JP5210852B2 - 軸流送風機 - Google Patents

Description

本発明は、軸流送風機に関するものである。

実用新案登録第３０８９１４０号（米国公開２００３／０１２３９８８）公報の図１乃至図３には、ブレードの翼先端部に、ブレード３２の上面に夾角θを形成するように曲がった凸縁３２２を設けた軸流送風機のインペラが開示されている。
実用新案登録第３０８９１４０号公報

実用新案登録第３０８９１４０号（米国公開２００３／０１２３９８８）公報には、凸縁３２２を設けない場合には、該公報の図５に示すように、ブレードの先端１３において渦流２３が発生すると記載されている。そしてこの公報には、この渦流２３が、静圧を低くし、風量を少なく、騒音を大きくしていると記載されている。また該公報には、凸縁３２２を設けると、設けない場合と比べて、静圧を高め、風量を多くすることができ、また騒音を低減できることができると記載されている。該公報に記載されている効果が、得られることを本願発明者も確認した。しかしながら実用上の観点から考えると、従来の構造では、軸流送風機における静圧−風量特性に表れる変曲点における落ち込み量即ちドロップ量を小さくすることはできない。

本発明の目的は、従来よりも風量−静圧特性に表れる変曲点における落ち込み量を小さくして、しかも騒音を低減することができる軸流送風機を提供することにある。

本発明の軸流送風機は、インペラと、ハウジングと、モータとを備えている。インペラは、環状の周壁部を有するハブと、複数枚のブレードとを備えている。複数枚のブレードは、ハブの周壁部の外壁に基部が一体に固定され、基部が周壁部の外壁から周壁部の径方向外側に延び且つ周壁部の周方向に間隔をあけて設けられている。ハウジングは、筒状の風洞を有して、インペラが風洞内で回転する。モータは、前方端部と後方端部とを備えて、前方端部にインペラが固定された回転軸を有し且つハウジングに固定されている。

本発明で用いるブレードは、以下の特徴を有する。まずブレードを特定するにあたって、回転軸の後方端部側に位置するブレードの基部の一端を通り、回転軸の軸線と平行に延び且つ周壁部の外周面に沿って延びる仮想線を想定する。ブレードの基部は、該基部の一端から基部の他端に向かうに従って仮想線からインペラの回転方向に徐々に離れるように傾き且つ回転方向とは逆の方向に向かって凸となるように湾曲した形状を有している。そしてブレードは、基部とハブの周壁部の径方向に対向する位置にある先端部近傍の領域に、回転方向に向かって凸となり、回転方向とは逆の方向に向かって凹となり且つブレードの先端部に沿って延びる逆湾曲部を備えている。この逆湾曲部は、ブレードの基部の一端が位置する側にあって径方向に延びるブレードの後端縁から、ブレードの基部の他端が位置する側にあって径方向に延びるブレードの前端縁の近傍まで先端部に沿って延びている。逆湾曲部の径方向に測った幅寸法及び逆湾曲部内に形成される凹部の深さは、ブレードの後端縁から前端縁に向かうに従って徐々に小さくなるように定められている。

このような構成を採用すると、従来のようにブレードの先端部全体に凸縁を形成する場合と比べて、風量−静圧特性に表れる変曲点における落ち込み量を小さくすることができて、騒音を低減することができる。本発明により得られる効果は、実験により確認されたものである。

なおブレードは、逆湾曲部の径方向両側に位置する２つの部分の外表面部分が、同じ湾曲面内に位置するように形状を定めるのが好ましい。すなわち逆湾曲部の径方向両側に位置する２つの部分の一方の外表面部分の延長線上に他方の外表面部分が存在しているのが好ましい。このような形状を採用すると、従来のように凸縁を設ける場合と比べて、風量−静圧特性の変曲点の増加と、騒音の低減に寄与する。

