JP7445690B2 - シーリングファン - Google Patents

Description

本発明は、シーリングファンに関する。

大型のシーリングファンが工場、倉庫等の天井に取り付けられている。これは、大きな空間内の空気を攪拌し、作業環境改善、結露防止等の目的がある。近年はシーリングファンの直径を大きくして、大風量の風を広い範囲に送風するものが開発されている。シーリングファンの直径を大きくするので、回転速度が低くても大風量の風を発生することができ、騒音低下にも役立つ。

特開２０１９－７４０２９号公報 特開２００７－１８２８１６号公報

シーリングファンは直径が大きくなると、放射状に配置されるブレード（羽根）の外周側と内周側との速度差が大きくなる。したがって、例えば特許文献１に開示されているようにブレードの長手方向に関して同一断面（同一迎角）を持つブレードでは、外周側ほど周速度が速く大きな揚力が発生し、その反力で高速の風が下向きに発生する。その一方、内周側はその反対で、内周側においては低速の風が下向きに発生する。そこで、ブレードの長手方向で迎角を変えること、具体的には、外周側は迎角を小さく、内周側は迎角を大きくして、ブレードの長手方向での揚力を均等化することにより、ブレードの回転時に発生する風量を調整することが周知である（例えば、特許文献２）。

しかしながら、シーリングファンの回転軸近傍（回転中心部近傍）では、さらに周速度が低くなるので、ブレードの迎角を大きくし過ぎると、ブレードを流れる空気が失速現象を起こすことが知られている。失速とは、ブレードを流れる空気の流速が低くなり、且つ、迎角を大きくし過ぎると、ブレード表面を流れていた気流が剥離を起こし揚力が無くなる（揚力係数が減少する）現象である。

一定の空気速度で迎角を０°から大きくしていくと、揚力係数が次第に大きくなるが、揚力係数が最大となる迎角を過ぎると、逆に下降（失速）する。揚力係数が最大となる迎角は失速角と称され、この失速角よりも大きい失速域では、ブレード上面の気流に剥離が起き、揚力係数が低下する。前述の失速域では揚力（揚力係数）が低下するので、失速域となる迎角でブレードを使用しないのが周知であった。

そのため、特許文献１では、シーリングファンの直径の１０％～３０％の範囲にはブレードの翼部を配置しないようにしている。当然ながら、ブレードを配置していない箇所（シーリングファンの回転中心部近傍）には下降する風は発生しない。なお、特許文献２では、シーリングファンの回転中心部近傍にもブレードを配置しているが、この回転中心部近傍では上昇する風が発生することが記載されている。

そこで、本発明は、シーリングファンの回転中心部の直下においても下降する風を発生させ、ブレードの長手方向に関して風速の均一化を図ることができるシーリングファンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るシーリングファンは、モータと、モータにより回転する回転軸に配置されるハブと、ハブを中心に放射状に配置される複数のブレードと、を備える。ブレードは、放射方向に沿って直線状に配置される複数の翼部を有し、複数の翼部は、互いに同一の翼型断面を有し、且つ、回転軸に直交する平面に対して迎角をそれぞれ設けて配置される。一のブレードの複数の翼部は、放射方向の外側の翼部の迎角よりも内側の翼部の迎角を大きくして配置される。

本発明の一態様に係るシーリングファンによれば、シーリングファンの回転中心部の直下においても下降する風を発生させ、ブレードの長手方向に関して風速の均一化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るシーリングファンの斜視図である。 図１に示したシーリングファンの要部を示す斜視図である。 図２に示したシーリングファンの要部の平面図である。 図３に示したシーリングファンの要部を側方から見た図である。 図４のＡ－Ａ線による断面図である。 図４のＢ－Ｂ線による断面図である。 図４のＣ－Ｃ線による断面図である。 図４のＤ－Ｄ線による断面図である。 ブレードの翼部をシーリングファンの径方向から見た図である。 各翼部の迎角の関係を示す図である。 各翼部における揚力係数と迎角との関係を示すグラフである。

以下、本実施形態に係るシーリングファンを、図面を参照して説明する。

［シーリングファンの構成］
図１から図４に示すように、本実施形態に係るシーリングファン１０は、モータ２０と、ハブ３０と、複数のブレード４０と、を備える。なお、図１において、下降気流（下降する風）を発生させる際のブレード４０の回転方向を矢印Ｒで示し、以下の説明における「前」はブレード４０の回転方向Ｒの前方側であり、「後」はブレード４０の回転方向Ｒの後方側である。また、図２から図４においては、ハブ３０と、複数のブレード４０の内の１枚のブレード４０とが示される。

