JP6875412B2 - 軸流ファン及びロータ用の低騒音高効率ブレードとそのブレードを備えた軸流ファン又はロータ - Google Patents

Description

本発明は軸流ファン用の低騒音高効率ブレードに関する。具体的には工業用軸流ファン用、より具体的には大径軸流ファン用の低騒音高効率ブレードに関する。

本発明はさらに、軸流ファンに関する。具体的には、低騒音高効率ブレードを備えた工業用大径軸流ファンに関する。

商業用空冷装置に使用される軸流ファンは、小型冷却ファンと大型ファンの２つのグループに大別される。

実際の冷却ファンの大きさは数ミリメートル（電子デバイスの冷却に使用されるタイプのファンの場合）から数十センチメートル（自動車のモーターの冷却に使用されるタイプのファンの場合）とさまざまであり、ＡＣＣや水冷却塔プラントで使用されるファンは、直径２十メートルに及ぶものもある。

当然のことながら、この２つのグループの境界ははっきりと決めることはできないが、当業者の間では通常、ファン径約９００ｍｍを境界としている。つまり９００ｍｍより径が小さいファンは第１グループに属し、９００ｍｍより径が大きいファンは第２グループに属するとされている。

ファンの技術特性はそのサイズ（径）に大きく依存し、ファンが第１グループと第２グループのうちどちらに属するかによって異なる。これは、根本的にファンが発揮すべき性能が２つのグループで異なるからである。

上記は、空気を動かして装置及び／又は機器等を冷やすという同じ目的のために異なる寸法（径）の同等のファンが使用されるという事実に関わらず、大径軸流ファンは小型ファンとはまったく異なる技術特性を有するということを意味する。

ファンのサイズが大きくなるに従って技術特性が劇的に変化する主な理由は、ファンに働く力、そして動力が、その径に依存するためである。例えば、数ミリサイズのファンの吸収電力は数分の１ｋＷであるのに対し、大型ファンは数百ｋＷの電力を吸収する。

同様に、稼働時に大径ファンのブレードに働く力は非常に大きいため、大型ファン（回転中に大きな負荷を受ける）の構造設計は非常に複雑なものになる。これは、小型ファンの場合には騒音低減や効率レベルの改善につながるであろう複雑な形状が、大型ファンの場合はおそらく実質的に考慮されないからである。

また、大きな消費電力が関係するため、ファンの効率も考慮されなければならない。実際、大型ファンの場合、効率が数パーセント高いだけで十分の(tenths of)数キロワット節約もできることがある。

さらに、一般に小型ファンは、その小さいサイズと技術特性を考慮し、通常１つの鋳造品として実現することが可能であり、すべてのブレードを結合する周囲リングを設けてファンに強度を与えることもできる。

例として、周囲リングが設けられ、安定性が改善された従来のファンを図１に示す。このファンは、周囲リング（ブレードの翼端における逆流防止に役立つ）によって、その効率も改善されている。

当業者にはよく知られているが、根本的に構造上の理由から、大型ファンには通常図１に示すような周囲リングは設けられない。また、このような周囲リングを大型ファンに設けることが技術的に可能であるとしても、リングの条件は、大型ファンに求められるさらなるニーズ、すなわち環境を考慮したピッチ調整のニーズと一致しない。

実際、このようなファンを備えるほとんどの冷却装置はオーダーメイドであり、ファンの稼働条件が大きく変動する。つまり、稼働条件を満たすには、ピッチ調整が必須である。また、現地にてピッチを調整したいという顧客のニーズに応えるべく、ピッチを調整できることが重要である。

しかし、ピッチを調整できるということは、ブレード翼端とファンリングとの間に空間が空いているということを意味し、この必要不可欠な空間は、ファンの効率に悪影響を及ぼす。

この空間の寸法は、国際標準によりファン径の千分の３〜５に制限されているが、ピッチ調整が可能な場合、前述の国際標準はブレードが所定のピッチ角に向けられている場合にのみ満たされ、（所定ピッチ角以外の）他のすべてのピッチ角に対しては、前述の国際標準はピッチ角調整軸が位置する領域でのみ満たされる。したがって、ピッチ角を増加あるいは減少させることによって、主に翼弦の働きにより前縁及び後縁がファンリングから離れることは回避できず、逆流が増加してしまう。

