JP6487876B2 - インペラ及びそのインペラを備えるファン - Google Patents

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Description

本発明はインペラ及びそのインペラを備えるファンに関する。
従来、ハブと、該ハブの外周に配設された複数の羽根とを有するインペラと、該インペラを囲繞するハウジングを備えた軸流ファンにおいて、前記羽根の前縁角度(α)は−8°〜−20°の範囲で、前記羽根の取付け角度(β)は36°〜50°の範囲で、前記羽根のひねり角度(θ)は10°±2°の範囲であることを特徴とする軸流ファンが知られている(特許文献1参照)。
特開2011−247246号公報
ところで、ファンにおいては、消費電力を増加させずに、風量静圧特性を向上させて高い冷却性能を得ることが望まれる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力の増加を抑制しつつ、風量静圧特性を向上させることができるインペラ、及びそのインペラを備えるファンを提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成によって把握される。
(1)本発明のインペラは、リング状のハブと、前記ハブの外周に設けられた複数の翼と、を備え、前記翼は、回転軸方向から見た平面視で、前記翼の径方向幅の内側が回転方向と反対側に湾曲した後縁部を有している。
(2)上記(1)の構成において、前記翼は、後縁部側が負圧面側に膨らんだ形状を有している。
(3)上記(1)又は(2)の構成において、前記翼は、最も径方向外側の翼弦長が最も回転中心側の翼弦長よりも長い。
(4)上記(1)から(3)のいずれか1つの構成において、前記翼は、回転軸方向から見た平面視で、回転方向に湾曲した前縁部を有している。
(5)上記(4)の構成において、前記前縁部は、回転軸方向から見た平面視で、前記前縁部の外側端部が回転中心と前記前縁部のハブ側端部を結ぶ直線よりも回転方向側に位置している。
(6)上記(4)又は(5)の構成において、前記前縁部は、前記ハブの外周面を見る平面視で、前記前縁部の外側端部側が前記ハブの外周面の前縁部側の端よりも外側に出ている。
(7)上記(4)から(6)のいずれか1つの構成において、前記翼は、前記前縁部の外側端部側が正圧面側に緩やかに湾曲している。
(8)上記(1)から(7)のいずれか1つの構成において、前記翼は、最も径方向外側と最も回転中心側の最大キャンバーは、径方向幅の略中央の最大キャンバーよりも大きい。
(9)上記(8)の構成において、最も径方向外側と最も回転中心側の前記最大キャンバーは翼弦長の0.2%より大きく、径方向幅の略中央での前記最大キャンバーは翼弦長の0.2%未満である。
(10)上記(1)から(9)のいずれか1つの構成において、隣接する前記翼は、回転軸方向から見た平面視で、一方の前記翼の前縁部側の一部と他方の前記翼の後縁部側の一部が重なっている。
(11)上記(1)から(10)のいずれか1つの構成において、前記後縁部は、前記ハブの後縁部側の端部とほぼ面一となる平面上に位置している。
(12)本発明のファンは、上記(1)から(11)のいずれか1つの構成を有するインペラと、前記インペラを回転させるモータと、を備えている。
(13)上記(12)の構成において、ケーシングを備え、前記ケーシングは、前記モータを配置するベース部と、前記翼の外周に沿って設けられ、少なくとも前記翼の前縁部側の外周を覆う側壁部と、前記側壁部と前記ベース部を繋ぐ接続部と、を備えている。
本発明によれば、消費電力の増加を抑制しつつ、風量静圧特性を向上させることができるインペラ、及びそのインペラを備えるファンを提供することができる。
