JP6928434B2 - 軸流ファン装置 - Google Patents

Description

この発明は、軸流ファン装置に関し、特に、インペラの外周部の全体を囲む風洞部が設けられていない軸流ファン装置に関する。

ファン装置は、送風機として、家電機器、ＯＡ機器、産業機器の冷却、換気、空調や、車両用の空調、送風の用途に広く用いられている。例えば、ファン装置は、電子機器のＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の発熱部品に取り付けられて、ヒートシンクの冷却機能を向上させるのに用いられる。

下記特許文献１には、冷却ファンであって、省スペース化及び軽量化を図るため、インペラを包囲しているケーシング部が除去された構造を有するものが記載されている。

なお、下記特許文献２には、ファンにヒートシンクが取り付けられて構成されているヒートシンク付きファンモータの構造が記載されている。

また、下記特許文献３には、車両に搭載される灯具において、発光素子の発熱を放熱するために、ヒートシンクと送風装置であるファンを備えた放熱ユニットを用いた構造が記載されている。ファンは、ヒートシンクに設けられた収容部に収容されている。

特開２００１−３０４１８８号公報 特開２００２−１５９１５５号公報 特開２０１４−０５６７９２号公報

ところで、特許文献１に示されるような冷却ファンにおいては、インペラの中央部に、複数のスポーク部が形成された円形のモータ取付部が設けられている。このようなスポーク部の幅寸法が大きいと、冷却ファンを駆動させたときの通風抵抗への影響が大きくなり、冷却ファンの風量特性が悪くなる。冷却ファンの特性を高くするためには、スポーク部の幅寸法を小さく設定する必要がある。そのため、スポーク部の強度は低くなりがちであり、例えば冷却ファンを機器等に取り付ける作業時などに、スポーク部が破損する可能性が高くなる。

このような問題点に関する解決策は、引用文献２，３には開示されていない。

この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、インペラ及びモータを支持する構造の強度が高く、かつ、風量特性が良好な軸流ファン装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、軸流ファン装置は、モータベース部と、モータベース部に装着されて、回転軸方向の一方側に配置されるモータと、略円筒状のハブと、ハブの外周面に取り付けられた複数の羽根を有し、モータにより回転するように配置されたインペラと、回転軸方向から見てインペラの周囲を囲むように形成された環状の内周壁を有するフレームと、モータベース部とフレームとを接続する複数のスポーク部とを備え、スポーク部の側が空気の吸い込み口で、インペラの側が空気の吐き出し口であり、回転軸方向に垂直な方向から見て、羽根の回転軸方向の他方側の端部は、ハブよりも回転軸方向の他方側に突出して内周壁の内部に入り込んでおり、かつ、羽根の回転軸方向の長さの半分以上の部分は露出しており、モータはロータヨークを含み、ロータヨークの回転軸方向の一方側の面には樹脂がなく、ロータヨークは回転軸方向の一方側に露出し、内周壁の回転軸方向の一方側の端部に対する、羽根の回転軸方向の他方側の端部の回転軸方向の変位量Ｘを、フレームの回転軸方向の寸法Ｌで除した値Ｘ／Ｌは、０．３５以上０．５５以下であり、羽根の回転軸方向の他方側の端部は、スポーク部に接触する位置よりも回転軸方向の一方側にある。

これらの発明に従うと、インペラ及びモータを支持する構造の強度が高く、かつ、風量特性が良好な軸流ファン装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の１つにおけるファン装置を示す斜視図である。 ファン装置を上面側から見た図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 ファン装置を下面側から見た図である。 ファン装置の側面図である。 フレームと羽根との位置関係について示すグラフである。 ファン装置のＰ−Ｑ特性を測定した結果を示すグラフである。 ファン装置のＰ−Ｑ特性を測定した結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態におけるファン装置について説明する。

ファン装置は、例えば、回転軸を中心に回転するインペラと、インペラと回転軸に並ぶように配置されているモータとを有する軸流ファンである。ファン装置は、インペラの側周部を全周にわたって囲むような風洞部は有していないものであり、モータを支持するモータベース部が周囲のフレームに複数のスポーク部を介して接合された板状の支持構造を有している。ファン装置は、支持構造が他の装置の筐体等に取り付けられて、その装置において送風等の用途に用いられるものである。

以下の説明において、回転軸周りの方向を周方向ということがあり、回転軸に近づいたり離れたりする方向を径方向ということがある。また、回転軸方向を上下方向ということがある。なお、ここで上下とはファン装置それ自体にのみ着目した表現であり、他の装置に取り付けられた状態のファン装置の姿勢についていうものではない。

