JP3843781B2 - 渦流ファン - Google Patents

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    • F04D29/667Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by influencing the flow pattern, e.g. suppression of turbulence

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インペラ外径が100mm以下の超小型で低騒音で大風量を発生させられる渦流ファンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の渦流ファンは、例えば特開昭54−47114号公報に記載されているように、図7に示すような構成になっている。
【0003】
すなわち、同図において、空気を流入させる入口ポート3を備えたケーシング8と、回転時、流入した空気を搬送昇圧する複数枚の羽根1を有するインペラ2と、前記ケーシング8から流出する空気を排出する出口ポート6とを備え、前記入口ポート3はストリッパ部7によって前記出口ポート6から隔離されてなる渦流ファンにおいて、前記入口ポート3から流入した空気は、前記ケーシング8内の流路4に沿って流れる間に、複数枚の羽根1を有するインペラ2の作用で徐々に昇圧され、前記出口ポート6から排出される。そして、このような作用によって、この種の渦流ファンは一般の遠心ファンに比べはるかに高い圧力が得られるとされている。
【0004】
また、特開2000−146219号公報、特開2000−193269号公報、特開2000−249365号公報では、渦流ファンが回転方向を反転させるだけで、流れ方向を反転させられるという特長を持っていることを活かして、空気調和機の換気用ファンとして使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、渦流ファンは、一般的に渦流ポンプや再生ポンプ、渦流ブロワとしてよく知られている流体機械とほぼ同様の動作原理で、より低い圧力と大きい風量の動作点で使用しようとするものであり、その際低騒音をも求めるものである。
【0006】
このことから、低い圧力、低騒音と大きい風量に適した渦流ファンの形状や各部の寸法は、従来の渦流ポンプや再生ポンプ、渦流ブロワとは異なるのであるが、上記公知例には、その点に関する開示がない。
【0007】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、低騒音で大きい風量が得られる渦流ファンを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明では、上記課題を解決するための手段として、図1に示すように、空気を流入させる入口ポートを備えたケーシングと、流入した空気を搬送昇圧する複数枚の羽根を有するインペラと、前記ケーシングから流出する空気を排出する出口ポートとを備え、前記入口ポートはストリッパ部によって前記出口ポートから隔離されてなる渦流ファンにおいて、インペラ外径D≦100mmで、インペラ外周からケーシング内径までの隙間をa2、インペラ羽根高さをb2とすると、0.70≦b2/(a2+b2)≦0.85となるように構成している。
【0009】
請求項2の発明では、0.40≦(D−2b2)/D≦0.50となるように構成している。
【0010】
請求項3の発明では、インペラ幅をb、インペラの側面からケーシング内側面までの隙間をa1とするとき、0.25≦b/(b+2a1)≦0.50となるように構成している。
【0011】
請求項4の発明は、インペラ内周部からケーシング側面に向かって円筒状のつばを延出したものである。
【0012】
請求項5の発明は、インペラ内周部からケーシング側面に向かって円筒状のつばと、渦流ファンを駆動するアウターロータモータのロータ部を一体に形成したものである。
【0013】
ここで、各請求項による作用について述べる前に、渦流ファンの性能と各部寸法の関連について図を用いて説明する。渦流ファンで昇圧が行われる原理については、一般に次のように説明されている。
【0014】
すなわち、入口ポートから流入した気体は、流路を進行するに従い、インペラ外周端と内周における角運動量の差によって生ずる流動の乱れが漸増し、昇圧および搬送作用が強まる。これと同時に、インペラ内の気体は羽根の先端から流路内に放出され、再び羽根根元に帰る流動を起こす。
【0015】
このような作用は多数の羽根によって同時に行われるから、流路の中において気体の気体の混合と衝撃とが激しくなり、乱れ流動は一層促進される。その結果、気体の圧力が次第に高まりつつ出口ポートへ送られる。この動作原理から、昇圧量を増加すべく乱れ流動を促進するためには、インペラと気体の接触面積を増やしたり、羽根の大きさを大きくすることが有効であることが推測される。
【0016】
一方、渦流ファンの気体搬送に関しては次のようにも考えられる。すなわち、入口ポートから流入した気体は、最大でもインペラと同じ速度で流路を進行し、出口ポートから出て行くが、このときインペラ内の容積分の気体は、インペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される。このような見方に立てば、インペラ内部の容積が小さいほど、入口ポート側に戻される風量が少なく、結果的に渦流ファンの回転数に対する風量が増加することになる。
