JP5079035B2 - インペラ及び送風ファン - Google Patents

Description

本発明は、中心軸に沿った空気流を発生させるインペラ、及びかかるインペラを備えた送風ファンに関する。

従来のいわゆる軸流ファン（送風ファン）に用いられるインペラは、円筒状のインペラカップの外周面に固定された複数の翼が中心軸を中心に回転することによって、中心軸の方向に沿った空気流を発生させる。

ここで、インペラが回転する際、翼には径方向の遠心力が働く。この遠心力による影響は、インペラを高速で回転させるほど顕著になる。また、前進度合が大きい翼の場合、翼の径方向外端が、翼の付け根よりも回転方向前方に位置するため、翼の各部位において発生する遠心力によって、翼の付け根に大きなモーメントが発生する。従って、インペラは、このような遠心力による影響を考慮した強度設計が要求される。

この遠心力の影響を低減するために、複数の翼を環状の連結部で互いに連結することによって、遠心力に対する翼の強度を高める技術が、米国特許出願公開第２００８／００５６８９９号明細書等に記載されている。
米国特許出願公開第２００８／００５６８９９号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１８０８４９号明細書 米国特許第６５５４５７４号明細書 米国特許第６２４１４７４号明細書 米国特許第４６８４３２４号明細書 米国特許第４５６９６３１号明細書 米国特許第４５６９６３２号明細書 米国意匠特許第Ｄ５１１８２４号明細書

しかしながら、上記特許文献１〜８には、翼の回転によって発生する空気流と連結部との干渉によるインペラ特性の影響は考慮されていない。

本発明は、翼の回転によって発生する空気流と連結部との干渉によるインペラ特性の低下を抑制したインペラ及び当該インペラを備えた送風ファンを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の翼を互いに連結する環状の連結部を備えたインペラにおいて、連結部を、翼の径方向に沿った翼長に対して、翼の付け根から翼長の７０％〜９０％の位置に形成し、かつ、連結部の軸方向の高さと空気流の通風幅との比率を０．９以下にし、さらに、連結部の軸方向高さを翼の軸方向の最大高さよりも小さくした構成を採用する。

すなわち、本発明に係るインペラは、中心軸を中心に回転する略円筒状のカップ部と、カップ部の外周面に固定され、カップ部と共に回転することにより、軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方に排気する複数の翼と、複数の翼を互いに連結する略環状の連結部とを備え、連結部は、翼の径方向に沿った翼長に対して、翼のカップ部外周面における付け根から、翼長の７０％〜９０％の位置に、略円筒形状に形成されており、連結部の軸方向の高さ（Ｌ）と、カップ部外周面と連結部内周面との径方向の間隔（Ｗ）との比率（Ｌ／Ｗ）が、０．９以下であり、連結部の軸方向吸気側の端部は、連結部が連結された翼の部位において、翼の軸方向吸気側の端部と略一致しており、かつ、連結部の軸方向の高さは、翼の軸方向の最大高さよりも小さく設定されていることを特徴とする。

ここで、複数の翼は、前進翼として構成されていることが好ましい。

この場合、翼の回転方向後方に位置する後縁と、翼の径方向外端に位置する翼端との交点が、翼の回転方向前方に位置する前縁と、カップ部外周面との交点よりも、回転方向前方側に位置している構成とすることができる。

また、翼の軸方向排気側の端部は、径方向外方に向けて、軸方向吸気側に傾斜していることが好ましい。さらに、連結部の軸方向の高さは、連結部が連結された翼の部位において、翼の軸方向の高さと略一致していることが好ましい。

本発明によれば、複数の翼を互いに連結する環状の連結部を備えたインペラにおいて、連結部を、翼の径方向に沿った翼長に対して、翼の付け根から翼長の７０％〜９０％の位置に形成することによって、空気流と連結部との干渉による騒音の増加が抑制できると共に、連結部の軸方向の高さと空気流の通風幅との比率を０．９以下にすることによって、低風量側での乱流増加に起因する静圧低下が抑制できる。これにより、インペラ特性の低下を抑制しつつ、遠心力に対する翼の強度の高いインペラが実現できるため、自由度の高いインペラ設計が可能となる。

