JP4534745B2 - 軸流送風機 - Google Patents

Description

本発明は軸流送風機に係り、特にトンネル換気に好適な軸流送風機に関する。

従来の軸流送風機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の軸流送風機は、電動機の両軸端に羽根車が取り付けられており、空気の送風方向を切り替えることが可能になっている。前段の羽根車の翼の回転により、軸方向と回転方向の成分を有する噴流が羽根車から発生する。また、電動機を支持するために、小径のステーを設けている。この軸流送風機では、ステーを小径にしたので噴流の周方向成分はほとんど変化しないで、後段の羽根車に流入する。後段羽根車は前段羽根車と同一方向、同一速度で回転しているので、仕事をほとんどせず動力の損失が少ない。この軸流送風機には、羽根車の近傍前方部には、この羽根車と同軸上に、先端部が丸みを帯びた比較的長めの内筒が配置されている。

特許文献２には、本体ケースの内壁面に吸音材を取り付けたり、吸音体を設けて騒音を低減することが記載されている。
特許文献３には、噴流送風機の消音装置が記載されている。

特許文献４には、羽根車により発生する騒音を吸音するために両側に消音筒を設ける例が記載されている。
特許文献５および特許文献６には、吸音材を貼り付けた消音コーンを設ける側が記載されている。

特許文献７には、ケーシングの端部開口と羽根車との間に円錐状の円筒を設ける例が記載されている。

特開２０００−２０５１８４号公報 特開２００１−１５３０９８号公報 特開平 ６−１１７３９９号公報 特開平 ６−３３６９９３号公報 特開平１０−１７６８５２号公報 特開２００３−２４０２９３号公報 特開２０００−１４５６９５号公報

軸流送風機では、羽根車の回転に伴って騒音が発生する。それは、特に、羽根車の翼枚数に起因し、羽根車を出た気流が電動機を支持するステーへの衝突音である。特に隣り合う２枚の羽根により形成される流れがほぼ同じタイミングでステーの前後に当たり、同期的に騒音のピークが発生する。前述した特許文献１には内筒が設けられていて気流の流れを滑らかにしているが、騒音を低減することについては何等触れるところではない。

本発明は、発生する騒音特性に注目して消音内筒の長さを適切に定めることによって吸音材を設けるなどの複雑な構成とすることなく騒音について吸音することができる軸流送風機を提供することを目的とする。

軸流送風機に発生する騒音のピークの特徴としては、軸流送風機の回転速度（回転数）Ｎと翼枚数Ｚによって決まる騒音特性、すなわち離散騒音周波数ＮＺの整数倍（Ｘ）の周波数であることで、この倍数は前述のステー本数等によって変更となるが枚数１〜９倍のいずれかに表れる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、軸流送風機の外筒（ケーシング）内に消音内筒を設け、内筒の長さを騒音のピークとなる周波数の波長と同等かまたはそれ以上に長くすることを提案する。ただし、内筒を必要以上に長くすることは軸流送風機の効率低下の観点から避けるのが良い。

本発明は、具体的には、半径方向に延びる多数の羽根を有する軸流羽根車と、該軸流羽根車の外周部を覆うように形成され、吸音構造を有する外筒と、該外筒内に設置され、前記軸流羽根車を駆動し、外周部が消音円筒とされた電動機と、前記軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するようにされた消音内筒とを備えた軸流送風機において、前記消音内筒は、軸流方向に円筒状の吸音部と該吸音部の先端に設けられた丸みを帯びた先端部とから構成され、前記吸音部の長さが前記軸流送風機が発生する騒音持性ｘＮｚ（ここでＮは定格回転速度、ｚは翼枚数、ｘは整数倍で１を含む）によって定まる数値に依存して設定された値、具体的には当該数値の±２０％以内の値に設定した軸流送風機を提供する。

本発明によれば、内筒の長さを、すなわち消音部を形成するコーンの長さを騒音のピーク周波数の波長に合わせたので、構造を複雑にすることなしに翼枚数と支持ステーに起因する周期的な騒音のピークを低減することが出来る。これにより軸流送風機の効率を必要以上に下げることなく、騒音を低減できる。

