JP6514665B2 - 遠心ファン - Google Patents

Description

本発明は、内蔵した電子部品の冷却機能に特徴がある遠心ファンに関する。

遠心ファンは、家電機器、ＯＡ機器、産業機器などの各種機器における冷却、換気、空調等の用途や、車両用の空調、送風などに広く用いられている。従来、この種の遠心ファンとして、例えば、特許文献１に記載の遠心ファンがある。この種の遠心ファンでは、インペラとロータヨークを結合させているが、インペラとロータヨークとの結合手段として、例えば、特許文献２の遠心ファンがある。特許文献２の遠心ファンでは、インペラの下面に一体に形成された樹脂ピンをロータヨークに形成した貫通穴に挿通し、樹脂ピンの先端を熱カシメすることでインペラをロータヨークに結合している。

特開２０１６−０１１６２７号 特開２０１３−２４５６５８号

特許文献１の遠心ファンは、金属材からなるモータベースに形成した凹部の中に収納された回路基板に各種の電子部品が実装されている。電子部品には発熱し易い部品があり（例えば、ＦＥＴ等のスイッチング素子）、発熱による電子部品の劣化や誤動作を防止するためには、冷却することが好ましい。特許文献１の遠心ファンに、特許文献２に記載されたようなインペラとロータヨークの結合手段を用いた場合、ロータヨークの下面から突出した突起部によって空気の対流が生じ、電子部品の冷却に寄与するが、必ずしも冷却効果が十分とは言えない。

このような背景において、本発明は、簡素な構造で電子部品の冷却が効率よく行われる遠心ファンを提供することを目的とする。

本発明は、軸方向に延在するピンを備えたインペラと、前記ピンが貫通する貫通孔が設けられたフランジ部に、前記ピンを前記貫通孔に貫通させることで前記インペラと結合したモータのロータヨークと、前記ロータヨークとの間に隙間を有した状態で配置された回路基板と、前記回路基板上に実装され、前記モータを駆動制御するための電子部品とを備え、前記ピンの先端が前記ロータヨークから前記回路基板の側に突出しており、前記ピンは複数が配置され、周方向における位置が均等でなく、前記電子部品は、前記回路基板上における前記ロータヨークの前記フランジ部の下面に対応する位置以外の位置に実装されている遠心ファンである。

本発明において、軸に垂直な方向から見て、前記回路基板上の前記電子部品と前記ピンの前記回路基板の側に突出した部分とが重なる位置にあり、前記複数のピンのうちの少なくとも１つのピンは、前記ロータヨークから前記回路基板の側に突出する先端部の形状および／または突出長さが、他のピンと異なっている構造は好ましい。

本発明によれば、簡素な構造で電子部品の冷却が効率よく行われる遠心ファンが得られる。

実施形態の遠心ファンの分解斜視図である。 実施形態の遠心ファンの断面図である。 実施形態のインペラとロータヨークの斜視図である。 比較例のインペラとロータヨークの斜視図である。

以下、発明を利用した実施形態の遠心ファンについて説明する。図１および図２には遠心ファン１が示されている。遠心ファン１は、上ケーシング３と下ケーシング４により構成されるケーシング２を備えている。ケーシング２の内部には、モータ２１およびモータ２１によって回転させられるインペラ８が収納されている。

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。この吸入された空気は、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、上ケーシング３と下ケーシング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とを重ね合わせた構造を有している。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。

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。図２には、この熱カシメされた部分２４ｃが示されている。

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（遠心ファン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）と回路基板３０は、モータベース５の凹部５ａの内部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が形成されている。この側部６ａの内側がモータベース５の４辺の外周に当接することでモータベース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、ステータ２２とロータ１５とから構成されている。図３には、ロータ１５が示されている。ロータ１５は、シャフト１６、シャフト１６に装着されたボス部１７（図２参照）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２に示すように、組み立てられた状態において、環状のマグネット１９の内周面は、ステータコア２３のティースの外周面に隙間を有した状態で対向している。

図３に示すように、ロータヨーク１８は、円錐部１８ａ、円錐部１８ａの外縁から軸方向に延在する円筒部１８ｂ、円筒部１８ｂの下縁から径外方に延在するフランジ部１８ｃを有している。円錐部１８ａの上部は円盤形状を有し、その中央に開口が形成され、この開口にボス部１７（図２参照）が嵌め込まれて固定されている。

ロータ１５とインペラ８は、フランジ部１８ｃを利用して結合している。この結合の構造については後述する。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。羽根１０と主板１１は樹脂の一体成形にて形成されており、これらが樹脂にて成形されたシュラウド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、超音波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。

