JP2020060102A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】効果的なラビリンスシールを容易に形成できる軸流ファンを提供すること。【解決手段】軸流ファン１は、ハウジング３４と、ハブ２１と、複数の羽根２２と、連結リング２３とを備える。前記ハブは、前記ハウジングに対して回転自在に支持される。前記複数の羽根は、前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される。前記連結リングは、前記羽根の径方向外側端部に取り付けられ、前記羽根の回転に伴って回転する。前記連結リングは、径方向外側端部が前記ハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入される。前記ハウジングは、第１ハウジング３４Ａと、第２ハウジング３４Ｂとを有する。前記溝は、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングにより形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、軸流ファンに関する。

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、送風などに広く用いられている送風機として、軸流ファンが知られている。

軸流ファンでは、円筒状の風洞を備えたハウジングの中に複数の羽根を備えたインペラが収納されている。このような軸流ファンにおいては、ハウジングの吹出口から吹き出された空気の一部が、羽根と風洞との間の隙間を通って吸込口に流れる逆流が発生する場合がある。

この逆流によって、逆流した空気が吸込口において吸込口に流入する空気と衝突して渦流が生じ、騒音が発生すると共に、軸流ファンの風量特性が低下する原因となる。

このような逆流を防止するために、円板のファン素材を中央リング及び外周リングと、この中央リングと外周リングとの間を放射線状に連結する複数のリブと、さらにリブの一側方に突出した所要角度で曲げ起したブレードとを打ち抜き成形し、このファン素材の二枚を前記ブレードの突出方向と曲げ起し方向とを互いに相反する方向で背中合せで接合一体化し、前記外周リング部をファンシュラウドに形成した彎曲溝部内に嵌入して成るクーリングファンが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このクーリングファンは、外周リングとシュラウドの溝部とによるラビリンス効果によって逆流を防止する構造となっている。

実公昭５７−４５４２９号公報

しかしながら、上述した従来のクーリングファンは、インペラについては、外周リングを重合し、スチールの場合は適所でスポット又はリベット止めによって接合一体化する構造となっているが、シュラウドの製造方法に関しては特に開示されていない。従って、外周リングとシュラウドに形成された溝との間で、隙間寸法の精度を高くすることができず、効果的なラビリンスシールを形成することができない可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、効果的なラビリンスシールを容易に形成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、ハウジングと、ハブと、複数の羽根と、連結リングとを備える。前記ハブは、前記ハウジングに対して回転自在に支持される。前記複数の羽根は、前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される。前記連結リングは、前記羽根の径方向外側端部に取り付けられ、前記羽根の回転に伴って回転する。前記連結リングは、径方向外側端部が前記ハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入される。前記ハウジングは、第１ハウジングと、第２ハウジングとを有する。前記溝は、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとより形成される。

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、効果的なラビリンスシールを容易に形成できる。

図１は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す正面図である。 図２は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す断面図である。 図３は、第１ハウジングおよび第２ハウジングにより形成される環状の溝と連結リングの周辺を詳細に示した断面図である。 図４は、連結リングの軸方向における位置の指標を定義する寸法Ｌと寸法Ｘとを示す図である。 図５は、連結リングの位置による風量特性（Ｐ−Ｑ特性）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、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における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。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。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

（軸流ファン１の構成）
図１は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す正面図である。図１において、軸流ファン１は外形が矩形のハウジング３４を備え、ハウジング３４の中央に形成される円筒状の風洞には、ロータヨーク１３ｂと、ハブ２１、羽根２２および連結リング２３を有するインペラ２０とが設けられている。ハウジング３４は、後述のように、図１における表側の第１ハウジング（３４Ａ）と裏側の第２ハウジング（３４Ｂ）とが重ね合されて形成される。第１ハウジングと第２ハウジングとが重ね合されることで、風洞を構成する壁面に環状の溝が形成され、その溝に連結リング２３の外周側の一部が挿入される。図１には、破線により、溝の内面３４ｃと、連結リング２３の外周端２３ａとが示されている。また、ハウジング３４の四隅には、ボルト等により他の装置等への取付を行うための取付孔３４ａが設けられている。

図２は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す断面図（図１におけるＡ−Ａ断面図）である。図２において、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とを備えている。