また、大型ファンの分野において騒音を低く保つ必要性に関して、従来技術をより明確にし、本発明をより正しく認識するために、さらなる情報や定義を以下に提供する。

一般に、大型ファンの要求基準は、求められる騒音レベルによって３つのカテゴリーに分けることができる。

・第１騒音レベル：騒音レベルについて特に要求基準がない。ファンはやや狭い翼弦を有し、国際標準で認められる最大翼端速度（約６０ｍ／ｓ）で稼働する。一般にはこれが、ファンが最も低コストで最大の効率で稼働できる条件である。現在、市場の大型ファンにおいて一般に使用されている代表的なブレードは主に３種類ある。それらを図２ａ、２ｂ、及び２ｃに示す。これら３種類のブレードにおいては、空気力学的に効率の良い翼形を用いて、風速が半径方向全体にわたって均一になるようにすることで、高い効率が得られている。均一な風分布を得る方法は、ブレードの種類によって異なる。図２ａのブレードはねじれ、図２ｂのブレードはテーパーがかけられ、図２ｃのブレードは最終的にブレードがねじれると同時にテーパーがかけられるよう、フラップがトリミングされている。

・第２騒音レベル：中低騒音要求基準が満たされなければならない場合、つまり、騒音レベルが約５ｄＢ（Ａ）低減されなければならない場合である。既知の解決手段によれば、この要求基準は、ブレード表面に働く力を低減及び分散させ、速度が４５ｍ／ｓまで落ちることによって生じる性能損失を補償するために翼弦幅を延ばすことで達成できる。一般的な翼弦の増加比は、第１騒音レベルファンに対して２．５倍になり得る。しかし、翼弦幅を延ばす必要性によってコストが大きく影響を受ける（増加する）ことは容易に想像できる。しかも、悪影響はコスト増加にとどまらない。実際、ブレード長全体にわたる翼弦幅の延伸は、ブレードの空気力学的性能にも何らかの悪影響を及ぼす。実際、空気力学の専門家にはよく知られているように、翼理論によれば、ブレードの幅／長さ比を増加させると空気力学的効率が低下する。

この条件のさらなる悪影響は、ソリディティ(solidity)と呼ばれる翼端全翼弦長／円周長比が、ファンの効率に悪影響を及ぼす値を呈していることである。さらに、ここで言及されているファンが、ピッチ角の調整が必要な大型ファンカテゴリーに属するということも忘れてはならない。つまり、低速時に典型的な、ピッチ角が非常に大きい状況において同ブレードを使用することは可能だが、前縁及び後縁における大きな翼端クリアランスにより、効率が減少し、騒音が増加してしまう。

１０ｍファンにおいて、翼弦を（第１騒音レベルファンに典型的な）０．６ｍから（第２騒音レベルファンに典型的な）１．４ｍへ増加させると、前縁及び後縁両方における翼端クリアランスが最大５．５倍まで増加することになる。つまり、この解決手段は結果としてコストを大きく増大させ、重大な効率損失をもたらすのである。さらに、低効率であるほど高出力のモーターが必要となり、モーターのコストの増加と共に速度比がより高くなるため、動力伝達装置のコストも大きく増加することになる。

図３ａ及び３ｂでは、第１及び第２騒音レベルのファンのソリディティが実際のケースでどのように異なるかを見ることができる。

・第３騒音レベル：一般に超低騒音範囲と呼ばれ、低騒音ファンよりさらに約４ｄＢ（Ａ）の騒音値の低減が求められる。このような騒音低減を達成するために現在使用されている方法によれば、気流の衝突によって発生する局所圧力の変動を低減し、騒音放射を離調させ、その上に蓄積する境界層を低減するため、翼端速度をさらに低下させ、翼端翼弦を延ばし、ブレードをファンの回転方向に対して前方に傾斜させる。

前述のブレードの前方傾斜を実現するために、実質的に３つの既知の方法がある。図４ａに示すように、立体的に（in the space）前縁を傾斜させる方法、図４ｂに示すように、平面内で前縁を傾斜させる方法、そして図４ｃに示すように、線に従って傾斜させる方法である（米国特許第８８５１８５１号にさらに開示）。

図示したように、すべての種類のブレード、特に図４ａに示すブレードは、翼端に非常に大きい翼弦を有する。

これらすべての従来の機構、特に１番目のものは、非常に複雑な形状を持つ。上記で開示したように、第２騒音レベルのブレードと比較して翼端翼弦が大きいと、さらなる効率低下につながる。しかし、これ以外にも効率が損なわれる重大な理由がある。それは、ブレードの形状が非常に大きい場合、その大きさはハブに向かって減少し、翼根におけるねじれの急激な増加により翼弦減少による損失を補償することができないため、効率の良い空力断面分布を得ることができないことである。

上記を鑑みるに、現在市場で利用可能な大型ファンの騒音低減のためのすべての機構及び方法には、エネルギー損失が非常に大きい、装置全体すなわち工場のコストが第２騒音レベルファンより３０％以上も高いなど、大変重大な欠点があると言える。

