JP4695097B2 - 遠心ファン、ポンプまたはタービンのハウジング - Google Patents

Description

本発明は、空気を運動するファン、液体流れを誘発するポンプまたはタービンのような液体流れに応答するトルク発生器のためのハウジングまたはチャンバーに関するものである。特に、装置の効率性を改善するための改良されたハウジングの供給を目的とする。

遠心ファン、ブロアー、ポンプタービン等は、毎年、世界のファン、ポンプ、タービンの生産のほぼ半分を代表する。ファンまたはポンプは、軸流インペラーや軸流ファンより高い圧力と少ない流れを生じるために使用される。

それらは、それらのパラメータが満足されなくてはならない所で広く使用される。また、それらは、設置限界が軸流ファンを使用することを許容しない所で有利に使用されている。

例えば、家庭の排気ファンのような適用は、比較的に低い圧力差での大きい流れを必要とする。そのような適用は、通常は、軸流型式のファンにより満足されるであろう。

しかしながら、多くの場合、遠心ファンは流路を直角に変えるために使用され、それは、屋根または壁の凹所に取付けることができる。軸流ファンは凹所に取付けられず、効率を維持する。

他の例では、多くのビルデイング内の排気ダクトは直径が３インチまたは４インチだけである。そのような小さいダクトに有効な高出力軸流ファンを取付けることは実際的ではない。

遠心ファンは長年の間、使用されているが、ロータを保持するハウジングの設計には、わずかな注意が与えられている。効率と騒音の問題が研究される所では、設計者の注意は主にインペラーに与えられる。歴史的にみて、そのようなハウジングは、１．流体流れ抗力減少、２．騒音減少、３．圧力／流れ関係の調整には最適化されていない。

さらに、典型的な遠心ファン、ブロアー、ポンプタービン等のハウジングは、流入流体が前記ハウジングを去る前に鋭く変向する。そのような形状は装置全体の効率的な性能に損失を与え、度々、重大な乱流をもたらす。

特許文献１で公表されたような液体流れコントローラの出願人の以前の開示では、出願人は、流体が自然に従う仕方で流れることを許容することにより得られる利点を言及した。
ＷＯ０３０５６２２８

従って、本発明は、ブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジングに存し、前記ハウジングはロータを収容し、中心軸の周囲の回転のために前記ロータを支持するために適合し、前記ロータは、前記ハウジングから回転可能に支持される中央ハブから支持される一組の半径方向羽根を含み、前記ハウジングは対向する端壁を有し、前記ロータは両端壁の間で回転可能に受入れられ、少なくとも一方の端壁に中心軸と同心の開口を有し、前記開口は入口を含み、前記ハウジングは端壁間で延びる側壁を有し、前記ロータの外周の回転路を囲む空間を提供するために構成され、前記空間は回転路と実質的に接する出口を有し、ロータの回転は入口から出口へ前記ハウジングを通る流体の流れを起こし、前記ハウジングの内面は、出口に送られる流体の渦巻き流を促進するために、黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に全体として対応する曲率をもつ空間を定める。

本発明の好ましい特徴によると、回転路と前記ハウジングの内面との間の空間の断面積は、回転路の周囲で増加する断面積であり、出口で最大の断面積であり、断面積内の変化は、全体として黄金比と一致する。

本発明の好ましい特徴によると、開口は前記ロータのそれぞれの側面に隣接して配置される。

本発明の好ましい特徴によると、端壁と側壁により定められる前記ハウジングの内面は、黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に全体として対応する曲率を持つ連続表面を定める。

本発明の好ましい特徴によると、前記曲率は中心軸線を横断する平面内にある。

本発明の好ましい特徴によると、前記曲率は中心軸線と平行である平面内にもある。

本発明の好ましい特徴によると、中心軸線を横断する平面内にある曲率の程度は中心軸線と平行である平面内にある曲率の程度とは異なる。

本発明の好ましい特徴によると、前記内面は全体として螺旋形状の空間を定め、螺旋は、全体として黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に対応する曲率を有する。

