JP7062684B2 - 遠心ファンおよび回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、冷却性能の向上を図る遠心ファン、および遠心ファンを備えた回転電機に関する。

遠心ファンは、空気をはじめとする気体、あるいは冷媒のような液体を輸送する目的で使用されている。例えば、特許文献１の遠心ファンでは、円周方向に複数配置される羽根と、羽根の軸方向の一端に設けられた円盤状あるいはお椀状のハブとを備えている。

また、円周方向に複数配置される羽根のハブとは反対の端に、円環状のシュラウドを備えている遠心ファンも存在する。従来、このような遠心ファンにおいては、各羽根の前縁で発生する剥離を抑制することで、高効率化と低騒音化を図っている（例えば、特許文献１～３参照）。

特開２０１４－２０２１９８号公報 特開平２－７０９９７号公報 特開平９－２０１００９号公報

しかしながら、従来技術には以下のような問題がある。
特許文献１および特許文献２に記載された遠心ファンの構造は、羽根の前縁部で発生する騒音が低減されるため、低騒音効果はある。その一方でこれらの遠心ファンは、同時に流量が低下してしまうという問題があった。

また、特許文献３に記載された遠心ファンは、羽根前縁の吸込み部分を丸くする構造を有することで騒音源を小さくしている。しかしながら、特許文献３の遠心ファンは、低騒音化の効果としては小さいという問題があった。

さらに、特許文献１から３のいずれの遠心ファンも、回転軸方向の流量を増加させる効果はないという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされるもので、低騒音化と冷却性能の向上の両立を図ることのできる遠心ファンおよび回転電機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る遠心ファンは、中央部に回転軸穴を有する主板と、主板に設けられた複数の翼と、複数の翼のそれぞれに設けられた複数の羽根とを備える遠心ファンであって、複数の羽根のそれぞれにおいて、遠心ファンの回転軸側の端面を前縁部と規定し、羽根の前縁部において、前縁部における羽根の形状が、遠心ファンの円周方向と成す角度を入口設置角度と規定した際に、羽根は、遠心ファンの回転軸方向の高さに応じて入口設置角度が変化するように形成されており、かつ、羽根の主板側と吸込み側との間において、入口設置角度が最大となる極値を有するように形成され、主板側の入口設置角度が極値よりも小さくなるように形成されることで、主板に設けた切り欠き部を通過して回転軸方向に流れる流量を増加させ、複数の羽根のそれぞれは、前縁部において、遠心ファンの回転中心軸と主板側の前縁部とを結ぶ直線と、回転中心軸と吸込み側の前縁部と結ぶ直線とが成す角度を回転角度ζと規定した際に、０°≦ζ≦７°となるように形成されているものである。

本発明に係る遠心ファンによれば、羽根前縁部の騒音源を小さくするとともに、回転軸方向へ流れる流量を増加させ、冷却性能を高める構造を備えている。この結果、低騒音化と冷却性能の向上の両立を図ることのできる遠心ファンを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る遠心ファンを示す全体図である。 図１における遠心ファンを回転軸の垂直方向から見た断面図である。 図２における遠心ファンの入口設置角を説明する図である。 羽根の回転軸方向の高さと入口設置角度との対応関係を示すグラフである。 遠心ファンの主板側の前縁位置に対し、吸込み側の前縁位置の回転角度を説明する図である。 遠心ファンにおける吸い込み流量と羽根の回転角度の関係を示すグラフである。 遠心ファンにおける羽根形状を示した図である。 本発明の遠心ファンを回転電機へ適用した説明した図である。 本発明の実施の形態２に係る遠心ファンの羽根の説明図である。

以下、本発明の遠心ファンの実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る遠心ファン１の構成図である。遠心ファン１は、主板３と複数の羽根２とを備えている。主板３は、板状の形状であって、その中央に回転軸穴５が設けられている。主板３の回転軸穴５は、中心がお椀状に膨らんでいるような形状でもよい。また、主板３は、中央に回転させるためのシャフトを通すための穴を設けた形状でもよい。また、主板３は、強度面から、リブのような突起を設けた形状であってもよい。

主板３の周方向には、間隔をおいて複数の翼４が放射状に設けられている。隣接する翼４の間には、切り欠きが設けられている。翼４には、回転軸方向に羽根２が設けられている。図１における矢印は、回転軸穴４を中心として、遠心ファンが回転する方向を示している。

