JP5012210B2

JP5012210B2 - 遠心羽根車、遠心ファン装置及び電子機器

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Publication number: JP5012210B2
Application number: JP2007136191A
Authority: JP
Inventors: 昌之菅澤; 俊香山; 有希子清水
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP2008291684A

Description

本発明は、遠心方向に送風する遠心ファン装置、これに搭載された遠心羽根車、遠心ファン装置を搭載した電子機器に関する。

従来から、ファン装置の技術分野では、羽根車に設けられた羽根の形状が工夫されることで、送風効率の向上及び低騒音化が図られてきた（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、羽根車の羽根が作り出す空気の渦が騒音の原因とされている。そこで、特許文献１のファンでは、羽根（２）の厚さが羽根車（１ａ）の内周側から遠心方向に羽根の中央付近まで徐々に厚くなるように、かつ、その央付近から羽根車（１ａ）の外周側にかけて徐々に薄くなるように、当該羽根（２）が形成されている。また、その羽根（２）の羽根車（１ａ）の回転方向に向かう面の反対側の面（２Ｓ）が、回転方向に対してなめらかな凹形状となっている。

特許３７５７８０２号公報（段落[００１８]、[００９５]、図４４、４５）

特許文献１のファンの羽根（２）の形状は一般の遠心ファンの羽根に比べ、形状の精度が要求される。特に、羽根（２）を有するファンを小型化して製造しようとする場合、羽根（２）の形状を確保することが難しくなってくる。また、騒音を低減するためにさらなる改良も必要と考えられる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、複雑な形状でなく、低騒音の遠心羽根車、遠心ファン装置及びこの遠心ファン装置を搭載した電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る遠心羽根車は、ボス部と、前記ボス部の周囲に配置された複数の羽根であって、前記各羽根の隙間の気体の流れが層流となるように、前記各羽根の隙間の距離及び前記各羽根の遠心方向の長さが設定された複数の羽根と、前記ボス部と前記複数の羽根とを連結する連結部とを具備する。

すなわち、本発明では、各羽根の隙間の距離は、一般的な羽根車の羽根の隙間の距離に比べ狭く形成されている。これにより、羽根の形状が特別に複雑な形状でなくても、騒音を低減することができる。

本発明において、直径１mmの円管流路における臨界レイノルズ数２３００が成立する場合であって、前記遠心羽根車の直径が２０〜４０mm前記遠心羽根車の回転軸方向における前記各羽根の長さが１０mm、前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mmである場合、矩形管の流路とされた前記各羽根の隙間の臨界レイノルズ数が２２００〜４２００である。

あるいは、前記遠心羽根車の直径が２０〜４０mmで、前記遠心羽根車が回転数６０００〜８０００rpmで回転する場合に、前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mm、前記各羽根の遠心方向の長さが４．８９〜１０．３５mmである。

一方、直径１mmの円管流路における臨界レイノルズ数２３００が成立する場合であって、前記遠心羽根車の直径が６０〜１００mm、前記遠心羽根車の回転軸方向における前記各羽根の長さが２５mm、前記各羽根の隙間の距離が０．５５〜１．１mmである場合、矩形管の流路とされた前記各羽根の隙間の臨界レイノルズ数が２５００〜７０００である。

あるいは、前記遠心羽根車の直径が６０〜１００mmで、前記遠心羽根車が回転数１５００〜２５００rpmで回転する場合に、前記各羽根の隙間の距離が０．５５〜１．１mm、前記各羽根の遠心方向の長さが５．５５〜１７．２８mmである。

本発明に係る遠心ファン装置は、ボス部と、前記ボス部の周囲に配置された複数の羽根であって、前記各羽根の隙間の距離の気体の流れが層流となるように、前記各羽根の隙間の距離及び前記各羽根の遠心方向の長さが設定された複数の羽根と、前記ボス部と前記複数の羽根とを連結する連結部とを有する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を収容するハウジングとを具備する。