本発明の好ましい特徴によると、前記ハウジングの内面は全体として形状は、巻き貝属の貝殻の形状に一致する。

本発明の好ましい特徴によると、前記ロータは遠心ロータから構成される。

本発明の好ましい特徴によると、前記ロータは軸流ロータから構成される。

別の観点によると、本発明はハウジングとロータとから成るブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンに存し、前記ハウジングは前記ロータを収容し、中心軸の周囲の回転のためにロータを支持するために適合し、前記ロータは、ハウジングから回転可能に支持される中央ハブから支持される一組の半径方向羽根を含み、前記ハウジングは対向する端壁を有し、前記ロータは両端壁の間で回転可能に受入れられ、少なくとも一方の端壁に中心軸と同心の開口を有し、前記開口は入口を含み、前記ハウジングは端壁間で延びる側壁を有し、ロータの外周の回転路を囲む空間を提供するために構成され、前記空間は回転路と実質的に接する出口を有し、前記ロータの回転は入口から出口へ前記ハウジングを通る流体の流れを起こし、前記ハウジングの内面は、出口に送られる流体の渦巻き流れを促進するために、全体として黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に対応する曲率をもつ空間を定め、前記半径方向羽根の活動表面は、黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に全体として対応する曲率を有する。

本発明は、いくつかの特別な実施例の次の説明に照らすと一層十分に理解されるであろう。

各実施例は、効率的な流体通路を提供するファン、ブロアー、ポンプまたはタービン等のハウジングに向けられる。この説明では、以後、用語「ファン」は、総称して任意のファン、ブロアー、ポンプ、タービン等を言及するために使用される。流体流れを駆動または促進するファンを言及するところでは、流体流れがタービン等のロータを駆動する状態を含むことを言及するものと認められる。

先行技術との相違を識別するために、従来、遠心ファンに使用されるハウジンジングのキーとなる特徴を説明することは有用である。
遠心ファン用の典型的なハウジング１のキーとなる特徴を図示する例が図１において輪郭で示される。従来、そのようなハウジング１は、２次元で螺旋アーチの形状に従う形状で構成される。一般的に、ハウジングは相互に平行で離れて配置され、平坦なシートから形成される縁パネル５により周辺の周りでシールされる一対の平坦な側面パネル３と４から成る。このことは、上パネル３と縁パネル５との間、底パネル４と縁パネル５との間と同様に接合部で湾曲角６を作る。そのような湾曲角はハウジング内を通る流体に望ましくない乱れを誘発する。

螺旋アーチの形状は、縁パネルの内表面とロータのベーンの外縁により掃引される想像上の表面との間に空間が提供されることを意味する。この空間の深さは、３６０度の角度を通して最小から最大に漸次に増加するものと認められるであろう。最大深さの付近では、流体を排出するための出口が設けられる。

各実施例は、ハウジングを通る流体のための有効な流路を提供するファンのためのハウジングに向けられる。そのようなファンは、単一羽根を持つロータが可能であるけれども、通常は、複数のベーンまたは羽根を備えたロータから成る。前記ベーンは、一般的にタービンの場合、駆動される流体に対して加速度の外方成分または半径方向成分を与えるために構成され、流体は前記ベーンにかけられる力に対して半径方向成分を与えるために偏向され、それにより、流体の偏向は半径方向成分を含む。

自然は、最適化される流線、抗力減少および騒音減少の優れたモデルを提供する。流線を最適化するために成長され、または、侵食される任意の生物学的な表面は、湾曲角がなく、直角に流体を曲げなくて、一般的に３次元の等角比螺旋または黄金比螺旋に応じて構成される渦巻き形状になる。この螺旋の基礎をなす幾何学形状は、鳥の卵、蝸牛、貝殻のデザインでも見出される。

