JP2019173734A - ファン装置 - Google Patents

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貴文 児玉
Takafumi Kodama
貴文 児玉
功一 玉井
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功一 玉井
晴臣 諸橋
Haruomi Morohashi
晴臣 諸橋
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Toshiaki Kiyoma
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Abstract

【課題】インペラ及びモータを支持する構造の強度が高く、かつ、風量特性が良好なファン装置を提供する。【解決手段】ファン装置1は、モータベース部6に配置されたモータ100と、インペラ3と、フレーム9と、モータベース部6とフレーム9とを接続するスポーク部10とを備える。インペラ3は、複数の羽根5を有し、モータ100のシャフト15に取り付けられている。フレーム9は、気体の吸い込み口9vを有し、回転軸方向から見てインペラ3を囲む。複数の羽根5の前端縁の少なくとも一部は、フレーム9の内側に入り込んでおり、かつ、複数の羽根5の外周部の少なくとも一部は、径方向に露出している。複数の羽根5のそれぞれは、その羽根5の外周部から回転軸方向であって吸い込み口9vに向かう方向に延在する翼壁5gを有する。【選択図】図1

Description

この発明は、ファン装置に関し、特に、インペラの外周部の全体を囲む風洞部が設けられていないファン装置に関する。
ファン装置は、送風機として、家電機器、OA機器、産業機器の冷却、換気、空調や、車両用の空調、送風の用途に広く用いられている。例えば、ファン装置は、電子機器のMPU(Micro Processing Unit)等の発熱部品に取り付けられて、ヒートシンクの冷却機能を向上させるのに用いられる。
下記特許文献1には、冷却ファンであって、省スペース化及び軽量化を図るため、インペラを包囲しているケーシング部が除去された構造を有するものが記載されている。
なお、下記特許文献2には、車両に搭載される灯具において、発光素子の発熱を放熱するために、ヒートシンクと送風装置であるファンを備えた放熱ユニットを用いた構造が記載されている。ファンは、ヒートシンクに設けられた収容部に収容されている。
また、下記特許文献3には、複数の羽根の各端部に補助翼を形成して、補助翼の整流作用により騒音の低減を図った軸流ファン装置の構造が記載されている。
特開2001−304188号公報 特開2014−056792号公報 特開2008−223563号公報
ところで、特許文献1に示されるような冷却ファンにおいては、インペラの中央部に、複数のスポーク部が形成された円形のモータ取付部が設けられている。このようなスポーク部の幅寸法が大きいと、冷却ファンを駆動させたときの通風抵抗への影響が大きくなり、冷却ファンの風量特性が悪くなる。冷却ファンの特性を高くするためには、スポーク部の幅寸法を小さく設定する必要がある。そのため、スポーク部の強度は低くなりがちであり、例えば冷却ファンを機器等に取り付ける作業時などに、スポーク部が破損する可能性が高くなる。
このような問題点に関する解決策は、引用文献2,3には開示されていない。
この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、インペラ及びモータを支持する構造の強度が高く、かつ、風量特性が良好なファン装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、ファン装置は、モータベース部に配置されたモータと、複数の羽根を有し、モータの回転軸に取り付けられているインペラと、気体の吸い込み口を有し、回転軸方向から見てインペラを囲むフレームと、モータベース部とフレームとを接続する複数のスポーク部とを備え、複数の羽根の前端縁の少なくとも一部は、フレームの内側に入り込んでおり、かつ、複数の羽根の外周部の少なくとも一部は、径方向に露出しており、複数の羽根のそれぞれは、その羽根の外周部から回転軸方向であって吸い込み口に向かう方向に延在する翼壁を有する。
