JP6589000B2 - 遠心式ファン - Google Patents

Description

本発明は遠心式ファンに関し、特に送風による騒音の低減およびコストの低減を図った遠心式ファンに関する。

遠心式ファン（または単に「遠心ファン」という。）は、吸込み口と吹出し口とを有するスクロールケーシング内に、羽根車を格納して構成される。羽根車は、モータの回転軸周りに多数の翼を配置したものである。遠心ファンは、吸込み口から吸入された空気を羽根車の中心から翼間に流入させ、羽根車の回転に伴う遠心作用による流体力で、空気を羽根車の径外方に向けて吹き出させる。羽根車の外周外側から吹き出された空気は、スクロールケーシング内部を通過し、高圧の空気となって吹出し口から噴出される。

遠心ファンは、家電機器、ＯＡ機器、産業機器の冷却、換気、空調や、車両用の送風機などに広く用いられている。遠心ファンの送風性能と騒音は、羽根車の翼形状とスクロールケーシング形状（遠心ファンの構造）に大きく影響される。

騒音を低減させ、送風性能の向上を図るために、羽根車の形状やスクロールケーシングの構造を最適化することが行われており、いろいろな提案がなされている。羽根車においては、従来から翼形状を最適化することによって低騒音化を図る遠心ファンが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

図６は、下記特許文献１に記載された遠心ファンを示す平面図であり、図７は、図６に示す遠心ファンにおける羽根車を示す斜視図である。

図６および７を参照して、遠心ファン１００の羽根車１２０は、主板１２１と副板１２２との間に複数枚の翼１２３を設置したものである。翼１２３の内周側よりも外周側が羽根車１２０の回転方向（図６の反時計回り）に対して遅れて回転していく。羽根車１２０は、渦巻状のケーシング１２７に取り付けられており、送風が行われる。

送風される空気は、羽根車１２０の吸込み口１４０から吸込まれ、羽根車１２０の翼１２３によって遠心作用による流体力を受けて羽根車１２０の外周から吐き出される。羽根車１２０の外周を囲繞する渦巻状のケーシング１２７によって、羽根車１２０の外周から吐き出された空気の圧力が増加され、空気は吹出し口１４１から吹き出される。

このように、翼１２３の内周側よりも外周側が羽根車１２０の回転方向に対して遅れて回転していく羽根構造は、後向き羽根と呼ばれる。すなわち図６に示されるように、翼１２３は回転方向に対して後向きに湾曲傾斜した羽根形状となっている。このような羽根形状を備えた遠心ファンは、一般にターボファンと呼ばれる。

図６に示すターボファンでは、主板１２１と、主板１２１と外径が等しい副板１２２との間に複数枚の翼１２３を挟持している。翼１２３は、副板１２２側の翼円弧１３４よりも、主板１２１側の翼円弧１３５の方が短い円弧となるように切断した後縁にしている。これによって、主板１２１側に位置する後縁１３１がケーシング舌部１２９を横切る時刻と、副板１２２側に位置する後縁１３２がケーシング舌部１２９を横切る時刻との間に時間差を設けることができる。そのため、翼１２３がケーシング舌部１２９を横切ることにより生じる圧力変動が時間的に分散されるので、音の発生エネルギーが分散されて、騒音の発生が抑制される旨、特許文献１に記載されている。

特開昭６３−２８９２９５号公報

本発明は、小型化を図った遠心ファンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、開口を形成した上板とモータベースとで構成されるケーシングと、上板及びモータベースの間に収納されており、吸込み口及び円周方向に配列される複数の羽根を備える羽根車と、羽根車を回転させるモータとを備え、羽根車の回転に伴って、上板の開口から吸込み口を通して吸入した空気を羽根車の径の外方に向けて吹き出すことが可能である遠心式ファンにおいて、モータベースは、下方に窪む凹部と、凹部の周縁から径外方に延在してなる平面部とを有し、凹部の底面にモータを取り付け、上板とモータベースとの間に略円筒形状である複数の支柱を介装し、支柱を除いたケーシングの側面全周が空気の噴出口を構成し、上板の外周縁から径外方に連接して突出した箇所に支柱が設けられ、支柱がモータベースの平面部に結合している。

