JP2019065763A

JP2019065763A - 遠心ファン

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Publication number: JP2019065763A
Application number: JP2017191581A
Authority: JP
Inventors: 裕哉堀井; Yuya Horii; 毅安村; Takeshi Yasumura
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN109578300A; CN109578300B; JP6950422B2; US11009032B2; US20190101124A1

Abstract

【課題】遠心ファンを小型化、薄型化する技術を提供する。【解決手段】遠心ファン１００は、モータ３０と、インペラ１０と、回路基板４０と、ケーシング１と、を有する。前記ケーシングは、軸方向下側に凹み、前記回路基板を収容する基板収容部が設けられた下ケーシング３を有する。前記インペラは、ボス部と、複数の羽根部と、上シュラウドと、下シュラウドと、を有する。前記ボス部は、ロータ３２に固定される。前記複数の羽根部は、前記ボス部の外周面に周方向に間隔を隔てて配置され、径方向外側へ向かって延びる。前記上シュラウドは、前記羽根部の軸方向上側の少なくとも一部を連結する。前記下シュラウドは、前記羽根部の軸方向下側の少なくとも一部を連結する。前記羽根部の下端面の少なくとも一部は、前記回路基板の上面と軸方向に対向する。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心ファンに関する。

特開２０１６−１０６１９７号公報には、遠心ファンが開示される。当該遠心ファンは、空気の吸込み口が形成された上ケーシングと下ケーシングとの間に円周上に配列された複数の羽根を有する羽根車が収納されている構造を有している。遠心ファンは、羽根車の回転に伴って、開口部を通して導入した空気を、羽根車の側方に排出させる。下ケーシングは、金属板製であって、下方に窪む凹部を有している。凹部の底面には、モータが取り付けられている。モータのステータの一部とモータの駆動回路が搭載されている回路基板とは、凹部の内部に収納されている。凹部には、モータを回転させるための電力を供給するための手段が通る孔部が設けられている。

特開２０１６−１０６１９７号公報

特許文献１のように、インペラの羽根部が上シュラウドおよび下シュラウドで挟み込まれた構成では、インペラを単一の部材で成形する場合に金型の横スライド機構が必要となり、金型構造が複雑化する。また、吸気口付近のアンダーカット部分を設けられないという制約がある。一方、インペラを２部材で作る場合は、単一の部材で成形する場合に問題となる形状的な問題は解決可能である。しかし、金型が２面必要であること、２部材を締結する溶着等の工法が必要となることから製造の難易度が高くなる。従って、インペラの構造を、金型を上下に抜くことのできる構造として、単一の部材で成形することが好ましい。

一方、高出力モータにおいては使用する電子部品も大型化するため、電子部品の大型化に合わせて回路基板を大きくしたいという要求がある。特許文献１の構成で回路基板を大きくする場合、回路基板を収納する凹部を大きくする必要がある。その結果、凹部の周縁部とインペラとの間にスペースが生じてしまい、下ケーシングが有していた導風機能が失われてしまう。以上より、回路基板を大きくする場合に静圧特性、風量特性、および騒音特性が低下する可能性がある。

この対策として、インペラの下シュラウドを径方向外側に延長することにより、凹部の周縁部とインペラとの間のスペースを埋めることも考えられる。しかし、この方法では上シュラウドと下シュラウドにアンダーカット部分が発生し、金型構造が複雑化するという問題がある。また、羽根部の高さが短くなり、薄型遠心ファンにおいて風量が低下する虞がある。

本発明は、小型化、薄型化に適した構成で、回路基板を大きくしたときの静圧特性及び風量特性が優れ、かつ騒音も小さい遠心ファンを提供することを目的とする。

本発明の例示的な遠心ファンは、ステータと、前記ステータに対して回転可能なロータと、を有するモータと、前記ロータに固定され、前記ロータと共に回転するインペラと、前記モータに電気的に接続される回路基板と、前記モータ、前記インペラ、および前記回路基板を収容するケーシングと、を有する遠心ファンであって、前記ケーシングは、軸方向下側に凹み、前記回路基板を収容する基板収容部が設けられた下ケーシングを有し、前記インペラは、前記ロータに固定される円筒状のボス部と、前記ボス部の外周面に周方向に間隔を隔てて配置され、径方向外側へ向かって延びる複数の羽根部と、前記羽根部の軸方向上側の少なくとも一部を連結する環状の上シュラウドと、前記羽根部の軸方向下側の少なくとも一部を連結する環状の下シュラウドと、を有し、前記羽根部の下端面の少なくとも一部は、前記回路基板の上面と軸方向に対向する、遠心ファン。

