JP6183852B2 - 軸流送風機 - Google Patents

Description

本発明は、冷却ファンなどに用いられる軸流送風機に関する。

軸流送風機は、一軸方向に吸気口と排気口を有するケーシングと、ケーシング内に配置されるインペラとを備える。インペラは、ハブの外周部に複数の羽根を有しており、これらの羽根が回転することにより、吸気口から空気が吸い込まれ、排気口から排出される。

図６は、従来例に係る軸流送風機の排気口から排出される排出風の状態を示す図であり、（ａ）はシミュレーション結果、（ｂ）は実測データである。
この図に示すように、従来の軸流送風機１０１では、排気口１０２から排出される排出風は外側に拡散する傾向にあり、静圧があがらないという問題があった。なお、図６において、１０３は吸気口、１０４はインペラ、１０５は静翼である。

この問題を解決するために、中段静止部を介して一軸方向に二つのインペラ（前段インペラ及び後段インペラ）を直列状に配置した軸流送風機が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。このような軸流送風機によれば、二つのインペラを互いに反対方向に回転させることにより、風量・静圧特性が高められるとしている。

特開２０１１−１２２５７０号公報

しかしながら、二つのインペラを互いに反対方向に回転させる二重反転軸流送風機では、前段インペラから後段インペラに流入する気流の乱れなどに起因し、騒音が増大するという問題がある。この問題を解決するために、特許文献１の軸流送風機では、ケーシングの内周部に乱流発生用突出面を設け、後段インペラの前側で意図的に乱流を発生させて騒音を抑制しているが、乱流の発生により排出風の拡散傾向が増大し、排出風の直進性が得られないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、騒音の増加や静圧の低下を回避しつつ、乱流の発生を抑えて排出風の直進性を向上させることができる軸流送風機の提供を目的とする。

このような目的を達成するために本発明は、以下の構成によって把握される。
（１）本発明の軸流送風機は、一軸方向に吸気口と排気口を有するケーシングと、ハブの外周部に複数の羽根を有し、前記ハブが前記一軸方向に沿うように前記ケーシング内に配置されるインペラと、を備え、前記ケーシングが、前記羽根の外側端面と対向する内周面に、前記排気口側に向かって延びる複数の突条部を有する。

（２）上記（１）の構成において、前記羽根が、前記突条部の基端部に対向する前記外側端面に段部を有し、前記段部は、前記インペラの回転中心軸から前記突条部に対向する前記外側端面までの距離よりも、前記インペラの回転中心軸から前記突条部に対向しない前記外側端面までの距離の方が長くされることで形成されている。

（３）上記（１）または（２）の構成において、前記突条部の前記吸気口側の基端部が前記羽根の外側端面と対向する範囲内の前記ケーシングの内周面の位置にあり、前記突条部はその基端部から前記ケーシングの前記排気口側の端面まで連続して設けられている。

（４）上記（１）乃至（３）の構成において、前記突条部が、半径方向から見たときに前記排気口側に向かうにつれて前記羽根の回転方向に移動するように延びている。

（５）上記（１）乃至（４）の構成において、前記突条部は、前記ケーシングの前記吸気口側の基端部において前記吸気口側に向かうほど前記ケーシングの内周面からの突出量が小さくなるように傾斜している。

本発明によれば、騒音の増加や静圧の低下を回避しつつ、乱流の発生を抑えて排出風の直進性を向上させることができる軸流送風機の提供が可能になる。

本発明の実施形態に係る軸流送風機を示す図であり、（ａ）はケーシングの一部を省略した側面図、（ｂ）は側断面図である。 本発明の実施形態に係る軸流送風機を排気口側から見た斜視図である。 本発明の実施形態に係る軸流送風機のインペラを示す背面図である。 本発明の実施形態に係る軸流送風機の突条部との関係でインペラの形状を模式的に示す一部断面図であり、（ａ）はインペラの羽根の外側端面に段部を設けた場合、（ｂ）はインペラの羽根の外側端面に段部を設けていない場合を示した図である。 本発明の実施形態に係る軸流送風機の排気口から排出される排出風の状態を示す図であり、（ａ）はシミュレーション結果、（ｂ）は実測データである。 従来例に係る軸流送風機の排気口から排出される排出風の状態を示す図であり、（ａ）はシミュレーション結果、（ｂ）は実測データである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）について説明する。
実施形態の説明では全体を通して、同じ要素には同じ番号を付与している。

