JP6827486B2 - 送風機 - Google Patents

Description

本開示は、例えば医療機器、産業機器、民生機器などに用いられる送風機に関する。

従来用いられている送風機（ブロワ）は、一方で小型化が望まれ、他方で要求性能が向上して高圧力、高流量化、高応答性が求められている。よって、インペラを小径化し、より高速で回転させる方向に移行している。ところが、高圧力、高流量化等の要求は、モータのサイズアップ及びインペラの推力増によるスラスト荷重が増大して軸受の寿命低下につながる。

送風機を小型化するため、図７に示すように送風路５１をモータＭから軸方向に離れた位置（トップハウジング５２側）に配置することで、モータ直径に関係なくブロワの直径を小さくすることが可能となる。また、インペラ５３に作用する軸方向の推力を軽減できるメリットもある。
ブロワを構成するインペラ５３の形状は、送風方向上流から下流に向けて流路体積が大きくなるように形成されている（特許文献１：ＷＯ２０１７／１５４１５１号公報参照）。

ＷＯ２０１７／１５４１５１号公報

しかしながら、インペラ５３と圧縮空気を送り出す送風路５１を仕切るシュラウド５４の設置がないと、ブロワ性能が著しく低下しまう。また、シュラウド５４を別部品として設ける分、部品点数が増加して組み立て工数や管理工数が嵩む。
また、トップハウジング５２とボトムハウジング５４内にインペラ５３を配置する構成において、吐出空気の圧力、流量条件や吸気側の圧力条件により、サージング（空気の逆流）を発生するおそれがある。
サージングは送風機の断続的な圧力変動、流量変動を引き起こし、送風機の性能低下のみならず騒音を発生させるおそれがある。

以下に述べるいくつかの実施形態は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、部品点数を増やすことなく形状変更により流体の圧力変動を抑えてサージングの発生を抑制した送風機を提供することにある。

以下に述べるいくつかの実施形態に関する開示は、少なくとも次の構成を備える。
インペラを収容する第一ハウジングとモータを収容する第二ハウジングを有するハウジング内に回転可能に軸支された回転子軸に前記インペラ及び回転子が各々組み付けられ、前記インペラの回転により前記第一ハウジング内に軸方向中心部に設けられた吸気口から外気を吸い込んで径方向外側に設けられた吐出口から吐出する送風機であって、前記吸気口と前記吐出口を連絡する送風路は、前記吸気口に連絡する第一ハウジング側シュラウドとブレードの外周側を連結するインペラ側シュラウドが前記ブレードの外周端部よりも径方向外側に延設されて対向する前記第二ハウジングとの間に流路が形成され、前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面との高さ寸法で規定される流路断面積が最小となる狭小部が設けられていることを特徴とする。
このように、通常送風機ではブレードの径方向中心から外周端部に向けて流路断面積が一定となることを基本とし、ブレードの外周端部よりも径方向外側に設けられた送風路から漸次大きく形成されるところ、インペラ側シュラウドがブレードの外周端部よりも径方向外側に延設されて対向する第二ハウジングとの間に流路にインペラ側シュラウドの流路面と向かい合う第二ハウジングの流路壁面との高さ寸法で規定される流路断面積が最小となる狭小部を設けることで、流体の圧力変動を抑えてサージングの発生を抑制することができた。

前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面に前記インペラ側シュラウドとの距離が縮まる段差部が設けられていてもよい。これにより、通常送風機ではブレードの径方向中心から外周端部に向けて流路断面積が一定となることを基本とし、ブレードの外周端部よりも径方向外側に設けられた送風路から漸次大きく形成されるところ、段差部により第二ハウジングの流路壁面にインペラ側シュラウドが近接して流路断面積が最小となる狭小部を設けることができる。

前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面には、前記第二ハウジングの曲率を変化させた曲面部が形成されていてもよい。これにより、インペラ側シュラウドの外周端部が第二ハウジングの流路壁面に設けられた曲面部に近接して流路断面積が最小となる狭小部を設けることができる。

前記インペラ側シュラウドの外周端部には、前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面との距離が狭まる延設部が形成されていてもよい。これにより、インペラ側シュラウドの延設部が第二ハウジングの流路壁面に近接して流路断面積が最小となる狭小部を設けることができる。

