JP7146534B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、軸流ファンに関する。

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、送風などに広く用いられている送風機として、軸流ファンが知られている。

家電機器をはじめとして各種の機器において低消費電力化が求められており、それらの機器に用いられる軸流ファンにも、効率を向上させて低消費電力化を促進させることが求められてきている。

このため、インペラの翼のキャンバーを、径方向内方から外方に向うにつれて小さくなるようにして、翼の回転に伴う風損を低減し、低消費電力化して効率を向上することができる軸流ファンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この軸流ファンは、翼の径方向内方での周速が遅いため、翼の径方向内方でのキャンバーを大きくし、周速が早くなる翼端でのキャンバーを小さくして、翼の位置の違いによる仕事量の偏りを抑制したものである。

特開２０１３－４０５９８号公報

しかしながら、上述した従来の軸流ファンは、翼の翼端でのキャンバーが小さいため、翼端における損失を小さくできる反面、流量が低下する虞があり、翼形状が必ずしも最適化されているとは言えない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流量の低下を抑えて低消費電力化を促進させることのできる軸流ファンを提供す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、本発明の一態様に係る軸流ファンは、ハブと、複数の羽根とを備える。前記複数の羽根は、前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される。径方向における複数の径方向位置に対し、前記羽根の周方向における断面形状である羽根断面形状について、前記ハブの外周縁の径方向位置を０％、前記羽根の先端の径方向位置を１００％として、１０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも大きい。１０％の径方向位置における最大キャンバーと２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの中での最大値との差が、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの相互間の差の平均値よりも大きい。また、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーが同等である。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る軸流ファンは、流量の低下を抑えて低消費電力化を促進させることができる。

図１は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す正面図である。 図２は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す断面図である。 図３は、羽根の径方向における複数の径方向位置の例を示す図である。 図４は、実施例における羽根の複数の径方向位置に対する無次元翼弦長とキャンバーとの関係の例を示す図である。 図５は、比較例における羽根の複数の径方向位置に対する無次元翼弦長とキャンバーとの関係の例を示す図である。 図６は、実施例と比較例とについての風量特性（Ｐ－Ｑ特性）および回転数特性の例を示す図である。 図７は、実施例と比較例とについての消費電力特性および騒音特性の例を示す図である。

以下、実施形態に係る軸流ファンについて図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

（軸流ファン１の構成）
図１は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す正面図である。図１において、軸流ファン１は外形が矩形のハウジング３４を備え、ハウジング３４の中央に形成される円筒状の風洞にはハブ２１および羽根２２を有するインペラ２０が設けられている。ハウジング３４の四隅には、ボルト等により他の装置等への取付を行うための取付孔３４ａが設けられている。なお、ハウジング３４の外形は、図示のような矩形に限られず、例えば、円形であってもよい。

図２は、実施形態に係る軸流ファン１の構成例を示す断面図（図１におけるＡ－Ａ断面図）である。図２において、軸流ファン１は、モータ１０と、インペラ２０と、ケーシング３０と、軸受４０と、回路基板５０とを備えている。

モータ１０は、たとえば、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータであり、インペラ２０を回転させる。モータ１０は、ステータコア１１と、コイル１２と、ロータ１３とを有する。

ステータコア１１は、ケイ素鋼板などのような軟磁性材料から形成された鋼板がプレス加工され、プレス加工された鋼板が複数枚、軸方向に積層されて構成される。ステータコア１１は、円環状の本体部と、かかる本体部の外周側から外方に向かって径方向に延在する複数のティースとを有する。

なお、以降においては、軸流ファン１の径方向、軸方向および周方向を次のように規定して説明する。ここで、「径方向」とは、軸流ファン１の内部で回転するインペラ２０の回転軸Ｘと直交する方向であり、「軸方向」とは、インペラ２０の回転軸Ｘの軸方向と一致する方向であり、「周方向」とは、インペラ２０の回転方向Ｒと一致する方向である。