シーリングファン１０の架台１１が、建物の天井フレーム（図示せず）から吊り下げて固定される。この架台１１の下端部には、モーターボックス１２が接続(吊り下げて固定)される。モーターボックス１２の内部には、複数のブレード４０を回転させる電動機としてのモータ２０と、モータ２０の回転を減速させる減速機としてのギヤボックス２１とが収納される。なお、図１においては、モーターボックス１２の枠体１３のみが示され、外側パネルは図示が省略される。

モータ２０の回転をギヤボックス２１により減速させ、モーターボックス１２の下方に配置された回転中心部としてのハブ３０を回転させる。

ギヤボックス２１には、回転軸２２（図３及び図４参照）を介してハブ３０が接続され、ハブ３０には、６枚のブレード４０が等角度(６０°)で放射状に配置される。１枚のブレード４０には、３枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃがシーリングファン１０の径方向中心から外方向に向かう一直線上に配置される。シーリングファン１０の外径（直径）Ｄは約９．６ｍであり、１枚のブレード４０の長さは約４．５ｍである。このため、１枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの長さＬは約１．５ｍである。

３枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃのうち、最も半径方向内側（内周側）の翼部４１ｃは、ハブ３０の近傍に配置される。具体的には、内周側の翼部４１ｃは、ハブ３０の取付部３１に当接させて、ハブ３０の取付部３１と同じ高さで配置される。

ハブ３０には、６つの取付部３１が等角度（６０°）で放射状に形成され、各取付部３１には、内周側の翼部４１ｃに装着した連結部材４２の軸部４３が挿入される挿入孔部３２が設けられる。

内周側の翼部４１ｃの径方向内側端部（内周側端部）には、軸部４３と挟持部４４と凸部４５とを有する連結部材４２が配置される。連結部材４２の軸部４３が前述の挿入孔部３２に挿入されて、ボルト等の第一締結部材７１を用いて連結部材４２がハブ３０に対して固定される。

また、ハブ３０の取付部３１にはそれぞれ、切欠部３３が設けられる。この切欠部３３と連結部材４２の凸部４５とが係合することにより、連結部材４２の軸部４３がハブ３０に回り止めされ、ハブ３０とブレード４０とが一体的に回転可能となる。

その一方、内周側の翼部４１ｃが連結部材４２の挟持部４４に挟持された状態で、ボルト及びナット等の第二締結部材７２を用いて内周側の翼部４１ｃが連結部材４２に対して固定される。

ブレード４０における３枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、断面が全て同形状の翼型断面を有している。本実施形態では、製造コストを考慮し、アルミニウム材料の引き抜き加工材を予め１．５ｍに切断した翼部４１（図９参照）を複数枚（本実施形態では、３枚）連結して、１枚のブレード４０を構成している。

図９に示すように、翼部４１は、上方に凸となるように湾曲する翼上面４６ａと、上方に凹となるように湾曲する翼下面４６ｂとを有する。翼部４１の前縁側部分及び後縁側部分にはそれぞれ、後述するウイングレット６０の固定のための第三締結部材７３が挿通される連結孔部４７ａ，４７ｂが形成される。また、翼部４１における前後の連結孔部４７ａ，４７ｂ間には、円筒状のリブ４８と、翼部４１の迎角の設定のための複数の迎角設定孔部４９ａ，４９ｂ，４９ｃとが形成される。これら複数の迎角設定孔部４９ａ，４９ｂ，４９ｃは、円筒状のリブ４８の軸中心を基準として互いに対して等角度（５°）で形成される。

図２から図４に示すように、少なくとも径方向に隣り合う翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃのリブ４８間には、例えばグラスファイバー製の円筒状部材３４がかけ渡される。各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃには、リブ４８に連通する第一連通孔部５０が設けられており、この第一連通孔部５０に平ネジ等の取付部材（図示せず）を螺合することにより、円筒状部材３４が各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃに対して固定される。

また、少なくとも径方向に隣り合う翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの迎角設定孔部４９ａ，４９ｂ，４９ｃ間には、断面四角形状部材５１がかけ渡される。各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃには、迎角設定孔部４９ａ，４９ｂ，４９ｃに連通する第二連通孔部５２が設けられている。この第二連通孔部５２に平ネジ等の取付部材（図示せず）を螺合することにより、断面四角形状部材５１が各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃに対して固定される。

さらに、図１０に示されるように、各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、回転面（回転軸２２に直交する平面ＰＬ）に対する迎角α１，α２，α３がそれぞれ異なる。本実施形態では、３枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、迎角α１，α２，α３が最も外周側から１０°、１５°、２０°となるように、翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃに設けた円筒状のリブ４８を中心に回転させた状態で固定される。

すなわち、最も半径方向外側（外周側）の翼部４１ａの迎角α１は１０°であり、中間の翼部４１ｂの迎角α２は１５°であり、内周側の翼部４１ｃの迎角α３が２０°である。このため、シーリングファン１０の半径方向に隣接する翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの迎角α１，α２，α３同士の差は、全て同等の角度（５°）である。