好ましくは、上板と支柱とは互いに一体成型されたものである。

好ましくは、モータベースは、凹部にモータを制御するための電子部品を実装したＰＣＢ基板を収納している。

好ましくは、凹部の側面は、下方に向けて先細となるテーパ形状を有する。
好ましくは、支柱は、連結材が挿通できる程度の大きさを有する略円筒形状である。

上記発明に従うと、小型化を図った遠心ファンを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態の１つにおける遠心ファンを示す斜視図である。 図１に示す遠心ファンの半断面図である。 図２に示す羽根車の断面図である。 本発明の実施の形態における遠心ファンの騒音の測定結果を示した図である。 本発明の実施の形態における遠心ファンにおける静圧−風量特性を示した図である。 従来の遠心ファンを示す平面図である。 図６に示す遠心ファンにおける羽根車を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１つにおける遠心ファンを示す斜視図であり、図２は、図１に示す遠心ファンの半断面図であり、図３は図２に示す羽根車の断面図である。

図１〜３を参照して、遠心ファン１は、多数の羽根４を配置した羽根車３と、羽根車３を格納したケーシング１０とにより構成されている。モータ２によって羽根車３は回転駆動される。

羽根車３は、円周方向に等間隔で多数の羽根４を配置し、これらの羽根４の一端側を環状のシュラウド５で支持した構成である。羽根４の他端側には、図５に示す主板１２１が備えられていない。環状のシュラウド５の上面は、所定の曲面にて形成されており、シュラウド５の中央には円筒部９が形成されている。円筒部９の内側は、吸込み口８を形成している。

羽根車３は、その中央にカップ状のボス部６を有している。羽根４は所定の曲率で湾曲した形状であって、すべて同じ形状に形成されている。羽根４は後向き羽根であり、図６と同様に、回転方向に対して後向きに湾曲傾斜した羽根形状となっており、ターボファンを構成している。羽根４と環状のシュラウド５とボス部６とは、合成樹脂にて一体成型で形成される。カップ状のボス部６の内側にモータ２のロータが接合される。モータ２の回転に伴って、羽根車３が回転する。

ケーシング１０の形状は四角形である。ケーシング１０は、中央に円形の開口が形成された合成樹脂製の上板１１を備える。上板１１の４箇所のコーナー部近傍には、それぞれ略円筒状の支柱１３が備えられている。上板１１の開口の周縁には下方に突出する返し部１２が形成されている。返し部１２の内側（羽根車３の回転軸側）に所定の隙間を隔ててシュラウド５の円筒部９が配置されている。

上板１１と対向するようにモータベース１４が配置されている。上板１１とモータベース１４との間に４箇の支柱１３が介装された構成となっている。上板１１と支柱１３とは、連結材２８（例えば、ボルト、ねじ、リベットなど）によって結合される。支柱１３とモータベース１４とは、連結材２８（例えば、ボルト、ねじ、リベットなど）によって結合されている。支柱１３を上板１１と一体成型にて形成し、支柱１３とモータベース１４を連結材２８によって結合した構成であってもよい。

複数の支柱１３のうち隣り合う支柱同士と、上板１１と、モータベース１４とによって囲まれる部分が開口となる。開口は、空気の噴出口となる。

このように、本実施の形態の遠心ファン１のケーシング１０の側面は、４面ともに開口が形成されている。すなわちケーシング１０の側面は、支柱１３のみを備えた構成（支柱１３が存在する部分以外で開口が形成される構成）となっている。

ケーシング１０の中に収納される羽根車３の外径寸法は、ケーシング１０の一辺の寸法より小さく設定されている。羽根車３の外径寸法がケーシング１０の一辺の寸法より大きい場合、回転する羽根車３がケーシング１０の外縁より突出してしまうため、他部材との接触や接触による破損等の虞があり、好ましくない。このため、羽根車３の外径はケーシング１０の外縁から突出しないように設定することが好ましい。

モータ２は、アウターロータ型のブラシレスモータである。ロータはカップ状のロータヨーク２５とリング状のマグネット２７とシャフト７とから構成される。マグネット２７は、ロータヨーク２５の内周面に固着される。シャフト７は、ロータヨーク２５の中央部に形成されたボス２６に固着されている。

