JP2020153276A - 遠心ファン - Google Patents

Abstract

【課題】軸受に予圧を加える構造をより低コストで得られる遠心ファンを提供する。【解決手段】インペラ１２０と、インペラ１２０と結合したシャフト１２５と、シャフト１２５が内輪に固定された玉軸受１８１およびシャフト１２５に内輪が固定された玉軸受１８２と、筒構造を有し、その内側に玉軸受１８１の外輪および玉軸受１８２の外輪が固定された軸受ホルダー１７０とを備え、軸受ホルダー１７０の内側には、軸受ホルダー１７０と融合した同一材料であり、軸受ホルダー１７０の内周面から延在し、シャフト１２５の延在方向において弾性変形が可能な部材を含むばね部が設けられ、このばね部により、玉軸受１８１に予圧が加えられている遠心ファン１００。【選択図】図１

Description

本発明は遠心ファンに関する。

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、遠心ファンが知られている。従来の遠心ファンとして、ケースが上ケーシング（第１ケース部）と下ケーシング（第２ケース部）とからなり、上ケーシングと下ケーシングの間にインペラを収納し、インペラの回転に伴って吸い込み口から吸入した空気を上ケーシングと下ケーシングの間の側面に形成された開口からケース外方に向けて吹き出す遠心ファンが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような遠心ファンでは、軸受に所定の予圧を付勢して、軸受の振動を防止することが一般的に行われる（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１８−１５５１８８号公報（図３） 特開２０１７−８２６１３号公報（図４）

特許文献１に記載された遠心ファンでは、下ケーシングに筒状の軸受ホルダーを設け、その内側に２つの玉軸受を嵌着し、この玉軸受によりロータのシャフトが回転自在な状態で保持される。通常この構造では、玉軸受の振動を防止するために、特許文献２に記載されたように、別途用意したばねを用いて玉軸受に予圧を加える。

しかしながら、別部材のばねを用いて玉軸受に予圧を加える構造では、部品点数が多くなり、また、ばねを装着するための作業が必要となる。このため、部品および作業工数が多くなり、コスト増となる。

このような背景において、本発明は、軸受に予圧を加える構造をより低コストで得られる技術の提供を目的とする。

本発明は、インペラと、前記インペラと結合したシャフトと、前記シャフトが内輪に固定された第１の玉軸受および第２の玉軸受と、筒構造を有し、その内側に前記第１の玉軸受の外輪および前記第２の玉軸受の外輪が固定された軸受ホルダーとを備え、前記軸受ホルダーと融合した同一の材料の一体物であり、前記軸受ホルダーの内周面から延在し、前記シャフトの延在方向において弾性変形が可能な部材を含むばね部が設けられ、前記ばね部により、前記第１の玉軸受に予圧が加えられている遠心ファンである。

本発明において、前記ばね部は、前記軸受ホルダーの内周面から軸中心の方向に湾曲しながら延在する複数の腕部と、前記複数の腕部によって保持された環状の受け部とを備える構成は好ましい。

本発明において、前記受け部と前記第１の玉軸受の間にはワッシャが配置され、前記ワッシャは、環状の平板部と該平板部の外縁部分から軸方向に延在した円筒部とを備え、前記平板部の内縁の側において、前記ワッシャは前記受け部と接触し、前記円筒部の先端部分が前記第１の玉軸受の外輪に接触している構成は好ましい。

本発明において、前記軸受ホルダーの内周面には、前記腕部の根本の部分から軸方向に延在する凸形状の延在部が設けられている構成は好ましい。本発明において、前記第２の玉軸受の外輪は、前記延在部の端部に接触している構成は好ましい。

本発明によれば、軸受に予圧を加える構造をより低コストで得られる。

実施形態の遠心ファンの断面図である。 軸受ホルダー付近の部分拡大断面図である。 軸受ホルダー付近の部分拡大断面図である。 軸受ホルダーの平面図である。 軸受ホルダーの上面側から見た斜視図である。 軸受ホルダーの底面側から見た斜視図である。 軸受ホルダーの断面斜視図である。

