JP5728210B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、軸流ファンに係り、特に電子機器等の冷却用に用いられる軸流ファンに関する。

例えば、パーソナルコンピュータやコピー機等の電子機器においては、多数の電子部品を比較的狭い筐体内に収容しているため、電子部品から発生する熱が筐体内にこもり、電子部品を熱破壊させる虞があり、大きな問題を引き起こす。このため、このような電子機器の筐体の壁面や天井面に通気口を設け、その通気口から筐体内の熱を外部に排出している。このような電子機器の冷却用手段として、軸流ファンが用いられている。このような電子機器を冷却するための軸流ファンはできる限り騒音を低減させ、風量性能の向上が求められている。そして、軸流ファンの風量性能の向上を図るために、羽根の形状の最適化や、ハウジング構造を最適化することが行われている。

羽根においては、羽根の形状を最適化することによって低騒音化を図る軸流ファンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１３は特許文献１の軸流ファンを示した正面図、図１４は図１３のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。羽根車の円筒形ハブ２の外周面に翼１が放射状に取り付けられ、羽根車の形状はいわゆる前進翼を構成している。そして、羽根車の外径の７０％近傍で翼断面の取り付け角θが最大となるように構成することによって、負圧面上の境界層を吹き飛ばして流出される渦を小さくして低騒音化を図るものである。

特開平８−３０３３９１号

しかしながら、近年の電子部品の高密度化、高性能化に伴って電子部品からの発熱量が多くなっている。このため、電子部部品を収容した電子機器に使用される冷却用軸流ファンは低騒音化のみならず、大風量、高静圧が求められており、さらなる風量特性の改善が求められている。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたもので、軸流ファンの羽根の形状を改良することにより、風量特性を改善した軸流ファンを提供することを目的とする。

本発明者は、羽根の形状と軸流ファンの風量特性との関係について鋭意検討した。その結果、インペラ形状、特に羽根の形状を最適化することによって軸流ファンの風量特性をさらに改善できることを知見した。

具体的には、ハブと、該ハブの外周に配設された複数の羽根とを有するインペラと、該インペラを囲繞するハウジングを備えた軸流ファンにおいて、前記羽根の前縁角度（α）は−８°〜−２０°の範囲で、前記羽根の取付け角度（β）は３６°〜５０°の範囲で、前記羽根のひねり角度（θ）は１０°±２°の範囲であることを特徴とする。

また、好ましくは、前記羽根の前縁角度（α）は−１５°〜−２０°の範囲で、前記羽根の取付け角度（β）は３８°〜５０°の範囲で、前記羽根のひねり角度（θ）は１０°±２°の範囲であることを特徴とする。

また、ハウジングは筒状のケーシングと、該筒状のケーシングの両端に一体に形成したフランジと、モータベースとを備え、前記筒状のケーシングは、吸気口から排気口に向かって内壁面が形成され、前記内壁面の吸気口側は前記フランジのコーナー部に対応した位置になだらかな曲面を備え、各曲面は２箇所のＲ面によって形成され、前記内壁面の中央部分は傾斜面が形成され、前記内壁面の排気口側は前記フランジのコーナー部に対応した位置に曲面を備え、各曲面はＲ面によって形成されていることを特徴とする。

また、筒状のケーシングは排気口に前記モータベースと連結してなる複数のスポークを備え、該スポークは円周方向で均等配置されており、断面形状は翼形にて形成されていることを特徴とする。

また、ハウジングの前記円筒状のケーシングの側壁にスリット又は穴を形成してなることを特徴とする。

本願請求項１に係る発明によれば、静圧−風量特性が不安定になり低下することなく、静圧−風量特性を向上することができる軸流ファンを提供できる。

本願請求項２に係る発明によれば、静圧−風量特性がサージング現象等で不安定となり低下することなく、さらに静圧−風量特性を向上することができる軸流ファンを提供できる。