本発明に係る電子機器は、（ａ）筐体と、（ｂ）ボス部と、前記ボス部の周囲に配置された複数の羽根であって、前記各羽根の隙間の距離の気体の流れが層流となるように、前記各羽根の隙間の距離及び前記各羽根の遠心方向の長さが設定された複数の羽根と、前記ボス部と前記複数の羽根とを連結する連結部とを有する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を収容するハウジングとを有し、前記筐体内に設けられた遠心ファン装置とを具備する。

以上のように、本発明によれば、遠心羽根車を複雑な形状にすることなく、低騒音化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る遠心ファン装置を示す分解斜視図である。図２は、遠心ファン装置１００の内部構造を示す断面図である。図３は、一実施の形態に係る遠心羽根車を示す斜視図である。

遠心ファン装置１００は、遠心羽根車１０と、ハウジング２０と、ステータ３０とにより構成されている。

遠心羽根車１０の中央には、略円筒形状のボス部１１が設けられており、ボス部１１の周囲に複数の羽根１２が配置されている。ボス部１１とこれら複数の羽根１２は連結部１４により連結されており、複数の羽根１２は、連結部１４の周縁部に立設されている。遠心羽根車１０の直径（外径）φは、２０〜４０mm、あるいは、６０〜１００mmとされている。

遠心羽根車１０は、典型的には、樹脂で構成される。しかし、樹脂に限られず、金属、またはその他の材料でもよい。

ハウジング２０は、略直方体の形状をしており、上面２１ａ、下面２１ｂ及び側面２１ｃを有している。典型的には、ハウジング２０は、例えば本体２０ａと、本体２０ａの上部に装着されるカバー部材２０ｂとを有する。上面２１ａと下面２１ｂの略中央には略円形の上部吸気口２２ａと下部吸気口２２ｂとがそれぞれ設けられ、側面２１ｃには排気口２３が設けられている。ハウジング２０内には、遠心羽根車１０を収容し、内壁面２１ｄによって形成された空間が設けられている。この内壁面２１ｄの一部には、舌部２４が形成されている。

下部吸気口２２ｂの中央には、下部吸気口２２ｂの外周縁から延びるリブ２５と一体的に設けられた保持板２６が配置されている。この保持板２６上に、ステータ３０を含むモータを駆動する回路基板３４が載置される。

図２に示すように、ステータ３０は、コイルを備えたコア３３、軸受３２等により構成されている。遠心羽根車１０のボス部１１の内部には、ヨーク４２、マグネット４１等が設けられている。軸受３２により支持された回転シャフト３１にボス部１１が固定されることで、ボス部１１がステータ３０に接続されている。回転シャフト３１、ヨーク４２、マグネット４１、ボス部１１等によりロータが構成される。

図４は、遠心羽根車１０の各羽根１２の拡大平面図である。遠心羽根車１０の各羽根１２は、該各羽根１２の隙間の空気の流れが層流となるように、各羽根１２の隙間の距離ａ及び各羽根１２の遠心方向の長さｂが設定されている。すなわち、各羽根１２の隙間の空気の流れに乱流が発生しないように、上記ａ、ｂの値が設定されている。

具体的には、本実施の形態に係る遠心羽根車１０は、以下のように設計されている。

直径φ＝２０〜４０mmの遠心羽根車１０が回転数６０００〜８０００rpmで回転する場合、ａ＝０．５〜１mm、ｂ＝４．８９〜１０．３５mmとされている。

あるいは、φ＝６０〜１００mmの遠心羽根車１０が回転数１５００〜２５００rpmで回転する場合、ａ＝０．５５〜１．１mm、ｂ＝５．５５〜１７．２８mmとされている。

なお、各羽根１２の厚さｅは、例えば０．６mmであるが、層流の発生の観点からは、特にこれに限定されることはない。後にも説明するように、各羽根１２における空気が流入する側（高圧側）の形状が、鋭く、細い形状であれば、厚さｅは特に限定されない。

