が高いほど軸流ファン１の特性がよいことを示している。

図８に示すように、実施形態では、参考例とくらべて、風量の全領域において静圧が向上していることから、軸流ファン１の特性が改善していることがわかる。

図９は、実施形態および参考例における軸流ファン１の風量と消費電力および効率との関係を示す図である。図９に示すように、実施形態では、参考例とくらべて、風量の全領域において消費電力が低減するとともに効率が向上していることがわかる。なお、実施例では、参考例とくらべて消費電力が約７．１（％）低減している。

ここまで説明したように、実施形態では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって、翼２２の最大キャンバーを徐々に大きくすることにより、軸流ファン１の特性を改善することができる。

また、実施形態では、翼２２の根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって、翼２２の前縁２２ｃから後縁２２ｄまでのキャンバーを徐々に大きくすることにより、軸流ファン１の特性を改善することができる。

さらに、実施形態では、ハブ２１に対して相対的に翼２２を短くするとよい。具体的には、インペラ２０全体の直径Ｄ１（図３参照）に対するハブ２１の直径Ｄ２（図３参照）の比率を０．６以上にするとよい。なお、実施形態では、インペラ２０全体の直径Ｄ１に対するハブ２１の直径Ｄ２の比率は０．７である。

従来の軸流ファン１では、翼２２の最大キャンバーを大きくすることにより、特性が改善することが知られており、また、翼２２の先端部２２ｂのほうが根元部２２ａとくらべて周速度が速いことから、仕事量がより多いことが知られている。

一方で、仕事量の多い翼２２の先端部２２ｂの最大キャンバーを根元部２２ａより大きくした場合、先端部２２ｂの仕事量が過大になることから、インペラ２０を回転させるモータ１０への負荷が過大になってしまう。したがって、従来の軸流ファン１では、翼２２の先端部２２ｂより根元部２２ａの最大キャンバーを大きくすることにより、翼２２全体の仕事量を均等化して、モータ１０への負荷が過大にならないように設計されていた。

しかしながら、実施形態のようにハブ２１に対して相対的に翼２２が短い場合、根元部２２ａと先端部２２ｂとの周速度にそれほど差がないことから、先端部２２ｂの最大キャンバーを大きくしたとしても、モータ１０への負荷が過大にはなりにくい。したがって、実施形態によれば、仕事量のより多い先端部２２ｂの最大キャンバーを大きくすることにより、軸流ファン１の特性をさらに改善することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。たとえば、インペラ２０を回転させるモータ１０の構成は図１で示した構成に限られず、インペラ２０を回転させることができればどのような構成であってもよい。

以上のように、実施形態に係る軸流ファン１は、モータ１０と、インペラ２０とを備える。インペラ２０は、モータ１０によって回転され、ハブ２１と、ハブ２１から径方向に延在する複数の翼２２とを有し、翼２２の最大キャンバーが根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって徐々に大きくなる。これにより、軸流ファン１の特性を改善することができる。

また、実施形態に係る軸流ファン１において、翼２２は、前縁２２ｃから後縁２２ｄまでのキャンバーが根元部２２ａから先端部２２ｂになるにしたがって徐々に大きくなる。これにより、軸流ファン１の特性を改善することができる。

また、実施形態に係る軸流ファン１において、インペラ２０全体の直径Ｄ１に対するハブ２１の直径Ｄ２の比率は０．６以上である。これにより、軸流ファン１の特性をさらに改善することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 軸流ファン、１０ モータ、２０ インペラ、２１ ハブ、２２ 翼、２２ａ 根元部、２２ｂ 先端部、２２ｃ 前縁、２２ｄ 後縁

Claims (3)

1. モータと、
   前記モータによって回転され、ハブと、前記ハブから径方向に延在する複数の翼とを有し、前記翼の最大キャンバーが根元部から先端部になるにしたがって徐々に大きくなるインペラと、
   を備える、軸流ファン。
2. 前記翼は、前縁から後縁までのキャンバーが根元部から先端部になるにしたがって徐々に大きくなる、請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記インペラ全体の直径に対する前記ハブの直径の比率は０．６以上である、
   請求項１または２に記載の軸流ファン。

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