JP5709921B2 - 二重反転式送風機 - Google Patents

Description

本発明は、上流側のインペラと下流側のインペラとが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機に関する。

軸流型の送風機としては、特許文献１乃至１０に開示されているように、軸流方向に回転軸中心をそろえて上流側のインペラと下流側のインペラとを配置したものが知られている。このような二重反転式送風機は、単一のインペラを回転するものと比較すると、整流効果により風の流れが軸流方向に集中するため冷却対象への送風量が大きくなる、カウンタートルクを相殺することができる、などの利点がある。その利点を利用することにより、送風機の小型化、省電力化、及び静寂化が可能となる。

特許第３９５３５０３号公報 特許第３９５９３５９号公報 特許第４１２８１９４号公報 特開２００８−１２１４４０号公報 特開２０１１−５８４２０号公報 ＷＯ２００９／０５７５９８号パンフレット 特開２０１１−１２２５６９号公報 特開２０１１−１２２５７０号公報 特開２０１１−１４４８０４号公報 特開２０１２−２１９７１２号公報

二重反転式送風機としては、パソコン内部に設けられる空冷装置として利用されたものがよく知られている。その場合、通常は上流側のインペラと下流側のインペラとがダクトの内部に配置されている。つまり、静圧を得るためにクローズド構造となっている。これに対し、本願発明者は、パソコンの周辺機器としてパソコン外部からパソコンに風を当てるものであって、且つ対人用の卓上扇風機としても利用することができる汎用性の高い送風機を得るべく、上流側のインペラと下流側のインペラとの間からも空気を吸い込むオープン構造の二重反転式送風機を提案した。そして、鋭意検討の末に極めて優れた構成の特定に至り、本発明を達成した。

特に、対人用の送風機として使用する場合は、快適性を十分に検討する必要がある。つまり、送風量が少なめの適度な風を要求する際に、整流効果により風の流れが軸流方向に集中した状態であると、身体に部分的に当る風が必要以上に強まり、その風の質を不快に感じるものと思われる。このような二重反転式送風機については、送風量と整流効果とのバランスが重要であると考えられる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、対人用の送風機として好適に利用することができるオープン構造の二重反転式送風機を提供することである。

本願第１請求項に記載した発明は、軸流方向に回転軸中心（Ｏ）をそろえて配置された上流側の第１インペラ（１１０）及び下流側の第２インペラ（１２０）と、前記第１インペラ（１１０）を回転する第１モータ（２１０）と、前記第２インペラ（１２０）を回転する第２モータ（２２０）と、送風量を調節する送風量調節手段（３０）とを備え、前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）とが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機（１）において、
当該二重反転式送風機（１）は、前記軸流方向の後方から空気を吸い込むとともに、前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）との間からも空気を吸い込むものであり、
前記送風量調節手段（３０）は、整流効果により風の流れが前記軸流方向に集中する第１の送風状態と、前記第１の送風状態よりも前記送風量が少なく且つ前記整流効果が小さい第２の送風状態とを切り換えるものである構成の二重反転式送風機（１）である。

本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記第１インペラ（１１０）の直径をＬ１、前記第２インペラ（１２０）の直径をＬ２、前記第１の送風状態における前記第１インペラ（１１０）の回転数をＸ１、前記第２インペラ（１２０）の回転数をＹ１、前記第２の送風状態における前記第１インペラ（１１０）の回転数をＸ２、前記第２インペラ（１２０）の回転数をＹ２とするとき、それらは、Ｌ２／Ｌ１＝１．０６〜１．２０、Ｘ１／Ｘ２＝１．２５〜１．５０、Ｙ１＝Ｙ２、の関係が成り立つようにした構成の二重反転式送風機（１）である。

