JP6419748B2 - 遠心ファン - Google Patents

Description

本発明は遠心ファンに係り、特に薄型化を可能とする技術に関する。

家電機器、ＯＡ機器、産業機器の冷却、換気、空調、車両用の空調、送風などに広く用いられている送風機として、遠心ファンが知られている。従来の遠心ファンとして、ケーシングが上ケーシングと下ケーシングとからなり、上ケーシングと下ケーシングの間にインペラを収納し、インペラの回転に伴って吸い込み口から吸入した空気を上ケーシングと下ケーシングの間の側面に形成された吹き出し口から外方に向けて排出する遠心ファンが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に記載の遠心ファン１００であり、四角形のケーシング１２０が上ケーシング１２１と下ケーシング１２２からなり、上ケーシング１２１と下ケーシング１２２の間にインペラ１３０を収納している。インペラ１３０は環状のシュラウド１３１を備えている。インペラ１３０の高速回転により、吸い込み口１１０から吸い込まれた空気は、羽根１３５の間を通過してインペラ１３０の外周から外方に吹き出され、上ケーシング１２１と下ケーシング１２２の間の側面に形成された吹き出し口１１１から外方に向けて排出される。

特開２０１２−２０７６００号公報

特許文献１のような構造の遠心ファンでは、遠心ファンの取り付け空間が狭い場合、遠心ファンの軸方向寸法すなわち全高を小さくして薄型化する必要がある。しかしその場合にはインペラも薄型になり、結果としてインペラの空気吸い込み側の流路断面積が小さくなって通気抵抗が増大するため、騒音の増大を招くことになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、薄型化しても騒音の増大を抑えることができる遠心ファンを提供することを目的とする。

本発明の遠心ファンは、ロータヨークを有するロータと、ステータとを備え、前記ロータを回転駆動するように構成されたモータと、羽根を有し前記ロータヨークの外周に結合されたインペラと、吸い込み口および吹き出し口を有し、前記ロータ、前記インペラおよび前記モータを収納するケーシングと、を具備し、前記ロータとともに回転する前記インペラにより、前記吸い込み口から吸入した空気を前記吹き出し口から前記ケーシングの外方に向けて排出する遠心ファンにおいて、前記ロータヨークは、天板部と、円筒状の胴部と、前記天板部と前記胴部とをつなぐ外周に向かって下り傾斜となる円錐部とを備え、前記羽根は、前記ロータヨークの前記円錐部上に延在して前記ロータヨークの軸方向に重なる内周部を有し、軸方向において、前記羽根の前記内周部の上端位置が、前記ロータヨークの前記天板部の上端位置と同じか、または低く設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記のようにインペラの羽根の内周部をロータヨークの円錐部上に重なる状態に内周側に向けて延在させることにより、インペラが同一外径である構成において延在させていない場合よりも羽根の翼弦長を大きくすることができる。羽根の翼弦長の増大は運転時の羽根の負荷が低減することにつながり、その結果、インペラを薄型化しても騒音の増大を抑えることができる。また、羽根の翼弦長が増大することにより、風量が効率的に増大して風量特性の向上が図られる。また、軸方向において、羽根の内周部の上端位置が、ロータヨークの天板部の上端位置と同じか、または低く設定されていることにより、吸い込み口から流入した空気が羽根の内周部に衝突して騒音発生の原因となることが防止される。

本発明は、前記羽根の前記内周部における前記ロータヨークの前記円錐部に対する対向面が該円錐部に沿って形成されるとともに、該対向面と該円錐部との間に所定のクリアランスが形成されている形態を含む。そのクリアランスは、なるべく騒音を抑える観点から、一定であり、かつ０．７５〜１．５ｍｍの範囲であることが好ましい。また本発明は、羽根の内周部は、羽根の翼弦長の１／３であることを特徴とする。

