JP5739200B2 - 送風機 - Google Patents

Description

本発明は、軸流送風機、遠心送風機等を含む送風機（送風ファン）に関するものである。

特開２０１０−７５４５号公報には、送風機の一例として、複数のブレードを有するインペラと、該インペラを回転させるモータと、インペラの回転により吸入口から吸入した気体を吐出口から吐き出す風洞を有するハウジングとを具備する軸流送風機が示されている。この送風機では、ハウジングの吸入口が設けられる面の輪郭の形状が実質的に矩形形状を有している。そして吸入口周辺から発生する騒音を低減して、送風機全体から発生する騒音を低減する目的で、風洞の内壁面には、吸入口側の輪郭の四隅に対応する４箇所の位置に、吐出口側から吸入口に向かうに従って回転軸の径方向外側に傾斜し、且つインペラの回転方向に延びる４つのテーパ部が形成されている。

特開２０１０−７５４５号公報

しかしながら、従来の構造で、騒音を抑制することには限界があった。

本発明の目的は、従来よりも騒音を抑制できる送風機を提供することにある。

本発明が改良の対象とする送風機は、複数のブレードを有するインペラと、該インペラを回転させる回転軸を有するモータと、ハウジングとを具備している。本願明細書において送風機とは、インペラが回転することにより気体を吸い込んで吐き出す軸流送風機、遠心送風機、斜流送風機等の送風機を含むものである。ハウジングは、吸入口と吐出口とを有して、少なくともインペラを内蔵し、インペラの回転により吸入口から吸入した気体を吐出口から吐き出す。また、ハウジングの吸入口が設けられる面の輪郭の形状が実質的に矩形形状を有している。ここで実質的に矩形状とは、四隅が直角になっている完全な矩形形状及び矩形の角部に小さいアールやテーパが付いている矩形形状、輪郭の外周部にリード線を係止する係止部構成用の溝部が形成されている場合等も含むものである。そして、風洞の内壁面には、吸入口側の輪郭の四隅に対応する４箇所の位置に対応して、吐出口側から吸入口に向かうに従って回転軸の径方向外側に傾斜し且つインペラの回転方向に延びる４つのテーパ部が形成されている。本発明では、テーパ部が、回転方向とは逆の方向に位置する一端から回転方向に位置する他端に向かうに従って回転軸の軸線との間の角度が徐々に小さくなる形状を有する主要部分を有している。ここで「角度が徐々に小さくなる」とは、連続して角度が小さくなる場合のほかに、段階的に角度が小さくなる場合も含むものである。

本発明のように、四隅のテーパ部の主要部分が、回転方向とは逆の方向に位置する一端から回転方向に位置する他端に向かうに従って回転軸の軸線との間の角度が徐々に小さくなる形状を有していると、吸入口側で発生する騒音を従来よりも抑制できる。これは、このようにテーパ部の形状を定めることにより、ハウジング内部に気体が流入する際に、吸入口の縁部と流入する空気との間の摩擦抵抗が小さくなって、空気がスムーズに吸入されるからではないかと推測する。このような構造を採用すると、送風機全体から発生する騒音の周波数成分のうち特に高周波領域における周波数成分の音圧が下がっていることが確認されている。また、インペラのブレードの枚数に起因する音圧ピークの周波数成分の音圧が下がっていることも確認されている。本発明者としては、この現象が送風機全体の騒音低減に寄与しているものと考えている。

より具体的な送風機では、仮想平面によって風洞を２分割して、吸入口側に位置する第１の風洞分と吐出口側に位置する第２の風洞部分とに分けたと仮定したときには、前述の四隅のテーパ部が第１の風洞部分の内壁面に形成されていることになる。

テーパ部は、吐出口側に位置して回転方向に延びる第１の辺と吸入口側に位置する第２の辺とを有しており、第２の辺が回転方向に向かうに従って第１の辺に近づくようにテーパ部の形状を定めるのが好ましい。このようにすれば、空気の吸入をよりスムーズにできる。

テーパ部の第２の辺の一端側の端部を、ハウジングの吸入口が形成される面と連続させ、第１の辺と第２の辺とを他端側の端部において収束させてもよい。このようにすれば、空気の吸入をさらにスムーズにできる。