次に、上述のように構成された遠心ファン装置１００の作用について説明する。

コイルに電圧が加えられると、遠心羽根車１０が所定の速度で回転し、ハウジング２０外の空気が上部吸気口２２ａ及び下部吸気口２２ｂを介してハウジング２０内に吸い込まれる。すなわち、回転軸方向（Ｚ軸方向）の気流が発生する。ハウジング２０内に吸い込まれた空気は、遠心方向へ流され、排気口２３より排出される。各羽根１２の隙間の気流は層流となるので、騒音が抑制される。

以上のように、本実施の形態では、各羽根１２の隙間の空気の流れが層流となるように、当該隙間の距離及び各羽根１２の遠心方向の長さが設定されているので、羽根１２が、上記特許文献１に記載のように複雑な形状でなくても、低騒音化を実現することができる。

上記したように、遠心羽根車１０の羽根１２の形状がほぼ平板形状であるので、各羽根１２の隙間の空気の流れは、矩形管内の空気の流れに近似することができる。以下、このように各羽根１２が矩形管で近似できることに基いて、臨界レイノルズ数の導出について説明する。

１．まず、平板境界層の流れについて説明する。

図５は、平板上の空気の流れを模式的に示した図である。横軸及び縦軸を、それぞれ長さｘ、ｙとしている。ｘ軸の大きさが増す方向に空気が流れているとする。平板１５０上を流れる空気は、図に示すようにｘ軸方向に層流境界層（長さｘ_t）、遷移境界層及び乱流境界層を構成する。遷移境界層の始まりは、層流が平板１５０から剥離する始まりである。

空気の動粘性係数をν、空気の流速（代表速度）をＵとすると、平板１５０上における臨界レイノルズ数Ｒecは、次のように表せる。
Ｒec＝Ｕ・ｘ_t／ν・・・（１）
なお、式（１）、及び以降の明細書中のすべての式はＭＫＳ単位で示している。

２．次に、矩形管内の流れについて説明する。

図６は、矩形管の断面図である。空気の流れを等速度線で表している。矩形管内には、中央の主流と、４つのコーナーへ向かう二次流れとが存在する。主流の等速度線は、ゆるやかに湾曲する。このため、壁面せん断応力は、管壁周囲の場所によって異なる。

壁面せん断応力τ_w、管長ｌの圧力降下ΔＰ、管断面積Ａ、ぬれ縁長さ（流路断面の周囲の長さ）Ｌを用いると、矩形管内の流れにおける力のつり合いは、次式のように表せる。
ＡΔＰ＝Ｌｌτ_w・・・（２）
τ_wを管の摩擦係数λで表し、ｍ＝Ａ／Ｌとすると、式（２）は、
ΔＰ＝λ(ｌ／４ｍ)(ρ・ｖ²／２)・・・（３）
となる。

λの定義式において、円管の直径（流路径）ｄを次式（４）で置き換えればよいことになる。
ｄ_h＝４Ａ／Ｌ＝４ｍ・・・（４）
(ｄ_h：水力直径（または等価直径）)
よって、矩形管のレイノルズ数は、
Ｒe＝ｖ・４ｍ／ν＝ｖ・ｄ_h／ν・・・（５）
となる。

（ａ）直径φ２０〜４０mmの遠心羽根車について
φ２０〜４０mmの遠心羽根車１０の各羽根１２の隙間（以下、羽根隙間という場合もある。）での空気の流れは、図７に示すように、上記のような矩形管内での空気の流れと実質的に同じになる。特に、φ２０〜４０mmの遠心羽根車の羽根隙間での空気の流れは、正方形管内での空気の流れと実質的に同じである。正方形管内では、層流から乱流へ移行する遷移における臨界レイノルズ数Ｒecは、２３００である。

φ２０〜４０mmの遠心羽根車１０において、いま、羽根１２の高さを１０mm（ｃ＝１０mm）とする。羽根１２の高さとは、遠心羽根車１０の回転軸方向における羽根１２の長さである。円管の直径ｄ＝１mm（流路断面積＝２π・(０．５)²）で、式（１）よりＲec＝Ｕ・ｄ／ν＝２３００が成り立つとする。式（４）より、
ｄ_h＝４Ａ／Ｌ＝４・１０・０．５／(１０＋１０＋０．５＋０．５)＝２０／２１・・・（６）
となる。式（６）において最小０．５mmの羽根隙間の距離を対象としている。したがって、
Ｒec×２０／２１＝２１９０．５≒２２００・・・（７）
となる。φ２０〜４０mmの遠心羽根車において内周と外周の流速差は２倍と定義している。