本発明によれば、薄型化しても騒音の増大を抑えることができる遠心ファンが提供されるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る遠心ファンの分解斜視図である。 同遠心ファンの断面図である。 図２の一部拡大図である。 同遠心ファンが具備するインペラの平面図である。 同遠心ファンの断面一部拡大図であって、インペラの羽根の内周部の下面とロータヨークの外周面との間に形成されるクリアランスを示す図である。 本発明の実施形態に係る遠心ファンの変形例を示す断面図である。 実施例で行った上記クリアランスと騒音との関係を示す図である。 従来の遠心ファンの一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］遠心ファンの基本構造について
図１および図２は、一実施形態に係る遠心ファン１を示している。また、図３は図２の一部を拡大した図である。遠心ファン１の基本構造は、特許文献１に記載された構造と略同じである。遠心ファン１は、ケーシング２と、ケーシング２内に収納されたモータ２１と、ケーシング２内に収納されモータ２１によって回転させられるインペラ８とを備えている。

ケーシング２は、環状の上ケーシング３と矩形状の下ケーシング４とから構成されている。上ケーシング３と下ケーシング４の間にはインペラ８が回転可能な状態で収納されている。インペラ８の回転に伴い、上ケーシング３に形成された吸い込み口３５からインペラ８内に空気が吸入される。そしてその空気は、インペラ８の羽根１０の間を通過し、ケーシング２の側面に形成された吹き出し口３６からケーシング２の外方（径外方向）に向けて排出される。吹き出し口３６は、上下のケーシング３，４の間に介装された複数（この場合、４つ）の円筒状の支柱７間に形成されている。

下ケーシング４は、中央部に矩形状の凹部５ａが形成されている金属製（例えば、鉄板）のモータベース５と、樹脂製のベースプレート６とから構成されており、両者を重ね合わせて下ケーシング４が構成される。モータベース５の中心には、略筒形状の軸受保持部２６が固定されている。軸受保持部２６の内側には、回転軸となるシャフト１６が軸受２７，２８を介して回転可能に支持されている。

図２および図３に示すように、モータベース５の凹部５ａの底面には、アウタロータ型のブラシレスＤＣモータであるモータ２１が装着されている。モータ２１は、後述するインシュレータ２４を構成する下インシュレータ２４ｂを備え、下インシュレータ２４ｂの下面には、回路基板３０が固定されている。回路基板３０は、下インシュレータ２４ｂに一体成形され下方に突出する複数のピンの先端を熱カシメすることで、下インシュレータ２４ｂに接合されている。

軸受保持部２６の外側には、モータ２１を構成するステータ２２が固定されている。ステータ２２は、軟磁性材料からなる鋼板等の薄板状のコアを所定枚数積層してなるステータコア２３と、ステータコア２３の軸方向両側から装着された樹脂製の上インシュレータ２４ａおよび下インシュレータ２４ｂからなるインシュレータ２４と、インシュレータ２４を介してステータコア２３のティースに巻回されたコイル２５とから構成されている。

ステータコア２３を構成する薄板状のコアは、環状ヨークから径外方に延在する複数のティース（図１では６個のティースを有している）を備えており、複数のコアを積層させてステータコア２３が構成されている。ステータコア２３の中央には開口が形成され、その開口に軸受保持部２６が嵌合している。ステータ２２の下部（コイル２５の下側部分）と上記回路基板３０は、上記モータベース５の凹部５ａ内に収納された状態となっており、これにより軸方向寸法の低減すなわち薄型化が図られている。

図１に示すように、ベースプレート６の外周端の４箇所には下方に延在する側部６ａが形成されており、この側部６ａの内側がモータベース５の４辺の外周に当接し、モータベース５とベースプレート６相互の位置決めがなされている。

モータ２１は、上記ステータ２２とロータ１５とから構成されている。図２および図３に示すように、ロータ１５は、上記シャフト１６と、シャフト１６に装着されたボス部１７と、ボス部１７にカシメにより固定された円筒カップ状のロータヨーク１８と、ロータヨーク１８の内側に固着された環状のマグネット１９とから構成されている。

図５に示すように、ロータヨーク１８は、上記ボス部１７に固定される円板状の天板部１８ｂと、円筒状の胴部１８ｃと、天板部１８ｂと胴部１８ｃとをつなぐ外周に向かって下り傾斜となる円錐部１８ｄとを備え、胴部１８ｃの下端に、径外方に突出するフランジ１８ａが形成されている。ロータ１５はモータ２１によって駆動されてステータ２２に対して回転する。