図２から図８に示すように、少なくとも、外周側の翼部４１ａの径方向外側端部（外周側端部）には、垂直な板により構成される翼端板としてのウイングレット６０が固定される。このウイングレット６０には、整流の効果がある。

また、本実施形態では、シーリングファン１０の半径方向に隣接する翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ間にも、ウイングレット６０が配置される。シーリングファン１０の半径方向に隣接する翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの外周側端部又は内周側端部に固定されたウイングレット６０同士は、ボルト及びナット等の接続部材７４を用いて接続される。

図８に示されるように、ウイングレット６０の上部及び下部にはそれぞれ、接続部材７４を挿通するための接続孔部６１が設けられている。また、ウイングレット６０の前側部分には、翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃへの連結のために平ネジ等の取付部材（図示せず）が挿通される前側取付孔部６２が形成される。その一方、ウイングレット６０の後側部分には、翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃへの連結のために平ネジ等の取付部材（図示せず）が挿通される複数の後側取付孔部６３ａ，６３ｂ，６３ｃが形成される。さらに、ウイングレット６０における前側取付孔部６２と後側取付孔部６３ａ，６３ｂ，６３ｃとの間には、前述の円筒状部材３４が挿通される第一の挿通孔部６４と、前述の断面四角形状部材５１が挿通される第二の挿通孔部（図示省略）とが形成される。

前側取付孔部６２は、挿通孔部６４の孔中心を基準として円弧状に延びる長孔として形成される。その一方、複数の後側取付孔部６３ａ，６３ｂ，６３ｃは、挿通孔部６４の孔中心を基準として互いに対して等角度（５°）で形成される。

［各翼部の迎角の設定］
図１１は、ブレード４０を定格速度（４０ＲＰＭ）で回転させた場合の各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの代表位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３（図４参照）での迎角と揚力係数との関係を示したグラフである。また、このグラフにおいては、各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃにおける揚力係数の変化がそれぞれ、符号ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３を付した線で示される。

前述のように、３枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの迎角α１，α２，α３は、外周側から順に、１０°、１５°、２０°に設定されている。例えば、本実施形態に係るシーリングファン１０を４０ＲＰＭ（回転毎分）で回転させた場合、外周側、中間、内周側の各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの代表速度はそれぞれ、１９．６ｍ／ｓ、１０．４ｍ/ｓ、３．９ｍ／ｓである。すなわち、揚力係数の変化のグラフ線ＣＬ１は１９．６ｍ／ｓ、ＣＬ２は１０．４ｍ/ｓ、ＣＬ３は３．９ｍ／ｓでの迎角と揚力係数との関係を示している。各翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃにおける揚力係数の変化のグラフ線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３に共通していることは、迎角を０°から大きくしていくと揚力係数も大きくなるが、その翼部の失速点を超えると揚力係数は一旦下降する。しかし、さらに迎角を大きくすると、揚力係数は上昇に転じて、失速点での揚力係数を上回る場合も見受けられる。

例えば、３枚の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの迎角α１，α２，α３を全て同じ角度とする場合、具体的には迎角が全て１０°であった場合を説明する。そのときの翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの揚力係数は、それぞれポイントＡ，Ｂ，Ｃで示す値となる。ポイントＡ及びポイントＢは同じ値となるが、ポイントＣの揚力係数は他に比べかなり劣る数値となることが分かる。すなわち内周側の翼部４１ｃの迎角α３が１０°の場合、揚力係数が低下して十分な揚力、すなわち風速(風量)を得ることができない。

しかしながら、内周側の翼部４１ｃの迎角α３を２０°にすることにより他の翼部４１ａ，４１ｂとほぼ同等の揚力係数を得ることができる。すなわち、内周側の翼部４１ｃも他の翼部４１ａ，４１ｂとほぼ同様の風速(風量)を得ることができる。

図１１から分かるように、内周側の翼部４１ｃの迎角α３は、失速が発生する失速角αｓよりも大きく、且つ、迎角を失速角αｓよりもさらに大きくした場合に揚力係数が再び増加する角度αｒよりも大きくなるように設定される。尚且つ、内周側の翼部４１ｃの迎角α３は、失速角αｓの揚力係数と同じ値の迎角（ポイントＤで示す角度、約１４°）、よりも大きな角度に設定される。さらに、内周側の翼部４１ｃの迎角α３は、外周側の翼部４１ａの迎角α１、及び中間の翼部４１ｃの迎角α２よりも大きい角度に設定されている（α３＞α２＞α１）。