連続の式より、
Ａ₁ｖ₁＝Ａ₂ｖ₂・・・（８）
(Ａ₁、Ａ₂は流路断面積、ｖ₁、ｖ₂は流速)
したがって、流路断面積は２倍程度まで許容できる。

以上より、１mm（０．５mmの２倍）の羽根隙間までを考慮すると、矩形管の等価的な直径ｄ_hは、
ｄ_h＝４Ａ／Ｌ＝４・１０・１／(１０＋１０＋１＋１)＝２０／１１・・・（９）
よって、
Ｒec×２０／１１＝４１８１．８≒４２００・・・（１０）
となる。

したがって、φ２０〜４０mmの遠心羽根車では、レイノルズ数２２００〜４２００までが層流と考えられる。

なお、上記したように、円管の直径ｄ＝１mmで、Ｒec＝Ｕ・ｄ／ν＝２３００が成り立つことを前提とした。これは、本実施の形態に係る遠心羽根車１０の羽根隙間（等価直径ｄ_h）が０．５〜１mmであり同等であること、及びレイノルズ数の計算が容易であることによる。

（ｂ）φ６０〜１００mmの遠心羽根車について
一方、φ６０〜１００mmの遠心羽根車の羽根隙間での空気の流れは、長方形管内での空気の流れと実質的に同じである。長方形管内では、層流から乱流へ移行する遷移における臨界レイノルズ数Ｒecは、３３００である。

φ２０〜４０mmの遠心羽根車において、いま、羽根１２の高さを２５mm（図２においてｃ＝２５mm）とする。この場合、式（６）のｄ_hは、
ｄ_h＝４Ａ／Ｌ＝４・２５・０．５５／(２５＋２５＋０．５５＋０．５５)＝５５／５１．５・・・（１１）
となる。式（１１）において最小０．５５m mの羽根隙間の距離を対象としている。したがって、Ｒec＝２３００とした場合、
Ｒec×５５／５１．５＝２４５６．３≒２５００・・・（１２）
となる。φ６０〜１００mmの遠心羽根車の場合も内周と外周の流速差は２倍と定義している。

以上より、１．１mm（０．５５mmの２倍）の羽根隙間までを考慮すると、
ｄ_h＝４Ａ／Ｌ＝４・２５・１．１／(２５＋２５＋１．１＋１．１)＝１１０／５２．２・・・（１３）
上記したように、Ｒec＝３３００が限界とした場合、
Ｒec×１１０／５２．２＝６９５４．０≒７０００・・・（１４）
となる。

したがって、φ６０〜１００mmの遠心羽根車では、レイノルズ数２５００〜７０００までが層流と考えられる。

図８及び図９は、臨界レイノルズ数Ｒec、遠心羽根車１０の直径φ、遠心羽根車１０の回転速度[rpm]、羽根隙間の距離（層流境界層厚さａ）、各羽根１２の遠心方向の長さ（羽根長）ｂ、羽根１２のピッチｄの関係の理論値を示す表である。図８がφ２０〜４０mmの遠心羽根車を示し、図９がφ６０〜１００mmの遠心羽根車を示している。羽根１２のピッチｄは、上記した羽根１２の厚さｅと、層流境界層厚さａとの差で決まる値であり、ここでは、ｅ＝０．６としている。層流境界層厚さａは、羽根１２のピッチｄから０．６を差し引いた値となる。値ａ、ｂ、ｄの単位は[mm]である。

図８において、破線で囲まれる範囲が、層流境界層厚さａ＝０．５〜１mmの範囲であり、この範囲における羽根長ｂが、ｂ＝４．８９〜１０．３５mmとされている。図９において、破線で囲まれる範囲が、層流境界層厚さａ＝０．５５〜１．１ｍｍの範囲であり、この範囲における羽根長ｂが、ｂ＝５．５５〜１７．２８mmの範囲である。

