JP5956421B2 - 超低騒音のファン羽根を有する軸流ファンを備える商用の空冷装置 - Google Patents

Description

大型の超低騒音の商用ファンは、例えば、冷却塔、空冷式熱交換器といった商用の空冷装置に用いられており、該空冷装置は、大型のラジエータ気体冷却器および空冷式スチームコンデンサを備える。大型の超低騒音商用ファンは、１．２２ｍ（４ｆｔ）よりも大きな直径を有し、前方に向けて湾曲して延びる凹状の前縁部を有する羽根を備える。前方に湾曲して延びる凹状の前縁部は、このようなファン羽根によって発生される騒音を低減する。前方に湾曲して延びる前縁部は、ファンの回転方向に所定の角度で傾斜する前縁部である。典型的なファン１は、羽根２を備え、該羽根２は、図１に示す、前方に湾曲して延びる前縁部３を有する。図示されているように、前縁部は、前方に向かう凹状の曲線４を含む。前方に湾曲して延びる凹状の前縁部を有するファン羽根は、最も静かなファンを提供する。このような羽根を有するファンは、一般的に「超低騒音ファン（Ｓｕｐｅｒ Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ ｆａｎｓ）」、または代替的に「極低騒音ファン（Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ ｆａｎｓ）」と呼ばれる。このようなファン羽根は、Ｔ．Ｗｒｉｇｈｔと、Ｗ．Ｅ．Ｓｉｍｍｏｎｓによる「低速軸流ファンの羽根曲線」という名称の記事（１９９０年１月発刊のターボ機械ジャーナルの１５１ページから１５８ページ）と、Ｉｒ．Ｈｅｎｋ Ｆ．Ｖａｎ ｄｅｒ Ｓｐｅｋによる「冷却ファンによる騒音の低減」という名称の会誌（１９９３年の冷却塔学会の年次会議にて提供）に、記載されている。これらの記事の全ては、この参照によって本稿に含まれる。これらの羽根は、典型的には、これらの複雑な形状に容易に成形可能とするために、ポリエステル樹脂を含むガラス繊維から作製される。さらに、これらの羽根は、ファンハブに固設される。結果的に、現状として入手可能である最も静かなこれら超低騒音ファンは、組み立てるのに重量が重く、且つ、費用が高くなってしまう。これらの重量のために、設置するのに煩わしく、クレーンまたは重機を要することとなる。そして、その不安定さによって、支持構造および軸受に対して実質的な負荷が生じる。このことが、構造的な欠陥、および／またはファン軸受寿命の縮減に繋がってしまう。

例示的実施形態において、大径軸流ファンと、このようなファンを備える商用の空冷装置とが提供される。例示的実施形態において、大径軸流ファンは、冷却を行うために空冷装置において気流を発生させるために、空冷装置に取り付けられる。ファンは、少なくとも１．２２ｍ（４ｆｔ）の直径を有する。また、ファンは、複数の羽根を有する。羽根の各々は、後縁部の反対側に前縁部を含む。各羽根の前縁部の全体は、直線的であって、前方へ向けて延び、羽根の各々は、金属の外面を含む。そして、ファンは、超低騒音ファンである。さらなる例示的実施形態において、商用の空冷装置は、空冷式熱交換器、ラジエータ冷却器、空冷式スチームコンデンサ、および冷却塔からなる空冷装置のグループから選択される。一例示的実施形態において、羽根の前縁部の各々は、羽根の回転半径から測って２５°の角度で、前方に向かって延びる。他の例示的実施形態において、羽根の各々は、金属シート応力外皮から作製される。さらなる例示的実施形態において、金属シートは、アルミニウムである。

さらなる他の例示的実施形態において、ファンは、少なくとも２．７４ｍ（９ｆｔ）、３．０５ｍ（１０ｆｔ）、３．３５ｍ（１１ｆｔ）、３．６５ｍ（１２ｆｔ）、３．９６ｍ（１３ｆｔ）、または４．２６ｍ（１４ｆｔ）の直径を有する。さらなる他の例示的実施形態において、ファンは、ハブを有し、羽根は、前記ハブに弾性的に取り付けられる。他の例示的実施形態において、羽根の各々は、発泡体で満たされる。さらなる他の例示的実施形態において、各羽根の後縁部の全体は、直線状である。さらなる他の例示的実施形態において、羽根の各々は、約１．０６７ｍ（４２インチ）の長さを有する。他の例示的実施形態において、羽根の各々は、約１．２１９ｍ（４８インチ）の長さを有する。さらなる他の例示的実施形態において、羽根の各々は、約１．２１９ｍ（４８インチ）の平均コード長（ａｖｅｒａｇｅ ｃｈｏｒｄ ｌｅｎｇｔｈ）を有する。さらなる他の例示的実施形態において、ファンは、ｄＢＡとして示される音響パワーレベルを発生させ、この音響パワーレベルは、下式によって決定される。
ＰＷＬ＝Ｃ＋３０ｌｏｇ_１０（ＴＳ／１０００）＋１０ｌｏｇ_１０（ＨＰ）＋Ａｄｄ
ここで、
ＰＷＬは、ｄＢＡで示されるファン音響パワーレベルであり、
Ｃは、ｄＢＡで示されるファン基準騒音レベルであって、羽根設計の関数となり、
ＴＳは、ｆｔ／分で示されるファン先端速度であって、π×ファンｒｐｍ×ファン直径に等しく、
ＨＰは、ファン軸馬力であり、
Ａｄｄは、導入と設置の効果に起因する追加的な騒音である。