なお、第１の風洞部分の内壁面のテーパ部以外の部分には、第２の辺に沿い且つ軸線と平行に延びる平行面を形成してもよい。

ハウジングの吐出口が設けられる面の輪郭の形状が実質的に矩形形状を有している場合、第２の風洞部分の内壁面には、吐出口側の輪郭の四隅に対応する４箇所の位置に対応して、吸入口側から吐出口に向かうに従って回転軸の径方向外側に傾斜し且つインペラの回転方向に延びる４つの別のテーパ部を形成するのが好ましい。このようにすれば、吐出口側から発生する騒音を低減できる。

なお吸入口近傍に設ける４つのテーパ部は、回転方向の長さ寸法を等しくすることが望ましい。このようにすれば、４つのテーパ部の存在において、大きな偏り無く、ハウジングの内部に空気を吸入することができる。

実際的な送風機の使用を考慮すると、テーパ部の主要部分の軸線に対する最大角度を５〜４５°とするのが好ましい。また、騒音低減の効果を高めるためには、テーパ部の軸線に対する最小角度を０°とするのが好ましい。これらの角度であれば、騒音の低減に十分な効果を発揮する。

テーパ部の主要部分は、第１の辺と第２の辺との間に位置している。テーパ部（６５）は、第１の辺の第３の辺との間に残余部分を備えている。そして残余部分の回転方向の長さ寸法は、主要部分の長さ寸法のほぼ１／４以下の長さ寸法である。このようにすると、騒音の低減効果をさらに高めることができる。

軸流送風機に本発明を適用した本発明の送風機の一実施の形態の断面図である。 図１に示す送風機のハウジングを吸入口側から見た斜視図である。 図１に示す送風機のハウジングを吸入口側から見た平面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図３のＡ-Ａ線断面図、Ｂ-Ｂ線断面図、Ｃ-Ｃ線断面図、Ｄ-Ｄ線断面図を順番に並べた図である。 試験に用いた送風機の静圧と風量との関係を示す図である。 試験に用いた送風機のハウジングの吸入口の中心から回転軸の軸線方向において３０ｃｍ離れた位置で測定した周波数と音圧との関係を示す図である。 試験に用いた送風機のハウジングの吸入口の中心から回転軸の軸線方向と直交する方向に３０ｃｍ離れた位置で測定した周波数と音圧との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、軸流送風機に本発明を適用した送風機の一実施の形態の断面図である。本実施の形態の送風機は、モータ１と、モータ１によって回転させられるインペラ３と、モータ１及びインペラ３を内蔵するハウジング５とを備えている。ハウジング５は、後述する吸入口５１と吐出口５３とを備えている。モータ１は、ステータ７と、回転軸９を中心にしてステータ７の外側を回転するロータ１１とを有している。ステータ７は、ボールベアリングからなる軸受１３及び１５を保持する軸受ホルダ４９の外側に嵌合されるステータコア１９と、このステータコア１９に嵌合された絶縁樹脂製のインシュレータ２１と、このインシュレータ２１を間に介してステータコア１９の複数の突極部に巻装されたステータ巻線２３とから構成されている。軸受ホルダ４９に保持される軸受１３及び１５は、回転軸９を回転自在に支持している。ステータ巻線２３は接続導体２５を介して回路基板２７の図示しない回路パターンに電気的に接続されている。回路基板２７には、ステータ巻線２３に励磁電流を流すための駆動回路が実装されている。

ロータ１１は、回転軸９に固定された絶縁性材料からなる筒状のボス２９と、このボス２９を介して回転軸９に取り付けられた導磁性材料からなるカップ状部材３１と、このカップ状部材３１に固定された複数の永久磁石からなるロータ側磁極３３とから構成される。カップ状部材３１は、ボス２９が貫通する貫通孔を中心部に有する底壁部３１ａとこの底壁部３１ａの外縁部から回転軸９の軸線方向に延びる筒状の周壁部３１ｂとを有している。ロータ側磁極３３を構成する複数の永久磁石は，カップ状部材３１の周壁部３１ｂの内周面上に接合されている。ロータ側磁極３３は、ステータ７のステータコア１９の磁極面と対向している。

インペラ３は、インペラ本体３５と、インペラ本体３５に固定される複数枚（本例では７枚）のブレード３７とを備えている。インペラ３は、合成樹脂により一体成形されている。インペラ本体３５は、ロータ１１のカップ状部材３１の外側に固定されている。複数枚のブレード３７は、モータ１の回転軸９の軸線方向の一方に位置する吸入口５１から気体を吸い込み、軸線方向の他方に位置する吐出口５３から気体を吐出す形状を有している。