本発明の一実施形態におけるインペラの中心軸方向吸気側から見た平面図である。 図１のインペラの側面図である。 図１のインペラを備えた送風ファンの断面図である。 異なる位置に連結部が形成されたインペラの複数のサンプルについて、各インペラの静圧特性及び騒音特性を示したグラフである。 低風量域での静圧が十分に上昇しないインペラの静圧特性を示したグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、負荷の異なる風量域での空気流を示した送風ファンの断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、連結部の高さと通風幅との関係を示した送風ファンの断面図である。 連結部の高さと通風幅との比率を変えて作製したインペラ１〜５のカップ部外径、通風幅、及び連結部の高さをそれぞれ示した表である。 図８のインペラ１〜５の静圧特性を示したグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態におけるインペラを備えた送風ファンにおける空気流を示した送風ファンの断面図である。 図８のインペラ１と５の静圧特性を比較したグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における送風ファンの形態の変形例を示した片側断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態における説明では、中心軸に平行な方向を「軸方向」とし、中心軸を中心とする半径方向を「径方向」としている。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態におけるインペラ１の中心軸方向吸気側から見た平面図で、図２は、図１のインペラ１の側面図である。また、図３は、図１のインペラ１を備えた送風ファン２の断面図である。

本実施形態におけるインペラ１は、図１及び図２に示すように、中心軸Ｊを中心に回転する略円筒状のカップ部１０と、カップ部１０の外周面１０ａに固定され、カップ部１０と共に回転することにより、軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方に排気する複数の翼１１と、複数の翼１１を互いに連結する略環状の連結部１２とを備えている。ここで、連結部１２は、中心軸Ｊを中心とした任意の円に沿って周方向に、略円筒形状に形成されている。

また、本実施形態における送風ファン２は、図３に示すように、インペラ１を駆動するモータと、モータを支持するベース部２４と、インペラ１の外周を囲うハウジング３０と、ハウジング３０とベース部２４とを連結する複数の静翼３１とを備えている。

モータは、インペラ１のカップ部１０の内周面に取り付けられたロータホルダ２２及びロータマグネット２３と、ステータコアにコイルを巻装してなるステータ２６と、軸受保持部２５の内側に固定されたスリーブ軸受２１とを備えている。カップ部１０の中心部に固定されたシャフト２０は、スリーブ軸受２１に挿入されて回転可能に支持されている。

このように構成された送風ファン２は、ステータ２６のコイルに駆動電流を供給することによって、ステータ２６とロータマグネット２３との間で回転トルクを発生させ、これにより、カップ部１０の外周面１０ａに固定された複数の翼１１が中心軸Ｊを中心に回転する。

本願発明者等は、翼１１の回転によって発生する空気流と連結部１２との干渉によるインペラ特性の影響を検討した結果、翼１１の径方向における連結部１２の形成位置に関して重要な知見を得た。

図４は、翼１１の径方向に対して異なる位置に連結部１２が形成されたインペラ１の複数のサンプルＡ〜Ｅについて、インペラ１の静圧特性及び騒音特性をそれぞれ示したグラフである。ここで、サンプルＡ〜Ｅは、図１に示すように、連結部１２を、翼１１の径方向に沿った翼長Ｌａに対して、翼１１のカップ部外周面１０ａにおける付け根から連結部１２までの距離Ｌｂが、翼長Ｌａの５０％、７０％、８０％、９０％、１００％になる位置にそれぞれ形成したものである。図中の曲線Ｇ１ｂ〜Ｇ５ｂは、サンプルＡ〜Ｅの風量と静圧との関係を、また、曲線Ｇ１ａ〜Ｇ５ａは、サンプルＡ〜Ｅの風量と騒音との関係を、それぞれ測定した結果を示したものである。

図４に示すように、連結部１２の位置が５０％、１００％に対応するサンプルＡ、Ｅ（曲線Ｇ１ａ、Ｇ５ａ）では、連結部１２の位置が７０％、８０％、９０％に対応するサンプルＢ、Ｃ、Ｄ（曲線Ｇ２ａ、Ｇ３ａ、Ｇ４ａ）に比べて騒音が増大しているのが分かる。サンプルＡで騒音が増大するのは、翼１１の径方向の中央部は、空気流生成の寄与度が大きいため、空気流と連結部１２との干渉が大きくなるためと考えられる。また、サンプルＥで騒音が増大するのは、連結部１２を翼１１の径方向外端１１ｂに設けると、連結部１２とハウジングの側壁との隙間に、逆方向の空気流が発生するためと考えられる。