コイル１２は、ステータコア１１を軸方向の両側から覆うインシュレータ（上側インシュレータおよび下側インシュレータ）を介して、複数のティースのそれぞれに巻回される。

ロータ１３は、回転軸Ｘを中心としてステータコア１１に対して相対的に回転する。ロータ１３は、シャフト１３ａと、ロータヨーク１３ｂと、ロータマグネット１３ｃとを有する。

シャフト１３ａは、円柱状であり、軸方向に延在し、軸受ホルダー３１の内側に装着された一対の軸受４０により回転可能に支持される。ロータヨーク１３ｂは、軟磁性材からなり、カップ状であり、中央に軸方向内側に向けて形成された突出部にシャフト１３ａの一方端が圧入されて結合される。ロータヨーク１３ｂの突出部は絞り加工やバーニング加工等にて形成されている。

ロータマグネット１３ｃは、円筒状であり、ロータヨーク１３ｂの外周部における内周面に接合される。また、ロータマグネット１３ｃは、ステータコア１１のティースと向かい合うように配置され、内周面にＳ極、Ｎ極が周方向に交互に着磁される複数の磁極が形成される。

インペラ２０は、ハブ２１と、複数の羽根２２とを有する。ハブ２１は略円筒状であり、ロータヨーク１３ｂの外周面に支持される。複数の羽根２２は、ハブ２１の外周面に支持される。羽根２２は全て同じ形状で、周方向に均等の間隔で配置され、隣接する羽根２２との間に平面視で隙間が形成されている。ハブ２１と複数の羽根２２とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。ハブ２１の内側にロータヨーク１３ｂが挿入され、接着剤で接着されるが、これに代えて、ロータヨーク１３ｂがインペラ２０に一体成形されても構わない。

ケーシング３０は、軸受ホルダー３１と、モータベース３２と、複数のスポーク３３と、ハウジング３４とを有する。軸受ホルダー３１は、円筒状であり、モータベース３２の中央に形成された突出部の開口に配置される。軸受ホルダー３１はモータベース３２の突出部の開口に嵌着してもよく、また軸受ホルダー３１をインサートしてモータベース３２に一体成形してもよい。軸受ホルダー３１は、内周側に一対の軸受４０が装着され、外周側にはステータコア１１などが装着されている。モータ１０が装着されるカップ状のモータベース３２は、ハウジング３４の一方端に配置される。

複数のスポーク３３は、モータベース３２の外周側に配置され、径方向に延在してモータベース３２とハウジング３４とを連結する。ハウジング３４は、内側に円孔が形成され、かかる円孔に軸流ファン１の各部材が収容される。モータベース３２と、スポーク３３と、ハウジング３４とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。

また、ケーシング３０には、軸方向における一方側（図２では上側）に吸込口３５が形成され、軸方向における他方側（図２では下側）に吹出口３６が形成される。そして、インペラ２０が所定の回転方向Ｒに回転することにより、吸込口３５から吹出口３６に向けて空気の流れ１００が形成される。

軸受４０は、転がり軸受で構成されており、シャフト１３ａを回転自在に支持する。なお、軸受４０は流体軸受であってもよいし、滑り軸受であってもよい。

回路基板５０は、電子部品を実装し、モータ１０を制御する制御回路を有しており、ステータコア１１とモータベース３２との間に配置される。

（羽根２２の形状）
図３は、羽根２２の径方向における複数の径方向位置の例を示す図である。図３において、１０％～９０％の符号を伴った円弧状の破線は、インペラ２０の中心点を中心とする仮想円の一部である。１０％～９０％の符号を伴った破線は、ハブ２１の外周縁を通る仮想円の半径を０（０％）、羽根２２の先端を通る仮想円の半径を１（１００％）とした時、それぞれ、０．１（１０％）、０．２５（２５％）、０．５（５０％）、０．７５（７５％）、０．９（９０％）の位置を表している。