回転軸の前方端部から後方端部に向かって前記インペラを見たときに、ブレードの後端縁の輪郭形状が、逆湾曲部に対応する位置において、回転方向に向かって凸となるように湾曲しているのが好ましい。このような形状にすると、風量−静圧特性の変曲点の落込み改善と、騒音の発生を低減することができる。

逆湾曲部は、インペラの外径寸法をＲとしたときに、０．８Ｒ〜０．９５Ｒの範囲内に凹部の頂点が位置するように形成するのが好ましい。０．８Ｒより基部寄りの位置に凹部の頂点が位置すると、風量−静圧特性の変曲点が低下する。

また複数枚のブレードの枚数をＮ枚とした場合には、ハブの周壁部の周方向に測った湾曲部の長さ寸法Ｌを、２πＲ／（２．８Ｎ）〜２πＲ／（１．５Ｎ）とするのが好ましい。湾曲部の周方向に測った長さ寸法Ｌが、２πＲ／（２．８Ｎ）よりも短くなると、風量が低下し、風量−静圧特性の変曲点の落ち込み量が大きくなる。また長さ寸法Ｌが、２πＲ／（１．５Ｎ）よりも長くなると、風量−静圧特性の変曲点が全体的に低下し、騒音が大きくなる。

また逆湾曲部の幅寸法の最大値は、０．１５Ｒ〜０．２０Ｒであるのが好ましい。逆湾曲部の幅寸法の最大が、０．１５Ｒよりも小さくなると、風量が低下し、風量−静圧特性の変曲点の落込み量が大きくなり、騒音が増大する。幅寸法の最大値が０．２０Ｒより大きくなると、風量−静圧特性の変曲点が低下し、騒音が大きくなる。

さらに逆湾曲部の凹部の深さ寸法Ｄの最大値は、０．０２Ｒ〜０．０５Ｒであるのが好ましい。逆湾曲部の凹部の深さ寸法Ｄの最大値が、０．０２Ｒよりも小さくすると、風量−静圧特性の変曲点の落込み量が大きくなり、騒音が増大する。凹部の深さ寸法Ｄの最大値が、０．０５Ｒよりも大きくなると、風量−静圧特性の変曲点が大きく低下し、騒音が増大する。

本発明によれば、従来のようにブレードの先端部全体に凸縁を形成する場合と比べて、静圧−風量特性に表れる変曲点における落ち込み量を小さくすることができて、しかも騒音を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の軸流送風機の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態の一例の軸流送風機１の正面側斜視図及び背面側斜視図である。この軸流送風機１は、ファンハウジング３と、ファンハウジング３内に配置されて回転する７枚のブレード５を備えたインペラ７と、インペラ７を回転駆動するモータ９を有している。モータ９は、前方端部と後方端部とを備えて、前方端部にインペラが固定された回転軸８（破線で示す）を有し且つハウジング３にモータケース１０がウエブ１１を介して固定されている。ハウジング３は、回転軸８の軸線が延びる方向（軸線方向）の一方側に環状の吸い込み側フランジ１３を有し、軸線方向の他方側に環状の吐き出し側フランジ１５を有している。またハウジング３は、両フランジ１３，１５の間に筒部１７を有している。フランジ１３及び１５と筒部１７のそれぞれの内部空間により、風洞１９が構成されている。インペラ７は、風洞１９内で回転する。インペラ７は、環状の周壁部６Ａを有するハブ６と、７枚のブレード５とを備えている。ハブ６の周壁部６Ａの内側には、モータ９の回転子の一部を構成する複数の永久磁石が固定されている。

図２は、本実施の形態で用いるインペラ７の拡大斜視図である。また図３（Ａ）は、一枚のブレード５がハブ６に取り付けられている状態の平面図であり、図３（Ｂ）は１枚のブレード５の基部５Ａがハブ６の周壁部６Ａに取り付けられている状態を説明するために作成した略図である。さらに図４（Ａ）〜（Ｄ）は図２のＡ−Ａ線〜Ｄ−Ｄ線断面図である。７枚のブレード５は、ハブ６の周壁部６Ａの外壁に基部５Ａが一体に固定されている。７枚のブレード５は、ハブ６の周壁部６Ａの外壁から周壁部６Ａの径方向外側に延び且つ周壁部６Ａの周方向に間隔をあけて設けられている。