【0017】
請求項1の発明では、次のような作用が得られる。即ち、インペラ外径をD、インペラ外周からケーシング内径までの隙間をa2とすると、ケーシング内径はD+2a2、インペラ内径はD−2b2となり、インペラ羽根高さb2が流路高さを表すa2+b2に対して上記のように乱れ流動を促進して十分な昇圧量を得られる程度に大きく、なおかつインペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される風量が多すぎない程度に小さいような範囲、すなわち、0.70≦a2/(a2+b2)≦0.85に構成されている。
【0018】
請求項2の発明では、次のような作用が得られる。即ち、インペラ内径D−2b2が上記のように流路面積が十分に取れるほどに小さく、なおかつインペラ内外径差が大きくなり過ぎることで、インペラ内外径部の流速差がつき過ぎることによる損失の増大が抑制される程度に大きいような範囲、すなわち、0.40≦(D−2b2)/D≦0.50に構成されている。
【0019】
請求項3の発明では、次のような作用が得られる。即ち、インペラ幅をb、インペラの側面からケーシング内側面までの隙間をa1とすれば、ケーシング内幅はb+2a1でしめされ、インペラ幅bが上記のように乱れ流動を促進して十分な昇圧量を得られる程度に大きく、なおかつインペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される風量が多すぎない程度に小さいような範囲、すなわち、0.25≦b/(b+2a1)≦0.50に構成されている。
【0020】
請求項4の発明では、次のような作用が得られる。即ち、インペラ内周部からケーシング側面に向かって円筒状のつばを延出することにより、インペラと気体の接触面積を増やすことで、上記のように乱れ流動を促進して十分な昇圧量を得られる一方で、インペラの容積は実質的にほとんど増えないため、インペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される風量が多くなることによる性能低下はない。
【0021】
請求項5の発明では、次のような作用が得られる。即ち、インペラ内周部からケーシング側面に向かって円筒状のつばと渦流ファンを駆動するアウターロータモータのロータ部を一体に形成することにより、インペラのハブ部とケーシングの流路内周壁の2重構造が不要となり、流路面積を増やすことができるため、回転数あたりの風量を増やすことができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0023】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1を示すものである。同図において、2はインペラで、複数枚の羽根1とその翼間5から構成されている。インペラ2とそれを収納するケーシング8の間には流路4が設けられており、また、ケーシング8には所定の間隔をもって入口ポート3と出口ポート6が配してある。また、前記入口ポート3と前記出口ポート6を隔離し、空気の漏洩を最小限にするためにストリッパ部7が設けてある。このため、ストリッパ部7の内面は、インペラ2の外面を、できるだけ小さく取ったクリアランスを隔ててなぞるような形態をとっている。このクリアランスは使用目的やコストに応じて決められる。
【0024】
また、ストリッパ部の前記入口ポート3と前記出口ポート6に対抗する面は、各々、入口ポート3と前記出口ポート6の壁面の一部を構成し、またこの面は、概略インペラ2の内周円の接線を構成している。
【0025】
前述した動作原理から、渦流ファンでは、昇圧量を増加すべく乱れ流動を促進するためには、インペラ2と気体の接触面積を増やしたり、羽根1の大きさを大きくすることが有効であることが推測される。すなわち、この見方に立てばインペラ2外径をケーシング8内径に対して大きくすれば、羽根1の大きさを大きくすることになり、昇圧量を増加できることが期待できる。
【0026】
一方、これも前述したように、別の見方に立てば、インペラ2内部の容積が小さいほど、入口ポート3側に戻される風量が少なく、結果的に渦流ファンの回転数に対する風量が増加することになる。すなわち、この見方に立てばインペラ2外径をケーシング8内径に対して小さくすれば、インペラ2内部の容積を小さくすることになり、回転数に対する風量が増加することになる。
【0027】
ところで、インペラ外径をD、インペラの側面からケーシング内側面までの隙間をa1、インペラ外周からケーシング内径までの隙間をa2、インペラ幅をb、インペラ羽根高さをb2とすると、ケーシング内径はD+2a2、インペラ内径はD−2b2となるが、このとき、b2/(a2+b2)に対する風量の変化を調べたところ、図2に示す結果が得られた。
【0028】
これによれば、風量は0.70≦b2/(a2+b2)≦0.85の範囲において略極大値を示している。従って、インペラ外径とケーシング内径の関係は、0.70≦b2/(a2+b2)≦0.85となるように構成されるのが望ましい。