（１）第１の実施形態
（構成）
図１は、発明を利用した遠心ファン１００を、軸を含む面で切断した断面図である。図２および図３は、図１の一部を拡大した部分拡大断面図である。以下において、軸方向とは、回転軸であるシャフト１２５の延在方向のことであり、径方向とは、軸方向に直交する方向のことである。また、上とは、図１の視点から見て、下ケーシング１３０から見た上ケーシング１１０の方向であり、下は、その逆の方向のことである。

遠心ファン１００は、樹脂製の上ケーシング１１０と樹脂製の下ケーシング１３０から構成されたケーシング１５０を備えている。上ケーシング１１０と下ケーシング１３０の間には、樹脂製のインペラ１２０が回転可能な状態で収納されている。

上ケーシング１１０の中央には、吸気口１１１が設けられている。上ケーシング１１０と下ケーシング１３０は樹脂の成形品であり、上ケーシング１１０と支柱１４０は一体成形で一体物として形成されている。下ケーシング１３０には、コネクタハウジング１３１が一体成形により一体物として形成されている。コネクタハウジング１３１には、後述する回路基板１３３への外部からの電気的な接続を行うための端子ピン１３４が配置されている。

上ケーシング１１０と下ケーシング１３０は、上ケーシング１１０と下ケーシング１３０の間に介装した支柱１４０によって結合させている。ケーシング１５０の側面における支柱１４０を除いた部分は、上ケーシング１１０と下ケーシング１３０の間の隙間となっており、この隙間の部分が吹出口１１２となっている。

この例では、上ケーシング１１０側の支柱１４０の先端にボス（樹脂ピン）が形成され、このボスが下ケーシング１３０に形成した貫通孔に挿通され、その状態で、ボスの先端を熱や赤外線、等々で潰してカシメを行うことで、上ケーシング１１０と下ケーシング１３０とが支柱１４０を介して結合されている。

上記の結合方法として、超音波による溶着を利用する形態も可能である。また、上記の結合の方法として、下ケーシング１３０の側からタッピングねじを支柱１４０に挿通し、締結する構造等も可能である。

インペラ１２０は樹脂製であり、環状のシュラウド１２１と、主板１２２と、シュラウド１２１と主板１２２の間に配置された複数の羽根１２３とから構成されている。羽根１２３は全て同じ形状の後向き羽根で周方向に均等に配置されている。

インペラ１２０は、軟磁性材（例えば、鉄材）からなる環状のロータヨーク１２４と、回転軸となる金属製のシャフト１２５と一体に形成されている。すなわち、樹脂製のインペラ１２０は、ロータヨーク１２４とシャフト１２５をインサート成形することで作製されている。

インペラ１２０は、吸込口１１１の方向に突出したボス１２６を有し、シャフト１２５は、ボス１２６の中に埋め込まれている。ボス１２６の下面には、軸方向に突出する環状の突起部１２７が形成されている。ロータヨーク１２４の内周面には、ロータマグネットとなる環状のマグネット１２８が接着剤を用いて固定されている。

環状のマグネット１２８の内側（軸中心側）には、隙間を介してステータ１６０を構成するステータコア１６１が配置されている。ステータコア１６１は、電磁鋼板等の薄板状の軟磁性材料を積層したもので、環状の形状を有し、外周に複数の突極（磁極）が設けられている。ステータコア１６１には、樹脂製のインシュレータ１６２が装着され、各突極には、インシュレータ１６２を介してステータコイル１６３が巻かれている。

下ケーシング１３０には、樹脂製で筒形状を有した軸受ホルダー１７０が固定され、軸受ホルダー１７０の外周にステータコア１６１が固定されている。軸受ホルダー１７０の外周面には、フランジ部１７０ａ（図３〜図６参照）が設けられており、このフランジ部１７０ａの段差の部分を利用してステータコア１６１が固定されている。