好ましくは、翼壁の回転軸方向の端部の少なくとも一部は、フレームの内側に入り込んでいる。
好ましくは、翼壁は、羽根の外周部の前端縁側から後端縁側までの領域に設けられている。
好ましくは、翼壁の回転軸方向の端部は、羽根の外周部の前端縁側から後端縁側までの領域において、フレームの内側に入り込んでいる。
好ましくは、翼壁の外周面は、回転軸を中心とする円筒面の一部をなす。
これらの発明に従うと、インペラ及びモータを支持する構造の強度が高く、かつ、風量特性が良好なファン装置を提供することができる。
本発明の実施の形態の1つにおけるファン装置を示す斜視図である。 ファン装置を上面側から見た図である。 図2のA−A線断面図である。 ファン装置を下面側から見た図である。 ファン装置のインペラを示す斜視図である。 本実施の形態のファン装置との比較対象としたファン装置を示す斜視図である。 比較対象のファン装置の風量特性を示す図である。 本実施の形態に係るファン装置と、比較対象のファン装置との風量特性の比較結果を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態におけるファン装置について説明する。
ファン装置は、例えば、回転軸を中心に回転するインペラと、インペラと回転軸に並ぶように配置されているモータとを有する軸流ファンである。ファン装置は、インペラの側周部の全部を全周にわたって囲むような風洞部は有していないものであり、モータを支持するモータベース部が周囲のフレームに複数のスポーク部を介して接合された板状の支持構造を有している。ファン装置は、例えば、支持構造が他の装置の筐体等に取り付けられて、その装置において送風等の用途に用いられる。
以下の説明において、回転軸周りの方向を周方向ということがあり、回転軸に対して垂直な方向(回転軸に近づいたり離れたりする方向)を径方向ということがある。また、回転軸方向を上下方向ということがあり、このうち、モータに対してインペラが設けられているほうを上(上方)といい、その逆の方向を下(下方)ということがある。なお、ここで上下とはファン装置それ自体のみに着目した表現であり、他の装置に取り付けられた状態のファン装置の姿勢について何らの限定を行うものではない。
[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態の1つにおけるファン装置1を示す斜視図である。図2は、ファン装置1を上面側から見た図である。図3は、図2のA−A線断面図である。図4は、ファン装置1を下面側から見た図である。図5は、ファン装置1のインペラ3を示す斜視図である。
説明の効率化のため、図2においては、支持部材2のスポーク部10の図示は省略されている。図4においては、インペラ3の図示は省略されている。
図1に示されるように、ファン装置1は、軸流ファンである。ファン装置1は、モータ100と、支持部材2と、インペラ3とを有している。
インペラ3は、ハブ4と、複数の羽根5とを有している。ハブ4は、略円筒状である。ハブ4は、モータ100に接続されている。複数の羽根5のそれぞれは、ハブ4の外周面に取り付けられている。ハブ4と羽根5とは、例えば、樹脂の射出成型にて一体成形される。なお、これに限られず、各部の全部や一部が、他の部位とは別々に成形されているものであってもよい。また、ハブ4又は羽根5は、樹脂製でなく、他の素材を用いて構成されていてもよい。羽根5の枚数は、例えば9枚であるが、これに限られるものではない。
ファン装置1は、例えば、モータ100によりインペラ3を回転させて、空気等の気体を下から上へ流すことができるように構成されている。図1及び図5に示される矢印Rは、インペラ3の回転方向を示す。なお、インペラ3の回転方向はこれに限られるものではない。
図2に示されるように、羽根5は、周方向に略等しい間隔で並んでいる。複数の羽根5は、互いに同じ形状である。
支持部材2は、フレーム9と、モータベース部6と、2箇所の取付部7,8と、スポーク部10(10aから10d)とを有している。
フレーム9と、モータベース部6と、取付部7,8と、スポーク部10とは、樹脂の射出成型にて一体成形されて構成された、一体成形品である。なお、これに限られず、各部の全部や一部が、他の部位とは別々に成形されているものであってもよい。また、樹脂製でなく、他の素材を用いて構成されていてもよい。