図４は、実施例における羽根２２の複数の径方向位置に対する無次元翼弦長とキャンバーとの関係の例を示す図であり、図３で規定された１０％、２５％、５０％、７５％、９０％の位置での羽根２２の周方向における断面形状である羽根断面形状についての、羽根２２の翼弦長を１としたときの羽根２２のキャンバーの分布を示している。なお、キャンバーは、翼弦長に対する百分率で示されている。また、図４において、横軸の無次元翼弦長における０は、回転方向における羽根２２の前縁の位置を示し、１は回転方向における羽根２２の後縁の位置を示している。

図４において、実施例における羽根２２のキャンバーは、翼元における値が大きく、その他の位置での値が翼元よりも小さい点で特許文献１と一部共通している。しかし、特許文献１では径方向内方から外方に向うにつれてキャンバーが小さくなるのに対し、実施例では、翼元のキャンバーが突出して大きく、その他の位置では、中間位置付近のキャンバーが最も小さくなるか、同等となっている。

より詳しくは、図４の実施例における羽根２２のキャンバーは、１０％の径方向位置における最大キャンバーが、その他の２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも大きいという特徴を有している。また、１０％の径方向位置における最大キャンバーは突出して大きく、１０％の径方向位置における最大キャンバーと２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの中での最大値との差が、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの相互間の差の平均値よりも大きいという特徴を有している。１０％の径方向位置における最大キャンバーは、その他の径方向位置における最大キャンバーに対して約２倍の値となっている。

また、５０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも小さいという特徴を有している。なお、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーが同等であるものでもよい。

また、５０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも小さい場合、２５％の径方向位置、９０％の径方向位置、７５％の径方向位置の順に最大キャンバーが小さくなるという特徴を有している。

また、各径方向位置における最大キャンバーが無次元翼弦長の中央よりも羽根の前縁側に位置するという特徴を有している。より詳細には、各径方向位置における最大キャンバーが無次元翼弦長０．３～０．５にある。

図５は、比較例における羽根の複数の径方向位置に対する無次元翼弦長とキャンバーとの関係の例を示す図であり、図３で規定された１０％、２５％、５０％、７５％、９０％の位置での羽根の周方向における断面形状である羽根断面形状についての、羽根の翼弦長を１としたときの羽根のキャンバーの分布を示している。なお、実施例の軸流ファンと比較例の軸流ファンとは、いずれも、羽根の先端を通る仮想円の直径に対するハブの直径の比率が０．５よりも小さくなっている。

図５において、比較例は、羽根の翼端よりは径方向内方の位置におけるキャンバーが最も大きくなるようにして、ファンの流量を確保し、ファンの消費電力の低減を図ることを意図したものである。より詳しくは、羽根の中間（５０％）でのキャンバーが最も大きく、中間から羽根の先端側（９０％）に向かうに従ってキャンバーは小さくなっている。また、中間から羽根の内周側（１０％）に向かうに従ってキャンバーは小さくなっている。また、中間（５０％）でのキャンバーは内周側（１０％）の位置および外周側（９０％）の位置でのキャンバーの２倍強となっている。

図６は、実施例と比較例とについての風量特性（Ｐ－Ｑ特性）および回転数特性の例を示す図であり、左の縦軸に静圧［Pa］、右の縦軸に回転数［min^-1］、横軸に流量［m³/min］が示されている。黒色の四角のプロットは風量特性（Ｐ－Ｑ特性）を示し、太線は実施例を、細線は比較例をそれぞれ示している。白抜きの四角のプロットは回転数特性を示し、太線の破線は実施例を、細線の破線は比較例をそれぞれ示している。また、図７は、実施例と比較例とについての消費電力特性および騒音特性の例を示す図であり、左の縦軸に消費電力［W］、右の縦軸に騒音レベル［dBA］、横軸に流量［m³/min］が示されている。黒色の四角のプロットは消費電力特性を示し、太線は実施例を、細線は比較例をそれぞれ示している。白抜きの四角のプロットは騒音特性を示し、太線の破線は実施例を、細線の破線は比較例をそれぞれ示している。