例示的な本発明によれば、遠心ファンを小型化、薄型化するための技術を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る遠心ファンの全体構成を示す外観斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る遠心ファンの側面断面図である。図３は、遠心ファンから上ケーシングとインペラを取り外した状態を示す斜視図である。図４は、インペラを上側から見た斜視図である。図５は、インペラを下側から見た斜視図である。図６は、本発明の実施形態に係る遠心ファンの排気口周辺の部分断面図である。図７は、図６におけるインペラの上シュラウドおよび下シュラウド付近の拡大図である。図８は、図７におけるインペラと回路基板の対向部分の拡大図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本明細書では、図２に示す遠心ファン１００の中心軸Ｐに平行な方向を「軸方向」、中心軸Ｐと直交する方向を「径方向」、中心軸Ｐを中心とする円弧に沿う方向を「周方向」とそれぞれ称する。また、本明細書では、中心軸Ｐが延びる方向を上下方向とし、インペラ１０側を上方向、モータ３０側を下方向として各部の形状や位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係る遠心ファン１００の使用時の向きを限定する意図はない。

また、本願において「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。また、本願において「直交する方向」とは、略直交する方向も含む。

＜１．遠心ファンの構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る遠心ファン１００の全体構成を示す外観斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る遠心ファン１００の側面断面図である。図３は、遠心ファン１００から上ケーシング２とインペラ１０を取り外した状態を示す斜視図である。図１および図２に示すように、遠心ファン１００は、ケーシング１と、インペラ１０と、モータ３０と、回路基板４０と、を有する。

ケーシング１は、インペラ１０と、モータ３０と、回路基板４０と、を収容する。ケーシング１は、上ケーシング２と下ケーシング３とを有する。上ケーシング２は、インペラ１０の軸方向上側を覆うとともに、インペラ１０の径方向中央部に対向する円形の吸気口２ａを有する。下ケーシング３は、モータ３０と、回路基板４０と、を収容する。下ケーシング３は、基板収容部４と、基板収容部４の周縁から径方向外側に延びるフランジ部５とを有する。基板収容部４は軸方向下側に凹み、回路基板４０を収容する。基板収容部４は回路基板４０と同一の形状であって、回路基板４０よりも径方向に僅かに大きく形成されている。基板収容部４の径方向中央部にモータ３０が位置し、モータ３０の周囲に回路基板４０が配置される。

モータ３０は、ステータ３１と、ロータ３２と、シャフト３３と、軸受部３４と、軸受保持部３５と、を有する。ロータ３２は、ステータ３１の上側であって径方向外側に配置される。ロータ３２は、下方向に開口するカップ形状である。ロータ３２の外側には、インペラ１０が固定される。ロータ３２の径方向中心にはシャフト３３が固定される。ロータ３２の内周面にはロータマグネット３６が固定される。本実施形態では、ロータマグネット３６は単一の環状マグネットである。ロータマグネット３６の径方向内側の面には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に着磁される。単一の環状マグネットに替えて、複数のマグネットがロータ３２の内周面に配置されてもよい。

シャフト３３は、中心軸Ｐに沿って配置された柱状の部材である。シャフト３３の材料には、例えば、ステンレス等の金属が用いられる。シャフト３３の上端部は、上側の軸受部３４よりも上方に位置する。シャフト３３の上端部は、ロータ３２の中心軸Ｐに沿って軸方向に貫通するロータ孔に固定される。

軸受部３４は、中心軸Ｐを中心としてシャフト３３を回転可能に支持する。軸受保持部３５は、径方向外側にステータ３１を支持するとともに、径方向内側に軸受部３４を支持する。軸受保持部３５の材料には、例えば、ステンレス、真鍮等の金属が用いられる。ただし、軸受保持部３５の材料は、金属に限らず、樹脂であってもよい。軸受保持部３５は、中心軸Ｐの周囲において、軸方向に円筒状に延びる。軸受保持部３５の下端部は、下ケーシング３の中心軸Ｐに設けられた円孔に挿入され、下ケーシング３に対して固定される。

ステータ３１は、駆動電流に応じて磁束を発生させる電機子である。ステータ３１は、ステータコア、インシュレータ、およびコイルを有する。

ステータコアは、磁性体である。ステータコアには、例えば積層鋼板が用いられる。ステータコアは、円環状のコアバックと、複数のティースとを有する。コアバックは、軸受保持部３５の外周面に固定される。複数のティースは、コアバックから径方向外側へ向けて突出する。インシュレータは、絶縁体である。インシュレータの材料には、例えば樹脂が用いられる。インシュレータは、ステータコアの少なくとも一部を覆う。コイルは、インシュレータを介してティースに巻かれた導線からなる。

