JP4818322B2 - プロペラファン - Google Patents

Description

本発明は、換気扇やエアコン等に用いるプロペラファンに関するものであり、特に、その機械的強度及び生産性に関する。

従来、回転軸に固定され強度を強くするための厚みのある頑丈なスパイダーと、このスパイダーの複数のブレード取付部にそれぞれ取り付けられた軽量なブレードと、各ブレードと前記ブレード取付部との重ね合わせ部分に取り付けられかつ当該重ね合わせ部分の輪郭形状を覆う大きさを有する補強板とを備えたプロペラファンであって、前記補強板の幅寸法は、前記回転半径方向内周部側では、その内周部と対応する位置の前期ブレード幅寸法と前記ブレード取付部の幅寸法との中間位置以下の大きさとされ、前記補強板の幅寸法は、前記回転半径方向外周部側では、その外周部と対応する位置の前記ブレード幅寸法の７０％以上の大きさとされ、ブレードに生じる応力を低減させているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−００５０８６号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、ブレードに生じる応力を低減させるため、ブレードと、スパイダーのブレード取付部との重ね合わせ部分に、重ね合わせ部分の輪郭形状を覆う大きさを有する補強板を取り付けている。そのため、プロペラファンの重量が増大し、コストアップとなる、という問題があった。

また、プロペラファンの外径が大きくなるほど、プロペラファンの部材に発生する応力が大きくなる、という問題があった。また、スパイダーとブレード又は補強板を重ね合わせて接合するため、重ね合わせた部分に水等が侵入し腐食する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プロペラファンの部材に発生する応力が低く、軽量で低コストであるとともに、高品質のプロペラファンを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、モータの回転軸に固定されるボス部と、該ボス部に接合される主板部、該主板部から径方向に外方へ延びるつなぎ部及び該つなぎ部から径方向に外方へ延び前記回転軸方向へ送風するブレードを有する翼と、を備えるプロペラファンにおいて、前記つなぎ部及び／又は前記ブレードの部材が、前記主板部の部材とは板厚及び／又は材質が異なる部材により形成されて端面同士が接合され、前記ボス部と前記主板部との接合点を通る軸直角面から前記翼の重心までの軸方向距離ｈと、前記翼外径との積が、前記翼の材料の降伏応力に基づいて定められる有効値以下となるように、前記軸方向距離ｈを設定することを特徴とする。

この発明によれば、プロペラファンの部材に発生する応力が低く、軽量で低コストであるとともに、高品質のプロペラファンが得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるプロペラファンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかるプロペラファンの実施の形態を示す斜視図であり、図２は、実施の形態のプロペラファンを示す側面図であり、図３−１は実施の形態の翼の縦断面模式図であり、図３−２は、実施の形態の翼のブレードとつなぎ部の平面図であり、図３−３は、実施の形態の翼の前縁側及び後縁側の縦断面模式図であり、図３−４は、実施の形態の翼のつなぎ部の平面図であり、図３−５は、主板部に凸部を設けた実施の形態のプロペラファンの縦断面模式図であり、図３−６は、外径を拡大した実施の形態の主板部の平面図であり、図３−７は、図３−６のＤ−Ｄ線に沿う断面図であり、図４−１は、ボス部と主板部の接合点を通る軸直角面から翼の重心までの軸方向距離と翼外径寸法との積と、接合点における応力指数との関係を示す図であり、図４−２は、ボス部と主板部の接合点を通る軸直角面から翼の重心までの軸方向距離と翼外径寸法との積と、接合点における疲労応力指数との関係を示す図である。

図１に示すように、実施の形態のプロペラファン１００は、一枚板から型取りした主板部２及びつなぎ部３の端面に、３枚のブレード１を接合したプロペラファンである。本発明のプロペラファンのブレード枚数は、３枚に限定されず、２枚又は４枚以上の枚数であってもよい。以下、実施の形態のプロペラファン１００の翼１０（主板部２、つなぎ部３及びブレード１を備えて成る）の形状について説明するが、３枚の翼１０は同一形状であり、１枚の翼１０についてのみ説明する。

