JP5992778B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、羽根車の動翼形状、および羽根車の径方向外周を囲むベンチュリケーシングの内面形状を最適化した軸流ファンに関する。

軸流ファンは、回転駆動装置の回転軸に取り付けられた羽根車の径方向外周に、当該羽根車とともに軸流を形成するための円筒体状のベンチュリケーシングを備える。軸流ファンは、構造が簡単であるので、サーバー等の機器の冷却用ファンとして広く用いられる。

軸流ファンは、一般に風量が大きく、静圧が小さいという送風特性を有する。軸流ファンの送風特性を改良するため、羽根車の動翼形状やベンチュリケーシングの構造などに様々な工夫が施されている。

羽根車の動翼形状に関連する技術として、羽根の後縁と羽根の翼端との交点が羽根車の回転中心を結ぶ直線が、羽根の前縁とハブ及び羽根の境界との交点が羽根車の回転中心を結ぶ直線よりも回転方向側に位置し、ハブの半径から翼端の半径の間の反り比は、ハブの反り比を最小、翼端の反り比を最大とする単調増加の分布で構成した軸流ファンが開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ベンチュリケーシングの構造に関連する技術として、オリフィス（ベンチュリケーシング）の断面が、吸込側における一部又は全部の円弧部、直線部および吐出側円弧部で構成され、吸込側円弧部の円弧半径を吐出側円弧部の円弧半径よりも大きく形成した送風装置が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

２００８−１１１３８３号公報 特開平５−１３３３９８号公報

ところで、特許文献１の軸流ファンは、羽根車の動翼形状を改良することにより静圧を確保しつつ、回転軸を含む面において回転軸と平行な流れを形成することにより低騒音化を図っている。

一方、吸込側円弧部の円弧半径を吐出側円弧部の円弧半径よりも大きく形成することにより、大風量を得ながら、低騒音化を実現している。

しかし、軸流ファンの運転特性は、羽根車の動翼形状とベンチュリケーシングの構造との相互作用が影響する。したがって、羽根車の動翼形状またはベンチュリケーシングの構造のみを個別に設定しても、実使用領域における低騒音化および高静圧化は実現することができない。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、実使用領域において低騒音化および高静圧化を実現することができる軸流ファンの提供を目的とする。

上記目的を達成するための軸流ファンは、羽根車とベンチュリケーシングを備える。

羽根車は、回転駆動装置の回転軸に取り付けられる。ベンチュリケーシングは、羽根車の径方向の外周を囲み、上記回転軸の軸方向に対向する吸気口および吐出口を有する。

上記羽根車の動翼の前縁部は、上記羽根車の回転方向に対して凹状となる円弧に形成される。上記動翼の前縁端部は回転方向へ突き出すように、上記前縁部の凹状円弧と先端辺の曲線との延長線が交わる角度は正面視において３０°〜３７°の鋭角に設定される。

上記ベンチュリケーシングの吸気側傾斜部の開き角度θ３は１２°〜１７°の角度に設定され、吐出側傾斜部の開き角度は３０°〜３５°の角度に設定される。また、上記ベンチュリケーシングの直線部と上記吐出側傾斜部の境界部と、上記動翼の後縁部と上記先端辺の交点との距離は、０．１〜０．５ｍｍの同程度の位置に設定される。さらに、上記ベンチュリケーシングの直線部と上記吐出側傾斜部の境界部は、上記動翼の後縁部と上記先端辺の交点よりも吸気側に位置する。また、上記ベンチュリケーシングの直線部と上記吸気側傾斜部の境界部と、上記動翼の上記前縁部と上記先端辺の交点との距離は、３．０〜３．５ｍｍに設定される。

本発明に係る軸流ファンによれば、羽根車の動翼の前縁部が当該羽根車の回転方向に対して凹状となる円弧に形成される。動翼の前縁端部は回転方向へ突き出すように、前縁部の凹状円弧と先端辺の曲線との延長線が交わる角度は正面視において３０°〜３７°の鋭角に設定される。

ベンチュリケーシングの吸気側傾斜部の開き角度θ３は１２°〜１７°の角度に設定される。ベンチュリケーシングの吐出側傾斜部の開き角度は３０°〜３５°の角度に設定される。

したがって、本発明に係る軸流ファンは、羽根車の動翼形状、および羽根車の径方向外周を囲むベンチュリケーシングの内面形状を最適化することにより、実使用領域において、低騒音化および高静圧化を実現することができる。