本願第３請求項に記載した発明は、請求項２又は３において、前記第２インペラ（１２０）のブレード（１２１）は、前記軸流方向の正面からみたとき、その前縁の先端部分がチップ側に向って回転方向の幅を減少するテーパー状となっており、前記第１インペラ（１１０）のブレード（１１１）の回転半径をＲ１、前記第２インペラ（１２０）のブレード（１２１）の回転半径をＲ２とし、更に前記回転軸中心（Ｏ）から前記第２インペラ（１２０）のブレード（１２１）の前縁に接線を引いたときの接点（Ｐ）と前記回転軸中心（Ｏ）との距離をＲＰとするとき、それらは、ＲＰ＜Ｒ１＜Ｒ２、の関係が成り立つようにした構成の二重反転式送風機（１）である。

本発明によれば、対人用の送風機として好適に利用することができるオープン構造の二重反転式送風機を得ることができる。

本発明の実施例に係り、二重反転式送風機の正面図である。 本発明の実施例に係り、二重反転式送風機の側面図である。 本発明の実施例に係り、二重反転式送風機の側面断面図である。 本発明の実施例に係り、第１インペラの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。 本発明の実施例に係り、第２インペラの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。 本発明の実施例に係り、第１インペラ及び第２インペラの説明図である。 本発明の実施例に係り、第２インペラの説明図である。 本発明の実施例に係り、第１インペラのブレード及び第２インペラのブレードの説明図である。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１乃至図８に示す本例の二重反転式送風機１は、パソコンのＵＳＢを電源として駆動する小型の送風機である。この二重反転式送風機１は、軸流方向に回転軸中心をそろえて配置された上流側の第１インペラ１１０及び下流側の第２インペラ１２０と、第１インペラ１１０を回転する第１モータ２１０と、第２インペラ１２０を回転する第２モータ２２０と、第１インペラ１１０及び第２インペラ１２０を包囲するガード３００とを備え、第１インペラ１１０と第２インペラ１２０とが互いに異なる方向に回転する構成となっている。ガード３００は格子状又は網状の覆いであり、本例の二重反転式送風機１は、第１インペラ１１０と第２インペラ１２０との間からも空気を吸い込むオープン構造のものである。尚、図２中の黒矢印は空気の流れを示している。また、図４中の白矢印は第１インペラ１１０の回転方向を示し、図５及び図７中の白矢印は第２インペラ１２０の回転方向を示している。

第１モータ２１０及び第２モータ２２０は、スペックが共通の同型のＤＣモータである。各インペラ１１０，１２０は、各モータ２１０，２２０の駆動軸にそれぞれハブ１１０ａ，１２０ａが直結されている。各インペラ１１０，１２０のハブ１１０ａ，１２０ａは、直径が等しく設定されている。

各モータ２１０，２２０及びガード３００は、台座１０に対して角度調整可能に支持された支持体２０に装着されている。支持体２０又は台座１０の要所には、二重反転式送風機１の送風量を調節する送風量調節手段３０が設けられている。

本例の送風量調節手段３０は、各モータ２１０，２２０に電流を供給する回路基板に、使用者によって操作される入力装置を搭載してなるものである。送風量は、入力装置の操作に応じて回路基板が各モータ２１０，２２０を駆動する電圧を変えることにより調節される。入力装置の機械的構造は特に限定はしないが、図例したものは、回転式の操作子が支持体２０の正面に位置するものである。

この送風量調節手段３０は、操作子を操作することにより、電源がＯＦＦの停止状態と、整流効果により風の流れが軸流方向に集中する第１の送風状態と、第１の送風状態よりも送風量が比較的少なく且つ整流効果が比較的小さい第２の送風状態とを切り換えるものとなっている。以下の説明においては、第１の送風状態における第１インペラ１１０の回転数をＸ１、第２インペラ１２０の回転数をＹ１、第２の送風状態における第１インペラ１１０の回転数をＸ２、第２インペラ１２０の回転数をＹ２とする。

本例の二重反転式送風機１は、第１の送風状態において送風量及び整流効果が最大となるように構成されている。特に、第１モータ２１０及び第２モータ２２０をスペックが共通の同型のモータとし、第１の送風状態においては、第１モータ２１０及び第２モータ２２０を等しい電圧で駆動するものとなっている。