羽根２において、回転軸側が羽根の前縁２ａ、羽根２の外縁部が羽根の後縁２ｂとする。羽根の前縁２ａは、遠心ファン１の回転方向に傾斜するように設けられている。すなわち、羽根２は、前縁２ａが主板３および翼４から離れるにつれて、遠心ファン１の回転方向に、次第にはやく回転することになる。

また、羽根前縁２ａと回転軸を中心として前縁を通る円の円周方向とが成す角度を小さくすることで、羽根前縁での流れの衝突がなくなり、羽根で発生する騒音を小さくしつつ、羽根２の負圧面に生じる負圧をより小さくできる。さらに、主板３に切り欠きを設けることにより、回転軸方向へ流れる流量を増加させることができる。
この結果、図１に示した遠心ファンの構造により、流量を増加させることができる。

さらに、図２～図５を用いて、遠心ファン１の詳細について説明する。図２は、図１における遠心ファンを回転軸の垂直方向から見た断面図である。図３は、遠心ファンの入口設置角を説明する図である。図４は、遠心ファンの羽根の回転軸方向の高さと、入口設置角度との対応関係を示すグラフである。図５は、遠心ファンの主板側の前縁位置に対し、吸込み側の前縁位置の回転角度を説明する図である。

なお、説明における羽根高さとは、遠心ファン１の回転軸方向に垂直な断面における羽根の高さをいうものとする。

図２に示した羽根２において、紙面の上方向側が遠心ファン１の吸込み側であり、紙面の下方向側が主板３側である。羽根２の高さ方向に、遠心ファンの吸込み側から羽根高さＡ、Ｂ、Ｃの位置における断面を、それぞれ断面Ａ、断面Ｂ及び断面Ｃとする。

図３の点線は、主板３における、切り欠きの根元部分での円周を表している。図３に示されるように、Ａ、Ｂ、Ｃの各高さでの断面内における羽根２の形状が、円周方向と成す角度を、それぞれ入口設置角度θ_A、入口設置角度θ_B、入口設置角度θ_Cと設定する。

図４には、羽根２の回転軸方向の高さと、入口設置角度との対応関係が示されている。縦軸は、羽根２の回転軸方向の高さを、羽根最大高さに対する比として表している。また、横軸は、入口設置角度θ［°］を表している。また、実線は、本願発明における対応関係を示しており、破線は、先行技術における対応関係を示している。

本願発明では、入口設置角度θ_A、θ_B、θ_Cの間には、θ_A＜θ_B、θ_C＜θ_Bの関係が成り立っている。入口設置角度θ_Bが最大になる断面Ｂの高さは、主板３から最大羽根高さの略２／３の高さまでの範囲内に設けることが望ましい。また、入口設置角度θ_Aおよび入口設置角度θ_Bについては、－１０≦θ_A≦３０、２０≦θ_B≦７０の範囲に設定することが望ましく、θ_Cはθ_B未満の任意の角度でよい。

上記のように、主板３側の入口設置角度を小さくすることにより、羽根２に対して円周方向に流れる流量を低減させることができる。この結果、遠心ファン１の吸い込み側から主板３方向へ通過する流れと、円周方向の流れとの衝突が少なくなり、回転軸方向の流量を増加させることできる。
実験の結果、本件の羽根２は、このような前縁形状を有することにより、先行技術である羽根２と比較して、流量が略１０％増加し、騒音値は、オーバーオール値で約０．３ｄＢ低減することができた。

本実施の形態１では、複数の羽根２において、入口設置角度θ_A、θ_B、θ_Cのそれぞれが、全ての羽根で同一である場合について説明した。しかしながら、全ての羽根で同一の値を採用するのではなく、それぞれの羽根ごとに、θ_A＜θ_B、θ_C＜θ_Bの関係が成立するようにして、個別の値を採用することも可能である。さらに、断面Ｂにおける入口設置角度θ_Bが最も大きくなるが、高さＢは、それぞれの羽根２ごとに異なっていてもよい。

上記のように、図４に示したように、羽根２の高さ方向に応じて、入口設置角度を変えることにより、遠心ファン１の風量を低減させることなく、遠心ファン１によって発生する回転騒音を変調させ、低騒音化させることができる。すなわち、本発明の遠心ファンは、低騒音化を図った上で、回転軸方向の流量を増加させる効果を実現できる。