本発明に係る実施形態のファンの断面図である。 本発明に係る実施形態のファンの空気を吸い込む側を見た平面図である。 本発明に係る実施形態のファンの空気を吹き出す側を見た斜視図である。 本発明に係る実施形態のインペラの空気を吹き出す側を見た平面図である。 本発明に係る実施形態のインペラの空気を吸い込む側を見た平面図である。 本発明に係る実施形態のインペラのハブの外周面を正面に見た平面図である。 本発明に係る実施例と比較例のインペラの翼の違いを見るための指標を説明するための図である。 比較例のインペラを示した図であり、(a)はハブの外周面を正面に見た平面図であり、(b)はインペラの空気を吸い込む側を回転軸方向から見た平面図である。 本発明に係る実施例の翼と比較例の翼のキャンバーを示したグラフであり、(a)は比較例の翼のキャンバーを示すグラフであり、(b)は実施例の翼のキャンバーを示したグラフである。 本発明に係る実施例のインペラを用いたファンと比較例のインペラを用いたファンとの風量静圧特性及び消費電力を比較したグラフである。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という)を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。
図1は本発明に係る実施形態のファン1の断面図であり、図2はファン1の空気を吸い込む側を見た平面図である。
なお、図1において上側が空気を吸い込む側であり、下側が空気を吹き出す側であり、ファン1によって空気は図1の上側から下側に向かって流れることになる。
図1に示すように、ファン1は、樹脂製のケーシング10と、ケーシング10に取り付けられたモータ20と、モータ20に取り付けられたインペラ30と、を備えている。
ただし、ファンの使用形態によってはケーシング10が不要である場合があるのでケーシング10が省略される場合がある。
また、ケーシング10は金属製等であってもよく、樹脂であることに限定されるものではないが、樹脂製のほうが量産性がよいので、ケーシング10は樹脂製とすることが好ましい。
(ケーシング)
図1及び図2に示すように、ケーシング10は、中央に軸受ハウジング11aを有し、モータ20(図1参照)を配置するベース部11と、インペラ30(図1参照)の翼32の外周に沿って設けられる側壁部12と、側壁部12とベース部11を繋ぐ接続部13と、を備えている。
なお、本実施形態では、接続部13がスポークの場合を示しているが、静翼であってもよい。
そして、図1に示すように、軸受ハウジング11a内には、シャフト25に沿った方向に離間して取り付けられた2つの軸受14が設けられており、その軸受14によってモータ20のシャフト25が回転可能に支持されることで、ベース部11に対してモータ20のロータ20Bが回転可能に配置されている。
また、軸受ハウジング11aの外周面には、モータ20のステータコア21が固定されることで、ベース部11に対してモータ20のステータ20Aが配置されている。
なお、本実施形態では、ベース部11に対して軸受ハウジング11aを取り付けるようにしているが、軸受ハウジング11aは、ケーシング10を射出成形等の樹脂成形手段で成形するときに、ベース部11に一体に成形するようにしてもよい。
(モータ)
モータ20は、主に、ステータ20Aと、ロータ20Bと、を備えている。
ステータ20Aは、軸受ハウジング11aの外周面に固定されたステータコア21と、ステータコア21上に設けられたインシュレータ22と、インシュレータ22を介してステータコア21上に設けられたコイル23と、を備えている。
一方、ロータ20Bは、軸受ハウジング11a内に設けられた2つの軸受14で回転可能に支持された回転軸となるシャフト25と、シャフト25に固定され、シャフト25とともに回転するロータヨーク26と、ロータヨーク26に固定され、シャフト25及びロータヨーク26とともに回転するロータマグネット27と、を有している。
ロータヨーク26は、中央にシャフト25が圧入される圧入固定部26aaを有する円板部26aと、円板部26aの外周部に一端が繋がり、ステータコア21の外周を覆うように設けられ、ステータコア21にロータマグネット27を対向させて配置する円筒部26bと、を備えており、円筒部26bは、後述するインペラ30を装着する部分にもなっている。
(インペラ)
図3はファン1の空気を吹き出す側を見た斜視図であり、図4はインペラ30の空気を吹き出す側を回転軸方向(シャフト25の軸方向)から見た平面図である。
また、図5は図4とは逆にインペラ30の空気を吸い込む側を回転軸方向(シャフト25の軸方向)から見た平面図であり、図6はインペラ30のハブ31の外周面を正面に見た平面図である。
