JPH0350398A - 遠心力フアン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 低ノイズ用途のＤＣモータ駆動の遠心力ファンに関する
。

Ｂ、従来の技術 ブラシレスＤＣモータは遠心力ファンを駆動する際に、
ＡＣモータより安全性、効率上の柔軟性および低電力消
費の点で優れている。ブラシレスＤＣモータを用いると
低速度動作が可能になり、この結果空気力学上のノイズ
を減らすことができ、またファン速度を任意に変更して
空気流をシステムの冷却要求に適合させることができる
。

しかしながらブラシレスＤＣモータは低ノイズ・レベル
の用途に用いるときに３つの重大の欠点を有する。すな
わちブレード通過周波数で生成される非連続な音、ベア
リングの雑音、おまびＤＣモータ・トルク振動周波数の
高調波でのモータの振動により生成される音の問題であ
る。最後のものが、広帯域空気力学雑音を小さくすれば
する（４） はどより問題になる。そしてファン雑音を最小化する上
で限界的な要素となる。さらにＤＣファンの回転速度は
後方圧力（モータの設計によって変わる）に応じて変化
し、このためモータ振動周波数をモータとファンの構造
的振動モードとに合わせることができるときには雑音レ
ベルが大幅に変化してしまう。

空気力学雑音を最小限に抑えられるときに低速度駆動の
設計を採用するとどのような用途であれ、モータ雑音が
より優先的に解決すべき問題となる。ブラシレスＤＣモ
ータの利点は、雑音の観点からは、実効的でない。第１
にモータはすべての速度で同期的であるので、開始時点
で高い駆動トルクを生成してしまう。そしてこの結果大
電流が生じる。この電流は矩形流による大きなｃｌｉ／
ｄｔに関連して振動周波数の高調波で音響雑音を生成す
る。波形の平滑化は付加的な部品があって初めて可能で
あり、これはコスト上昇を招き、信頼性を減少させる。

大きな開始電流は透磁率を大きくすれば小さく（５） することができるけれど、こうすると負荷に応じてモー
タ速度を増大させることになる。遠心力ファンでは、モ
ータの負荷が後方圧力に反比例して変化するという現象
がある。この結果速度が大になると空気力学雑音も大き
くなる。このまうな速度の変化は雑音の点から欠点であ
るが、種々のシステム静圧力損失において一定の空気流
を維持したい設計者には重要な利点となる。

したがってモータの設計はコスト、空気流効率および音
響の矛盾する要求の妥協の産物である。

そして音響はモータとファン構造の相互作用により決定
される。

ファン設計の以上の側面は°’ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　
ｆａｎ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｎｏｉｓｅ　ｔｈｒｏｕｇ
　ｍｏｔｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ”（Ｈｓｉｅｎ−５ｈｅｎ
ｇ　Ｐｅｉ、　Ｉｎｔｅｒｎｏｉｓｅ　８８）という論
文に詳述されている。ファン雑音の他の側面については
°“Ｆａｎ　ｎｏｉｓｅ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｍｅ
ｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏ
ｄｓ”（Ｗ、　Ｎｅ１ｓｅ＋　Ｉｎｔｅｒｎｏｉｓｅ　
８８）に言己載されている。

遠心力ファンの雑音制御の問題に対する種々の（６） 解決策がすでに提案されている。ＧＢ特許第１４２１２
０７号の「回転ブロア構成」では、ドラム・ロータ羽根
車および駆動モータの単一組立体が、アングル・パーで
ブロア・ケーシングに実装されている。アングル・バー
はスクロールに連結され、ハウジングの一部を構成して
いる。この結合は弾性部材の振動ダンパにより行われ、
ブロア・ケーシングの振動が減衰されるようになってい
る。

ＧＢ特許出願第２０５５９８９Ａの「但雑音遠心カブロ
ア」では、ブロア・アウトレットのインボリュート壁部
の末端の曲折した切欠き部が線形な膨出壁部に置き換え
られて非連続な警笛音を減少させるようになっている。

しかしながら雑音レベルの全体的な減少はなく、警笛音
の除去は純粋にもともと空気力学的なものである。

最後により完べきに従来技術を検討しよう。従来の十分
に展開した形態から切り戻されたＡＣモータ・ファン・
スクロールがＩＢＭ　　９３３５モデル　ＢＯＩディス
ク記憶ユニットに採用され（７） た。９３３５では二重羽根車およびスクロールが中央の
ＡＣモータのいずれかのサイドに実装され、このモータ
自体は個別のファン・ハウジング上に保持されている。

ファン・スクロールは９３３５において完璧に切り戻さ
れ利用可能な空間にフィツトし、かつ共通プレートに結
合されている。空気流分離構造体がプレートの逆の面に
結合され応急の空気流をディスク記憶ユニットの種々の
部分に分岐、案内するようになっている。ＡＣモータ・
ファンはＤＣモータ・ファンに比べ共振のの問題が極め
て簡単であり、９３３５においてはこの問題を、モータ
をファン・ハウジング上に弾性的に実装してハウジング
を主周波数振動から絶縁して比較的簡易に解決している
。

Ｃ９発明の要旨 以上から明らかなように従来の手法は、広範囲の動作環
境にわたって有効な遠心力ＤＣモータ・ファンの雑音を
簡単に低減することはできなかった。

したがってこの発明はブラシレスＤＣモータ（８） と、モータに取付けれて回転する羽根車とスクロールと
を有する遠心力ファンを実現する。そしてこのスクロー
ル上にモータが実装され、またこのスクロールは空気の
入り口および出口を定め、さらに羽根車の周りで曲折す
る外側壁部を含み、この壁部によって羽根車により駆動
される空気が出口に到るように応急の経路を構成する。