本実施例は、半径方向に延びる多数の羽根を有する１対の軸流羽根車と、この軸流羽根車を駆動する正逆回転可能な電動機と、この軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するように設置された吸音構造を有する消音内筒と、軸流羽根車の外周部を覆うように形成された外筒とを備えた軸流送風機において、内筒の吸音部の長さを騒音のピークとなる周波数の波長と同等になるよう最小限の長さに設け、効率を無駄に犠牲にすることなく騒音を低減できるようにした構成を有する。

そしてこの構成において、消音内筒は外筒に延びる複数の丸棒ないし板状部材で支持されても良く、また可能であれば羽根車に直接固定されて回転するものであってもかまわない。また、回転数制御される軸流送風機においては内筒長さが変化する機構を備えてあってもかまわない。

本実施例である軸流送風機は、半径方向に延びる多数の羽根を有する１対の軸流羽根車と、各軸流羽根車の外周部を覆うように形成され、吸音構造を有する外筒と、該外筒内に設置され、前記軸流羽根車を駆動する正送回転可能で外周部が消音円筒とされた電動機と前記軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するようにされた１対の消音内筒とを備えた軸流送風機において、各消音内筒は、軸流方向に円筒状の吸音部と、該吸音部の先端に設けれた丸みを帯びた先端部とから構成され、前記吸音部の長さが前記軸流送風機が発生する騒音持性ｘＮｚによって定まる数値の±２０％以内に設定された値である軸流送風機を構成する。

以下本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明に係る軸流送風機の一実施例の図であり、図２はその横断面図（図１のＡ−Ａ断面）、図１は縦断正面図（図２のＢ−Ｂ断面）である。軸流送風機１００は、円筒状に形成されたケーシングである外筒７と、この外筒７内に配置された気流発生部１０とを有する。

気流発生部１０には、外周部１１が内筒を形成する双頭の電動機４と、この電動機４各軸端に取り付けられたほぼ同一形状の一対の軸流羽根車１とを有している。羽根車１は、中央部１２が円板に形成されており、この円板には複数枚、図２では６枚の羽根１ａが埋め込まれている。円板の外側の軸端部には、ロケット状をした円筒状の消音円筒３が取り付けられている、消音内筒３は、円筒状で吸音部となるコーン１３とコーン１３の先端に取り付けられた丸みを帯びた先端部１４（丸み形状先端部）からなる。いわゆるキャップからなるコーン１３を吸音部１３と表示することがある。尚、「消音円筒」には筒状以外にも中実のものも含むものとする。

電動機４の軸方向ほぼ２箇所を、支持部材が支持している。支持部材は、一端部（下端部）がケーシング７に固定され、４本または複数のステー６と、このステー６の上端に固定され軸方向に所定の幅を有するベース５とを有している。ステー６は丸棒ないし平板状をしており、平板状の場合は幅方向が送風機１００の軸方向になるよう配置されている。また、ステー６は電動機４の足部近傍に配置されている。ベース５は電動機４の足を載せる部分を有し、この部分に電動機４の足が固定されている。

電動機４は双方向正逆回転が可能であり、その回転方向に従い、羽根車１で発生した気流２が、一方の羽根車１から他方の羽根車１へと流れていく。羽根１ａは双方向の流れを考慮して、回転対象形状にしている。ただし、羽根１ａの取り付け角度が可変な時などは、必ずしも回転対象形状にする必要は無い。

以上のように構成した軸流送風機が発生する騒音の吸音作用について、以下に説明する。電動機４を一方向に回転させると、例えば図１の左側から吸い込まれた空気は、左側の羽根車１で昇圧されると共に、流れ方向を周方向に傾けた流れに変えて、右側の羽根車１に流入する。このとき、羽根車１の電動機４に相当する径までの部分は、空気が流れないように、羽根車の軸部１ｂを形成する。羽根車１の外側に設けたコーン３は、軸部ではなく羽根１ａ部に空気を滑らかに流入させる。