従って、連結部１２を、翼１１の径方向に沿った翼長Ｌａに対して、翼１１の付け根から、翼長Ｌａの７０％〜９０％の位置に形成することによって、連結部１２の付与に起因した騒音の増加を抑制することができる。

また、連結部１２は、翼１１の径方向外端１１ｂよりも径方向内方側に配置されるため、連結部１２よりも径方向内方に位置する翼１１の領域１１Ａにおいては、連結部１２の内側面がハウジングの内側面の役目を担うことになる。すなわち、仮想的なハウジングの内側面（連結部１２の内側面）と連結部１２よりも径方向内方に位置する翼１１の領域１１Ａとの間にはギャップがない。そのため、連結部１２よりも径方向内方に位置する翼１１の領域１１Ａにおいて、空気流の逆流が発生しにくくなり、逆流する空気流の大半は、連結部１２よりも径方向外方に位置する翼１１の領域１１Ｂを通過することになる。その結果、連結部１２よりも径方向外方に位置する翼１１の領域１１Ｂは、専ら空気流の逆流防止のために機能させることができる。これにより、連結部１２よりも径方向内方に位置する翼１１の領域１１Ａにおいてインペラ１の風量特性を確保しつつ、低風量側での静圧特性の改善を図ることができる。

なお、複数の翼１１を連結部１２で互いに連結することによって、遠心力に対する翼１１の強度が高められるが、翼１１が前進翼として構成されている場合、特にその効果が発揮される。ここで、前進翼とは、図１に示すように、翼１１の回転方向Ｒの最前方に位置する前縁１１ａと、翼１１の径方向外端に位置する翼端１１ｂとの交点Ｐ１が、前縁１１ａとカップ部１０の外周面１０ａとの交点Ｐ２よりも回転方向Ｒの前方側に位置するものをいう。また、前進度合が極端に大きい場合、すなわち、図１に示すように、翼１１の回転方向Ｒの後方に位置する後縁１１ｃと、翼１１の径方向外端に位置する翼端１１ｂとの交点Ｐ３が、翼１１の回転方向Ｒの前方に位置する前縁１１ａと、カップ部１０の外周面１０ａとの交点Ｐ２よりも回転方向Ｒの前方側に位置している場合に、さらにその効果が発揮し得る。

ところで、本願発明者等は、連結部１２を付与したインペラ１の静圧特性をさらに検討した結果、連結部１２の軸方向の高さによっては、図５に示すように、低風量域Ａでの静圧が十分に上昇しない場合があることが分かった。

本願発明者等は、低風量域Ａでの静圧が十分に上昇しない原因が、次のような理由によるものと考えた。すなわち、図６（ａ）に示すように、負荷の小さい高風量域では、空気流は軸方向に真っ直ぐとなる。しかしながら、負荷が大きくなり低風量域になると、遠心力の影響が大きくなるため、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、空気流は径方向外方へ向きやすくなる。このとき、斜め方向の空気流が連結部１２に当たると、連結部１２よりも径方向内方に位置する翼１１の領域１１Ａで乱流が発生する。その結果、インペラ１の風量特性を確保する翼１１の領域１１Ａで空気流が失速するため、静圧の上昇が妨げられると考えられる。

そこで、本願発明者等は、低風量域Ａでの静圧の低下を抑制するためには、斜め方向の空気流が連結部１２に当たらない流路を確保することが重要と考え、これを検証するために、以下のような実験を行った。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、翼１１の径方向の外径と軸方向の高さを一定にした場合、連結部１２に当たらない流路を確保するためには、連結部１２の軸方向の高さ（Ｌ）を小さくするか、インペラのカップ部１０の外径（Ｄ）を小さくして、カップ部１０外周面と連結部１２内周面との径方向の間隔（以下、「通風幅」という）（Ｗ）を大きくする必要がある。