シャフト７は、ベアリングホルダー１８に装着された一対のベアリング１９にて回転可能に支持されている。ベアリングホルダー１８の外周面には積層されたステータコア２０が装着される。ステータコア２０には、コイル２１を巻回したインシュレータ２２が装着されている。ベアリングホルダー１８は、モータベース１４に装着される。ベアリングホルダー１８に装着されたステータコア２０は、半径方向（図２左右方向）においてマグネット２７と所定のギャップを隔てて対向配置されている。モータベース１４は、金属製のプレート（例えば、鉄製のプレート）をプレス加工することによって形成したものである。モータベース１４の形状は、ケーシング１０と同様、四角形であり、中央には凹部１５が形成される。外周縁は、軸方向（図２上下方向）に曲げられて側板１６を構成している。側板１６を形成することによって、モータベース１４の剛性を向上させることができる。モータベース１４の凹部１５の中央には開口が形成されており、この開口にベアリングホルダー１８が装着され、モータ２が凹部１５に収納される。

ロータヨーク２５に接合した羽根車３の羽根４は、軸方向（図２上下方向）においてモータベース１４の平面部１７と所定のギャップ長Ｇを隔てて対向配置されている。すなわち、羽根車３は複数の羽根４を備えているが、各々の羽根４の下部は、その少なくとも一部分がモータベース１４の平面部１７側に露出している。各々の羽根４は、下部の全部分がモータベース１４の平面部１７側に露出していてもよい。インシュレータ２２の下面にはＰＣＢ基板２３が取り付けられている。ＰＢＣ基板２３には、モータ２を制御するための電子部品２４が実装されている。

モータ２の駆動によって羽根車３が回転することにより、吸込み口８から吸入された空気は羽根車３の羽根４の間を通過し、羽根車３の回転に伴う遠心作用による流体力で羽根車３の径外方に向けて吹き出される。

モータベース１４は、図７に示す従来の羽根車１２０の主板１２１の機能を兼ねると共に、ケーシング１０の下板の機能も兼ねている。このため、羽根車３とモータベース１４の平面部１７との間に形成されたギャップ長Ｇの設定は重要である。ギャップ長Ｇが大きすぎる場合、吸込み口８から吸入された空気は、羽根４の間を通過すると共にギャップにも流れてしまう。この結果、羽根車３から吹き出された空気の圧力が低減し、送風特性が低下する。一方でギャップ長Ｇが小さすぎる場合において、各部品の寸法精度のバラツキが生じたとき、羽根車３の羽根４がモータベース１４の平面部１７に接触してしまう虞がある。このような接触を防止するためには、各部品の寸法精度を高精度に管理する必要が生じ、ひいては遠心ファン１のコスト高となってしまう。

上述のように、ギャップ長Ｇは遠心ファンの送風特性に影響を及ぼす重要な要素である。ギャップ長Ｇは具体的には、遠心ファンの送風特性とコストとの兼ね合いで設定される。

図４は、本発明の実施の形態における遠心ファンと従来の渦巻き状ケーシングを備える遠心ファンとの騒音の測定結果を示した図である。

図４中における「比較例１」は、従来の渦巻き状ケーシングを備える遠心ファンを示す。「比較例２」は、本実施の形態による遠心ファンと同様に、外形は四角形で側面がすべて開口を形成したケーシングを使用しているが、羽根車の構造が本実施の形態と異なるものである。「比較例２」における羽根車は、羽根の一端側に環状のシュラウドを備え、羽根の他端側に（図７の符号１２１で示されるような）主板を備えた構造である。「比較例２」においては主板が設けられているので、モータベースに主板の機能を兼ねさせる必要がない。このため「比較例２」においては、図２に示されるような、モータベースに主板の機能を兼ねさせるためのギャップＧは設けられていない（羽根の下側と主板との間隔は、０ｍｍとなる）。図４中における「本実施の形態」は、図１〜３で説明した遠心ファンであり、羽根車３とモータベース１４の平面部１７との間のギャップ長Ｇを０．５ｍｍに設定したものである。

図４に示すように、従来の渦巻き状ケーシングを備える遠心ファンにおける騒音が６１ｄＢ（Ａ）であるのに対して、比較例２では５７．３ｄＢ（Ａ）、本実施の形態による遠心ファンでは５８ｄＢ（Ａ）であった。このように本実施の形態によると、騒音を抑制することができる。