部品点数を増やすことなく形状変更により流体の圧力変動を抑えてサージングの発生を抑制した送風機を提供することができる。

トップハウジングを外した送風機の軸方向平面図である。 図１の送風機の矢印Ｘ−Ｘ方向断面図である。 図2の部分拡大断面図である。 他例に係る段差部を設けた送風機の部分拡大断面図である。 他例に係る曲面部を設けた送風機の部分拡大断面図及び延設部を設けた送風機の部分拡大断面図である。 ボトムハウジングの底部に段差部を設けた場合と設けない場合のＰＱ特性（圧力-流量特性）と各動作点における圧力変動（サージング）の程度を示すグラフである。 従来の送風機の断面図である。

以下、本発明に係る送風機の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。先ず、送風機の概略構成について図１乃至図３を参照して説明する。
送風機１は、以下の構成を備える。図２に示すように、インペラ２が収容されるトップハウジング（第一ハウジング）３と、固定子４及び回転子５（モータＭ）が収容されるボトムハウジング（第二ハウジング）６がボルト８ｃにより一体にねじ止め固定され、ボトムハウジング６の底部にブラケット７がボルト８ｄによりねじ止めされて一体に組み付けられてケース本体８が形成されている。トップハウジング３とボトムハウジング６の突き当て端面には、シール材１７が挟み込まれて、送風路８ａがシールされて組み付けられる。また、ケース本体８内に回転可能に軸支された回転子軸９と一体にインペラ２及び回転子５が各々組み付けられている。

図２に示すように、トップハウジング３の吸気口３ａには筒状の軸受保持部３ｂが放射状に形成された複数の連結梁３ｃにより一体形成されている。吸気口３ａを形成する筒状開口壁３ｄに連続してハウジング側シュラウド３ｅが形成されている。ハウジング側シュラウド３ｅはインペラ２に対応配置され、径方向外側への送風路を形成する。また、ハウジング側シュラウド３ｅに連続してトップ側湾曲部３ｆが形成されている。また、トップ側湾曲部３ｆに対向するボトムハウジング６には、ボトム側湾曲部６ａが設けられている。トップ側湾曲部３ｆとボトム側湾曲部６ａが組み合わせて、インペラ２の外周で周回する送風路８ａが形成される。また、ケース本体８に形成された送風路８ａを送風された圧縮空気は、吐出口８ｂより吐出されるようになっている（図１参照）。

図２に示すように、軸受保持部３ｂ内には、回転子軸９の一端側を軸支する軸受１０が組み付けられている。軸受１０は筒状に形成されたすべり軸受（例えば流体動圧軸受など）が好適に用いられる。回転子軸９の一端は軸受１０により回転可能に支持され、軸端は軸受保持部３ｂ内の段付き部に設けられたエンドカバー３ｇに突き当て支持されている。軸受保持部３ｂの上端は、トップカバー３ｈにより閉止されている。この場合、転がり軸受に比べて小型化し易く、低騒音、低振動化を実現することができる。また、小型モータを高速回転させても、機械的損失により軸受１０が発熱することもないので耐久性が低下することなく、風量を確保することができる。

軸受保持部３ｂの外周にはインペラ２が軸受ハウジング１１を介して同軸状に組み付けられている。軸受ハウジング１１は、回転子軸９に圧入、接着等により一体に組付けられている。インペラ２は、軸受ハウジング１１に対してモールド、接着、圧入等により一体に組み付けられている。インペラ２は、円盤状の主板２ａには、中心部から外周方向にわたってブレード２ｂが複数箇所に起立形成されている（図２参照）。ブレード２ｂの外周側にはインペラ側シュラウド２ｃが環状に一体成形されている（図１参照）。インペラ側シュラウド２ｃは、ブレード２ｂの外周側上端部を連結して形成され、ボトムハウジング６の底部６ｂに対向して形成されている。

回転子軸９の他端側には回転子５が組み付けられている。具体的には、回転子軸９に回転子ヨーク５ａを介して回転子マグネット５ｂが同心状に装着されている。回転子マグネット５ｂには周方向にＮ極及びＳ極が交互に着磁されている。回転子５は、回転子軸９の端部に組み付けられた回転子ヨーク５ａ及びバランス修正部１２に軸方向に抜け止めされて組み付けられている（図２参照）。モータ駆動回路の構成によってバランス修正部１２にセンサーマグネットが取り付けられる。

