JP6507723B2 - 軸流ファンおよびファンユニット - Google Patents

Description

本発明は、軸流ファンおよびファンユニットに関する。

近年、モータ技術の革新により、軸流ファンの高効率化（消費電力の低減）が進んでいる。また、軸流ファンの更なる効率化を行うために、種々の羽根形状の工夫もなされている。たとえば、特開２０００−１１０７７２号公報には、排気側においてモータを支持する構造のファンが記載されている。当該公報のファンでは、インペラを径方向外から囲むハウジングと、モータを支持するモータ支持部とが、インペラよりも排気側に配置された支持リブによって連結されている。

インペラよりも排気側に配置された支持リブを、静翼と呼ばれる羽根形状に構成すると、インペラの回転により生じる空気流を、当該支持リブによって整流することができる。これにより、インペラから排気された空気流に、渦が発生することを抑制できる。インペラは、回転することにより空気流を発生させるが、当該空気流が層流の場合には風損が小さく、空気流が乱流（渦が発生する状態）の場合には風損が大きい。つまり、支持リブを静翼として機能させることで、渦の発生を抑制すれば、ファンとしての効率が高まる。
特開２０００−１１０７７２号公報

しかしながら、インペラよりも吸気側に支持リブ（静翼）を有する軸流ファンの場合は、支持リブの形状を工夫しても、排気側における空気流の整流効果は期待できない。つまり、インペラよりも吸気側に支持リブを有する軸流ファンにおいては、支持リブを静翼として機能させる上記の方法とは異なる方法で、風損を改善することが求められる。

本発明は、風損改善を行いかつ、バランス修正を行える軸流ファンを提供することを目的とする。

軸流ファンであって、静止部と、静止部に対して回転可能に支持される回転部と、を有し、前記回転部は、上下方向に延びる中心軸に沿って配置されるシャフトと、前記中心軸の周りに環状に配置されるロータマグネットと、前記ロータマグネットを保持する円筒状の内側面をもつロータホルダと、前記ロータホルダの外周面に直接または間接的に固定されるインペラと、を有し、前記静止部は、前記ロータマグネットの径方向内方に位置する電機子と、前記シャフトを回転可能に支持する軸受部材と、前記軸受部材および前記電機子を支持するベース部と、前記インペラの径方向外方において、軸方向に延びる筒状のハウジングと、前記ハウジングと前記ベース部とを連結し、前記インペラよりも上方に位置する複数の支持リブと、を有し、前記インペラは、前記ロータホルダを覆うカップ状の羽根支持部と、前記羽根支持部の径方向外側において周方向に配列され、回転時に上方から下方へ向かう気流を発生させる複数の羽根と、を有し、前記回転部は、前記羽根支持部と前記ロータホルダとの間に介在し、周方向の質量分布を変更可能な第１バランス修正部を有し、前記インペラは、前記第１バランス修正部よりも軸方向下方に位置し、かつ、前記ロータホルダおよび前記羽根支持部に対する前記羽根の付け根よりも軸方向下方に位置し、周方向の質量分布を変更可能な第２バランス修正部と、前記第２バランス修正部よりも軸方向下方に位置し、下方へ向かうにつれて縮径する第１コーン部と、を有する。

本発明によれば、風損改善を行いかつ、バランス修正を行える軸流ファンを提供することができる。

図１は、ファンユニットの断面図である。 図２は、排気側ファンの部分縦断面図である。 図３は、第２羽根支持部の上面図である。 図４は、第２羽根支持部の下面図である。 図５は、第２羽根支持部の部分縦断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、軸流ファンの中心軸と平行な方向を「軸方向」、軸流ファンの中心軸に直交する方向を「径方向」、軸流ファンの中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、以下の説明では、軸方向において、空気が取り込まれる側である図１中の上側を「吸気側」または単に「上方」と呼び、空気が排出される側である図１中の下側を「排気側」または単に「下方」と呼ぶ。ただし、この「上方」および「下方」は、あくまで説明の便宜のための表現であって、重力方向とは無関係である。本発明に係る軸流ファンは、どのような向きで使用されるものであってもよい。

＜１．ファンユニットの全体構成＞
図１は、ファンユニット１００を中心軸Ｊを含む平面で切断した縦断面図である。このファンユニット１００は、複数の電子機器が配置されたサーバルームなどの室内に、冷却用の空気流を供給する装置である。ユーザは、ファンユニット１００を単独で使用してもよく、あるいは、複数台のファンユニット１００を組み合わせて同時に使用してもよい。例えば、１つのサーバルームに対して、複数台のファンユニット１００を設置して、それらを同時に駆動させてもよい。

図１に示すように、ファンユニット１００は、吸気側ファン１と排気側ファン２とを有する。吸気側ファン１および排気側ファン２は、いずれも、中心軸Ｊに沿って下向きに空気流を発生させる軸流式のファン（軸流ファン）である。吸気側ファン１は、排気側ファン２よりも軸方向上方に配置される。吸気側ファン１および排気側ファン２を駆動させると、吸気側ファン１の上方から空気が取り込まれ、排気側ファン２の下方へ向けて空気が送出される。これにより、図１中の破線矢印のように、中心軸Ｊに沿って下向きの空気流Ｆが発生する。

