JP4350122B2

JP4350122B2 - 斜流ファン

Info

Publication number: JP4350122B2
Application number: JP2006342071A
Authority: JP
Inventors: 石川静; 石田文昭
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008151081A; CN101205937B; US20080152480A1; US8033783B2; CN101205937A

Description

本発明は斜流ファンに関する。

従来、ファンの騒音低減には種々の方法が提案されており、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されているものがある。これらのファンは、いずれも吸音器により騒音を低減する構造を取っている。特許文献１には、静音化のためにファンの上流側に吸音構造を有し、軸方向からでなく径方向から吸込むものが開示されている。特許文献２には筒形を有する本体を有する送風機において、径方向から空気を吸い込む構成が開示され、吸込口に吸音部体が所要の間隔を保持して正対した構成が開示されている。

特開平11-201099号公報特開2001-115821号公報

一般的に斜流ファンは、遠心ファンに比べ圧力は低いが風量は多く、軸流ファンと比べては圧力が高いが風量が少ないという特徴があり、本発明が対象とする斜流ファンは、下式（１）により定義されている最高効率点付近の比速度Ｎｓは800〜1400で設計される。

比速度Ｎｓ= Ｎ×Ｑ^0.5× Ｈ^-0.75 式（１）
Ｎ：回転数（min^-1）
Ｑ：風量（m³/min）
Ｈ：ヘッド（m）＝圧力/重力加速度ｇ/γ
γ：流体の密度。空気の場合は標準状態で1.2kg/m³
比速度Ｎsは同じ羽根車の外径で考えた時に圧力型か、風量型かを設計する指針を示す無次元量で、比速度Ｎsが大きい程風量が大きいことを示す。このため、斜流ファンの騒音は流れの流動音が主成分となり、つまり周波数分析すると500〜1000Hzの周波数（以下、この周波数帯のことを中周波数帯と称する）の成分が大きくなる。比速度Ｎｓが1000の斜流ファンの騒音特性の一例を図４に示す。

特許文献１に開示の技術において、径方向から吸込むように吸音器が構成されている場合、羽根車の周囲にスクロール又は流体回収流路を設ける必要がある遠心形ファンにおいては、吸込口よりもファンケーシングが大きくなる。したがって、その吸音器の構成自体によって全体構成が大きくなることはないが、斜流ファンにおいては、吸込口とファンケーシングの外形とがほぼ同程度の大きさになるため、吸音器の構成によって、ファン全体の外形が大きくなるという問題があった。

そして、特許文献１においては、騒音の吸音には、吸音材の特性及び表面積、厚み等の形状が依存する。吸音材の吸音特性は1000Hz以上の高周波数において高い吸音率が得られるが、斜流ファンのように比騒音Ｎsが800〜1400となるファンの場合には、高周波数帯の騒音よりもむしろ中周波数帯の騒音が生じやすく、騒音を吸収しきれないという課題があった。

すなわち、斜流ファンにおいては、騒音特性がファンケーシングとの圧力干渉音が低いので、吸込み時の流れの乱れにより発生する500〜1000Hzの中周波数帯の騒音が大きくなり、この中周波数帯での騒音低減の問題があった。

特許文献２に開示の技術においても同様に、径方向から吸込むように吸音器が構成されているが、特許文献１と同様に吸音材に依存した構造となっている。すなわち、特許文献２の送風機は斜流ファンではなく、そのために騒音特性が異なり、中周波数帯域の騒音が考慮されたものではなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、中周波数帯域の騒音を抑制しつつも小型の斜流ファン又は斜流ファン用吸音器を得ることを目的としている。

上記目的を達成するために、回転軸に対して斜めに送風するように羽根が配置された斜流羽根車と、該斜流羽根車を覆うファンケーシングと、該ファンケーシングの径方向に流体を吸込む第１の吸込み口と、該第１の吸込み口から吸込まれた流体を前記ファンケーシングの回転軸方向に流体を吸込む第２の吸込み口とを備えた斜流ファンにおいて、本発明では下記手段を用いることが望ましい。
（１）第２の吸込み口の開口前面に設置された遮蔽板と、遮蔽板と第２の吸込み口の開口との間に設置されたパンチングメタルとを有し、第１の吸込み口から吸込まれた流体が第２の吸込み口と前記パンチングメタルとの間を流れて吸込まれる第２の吸込み口の開口前面に設けられた吸音部を備え、パンチングメタルの孔の直径ｄ、開口率ｐ、板厚ｔ及び遮蔽板とパンチングメタルとの間の空気層の厚さＬｃから定められる吸音部の共鳴周波数ｆｒが５００Ｈｚ〜１０００Ｈｚであること。
（２）上記の（１）又は（２）に加えて、最高効率点付近の比速度Ｎｓが８００〜１４００であること
（３）上記の（１）又は（２）に加えて、前記吸音部が前記第２の吸込み口と同等の外形を有すること。
（４）上記の（１）又は（２）に加えて、前記吸音部が前記ファンケーシングの前方投影面内に収められたこと。
（５）上記の（１）又は（２）に加えて、前記ファンケーシングの最大径となる部分の径は前記第２の吸込み口の径よりも大きく設定されること。
（６）上記の（１）又は（２）に加えて、金網で前記第１の吸込み口を覆うように設置されて前記吸音部を支持する支持部材を備えたこと。
（７）上記の（１）又は（２）に加えて、前記吸音部の共鳴周波数ｆｒは以下の式(ａ)によって定まることを特徴とする斜流ファン。