一例示的実施形態において、ファンに係るＣは、４５ｄＢＡ以下である。他の例示的実施形態において、ファンに係るＣは、４３〜４５ｄＢＡの範囲である。さらなる他の例示的実施形態において、ファンに係るＣは、４３ｄＢＡ以下である。

従来の、前方に凹状に延びる超低騒音ファンの平面図である。 本発明の例示的実施形に係る超低騒音ファンを備えた空冷式熱交換器の概略図である。 本発明の超低騒音ファンの例示的実施形態を備えた冷却塔の概略図である。 本発明の超低騒音ファンの例示的実施形態を備えた大径ラジエータ冷却器の概略図である。 本発明の例示的実施形態に係る超低騒音ファンを備えた空冷式スチームコンデンサの概略図である。 本発明の例示的実施形態に係る羽根の概略斜視図であって、羽根のリブと桁を図示するために外皮を透明とした状態を示す。 本発明の例示的実施形態に係る羽根を備えた、本発明の例示的実施形態に係る超低騒音ファンの平面図である。 本発明のファンの部分端面図であって、ハブ上に弾性的に取り付けられた羽根を示している。 本発明の羽根の取り付け側の端面斜視図である。

本発明は、超低騒音軸流ファン２、および、このようなファンを備える商用の空冷装置を提供する。この超低騒音軸流ファン２は、例えば、空冷式気体熱交換器４（図２Ａ）、および冷却塔６（図２Ｂ）といった、商用（例えば、産業用）の空冷装置における使用のための、商用（例えば、産業用）アプリケーションに用いられるものである。空冷装置は、流体または他の構造物の冷却を実行するために気体を用いる装置である。また、本稿にて用いられる「空冷装置」は、流体または他の構造物を加熱するために気体を用いる装置も含む。商用アプリケーション、およびエンジン冷却アプリケーションに用いられ得る大型のラジエータ気体冷却器５（図２Ｃ）と、空冷式スチームコンデンサ７（図２Ｄ）も、空冷式熱交換器であると見做され、進歩的なファンを備える進歩的な空冷装置の一部である。空冷式熱交換器および冷却塔は、本技術分野にて広く知られているので、ここでは詳述しない。進歩的なファンは、直線的に前方に延びる羽根と、１．２２ｍ（４ｆｔ）以上、４．２６ｍ（１４ｆｔ）以下、またはそれ以上に大きな直径とを有する。例示的実施形態において、ファンは、弾性的に取り付けられ、前方に延びる、低騒音の羽根を有し、該羽根は、金属シートから作製される。例示的実施形態に係る羽根は、後縁部１５の反対側に、前縁部１３を含む（図４）。前縁部１３は、全体的に、前方に向けて直線的に延びる。より具体的な例示的実施形態においては、進歩的なファンは、２．７４ｍ（９ｆｔ）、３．０５ｍ（１０ｆｔ）、３．３５ｍ（１１ｆｔ）、３．６５ｍ（１２ｆｔ）、および３．９６ｍ（１３ｆｔ）の直径１１を有する（図４）。発明者は、騒音および性能のために、少なくとも１０通りのフィートを持つ例示的ファンを作製し、試験を行ってきた。そして、発明者は、前方に湾曲して延びる前縁部を有する、従来の超低騒音ファンに匹敵する騒音および性能を備えることを発見した。これは、複合材料からなる外皮を有する羽根を備える比較対象のファンよりも騒音が大きくなる金属製の外皮を有する羽根を備えるファンとしては、予期せぬ結果であった。また、凹状に湾曲する前縁部を有する羽根が最も静かなファンであることが、全ての教示によって示されていたことからも、これは、予期せぬ結果であった。

