JP3028010B2 - ファン装置 - Google Patents

ファン装置

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JP3028010B2
JP3028010B2 JP4118732A JP11873292A JP3028010B2 JP 3028010 B2 JP3028010 B2 JP 3028010B2 JP 4118732 A JP4118732 A JP 4118732A JP 11873292 A JP11873292 A JP 11873292A JP 3028010 B2 JP3028010 B2 JP 3028010B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、回転駆動される軸流
ファンの発する騒音を低減させるファン装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】送風機は、空調機や、換気扇などに幅広
く使われており、その羽根車から発生する騒音をできる
限り低くする事は、社会的にも非常に重要である。送風
機の騒音を低減するには、騒音源であるファン自体の羽
根の形状や材質の工夫などが考えられるが、送風能力を
満足させながら、騒音を羽根形状の最適化によって騒音
を低減することにも限界がある。また、吸音や遮音とい
う手段もあるが、これらも通風効果を下げてしまうか、
大きなスペースを必要とするなど問題がある。そこで、
送風機の騒音制御装置として、アクティブ制御の技術を
用いて、大きなスペースを必要とせず、かつまた送風機
の送風能力を下げることなく送風機の騒音を低減する方
法が提案されている。
【0003】図16は、例えば特開平2−285799
号公報に示された従来のファン装置の構成を示す断面図
である。図において、1は機器のケーシング、2はケー
シング1に取り付けられた内部冷却用ファン、3はファ
ン2に対向して配設された制御用音源の例えばセラミッ
ク圧電スピーカなど小形のスピーカ、4はケーシング1
の内側でファン2の回転部近傍に設けられダイオードお
よび受光素子からなる光センサ、5はケーシング1の外
側縁で騒音の低減を期待される場所に配置され受音手段
となるマイクロホン、6はマイクロホン5及び光センサ
4の検出信号が入力され処理する演算処理装置である。
【0004】次に動作について説明する。マイクロホン
5及び光センサ4の検出信号は演算処理装置6に入力さ
れて処理され駆動制御信号がスピーカ3に出力されてス
ピーカ3は制御音を発生する。演算処理装置6は、伝達
特性を固定または可変とすることができる一種のデジタ
ルフィルタである。光センサ4より入力される回転信号
はA/Dコンバータを介して演算処理装置6に取り込ま
れ、制御信号はD/Aコンバータを介して出力される。
固定型または適応型として演算処理装置は作成されてお
り、図17または図18のように構成されている。演算
処理装置6の伝達特性は、光センサ4およびスピーカ3
の伝達特性を補償し、かつマイクロホン5の位置におい
て騒音と逆位相の音を作り出すように設計されている。
以上のような構成によってマイクロホン5の位置で騒音
は低減される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のファン装置は以
上のように構成されているので、マイクロホン近傍の位
置での騒音と逆位相の音を作り消音するため空間全体の
消音は困難である。また回転数に同期させた信号を制御
用の信号としているために、送風機の回転数に対し、そ
の整数倍の周波数の騒音のみに効果をもち、広帯域の騒
音には消音効果がない欠点があった。
【0006】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので空間全体の消音を行い、回転数の
整数倍の騒音のみならず、広帯域の騒音も大幅に低減で
きるファン装置を得ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に係るファン装
置は、胴部と翼部とを有しフレームに回転自在に支持さ
れ回転駆動されて送風するファンが設けられたファン装
置本体と、翼部の所定位置に設けられ翼部に沿った空気
流の変動をとらえ第1の信号を出力する検出センサと、