ブレード５は、以下の特徴を有する。ブレード５の形状を特定するにあたって、回転軸８の後方端部側に位置するブレード５の基部５Ａの一端５Ａａを通り、回転軸８の軸線Ｘと平行に延び且つ周壁部６Ａの外周面に沿って延びる仮想線ＰＬを想定する。図３（Ｂ）に示されるように、ブレード５の基部５Ａは、該基部５Ａの一端５Ａａから基部５Ａの他端５Ａｂに向かうに従って仮想線ＰＬからインペラ７の回転方向ＲＤに徐々に離れるように傾き且つ回転方向ＲＤとは逆の方向に向かって凸となるように湾曲した形状を有している。別の見方をすると、ブレード５は、図４（Ｄ）に示すように、基部５Ａの一端５Ａａがハブ６の周壁部６Ａの開口部近傍に位置し、図３及び図４（Ａ）に示すように、基部５Ａの他端５Ａｂが一端５Ａａよりも回転方向ＲＤ側にあって周壁部６Ａの開口部とは反対側に位置するように、ハブ６の周壁部６Ａに沿って傾斜した状態で、ハブ６に固定されている。

本実施の形態で用いるブレード５は、図４（Ｂ）〜（Ｄ）に見られるように、逆湾曲部４を備えている。逆湾曲部４は、基部５Ａとハブ６の周壁部６Ａの径方向に対向する位置にある先端部５Ｂ近傍の領域に設けられている。そして逆湾曲部４は、回転方向ＲＤに向かって凸となり、回転方向ＲＤとは逆の方向に向かって凹となり且つブレード５の先端部５Ｂに沿って延びている。図３に示すように、逆湾曲部４は、ブレード５の基部５Ａの一端５Ａａが位置する側にあってハブ６の径方向に延びるブレード５の後端縁５Ｃから、ブレード５の基部５Ａの他端５Ａｂが位置する側にあって径方向に延びるブレード５の前端縁５Ｄの近傍まで先端部５Ｂに沿って延びている。

またブレード５は、逆湾曲部４の径方向両側に位置する２つの部分の外表面部分５Ｅａ及び５Ｅｂが、同じ湾曲面内に位置するように形状が定められている。すなわち逆湾曲部の径方向両側に位置する２つの部分５Ｅａ及び５Ｅｂの一方の外表面部分５Ｅａの延長線上に他方の外表面部分５Ｅｂが存在している。このような形状を採用すると、従来のように凸縁を設ける場合と比べて、風量−静圧特性の変曲点の落ち込み量が小さくなり、騒音の低減に寄与する。

また回転軸８の前方端部から後方端部に向かってインペラを見たときに［図３（Ａ）の状態において］、ブレード５の後端縁５Ｃの輪郭形状は、逆湾曲部４に対応する位置において、回転方向ＲＤに向かって凸となるように湾曲している。図３（Ａ）に破線で示したライン５Ｃ′は、逆湾曲部４を形成しない場合の後端縁５Ｃの輪郭形状を示している。図３（Ａ）で見ると、ブレード５の後端縁５Ｃの輪郭形状は、大きなＳ字状に湾曲している。

図３及び図４（Ｄ）に示すように、逆湾曲部４の径方向に測った幅寸法Ｗ及び逆湾曲部４内に形成される凹部４Ａの深さＤは、ブレード５の後端縁５Ｃから前端縁５Ｄに向かうに従って徐々に小さくなるように定められている。特に図３に示すように、凹部の深さ寸法は、最大（MAX.）１〜２ｍｍである。