（軸流送風機の全体構成）
まず、本発明の実施形態に係る軸流送風機１の全体構成について、図１を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る軸流送風機を示す図であり、（ａ）はケーシングの一部を省略した側面図であり、（ｂ）は側断面図である。
図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る軸流送風機１は、一軸方向に吸気口２と排気口３を有する円筒状のケーシング１０と、吸気口２の中心部に配置されるベース部２０と、ベース部２０の中心部から排気口３側に突設される軸受ハウジング１３（図１（ｂ）参照）と、ベース部２０の外周部とケーシング１０の内周部との間に一体的に設けられる複数の静翼３０と、ケーシング１０内において静翼３０より排気口３側（以下、下流側ともいう）に配置されるインペラ４０と、インペラ４０を回転させるアウタロータ型のモータ部７０とを備える。

インペラ４０は、有底円筒状のハブ４１と、ハブ４１の外周部に突設される複数（たとえば３枚）の羽根４２とを備えている。なお、羽根４２の枚数は、特に限定されるものではなく、必要に応じて減らしてもよく、増やしてもよい。図１（ｂ）に示すように、ハブ４１の内周部にはロータ６０が設けられ、また、ハブ４１の中心にはシャフト４４が設けられており、このシャフト４４は軸受１３ａを介して軸受ハウジング１３に回転自在に支持されている。

図１（ｂ）に示すように、モータ部７０は、軸受ハウジング１３の外周部に固定されるステータ５０と、ステータ５０の外周部と対向するようにハブ４１の内周部に配置されるロータ６０とを備える。ステータ５０は、軸受ハウジング１３の外周部に固定されるステータコア５１と、ステータコア５１のコイル巻装部に設けられるインシュレータ５２と、インシュレータ５２を介してステータコア５１に巻装される複数のコイル５３とを備え、ロータ６０は、ハブ４１の内側に一体的に設けられるロータヨーク６１と、ロータヨーク６１の内周部に周方向に並んで装着されるロータマグネット６２とを備える。

このように構成されたアウタロータ型のモータ部７０は、電源部（図示せず）から所定のタイミングで複数のコイル５３に順次電流を供給することにより、ロータ６０及びロータ６０と一体のインペラ４０を所定方向に回転させる。そして、インペラ４０が回転すると、吸気口２から空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気が排気口３から排出される。

つぎに、本発明の実施形態に係る軸流送風機１の特徴的な構成について、図１〜図５を参照して説明する。

（実施形態のケーシング）
図２は、本発明の実施形態に係る軸流送風機を排気口３側から見た斜視図である。
図２に示すように、ケーシング１０は、羽根４２の外側端面と対向する内周面に、排気口３側に向かって延びる複数（たとえば１５個）の突条部１１を有する。このような突条部１１によれば、ケーシング１０の内周面に沿って流れる気流が排気口３側に向かうように整流されるので、排気口３から直進性の高い空気が排出され、排出風全体の拡散を抑制することができる。なお、突条部１１の数は１５に限定されるものでなく、必要に応じて、増やしてもよく、逆に減らしてもよい。

突条部１１は、ケーシング１０の内周面のうち、羽根４２の外側端面の吸気口２側の端部からケーシング１０の排気口３の端面までの範囲内（図１（ａ）に示す範囲Ａ内）に形成することが好ましい。より具体的には、ケーシング１０の内周面を軸方向に切断した断面図で見たときに、羽根４２がケーシング１０の内周面と半径方向に重なる範囲、つまり、羽根４２の外側端面と対向する範囲内のケーシング１０の内周面の位置に、突条部１１の開始位置（吸気口２側の基端位置）があり、そこから排気口３側に向かって突条部１１が設けられる。