吸気側ファン１は、第１静止部１１と第１回転部１２とを有する。第１回転部１２は、第１静止部１１に対して回転可能に支持される。

第１静止部１１は、第１ベース部３１、第１軸受保持部３２、第１電機子３３、第１軸受部材３４、第１ハウジング３５、複数の第１支持リブ３６、および第１回路基板３７を有する。

第１ベース部３１は、排気側ファン２との境界付近に配置される。第１ベース部３１の下面は、後述する第２ベース部５１の上面と、接触または僅かな隙間を介して対向する。第１軸受保持部３２は、中心軸Ｊに沿って略円筒状に延びる。第１軸受保持部３２の下端部は、第１ベース部３１に固定される。

第１電機子３３は、後述する第１ロータマグネット４２の径方向内方に位置する。第１電機子３３は、ステータコア３３１と複数のコイル３３２とを有する。ステータコア３３１には、例えば、磁性体である積層鋼板が用いられる。ステータコア３３１は、第１軸受保持部３２の外周面に固定される。また、ステータコア３３１は、径方向外側へ向けて突出する複数のティースを有する。各ティースの径方向外側の端面は、後述する第１ロータマグネット４２の径方向内側の面と、径方向に対向する。コイル３３２は、ティースに巻き付けられた導線である。

第１軸受部材３４は、第１軸受保持部３２の径方向内側に収容される。第１軸受部材３４には、例えば、一対の玉軸受３４１が用いられる。一対の玉軸受３４１は、中心軸Ｊに沿って上下に配置される。各玉軸受３４１の外輪は、第１軸受保持部３２の内周面に固定される。各玉軸受３４１の内輪は、後述する第１シャフト４１に固定される。これにより、第１軸受保持部３２に対して第１シャフト４１が、回転可能に支持される。

第１ハウジング３５は、後述する第１インペラ４４の径方向外方において、軸方向に筒状に延びる。すなわち、第１ハウジング３５は、第１インペラ４４の径方向外側を、環状に取り囲む。第１ハウジング３５の径方向内側の空間は、空気流Ｆが通過する風洞となる。第１ハウジング３５の上部の開口は、空気を取り込む吸気口となる。

複数の第１支持リブ３６は、後述する第１インペラ４４よりも下方に位置する。各第１支持リブ３６は、第１ベース部３１と第１ハウジング３５とを、径方向に連結する。これにより、第１ハウジング３５に対する第１電機子３３の位置が固定される。第１支持リブ３６の数は、例えば３本とすればよい。第１ベース部３１、第１ハウジング３５、および第１支持リブ３６は、例えば、樹脂の射出成形により一体的に形成される。ただし、第１ベース部３１、第１ハウジング３５、および第１支持リブ３６の一部は、別部材であってもよい。

第１回路基板３７は、第１ベース部３１の上方、かつ、第１電機子３３の下方に配置される。第１回路基板３７は、例えば、第１電機子３３に対して固定される。第１回路基板３７の上面視における形状は、円環状であってもよく、円弧状であってもよい。第１回路基板３７は、第１電機子３３のコイル３３２と電気的に接続されて、コイル３３２に駆動電流を供給するための電気回路を有する。当該電気回路は、複数のリード線を束ねたリード線群を介して、吸気側ファン１の外部に設けられた電源に接続される。なお、リード線群および外部電源の図示は省略する。

第１回転部１２は、第１シャフト４１、第１ロータマグネット４２、第１ロータホルダ４３、および第１インペラ４４を有する。

第１シャフト４１は、第１軸受保持部３２の径方向内側において、中心軸Ｊと同軸に配置される。第１シャフト４１は、後述する第１ロータホルダ４３の上部中央から、下方へ向けて延びる。上述の通り、第１シャフト４１は、第１軸受部材３４によって、回転可能に支持される。第１シャフト４１の下端部は、第１ベース部３１の径方向内側に位置する。第１シャフト４１の上端部は、第１軸受保持部３２の上端部よりも、上方へ突出する。

第１ロータマグネット４２は、第１電機子３３の径方向外側に、環状に配置される。第１ロータマグネット４２は、１つの円筒状のマグネットであってもよく、環状に配列された複数のマグネットであってもよい。第１ロータマグネット４２の径方向内側の面には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に着磁されている。

第１ロータホルダ４３は、軸方向下方へ向けて開いたカップ状（略有蓋円筒状）であり、中心軸Ｊと同軸に配置される。第１ロータホルダ４３の材料には、例えば、磁性体である鉄等の金属が用いられる。第１ロータホルダ４３の内周部は、第１シャフト４１の上端部に固定される。また、第１ロータホルダ４３の側壁部は、第１ロータマグネット４２を保持する円筒状の内側面を有する。

第１インペラ４４は、第１ロータホルダ４３の外周面に、直接または間接的に固定される。第１インペラ４４は、カップ状（略有蓋円筒状）の第１羽根支持部４４１と、複数の第１羽根４４２とを有する。第１羽根支持部４４１は、第１ロータホルダ４３の少なくとも外周面を覆う。複数の第１羽根４４２は、第１羽根支持部４４１の径方向外側において、周方向に配列される。各第１羽根４４２は、第１羽根支持部４４１の外周面から径方向外側へ広がる。すなわち、第１羽根４４２は、第１羽根支持部４４１に支持される。第１羽根４４２の数は、例えば５枚とされる。