支持部材2は、全体として、板状に形成されている。本実施の形態において、支持部材2の各部の上下方向の寸法(厚み)は、フレーム9の厚みと同じか、それより薄くなるように構成されている。支持部材2は、板状の樹脂板から削り出されることにより形成されていてもよい。
図4に示されるように、モータベース部6は、4本のスポーク部10を有している。各スポーク部10は、一方端がモータベース部6と接合し、他方端がフレーム9に接合するように、径方向が長手方向となるようにして配置されている。スポーク部10は、フレーム9とモータベース部6とを接続することにより、フレーム9に対して、モータベース6を支持している。
図2に示されるように、フレーム9は、上面視では、インペラ3の側周部を全周にわたって囲む(囲繞する)ように、円環状に形成されている。すなわち、フレーム9は、回転軸方向から見てインペラ3の周囲を囲む、環状の内周壁9aを有している。フレーム9は、ほとんどの部分がインペラ3の下方に位置している。そのため、実際には、インペラ3の側周部の上下方向中央部辺りは、フレーム9により囲まれていることはない。インペラ3の側周部の上下方向中央部辺りは、側方(回転軸に対して垂直な方向)から見て露出している(径方向に露出している)。換言すると、複数の羽根5の外周部の少なくとも一部は、径方向に露出している。
図4に示されるように、環状のフレーム9の外側において、相対向する2つの部分のそれぞれに、取付部7,8が形成されている。取付部7,8は、フレーム9から部分的に径方向に突出する部位である。各取付部7,8のそれぞれには、貫通孔7a,8aが形成されている。取付部7,8は、ファン装置1を機器の筺体や、ヒートシンクなどに取り付けるためのものである。すなわち、貫通孔7a,8aにボルトやねじを差し込んで通し、締結することにより、取付部7,8を機器の筐体等に固定できる。
なお、4本のスポーク部10のうち、1つのスポーク部10dには、スポーク部10dに沿うようにリード線25が配線されている。リード線25は、外部からモータ100に電力を供給するためのものである。
図4に示されるように、フレーム9とスポーク部10とは、回転軸方向から見て(下方から見て)、各取付部7,8に形成された貫通孔7a,8aの中心を通る線Bを対称軸として、略線対称となる形状を有している。なお、リード線25が配線されるスポーク部10dのみ、他のスポーク部10a,10b,10cとは形状が異なっている。
リード線25は、後述するモータ100の回路基板20の端子部に電気的に接続されている。リード線25には、チューブ26が被せられて保護されている。リード線25は、フレーム9と一体成形にて形成されたフック27に掛けられて、ファン装置1の外部に引き出されている。
ファン装置1は、気体を下から上に流す。すなわち、環状のフレーム9の下部には、気体を吸い込む吸い込み口9vが設けられているといえる。換言すると、気体の吸い込み口9vは、フレーム9の内周壁9aとスポーク部10とで囲まれた部分となっている。
モータ100は、アウターロータ型のブラシレスDCモータである。図3に示されるように、モータ100は、モータベース部6に装着されている。モータ100は、ロータ12と、ステータ部102とを有している。
ステータ部102は、軸受ホルダ16と、軸受21,22と、ステータ11とを有している。ステータ11は、ステータコア17と、インシュレータ18(上側インシュレータ18a、下側インシュレータ18b)と、コイル19とを有している。
軸受ホルダ16は、モータベース部6の中央に上方に突出するように形成された突出部6bの開口にはめられた状態で、モータベース部6に固定されている。ステータ11は、軸受ホルダ16の外周面に取り付けられている。
ステータ11は、軸受ホルダ16の外周にはめられた状態で装着されたステータコア17と、ステータコア17に上方から装着された上側インシュレータ18aと、ステータコア17に下方から装着された下側インシュレータ18bと、コイル19とを有している。