［実施の形態］

図１は、本発明の実施の形態の１つにおけるファン装置１を示す斜視図である。図２は、ファン装置１を上面側から見た図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、ファン装置１を下面側から見た図である。図５は、ファン装置１の側面図である。

説明の効率化のため、図２においては、支持部材２のスポーク部１０の図示は省略されている。図４においては、インペラ３の図示は省略されている。

図１に示されるように、ファン装置１は、軸流ファンである。ファン装置１は、モータ１００と、支持部材２と、インペラ３とを有している。

インペラ３は、ハブ４と、複数の羽根５とを有している。ハブ４は、略円筒状である。ハブ４は、モータ１００に接続されている。複数の羽根５のそれぞれは、ハブ４の外周面に取り付けられている。ハブ４と羽根５とは、樹脂の射出成型にて一体成形される。なお、これに限られず、各部の全部や一部が、他の部位とは別々に成形されているものであってもよい。また、樹脂製でなく、他の素材を用いて構成されていてもよい。羽根５の枚数は、例えば９枚であるが、これに限られるものではない。

ファン装置１は、例えば、モータ１００によりインペラ３を回転させて、空気等の気体を下から上へ流すことができるように構成されている。なお、気体を上から下に流すように構成されていてもよい。

図２に示されるように、羽根５は、周方向に略等しい間隔（４０度）で並んでいる。複数の羽根５は、互いに同じ形状である。

支持部材２は、フレーム９と、モータベース部６と、２箇所の取付部７，８と、スポーク部１０（１０ａから１０ｄ）とを有している。

フレーム９と、モータベース部６と、取付部７，８と、スポーク部１０とは、樹脂の射出成型にて一体成形されて構成された、一体成形品である。なお、これに限られず、各部の全部や一部が、他の部位とは別々に成形されているものであってもよい。また、樹脂製でなく、他の素材を用いて構成されていてもよい。

支持部材２は、全体として、板状に形成されている。本実施の形態において、支持部材２の各部の上下方向の寸法（厚み）は、フレーム９の厚みと同じか、それより薄くなるように構成されている。支持部材２は、板状の樹脂板から削り出されることにより形成されていてもよい。

図４に示されるように、モータベース部６は、４本のスポーク部１０を有している。各スポーク部１０は、一方端がモータベース部６と接合し、他方端がフレーム９に接合するように、径方向が長手方向となるようにして配置されている。スポーク部１０は、フレーム９とモータベース部６とを接続することにより、フレーム９に対して、モータベース６を支持している。

図２に示されるように、フレーム９は、上面視では、インペラ３の側周部を全周にわたって囲む（囲繞する）ように、円環状に形成されている。すなわち、フレーム９は、回転軸方向から見てインペラ３の周囲を囲む、環状の内周壁９ａを有している。フレーム９は、ほとんどの部分がインペラ３の下方に位置しているため、実際には、図５に示されるように、インペラ３の側周部の上下方向中央部辺りは、フレーム９により囲まれていることはなく、側方（回転軸に対して垂直な方向）から見て露出している（径方向に露出している）。

図４に示されるように、環状のフレーム９の外側において、相対向する位置のそれぞれに、取付部７，８が形成されている。取付部７，８は、フレーム９から部分的に径方向に突出する、耳状の部位である。各取付部７，８のそれぞれには、貫通孔７ａ，８ａが形成されている。取付部７，８は、ファン装置１を機器の筺体や、ヒートシンクに取り付けるためのものである。すなわち、貫通孔７ａ，８ａにボルトやねじを差し込んで通し、締結することにより、取付部７，８を機器の筐体等に固定できる。

なお、４本のスポーク部１０のうち、１つのスポーク部１０ｄには、スポーク部１０ｄに沿うようにリード線２５が配線されている。リード線２５は、モータ１００に電力を供給するためのものである。

図４に示されるように、環状のフレーム９とスポーク部１０とは、回転軸方向から見て（下方から見て）、各取付部７，８に形成された貫通孔７ａ，８ａの中心を通る線Ｂを対称軸として、略線対称となる形状を有している。なお、リード線２５が配線されるスポーク部１０ｄのみ、他のスポーク部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとは形状が異なっている。

リード線２５は、後述するモータ１００の回路基板２０の端子部に電気的に接続されている。リード線２５には、チューブ２６が被せられて保護されている。リード線２５は、環状のフレーム９と一体成形にて形成されたフック２７に掛けられて、ファン装置１の外部に引き出されている。

モータ１００は、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータである。図３に示されるように、モータ１００は、モータベース部６に装着されている。モータ１００は、ロータ１２と、ステータ部１０２とを有している。

ステータ部１０２は、ベアリングホルダ１６と、軸受２１，２２と、ステータ１１とを有している。ステータ１１は、ステータコア１７と、インシュレータ１８（上側インシュレータ１８ａ、下側インシュレータ１８ｂ）と、コイル１９とを有している。