モータ１０は、たとえば、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータであり、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な軟磁性材料から形成された鋼板がプレス加工され、プレス加工された鋼板が複数枚、軸方向に積層されて構成される。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次のように規定して説明する。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ＸＸと直交する方向であり、「軸方向」とは、インペラ２０の回転軸ＸＸ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（上側インシュレータおよび下側インシュレータ）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ＸＸ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、軸受ホルダー３１の内側に装着された一対の軸受４０により回転可能に支持される。ロータヨーク１３ｂは、軟磁性材からなり、カップ状であり、中央に軸方向内側に向けて形成された突出部にシャフト１３ａの一方端が圧入されて結合される。ロータヨーク１３ｂの突出部は絞り加工やバーニング加工等にて形成されている。

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、複数の羽根２２と、連結リング２３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。複数の羽根２２は、ハブ２１の外周面に支持される。羽根２２は全て同じ形状で、周方向に均等の間隔で配置され、隣接する羽根２２との間に平面視で隙間が形成されている。連結リング２３は環状であり、複数の羽根２２の外周縁に設けられ、複数の羽根２２を連結する。連結リング２３の軸方向における位置（第１ハウジング３４Ａと第２ハウジング３４Ｂとで形成される溝の位置に対応）は、図では羽根２２の軸方向の上端（後述する吹出口３６側の一端）から下端（後述する吸込口３５側の他端）までの略中央とされているが、後述のように、実測結果を参考にして決定される。ハブ２１と複数の羽根２２と連結リング２３とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。ハブ２１の内側にロータヨーク１３ｂが挿入され、接着剤で接着されるが、これに代えて、ロータヨーク１３ｂがインペラ２０に一体成形されても構わない。

ケーシング３０は、軸受ホルダー３１と、モータベース３２と、複数のスポーク３３と、ハウジング３４とを有する。前述のように、ハウジング３４は第１ハウジング３４Ａと第２ハウジング３４Ｂとが重ね合されて形成される。軸受ホルダー３１は、円筒状であり、モータベース３２の中央に形成された突出部の開口に配置される。軸受ホルダー３１はモータベース３２の突出部の開口に嵌着してもよく、また軸受ホルダー３１をインサートしてモータベース３２に一体成形してもよい。軸受ホルダー３１は、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が装着されるカップ状のモータベース３２は、第２ハウジング３４Ｂ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の外周側に配置され、径方向に延在してモータベース３２と第２ハウジング３４Ｂとを連結する。第１ハウジング３４Ａおよび第２ハウジング３４Ｂ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、第２ハウジング３４Ｂ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２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２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、電子部品を実装し、モータ１０を制御する制御回路を有しており、ステータコア１１とモータベース３２との間で、下側インシュレータの下端側に配置される。

図３は、第１ハウジング３４Ａおよび第２ハウジング３４Ｂにより形成される環状の溝３４ｇと連結リング２３の周辺を詳細に示した断面図である。図３において、第１ハウジング３４Ａには、風洞側に環状の凹部３４ｄが設けられ、それに続いて凸部３４ｂが設けられている。また、第２ハウジング３４Ｂには、風洞側に環状の凸部３４ｆが設けられ、それに続いて凹部３４ｅが設けられている。そして、第１ハウジング３４Ａの凸部３４ｂが、第２ハウジング３４Ｂの凹部３４ｅに嵌合することで、連結リング２３の先端が挿入される環状の溝３４ｇが形成される。凸部３４ｂ、凹部３４ｄ、凹部３４ｅおよび凸部３４ｆは、段差部の一例である。

ハウジング３４が上述のような構造の第１ハウジング３４Ａと第２ハウジング３４Ｂとで形成されることで、第１ハウジング３４Ａと第２ハウジング３４Ｂのいずれも、上型と下型とに分かれた金型による射出成形にて形成が可能となり、高精度かつ低コストでの製造が可能となる。また、第２ハウジング３４Ｂ側にインペラ２０が配置された後に第１ハウジング３４Ａが取り付けられることにより、風洞よりも径の大きな連結リング２３を溝３４ｇに容易に挿入することが可能になる。

