JP2020094550A - プロペラファン - Google Patents

Abstract

【課題】厚さを抑えつつスパイダーの強度の向上を図ることで、重量の増加および製造コストの増大を抑えることができるプロペラファンを得ること。【解決手段】プロペラファン４０は、回転軸９を中心に回転するボス部６と、ボス部６の外周面から、回転軸９から離れる方向に延びて円環状に形成された主板３と、主板３の外周縁から、回転軸９から離れる方向に延びるとともに、主板３の外周縁に沿って並べて形成された複数のつなぎ部２３と、複数のつなぎ部２３のそれぞれから、回転軸９から離れる方向に延びる接合部５と、接合部５に接合された複数のブレード１と、を備える。主板３には、送風の下流側に向けて凸であり、回転軸９を中心とする円環状のリブ４が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のブレードを備えるプロペラファンに関する。

特許文献１に示すような複数のブレードを備えるプロペラファンが、住宅用の換気扇または産業用の換気扇で使用される。住宅用の換気扇で使用されるプロペラファンであればプラスチック材料が用いられ、産業用の換気扇で使用されるプロペラファンであれば金属材料が用いられることが一般的である。

産業用の換気扇では、高い空気出力を生み出すために高い回転速度でプロペラファンが使用される。また、オンとオフとが高い頻度で切り替えられる場合がある。また、流路内に設置されることで偏流状態にて使用される場合がある。これらの使用環境に耐えるために、産業用の換気扇で使用されるプロペラファンには高い強度が要求される。

例えば、産業用の換気扇で使用されるプロペラファンでは、回転軸に近く応力が集中しやすい部分に設けられるスパイダーは厚みを持たせて形成される。一方、回転軸から離れた部分に設けられるブレードは薄く形成される。このように、応力が集中する部分での強度の向上とプロペラファン全体での軽量化とが図られている。

特開２０１０−７６０２号公報

しかしながら、スパイダーの強度を向上させるためにスパイダーを厚く形成することで、製品の重量の増加および製造コストの増大を招く場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、厚さを抑えつつスパイダーの強度の向上を図ることで、重量の増加および製造コストの増大を抑えることができるプロペラファンを得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、本発明は、回転軸を中心に回転して送風するプロペラファンである。プロペラファンは、回転軸を中心に回転するボス部と、ボス部の外周面から、回転軸から離れる方向に延びて円環状に形成された主板と、主板の外周縁から、回転軸から離れる方向に延びるとともに、主板の外周縁に沿って並べて形成された複数のつなぎ部と、複数のつなぎ部のそれぞれから、回転軸から離れる方向に延びる接合部と、接合部に接合された複数のブレードと、を備える。主板には、送風の下流側に向けて凸であり、回転軸を中心とする円環状のリブが形成されていることを特徴とする。

本発明にかかるプロペラファンによれば、スパイダーの厚さを抑えて重量の増加および製造コストの増大を抑えつつ、強度の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる換気扇が備える電動機とプロペラファンとを示す斜視図 実施の形態１にかかるプロペラファンの正面図 実施の形態１におけるスパイダーの正面図 図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図 スパイダーに発生する最大応力比とリブ高さ比(ｈ／ｔ)との関係を示す図 スパイダーに発生する最大応力比とリブ外周比（Ｄ２／Ｄ１）との関係を示す図 実施の形態１にかかるプロペラファンを回転させた場合のスパイダーでの最大応力の発生箇所を示す図 実施の形態１にかかるプロペラファンを回転させた場合の強度解析結果を示す図 実施の形態１におけるスパイダーであって、Ｄ２／Ｄ１＝０．９１５の場合のスパイダーを示す図 図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図 図９に示したスパイダーを用いたプロペラファンを回転させた場合の強度解析結果を示す図 本発明の実施の形態２にかかるプロペラファンの斜視図 実施の形態２にかかるプロペラファンの正面図 比較例にかかるスパイダーの正面図 図１３に示されたスパイダーの強度解析結果を示す図 図１４に示されたスパイダーの強度解析結果を示す図 貫通孔が形成される位置と貫通孔の縁で発生する最大応力の関係を示す図 本発明の実施の形態３にかかるプロペラファンの斜視図 実施の形態３にかかるプロペラファンの正面図 図１９に示すＸＸ−ＸＸ線に沿った断面図 本発明の実施の形態４にかかるプロペラファンの斜視図

