JP4943817B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、低騒音化を図るのに好適な軸流ファンに関するものである。

軸流ファンは機器冷却用ファンなどに利用されており、軸流ファンの低騒音化や高効率化のための様々な技術が検討されている。ファンの形状においては、例えば特許文献１などの従来技術がある。このファン形状は、羽根翼端の前縁を回転方向に前進させ三角形状としたり、羽根を吸込み側に前傾させたり、反りや取り付け角を適正な範囲に設計したりすることで、流入流れ等の適正化による損失低減をして高効率化を図り、翼端渦等を減少させ低騒音化を図るものである。

特公平２−２０００号公報

機器冷却用ファンに軸流ファンを用いる場合、ファンの吸い込み側もしくは吐出し側には冷却するデバイスや熱交換器などが配置される。そのためファンの吸い込み側と吐出し側にはデバイスや熱交換器による流路抵抗と同一の静圧差Ｐｓが生じる。通常、軸流ファンの運転はこの静圧差Ｐｓがゼロとなることは稀で、Ｐｓ＞０の状態となる。

図１７は従来例における軸流ファンを吸込側から見た平面図である。
図１８はＰｓ＞０の状態で運転する従来の軸流ファンの回転軸を含む面での部分断面図を示したものである。
図１７，図１８において、Ｐｓ＝０の場合に比して、Ｐｓ＞０の場合には流量Ｑが小さくなるため軸流速度Ｃｍは小さい。そのため羽根車の回転による遠心力の影響を受けて半径速度Ｃｒが生じ、流れは図１８に示したα３のように半径方向に曲がる。流れが曲がると、冷却するデバイスにあたる流速が低下し、冷却能力が低下するとともに、吐出し側の流路が非軸対称の場合には流れの不均一を招き、騒音が増大してしまう可能性があった。

本発明の目的は、静圧を保ちつつ回転軸を含む面において回転軸と平行な流れを形成できる軸流ファンを提供することにある。

上記目的は、ハブと、このハブの周囲に設けられた複数の羽根とで構成された軸流ファンにおいて、前記羽根の後縁と、この羽根の翼端の交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線が前記羽根の前縁とハブと羽根との境界との交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線よりも回転方向側に位置することにより達成される。

また上記目的は、ハブと、このハブの周囲に設けられた複数の羽根とで構成された軸流ファンにおいて、前記羽根の後縁と翼端の交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線が、前記羽根の前縁とハブと羽根との境界との交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線よりも回転方向側に位置するものであって、前記羽根は空気吸込み側方向に突出する反りを備え、この反りは前記羽根の遠心方向に向かって次第に大きくなることにより達成される。

また上記目的は、前記羽根の前縁と後縁とを結ぶ翼弦線の長さを翼弦長とし、この翼弦長と羽根の反り線の最大反り量との比を反り比としたとき、前記ハブの半径から翼端の半径の間の反り比は前記ハブの反り比を最小、翼端の反り比を最大とする単調増加の分布であることにより達成される。

また上記目的は、ハブと、このハブの周囲に設けられた複数の羽根とで構成された軸流ファンにおいて、前記羽根の後縁と翼端の交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線が、前記羽根の前縁とハブと羽根との境界との交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線よりも回転方向側に位置するものであって、前記羽根の出口角が前記ハブの半径と翼端の半径の間で極小値を有し、この極小値を有する半径から翼端の半径の間は単調増加の分布であることにより達成される。

また上記目的は、前記羽根車と、一方に空気吸込み口を形成し他方に空気吐出し口を形成したファンケーシングとを備えたファンにおいて、前記ファンケーシングが前記羽根車を覆う円筒部と、前記空気吐出し口に少なくともひとつの非軸対称の流路を有することにより達成される。