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。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、内周円筒部１１ｂの内側にロータヨーク１８の円筒部１８ｂが固定され、円筒部１８ｂの内側に環状のマグネット１９が固定されている。

図３に示すように、主板１１の内周円筒部１１ｂの下端には軸方向（シャフト１６の延在方向）に延在する複数のピン１１ｃが形成されている。ここで、主板１１は、樹脂製であり、ピン１１ｃは、樹脂を材料とする一体成型により、主板１１と一体に形成されている。この例において、ピン１１ｃの数は６本であり、この６本のピン１１ｃは周方向における間隔が均等でない不等な状態で配置されている。ピン１１ｃは、ロータヨーク１８のフランジ部１８ｃに形成された貫通孔１８ｄに、その先端が貫通孔１８ｄを突き抜け突出する状態で嵌合している。貫通孔１８ｄから突出したピン１１ｃの先端の部分に熱カシメや赤外線カシメによるカシメ固定が行われることで、ピン１１ｃがフランジ部１８ｃに固着し、ロータ１５とインペラ８が結合する。このカシメ固定が行われることで、貫通孔１８ｄから回路基板３０の側に突出したピン１１ｃの先端の部分が潰され、図２の突出部１１ｃ’が形成される。この例において、突出部１１ｃ’は、表面が丸みを帯びた半球体状に成形されている。

熱カシメの場合、貫通孔１８ｄから突出したピン１１ｃの先端の部分が加熱されたパンチで押され、潰されてカシメが行われると共に半球体状の突出部１１ｃ’が形成される。赤外線カシメの場合、貫通孔１８ｄから突出したピン１１ｃの先端の部分が赤外線で加熱され、そこにパンチを押し当てることで、当該先端部分が潰されてカシメが行われると共に半球体状の突出部１１ｃ’が形成される。

上記のピン１１ｃを用いたカシメ固定により、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とが結合される。この構造によれば、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、支柱７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とが結合されている。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２に示すように、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の一部を収納することで、電子部品３１とインペラ８との接触を防止するとともに薄型化が図られている。

本実施形態では、樹脂製のピン１１ｃの周方向における配置を不等配置（均等に配置されていない状態）としている。ピン１１ｃを不等配置とすることで、回路基板３０上の空気の対流が生じやすくなり、その結果、回路基板３０に実装された電子部品３１の冷却効果が向上する。遠心ファン１は、薄型ファンであり、回路基板３０とロータヨーク１８のフランジ部１８ｃとの間の距離が短い。このため、フランジ部１８ｃの下面に対応する位置の回路基板３０上には配線パターンは形成されているが、電子部品３１は実装されていない。

以下、ピン１１ｃを周方向において均等でない間隔で配置したことによる冷却効果について説明する。

（実施形態）
上述した実施形態の構造（図１〜３）において、ピン１１ｃを６本とし、隣接するピン１１ｃの間隔を角度で捉えて、約３２．７°、約６５．４°、約６５．４°、約６５．４°、約６５．４°、約６５．４°としたサンプルを実施形態として作成した。このサンプルは、後述する比較例（ピン１１ｃが約３２．７°間隔で１１個）におけるピン１１ｃの一部を切除することで得ている。なお、カシメ後に一部の突出部を切除することで、ピン１１ｃの数を６本に減ずる形態でもよい。また、主板１１を製造する際の金型として、ピン１１ｃが不等配置される形状のものを用いる形態も可能である。

（比較例１）
上述した実施形態の構造（図１〜３）において、ピン１１ｃを１１個として、その配置を均等配置（角度約３２．７°毎の均等配置）とし、更にピン１１ｃの貫通孔１８ｄから突出した部分を全て削り取った構造のサンプルを比較例１として作製した。図４に、比較例１のサンプルにおいて、ロータヨーク１８と主板１１とを接合する前の状態の斜視図を示す。

（比較例２）
上述した実施形態の構造（図１〜図３）において、ピン１１ｃを１１個として、その配置を均等配置（角度約３２．７°毎の均等配置）とし、更にピン１１ｃの貫通孔１８ｄから突出した部分をそのまま残した構造のサンプルを比較例２として作製した。図４に、比較例１のサンプルにおいて、ロータヨーク１８と主板１１とを接合する前の状態の斜視図を示す。

（比較実験）
比較例１、比較例２および本実施（図２の構造）の遠心ファンを同じ条件で動作させた場合の電子部品３１（ＦＥＴ）の表面温度を測定した結果を表１に示す

表１に示すように、実施形態の構造が最も電子部品３１の冷却効果が高く、それに比較して比較例２は、冷却効果が劣る。また、比較例１は、比較例２に比較して更に冷却効果が劣る。