ところでこの軸流送風機１００の発生する騒音の特徴として、回転速度毎秒Ｎ回転の電動機４により、羽根１ａをｚ枚取り付けられた羽根車１が駆動された場合、Ｎとｚの積によって表されるピーク周波数Ｎｚが現れる。また、このピーク周波数Ｎｚは軸流送風機１００について騒音の周波数特性を測定すると、概ね１〜９倍程度までの次数で現れ高次になるほど減衰していく。だがここで、ステー６、コーンステー３ａを軸方向から見たときの配置本数等の関係により、干渉騒音として、Ｎｚのｘ倍次数の周波数であるｘＮｚがピークになる場合がある。

ここでピーク騒音を効果的に吸音できない軸流送風機の例を模式的に図３に示す。流体性能を重視するため流路損失を減らす目的で、吸音部分を持たないコーン１３を有する軸流送風機その一１０１では、例えば羽根１ａから騒音が発生していると仮定した場合、騒音のピークとなる周波数ｘＮｚの波長λよりも、コーン１３の吸音部長さＬが短いために、音波は吸音部にほとんど干渉せず減衰することなく機外に放出されるため、騒音のピークが高くなる恐れがあった。また、図４に示す騒音性能を重視するため吸音量を上げる目的で、吸音部分を仕様全長いっぱいまで伸ばした軸流送風機その二１０２では、流体性能の低下を招く。本実施例では図５に示すように、ピーク騒音の波長λに合わせて吸音部長さＬを最低限の長さとしたコーン１３にて騒音を効果的に吸音することから、流体性能を著しく低下させること無く騒音を低減する。

ここで、ピーク騒音の波長λとコーンの吸音部長さＬの関係を分かりやすくするために具体的な数値例で示してみる。ある軸流送風機の回転速度Ｎが３６００［ｍｉｎ−１］で、羽根枚数ｚが６枚であった場合、この軸流送風機の発生する騒音の基本周波数Ｎｚは３６００／６０×６＝３６０［Ｈｚ］となる。ここで、支持ステーの配列等の影響により３Ｎz、４ＮzがＮｚよりも大きくなる場合があるが、今回はＮｚが一番大きなピークであったとする。このとき音速が３４０［ｍ／ｓ］であるとすると、Ｎｚの１波長辺りの長さは３４０／３６０＝０．９４［ｍ］となる。従ってこの場合、コーンの吸音部長さＬは０．９４［ｍ］とする必要がある。

消音内筒３は、軸流方向に円筒状のコーン１３とコーン１３の先端に設けられた丸みを帯びた先端部１４とから構成され、コーン１３の長さＬが軸流送風機１００が発生する騒音持性ｘＮｚ（ここでＮは定格回転速度、ｚは翼枚数、ｘは整数倍で１を含む）によって上述のように、定まる数値に依存して設定された値であるとされる。

図２に示すように、ジェットファン（ＪＦ１０００）用サイレンサケーシングの実大モデルを作成し、スピーカによる騒音を本実施例による消音内筒を設けて消音効果確認試験を実施した。実験装置の寸法および騒音点であるスピーカおよび測定点は図７に示す通りであり、図７（ａ）は消音部となるコーン１３がない場合で、図７（ｂ）がコーン１３の長さを色々と変えた場合の装置の構成を示す。尚、単位はｍｍである。

図８は、実験結果を示す図で、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）はそれぞれ下記に示す場合の実験結果を示す。図８において、横軸は内筒、すなわちコーン１３が延長された状態の長さを示し、縦軸はコーン１３の長さを色々と変えた場合の消音量増加分を表わしている。図８は、最も効果的な６３０Ｈｚ、１２５０Ｈｚの周波数をＯ.Ａ値（オーバーオール値、すなわち騒音値）の場合について示している。

・Ｏ.Ａ値：１５０ｍｍから先はコーン１３の消音効果増加量が少ない（図８（ａ））。
Ｏ．Ａ値は、０〜５０００Ｈｚの各周波数の騒音の大きさを全てｄＢ平均し
た値である。

