JP7161879B2 - 遠心送風機 - Google Patents

Description

本発明は、騒音を低減した遠心送風機に関する。

遠心送風機は、家電機器、ＯＡ機器、産業用や車両用の空気調和装置における送風、換気、冷却等に広く用いられている。これらの機器や装置に用いられる遠心送風機には、遠心送風機から発生する騒音を低くすることが望まれている。

特許文献１に記載されている遠心送風機では、ケーシングに形成された空気吸入部４１１に、当該空気吸入部４１１の頂部４１３に沿って気流が流れるように運動量を付加する運動量付加機構４３が設けられている。当該運動量付加機構４３は、空気吸入部４１１における空気流れ上流側に向かって突き出た頂部４１３よりも外側の外側壁面部４１５の少なくとも一部に設けられている。これによって、騒音の低減、送風効率の向上を図っている。

特許文献１の遠心送風機において、ケーシング４の空気吸入部４１１の内側壁面部４１４は、空気流れ上流側から下流側端部４１２に向かって径が徐々に小さくなっており、空気吸入部４１１の下流側端部４１２が内側壁面部４１４における最小径となる部位を構成している。そして、空気吸入部４１１における空気流れ上流側に突き出た頂部４１３から空気吸入部４１１における頂部４１３よりも外側の外側壁面部４１５の端部４１５ａに至る外周側範囲に、外側壁面部４１５側からの気流が頂部４１３に沿って流れるように運動量を付加する運動量付加機構４３が設けられている。

この構造では、空気吸入部４１１の側方から流入する気流が、頂部４１３の手前に設けられた突起部４３１を乗り越える際に乱れ、突起部４３１を乗り越えた気流が、突起部４３１以降の空気吸入部４１１の表面に乱流境界層を形成する。乱流境界層では、空気吸入部４１１の表面に近い気流に対して、空気吸入部４１１の表面から離れた気流の運動量が付加される。このため、空気吸入部４１１の表面に近い気流と空気吸入部４１１の表面から離れた気流との速度差が縮小する。これにより、空気吸入部４１１の頂部４１３付近における気流の剥離が抑えられ、空気吸入部４１１における気流の剥離に起因する騒音を低減することができる。

特開２０１７－１２５４０５号公報

特許文献１に記載された遠心送風機は、外側壁面部４１５側からの気流が頂部４１３に沿って流れるように、頂部４１３よりも外側の外側壁面部４１５の端部４１５ａに至る外周側範囲に運動量を付加する運動量付加機構４３を設けたものである。

しかしながら、特許文献１に記載された遠心送風機において、ケーシング４の空気吸入部４１１の内側壁面部４１４は、空気流れ上流側から下流側端部４１２に向かって径が徐々に小さくなっており、空気吸入部４１１の下流側端部４１２が内側壁面部４１４における最小径となる部位を構成している。このため、空気吸入部における空気の流入に起因する騒音の低減が必ずしも十分ではない。

本発明は、上記の観点に鑑み、ケーシングの空気吸入部の内側壁面の形状を工夫することによって、空気の流入に起因する騒音を低減できる遠心送風機を提供することを目的とする。

本発明は、軸中心側の内側空間と該内側空間の周囲に配置された複数の羽根を備え、回転することで前記内側空間から前記複数の羽根の間を介して遠心方向に排気を行うインペラと、前記インペラを回転自在な状態で内側に納めた渦巻き形状のケーシングと、前記ケーシングに設けられた吸込口と、を備え、前記吸込口は、前記インペラの前記内側空間を臨む位置に設けられた開口であり、前記吸込口の内側には、前記インペラに向かって内径が漸次減少する空間を構成する第１の領域面と、前記第１の領域面よりも前記インペラに近い側にあり、前記インペラに向かって内径が漸次増加する空間を構成する第２の領域面が形成され、前記インペラは、前記複数の羽根と、前記複数の羽根の端部を連結する環状の連結リングを備え、前記複数の羽根は、前記吸込口と軸方向逆側へ向かうに従って内径が漸次減少する縮径部分を有し、前記第２の領域面の前記インペラ側の前記端部から前記インペラの方向に延在する環状の凸部を備え、前記環状の凸部は、前記連結リングの径方向内側に位置し、前記環状の凸部の先端は、前記縮径部分の縮径が始まる始端の軸方向位置よりも前記吸込口の軸方向逆側に位置するとともに、前記複数の羽根の前記縮径部分に僅かな隙間を隔てて対向して配置されている遠心送風機である。