したがって、本発明の主な目的は、特に従来技術によって解決されていない欠点を克服することができる超低騒音大径軸流ファン用のブレードを提供することである。

この目的の範囲内で、本発明の目的は、特に同じ機能状況下において既知の超低騒音ファンと比較した場合でも空気力学的に高い効率を維持する、超低騒音ファン及びロータ用のブレードを提供することである。

また、本発明の別の目的は、特に同じ用途で知られるブレードに対して製造コストを削減できる、超低騒音大径軸流ファンあるいはロータ用のブレードを提供することである。

したがって、本発明は、ピッチ角ゼロでロータに取り付けた場合に回転面と平行な面にＶ字形の投影像を持つブレードを提供することで、従来のブレード及びファンの両方に影響を及ぼす欠点を効率良く解決、あるいは少なくとも劇的に低減することができるという考察に主に基づいている。

また、さらなる考察によれば、Ｖ字形ブレードは、ほぼ同じ長さあるいは異なる長さを有する（実施形態による）内側の第１ブレード部分と外側の第２ブレード部分とをブレードの前縁に鈍角を成すように結合することによって好適に得られる。

上記の考察及び従来のブレード及びファンに影響を及ぼす欠点の両方を考慮して、以下で開示するのは低騒音及び／又は高効率軸流ファン用ブレードであり、このブレードは、稼働状態においてファンの回転方向に対向するブレードの前縁(leading edge)である正面縁(front edge)及びブレードの後縁(tailing edge)である背面縁(rear edge)と、第１ブレード部分及び第２ブレード部分と、を含み、ファンの回転平面と平行な平面へのブレード翼形（blade profile）の投影像がＶ字形を成すように、第１及び第２ブレード部分が前縁上に鈍角Ｖを形成している。

開示のように、第１部分及び第２部分の結合部におけるブレードの後縁及び前縁に同じ角度Ｖが存在してもよい。

さらに開示のように、ピッチ調整軸がブレード翼根部及びブレード翼端部分(blade tip portion)を通過する点を結ぶ線Ｘ(line Ｘ)に対して、前縁側の頂点が一方側に位置し、翼根及び翼端における前縁は他方側に位置しても、頂点Ｖが翼根及び翼端における前縁と共に他方側に位置してもよい。

さらに開示のように、第１及び第２ブレード部分の長さは、ニーズ及び／又は環境によって、ほぼ同じ又は異なる。

さらに開示のように、鈍角Ｖは、９０°から１７０°の間の角度でよく、特に１００°から１２０°の間の角度でよい。

開示のように、第１部分及び第２部分が結合するブレードの部分において、鉛直方向面における第１及び第２部分の負圧面の間に、約１９５°の二面角が形成されている。

さらに開示のように、内側の第１部分は、直線状のブレードから始めて、この翼形の一部をピッチ調整軸がブレード翼根部と交差する位置を通る鉛直方向軸を中心に後方へ反時計回りに回転させることにより形成し、外側の第２部分は、ピッチ調整軸がブレード翼端部分と交差する位置を通る鉛直方向軸を中心にブレード翼形の一部を後方へ時計回りに回転させることにより得られる。

開示のように、ブレードすなわちその翼型(airfoil part)部分は、アルミニウム、鋼、プラスチック、あるいは他の好適材料を鋳造して形成した一体型ブレードでよい。

開示のように、第１ブレード部分及び第２ブレード部分は、前縁に丸みを帯びた角(rounded angle)を成してもよい。

また、開示のように、第１ブレード部分及び第２ブレード部分は、後縁に丸みを帯びた角を成してもよい。

また、開示のように、ブレード部分及び第２ブレード部分の一方または両方が、わずかに湾曲した前縁を有してもよい。

また、開示のように、第１ブレード部分及び第２ブレード部分が、わずかに湾曲した後縁を有してもよい。

さらに、超低騒音工業用軸流ファンが開示され、このファンは、上記実施形態の１つ以上に記載のブレードを備える。

特に、本発明の第１実施形態によれば、請求項１に記載のブレードが提供される。

本発明の他の実施形態は、従属項によって定義される。

以下、図面に示した本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は図示あるいは以下に開示される実施形態に限定されるものではない。