本願請求項３に係る発明によれば、吸気口の空気をなだらかに筒状のケーシングの内部に案内するとともに、筒状のケーシングの内部を通過した空気を排気口に案内して風量特性を向上することができる。

本願請求項４に係る発明によれば、筒状のケーシングの内部を通過した空気を排気口に案内すると共に、排気口側での圧力を増加して、風量特性を向上することができる。

本願請求項５に係る発明によれば、円筒状のケーシングの側壁に形成したスリット又は穴が吸気口とすることができるため、一層の高風量化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る軸流ファンを示す斜視図である。 図１に示す軸流ファンの断面図である。 図１に示す軸流ファンの吸込み側から見た平面図である。 図１に示す軸流ファンの底面図である。 図１に示すインペラの斜視図である。 図５に示すインペラの平面図で前縁角度を説明した図である。 羽根の前縁角度と流量の関係を説明した図ある。 図５に示すインペラの側面図で取付け角度を説明した図ある。 羽根の取付け角度と流量の関係を説明した図ある。 羽根のひねり角度を説明した図である。 羽根のひねり角度と流量の関係を説明した図ある。 本発明の実施形態に係る軸流ファンと従来の軸流ファンにおける静圧−風量特性を示した図である。 従来の軸流ファンを示した正面図である。 図１３のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る軸流ファンを示す斜視図、図２は図１の断面図、図３は図１に示す軸流ファンの吸込み側から見た平面図、図４は図１に示す軸流ファンの底面図、図５は図１に示すインペラの斜視図、図６は図５に示すインペラの平面図で前縁角度を説明した図、図７は羽根の前縁角度と流量の関係を説明した図、図８は図５に示すインペラの側面図で取付け角度を説明した図、図９は羽根の取付け角度と流量の関係を説明した図、図１０は羽根のひねり角度を説明した図、図１１は羽根のひねり角度と流量の関係を説明した図である。また、図７、図９、図１１はいずれも回転数が４６００ｒｐｍ一定で、静圧１０Ｐａ時の排気口での流量を、有限体積法を用いた解析技術によりシミュレーションした図である。なお、シミュレーション値と実測値とはその整合性を確認済みである。

軸流ファン１は、複数の羽根４を備えたインペラ３を取り付けたモータ２と、モータ２を支持するハウジング６とで構成されている。モータ２は複数本のスポーク７によりハウジング６に固定されている。そして、モータ２によって羽根４を回転させる。モータ２の回転に伴い、羽根４が回転すると、ハウジング６の吸気口側から空気を吸気し、ハウジング６の内部を通過してハウジング６の排気口側から排気を行う。

インペラ３は円筒状のハブ５と、ハブ５の外周面に配設された複数の羽根４から構成されており、羽根４（図示例では７枚）は円周方向に等間隔で設けられている。そして、羽根４はすべて同じ形状からなり、熱可塑性樹脂の射出成形にてハブ５と一体に形成されている。矢印１０は羽根４の回転方向を示す。

羽根４の前縁角度（α）は−８°〜−２０°の範囲に設定される。ここで、前縁角度（α）は、図６に示すように、ハブ５の中心Ｏと羽根４の前縁１１とハブ５との交点Ａを結ぶ直線と、交点Ａと羽根４の前縁１１と羽根４の翼端１２との交点Ｂとを結ぶ直線とがなす角度で定義される角度を示すもので、マイナス（−）は交点Ｂがハブ５の中心Ｏと羽根４の前縁１１とハブ５との交点Ａを結ぶ直線よりも回転方向後端（後側）に位置していることを意味している。

図７は羽根４の前縁角度（α）と流量の関係を説明した図で、静圧１０Ｐａ時の排気口での流量を、有限体積法を用いた解析技術によりシミュレーションした図である。図７に示すように、羽根４の前縁角度（α）を−８°から−２０°に変化させたときの流量は羽根４の前縁角度（α）を小さくすると（０°に近づける方向）、流量は前縁角度（α）が約−１５°から減少する。一方、前縁角度（α）が約−１５°から約−２０°の範囲では流量にほとんど変化は見られないが、前縁角度（α）が−１７°にて最大の流量を示している。したがって、羽根４の前縁角度（α）は−８°〜−２０°の範囲に設定され、好ましくは前縁角度（α）が−１５°〜−２０°の範囲に設定することによって流れの剥離の発生を抑制し、この角度範囲で極大とも言える高い流量特性を維持・確保できる。