本発明において、前記吸込口の軸方向における長さをＬ１、前記第２の領域面の軸方向における長さをＬ２とした場合、Ｌ２＞（１／２）Ｌ１である構造は好ましい。本発明において、前記第２の領域面の内側の空間の前記インペラ側でない端部の内径をＲ１、前記第２の領域面の内側の空間の前記インペラ側の端部の内径をＲ２とした場合、Ｒ２／Ｒ１＜１．０３である構造は好ましい。

本発明において、前記吸込口の最上流側に前記ケーシングの軸方向外側に向って延在する環状の突起部が設けられている構造は好ましい。更にこの構造において、前記第１の領域面と前記環状の突起部との間に段差が設けられている構造は好ましい。

本発明によれば、ケーシングの空気吸入部の内側壁面の形状を工夫することによって、空気の流入に起因する騒音を低減できる遠心送風機が得られる。

実施例１の遠心送風機の斜視図である。 図１に示す実施例１の遠心送風機の断面図である。 図２の部分拡大図である。 実施例２の遠心送風機の断面図である。 実施例２の変形例の遠心送風機の断面図である。 比較例の遠心送風機の断面図である。 風量領域Ａでの騒音の音圧レベルと周波数の関係を示す図である。 風量領域Ｂでの騒音の音圧レベルと周波数の関係を示す図である。 従来の遠心ファン（特許文献１）を示す図である。

１．実施例１
図１は、実施例１の遠心送風機１００の斜視図である。図２は、図１に示す遠心送風機１００の断面図である。図３は、図２の部分拡大図である。

（概要）
遠心送風機１００は、軸中心側の内側空間と該内側空間の周囲の環状の部分に配置された複数の羽根１２１を備え、回転することで前記内側空間から複数の羽根１２１の間を介して遠心方向に排気を行うインペラ１２０と、インペラ１２０を回転自在な状態で内側に納めた渦巻き形状のケーシング１１０と、インペラ１２０の内側空間を臨む位置に設けられた開口であり、インペラ１２０の内側空間に空気を導く吸込口１１４とを備え、吸込口１１４の内側には、インペラ１２０に向かって徐々に内径が縮径する第１の領域を囲む上流側領域面１１８ａ（図２参照）と、上流側領域面１１８ａよりもインペラ１２０に近い側にあり、インペラ１２０に向かって徐々に内径が拡径する第２の領域を囲む下流側領域面１１８ｂを備えている。

（遠心送風機の構造）
図１には、実施形態の送風機１００が示されている。送風機１００は、ケーシング１１０を備えている。ケーシング１１０は、樹脂で成形した上ケーシング１１１と、樹脂で成形した下ケーシング１１２から構成されている。ケーシング１１０の内側には、複数の羽根１２１を備えたインペラ１２０が回転可能（回転自在）な状態で収納されている。

ケーシング１１０の内側には、渦巻き状の流路１１３（図２参照）が形成されている。流路１１３は、インペラ１２０とケーシング１１０の間の隙間が最小となる部分を始端とし、そこから周方向に進むに従って断面積が徐々に大きくなる構造を有している。流路１１３の終端には、吐出口１１５が形成されている。すなわち、渦巻き状の流路１１３は、吐出口１１５に向かって徐々に断面積が拡大する構造を有している。

上ケーシング１１１は、軸方向に開口する吸込口１１４を備えている。ここで、軸とは、インペラ１２０の回転軸のことであり、軸方向とはその延在方向のことである。下ケーシング１１２は他の装置や筐体に取り付けて固定するための固定脚（図示省略）を備えていると共に、インペラ１２０を回転させるためのモータ１３０（図２参照）が取り付けられている。