プロペラファン１００は、図示しないモータにより、回転軸５回りに回転駆動される。プロペラファン１００は、モータの回転軸５に固定されるボス部４と、ボス部４に接合される円形の主板部２と、主板部から径方向に外方へ接合部Ｘまで延びるつなぎ部３と、接合部Ｘから径方向に外方へ延び回転軸５方向へ送風するブレード１と、を備えている。

ブレード１は、ボス部４と主板部２との接合点Ｐ（図３−１参照）を通って回転軸５に直交する軸直角面Ｒに対して周方向に傾斜している。ブレード１の外周部の形状は、回転軸５を中心とする円弧形としているが、円弧形以外の曲線形としてもよい。プロペラファン１００を回転させると、ブレード１の周方向傾斜により回転軸５方向へ送風される。

図２及び図３−１に、主板部２、つなぎ部３及びブレード１からなる翼１０の重心６を示す。図３−１に示すように、プロペラファン１００の回転により、翼１０に、軸直角面Ｒに平行な遠心力Ｆが働く。遠心力Ｆは、主板部２とボス部４の接合点Ｐと重心６とを結ぶ重心線８の方向の引張分力Ｆ_１と、重心線８と垂直方向の曲げ分力Ｆ_２として、翼１０に負荷される。

主板部２とボス部４の接合点Ｐを通る軸直角面Ｒからの重心６の距離ｈが、小さいほど曲げ分力Ｆ_２が小さくなり、接合点Ｐに発生する応力を小さくすることができる。また、主板部２とつなぎ部３の境界部等に発生する応力も小さくすることができる。

図４−１に、翼１０の部材を微小分割して各微小分割部の応力を求める有限要素解析により求めた、軸直角面Ｒからの重心６の軸方向距離ｈ（ｍｍ）と翼外径寸法（ｍｍ）との積（ｍｍ²；横軸）と、接合点Ｐにおける各翼材料毎の応力指数（発生応力をその材料の降伏応力で除算したもの；縦軸）と、の関係を示す。

接合点Ｐや他の部分に発生する応力により翼１０が永久変形しないように、接合点Ｐにおける発生応力を降伏応力より小さくする（応力指数を１．０以下に抑える）必要がある。応力指数を１．０以下に抑えるために、図４−１に示すように、軸直角面Ｒからの重心６の軸方向距離ｈ（ｍｍ）と翼外径寸法（ｍｍ）との積の値（ｍｍ²）が、翼１０の材料の降伏応力に基づいて定められた「有効値」以下となるように、軸方向距離ｈ（ｍｍ）を設定する。

図４−１に示すように、上記の「有効値」は、例えば、高張力鋼（密度７．８ｇ／ｃｍ³、降伏応力４００ＭＰａ）の場合は２５００、ステンレス鋼（密度８．０ｇ／ｃｍ³、降伏応力３００ＭＰａ）の場合は１８００、圧延鋼（密度７．８ｇ／ｃｍ³、降伏応力２５０ＭＰａ）の場合は１５００、アルミニウム（密度２．７ｇ／ｃｍ³、降伏応力２００ＭＰａ）の場合は３６００、樹脂（密度１．０ｇ／ｃｍ³、降伏応力４０ＭＰａ）の場合は１９００である。

上記した「有効値」は、一つの例であって、一般的には、前記「有効値」は、ボス部４と主板部２との接合点Ｐにおける翼１０の材料の応力が、翼１０の材料の降伏応力となるときの、軸直角面Ｒからの重心６の軸方向距離ｈ（ｍｍ）と翼外径との積の値とする。