本実施形態に係る軸流ファンの正面図および背面図である。 本実施形態における羽根車の正面図および側断面図である。 本実施形態の軸流ファンの側断面図である。 本実施形態におけるベンチュリケーシングの構造の説明図である。 第１の比較形態に係る軸流ファンの正面図および背面図である。 第１の比較形態におけるベンチュリケーシングの構造の説明図である。 第２の比較形態に係る軸流ファンの正面図および背面図である。 第２の比較形態におけるベンチュリケーシングの構造の説明図である。 本実施品と従来品の騒音特性、および風量−静圧特性の比較の説明図である。

以下、図面を参照して、本実施形態に係る軸流ファンについて説明する。

軸流ファンは、回転駆動装置の回転軸に取り付けられた羽根車の回転によって、回転軸の軸方向の一方から吸気し、軸方向の他方へと流体を吐出する送風装置である。本実施形態に係る軸流ファンは、羽根車の動翼形状、および羽根車の径方向外周を囲むベンチュリケーシングの内面形状を改良することにより、実使用領域において、低騒音化および高静圧化を実現することができる。

〔軸流ファンの構成〕
まず図１、図３および図４を参照して、本実施形態に係る軸流ファンの構成について説明する。図１は本実施形態に係る軸流ファンの正面図および背面図である。図２は本実施形態における羽根車の正面図および側断面図である。図３は本実施形態の軸流ファンの側断面図である。図４は本実施形態におけるベンチュリケーシングの構造の説明図である。

図１から図３に示すように、本実施形態に係る軸流ファン１００は、回転駆動装置２０の回転軸２１に取り付けられた羽根車１０と、当該羽根車１０の周囲を囲むフレーム４０を備える。フレーム４０は、羽根車１０の径方向外周を囲むベンチュリケーシング（以下、単に「ケーシング」という）３０と一体的に形成される。また、フレーム４０の吐出側には、４本のステイ４１が設けられ、当該ステイ４１は回転駆動装置２０のベース部２２を支持する。

羽根車１０は、中央部にカップ状のハブ部１１を有する。ハブ部１１の周囲には、複数の動翼１２が放射線状に一体的に取り付けられる。本実施形態の軸流ファン１００の羽根車１０は、７枚の動翼２１２を有する。各動翼１２は、回転軸２１の軸方向に対して傾斜させて設けられる。

ここで、本実施形態における羽根車１０の動翼１２の形状について説明する。本実施形態に係る軸流ファン１００は、羽根車１０の羽根形状に第１の特徴を有する。

図２（ａ）の正面図において、動翼１２の前縁部１２ａは、羽根車１０の回転方向ｒに対して凹状円弧Ｒ１となるように形成される。

動翼１２の前縁端部１２ｄは、回転方向ｒへ向けて突き出ている。図２（ａ）の正面図において、前縁部１２ａの凹状円弧と先端辺１２ｂの曲線との延長線が交わる角度θ１は鋭角であって、たとえば、３０°〜３７°の角度であることが好ましい。

また図２（ｂ）の側面図において、動翼１２の前縁部１２ａは、流体の吐出方向Ｆへ向けて凸形状の円弧Ｒ２となるように形成される。図２（ｂ）の側面図において、前縁部１２ａの凹状円弧と先端辺１２ｂの曲線との延長線が交わる角度θ２は鋭角であって、たとえば、６５°〜７０°の角度であることが好ましい。

再び図３を参照すると、ハブ部１１の内部には、羽根車１０の回転駆動装置２０としてのモータが設けられる。モータ２０は、ほぼカップ状のロータヨーク２３と、当該ロータヨーク２３の中心部に圧入された回転軸２１と、コイル２５が巻回されたステータコア２６などを備える。

ロータヨーク２３は、ハブ部１１内に嵌入されている。ロータヨーク２３の内周面には、マグネット２４が固着されている。

回転軸２１は、軸受２７に回転可能に支承されている。軸受２７は、筒体状の支持部２８の内面に固定されている。

ステータコア２６は、支持部２８の外面に圧入固定される。ステータコア２６とロータヨーク２３のマグネット２４とは、隙間を隔てて対向している。

ケーシング３０の吸気側および吐出側の周縁には、電子機器などにフレーム４０を固定するためのフランジ部５１、５２が設けられている。各フランジ部５１、５２は、それぞれケーシング３０の吸気側および吐出側から羽根車１０の径方向外方へ向けて延設される。フランジ部５１、５２は、ケーシング３０の外周壁と連続する正方形状の取付部材である。各フランジ部５１、５２の四隅には、取付ねじを螺合するためのねじ孔５３が形成されている。