これらの螺旋または渦巻きは、一般的に黄金比または進行のようなフィボナッチとして知られる数学的進行に従う。

各実施例では、大部分において、流体を当然に好ましい通路に運動でき、それにより、通常、遠心ファンのハウジング内に見出される乱れや摩擦により生じる非効率を減らすために役立つ。これまで開発された技術は、一般的に自然な流体流れの傾向の従順さに劣っている。

流路を通る渦巻き運動で流れが生じると、流体流は実質的に乱れがなく、結果として分離したり、キャビテーションを起こす傾向を減らすのが流体流れの特徴であるのが分かった。これらの実施例の一般的な特徴は、説明したハウジングがハウジングを通る流体内での渦巻き流を促進するために向けられることである。また、渦巻き流は、ハウジングの構成が２次元螺旋または３次元螺旋に一致する所で奨励されるのが分かった。さらに、そのような構成は、螺旋の曲率が実質的に、または、大部分、黄金分割または黄金比の曲率に一致する所で最適化される傾向があるのが分かった。前記ハウジングを形成する内表面の大部分は、自然に生じる渦巻き内で見出される速度線または流脈線に近づく２次元形状または３次元形状となる曲率を持つのが各実施例の特徴である。そのような形状の一般的な形は対数螺旋である。さらに、前記ハウジングの表面の曲率が実質的に、または、大部分、黄金分割または黄金比の特徴に一致する所では、これらの実施例の性能は最適化されることが分かった。さらに、流路の断面積の任意の変化が実質的に、または、大部分、黄金分割または黄金比の特徴に一致するならば、性能は最適化されることが分かった。

また、流体流れる表面が実質的に、または、大部分、黄金分割の曲率に対応する曲率を持つならば、流体流れは一層、効率的であるのが分かった。そのようなファンが通る通路内で、流体内で誘発される乱れの減少程度の結果として、種々な実施例による前記ハウジングは、等しい寸法特徴の従来のハウジングで以前に可能であったものより、少ない騒音と磨耗および大きい効率で流体を処理するために使用できる。

ここで説明した各実施例のハウジングの内表面の大きいパーセントは、一般的に黄金分割または黄金比により設計され、それ故、ハウジングは螺旋形状であり、少なくとも大部分、等角分割または等角比または黄金分割または黄金比の特徴に一致する流路を提供することが各実施例の特徴である。黄金分割の特徴は、黄金分割または黄金比による螺旋曲線の展開を図示する図２で示される。螺旋が展開するにつれて、等角半径（例えば、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ）で測定される曲線半径の成長順序は一定である。このことは、ほぼ、１：０．６１８の比に一致するａ：ｂ＝ｂ：ａ＋ｂの式に対応する各順序と、一貫して曲線を貫く各順序との間の各半径の三角形の描写から図示できる。

代わりに、この発明は対数にできるが、黄金比にはできない蝸牛状、または貝殻形状の流路ハウジングを使用してもよい。３次元の黄金比に一致しなければ最適化できないけれども、なお、従来の設計を越えて意図する用途で優れた実行を提供するであろう。

本発明の第１実施例は、図３〜５で示されるファン組立体である。ファン組立体１１は複数のベーン１３を持つファンロータ１２を含み、ロータは図示しない電動機により回転されるために適合される。ファン電動機は入口１６と出口１７を持つハウジング１４内で支持される。

ハウジング１４は渦巻き形状の形を有し、巻き貝属の甲殻類の形状に似る少なくとも１つの内表面を有する。この形状は全体として渦巻きの流線に対応する。図面では、実際のファン内部で外表面の形は、そのようなファンの性能にとって重要ではなく、内表面とは全く異なってもよいけれども、外表面上で示される形は、内表面の形に対応しようとするのが分かる。実際には、ハウジングは、ハウジングの外表面とは別の部品から成る内部シュラウドで構成してもよく、そのような設計が企てられる所では、別のシュラウドの内表面は、ここで説明される原理に一致しなければならないことが分かる。