ステータコア１６１、インシュレータ１６２およびステータコイル１６３により、ステータ１６０が構成されている。また、ロータヨーク１２４およびマグネット１２８により、ロータ１２９が構成されている。なおロータ１２９は、インペラ１２０と一体化されており、ロータ１２９と共にインペラ１２０が回転する。ステータ１６０とロータ１２９により、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータが構成されている。なお、シャフト１２５は、ボス１２６の中に埋め込まれているが、ロータヨーク１２４がシャフト１２５と結合した構成であってもよい。

下ケーシング１３０は、平たい有底筒状の構造を有し、凹部１３２を有している。凹部１３２には、回路基板１３３が収納されている。回路基板１３３は、下ケーシング１３０に固定され、ステータコイル１６３への駆動電流を供給する駆動回路を備えている。

筒形状の軸受ホルダー１７０の内側には、玉軸受１８１，１８２が装着され、玉軸受１８１，１８２により、シャフト１２５が回転自在な状態で軸受ホルダー１７０の内側に保持されている。玉軸受１８１には、以下に示す構造により予圧が加えられている。

図３〜図７に示すように、軸受ホルダー１７０の内周面には、ばね部１７１が形成されている。ばね部１７１は、樹脂で構成されたばねを有している。ばね部１７１は、軸受ホルダー１７０と一体であり、軸受ホルダー１７０と同時に樹脂を原料とした射出成型により形成される。すなわち、ばね部１７１は、軸受ホルダー１７０と別部材として得るものではなく、両者は初めから一体物としてモールド成形により製造されている。このため、ばね部１７１は、形成時から軸受ホルダーと分離しておらず、軸受ホルダー１７０と融合した同一の材料で構成されている。

ばね部１７１は、複数のストッパー部１７２、複数の腕部１７３およびワッシャ受け部１７４から構成されている。ストッパー部１７２と腕部１７３の数は、２以上が可能である。

図３〜図７に示すように、ストッパー部１７２は、周方向に均等配置（この例では、均等な３箇所に配置）され、軸受ホルダー１７０の内周面から径内方（軸中心の方向）に突出し、軸方向に延在し凸形状を有している。ストッパー部１７２の下端面は下側の玉軸受１８２の装着時の座面となる。

ストッパー部１７２から径中心の方向に弧を描きつつ螺旋状に湾曲した細い板状の腕部１７３が延在している。腕部１７３の先端はドーナツ形の円環形状を有するワッシャ受け部１７４に繋がっている。腕部１７３は、板ばねとして機能し、ワッシャ受け部１７４は、軸受ホルダー１７０の内側に腕部１７３によって浮いた状態で弾性的に保持されている。

ワッシャ受け部１７４の中央には開口１７４ａが設けられ、この開口１７４ａにはシャフト１２５が回転可能な状態で挿通される。ワッシャ受け部１７４にワッシャ１７５が接触する。ワッシャ受け部１７４の上端面がワッシャ１７５に接触する受け面となる。

ワッシャ１７５は、環状の平板形状の平板部１７６と、平板部１７６の外周縁から軸方向に延在する軸長の短い円筒形状の円筒部１７７により構成されている。平板部１７６にはシャフト１２５が挿通するための円形の開口が形成されている。円筒部１７７の上端面は、上側の玉軸受１８１の外輪１８１ａに接触し、平板部１７６の内周側（開口の周縁）の下面は、ワッシャ受け部１７４の上端に接触する。

ばね部１７１の腕部１７３は、ワッシャ１７５（平板部１７６）によって軸方向で押されて弾性変形する。この弾性変形により、ワッシャ受け部１７４により、ワッシャ１７５が上方に押し戻される反発力を生じる。この腕部１７３の弾性反発力により、ワッシャ１７５を介して、玉軸受１８１の外輪１８１ａに軸方向の予圧、すなわち図の上方向への付勢力が加えられる。