例えば、空冷式熱交換器および冷却塔に用いられる、本発明に係るファンのような大径ファン（すなわち、少なくとも１．２２ｍ（４ｆｔ）の直径を有するファン）の騒音は、多くの要因によって影響を受ける。ファンによって発生する騒音は、下式によって予想され得る。
ＰＷＬ＝Ｃ＋３０ｌｏｇ_１０（ＴＳ／１０００）＋１０ｌｏｇ_１０（ＨＰ）＋Ａｄｄ
ここで、
ＰＷＬは、ｄＢＡで示されるファン音響パワーレベルであり、
Ｃは、ｄＢＡで示されるファン基準騒音レベルであって、羽根設計の関数となり、
ＴＳは、フィート／分で示されるファン先端速度であって、π×ファンｒｐｍ×ファン直径に等しく、
ＨＰは、ファン軸馬力であり、
Ａｄｄは、導入と設置の効果（例えば、障害物、吸い込み状態）に起因する追加的な騒音である。

上式から、ファンの先端速度と馬力は、ファン騒音の強力な発生要因となるので、旧世代のファンですら、ファン馬力または先端速度を下げることによって、ある程度まで静かにさせることができる。しかしながら、同じ直径を有し、且つ、同じ環境において同じ基準で動作する、２つの動作中のファンの騒音レベルを比較すると、このようなファンによって発生される全体的な騒音（すなわち、ＰＷＬ）を決定する変数は、「Ｃ」となる。

より古い、狭いコード（ｃｈｏｒｄ）の羽根においては、「Ｃ」は、典型的には、５３〜５５ｄＢである。その一方で、例えば図１に示すもののように、湾曲した前縁部を有する従来の超低騒音ファンにおいては、「Ｃ」は、４３〜４５ｄＢＡ程度に低くなり得る。このように、同じファンの速度および馬力においては、従来の超低騒音ファンを用いることによって、同じ直径と、前方に凹状に延びる曲線部を含む前縁部を有していない羽根とを備える従来のファンに対して、１０ｄＢＡまでの騒音低減を達成することができる。そして、本例示的実施形態に係るファンは、全体として前方に直線的に延びる前縁部を有する、例示的実施形態に係る羽根を備えており、４３〜４５ｄＢＡ程度に低い、またはそれ以下の「Ｃ」値を有する。このように、進歩的な本ファンは、従来の超低騒音ファンと同等、またはそれ以下の騒音を発生させる。

例示的実施形態において、前方に延びる羽根１０の各々は、例えば、図３に示すリブ１２のようなリブと、前桁（ｆｏｒｗａｒｄ ｓｐａｒ）１６と、後桁（ｒｅａｒ ｓｐａｒ）１８とを有する。例示的実施形態において、前桁１６は、概してＣ字状の断面を有する一方で、後桁１８は、概してＺ字状の断面を有する。この２つの桁は、連結桁３５によって、桁の末端部にて、互いに連結されている。例示的実施形態においては、連結桁３５も、Ｃ字状の断面を有する。基端部において、前桁および後桁は、ヒンジアーム３０を有する取り付けブロック３７によって、互いに連結される。例示的実施形態において、連結桁は、前桁および後桁にリベット止めされており、取り付けブロックは、前桁および後桁にボルト止めされている。他の例示的実施形態においては、連結桁および取り付けブロックは、前桁および後桁に溶接されてもよいし、または、他の方法で前桁および後桁に取り付けられてもよい。例示的実施形態において、本発明の前方に延びる羽根の各々は、直線状に延びる。すなわち、羽根の各々は、前縁部１３を有し、該前縁部１３は、全体的に、ファン回転の方向２９に、各羽根の回転半径２７（すなわち、この半径に沿って、羽根がハブに取り付けられている）から計測して約２５°の角度２０で、前方に直線状に延びている（図４）。例示的実施形態において、羽根の後縁部も、全体的に直線状である。例示的羽根は、例えば図４および図５に示されているハブ２６のようなハブ上に、弾性ブッシュ２８を用いて、取り付けられている。弾性ブッシュ２８は、ヒンジアーム３０に嵌入されており、該ヒンジアーム３０は、中央ハブ３３から延びる径方向スポーク３４の端部３２に跨っている。中央ハブ３３および径方向スポーク３４は、全体としてのハブ２６を構成している。この弾性的な取り付けによって、羽根は、ハブに対して、少なくともいくらかの上昇／下降の回転動作を行うことができる。