以下に、本発明の実施の形態にかかるプロペラファンおよび換気扇を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、プロペラファンの構成の一例としてスパイダーとブレードが別々に構成されたものを図示しているが、スパイダーとブレードが一体で成形される構成においても本発明の効果は得られる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる換気扇が備える電動機とプロペラファンとを示す斜視図である。図２は、実施の形態１にかかるプロペラファンの正面図である。換気扇５０は、電動機３０と、プロペラファン４０とを備える。

電動機３０は、筐体３１と軸部３２とを備える。筐体３１の内部には、図示を省略した固定子と回転子とが設けられている。回転子は、回転軸９を中心に回転可能とされている。回転子は、電動機３０に電力が供給されることで回転軸９を中心に回転する。軸部３２は、回転子に連結されており、一部が筐体３１から露出している。軸部３２は、回転軸９に沿って延びる棒状の形状であり、回転子とともに回転軸９を中心に回転する。

プロペラファン４０は、ボス部６、スパイダー２、ブレード１を備える。ボス部６には、電動機３０の軸部３２を貫通させる孔６ａが形成されている。ボス部６の孔６ａに、電動機３０の軸部３２が差し込まれて、ボス部６が軸部３２に連結される。

図３は、実施の形態１におけるスパイダーの正面図である。スパイダー２は、主板３と、複数のつなぎ部２３と、複数の接合部５とを有する。主板３は、ボス部６の外周面から、回転軸９から離れる方向に延びて円環状に形成された板状の部材である。主板３の板面は、回転軸９と垂直な面を構成する。ボス部６と主板３とは、一体に形成されていてもよいし、別体で形成された物を溶接等で接合してもよい。

つなぎ部２３は、主板３の外周縁から、回転軸９から離れる方向に延びるように形成されている。つなぎ部２３は、主板３の外周縁に沿って等間隔で並べて形成されている。つなぎ部２３の数は、後述するブレード１の数と一致する。本実施の形態１では、つなぎ部２３の数は３つである。

接合部５は、複数のつなぎ部２３のそれぞれから、回転軸９から離れる方向に延びるように形成されている。接合部５には、ブレード１が接合される。接合部５とブレード１とは、溶接、カシメ、またはリベットによって接合される。ブレード１は、主板３よりも薄く形成された板状の部材である。回転軸９に垂直な方向から見た場合、ブレード１の板面は、回転軸９に対して傾斜する。プロペラファン４０は、３次元立体形状を有する。

プロペラファン４０では、電動機３０の軸部３２が回転することで、ボス部６と、スパイダー２と、ブレード１とが一体となって回転軸９を中心に回転する。図１に示すように、プロペラファン４０は、矢印８に示す方向に回転する。矢印８に示す方向にプロペラファン４０が回転すると、矢印７に示す方向に向かう気流が発生する。すなわち、プロペラファン４０は、矢印８に示す方向に回転することで、矢印７に示す方向に送風する。なお、以下の説明において、矢印７に示す方向を下流方向とし、その反対方向を上流方向とする。また、主板３のうち上流方向を向く面を上流面と称し、下流方向を向く面を下流面と称する。また、回転方向を示す矢印８に示す方向を回転方向における前方とし、その反対方向を回転方向における後方とする。

次に、主板３に形成されたリブ４について詳細に説明する。図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。主板３には、下流方向に向けて凸となるリブ４が形成されている。リブ４は、図３に示すように、回転軸９に沿って見た場合に、円環形状に形成されている。本実施の形態１では、ボス部６から径方向外側に向けた一定の領域にはリブ４は形成されていない。すなわち、リブ４の内周縁とボス部６との間には、リブ４が形成されていない領域が設けられている。スパイダー２とブレード１の製造方法には、薄板鋼板や薄板アルミニウム板等をプレス機にてプレス加工して成形する方法が採用される場合が多い。プレス加工によって成形されたスパイダー２では、リブ４の裏面側は凹んだ形状となっている。なお、プレス加工によらずスパイダー２を成形して、リブ４の裏面が凹まないようにしてもよい。

ここで、図３に示すように、主板３の外径をＤ１とし、リブ４の外周縁の径である外径をＤ２とする。また、主板３の板厚をｔとし、リブ４の高さをｈとする。なお、図４に示すように、リブ４の形成によってできた下流面側の凹みの底面と、主板３の下流面とを結ぶ壁面の中点を結んだ円を、リブ４の外周縁とする。

図５は、スパイダーに発生する最大応力比とリブ高さ比(ｈ／ｔ)との関係を示す図である。最大応力比は、リブ４が形成されていないスパイダー２に発生する最大応力を１とした場合の、リブ高さ比を異ならせたスパイダー２に発生する最大応力の比率である。