すなわち、突条部１１は、ケーシング１０の内周面において吸気口２と排気口３の中途部を基端位置とし、排気口３側の端面にまで連続して設けられている。突条部１１の基端位置からある範囲の近傍（基端部）には傾斜面（図４（ａ）に示す突条部１１を参照）を有するようになっている。しかし、基端部は、必ずしも上述のような傾斜面を有していなくてもよく、たとえば、前記基端位置からほぼ垂直に立ち上がる端面（図４（ｂ）に示す突条部１１を参照）を有するようにしてもよい。
本実施形態の突条部１１は、羽根４２の外側端面と対向する範囲内のケーシング１０の内周面の位置に設けられた吸気口２側の基端部（吸気口２側の前記傾斜面あるいは前記端面）からケーシング１０の排気口３側の端面まで連続して設けられている。このような突条部１１とすれば、羽根４２の送風作用を受けた空気は、排気口３に至る途中で突条部１１のガイドを失うことなく、排気口３の端面まで突条部１１に整流されながらガイドされ排気口３から排出されるので、排気口３から排出される排出風はより高い直進性を有するものとなる。

突条部１１は、一軸方向と平行に設けてもよいが、半径方向から見たときに排気口３側に向かって羽根４２の回転方向に傾斜（図２のθ参照）をもって移動するように延びていることが好ましい。より具体的には、図２に示されるように、突条部１１の吸気口２側の基端に対して、突条部１１の排気口３側の終端が羽根４２の回転方向下流側に位置するようになっており、突条部１１の延びる方向が羽根４２の回転方向に移動するように延在されている。

このように突条部１１を羽根４２の回転方向に移動するように延在させると、羽根４２の送風作用を受けた空気が、羽根４２の回転方向に沿うようにスムーズに突条部１１でガイドされながら整流されていくので、空気の流れを乱すような突条部１１への気流の衝突が起きず、乱流の発生が抑制されるからである。

図１（ａ）に示すように、突条部１１は、ケーシング１０の吸気口２側の基端部において吸気口２側へ向かうほど突出量（ケーシング１０の内周面を基準にして）が小さくなるような勾配を有する傾斜面１２とされていることが好ましい。換言すれば、ケーシング１０の吸気口２側の基端部において吸気口２側ほど突出量が小さくなるように傾斜されていることが好ましい。突条部１１の基端部の上記傾斜面１２を空気の流れに対して直交するような垂直面とすると、その垂直面と気流とが衝突し、乱流が発生する可能性がある。一方、図１（ａ）に示すように、空気の流れに沿うように勾配を有する傾斜面１２とすることで、上述のような垂直面とした場合に起こりうる垂直面と気流との衝突が回避され、乱流の発生を抑制することができる。なお、本実施形態では、突条部１１の断面形状を三角形としているが、断面形状はこれに限定されず、例えば、かまぼこ型（半円形、半楕円形）や四角形（長方形、正方形、台形）などとしてもよい。

（実施形態のインペラ）
図３は、本発明の実施形態に係る軸流送風機のインペラを示す背面図である。
図３に示すように、羽根４２は外側端面に段部４３を有する。この段部４３は、図１（ａ）に示すように、突条部１１の吸気口２側の開始位置（突条部１１の吸気口２側の基端部）と対向するように形成されている。

ここで、図４（ａ）は、突条部１１とインペラの形状の関係を模式的に示す一部断面図である。図中矢印は空気の流れる方向を示している。図４（ａ）に示すように、羽根４２の外側端面に形成される段部４３によって、突条部１１と羽根４２の外側端面との隙間および羽根４２の外側端面と突条部１１が形成されていない部分のケーシング１０の内周面との隙間はほぼ等しく形成されるようになっている。すなわち、突条部１１のケーシング１０に対する突出量はｂとなっており、突条部１１と羽根４２の外側端面との隙間をｃ、羽根４２の外側端面と突条部１１が形成されていない部分のケーシング１０の内周面との隙間をａとした場合、ａとｃはほぼ等しく形成されている。この場合、突条部１１の基端部（傾斜面）と羽根４２の段部４３との間の隙間もａあるいはｃに近似した値となっている。