軸流ファン１００は、ねじ孔５３に不図示の取付けねじを螺合することにより、電子機器等の筐体などに取り付けられる。

次に、本実施形態におけるケーシング３０の内面形状について説明する。本実施形態に係る軸流ファン１００は、ケーシング３０の内面形状に第２の特徴を有する。

図４に示すように、ケーシング３０の内面は、吸気側から吐出側へ向けて、吸気側傾斜部３１、直線部３２、および吐出側傾斜部３３で構成され、これらの部位は順次連続している。

吸気側傾斜部３１は、吸気口６１を羽根車１０の径方向外方へと拡大する部位である。本実施形態の吸気側傾斜部３１は、吸気口６１を直線的に羽根車１０の径方向外方へと拡大している。吸気側傾斜部３１の開き角度θ３は小さく設定され、たとえば、１２°〜１７°の傾斜角度に設定されている。

吸気側傾斜部３１の縁部３１ａは、円弧状に面取り加工されている。このように吸気側傾斜部３１の縁部３１ａを面取り加工することにより、吸気口６１の周辺の流体を吸気させて、軸流ファン１００の風量を増大させることができる。

ここで風量とは、軸流ファン１００が単位時間当たりに吸気し、吐出する空気の体積である。圧力比が大きいほど、圧縮により吐出側の風量が少なくなるので、通常、吸気側の風量が用いられる。

直線部３２は、吸気側傾斜部３１から連続し、当該吸気側傾斜部３１と吐出側傾斜部３３へと直線で結ぶ部位であり、羽根車１０とともに流体の軸流を形成する。直線部３２は、羽根車１０の動翼１２の先端辺と隙間を隔てて対向し、当該動翼１２の先端辺とほぼ平行に吐出側へと延びている。

直線部３２と吸気側傾斜部３１の境界部と、動翼１２の前縁部１２ａと先端辺１２ｂの交点との距離Ｄは、たとえば、３．０〜３．５ｍｍ程度に設定される。

吐出側傾斜部３３は、直線部３２から連続し、直線部３２と曲線状拡径部３４とを結ぶ部位である。吐出側傾斜部３３の開き角度θ４は小さく設定され、たとえば、３０°〜３５°の傾斜角度に設定されている。

直線部３２と吐出側傾斜部３３の境界部と、動翼１２の後縁部１２ｃと先端辺１２ｂの交点との距離Ｗは、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ程度であって、ほぼ同じ位置に設定される。ただし、直線部３２と吐出側傾斜部３３の境界線は、動翼１２の後縁部１２Ｃと先端辺１２ｂの交点よりも吸気側に位置させ、吐出側には位置させないようにする。

〔軸流ファンの作用〕
次に、図１から図９を参照して、本実施形態に係る軸流ファン１００の作用について説明する。

本実施形態に係る軸流ファン１００は、フランジ部５１、５２のねじ孔５３に不図示の取付けねじを螺合することにより、電子機器の筐体などに取り付けられる（図３参照）。たとえば、軸流ファン１００をサーバー用の冷却ファンとして用いる場合は、当該サーバーの筐体内面のファン取付部に吸気側フランジ部５１側を当接させて設置する。

本実施形態に係る軸流ファン（本実施品）の運転特性を従来構造の軸流ファン（第１の従来品、第２の従来品）の運転特性と比較して説明する。

＜本実施品＞
本実施品の軸流ファン１００は、羽根車２１０が７枚の動翼１２を有する（図１（ａ）参照）。動翼１２の前縁部１２ａは、図２（ａ）の正面図のＲ１がＲ２５の円弧に設定しれ、図２（ｂ）の正面図のＲ２がＲ９０の円弧に設定した。

図２（ａ）の正面図において、前縁部１２ａの凹状円弧と先端辺１２ｂの曲線との延長線が交わる角度θ１は、３６°の角度に設定した。図２（ｂ）の側面図において、前縁部１２ａの凹状円弧と先端辺１２ｂの曲線との延長線が交わる角度θ２は、６９°の角度に設定した。

軸流ファン１００のフレーム４０の吐出側には、４本のステイ４１が形成されている（図１（ｂ）参照）。

本実施品の軸流ファン１００のケーシング３０の内面は、吸気側から吐出側へ向けて、吸気側傾斜部３１、直線部３２、および吐出側傾斜部３３で構成され、これらの部位は順次連続している（図３参照）。