本発明によれば、中周波数帯域の騒音を抑制しつつも小型の斜流ファン又は斜流ファン用吸音器を得ることができる。

以下、本発明の実施例である斜流ファン及び斜流ファン用吸音器の構造について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、吸音器が取り付けられた斜流ファンの構成を模式的に示す図である。本実施例では、斜流ファンの吸込み口３に斜流ファン用の吸音器が設けられている。具体的には、吸音器が吸込み口３における開口の前面側に設けられる。ここでいう前面側とは、回転軸２１の方向に流れる流体の上流側を示し、図１では左側となる。図１は吸音器が取り付けられた状態で水平方向から見た構成を示している。

本実施例の斜流ファンは、回転軸２１に対して斜めに羽根１ａが配置された斜流羽根車１がファンケーシング２で覆われた構造となっている。ファンケーシング２の内側は、斜流羽根車１で送られる流体の流路となり、最大径となる部分の内径が吸込み口３の内径よりも大きくしている。また、最大径となる部分の外径も吸込み口３の外径より大きく構成される。また、ファンケーシング２内には斜流羽根車１を駆動する電動機６が設けられており、電動機６の回転軸は斜流羽根車１の回転軸２１と同軸となっている。なお、符号７で示されるのはガイドベーンである。

当該構成によって、吸込み口３から吸い込まれた流体が、斜流羽根車１の外周を覆うファンケーシング２を経て、回転軸２１方向の下流側となる吐出口８へと送られる。したがって、図中に吸込み流れ２２及び吐出流れ２３で示すように、斜流羽根車１の径方向から吸い込まれた流体が、吸込み口３からファンケーシング２内を回転軸２１方向に送られ、吐出口８から吐出される。

吸音器は、遮蔽板４とパンチングメタル５とを備えてなり、吸込み口３の回転軸２１方向の上流側（前面）に遮蔽板４と遮蔽板５が取り付けられている。上述のように、吸込み流れ２２は径方向から吸込み口３に流れ込んでおり、吸音器は、吸込み流れ２２から吐出流れ２３へと至る際に発生する音を吸音する。吸音器の外形は、吸込み口３と同等の大きさであり、したがって、ファンケーシング２の上流側投影面内に吸音器が収められる構成となっている。これによって、吸音器が取り付けられても斜流ファンの径方向の小型化が図れる。

本実施例の吸音器は、吸音機能が付加された斜流ファンにおける吸音部を構成するものであり、ファンケーシング２の斜流羽根車１の外周を覆う部分に吸い込まれる開口と対向する部分に遮蔽板４とパンチングメタル５とを備えることで吸音効果を奏する。

図２は吸音器と斜流ファンの吸込み口３の近傍を詳細に示した図であり、図１の要部拡大図である。流体は、前述のように径方向から吸込み口３へと吸い込まれる（吸込み流れ２２参照）。流体は、径方向から吸込み口３の前方投影部（上流側の開口前面）まで取り込まれ、吸込み口３からファンケーシング２に吸い込まれて回転軸２１方向へと送られる。吸音器は、吸込み口３と対向して設置されるパンチングメタル５と、このパンチングメタル５に対して吸込み口３の反対側に空気層９を介して配置される遮蔽板４とを備え、流体吸込みにおける騒音を吸音する。

パンチングメタル５は板圧ｔの金属部材からなり、遮蔽板４は空気層９の厚さＬｃを隔てて背後側（吸込み口３の反対側）に設けられている。

なお、吸音器部分とファンケーシング２の支持に関しては、流体の流れの妨げとなることを最小限に抑えるために、支持部１２が円周上に配置されている。支持部１２として金網を用いれば、流体取込み口が金網で覆われることにより、異物の吸込みを抑制して吸込み口３内への異物進入を効果的に防止できる。

図３はパンチングメタル５の平面図であり、本実施例に用いられるパンチングメタルの一例を示している。本実施例では、金属部材に開口される孔の直径がdであり、開口率pのパンチングメタルを用いている。なお、孔はパンチングメタル５の平面上に一様に設けられており、図３は一様に設けられる孔の一部を図示したものである。