その図面において、
図１、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図３ａ、図３ｂ、図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図７ａ、及び図７ｂは従来の軸流ファン用ブレードアセンブリの種々の例を示す。より具体的には、下記の通りである。
周囲にリングを備えた従来の小径軸流ファンの斜視図である。 既知の大型ファンにおいて一般に使用される従来のブレードを示し、ねじり翼を示す。 既知の大型ファンにおいて一般に使用される従来のブレードを示し、テーパー翼を示す。 既知の大型ファンにおいて一般に使用される従来のブレードを示し、トリム翼を示す。 第１騒音レベルの従来の大径（１０メートル）ファンの例を示す。 第２騒音レベルの従来の大径（１０メートル）ファンの例を示す。 従来技術による超低騒音軸流ファン用ブレードの例を示す図であって、より具体的には、前縁が立体的に湾曲すると同時に傾斜しているブレードを示す。 従来技術による超低騒音軸流ファン用ブレードの例を示す図であって、より具体的には、前縁が平面内で傾斜しているブレードを示す。 従来技術による超低騒音軸流ファン用ブレードの例を示す図であって、より具体的には、前縁が直線に従って傾斜しているブレードを示す。 本発明の第１実施形態によるブレードの上（平）面図である。 本発明の一実施形態によるブレードを備えた超低騒音大径軸流ファンの上面模式図である。 後端及び、半径の３分の１の長さを外側まで延伸された前縁を持つ、従来技術による超低騒音軸流ファンの例を示す。 後縁及び、半径の３分の１の長さを外側まで延伸された前縁を持つ、従来技術による超低騒音軸流ファンの例を示す。 本発明の第２実施形態によるブレードの上（平）面図であり、このブレードはテーパーがかけられ、ねじれている。 従来のブレード及び本発明の一実施形態によるブレードの、翼端前縁における角度及び空気に対する相対速度の比較をそれぞれ示す。 従来のブレード及び本発明の一実施形態によるブレードの、翼端後縁における角度及び空気に対する相対速度の比較をそれぞれ示す。 本発明の一実施形態によるブレードの二次振動モードを模式的に示す。 二面角が可視化された本発明のブレードを示す。 本発明の別の実施形態によるブレードを示す。 本発明のさらに別の実施形態によるブレードを示す。

以下の説明から、本発明の主な課題はブレード、特に工業用超低騒音大径軸流ファン用ブレードを提供することであることが明らかになるであろう。このため、以下では、少なくとも同じ空力効率を維持しつつ、騒音低減を達成するための従来技術で既知である工業用ファンにも使用可能な工業用超低騒音大径軸流ファン用ブレードについて説明する。

図５において、符号１が本発明の一実施形態によるブレードである。ブレード１は、軸ロータ（図５に図示なし）にブレード１を固定するための翼根部１ｒを備える。具体的には、ブレードは図５に破線で示す軸Ｘ―Ｘに対して様々な配向角（ピッチ角）で軸流ファンに固定することができる。ファンの回転中、ロータは図に矢印で示すように時計回り方向に回転することになる。ここで、ファンの回転軸はロータの回転軸に相当する。図５において、回転軸は図の平面に対して垂直であり、回転軸に垂直な平面にブレードを投影したときに、その領域あるいは面が最大になる角度が最小ピッチ角である。ピッチ角が大きくなると、回転軸に垂直な平面（以下、「回転面」とも呼ぶ）に投影したブレードの像は、その領域あるいは面が小さくなる。図に示すように、最小ピッチ角、具体的にはピッチ角ゼロで配置されているブレード１では、回転面へのブレード１の投影像が翼幅に沿ってＶ字形を成している（図５参照）。具体的には、ブレード１は、回転軸の近傍に位置し、翼根部１ｒから延びる内側の第１部分１ａと、第１部分１ａとほぼ同じ長さを有し、第１部分１ａから延びる外側の第２部分１ｂを備える。第１部分１ａは軸Ｘ―Ｘに対して第１方向に延び（軸Ｘ―Ｘに対してある角度を成す）、第２部分１ｂは軸Ｘ―Ｘに対して第１方向とは異なる第２方向に延びている（軸Ｘ―Ｘに対して第１部分１ａが成す角とは別の角度を成す）。

また、ブレード１の回転方向（図５に矢印で示す）に対して、ブレード１は２つの縁部を備える。すなわち、前縁１ｌ（ブレード１の回転中に空気と衝突する）及び後縁１ｔ（前縁１ｌの反対側）である。

また、図に示すように、第１部分１ａ及び第２部分１ｂは互いに、鈍角Ｖ（９０°より大きく、１８０°未満）が前縁１ｌに規定され、さらに大きな角（１８０°より大きい）が後縁１ｔに規定されるように配置されている。

また、ブレード部分１ａ及びブレード部分１ｂの両方と交差している軸Ｘ―Ｘに対して、図に示すように、前縁１ｌによって規定される角度Ｖの頂点Ｖｖは軸Ｘ―Ｘの一方側に位置しており、前縁１ｌの互いに向かい合っている翼端（点Ｂ及び点Ｃ）は他方側に位置している。