第１実施例では、ハウジングは２つの部分１８と１９で形成される。第１部分は入口１６を含み、また、ファンロータ１２が取付けられるファン電動機を支持する装着手段（図示せず）を提供する入口部分１８から成る。入口部分１８はロータ１２のベーン１３の外範囲の周りのシュラウドとしても作用し、入口部分１８の内表面２１と、ロータ１２の回転中にベーン１３の外縁２３により掃引される想像上の表面との間の空間２２を提供する。図５で、この空間の深さは従来の遠心ファンでの対応する空間と類似するように、最小空間２５と最大空間との間で増加するのが分かるであろう。しかしながら、従来の遠心ファンと異なり、この空間の増加は、出口１７に向かう第１部分１８内でのロータの回転範囲から軸方向へ離れた流路の偏倚により伴われる。

ハウジング１４の第２部分は、第１部分から連続した仕方で流路を延長する外シュラウド１９から成る。前記外シュラウド１９内では、
シュラウド１９の内表面は拡張し続け、その間、流路は軸方向に偏倚される。結果として、全体として渦巻き形状の流路が提供され、このことは、図５において、点線２７で示されるように、前記ハウジング１４を通り流れる流体が渦巻きパターンをとるように強いる。そのような流れパターンは、比較可能な従来のファンより高効率で低騒音である。加えて、渦巻き流内で回転されることにより、流体は、流れ方向での不意の激しい変化を必要とすることなく、流入流れに関して全体として横断方向に向け直されるために押し進めることができる。また、流体は高効率で低騒音でもある。

最初に述べたように、全体として渦巻き内部形状を持つハウジングが高効率で減少された騒音で重要な改良を提供することが期待でき、３次元の等角螺旋または「黄金分割」螺旋に似た渦巻き形状を持つハウジングを構成することにより、利益は最適化されるであろう。そのような形状は、黄金分割に一致する曲率を持つために構成される内表面を持つべきである。そのような形状は、流体の自然流の傾向に一致し、それにより、さらに効率を改良するであろう。

２つの部分で作られるハウジングの形状は、製造、組立および維持の容易さだけを提供することが分かる。そのようなハウジングの２つの部分はクリップ（図示せず）のような開放可能な締結手段により共に保持してもよく、または、協働するフランジ、バヨネット固着具または他の適切な接合手段を含んでもよい。

図６、図７で示すように第２実施例では、ハウジング３１は、例えば、ロータ成形により単一部品として製造できるようにして第１実施例に適合する。代わりに、ハウジングは２つ以上の部分から構成することができる。

図８は、拡張したネジ状の形状を持つ単一ベーン４３を有するロータ４２から成るファン４１の第３実施例を示す。このロータ４２は、やはり、渦巻き形状をとる拡張ハウジング４４内に収容される。そのような設計は、さらに粘性の流体または液状材料にとって適切であると予測できる。

第１実施例と第２実施例によるハウジングは、広範囲のベーン形状を持つロータを使用する時に改良された性能を提供するが、ファン組立体の性能はロータの構成にも依存することが分かる。自然の原理に応じて流れを与えるためにロータ自体が設計される所では性能がさらに改良できることが分かった。そのようなロータは、
出願人の同時継続出願で「渦巻き流ロータ」と称して説明されている。そのようなロータは渦巻き流線を提供し、第１実施例および第２実施例によるハウジングに関連して適切に構成されると、最適化された性能特徴を達成できることが分かる。