このように羽根４２の形状を段部４３を有する形状とすることで、突条部１１に対向する羽根４２の外側端面の部分と突条部１１との間の隙間と、突条部１１がないため突条部１１に対向していない（すなわちケーシング１０の内周面に対向している）羽根４２の外側端面の部分とケーシング１０の内周面との間の隙間とを略同等にすることができる。より詳細には、このような段部４３は、次のように形成されている。図４（ａ）において、図面上側にある一点鎖線がインペラ４０の回転中心軸を示している。図４（ａ）に示されるように、段部４３は、インペラ４０の回転中心軸から突条部１１に対向する部分における外側端面（図の段部４３より左側の外側端面）までの距離よりも、インペラ４０の回転中心軸から突条部１１に対向しない部分の外側端面（図の段部４３より右側の外側端面）までの距離の方が長くされることで形成されている。ここで、当然ながら突条部１１に対向しない部分の外側端面はケーシング１０の内周面に対向している。

突条部１１が形成されている部分のケーシング１０の内側開口サイズに合わせた羽根４２の外径とすると、突条部１１の無い部分では、突条部１１の突出量の分だけケーシング１０と羽根４２との間の隙間が大きくなってしまう。しかし、上記のように羽根４２の外側端面に段部４３を設けて、突条部１１がある部分と突条部１１が無い部分とで、羽根４２の外径を変えることで、上記のように、突条部１１の無い部分でケーシング１０と羽根４２との隙間が大きくなることが回避できる。

その結果、ケーシング１０の内周面に突条部１１を設けるものでありながら、突条部１１が無い部分におけるケーシング１０と羽根４２との間の隙間の拡大を回避し、隙間の拡大による静圧の低下を抑制することができる。

（シミュレーション及び実測データ）
図５は、本発明の実施形態に係る軸流送風機の排気口から排出される排出風の状態を示す図であり、（ａ）はシミュレーション結果、（ｂ）は実測データである。
図５に示すように、本実施形態の軸流送風機１によれば、図６に示す従来例に比べ、排気口３から排出される排出風が良好な直進性を示す。その理由は、本発明の実施形態に係る軸流送風機１のケーシング１０が、羽根４２の外側端面と対向する内周面に、排気口３側に向かって延びる複数の突条部１１を有し、これらの突条部１１が、ケーシング１０の内周面に沿って流れる気流を排気口３側に向かうように整流するので、排気口３から排出される排出風が、広がり難い直進性の高い気流状態で排出されるためと考えられる。

このように排出風の直進性に優れる軸流送風機１によれば、排出風を目的物に効率よく当てることができるので、冷却ファンとして用いる場合、良好な冷却効果が得られる。たとえば、冷却装置として複数の送風機を並べて使用するサーバーなどに好適に用いることができる。

（実施形態の作用効果）
以上、説明した軸流送風機１の作用効果について述べる。
本実施形態の軸流送風機１によれば、一軸方向に吸気口２と排気口３を有するケーシング１０と、ハブ４１の外周部に複数の羽根４２を有し、ハブ４１が一軸方向に沿うようにケーシング１０内に配置されるインペラ４０と、を備え、ケーシング１０が、羽根４２の外側端面と対向する内周面に、排気口３側に向かって延びる複数の突条部１１を有するので、これら突条部１１の整流作用により、騒音の増加や静圧の低下を回避しつつ、乱流の発生を抑えて排出風の直進性を向上させることができる。