以上が本発明の一実施形態によるブレードの他に類を見ない顕著な特徴であり、理想的には以下のような方法で実現することができる。例えば図３ａに示すようにほぼ直線状のブレードから始めて、翼根部１ｒに対して、具体的にはピッチ調整軸Ｘ―Ｘがブレードの翼根部１ｒと交差する位置を通る鉛直方向軸を中心に、ブレードを後方（図５において反時計回り）に回転させる（曲げる）ことにより、内側部分１ａが得られる。また、ブレードを第１部分１ａに対して、具体的にはピッチ調整軸Ｘ―Ｘがブレードの翼端部分と交差する位置を通る鉛直方向軸を中心に、後方（図５において時計回り）に回転させる（曲げる）ことにより、外側部分１ｂが得られる。

ブレード１は、騒音及び効率について非常に特殊な挙動を示す。

本発明者は、図５に示す前述のタイプのブレードを備えた１０フィート径軸流ファンに対して大規模な試験プログラムを実行し、角度Ｖを１７０°から９０°まで減少させたところ、角度Ｖの減少に伴い、ファンの騒音も低減することを発見した。具体的には、１２０°から１００°の間で、前述の従来の低騒音ファンの騒音レベル２及び３と同等あるいはそれ以上の騒音低減が得られた。しかも、驚くべきことに、騒音レベル１に属する一般的なブレードにおいては、効率が高いまま維持、あるいはより改善されるケースもあった。つまり、本発明は、ニーズ及び／又は環境によって、ファンの効率を上げるためだけに使用することもできる。

図１０に示すブレードにおいては、さらなる改善が得られた。このブレードは内側部分１ａ及び外側部分１ｂがその連結部において約１９２°の二面角を成す。具体的には、回転面に垂直な平面への前縁１ｌの投影像において、前縁の第１部分１ａ及び第２部分１ｂの投影像は異なる方向を向いている。

前述の試験に基づき、例として図１１（本発明の別の実施形態によるブレード１に関する）に示すように頂点Ｖｖ及び／又は点Ｂ及びＣが図５に示す位置からずれている場合でも、前述の設計が従来のブレードの設計と比較して根本的に有利であることに変わりはないことを実証した。

図１１に示すように、翼端側前縁点(tip leading edge point)Ｃは、翼根側前縁点(root leading edge point)Ｂに対して前方に移動している。

また、上記で開示した形状（設計）は、内側部分と外側部分のサイズ比が変わっても、その効果は変わらなかった。

前述の変更は、異なる種類のブレードを最適化するのに非常に有益である。また、このような変更は騒音及び効率に対して異なる形で働くため、騒音と効率のどちらを改善したいかによって、異なる解決手段を採用することができる。

本発明のブレードによって上記で開示した非常に驚くべき結果が得られた主な理由は、前述の形状及び／又は設計が、騒音発生要因及び効率低下要因のうち、１つだけでなくいくつもの要因に影響を及ぼしているという事実に関連している。これらの要因のうちのいくつかをここで言及する。前述の結果をもたらす要素が他にも存在するが、その重要性が未だ明らかでないためここでは言及しない。

ここでは、まず低騒音レベルが達成された主な理由を、次にファンの効率が維持あるいは改善された主な理由を基本的に説明する。また、本発明の別の利点、例えばコスト削減などに関する情報も提供する。

周知のように、風量の７０％以上がブレードの外側部分に関与している、つまりブレードの最も重要な部分は外側部分であることを考慮して、以下では図６、図７ａ、及び図７ｂを参照しつつ、本発明のブレード(図６)の外側部分と従来のブレード（図７ａ及び図７ｂ）の外側部分とを比較する。

本発明のブレードの設計は、従来技術のあらゆる種類の一般的なブレードに適用でき、その内側部分あるいは外側部分の組み合わせにも適用できる。当然ながら、最終的な騒音及び最終的な効率の値はどちらもどのような種類のブレードに本発明を適用するかにより大きく左右される。騒音低減と効率改善のどちらを選ぶかによって、ケースごとに最適化が必要となる。

ここでは、図２ｃに示す、実質的に後縁にトリムフラップを有する翼形からなる一般的な従来技術によるブレードを選択し、本発明により変更を行った。ただし、図２ｂに示すブレードに対しても簡単な試験を行い、本発明がいかなる種類のブレードにも適応可能であるという確証を得た。