先ず、図６において、実施例の軸流ファン１は比較例の軸流ファンに比べて最大流量が少し大きな値を示すが、中域よりも低い領域では比較例の軸流ファンの方が高い風量特性を示しており、最大静圧も高い。しかし、図７において、実施例の軸流ファン１は、比較例の軸流ファンに比べて、全流量領域において消費電力が小さく（約１０％減）、また騒音レベルも小さくなっている。これは、実施例の軸流ファン１では、羽根先端でのキャンバーが比較例の軸流ファンに比べて小さく、流体に与える仕事が小さいため、羽根先端での渦の発生が抑制されることによって低い消費電力および騒音低減ができたものと考えられる。

比較例の軸流ファンは、羽根の中間の位置のキャンバーを大きくして流体に与える仕事を大きくすることで風量特性の向上を得る構成であるが、その分、消費電力や騒音値が大きくなっている。一方、実施例の軸流ファンは、羽根先端側の周速に比べて、周速が遅くなる羽根の内周側（１０％）でのキャンバーを最も大きくして流体に与える仕事を大きくすることで風量特性の大幅な低下を防ぐ。また、それと同時に、それ以外の位置でのキャンバーを小さくすることで、渦の発生を抑制して低消費電力化および騒音低減を図ることができる。

なお、特許文献１のように、キャンバーを径方向内方から外方に向うにつれて小さくなるようにした場合、実施例よりもＰ－Ｑ特性が低下する。そのため、実施例では、羽根の中間でキャンバーを最小とし、ファンの流量の確保を図っている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以上のように、実施形態に係る軸流ファンは、ハブと、複数の羽根とを備える。複数の羽根は、ハブに固定され、かつ周方向に間隔をあけて配置される。径方向における複数の径方向位置に対し、羽根の周方向における断面形状である羽根断面形状について、ハブの外周縁の径方向位置を０％、羽根の先端の径方向位置を１００％として、１０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも大きい。１０％の径方向位置における最大キャンバーと２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの中での最大値との差が、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの相互間の差の平均値よりも大きい。これにより、流量の低下を抑えて低消費電力化を促進させることのできる軸流ファンを提供することができる。

また、５０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも小さい。これにより、より具体的な設計の指針を与えることができる。

また、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーが同等である。これにより、より具体的な設計の指針を与えることができる。

また、５０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも小さい場合に、２５％の径方向位置、９０％の径方向位置、７５％の径方向位置の順に最大キャンバーが小さくなる。これにより、より具体的な設計の指針を与えることができる。

また、各径方向位置における最大キャンバーが無次元翼弦長の中央よりも羽根の前縁側に位置する。これにより、より具体的な設計の指針を与えることができる。

また、各径方向位置における最大キャンバーが無次元翼弦長０．３～０．５にある。これにより、より具体的な設計の指針を与えることができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 軸流ファン，２１ ハブ，２２ 羽根

Claims (3)

1. ハブと、
   前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される複数の羽根と、
   を備え、
   径方向における複数の径方向位置に対し、前記羽根の周方向における断面形状である羽根断面形状について、
   前記ハブの外周縁の径方向位置を０％、前記羽根の先端の径方向位置を１００％として、
   １０％の径方向位置における最大キャンバーが、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーよりも大きく、
   １０％の径方向位置における最大キャンバーと２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの中での最大値との差が、２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーの相互間の差の平均値よりも大きく、
   ２５％、５０％、７５％および９０％の径方向位置における最大キャンバーが同等である、
   軸流ファン。
2. 各径方向位置における最大キャンバーが無次元翼弦長の中央よりも羽根の前縁側に位置する、
   請求項１に記載の軸流ファン。
3. 各径方向位置における最大キャンバーが無次元翼弦長０．３～０．５にある、
   請求項１または２に記載の軸流ファン。

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