図２において、ボトムハウジング６内にはモータＭが収納されている。具体的には、ボトムハウジング６内には固定子４が組み付けられている。ボトムハウジング６の内壁面には環状のコアバック部４ｂが固定されて固定子コア４ａが組み付けられている。環状のコアバック部４ｂから径方向内側に極歯４ｃが複数箇所に突設されている。各極歯４ｃにはコイル４ｄが巻かれている。固定子コア４ａの極歯４ｃは回転子マグネット５ｂと対向配置されている。また、ボトムハウジング６の底部には、モータ基板１３が設けられており、各コイル４ｄから引き出されたコイルリードが接続されている。
また、図２に示すように、ボトムハウジング６とブラケット７の端面間に形成された開口部にはグロメット１４が装着されている。このグロメット１４を貫通して口出し線１５が外部に取り出されて給電されるようになっている。

図２に示すように、送風機１は、モータＭを起動すると、インペラ２の回転によりトップハウジング３の吸気口３ａより軸方向から筒状開口壁３ｄ内に外気を吸い込んで、インペラ２の回転によりブレード２ｂに沿って主板２ａとハウジング側シュラウド３ｅとの間を径方向内側から外側に圧縮空気が送り出され、環状に形成されたインペラ側シュラウド２ｃとボトムハウジング６の底部６ｂとの間を通過して送風路８ａに送り込まれる。そして、圧縮空気は送風路８ａを周回してケース本体８の吐出口８ｂより吐出されるようになっている（図１参照）。インペラ側シュラウド２ｃとハウジング側シュラウド３ｅは連続してシュラウドを形成する。またインペラ２の主板２ａはボトムハウジング６の底部６ｂに配置されている。主板２ａの上面はボトムハウジング６の底面と径方向に連続面となるように隣接して配置されていることが望ましい。これにより、主板２ａ上面とボトムハウジング６の底面とが段付き面ではなく連続面となるので空気の流れが良くなる。
また、インペラ側シュラウド２ｃの外縁と主板２ａの外縁はブレード２ｂを介して一体成形されて連結されているので、インペラ側シュラウド２ｃの強度向上につながる。

図２に示すように、トップハウジング３の吸気口３ａに軸受保持部３ｂが一体形成され、該軸受保持部３ｂ内に回転子軸９を軸支する軸受１０が組み付けられているので、軸受保持部３ｂの外周にインペラ２を同軸状に組み付けることができる。よって、回転子軸９の長さを短くすることができ、送風機１の軸方向寸法小型化することができる。また、回転子軸９を軸支する軸受１０を可及的にインペラ２近傍に配置することで回転重心が軸受１０に近づくため、インペラ２のアンバランスが荷重負荷として影響し難くなり、回転バランスが改善される。

更には、モータＭを起動しインペラ２が回転するとトップハウジング３の吸気口３ａから軸方向に吸気されるので、軸受１０の機械損による発熱が吸気によって冷却されるので、軸受１０の温度上昇は抑えられ、オイル劣化抑制に寄与するため耐久性を向上させることができる。尚、軸受１０は、吸気口３ａに設けられた軸受保持部３ｂに組み付けられているが、軸受１０の配置はこれに限定されるものではなく、例えばインペラ２より軸方向に離間した配置であってもよい。

また、図２に示すように、回転子軸９の他端側には回転子５が組み付けられている。具体的には、回転子軸９には回転子ヨーク５ａを介して回転子マグネット５ｂが装着されており、軸端部に設けられたバランス修正部１２により抜け止めされている。回転子マグネット５ｂは、ボトムハウジング６に保持された固定子コア４ａの極歯４ｃと対向配置されている。これにより、モータＭ側の軸受を省略して回転子軸９の軸長を短くし、かつ回転重心を軸受１０に近づけて回転バランスが取りやすくなる。

また、トップハウジング３の吸気口３ａよりハウジング側シュラウド３ｅと当該ハウジング側シュラウド３ｅにインペラ側シュラウド２ｃが送風路に臨む天面部どうしが径方向に隣接することで流路が形成されている。このように、インペラ２にシュラウドの一部（インペラ側シュラウド２ｃ）が一体に形成されるので、トップハウジング３に吸気口３ａと送風路８ａを仕切るシュラウドを別部品として設ける必要がなくなり、送風機１の部品点数を減少させつつ出力性能を維持することができる。

また、インペラ側シュラウド２ｃは、ブレード２ｂの外周端部を環状に連結して主板２ａとは離間して環状に一体成形されている。例えば、主板２ａの外縁部は、インペラ側シュラウド２ｃと一体成形可能な型分かれ位置に設けられていることが好ましい。これにより、インペラ２を樹脂成形する場合、主板２ａ及びブレード２ｂと共に外周側にインペラ側シュラウド２ｃを一体成形することができ、部品点数が減少するのみならず量産性や組み立て性を改善することができる。