このような二重反転式送風機１は、その送風効率の点で、上流側の第１インペラ１１０の回転数が下流側の第２インペラ１２０の回転数よりも大きい方が優れている。しかし、スペックが異なる第１モータ２１０と第２モータ２２０とを組合わせて用いることは、設計・製造におけるコストパフォーマンスの観点から、望ましい構成とはいえない。そこで本例においては、第１モータ２１０及び第２モータ２２０をスペックが共通の同型のモータとし、第１モータ２１０及び第２モータ２２０を等しい電圧で駆動した場合における第１インペラ１１０及び第２インペラ１２０の構造を工夫することとした。

まず、第１インペラ１１０の直径をＬ１、第２インペラ１２０の直径をＬ２とし、第１インペラ１１０のブレード１１１の数をＡ、第２インペラ１２０のブレード１２１の数をＢとし、軸流方向に対する第１インペラ１１０のブレード１１１の幅をＷ１、第２インペラ１２０のブレード１２１の幅をＷ２とするとき、それらは、Ｌ１＜Ｌ２、Ａ＜Ｂ、Ｗ１＞Ｗ２の関係が成り立つように構成されている。

第１モータ２１０及び第２モータ２２０は、それぞれ駆動時における回転数及びトルクが適正負荷の許容範囲内となればよい。条件としては、空気に作用するブレードの面積が大きくなればトルクが増して回転数が低下する。つまり、インペラの直径が大きくなれば回転数が低下する。ブレードの枚数が多くなれば回転数が低下する。また、軸流方向に対するインペラのブレードの幅が大きくなれば回転数が低下する。

ここで、送風量を増すべく第２インペラ１２０の直径Ｌ２を第１インペラ１１０の直径Ｌ１よりも大きく設定した。すなわち、第２インペラ１２０のブレード１２１の回転半径Ｒ２は、第１インペラ１１０のブレード１１１の回転半径Ｒ１よりも大きく設定した。Ｌ１＝２×Ｒ１、Ｌ２＝２×Ｒ２、である。また、第２インペラ１２０の直径Ｌ２が第１インペラ１１０の直径Ｌ１より大きいことを踏まえつつ空気の流れ等を考慮して、第２インペラ１２０のブレード１２１の数Ｂを第１インペラ１１０のブレード１１１の数Ａよりも多く設定した。すると、第１インペラ１１０の回転数Ｘは、第２インペラ１２０の回転数Ｙよりも相対的に大きくなる。

更に、第１の送風状態における第１インペラ１１０の回転数Ｘ１を第２インペラ１２０の回転数Ｙ１よりも大きくするという条件の下で、軸流方向に対する第１インペラ１１０のブレード１１１の幅Ｗ１を第２インペラ１２０のブレード１２１の幅Ｗ２よりも大きく設定した。つまりこれは、第２インペラ１２０の直径Ｌ２をより大きくするための工夫である。このような構成によると、第１インペラ１１０と第２インペラ１２０との間からより積極的に空気を吸い込むことが可能となる。構造的にバランスのとれた設計となり、送風効率が向上する。

このように、本例の二重反転式送風機１は、第１モータ２１０及び第２モータ２２０としてスペックが共通の同型のモータを採用し、それらを等しい電圧で駆動してもＸ１＞Ｙ１となるように構成されている。

本例の場合、第１の送風状態における各モータ２１０，２２０の駆動電圧は、それぞれ５［Ｖ］である。第１の送風状態における第１インペラ１１０の回転数Ｘ１は２４００［ｒｐｍ］、第２インペラ１２０の回転数Ｙ１は１４００［ｒｐｍ］である。Ｘ１とＹ１との望ましい関係は、Ｘ１／Ｙ１＝１．６〜２．０、である。Ｘ１の実用的な値は２０００〜４０００［ｒｐｍ］であり、Ｙ１の実用的な値は１４００〜２０００である。

第１インペラ１１０の直径Ｌ１は８０［ｍｍ］、第２インペラ１２０の直径Ｌ２は８５［ｍｍ］である。Ｌ１とＬ２との望ましい関係は、Ｌ２／Ｌ１＝１．０６〜１．２０、である。Ｌ１の実用的な値は８０〜１００［ｍｍ］であり、Ｌ２の実用的な値は８５〜１２０［ｍｍ］である。