ｃ型のブレードが本試験プログラムの対象に好適である理由は、試験対象の角度Ｖの大きさ及び点Ｖｖ、Ｂ及びＣの相対位置に関していくつもの選択肢があり、大量の異なるブレードが必要とされたからである。この種類のブレードは、素早く、簡易な方法で製造するのに理想的であると思われた。実際、このブレードは押出成形あるいは引出成形された翼形から形成することができ、異なる性能を得るためには異なる方法で切削、穴あけ、及び結合を行えばよいだけである。実際、この単純さにより、このブレードは好適な実施形態である。他の実施形態として、翼端の小翼や後縁の鋸歯など、発明した設計に対して特に効果的な従来のシステムを、このブレードに追加することが考えられる。

さらに好ましい実施形態として、ハブへの適切な取り付け部が考えられる。この取り付け部はこれまで長方形であるが、その理由はレーザー、プラズマ、酸素切削システムを使用して金属シートから任意の形状を切り出し、それからファン半径に対するブレードの最適位置を低コストで得ることができるためである。

このタイプのブレードにとっては、図９に示される二次振動モード取り付け部が理想的である。なぜなら、この取り付け部は負荷を低減するだけでなく、ブレードが長すぎなければブレード内に入り込んで外側翼形部分に届き、その延伸部分に直接外側部分を固定することができるためである。しかし、このような場合に２つのブレード部分を互いに固定することは非常に簡単であり、数多くの解決手段を利用することができる。

本発明の趣旨の範囲内において、小型及び中型のブレードとして、ブレード１は、本発明の形状が得られるように（予め準備した）内側部分１ａ及び外側部分１ｂを結合することによって、あるいは内側部分１ａ及び外側部分１ｂを一体型ブレードとして備えるブレード１をアルミニウム、鋼、あるいはプラスチック鋳造により形成することによって得ることができる。大型ブレードについては、通常の大型ブレードに実際に使用されている任意のファイバーグラス建造システムを使用することができる。

当然ながら、この建造システムは小型ブレードにも使用することができる。

ブレードの内側及び外側部分について異なる実施形態を組み合わせても、良い解決手段になり得る。

本発明のブレードによって達成される驚くべき成果は、騒音及び空力効率を検討すると十分に理解することができる。

以下、予想される通り、本発明のブレード（図６）を従来技術によるブレード（図７ａ及び図７ｂ）と比較する。

騒音レベルに関しては、以下を考慮しなければならない。

矢印で示す相対風速方向に対して翼端において前縁部分が形成する前進角（図８ａも参照）は、図６の低騒音ファンの前進角に相当し、図７ａ及び７ｂの前進角よりもはるかに大きいため、前進前縁ブレード技術(forward swept leading edge blade technique)に関連した騒音減衰から得られる利点を最大限に利用している。

相対風速方向に対して翼端において後縁が形成する前進角（図８ｂ）は、図７ａ及び７ｂに示すどちらの低騒音ファンの前進角よりも小さいため、前進後縁ブレード技術(forward swept leading edge blade technique)に関連した騒音減衰を最大限利用している。

前縁延伸部分は図７ａ及び７ｂの延伸部分よりも広く、１．０５倍から１．４６倍の範囲にあり、必須ではないが、望ましくは１．２倍である。したがって、従来技術よりも大きいことで騒音に関しては有利となる。

後縁延伸部分は従来技術よりもはるかに大きく、１．１倍から３倍の範囲にあり、必須ではないが、望ましくは１．５倍である。したがって、格段に大きいことで騒音に関しては有利となる。さらに、後縁の連続延伸部分により、後縁に適用して騒音放射を低減させるいくつかの既知の技術、例えば鋸歯システムを、より効率良く活用することができる。

翼弦がより小さくなるため、翼端における平均翼端クリアランスが非常に小さくなり、翼端渦に起因する騒音が低減される。

比較的小さなサイズの翼端翼弦には、騒音をさらに低減できることでよく知られる翼端小翼を標準で適用できる。翼端小翼は、ピッチ角が大きいと悪影響を及ぼすため、大型の翼弦ブレードには適用できない。

空力効率については、以下を考慮しなければならない。

前述の形状すなわち設計は、空気力学的に非常に効率の良い翼形状を翼幅方向に重ねる(stack)ことで実現される。

翼弦幅を変えずに翼幅を増加させて長さ／幅比を増加させ、空気力学の専門家にはよく知られているように、結果としてブレードの効率を向上させる。

騒音レベル１の通常のファンとしての効率を最大にするために、ブレードはねじるだけでなく、翼根から翼端へテーパーをかけてもよい。これとは逆に、従来技術によるファンブレードは翼端から翼根へテーパーがかけられており、ブレードの効率が低下している。

さらに、ブレードの翼型部分(blade airfoil sections)を入射気流に対して最適な方向に配置することにより、翼型部分周囲の空気循環、特に大部分の流れが通過するブレードの外側部分における空気循環を最適化する。

