JP5534417B2 - 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、米国特許第６５５４５７４号明細書、米国特許第６２４１４７４号明細書等に記載されている。

一方、送風ファンを、電子機器内の発熱体を冷却するのに用いる場合、送風ファンの冷却効果を高めるために風量特性を向上させることに加え、送風ファンの動作に伴う騒音を低減させることが要求される。

送風ファンの動作に伴う騒音を低減するために、インペラを収容するハウジングの側部に開口部を設け、この開口部を介して、ハウジング外からハウジング内に空気を取り込むことによって、騒音の原因となる乱流を整流して、騒音を低減する技術が、特開２００８−２６７１７６号公報、特開平４−１８３９９８号公報等に記載されている。また、米国特許出願公開第２００５／０１８０８４９号明細書には、側部に開口部が設けられたハウジングに、複数の翼が環状の連結部で連結されたインペラを収容した軸流ファンが記載されている。
米国特許出願公開第２００８／００５６８９９号明細書 米国特許第６５５４５７４号明細書 米国特許第６２４１４７４号明細書 特開２００８−２６７１７６号公報 特開平４−１８３９９８号公報 米国特許出願公開第２００５／０１８０８４９号明細書

しかしながら、上記特許文献１〜３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。

また、上記特許文献４〜６は、ハウジングの側部に設けられた開口部を介して、ハウジング外からハウジング内に空気を取り込むことによって騒音を低減するもので、軸流ファンの周方向における冷却効果については全く考慮されていない。

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を備え、かつ、軸方向の冷却効果を維持しつつ、周方向の冷却効果を発揮する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、複数の翼を、連結部によって、径方向内側の部位と径方向外側の部位とに区画し、かつ、複数の翼を収容するハウジングの側部に、ハウジング内に連通する開口部を形成した構成を採用する。

すなわち、本発明の一側面における送風ファンは、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、複数の翼をカップ部と共に回転させるモータと、カップ部と複数の翼とモータとを収容するハウジングとを備え、複数の翼は、略環状の連結部で互いに連結されると共に、連結部によって、径方向内側の部位と、径方向外側の部位とに区画されており、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、ハウジングの側部に、ハウジング内に連通する開口部が形成されていることを特徴とする。

送風ファンをこのように構成することによって、連結部によって区画された径方向内側の部位における翼の回転によって、軸方向の一方から吸気された空気は、軸方向の他方に排気され、連結部によって区画された径方向外側の部位における翼の回転によって、軸方向の一方から吸気された空気の一部は、開口部を介して、ハウジング側部において径方向外方に排気される。

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、複数の翼を収容するハウジングの側部に開口部を形成することによって、軸方向の冷却効果を維持しつつ、周方向の冷却効果を発揮する送風ファンを実現できる。

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。 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。 本発明の一実施形態における送風ファンの構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態における送風ファンの空気流を模式的に示した断面図である。 本発明の一実施形態における送風ファンの静圧−風量特性の一例を示したグラフである。 本発明の一実施形態における一体成形されたハウジング、ベース部、軸受保持部、及び静翼の構成を示した斜視図である。

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。

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。

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３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３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の部位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の部位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の部位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の部位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の部位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の部位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、いわゆる軸流ファン（送風ファン）は、カップ部１０の外周面に固定された複数の翼１１を中心軸Ｊを中心に回転させることによって、中心軸Ｊの方向に沿った空気流を発生させて、排気側にある電子部品等の発熱体を冷却する。

しかしながら、電子機器内に搭載される電子部品等の高密度化により、電子機器内での発熱量が増加するに伴い、送風ファンの冷却効率の向上が要求されている。そうした中、軸方向排気側にある発熱体を冷却するだけでなく、ハウジングの側方にある発熱体も冷却できる送風ファンが実現できれば、冷却効率の向上が期待できる。

従来、インペラを収容するハウジングの側部に開口部を設けた送風ファンが提案されているが（特許文献４〜６を参照）、これらは全て、開口部を介してハウジング外からハウジング内に空気を取り込むことによって、騒音の原因となる乱流を整流し、あるいは、吸気効率を向上させて、騒音の低減やサージング現象の抑制を企図したものである。

すなわち、インペラを収容するハウジング内は、インペラの回転により生じる軸方向の空気流によって負圧になっている。従って、ハウジングの側部に開口部を設けた場合、必然的に、開口部を介してハウジング外からハウジング内に空気が取り込まれることになる。

一方、上述したように、複数の翼１１を環状の連結部１２で互いに連結したインペラは、連結部１２が仮想的なハウジングの内側面の役目を担うことにより、連結部１２によって区画された径方向内側の部位１１Ａでは、専ら、軸方向に沿った空気流が生じ、径方向外側の部位１１Ｂでは、専ら、逆流する空気流が生じる。従って、ハウジング内において、径方向内側の部位１１Ａの領域では負圧が大きく、径方向外方の部位１１Ｂの領域では負圧が小さいことが考えられる。

