JP6789414B2 - 軸流送風機及び天井扇 - Google Patents

Description

本発明は、回転翼とモータとを備える軸流送風機、及び天井に設置される天井扇に関する。

脱着可能な複数枚の羽根がモータの軸部に取り付けられた軸流送風機を、回転軸を鉛直方向に沿わせて天井に設置した天井扇において、羽根は、軸部に固定される根元部と、軸部が回転することにより空気を送風する翼部と、根元部と翼部を繋ぐ段差部とを有する。特許文献１には、羽根に窪みを設け、長期使用における繰り返し荷重に対する疲労強度を向上させた天井扇が開示されている。

特開２０１４−１９０２９１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明によれば、羽根の強度は向上させることができるが、羽根に窪みを設けるための追加加工が必要となり、製造時の工数が増加してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、追加加工を行うことなく羽根の強度を向上させた回転翼を備えた軸流送風機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る軸流送風機は、回転翼とモータとを備える。回転翼は、モータのシャフトに固定されて回転する羽根取付板と、羽根取付板に締結部材で接合され、羽根取付板とともに回転してシャフトに沿った気流を形成する羽根とを備える。羽根は、締結部材で羽根取付板に接合される羽根取付部と、気流を発生させる羽根翼部とを有する。羽根の重心は、羽根取付板の回転軸の軸方向において、羽根取付板の回転方向の最前方に位置する締結部材が羽根取付部を羽根取付板に固定している部分での羽根の板厚の中心と、回転方向の最後方に位置する締結部材が羽根取付部を羽根取付板に固定している部分での羽根の板厚の中心とを結ぶ線分の中点を通って羽根取付板の回転軸に直交する軸直角面よりも下流側に位置する。羽根の重心と軸直角面との羽根取付板の回転軸の軸方向における距離は、羽根の重心に自重により加わる力と、羽根の重心に羽根の回転にともなって加わる遠心力のうち、羽根の重心線に垂直方向の曲げ分力とが、使用範囲での回転数の上限において釣り合う距離と、使用範囲での回転数の下限において釣り合う距離との間の長さである。

本発明に係る軸流送風機は、追加加工を行うことなく回転翼の羽根の強度を向上できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る天井扇の斜視図 実施の形態１に係る天井扇の回転翼の斜視図 実施の形態１に係る天井扇の回転翼の側面図 実施の形態１に係る天井扇の回転翼の正面図 実施の形態１に係る天井扇の回転翼の正面図 実施の形態１に係る天井扇の回転翼の模式図 実施の形態１に係る天井扇の回転数と、羽根の重心と軸直角面との羽根取付板の回転軸の軸方向における距離との関係を示す図 実施の形態１に係る天井扇の回転翼の側面図

以下に、本発明の実施の形態に係る軸流送風機及び天井扇を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る天井扇の斜視図である。天井扇１００は、天井に取り付けられたフックに引っ掛けられる吊り下げ部１と、動力源であるモータ３と、吊り下げ部１とモータ３とを繋ぐパイプ２と、モータ３によって回転駆動される回転翼６とを備える。天井扇１００は、モータ３と回転翼６とを備えた軸流送風機であり、モータ３のシャフトを鉛直方向に沿わせて天井にモータ３が設置される。図２は、実施の形態１に係る天井扇の回転翼の斜視図である。図３は、実施の形態１に係る天井扇の回転翼の側面図である。回転翼６は、モータ３のシャフトに取り付けられて回転する羽根取付板４と、羽根取付板４に接合され、羽根取付板４の回転軸ＡＸを中心に放射状に延びる羽根５とを備える。羽根５は、羽根取付板４に固定される羽根取付部５ａと、気流を発生させる羽根翼部５ｂとを備える。羽根翼部５ｂは、モータ３のシャフトに垂直な平面に対して傾きを有する。羽根５は、羽根取付部５ａと羽根翼部５ｂとが一体成形されている。

羽根取付部５ａは、締結部材７によって羽根取付板４に接合される。図４は、実施の形態１に係る天井扇の回転翼の正面図である。図４は、図３中に矢印ｖで示す方向から回転翼６を見た状態を示している。羽根取付部５ａは、二つの締結部材７で羽根取付板４に固定されている。ここで、回転方向の前方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心Ｃ１と、回転方向の後方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心Ｃ２とを結ぶ線分の中点Ｃ３を通って羽根取付板４の回転軸ＡＸに直交する面を軸直角面Ｌと定義する。図４は、二つの締結部材７で締結された場合であるが、三つ以上の締結部材７で締結された場合は、回転方向の最前方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心と、回転方向の最後方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心とを結ぶ線分の中点を通って羽根取付板４の回転軸ＡＸに直交する面を軸直角面Ｌと定義できる。