ロータ１５に結合されるインペラ８は、環状のシュラウド９と、複数の羽根１０と、円板状の主板１１とから構成されている。図４は、インペラ８の平面図（上から見た状態の図）である。羽根１０と主板１１は樹脂の一体成形にて形成されており、これらがシュラウド９に接合されている。

羽根１０は、主板１１から軸方向に立設して形成されている。羽根１０は回転方向に対して後向きに湾曲傾斜した形状を有し、回転方向に対して後向き羽根の構造（いわゆる、ターボ型）を有している。羽根１０はすべて同じ形状で、羽根１０とシュラウド９との接合は、例えば溶着によって行われている。なお、インペラ８は異種の樹脂材料による２色成形技術を用いて成形したものであってもよい。

図３に示すように、シュラウド９の上面には、第１の環状の段部９ｂと第２の環状の段部９ｃとが形成されている。各段部９ｂ、９ｃは略平面で、各段部９ｂ、９ｃの間は傾斜面９ｄとなっている。シュラウド９の軸方向上端には環状凸部９ａが形成されており、その環状凸部９ａは、上ケーシング３の下面に形成された環状溝３ｄ内に嵌り込んでいる。

インペラ８の主板１１は内周側部分と外周側部分とを有し、内周側が外周側より軸方向上方に位置している。そして、内周側部分と外周側部分とは傾斜部１１ａでつながっている。羽根１０は、外周側部分に立設されている。また、主板１１の最内周には内周円筒部１１ｂが垂下する状態に形成されている。この内周円筒部１１ｂの内側にロータヨーク１８の胴部１８ｃが固着され、これによりインペラ８はロータ１５と一体に結合され、ロータ１５とともに回転可能となっている。

図３に示すように、主板１１の内周円筒部１１ｂの下端には複数のピン１１ｂが形成されている。これらピン１１ｂをロータヨーク１８のフランジ１８ａに形成した貫通孔に嵌合させ、フランジ１８ａから突出したピン１１ｂの先端を熱カシメや赤外線カシメを行うことで、ロータヨーク１８と主板１１とが接合され、これによりロータ１５とインペラ８とが一体に結合されている。すなわちインペラ８は、モータ２１の駆動によって回転するロータ１５とともにシャフト１６を回転軸として回転する。

図１に示すように、上ケーシング３の上面側には複数の凹部３ａ（肉盗み部分）が形成されている。上ケーシング３の外周の円周等分複数箇所（この場合４箇所）に、上記支柱が形成されている。支柱７は、上ケーシング３と樹脂の一体成形にて形成されている。一方、下ケーシング４を構成する矩形状のモータベース５およびベースプレート６の四隅であって支柱７に対応する箇所には、貫通孔５ｄ，６ｄがそれぞれ形成されている。これら貫通孔５ｄ，６ｄに下側からタッピングねじ４０（図２参照）を貫通させ、その先端部を円筒状の支柱７内にねじ込んで締め付けることにより、上ケーシング３と下ケーシング４とが結合される。なお、締結手段はこれに限定されず、例えば、下ケーシング４側から支柱７内に挿通したボルトを上ケーシング３側からナットで締め込むといった手段であってもよい。

図１および図２に示すように、上記回路基板３０上には、モータ２１を駆動制御するための部品や制御ＩＣなどの電子部品３１が実装されている。このため、限られた空間で電子部品３１とインペラ８との接触を防止するために、主板１１には上記傾斜部１１ａが形成されており、この傾斜部１１ａの位置に電子部品３１の一部が収納されることで、電子部品３１とインペラ８との接触を防止することができるとともに薄型化が図られている。

上ケーシング３の中央には、吸い込み口３５となる開口が形成されている。上ケーシング３の吸い込み口３５の周縁には、図３に示すように、上記凹部３ａが形成された外周上面から吸い込み口３５に向かって軸方向上方に突出する２段の段部：外側段部３ｃと内側段部３ｂが階段状に形成されている。これら段部３ｃ，３ｂは、当該遠心ファン１を取り付け対象物に取り付ける際に利用される。すなわち、取り付け対象物（例えば装置や機器の筺体）に形成された取り付け孔やダクトに、外側段部３ｃと内側段部３ｂをインローとして嵌合させることで遠心ファン１の位置決めがなされる。