ステータコア17は、環状のヨーク部から径外方に延在する複数の突極を有したコアを所定枚数、軸方向に積層して構成されている。ステータコア17に上側インシュレータ18aと下側インシュレータ18bからなるインシュレータ18が装着されている。コイル19は、ステータコア17の突極のそれぞれに、インシュレータ18を介して巻かれた状態で、取り付けられている。
なお、下側インシュレータ18bの下側で、軸受ホルダ16の外周部には、電子部品が実装された回路基板20が装着されている。回路基板20は、リード線25に接続されている。
ロータ12は、ロータヨーク13と、マグネット14と、シャフト15とを有している。
ロータヨーク13は、例えば鉄等の軟磁性材からなる、下方に開口するカップ状の部材である。マグネット14は、リング状である。マグネット14は、ロータヨーク13の内周面に固着されている。シャフト15は、例えば鉄製である。シャフト15は、ロータヨーク13の上面に、下方に突出するように取り付けられている。シャフト15は、ロータヨーク13の中央に形成された突出部13bにシャフト15の上方の端部が圧入された状態で、ロータヨーク13に結合されている。ロータヨーク13の突出部13bは、例えば、絞り加工、バーリング加工、等により形成されている。
インペラ3のハブ4は、ロータヨーク13の外周面に固定されている。ハブ4は、例えば、接着剤を用いてロータヨーク13の外周面に接着されている。なお、ロータヨーク13をインサート成形して、ロータヨーク13を含むインペラ3を製造するようにしてもよい。なお、ハブ4は環状であり、金属製のロータヨーク13の上面(天面)は上方に露出しているが、これに限られるものではない。
図5に示されるように、インペラ3のそれぞれの羽根5は、矢印Rで示される回転方向に向かって下方に傾斜する曲面板形状を有している。羽根5の前端縁5aが下方に位置し、羽根5の後端縁5bが上方に位置している。前端縁5aから後端縁5bにかけて、羽根5の上面が圧力面5cとなり、下面が負圧面5dとなる。圧力面5cと負圧面5dとの間隔はほぼ均一であるが、これに限られるものではなく、前端縁5aから後端縁5bにかけて、又は径方向内側から外側にかけて、羽根5の翼厚が異なっていてもよい。
本実施の形態において、それぞれの羽根5は、翼壁5gを有している。翼壁5gは、羽根5の外周部から下方向に立設している部位である。すなわち、翼壁5gは、羽根5の外周部から、回転軸方向であって気体の吸い込み口9vに向かう方向に延在している。
翼壁5gは、羽根5の外周部の前端縁5a側から後端縁5b側の領域に設けられている。すなわち、翼壁5gの下端部(回転軸方向の端部)5hは、前端縁5aの径方向外側の端部から、後端縁5bの径方向外側の端部の下方の部位まで、上下方向において前端縁5aの径方向外側の端部と同じ高さに位置している。翼壁5gは、インペラ3の成形時にインペラ3の他の部位と一体に成形される。なお、翼壁5gの後端縁5b側の回転軸方向の高さは、ハブ4の高さと略同じ高さに設定されているが、これに限られず、ハブ4の高さよりも高くてもよいし、ハブ4の高さよりも低くてもよい。
本実施の形態において、翼壁5gの外周面は、シャフト15を中心とする円筒面の一部をなしている。すなわち、シャフト15を中心とする円筒面のうち、前端縁5aの径方向外側の端部を通りシャフト15に対して垂直な平面(水平面ということがある)と、圧力面5cの径方向外側の端部と、後端縁5bの径方向外側の端部を通る上下方向の直線とで囲まれた領域が、翼壁5gの外周面となっている。下端部5hは、シャフト15を中心とする円弧形状を有しており、水平面内にある。
換言すると、それぞれの羽根5は、ハブ4の外周面から円筒面状の翼壁5gまで、径方向に延びている。
ここで、複数の羽根5の前端縁5aの少なくとも一部は、フレーム9の内側に入り込んでおり、かつ、複数の羽根5の外周部の少なくとも一部は、径方向に露出している。すなわち、図3に示されるように、本実施の形態において、各羽根5の一部は、フレーム9の内側に収容されて(フレーム9の内周壁9aの内側に収容されて)、側面視でフレーム9によって隠されるように構成されている。換言すると、フレーム9の上下方向の寸法Lは、羽根5の下方の端部がフレーム9の中に収容されうる程度の大きさに設定されている。また、羽根5の外周部の翼壁5gのうち上方の部位は、径方向に露出している。