図５は、実施の形態１に係る天井扇の回転翼の正面図である。羽根取付部５ａが回転軸ＡＸに対して傾きを有する場合も、回転方向の前方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心Ｃ１と、回転方向の後方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心Ｃ２とを結ぶ線分の中点Ｃ３を通って羽根取付板４の回転軸ＡＸに直交する面を軸直角面Ｌと定義できる。図５は、二つの締結部材７で締結された場合であるが、三つ以上の締結部材７で締結された場合は、回転方向の最前方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心と、回転方向の最後方に位置する締結部材７が羽根取付部５ａを羽根取付板４に固定している部分での羽根５の板厚の中心とを結ぶ線分の中点を通って羽根取付板４の回転軸ＡＸに直交する面を軸直角面Ｌと定義できる。

天井扇１００は、モータ３が回転することにより、シャフトとともに回転翼６が回転する。羽根翼部５ｂは、モータ３のシャフトに垂直な平面に対して傾きを有するため、回転翼６が回転することにより、図１中に矢印Ａで示す方向に気流が発生する。

図１に示す天井扇１００は、羽根５を五枚備えるが、羽根５は二枚以上であればよく、五枚に限定はされない。なお、天井扇１００の五枚の羽根５は同一形状である。

図６は、実施の形態１に係る天井扇の回転翼の模式図である。羽根５の重心Ｇは、羽根５一枚の重心位置であり、羽根取付部５ａの羽根５の板厚中心を通って羽根取付板４の回転軸ＡＸに直交する軸直角面Ｌよりも下、すなわち下流側にあり、羽根取付板４の回転軸ＡＸから半径方向にｒ、軸直角面Ｌから羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向にｈ離れている。

図６に示すように、羽根５の質量をｍ、重力加速度をｇとすると、羽根５の重心Ｇに自重による力Ｆｇ＝ｍｇが重力方向、すなわち気流の下流側に加わり、羽根５を下流側に曲げる。

また、羽根５には、回転にともなって軸直角面Ｌに平行に遠心力Ｆｒが働く。羽根５に加わる遠心力Ｆｒは、羽根取付部５ａの接合点Ｐと羽根５の重心Ｇとを通る重心線Ｋの方向の引っ張り分力Ｆｒｔと、重心線Ｋに垂直方向の曲げ分力Ｆｒｂとに分解できる。

羽根５の重心Ｇを軸直角面Ｌよりも下流側にすることで、遠心力Ｆｒによる曲げ分力Ｆｒｂは、上流側の向きに働く。すなわち、曲げ分力Ｆｒｂが、自重による力Ｆｇを打ち消すように働き、羽根５を折り曲げる力が弱まり、羽根５に発生する応力が小さくなる。

ここで、羽根取付板４の回転軸ＡＸから羽根５の重心Ｇまでの半径方向の距離をｒ、角速度をωとすると、羽根５にかかる遠心力Ｆｒは、ｍｒω^２と表せる。軸直角面Ｌと重心線Ｋとのなす角度をθとすると、遠心力による曲げ分力Ｆｒｂはｍｒω^２×ｓｉｎθと表せる。一方、軸直角面Ｌと羽根５の重心Ｇとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈは、ｓｉｎθ≒ｈ／ｒと表せる。これより、遠心力による曲げ分力Ｆｒｂは、ｍｈω^２と比例関係にあるとみなせる。なお、｛（ｈ／ｒ）−ｓｉｎ（ｈ／ｒ）｝／ｓｉｎ（ｈ／ｒ）が０．０１程度であれば、ｓｉｎθ≒ｈ／ｒと近似できるとする。すなわち、軸直角面Ｌと重心線Ｋとのなす角度θが１５°以下であれば、ｓｉｎθ≒ｈ／ｒの近似が成り立つと見なせる。

自重による力Ｆｇと、遠心力による曲げ分力Ｆｒｂとが釣り合うとき、羽根５を曲げる力が最も小さくなる。すなわち、自重による力Ｆｇと、遠心力による曲げ分力Ｆｒｂとが釣り合うように羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈを決めることで、羽根５にかかる応力を小さくできる。

自重による力Ｆｇと、遠心力による曲げ分力Ｆｒｂとは、どちらも質量ｍの羽根５に作用する力であり、重力加速度は定数であるため、羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈは、角速度に比例する。また、回転数をＮ回転毎分とすると、Ｎ＝ω×（６０／２π）と表せるため、羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈは、回転数Ｎに基づいて決定できる。羽根５の形状及び構造に基づいて定まる係数をＫとすると、羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈと、天井扇１００の回転数Ｎとは、ｈ＝１／（Ｋ×Ｎ^２）×（ｇ×（６０／２π）^２）と表すことができる。なお、係数Ｋは、羽根５をコンピュータ支援設計によって解析することによって求めることができ、２以上３以下の値をとる。

すなわち、羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈを、２≦Ｋ≦３、かつ１／（Ｋ×Ｎ^２）×（ｇ×（６０／２π）^２）となるように選べば、羽根５に発生する応力を小さくすることができる。

図７は、実施の形態１に係る天井扇の回転数と、羽根の重心と軸直角面との羽根取付板の回転軸の軸方向における距離との関係を示す図である。ここで、天井扇１００は、回転数Ｎが毎分２００回転から毎分２６０回転の範囲で使用されるものとする。羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈは、毎分２００回転では１１ｍｍ、毎分２６０回転では４ｍｍ程度である。すなわち、羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈを、４ｍｍ以上１１ｍｍ以下とすれば、毎分２００回転から毎分２６０回転の範囲で使用した場合に、羽根５に発生する応力を小さくすることができる。なお、天井扇１００の使用回転数は、例示した毎分２００回転から毎分２６０回転の範囲に限定はされない。