図２に示すように、モータ１３０の回転軸（シャフト１３１）にインペラ１２０が固定され、モータ１３０が回転すると、インペラ１２０が回転する。インペラ１２０が回転すると、空気が吸込口１１４から吸い込まれ、インペラ１２０の内側（軸中心側の内部空間）に導かれる。この空気が羽根１２１の作用により、インペラ１２０の内側から遠心方向に吹き出される。インペラ１２０から吹き出された空気は、渦巻き状の流路１１３を図１の吐出口１１５に向かって流れ、吐出口１１５から排気される。

（インペラの構造）
インペラ１２０は、底面を構成するカップ状のハブ１２２と、ハブ１２２上の外側の環状の部分に軸方向に立てた状態で配置された複数の羽根１２１と、複数の羽根１２１のハブ１２２と反対側の端部を連結する環状の連結リング１２３とを有している。羽根１２１はすべて同じ形状で、インペラ１２０の回転方向に対して凹んだ前向き羽根形状を有し、周方向に均等配置されている。複数の羽根１２１の内側（軸中心側）には内側空間が設けられ、インペラ１２０が回転すると、この内側空間から羽根１２１を介して遠心方向に空気が吹き出される。

ハブ１２２は中央には凸形状に盛り上がったボス部１２４を有し、ボス部１２４には貫通孔が形成されている。この貫通孔にモータ１３０のシャフト１３１が圧入され、インペラ１２０がシャフト１３１に結合されている。シャフト１３１は、モータ１３０の回転軸であり、インペラ１２０と結合されることで、インペラ１２０の回転軸も兼ねている。ハブ１２２と複数の羽根１２１と連結リング１２３は樹脂で一体成形されて形成されている。

（ケーシングの構造）
図１に示すように、ケーシング１１０は、上ケーシング１１１と下ケーシング１１２から構成されており、上ケーシング１１１と下ケーシング１１２を結合することで渦巻き構造のケーシング１１０が構成されている。上ケーシング１１１の中央には吸込口１１４となる開口が形成されている。

吸込口１１４は、ケーシング１１０のインペラ１２０の内側空間（環状に配置された羽根の内側の空間）を臨む位置に設けられた開口である。インペラ１２０が回転すると、羽根１２１の内側（内側空間）から隣接する羽根１２１の間に形成された隙間を介して、遠心方向に空気が排出される。また、その際、吸込口１１４から羽根１２１の内側（内側空間）に空気が流入する。

吸込口１１４は、円筒構造の円筒部１１６の円形の開口部分および円筒部１１６の内側の部分を利用して構成されている。円筒部１１６は、外側壁部１１７と内側壁部１１８を有し、内側壁部１１８で囲まれた略柱状の空間、言い換えると内側壁部１１８の内側の空間が吸込口１１４となっている。内側壁部１１８は、吸込口１１４に流入した空気をインペラ１２０の内側に案内する。

内側壁部１１８は、内側壁部１１８の上端部から下端部に向かって内周側に凸部となる形状を有している。詳しく述べると、内側壁部１１８の上部（上流側）には、下流に行くに従って円筒部１１６の内径が漸減する上流側領域面１１８ａが設けられている。また、内側壁部１１８の下部（下流側）には、下流に行くに従って円筒部１１６の内径が漸増する下流側領域面１１８ｂが設けられている。上流側領域面１１８ａと下流側領域面１１８ｂとの境界の部分には、境界部１１９が設けられている。境界部１１９の部分で吸込口１１４の内径が最小となっている。すなわち、環状の上流側領域面１１８ａの内側の空間が、インペラ１２０に近づくに従って内径が漸次縮径する第１の空間であり、環状の下流側領域面１１８ｂの内側の空間が、インペラ１２０に近づくに従って内径が漸次拡径する第２の空間となる。そして、２つの空間の境の部分が環状の境界部１１９で囲まれた部分となる。

境界部１１９から上流側である上流側領域面１１８ａは、吸込口１１４の入口から境界部１１９に向かって円筒部１１６の内径が漸次減少する曲面で形成されている。境界部１１９から下流側である下流側領域面１１８ｂは、下流に行くに従って（インペラ１２０に近づくに従って）円筒部１１６の内径が漸次増加する傾斜面（テーパー面）で形成されている。すなわち、吸込口１１４の部分は、入口から下流側に向かって、内径が漸次減少し、最小内径部分である境界部１１９に至り、そこから下流側に向かって内径が漸次増加する。