また、プロペラファン１００が、起動・停止を頻繁に繰返し、プロペラファン１００に繰返し荷重がかかる場合は、接合点Ｐや他の部分に発生する繰返し応力により翼１０が疲労破壊しないように、接合点Ｐにおける発生応力を疲労応力より小さくする（疲労応力指数を１．０以下に抑える）必要がある。

疲労応力指数を１．０以下に抑えるために、図４−２に示すように、軸直角面Ｒからの重心６の軸方向距離ｈ（ｍｍ）と翼外径寸法（ｍｍ）との積の値（ｍｍ²）が、翼１０の材料の疲労応力に基づいて定められた「疲労有効値」以下となるように、軸方向距離ｈ（ｍｍ）を設定する。

図４−２に示すように、上記の「疲労有効値」は、例えば、高張力鋼（密度７．８ｇ／ｃｍ³、疲労応力１５０ＭＰａ）の場合は９００、ステンレス鋼（密度８．０ｇ／ｃｍ³、疲労応力８０ＭＰａ）の場合は４００、圧延鋼（密度７．８ｇ／ｃｍ³、疲労応力１００ＭＰａ）の場合は６００、アルミニウム（密度２．７ｇ／ｃｍ³、疲労応力６０ＭＰａ）の場合は１０００、樹脂（密度１．０ｇ／ｃｍ³、疲労応力１０ＭＰａ）の場合は４００である。

上記した「疲労有効値」は、一つの例であって、一般的には、前記「疲労有効値」は、ボス部４と主板部２との接合点Ｐにおける翼１０の部材の応力が、翼１０の部材の疲労応力となるときの、軸直角面Ｒからの重心６の軸方向距離ｈ（ｍｍ）と翼外径との積の値とする。

次に、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値（以下、「有効値」は、「疲労有効値」を含むものとする）を満足させるための方法を説明する。

軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値を満足させるように、ブレード１の取付け位置及びブレード１とつなぎ部３の接合形状を決める。ブレード１とつなぎ部３は、端面同士を溶接又は接着剤等で接合する。通常、ブレード１は、つなぎ部３より薄い板厚の部材とする。このように、異なる部材を接合することにより、接合点Ｐ等に発生する応力を下げることができる。また、端面同士を接合するので、ブレード１とつなぎ部３の重ね合わせ接合による腐食等の問題がなくなる。

図３−２は、ブレード１とつなぎ部３の接合部Ｘの形状を示す平面図である。接合部Ｘは、前縁側Ｙの部分（つなぎ部３のブレード側前縁角部）で応力が高くなる。前縁側Ｙの部分に回転軸５及び重心６を通る水平軸ｒと０°〜９０°の範囲の角度Ｋとなる点Ｎ１とＮ２を結んだ略直線部を設ける（つなぎ部３のブレード側前縁角部を切欠き、切欠かれた角部をブレード１の部材で埋める）。この略直線部により、前縁側Ｙの部分の応力が分散し応力が下がる。また、この略直線部を、半径Ｍ＝５０ｍｍ以上の円弧形に形成することにより、更に応力を下げることができる。また、この直線部を、楕円形等に形成してもよい。

次に、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値を満足させるように、つなぎ部３の前縁部１ｆ（図３−４、図３−６参照）から後縁部１ｇの間で、つなぎ部３の径方向傾斜角を徐々に変える。図３−３は、翼１０の前縁側及び後縁側の縦断面模式図である。３ａは、つなぎ部３の前縁側を示し、３ｂは、つなぎ部３の後縁側を示し、１ａは、ブレード１の前縁側を示し、１ｂは、ブレード１の後縁側を示す。

つなぎ部３の軸直角面Ｒに対する径方向傾斜角をθで表す。実施の形態１のプロペラファン１００のつなぎ部３は、径方向傾斜角θを、前縁接合点１ｆから後縁接合点１ｇにかけて、０°〜−９０°に変化させる形状としている。本発明のプロペラファンのつなぎ部の径方向傾斜角θは、９０°〜−９０°の範囲であってもよいし、−４５°等の一定の角度であってもよい。