本実施形態の第１インペラ４４は、樹脂成形品である。第１羽根支持部４４１と複数の第１羽根４４２とは、樹脂の射出成形により一体に形成される。ただし、第１羽根支持部４４１と複数の第１羽根４４２とが、互いに別部材で形成されていてもよい。

この吸気側ファン１では、第１シャフト４１、第１ロータマグネット４２、および第１ロータホルダ４３が、回転組立体である第１ロータ部４０を構成する。そして、当該第１ロータ部４０と、固定組立体である第１ベース部３１、第１軸受保持部３２、第１電機子３３、および第１軸受部材３４とで、第１モータ部１３が構成されている。第１モータ部１３では、第１電機子３３に対して第１ロータ部４０が上方に位置する。

外部電源から第１回路基板３７を介して第１電機子３３のコイル３３２に駆動電流が供給されると、ステータコア３３１に、駆動電流に応じた磁束が生じる。そして、ステータコア３３１と第１ロータマグネット４２との間の磁束の作用により、周方向のトルクが発生する。その結果、第１ロータ部４０が、中心軸Ｊを中心として回転する。第１ロータ部４０が回転すると、第１ロータ部４０とともに、第１インペラ４４も中心軸Ｊを中心として回転する。これにより、第１ハウジング３５の径方向内側において、軸方向下向きの空気流Ｆが発生する。

図２は、排気側ファン２の部分縦断面図である。図１および図２に示すように、排気側ファン２は、第２静止部２１と第２回転部２２とを有する。第２回転部２２は、第２静止部２１に対して回転可能に支持される。

第２静止部２１は、第２ベース部５１、第２軸受保持部５２、第２電機子５３、第２軸受部材５４、第２ハウジング５５、複数の第２支持リブ５６、および第２回路基板５７を有する。

第２ベース部５１は、吸気側ファン１との境界付近に配置される。第２ベース部５１の上面は、第１ベース部３１の下面と、接触または僅かな隙間を介して対向する。第２軸受保持部５２は、中心軸Ｊに沿って略円筒状に延びる。第２軸受保持部５２の上端部は、第２ベース部５１に固定される。

第２電機子５３は、後述する第２ロータマグネット６２の径方向内方に位置する。第２電機子５３は、ステータコア５３１と複数のコイル５３２とを有する。ステータコア５３１には、例えば、磁性体である積層鋼板が用いられる。ステータコア５３１は、第２軸受保持部５２の外周面に固定される。また、ステータコア５３１は、径方向外側へ向けて突出する複数のティースを有する。各ティースの径方向外側の端面は、後述する第２ロータマグネット６２の径方向内側の面と、径方向に対向する。コイル５３２は、ティースに巻き付けられた導線である。

第２軸受部材５４は、第２軸受保持部５２の径方向内側に収容される。第２軸受部材５４には、例えば、一対の玉軸受５４１が用いられる。一対の玉軸受５４１は、中心軸Ｊに沿って上下に配置される。各玉軸受５４１の外輪は、第２軸受保持部５２の内周面に固定される。各玉軸受５４１の内輪は、後述する第２シャフト６１に固定される。これにより、第２軸受保持部５２に対して第２シャフト６１が、回転可能に支持される。

第２ハウジング５５は、後述する第２インペラ６４の径方向外方において、軸方向に筒状に延びる。すなわち、第２ハウジング５５は、第２インペラ６４の径方向外側を、環状に取り囲む。第２ハウジング５５の径方向内側の空間は、空気流Ｆが通過する風洞となる。第２ハウジング５５の下部の開口は、空気を下方へ排出する排気口となる。

複数の第２支持リブ５６は、後述する第２インペラ６４よりも上方に位置する。各第２支持リブ５６は、第２ベース部５１と第２ハウジング５５とを、径方向に連結する。これにより、第２ハウジング５５に対する第２電機子５３の位置が固定される。第２支持リブ５６の数は、例えば３本とすればよい。第２ベース部５１、第２ハウジング５５、および第２支持リブ５６は、例えば、樹脂の射出成形により一体的に形成される。ただし、第２ベース部５１、第２ハウジング５５、および第２支持リブ５６の一部は、別部材であってもよい。

複数の第１支持リブ３６と、複数の第２支持リブ５６とは、軸方向に隙間を介して配置される。すなわち、複数の第１支持リブ３６と、複数の第２支持リブ５６とは、互いに非接触である。本実施形態では、第１支持リブ３６の数と第２支持リブ５６の数とが、互いに等しい。また、中心軸Ｊに沿ってファンユニット１００を見た場合、第１支持リブ３６の下端位置と第２支持リブ５６の上端位置とが、軸方向に重なる。ただし、第１支持リブ３６および第２支持リブ５６の相対的な位置関係は、必ずしもこの通りでなくてもよい。