第1の信号を演算処理し第2の信号を出力する演算処理
装置と、翼部で空気流の検出センサより下流側の所定位
置に設けられ第2の信号に基づいて、翼部に沿った空気
流を制御し空気流の変動を打ち消す、あるいは空気流に
振動を与えることにより空気流の変動を打ち消す、もし
くは空気流を昇温又は降温することにより空気流の変動
を打ち消す空気流制御手段を設けたものである。
【0008】
【0009】
【作用】この発明におけるファン装置は、翼部に発生し
た気流乱れまたは気流乱れによる微少な圧力変動を、同
翼部に配置した検出センサによって第1の信号として検
出する。検出された同気流中の乱れの第1の信号を演算
処理装置に入力し、演算処理装置から出力される第2の
信号によって翼部に設けられた空気流制御手段により翼
部に沿った空気流を制御し空気流の変動を打ち消す、あ
るいは空気流に振動を与えることにより空気流の変動を
打ち消す、もしくは空気流を昇温又は降温することによ
空気流の変動を打ち消す。気流中の乱れが整流される
ことで、翼部後縁部付近での風速変動が低減され、同
の揚力の変化が低減し、同翼部から発生する騒音が低
減される。
【0010】
【0011】
【実施例】実施例1. この発明における実施例1を図について説明する。図1
はこの発明の実施例1におけるファン装置の外観図、図
2は構成を示すブロック図である。図において、7は翼
部7aと胴部7bでなるファン、8はファン7の負圧側
翼面に設けられ空気流の変動をとらえ電気信号を出力す
る検出センサでここでは風速計の速度センサ、9は速度
センサ8より下流の負圧側翼面に設けられ空気流制御手
段となるピエゾ素子などによって構成された振動装置で
ここでは振動アクチュエータ、10は風速計アンプ部、
11はファン7の胴部に装備された演算処理装置、12
は振動装置アンプ部であり、ピエゾ素子による振動アク
チュエータ9は翼1枚毎に設けられている。なおこれら
の装置は回転部に装備されているが、その電源は例えば
集電環で入力されている。
【0012】ファン翼の負圧面上に取り付けた速度セン
サ8によって、翼面上の微小な乱れを検出する。速度セ
ンサ8で得られた乱れを表す信号(第1の信号)は、風
速計アンプ部10で増幅され、演算処理装置11へ入力
される。演算処理装置11内では、信号の各々の周波数
に対し位相、出力ゲインを調節し、振動装置アンプ部1
2に出力信号(第2の信号)として出力する。この際、
演算処理装置11内の位相や出力ゲインの調節は速度セ
ンサ8による伝達関数および振動装置アンプ部12なら
びに振動アクチュエータ9の伝達関数、速度センサ8か
ら振動アクチュエータ9までの境界層中の乱れの移動・
増幅を表す伝達関数を補償し、負圧面上の振動アクチュ
エータ9位置での境界層中の乱れに対しある位相分だけ
ずらした振動となるよう設定されている。振動アクチュ
エータ9の位置へ輸送された乱れに対し、ある位相をず
らした振動振幅を振動アクチュエータ9によって境界層
中に与えた場合、その乱れの大きさはほとんど0近くま
で低減される。この結果、翼後縁部から放出される乱れ
による翼の渦度変化は低減され、ファンから放射される
騒音は低減される。
【0013】ここで、振動アクチュエータ9によってあ
る位相をずらした振動振幅を境界層中に与えた場合、そ
の乱れの大きさはほとんど0近くまで低減される理由に
ついて説明する。軸流ファンの騒音で特に問題となるそ
の音源は、ファンの負圧面上の境界層に発生・発達する
流れの乱れによることが知られている。負圧面上の境界
層中の乱れと騒音の発生過程は、おおよそ以下のように
考えられている。図14は騒音の発生過程を説明するた
めの説明図であり、図14に示すようにファン翼前縁で
気流は剥離し、その再付着によって生じた乱れや大気中
に存在する微小な乱れ、音響による圧力変動による乱れ
などは、ファン負圧面側で増幅過程を経て、ファン翼後
縁部において渦を放出する。この結果、ファン翼自身の
循環は微小に変化し、その揚力は変動する。この揚力の
微小変化によって騒音が発生する。また、ファンに流れ
込む空気の流れが局所的に不均一である場合、ファン翼
自身の循環が回転数に同期して変化する。この結果、フ
ァンからの回転数の整数倍の騒音が発生する。
【0014】この実施例においては、上述のように、翼
7aの負圧側面上に発生した気流乱れまたは気流乱れに
