JP5418663B2 - 多翼送風機 - Google Patents

Description

本発明は、室内の換気に使用する天井埋込形換気扇等に用いる多翼送風機に関するものである。

従来、この種の多翼送風機は図１２に示すように、ベルマウス１０１を有するファンケーシング１０２と、ファンケーシング１０２内に回転駆動可能に設置された羽根車１０３と、羽根車１０３を駆動する電動機１０４から構成されている。羽根車１０３は、主板１０５の外周側に複数の羽根１０６を有し、羽根１０６の外周よりも外径が大きい外周リング１０７を羽根車１０３の吸込側端部１０８に設けている。（例えば特許文献１参照）。

この構成において、電動機から発生する電磁振動の周波数と羽根車の固有振動モードの周波数が一致すると、共振現象が励起され羽根車の振動が増幅し、騒音が発生する。電磁振動の加振力は回転軸の円周方向に作用するため、羽根車の固有振動モードが、主板と外周リングを支持点とする羽根の曲げ変形によって主板と吸込側開口端が円周方向の逆位相にねじれる挙動である場合、加振に対して応答しやすいと共に、羽根がスピーカーの振動板の働きをして、過大な騒音になり易い。また、この固有振動モードの周波数は主板と外周リングの間の距離、すなわち羽根の長さに依存しているため、共振現象を抑制するには羽根の長さを変更することが最も効果的である。しかし、羽根の長さは多翼送風機として送風性能から決められており、簡単に変更することができない。

そこで、電動機からの振動を絶縁する構造にして共振現象の励起を抑制し、騒音の発生を防止するものが広く知られている。（例えば特許文献２参照）。

以下、その多翼送風機について図１３を参照しながら説明する。

羽根車１０９の羽根ボス１１０の内径を電動機の回転軸１１１外径より大きくするとともに、羽根ボス１１０の両端側にゴム製のリング１１２が入る凹部１１３を設け、回転軸１１１に羽根ボス１１０を挿入しワッシャ１１４を当てて、ねじ１１５で止めることで、羽根車１０９がワッシャ１１４とねじ１１５とにより押圧され回転軸１１１から浮いた状態となる。回転軸１１１からの電磁振動がリング１１２によって絶縁されて羽根車１０９に伝達されなくなるため、羽根車１０９が持つ固有振動数と共振しなくなり、騒音の発生を防止することができる。

特開２００１−１７３５９６号公報（第２図） 実開平５−１８９９号公報（第２図）

このような従来の多翼送風機では、振動を絶縁するためにゴム製のリングなど損失係数が大きい素材の別部品が必要となるため、構造が複雑となりコストが増加するという課題があった。また、長期間の使用によってゴムが劣化して振動を絶縁する効果が低下した場合、電動機からの振動が羽根車に伝達してしまい共振現象が励起され、騒音が発生するという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、構造が簡単で低コストに共振現象の励起を抑制でき、長期間安定して騒音の発生を防止できる多翼送風機を提供することを目的とする。

本発明の多翼送風機は、上記目的を達成するために、円板状の主板の外周側に円周方向に沿う複数の羽根を有し、これらの羽根の外周面に沿って外周リングを設けた樹脂製の羽根車の回転中心に電動機の回転軸を接続した多翼送風機において、前記外周リングの外径が前記羽根の外周面の径より大きく、前記電動機から発生される円周方向の加振力の周波数と、前記羽根車に存在する前記羽根の曲げ変形によって前記主板と吸込側開口端が円周方向の逆位相にねじれる固有振動モードの周波数が異なるように前記外周リングを配置したことにより、羽根車の共振現象の励起を抑制できる。

本発明によれば、電動機の加振力の周波数に対して羽根車の固有振動モードの周波数が異なるように外周リングを配置することで共振現象の励起を抑制できるため、構造が簡単で低コストにでき、長期間安定して騒音の発生を防止できる多翼送風機を提供することができる。

本発明の実施の形態１の側断面図 本発明の実施の形態１の羽根車の側断面図 （ａ）外周リングを吸込側開口端に設けて計算した解析結果を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１を計算した解析結果を示す図 外周リングと吸込側開口端の距離を変化させたときの固有振動モードの周波数変化を示すグラフ 外周リングの厚みを変化させたときの固有振動モードの周波数の変化のグラフ 本発明の実施の形態２の側断面図 本発明の実施の形態２の外周リングの部分側断面図 本発明の実施の形態３の羽根車の側断面図 本発明の実施の形態３の羽根と主板の接合部の斜視拡大図 本発明の実施の形態４の外周リングの部分側断面図 本発明の実施の形態４の羽根車の上面拡大図 従来の多翼送風機を示す横断面図 従来の多翼送風機の羽根ボス部を示す部分断面図

