JP4349327B2 - 渦流ファン - Google Patents

Description

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。

従来のこの種の渦流ファンは、例えば図７に示すような構成になっている（例えば、特許文献１参照）。

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。

また、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（例えば、特許文献２、３、４参照）。
特開昭５４−４７１１４号公報 特開２０００−１４６２１９号公報 特開２０００−１９３２６９号公報 特開２０００−２４９３６５号公報

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。

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。

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。

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、インペラ外径をＤ、インペラ外周からケーシング内径までの隙間をａ _２ 、イン
ペラ羽根高さをｂ _２ とすると、Ｄ≦１００ｍｍの場合には、０．７０≦ｂ _２ ／（ａ _２ ＋ｂ _２ ）≦０．８５となるように構成し、ストリッパ部の入り口コーナー両側面にアールを設けたものである。

請求項２の発明では、特に請求項１の発明において、０．４０≦（Ｄ−２ｂ _２ ）／Ｄ≦０．５０となるように構成している。

請求項３の発明では、特に請求項１の発明において、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ａ _１ とすると、０．２５≦ｂ／（ｂ＋２ａ _１ ）≦０．５０となるように構成している。

請求項４の発明は、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、ストリッパ部の入り口コーナー両側面にアールを設けたものである。

請求項５の発明は、特に請求項４の発明において、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。

請求項６の発明は、特に請求項１〜５のうちいずれか一項の発明において、インペラ外周部中央からケーシング外周内面に向かって円盤状につばを延出したものである。

ここで、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。

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。

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。

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。

請求項１の発明では、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ａ _２ とすると、ケーシング内径はＤ＋２ａ _２ 、インペラ内径はＤ−２ｂ _２ となり、インペラ羽根高さｂ _２ が流路高さを表すａ _２ ＋ｂ _２ 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≦ａ _２ ／（ａ _２ ＋ｂ _２ ）≦０．８５に構成されていることにより、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を増加させることができる。さらに、インペラの羽根がストリッパ部に入っていく際に、周囲の空気が急激に圧縮され、その圧縮の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、ストリッパ部の入り口コーナー両側面にアールを設けるとき、アールによって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、低騒音で大きい風量を得ることができる。

請求項２の発明では、インペラ内径Ｄ−２ｂ _２ 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−２ｂ _２ ）／Ｄ≦０．５０に構成されていることにより、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を増加させることができる。

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ａ _１ とすれば、ケーシング内幅はｂ＋２ａ _１ で示され、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＋２ａ _１ ）≦０．５０に構成されていることにより、流路幅ｂ＋２ａ _１ 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を増加させることができる。

請求項４の発明では、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く、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を増加させることができる。さらに、インペラの羽根がストリッパ部に入っていく際に、周囲の空気が急激に圧縮され、その圧縮の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、ストリッパ部の入り口コーナー両側面にアールを設けるとき、アールによって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、送風時の騒音を低減することができる。

請求項５の発明では、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。

請求項６の発明では、インペラ外周部中央からケーシング外周内面に向かって円盤状に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く、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を増加させることができる。

本発明の渦流ポンプは、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を増加させることができると共に、ストリッパ部の入り口コーナー両側面にアールを設けているため、周囲の空気が急激に圧縮されず、ｎＺ音を耳につかない程度に減衰することができ、送風時の騒音を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態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。

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。

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。

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。

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ａ_１、インペラ外周からケーシング内径までの隙間をａ_２、インペラ幅をｂ、インペラ羽根高さをｂ_２とすると、ケーシング内径はＤ＋２ａ_２、インペラ内径はＤ−２ｂ_２となるが、このとき、ｂ_２／（ａ_２＋ｂ_２）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。

これによれば、風量は０．７０≦ｂ_２／（ａ_２＋ｂ_２）≦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≦ｂ_２／（ａ_２＋ｂ_２）≦０．８５となるように構成されるのが望ましい。

なお、０．７０＞ｂ_２／（ａ_２＋ｂ_２）の場合には、流路高さａ_２＋ｂ_２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、ｂ_２／（ａ_２＋ｂ_２）＞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。

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。

次に、インペラ外径Ｄ、インペラ内径Ｄ−２ｂ_２の関係について、（Ｄ−２ｂ_２）／Ｄに対する風量の変化を示した図３を基に説明する。

これによれば、風量は０．４０≦（Ｄ−２ｂ_２）／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−２ｂ_２）／Ｄ≦０．５０となるように構成されるのが望ましい。

なお、（Ｄ−２ｂ_２）／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−２ｂ_２）／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。

次に、インペラ幅ｂ、ケーシング内幅ｂ＋２ａ_１の関係について、ｂ／（ｂ＋２ａ_１）に対する風量の変化を示した図４を基に説明する。

これによれば、風量は０．２５≦ｂ／（ｂ＋２ａ_１）≦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＋２ａ_１）≦０．５０となるように構成されるのが望ましい。

なお、０．２５＞ｂ／（ｂ＋２ａ_１）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＋２ａ_１）＞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。

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、本実施例では図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。

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。

また、本実施例ではストリッパ部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、本実施例ではインペラ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。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施形態２を示すもので、本実施形態の構成中、実施形態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。

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。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施形態３を示すものである。本実施形態の構成中、実施形態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、上記実施例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。

以上のように、本発明の渦流ポンプは、送風時の騒音を低減することができるので、住環境に近い場所に置かれる空気調和機に用いるのはもちろん、各種プラントの送風機等への用途にも適用できる。

（ａ）は本発明の実施形態１における渦流ファンの正面一部断面図（ｂ）は同Ａ−Ａ断面における一部断面図（Ｃ）は同Ｂ−Ｂ断面における要部拡大断面図 本願発明の実施形態１にかかる渦流ファンにおけるｂ_２／（ａ_２＋ｂ_２）に対する騒音対風量性能の変化を示す特性図 本願発明の実施形態１にかかる渦流ファンにおける（Ｄ−２ｂ_２）／Ｄに対する騒音対風量性能の変化を示す特性図 本願発明の実施形態１にかかる渦流ファンにおけるｂ／（ｂ＋２ａ_１）に対する騒音対風量性能の変化を示す特性図 （ａ）は本発明の実施形態２における渦流ファンの正面一部断面図（ｂ）は同Ａ−Ａ断面における一部断面図 （ａ）は本発明の実施形態３における渦流ファンの正面一部断面図（ｂ）は同Ａ−Ａ断面における一部断面図 （ａ）は従来例における渦流ファンの正面一部断面図（ｂ）は同Ａ−Ａ断面における一部断面図

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 (6)

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ａ _２ 、インペラ羽根高さをｂ _２ とすると、Ｄ≦１００ｍｍの場合には、０．７０≦ｂ _２ ／（ａ _２ ＋ｂ _２ ）≦０．８５となるように構成し、ストリッパ部の入り口コーナー部両側面にアールを設けたことを特徴とする渦流ファン。
2. ０．４０≦（Ｄ−２ｂ _２ ）／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ａ _１ とすると、０．２５≦ｂ／（ｂ＋２ａ _１ ）≦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、ストリッパ部の入り口コーナー部両側面にアールを設けたことを特徴とする渦流ファン。
5. 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。
6. インペラ外周部中央からケーシング外周内面に向かって円盤状につばを延出したことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載の渦流ファン。

Images