また上記目的は、前記羽根の後縁と翼端の交点が、前記ファンケーシングの前記円筒部と前記非軸対称の流路との境界よりも吸込側に位置することにより達成される。

また上記目的は、前記ハブはモータが取り付けられ、このハブの周囲に設けられた複数の羽根とで構成された羽根車と、一方に空気吸込み口を形成し他方に空気吐出し口を形成したファンケーシングと、前記モータを取り付けるカップと、前記ファンケーシングと前記カップを連結する支柱とを備えたファンにおいて、前記支柱の断面形状が曲線と直線からなる涙型であり、涙型の曲線部が前記羽根の前縁に相対して位置することにより達成される。

本発明によれば、静圧を保ちつつ回転軸を含む面において回転軸と平行な流れを形成できる軸流ファンを提供できる。

以下、本発明の一実施例を図面を使って説明する。

本発明の実施例１を図１〜図５により説明する。
図１は軸流ファンの羽根車を吸込側より見た平面図である。
図１において、１は羽根、２はハブ、６は羽根の前縁、７は羽根の後縁、８は羽根の翼端、９は羽根とハブとの境界（以下、ハブ部）、１３は羽根車の回転方向を示す。羽根１はハブ２の周囲に複数枚設置されている。

前縁６とハブ部９との交点をＡ、後縁７と翼端８の交点をＢとし、交点Ａと羽根車の回転中心Ｏとを結ぶ直線をＳ、交点Ｂと羽根車の回転中心Ｏとを結ぶ直線をＴとする。直線Ｔは直線Ｓよりも回転方向側に位置する。今、直線Ｓと直線Ｔのなす角をΔθとし、回転方向１３を正と定義すればΔθ＞０となる。

以上のように構成された軸流ファンの動作を、図２，図３を用いて説明する。
図２は軸流ファンの羽根車を吸込側より見た平面図での流れの状態を示す図である。
図２において、回転中心Ｏを通り前縁６と翼端８を横切る放射直線をＲ１、回転中心Ｏを通り前縁６と後縁７を横切る放射直線をＲ２、回転中心Ｏを通りハブ部９と後縁７を横切る放射直線をＲ３とする。直線Ｒ１は交点Ａ，Ｂよりも回転方向側、直線Ｒ２は交点Ａよりも回転方向側で交点Ｂよりも反回転方向側、直線Ｒ３は交点Ａ，Ｂよりも反回転方向側に位置するため、羽根１を横切る任意の放射直線はＲ１，Ｒ２，Ｒ３のいずれかに分類できる。

今、直線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３上での静圧上昇の状態を考える。
直線Ｒ１上において、ハブ側の領域Ｄ１ｈは交点Ａと前縁６よりも回転方向側であり、羽根１により静圧が上昇する前の状態である。一方、翼端側の領域Ｄ１ｔは前縁６よりも反回転方向側であるため、羽根１による静圧上昇が開始している。したがって、領域D1hの静圧よりも領域Ｄ１ｔの静圧は高い。

直線Ｒ２上において、ハブ側の領域Ｄ２ｈは交点Ａと前縁６よりも回転方向側であり、羽根１により静圧が上昇する前の状態である。一方、翼端側の領域Ｄ２ｔは交点Ｂと後縁７よりも反回転方向側であり、羽根１による静圧上昇が終了した状態である。したがって、領域Ｄ２ｈの静圧よりも領域Ｄ２ｔの静圧は高い。

直線Ｒ３上において、ハブ側の領域Ｄ３ｈは交点Ａよりも反回転側であるが、後縁７よりも回転方向側であるため、羽根１による静圧上昇が途中の状態である。一方、翼端側の領域Ｄ３ｔは交点Ｂと後縁７よりも反回転方向側であり、羽根１による静圧上昇が終了した状態である。したがって、領域Ｄ３ｈの静圧よりも領域Ｄ３ｔの静圧は高い。

以上の作用から、本実施例の羽根形状とすることにより、任意の放射直線上において、常にハブ側の領域の静圧よりも翼端側の領域の静圧を高くすることができる。ハブ側と翼端側に静圧差をつけることにより、流れの半径方向への曲がりは抑制され、流れは流線
Ｓｈ，Ｓｔのように形成される。