第１インペラ１１０のブレード１１１の数Ａは５枚であり、第２インペラ１２０のブレード１２１の数Ｂは７枚である。Ａの実用的な枚数は３〜６枚であり、このときＢの望ましい枚数はＡより１〜４枚多い枚数である。

軸流方向に対する第１インペラ１１０のブレード１１１の幅Ｗ１は２１［ｍｍ］、第２インペラ１２０のブレード１２１の幅Ｗ２は１８［ｍｍ］である。Ｗ１とＷ２との望ましい関係は、Ｗ１／Ｗ２＝１．１６〜１．４０である。

第１インペラ１１０のブレード１１１と第２インペラ１２０のブレード１２１との間隔Ｇは、２５．５［ｍｍ］である。実験によると、第１の送風状態におけるＧの実用的な値は１２．０〜１６．５［ｍｍ］である。但しその値の場合、整流効果が比較的小さい送風状態に切り換えると、騒音が大きくなることも判明しており、本願発明者は、その騒音を低減するべく検討をしたところ、間隔Ｇを広げることが騒音対策として有効であることをつきとめた。本例におけるＧの実用的な値は１２．０〜３０．５［ｍｍ］であり、より望ましい値は１６．５〜２８．０［ｍｍ］である。

次に、本例の第２インペラ１２０について説明する。第２インペラ１２０のブレード１２１は、軸流方向の正面からみたとき、その前縁の先端部分がチップ側に向って回転方向の幅を減少するテーパー状となっている。この第２インペラ１２０は、前進翼型のインペラを設計したうえで、静粛性能を高めるべくそのブレードの回転方向に向って前進した前縁の先端部分ｎ（図７参照）を削除したものである。

また、第１インペラ１１０のブレード１１１の回転半径をＲ１、第２インペラ１２０のブレード１２１の回転半径をＲ２とし、更に回転軸中心Ｏから第２インペラ１２０のブレード１２１の前縁に接線を引いたときの接点Ｐと回転軸中心Ｏとの距離をＲＰとするとき、それらは、ＲＰ＜Ｒ１＜Ｒ２、の関係が成り立つように構成されている。

本例の場合、第１インペラ１１０のブレード１１１の回転半径Ｒ１は４０［ｍｍ］、第２インペラ１２０のブレード１２１の回転半径Ｒ２は４２．５［ｍｍ］である。そして、接点Ｐと回転軸中心Ｏとの距離ＲＰは３５［ｍｍ］である。Ｒ１とＲ２との望ましい関係は、前述したＬ１とＬ２との関係と同様に、Ｒ２／Ｒ１＝１．０６〜１．２０、である。また、Ｒ１とＲＰとの望ましい関係は、Ｒ１／ＲＰ＝１．０８〜１．２５、である。Ｒ１の実用的な値は４０〜５０［ｍｍ］であり、Ｒ２の実用的な値は４２．５〜６０［ｍｍ］である。このときＲＰの実用的な値は３２〜４６［ｍｍ］である。このような構成によると、オープン構造の二重反転式送風機１の静粛性能が向上する。以下に、その考え方を説明する。

一般に、送風機の静粛性能は、インペラに設けるブレードの形状に大きく依存する。ブレードとしては、軸流方向の正面からみたとき、前縁の先端部分が回転方向に向って前進した前進翼型のものが知られている。前進翼型ブレードは、団扇型ブレードと比較すると騒音が少ないという利点がある。

本願発明者は、前進翼型ブレードを備えたインペラを軸流方向の上流側と下流側に配置してなるオープン構造の二重反転式送風機を試作して、実際に作動実験を行なったところ、その騒音が、各インペラをそれぞれ単独で回転させた場合よりも遥に大きくなることが判明した。そこで、騒音を低減すべく検討し、試行錯誤の末に、下流側のインペラのブレードについて、回転方向に向って前進した前縁の先端部分を面取りすると、騒音が明らかに低減することをつきとめた。