他方で、ボス１２６には、軸方向に沿って下方に延在する環状の突起部１２７が設けられ、この突起部１２７の下端が玉軸受１８１の内輪１８１ｂの上端に接触している。ばね部１７１の作用により、外輪１８１ａが上方向の付勢力を受けることで、内輪１８２ｂには、突起部１２７から下方向の力が働き、これにより玉軸受１８２への予圧が生じる。

（動作）
ステータ１６０とロータ１２９を備えたモータに駆動されてインペラ１２０が回転すると、その回転に伴って吸込口１１１から空気がケーシング１５０の内側に吸い込まれ、吸い込まれた空気は、インペラ１２０の羽根１２３の間を通過してインペラ１２０から径外側の方向に吹き出し、吹出口１１２からケーシング１５０の外方に向けて噴出する。

（製造工程）
まず、樹脂を原料した射出成形法により、ばね部１７１が一体化された軸受ホルダー１７０を得る。そして、ばね部１７１が一体化された軸受ホルダー１７０と複数の端子ピン１３４を、下ケーシング１３０とコネクタハウジング１３１を形成するための金型にセットし、軸受ホルダー１７０を成型した樹脂と異なる樹脂材を当該金型内に充填して下ケーシング１３０とコネクタハウジング１３１を一体成形にて形成する。すなわち、いわゆる二色成形にて下ケーシング１３０とコネクタハウジング１３１を一体成形して形成する。こうして、下ケーシング１３０と軸受ホルダー１７０が結合した部材を得る。

ここで、軸受ホルダー１７０の外周には、径外方に突出したフランジ部１７０ａと環状の溝１７０ｂが設けられており、上記二色成形時における下ケーシング１３０との結合状態をより強固で確実なものとしている。

次に、玉軸受１８２を軸受ホルダー１７０の下方側から圧入してストッパー部１７２の下端面に玉軸受１８２の外輪１８２ａを当接させて装着する。玉軸受１８２をストッパー部１７２の下端面に当接させた後、必要であれば、外輪１８２ａに接着剤を塗布して接着してもよい。

ここで、インペラ１２０と結合したシャフト１２５に玉軸受１８１を装着する。具体的には、玉軸受１８１の内輪１８１ｂにシャフト１２５を圧入し、所定の位置に玉軸受１８１を装着する。必要であれば、内輪１８１ｂに接着剤を塗布して接着してもよい。

次に、ワッシャ１７５を軸受ホルダー１７０の上方側から挿入し、ワッシャ１７５を軸受ホルダー１７０内に形成したばね部１７１のワッシャ受け部１７４の上に置く。

そして、シャフト１２５に装着した玉軸受１８１を軸受ホルダー１７０の上方側から軸受ホルダー１７０に挿入すると共に、シャフト１２５を玉軸受１８２の内輪１８２ｂに挿入し、シャフト１２５の先端側に止め輪（Ｅリング）を装着する。これによって、玉軸受１８１が軸受ホルダー１７０に装着される。このとき、玉軸受１８１の外輪１８１ａは、ゆるい状態で軸受ホルダー１７０に装着される。このシャフト１２５の装着した止め輪（Ｅリング）が玉軸受１８２の内輪１８２ｂを押圧することで、玉軸受１８２の内輪１８２ｂに圧力が加わる。また、ばね部１７１の弾性力が玉軸受１８１の外輪１８１ａに加わる。なお、止め輪（Ｅリング）に代えて、シャフト１２５を玉軸受１８２の内輪１８２ｂに圧入、又は内輪１８２ｂに接着剤を塗布して接着してもよい。