図５に示すように、リブ４が形成されていない場合に比べて、リブ４が形成されている条件ではいずれの条件においても最大応力の低減を図ることが可能となる。特に、リブ高さ比（ｈ／ｔ）≧０．４５にて、リブ４が形成されていない場合に比べて最大応力比が０．８倍となり、最大応力を大きく低減することが可能となる。

ただし、リブ高さ比(ｈ／ｔ)≧１．２では最大応力の低減量は、ほぼ一定となるため、強度上はリブ高さ比(ｈ／ｔ)をある一定以上大きくしても最大応力の低減を図ることができず、リブ高さ比(ｈ／ｔ)≧２．０では逆に最大応力比はわずかだが増加する。

図６は、スパイダーに発生する最大応力比とリブ外周比（Ｄ２／Ｄ１）との関係を示す図である。図６に示すように、Ｄ２／Ｄ１＝０．６４を基準とすると、リブ外周比Ｄ２／Ｄ１≧０．６９で、５％以上の最大応力の低減を図ることが可能となり、リブ外周比Ｄ２／Ｄ１が０．８１５付近で最大応力比が最小の０．８８５となっている。

図７は、実施の形態１にかかるプロペラファンを回転させた場合のスパイダーでの最大応力の発生箇所を示す図である。図８は、実施の形態１にかかるプロペラファンを回転させた場合の強度解析結果を示す図である。図８では、羽根外径がφ８１５ｍｍ、ブレード１の材料がアルミ合金で、板厚が２．０ｍｍ、スパイダー２の材料が高張力鋼で、板厚が４．５ｍｍのプロペラファン４０において、回転速度が１２００(ｍｉｎ^−１)で回転させた場合の、スパイダー２に生じる応力分布を示している。ハッチングの濃い領域ほど高い応力が発生していることを示す。

最大応力発生個所１１は、図７および図８に示すように、つなぎ部２３のうち回転方向の前方となる縁部であるスパイダー前縁部１０となり、特に、主板３に近い根元部となることが分かる。

図９は、実施の形態１におけるスパイダーであって、Ｄ２／Ｄ１＝０．９１５の場合のスパイダーを示す図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本事例では、主板３に対してリブ４が占める割合が大きくなるため、リブ４がつなぎ部２３に近づく。そのため、リブ４で応力が集中するようになり、応力低減を図ることができなくなる。

図１１は、図９に示したスパイダーを用いたプロペラファンを回転させた場合の強度解析結果を示す図であって、スパイダーを上流側から見た図である。図１１では、ハッチングが濃いほど高い応力が発生していることを示す。図１１によれば、リブ４に応力が集中していることが分かる。

このように、リブ４の径方向の位置によって、応力低減の割合が変わる。また、リブ外周比Ｄ２／Ｄ１が大きい場合、スパイダー２のプレス加工時にスパイダー２の外周部を押さえつける領域が少なくなり、加工性が低下する。また、リブ４とつなぎ部２３が近接することで、加工される範囲が狭い範囲に集中することにより、加工性が低下する。これらの要因により、リブ外周比Ｄ２／Ｄ１が大きい場合には、寸法精度の低下、製造誤差の増大およびコストの増大を招く可能性がある。

一方、上記説明で例示した範囲でリブ外周比を設定することで、最大応力の低減を図りつつ、寸法精度の低下、製造誤差の増大およびコストの増大を抑えることができる。また、上記説明で例示した範囲でリブ高さ比(ｈ／ｔ)を設定することで、より一層の最大応力の低減を図ることができる。すなわち、主板３の強度の向上を図りつつ、厚さを抑えて重量の増加および製造コストの増大を抑えることができる。

なお、本実施の形態１ではブレード１が３枚のプロペラファン４０を例示したが、ブレード１の枚数は複数であれば３枚に限られない。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２にかかるプロペラファンの斜視図である。実施の形態１と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態２にかかるプロペラファン４０では、リブ４に複数の貫通孔１２が形成されている。より具体的には、リブ４の頂部となる平面部に貫通孔１２が形成されている。図１２では、円状の貫通孔１２が３箇所に形成された例を示している。貫通孔１２の形状はこれに限られず、楕円または多角形等であってもよい。また、貫通孔１２の個数はこれに限られず、２個または４個以上であってもよい。

図１２に示すように、貫通孔１２を設けることで、プレス加工時の位置決めに貫通孔１２を利用することができる。これにより、スパイダー２のプレス加工時にブランク材料の回転を防ぐことが可能となり、接合部５およびリブ４の成型精度の向上を図り、製造安定性の向上を図ることが可能となる。