なお、図3から図5に記載されている矢印は、モータ20によってインペラ30が回転させられる方向を示しており、図4及び図5では、ファン1にインペラ30が設けられたときに、シャフト25の中心が位置することになる回転中心を符号Oで示している。
図3に示すように、インペラ30は、リング状のハブ31と、ハブ31の外周に設けられた複数の翼32と、を備えており、図4及び図5に示すように、本実施形態では、翼32が9枚設けられている。
そして、図1に示すように、モータ20のロータ20Bのロータヨーク26の外周にハブ31を装着するようにして、インペラ30はモータ20に取り付けられている。
図4は、上述のとおり、回転軸方向(シャフト25の軸方向)から見た平面図になっており、図4に示すように、翼32は、回転軸方向から見た平面視で、翼32の径方向幅Wの内側が回転方向(矢印参照)と反対側に湾曲した後縁部32aを有している。
より具体的には、図3の点線で囲む部分Bを見るとわかるように、翼32は、インペラ30が回転するときに風を受けることになる正圧面33aと反対側になる負圧面33b側に、翼32の後縁部32a側が膨らんだ形状になっており、図4を参照して説明したように、後縁部32aを翼32の径方向幅Wの内側が回転方向(矢印参照)と反対側に湾曲することを許すことで翼32の後縁部32a側が膨らんだ形状としている。
翼32は、翼32の径方向の外側ほど、インペラ30の回転中心Oからの距離があるため、インペラ30が回転するときの周速度が速くなる。
このため、翼32の径方向の外側ほど、空気を押し出すための仕事量が大きく、翼32の径方向の外側で多くの空気を受けるようにすると、風量を増大させることができる一方、モータ20に加わるトルクも増大し、消費電力も増加することになる。
そこで、後縁部32aを翼32の径方向幅Wの内側が回転方向(矢印参照)と反対側に湾曲させて翼32の後縁部32a側が膨らんだ形状とすることで、翼32の前縁部32b側で取り込まれた空気が翼32の正圧面33aに沿って流れ、吹き出し側への流れが形成されるのにしたがって、翼32の外側よりもモータ20に係る負荷が少ない翼32の内側に誘導するようにし、トルクの増加を抑制し、消費電力の増加を抑えながら、効率よく空気を送り出すようにしている。
一方、翼32において、回転中心Oから等距離にある部分で切断したときのその断面における前縁部32bと後縁部32aを結ぶ直線は翼弦と呼ばれ、翼弦の長さは翼弦長と呼ばれるが、図4から図6に示される翼32の形状を見ると理解できるとおり、翼32は、最も径方向外側の翼弦長が最も回転中心O側(ハブ31との接触面の部分)の翼弦長よりも長くなるようにしている。
また、図5に示すように、翼32は、前縁部32bが、回転軸方向から見た平面視で、回転方向に湾曲するように形成されており、より具体的には、前縁部32bの外側端部34aが回転中心Oと前縁部32bのハブ側端部34bを結ぶ直線(点線L1参照)よりも回転方向側に位置するようになっており、前縁部32bは、その外側端部34aとハブ側端部34bを緩やかに繋ぐように回転方向に湾曲するように形成されている。
さらに、図6に示すように、前縁部32bは、ハブ31の外周面を見る平面視で、前縁部32bの外側端部34a側がハブ31の外周面の前縁部32b側の端31aよりも外側に出るように形成されている。
つまり、翼32の全体的な形状としては、仕事量の大きくなる翼32の径方向外側の面積が大きく取られるように設計されており、風量が得られるようになっている。
また、図6に示すように、翼32の前縁部32bの外側端部34a側(点線丸囲み部分F参照)に着目すると、翼32は、前縁部32bの外側端部34a側が正圧面33a側に緩やかに湾曲する(比喩的な表現でいえば、少しお辞儀する)形状に形成されている。
上述したように、翼32の外側は仕事量が大きい反面、ここで強く空気を受けると、モータ20に係るトルクが増大し、消費電力が増加することになる。
特に、翼32の前縁部32b側は、空気の取り込み開始部分であるため、後縁部32aから吹き出す空気の流れに伴う吸引力で吸い込まれる程度の空気の流れしか形成されていないため、翼32に対する空気の衝突力が大きい位置である。