図４に示されるように、羽根２の入口設置角度は、羽根２の高さ方向において、主板３側から吸込み側に少なくとも１回大きくなり、少なくとも１回小さくなるように設計されている。すなわち、入口設置角度は、羽根２の高さ方向において、ある高さＢにおいて１つの極値を有している。

図４では、羽根２の前縁の入口設置角度が主板側のＣ位置からＢ位置にかけて１回大きくなり、Ｂ位置から吸込み側のＡ位置にかけて１回小さくなり、Ｂ位置において入口設置角度に１つの極値を有している。ここで、Ｂ位置は、羽根最大高さに対する比が、０．４～０．５となっている。

なお、羽根２の前縁の入口設置角度は、大きくなり、その後小さくなるということを複数回繰り返すように、複数の極値を有してもよい。

図５は、遠心ファンの吸込み側の前縁位置の回転角度を説明する図である。羽根２の前縁の回転中心軸からの半径は、略等しく、遠心ファン１の回転中心をＯとして、主板３側の前縁と吸込み側の前縁のなす角を回転角度ζ［°］と設定する。主板３側の前縁に対して、吸込み側の前縁が回転方向にζ°回転してもよい。

図６は、遠心ファン１における流量と羽根の回転角度ζの関係を示すグラフである。縦軸が吸い込み流量の増減［％］を示しており、横軸が羽根の回転角度ζ［°］を示している。回転角度ζ［°］は、０°≦ζ≦１０°の範囲内において、小さくなると遠心ファンの吸い込み流量は増加し、大きくなると、遠心ファンの吸い込み流量は減少している。

回転角度ζを特に約７°以下とすることによって、遠心ファン１から発生する騒音を低減し、しかも吸い込み流量を増加させることができる
また、羽根２の前縁については、円弧状に丸みを設けてもよい。

羽根２の断面形状は、図２に示される羽根２の回転軸方向の断面Ａ、Ｂ、Ｃにおいては、それぞれ異なっていた。これに対して、図７を用いて、別の羽根形状について説明する。

図７は、遠心ファン１における羽根形状を示した図である。羽根２の前縁位置をＤ、羽根２の後縁位置をＦとする。さらに、羽根２の前縁位置Ｄと後縁位置Ｆとの間にある任意の位置をＥとする。この場合、羽根２の前縁位置Ｄから任意の位置Ｅまでの翼４の形状は、羽根の高さ方向によって異なり、羽根の任意の位置Ｅから後縁位置Ｆまでの翼４の形状は、羽根の全ての高さ方向において略同一になるように設計してもよい。

本発明を適用した一実施例としての車両用交流発電機１００を図８に示す。車両用交流発電機１００は、本実施の形態１の遠心ファン８３と、ケーシング４と、一対のベアリング５と、シャフト６と、プーリ７と、回転子８と、固定子９と、スリップリング１０と、一対のブラシ１１と、電圧調整器１２と、整流装置１３と、ヒートシンク１８と、コネクタ２０と、保護カバー２７と、を備えている。

ケーシング４は、略椀形状のアルミニウム製のフロント側ハウジング３１、およびリヤ側ハウジング３０を備える。ケーシング４は、一対のベアリング５を介して回転自在に支持されたシャフト６を備える。ケーシング４のフロント側に延出したシャフト６の端部には、プーリ７が固着されている。ケーシング４内には、シャフト６と一体的に回転する回転子８が配設されている。

回転子８の外周には、固定子９が対向配置され、また、固定子９は、ケーシング４に固定されている。ケーシング４のリヤ側に延出したシャフト６には、回転子８に電流を供給する一対のスリップリング１０が固定されている。各スリップリング１０の表面には、摺動する一対のブラシ１１と、これらのブラシ１１を収容しているブラシホルダ１７が設けられている。

ブラシ１１に隣接するように、固定子９で生じた交流電圧の大きさを調整する電圧調整器１２と、固定子９で生じる交流電圧を直流電圧に整流する整流装置１３と、ヒートシンク１８と、電圧調整器１２と図示しない外部装置との信号の入出力を行うコネクタ２０とが設けられている。ブラシホルダ１７と整流装置１３を覆うように、保護カバー２７が設けられている。