ここで、送風機１の使用回転領域でサージングの発生を抑制する構成について説明する。図３において、通常送風機１ではブレード２ｂの径方向中心から外周端部に向けて流路断面積が一定となることを基本とし、ブレード２ｂの外周端部２ｂ１よりも径方向外側に設けられた送風路から漸次大きく形成されるところ、ブレード２ｂの外周端部２ｂ１よりも径方向外側（例えばブレード２ｂの外周端部２ｂ１とインペラ側シュラウド２ｃの外周端部２ｃ１との間）に流路断面積が最小となる狭小部１６が設けられている。狭小部１６は、通常ブレード２ｂの高さとボトムハウジング６の底部６ｂとのクリアランスの和である寸法ｄが最小となる部位を指し示すものであり、流体がインペラ２を介して流れる流路の軸方向高さである。本実施例ではこの寸法ｄの値がブレード２ｂの外周端部２ｂ１とインペラ側シュラウド２ｃの外周端部２ｃ１との間で最小となり、狭小部１６となる。狭小部１６は、ボトムハウジング６の全周にわたって存在してもよいし、部分的に存在してもよい。これにより、部品点数を増やすことなく形状変更により後述するように流体の圧力変動を抑えて使用回転領域でサージングの発生を抑制することができる。

図４及び図５Ａ，Ｂには、他例に係るハウジング側シュラウドとブレード先端部の部分断面図を示す。図４は、ボトムハウジング６のインペラ側シュラウドの流路面と向かい合う流路壁面（底部６ｂ）にインペラ側シュラウド２ｃが近接する段差部６ｃが設けられた構成を例示する。
図４において、インペラ２の主板２ａ上面とボトムハウジング６の底部６ｂとが段付き面ではなく連続面となることが望ましいが、底部６ｂに段差部６ｃを設けてもよい。この場合には、主板２ａ上面がボトムハウジング６の底部６ｂ（段差部６ｃ）よりも上方であることが望ましい。そうすることにより空気の流れが段差部６ｃにより妨げられることが無くなる。
これにより、通常送風機１ではブレード２ｂの径方向中心から外周端部に向けて流路断面積が一定となることを基本とし、ブレード２ｂの外周端部２ｂ１よりも径方向外側に設けられた送風路から漸次大きく形成されるところ、段差部６ｃにブレード２ｂの軸方向高さが吸収されてブレード２ｂの外周端部２ｂ１より外側でインペラ側シュラウド２ｃがボトムハウジング６の底部６ｂへ近接して流路断面積が最小となる狭小部１６が形成される。

図５Ａは、ボトムハウジング６の送風路８ａを形成する底部６ｂに連なる湾曲した流路壁面に、曲率が小さな曲面部６ｄが形成された構成を例示する。曲面部６ｄはボトム側湾曲部６ａの流路壁面より曲率が小さくなるように形成されている。曲面部６ｄをボトムハウジング６で形成しても良いし、或いは別部材で形成しても良い。別部材で形成する場合、ボトムハウジング６の底部６ｂに連なる流路壁面に樹脂材等の曲面部材を貼り付けることで流路壁面より曲率を変化させて狭小部１６が形成されている。曲面部材はボトムハウジング６の全周にわたって存在してもよいし、部分的に存在してもよい。

図５Ｂは、インペラ側シュラウド２ｃに、ボトムハウジング６の流路壁面との距離が狭まる延設部２ｄが形成された構成を例示する。ボトムハウジング６（ボトム側湾曲部６ａ）の底部６ｂに連なる流路壁面は湾曲しているため、インペラ側シュラウド２ｃの先端外周部分に延設部２ｄが形成されると、ボトム側湾曲部６ａの流路壁面に近接して流路断面積が最小となる狭小部１６が形成される。延設部２ｄの形状は任意であるが、図５Ｂに示すように、インペラ側シュラウド２ｃの板厚が先端外周部ほど厚肉に形成されるようにしてもよい。なお、以上の説明は、ボトムハウジング６側に狭小部１６を設ける実施例について説明したが、送風機１の構成次第ではトップハウジング３側に狭小部１６を設けても良い。