そこで、特に翼32への空気の衝突力が大きくなると考えられる前縁部32bの外側端部34a側を上述のように少し正圧面33a側に寝かせた形状とすることで、空気との衝突角を緩やかなものとし、空気が前縁部32bの外側端部34a側の正圧面33aに衝突するというよりも、正圧面33aの表面を滑らかに流れる(比喩的な表現でいえば、滑るように流れる)状態にしている。
このようにすることで、前縁部32b側における翼32の仕事量が大きい外側端部34a側の面積を稼ぎ、空気の取り込みを増加させるようにしつつ、モータ20に係るトルクの増加を抑えるようにすることができる。
ところで、本実施形態では、図4及び図5に示すように、隣接する翼32は、回転軸方向から見た平面視で、一方の翼32の前縁部32b側の一部と他方の翼32の後縁部32a側の一部が重なるようになっている。
このようにすると、インペラ30の空気を吸い込む側から空気を吹き出す側に向かって直線的に抜けることができる隙間40の割合が少なくなるので、吹き出し側の静圧が高い時に吹き出す空気が空気の取り込み側に押戻され難くなるため、より一層、風量静圧特性を向上させることができる。
そして、上記のような翼32を有するインペラ30を用いた本実施形態のファン1と従来のインペラを用いたファンとで風量静圧特性及び消費電力の比較を行ったので、以下に、その結果について説明する。
(性能比較)
まず、従来のインペラを用いたファン(比較例)と本実施形態のインペラ30を用いたファン1(実施例)との翼の違いについて、簡単に説明した後、風量静圧特性及び消費電力について説明する。
図7は実施例と比較例のインペラの翼の違いを見るための指標を説明するための図である。
図7において、上側に示す図は図6と同じであり、下側に翼32の最も径方向外側になる断面(上側の図のハッチング部分)を示した図である。
図7の下側の図に示すように、翼32の断面における前縁部32bと後縁部32aを結ぶ直線(一点鎖線参照)は、一般に翼弦と呼ばれ、その翼弦の長さLは翼弦長(以後、翼弦長Lとも記載する)と呼ばれている。
なお、図7の下側の図は、翼32の最も径方向外側であるため、前縁部32bの外側端部34aと後縁部32aの外側端部35aを結ぶ直線(一点鎖線参照)が翼弦になっており、例えば、翼32の最もハブ31側の断面の場合には、前縁部32bのハブ側端部34bと後縁部32aのハブ側端部35b(図5参照)を結ぶ直線が翼弦となる。
また、図7の下側の図に示すように、翼32の中央を通る線CLは、キャンバー線(以後、キャンバー線CLとも記載する)と呼ばれている。
そして、この翼弦(一点鎖線参照)とキャンバー線CLとの間の寸法Dを翼弦長Lに対するパーセンテージで表したものは、キャンバーC(C=「D/L」×100(%))と呼ばれ、翼弦に沿って求められるキャンバーCの値のうち、最大の値は最大キャンバーと呼ばれる。
図8は比較例のインペラ130を示した図であり、図8(a)は、図6と同様に、ハブ131の外周面を正面に見た平面図であり、図8(b)は、図5と同様に、インペラ130の空気を吸い込む側を回転軸方向から見た平面図である。
なお、図8に示す矢印は、モータによってインペラ130が回転させられる方向を示しており、符号Oは回転中心である。
また、翼132の前縁部には符号132bを付し、後縁部には符号132aを付している。
そして、図9は実施例の翼32と比較例の翼132のキャンバーを示したグラフであり、図9(a)は比較例の翼132のキャンバーを示すグラフであり、図9(b)は実施例の翼32のキャンバーを示したグラフである。
図9(a)及び(b)において、横軸は翼弦長軸となっており、縦軸がその翼弦の各位置でのキャンバーを示している。
ただし、翼弦長軸は、翼弦長が1となるように正規化したものとしている。
そして、図9(a)及び(b)では、翼の径方向幅の3箇所におけるキャンバーを示すようにしており、ひし形で表されるものは、最もハブ側の翼のキャンバーを示しており、四角で表されるものは翼の径方向幅の中央のキャンバーを示しており、三角で表されるものは翼の最も外側のキャンバーを示している。
図9(a)及び(b)を見比べるとわかるように、実施例の翼32は比較例の翼132に比べ、ハブ31側及び外側の最大キャンバーがかなり大きくなっている。