図３は本実施例を備えた軸流ファンにおける空気の流れ状態を示す回転軸を含む面での部分断面図である。
図３において、５は回転軸、１０はファンケーシングを示す。本実施例の羽根形状とすることにより、流線Ｓｈ，Ｓｔは図３のように回転軸５と平行になる。

一方、流れの前縁６での半径をＲｉｎ、後縁７での半径をＲｏｕｔ、流れに沿った前縁６と後縁７での周速と相対速度をそれぞれｕ１，ｕ２，ｗ１，ｗ２とすると、一般にファンの吸い込み側と吐出し側の静圧差Ｐｓは、遠心力による圧力変化はｕ２²−ｕ１²、流路面積変化に伴う相対速度の変化による圧力変化はｗ１²−ｗ２²に依存する。

従来例の図１８では流れα３の前縁６と後縁７での半径ＲｉｎとＲｏｕｔが異なるため、静圧Ｐｓには遠心力による圧力変化の寄与があった。しかし、本実施例の図３では流れＳｈとＳｔの前縁６と後縁７での半径はほとんど同一であるため、ｕ１≒ｕ２となり遠心力による圧力変化の寄与がほとんどない。そのためΔθ＞０とすると従来に比して静圧が低くなる。

図４，図５はこの課題を解決するための構成である。
図４は羽根１を図１での任意の半径Ｒにおける円弧Ｖの円筒面で切断した断面を２次元平面に展開して得られる展開図である。
図４において、１６は回転方向を示すものであり、３は前縁６と後縁７を直線で結んだ翼弦線、Ｌは翼弦線３の長さ、ＰＳは羽根の圧力面、ＳＳは羽根の負圧面、４は反り線、ｃは反り線４の翼弦線３に対する反り量を示す。反り比ｆを反り量ｃと翼弦長Ｌの比と定義する。

図５は半径に対する反り比の分布を示すグラフである。
図５において、半径は図１におけるハブ径Ｒｈ，翼端径Ｒｔで無次元化した。本実施例においては翼端部の反り比ｆｔとハブ部の反り比ｆｈはｆｔ＞ｆｈとし、ハブから翼端の間の反り比は、ハブ部反り比ｆｈを最小、翼端部反り比ｆｔを最大とする単調増加の分布とする。これに対して、従来の軸流ファンの反り比は単調減少の分布である。本実施例のように最も周速の大きい翼端径Ｒｔの反り比ｆｔを最大とすることにより静圧を増加する。

図１におけるΔθ＞０と図５における反り比ｆの分布を組み合わせることにより、静圧を保ちつつ、回転軸を含む面において回転軸と平行な流れを形成することができる。これにより軸流ファンの冷却能力を向上することが可能である。

本発明の実施例２を図６，図７を用いて説明する。

図６は羽根１を図１での任意の半径Ｒにおける円弧Ｖの円筒面で切断した断面を２次元平面に展開して得られる展開図である。
図６において、１４は後縁７をとおり回転方向１６に平行な直線、１５は後縁７において反り線４に接する直線、βｂ２は直線１４と直線１５のなす角で羽根出口角を示す。

図７は半径に対する羽根出口角の分布を示すグラフである。
図７において、羽根出口角はハブの半径と翼端の半径の間で極小値となり、極小値を有する半径から翼端の半径の間は単調増加の分布とする。これにより翼端での羽根出口角
βｂ２を大きくすることができる。