本実施例に用いられるような斜流ファンは、一般に、遠心ファンに比べて圧力は低いが風量は多く、軸流ファンと比べて圧力は高いが風量が少ないという特徴がある。ファン特性の指針を示す無次元量として比速度Ｎｓがある。斜流ファンでは式（１）で定義される比速度Ｎｓが、最高効率点付近で800〜1400で設計される。

比速度Ｎｓ= Ｎ×Ｑ^0.5× Ｈ^-0.75 式（１）
Ｎ：回転数（min^-1）
Ｑ：風量（m³/min）
Ｈ：ヘッド（m）＝圧力/重力加速度ｇ/γ
γ：流体の密度。空気の場合は標準状態で1.2kg/m³
比速度Ｎsは同じ外径の羽根車で考えたときに、このファンが圧力型であるか、風量型であるかを設計する指針を示す無次元量であり、比速度Ｎsが大きい程風量が大きいことを示す。このため、斜流ファンの騒音は流れの流動音が主成分となり、つまり周波数分析すると500〜1000Hzの周波数（以下、この周波数帯のことを中周波数帯と称する）の成分が大きくなる。

図４は、比速度Ｎｓ＝1000の斜流ファンの騒音の周波数特性の一例を示す図であり、騒音の周波数特性を示している。一例として図示したように、Ｎｓ＝800〜1400の斜流ファンでは中周波数帯の騒音が大きく、これを低減することが必要となるが、高周波数帯の騒音と比較して吸音がしづらいという問題がある。

本実施例のパンチングメタル５のような孔あき板を用い、この背後に空気層９を設けた構成の吸音器は、原理的に空気ばね理論に基づくヘルムホルツ型共鳴器の集合体とみなされ、孔あき板の形状と空気層の厚さにより共鳴周波数は変化する。この共鳴周波数は式（２）にて与えられる。

c：音速。標準状態では340m/s
p：孔あき板の開口率
t：孔あき板の板厚
d：孔の直径
Ｌc：背後の空気層の厚さ
本実施例の斜流ファンでは、上述のように比速度が大きい風量型のファンであるので、騒音は流れの流動音が主成分となる。その結果、図４に示すように500〜1000Hzの中周波数帯の成分が大きくなってしまう。

そこで、本実施例では、500〜1000Hzの吸込み口からの流れの乱れによる騒音の低減するために、吸音器に図３に示すパンチングメタル５を使用する。図３に示すパンチングメタル５を使用した場合においては、吸音率が500〜1000Hzにおいて高くなるように構成する。

図５は、本実施例の吸音器を使用した場合の、１オクターブ周波数毎の吸音効果の一例を示すもので、吸音特性を示している。この例は、孔あき板の開口率p=0.3（30％）、孔あき板の板厚t=0.004m、孔あき板の孔あき板なの直径d=0.02m、孔あき板背後の空気層の厚さＬc=0.08mとしている。このとき、共鳴周波数はfr=741Hzとなり、図５に示すように、共鳴周波数を頂点とした吸音特性の吸音器を構成できる。

本実施例のように、吸音器の構成を遮蔽板４と空気層５、パンチングメタル９にした場合、遮蔽板４とパンチングメタル５の材料を耐候性や耐食に優れて材料を使用することにより、吸音材を使用した吸音器に対して、屋外設置等に適した吸音器を実現できる。本実施例の斜流ファンは、遠心ファンに比べ圧力は低いが風量は多いので、高密度の発熱機器、例えば車両用の発熱機器の冷却に使用される。

特に、吸音器が斜流ファンの吸込み口３側に取り付けられ、径方向から流体が取り入れられる構成であっても、斜流ファンの小型化を図りながらも中周波数帯の騒音を効果的に抑制することができる。

また、遮蔽板４とパンチングメタル５との間に設けられる空気層９は、回転軸２１方向の長さ（厚さ）を変えることによって、吸音器で低減される音の周波数を変えることができる。したがって、発生する周波数に応じてＬｃの大きさを変え、中周波数帯の音も吸音することができる。

このほか、パンチングメタル５の形状、例えば、開口率p、孔の大きさd、厚みtを変えることで、吸音部で低減される音の周波数を変えることができる。

このように、本実施例の斜流ファンのように、流体が吸込み口３からファンケーシング２を経て吐出される際に発生する音の周波数特性（図４）及び吸音部で低減される音の周波数の吸音特性（図５）の両特性が合わせるように、空気層９の厚さを設定することによって、中周波数帯域の騒音を効果的に抑制できる。

パンチングメタル５の形状についても上記の両特性が合わさるような形状とすればよく、開口率、孔の大きさ、又はパンチングメタル５の厚みtを設定することで、斜流ファンの特性に合わせて、騒音を抑制することができる。