ハウジング５は、図２〜図４に示すように、モータ用ケース３９と、ハウジング本体４１と、モータ用ケース３９とハウジング本体４１とを連結する４本のウエブ４３とを有している。ハウジング５は、合成樹脂により一体成形されている。なお、図２及び図３は、吸入口５１側から見たハウジング５の斜視図及び平面図であり、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、図３のＡ-Ａ線断面図、Ｂ-Ｂ線断面図、Ｃ-Ｃ線断面図、Ｄ-Ｄ線断面図を順番に並べた図である。モータ用ケース３９内には、図１に示すように、ステータ７の一部と回路基板２７とが収納されている。このモータ用ケース３９は、吐出口５３の中央部に配置されており、底壁部４５と該底壁部４５と連続して形成されて後述する吸入口５１側に向かって延びる周壁部４７とを有している。底壁部４５の中央には、軸受ホルダ４９が取り付けられる筒部４８が形成されている。

ハウジング本体４１は、吸入口５１と吐出口５３とを有する風洞５５と、風洞５５の吸入口５１側の端部に設けられた第１のフランジ５７と、風洞５５の吐出口５３側の端部に設けられた第２のフランジ５９とを有している。風洞５５の吐出口５３を囲む部分は、４本のウエブ４３によりモータ用ケース３９の周壁部４７と連結されている。第１のフランジ５７及び第２のフランジ５９は、いずれも四隅にアールが付いた実質的に矩形の輪郭形状を有している。よって、本実施の形態のハウジング本体４１の吸入口５１及び吐出口５３が設けられる二つの面５２及び５４の輪郭形状は、それぞれ実質的に矩形形状を有している。そして、ハウジング本体４１の第１のフランジ部５７の４つの角部には、取付用螺子が貫通する貫通孔４１ａがそれぞれ形成されている。

図１及び図４（Ａ）に示すように、風洞５５は、回転軸９の軸線Ａと直交する方向に延び且つ軸線Ａが垂線となる仮想面Ｉにより２分割したと仮定する。この仮定により、風洞５５は、吸入口５１側に位置する第１の風洞部分６１と、吐出口５３側に位置する第２の風洞部分６３とに分けられる。第１の風洞部分６１の内壁面６２には、吸入口５１側の面５２の輪郭の四隅（第１のフランジ５７の４つの角部）に対応する４箇所の位置に対応して、４つのテーパ部６５が形成されている（図３）。第２の風洞部分６３の内壁面にも、吐出口５３側の面５４の輪郭の四隅（第２のフランジ５９の４つの角部）に対応する４箇所の位置に対応して、４つのテーパ部６７が形成されている。第２の風洞部分６３に形成された４つのテーパ部６７は、吸入口５１側から吐出口５３に向かうに従って回転軸９の径方向外側に傾斜し且つインペラ３の回転方向に延びている。

第１の風洞部分６１に形成された４つのテーパ部６５のそれぞれは、第１〜第３の辺６５ａ〜６５ｃに囲まれた三角形に近い形状に形成されている。第１の辺６５ａは、吐出口５３側に位置して回転方向（図３の矢印ＲＤ）に延びている。そして第１の辺６５ａは、回転方向とは逆の方向に位置する一端側の端部６５ｄと、他端側の端部６５ｅとを有している。なお、一端側の端部６５ｄは、隣接するテーパ部６５の他端側の端部６５ｅと一致する。第２の辺６５ｂは、吸入口５１側に位置して第１の辺６５ａから離れるように回転方向ＲＤに対して傾斜する方向に延びている。第２の辺６５ｂは、回転方向ＲＤに向かうに従って第１の辺（６５ａ）に近づくように傾斜している。第２の辺６５ｂは、回転方向ＲＤとは逆の方向に位置する一端側の端部６５ｆと、第１の辺６５ａと連結される他端側の端部６５ｅとを有している。第３の辺６５ｃは、第１の辺６５ａの一端側の端部６５ｄと第２の辺６５ｂの一端側の端部６５ｆとを結んでいる。言い換えるならば、テーパ部６５の主要部分６５Ａは、第１の辺６５ａと第２の辺６５ｂとの間に位置して、第２の辺６５ｂが回転方向に向かうに従って第１の辺６５ａに近づくように形状が定められている。そして、第２の辺６５ｂの一端側の端部６５ｆは、ハウジング本体４１の吸入口５１側の面５２と連続しており、第１の辺６５ａと第２の辺６５ｂは、他端（他端側の端部６５ｅ）において収束している。第３の辺６５ｃと第１の辺６５ａとの間に位置する部分が、テーパ部６５の残余部分６５Ｂである。なお、第１の風洞部分６１の内壁面６２において、テーパ部６５に隣接する部分には、第２の辺６５ｂに沿い且つ軸線Ａと平行に延びる平行面６９が形成されている。