図５は、本実施の形態において、外形が四角形で側面がすべて開口を形成したケーシング（図１に示されるケーシング）を使用し、羽根車３とモータベース１４の平面部１７との間のギャップ長Ｇ（図２参照）を、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０ｍｍ（ギャップなし）とした場合における、静圧−風量特性を示す図である。図においては、横軸が流量、縦軸が圧力を示す。

なお、ギャップ長Ｇが０ｍｍ（ギャップなし）とは、羽根の一端側に環状のシュラウドを備え、羽根の他端側に（図７の符号１２１で示されるような）主板を備えた羽根車を用いた場合を示している。

図５に示すように、羽根車３とモータベース１４の平面部１７との間のギャップ長Ｇが大きくなるに従って最大静圧が低下していることがわかる。ギャップ長Ｇが１ｍｍの場合、ギャップなしに比べて最大静圧が約２５％低下している。また、ギャップ長Ｇが０．５ｍｍの場合、ギャップなしに比べて最大静圧が若干低下するが、ほぼギャップなしと同等の静圧−風量特性が得られることがわかる。

図５に示す静圧−風量特性から、羽根車３とモータベース１４の平面部１７との間のギャップ長Ｇを０．５ｍｍ以下に設定することによって、静圧−風量特性はギャップ長Ｇが０ｍｍ（ギャップなし）における特性に近づくことがわかる。

すなわち、羽根車３とモータベース１４の平面部１７との間のギャップ長Ｇを適切に制御する必要がある。ギャップ長Ｇを０．５ｍｍ以下に設定することによって、羽根車３の主板を省略しても、ギャップ長Ｇが０ｍｍ（ギャップなし）における静圧−風量特性とほぼ同等の特性を得ることができる。

［実施の形態における効果］

以上のように本実施の形態に係る遠心式ファンは、円周方向に多数の羽根を配設した羽根車をケーシング内に格納し、モータの回転に伴い、吸込み口から吸入した空気を羽根車の回転に伴う遠心力によって羽根車の径外方に向けて噴出してケーシングから噴出するようにした遠心式ファンである。ケーシングは、上板と下板と複数の支柱とからなる。上板と下板とは複数の支柱を挟持する。ケーシングの側面は、支柱のみを備えて開口を形成している。ケーシングの下板は、モータを装着してなるモータベースで構成される。羽根車は、環状のシュラウドと該シュラウドと一体に形成された複数の羽根とから構成される。モータベースは、複数の羽根と軸方向において所定のギャップを隔てて対向配置されてなる。

本実施の形態における遠心式ファンによれば、上板と下板を支柱で連結したケーシングの中に遠心式ファンの羽根車を格納している。ケーシングは図６のファンのような側壁を備えておらず、側壁の部分は開口となっている。このため、羽根車の径外方に向けて噴出された空気は、ケーシングの側壁によって乱れることがない。すなわち、ケーシング形状を改良することにより、送風時の空気の乱れによる騒音を大幅に抑制することができる遠心式ファンを提供することができる。

すなわち本実施の形態による遠心式ファンは、従来の渦巻状のケーシングに代えて、外形が四角形で側面の４面ともに開口が形成され、側面には支柱のみを備えたケーシングを採用している。ケーシングは側壁を備えていないため、ファンの騒音を低減でき、かつ遠心式ファンを小型化できる。

また、ケーシングは羽根車の外径寸法と略同じ寸法にて形成することができるため、従来の渦巻状のケーシングを用いた遠心式ファンに比べて小径化を図ることができる遠心式ファンを提供できる。

さらに、合成樹脂にて形成される羽根車３の主板およびケーシング１０の下板を廃止し、安価な金属製のモータベース１４にて羽根車３の主板と共にケーシング１０の下板の機能を兼ねさせている。合成樹脂製の部品を削減できる結果、遠心式ファン１のコストを大幅に低減することができる。具体例としては、モータベース１４の金属としては鉄が採用される。

本実施の形態では、ケーシング１０は正四角形にて形成しているが、これに限定されるものではない。ケーシング１０は、多角形、円形、非対称形状を含め、任意のどのような形状であってもよい。支柱１３はケーシング１０の上板１１の外周縁から内側に配置した構造に限定されるものではなく、上板１１の外周縁から径外方に連接して突出させた箇所に支柱１３を設けた構造であってもよい。