図１３は、実施の形態２にかかるプロペラファンの正面図である。ここで、つなぎ部２３の前縁と主板３との境界をつなぎ部前縁端１３と定義し、つなぎ部２３の後縁と主板３との境界をつなぎ部後縁端１４と定義する。

貫通孔１２は、つなぎ部前縁端１３と回転軸９とを結ぶ線と、つなぎ部後縁端１４と回転軸９とを結ぶ線とがなす角度をθとすると、つなぎ部後縁端１４と回転軸９とを結ぶ線を回転方向の前方に向ってθ／２進めた基準線２２とつなぎ部後縁端１４と回転軸９とを結ぶ線との間となる領域に形成されていることが望ましい。

図１４は、比較例にかかるスパイダーの正面図である。比較例にかかるスパイダー６２では、貫通孔７２が、つなぎ部後縁端１４と回転軸９とを結ぶ線を回転方向の前方に向ってθ／２進めた領域よりもさらに前方に形成されている。

図１５は、図１３に示されたスパイダーの強度解析結果を示す図である。図１６は、図１４に示されたスパイダーの強度解析結果を示す図である。図１５と図１６のどちらも、実施の形態１で示した条件、すなわち羽根外径がφ８１５ｍｍ、ブレードの材料がアルミ合金で、板厚が２．０ｍｍ、スパイダーの材料が高張力鋼で、板厚が４．５ｍｍのプロペラファンにおいて、回転速度が１２００(ｍｉｎ^−１)で回転させた場合の、スパイダーに生じる応力分布を示している。

図１６に示すように、貫通孔７２が、回転方向である矢印８に対してθ／２より前縁側に形成されている場合には、貫通孔７２の縁に応力が集中する部分が発生する。一方、図１５に示すように、貫通孔１２が、回転方向である矢印８に対してθ／２より後縁側に形成されている場合には、図１６に示した例に比べて貫通孔１２の縁で応力が集中していない。このように、回転方向である矢印８に対してθ／２より後縁側に貫通孔１２を形成することで、主板３での応力の集中を低減することができる。

図１７は、貫通孔が形成される位置と貫通孔の縁で発生する最大応力の関係を示す図である。ここで、貫通孔１２，７２が形成される位置を、θ１で定義する。貫通孔１２，７２の中心と回転軸９とを結ぶ線と、基準線２２が成す角度をθ１とする。また、基準線２２を境に前縁側ほど角度が小さく、後縁側ほど角度が大きくなる条件である。

例えば、θ＝−３８°の位置の貫通孔７２に発生する最大応力を１とした場合、θ１＝２１．８°の位置に形成された貫通孔１２に発生する最大応力は、０．４５７倍となり応力が大きく変化することが分かる。

貫通孔１２，７２で発生する応力が高くなることにより、貫通孔１２，７２から亀裂等が発生する可能性がある。したがって、上述したように、回転方向である矢印８に対してθ／２より後縁側に貫通孔１２を形成することが望ましい。

実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３にかかるプロペラファンの斜視図である。図１９は、実施の形態３にかかるプロペラファンの正面図である。図２０は、図１９に示すＸＸ−ＸＸ線に沿った断面図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態３にかかるプロペラファン４０では、主板３とボス部６の境界からリブ４が形成されている。また、リブ４の凹み部分であって、ボス部６より外側に円環状の補強板１５が設けられている。上記実施の形態１，２と異なり、主板３とボス部６の境界からリブ４が形成されている場合であっても、補強板１５を設けることで、スパイダー２の強度の向上を図ることができる。本実施の形態３のように、主板３を上流側から凹ませてリブ４を形成している場合には、図２０に示すように、補強板１５の厚さｔｈをリブ高さｈと同じにして、上流面側での凹凸を少なくすることが望ましい。

本実施の形態３にかかるプロペラファン４０は、プロペラファン４０が大型である場合またはプレス機の能力の関係で、ボス部６から径方向外側に向けた一定の領域にリブ４が形成されていない領域を設けることが難しい場合であってもスパイダー２の強度の向上を図れる点で有効である。