【0029】
なお、0.70>b2/(a2+b2)の場合には、流路高さa2+b2に比してインペラ羽根高さが小さくなりすぎて、乱れ流動の十分な促進が期待できなくなり、b2/(a2+b2)>0.85の場合には、インペラ内部の容積が大きくなりすぎ、入口ポート側に戻される風量が多くなって、結果的に渦流ファンの回転数に対する風量が減少することになる。
【0030】
なお、この特性曲線はインペラ外径Dが、68mmの場合のデータをもとに作成したものであるが、以下の関係は少なくともインペラ外径Dが100mm以下の範囲では成立することが確かめられている。また、この点に関しては図3、図4の結果も同様である。
【0031】
次に、インペラ外径D、インペラ内径D−2b2の関係について、(D−2b2)/Dに対する風量の変化を示した図3を基に説明する。
【0032】
これによれば、風量は0.40≦(D−2b2)/D≦0.50の範囲において略極大値を示している。従って、インペラ外径とインペラ内径の関係は、0.40≦(D−2b2)/D≦0.50となるように構成されるのが望ましい。
【0033】
なお、(D−2b2)/D>0.50の場合には、インペラ外径に比してインペラ内径が大きくなりすぎて、羽根が小さくなって乱れ流動の十分な促進が期待できなくなる上、流路高自体も小さくなり、0.40>(D−2b2)/Dの場合には、インペラ内外径差が大きくなり過ぎることで、インペラ内外径部の流速差がつき過ぎることによる損失が増大し、結果的に渦流ファンの回転数に対する風量が減少することになる。
【0034】
次に、インペラ幅b、ケーシング内幅b+2a1の関係について、b/(b+2a1)に対する風量の変化を示した図4を基に説明する。
【0035】
これによれば、風量は0.25≦b/(b+2a1)≦0.50の範囲において略極大値を示している。従って、インペラ幅とケーシング内幅の関係は、0.25≦b/(b+2a1)≦0.50となるように構成されるのが望ましい。
【0036】
なお、0.25>b/(b+2a1)の場合には、ケーシング内幅に比してインペラ幅が小さくなりすぎて、乱れ流動の十分な促進が期待できなくなり、b/(b+2a1)>0.50の場合には、インペラ内部の容積が大きくなりすぎ、入口ポート側に戻される風量が多くなって、結果的に渦流ファンの回転数に対する風量が減少することになる。
【0037】
次に、ストリッパ部7について説明する。ストリッパ部7は、本実施の形態では図1に示すように概略トンネル状をしている。入口ポート3から流入した空気は、インペラ2とともに回転して、ストリッパ部7の入口部7iで、出口ポート6へ向かう流れと、インペラ2とともにトンネル上のストリッパ部7内を通過して出口部7oから出て、入口ポート3から流入する流れに合流する流れに分けられる。
【0038】
ここで、ストリッパ部7の入り口部コーナー7iの両側面にはアール(図中r)を設けてあり、インペラ2の羽根がストリッパ部7に入っていく際に、周囲の空気が急激に圧縮され、その圧縮され方が羽根のピッチに同期して変動するため、周波数が回転数×羽根枚数で表されるnz音やその高調波が発生するが、このアールにより周囲の空気が急激に圧縮されず、したがってnz音も耳につかない
程度に減衰される。
【0039】
また、本実施の形態ではストリッパ部7の出口部コーナー7oの両側面においてもアールを設けてある。これは、インペラ2の羽根がストリッパ部7から出て行く際にも、周囲の空気の圧力変動が羽根のピッチに同期して生じ、周波数が回転数×羽根枚数で表されるnz音やその高調波が発生するが、このアールにより周囲の空気が急激に圧縮されず、したがってnz音も減衰されるためである。また、本実施の形態ではインペラ2の両面の羽根取付位置を半ピッチずらしてあり、両面で発生するnz音の相互干渉で、nz音の緩和を図っている。
【0040】
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2を示すもので、本実施の形態の構成中、実施の形態1と共通の部分については説明を省略する。即ち、インペラ2の内周部からケーシング8の側面に向かって円筒状のつば9を延出する。これにより、インペラ2と気体の接触面積が増えるため、前述のような動作原理から、乱れ流動を促進して昇圧量を増加させる一方で、インペラ2の容積は実質的にほとんど増えないため、インペラ2と一緒にストリッパ部7を通り抜け、入口ポート3側に戻される風量が多くなることによる性能低下はわずかであり、総合的に風量増加が得られる。
【0041】
また、ケーシング8に固定されたステータ14の周囲をロータ部11が回転するアウターロータモータのロータ部11と、インペラ2の内周部からケーシング8側面に向かって延出した円筒状のつば9を一体に形成することにより、図1に見られるようなインペラのハブ部12とケーシングの流路内周壁13の2重構造が不要となり、流路面積を増やすことができるため、回転数あたりの風量を増やすことができる。
【0042】
(実施の形態3)