回転子８は、界磁巻き線８１と界磁鉄芯８２により形成され、界磁巻き線を冷却するための通風路が備えられている。界磁鉄芯８２は、それぞれが６個あるいは８個の爪部を有し、界磁巻線８１を覆うように設けられている。

界磁巻線８１は、ランデル型回転子であり、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回され、励磁電流が流れて磁束を発生する。界磁巻線８１が発生する磁束によって磁極が形成される。遠心ファン８３は、回転子８の両端面に溶接等により取り付けられている。

本発明の実施の形態１に係る遠心ファン８３を適用した車両用交流発電機１００の作用について、図９を用いて説明する。回転子８の回転により、回転子８に取り付けられた遠心ファン８３も、回転子８と一体に回転する。この結果、軸方向に流体が流れ、外気が車両用交流発電機１００内に吸引される。外気は、車両用交流発電機１００内の構成部品、特に界磁巻き線８１を冷却した後、外部に排出される。

遠心ファン８３を回転子８に備えることにより、低騒音化を図った上で、回転子内部の軸方向へ流れる流体を増加させ、冷却性能を向上させることができる。

本発明の活用例として、このような車両用交流発電機に使用することが挙げられるが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、車載用交流発電機、モータ、車載用駆動装置などの回転電機の回転子に取り付けて利用することもできる。

実施の形態１による遠心ファンは、主板と、主板に設けられた複数の翼と、翼に設けられた羽根とを備えるとともに、羽根の前縁の入口設置角度を遠心ファンの回転軸方向の高さに応じて変化させている。具体的には、実施の形態１による遠心ファンは、主板側から吸込み側に向かうにつれて、羽根の前縁の入口設置角度が大きくなり、その後小さくなるようにして、入口設置角度に少なくとも１つの極値をもつ羽根を備える。

このような構成を備えることにより、遠心ファンの回転軸方向への流量を増加させることできる。従って、遠心ファンから発生する騒音を低騒音化させた上で、吸込み流量を増加させることができ、低騒音化と冷却性能の向上の両立を図ることができる。

複数の羽根のそれぞれは、入口設置角度の極値を有する羽根高さを、異なる高さに設定することもできる。これにより、遠心ファンの回転軸方向への流量を、羽根毎に異なるように増加させることができる。さらに、羽根の形状が回転方向によって異なる。このため、ファンの風量を低減させることなく、遠心ファンの回転数に関係する騒音をその周辺の周波数へ分散させて変調させ、低騒音化させることができる。

羽根の前縁は、遠心ファンの回転方向に傾斜している。このような羽根の構成により、羽根の前縁が主板および翼から離れるにつれて遠心ファンの回転方向に次第にはやく回転することになる。この結果、遠心ファンの回転数に関係する騒音をその周辺の周波数へ分散させて変調させ、低騒音化させることができる。

複数の羽根のそれぞれの遠心ファンの回転軸方向に垂直な断面において、前縁位置と後縁位置と、前縁位置と後縁位置の間にある翼の面上に任意の位置とを規定した際に、前縁位置から任意の位置までの曲線が羽根ごとで異なり、任意の位置から後縁位置までの曲線が少なくとも２つの羽根で等しくなるように、羽根を設計することができる。

このような構成を備えることで、羽根の前縁部の形状が羽根の高さ方向に異なることにより、羽根前縁部に存在する騒音源を効果的に低減することができる。この結果、遠心ファンから発生する騒音を低騒音化することができる。さらに、全ての羽根の後縁部の形状を、羽根の高さ方向において等しくすることにより、吸い込み流量の低下を抑制することができる。

主板側の前縁に対して、吸込み側の前縁の回転方向ζを、０≦ζ≦１０とする羽根を設計することができる。これにより、遠心ファンの吸込み流量を増加させることができ、冷却能力を向上させることができる。従って、低騒音化と冷却性能の向上の両立を図ることができる。

また、本発明に係る遠心ファンは、回転電機に適用することができる。このような適用により、回転電機の回転軸方向へ流れる流量を増加させることができる。この結果、低騒音化と冷却性能の向上の両立を図る回転電機を実現することができる。

なお、本発明に係る遠心ファンは、上流側に位置して、羽根の主板と対向するように、円環状のシュラウドを備える構成を採用することも可能である。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る遠心ファン１の羽根１２の構成を図９に示す。なお、先の実施の形態１における図１～図８の参照符号と同一の符号は、同一又は同様の構成要素でり、その詳細な説明を省略する。