ベアリングホルダ１６は、モータベース部６の中央に上方に突出するように形成された突出部６ｂの開口にはめられた状態で、モータベース部６に固定されている。ステータ１１は、ベアリングホルダ１６の外周面に取り付けられている。

ステータ１１は、ベアリングホルダ１６の外周にはめられた状態で装着されたステータコア１７と、ステータコア１７に上方から装着された上側インシュレータ１８ａと、ステータコア１７に下方から装着された下側インシュレータ１８ｂと、コイル１９とを有している。

ステータコア１７は、環状のヨーク部から径外方に延在する複数の突極を有したコアを所定枚数、軸方向に積層して構成されている。ステータコア１７に上側インシュレータ１８ａと下側インシュレータ１８ｂからなるインシュレータ１８が装着されている。コイル１９は、ステータコア１７の突極のそれぞれに、インシュレータ１８を介して巻かれた状態で、取り付けられている。

なお、下側インシュレータ１８ｂの下側で、ベアリングホルダ１６の外周部には、電子部品が実装された回路基板２０が装着されている。回路基板２０は、リード線２５に接続されている。

ロータ１２は、ロータヨーク１３と、マグネット１４と、シャフト１５とを有している。

ロータヨーク１３は、例えば鉄等の軟磁性材からなる、下方に開口するカップ状の部材である。マグネット１４は、リング状である。マグネット１４は、ロータヨーク１３の内周面に固着されている。シャフト１５は、例えば鉄製である。シャフト１５は、ロータヨーク１３の上面に、下方に突出するように取り付けられている。シャフト１５は、ロータヨーク１３の中央に形成された突出部１３ｂにシャフト１５の上方の端部が圧入された状態で、ロータヨーク１３に結合されている。ロータヨーク１３の突出部１３ｂは、絞り加工により形成されている。

インペラ３のハブ４は、ロータヨーク１３の外周面に固定されている。例えば、接着剤を用いて接着されている。なお、ロータヨーク１３をインサート成形して、ロータヨーク１３を含むインペラ３を製造するようにしてもよい。

なお、ロータヨーク１３の上面（天面）には樹脂がないので、金属製のロータヨーク１３が上方に露出する。これにより、ファン装置１の上下方向（軸方向）の高さは、ハブ４の樹脂分だけ小さくし、ファン装置１を薄型化できる。また、ロータヨーク１３が露出していることによって、モータ１００の内部の熱がロータヨーク１３から外部に放熱されやすくなり、安定した動作が期待できるようになる。

図３に示されるように、本実施の形態において、各羽根５の一部（下方の端部部分）は、フレーム９の内側に収容されて（フレーム９の内周壁９ａの内側に収容されて）、側面視でフレーム９によって隠されるように構成されている。換言すると、フレーム９の上下方向の寸法Ｌは、羽根５の下方の端部がフレーム９の中に収容される程度の大きさに設定されている。

上述の通り、ファン装置１は、インペラ３の上下方向の長さ全体にわたって、周囲を周方向に囲むような風洞部は備えていないものである。換言すると、ファン装置１において、インペラ３は、その下方の端部の一部の部分のみが側面視でフレーム９に隠れているだけで、インペラ３の上下方向の長さの半分以上の部分は、側面視で、径方向に露出している。すなわち、スポーク部１０の上下方向の寸法を大きくすることができるので、下方から見たスポーク部１０の幅寸法を小さくしても、高い剛性及び強度が確保される。スポーク部１０の幅寸法が同じ条件下であれば、より高い剛性及び強度を有する。したがって、インペラ３とモータ１００とを支持する支持部材２を、より高強度で壊れにくいものにすることができる。スポーク部１０は、インペラ３外径よりも大径のフレーム９に接続されているので、例えば上述の特許文献1に記載されているようなスポーク部のみを有するものと比較して、スポーク部１０の剛性や強度を向上させることができる。

［ファン装置１の風量特性（Ｐ−Ｑ特性）について］

上述のような環状のフレーム９と、インペラ３の羽根５との位置関係について調べた。具体的には、羽根５の下方の端部と、環状のフレーム９の上方の端部（すなわち内周壁９ａの上方の端部）とが接する位置をゼロとしたとき、羽根５の下方の端部が環状のフレーム９の上方の端部よりも下方（環状のフレーム９の中に入り込む位置）にある場合をプラス、羽根５の下方の端部が環状のフレーム９の上方の端部よりも上方（環状のフレーム９から突出した位置）にある場合をマイナスとして、その変位量Ｘ（ミリメートル）を、フレーム寸法Ｌ（ミリメートル）に対する比率Ｘ／Ｌで表している。スポーク部１０の寸法は、Ｙ（ミリメートル）で表している。図３において、変位量Ｘ、フレーム寸法Ｌ、スポーク部１０の厚み寸法Ｙが示されている。