図１と図７の構成を組み合わせることにより、周速の最も大きい翼端部での静圧を増加することができ、Δθ＞０とすることによる静圧低下を抑制することが可能である。

本発明の実施例３を図８〜図１３を用いて説明する。
図８は本実施例における軸流ファンの斜視図である。
図８において、本実施例は電子機器冷却用のボックスファンに関するものであり、１０はファンケーシング、１１は傾斜部、１２は支柱、１３はカップである。カップ１３はモータ（図示せず）を介してハブ２と連結する。ファンケーシング１０は支柱１２を介してカップ１３と連結する。本実施例では支柱１２は３本のものを示すが、本発明においてはこの限りではない。傾斜１１部は寸法の制約上、ファンケーシングの角部Ｘだけに設けられる。羽根車は実施例１で述べたものとする。

図９は実施例３における軸流ファンの平面図である。
図９において、Ｕ１は回転中心Ｏとファンケーシング１０の角部Ｘ１を通る直線、Ｗ１は回転中心Ｏとファンケーシング１０の枠の中央部Ｙ１を通る直線を示す。

以上のように構成された軸流ファンの動作を従来例の軸流ファンと比較しながら、図
１０〜図１３を用いて説明する。
図１０は本実施例の軸流ファンを直線Ｕ１と回転軸５を含む面での部分断面図と、直線Ｗ１と回転軸５を含む面での部分断面図である。
図１０において、空気の流れはα１のように回転軸５に平行になるため、どちらの断面でも傾斜部１１に流れが沿わず、流れのファンケーシング１０の領域γ１，δ１への衝突はない。
一方、図１１は従来例の軸流ファンを直線Ｕ２と回転軸５を含む面での部分断面図と、直線Ｗ２と回転軸５を含む面での部分断面図である。
図１１において、流れはα２のように角部の傾斜１１に沿うが、中央部では流れα２はファンケーシング１０の領域γ２，δ２に衝突する。

図１２は実施例３と従来例を適用した場合の騒音スペクトラムの比較を示すグラフである。
図１２において、ボックスファンの騒音は、羽根車の回転と羽根枚数の積の周波数成分（いわゆる回転音）の寄与が大きい。本実施例では領域γ１，δ１での流れの衝突の影響が小さいため、回転音の騒音を低減することが可能である。図１３は実施例３と従来例の騒音の比較であり、大幅な騒音低減の効果を得ることができる。

本発明の実施例４を図１４を用いて説明する。
図１４は実施例４における軸流ファンの回転軸を含む面での部分断面図である。
図１４において、１７は羽根車、１８はファンケーシング１０の円筒部、Ｃは円筒部
１８と傾斜部１１の境界を示す。羽根車１７は実施例１または２で述べた構成のものとする。交点Ｂは境界Ｃよりも吸込側に位置することにより、羽根の後縁７を傾斜部１１側にオーバーラップさせずに、円筒部１８は羽根車１７の全体を覆って構成する。今、翼端８と後縁７の交点Ｂと境界Ｃとの距離をＬａｐとし、図１４に示す配置をＬａｐ＞０と定義する。

このような構成にすることによって、翼端８と円筒部１８の隙間から放出される翼端渦εと傾斜部１１との干渉がなくなる。吐出し側での流れの不均一を抑制することができ、さらに羽根車１７の回転音を低減することができる。

本発明の実施例５を図１５，図１６を用いて説明する。
図１５は実施例５における軸流ファンを吐出し側から見た平面図である。
図１５において、羽根車１７は実施例１または２で述べた構成のものとする。図１６は羽根１と支柱１２を図１５での任意の半径Ｒにおける円弧Ｚの円筒面で切断した断面を２次元平面に展開して得られる展開図である。
図１６に示すように支柱１２の断面形状は曲線１９と直線２０からなり、曲線１９は羽根１の後縁７に相対して位置する。
このような構成とすることにより、羽根１から流出した流れζは流れηのように断面に沿い、流れの乱れを抑制することができる。これにより更に騒音を低減することができる。

以上のごとく、本発明は回転軸を通る任意の放射線上において、翼端周辺の静圧をハブ周辺の静圧よりも常に高めることができる。この静圧差により回転軸を含む面において回転軸に平行な流れを形成することができる。