図３及び図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、このテーパ部６５の主要部分６５Ａは、吐出口５３側から吸入口５１に向かうに従って回転軸９の径方向外側に傾斜しており（θ１〜θ４）、インペラ３の回転方向に連続して延びている。４つのテーパ部６５のインペラ３の回転方向の長さ寸法は、いずれも等しくなっている（図３）。さらに、テーパ部６５の主要部分６５Ａは、インペラ３の回転方向（矢印ＲＤ）とは逆の方向に位置する一端６５ｇ（第２の辺の一端６５ｆに対応する位置で図３及び図４（Ａ）に破線で示す部分）から回転方向に位置する他端（第１及び第２の辺６５ａ及び６５ｂの他端側の端部６５ｅ）に向かうに従って[図４（Ａ）〜（Ｄ）の順に従って]回転軸９の軸線Ａ（または軸線Ａと平行な仮想線）との間の角度（θ１〜θ４）が徐々に小さくなる形状を有している。本実施の形態では、テーパ部６５の主要部分６５Ａの軸線Ａに対する最大角度［図４（Ａ）のθ１］は２２°である。テーパ部６５の軸線Ａに対する角度が最小となる他端側の端部６５ｅは、第１の辺６５ａと第２の辺６５ｂとが収束しているため、テーパ部６５の軸線Ａに対する最小角度は０°となる[図４（Ｄ）のθ４参照]。なお実験によると、最大角度は５〜４５°が望ましい。本実施の形態では、テーパ部６５の残余部分６５Ｂは、インペラ３の回転方向の前述の一端６５ｇ（第２の辺の一端６５ｆに対応する位置）から回転方向と逆方向に位置する第１の辺６５ａの一端６５ｄに向かうに従って、回転軸９の軸線Ａ（または軸線Ａと平行な仮想線）との間の角度が徐々に小さくなる形状を有している。残余部分６５Ｂの回転方向の長さ寸法は、主要部分６５Ａの長さ寸法のほぼ１／４以下の長さ寸法を有している。なお本実施の形態の残余部分６５Ｂの前述の角度変化及び長さ寸法は、主要部分６５Ａの騒音低減機能を向上させるものの、低減するものではない。

次に、上記の図１〜図４に示す送風機（実施例と言う）と、テーパ部６５の主要部分６５Ａの幅寸法（軸線方向の寸法）及びテーパ部６５の主要部分６５Ａの軸線Ａに対する角度（２２°）が一定で、その他は実施例と同じ構造を有している送風機（比較例と言う）とを用いて、静圧−風量特性を調べた。具体的には、各送風機を７０００回転／分で回転して風量に対する静圧の関係を測定した。図５は、その測定結果を示している。図５より、実施例の送風機と比較例の送風機は、静圧−風量特性がほぼ等しいのが分かる。

次に、実施例の送風機と比較例の送風機を７０００回転／分で回転して騒音を測定し、騒音の周波数成分と音圧との関係を分析した。図６はハウジングの吸入口の中心から回転軸の軸線方向に３０ｃｍ離れた位置で測定した騒音の周波数成分と音圧との関係を示している。図７は吸入口の中心から回転軸の軸線方向と直交する方向に３０ｃｍ離れた位置で測定した騒音の周波数成分と音圧との関係を示している。両図において、横方向に接して並んでいる２本の棒線の左側の棒線（白色）は比較例の送風機のデータを示すものであり、右側の棒線（黒色）は実施例の送風機のデータを示すものである。両図より、比較的高い周波数成分の領域（２５００〜２００００Ｈｚ）において、実施例の送風機は、比較例の送風機に比べて音圧が低くなっているのが分かる。また、図６において風切音の音圧がピークとなる周波数成分（８００Ｈｚ，１６００Ｈｚ）、及び図７において風切音の音圧がピークとなる周波数成分（８００Ｈｚ，１６００Ｈｚ）においても実施例の送風機は、比較例の送風機に比べて音圧が低くなっているのが分かる。実施例及び比較例の送風機では、インペラのブレードの枚数（７枚）に起因して風切音の音圧ピークの周波数成分は８００Ｈｚ及び１６００Ｈｚとなる。これらの測定結果から、実施例の送風機は、比較例の送風機に比べて、静圧−風量特性を低下させることなく、インペラのブレードの枚数に起因する音圧ピークの周波数成分の音圧を下げて、騒音を抑制できるのが分かる。