本発明の請求項１記載の多翼送風機は、円板状の主板の外周側に円周方向に沿う複数の羽根を有し、これらの羽根の外周面に沿って外周リングを設けた樹脂製の羽根車の回転中心に電動機の回転軸を接続した多翼送風機において、前記外周リングの外径が前記羽根の外周面の径より大きく、前記電動機から発生される円周方向の加振力の周波数と、前記羽根車に存在する前記羽根の曲げ変形によって前記主板と吸込側開口端が円周方向の逆位相にねじれる固有振動モードの周波数が異なるように前記外周リングを配置したものであり、羽根車の共振現象の励起を抑制できるという作用を有する。また、羽根が主板の片側のみに配置され、外周リングを吸込側開口端から一定の距離を保って配置したことを特徴としたものであり、主板と外周リングによる支点間距離を変化することで羽根の曲げ剛性を変更できるため、固有振動モードの周波数を変更できるという作用を有する。また、羽根の回転軸方向の断面における断面係数が、主板側が最も大きく、吸込側開口端側になるほど小さくなることを特徴としたものであり、羽根の重心位置を主板側に移動することで、固有振動モードの周波数を高めることができるという作用を有する。

本発明の請求項２記載の多翼送風機は、請求項１記載の多翼送風機において、外周リングの円周方向の断面形状がコの字形であり、回転軸方向の主板側の面に窪みがあることを特徴としたものであり、外周リングの剛性を維持したまま軽量化することで、羽根に付加される質量を低減でき、起動時や運転時に加わる電動機への負荷を低減できるという作用を有する。

本発明の請求項３記載の多翼送風機は、請求項１または２記載の多翼送風機において、外周リングの円周方向の断面形状が平行四辺形であり、外周側に向かって主板側に傾斜していることを特徴としたものであり、外周リングの剛性を維持したまま送風による渦発生を少なくすることで、乱流騒音の発生を低減できるという作用を有する。

本発明の請求項４記載の多翼送風機は、請求項１から３いずれか記載の多翼送風機において、外周リングと吸込側開口端の距離を羽根全長の２５〜５０％としたものであり、固有振動モードの周波数を効果的に変更できるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明における実施の形態１の側断面図、図２は羽根車の側断面図である。

図１に示すように、多翼送風機１は吸込口２と吹出口３を有するファンケーシング４と、ファンケーシング４内部に配置された羽根車５と、羽根車５と回転軸６が接続され、ファンケーシング４に固定された電動機７から構成されており、電動機７の駆動により羽根車５を回転させ、吸込口２から空気を吸い込み、吹出口３から空気を吹き出すようになっている。

電動機７は例えばＤＣブラシレスモーターを用いており、その構造上、運転時に回転軸６の円周方向に加振力が発生し、その加振周波数は回転数に比例して変化することが知られている。例えばその加振周波数をＦｍ（Ｈｚ）、回転数をＲｍ（１／ｍｉｎ）、係数をαとすると、Ｆｍ＝α×Ｒｍ／６０（Ｈｚ）で表すことができる。係数αが１８のＤＣブラシレスモーターの場合、回転数Ｒｍが７４０（１／ｍｉｎ）のとき加振周波数Ｆｍは２２０（Ｈｚ）となる。

羽根車５は樹脂による一体射出成形品であり、その材質は例えばポリプロピレン（ＰＰ）を用いているが、アクリロニトリル・ブタジエン・スチロール（ＡＢＳ）など他の熱可逆性樹脂を用いる場合もある。樹脂製であるため、振動減衰率が高く加振力が伝達しても過度の振動や騒音放射を発生しにくいが、共振現象が励起すると加振力に対して大きな応答となり、過大な振動を発生することがある。

図２に示すように、羽根車５は円板状の主板８の外周側に円周方向に沿う複数の羽根９を有し、これらの羽根９の外周面１０に沿って外周リング１１を設けている。外周リング１１は羽根車５の吸込側開口端１２から主板８側に距離を保って配置しており、羽根長さをＬ１、外周リング１１と吸込側開口端１２との距離をＬ２とすれば、例えばＬ１＝９０ｍｍ、Ｌ２＝３０ｍｍであり、Ｌ２／Ｌ１×１００＝３３％となる。また、外周リング１１の回転軸方向の厚みをＴ１とすればＴ１＝３ｍｍとしており、羽根長さＬ１に対してＴ１／Ｌ１×１００＝３．３％となる。このように、外周リング１１を吸込側開口端から一定の距離を保つ位置に配置すると、主板８と外周リング１１による支点間距離を変化することで羽根９の曲げ剛性を変更できるため、羽根車５に存在する主板８と吸込側開口端１２が円周方向の逆位相にねじれる固有振動モードの周波数を変更することができる。