図８は、実施の形態１に係る天井扇の回転翼の側面図である。羽根５の重心Ｇは、軸直角面Ｌよりも下流側に設けるため、羽根５が発生させる気流の下流側となる端である羽根５の下端５ｌと軸直角面Ｌとの距離ｂは、羽根５が発生させる気流の上流側となる端である羽根５の上端５ｈと軸直角面Ｌとの距離ａよりも長い。羽根５の重心Ｇと軸直角面Ｌとの羽根取付板４の回転軸ＡＸの軸方向における距離ｈを４ｍｍから１１ｍｍの範囲とするために、軸直角面Ｌと羽根５の下端５ｌとの距離ｂは、軸直角面Ｌと羽根５の上端５ｈとの距離ａの１．３倍以上２．２倍以下とされている。

上記の説明において、羽根５は、羽根取付部５ａと羽根翼部５ｂとが一体成形されていたが、羽根取付部５ａと羽根翼部５ｂとを別部品とし、締結してもよい。板厚が厚い羽根取付部５ａと板厚が薄い羽根翼部５ｂとを締結して羽根５を形成することにより、羽根５に働く自重による力Ｆｇを小さくできるため、発生する応力が小さく、軽量かつ低コストな羽根５を容易に得られる。

実施の形態１に係る天井扇１００及び回転翼６に用いられる羽根５は、自重による力Ｆｇと、遠心力による曲げ分力Ｆｒｂとが釣り合うように重心Ｇの位置を設定することにより、追加加工を行うことなくの強度を向上できる。

なお、上記の実施の形態１では、天井扇について説明したが、羽根取付板４の回転軸ＡＸが鉛直方向に沿って設置される軸流送風機の羽根にも本発明を適用可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 吊り下げ部、２ パイプ、３ モータ、４ 羽根取付板、５ 羽根、５ａ 羽根取付部、５ｂ 羽根翼部、５ｈ 上端、５ｌ 下端、６ 回転翼、７ 締結部材、１００ 天井扇、ＡＸ 回転軸、Ｇ 重心、Ｋ 重心線、Ｌ 軸直角面。

Claims (6)

1. 回転翼とモータとを備え、
   前記回転翼は、
   前記モータのシャフトに固定されて回転する羽根取付板と、該羽根取付板に締結部材で接合され、前記羽根取付板とともに回転して前記シャフトに沿った気流を形成する羽根とを備え、
   前記羽根は、前記締結部材で前記羽根取付板に接合される羽根取付部と、前記気流を発生させる羽根翼部とを有し、
   前記羽根の重心は、前記羽根取付板の回転軸の軸方向において、前記羽根取付板の回転方向の最前方に位置する前記締結部材が前記羽根取付部を前記羽根取付板に固定している部分での前記羽根の板厚の中心と、回転方向の最後方に位置する前記締結部材が前記羽根取付部を前記羽根取付板に固定している部分での前記羽根の板厚の中心とを結ぶ線分の中点を通って前記羽根取付板の回転軸に直交する軸直角面よりも下流側に位置し、
   前記羽根の重心と前記軸直角面との前記羽根取付板の回転軸の軸方向における距離は、前記羽根の重心に自重により加わる力と、前記羽根の重心に前記羽根の回転にともなって加わる遠心力のうち、前記羽根の重心線に垂直方向の曲げ分力とが、使用範囲での回転数の上限において釣り合う距離と、使用範囲での回転数の下限において釣り合う距離との間の長さであることを特徴とする軸流送風機。
2. 前記羽根の重心と前記軸直角面との前記羽根取付板の回転軸の軸方向における距離は、４ｍｍ以上１１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の軸流送風機。
3. 前記気流の下流側となる前記羽根の端と前記軸直角面との距離は、前記気流の上流側となる前記羽根の端と前記軸直角面との距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の軸流送風機。
4. 前記気流の下流側となる前記羽根の端と前記軸直角面との距離は、前記気流の上流側となる前記羽根の端と前記軸直角面との距離の１．３倍以上２．２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の軸流送風機。
5. 前記羽根の重心と前記軸直角面との前記羽根取付板の回転軸の軸方向における距離をｈ［ｍｍ］、前記羽根取付板の１分当たりの回転数をＮ［ｒｐｍ］、前記羽根の形状及び構造に基づいて定まる係数をＫ、重力加速度をｇ［ｍ／ｓ ^２ ］とするとき、ｈ＝１／（Ｋ×Ｎ^２）×（ｇ×（６０／２π）^２）を満たし、前記係数Ｋは、２以上３以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の軸流送風機。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の軸流送風機を用いた天井扇であって、
   前記羽根取付板の回転軸を鉛直方向に沿わせて天井に設置されることを特徴とする天井扇。

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