ステータ３１に駆動電流を供給することによって、ロータマグネット３６とステータ３１との間で回転トルクが発生する。これにより、ステータ３１に対してロータ３２が回転し、ロータ３２に固定されたインペラ１０も中心軸Ｐを中心に回転する。なお、図２に例示したモータ３０は、ステータ３１の径方向外側にロータ３２が配置されるアウターロータ型のモータであるが、ステータ３１の径方向内側にロータ３２が配置されるインナーロータ型のモータであってもよい。

回路基板４０は、モータ３０に電気的に接続されており、モータ３０の径方向外側に支持される。回路基板４０は、下ケーシング３の基板収容部４内に配置される。回路基板４０は、下ケーシング３の上側かつステータ３１の下側において、中心軸Ｐに対して略垂直に配置される。回路基板４０は、例えば、インシュレータに対して固定される。回路基板４０には、コイルに駆動電流を供給するための電気回路が搭載される。コイルを構成する導線の端部は、回路基板４０に設けられた端子と、電気的に接続される。

図４は、インペラ１０を上側から見た斜視図である。図５は、インペラ１０を下側から見た斜視図である。インペラ１０は、ボス部１１と、複数の羽根部１３と、上シュラウド１５と、下シュラウド１７と、を有している。ボス部１１、羽根部１３、上シュラウド１５、および下シュラウド１７は、同一の樹脂材料で形成された単一の部材である。

ボス部１１は、円筒状であって、モータ３０の上側においてロータ３２の外周面に固定される。複数の羽根部１３は、ボス部１１の外周面から周方向に間隔を隔てて配置されている。羽根部１３は、平面視において、遠心ファン１００の回転方向と同じ方向へ傾斜しつつ、径方向外側へ向かって放射線状に延びている。なお、羽根部１３の径方向外側へ延びる方向はこの限りではなく、羽根部１３の一部が回転方向と逆方向に延びてもよく、または回転方向と直交して延びてもよい。

上シュラウド１５は、羽根部１３の上側の少なくとも一部、具体的には径方向外側の部分を連結するように環状に設けられる。下シュラウド１７は、羽根部１３の下側の少なくとも一部、具体的には径方向内側の部分を連結するように環状に設けられる。

上ケーシング２の吸気口２ａから吸入された気体は、インペラ１０の回転によってケーシング１内を周方向に旋回した後、上ケーシング２と下ケーシング３との間に設けられた排気口２ｂから排出される。上シュラウド１５および下シュラウド１７は、吸気口２ａからケーシング１内に引き込まれた気体を効率よく排気口２ｂに導くことで遠心ファン１００のファン効率を向上させる。排気口２ｂはケーシング１の周方向全域に設けられている。ただし、ケーシング１の周方向の一部のみに排気口２ｂを設けてもよい。

＜２．遠心ファンの排気口周辺の構成＞
次に、本実施形態に係る遠心ファン１００の特徴部分である、排気口２ｂ周辺の構成について詳細に説明する。図６は、本発明の実施形態に係る遠心ファン１００の排気口２ｂ周辺の部分断面図である。図７は、図６におけるインペラ１０の上シュラウド１５および下シュラウド１７付近の拡大図である。

図６に示すように、ロータ３２、インペラ１０のボス部１１および羽根部１３は、径方向に重なるように配置される。ロータ３２の下端面およびボス部１１の下端面は、羽根部１３の下端面１３ａよりも軸方向上側に位置する。さらに、ボス部１１の軸方向高さをインペラ１０の軸方向高さ内に収めることで、遠心ファン１００を薄型化することができる。さらに、ステータ３およびロータマグネット３６の軸方向高さは、インペラ１０の軸方向高さ内に収められる。これにより、遠心ファン１００を薄型化することができる。

インペラ１０は、羽根部１３の下端面１３ａの少なくとも一部、具体的には羽根部１３の下端面１３ａの径方向内側の部分が、回路基板４０の上面４０ａと軸方向に対向している。これにより、吸気口２ａ、およびボス部１１の外周面と上シュラウド１５の内周面の隙間から軸方向に流入した空気流は回路基板４０の上面４０ａに沿って遠心方向に導かれる。即ち、回路基板４０の上面４０ａが空気流の流路の一部を兼ねることにより、ケーシング１を薄型化することができる。