なお、軸流ファン１の組立工程の概略は次のようになる。先ず、第２ハウジング３４Ｂのモータベース３２にモータ１０のステータコア１１が取り付けられた後、インペラ２０が取り付けられたロータ１３がステータコア１１の外周に取り付けられる。次いで、第２ハウジング３４Ｂの上に第１ハウジング３４Ａが装着され、第１ハウジング３４Ａと第２ハウジング３４Ｂとを貫通する取付孔３４ａにボルトが装着され、両ハウジング３４Ａ、３４Ｂが結合される。なお、ボルトが他の装置に締結されることで、両ハウジング３４Ａ、３４Ｂが結合されるようにしてもよい。この結合によって、インペラ２０の連結リング２３が、風洞の内周面に形成された環状の溝３４ｇの中に収納される。連結リング２３とハウジング３４との間には微小な隙間が形成され、吹出口３６から吸込口３５への空気の逆流を防止するラビリンス効果を発揮する。なお、
連結リング２３の軸方向の寸法（厚さ寸法） ＜ 溝３４ｇの軸方向の寸法
連結リング２３の外周端の径（直径） ＜ 溝３４ｇの径（直径）
となる。

（連結リング２３および溝３４ｇによるラビリンス効果）
モータ１０のロータ１３の回転により、インペラ２０が回転すると、ハウジング３４の吸込口３５から風洞内部に吸い込まれた空気は、インペラ２０の羽根２２の間を通過して、ハウジング３４の吹出口３６から外方に吹き出される。

吹出口３６における空気の圧力と、羽根２２の外周とハウジング３４の風洞の内周面との間に形成された隙間での空気の圧力との差により、吹出口３６から吹出された空気流の一部が、隙間を通って吸込口３５側に流れる逆流が生じる。

しかし、逆流した空気流は、連結リング２３と溝３４ｇとによって形成された微小な隙間によるラビリンス効果によって、ハウジング３４の吸込口３５側に流れることが防止される。

以下、本実施形態における軸流ファン１の性能の実測結果について説明する。図４は、連結リング２３の軸方向における位置の指標を定義する寸法Ｌと寸法Ｘとを示す図である。図４において、Ｌは、羽根２２の軸方向における下端（吹出口側の一端）から上端（吸込口側の他端）までの寸法である。Ｘは、羽根２２の軸方向における下端（吹出口側の一端）から連結リング２３の軸方向における下端（吹出口側の一端）までの寸法である。これらの距離Ｌと距離Ｘとにより定義される、
Ｙ＝Ｘ／Ｌ
を種々に変えた場合について実測を行った。Ｙは、連結リング２３の位置を示す指標である。

図５は、連結リング２３の位置による風量特性（Ｐ−Ｑ特性）を示す図である。図５は、ラビリンス無しの場合（連結リング２３が無い場合）と、連結リング２３の位置を４箇所に変えた場合との計５種類の軸流ファンについて、静圧［Pa］（縦軸）と風量［m³/min］（横軸）との関係を示している。Ｙ＝０は連結リング２３を羽根２２の最下端に形成した場合、Ｙ＝０．３は連結リング２３を羽根２２の下端から略３０％の位置に形成した場合、Ｙ＝０．５は連結リング２３を羽根２２の略中央に形成した場合、Ｙ＝０．９は連結リング２３を羽根２２の略最上端に形成した場合である。Ｙ以外の測定条件はすべて同じである。

図５に示される軸流ファン１の風量特性（Ｐ−Ｑ特性）において、実使用時の動作点は、軸流ファン１が適用される他の装置や機器のシステムインピーダンス（通風抵抗）と軸流ファン１のＰ−Ｑ特性との交点になる。通常、軸流ファンが最大静圧や最大風量の領域で使用されることはなく、中流域で使用される。このため、図５において、サージングが生じない中流域（例えば、０．１５〜０．１８m³/min）において使用されることが想定され、この範囲において連結リング２３が無い場合（ラビリンス無し）よりもＰ−Ｑ特性が向上されるＹの数値範囲として、０．３＜Ｙ＜０．９が読み取れる。また、より好ましくは、０．３＜Ｙ≦０．５が読み取れる。連結リング２３がこれらの範囲にある場合、逆流が効果的に防止されることにより、Ｐ−Ｑ特性が良くなり、吸込口３５から吸い込まれた空気が効率よく吹出口３６から吹き出される。また、Ｐ−Ｑ特性が向上する結果、吸込口３５に逆流する空気流が吸込口３５に吸い込まれる空気流と衝突する動作が防止されるため、騒音も低減されることが確認された。