そこで、図８に示すように、カップ部１０の外径（Ｄ）、通風幅（Ｗ）、及び連結部１２の軸方向の高さ（Ｌ）をそれぞれ変えて形成したインペラ１〜５を用意し、各インペラ１〜５について、静圧特性を測定した。

図９は、その結果を示したグラフで、曲線１〜５が、それぞれインペラ１〜５の静圧特性を示す。

図９に示すように、インペラ１〜３では、低風量域での静圧が低下しているのに対し、インペラ４、５では、低風量域での静圧が十分に上昇しているのが分かる。これは、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、負荷の小さい高風量域（図１０（ａ））から、負荷の大きい低風量域（図１０（ｂ）、（ｃ））に移っても、斜め方向の空気流が連結部１２に当たらない流路が十分に確保されていると、連結部１２よりも径方向内方に位置する翼１１の領域１１Ａでの乱流発生が低減されるからである。

すなわち、図１１に示すように、負荷の小さい高風量域（ａ）では、インペラ１とインペラ５とで静圧に大きな差は生じないが、負荷の大きい低風量域（ｂ）、（ｃ）では、図６（ｂ）、（ｃ）及び図１０（ａ）、（ｂ）に示したような流路の違いにより、インペラ１の静圧は、インペラ５の静圧よりも低下している。

従って、連結部１２の軸方向の高さ（Ｌ）と、カップ部１０の外周面ａと連結部１２内周面との径方向の間隔（Ｗ）との比率（Ｌ／Ｗ）を０．９以下にすることによって、連結部１２に当たらない流路を確保することができ、これにより、低風量域Ａでの静圧の低下を抑制することができる。

ここで、連結部１２の軸方向の高さを翼１１の軸方向の高さよりも小さくすることによって、連結部１２に当たらない流路を確保したとき、図１２（ａ）に示すように、連結部１２の軸方向吸気側の端部（上端部）１２ａは、連結部１２が連結された翼１１の部位において、翼１１の軸方向吸気側の端部（上端部）１１ｄと略一致していることが好ましい。これにより、連結部１２に当たらない流路をより広く確保できる。

ところで、連結部１２の軸方向の高さを翼１１の軸方向の高さよりも小さくする構成は、ロータカップ１０，翼１１及び連結部１２を例えば樹脂の一体成形にて形成する場合、その金型の構造が複雑になる可能性があり、製造コスト上好ましくない。

これを改善するために、図１２（ｂ）に示すように、翼１１の軸方向排気側の端部（下端部）１１ｅを、径方向外方に向けて軸方向吸気側に傾斜させることが好ましい。これにより、連結部１２の下端部より排気側にある翼１１の領域が少なくなるため、上述の問題点を解消することが可能である。なお、この場合、連結部１２の軸方向の高さを、連結部１２が連結された翼１１の部位において、翼１１の軸方向の高さと略一致させてもよい。これにより、連結部１２の軸方向の高さが翼１１の軸方向の高さと一致しているため、インペラのカップ部１０、翼１１及び連結部１２を射出成形等で一体的に形成することが容易になる。

一方、翼１１の下端部１１ｅを、径方向外方に向けて軸方向吸気側に傾斜させて形成したとき、図１２（ｂ）に示すように、翼１１の下端部１１ｅと静翼３１との間隔が、径方向外方に向かって広がっていく。そのため、インペラの回転により発生した空気流を中心軸側に集風する静翼３１の機能が、径方向外方に行くに従い低下しまうおそれがある。また、翼１１の下端部１１ｅと静翼３１との間隔が大きくなると、空気の乱流も生じやすくなるため、静圧を低下させるおそれもある。

これを改善するために、図１２（ｃ）に示すように、静翼３１の軸方向吸気側の端部３１ａを径方向外方に向けて軸方向吸気側に傾斜させて形成し、翼１１の軸方向排気側の端部１１ｅと静翼３１の軸方向吸気側の端部３１ａとの隙間を、径方向において略一定にすることが好ましい。これにより、静翼３１による集風機能の低下を抑制できるとともに、空気の乱流の発生も抑制できる。