図１０、図１１及び図１２は、図８に示した表のデータを示すグラフである。図１３及び図１４は、図９に示した表のデータを示すグラフである。

図１５は、本発明者らが試作した遠心羽根車１０により騒音を実測したときの結果を示すグラフである。横軸が羽根１２のピッチｄを示し、縦軸は騒音を示している。上記したように、層流境界層厚さａは、羽根１２のピッチｄから０．６を差し引いた値となるので、騒音レベルが低くなる最適なピッチを１〜１．５mmとすると、今回の実測では、最適な層流境界層厚さａは、０．４〜０．９となる。この実験で用いられた遠心羽根車１０の設計は、φ８０mm、羽根長ｂ＝８mmで、回転数は１８００rpmである。これは、図９の特に太線で示した理論値に最も近い結果となった。

図１６、図１７及び図１８は、上記実験で用いられた遠心羽根車１０のうちの１つを示す写真である。

次に、物体の形状の観点から、物体の周りの空気の流れについて説明する。図１９は、その説明のための図である。

図１９（Ａ）に示すように、物体１６０が物体１６０の左側から空気の流れを受けると、空気は物体により剥離される。そうすると、物体１６０の左側に高圧の領域が形成され、右側に低圧の領域が形成される。物体１６０の全表面にわたり圧力を積分すると、物体１６０の左側に形成される高圧領域と、右側に形成される低圧領域との圧力差により抗力が発生する。この抗力は物体１６０の形状に依存する。

図１９（Ｂ）に示すように、鈍頭の物体１７０の場合、剥離現象が顕著になり抗力が支配的となる。抗力Ｄは、下記の式で表せる。

Ｄ＝Ｃ_D・ρ・Ｕ²・Ｓ／２・・・（１５）
Ｃ_D：抗力係数、ρ：流体の密度、Ｕ：物体と流体の相対速度、Ｓ：物体の基準面積。

図２０は、種々の物体の抗力係数を示す（出典：JSMEテキストシリーズ流体力学日本機械学会）。上記したように、遠心羽根車１０の羽根１２の厚さｅは０．６mmと薄いので、流線形物体と考えてよい。０．６mmに限られず、例えば１．５mm以下程度であれば、剥離現象を抑えることができる。

図２１は、上記遠心ファン装置１００を備える電子機器として、ラップトップ型のＰＣ（Personal Computer）を示す斜視図である。

ＰＣ５００の筐体２の側面には、開口５が設けられている。遠心ファン装置１００の排気口２３（図１参照）には、ヒートシンク６が取り付けられている。遠心ファン装置１００は、ヒートシンク６が開口５と対面するように、筐体２内に配置されている。これにより、遠心ファン装置１００から排出された空気に含まれる熱は、ヒートシンク６に伝達されるとともに開口５を介してその空気が外部に排出される。

なお、ＰＣ５００内の図示しないＣＰＵ等の発熱源と、ヒートシンク６とがヒートパイプ等により熱的に接続されていてもよい。

電子機器としては、ＰＣ（Personal Computer）に限らず、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、その他の電化製品等が挙げられる。

本発明の一実施の形態に係る遠心ファン装置を示す分解斜視図である。遠心ファン装置の内部構造を示す断面図である。一実施の形態に係る遠心羽根車を示す斜視図である。遠心羽根車の各羽根の拡大平面図である。平板上の空気の流れを模式的に示した図である。矩形管の断面図である。矩形管内での空気の流れと同等な羽根隙間の空気の流れを示す図である。臨界レイノルズ数、遠心羽根車の直径（２０〜４０mm）、回転速度、層流境界層厚さ、羽根長、羽根のピッチｄの関係の理論値を示す表である。臨界レイノルズ数、遠心羽根車の直径（６０〜１００mm）、回転速度、層流境界層厚さ、羽根長、羽根のピッチｄの関係の理論値を示す表である。図８の回転数６０００rpm及び６５００rpmのときのデータを示すグラフである。図８の回転数７０００rpm及び７５００rpmのときのデータを示すグラフである。図８の回転数８０００rpmのときのデータを示すグラフである。図９の回転数１５００rpm及び１８００rpmのときのデータを示すグラフである。図９の回転数２０００rpm及び２５００rpmのときのデータを示すグラフである。本発明者らが実際に試作した遠心羽根車により騒音を実測したときの結果を示すグラフである。上記実験で用いられた遠心羽根車のうちの１つを示す写真である（斜視）。その側面の写真である。その羽根を拡大した写真である）。物体の形状の観点から、物体の周りの空気の流れについて説明するための図である。種々の物体の抗力係数を示す図である。上記遠心ファン装置を備える電子機器として、ラップトップ型のＰＣを示す斜視図である。