［作用効果等］
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態に係るシーリングファン１０は、モータ２０と、モータ２０により回転する回転軸２２に配置されるハブ３０と、ハブ３０を中心に放射状に配置される複数のブレード４０と、を備える。ブレード４０は、放射方向に沿って直線状に配置される複数の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃを有する。複数の翼部４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、互いに同一の翼型断面を有し、且つ、回転軸２２に直交する平面ＰＬに対して迎角α１，α２，α３をそれぞれ設けて配置される。放射方向の最も内側に配置される（内周側の）翼部４１ｃの迎角α３は、ブレード４０の回転時に当該翼部４１ｃにおいて迎角を大きくした場合に揚力係数が減少する失速が発生する失速角αｓよりも大きく、且つ、迎角を失速角αｓよりもさらに大きくした場合に揚力係数が再び増加する角度αｒよりも大きい。

内周側の翼部４１ｃにおいて、低速の風量では、揚力係数が低く、小さな迎角でも失速が始まるが、さらに大きな迎角（α３＝２０°）にすることにより、揚力係数が再度上昇する。このため、内周側の翼部４１ｃにおいて、外周側の翼部４１ａ(迎角α１＝１０°)及び中間の翼部４１ｂ(迎角α＝１５°)と同程度の揚力係数を得ることができる。

以上要するに、シーリングファン１０のブレード４０の内周側の翼部４１ｃの迎角α３を、当該翼部４１ｃにおいて失速が発生する角度（失速角αｓ）よりもさらに大きくしたので、揚力係数が増加し、低速であっても下降する風を発生させることができる。

（２）放射方向の最も内側に配置される（内周側の）翼部４１ｃは、ハブ３０の取付部３１に当接させて、ハブ３０の取付部３１と同じ高さで配置される。

シーリングファン１０のブレード４０の内周側の翼部４１ｃをハブ３０の近傍に配置することにより、シーリングファン１０の回転中心部（ハブ３０）の直下にも下降する風を発生させることができる。このため、ブレード４０が回転する全ての下部領域にほぼ均等に下降する風を送ることが可能になる。

なお、前記特許文献２（特開２００７－１８２８１６号公報）に開示されている内周側羽根板（内周側領域）は、前述の実施形態と同様に迎角が大きく設定されている。しかしながら、前記特許文献２の内周側羽根板（内周側領域）とハブ（回転部）とはアーム部を介して接続されて、内周側羽根板（内周側領域）とハブ（回転部）との距離が保たれている。さらに、前記特許文献２の内周側羽根板（内周側領域）はハブ（回転部）よりも低い位置に配置されている。前記特許文献２では、内周側羽根板（内周側領域）とハブ（回転部）との間に隙間（距離）がある。このため、シーリングファンのハブ（回転部）下方に下から上に向かう風が生じ、さらに内周側羽根板（内周側領域）とハブ（回転部）との間に隙間より内周側羽根板上部に回りこむ風が生じ得る。

ところで、本発明のシーリングファンは前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。

１０ シーリングファン
２０ モータ
２２ 回転軸
３０ ハブ
３１ 取付部
４０ ブレード
４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 翼部
６０ ウイングレット
ＰＬ 平面
α１ 迎角
α２ 迎角
α３ 迎角

Claims (3)

1. モータと、
   前記モータにより回転する回転軸に配置されるハブと、
   前記ハブを中心に放射状に配置される複数のブレードと、を備え、
   前記ブレードは、放射方向に沿って直線状に配置される複数の翼部を有し、
   複数の前記翼部は、互いに同一の翼型断面を有し、且つ、前記回転軸に直交する平面に対して迎角をそれぞれ設けて配置され、
   一の前記ブレードの複数の前記翼部は、前記放射方向の外側の前記翼部の迎角よりも内側の前記翼部の迎角を大きくして配置され、
   前記放射方向の最も内側に配置される前記翼部の迎角は、前記ブレードの回転時に当該翼部において迎角を大きくした場合に揚力係数が減少する失速が発生する失速角よりも大きく、且つ、迎角を前記失速角よりもさらに大きくした場合に揚力係数が再び増加する角度よりも大きく設定され、且つ、
   前記放射方向の最も内側に配置される前記翼部の迎角は、前記放射方向の最も内側に配置される前記翼部において下降する風を前記ブレードの定格速度での回転時に発生させるために、前記放射方向の最も内側に配置される前記翼部よりも前記放射方向の外側に配置される他の前記翼部と同程度の揚力係数を前記ブレードの前記定格速度での回転時に得る角度に設定される、
   シーリングファン。
2. 前記放射方向の最も内側に配置される前記翼部は、前記ハブの取付部に当接させて、前記ハブの前記取付部と同じ高さで配置される、
   請求項１に記載のシーリングファン。
3. 前記放射方向に隣接する前記翼部の迎角同士の差が、互いに同等の角度である、
   請求項１又は２に記載のシーリングファン。

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