図３に示すように、円筒部１１６の下部から、環状の凸部１２５がインペラ１２０の方向に延在している。環状の凸部１２５の内側は、下流側領域面１１８ｂの一部を構成している。環状の凸部１２５の先端は、インペラ１２０の内側に僅かに突出している。このため、下流側領域面１１８ｂの下端がインペラ１２０の内側に僅かに入り込んでいる。また、内側壁部１１８の下端部（環状の凸部１２５の先端）はＲ面取りが施されている。

軸方向における吸込口１１４の全長Ｌ１（内側壁部１１８の軸方向における長さ）の部分に対して、内側壁部１１８の下端部（最下流部）から境界部１１９までの軸方向における長さＬ２の部分の上端は、吸込口１１４の全長Ｌ１の中点よりも上流側に位置することが好ましい。すなわち、Ｌ２＞（１／２）Ｌ１となる関係が好ましい。なお、Ｌ２の最大値は、Ｌ２＝（３／４）Ｌ１程度である。

また、図３に示す境界部１１９、すなわち下流側領域面１１８ｂの上端における吸込口１１４の内径（吸込口１１４の最小内径）Ｒ１に対する下流側領域面１１８ｂの下端（インペラ１２０側の端部）における吸込口１１４の内径Ｒ２の比率は、１０３％以内にすることが好ましい。すなわち、Ｒ２／Ｒ１＜１．０３（但し、Ｒ１＜Ｒ２）の関係とすることが好ましい。なお、（Ｒ２／Ｒ１）の最小値は、１．０１５程度である。ここで、Ｒ２はインペラ１２０に流入する開口となるため、Ｒ２が一定でＲ１を可変させたとき、Ｒ２／Ｒ１が１．０３以上になると、吸込口１１４の最小内径となるＲ１が小さくなるため、吸込口１１４に流入する空気の流速が早くなる結果、騒音が大きくなって好ましくない。

そして、内側壁部１１８の下端部のＲ面が施された最下端部を構成する環状の凸部１２５の先端部分は、インペラ１２０の連結リング１２３の内側に位置すると共に、羽根１２１の上面と僅かな隙間を隔てて対向している。この僅かな隙間によってラビリンスシール１２６を形成し、インペラ１２０の外周側に吹出された空気の流れの一部が、吸込口１１４の内側へ逆流することを防止している。

遠心送風機を用いる機器や装置には、空気の流れを妨げる抵抗が存在する。この抵抗は、システムインピーダンス（または通風抵抗とも呼ばれる）と呼ばれる。所定のシステムインピーダンスを有する装置で遠心送風機を使用した場合、ある点を境に２つの風量領域（本実施の形態では、風量領域Ａ、Ｂの２つの風量領域）に分けることができる。図７は、図２に示す実施例１の風量領域Ａにおける騒音の音圧レベルと周波数の関係を示す図である。ここで、風量領域Ａは、風量が７０～１００ｍ^３／ｈの領域の場合である。図７において、破線は、図６に示す比較例の空気吸入部を採用した場合の特性である。

図６には、空気吸入部を構成する吸気口１５１の内径が下流に行くに従って（インペラに近づくに従って）漸次縮径するテーパー形状の壁面１５２を有した遠心送風機１５０が示されている。図７から実施例１は、図６に示す比較例の構造に比べて全周波数帯域において、騒音レベルが低減していることがわかる。

以下、騒音レベルが抑えられる理由について考察する。まず、上流側領域面１１８ａがあることで、吸込口１１４の内側の径方向における流速の差が是正される。このため、内側壁面１１８からの気流の剥離が抑制され、騒音の発生が抑えられる。

図６に示す比較例の構造では、空気吸入部を構成する吸気口１５１の内径が下流に行くに従って（インペラに近づくに従って）漸次縮径するテーパー形状の壁面１５２を有しているため、吸気口１５１に流入した空気の流速が速くなり、羽根の間に吸引される際、騒音のレベルが大きくなる要因となっていた。これに対して、本実施形態では、境界部１１９を過ぎると、徐々に拡径し、流路の断面積が増加する形状となっているので、境界部１１９を過ぎると、吸込口１１４に流入した空気の流速は低下する。このため、羽根の間に吸引される際に生じる騒音のレベルが抑制される。