図９に示すように、羽根２の前縁に任意の点Ｇを設定し、羽根２の吸込み側に任意の点Ｈを設定する。本実施の形態２に係る羽根２は、点Ｇと点Ｈを通過する直線により、回転方向に折り曲げるように傾斜させた構造を有している。

このような傾斜構造を備えることで、羽根の前縁部に存在する騒音源を効果的に低減し、遠心ファンから発生する騒音を低騒音化できる。さらに、先の実施の形態１と同様に、遠心ファンの回転軸方向の流量を増加させることもできる。この結果、低騒音化と冷却性能の向上の両立を図った上で、先の実施の形態１よりも低騒音化の性能向上を実現できる。

１ 遠心ファン、２ 羽根、２a 羽根の前縁、２ｂ 羽根の後縁、３ 主板、４ 翼、５、回転軸の穴、６ シャフト、８ 回転子、１００ 回転電機、Ａ 羽根の高さ方向の吸込み側の位置、Ｂ 羽根の吸込み側の位置Ａと主板側の位置Ｃの間における任意の位置、Ｃ 羽根の高さ方向の主板側の位置、Ｄ 羽根の前縁位置、Ｅ 羽根の前縁と後縁の間における任意の点、Ｆ 羽根の後縁位置、Ｇ 羽根の前縁における任意の点、Ｈ 羽根の吸込み側の任意の点、Ｏ 回転中心、θ_A 羽根の高さＡの位置の入口設置角度、θ_B 羽根高さＢ位置の入口設置角度、θ_C 羽根高さＣ位置の入口設置角度、ζ 羽根前縁の回転角度。

Claims (6)

1. 中央部に回転軸穴を有する主板と、主板に設けられた複数の翼と、前記複数の翼のそれぞれに設けられた複数の羽根とを備える遠心ファンであって、
   前記複数の羽根のそれぞれにおいて、前記遠心ファンの回転軸側の端面を前縁部と規定し、前記前縁部における前記羽根の形状が、前記遠心ファンの円周方向と成す角度を入口設置角度と規定した際に、前記羽根は、前記遠心ファンの回転軸方向の高さに応じて前記入口設置角度が変化するように形成されており、かつ、前記羽根の主板側と吸込み側との間において、前記入口設置角度が最大となる極値を有するように形成され、前記主板側の前記入口設置角度が前記極値よりも小さくなるように形成されることで、前記主板に設けた切り欠き部を通過して前記回転軸方向に流れる流量を増加させ、
   前記複数の羽根のそれぞれは、前記前縁部において、前記遠心ファンの回転中心軸と主板側の前縁部とを結ぶ直線と、前記回転中心軸と吸込み側の前縁部と結ぶ直線とが成す角度を回転角度ζと規定した際に、０°≦ζ≦７°となるように形成されている
   遠心ファン。
2. 前記複数の羽根のそれぞれは、前記極値を有する前記回転軸方向の羽根高さが個別に設定されている
   請求項１に記載の遠心ファン。
3. 前記複数の羽根の少なくとも１つは、前記前縁部が前記遠心ファンの回転方向に傾斜して形成されている
   請求項１に記載の遠心ファン。
4. 前記複数の羽根のそれぞれは、前記回転軸方向に垂直な断面において、前縁位置と、後縁位置と、前記前縁位置と前記後縁位置との間で前記翼の面上に任意の位置の３点を規定した際に、前記前縁位置から前記任意の位置までの曲線が羽根ごとで異なり、前記任意の位置から前記後縁位置までの曲線が少なくとも２つの羽根で等しくなるように形成されている
   請求項１に記載の遠心ファン。
5. 前記複数の羽根の少なくとも１つは、前記前縁部における高さ方向の任意の点を第１点と規定し、前記羽根の吸込み側における前縁部と後縁部との間にある任意の点を第２点と規定した際に、前記第１点と前記第２点とを結ぶ直線に従って、前記羽根の前縁部における前記第１点以上の高さに相当する部分を遠心ファンの回転方向へ傾斜させるように形成されている
   請求項１に記載の遠心ファン。
6. 請求項１から５のいずれかに１項に記載の遠心ファンを回転子に備える回転電機。

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