図７に示すように、下シュラウド１７の径方向外側の端部１７ａは、回路基板４０の径方向外側の端縁４０ｂよりも径方向内側に位置している。これにより、図６の黒矢印で示すように吸気口２ａから下シュラウド１７に沿って流入した空気流は、回路基板４０の上面４０ａにおいて、さらに遠心方向に向きを変えて排気口２ｂから排出される。

また、下ケーシング３のフランジ部５の上面５ａは、回路基板４０の上面４０ａと同じ軸方向高さとなっている。これにより、フランジ部５の上面５ａと回路基板４０の上面４０ａとが同一平面上に位置するため、回路基板４０およびフランジ部５に沿って空気流を遠心方向に円滑に排出することができる。なお、フランジ部５の上面５ａが回路基板４０の上面４０ａよりも低い構成であってもよい。この場合、回路基板４０の上面４０ａに沿って遠心方向に向きを変えた空気流がフランジ部５の径方向内側の端縁５ｂに当たって減衰するのを抑制することができる。即ち、フランジ部５の上面５ａの高さが回路基板４０の上面４０ａの高さ以下であればよい。

たとえば、回路基板４０の軸方向下側に向く下面には複数の電子部品が配置されている。フランジ部５の径方向内側の端縁５ｂと回路基板の径方向外側の端縁４０ｂとは所定の間隙５０を隔てて対向している。インペラ１０の配置される回路基板４０の軸方向上側の空間は、間隙５０を介して回路基板４０の軸方向下側に位置する基板収容部４内の空間と通じている。これにより、下シュラウド１７および回路基板４０に沿って遠心方向に向きを変えた空気流は間隙５０を通過して、回路基板４０と下ケーシング３との間にある基板収容部４内の空間に流入する。従って、回路基板４０の下面に実装された電子部品を冷却することができる。よって、電子部品の発熱を抑制することができる。

また、羽根部１３の下端面１３ａの少なくとも一部、具体的には羽根部１３の下端面１３ａの径方向外側の部分は、フランジ部５の上面５ａと軸方向に対向している。つまり、羽根部１３の下端面１３ａは、回路基板４０の上面４０ａとフランジ部５の上面５ａとに、それぞれ軸方向に対向している。回路基板４０の上面４０ａとフランジ部５の上面５ａとが連続的に水平方向に配置され、かつ回路基板４０の上面４０ａとフランジ部５の上面５ａとの上方に羽根部１３が配置される。羽根部１３をフランジ部５と軸方向に重なる位置まで延長することで、インペラ１０の回転によって発生する風量を増大させることができる。

下シュラウド１７は、傾斜部１７ｂと平坦部１７ｃとを有する。傾斜部１７ｂの径方向内端は、ボス部１１の外周面に接続されている。傾斜部１７ｂは、径方向内側から外側に向かって下方に傾斜する。平坦部１７ｃは、傾斜部１７ｂの径方向外側に連続して形成されており、軸方向と垂直な平面に沿って拡がる。下シュラウド１７が傾斜部１７ｂを有することで、吸気口２ａから軸方向に流入した空気流が傾斜部１７ｂに沿って回路基板４０の上面に向きを変えることができる。また、傾斜部１７ｂに連続して平坦部１７ｃを設けることで、傾斜部１７ｂ、平坦部１７ｃ、および回路基板４０に沿って空気流の向きを遠心方向へ円滑に変えることができる。

下シュラウド１７の径方向外側の端縁１７ａは、上シュラウド１５の径方向内側の端縁１５ａと径方向において同じ位置である。これにより、インペラ１０を樹脂により射出成形する際に金型を上下方向に抜くことができる。従って、金型を割り型にしたり、金型のスライド機構を設けたりする必要がなく、金型の構造または製造工程を簡素化することができる。なお、下シュラウド１７の径方向外側の端縁１７ａは、上シュラウド１５の径方向内側の端縁１５ａよりも径方向内側であってもよい。即ち、下シュラウド１７の径方向外側の端縁１７ａが、上シュラウド１５の径方向内側の端縁１５ａと径方向において同じ位置、若しくは上シュラウド１５の径方向内側の端縁１５ａよりも径方向内側であれば、金型を上下方向に抜くことができる。

インペラ１０の金型構造又は製造工程を簡素化するために下シュラウド１７の径方向外側の端縁１７ａと、上シュラウド１５の径方向内側の端縁１５ａとの位置関係を上記のようにすることで、中心軸Ｐから下シュラウド１７の径方向外側の端縁１７ａまでの径方向長さが短くなり、遠心方向へ空気流を円滑に流すことが制限される。しかし、本実施形態では、羽根部１３の下端面１３ａが、回路基板４０の上面４０ａと軸方向に対向することにより、吸気口２ａから軸方向に流入した空気流は、回路基板４０の上面４０ａに沿って遠心方向に導かれる。即ち、回路基板４０の上面４０ａが空気流の流路の一部を兼ねることにより、ケーシング１を薄型化することができる。