図３（Ａ）に示すように、逆湾曲部４は、インペラ７の外径寸法をＲとしたときに、０．８Ｒ〜０．９５Ｒの範囲内に凹部４Ａの頂点が位置するように形成するのが好ましい。図３（Ａ）には凹部４Ａの頂点の軌跡を破線Ｔで示してある。０．８Ｒより基部５Ａ寄りの位置に凹部４Ａの頂点が位置すると、風量−静圧特性の変曲点が全体的に大きく低下し、騒音が増大する。

また逆湾曲部４の幅寸法Ｗの最大値は、０．１５Ｒ〜０．２０Ｒであるのが好ましい。逆湾曲部４の幅寸法Ｗの最大が、０．１５Ｒよりも小さくなると、風量が低下し、風量−静圧特性の変曲点の落込み量が増大し、騒音が増大する。幅寸法の最大値が０．２０Ｒより大きくなると、風量−静圧特性の変曲点が全体的に低下し、騒音が大きくなる。
さらに逆湾曲部４の凹部４Ａの深さ寸法Ｄの最大値は、０．０２Ｒ〜０．０５Ｒであるのが好ましい。逆湾曲部４の凹部４Ａの深さ寸法Ｄの最大値を、０．０２Ｒよりも小さくすると、風量が低下し、風量−静圧特性の変曲点の落込み量が大きくなり、騒音が増大する。凹部の深さ寸法Ｄの最大値を、０．０５Ｒよりも大きくすると、風量−静圧特性の変曲点が全体的に低下し、騒音が増大する。

また複数枚のブレードの枚数をＮ枚とした場合には、ハブの周壁部の周方向に測った湾曲部の長さ寸法Ｌを、２πＲ／（２．８Ｎ）〜２πＲ／（１．５Ｎ）とするのが好ましい。湾曲部の周方向に測った長さ寸法Ｌが、２πＲ／（２．８Ｎ）よりも短くなると、風量が低下し、風量−静圧特性の変曲点の落込みが大きくなり、騒音が増大する。また長さ寸法Ｌが、２πＲ／（１．５Ｎ）よりも長くなると、風量−静圧特性の変曲点が低下し、騒音が大きくなる。

本実施の形態によれば、従来のようにブレードの先端部全体に凸縁を形成する場合と比べて、実用可能な動作領域における静圧及び風量を大きくすることができて、騒音を低減することができる。

次に、本実施の形態の軸流送風機の効果を確認するための試験結果について説明する。図５は比較例１の軸流送風機で用いたインペラの斜視図であり、図６（Ａ）及び（Ｂ）は、図５のＡ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。この比較例１の軸流送風機のインペラは、本実施の形態のインペラと異なって、逆湾曲部４′がブレード５′の後端縁５′Ｃから前端縁５′Ｄまでの全長にわたって形成されている。図７は比較例２の軸流送風機で用いたインペラの斜視図であり、図８（Ａ）及び（Ｂ）は、図７のＡ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。この比較例２の軸流送風機のインペラは、本実施の形態のインペラと異なって、逆湾曲部を備えていない。

試験に用いた各軸流送風機のインペラの半径Ｒは４３ｍｍであり、回転速度は４４００［min^-1］であった。そして本実施の形態の軸流送風機では、インペラ７の外径寸法をＲとしたときに、０．９Ｒの位置に逆湾曲部４の凹部４Ａの頂点を位置決めした。そして逆湾曲部４の長さＬは、２πＲ／（１．５Ｎ）であり、湾曲部の幅Ｗを０．１９Ｒとし、凹部４Ａの深さ寸法Ｄの最大値を、０．０３Ｒに固定した。図９は、この条件における、本実施の形態（本実施例）、比較例１及び比較例２の軸流送風機の静圧−風量特性を示している。図９において、破線で囲んだ領域が、変曲点が現れる動作範囲である。この動作範囲には、変曲点（特性の変化率の極性が変化する点）が現れている。この変曲点における落ち込み量（特性の低下量）が大きいほど、ファンとしての冷却性能が悪くなる。図９から判るように、本実施の形態の軸流送風機が、比較例１及び２のいずれの軸流送風機よりも、変曲点における落ち込み量（特性の低下量）が小さくなっている。