また、羽根４の取付け角度（β）は３６°〜５０°の範囲に設定される。図８に示すように、羽根４の取付け角度（β）は、羽根４の前縁１１と羽根４の後縁１３とを結んだ直線と回転軸線に垂直な平面とがなす角度を示すもので、回転軸線に垂直な平面に対する傾きの角度を示している。ここで、取付け角度（β）は、羽根４の根元側（ハブ５との装着側）における角度を示している。

図９は羽根４の取付け角度（β）と流量の関係を説明した図で、羽根４の前縁角度（α）が１７°、静圧１０Ｐａ時の排気口での流量を、有限体積法を用いた解析技術によりシミュレーションした図である。図９に示すように、羽根４の取付け角度（β）を約４０°よりも小さくすると、羽根４が流体の流路を遮る状態となるため、流量が減少傾向を示す。一方、羽根４の取付け角度（β）を大きくすると、流量は増加傾向を示し、羽根４の取付け角度（β）が約４０°から５０°の範囲では流量にほとんど変化は見られないが、取付け角度（β）が４０°にて最大の流量を示している。したがって、羽根４の取付け角度（β）は３６°〜５０°の範囲に設定され、好ましくは取付け角度（β）が３８°〜５０°の範囲に設定することによって流量がほとんど変化することなく、流量を大きくできる。なお、羽根４の取付け角度（β）を大きくすると、モータ２の回転トルクが増大し、その結果、モータ２の消費電力の増加を招き、ファン効率が低下するため、取付け角度（β）は４０°前後に設定することが好ましい。

また、羽根４のひねり角度（θ）は１０°±２°の範囲に設定される。ここで、ひねり角度（θ）は、図１０に示すように、羽根４の根元側（ハブ５との装着側）における傾き角（θ１）と羽根４の翼端１２側（羽根４の先端側）における傾き角（θ２）との差を示している。

図１１は羽根４のひねり角度（θ）と流量の関係を説明した図で、羽根４の前縁角度（α）が１７°、取付け角度（β）が４０°、静圧１０Ｐａ時の排気口での流量を、有限体積法を用いた解析技術によりシミュレーションした図である。図１１に示すように、流量を低下させることなく、流量の増大を図ることができる。

ハウジング６は、外形が四角形からなり、筒状のケーシング８と、筒状のケーシング８の両端に一体に形成したフランジ９，９と、モータ２を装着するモータベース１８とで構成されており、モータベース１８はスポーク７にてハウジング６と連結している。そして、筒状のケーシング８とフランジ９，９とモータベース１８とスポーク７は熱可塑性樹脂の射出成形にて一体に形成されている。

フランジ９の４箇所のコーナー部には機器などに取り付けるためのボルトやねじを挿通するための貫通孔１４が形成されている。

また、筒状のケーシング８は、吸気口から排気口に向かって内壁面が形成されている。内壁面の吸気口側は、フランジの４箇所のコーナー部に対応した位置に４つのなだらかな曲面１５を備えており、各曲面１５は、それぞれ図２に示すように２箇所のＲ面（Ｒ１、Ｒ２）によって形成されている。そして、内壁面の中央部分は、図２に示すように僅かに傾斜した傾斜面１６が形成されている。羽根４の外周面と内壁面との間には隙間が形成され、この隙間は吸気口から排気口に向かって漸減している。

一方、内壁面の排気口側は、フランジの４箇所のコーナー部に対応した位置に４つのなだらかな曲面１７を備えており、各曲面１７は、図２に示すようにＲ面によって形成されている。