下流側の第２インペラは、上流側の第１インペラの旋回エネルギーを軸流方向の圧力に変換するという機能がある。その機能からすると、上流側の第１インペラに近く回転方向に対する角度が小さい前縁の先端部分は、後方からの空気に対して作用の小さい部分であると考えられる。また、その部分を面取りすると騒音が低減したことから、騒音の発生原因となる部分でもあることが判明した。

本例では、このような実験結果を考慮して第２インペラ１２０のブレード１２１の形状を特定した。つまり、第２インペラ１２０のブレード１２１は、軸流方向の正面からみたとき、その前縁の先端部分がチップ側に向って回転方向の幅を減少するテーパー状となっている。

更に、オープン構造、すなわち第１インペラ１１０と第２インペラ１２０との間からも空気を吸い込むことにより送風量を増すことを考慮して、第２インペラ１２０のブレード１２１の回転半径Ｒ２は、第１インペラ１１０のブレード１１１の回転半径Ｒ１よりも大きく設定した。このとき、回転軸中心Ｏから第２インペラ１２０のブレード１２１の前縁に接線を引いたときの接点Ｐと回転軸中心Ｏとの距離ＲＰは、第１インペラ１１０のブレード１１１の回転半径Ｒ１よりも小さく設定するとよい。接点Ｐから先がテーパー状の先端部分である。ＲＰ＜Ｒ１＜Ｒ２、の関係が成り立つように設定することにより、送風効率が高く且つ静寂性に優れた二重反転式送風機となる。

このように、本例の二重反転式送風機１は、第１の送風状態において整流効果を十分に得るべく極めて合理的に構成されたものである。次に、第２の送風状態について説明する。

本例の場合、第２の送風状態における第１モータ２１０の駆動電圧は３［Ｖ］、第２モータ２２０の駆動電圧は５［Ｖ］である。第２の送風状態における第１インペラ１１０の回転数Ｘ２は１７００［ｒｐｍ］、第２インペラ１２０の回転数Ｙ２は１４００［ｒｐｍ］である。第１モータ２１０の駆動電圧は、スペックが共通の第２モータ２２０を駆動する電圧よりも低い電圧であっても、前述した第１インペラ１１０及び第２インペラ１２０の構造により、Ｘ２＞Ｙ２となる範囲において設定されている

第２の送風状態における第１インペラ１１０の回転数Ｘ２は、第１の送風状態における回転数Ｘ１よりも小さい。また、第２の送風状態における第２インペラ１２０の回転数Ｙ２は、第１インペラ１１０の回転数Ｘ２が異なることによって生じる条件の違いを除けば、第１の送風状態における回転数Ｙ１と同じである。つまり、Ｙ１＝Ｙ２、である。故に、第２の送風状態は、第１の送風状態よりも送風量が比較的少なくなる。また、第１の送風状態は、理想的又はそれに近い整流効果が得られる構成となっており、第２の送風状態における第１インペラ１１０の回転数Ｘ２のみを小さくすると、整流効果は比較的小さくなる。

Ｘ１とＸ２との望ましい関係は、Ｘ１／Ｘ２＝１．２５〜１．５０、である。また、Ｘ２とＹ２との望ましい関係は、Ｘ２／Ｙ２＝１．１０〜１．３５、である。

このように、各インペラ１１０，１２０の直径が、Ｌ２／Ｌ１＝１．０６〜１．２０、の関係が成り立つものについて、Ｘ１／Ｘ２＝１．２５〜１．５０、Ｙ１＝Ｙ２、の関係が成り立つようにしたことにより、第２の送風状態においては、冷却対象になめらかな風を効率よく送ることが可能となる。

このような構成によると、製造性に優れるとともに騒音が小さく送風性能の高い極めて優れたオープン構造の二重反転式送風機であって、対人用の送風機としても好適に利用することができる送風機が得られる。送風量が少なめの適度な風を要求する際は、送風量調節手段３０を操作して第２の送風状態とすることにより、快適な風を得ることができる。