翼壁5gの下端部5hの少なくとも一部は、フレーム9の内側に入り込んでいる。換言すると、翼壁5gは、各羽根5の外周部から、スポーク部10の近傍に向けて、下方に突出している。本実施の形態においては、図3に示されるように、翼壁5gの下端部5hは、羽根5の外周部の前端縁5a側から後端縁5b側までの領域において、すなわち全領域において、フレーム9の内側に入り込んでいる。このように翼壁5gの下端部5hがフレーム9の内側に入り込んでいることにより、気体を吸い込む下側の前端縁5aから気体を吐き出す上側の後端縁5bにかけて、モータベース部6とハブ4との外周面、負圧面5d、翼壁5gの内周面、及び内周壁9aにより囲まれたトンネル状の流路が構成されている。
上述の通り、ファン装置1は、インペラ3の周囲を、インペラ3の上下方向の長さ全体にわたって周方向に囲むような風洞部は備えていないものである。換言すると、ファン装置1において、インペラ3は、その下方の端部の一部の部分のみが側面視でフレーム9に隠れているだけで、インペラ3の上下方向の長さの半分以上の部分は、側面視で、径方向に露出している。すなわち、スポーク部10の上下方向の寸法を大きくすることができるので、下方から見たスポーク部10の幅寸法を小さくしても、高い剛性及び強度が確保される。スポーク部10の幅寸法が同じ条件下であれば、より高い剛性及び強度を有する。したがって、インペラ3とモータ100とを支持する支持部材2を、より高強度で壊れにくいものにすることができる。スポーク部10は、インペラ3の外径よりも大径のフレーム9に接続されているので、例えば上述の特許文献1に記載されているようなスポーク部のみを有するものと比較して、スポーク部10の剛性や強度を向上させることができる。
[ファン装置1の風量特性(P−Q特性)について]
図6は、本実施の形態のファン装置1との比較対象としたファン装置801を示す斜視図である。
以下、比較対象のファン装置801について説明する。ファン装置801は、上述のファン装置1とは翼壁5gが設けられていない点だけが異なる羽根805を有するインペラ803を用いたものである。ファン装置801のその他の構成は、ファン装置1の構成と同じである。
図7は、比較対象のファン装置801の風量特性を示す図である。
図7においては、羽根805の下端となる、羽根805の前端縁の回転軸方向における位置(図3に示される寸法X/寸法L(以下、単にX/Lという。)の値)を変えたときの風量特性(P−Q特性)が比較されている。すなわち、X/L=約−0.31におけるP−Q特性が「▲」印及び一点鎖線で示されており、約−0.07におけるP−Q特性が「■」印及び点線で示されており、約0.35におけるP−Q特性が「●」印及び実線で示されている。このX/Lの違いは、フレーム9と羽根805の下端の位置との違いを示すものである。具体的には、羽根805の下方の端部と、環状のフレーム9の上方の端部(すなわち内周壁9aの上方の端部)とが接する位置をゼロとしたとき、羽根805の下方の端部が環状のフレーム9の上方の端部よりも下方(環状のフレーム9の中に入り込む位置)にある場合をプラス、羽根805の下方の端部が環状のフレーム9の上方の端部よりも上方(環状のフレーム9から突出した位置)にある場合をマイナス(−)として、その変位量X(ミリメートル)を、フレーム寸法L(ミリメートル)に対する比率X/Lで表している。スポーク部10の寸法は、Y(ミリメートル)で表している。図3において、変位量X、フレーム寸法L、スポーク部10の厚み寸法Yが示されている。
図7から明らかなように、羽根805の下方の端部が環状のフレーム9の上方の端部から下方(中に入り込む位置)に入るほど、P−Q特性が改善され、X/Lが約0.35である場合、特に、中域で静圧特性が低下する傾向が改善されている。
図8は、本実施の形態に係るファン装置1と、比較対象のファン装置801との風量特性の比較結果を示すグラフである。
図8においては、ファン装置1と比較対象のファン装置801とを、X/L=0.35〜0.55の範囲(羽根5の下端がスポーク部10と接触しない範囲)で同じ値になるように設定して、風量特性(P−Q特性)を測定した結果が示されている。ファン装置1のP−Q特性は「■」印と実線で示されており、比較対象のファン装置1におけるP−Q特性は「●」印と点線で示されている。