弾性的な取り付けによって、本技術分野にて公知の事項であるが、１次モードの共振周波数が除かれる。図５は、動作時における例示的実施形態の典型的なハブ／羽根／ピボットの配置を示している。ピボット２６は、回転の中心Ｃ_Ｌから径方向距離Ｒ_Ｍに配置されている。羽根の重力の中心２７は、ピボットから径方向距離Ｒ_ＣＧの位置に配置されている。羽根の共振周波数（ｆ_Ｎ）は、下式に示すように、ファンの回転周波数（ｆ）に連関することが示され得る。
ｆ_Ｎ＝ｆ（（Ｒ_Ｍ＋Ｒ_ＣＧ）／Ｒ_ＣＧ）^１／２
上式から明らかとなるように、羽根の共振周波数は、常に、羽根の回転速度よりも高くなる。羽根の共振周波数は、取り付け半径Ｒ_Ｍが０となる場合にのみ、回転周波数と一致するのであって、これは、例示的実施形態に係るファンの場合とは異なる。共振周波数は、固定の割合だけ離れつつ、回転速度（すなわち、回転周波数）とともに変化する。これにより、回転周波数が共振周波数に等しくならずに、例示的ファンが変動可能な速度の駆動で動作することを可能とする。ここで、回転周波数が共振周波数に等しくなることによって、早期の構造的な欠陥に繋がり得る。

例示的実施形態において、例示的実施形態に係る羽根を用いて、２．７４ｍ（９ｆｔ）、３．０５ｍ（１０ｆｔ）、３．３５ｍ（１１ｆｔ）、３．６５ｍ（１２ｆｔ）、または３．９６ｍ（１３ｆｔ）の直径のファンが、設けられている。これら例示的ファンには、４つの例示的実施形態に係る羽根が、組み込まれている。他の例示的実施形態においては、例示的ファンは、３つの羽根を有する。さらに他の例示的実施形態においては、ファンは、４つ以上の羽根を有してもよい。他の例示的実施形態においては、４．２６ｍ（１４ｆｔ）の直径のファンに、例示的実施形態に係る羽根が設けられる。一例示的実施形態における４．２６ｍ（１４ｆｔ）の直径のファンには、４つの羽根が設けられる。他の例示的実施形態においては、ファンには、６つの羽根が設けられる。

２．７４ｍ（９ｆｔ）〜３．９６ｍ（１３ｆｔ）の範囲の直径を有する、例示的実施形態に係る羽根は、一実施形態において、４つの羽根を含み、これら羽根の各々は、１．０６７ｍ（４２インチ）の長さ１７と、１．２１９ｍ（４８インチ）の平均コード長１９を有する（図４）。ファンの全直径は、異なる直径２１を有するハブ２６を用いることによって、変化する。このように、例えば、３．０５ｍ（１０ｆｔ）の直径のファンは、２．７４ｍ（９ｆｔ）の直径のファンよりも０．３ｍ（１ｆｔ）大きな直径のハブを有する。他の例示的実施形態において、ファン羽根１０は、１．２１９ｍ（４８インチ）の長さ１７と、１．２１９ｍ（４８インチ）の平均コード長１９を有する。

例示的羽根は、金属シート応力外皮（ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｋｉｎ）を用いて形成される。例示的実施形態においては、金属シート応力外皮は、５０５２ハイグレード海洋合金アルミニウム（５０５２ ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ｍａｒｉｎｅ ａｌｌｏｙ ａｌｉｍｉｎｕｍ）である。金属シート応力外皮は、例えば図６に示されているように、各羽根の外面または外皮３９、桁１６、１８、および、リブ１２を形成するために用いられる。例示的実施形態においては、例えば図４および図６に示されているように、金属の応力外皮のシートは、上凹面４０および下凸面４２を有する羽根外皮を形成するように、リブの周囲に巻かれている。スポット溶接４３およびリベットは、外皮をリブおよび桁に必要に応じて取り付けるために用いられる。スポット溶接は、自動ロボット式スポット溶接機を用いて実行されてもよい。例示的実施形態においては、羽根は、外面３９によって画定され、高密度の発泡体で満たされている。例示的発泡体は、約３２ｋｇ／ｍ^３（２ｌｂｓ／ｆｔ^３）の密度を有するポリウレタン発泡体を含む。発明者による試験によって、発泡体がファンをより静音化することが示された。直線的な前縁部および後縁部を有する、例示的実施形態に係る羽根は、シートメタルを用いて、より容易に製造することができる。何故ならば、シートメタルは、前縁部および後縁部を形成するように容易に屈曲させ、成形することができるからである。これにより、製造コストを低減することができる。また、例示的実施形態に係る羽根は、図１に示すような複合材料から構成された従来の超低騒音ファンよりも、重量が軽くなる。