第２回路基板５７は、第２ベース部５１の下方、かつ、第２電機子５３の上方に配置される。第２回路基板５７は、例えば、第２電機子５３に対して固定される。第２回路基板５７の上面視における形状は、円環状であってもよく、円弧状であってもよい。第２回路基板５７は、第２電機子５３のコイル３３２と電気的に接続されて、コイル５３２に駆動電流を供給するための電気回路を有する。当該電気回路は、複数のリード線を束ねたリード線群を介して、排気側ファン２の外部に設けられた電源に接続される。なお、リード線群および外部電源の図示は省略する。

第２回転部２２は、第２シャフト６１、第２ロータマグネット６２、第２ロータホルダ６３、および第２インペラ６４を有する。

第２シャフト６１は、第２軸受保持部５２の径方向内側において、中心軸Ｊと同軸に配置される。第２シャフト６１は、後述する第２ロータホルダ６３の下部中央から、上方へ向けて延びる。上述の通り、第２シャフト６１は、第２軸受部材５４によって、回転可能に支持される。第２シャフト６１の上端部は、第２ベース部５１の径方向内側に位置する。第２シャフト６１の下端部は、第２軸受保持部５２の下端部よりも、下方へ突出する。

第２ロータマグネット６２は、第２電機子５３の径方向外側に、環状に配置される。第２ロータマグネット６２は、１つの円筒状のマグネットであってもよく、環状に配列された複数のマグネットであってもよい。第２ロータマグネット６２の径方向内側の面には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に着磁されている。

第２ロータホルダ６３は、軸方向上方へ向けて開いたカップ状（略有蓋円筒状）であり、中心軸Ｊと同軸に配置される。第２ロータホルダ６３の材料には、例えば、磁性体である鉄等の金属が用いられる。第２ロータホルダ６３の内周部は、第２シャフト６１の下端部に固定される。また、第２ロータホルダ６３の側壁部は、第２ロータマグネット６２を保持する円筒状の内側面を有する。

第２インペラ６４は、第２ロータホルダ６３の外周面に、直接または間接的に固定される。第２インペラ６４は、カップ状（略有蓋円筒状）の第２羽根支持部６４１と、複数の第２羽根６４２とを有する。第２羽根支持部６４１は、第２ロータホルダ６３の少なくとも外周面を覆う。複数の第２羽根６４２は、第２羽根支持部６４１の径方向外側において、周方向に配列される。各第２羽根６４２は、第２羽根支持部６４１の外周面から径方向外側へ広がる。すなわち、第２羽根６４２は、第２羽根支持部６４１に支持される。第２羽根６４２の数は、例えば５枚とされる。

本実施形態の第２インペラ６４は、樹脂成形品である。第２羽根支持部６４１と複数の第２羽根６４２とは、樹脂の射出成形により一体に形成される。ただし、第２羽根支持部６４１と複数の第２羽根６４２とが、互いに別部材で形成されていてもよい。

この排気側ファン２では、第２シャフト６１、第２ロータマグネット６２、および第２ロータホルダ６３が、回転組立体である第２ロータ部６０を構成する。そして、当該第２ロータ部６０と、固定組立体である第２ベース部５１、第２軸受保持部５２、第２電機子５３、および第２軸受部材５４とで、第２モータ部２３が構成されている。第２モータ部２３は、第１モータ部１３と、上下が反転されている点を除いて、ほぼ同様の構造を有する。第２モータ部２３では、第２ロータ部６０に対して第２電機子５３が上方に位置する。

外部電源から第２回路基板５７を介して第２電機子５３のコイル５３２に駆動電流が供給されると、ステータコア５３１に、駆動電流に応じた磁束が生じる。そして、ステータコア５３１と第２ロータマグネット６２との間の磁束の作用により、周方向のトルクが発生する。その結果、第２ロータ部６０が、中心軸Ｊを中心として回転する。第２ロータ部６０が回転すると、第２ロータ部６０とともに、第２インペラ６４も中心軸Ｊを中心として回転する。これにより、図２中の破線矢印のように、第２ハウジング５５の径方向内側において、軸方向下向きの空気流Ｆが発生する。

吸気側ファン１の第１ハウジング３５と、排気側ファン２の第２ハウジング５５とは、その内部に、軸方向に延びる一連の風洞を形成する。そして、当該一連の風洞の中に、吸気側ファン１と排気側ファン２とが、軸方向に直列に配置される。このファンユニット１００は、当該一連の風洞において、第１インペラ４４と第２インペラ６４とを回転させて、軸方向下向きの空気流Ｆを発生させる。このように、２つのインペラ４４，６４を用いることで、空気流Ｆの静圧が高められる。

また、本実施形態のファンユニット１００は、いわゆる二重反転式の軸流ファンである。すなわち、第１インペラ４４の複数の第１羽根４４２と、第２インペラ６４の複数の第２羽根６４２とが、互いに異なる向きに傾斜している。そして、ファンユニット１００の駆動時には、第１インペラ４４と第２インペラ６４とが、互いに逆向きに回転する。その結果、第１インペラ４４および第２インペラ６４は、いずれも軸方向下向きの空気流Ｆを発生させる。このように、第１インペラ４４と第２インペラ６４とを逆向きに回転させると、空気流Ｆの直進性を高めることができる。したがって、ファンユニット１００の駆動時における風量および静圧を、より高めることができる。