よる微小な圧力変動を、同翼7a面上に配置した検出セ
ンサである速度センサ8によって検出し、この気流乱れ
を空気流制御手段である振動アクチュエータ9によりあ
る位相分ずらした振動を与えて打ち消す。図15はこの
原理を模式的に示す説明図である。これにより、気流中
の乱れが整流され、翼後縁付近での風速変動が低減さ
れ、同翼の揚力の変化が低減し、同翼から発生する騒音
が低減される。
【0015】以上の騒音低減の最も効果が得られる速度
センサ8の位置と振動アクチュエータ9の位置ならびに
速度センサ8と振動アクチュエータ9の距離は以下の様
に規定される。速度センサ8の後縁からの距離をS、振
動アクチュエータ9の後縁からの距離をV、速度センサ
8と振動アクチュエータ9間の距離をL(=S−V)、
ファンの翼端速度をU、速度センサ8の時定数をτS
振動アクチュエータ9の時定数をτV、演算処理装置1
1の演算終了時間をτCとする。ファン形状によって騒
音源となる微小擾乱が発達する位置は変化し、乱れの発
達位置を数値計算もしくは実験によって定めておく必要
がある。この位置を速度センサ8の位置と定めた場合、
振動アクチュータ9までの距離は、 L>U×(τS+τV+τC) でなければならない。例えば本実施例では、τS=10
μs、τV=100μs、τC=200μs、ファン1の
回転数ND=1000rpm、羽根枚数Z=3枚、ファ
ン径D=300mm、ファン翼弦長l=330mmとす
れば、U=15.7m/sとなる。 L≧5(mm) となる。当然のことながら、この値は、ファン7の回転
速度やファン径、演算処理装置11の計算速度、速度セ
ンサ8と振動アクチュエータ9の応答速度によってお
り、条件によってはこの限りではない。逆に、ファン翼
面上の乱れは速度センサ8と振動アクチュエータ9が離
れるに従ってその相互相関が低下し、制御を行うことが
困難となる。センサ部の速度変動と、ファンから発生す
る騒音との相互相関を、そのセンサ部と翼後縁部との距
離Sに対して表したグラフを図3に示す。この図から、
センサ部の翼後縁からの距離Sは、 S≦50mm(=SD) 程である必要がある。本実施例では、以上のことを考え
て、S=20mmとし、翼後縁からのアクチュータまで
の距離V=5mmとしたため、L=15mmとしてい
る。ただし、この値は、そのファンの形状や大きさによ
って変化するため、条件によってはこの限りではない。
相互相関はその境界層厚さδに比例すると考えられる。
すなわち S0/δ=一定 δは δ〜l(lU/ν)-1/2 である。ここで、νは動粘性係数であり、またlとD/
Zは比例関係、UとNDは比例関係である。ここで、N
は回転数(rpm)である。以上からS0と(ZN)
-1/2は比例関係となる。つまり、このファンの形状から
の相似則から、ファンの回転数の平方根に反比例して S≦50mm×(1000×3)1/2/(NZ)1/2 とおおよそ考えることができ、この範囲内に速度センサ
ーを取り付けることによってファン径や回転数が異なる
ファンに対して効果的な消音が可能となる。図4は従来
のファンによる騒音とこの実施例1のファン装置による
騒音の周波数分析結果を示す対比図である。本実施例に
よれば、2kHZ以下の周期性騒音ならびに広帯域騒音
に対し効果があることが分かる。
【0016】実施例2. 上記実施例1では、翼面上に発生した乱れを抑制するた
めに振動アクチュエータ9を用いたが、圧力の変化によ
って乱れを抑制する温度による空気粘性の変化を利用し
た例えばニクローム線を使用した発熱装置または冷却装
置、境界層中へ空気の吹き出し、吸い込みの作用を持つ
装置を振動アクチュエータ9の代わりに用いても同様な
効果を得ることができる。
【0017】実施例3. この発明における実施例3を図5,図6を基に説明す
る。図中、7はファン、8は風速計の速度センサ、13
はピエゾ素子によって構成される発音装置、10は風速
計アンプ部、11は演算処理装置、14は発音装置のア
ンプ部である。発音装置14は速度センサ8の下流に取
り付ける。速度センサ8、発音装置アンプ部14、演算
処理装置11、ピエゾ素子による発音装置13はファン
の翼1枚ごとに設けられている。ファンの翼の負圧面上
に取り付けた速度センサ8によって、翼面上の微小な乱
れを検出する。速度センサ8で得られた乱れを表す信号
は、信号演算処理装置11へ入力される。演算処理装置