また、支柱１３の形状は、連結材２８を挿通できる程度の大きさを有する略円筒形状であれば、羽根車３より吹き出された空気がほとんど抵抗を受けることなくケーシング１０の側面から外方に吹き出すことができる。このような支柱１３の形状であれば、低騒音化を図ることができる。

上述の実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
なお、上記特許文献１に記載のターボファンは、翼１２３の形状を検討して送風時の騒音の抑制を図ったものである。しかしながら、渦巻状のケーシング１２７においてケーシング舌部１２９が形成されているため、羽根車１２０から吹き出された空気がケーシング舌部１２９に衝突する際に発生する騒音を十分に低減することができない。
また特許文献１では、羽根車１２０の外周から吐出された空気は渦巻状のケーシング１２７の内壁面に沿って吹出し口１４１から吹き出す構成となっている。このため、渦巻状のケーシング１２７の内壁面や吹出し口１４１付近で空気の流れに乱れが生じ易く、この空気の流れの乱れが騒音の要因となっている。
さらに近年、家電機器、ＯＡ機器、車両などの送風機に組み込まれる遠心ファンには、低騒音化及び小型化と共に、コスト低減が強く求められている。
しかしながら、図６に示すような渦巻状のケーシング１２７においては、羽根車１２０の外周に、空気を吹出し口に導くための流路を形成する必要がある。このため、渦巻状のケーシング１２７の外径は通常、羽根車１２０の外径の２倍程度の大きさを要する。結果として、ターボファンの小型化が難しくなっている。渦巻状のケーシング１２７や羽根車１２０は一般に合成樹脂にて形成されるが、ターボファンの小型化が難しいことと相俟って、昨今の合成樹脂材料の高騰等の経済情勢から遠心ファンのコスト低減が容易ではないという問題がある。
上述の実施の形態によれば、送風時の低騒音化を図ると共に、小型化およびコスト低減を図った遠心ファンを提供することができる。

１ 遠心式ファン
２ モータ
３ 羽根車
４ 羽根
５ シュラウド
６ ボス部
７ シャフト
８ 吸込み口
９ 円筒部
１０ ケーシング
１１ 上板
１２ 返し部
１３ 支柱
１４ モータベース
１５ 凹部
１６ 側板
１７ 平面部
１８ ベアリングホルダー
１９ ベアリング
２０ ステータコア
２１ コイル
２２ インシュレータ
２３ ＰＣＢ基板
２４ 電子部品
２５ ロータヨーク
２６ ボス部
２７ マグネット
２８ 連結材

Claims (5)

1. 開口を形成した上板とモータベースとで構成されるケーシングと、
   前記上板及び前記モータベースの間に収納されており、吸込み口及び円周方向に配列される複数の羽根を備える羽根車と、
   前記羽根車を回転させるモータとを備え、
   前記羽根車の回転に伴って、前記上板の前記開口から前記吸込み口を通して吸入した空気を前記羽根車の径の外方に向けて吹き出すことが可能である遠心式ファンであって、
   前記モータベースは、下方に窪む凹部と、前記凹部の周縁から径外方に延在してなる平面部とを有し、前記凹部の底面に前記モータを取り付け、
   前記上板と前記モータベースとの間に略円筒形状である複数の支柱を介装し、前記支柱を除いた前記ケーシングの側面全周が空気の噴出口を構成し、
   前記上板の外周縁から径外方に連接して突出した箇所に前記支柱が設けられ、
   前記支柱が前記モータベースの前記平面部に結合している、遠心式ファン。
2. 前記上板と前記支柱とは互いに一体成型されたものである、請求項１に記載の遠心式ファン。
3. 前記モータベースは、前記凹部に前記モータを制御するための電子部品を実装したＰＣＢ基板を収納している、請求項１又は２に記載の遠心式ファン。
4. 前記凹部の側面は、下方に向けて先細となるテーパ形状を有する、請求項１から３のいずれかに記載の遠心式ファン。
5. 前記支柱は、連結材が挿通できる程度の大きさを有する略円筒形状である、請求項１から４のいずれかに記載の遠心式ファン。
   

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