また、実施例の翼32の径方向幅Wの中央のキャンバーは、比較例の翼132の径方向幅の中央のキャンバーと比較すれば最大キャンバーは若干大きいものの、比較例の外側のキャンバーの最大キャンバーと同程度であり、それほど大きな最大キャンバーを有しているわけではなく、実施例の翼32の径方向幅Wの中央は、従来と同様にあまり湾曲せず直線に近い形状になっていることがわかる。
図9(b)に示すように、実施例の翼32では、最も径方向外側と最も回転中心O側の最大キャンバーは、径方向幅Wの中央の最大キャンバーよりも大きい。より具体的には、径方向幅Wの中央での最大キャンバーが翼弦長の0.2%未満であるのに対し、最も径方向外側と最も回転中心O側(ハブ31側)の最大キャンバーは翼弦長の0.2%より大きく、0.4%を超えるものになっている。
上述したように、本実施形態の翼32は、翼32の前縁部32b側で取り込まれた空気が翼32の正圧面33a(図6参照)に沿って流れ、吹き出し側への流れが形成されるのにしたがって、翼32の外側よりもモータ20に係る負荷が少ない翼32の内側に誘導するようになっている。
このため、翼32の径方向幅Wの中央側では最大キャンバーが小さく、抵抗を発生し難い形状になっており、一方、翼32の外側では最大キャンバーが大きく、仕事量が大きくなるように設計されている。
なお、翼32のハブ31側のキャンバーが外側のキャンバーと類似したものになっているのは、正圧面33a上を流れる空気がハブ31に衝突して流れが乱れないように外側と同様に空気を翼32の内側に誘導している状態が表れている。
また、図9(b)を見るとわかるように、実施例の翼32では、翼32の径方向幅Wの中央のキャンバーが、後縁部32a側となる翼弦長軸0.6から1.0のところで少し大きくなっている。
これは、上述したように、翼32の後縁部32a側が膨らんだ形状(図3の点線で囲む部分B参照)が表れたものであり、この部分が効率よく吹き出し側に空気を誘導するようになっていることがわかる。
図10は、本発明に係る実施例のインペラ30を用いたファン1と比較例のインペラ130を用いたファンとの風量静圧特性及び消費電力を比較したグラフ(具体例)である。
図10のグラフにおいて、横軸が風量[m/min]であり、左縦軸が静圧[Pa]であり、右縦軸が消費電力[W]である。
そして、図10のグラフに丸で表示されているのは実施例のファン1の結果であり、風量静圧特性を実線で示し、消費電力を点線で示している。
また、三角で表示されているのは比較例のファンの結果であり、風量静圧特性を実線で示し、消費電力を点線で示している。
図10に示すように、実施例のファン1は、どの風量の場合でも比較例のファンに比べ高い静圧になっており、風量静圧特性が向上していることがわかる。
また、どの風量の場合でも比較例のファンの消費電力を超えておらず、ほぼ同等の消費電力若しくは若干改善した消費電力になっていることがわかる。
したがって、本実施形態のインペラ30を用いたファン1であれば、消費電力の増加を抑制しつつ、風量静圧特性を向上させることができる。
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
上記では、図9(b)に示したように、翼32の最も径方向外側と最も回転中心O側の最大キャンバーが0.4%を超え、ほぼ0.5%になっているものを例示しているが、必ずしも、これに限定される必要はない。
しかしながら、翼32の最も径方向外側と最も回転中心O側の最大キャンバーは、0.2%より大きいことが好ましく、また、0.3%より大きいことが好ましい。
また、上記では、径方向外側、径方向幅Wの中央及びハブ31側のいずれの位置でも、正規化した翼弦長軸で前縁部32b側から4割以内の位置に、翼32の最大キャンバーが形成されている場合について示したが、必ずしも、これに限定される必要はないが、正規化した翼弦長軸で前縁部32b側から5割以内の位置に最大キャンバーが形成されているのが好ましい。
さらに、上記では、インペラ30を回転させるモータ20としてアウターロータ型のモータを用いている場合について示したが、モータ20はインナーロータ型のモータであってもよい。
加えて、上記では、翼32の外周に沿って設けられた、ケーシング10の側壁部12が、翼32の前縁部32b側の一部だけを覆うものになっているが、翼32の側面の全部を覆うようになっていてもよく、また、側壁部12はリング状(円筒状)等に限定されるものではなく、外形が矩形状でインペラ30を配置する円形の孔が形成されているようなものであってもよい。