＜２．第２インペラの詳細な構造について＞
続いて、排気側ファン２に含まれる第２インペラ６４のより詳細な構造について、説明する。図３は、第２羽根支持部６４１の上面図である。図４は、第２羽根支持部６４１の下面図である。図２〜図４に示すように、第２インペラ６４の第２羽根支持部６４１は、ロータカバー部７１、第２コーン部７２、円筒部７３、および第１コーン部７４を有する。

ロータカバー部７１は、第２ロータホルダ６３の円筒状の側壁の径方向外側において、軸方向に円筒状に延びる。第２ロータホルダ６３の外周面は、全周に亘ってロータカバー部７１に覆われる。複数の第２羽根６４２の各々の基端部（付け根）は、ロータカバー部７１の外周面に位置する。

第２コーン部７２は、ロータカバー部７１の下方に位置する円錐状の部位である。第２コーン部７２は、複数の第２羽根６４２の各々の基端部よりも軸方向下方に位置する。第２コーン部７２の外周面は、環状であり、かつ、ロータカバー部７１の外周面の下端から、下方へ向かうにつれて漸次に縮径する。言い換えれば、第２コーン部７２は、上方へ向かうにつれて漸次に拡径する。

円筒部７３は、第２コーン部７２の下方、かつ、第１コーン部７４の上方に位置する。円筒部７３の外周面は、第２コーン部７２の外周面の下端よりもやや径方向内側の位置から、軸方向下方へ向けて円筒状に延びる。

第１コーン部７４は、円筒部７３の下方に位置する円錐状の部位である。第１コーン部７４の外周面は、環状であり、かつ、円筒部７３の外周面の下端から、下方へ向かうにつれて漸次に縮径する。言い換えれば、第１コーン部７４は、上方へ向かうにつれて漸次に拡径する。

ロータカバー部７１の上端と第２ロータホルダ６３の側壁の上端との間には、第１バランス修正部８１が設けられている。第１バランス修正部８１は、ロータカバー部７１と第２ロータホルダ６３との間に介在する径方向の空間である。図３に示すように、第１バランス修正部８１は、周方向に配列された複数の穴部を有する。各穴部は、軸方向上方へ向けて開口する。ただし、第１バランス修正部８１は、中心軸Ｊを中心とする単一の円環状の穴部であってもよい。

また、第２コーン部７２の外周面の下端と、円筒部７３の外周面の上端との間には、第２バランス修正部８２が設けられている。第２バランス修正部８２は、第１バランス修正部８１よりも軸方向下方に位置し、かつ、複数の第２羽根６４２の各々の基端部および第２ロータホルダ６３よりも、軸方向下方に位置する。図４に示すように、第２バランス修正部８２は、周方向に配列された複数の穴部を有する。各穴部は、軸方向下方へ向けて開口する。ただし、第２バランス修正部８２は、中心軸Ｊを中心とする単一の円環状の穴部であってもよい。

排気側ファン２の製造時には、第１バランス修正部８１の周方向の一部分と、第２バランス修正部８２の周方向の一部分とに、バランスウェイトと称される比重の高い材料が充填される。これにより、第２回転部２２の周方向および軸方向の質量分布が調整される。その結果、第２モータ部２３の動バランスが改善される。

ファンユニット１００の駆動時には、第２ハウジング５５内の風洞において、軸方向下方へ向かう空気流Ｆが生じる。第２羽根６４２の基端部付近の空気は、第２羽根支持部６４１の外周面に沿って、軸方向下方へ流れる。このとき、一部の空気が第２羽根支持部６４１から急激に剥離されると、空気の渦（乱流）が発生し、エネルギ損失（風損）に繋がる。しかしながら、この排気側ファン２では、第２コーン部７２および第１コーン部７４によって、第２羽根支持部６４１の外径が漸次に縮小する。空気流Ｆは、これらの第２コーン部７２および第１コーン部７４の外周面に沿って流れる。このため、第２羽根６４２の基端部付近から押し出された空気は、第２羽根支持部６４１から急激に剥離しにくい。したがって、渦の発生による効率低下を抑制できる。

また、この第２インペラ６４では、第１コーン部７４だけではなく、第２バランス修正部８２よりも軸方向上方に、第２コーン部７２を設ける。このため、第２コーン部７２が無い場合よりも、傾斜面の長さが長くなる。これにより、乱流の発生がより抑制される。また、第２コーン部７２が無い場合よりも、第１バランス修正部８１と第２バランス修正部８２との軸方向の距離が長くなる。これにより、第２回転部２２の軸方向の質量分布を、より容易に調整できる。したがって、第２モータ部２３の動バランスをより容易に改善できる。

第２コーン部７２と第１コーン部７４とは、第２バランス修正部８２を介して、互いに分離して配置される。このため、下方へ向かう空気流Ｆは、第２コーン部７２と第１コーン部７４との間において、一旦第２羽根支持部６４１から離れる。ただし、この第２インペラ６４では、第１コーン部７４と第２バランス修正部８２との間に、円筒部７３が設けられている。このため、第２コーン部７２の外周面の下端部を通過した空気が、スムーズに第１コーン部７４の外周面に沿って流れる。これにより、第２コーン部７２と第１コーン部７４との境界付近における渦の発生を抑制できる。