図６は、上記図１に対してパンチングメタル５の変わりに多孔質吸音板１０を用いた場合の別の実施例を示す図である。空気層が無い多孔質材料の吸音特性は低い周波数では吸音率は低く高い周波数なるにしたがって吸音率が100%に近づく特性を示すが、この例のように、多孔質材料１０の背後に空気層９を設けた吸音器の場合は、背後に空気層９を設けると空気層の無い場合に比較して低い周波数において高い吸音特性を示すという特性が得られる。この実施例ではこの特性を利用している。

この特性は、空気層の定在波の影響と言われ、空気層の厚さが１／４波長の整数倍となるような周波数領域でみられるので、本発明の吸音器では500〜1000Hzの吸込み口からの流れの乱れによる中周波数帯の騒音の低減するため、750Hzの標準状態における１／４波長長さ、0.11mに空気層の厚さをした時騒音の効果的低減が図れる。この際、１／２波長の整数倍では吸音率が低くなるため、対象の斜流ファンの騒音特性を考慮して空気層の厚さを決めることとする。

図７は、上記図１の実施例に対してパンチングメタル５の背後の空気層に相当する部位に、モルトプレーンやグラスウールという吸音材１１を充填した場合の別の実施例を示す図である。この場合の吸音効果は空気層が無いために共鳴効果は無くなり、吸音材の吸音特性に依存した特性となる。しかし、遮蔽板とパンチングメタルでの音の反射により吸音材を通過する回数が増え、吸音材単品での吸音特性よりも高い吸音特性が得られる。この際、多孔質吸音板を使用した場合でも同様の効果が得られる。

上述した本発明の実施例によれば、従来と比較して、吸込み口と同等の外形と小型で、且つ中周波数帯域の効果的な吸音効果も得られる斜流ファン及び斜流ファン用吸音器を提供することができる。当該構成であれば、吸音器が設けられた斜流ファンの大型化も抑制でき、従来よりも、より機能向上を果たせる斜流ファンが提供可能となる。

吸音器が取り付けられた斜流ファンの構成を模式的に示す図。図１の要部拡大図。パンチングメタルの平面図。比速度Ｎｓ＝1000の斜流ファンの騒音の周波数特性を示す図。本実施例の吸音器を使用した場合の吸音特性を示す図。図１とは別の実施例を示す図。図１、図６とはさらに別の実施例を示す図。

符号の説明

１…斜流羽根車、１ａ…羽根、２…ファンケーシング、３…吸込み口、４…遮蔽板、５…パンチングメタル、６…電動機、７…ガイドベーン、８…吐出口、９…空気層、１０…多孔質吸音板、１１…吸音材、１２…遮蔽板支持部、２１…回転軸、２２…吸込み流れ、２３…吐出流れ。

Claims

回転軸に対して斜めに送風するように羽根が配置された斜流羽根車と、該斜流羽根車を覆うファンケーシングと、該ファンケーシングの径方向に流体を吸込む第１の吸込み口と、該第１の吸込み口から吸込まれた流体を前記ファンケーシングの回転軸方向に流体を吸込む第２の吸込み口とを備えた斜流ファンにおいて、
前記第２の吸込み口の開口前面に設置された遮蔽板と、該遮蔽板と前記第２の吸込み口の開口との間に設置されたパンチングメタルとを有し、前記第１の吸込み口から吸込まれた流体が前記第２の吸込み口と前記パンチングメタルとの間を流れて吸込まれる前記第２の吸込み口の開口前面に設けられた吸音部を備え、
前記パンチングメタルの孔の直径ｄ、開口率ｐ、板厚ｔ及び前記遮蔽板とパンチングメタルとの間の空気層の厚さＬｃから定められる前記吸音部の共鳴周波数ｆｒが５００Ｈｚ〜１０００Ｈｚであることを特徴とする斜流ファン。
請求項１に記載の斜流ファンにおいて、最高効率点付近の比速度Ｎｓが８００〜１４００であることを特徴とする斜流ファン。
請求項１又は２に記載の斜流ファンにおいて、前記吸音部が前記第２の吸込み口と同等の外形を有することを特徴とする斜流ファン。
請求項１又は２記載の斜流ファンにおいて、前記吸音部が前記ファンケーシングの前方
投影面内に収められたことを特徴とする斜流ファン。
請求項１又は２に記載の斜流ファンにおいて、前記ファンケーシングの最大径となる部分の径は前記第２の吸込み口の径よりも大きく設定されることを特徴とする斜流ファン。
請求項１又は２に記載の斜流ファンにおいて、金網で前記第１の吸込み口を覆うように設置されて前記吸音部を支持する支持部材を備えたことを特徴とする斜流ファン。
請求項１又は２に記載の斜流ファンにおいて、前記吸音部の共鳴周波数ｆｒは以下の式(ａ)によって定まることを特徴とする斜流ファン。