図１（ａ）に示すように、吸気側傾斜部３１は、吸気口６１を直線的に羽根車１０の径方向外方へと大きく拡大している。吸気側傾斜部３１の開き角度θ３は、１５°の角度に設定した。

直線部３２と吸気側傾斜部３１の境界部と、動翼１２の前縁部１２ａと先端辺１２ｂの交点との距離Ｄは、３．３ｍｍに設定した。

図２（ｂ）に示すように、吐出側傾斜部３３は、吐出口６２を直線的に羽根車１０の径方向外方へと拡大している。吐出側傾斜部３３の開き角度θ４は、３２°の角度に設定した。

直線部３２と吐出側傾斜部３３の境界部と、動翼１２の後縁部１２ｃと先端辺１２ｂの交点との距離Ｗは、０．３ｍｍのほぼ同じ位置に設定した。

＜第１の従来品＞
まず、図５および図６を参照して、第１の従来品の軸流ファン２００について説明する。図５は第１の従来品の軸流ファンの正面図および背面図である。図６は第１の従来品におけるベンチュリケーシングの構造の説明図である。

第１の従来品の軸流ファン２００は、山洋電器株式会社の型番９ＧＶ０８１２Ｐ４Ｋ０３の軸流ファンである。

図５（ａ）に示すように、軸流ファン２００の羽根車２１０は、９枚の動翼２１２を有する。軸流ファン２００の動翼２１２は後退翼である。

図５（ｂ）に示すように、軸流ファン２００のフレーム２４０の吐出側には、１１枚の静翼２４１が形成されている。

図６に示すように、軸流ファン２００のケーシング２３０の内面は、吸気側から吐出側へ向けて、吸気側傾斜部２３１、直線部２３２、および吐出側傾斜部２３３で構成され、これらの部位は順次連続している。

図６（ａ）に示すように、吸気側傾斜部２３１は、吸気口２６１を直線的に羽根車２１０の径方向外方へと大きく拡大している。吸気側傾斜部２３１の開き角度は大きく設定され、たとえば、４５°の傾斜角度に設定されている。

直線部２３２と吸気側傾斜部２３１の境界部と、動翼２１２の前縁部２１２ａと先端辺２１２ｂの交点との距離は、４．７ｍｍに設定されている。

図６（ｂ）に示すように、吐出側傾斜部２３３は、吐出口２６２を直線的に羽根車２１０の径方向外方へと大きく拡大している。吐出側傾斜部２３３の開き角度は大きく設定され、たとえば、４３°の傾斜角度に設定されている。

直線部２３２と吐出側傾斜部２３３の境界部と、動翼２１２の後縁部２１２ｃと先端辺２１２ｂの交点との距離は、１．９ｍｍに設定されている。

＜第２の従来品＞
まず、図７および図８を参照して、第２の従来品の軸流ファン３００について説明する。図７は第２の従来品の軸流ファンの正面図および背面図である。図８は第２の従来品におけるベンチュリケーシングの構造の説明図である。

第２の従来品の軸流ファン２００は、山洋電器株式会社の型番１０９Ｒ０８１２Ｇ４０１の軸流ファンである。

図７（ａ）に示すように、軸流ファン３００の羽根車３１０は、７枚の動翼３１２を有する。軸流ファン３００の動翼３１２は、翼先端の角度が大きく、前縁は円弧ではなく直線である。

図７（ｂ）に示すように、軸流ファン３００のフレーム３４０の吐出側には、３本のステイ３４１が形成されている。

図８に示すように、軸流ファン３００のケーシング３３０の内面は、吸気側から吐出側へ向けて、吸気側傾斜部３３１、直線部３３２、および吐出側傾斜部３３３で構成され、これらの部位は順次連続している。

図８（ａ）に示すように、吸気側傾斜部３３１は、吸気口３６１を直線的に羽根車３１０の径方向外方へと大きく拡大している。吸気側傾斜部３３１の開き角度θ７は大きく設定され、たとえば、４５°の傾斜角度に設定されている。

直線部３３２と吸気側傾斜部３３１の境界部と、動翼３１２の前縁部３１２ａと先端辺３１２ｂの交点との距離は、５．０ｍｍに設定されている。

図８（ｂ）に示すように、吐出側傾斜部３３３は、吐出口３６２を直線的に羽根車３１０の径方向外方へと大きく拡大している。吐出側傾斜部３３３の開き角度θ８は大きく設定され、たとえば、３１°の傾斜角度に設定されている。

