JP4506206B2 - ファン装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器を放熱するためのファン装置に関する。

従来から、ＰＣ（Personal Computer）等の電子機器には、内部を放熱するために、例えば軸風送風機や遠心ファン等のファン装置が搭載されている。近年では、電子機器の小型化等に伴い発熱素子等が電子機器内に高密度に実装されている。その結果、電子機器内での発熱量が増加するため、ファン装置等には空気の高流量化が望まれている。また、空気の高流量化に伴いファン装置の騒音が大きくなることがあるため、ファン装置の低騒音化も要求されている。

このような要求に応えるための技術として、例えば、特許文献１には、軸流送風機を用いる技術が開示されている。軸流送風機は、空気を送風するための羽根部材及び羽根部材を回転させるためのモータがケーシングに収容されて構成されている。羽根部材の回転の軸方向に空気を流動させるために、ケーシングには流入口及び流出口が対面して設けられている。モータを駆動し羽根部材を回転することで、軸方向に空気を送風している。この流入口及び流出口の周縁部には、高流量化及び空気のスムーズな流れを確保するために、例えばテーパ状の傾斜面が設けられている。（例えば、特許文献１参照。）。

また、別の技術として、例えば、特許文献２には、遠心ファンを用いる技術が開示されている。遠心ファンは、軸流ファンと同様に羽根部材とモータがケーシングに収容されており、空気が流入する流入口と、流入した空気が流出する流出口とが直交するように設けられている。流入口の周縁部に例えばテーパ状の傾斜面が設けられている。これにより、遠心ファンの場合にもケーシング内に流入する空気の流量を増加させると共にスムーズに空気を流入させている。
特開２０００−１１０７７２号公報（段落[００１７]、図３） 特開２００２−１２７７２９号公報（段落[００３５]、図２）

しかしながら、上記特許文献の技術では、流入口や流出口の傾斜面により、空気の流量を増加させたり空気の流入をスムーズにすることはできるが、傾斜面に沿って流れる空気の流速が速くなるため、流れの剥離を生じ易くなる。より具体的には、例えば、その傾斜面に近いほど空気の流速が速くなるため、その傾斜面付近に流速の異なる空気層が形成され、その結果、当該空気の流れに沿った方向における傾斜面の終端部で空気流の剥離が生じる。この空気の流れの剥離により、渦、すなわち乱流が発生し易くなるので、この乱流による騒音が大きくなるという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高流量の気体を発生させることができ、かつ、低騒音のファン装置を提供することにある。

本発明に係るファン装置は、回転可能に設けられた羽根部材と、前記羽根部材の回転により内部に気体を流入させ、流入した気体を外部に流出させるための気体の流路と、該流路を前記外部に向けて広げるための傾斜面と、前記傾斜面に設けられた凹部とを有するケーシングとを具備する。

本発明では、ケーシングは、流路を外部に向けて広げるための傾斜面に凹部を有している。このため、例えば羽根部材の回転時に、ケーシングの内部に流入し外部に流出する気体の流量を増大させることができるとともに、羽根部材の回転時に、凹部内に気体を流動させて気体の剥離を抑制し渦の発生を防止することができる。すなわち乱流の発生を防止できることにより、その乱流による騒音を低減させることができる。また、例えば、乱流等が発生したとしても、その乱流による音と凹部内の気体とを共鳴させて音を共鳴吸収することができる。従って、高流量かつ低騒音のファン装置を実現することができる。

本発明において、傾斜面は流路の端部付近に設けられていることが好ましい。すなわち、流路の端部付近とは、気体の流入口あるいは流出口付近である。

本発明の一の形態によれば、前記傾斜面は前記羽根部材の略回転方向に沿って複数設けられ、前記凹部は前記複数の傾斜面にそれぞれ設けられている。このような構成によれば、少数の傾斜面と凹部により効果的に低騒音のファン装置を実現できる。

本発明の一の形態によれば、前記傾斜面は前記羽根部材の略回転方向に沿って環状に設けられ、前記凹部は、断続的に複数、または、環状に設けられている。このような構成によれば、気体の流れ込む方向によらず傾斜面及び凹部に気体を流動させることができる。

本発明の一の形態によれば、前記第凹部は、略楕円、円、又は多角形状である。このような構成によれば、例えば、凹部を円形とする場合には、通常のドリル等を用いて凹部を設けることができるので、低コスト化を図ることができる。これらの凹部は、金型を用いて設けるようにしてもよい。