図6は、本発明の実施の形態3を示すものである。本実施の形態の構成中、実施の形態1と共通の部分については説明を省略する。即ち、インペラ2外周部中央からケーシング8外周内面に向かって円盤状につば10を延出する。これにより、インペラと気体の接触面積が増えるため、前述のような動作原理から、乱れ流動を促進して昇圧量を増加させる一方で、インペラ2の容積は実質的にほとんど増えないため、インペラ2と一緒にストリッパ部7を通り抜け、入口ポート3側に戻される風量が多くなることによる性能低下はわずかであり、総合的に風量増加が得られる。なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更可能なことは勿論である。
【0043】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、流路高a2+b2に対して羽根高を十分取ることで、インペラが乱れ流動を促進して十分な昇圧量を得られるとともに、インペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される風量が抑制され、渦流ファンの回転数に対する風量が増加させることができるという優れた効果がある。
【0044】
請求項2の発明によれば、流路面積及び羽根高が十分に取れるとともに、インペラ内外径差が大きくなり過ぎることでインペラ内外径部の流速差がつき過ぎることによる損失の増大が抑制され、渦流ファンの回転数に対する風量が増加させることができるという優れた効果がある。
【0045】
請求項3の発明によれば、流路幅b+2a1に対して羽根幅を十分取ることで、インペラが乱れ流動を促進して十分な昇圧量を得られるとともに、インペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される風量が抑制され、渦流ファンの回転数に対する風量が増加させることができるという優れた効果がある。
【0046】
請求項4の発明によれば、インペラ内周部からケーシング側面に向かって円筒状のつばを延出することにより、インペラと気体の接触面積を増やすことで、乱れ流動を促進して十分な昇圧量を得られるとともに、インペラと一緒にストリッパ部を通り抜け、入口ポート側に戻される風量増加は抑制し、渦流ファンの回転数に対する風量が増加させることができるという優れた効果がある。
【0047】
請求項5の発明によれば、インペラ内周部からケーシング側面に向かって延出した円筒状のつばと渦流ファンを駆動するアウターロータモータのロータ部を一体に形成することにより、インペラのハブ部とケーシングの流路内周壁の2重構造が不要となり、流路面積を増やすことができるため、回転数あたりの風量を増やすことができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)本発明の実施の形態1における渦流ファンの正面一部断面図
(b)同A−A断面における一部断面図
(c)同B−B断面における要部拡大断面図
【図2】 本願発明の実施の形態1にかかる渦流ファンにおけるb2/(a2+b2)に対する騒音対風量性能の変化を示す特性図
【図3】 本願発明の実施の形態1にかかる渦流ファンにおける(D−2b2)/Dに対する騒音対風量性能の変化を示す特性図
【図4】 本願発明の実施の形態1にかかる渦流ファンにおけるb/(b+2a1)に対する騒音対風量性能の変化を示す特性図
【図5】 (a)本発明の実施の形態2における渦流ファンの正面一部断面図
(b)同A−A断面における一部断面図
【図6】 (a)本発明の実施の形態3における渦流ファンの正面一部断面図
(b)同A−A断面における一部断面図
【図7】 (a)従来例における渦流ファンの正面一部断面図
(b)同A−A断面における一部断面図
【符号の説明】
1 羽根
2 インペラ
3 入口ポート
4 流路
5 翼間
6 出口ポート
7 ストリッパ部
8 ケーシング
9 つば
10 つば
11 ロータ部
12 ハブ部
13 流路内周壁
14 ステータ部

Claims (5)

  1. 空気を流入させる入口ポートを備えたケーシングと、流入した空気を搬送昇圧する複数枚の羽根を有するインペラと、前記ケーシングから流出する空気を排出する出口ポートとを備え、前記入口ポートはストリッパ部によって前記出口ポートから隔離されてなる渦流ファンにおいて、インペラ外径をD、インペラ外周からケーシング内径までの隙間をa2、インペラ羽根高さをb2とすると、D≦100mmの場合には、0.70≦b2/(a2+b2)≦0.85となるように構成したことを特徴とする渦流ファン。
  2. 0.40≦(D−2b2)/D≦0.50となるように構成したことを特徴とする請求項1記載の渦流ファン。
  3. インペラ幅をb、インペラの側面からケーシング内側面までの隙間をa1とすると、0.25≦b/(b+2a1)≦0.50となるように構成したことを特徴とする請求項1記載の渦流ファン。
  4. 空気を流入させる入口ポートを備えたケーシングと、流入した空気を搬送昇圧する複数枚の羽根を有するインペラと、前記ケーシングから流出する空気を排出する出口ポートとを備え、前記入口ポートはストリッパ部によって前記出口ポートから隔離されてなる渦流ファンにおいて、インペラ内周部からケーシング側面に向かって円筒状のつばを延出したことを特徴とする渦流ファン。
  5. 円筒状のつばと、アウターロータモータのロータを一体に形成したことを特徴とする請求項4記載の渦流ファン。
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