第１コーン部７４の底面７４１は、第２羽根支持部６４１の最下面である。図４に示すように、第１コーン部７４の当該底面７４１は、下面視において円形である。第２インペラ６４は、第１コーン部７４の当該底面７４１に、射出成形時の樹脂注入口の痕であるゲート痕７４２を有する。このように、第１コーン部７４の底面７４１にゲート痕７４２を設ければ、ゲート痕７４２による空気流Ｆの乱れも抑制できる。

第２ハウジング５５は、下部ハウジング部材５５１と、下部ハウジング部材５５１よりも軸方向上方に位置する上部ハウジング部材５５２と、の２部材で構成される。下部ハウジング部材５５１は、第１コーン部７４と径方向に重なる。上部ハウジング部材５５２は、複数の第２羽根６４２と径方向に重なる。

下部ハウジング部材５５１の下端は、第１コーン部７４の下端よりも下方に位置する。これにより、第１コーン部７４の表面を通過した気体が、急激に径方向外側へ拡散することが、抑制される。また、下部ハウジング部材５５１の内周面は、第１コーン部７４の周囲に位置し、軸方向下方へ向かうにつれて内周面が拡径する。すなわち、下部ハウジング部材５５１の内周面が、排気口側へ向かうにつれて、緩やかに中心軸Ｊから離れる。これにより、排気筒部である下部ハウジング部材５５１が、空気流Ｆを徐々に拡散させるディフューザとして機能する。

ここで、空気流Ｆは、第１ハウジング３５および第２ハウジング５５の内部を通過している間は、ハウジングの外部と比較して空気流路が狭くなるため、流速が速くなる。これは、第１ハウジング３５および第２ハウジング５５がベンチュリの機構と同様の役割を果たしているからである。一方、第２ハウジング５５の下部の排気口から空気流Ｆが排出された直後には、空気流路が急激に広がり、中心軸Ｊから離れる方向に空気流Ｆが拡散される。このように、空気流路の断面積が急激に変化すると、空気流Ｆの急激な拡散によって、渦が発生しやすくなる。

このファンユニット１００では、上記の通り、第２コーン部７２および第１コーン部７４と下部ハウジング部材５５１との間の風洞が、下方へ向かうにつれて径方向内側および径方向外側の双方へ、徐々に広がる。これにより、第２ハウジング５５内における空気の流路面積が、排気口側へ向かうにつれて、徐々に広くなる。したがって、空気の急激な拡散を抑制できる。その結果、渦の発生が抑制されるとともに、風損がより低減される。

なお、第２ハウジング５５の排気口よりも下方の領域では、径方向外側への空間の拡がりが極めて大きい。このため、仮に、第１コーン部７４の下端を下部ハウジング部材５５１の下端よりも下方へ突出させたとしても、排気口よりも下方の領域では、第１コーン部７４によって流路面積を徐々に拡大させる効果は、極小的となる。一方、上述のように、下部ハウジング部材５５１の下端を、第１コーン部７４の下端よりも下方に配置すれば、下部ハウジング部材５５１および第１コーン部７４によって、流路を緩やかに拡大させる効果が得られやすくなる。したがって、第２ハウジング５５の排気口から排出される空気流Ｆに渦が発生することを、より効果的に防止できる。

回転体において中心軸を中心とする質量分布のアンバランスが生じた場合には、当該アンバランスを解消するために、回転軸を中心として偏重心位置から１８０°離れた位置に重りを付加するか、もしくは、偏重心位置においてマイナスバランス（回転体の切削）を行う。また、軸方向長さが長い回転体は、複数の円盤を軸方向に積み重ねた構造と仮定できる。このような軸方向長さが長い回転体は、全体としてアンバランスが解消されていても、各円盤のアンバランスが解消されていない場合がある。このため、軸方向に離れた円盤のアンバランスの相互作用により、回転軸に対してモーメントが生じ、回転時に振動や騒音が生じやすくなる。

この排気側ファン２では、第２羽根支持部６４１に第１コーン部７４や第２コーン部７２のような傾斜面を設けたことにより、第２回転部２２の軸方向の長さが長くなっている。このため、前段落で説明したアンバランスの問題を解消するために、第２回転部２２に、第１バランス修正部８１と第２バランス修正部８２とを設けている。このように、第１バランス修正部８１と第２バランス修正部８２とを設ければ、第２回転部２２の軸方向に離れた２箇所において、質量分布を修正できる。したがって、第２回転部２２の動バランス（２面バランス）を改善できる。

特に、本実施形態では、第１バランス修正部８１と第２バランス修正部８２との間に、ロータカバー部７１と第２コーン部７２とが存在する。これにより、第１バランス修正部８１と第２バランス修正部８２とが、より軸方向に離れた位置に配置される。したがって、第２回転部２２の動バランスをより改善できる。