インペラ３を正回転させる場合において、羽根５の下方の端部の位置におけるファン装置１の最大静圧（Ｐａ）と、最大風量（立方メートル毎分）とを測定した。また、それぞれの位置における風量特性（Ｐ−Ｑ特性）を測定した。

図６は、フレーム９と羽根５との位置関係について示すグラフである。

図６は、フレーム９と羽根５との位置関係について示すグラフである。

図６においては、それぞれの位置（Ｘ／Ｌが−０．３１，−０．０７，０．３５，０．４５，０．５５の各位置）における特性の測定結果が示されている。横軸は、羽根５の下方の端部の位置（Ｘ／Ｌ）を表している。なお、インペラ３の正回転は、スポーク部１０側が吸い込み口となり、インペラ３側が吐き出し口となる方向の回転である。

図６から、羽根５の下方の端部が環状のフレーム９の上方の端部から下方（中に入り込む位置）に入り込むに従って、最大風量（凡例：■）が増加し、Ｘ／Ｌが約０．３５を境に大きく増加する傾向を示す。また、同様に最大静圧（凡例：○）も増加するが、Ｘ／Ｌが約０．３５から０．５５の範囲でピークを示し、Ｘ／Ｌが約０．４５の位置で最大値を示す。このため、羽根５の下端が環状のフレーム９の上方の端部から下方（中に入り込む位置）に入り込む位置は、約０．３５から約０．５５の範囲が好適な位置になり、位置の上限は、スポーク部１０に接触する位置となる。したがって、上限は、（Ｌ−Ｙ）未満である。

図７及び図８は、ファン装置１のＰ−Ｑ特性を測定した結果を示すグラフである。

図７及び図８においては、図６で示した５通りのＸ／Ｌの位置のそれぞれにおけるファン装置のＰ−Ｑ特性を測定した結果が示されている。図７においては、Ｘ／Ｌが、約−０．３１の場合、約−０．０７の場合、及び約０．３５の場合におけるＰ−Ｑ特性が示されている。図８においては、Ｘ／Ｌが、約０．３５の場合、約０．４５の場合、約０．５５の場合におけるＰ−Ｑ特性が示されている。

図７及び図８からも明らかなように、羽根５の下方の端部が環状のフレーム９の上方の端部から下方（中に入り込む位置）に入るほど、Ｐ−Ｑ特性が改善され、Ｘ／Ｌが約０．４５である場合と約０．５５である場合とでは、特に、中域で静圧特性が低下する傾向が改善されている。

［その他］

支持部材の形状は、上述のものに限られない。例えば、取付部は２つに限られず、より多く設けられていてもよいし、１つのみが設けられていてもよい。

モータは、インナーロータ型のものであってもよい。

上記実施の形態は、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及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。

１ ファン装置
２ 支持部材
３ インペラ
４ ハブ
５ 羽根
６ モータベース部
９ フレーム
９ｂ 内周壁
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ スポーク部
１５ シャフト
１００ モータ

Claims (1)

1. モータベース部と、
   前記モータベース部に装着されて、回転軸方向の一方側に配置されるモータと、
   略円筒状のハブと、前記ハブの外周面に取り付けられた複数の羽根を有し、前記モータにより回転するように配置されたインペラと、
   回転軸方向から見て前記インペラの周囲を囲むように形成された環状の内周壁を有するフレームと、
   前記モータベース部と前記フレームとを接続する複数のスポーク部とを備え、
   前記スポーク部の側が空気の吸い込み口で、前記インペラの側が空気の吐き出し口であり、
   回転軸方向に垂直な方向から見て、前記羽根の回転軸方向の他方側の端部は、前記ハブよりも回転軸方向の他方側に突出して前記内周壁の内部に入り込んでおり、かつ、前記羽根の回転軸方向の長さの半分以上の部分は露出しており、
   前記モータはロータヨークを含み、前記ロータヨークの回転軸方向の一方側の面には樹脂がなく、前記ロータヨークは回転軸方向の一方側に露出し、
   前記内周壁の回転軸方向の一方側の端部に対する、前記羽根の回転軸方向の他方側の端部の回転軸方向の変位量Ｘを、前記フレームの回転軸方向の寸法Ｌで除した値Ｘ／Ｌは、０．３５以上０．５５以下であり、
   前記羽根の回転軸方向の他方側の端部は、前記スポーク部に接触する位置よりも回転軸方向の一方側にある、軸流ファン装置。

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