また、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値を満足させるように、つなぎ部３の前縁部１ｆ及び後縁部１ｇにおける主板部２との接続位置を変更し、つなぎ部３の前縁側及び／又は後縁側の面積を増やすか又は減らす。

図３−４に、上記方法の具体例を示す。図３−４は、実施の形態の翼１０のつなぎ部３の平面図である。３ａ´は、従来のつなぎ部３の前縁、３ｂ´は、従来のつなぎ部３の後縁である。α_１は、回転軸５及び重心６を通る水平軸ｒと、前縁部１ｆ及び回転軸５を通る直線とのなす角、α_２は、その直線と、前縁部１ｆ及びつなぎ部３の前縁の所定点を通る直線とのなす角である。

β_１は、水平軸ｒと、後縁部１ｇ及び回転軸５を通る直線とのなす角、β_２は、その直線と、後縁部１ｇ及びつなぎ部３の後縁の所定点を通る直線とのなす角である。つなぎ部３の前縁については、このα_１とα_２の角度から決まる形状を追加又は削除する。つなぎ部３の後縁については、このβ_１とβ_２の角度から決まる形状を追加又は削除する。

その他、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値を満足させるように、図３−５に示すように、主板２に凸部２ａ又は凹部を設けたり、図３−６、図３−７に示すように、主板２のつなぎ部３が接続されていない部分を、角度γをつけて延長して拡径する。なお、延長部３ｃが、つなぎ部３の前縁部１ｆと、隣接するつなぎ部３の後縁部１ｇとに連続するように、前縁部１ｆから後縁部１ｇにかけて角度γを徐々に変化させるようにする。

翼１０の形状を、以上説明したように変更することにより、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が、有効値を満足させるようにすることができる。また、軸直角面Ｒとつなぎ部３の径方向傾斜角θを、０°〜−９０°の範囲にすれば、つなぎ部３を主板部２に対して同一方向にのみ曲げればよく、プレス曲げの加工性が向上し、生産性が向上する。

以上、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値を満足させるための方法を説明したが、説明した全ての方法を実施する必要はなく、少なくとも一つの方法を実施すればよく、最終的な形状が、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が有効値を満足させればよい。

また、実施の形態では、一枚板から型取りした主板部２及びつなぎ部３に、他の部材のブレード１を接合したプロペラファンについて説明したが、例えば、主板部２、つなぎ部３、ブレード１の夫々を別の部材として接合してもよく、また、ブレード１部分を複数の異種部材として接合してもよく、軸直角面Ｒから翼１０の重心６までの距離ｈ（ｍｍ）が、有効値を満足するようにすれば、応力は低減する。

このように、異種部材を適切に選定し接合することにより、一層、軽量化及び応力の低減を図ることができる。また、翼を補強するための部材を有するプロペラファンや、バランスをとるための部材を有するプロペラファンのように、複数の部材により形成されるプロペラファンの場合は、複数の部材からなるプロペラファンの翼の重心の軸直角面Ｒからの距離が、有効値を満足させるようにすれば、応力は低減される。また、翼の重心６の軸直角面Ｒからの距離が、有効値を満足させるように部材を取付けることにより、応力を低減することができる。

以上のように、本発明にかかる送風機用プロペラファンは、換気扇やエアコン等に適している。

本発明にかかるプロペラファンの実施の形態を示す斜視図である。 実施の形態のプロペラファンを示す側面図である。 実施の形態の翼の縦断面模式図である。 実施の形態の翼のブレードとつなぎ部の平面図である。 実施の形態の翼の前縁側及び後縁側の縦断面模式図である。 翼のつなぎ部の平面図である。 主板部に凸部を設けた実施の形態の翼の縦断面模式図である。 外径を拡大した実施の形態の主板部の平面図である。 図３−６のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 ボス部と主板部の接合点を通る軸直角面から翼の重心までの軸方向距離と翼外径寸法との積と、接合点における応力指数との関係を示す図である。 ボス部と主板部の接合点を通る軸直角面から翼の重心までの軸方向距離と翼外径寸法との積と、接合点における疲労応力指数との関係を示す図である。