軸流ファン１は、インペラ２０の回転によって、吸込口３５での圧力が低く、吹出口３６側の圧力が高くなるため、吹出口３６側から吸込口３５側に少なからず逆流が生じる。このため、圧力が低い吸込口３５側の領域に連結リング２３を配設するより、圧力が高い吹出口３６側の領域に連結リング２３を配設した方が、逆流を効果的に抑制することができる。従って、吹出口３６側の領域となる ０．３＜Ｙ≦０．５ の範囲に連結リング２３を配設することが好適である。

また、連結リング２３の位置が吸込口３５に近い箇所に形成された場合、連結リング２３がない場合（ラビリンス無し）よりもＰ−Ｑ特性が低下し、効果が見られない。

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、ハウジング３４の外形は、図１に示されたような矩形に限られず、例えば、円形であってもよい。この場合、ハウジング３４を２分割構造にする際、２つのハウジングの嵌合箇所をインローとし、バヨネット構造で結合するようにしてもよい。さらに、２つのハウジングの一方側に係止爪を形成し、他方側に係止して連結する構造であってもよい。このような構造を用いることによって、ねじやボルト等の締結部材を用いることなく、２つのハウジングを結合することができる。

以上のように、実施形態に係る軸流ファンは、ハウジングと、ハブと、複数の羽根と、連結リングとを備える。ハブは、ハウジングに対して回転自在に支持される。複数の羽根は、ハブに固定され、かつ周方向に配置される。連結リングは、羽根の径方向外側端部に取り付けられ、羽根の回転に伴って回転する。連結リングは、径方向外側端部がハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入される。ハウジングは、第１ハウジングと、第２ハウジングとを有する。溝は、第１ハウジングと第２ハウジングとより形成される。これにより、効果的なラビリンスシールを容易に形成できる軸流ファンを提供することができる。

また、第１ハウジングと、第２ハウジングとは、軸方向において段差部が形成されている。これにより、第１ハウジングと第２ハウジングとの重ね合せが容易に行える。

また、羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をＬ、羽根の軸方向における吹出口側の一端から連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をＸとして、Ｙ＝Ｘ／Ｌとした場合に、溝は、０．３＜Ｙ＜０．９となる軸方向位置に配置される。これにより、連結リングおよび溝の軸方向の位置の最適化を図ることができる。

また、羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をＬ、羽根の軸方向における吹出口側の一端から連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をＸとして、Ｙ＝Ｘ／Ｌとした場合に、溝は、０．３＜Ｙ≦０．５となる軸方向位置に配置される。これにより、連結リングおよび溝の軸方向の位置の最適化を図ることができる。

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，２１ ハブ，２２ 羽根，２３ 連結リング，３４Ａ 第１ハウジング，３４Ｂ 第２ハウジング，３４ｇ 溝

Claims (4)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに対して回転自在に支持されるハブと、
   前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される複数の羽根と、
   前記羽根の径方向外側端部に取り付けられ、前記羽根の回転に伴って回転する連結リングと、
   を備え、
   前記連結リングは、径方向外側端部が前記ハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入され、
   前記ハウジングは、第１ハウジングと、第２ハウジングとを有し、
   前記溝は、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとより形成される、
   軸流ファン。
2. 前記第１ハウジングと、前記第２ハウジングとは、軸方向において段差部が形成されている
   請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をＬ、前記一端から前記連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をＸとして、Ｙ＝Ｘ／Ｌとした場合に、
   前記溝は、０．３＜Ｙ＜０．９となる軸方向位置に配置される、
   請求項１または２に記載の軸流ファン。
4. 前記羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をＬ、前記一端から前記連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をＸとして、Ｙ＝Ｘ／Ｌとした場合に、
   前記溝は、０．３＜Ｙ≦０．５となる軸方向位置に配置される、
   請求項１または２に記載の軸流ファン。

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