本発明の一の形態によれば、前記羽根部材の回転の軸方向に対する前記傾斜面の傾斜角度が３０〜６０度のときに、前記ケーシングの前記凹部が設けられている側の外面から該凹部の底面までの長さが、前記軸方向における前記ケーシングの長さの略２０％以上である。これにより、傾斜面に凹部を確実に設け、凹部に気体を確実に流動させることができる。

本発明の一の形態によれば、前記ケーシングは、矩形枠状であり、前記傾斜面及び前記凹部が前記ケーシングの角部近傍に設けられている。このような構成によれば、気体が流入しにくいケーシングの各角部近傍から積極的に気体を流路内に流入させることができる。このため、ケーシングが矩形枠状の場合に、羽根部材の回転の軸の周りの対称性を向上させて、効率的に気体の流量を増加させることができる。

本発明の他の観点に係るファン装置は、回転可能に設けられた羽根部材と、前記羽根部材の回転により内部に気体を流入させる流入口と、流入した前記気体を前記内部で流通させる流路と、流通する前記気体を外部に流出させるための流出口と、前記流入口の近傍に設けられ、前記流路を前記外部に向けて広げるための第１の傾斜面と、該第１の傾斜面に設けられた第１の凹部とを有するケーシングとを具備する。

本発明では、ケーシングは、流路を外部に向けて広げるための第１の傾斜面に凹部を有している。このため、例えば羽根部材の回転時に、流入口からケーシングの内部に流入し流出口からケーシングの外部に流出する気体の流量を増大させることができるとともに、羽根部材の回転時に、第１の凹部内に気体を流動させて気体の剥離を抑制し渦の発生を防止することができる。このように渦の発生、すなわち乱流の発生を防止できることにより、その乱流による騒音を低減させることができる。また、例えば、乱流等により発生した音と第１の凹部内の気体と共鳴させて音を共鳴吸収することができる。従って、高流量かつ低騒音のファン装置を実現することができる。

本発明の一の形態によれば、前記ケーシングは、前記流出口の近傍に設けられ、前記流路を前記外部に向けて広げるための第２の傾斜面と、前記第２の傾斜面に設けられた第２の凹部とを有する。このような構成によれば、気体が流入口、流出口から流入出するときに、第１の傾斜面、第１の凹部、第２の傾斜面、第２の凹部を通過させることができるので、流量の増加に伴う音の発生をより確実に抑制することができる。また、流入口、流出口の近傍で発生した音を共鳴吸収することができる。

本発明の一の形態によれば、前記流入口と前記流出口とが、前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面とが、及び前記第１の凹部と前記第２の凹部とが、前記羽根部材の回転の軸方向に略対称的に配置されている。このような構成では、このため、第１の傾斜面に沿って流量を増加させ第１の凹部により音の発生を防止すると共に、気体をスムーズに第２の傾斜面に沿って流出させ第２の凹部により音の発生を防止することができる。

本発明では、第１の傾斜面と第２の傾斜面とが互いに流入口、流出口の周りに断続的に設けられていてもよいし、環状に設けられていてもよい。第１の凹部または第２の凹部も同様に、流入口、流出口の周りに断続的に設けられていてもよいし、環状に設けられていてもよい。

本発明の一の形態によれば、前記流入口と前記流出口とが略直交する。このような構成によれば、羽根部材の回転の軸方向に気体をケーシング内に流入させ、軸方向と直交する方向に気体をケーシング外へ流出させることができる。

以上のように、本発明によれば、傾斜面により流量を増加させると共に、凹部内に気体を流動させて気体の剥離による渦の発生を抑制し、音が発生した場合には音を凹部内の気体と共鳴させて共鳴吸収し、高流量かつ低騒音のファン装置を実現することができる。