図１０は、同じ環境において測定した、本実施の形態（本実施例）、比較例１及び比較例２の軸流送風機の音圧レベルと周波数成分の関係を示している。送風機における騒音は、いわゆる乱流騒音と呼ばれるものが主たるもので、この騒音は比較的高い周波数成分（図１０において破線で囲んだ範囲：１．２ｋＨｚ以上〜１６ｋＨｚ）が原因となって発生する。図１０を見ると判るように、本実施の形態の軸流送風機によれば、比較例１及び２のいずれの軸流送風機よりも、騒音の発生源となる周波数成分の音圧レベルが低減している。

図９及び図１０の結果から判るように、比較例１のように、ブレードの先端部に沿って全体的に逆湾曲部を設ける場合よりも、本実施の形態の軸流送風機のように、ブレードの先端部の近傍に所定形状の逆湾曲部を部分的に形成すると、風量を増大させ、風量−静圧特性の変曲点を増大させて、特性を改善することができ、しかも騒音を低減できる。実験結果を相対的な比で比較すると、下記の表１のようになる。

図１１は、インペラ７の外径寸法をＲとしたときに、０．８Ｒ〜０．９５Ｒの適正範囲内に逆湾曲部４の凹部４Ａの頂点が位置するように形成した場合の平均的な風量−静圧特性と、凹部４Ａの頂点の位置が０．８Ｒより小さくなった場合の平均的な風量−静圧特性を示している。なお凹部４Ａの頂点の位置が０．９５Ｒより大きくなった場合も、０．８Ｒよりも小さくなった場合と同様の特性の変化が見られる。なお図１１の特性は、逆湾曲部４の長さＬは、２πＲ／（１．５Ｎ）であり、湾曲部の幅Ｗを０．１９Ｒとし、凹部４Ａの深さ寸法Ｄの最大値を、０．０３Ｒに固定した。図１１から、風量−静圧特性の落ち込みを防ぐためには、逆湾曲部４の位置を適正範囲にするのが好ましいことが判る。

また図１２は、逆湾曲部４の位置を０．９Ｒに固定し、逆湾曲部の長さを２πＲ／（１．４Ｎ）、逆湾曲部４の幅寸法を０．２１Ｒ、凹部４Ａの最大深さ寸法Ｄを０．０５１Ｒとしたものを「逆湾曲部−大」とし、逆湾曲部４の位置を０．９Ｒに固定し、逆湾曲部の長さを２πＲ／（２．９Ｎ）、逆湾曲部４の幅寸法を０．１４Ｒ、凹部４Ａの最大深さ寸法Ｄを０．０１９Ｒとしたものを「逆湾曲部−小」としたときの、風量−静圧特性と上記本実施の形態の風量−静圧特性とを一緒に表示したグラフである。図１２のグラフから、逆湾曲部４の大きさに、前述の適正範囲にすることが好ましいことが判る。

上記結果は、ブレードの枚数が異なる場合、インペラの外径が異なる場合、インペラの回転数が異なる場合、ウエブの本数及び形状が異なる場合であっても、同様に得られることは、試験により確認されている。

（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態の一例の軸流送風機の正面側斜視図及び背面側斜視図である。 本実施の形態で用いるインペラの拡大斜視図である。 （Ａ）は一枚のブレードがハブに取り付けられている状態の平面図であり、（Ｂ）は１枚のブレードの基部がハブの周壁部に取り付けられている状態を説明するために用いる図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図２のＡ−Ａ線〜Ｄ−Ｄ線断面図である。 比較例１の軸流送風機で用いたインペラの斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図５のＡ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。 比較例２の軸流送風機で用いたインペラの斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図７のＡ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。 本実施の形態、比較例１及び比較例２の軸流送風機の風量−静圧特性を示す図である。 本実施の形態、比較例１及び比較例２の軸流送風機の音圧レベルと周波数成分の関係を示す図である。 逆湾曲部の適正位置範囲を裏付ける風量−静圧特性を示す図である。 逆湾曲部の大きさの適正範囲を裏付ける風量−静圧特性を示す図である。