これによって、ばね部１７１の弾性力がワッシャ１７５を介して玉軸受１８１の外輪１８１ａに加わり、インペラ１２０のボス１２６の下面に形成された環状の突起部１２７が玉軸受１８１の内輪１８１ｂを押圧することで、玉軸受１８１の内輪１８１ｂに圧力が加わる。このように、軸受ホルダー１７０に装着した玉軸受１８１、１８２には予圧が定圧予圧で加えられているが、予圧は定位置予圧であっても勿論よい。

ばね部１７１のばね圧は、腕部１７３の形状、厚み、長さ、材質、さらに腕部１７３を軸方向でどの程度変位させるかにより調整される。

（むすび）
以上述べたように、遠心ファン１００は、インペラ１２０と、インペラ１２０と結合したシャフト１２５と、シャフト１２５が内輪１８１ｂに固定された玉軸受１８１およびシャフト１２５に内輪１８２ｂが固定された玉軸受１８２と、筒構造を有し、その内側に玉軸受１８１の外輪１８１ａおよび玉軸受１８２の外輪１８２ａが固定された軸受ホルダー１７０とを備え、軸受ホルダー１７０の内側には、軸受ホルダー１７０と一体物であり、軸受ホルダー１７０の内周面から延在し、シャフト１２５の延在方向において弾性変形が可能な部材を含むばね部１７１が設けられ、ばね部１７１により、玉軸受１８１に予圧が加えられている。

この構造によれば、軸受ホルダー１７０と一体物となったばね部１７１により、玉軸受１８１に予圧が加えられる。そのため、予圧を付与するためのばね部材を別途用意する必要がない。また、個別にばね部材を装着する作業が必要ない。

ばね部１７１は、軸受ホルダー１７０の内周面から軸中心の方向に湾曲しながら延在する複数の腕部１７３と、複数の腕部１７３によって保持された環状の受け部であるワッシャ受け部１７４とを備える。

この構造によれば、内側に向って旋回する複数の腕部１７３によって、軸受ホルダー１７０の内側において、ワッシャ受け部１７４が軸方向において弾性的に保持される。すなわち、ワッシャ受け部１７４を軸方向で動かそうとすると、腕部１７３が撓み、この撓みが元に戻ろうとする力が発生し、ワッシャ受け部１７４の位置を元に戻そうとする弾性反発力が生じる。

また、ワッシャ受け部１７４と玉軸受１８１の間にはワッシャ１７５が配置され、ワッシャ１７５は、環状の平板部１７６と平板部１７６の外縁部分から軸方向に延在した円筒部１７７とを備え、平板部１７６の内縁の側（外縁より内縁に近い部分または内縁を含む部分）において、ワッシャ１７５はワッシャ受け部１７４と接触し、円筒部１７７の先端部分が玉軸受１８１の外輪１８１ａに接触している。

この構造によれば、ばね部１７１による付勢力（弾性反発力によって生じる力）が効果的に外輪１８１ａに作用する。ばね部１７１による付勢力を効果的に発生させるには、腕部１７３の長さをある程度確保する必要がある。

ここで、樹脂を材料とした一体成型物としてばね部１７１と軸受ホルダー１７０を得る関係で、腕部１７３とワッシャ受け部１７４とが軸方向でオーバーラップする構造は製造が難しい。そのため、腕部１７３とワッシャ受け部１７４を径方向で配置せざるを得ない。しかしそうすると、腕部１７３の先端の位置が軸受ホルダー１７０の内周面から径方向で離れた位置となる。

ところで、腕部１７３が付勢力を与える玉軸受１８１の外輪１８１ａは、軸受ホルダー１７０の内周面に近接しており、その径方向の位置は、腕部１７３の先端から径方向で離れている。そこで、ワッシャ１７５を用い、径方向で離れた腕部１７３の先端から外輪１８１ａへ付勢力が伝達するようにする。