上記の実施の形態は、軸流送風機に本発明を適用したものであるが、本発明は、遠心送風機、斜流送風機等のその他の送風機にも適用することができるのは勿論である。

本発明によれば、テーパ部の主要部分が、回転方向とは逆の方向に位置する一端から回転方向に位置する他端に向かうに従って回転軸の軸線との間の角度が徐々に小さくなる形状を有しているので、従来よりも騒音を抑制できる。

１ モータ
３ インペラ
５ ハウジング
７ ステータ
９ 回転軸
３７ ブレード
５１ 吸入口
５３ 吐出口
６５ テーパ部

Claims (9)

1. 複数のブレードを有するインペラと、
   前記インペラを回転させる回転軸を有するモータと、
   吸入口と吐出口とを有して、少なくとも前記インペラを内蔵し、前記インペラの回転により前記吸入口から吸入した気体を前記吐出口から吐き出す風洞を有するハウジングとを具備し、
   前記ハウジングの前記吸入口が設けられる面の輪郭の形状が実質的に矩形形状を有し、
   前記風洞の内壁面には、前記吸入口側の前記輪郭の四隅に対応する４箇所の位置に対応して、前記吐出口側から前記吸入口に向かうに従って前記回転軸の径方向外側に傾斜し且つ前記インペラの回転方向に延びる４つのテーパ部が形成されている送風機であって、
   前記テーパ部は、前記回転方向とは逆の方向に位置する一端から前記回転方向に位置する他端に向かうに従って前記回転軸の軸線Ａとの間の角度が徐々に小さくなる形状を有する主要部分を有していることを特徴とする送風機。
2. 前記風洞を前記軸線が垂線となる仮想平面により２分割して、前記吸入口側に位置する第１の風洞部分と前記吐出口側に位置する第２の風洞部分とに分けたと仮定したときに、前記テーパ部は前記第１の風洞部分の内壁面に形成されている請求項１に記載の送風機。
3. 前記テーパ部の前記主要部分は、前記吐出口側に位置して前記回転方向に延びる第１の辺と前記吸入口側に位置する第２の辺と、前記第１の辺と前記第２の辺とをつなぐ第３の辺とを有しており、前記第２の辺が前記回転方向に向かうに従って前記第１の辺に近づくように前記テーパ部の前記主要部分の形状が定められていることを特徴とする請求項２に記載の送風機。
4. 前記テーパ部の前記第２の辺の前記一端側の端部は、前記ハウジングの前記吸入口側の前記面と連続しており、
   前記第１の辺と前記第２の辺とが前記他端において収束していることを特徴とする請求項３に記載の送風機。
5. 前記第１の風洞部分の前記内壁面には、前記第２の辺に沿い且つ前記軸線と平行に延びる平行面が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の送風機。
6. 前記４つのテーパ部は、前記回転方向の長さ寸法が等しいことを特徴とする請求項１に記載の送風機。
7. 前記テーパ部の前記主要部分の前記軸線に対する最大角度が５〜４５°であり、前記テーパ部の前記主要部分の前記軸線に対する最小角度が０°であることを特徴とする請求項２に記載の送風機。
8. 前記テーパ部の前記主要部分は、前記第１の辺と前記第２の辺との間に位置しており、
   前記テーパ部は、前記第１の辺の前記第３の辺との間に残余部分（６５Ｂ）を備えており、
   前記残余部分の前記回転方向の長さ寸法は、前記主要部分の長さ寸法のほぼ１／４以下の長さ寸法である請求項３に記載の送風機。
9. 前記ハウジングの前記吐出口が設けられる面の輪郭の形状が実質的に矩形形状を有し、
   前記第２の風洞部分の内壁面には、前記吐出口側の前記輪郭の四隅に対応する４箇所の位置に対応して、前記吸入口側から前記吐出口に向かうに従って前記回転軸の径方向外側に傾斜し且つ前記インペラの回転方向に延びる４つのテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一つに記載の送風機。

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