第１バランス修正部８１は、第２羽根支持部６４１の径方向内側に設けられている。このため、空気の通過ルートに影響を与えにくい。したがって、第１バランス修正部８１に起因する空気流Ｆの損失を抑制できる。一方、第２バランス修正部８２は、第２羽根支持部６４１の下部が閉じられているため、第２羽根支持部６４１の径方向内側に設けることが困難である。仮に、第２羽根支持部６４１の下部付近の径方向内側に第２バランス修正部８２を設けたとすると、第２ロータホルダ６３により、バランスウェイトを付加する作業を行いにくい。

そこで、この排気側ファン２では、第２コーン部７２の外周面を軸方向下方へ延長した環状の仮想面よりも径方向内側に、第２バランス修正部８２を配置している。そして、第２バランス修正部８２を構成する複数の穴部が、軸方向下方へ向けて開口している。このため、第２バランス修正部８２も、空気の通過ルートに影響を与えにくい。このようにすれば、第２バランス修正部８２に起因する空気流Ｆの損失も抑制できる。

図５は、第２羽根支持部６４１の部分縦断面図である。図５に示すように、第１コーン部７４の上端エッジと下端エッジとを結んだ直線の、中心軸Ｊに対する平均傾斜角をθ１とする。また、第２コーン部７２の上端エッジと下端エッジとを結んだ直線の、中心軸Ｊに対する平均傾斜角をθ２とする。平均傾斜角θ１，θ２は、いずれも、直角より小さい鋭角側の角度を指す。図３の例では、θ１がθ２よりも大きい。このようにすれば、第２コーン部７２の外周面および第１コーン部７４の外周面を通過する空気流Ｆが、各コーン部７２，７４の表面から緩やかに剥離される。これにより、乱流の発生をより抑制できる。

第２インペラ６４が回転することによって生じる空気流Ｆの速さは、複数の第２羽根６４２に加速された直後が最も速く、第２羽根６４２から軸方向下方へ離れるにつれて、徐々に遅くなる。したがって、第２コーン部７２の外周面を流れる空気流Ｆよりも、第１コーン部７４の外周面を流れる空気流Ｆの方が、流速が遅い。流速が速い空気流Ｆは、流速が遅い空気流Ｆよりも、第２羽根支持部６４１の外周面から剥離しやすい。空気流Ｆの剥離が生じると、カルマン渦が生じ、空気流Ｆが持つエネルギが渦に変換されて損失する。このため、図３の例では、第１コーン部７４の中心軸Ｊに対する平均傾斜角θ１よりも第２コーン部７２の中心軸Ｊに対する平均傾斜角θ２を小さくしている。これにより、第２コーン部７２の外周面付近における空気流Ｆの剥離を抑制する。その結果、第２コーン部７２の外周面から第１コーン部７４の外周面まで、剥離を抑えつつ空気流Ｆを形成することができる。

また、図５に示すように、中心軸Ｊに沿って切断した段面上において、第１コーン部７４の上端エッジにおける径方向外方表面を通る接線は、第２バランス修正部８２と交差する。この場合、当該接線が第２バランス修正部８２と交差しない場合と比べて、第２コーン部７２の外周面を通過した空気流Ｆの向きと、第１コーン部７４の外周面の傾斜の向きとの角度差が小さい。したがって、第２コーン部７２の表面を通過した空気が、第２コーン部７２から離れた後、第１コーン部７４の表面に沿って流れやすい。これにより、空気流Ｆに渦が発生することを、より抑制できる。

以上のように、本実施形態のファンユニット１００の構造を採用すれば、空気流Ｆの静圧を高めるとともに渦の発生を抑制し、かつ、動バランスを改善して、振動および騒音を抑えることができる。特に、複数の電子機器が配置されたサーバルームの空冷には、高い静圧が必要であり、かつ、振動が小さいことが求められる。このため、本実施形態のファンユニット１００の構造が適している。

＜３．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

吸気側ファン１に含まれる第１モータ部１３および排気側ファン２に含まれる第２モータ部２３には、例えば、三相ブラシレスモータを用いることができる。ただし、三相ブラシレスモータに代えて、単相や二相のブラシレスモータを用いてもよい。また、ブラシレスモータに代えて、ブラシとコミュテータとを有するブラシ付モータを用いてもよい。また、ステッピングモータ等の他タイプのモータを用いてもよい。

また、上記の実施形態では、吸気側ファン１および排気側ファン２を有する二重反転式の軸流ファンの例を示したが、本発明の軸流ファンは、単体で用いられるものであってもよい。

また、軸流ファンの細部の形状については、本願の各図に示された形状と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、軸流ファンおよびファンユニットに利用できる。