すなわち、ワッシャ１７５の径方向内側にある平板部１７６の内縁の付近に腕部１７３の先端に繋がったワッシャ受け部１７４が接触し、そこよりも径方向外側にある円筒部１７７を外輪１８１ａに接触させる。こうすることで、腕部１７３で生じる弾性反発力がワッシャ１７５を介して外輪１８１ａに加わる。

また、軸受ホルダー１７０の内周面には、腕部１７３の根本の部分から軸方向に延在する凸形状の延在部であるストッパー部１７２が設けられている。腕部１７３の根本の部分には、軸方向に折り曲げようとする力が働くが、この構造によれば、ストッパー部１７２により腕部１７３の根本の部分が軸方向で補強される。

また、玉軸受１８２の外輪１８２ａは、ストッパー部１７２の下端面（玉軸受１８２側の端部）に接触している。この構造によれば、ストッパー部１７２により玉軸受１８２の位置決めが行なわれ、更にストッパー部１７２により玉軸受１８２の外輪１８２ａに予圧が加えられる、

（２）第２の実施形態
下ケーシング１３０とコネクタハウジング１３１と軸受ホルダー１７０を樹脂の射出成型によって一体成形で形成してもよい。この場合、軸受ホルダーの１７０構造は、第１の実施形態と同じである。

１００…遠心ファン、１１０…上ケーシング、１１１…吸込口、１１２…吹出口、１２０…インペラ、１２１…環状のシュラウド、１２２…主板、１２３…羽根、１２４…ロータヨーク、１２５…シャフト、１２６…ボス、１２７…突起部、１２８…マグネット、１２９…ロータ、１３０…下ケーシング、１３１…コネクタハウジング、１３２…凹部、１３３…回路基板、１３４…端子ピン、１４０…支柱、１５０…ケーシング、１６０…ステータ、１６１…ステータコア、１６２…インシュレータ、１６３…ステータコイル、１７０…軸受ホルダー、１７０ａ…フランジ部、１７０ｂ…環状の溝、１７１…ばね部、１７２…ストッパー部、１７３…腕部、１７４…ワッシャ受け部、１７４ａ…開口、１７５…ワッシャ、１７６…平板部、１７７…円筒部、１８１…玉軸受、１８１ａ…外輪、１８１ｂ…内輪、１８２…玉軸受、１８２ａ…外輪、１８２ｂ…内輪、１９０…止め輪（Ｅリング）。

Claims (5)

1. インペラと、
   前記インペラと結合したシャフトと、
   前記シャフトが内輪に固定された第１の玉軸受および第２の玉軸受と、
   筒構造を有し、その内側に前記第１の玉軸受の外輪および前記第２の玉軸受の外輪が固定された軸受ホルダーと
   を備え、
   前記軸受ホルダーの内側には、前記軸受ホルダーと融合した同一の材料の一体物であり、前記軸受ホルダーの内周面から延在し、前記シャフトの延在方向において弾性変形が可能な部材を含むばね部が設けられ、
   前記ばね部により、前記第１の玉軸受に予圧が加えられている遠心ファン。
2. 前記ばね部は、
   前記軸受ホルダーの内周面から軸中心の方向に湾曲しながら延在する複数の腕部と、
   前記複数の腕部によって保持された環状の受け部と
   を備える請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記受け部と前記第１の玉軸受の間にはワッシャが配置され、
   前記ワッシャは、環状の平板部と該平板部の外縁部分から軸方向に延在した円筒部とを備え、
   前記平板部の内縁の側において、前記ワッシャは前記受け部と接触し、
   前記円筒部の先端部分が前記第１の玉軸受の外輪に接触している請求項２に記載の遠心ファン。
4. 前記軸受ホルダーの内周面には、前記腕部の根本の部分から軸方向に延在する凸形状の延在部が設けられている請求項２または３に記載の遠心ファン。
5. 前記第２の玉軸受の外輪は、前記延在部の端部に接触している請求項４に記載の遠心ファン。
   
   

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