［２］本発明の特徴
次に、本発明の特徴を示す一具体例を説明する。
上記基本構造を有する遠心ファン１においては、インペラ８を薄型化した場合、インペラ８の空気吸い込み側の流路断面積が小さくなって通気抵抗が増加するため、騒音が大きくなる。そこで、インペラ８の羽根１０の翼弦長を大きくすることで羽根１０の負荷を低減して風量特性の向上並びに騒音の低減化を図ることが考えられるが、インペラ８の外径寸法に制約がある場合、内周側に羽根１０を伸長することが有効である。しかし、インペラ８をロータヨーク１８と接合する際、内周側に伸長した羽根１０とロータヨーク１８との接合構造が難しいという問題がある。このような背景に基づき、羽根１０を内周側に伸長させる場合の羽根１０とロータヨーク１８との関係を本実施形態では以下のようにした。

図５に示すように、インペラ８の羽根１０は、その内周側の部分（以下、内周部１０ａ）が、ロータヨーク１８の外周面に対して軸方向に重なるように内周側に延在している。すなわちこの場合には、羽根１０の内周部１０ａはロータヨーク１８の胴部１８ｃから円錐部１８ｄの上側に延在し、その内周側の先端は円錐部１８ｄと天板部１８ｂとの境付近に達している。羽根１０の内周部１０ａの下面（円錐部１８ｄへの対向面）１０ｂは胴部１８ｃから天板部１８ｂ方向にわたり円錐部１８ｄに沿って斜めに形成されており、その下面１０ｂとロータヨーク１８の円錐部１８ｄの上面（ロータヨーク１８の外周面の一部）１８ｅとの間には、一定のクリアランスｔが形成されている。

羽根１０はすべて同じ形状であり、周方向に等間隔をおいてこの場合１１枚が配置されている。羽根１０の翼弦長は約３０ｍｍとされ、翼弦長の約１／３がロータヨーク１８の円錐部１８ｄの上面１８ｅに重なる内周部１０ａとなっている。羽根１０の内周部１０ａの下面１０ｂは円錐部１８ｄの上面１８ｅに沿った形状、すなわち円錐状に形成されている。例えば円錐部１８ｄが外側に凸の曲面形状であった場合には、そこに重なる羽根の内周部１０ａもそれに応じて同様の曲面形状に形成され、クリアランスｔは一定に保持される。

羽根１０の内周部１０ａは、側面から見て、内周側に向かうにしたがい細くなる略三角形状に形成され、羽根１０の外周側よりも高い位置に形成されている。内周部１０ａの高さは、ロータヨーク１８の天板部１８ｂと略同じ高さに設定されている。羽根１０の内周部１０ａが天板部１８ｂよりも高いと、その突出部分に吸い込み口から流入する空気が衝突して渦が生じ騒音発生を招くが、本実施形態ではそのような不具合は抑えられる。

本実施形態の遠心ファン１によれば、上記のようにインペラ８の羽根１０の内周部１０ａをロータヨーク１８の円錐部１８ｄの上面１８ｅに重なる状態に内周側に向けて延在させることにより、インペラ８が同一外径である構成において延在させていない場合よりも羽根１０の翼弦長を大きくすることができる。羽根１０の翼弦長の増大は運転時の羽根１０の負荷が低減することにつながり、その結果、インペラ８を薄型化しても騒音の増大を抑えることができ、ひいてはファン全体の薄型化を実現することができる。また、羽根１０の翼弦長が増大することにより、風量が効率的に増大して風量特性の向上が図られる。

［３］他の実施形態の構造
図６は、上記遠心ファン１の変形例の遠心ファン５０を示している。上記遠心ファン１では、金属製の板（例えば、鉄板）をプレス加工したモータベース５と樹脂製のベースプレート６とを重ね合わせて下ケーシング４が構成されているが、図６の遠心ファン５０における下ケーシング４は、金属製の板（例えば、鉄板）をプレス加工したモータベース５のみで構成されている。その他の構成は遠心ファン１と同一であり、この遠心ファン５０にも、上記実施形態で説明した本発明に係る羽根１０の内周部１０ａの構成が適用されている。遠心ファン５０によれば、樹脂製のベースプレート６の部品点数の削減に伴いコストを低減することができる。