図１、図２は、本発明の第１の参考例に係るファン装置の表、裏面側の斜視図である。

本参考例のファン装置１０は、軸部２１を有する羽根部材２２が、角部２５を有する矩形枠状のケーシング１２に収容されて構成されている。

ケーシング１２は、表面１２ａと、表面１２ａに平行な裏面１２ｂとを有している。表面１２ａ、裏面１２ｂには、それぞれ流入口１３、流出口１４が設けられている。流入口１３と流出口１４とは、対面するように設けられている。すなわち、ケーシング１２は、ケーシング１２の内部に空気を流入させ外部に流出させるための流路Ｓを有している。軸部２１内には、不図示のモータが収容されている。モータは羽根部材２２の回転方向Ｃに回転可能なモータ軸を有しており、モータ軸に軸部２１が固定されている。モータは、ケーシング１２と一体に構成された支持部１２ｅに支持されている。これにより、モータを駆動することで、羽根部材２２が回転方向Ｃに回転するように構成されている。

図３はファン装置１０を示す平面図、図４は図３に示すファン装置１０のＩ−Ｉ断面図である。

図３及び図４に示すように、流入口１３の周囲には、流路Ｓをケーシング１２の外部に向けて広げるための傾斜面１５が、回転方向Ｃに沿って複数（例えば８個）設けられている。同様に、流出口１４の周囲には、流路Ｓをケーシング１２の外部に向けて広げるための傾斜面１６が回転方向Ｃに沿って複数（例えば８個）設けられている。ここで、傾斜面１５、１６は、流入口１３、１４の周囲のうちケーシング１２の四つの角部２５の近傍に設けられている。軸Ａの方向に対する傾斜面１５及び傾斜面１６の傾斜角度θは略同じとなるように設定されている。

傾斜面１５には、略楕円形状、または長穴状の凹部１７がそれぞれ設けられている。このとき、凹部１７は、楕円の長軸が流入口１３の周縁に沿うように設けられている。ケーシング１２の角部２５同士を結ぶ対角線Ｔから所定角度αから所定角度βの位置に、凹部１７の中心が設けられている。ここで、所定角度α、βは、例えばそれぞれ１２．５度、１７．５度に設定することができるが、これに限られるものではない。凹部１７の楕円の長軸方向の長さｆは、中心点Ｐの周りの角度γ（β−α）が例えば５度以上となるような長さ設定されている。また、凹部１７は、それぞれ中心点Ｐと対称な位置に設けられている。例えば凹部１７ａと凹部１７ｂとは、中心点Ｐと対称な位置に設けられている。凹部１７は、底面を有する止まり穴である。凹部１７は、例えば、傾斜角度θが３０〜６０度のときに、表面１２ａから凹部１７の底面までの長さｒがケーシング１２のＺ方向の長さｈの略３０％以上となるように設定されている。なお、凹部１７の底面までの長さｒは、ケーシング１２のＺ方向の長さｈの略３０％以上に限定されるわけではなく、例えば、傾斜面１５の傾斜角度θに応じて適宜変更するようにしてもよい。

ファン装置１０のサイズについては、例えば、ケーシング１２の一辺の長さａが２５ｍｍ、Ｚ方向の長さｈが５ｍｍ、流入口１３、流出口１４の直径ｒ１が２３ｍｍ、羽根部材２２の直径ｒ４が２２ｍｍ、傾斜面１５、１６の最外径ｒ２、ｒ３が２６ｍｍ、２８ｍｍ、凹部１７ａの内側（中心点Ｐ側）の辺から凹部１７ｂの内側（中心点Ｐ側）の辺までの長さｒ５が２３．５ｍｍ、凹部１７ａの外側の辺から凹部１７ｂの外側の辺までの長さｒ６が２５．５ｍｍ、凹部１７の長さｒが１．５ｍｍ、ケーシング１２の直径方向の凹部１７の幅ｎが１ｍｍに設定されている。しかし、各部位のサイズがこれらの値に限定されないことは言うまでもない。

次に、本参考例のファン装置１０の作用について図面を参照しながら説明する。

羽根部材２２をモータにより回転方向Ｃに回転させる。これにより、流入口１３内に空気が流入する。このとき、流入口１３の周囲のうち角部２５の近傍に傾斜面１５が設けられている。このため、角部２５の近傍から積極的に空気が傾斜面１５に沿うように流入し、軸Ａの周りに略偏りなく空気が流入する。傾斜面１５に沿って流入する空気は、図４に示すように、流速を増すが凹部１７に流入し再び凹部１７から流出し傾斜面１５、傾斜面１６に沿うように流がれ流出口１４から流出する。