符号の説明

ａ…各羽根の隙間の距離
ｂ…各羽根１２の遠心方向の長さ
φ…遠心羽根車の直径（外径）
１０…遠心羽根車
１１…ボス部
１２…羽根
１４…連結部
２０…ハウジング
１００…遠心ファン装置
５００…電子機器（ＰＣ）

Claims

ボス部と、
前記ボス部の周囲に配置された複数の羽根であって、前記各羽根の隙間の気体の流れが層流となるように、前記各羽根の隙間の距離及び前記各羽根の遠心方向の長さが設定された複数の羽根と、
前記ボス部と前記複数の羽根とを連結する連結部とを具備し、
直径１mmの円管流路における臨界レイノルズ数２３００が成立する場合であって、遠心羽根車の直径が２０〜４０mm、前記遠心羽根車の回転軸方向における前記各羽根の長さが１０mm、前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mmである場合、
矩形管の流路とされた前記各羽根の隙間の臨界レイノルズ数が２２００〜４２００である
遠心羽根車。
請求項１に記載の遠心羽根車であって、
前記遠心羽根車が回転数６０００〜８０００rpmで回転する場合に、
前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mm、
前記各羽根の遠心方向の長さが４．８９〜１０．３５mmである
遠心羽根車。
ボス部と、前記ボス部の周囲に配置された複数の羽根であって、前記各羽根の隙間の距離の気体の流れが層流となるように、前記各羽根の隙間の距離及び前記各羽根の遠心方向の長さが設定された複数の羽根と、前記ボス部と前記複数の羽根とを連結する連結部とを有する遠心羽根車と、
前記遠心羽根車を収容するハウジングとを具備し、
直径１mmの円管流路における臨界レイノルズ数２３００が成立する場合であって、前記遠心羽根車の直径が２０〜４０mm、前記遠心羽根車の回転軸方向における前記各羽根の長さが１０mm、前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mmである場合、
矩形管の流路とされた前記各羽根の隙間の臨界レイノルズ数が２２００〜４２００である
遠心ファン装置。
請求項３に記載の遠心ファン装置であって、
前記遠心羽根車が回転数６０００〜８０００rpmで回転する場合に、
前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mm、
前記各羽根の遠心方向の長さが４．８９〜１０．３５mmである
遠心ファン装置。
筐体と、
ボス部と、前記ボス部の周囲に配置された複数の羽根であって、前記各羽根の隙間の距離の気体の流れが層流となるように、前記各羽根の隙間の距離及び前記各羽根の遠心方向の長さが設定された複数の羽根と、前記ボス部と前記複数の羽根とを連結する連結部とを有する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を収容するハウジングとを有し、前記筐体内に設けられた遠心ファン装置とを具備し、
直径１mmの円管流路における臨界レイノルズ数２３００が成立する場合であって、前記遠心羽根車の直径が２０〜４０mm、前記遠心羽根車の回転軸方向における前記各羽根の長さが１０mm、前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mmである場合、
矩形管の流路とされた前記各羽根の隙間の臨界レイノルズ数が２２００〜４２００である
電子機器。
請求項５に記載の電子機器であって、
前記遠心羽根車が回転数６０００〜８０００rpmで回転する場合に、
前記各羽根の隙間の距離が０．５〜１mm、
前記各羽根の遠心方向の長さが４．８９〜１０．３５mmである
電子機器。