（適切なクリアランスｔの検証）
図１〜図５に示した上記実施形態の遠心ファン１と同一構造であって上記クリアランスｔが可変構造の遠心ファンを作製し、静圧：４８５Ｐａ、風量：３５ｍ^３／ｈの条件下で、羽根１０の内周部１０ａの下面１０ｂとロータヨーク１８の円錐部１８ｄの上面１８ｅとの間に形成されるクリアランスｔを変えて騒音（ｄＢ）を測定した。その結果を図６に示す。

図６によれば、クリアランスｔが０．７５ｍｍを下回る場合には、騒音低減の抑制効果が見られない。これは、吸い込み口からケーシング内に流入した空気の粘性によってロータヨークの外周面（上記実施形態における円錐部１８ｄの上面１８ｅ）に境界層が形成され、吸い込み口での速度分布の勾配による境界層剥離によって渦が発生することに起因するものと考えられる。

次に、クリアランスｔが０．７５ｍｍよりも大きくなると騒音の低減効果が見られ、クリアランスｔが１ｍｍの場合には、クリアランスｔが０．５ｍｍの場合に比べて騒音が約３ｄＢ低減している。これは、吸い込み口から流入した空気による噴流が生じ、この噴流によってロータヨークの外周面の境界層剥離による渦の発生が抑制され、その結果、騒音が低減すると考えられる。また、クリアランスｔが１ｍｍを超えてさらに大きくなると、クリアランスｔからの噴流が多くなるため、羽根の外周側への空気の流れが悪化して送風性能が低下し、騒音が大きくなる傾向となる。

図６からも明らかなように、羽根の内周部の下面とロータヨークの外周面との間に形成されたクリアランスｔの大小は騒音量に影響を及ぼし、クリアランスｔが０すなわち全くない場合よりもクリアランスｔがある場合の方が騒音低減効果がより得られることが認められる。特に０．７５〜１．５ｍｍといった所定の範囲内にクリアランスｔを形成することによって、効果的に騒音を低減できることが判る。

本発明は、特に薄型化が求められる遠心ファンとして好適である。

１，５０…遠心ファン
２…ケーシング
８…インペラ
１０…羽根
１０ａ…羽根の内周部
１０ｂ…羽根の内周部の下面（対向面）
１５…ロータ
１８…ロータヨーク
１８ｅ…ロータヨークの円錐部の上面（ロータヨークの外周面）
２１…モータ
３５…吸い込み口
３６…吹き出し口
ｔ…クリアランス

Claims (4)

1. ロータヨークを有するロータと、ステータとを備え、前記ロータを回転駆動するように構成されたモータと、
   羽根を有し前記ロータヨークの外周に結合されたインペラと、
   吸い込み口および吹き出し口を有し、前記ロータ、前記インペラおよび前記モータを収納するケーシングと、
   を具備し、
   前記ロータとともに回転する前記インペラにより、前記吸い込み口から吸入した空気を前記吹き出し口から前記ケーシングの外方に向けて排出する遠心ファンにおいて、
   前記ロータヨークは、天板部と、円筒状の胴部と、前記天板部と前記胴部とをつなぐ外周に向かって下り傾斜となる円錐部とを備え、
   前記羽根は、前記ロータヨークの前記円錐部上に延在して前記ロータヨークの軸方向に重なる内周部を有し、
   軸方向において、前記羽根の前記内周部の上端位置が、前記ロータヨークの前記天板部の上端位置と同じか、または低く設定されていることを特徴とする遠心ファン。
2. 前記羽根の前記内周部における前記ロータヨークの前記円錐部に対する対向面が該円錐部に沿って形成されるとともに、該対向面と該円錐部との間に所定のクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記クリアランスは０．７５〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の遠心ファン。
4. 前記羽根の内周部は、該羽根の翼弦長の１／３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の遠心ファン。

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