・６３０Ｈｚの場合 ：波長５３４ｍｍ（３４０／６３０）に向けてコーン１３の消音効果増加量が減ってきて、この例の場合、波長５１５ｍｍで極大値を示す（図８（ｂ））。

・１２５０Ｈｚの場合：波長２７２ｍｍ（３４０／１２５０）付近で一旦コーン１３の消音効果増加がなくなって、波長２７２ｍｍで一旦極大値を示す（図８（ｃ））。
ここで、騒音特性ｘＮｚを音速で除した値が理論的に極大を示すので、この時の値が極大値を示すことになる。すなわち、極大値はコーン長を増加してきた時に消音効果が増加してきていたものが消音効果がなくなった時のコーン長を指すとして定義される。
波長２７２ｍｍ付近まで増加していた消音効果が、波長２７２ｍｍを超えると、また消音効果が増加していく。

上述のことから判ることは、内筒、すなわちコーン１３を延長すればするほど消音量は増加するが、騒音の波長との関係で消音量が極大値を示す領域がある。そして、この極大値を示す領域は図８に示すように本件出願の発明者等の実験によれば、波長の長さ点にあるが、実用的にはこの波長を基準にして±２０％の領域内に設定することによって最大消音効果のある消音装置を提供できる。この場合に、Ｎｚが最大のピークを求めて、この波長に合わせて±２０％領域内にコーン１３の長さを設定することによって最大の消音効果が得られると共に、必要以上にコーン１３の長さを長くすることが回避されるので、軸流送風機の効率を必要以上に低下することを回避できることになる。

本発明の他の実施例を図６に示す。基本的には実施例１の内容と同じであり、同一の構成については同一の番号を付し、実施例１の説明を援用する。軸流送風機１００において電動機４を何らかの方法により回転数制御して運転を行う場合、当然ながら騒音のピーク周波数の波長λは変化する。この場合、変化する波長λに合わせて固定コーンである内側コーン１３ｄに内蔵されたアクチュエータ３０により可動コーンである内側コーン１３ｃが前後に動かされる。アクチュエータ３０作動用の配線、配管等は中空ステー３ｂを介して軸流送風機１００の機外に結線される。アクチュエータ３０の制御は回転数制御装置より信号を取り出して、コーン１３の吸音部長さＬが前述のように最適な長さになるようコントロールする。この場合、アクチュエータ３０は内側コーン１３ｃを前後に動かすことが可能であればよく、空気圧、油圧シリンダー、サーボモータのいずれの形態であっても良い。

以上のように、半径方向に延びる多数の羽根を有する軸流羽根車１と軸流羽根車１の外周部を覆うように形成され、吸音構造を有する外筒７と、外筒内に設置され、軸流羽根車３を駆動し、外周部１１が円筒とされた電動機４と、軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するようにされた消音内筒３とを備えた軸流送風機において、消音内筒３は、軸流方向に円筒状の第１の吸音部を備えた外側内筒１３ｄ、および外側内筒１３ｄの内面を摺動し、軸流方向に円筒状の第２の吸音部と該第２の吸音部の先端に設けられた丸みを帯びた先端部１４とから構成された内側内筒１３ｃとから構成され、第２の吸音部は内側内筒の摺動に伴って長さが調整され、長さＬの調整された第２の吸音部と第1の吸音部とで形成されるコーン１３の長さが、軸流送風機１００が発生する騒音持性ｘＮｚ（ここでＮは回転数制御された回転数、ｚは翼枚数、ｘは整数倍で1を含む）によって定まる数値に依存して設定された値であり、内筒内には外筒７の外部から操作され、内側内筒１３ｃを摺動させ、第２の吸音部の長さを調整するアクチュエータ３０を備える軸流送風機１００が構成される。