図３に固有振動モードの周波数を変更できる例として、有限要素法による固有値解析を用いて計算した結果を示す。

（ａ）は外周リングを吸込側開口端に設けたもので、固有振動モードの周波数は２２０Ｈｚ、（ｂ）は本発明の前提の形態１によるもので、固有振動モードの周波数は３１５Ｈｚである。図３に示すとおり、（ａ）（ｂ）とも、主板８と吸込側開口端１２が円周方向の逆位相にねじれる挙動を示しており、外周リング１１の位置を変更することで固有振動モードの周波数が（ａ）の２２０Ｈｚから（ｂ）の３１５Ｈｚに４０％程度増加していることがわかる。

図４は外周リング１１と吸込側開口端１２の距離を変化させたときの固有振動モードの周波数の変化を示すグラフである。Ｌ２／Ｌ１が大きくなると周波数が増加し、２５％〜５０％で周波数を元の２２０Ｈｚから３００Ｈｚ〜３２０Ｈｚに高める効果がある。しかし、Ｌ２／Ｌ１が５０％を超えると、外周リング１１と吸込側開口端１２との間が片持ち梁として作用する現象が発生し、固有振動モードは低下の傾向となる。効果的に周波数を高めるためには外周リング１１と吸込側開口端１２の距離を２５〜５０％とすることが望ましい。

図５は外周リング１１の厚みＴ１を変化させたときの周波数の変化のグラフである。図５に示すとおり、Ｔ１／Ｌ１が３％以上となると、厚みＴ１＝０ｍｍの２００Ｈｚに対して３００Ｈｚ以上に高め、大きな効果が得られることがわかる。厚みが大きいほど効果は高まるが、この厚みを単純に増加させると羽根出口側の流路を塞ぐ面積が増加することで風量が低下する。送風性能への影響を考慮すると５％以下に留めるのが望ましい。

上記構成において、電動機７の加振周波数が２２０Ｈｚとすれば、外周リング１１を吸込側開口端１２に設けると羽根車５の固有振動モードの周波数が２２０Ｈｚで一致、共振現象が励起するが、外周リング１１の位置を変更することで固有振動モードの周波数が３００Ｈｚ以上に変更できるため、共振現象の励起が抑制されて騒音の発生を防止することができる。また、振動を絶縁するゴムなどの別部品を使用しないため、劣化もなく長期間安定して共振現象を抑制する効果を得られる。なお、電動機７の加振周波数は回転数によって変化するため、多翼送風機１としての使用回転数範囲を考慮して羽根車５の固有振動モードの周波数を変更する必要がある。

最近では、コンピュータ性能やソフトウェアの発達により有限要素法による固有値解析も簡単に実施できる環境が整っているため、樹脂の一体成形品であっても、金型設計前に固有値解析を実施することで適切な外周リングの位置を求めることが可能である。

また、羽根車５は、樹脂一体成形品であり別部品や複雑な分割金型による製造の必要はない。図２に示すように、外周リングの内径Ｄ２が主板の外径Ｄ１よりも回転軸６方向に重複する部分が存在しないように大きく、例えばＤ１＝２３６ｍｍ、Ｄ２＝２４０ｍｍとすることで、一般的な上下二面方式の金型で成型可能となり、低コストにできる。

（実施の形態２）
図６は長さの異なる羽根を主板の両側に配置した実施の形態２の羽根車の側断面図、図７は外周リングの部分側断面図である。なお、実施の形態１と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。

図６に示すように、羽根車５の主板８の両側に羽根９が配置され、その長さをＬ１、Ｌ３とするとＬ１＝７０ｍｍ、Ｌ３＝２０ｍｍで長さの比は３：１である。外周リング１１を長い方の羽根９の吸込側開口端１２からＬ２＝２０ｍｍの位置に設けており、Ｌ２／Ｌ１＝３０％となる。羽根９を途中で分割することによって、羽根９の全長を変えることなく、主板８と外周リング１１による支点間距離を前提の形態１よりも短くできるため、羽根車５の固有振動モードの周波数をさらに大きく変更できる。その結果、電動機７の加振周波数が回転数によって大きく変化しても、広い周波数範囲で共振を抑制できるという効果が得られる。

また、主板８には回転対称に複数の穴１３が開けられている。この穴１３から空気が通過するため、吸込口２が片側にしかない構成にも使用でき、両側の羽根９が有効に仕事をするため、送風性能を維持できるという効果が得られる。

図７に示すように、外周リング１１の円周方向の断面形状はコの字形であり、主板側の面に窪み１４がある。外周リング１１と羽根９の連結距離を変化しないで、断面剛性を維持したまま内部の肉を減じて羽根車５の軽量化を図れるため、起動時や運転時に加わる電動機７への負荷を低減できる。