上記に照らすと、第１実施例および第２実施例によるハウジングは遠心ロータが使用される所で性能改良を提供することが理解できる。図５に関して述べたように、流線に対する液体流れの半径方向成分の適用は、流体を回転方向と同様に外方に押し進め、それで、渦巻き流を採用することが理解できる。軸流ファンを持つ第１実施例のハウジングの使用は、また、十分な性能改良を提供するであろうことは、まだ明らかではなく、これは場合によるものと分かった。容易に渦巻き流を収容するハウジングの提供は、実際には、そのような渦巻き流を促進するものと思われる。それ故、発明の範囲内で、前記ハウジングはロータ軸方向の形状で使用できることが開示される。

この発見は別の進歩に通じるにちがいない。第１実施例のハウジング内で使用できる前記ロータのベーンは、軸流ロータと遠心ロータとの間の中間である形状で構成することができる。最初に述べたように、軸流ロータおよび遠心ロータは全く異なる性能特徴を持ち、軸流ロータは低圧で高速流を促進し、他方、遠心ロータは高圧で低速流を促進する。中間的な特徴を持つロータを選択することにより、このファンの性能は、この出願により正確に合うために「仕立てる」ことができる。前記ハウジングの正確な形状は、設計上の特徴を一層改良するために選択されるロータと十分に協働するために「調和」させることができる。そのような柔軟性は、以前には分からなかった。設計者は、今や、物理的な制約による不適切なファンを採用するよりむしろ、仕事のために適切に適切なファンを設計できるということを知ってプロジェクトに取り掛かることができる。

さらに、上記の実施例のハウジングの複合曲線部は、従来のハウジングで見出される平坦な側面パネルを越えて、相当に剛性および完全さを有し、それで、軽量で薄い材料から作ることができるのが分かった。それにもかかわらず、流体流れ内での乱れの欠乏と組合された固有剛性は、また、従来のハウジングの主要な問題である騒音を減少する。平坦側面ハウジングは振動し、鳴動し、共振して騒音を増幅する。これらの実施例のハウジングは振動、鳴動、共振および騒音の増幅を減少する。

優れた性能を持つファンは、一般的に、第１実施例に関して説明したように３次元渦巻き形状で前記ハウジングを設計することで達成されると考えられるが、そのような形状を採用することを実行できない場合があるだろう。このことは、前記ファンが以前に従来の遠心ファンを組み込んだ既存の設置で使用される場合に多分あるだろう。それにもかかわらず、第１実施例で示される原理を従来の遠心ファンの設計に組み込むことにより、重要な改良を得ることができる。

図９は、上記の原理に従って、できる限り接近して構成され、ファンロータ５２を受けるために応用されたハウジング５１から成る第４実施例を示す。この実施例で示されるように、このハウジングは図１で示されるような従来のハウジングに形状が幾分、似ているが、自然の流れ原理を採用するために設計において変更されている。このファンは、黄金比に一致する２次元対数螺旋により構成される。さらに、内表面は黄金分割に従って構成される曲率で湾曲される。そのような形状は、図１の従来のハウジングと比較して相当に改良された効率を提供することが分かった。

図１０、図１１は、非常に現実的な設計で第４実施例の特徴を採用したファンの第５実施例を示す。図１０、図１１で示されるように、ファンは、各々が対応して螺旋形である第１半体６２と、第２半体６３とから成る２つの半体を含むハウジング６１から成る。第１半体６２は、ファン電動機６６の軸６５を支持するために適合される支持部材６４を含む中心に配置された円形入口開口６３を備える。第２半体６３は電動機６６を支持するために適合される対応すする支持手段を有する。第１半体６２と第２半体６３の各々は対応するフランジ６７を有し、フランジの周囲に孔６８を備え、孔はボルトまたは類似の固定手段（図示せず）により半体を共に容易に固定可能にする。電動機６６は電動機軸６５上に装着されるベーン７０を持つインペラー６９を駆動する。

共に組立てられると、第１半体と第２半体は、ハウジングの内表面と、インペラー６９の回転中にベーン１３の外縁により掃引される想像上の表面との間で流体空間を提供する。この空間は、地点「Ａ」での最小から隣接地点「Ｂ」での最大へと増加する。最大地点「Ｂ」では、前記ハウジングは、軸線と同一平面上にあるインペラーの回転平面を横断する出口開口７１を組み込む。出口ダクト７２（点線で示される）を使用する場合には、通常は、ハウジングから液体を搬送するために出口に装着される。