上記各実施例では、軸流送風機は双方向に回転可能なものとしていたが、本発明はこれら双方向流れの軸流送風機に限る物ではなく、一方向流れの軸流送風機にも適用できる。

本発明に係る軸流送風機の一実施例の縦断面図。 図１に示した軸流送風機の横断面図。 軸流送風機のピーク騒音を効果的に吸音できない例を説明する縦断面図。 軸流送風機の吸音部分を仕様全長いっぱいまで伸ばした例を説明する縦断面図。 本発明に係る軸流送風機の一実施例の原理を説明する縦断面図。 本発明に係る軸流送風機の変形例の縦断面図。 実験装置の概要を示す図。 実験結果を示す図。 実験結果を示す図。 実験結果を示す図。

符号の説明

１…軸流羽根車、１ａ…羽根、１ｂ…羽根車の軸部、２…風向、３…消音内筒、３ａ…コーンステー、３ｂ…中空ステー、４…電動機、５…ベース、６…ステー、７…外筒（ケーシング）、１３…コーン（消音部）、１３ｃ…内側内筒（可動コーン）、１３ｄ…外側内筒（固定コーン）、１４…先端部、２０…騒音ピーク周波数の波長λ、３０…アクチュエータ、１００…軸流送風機、１０１…軸流送風機その一、１０２…軸流送風機その二。

Claims (4)

1. 半径方向に延びる多数の羽根を有する軸流羽根車と、該軸流羽根車の外周部を覆うように形成された外筒と、該外筒内に設置され、前記軸流羽根車を駆動し、外周部が円筒とされた電動機と、前記軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するようにされ、消音を行う消音内筒とを備えた軸流送風機において、
   前記消音内筒は、軸流方向に吸音部を形成する円筒状のコーンと該コーンの先端に設けられた丸みを帯びた先端部とから構成され、前記コーンの長さが前記軸流送風機が発生する騒音持性ｘＮｚ（ここでＮは定格回転速度、ｚは翼枚数、ｘは９までの整数倍で１を含む）で音速を除した数値の０.８〜１.２倍以内に設定された値であること
   を特徴とする軸流送風機。
2. 半径方向に延びる多数の羽根を有する１対の軸流羽根車と、各軸流羽根車の外周部を覆うように形成された外筒と、該外筒内に設置され、前記軸流羽根車を駆動する正送回転可能で外周部が円筒とされた電動機と前記軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するようにされ、消音を行う１対の消音内筒とを備えた軸流送風機において、
   各消音内筒は、軸流方向に吸音部を形成する円筒状のコーンと該コーンの先端に設けれた丸みを帯びた先端部とから構成され、前記コーンの長さが前記軸流送風機が発生する騒音持性ｘＮｚで音速を除した（ここでＮは定格回転速度、ｚは翼枚数、ｘは９までの整数倍で１を含む）数値の０.８〜１.２倍以内に設定された値であること
   を特徴とする軸流送風機。
3. 半径方向に延びる多数の羽根を有する軸流羽根車と該軸流羽根車の外周部を覆うように形成された外筒と、該外筒内に設置され、前記軸流羽根車を駆動し、外周部が円筒とされた電動機と、前記軸流羽根車の翼部に気流が滑らかに流入するようにされ、消音を行う内筒とを備えた軸流送風機において、
   前記消音内筒は、軸流方向に第１の吸音部を形成する円筒状の第１のコーン、および該第１のコーンの内面を摺動し、軸流方向に第２の吸音部を形成する円筒状の第２のコーンと該第２のコーンの先端に設けられた丸みを帯びた先端部とから構成され、第２のコーンは前記第１のコーンの摺動に伴って吸音部となる長さが調整され、該長さの調整された第２のコーンと第1のコーンとで形成される吸音部の長さが、前記軸流送風機が発生する騒音持性ｘＮｚ（ここでＮは回転数制御された回転数、ｚは翼枚数、ｘは９までの整数倍で1を含む）で音速を除した数値の０.８〜１.２倍以内に設定された値であること
   を特徴とする軸流送風機。
4. 請求項３において、前記消音内筒の内部には前記外筒の外部から操作され、前記内側内筒を摺動させ、第２のコーンの吸音部の長さを調整するアクチュエータを備えることを特徴とする軸流送風機。

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