なお、本発明は、連結部１２の軸方向の高さ（Ｌ）と、カップ部１０の外周面ａと連結部１２内周面との径方向の間隔（Ｗ）との比率（Ｌ／Ｗ）を０．９以下とするものであるが、Ｌ／Ｗの下限値は特に制限されない。例えば、連結部１２の軸方向の高さ（Ｌ）の下限値については、遠心力に対する翼１１の強度仕様により適宜決めればよい。また、カップ部１０の外周面ａと連結部１２内周面との径方向の間隔（Ｗ）の上限値については、送風ファンの外径仕様により適宜決めればよい。

また、本発明において、カップ部１０、翼１１、連結部１２、及び静翼３１の形状、並びに相対的な位置関係は、図１２（ａ）〜（ｃ）に示した態様に限定されない。例えば、翼１１の軸方向の高さを、連結部１２の軸方向の高さに合わせて、径方向全体に亘って一定にしてもよい。また、略円筒状のカップ部１０は、その外周面１０ａの軸方向排気側が、径方向外方に向けて傾斜した形状のものであってもよい。また、カップ部１０、複数の翼１１及び連結部１２は、射出成形により一体成形することにより、軽量で安価なインペラが実現できる。なお、翼１１及び静翼３１の本数、前進角度、入口角度等は特に制限されない。

１ インペラ
２ 送風ファン
１０ カップ部
１０ａ カップ部外周面
１１ 翼
１１ｂ 翼の径方向外端
１１ｅ 翼の軸方向排気側端部
１２ 連結部
１２ａ 連結部の軸方向吸気側の端部
２０ シャフト
２１ スリーブ軸受
２２ ロータホルダ
２３ ロータマグネット
２４ ベース部
２５ 軸受保持部
２６ ステータ
３０ ハウジング
３１ 静翼
３１ａ 静翼の軸方向吸気側の端部

Claims (8)

1. 中心軸を中心に回転する略円筒状のカップ部と、
   前記カップ部の外周面に固定され、該カップ部と共に回転することにより、軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方に排気する複数の翼と、
   前記複数の翼を互いに連結する略環状の連結部と
   を備え、
   前記連結部は、前記翼の径方向に沿った翼長に対して、該翼の前記カップ部外周面における付け根から、前記翼長の７０％〜９０％の位置に、略円筒形状に形成されており、
   前記連結部の軸方向の高さ（Ｌ）と、前記カップ部外周面と前記連結部内周面との径方向の間隔（Ｗ）との比率（Ｌ／Ｗ）が、０．９以下であり、
   前記連結部の軸方向吸気側の端部は、該連結部が連結された前記翼の部位において、前記翼の軸方向吸気側の端部と略一致しており、かつ、前記連結部の軸方向の高さは、前記翼の軸方向の最大高さよりも小さく設定されている、インペラ。
2. 請求項１に記載のインペラにおいて、
   前記複数の翼は、前進翼として構成されている、インペラ。
3. 請求項１に記載のインペラにおいて、
   前記翼の軸方向排気側の端部は、径方向外方に向けて、軸方向吸気側に傾斜している、インペラ。
4. 請求項３に記載のインペラにおいて、
   前記連結部の軸方向の高さは、該連結部が連結された前記翼の部位において、前記翼の軸方向の高さと略一致している、インペラ。
5. 請求項１に記載のインペラにおいて、
   前記翼の回転方向後方に位置する後縁と、前記翼の径方向外端に位置する翼端との交点は、前記翼の回転方向前方に位置する前縁と、前記カップ部外周面との交点よりも、回転方向前方側に位置している、インペラ。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のインペラと、
   前記インペラを駆動するモータと、
   前記モータを支持するベース部と、
   前記インペラの外周を囲うハウジングと、
   を備えた、送風ファン。
7. 請求項６に記載の送風ファンにおいて、
   前記ハウジングと前記ベース部とを連結する複数の静翼をさらに備え、
   前記静翼の軸方向吸気側の端部は、軸方向吸気側に向かって傾斜している、送風ファン。
8. 請求項７に記載の送風ファンにおいて、
   前記翼の軸方向排気側の端部と、前記静翼の軸方向吸気側の端部との隙間は、径方向において、略一定である、送風ファン。

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