翼端小翼は効率を向上させるため、逆流を減らすことができる。

製造コストについては、以下を考慮するべきである。

半径方向幅にわたって翼弦幅の拡がりを減らすと、ファンブレードは既知の解決手段よりも軽くなり、結果として特に翼根において半径方向断面における屈曲や軸方向の負荷が低減される。

翼弦幅を特にブレードの外側部分において減少させると、翼根断面において慣性ねじりモーメントの減少につながる。

ブレードの効率向上は、同じ揚力での抗力の減少を意味し、特に翼根において、半径方向部分におけるせん断荷重が減少する。

ブレードの半径方向幅において、特に翼根断面において負荷が減少すると、それに耐える断面を小さく設計することができ、材料費を著しく削減できる。

以下、図１２を参照して、本発明のさらに別の実施形態によるブレードについて説明する。

図１２においても、符号１が本発明の本実施形態によるブレードを表す。この実施形態においても、ブレード１は軸ロータ（図１２に図示なし）にブレード１を固定するための翼根部１ｒを備え、ブレードは図１２に破線で示すＸ−Ｘ軸に対して種々の配向角（ピッチ角）で軸流ファンに固定可能である。ファンの回転中、ロータは図に矢印で示す時計回り方向に回転することになる。ここで、ファンの回転軸はロータの回転軸に相当する。図１２において、回転軸は図の平面に対して垂直であり、回転軸に垂直な平面にブレードを投影したときに、その領域あるいは面が最大になる角度が最小ピッチ角である。ピッチ角が大きくなると、回転軸に垂直な平面（以下、「回転面」とも呼ぶ）に投影したブレードの像は、その領域あるいは面が小さくなる。図に示すように、最小ピッチ角、具体的にはピッチ角ゼロで配置されているブレード１では、回転面へのブレード１の投影像が翼幅に沿ってＶ字形を成している（図１２参照）。具体的には、ブレード１は、回転軸（翼根部１ｒ）の近傍に位置し、翼根部１ｒから延びる内側の第１部分１ａと、第１部分１ａから延びる外側の第２部分１ｂを備える。第１部分１ａは軸Ｘ―Ｘに対して実質的に軸Ｘ―Ｘに平行な第１方向に延び、第２部分１ｂは軸Ｘ―Ｘに対して第１方向とは異なる第２方向に延びている（軸Ｘ―Ｘに対してある角度を成す）。

また、ブレード１の回転方向（図１２に矢印で示す）に対して、ブレード１は２つの縁部を備える。すなわち、前縁１ｌ（ブレード１の回転中に空気と衝突する）及び後縁１ｔ（前縁１ｌの反対側）である。

また、図に示すように、第１部分１ａ及び第２部分１ｂは互いに、前縁１ｌが鈍角度Ｖ（９０°より大きく、１８０°未満）を成し、後縁１ｔがさらに大きな角（１８０°より大きい）を成すように配置されている。

図５に示す実施形態と図１２に示す実施形態の主な相違は、明らかなように、図１２の実施形態では、図示のように、ブレード部分１ａ及びブレード部分１ｂの両方と交差している軸Ｘ―Ｘに対して、前縁１ｌによって規定される角度Ｖの頂点Ｖｖ及び前縁１ｌの互いに向かい合う翼端（点Ｂ及びＣ）が軸Ｘ―Ｘに対して同じ側に位置していることに関連している。

また、図５の実施形態とのさらなる相違は、図１２の実施形態においてはブレード部分１ａ及び１ｂの長さが異なっていることに関連する。

ただし、図１２の実施形態においても、ブレード部分１ａ及び１ｂの長さはほぼ同じであってもよい。同様に、予想される通り、図５の実施形態におけるブレード部分の長さが異なっていてもよい。

図面に示した本発明の実施態様を上記で説明することにより、本発明が従来技術による解決手段に作用している欠点を克服することができることを示してきた。

本発明を、図面に示した本発明の実施形態の説明により明らかにしてきたが、本発明は上記に開示し図面に示した実施形態に限定されるものではない。

例として、本発明の趣旨の範囲内で、既知の従来法から選択した別の方法によりブレードを製造してもよい。例えば、片方あるいは両方のブレード部分を押出及び／又はプレス及び／又は鋳造にて成形し、それらを溶接、ネジ止め、接着などで結合してもよい。

また、片方あるいは両方のブレードが中空でもそうでなくてもよい。

最後に、本発明の（各実施形態による）ブレードは、特に大径軸流ファンとの組み合わせで使用する形で開示されているが、本発明のブレードが適用可能なファンは大径軸流ファンに限定されず、任意のサイズ及び／又は径のファンを含むことに留意されたい。