また、本実施の形態３にかかるプロペラファン４０では、ブレード１においてもスパイダー２の接合部５より外周側となるブレード前縁１６に沿って延びるブレードリブ１７が形成されている。プロペラファン４０が大型である場合には、ブレード１にも大きな応力が発生する。そのため、スパイダー２の強度改善のみでは、プロペラファン４０全体としての強度が不足する場合がある。そこで、最も強度が必要なブレード前縁１６付近にブレードリブ１７を設置することで、応力発生部分での強度の向上を図ることができる。これにより、ブレード１の板厚を抑えたり、高強度材料の使用を避けたりすることが可能となり、製造コストの低減が可能となる。なお、ブレードリブ１７の突起方向は、本実施の形態では矢印７の方向と逆方向に凸であるが、逆に矢印７の方向と同じ方向に凸となる形状でも同様な効果が得られる。

また、本実施の形態３におけるブレード前縁１６のブレードリブ１７の位置は、スパイダー２とブレード外周縁１８との間に位置する。また、ブレード外周縁１８を前方に延ばした仮想線とブレード前縁１６を径方向外側に延ばした仮想線とが交わる部分をブレード前縁部交点２０とし、ブレード外周縁１８とブレード後縁１９との交点をブレード後縁部交点２１とする。このとき、回転軸９との間でのなす角をθｂとした場合、回転方向である矢印８に対して、θｂ／２となる位置よりも前縁部にブレードリブ１７が位置することが、ブレード１の応力低減には望ましい。

実施の形態４．
図２１は、本発明の実施の形態４にかかるプロペラファンの斜視図である。本実施の形態４にかかるプロペラファン４０では、実施の形態２で例示したプロペラファン４０のブレード１に、実施の形態３で例示したブレードリブ１７を追加した構成となっている。

本実施の形態４にかかるプロペラファン４０では、実施の形態３で例示したようにボス部６と主板３との境界からリブ４を形成するほど大型ではないものの、ブレードにも大きな応力が発生するサイズのプロペラファン４０において、板厚アップや高強度材料の使用を避けつつ強度の向上を図ることが可能となり、製造コストの低減を図ることが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ ブレード、２ スパイダー、３ 主板、４ リブ、５ 接合部、６ ボス部、６ａ 孔、７，８ 矢印、９ 回転軸、１０ スパイダー前縁部、１１ 最大応力発生個所、１２ 貫通孔、１３ つなぎ部前縁端、１４ つなぎ部後縁端、１５ 補強板、１６ ブレード前縁、１７ ブレードリブ、１８ ブレード外周縁、１９ ブレード後縁、２０ ブレード前縁部交点、２１ ブレード後縁部交点、２２ 基準線、２３ つなぎ部、３０ 電動機、３１ 筐体、３２ 軸部、４０ プロペラファン、５０ 換気扇、６２ スパイダー、７２ 貫通孔。

Claims (7)

1. 回転軸を中心に回転して送風するプロペラファンであって、
   前記回転軸を中心に回転するボス部と、
   前記ボス部の外周面から、前記回転軸から離れる方向に延びて円環状に形成された主板と、
   前記主板の外周縁から、前記回転軸から離れる方向に延びるとともに、前記主板の外周縁に沿って並べて形成された複数のつなぎ部と、
   複数の前記つなぎ部のそれぞれから、前記回転軸から離れる方向に延びる接合部と、
   前記接合部に接合された複数のブレードと、を備え、
   前記主板には、前記送風の下流側に向けて凸であり、前記回転軸を中心とする円環状のリブが形成されていることを特徴とするプロペラファン。
2. 前記リブの高さをｈとし、前記主板の厚さをｔとした場合に、ｈ／ｔ≧０．４５であることを特徴とする請求項１に記載のプロペラファン。
3. 前記主板の外径をＤ１、前記リブの外径をＤ２とした場合に、Ｄ２／Ｄ１≧０．６９であることを特徴とする請求項１または２に記載のプロペラファン。
4. 前記リブには、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のプロペラファン。
5. 前記プロペラファンの回転方向を前方とし、その逆方向を後方とし、前記つなぎ部の前縁と前記主板との境界をつなぎ部前縁端とし、前記つなぎ部の後縁と前記主板との境界をつなぎ部後縁端とし、前記つなぎ部前縁端と前記回転軸とを結ぶ線と前記つなぎ部後縁端と前記回転軸とを結ぶ線とがなす角度をθとした場合に、
   前記貫通孔は、前記つなぎ部後縁端と前記回転軸とを結ぶ線を前記回転方向の前方に向ってθ／２進めた領域に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のプロペラファン。
6. 前記リブの裏面は凹みになっており、
   前記凹みの底面に配置された補強板をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のプロペラファン。
7. 前記ブレードの外周縁と前記接合部との間に、前記ブレードの前縁部に沿って延びるブレードリブが形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のプロペラファン。