以上説明したように、本例はオープン構造の二重反転式送風機として極めて合理的に構成されたものである。本願発明者は、優れたオープン構造の二重反転式送風機を得るべく試作と検証を繰返し、本例のごとき二重反転式送風機を完成させた次第である。本例の構成が極めて有効であることは、条件が異なる試作品との比較実験によっても確認されている。尚、本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図例説明したものに限定されないことは勿論である。

例えば、本例の送風量調節手段３０は、第１の送風状態と第２の送風状態とを選択的に切換えるものであるが、或いは、所定の入力装置の操作に応じて第１モータ２１０の駆動電圧を漸次増減することにより、第１の送風状態と第２の送風状態との間において送風量の微調節を行うことができるように構成してもよい。

また、台座１０に対して支持体２０を駆動する駆動機構を設けて、風の向きを水平方向や上下方向に動かす首振り運動を行うように構成してもよい。

本発明の二重反転式送風機は、例えばパソコンのＵＳＢを電源として駆動する小型の送風機として好適に利用することが可能である。

１ 二重反転式送風機
１０ 台座
２０ 支持体
３０ 送風量調節手段
１１０ 第１インペラ
１１０ａ ハブ
１１１ ブレード
１２０ 第２インペラ
１２０ａ ハブ
１２１ ブレード
２１０ 第１モータ
２２０ 第２モータ
３００ ガード
Ｌ１ 第１インペラの直径
Ｌ２ 第２インペラの直径
Ｗ１ 軸流方向に対する第１インペラのブレードの幅
Ｗ２ 軸流方向に対する第２インペラのブレードの幅
Ｇ 第１インペラのブレードと第２インペラのブレードとの間隔
Ｒ１ 第１インペラのブレードの回転半径
Ｒ２ 第２インペラのブレードの回転半径
Ｏ 回転軸中心
Ｐ 回転軸中心から第２インペラのブレードの前縁に接線を引いたときの接点
ＲＰ 接点と回転軸中心との距離
ｎ 前進翼型ブレードの前縁の先端部分

Claims (3)

1. 軸流方向に回転軸中心をそろえて配置された上流側の第１インペラ及び下流側の第２インペラと、前記第１インペラを回転する第１モータと、前記第２インペラを回転する第２モータと、送風量を調節する送風量調節手段とを備え、前記第１インペラと前記第２インペラとが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機において、
   当該二重反転式送風機は、前記軸流方向の後方から空気を吸い込むとともに、前記第１インペラと前記第２インペラとの間からも空気を吸い込むものであり、
   前記送風量調節手段は、整流効果により風の流れが前記軸流方向に集中する第１の送風状態と、前記第１の送風状態よりも前記送風量が少なく且つ前記整流効果が小さい第２の送風状態とを切り換えるものであることを特徴とする二重反転式送風機。
2. 前記第１インペラの直径をＬ１、前記第２インペラの直径をＬ２、前記第１の送風状態における前記第１インペラの回転数をＸ１、前記第２インペラの回転数をＹ１、前記第２の送風状態における前記第１インペラの回転数をＸ２、前記第２インペラの回転数をＹ２とするとき、
   それらは、Ｌ２／Ｌ１＝１．０６〜１．２０、Ｘ１／Ｘ２＝１．２５〜１．５０、Ｙ１＝Ｙ２、の関係が成り立つようにしたことを特徴とする請求項１記載の二重反転式送風機。
3. 前記第２インペラのブレードは、前記軸流方向の正面からみたとき、その前縁の先端部分がチップ側に向って回転方向の幅を減少するテーパー状となっており、
   前記第１インペラのブレードの回転半径をＲ１、前記第２インペラのブレードの回転半径をＲ２とし、更に前記回転軸中心から前記第２インペラのブレードの前縁に接線を引いたときの接点と前記回転軸中心との距離をＲＰとするとき、
   それらは、ＲＰ＜Ｒ１＜Ｒ２、の関係が成り立つようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の二重反転式送風機。

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