図8に示されるように、本実施の形態において、ファン装置1は、最大静圧(Pa)と、最大流量(最大風量ともいう)(m^3/min(立方メートル毎分))とが共に、比較対象のファン装置801よりも大きな値となる。また、比較対象のファン装置801において見られるような中域での静圧の落ち込みの傾向は、ファン装置1についてはほとんど見られない。
このように、翼壁5gを有する本実施の形態のファン装置1は、翼壁5gを有しない比較対象のファン装置801に比べて、静圧及び風量を共に増加させることができ、より良好な風量特性を有しているといえる。すなわち、インペラ3及びモータ100を支持する構造の強度が高く、かつ、風量特性が良好なファン装置1を提供することができる。
[その他]
上記の実施の形態の特徴点が部分的に組み合わされてファン装置が構成されていてもよい。上記の実施の形態や変形例において、いくつかの構成要素が設けられていなかったり、いくつかの構成要素が他の態様で構成されていてもよい。
羽根の外周部に設けられている翼壁は、上述のような形態のものに限られない。例えば、羽根の前端縁から後端縁に至るまでの間の一部分に翼壁が設けられていてもよい。また、翼壁の下端部は、水平面内になくてもよく、例えば前端縁から後端縁に至るまでの間の一部又は全部の領域において、羽根の外周部から略均一の幅で下方に延在する翼壁が設けられていてもよい。また、このように外周部から下方に延在する翼壁のほかに、外周部から上方に延在する翼壁が設けられていてもよい。また、翼壁は、例えば下方に行くにつれて径方向の位置が変化する(シャフトからの距離が変化する)ような、凹凸を有する形状であってもよいし、一部に孔部が設けられているものであってもよい。
いずれの形態の翼壁が設けられている場合であっても、羽根の前端縁の少なくとも一部がフレームの内側に入り込んでいればよい。また、このような形態においても、羽根の外周部から下方に延在する翼壁の少なくとも一部がフレームの内側に入り込むようにすることにより、より風量特性を良好にすることができる。
支持部材の形状は、上述のものに限られない。例えば、取付部は2つに限られず、より多く設けられていてもよいし、1つのみが設けられていてもよい。
モータは、インナーロータ型のものであってもよい。
上記実施の形態は、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及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 ファン装置
2 支持部材
3 インペラ
4 ハブ
5 羽根
5a 前端縁
5b 後端縁
5g 翼壁
5h 下端部
6 モータベース部
9 フレーム
9a 内周壁
9v 吸い込み口
10,10a,10b,10c,10d スポーク部
15 シャフト
100 モータ

Claims (5)

  1. モータベース部に配置されたモータと、
    複数の羽根を有し、前記モータの回転軸に取り付けられているインペラと、
    気体の吸い込み口を有し、回転軸方向から見て前記インペラを囲むフレームと、
    前記モータベース部と前記フレームとを接続する複数のスポーク部とを備え、
    前記複数の羽根の前端縁の少なくとも一部は、前記フレームの内側に入り込んでおり、かつ、前記複数の羽根の外周部の少なくとも一部は、径方向に露出しており、
    前記複数の羽根のそれぞれは、その羽根の外周部から回転軸方向であって前記吸い込み口に向かう方向に延在する翼壁を有する、ファン装置。
  2. 前記翼壁の回転軸方向の端部の少なくとも一部は、前記フレームの内側に入り込んでいる、請求項1に記載のファン装置。
  3. 前記翼壁は、前記羽根の外周部の前記前端縁側から後端縁側までの領域に設けられている、請求項1又は2に記載のファン装置。
  4. 前記翼壁の回転軸方向の端部は、前記羽根の外周部の前記前端縁側から後端縁側までの領域において、前記フレームの内側に入り込んでいる、請求項1から3のいずれか1項に記載のファン装置。
  5. 前記翼壁の外周面は、前記回転軸を中心とする円筒面の一部をなす、請求項1から4のいずれか1項に記載のファン装置。
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