２．実施例２
図４に実施例２の断面図を示す。この例では、図２に示す実施例１の構造において、吸込口１１４の内側壁部１１８の上端に軸方向に突出する環状の突起部１４０が設けられている。この環状の突起部１４０を設けることによって、吸込口１１４に流入する空気によって生じる共鳴音を改善することができる。

また、図５に示すように、吸込口１１４の内側壁部１１８の上端に設けられた環状の突起部１４０の内周側であって、環状の突起部１４０と内側壁部１１８との接合部に、平面状の段差部１４１を形成してもよい。この場合も吸込口１１４に流入する空気によって生じる共鳴音を改善することができる。

図８は、風量領域Ｂにおける実施例１と実施例２の騒音の音圧レベルと周波数の関係を示す図である。ここで、風量領域Ｂは、風量が１００～１４０ｍ^３／ｈの領域の場合である。

図８を見ると、図２の実施例１では、約５００Ｈｚ付近で大きな音圧レベルを示している。この音は、吸込口に流入する空気によって生じる共鳴音と推測される。これに対して、実施例２は、約５００Ｈｚ付近に見られる大きな音圧レベルが消滅し、全周波数帯域において、騒音レベルが低減していることがわかる。また、実施例２の変形例（図５）においても、図４と同様の結果が得られることが確認されている。

１００…送風機、１１０…ケーシング、１１１…上ケーシング、１１２…下ケーシング、１１３…流路、１１４…吸込口、１１５…吐出口、１１６…円筒部、１１７…外側壁部、１１８…内側壁部、１１８ａ…上流側領域面、１１８ｂ…下流側領域面、１１９…境界部、１２０…インペラ、１２１…羽根、１２２…ハブ、１２３…連結リング、１２４…ボス部、１２５…環状の凸部、１２６…ラビリンスシール、１３０…モータ、１３１…シャフト、１４０…環状の突起部、１４１…段差部、１５０…遠心送風機、１５１…吸気口、１５２…壁面。

Claims (5)

1. 軸中心側の内側空間と該内側空間の周囲に配置された複数の羽根を備え、回転することで前記内側空間から前記複数の羽根の間を介して遠心方向に排気を行うインペラと、
   前記インペラを回転自在な状態で内側に納めた渦巻き形状のケーシングと、
   前記ケーシングに設けられた吸込口と、
   を備え、
   前記吸込口は、前記インペラの前記内側空間を臨む位置に設けられた開口であり、
   前記吸込口の内側には、前記インペラに向かって内径が漸次減少する空間を構成する第１の領域面と、
   前記第１の領域面よりも前記インペラに近い側にあり、前記インペラに向かって内径が漸次増加する空間を構成する第２の領域面が形成され、
   前記インペラは、前記複数の羽根と、前記複数の羽根の端部を連結する環状の連結リングを備え、
   前記複数の羽根は、前記吸込口と軸方向逆側へ向かうに従って内径が漸次減少する縮径部分を有し、
   前記第２の領域面の前記インペラ側の前記端部から前記インペラの方向に延在する環状の凸部を備え、
   前記環状の凸部は、前記連結リングの径方向内側に位置し、前記環状の凸部の先端は、前記縮径部分の縮径が始まる始端の軸方向位置よりも前記吸込口の軸方向逆側に位置するとともに、前記複数の羽根の前記縮径部分に僅かな隙間を隔てて対向して配置されている遠心送風機。
2. 前記吸込口の軸方向における長さをＬ１、
   前記第２の領域面の軸方向における長さをＬ２とした場合、
   Ｌ２＞（１／２）Ｌ１である請求項１に記載の遠心送風機。
3. 前記第２の領域面の内側の空間の前記インペラ側でない端部の内径をＲ１、
   前記第２の領域面の内側の空間の前記インペラ側の端部の内径をＲ２とした場合、
   Ｒ２／Ｒ１＜１．０３である請求項１または２に記載の遠心送風機。
4. 前記吸込口の最上流側に前記ケーシングの軸方向外側に向って延在する環状の突起部が設けられている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心送風機。
5. 前記第１の領域面と前記環状の突起部との間に段差が設けられている請求項４に記載の遠心送風機。

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