図６Ａ，Ｂはボトムハウジング６の底部６ｂに段差部６ｃを設けた場合（図４参照）と設けない場合のＰＱ特性（圧力-流量特性）と各動作点における圧力変動（サージング）の程度を示すグラフである。図６Ａは、段差部なしの未対策品でモータＭの回転数がＮ１[rpm]、Ｎ２[rpm]、Ｎ３[rpm]、Ｎ４[rpm] におけるＰＱ特性に各ポイントでの圧力変動の大きさを円の大きさで表現したグラフである。同様に図６Ｂは、0.5mmの段差部を設けた対策品でモータＭの回転数がＮ１[rpm]、Ｎ２[rpm]、Ｎ３[rpm]、Ｎ４[rpm]におけるＰＱ特性に各ポイントでの圧力変動の大きさを円の大きさで表現したグラフである。尚、回転数の大きさはＮ１＜Ｎ２Ｎ３＜Ｎ４とし、一例として15000［rpm］〜40000［rpm］の範囲にある所定回転数で比較した。

図６Ａ，ＢにおいてモータＭの回転数がＮ１[rpm]では、未対策品に対し対策品の圧力変動に最大75%の低減が認められ差異が認められないが、Ｎ２[rpm]では、最大85%、Ｎ３[rpm]では、最大75%、Ｎ４[rpm]では、最大70%の圧力変動が抑えられることが判明した。流体の圧力変動が大きいほど騒音が大きくなるため、対策品では、低騒音化を図ることができる。

以上説明したように、通常ブレード２ｂの径方向中心から外周端部に向けて流路断面積が一定となることを基本とし、ブレードの外周端部よりも径方向外側に設けられた送風路に向けて漸次大きく形成されるところ、ブレード２ｂの外周端部よりも径方向外側に流路断面積が最小となる狭小部１６を設けることで、流体の圧力変動を抑えて、サージングの発生を抑制することができた。

尚、軸受１０は流体動圧軸受を例示したがこれに限定されるものではなく他のすべり軸受、例えば焼結含油すべり軸受等であってもよい。更には、すべり軸受に限らず、使用用途によって、転がり軸受等他の軸受を用いてもよい。

１ 送風機 ２ インペラ ２ａ 主板 ２ｂ ブレード ２ｂ１，２ｃ１ 外周端部 ２ｃ インペラ側シュラウド ２ｄ 延設部 ３ トップハウジング ３ａ 吸気口 ３ｂ 軸受保持部 ３ｃ 連結梁 ３ｄ 筒状開口壁 ３ｅ ハウジング側シュラウド ３ｆ トップ側湾曲部 ３ｇ エンドカバー ３ｈ トップカバー ４ 固定子 ４ａ 固定子コア ４ｂ コアバック部 ４ｃ 極歯 ４ｄ コイル ５ 回転子 ５ａ 回転子ヨーク ５ｂ 回転子マグネット ６ ボトムハウジング ６ａ ボトム側湾曲部 ６ｂ 底部 ６ｃ 段差部 ６ｄ 曲面部 ７ ブラケット ８ ケース本体 ８ａ 送風路 ８ｂ 吐出口 ８ｃ，８ｄ ボルト ９ 回転子軸 １０ 軸受 １１ 軸受ハウジング １２ バランス修正部 １３ モータ基板 １４ グロメット １５ 口出し線 １６ 狭小部 １７ シール材

Claims (4)

1. インペラを収容する第一ハウジングとモータを収容する第二ハウジングを有するハウジング内に回転可能に軸支された回転子軸に前記インペラ及び回転子が各々組み付けられ、前記インペラの回転により前記第一ハウジング内に軸方向中心部に設けられた吸気口から外気を吸い込んで径方向外側に設けられた吐出口から吐出する送風機であって、
   前記吸気口と前記吐出口を連絡する送風路は、前記吸気口に連絡する第一ハウジング側シュラウドとブレードの外周側を連結するインペラ側シュラウドが前記ブレードの外周端部よりも径方向外側に延設されて対向する前記第二ハウジングとの間に流路が形成され、前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面との高さ寸法で規定される流路断面積が最小となる狭小部が設けられていることを特徴とする送風機。
2. 前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面に前記インペラ側シュラウドとの距離が縮まる段差部が設けられている請求項１記載の送風機。
3. 前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面には、前記第二ハウジングの曲率を変化させた曲面部が形成されている請求項１記載の送風機。
4. 前記インペラ側シュラウドの外周端部には、前記インペラ側シュラウドの流路面と向かい合う前記第二ハウジングの流路壁面との距離が狭まる延設部が形成されている請求項１記載の送風機。