一方、従来の軸流ファンにおいては、図１８のように流れα３による遠心力の静圧上昇に対する寄与があった。これに対し、請求項１の構成においては流れを回転軸に平行としたために、静圧上昇に対する遠心力の寄与が減少する。これを補うために反り比を周速の最も大きい翼端で最大とすることにより、静圧の低下を抑制することができる。

本実施例によれば、周速の大きい翼端の羽根出口角が大きくなり、上記請求項１における反り比の分布と同等の効果を得ることができる。また、羽根車を吐出し側に非軸対称の流路を有するファンケーシングと組み合わせることにより、流れが回転軸と平行であるため、非軸対称の流路と干渉することがない。そのため従来の軸流ファンで課題であった吐出し側での流れの不均一を抑制することができ、これによる羽根車の回転音による騒音を低減することができる。

一方、最も流れの乱れの大きい翼端の後縁をファンケーシング円筒部に収納することができる。これにより、吐出し側の非軸対称の流路に羽根がオーバーラップすることがない。そのため吐出し側での流れの不均一を抑制することができ、羽根車の回転音による騒音をさらに低減することができる。更に、流れの乱れが抑制されるので、低騒音化を図ることができる。

実施例１における軸流ファンの羽根車を吸込側から見た平面図である。 実施例１における空気の流れ状態を示す軸流ファンの羽根車を吸込側から見た平面図である。 実施例１における空気の流れ状態を示す軸流ファンの回転軸を含む面での部分断面図である。 実施例１の羽根を任意の半径Ｒにおける円弧Ｖの円筒面で切断した断面を２次元平面に展開して得られる展開図である。 図４の羽根における半径に対する反り比の分布図である。 実施例２の羽根を任意の半径Ｒにおける円弧Ｖの円筒面で切断した断面を２次元平面に展開して得られる展開図である。 図６の羽根における半径に対する羽根出口角の分布図である。 実施例３における軸流ファンの斜視図である。 実施例３における軸流ファンの平面図である。 本実施例の軸流ファンを直線Ｕ１と回転軸５を含む面での部分断面図と、直線Ｗ１と回転軸５を含む面での部分断面図である。 従来例の軸流ファンを直線Ｕ２と回転軸５を含む面での部分断面図と、直線Ｗ２と回転軸５を含む面での部分断面図である。 実施例３と従来例を適用した場合の騒音スペクトラムの比較グラフである。 実施例３と従来例の騒音の比較グラフである。 実施例４における空気の流れを示す軸流ファンの回転軸を含む面での部分断面図である。 実施例５における軸流ファンを吐出し側から見た平面図である。 羽根１と支柱１２を図１５での任意の半径Ｒにおける円弧Ｚの円筒面で切断した前面を２次元平面に展開して得られる展開図である。 従来例における軸流ファンを吐出し側から見た平面図である。 Ｐｓ＞０の状態で運転したときの空気の流れを示す従来の軸流ファンの回転軸を含む面での部分断面図である。