例示的実施形態に係るファンは、同じ環境および同じパラメータ（例えば、ｒｐｍ）の下で動作する、同じ直径を有する現行の超低騒音ファンよりも、軽量となるとともに、振動を低減する。その結果、例示的実施形態に係るファンを使用することによって、駆動機構と構造に負荷され、駆動機構と構造を通して伝達されるストレスを、低減することができる。その結果、このような機構と構造の動作寿命を延ばすことができる。さらに、例示的実施形態に係るファンは、駆動機構と構造にもたらされる曲げ負荷を、従来の超低騒音ファンよりも低減することができる。また、例示的実施形態に係るファンの設置も、従来の超低騒音ファンよりも容易とすることができる。

本発明を、限られた数の実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、本開示の利益を享受し、本稿に開示された発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態を考案することが可能である。したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態のみならず、未知の、もしくは後に発見された特徴の組み合わせ、または、開示された概念の範囲内、および発明者が得るべき特許保護に対する特許請求の範囲の全範囲内における同等物をも包含すべきものである。

Claims (15)

1. 商用の空冷装置と大径軸流ファンの複合体であって、
   冷却のために気流を発生させる商用の空冷装置（４、５、６、７）と、
   前記冷却のために前記空冷装置において前記気流を発生させるために、前記空冷装置に取り付けられる大径軸流ファン（２）と、を備え、
   前記ファン（２）は、少なくとも１．２２ｍ（４ｆｔ）の直径（１１）と、複数の羽根（１０）とを有し、
   前記羽根の各々は、後縁部（１５）の反対側に前縁部（１３）を含み、
   前記羽根の各々の前記前縁部（１３）の全体は、直線状であって、前方へ向けて延び、
   前記羽根の各々は、前桁（１６）、後桁（１８）、および連結桁（３５）に亘って金属の外面（３９）を含み、該外面（３９）は、前記前桁と前記後桁とを相互に接続し、
   前記ファンの、ｄＢＡとして示される音響パワーレベルは、
   ＰＷＬ＝Ｃ＋３０ｌｏｇ _１０ （ＴＳ／１０００）＋１０ｌｏｇ _１０ （ＨＰ）＋Ａｄｄ
   で表される式によって決定され、
   ＰＷＬは、ｄＢＡで示されるファン音響パワーレベルであり、
   Ｃは、ｄＢＡで示されるファン基準騒音レベルであって、羽根設計の関数となり、
   ＴＳは、フィート／分で示されるファン先端速度であって、π×ファンｒｐｍ×ファン直径に等しく、
   ＨＰは、ファン軸馬力であり、
   Ａｄｄは、導入と設置の効果に起因する追加的な騒音であり、
   前記ファンに係るＣは、４５ｄＢＡ以下である、
   ことを特徴とする複合体。
2. 前記商用の空冷装置は、空冷式熱交換器（４）、ラジエータ冷却器（５）、空冷式スチームコンデンサ（７）、および冷却塔（６）からなる空冷装置のグループから選択される、請求項１に記載の複合体。
3. 前記羽根の各々は、金属シート応力外皮から作製される、請求項１に記載の複合体。
4. 前記ファン（２）は、少なくとも２．７４ｍ（９ｆｔ）の直径（１１）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
5. 前記ファン（２）は、少なくとも３．６５ｍ（１２ｆｔ）の直径（１１）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
6. 前記ファン（２）は、少なくとも４．２６ｍ（１４ｆｔ）の直径（１１）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
7. 前記ファンは、ハブ（２６）を有し、
   前記羽根（１０）は、前記ハブ（２６）に弾性的に取り付けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
8. 前記羽根（１０）の各々は、発泡体で満たされる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
9. 前記羽根（１０）の各々の前記後縁部（１５）の全体は、直線状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
10. 前記羽根（１０）の各々は、少なくとも１．０６７ｍ（４２インチ）の長さ（１７）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
11. 前記羽根の各々は、少なくとも１．２１９ｍ（４８インチ）の平均コード長（１９）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
12. 前記ファン（２）は、少なくとも３つの羽根（１０）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
13. 前記金属の外面（３９）は、前記前桁（１６）と前記後桁（１８）との間で延在する第１の面部分（４０）を含み、該第１の面部分（４０）は、前記前桁（１６）と前記後桁（１８）との間で延在する第２の面部分（４２）とは反対側にあり、
    前記第１の面部分（４０）は、凹状であり、前記第２の面部分（４２）は、凸状である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
14. 前記ファンに係るＣは、４３〜４５ｄＢＡの範囲である、請求項１に記載の複合体。
15. 前記ファンに係るＣは、４３ｄＢＡ以下である、請求項１に記載の複合体。

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