重要な点は、空間の周囲の２つの半体の壁は、実質的に黄金分割と一致する曲率で湾曲されることである。また、この曲率は、螺旋の渦巻き運度運中に空間内で流体を流すように構成される。結果として、空間を通る流体流れの抗力は減少される。この抗力減少は、振動、共振、背圧、乱れ、鳴動、騒音を最小にして、図１で示される型式の従来のファンと比較してエネルギー消費やエネルギー効率が改良される。

また、この空間は、黄金分割と一致する対数比で増加して有利であるのが分かった。

第５実施例にさらに適合できる。適当な装着ブラケット７５を組み入れた第６実施例は図１２、図１３で示される。他の点で、この実施例は第５実施例のものと同一であり、それで、図面では第５実子例の類似の特徴を表すために、類似の番号が使用される。

この説明は添付図面を参照してされる。
先行技術の従来の遠心ファンの等大概要描写である。 黄金分割の形状をグラフで図示する。 第１実施例によるファンの等大図である。 図３のファンの平面図である。 図３のファンの概要切断図である。 第２実施例によるファンの分解図である。 図６のファンの等大図であり、ハウジング内のロータの配置を点線で示す。 第３実施例によるファンの概要切断図である。 第４実施例による等大分解図である。 第５実施例によるファンの等大図である。 図１０で示されるファンの平面図である。 第６実施例によるファンの等大図である。 図１２で示されるファンの側面図である。

符号の説明

１１ ファン組立体
１２ ファンロータ
１３ ベーン
１４ ハウジング
１６ 入口
１７ 出口

Claims (8)

1. ブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジングにおいて、前記ハウジングはロータを入れ、中心軸の周囲の回転のために前記ロータを支持するために適合し、前記ロータは、前記ハウジングから回転可能に支持される中央ハブから支持される一組の半径方向羽根を含み、前記ハウジングは対向する端壁を有し、前記ロータは両端壁の間で回転可能に受入れられ、少なくとも一方の端壁に中心軸と同心の開口を有し、前記開口は入口を含み、前記ハウジングは端壁間で延びる側壁を有し、前記ロータの外周の回転路を囲む空間を提供するために構成され、前記空間は回転路と実質的に接する出口を有し、前記ロータの回転は入口から出口へ前記ハウジングを通る流体の流れを起こし、前記ハウジングの内面は、出口に送られる流体の渦巻き流れを促進するために、黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に全体として対応する曲率をもつ空間を定めるハウジング。
2. 回転路とハウジングの内面との間の空間の断面積は、回転路の周囲で増加する断面積であり、出口で最大の断面積であり、断面積内の変化は、全体として黄金比と一致する請求項１に記載のブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジング。
3. 前記開口は前記ロータのそれぞれの側面に隣接して配置される請求項１または請求項２に記載のブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジング。
4. 端壁と側壁により定められるハウジングの内面は、黄金分割と一致する対数螺旋の曲率に全体として対応する曲率を持つ連続表面を定める請求項１〜３のいずれか１項に記載のブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジング。
5. 前記曲率は中心軸線を横断する平面内にある請求項４に記載のブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジング。
6. 前記内面は全体として螺旋形状の空間を定め、螺旋は、全体として黄金分割と一致する対数螺旋の曲率を有する請求項４又は５のいずれか１項に記載のブロアー、ファンまたはポンプまたはタービンのハウジング。
7. 前記ロータは遠心ロータから構成される請求項１〜６のいずれか１項に記載のハウジング。
8. 前記ロータは軸流ロータから構成される請求項１〜４のいずれか１項に記載のハウジング。

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