符号の説明

１ 羽根
２ ハブ
３ 翼弦線
４ 反り線
５ 回転軸
６ 羽根の前縁
７ 羽根の後縁
８ 羽根の翼端
９ 羽根とハブとの境界
１０ ファンケーシング
１１ 傾斜
１２ 支柱
１３ カップ
１４ 後縁７をとおり回転方向１６に平行な直線
１５ 後縁７において反り線４に接する直線
１６ 羽根の回転方向
１７ 羽根車
１８ 円筒部
１９ 曲線
２０ 直線
Ａ 前縁６とハブ部９との交点
Ｂ 後縁７と翼端８の交点
Ｏ 羽根車の回転中心
Ｓ 交点Ａと羽根車の回転中心Ｏとを結ぶ直線
Ｔ 交点Ｂと羽根車の回転中心Ｏとを結ぶ直線
Δθ 直線Ｓと直線Ｔのなす角
Ｒ１ 回転中心Ｏを通り前縁６と翼端８を横切る放射直線
Ｒ２ 回転中心Ｏを通り前縁６と後縁７を横切る放射直線
Ｒ３ 回転中心Ｏを通りハブ部９と後縁７を横切る放射直線
Ｄ１ｈ 直線Ｒ１上のハブ側の領域
Ｄ１ｔ 直線Ｒ１上の翼端側の領域
Ｄ２ｈ 直線Ｒ２上のハブ側の領域
Ｄ２ｔ 直線Ｒ２上の翼端側の領域
Ｄ３ｈ 直線Ｒ３上のハブ側の領域
Ｄ３ｔ 直線Ｒ３上の翼端側の領域
Ｓｈ，Ｓｔ 流線
Ｒｉｎ，Ｒｏｕｔ 半径
ｕ１，ｕ２ 周速
ｗ１，ｗ２ 相対速度
Ｐｓ 静圧
Ｖ，Ｚ 円弧
Ｌ 翼弦長
ＰＳ 圧力面
ＳＳ 負圧面
ｃ 反り量
ｆ 反り比
Ｒｈ ハブ径
Ｒｔ 翼端径
ｆｔ 翼端部の反り比
ｆｈ ハブ部の反り比
Ｕ１ 回転中心Ｏとファンケーシング１０の角部Ｘ１を通る直線
Ｗ１ 回転中心Ｏとファンケーシング１０の枠の中央部Ｙ１を通る直線
Ｘ１，Ｘ２ 角部
Ｙ１，Ｙ２ 中央部
Ｕ２ 回転中心Ｏとファンケーシング１０の角部Ｘ２を通る直線
Ｗ２ 回転中心Ｏとファンケーシング１０の枠の中央部Ｙ２を通る直線
Ｃ 円筒部１８と拡大部１１の境界
Ｌａｐ 交点Ｂと境界Ｃとの距離
Ｃｍ 軸流速度
Ｃｒ 半径速度
α１，α２，α３，ζ，η 流れ
βｂ２ 羽根出口角
γ１，δ１，γ２，δ２ 領域
ε 翼端渦

Claims (4)

1. ハブと、このハブの周囲に設けられた複数の羽根とで構成された羽根車を有し、前記羽根の後縁と翼端の交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線が、前記羽根の前縁とハブと羽根との境界との交点と羽根車の回転中心とを結ぶ直線よりも回転方向側に位置する軸流ファンであって、
   前記羽根の前縁と後縁とを結ぶ翼弦線の長さを翼弦長とし、この翼弦長と羽根の反り線の最大反り量との比を反り比としたとき、前記ハブの半径から翼端の半径の間の反り比は前記ハブの反り比を最小、翼端の反り比を最大とする単調増加の分布であり、
   前記羽根の出口角が前記ハブの半径と翼端の半径の間で極小値を有し、この極小値を有する半径から翼端の半径の間は単調増加の分布であることを特徴とする軸流ファン。
2. 一方に空気吸込み口を形成し他方に空気吐出し口を形成したファンケーシングを備え、該ファンケーシングに前記羽根車を覆う円筒部が設けられ、前記空気吐出し口に少なくともひとつの非軸対称の流路を有することを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記羽根の後縁と翼端の交点が、前記ファンケーシングの前記円筒部と前記非軸対称の流路との境界よりも吸込側に位置することを特徴とする請求項２に記載の軸流ファン。
4. 前記羽根車のハブ内にはモータが取り付けられており、一方に空気吸込み口を形成し他方に空気吐出し口を形成したファンケーシングを備え、該ファンケーシングに前記羽根車を覆う円筒部と、前記モータを取り付けるカップと、前記円筒部と前記カップを連結する支柱とを備え、前記支柱の断面形状が曲線と直線からなる涙型であり、涙型の曲線部が前記羽根の前縁に相対して位置することを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。

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