そこで、本願発明者等は、複数の翼１１を環状の連結部１２で互いに連結したインペラを、側部のほぼ全周に亘って開口部を設けたハウジングに収容して、インペラの風量特性を測定したところ、軸方向においては、開口部を設けていないハウジングに収容したインペラと同程度の風量特性が得られたともに、ハウジングの側部においても、径方向外方に向く空気流が観測できた。

これは、ハウジング内でも、径方向外方の部位１１Ｂの領域では負圧が小さいため、径方向外方へ広がる遠心方向成分の空気流が、負圧に勝って、ハウジングの側部の開口部を介して、径方向外方に向く空気流が発生したものと考えられる。

本発明は、かかる知見に基づきなされたもので、複数の翼１１を互いに連結する環状の連結部１２を備えたインペラ１において、複数の翼１１を、連結部１２によって、径方向内側の部位１１Ａと径方向外側の部位１１Ｂとに区画し、複数の翼１１を収容するハウジングの側部に、ハウジング内に連通する開口部を形成した構成を採用する。

図４は、本実施形態における送風ファン２の構成を模式的に示した断面図である。図４に示すように、送風ファン２は、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をカップ部１０と共に回転させるモータと、カップ部１０と複数の翼１１とモータとを収容するハウジング３０とを備え、ハウジング３０とベース部２４とは静翼３１で連結されている。

モータは、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。

本発明において、送風ファン２は、連結部１２が、翼１１の径方向に沿った翼長に対して、翼１１のカップ部１０外周面における付け根から、翼長の７０％〜９０％の位置に形成されるとともに、ハウジング３０の側部に、ハウジング３０内に連通する開口部３０ａが形成されている。

このように構成された送風ファン２は、図５に示すように、連結部１２によって区画された径方向内側の部位１１Ａにおける翼１１の回転によって、軸方向の一方（吸気側）から吸気された空気は、軸方向の他方（排気側）に排気され、また、連結部１２によって区画された径方向外側の部位１１Ｂにおける翼１１の回転によって、軸方向の一方から吸気された空気の一部は、開口部３０ａを介して、ハウジング３０側部において径方向外方に排気される。

このように、軸方向の吸気側から吸気された空気を、軸方向の排気側に排出される空気流と、ハウジング３０側部において径方向外方に排気される空気流とに仕分けすることによって、軸方向排気側にある発熱体を冷却するだけでなく、ハウジング３０の側方にある発熱体を冷却することができる。これにより、冷却効率の高い送風ファンが実現できる。

なお、本発明において、径方向内側の部位１１Ａ、及び径方向外側の部位１１Ｂにおける翼１１の回転によって、軸方向の排気側に排出される空気流と、ハウジング３０側部において径方向外方に排気される空気流とが完全に仕分けされる必要はなく、例えば、径方向外側の部位１１Ｂにおける翼１１の回転によって、軸方向の排気側に排出される空気流が生じていても構わない。

図６は、本実施形態における送風ファン２の静圧−風量特性の一例を示したグラフである。このグラフに示した風量は、軸方向排気側に排気される空気流の風量であるが、ハウジング３０の側部に開口部３０ａを設けない送風ファンにおける風量と、それほど差はない。これは、連結部１２によって区画された径方向外側の部位１１Ｂでは、専ら、逆流する空気流が生じ、軸方向の空気流にはそれほど寄与せず、軸方向の空気流は、専ら、連結部１２によって区画された径方向内側の部位１１Ａによって発生しているためである。

図７は、ハウジング３０、ベース部２４、軸受保持部２５、及び静翼３１が、射出成形により一体的に形成された構成体を示した斜視図である。図７に示すように、開口部３０ａは、ハウジング３０の側部のほぼ全面に亘って形成されていることが好ましい。これにより、開口部３０ａを介して、ハウジング３０側部において径方向外方に排気される空気流の風量を多くできる。なお、開口部３０ａの大きさや、形状等は特に制限されず、ハウジング３０の強度や、送風ファンの使用状況等を考慮して適宜定めればよい。

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
１１Ａ 翼の径方向内側の部位
１１Ｂ 翼の径方向外側の部位
１１ａ 翼の前縁
１１ｂ 翼の径方向外端
１１ｃ 翼の後縁
１２ 連結部
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
３０ａ 開口部
３１ 静翼

Claims (1)

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、
   前記複数の翼を前記カップ部と共に回転させるモータと、
   前記カップ部と前記複数の翼と前記モータとを収容するハウジングと、
   を備え、
   前記複数の翼は、略環状の連結部で互いに連結されると共に、該連結部によって、径方向内側の部位と、径方向外側の部位とに区画されており、
   前記連結部は、前記翼の径方向に沿った翼長に対して、前記翼の前記カップ部外周面における付け根から、該翼長の７０％〜９０％の位置に、略円筒形状に形成されており、
   前記ハウジングの側部に、該ハウジング内に連通する開口部が形成されており、
   前記連結部によって区画された径方向内側の部位における翼の回転によって、軸方向の一方から吸気された空気は、軸方向の他方に排気され、
   前記連結部によって区画された径方向外側の部位における翼の回転によって、軸方向の一方から吸気された空気の一部は、前記開口部を介して、前記ハウジング側部において径方向外方に排気される、送風ファン。

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