11内では、信号の各々の周波数に対し位相、出力ゲイ
ンを調節し、発音装置アンプ部14に出力する。この
際、演算処理装置11内の位相や出力ゲインの調節は速
度センサ8による伝達関数および発音装置アンプ部14
ならびに発音装置13の伝達関数、速度センサ8から速
度センサによって検出された乱れが原因となって発生し
た騒音が発音装置13へ伝播する伝達関数を補償し、発
音装置13から放射される音が、発音装置位置での騒音
に対し逆位相となるように設定されている。発音装置1
3から、発生騒音に対し逆位相の音を付加した場合、そ
の重ねあわせの音響レベルは0近くまで低減される。こ
の結果、羽根翼から放射される騒音は低減される。な
お、発音装置13にピエゾ素子を用いたが、ボイスコイ
ルなどの発音装置を用いても同様な効果を得ることがで
きる。
【0018】実施例4. また、実施例4として、図7に示すように発音装置15
をファン胴部7bに取り付けることで同様な効果を得る
ことが可能である。さらに、図8に示すように発音装置
例えばスピーカ16をファンなどの回りを囲むケーシン
グ17内部に取り付けても同様な効果を得ることが可能
である。この場合、ケーシング内に取り付けたスピーカ
16の個数をファンの翼枚数よりも多くし、ある制御用
発音装置に対して、最も近いファンの翼上にあるセンサ
からの出力を用いることでより一層の効果を得ることが
できる。なお、ファン7及びケーシング17がこの発明
におけるファン装置本体である。
【0019】実施例5. 上記実施例1〜4では風変動をとらえるセンサを速度セ
ンサ8としたが実施例5として風速変動による圧力変動
を捉える意味で圧力センサを用いても同様の効果を得る
ことができる。
【0020】実施例6. 演算処理装置内の伝達関数は、騒音を消去することに対
し効果的となるよう、ファンの回転数やファン前後の静
圧の変化にあわせて変化しなければならない。また、演
算処理装置内部に構成する伝達関数を、速度センサの伝
達関数や振動アクチュエータの伝達関数、センサ位置か
ら振動アクチュエータまでの乱れの移動・増幅における
伝達関数などから求めることは一般的に困難である。そ
こで、この発明の実施例6として図9に示すように、マ
イクロホンなどで構成されるエラーセンサ18をファン
7に取り付け、このエラーセンサ18のレベルを最小に
するように演算処理装置を適応型フィルタとすること
で、容易に演算処理装置内部の伝達関数を決定できる。
また、図10の様にエラーセンサ18はファン7以外の
場所に取り付けたとしても同様な効果を得ることができ
る。この時のエラーセンサと処理装置の構成を図11に
示す。図11は、エラーセンサ18としてマイクロホン
を使用し、このエラーセンサの出力をマイクロホンアン
プ19を介し演算処理装置部へ入力する。演算処理装置
は適応制御型となっており、エラーセンサの出力を最小
とするように内部のフィルタを設定するようになってい
る。また、以上実施例では1つの翼に例えば速度セン
サ、および振動アクチュエータを各々1つずつ用いてい
るが、複数個の速度センサ、振動アクチュエータを用い
て、より一層の効果を得ることが可能である。
【0021】実施例7. 次に実施例1の応用形として実施例7を図12A,12
B,12Cに示す。図中、7はファン、8は風速計の速
度センサ、19はピエゾ素子19a及び両電極19b,
19cによって構成される振動アクチュエータである。
ここでは、振動アクチュエータ19を翼後縁に配置し、
速度センサ8を翼の負圧面側上流に取り付け負圧翼面の
速度変動を検出する。検出された速度変動の信号を演算
処理装置に入力し、翼後縁部での渦度放出の状態およ
び、翼全体の渦度が常に一定となるような翼後縁部の振
動アクチュエータの加振量、加振位相を計算し、振動装
置に出力する。この結果、翼回りの揚力変動は低減さ
れ、騒音の発生は抑制される。なお、図12Cは振動ア
クチュエータ19に電流が入力されその動作状態を示し
ている。また、この実施例7に実施例6で説明したエラ
ーセンサ18を設けて図13のように構成してもよい。
【0022】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、胴部
と翼部とを有しフレームに回転自在に支持され回転駆動
されて送風するファンが設けられたファン装置本体と、