符号の説明

１ 軸流送風機
３ ファンハウジング
４ 逆湾曲部
４Ａ 凹部
５ ブレード
５Ａ 基部
５Ｂ 先端部
５Ｃ 後縁部
５Ｄ 前縁部
６ ハブ
６Ａ 周壁部
７ インペラ
９ モータ
１０ モータケース
１１ ウエブ
１３，１５ フランジ
１７ 筒部
１９ 風洞

Claims (8)

1. 環状の周壁部を有するハブと、前記ハブの周壁部の外壁に基部が一体に固定され、前記基部が前記周壁部の前記外壁から前記周壁部の径方向外側に延び且つ前記周壁部の周方向に間隔をあけて設けられた複数枚のブレードとを備えたインペラと、
   筒状の風洞を有して、前記インペラが前記風洞内で回転するハウジングと、
   前方端部と後方端部とを備えて前記前方端部に前記インペラが固定された回転軸を有し且つ前記ハウジングに固定されたモータとを備え、
   前記回転軸の後方端部側に位置する前記ブレードの前記基部の一端を通り、前記回転軸の軸線と平行に延び且つ前記周壁部の外周面に沿って延びる仮想線を想定したときに、前記ブレードの前記基部は、前記基部の前記一端から前記基部の他端に向かうに従って前記仮想線から前記インペラの回転方向に徐々に離れるように傾き且つ前記回転方向とは逆の方向に向かって凸となるように湾曲した形状を有しており、
   前記ブレードは、前記基部と前記径方向に対向する位置にある先端部近傍の領域に、前記回転方向に向かって凸となり、前記回転方向とは逆の方向に向かって凹となり且つ前記先端部に沿って延びる逆湾曲部を備えており、
   前記逆湾曲部は、前記基部の前記一端が位置する側にあって前記径方向に延びる前記ブレードの後端縁から前記他端が位置する側にあって前記径方向に延びる前記ブレードの前端縁の近傍まで前記先端部に沿って延びており、
   前記逆湾曲部の前記径方向に測った幅寸法及び前記逆湾曲部内に形成される凹部の深さは、前記ブレードの前記後端縁から前記前端縁に向かうに従って徐々に小さくなることを特徴とする軸流送風機。
2. 前記ブレードは、前記逆湾曲部の前記径方向両側に位置する２つの部分の外表面部分が、同じ湾曲面内に位置する請求項１に記載の軸流送風機。
3. 前記回転軸の前記前方端部から後方端部に向かって前記インペラを見たときに、前記ブレードの前記後端縁の輪郭形状が、前記逆湾曲部に対応する位置において、前記回転方向に向かって凸となるように湾曲している請求項１または２に記載の軸流送風機。
4. 前記逆湾曲部は、前記インペラの外径寸法をＲとしたときに、０．８Ｒ〜０．９５Ｒの範囲内に前記凹部の頂点が位置するように形成されている請求項１，２または３に記載の軸流送風機。
5. 前記複数枚のブレードの枚数がＮ枚のときに、前記周方向に測った前記湾曲部の長さ寸法Ｌが、２πＲ／（２．８Ｎ）〜２πＲ／（１．５Ｎ）である請求項４に記載の軸流送風機。
6. 前記逆湾曲部の前記幅寸法の最大値は、０．１５Ｒ〜０．２０Ｒである請求項４または５に記載の軸流送風機。
7. 前記逆湾曲部の前記凹部の深さ寸法Ｄの最大値は、０．０２Ｒ〜０．０５Ｒである請求項４，５または６に記載の軸流送風機。
8. 前記凹部の最大深さ寸法Ｄが、１〜２ｍｍである請求項７に記載の軸流送風機

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