本参考例のファン装置１０では、ケーシング１２は流路Ｓをケーシング１２の外部に向けて広げるための傾斜面１５に凹部１７を有している。このため、例えば羽根部材２２の回転時に、ケーシング１２の内部に流入し外部に流出する空気の流量を増大させることができるとともに、羽根部材２２の回転時に、凹部１７内に空気を流動させて空気の剥離を抑制し渦の発生、すなわち乱流の発生を防止することができる。これにより乱流による騒音を防止することができる。また、例えば、乱流等により発生した音と凹部１７内の空気と共鳴させて音を共鳴吸収することができ、よりいっそう騒音を低減させることが可能となる。従って、高流量かつ低騒音のファン装置１０を実現することができる。

凹部１７は共鳴型消音器として機能する。凹部１７のような空間に、例えば乱流により発生した音等の振動による外力が加わると、凹部１７内の空気は共鳴する。この場合、凹部１７内の空気は激しく空気振動する。空気には粘性があるので、この粘性抵抗により、その激しい空気振動は熱エネルギに代わり音が吸収される。

本参考例のファン装置１０では、ケーシング１２は、矩形枠状であり、傾斜面１５及び凹部１７が回転方向Ｃに沿うようにケーシング１２の角部２５近傍に設けられている。このため、ケーシング１２の各角部２５の近傍から積極的に空気を流入口１３内に流入させることができる。従って、矩形枠状のケーシング１２の場合においても、軸Ａの周りの対称性を向上させて角部２５での流量の低下を防止することができる。従って、より低騒音のファン装置１０とすることができる。

本参考例のファン装置１０では、凹部１７は、傾斜角度θが３０〜６０度のときに、長さｒがケーシング１２の長さｈの略３０％以上となるように設定されている。このため、凹部１７内に効率よくかつ確実に空気を流入させて音の発生を防止することができると共に、発生した音を確実に共鳴吸収することができる。

本参考例のファン装置１０では、凹部１７は、略楕円形状を有している。このため、凹部１７を形成するときに、例えば、通常のドリル等を平行移動させて形成することができるので、低コスト化を図ることができる。凹部１７は、金型を用いて設けるようにしてもよい。

次に、ケーシング１２の傾斜面１５に設けた凹部１７の効果を調べるために数値シミュレーションを行った結果を図５、図６に示す。

図５に示すように、傾斜面に凹部を有していない場合に比べて傾斜面に凹部を有している場合には、３ｋＨｚ程度の高周波を低減することができることが判明した。図６に示すように、傾斜面に凹部を有していない場合には、傾斜面と羽根部材との間に騒音の原因と考えられる乱流エネルギの最も大きい領域Ｍが分布しているが、傾斜面に凹部を有する場合には、乱流エネルギの最大値を約２分の１に抑えることができることが判明した。従って、凹部により乱流エネルギを抑えて騒音を防止することができることが確かめられた。

次に、第２の参考例について図面を参照しながら説明する。なお、以降の参考例及び実施形態において、同一の部材や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。

図７は、第２の参考例に係るファン装置を示す断面図である。図８は、第２の参考例に係るファン装置の凹部を示す拡大断面図である。

図７及び図８に示すように、本参考例のファン装置２０は、いわゆる遠心ファン装置である。ファン装置２０は、羽根部材２２がケーシング３１に収容されて構成されている。ケーシング３１は、上面３１Ａと、上面３１Ａに直交する側面３１Ｂとを有している。上面３１Ａには、流入口３１ａが設けられており、側面３１Ｂには、流入口３１ａに直交して流出口３１ｄが設けられている。流入口３１ａの周りには、流路Ｅをケーシング３１の外部に向けて広げるための傾斜面３１ｂが設けられている。流出口３１ｄの周りには、流路Ｅを外部に向けて広げるための傾斜面３１ｅが設けられている。傾斜面３１ｅに、凹部１７と同様に略楕円形状の凹部を複数設けるようにしてもよい。

本参考例のファン装置３０は、上記参考例と同様に高流量及び低騒音を実現することができると共に、軸Ａ方向（Ｚ方向）に空気を流入させ軸Ａ方向と直交するＹ方向に空気を流出させることができる。