（実施の形態３）
図８は本発明における実施の形態３の羽根車の側断面図、図９は羽根と主板の接合部の斜視拡大図である。なお、実施の形態１および２と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、羽根９の断面係数が主板８側で最も大きく、吸込側開口端１２になるほど小さくなるようにするために、板厚を一定にして翼弦長を主板８側で最も大きく、吸込側開口端１２になるほど小さくなるように分布させている。主板８側の翼弦長をＢ１、吸込側開口端１２の翼弦長をＢ２とすると、例えばＢ１＝２５ｍｍ、Ｂ２＝２０ｍｍとする。主板８側で断面係数が最も大きくなることで、羽根９の重心位置が主板８側に移動するため、固有振動モードの周波数を高めることができる。

また、羽根９の外周面１０の径Ｄ３が外周リング１１の内径Ｄ２よりも大きく、例えばＤ３＝２４４、Ｄ２＝２４０とすることで、羽根と外周リングが立体的に組み合う形での連結となっている。外周リング１１と羽根９の接合面が増加することで、運転時にこの個所に発生する応力を低減できる。

図９に示すように、羽根９と主板８の接合部１５が曲面で形成されており、この部分における応力集中係数を低減することで、さらに運転時に発生する応力を低減できる。

（実施の形態４）
図１０は本発明における実施の形態４の羽根車の外周リングの部分側断面図、図１１は羽根車の上面拡大図である。なお、実施の形態１〜３と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、外周リング１１の円周方向の断面形状が平行四辺形であり、外周方向に向かって主板８側に傾斜している。断面形状を平行四辺形にしても、もとの長方形と断面係数は同等であるため、剛性は維持できる。また、外周リング１１の内周面の主板８側の角部１６を曲面で形成している。外周リング１１を吸込側開口端１２から距離を保って配置すると、羽根車５から出る風速の速い流れ場にさらされ渦が発生しやすくなるが、流れの方向に沿った形状とし、同時に最も対抗渦が発生しやすい角部１６を曲面とすることで、渦発生を少なくすることができる。さらに、吸込側開口端１２の内周側１７を曲面で形成しているため、吸込流と羽根端面の干渉による渦発生を少なくすることができる。このように渦発生を少なくする構成によって、運転時の乱流騒音の発生を低く抑えることができるという効果が得られる。

また、羽根９の吸込側開口端１２の外周側１８を曲面で形成することで、衝撃吸収性を高めることができるため、メンテナンスや掃除などで羽根車５を分解した際に不意の落下による羽根９が破損することなどを防止できる。

また、図１１に示すように、羽根９と外周リング１１の回転軸６方向の接合部１９が曲面でつながるように形成している。この部分の応力集中係数を低減することで、運転時に発生する応力を低減できる。

本発明の多翼送風機は、室内の換気に使用する天井埋込形換気扇等に用いる用途として有用である。また、冷暖房エアコンの室内ユニットや空気清浄機などの送風機としての用途にも適することができる。

１ 多翼送風機
２ 吸込口
３ 吹出口
４ ファンケーシング
５ 羽根車
６ 回転軸
７ 電動機
８ 主板
９ 羽根
１０ 外周面
１１ 外周リング
１２ 吸込側開口端
１３ 穴
１４ 窪み
１５ 接合部
１６ 角部
１７ 内周側
１８ 外周側
１９ 接合部

Claims (4)

1. 円板状の主板の外周側に円周方向に沿う複数の羽根を有し、これらの羽根の外周面に沿って外周リングを設けた樹脂製の羽根車の回転中心に電動機の回転軸を接続した多翼送風機において、前記外周リングの外径が前記羽根の外周面の径より大きく、前記電動機から発生される円周方向の加振力の周波数と、前記羽根車に存在する前記羽根の曲げ変形によって前記主板と吸込側開口端が円周方向の逆位相にねじれる固有振動モードの周波数が異なるように前記外周リングを配置し、
   前記羽根が前記主板の片側のみに配置され、前記外周リングを前記吸込側開口端から一定の距離を保って配置し、
   羽根の回転軸方向の断面における断面係数が、主板側が最も大きく、吸込側開口端側になるほど小さくなることを特徴とした多翼送風機。
2. 外周リングの円周方向の断面形状がコの字形であり、回転軸方向の主板側の面に窪みがあることを特徴とした請求項１記載の多翼送風機。
3. 外周リングの円周方向の断面形状が平行四辺形であり、外周側に向かって主板側に傾斜していることを特徴とした請求項１または２記載の多翼送風機。
4. 外周リングと吸込側開口端の距離を羽根長さの２５〜５０％とした請求項１から３いずれか記載の多翼送風機。

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