直線部３３２と吐出側傾斜部３３３の境界部と、動翼３１２の後縁部３１２ｃと先端辺３１２ｂの交点との距離は、１．５ｍｍに設定されている。

＜本実施品と従来品の運転特性比較＞
図９は本実施品と第１および第２の従来品の騒音特性、および風量−静圧特性の比較の説明図である。

本実施品と第１の従来品、および本実施品と第２の従来品の比較においては、比較対象の軸流ファン同士の最大風量がほぼ等しくなるように、回転速度を設定した。

図９において、音響パワーレベルの曲線に着目すると、本実施品の音響パワーレベルは、第１および第２の従来品に比べて低い領域が多く、低騒音化していることが判る。すなわち本実施品は、実使用領域において低騒音化に優れている。

次に図９において、風量−静圧特性の曲線に着目すると、本実施品の風量−静圧特性は、第１および第２の従来品に比べて変曲点が高く、高静圧化していることが判る。

本実施形態の軸流ファン１００によれば、羽根車１０の動翼１２の前縁部１２ａが当該羽根車１０の回転方向ｒに対して凹状の円弧に形成される。動翼１２の前縁端部１２ｄは回転方向ｒへ突き出すように、前縁部の凹状円弧と先端辺の曲線との延長線が交わる角度は３０°〜３７°の鋭角に設定される。

すなわち、本実施形態の軸流ファン１００は、前縁端部１２ｄを回転方向ｒへ突き出させて、前縁端部１２ａを適度な凹状円弧にすることにより、高負荷時においても空気流れの剥離を遅らせることができ、低静音化と変曲点を高静圧側にすることができる。

また、ベンチュリケーシング３０の吸気側傾斜部３１の開き角度θ３は、１２°〜１７°の角度に設定される。すなわち、本実施形態の軸流ファン１００は、吸気側傾斜部３１の開き角度θ３を適度に小さくすることにより、高風量域では円弧吸込形状と同様に低騒音化を図ることができる。変曲点付近では空気の流れの剥離を徐々に起こすことができ、変曲点での静圧の落ち込みを防いでいる。

さらに、ベンチュリケーシング３０の吐出側傾斜部３３の開き角度θ４は、３０°〜３５°の角度に設定される。吐出側傾斜部３３の開き角度θ４を適度に小さく設定することにより、高風量域での空気の流れが乱れ難くなり、同回転速度における高風量化を図ることができる。そのため、同等風量にしたときに回転速度を抑えられ、低騒音化が可能となる。

したがって、本発明に係る軸流ファン１００は、動翼１２の形状、および羽根車１０の径方向外周を囲むベンチュリケーシング３０の内面形状を最適化することにより、実使用領域において、低騒音化および高静圧化を実現することができるものである。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１０ 羽根車、
２０ 回転駆動装置、
２１ 回転軸、
３０ ベンチュリケーシング、
３１ 吸気側傾斜部、
３２ 直線部、
３３ 吐出側傾斜部、
４１ 吸気口、
４２ 吐出口、
１００ 軸流ファン。

Claims (1)

1. 回転駆動装置の回転軸に取り付けられた羽根車と、
   前記羽根車の径方向の外周を囲み前記回転軸の軸方向に対向する吸気口および吐出口を有するベンチュリケーシングと、を備え、
   前記羽根車の動翼の前縁部は、前記羽根車の回転方向に対して凹状となる円弧に形成されるとともに、前記前縁部の凹状円弧と先端辺の曲線との延長線が交わる角度は、前記動翼の前縁端部が回転方向へ突き出すように、正面視において３０°〜３７°の鋭角に設定され、
   前記ベンチュリケーシングの吸気側傾斜部の開き角度は１２°〜１７°の角度に設定され、吐出側傾斜部の開き角度は３０°〜３５°の角度に設定され、
   前記ベンチュリケーシングの直線部と前記吐出側傾斜部の境界部と、前記動翼の後縁部と前記先端辺の交点との距離は、０．１〜０．５ｍｍの同程度の位置に設定され、
   前記ベンチュリケーシングの直線部と前記吐出側傾斜部の境界部は、前記動翼の後縁部と前記先端辺の交点よりも吸気側に位置し、
   前記ベンチュリケーシングの直線部と前記吸気側傾斜部の境界部と、前記動翼の前記前縁部と前記先端辺の交点との距離は、３．０〜３．５ｍｍに設定されることを特徴とする軸流ファン。