筒状のケーシング８の排気口の中央に配設されたモータベース１８は４本のスポーク７にて筒状のケーシング８の排気口側に連結固定されている。この４本のスポーク７は円周方向で均等配置されており、断面形状は翼形にて形成され所定の角度に傾けられている。そして、筒状のケーシング８の内部を通過した空気を排気口に案内すると共に、排気口側での圧力を増加するための案内羽根として機能する。

軸流ファン１の作用について簡単に説明する。制御回路からの信号に基づき、励磁電流が供給されることによってモータ２のロータが回転し、このロータの回転によって羽根４が回転する。羽根４が回転すると、筒状のケーシング８の吸気口側の空気の流れが吸気口に形成した曲面１５に沿って滑らかに筒状のケーシング８の内部に流入する。そして、筒状のケーシング８の内部に流入した空気は、羽根４によって案内されると共に傾斜面１６が形成された内壁に沿って案内され、ケーシング６の内部を通過する。ケーシング６の内部を通過した空気は、排気口側に形成された曲面１７に沿って滑らかに排気されると共に、ケーシング６の内部を通過した空気は翼形に形成されたスポーク７によって排気口で圧力が増加されて排気される。

図１２は本発明の軸流ファンと従来の軸流ファンにおける静圧−風量特性を示した図である。縦軸に静圧Ｐを、横軸に風量Ｑをとっている。図１２に示すように、従来の軸流ファンでは、風量の中域で静圧が低下する、いわゆるサージング現象が生じ、軸流ファンが動作不安定となる傾向を示しているが、本発明の軸流ファンによれば、従来の軸流ファンにおいて見られたサージング現象が改善され、動作不安定となることなく、静圧−風量特性を向上することができ、ひいては低騒音の軸流ファンを提供できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、ハウジングの円筒状のケーシング８の側壁にスリット又は穴を形成した構成であってもよい。この場合、円筒状のケーシング８の側壁に形成したスリット又は穴が吸気口の一部として機能するため、風量を増加することができる結果、さらに静圧−風量特性を向上することができる。

１ 軸流ファン
２ モータ
３ インペラ
４ 羽根
５ ハブ
６ ハウジング
７ スポーク
８ ケーシング
９ フランジ
１１ 前縁
１２ 翼端
１３ 後縁
１４ 貫通孔
１５ 曲面
１６ 傾斜面
１７ 曲面
１８ モータベース
α 前縁角度
β 取付け角度
θ ひねり角度

Claims (5)

1. ハブと、該ハブの外周に配設された複数の羽根とを有するインペラと、該インペラを囲繞するハウジングを備えた軸流ファンにおいて、
   前記羽根の前縁角度（α）は−８°〜−２０°の範囲で、
   前記羽根の取付け角度（β）は３６°〜５０°の範囲で、
   前記羽根のひねり角度（θ）は１０°±２°の範囲であることを特徴とする軸流ファン。
2. 前記羽根の前縁角度（α）が−１５°〜−２０°の範囲で、
   前記羽根の取付け角度（β）が３８°〜５０°の範囲で、
   前記羽根のひねり角度（θ）は１０°±２°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記ハウジングは筒状のケーシングと、該筒状のケーシングの両端に一体に形成したフランジと、モータベースとを備え、前記筒状のケーシングは、吸気口から排気口に向かって内壁面が形成され、前記内壁面の吸気口側は前記フランジのコーナー部に対応した位置になだらかな曲面を備え、各曲面は２箇所のＲ面によって形成され、前記内壁面の中央部分は傾斜面が形成され、前記内壁面の排気口側は前記フランジのコーナー部に対応した位置に曲面を備え、各曲面はＲ面によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸流ファン。
4. 前記筒状のケーシングは排気口に前記モータベースと連結してなる複数のスポークを備え、該スポークは円周方向で均等配置されており、断面形状は翼形にて形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸流ファン。
5. 前記ハウジングの前記円筒状のケーシングの側壁にスリット又は穴を形成してなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸流ファン。