第１の参考例では、傾斜面１５に、凹部１７が設けられている例を示した。しかし、図９に示すように、ファン装置３０が、ケーシング２の傾斜面２６に、回転方向Ｃで略同じ角度α（図３参照）の位置に凹部１７と凹部１８とを設けるようにしてもよい。すなわち、流入口１３と流出口１４とが、傾斜面１５と傾斜面１６とが、及び凹部１７と凹部１８とが、羽根部材２２の回転の軸方向に略対称的に配置される。これにより、凹部１７を通過した空気をスムーズに凹部１８に流動させて、音の発生をより効率的に抑制することができる。

上記参考例では、略楕円状の凹部１７、１８、３１ｃがそれぞれ傾斜面１５、２６、３１ｂに設けられている例を示した。しかし、凹部１７、１８、３１ｃの形状はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、ファン装置４０のケーシング２３が、流入口３３、または流出口３４の周りで回転方向Ｃに沿う環状の傾斜面３５、または３６を有し、傾斜面３５、または３６に回転方向Ｃに沿う環状の凹部３７、または３８を有するようにしてもよい。また、傾斜面３１ｂに回転方向に沿う環状の凹部を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、空気が流入する方向によらずに、乱流の発生を凹部３７より防止すると共に、発生した音をより確実に共鳴吸収することができる。なお、参考例として凹部の形状は、環状に限定されず、例えば、回転方向Ｃに沿って断続的に複数設けるようにしてもよい。

上記参考例では、図３、図８に示すように、傾斜面１５、３１ｂに楕円形状の凹部１７、３１ｃを設ける例を示した。しかし、図１１に示すように、ケーシング１２の角部２５の円弧（内周面）に沿うように上記凹部１７より楕円の長軸方向の長さの長い楕円形状の凹部４１を設けてもよい。また、図１２に示すように、円状の凹部４２を設けたり、図１３に示すように、傾斜面１５に凹部１７より小さい円状の凹部４３を複数個設けたり、多角形状の凹部を設けるようにしてもよい。ファン装置２０の場合にも、傾斜面３１ｂに同様の凹部を設けることができる。このようにしても同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の参考例に係るファン装置の表面側を示す斜視図である。 第１の参考例に係るファン装置の裏面側を示す概観斜視図である。 第１の参考例に係るファン装置を示す平面図である。 図３に示す第１の参考例に係るファン装置のＩ−Ｉ断面図である。 第１の参考例に係るファン装置の周波数−騒音レベルを示すグラフである。 第１の参考例に係るファン装置の乱流エネルギの分布を示すグラフである。 第２の参考例に係るファン装置を示す断面図である。 第２の参考例に係るファン装置の凹部を示す拡大断面図である。 第１の参考例に係るファン装置の凹部の変形例を示す部分平面図である。 第１の参考例に係るファン装置の傾斜面及び凹部の他の変形例を示す部分平面図である。 第１の参考例に係るファン装置の凹部の他の変形例を示す部分平面図である。 第１の参考例に係るファン装置の凹部の他の変形例を示す部分平面図である。 第１の参考例に係るファン装置の凹部の他の変形例を示す部分平面図である。

符号の説明

２、１２…ケーシング
１３、３１ａ…流入口
１４、３１ｄ…流出口
２２…羽根部材
１５、１６、３２ｂ、…傾斜面
１７、１８、３１ｃ、３１ｅ、３７…凹部
１０、２０、３０、４０…ファン装置
２５…角部
ｒ…長さ
θ…傾斜角度

Claims (2)

1. 回転可能に設けられた羽根部材と、
   前記羽根部材の回転により気体を流入させる流入口と、前記流入口から流入した前記気体を流通させる流路と、前記流路で流通する前記気体を流出させるための流出口と、前記羽根部材の回転方向に沿って環状に設けられ、前記流入口に面し、前記流路を前記流入口側に向けて広げるための第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面に前記羽根部材の前記回転方向に沿って環状に設けられた第１の凹部と、前記羽根部材の回転方向に沿って環状に設けられ、前記流出口に面し、前記流路を前記流出口側に向けて広げるための第２の傾斜面と、前記第２の傾斜面に前記羽根部材の前記回転方向に沿って環状に設けられた第２の凹部とを有するケーシングと
   を具備するファン装置。
2. 請求項１に記載のファン装置において、
   前記羽根部材の回転軸方向に対する前記第１の傾斜面の角度が３０〜６０度であり、
   前記ケーシングの前記流入口の開口面から、前記回転軸方向に沿う、前記第１の凹部の底面までの長さが、前記ケーシングの長さの３０％であるファン装置。

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