翼部の所定位置に設けられ翼部に沿った空気流の変動を
とらえ第1の信号を出力する検出センサと、第1の信号
を演算処理し第2の信号を出力する演算処理装置と、翼
部で空気流の検出センサより下流側の所定位置に設けら
れ第2の信号に基づいて翼部に沿った空気流を制御し空
気流の変動を打ち消す、あるいは空気流に振動を与える
ことにより空気流の変動を打ち消す、もしくは空気流を
昇温又は降温することにより空気流の変動を打ち消す空
気流制御手段を設けたので、ファンの翼部後縁部付近で
の風速変動が低減され翼部の揚力変動が低減し翼部から
発生する騒音が低減されて空間全体の消音を可能とする
ファン装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例1におけるファン装置の外
観を示す斜視図である。
【図2】 実施例1の装置の構成を示すブロック図であ
る。
【図3】 空気流の乱れの位置に対する相互相関係数を
示すグラフである。
【図4】 この発明によって騒音が低減された効果を示
す対比図である。
【図5】 この発明の実施例3におけるファン装置の外
観を示す斜視図である。
【図6】 実施例3の装置の構成を示すブロック図であ
る。
【図7】 この発明の実施例4におけるファン装置の外
観を示す斜視図である。
【図8】 実施例4の応用形を示す横断面図である。
【図9】 この発明の実施例6におけるファン装置の外
観を示す斜視図である。
【図10】 実施例6の応用形を示す横断面図である。
【図11】 実施例6の構成を示すブロック図である。
【図12】 この発明の実施例7におけるファン装置を
示し、Aにその外観の斜視図を、BにAにおける線B−
Bに沿った断面図を、CにAにおける線B−Bの動作状
態図を示すものである。
【図13】 実施例7にエラーセンサを追設したファン
装置の外観を示す斜視図である。
【図14】 騒音の発生過程を説明するための説明図で
ある。
【図15】 振動アクチュエータによって騒音を低減す
る原理を模式的に示す説明図である。
【図16】 従来のファン装置の構成を示す断面図であ
る。
【図17】 従来のファン装置の構成を示すブロック図
である。
【図18】 従来のファン装置で他の構成を示すブロッ
ク図である。
【符号の説明】
7 ファン、7a 翼部、7b 胴部、8 速度センサ
(検出センサ)、 9 振動装置(空気流制御手段)、10 風速計アン
プ、11 演算処理装置、 12 振動装置アンプ、13 発音装置、14 発音装
置アンプ、 17 エアーセンサ、19 マイクロホンアンプ。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−13016(JP,A) 特開 昭57−95452(JP,A) 特開 昭59−93282(JP,A) 特開 平4−369342(JP,A) 特開 平1−147235(JP,A) 特開 平3−294731(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04D 27/00 - 27/02 F04B 49/00 - 51/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】胴部と翼部とを有しフレームに回転自在に
    支持され回転駆動されて送風するファンが設けられたフ
    ァン装置本体と、上記翼部の所定位置に設けられ上記翼
    部に沿った空気流の変動をとらえ第1の信号を出力する
    検出センサと、上記第1の信号を演算処理し第2の信号
    を出力する演算処理装置と、上記翼部で上記空気流の上
    記検出センサより下流側の所定位置に設けられ上記第2
    の信号に基づいて上記空気流を制御し上記空気流の変動
    を打ち消す空気流制御手段を備えたことを特徴とするフ
    ァン装置。
  2. 【請求項2】空気流制御手段は、空気流に振動を与える
    ことにより空気流の変動を打ち消すものであることを特
    徴とする請求項1に記載のファン装置。
  3. 【請求項3】空気流制御手段は、空気流を昇温又は降温
    することにより空気流の変動を打ち消すものであること
    を特徴とする請求項1に記載のファン装置。
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