図８は、図７におけるインペラ１０と回路基板４０の対向部分の拡大図である。回路基板４０は、下シュラウド１７の径方向外側の端縁１７ａよりも径方向外側の位置に電子部品６０が実装されている。これにより、下シュラウド１７に沿って遠心方向に誘導された空気流の流路に電子部品６０が配置されることとなり、空気流による電子部品６０の空冷効果を有する。特に、発熱量が大きい電子部品６０を端縁１７ａよりも径方向外側の位置に配置することで、電子部品６０からの放熱量を低減することができる。

また、上シュラウド１５の上方に上ケーシング２を配置することにより、上シュラウド１５周辺の空気流の乱れが抑制され、遠心ファン１００の効率が向上する。

本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、本明細書中に示される複数の実施形態及び変形例は可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。

本発明は、例えばレンジフードファン、ダクト用換気扇、熱交換ユニット、印刷装置の用紙吸着等に用いられる遠心ファンに利用することができる。

１・・・ケーシング
２・・・上ケーシング
３・・・下ケーシング
４・・・基板収容部
５・・・フランジ部
１０・・・インペラ
１１・・・ボス部
１３・・・羽根部
１５・・・上シュラウド
１７・・・下シュラウド
１７ａ・・・傾斜部
１７ｂ・・・平坦部
３０・・・モータ
３１・・・ステータ
３２・・・ロータ
３３・・・シャフト
３４・・・軸受部
３５・・・軸受保持部
３６・・・ロータマグネット
４０・・・回路基板
５０・・・間隙
６０・・・電子部品
１００・・・遠心ファン
Ｏ・・・中心軸

Claims

ステータと、
前記ステータに対して回転可能なロータと、
を有するモータと、
前記ロータに固定され、前記ロータと共に回転するインペラと、
前記モータに電気的に接続される回路基板と、
前記モータ、前記インペラ、および前記回路基板を収容するケーシングと、
を有する遠心ファンであって、
前記ケーシングは、
軸方向下側に凹み、前記回路基板を収容する基板収容部が設けられた下ケーシングを有し、
前記インペラは、
前記ロータに固定される円筒状のボス部と、
前記ボス部の外周面に周方向に間隔を隔てて配置され、径方向外側へ向かって延びる複数の羽根部と、
前記羽根部の軸方向上側の少なくとも一部を連結する環状の上シュラウドと、
前記羽根部の軸方向下側の少なくとも一部を連結する環状の下シュラウドと、を有し、
前記羽根部の下端面の少なくとも一部は、前記回路基板の上面と軸方向に対向する、遠心ファン。
前記下シュラウドの径方向外側の端縁は、前記回路基板の外周縁よりも径方向内側に配置される、請求項１に記載の遠心ファン。
前記下ケーシングは、前記基板収容部の外周縁から径方向外側に延びるフランジ部を有し、軸方向における前記フランジ部の上面の高さは、前記回路基板の上面の高さ以下である、請求項１または２に記載の遠心ファン。
前記フランジ部の径方向内側の端縁と前記回路基板の径方向外側の端縁とは所定の間隙を隔てて対向し、
前記回路基板の軸方向上側の空間は、前記間隙を介して前記回路基板の軸方向下側に位置する前記基板収容部内の空間と連通している、請求項３に記載の遠心ファン。
前記羽根部の下端面の少なくとも一部は、前記フランジ部の上面と軸方向に対向する、請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心ファン。
前記下シュラウドは、径方向内側から外側に向かって軸方向下側に傾斜する傾斜部を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の遠心ファン。
前記下シュラウドは、前記傾斜部の径方向外側に連続して形成され、軸方向と垂直な平面に沿って拡がる平坦部を有する、請求項６に記載の遠心ファン。
前記下シュラウドの径方向外側の端縁が、前記上シュラウドの径方向内側の端縁と径方向において同じ位置、若しくは前記上シュラウドの径方向内側の端縁よりも径方向内側に位置する、請求項１から７のいずれか１項に記載の遠心ファン。
前記回路基板は、前記下シュラウドの径方向外側の端縁よりも径方向外側の位置に電子部品が実装される、請求項１から８のいずれか１項に記載の遠心ファン。
前記ケーシングは、前記インペラの軸方向上側を覆う上ケーシングを有し、前記上ケーシングは、前記インペラの径方向中央部に対向する円形の吸気口を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の遠心ファン。