以下、この結果が生じた原因について考察する。遠心ファン１の動作時において、インペラ８と一体となったロータヨーク１８は、回路基板３０に対して回転する。ここで、回路基板３０とロータヨーク１８のフランジ部１８ｃとの間の距離は短いので、インペラ８の回転時に回路基板３０の近傍を先端部１１ｃ’が繰り返し通過する。この際、実施形態では、フランジ部１８ｃの下面から突出した先端部１１ｃ’が配置されているため、回路基板３０の実装面に空気の対流が生じ、更に、先端部１１ｃ’が不等配置のため、空気の圧力差が生じて対流が助長される。そのため、回路基板３０の実装面を冷却する効果が高いものと考えられる。

比較例２では、フランジ部１８ｃの下面から突出した先端部１１ｃ’があるため、回路基板３０の実装面に対流が生じるが、先端部１１ｃ’が均等配置のため、その影響は実施形態の場合に比較して少なく、その結果、回路基板３０の実装面を冷却する効果が実施形態に比較して少ないと考えられる。そして、比較例１では、フランジ部１８ｃの下面から突出した先端部を有しないため、回路基板３０の実装面に対流が生じ難く、その結果、回路基板３０の実装面を冷却する効果が比較例２よりも更に小さくなったものと考えられる。

本実施形態では、軸（シャフト１６）に垂直な方向から見て、ピン１１ｃの先端部１１ｃ’を電子部品３１と重なる位置とし、電子部品３１がない部分で回路基板３０とピン１１ｃのカシメ固定後の先端部１１ｃとを近接させている。この構造によれば、フランジ部１８と回路基板３０との間で、先端部１１ｃ’による気流の乱れが効果的に発生し、効果的に冷却効果が得られる。

（その他）
カシメ固定する箇所は、必要とされる締結力によって決められる。よって、その数は、上述した数に限定されない。また、複数ある先端部１１ｃ’の位置に関して、隣接するカシメ箇所の間隔を全て異なる値とする構成も可能である。

複数ある先端部１１ｃ’の形状を同じでない形状のものを含む構成とし、対流がより生じ易いようにすることも可能である。また、複数ある先端部１１ｃ’の突出長を少なくとも一部で異ならせることで、対流がより生じ易いようにすることも可能である。また、先端部１１ｃ’の断面形状として、角（エッジ）がある形状やフィン形状とし、気流の攪拌効果がより顕著に発生するようにしてもよい。

１…遠心ファン、２…ケーシング、３…上ケーシング、３ａ…凹部、４…下ケーシング、５…モータベース、５ａ…凹部、５ｄ，６ｄ…貫通孔、６…ベースプレート、６ａ…側部、７…支柱、８…インペラ、９…環状のシュラウド、１０…羽根、１１…主板、１１ａ…傾斜部、１１ｂ…内周円筒部、１１ｃ…ピン、１１ｃ’…ピン１１ｃの先端部、１５…ロータ、１６…シャフト、１８…ロータヨーク、１８ａ…円錐部１８ａ、１８ｂ…円筒部、１８ｃ…フランジ部、２１…モータ、２３…ステータコア、２２…ステータ、２４…インシュレータ、２４ａ…上インシュレータ、２４ｂ…下インシュレータ、２５…コイル、２６…軸受保持部、２７，２８…軸受、３０…回路基板、３５…吸い込み口、３６…吹き出し口、４０…タッピングねじ。

Claims (2)

1. 軸方向に延在するピンを備えたインペラと、
   前記ピンが貫通する貫通孔が設けられたフランジ部に、前記ピンを前記貫通孔に貫通させることで前記インペラと結合したモータのロータヨークと、
   前記ロータヨークとの間に隙間を有した状態で配置された回路基板と、
   前記回路基板上に実装され、前記モータを駆動制御するための電子部品と
   を備え、
   前記ピンの先端が前記ロータヨークから前記回路基板の側に突出しており、
   前記ピンは複数が配置され、周方向における位置が均等でなく、
   前記電子部品は、前記回路基板上における前記ロータヨークの前記フランジ部の下面に対応する位置以外の位置に実装されている遠心ファン。
2. 軸に垂直な方向から見て、前記回路基板上の前記電子部品と前記ピンの前記回路基板の側に突出した部分とが重なる位置にあり、
   前記複数のピンのうちの少なくとも１つのピンは、前記ロータヨークから前記回路基板の側に突出する先端部の形状および／または突出長さが、他のピンと異なっている請求項１に記載の遠心ファン。

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