符号の説明

１ ブレード
１ａ ブレードの前縁側
１ｂ ブレードの後縁側
１ｆ つなぎ部の前縁部
１ｇ つなぎ部の後縁部
２ 主板部
２ａ 主板部の凸部
３ つなぎ部
３ａ つなぎ部の前縁側
３ｂ つなぎ部の後縁側
３ａ´ つなぎ部の従来の前縁
３ｂ´ つなぎ部の従来の後縁
３ｃ 主板部の延長部
４ ボス部
５ 回転軸
６ 翼の重心
８ ボス部と主板部との接合点と、翼の重心を通る重心線
Ｐ ボス部と主板部との接合点
ｒ 水平軸
Ｒ ボス部と主板部との接合点を通って回転軸に直交する軸直角面
Ｘ ブレードとつなぎ部の接合部

Claims (6)

1. モータの回転軸に固定されるボス部と、
   該ボス部に接合される主板部、該主板部から径方向に外方へ延びるつなぎ部及び該つなぎ部から径方向に外方へ延び前記回転軸方向へ送風するブレードを有する翼と、
   を備えるプロペラファンにおいて、
   前記つなぎ部及び／又は前記ブレードの部材が、前記主板部の部材とは板厚及び／又は材質が異なる部材により形成されて端面同士が接合され、
   前記ボス部と前記主板部との接合点を通る軸直角面から前記翼の重心までの軸方向距離ｈと、前記翼外径との積が、前記翼の材料の降伏応力に基づいて定められる有効値以下となるように、前記軸方向距離ｈを設定し、
   前記有効値は、前記ボス部と前記主板部との接合点における前記翼の部材の応力が、該翼の部材の降伏応力となるときの、前記軸方向距離ｈと前記翼外径との積の値となっていることを特徴とするプロペラファン。
2. モータの回転軸に固定されるボス部と、
   該ボス部に接合される主板部、該主板部から径方向に外方へ延びるつなぎ部及び該つなぎ部から径方向に外方へ延び前記回転軸方向へ送風するブレードを有する翼と、
   を備えるプロペラファンにおいて、
   前記つなぎ部及び／又は前記ブレードの部材が、前記主板部の部材とは板厚及び／又は材質が異なる部材により形成されて端面同士が接合され、
   前記ボス部と前記主板部との接合点を通る軸直角面から前記翼の重心までの軸方向距離ｈと、前記翼外径との積が、前記翼の材料の疲労応力に基づいて定められる疲労有効値以下となるように、前記軸方向距離ｈを設定し、
   前記疲労有効値は、前記ボス部と前記主板部との接合点における前記翼の部材の応力が、該翼の部材の疲労応力となるときの、前記軸方向距離ｈと前記翼外径との積の値となっていることを特徴とするプロペラファン。
3. 前記有効値を、前記翼の材料が、高張力鋼の場合２５００、ステンレス鋼の場合１８００、圧延鋼の場合１５００、アルミニウムの場合３６００、樹脂の場合１９００、とすることを特徴とする請求項１に記載のプロペラファン。
4. 前記疲労有効値を、前記翼の材料が、高張力鋼の場合９００、ステンレス鋼の場合４００、圧延鋼の場合６００、アルミニウムの場合１０００、樹脂の場合４００、とすることを特徴とする請求項２に記載のプロペラファン。
5. 前記つなぎ部の前記主板部に対する径方向傾斜角は、０°〜−９０°の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のプロペラファン。
6. 前記つなぎ部のブレード側前縁角部が切欠かれ、切欠かれた角部が前記ブレードの部材で埋められていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプロペラファン。

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