また、羽根４２は、図４（ａ）に示したように、外側端面に段部４３を有するので、突条部１１が設けられた部分における突条部１１と羽根４２の間の隙間（図中符号ｃで示す）と、突条部１１が無い部分におけるケーシング１０と羽根４２の間の隙間（図中符号ａで示す）を同等にすることができ、その結果、ケーシング１０の内周面に突条部１１を設けるものでありながら、ケーシング１０と羽根４２との隙間の拡大を回避し、隙間の拡大による静圧の低下を抑制することができる。
ちなみに、図４（ｂ）は、図４（ａ）と対応づけて描いた図で、羽根４２の外側端面に段部（図４（ａ）の符号４３に相当する）を有しない場合の図である。図４（ｂ）に示すように、突条部１１が設けられた部分における突条部１１と羽根４２の間の隙間（図中符号ｄで示す）に対して突条部１１が無い部分におけるケーシング１０と羽根４２の間の隙間（図中符号ｅで示す）が大きくなってしまうことが判る。この場合、この大きな隙間ｅによって静圧の低下が生じてしまう恐れがある。

また、突条部１１は、羽根４２の外側端面と対向する範囲内の位置から開始してケーシング１０の排気口３側の端面まで連続して設けられているので、羽根４２の送風作用を受けた空気は、排気口３に至る途中で突条部１１のガイドを失うことなく、排気口３の端面まで突条部１１に整流されながらガイドされて排気口３から排出される。したがって、直進性の高い排出風を排気口３から排出することができる。

また、突条部１１は、半径方向から見たときに排気口３側に向かうにつれて羽根４２の回転方向に移動するように延びているので、羽根４２の送風作用を受けた空気が、羽根４２の回転方向に沿うようにスムーズに突条部１１でガイドされながら整流されていく。そのため、空気の流れを乱すような突条部１１と気流との衝突が起きず、乱流の発生が抑制される。

また、突条部１１は、ケーシング１０の吸気口２側の基端部において吸気口２側に向かうほど突出量（ケーシング１０の内周面を基準にして）が小さくなるような勾配を有する傾斜面１２、つまり、空気の流れに沿うようにした傾斜面１２とされているので、この傾斜面１２で気流が乱されることがなく、乱流の発生が抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 軸流送風機
２ 吸気口
３ 排気口
１０ ケーシング
１１ 突条部
１２ 傾斜面
１３ 軸受ハウジング
１３ａ 軸受
２０ ベース部
３０ 静翼
４０ インペラ
４１ ハブ
４２ 羽根
４３ 段部
４４ シャフト
５０ ステータ
５１ ステータコア
５２ インシュレータ
５３ コイル
６０ ロータ
６１ ロータヨーク
６２ ロータマグネット
７０ モータ部

Claims (3)

1. 軸流送風機であって、
   一軸方向に吸気口と排気口を有するケーシングと、
   ハブの外周部に複数の羽根を有し、前記ハブが前記一軸方向に沿うように前記ケーシング内に配置されるインペラと、を備え、
   前記ケーシングが、前記羽根の外側端面と対向する内周面に、前記排気口側に向かって延びる複数の突条部を有し、
   前記羽根が、前記突条部の基端部に対向する前記外側端面に段部を有し、
   前記段部は、前記インペラの回転中心軸から前記突条部に対向する前記外側端面までの距離よりも、前記インペラの回転中心軸から前記突条部に対向しない前記外側端面までの距離の方が長くされることで形成されており、
   前記突条部の前記吸気口側の基端部が前記羽根の外側端面と対向する範囲内の前記ケーシングの内周面の位置にあり、前記突条部はその基端部から前記ケーシングの前記排気口側の端面まで連続して設けられていることを特徴とする軸流送風機。
2. 前記突条部が、半径方向から見たときに前記排気口側に向かうにつれて前記羽根の回転方向に移動するように延びていることを特徴とする請求項１に記載の軸流送風機。
3. 前記突条部は、前記ケーシングの前記吸気口側の基端部において前記吸気口側に向かうほど前記ケーシングの内周面からの突出量が小さくなるように傾斜していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軸流送風機。