また、上記実施形態では、図6に示すように、翼32の後縁部32aは、ハブ31の後縁部32a側の端部とほぼ面一となる平面上に位置しているが、ハブ31の後縁部32a側の端部よりも空気を吹き出す側に位置していてもよい。
したがって、本発明は、具体的な実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲での種々の変更を行ったものも本発明の技術的範囲に含まれるものであることは、当業者にとって特許請求の範囲の記載から明らかである。
1…ファン、10…ケーシング、11…ベース部、11a…軸受ハウジング、12…側壁部、13…接続部、14…軸受、20…モータ、20A…ステータ、21…ステータコア、22…インシュレータ、23…コイル、20B…ロータ、25…シャフト、26…ロータヨーク、26a…円板部、26aa…圧入固定部、26b…円筒部、27…ロータマグネット、30…インペラ、31…ハブ、31a…端、32…翼、32a…後縁部、32b…前縁部、33a…正圧面、33b…負圧面、34a…外側端部、34b…ハブ側端部、35a…外側端部、35b…ハブ側端部、40…隙間、130…インペラ、ハブ…131、132…翼、132a…後縁部、132b…前縁部、C…キャンバー、CL…キャンバー線、D…寸法、L…翼弦長、O…回転中心、W…径方向幅

Claims (11)

  1. リング状のハブと、
    前記ハブの外周に設けられた複数の翼と、を備え、
    前記翼は、回転軸方向から見た平面視で、前記翼の径方向幅の内側が回転方向と反対側に湾曲した後縁部と、回転軸方向から見た平面視で、回転方向に湾曲した前縁部と、を有し
    前記前縁部は、回転軸方向から見た平面視で、前記前縁部の外側端部が回転中心と前記前縁部のハブ側端部を結ぶ直線よりも回転方向側に位置しているインペラ。
  2. 前記前縁部は、前記ハブの外周面を見る平面視で、前記前縁部の外側端部側が前記ハブの外周面の前縁部側の端よりも外側に出ている請求項に記載のインペラ。
  3. リング状のハブと、
    前記ハブの外周に設けられた複数の翼と、を備え、
    前記翼は、回転軸方向から見た平面視で、前記翼の径方向幅の内側が回転方向と反対側に湾曲した後縁部と、回転軸方向から見た平面視で、回転方向に湾曲した前縁部と、を有し、
    前記前縁部は、前記ハブの外周面を見る平面視で、前記前縁部の外側端部側が前記ハブの外周面の前縁部側の端よりも外側に出ているインペラ。
  4. 前記翼は、後縁部側が負圧面側に膨らんだ形状を有している請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のインペラ。
  5. 前記翼は、最も径方向外側の翼弦長が最も回転中心側の翼弦長よりも長い請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のインペラ。
  6. 前記翼は、前記前縁部の外側端部側が正圧面側に緩やかに湾曲している請求項から請求項のいずれか1項に記載のインペラ。
  7. 前記翼は、最も径方向外側と最も回転中心側の最大キャンバーは、径方向幅の略中央の最大キャンバーよりも大きい請求項1から請求項のいずれか1項に記載のインペラ。
  8. 隣接する前記翼は、回転軸方向から見た平面視で、一方の前記翼の前縁部側の一部と他方の前記翼の後縁部側の一部が重なっている請求項1から請求項のいずれか1項に記載のインペラ。
  9. 前記後縁部は、前記ハブの後縁部側の端部とほぼ面一となる平面上に位置している請求項1から請求項のいずれか1項に記載のインペラ。
  10. 請求項1から請求項のいずれか1項に記載のインペラと、
    前記インペラを回転させるモータと、を備えているファン。
  11. ケーシングを備え、
    前記ケーシングは、
    前記モータを配置するベース部と、
    前記翼の外周に沿って設けられ、少なくとも前記翼の前縁部側の外周を覆う側壁部と、
    前記側壁部と前記ベース部を繋ぐ接続部と、を備えている請求項1に記載のファン。
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