また、本発明のブレードは、ヘリコプター及び／又は飛行機等のファンなど、冷却以外の目的で備えられるファンと組み合わせて使用してもよい。

本発明の範囲は、より正確には添付の請求項により定義される。

米国特許第８８５１８５１号明細書（ＵＳ８８５１８５１Ｂ２）

Claims (13)

1. 大径および調整可能なピッチ角を持つ超低騒音工業用の軸流ファンであって、前記軸流ファンはブレード（１）を備え、前記ブレード（１）は、
   稼働状態において前記ファンの回転方向に対向する前記ブレード（１）の前縁（１ｌ）である正面縁及び前記ブレード（１）の後縁（１ｔ）である背面縁と、
   前記ブレード（１）を前記ファンのロータに固定するための翼根部（１ｒ）、前記翼根部から延びる第１ブレード部分（１ａ）、及び前記第１ブレード部分（１ａ）から延びる第２ブレード部分（１ｂ）と、を含み、
   前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分及び前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記後縁（１ｔ）部分の両方を含む平面への前記ブレードの投影像がＶ字形を成すように、前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分及び前記第２ブレード部分（１ｂ）によって規定される前記前縁部分が直線状であり、異なる方向へ延びて、その間に鈍角（Ｖ）を形成している、軸流ファン。
2. 前記ブレード（１）において、前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分及び前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記後縁（１ｔ）部分の両方を含む平面への前記ブレードの前記投影像がＶ字形を成すように、前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記後縁（１ｔ）部分及び前記第２ブレード部分（１ｂ）によって規定される前記後縁（１ｔ）部分が異なる方向へ延びており、その間に鈍角（Ｖ）を形成していることを特徴とする請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記翼根部（１ｒ）はピッチ調整軸Ｘ―Ｘを規定するように形成され、
   前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分及び前記第２ブレード部分（１ｂ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分によって規定される角度の頂点（Ｖｖ）が、前記ピッチ調整軸Ｘ―Ｘに対して一方側に位置し、前記前縁の向かい合う翼端（Ｂ及びＣ）は他方側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の軸流ファン。
4. 前記翼根部（１ｒ）はピッチ調整軸Ｘ―Ｘを定義するように形成され、
   前記第１ブレード部分（１ａ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分及び前記第２ブレード部分（１ｂ）によって規定される前記前縁（１ｌ）部分によって規定される角度の頂点（Ｖｖ）が、前記前縁の向かい合う翼端（Ｂ及びＣ）と共に前記ピッチ調整軸Ｘ―Ｘに対して一方側に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸流ファン。
5. 前記鈍角（Ｖ）は９０°から１７０°の間の角度である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の軸流ファン。
6. 前記鈍角（Ｖ）は１００°から１２０°の間の角度である、請求項５に記載の軸流ファン。
7. 前記第１ブレード部分（１ａ）及び前記第２ブレード部分（１ｂ）が結合する前記ブレードの部分において、鉛直方向平面における前記第１ブレード部分（１ａ）及び前記第２ブレード部分（１ｂ）の負圧面の間の二面角が約１９５°である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の軸流ファン。
8. 前記ブレード（１）において、内側の前記第１ブレード部分（１ａ）が、直線状のブレードから始めて、ブレード翼形の一部をピッチ調整軸が前記ブレードの前記翼根部と交差する位置を通る鉛直方向軸を中心に後方へ反時計回りに回転させることにより得られ、外側の前記第２ブレード部分（１ｂ）は、前記ブレード翼形の一部を前記ピッチ調整軸が前記ブレードの翼端部分と交差する位置を通る鉛直方向軸を中心に後方へ時計回りに回転させることにより得られる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸流ファン。
9. 前記ブレードあるいはその翼形部分は、アルミニウム、鋼、プラスチック、あるいは他の好適な材料を鋳造して形成した一体型ブレードである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸流ファン。
10. 前記第１ブレード部分（１ａ）及び前記第２ブレード部分（１ｂ）が、前記前縁に丸みを帯びた角（Ｖ）を成す、請求項１〜９のいずれか１項に記載の軸流ファン。
11. 前記第１ブレード部分（１ａ）及び前記第２ブレード部分（１ｂ）が、前記後縁に丸みを帯びた角（Ｖ）を成す、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の軸流ファン。
12. 前記第１ブレード部分（１ａ）及び前記第２ブレード部分（１ｂ）が、わずかに湾曲した後縁を有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の軸流ファン。
13. 前記ブレード（１）は前記ブレード（１）の翼端に小翼を備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の軸流ファン。

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