１ ファンユニット（基礎出願の「軸流ファン１」）
２ 吸気側ファン（基礎出願の「第１軸流ファン２」）
３ 排気側ファン（基礎出願の「第２軸流ファン３」）
１１ 第１静止部
１２ 第１回転部
１３ 第１モータ部
２１ 第２静止部
２２ 第２回転部
２３ 第２モータ部
３１ 第１ベース部
３２ 第１軸受保持部
３３ 第１電機子
３４ 第１軸受部材
３５ 第１ハウジング
３６ 第１支持リブ
３７ 第１回路基板
４０ 第１ロータ部
４１ 第１シャフト
４２ 第１ロータマグネット
４３ 第１ロータホルダ
４４ 第１インペラ
５１ 第２ベース部
５２ 第２軸受保持部
５３ 第２電機子
５４ 第２軸受部材
５５ 第２ハウジング
５６ 第２支持リブ
５７ 第２回路基板
６０ 第２ロータ部
６１ 第２シャフト
６２ 第２ロータマグネット
６３ 第２ロータホルダ
６４ 第２インペラ
７１ ロータカバー部
７２ 第２コーン部
７３ 円筒部
７４ 第１コーン部
８１ 第１バランス修正部
８２ 第２バランス修正部
１００ ファンユニット
４４１ 第１羽根支持部
４４２ 第２羽根
５５１ 下部ハウジング部材
５５２ 上部ハウジング部材
６４１ 第２羽根支持部
６４２ 第２羽根
７４１ 底面
７４２ ゲート痕
Ｆ 空気流
Ｊ 中心軸

Claims (13)

1. 静止部と、
   静止部に対して回転可能に支持される回転部と、
   を有し、
   前記回転部は、
   上下方向に延びる中心軸に沿って配置されるシャフトと、
   前記中心軸の周りに環状に配置されるロータマグネットと、
   前記ロータマグネットを保持する円筒状の内側面をもつロータホルダと、
   前記ロータホルダの外周面に直接または間接的に固定されるインペラと、
   を有し、
   前記静止部は、
   前記ロータマグネットの径方向内方に位置する電機子と、
   前記シャフトを回転可能に支持する軸受部材と、
   前記軸受部材および前記電機子を支持するベース部と、
   前記インペラの径方向外方において、軸方向に延びる筒状のハウジングと、
   前記ハウジングと前記ベース部とを連結し、前記インペラよりも上方に位置する複数の支持リブと、
   を有し、
   前記インペラは、
   前記ロータホルダを覆うカップ状の羽根支持部と、
   前記羽根支持部の径方向外側において周方向に配列され、回転時に上方から下方へ向かう気流を発生させる複数の羽根と、
   を有し、
   前記回転部は、前記羽根支持部と前記ロータホルダとの間に介在し、周方向の質量分布を変更可能な第１バランス修正部を有し、
   前記インペラは、
   前記第１バランス修正部よりも軸方向下方に位置し、かつ、前記ロータホルダおよび前記羽根支持部に対する前記羽根の付け根よりも軸方向下方に位置し、周方向の質量分布を変更可能な第２バランス修正部と、
   前記第２バランス修正部よりも軸方向下方に位置し、下方へ向かうにつれて縮径する第１コーン部と、
   を有する、軸流ファン。
2. 請求項１に記載の軸流ファンであって、
   前記インペラは、前記第２バランス修正部よりも軸方向上方、かつ、前記羽根支持部に対する前記羽根の付け根よりも軸方向下方において、上方へ向かうにつれて拡径する第２コーン部をさらに有する、軸流ファン。
3. 請求項２に記載の軸流ファンであって、
   前記第１コーン部の上端エッジと下端エッジとを結んだ直線の前記中心軸に対する平均傾斜角は、前記第２コーン部の上端エッジと下端エッジとを結んだ直線の前記中心軸に対する平均傾斜角よりも大きい、軸流ファン。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記中心軸に沿って切断した断面上において、前記第１コーン部の上端エッジにおける径方向外方表面を通る接線は、前記第２バランス修正部と交差する、軸流ファン。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記インペラは、前記第１コーン部と前記第２バランス修正部との間に、円筒状の外周面をもつ円筒部を有する、軸流ファン。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記第２バランス修正部は、周方向に配列された複数の穴部を有し、
   前記複数の穴部は、それぞれ、軸方向下方へ向けて開口する、軸流ファン。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記ハウジングの下端は、前記第１コーン部の下端よりも下方に位置する、軸流ファン。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記ハウジングは、前記第１コーン部の周囲に、軸方向下方へ向かうにつれて内周面が拡径する排気筒部を有する、軸流ファン。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の軸流ファンであって、
   前記ハウジングは、
   前記第１コーン部と径方向に重なる下部ハウジング部材と、
   前記羽根と径方向に重なる上部ハウジング部材と、
   を有する、軸流ファン。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の軸流ファンであって、
    前記インペラは、樹脂成形品であり、
    前記第１コーン部は、下面視において円形の底面を有し、
    前記第１コーン部は、前記底面にゲート痕を有する、軸流ファン。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の軸流ファンである排気側ファンと、
    前記軸流ファンよりも軸方向上方に配置される軸流式の吸気側ファンと、
    を有し、
    前記吸気側ファンのハウジングと、前記排気側ファンのハウジングとで、一連の風洞が形成される、ファンユニット。
12. 請求項１１に記載のファンユニットであって、
    前記吸気側ファンにおける前記インペラの回転方向と、前記排気側ファンにおける前記インペラの回転方向とが、互いに異なる、ファンユニット。
13. 請求項１１または請求項１２に記載のファンユニットであって、
    複数の電子機器が配置された室内に冷却用の気流を供給する、ファンユニット。

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