スクロールはさらにその出口部分で面取りされ、ＤＣモ
ータにより励起される所定の周波数での機械振動を起こ
す、外部壁部の平坦部を無くすようにしている。

スクロール出口において平坦な放射表面を無くして、曲
折部分だけを残すことにより、ＤＣモータにより励起さ
れるような低い周波数において振動のモードの数および
振幅を減少させ、この結果雑音の発生を少なくできるこ
とがわかった。スクロールの外部壁部は全長にわたって
曲折するのが好ましいが、モータの振動周波数により励
起されないなら、比較的短い平坦部がその外壁部に残っ
ていても大丈夫なことがわかった。７ （９） 好ましい出口の形状は実質的に矩形の開口であり、出口
の面は、開口の周方向に離間する縁部を結ぶ線に沿って
羽根車に接近する。これは曲がった切返しく典型的には
４５度）と考えることができ、通常の完全に展開された
スクロールの角度９０度に対比される。もちろん他の角
度でもよいし、出口の形状も矩形でなくともよい。

しかしながら矩形の形状を用いると、スクロールによっ
てファンを取付けプレートに結合するのが容易になる。

これは外側に伸びたフランジによって行える。したがっ
て矩形が好ましい。

またスクロールが２つの側壁部を有し、この壁部にそれ
ぞれ空気入り口をなす開口を設けるのが好ましい。これ
によって所定容量の空気に対してファン入り口の空気速
度が遅くなり、空気力学的な雑音が小さくなる。

ファンをより静かなものにするには、モータをスクロー
ルに弾性適に取付ける必要がある。この結果出口形状に
影響を受けない他の共振を少なくできる。

（１０） 種々の形態の弾性取付け部を用いることができるが、好
ましいものは、スクロールの側壁部から弾性的に指示さ
れ、軸方向にスクロールへと２羽根車内で延びモータを
支持するモータ支持フレームである。

これは、好ましくはは外部板として実現され、スクロー
ルへと軸方向に延びる側壁部および鰐部とともに延び、
モータに堅固に取付けられる。弾性的な結合は、外部板
およびスクロールの側壁部の間で周方向に配置される振
動絶縁体により行う。外部板が環状の形状をしていれば
、スクロールの側壁部において空気入り口の障害になる
ものを最小化できる。

代替的な構成では、モータ支持フレームを弾性材料で構
成し振動絶縁体にできる。

Ｄ、実施例 ８１図および第２図は、完全に展開したスクロール１０
およびこの発明による面取りされたスクロール２０につ
いてコンピュータ支援設計の手法で生成した振動モード
・モデルを示す。

準備的な設計検討により、空気流の仕様に適合するのに
必要な、羽根車の直径おまびスクロールの大きさが決定
された。そして第１図の完全に展開されたスクロールお
よびこのスクロールに強固に取付けられたモータ羽根車
組立体について、設計検証用の雛形が作成された。当初
の測定結果にまれば、’ＡＪに重み付けされた音のパワ
ーがファンの動作圧力に応じて著しく変化した。４７０
Ｈｚの非連続で顕著な音が無負荷の流れにおいて生した
。この音は後方圧力が上昇すると急激に減少し、さらに
後方圧力が上昇するとより優勢になった。無負荷の流れ
では、ファンの速度が１１７５ｒｐｍのときに、４７０
Ｈｚがモータ・トルク振動周波数の６次高調波に対応す
る。

第１図のスクロールと振動周波数の間の相互作用を理解
するためにコンピュータ支援設計を用いてスクロールの
振動モードを計算した。この結果によれば５次のモード
が４７７．４９Ｈｚの周波数で起こり、これは無負荷の
流れのファンにより生成される音とほとんど対応する。

解析は＄３図および第４図で与えられる振動および音響
測定結果により確認された。

ファンの後方圧力が上昇すると、ファンのｒｐｍが大き
くなって、モータ振動周波数が効果的にスクロールの共
振モードから離される。このような離れた状態は、ファ
ンのｒｐｍがもっと高くなってスクロールに適合する次
の振動高調波に合うまで続く。モータのｒｐｍは後方圧
力に応じて急速に増加するので、音響パワーと後方圧力
との間の関係を示す曲線には幾つかのピークがあった。

そして設計の要件に適合させるためにこれらを減少させ
る必要があった。

モータの振動雑音を鮮魚するための他の幾つかの手法は
つぎのようなものであろう。

１、モータ速度の制御。

２、スクロールの設計を変更してモード周波数およびそ
の形を変える。

３、モータ羽根車の間の振動の絶縁。

理論上は、振動周波数の高調波がスクロールの共振モー
ドの間にくるような態様で、モータの速（１３） 度制御を採用できるけれど、これは実際的な提案ではな
かった。なぜならスクロールのモード周波数がファンの
実装配置の構造上の相違からファンの用途ごとに違って
しまうからである。いずれの用途においても、非連続的
な音を伴うことなく、効率上の理由から速度を変化させ
るときにはほとんど例外なく速度を「チューン」させな
ければならなかった。設計解析によって、最大の変位を
被るのはスクロールの自由端１１であることがわかった
（第１図）。多くの但周波数のモードはモータの振動高
調波に合致した。モータの振動高調波は７次までで消え
ていることがわかっている。そして６６０Ｈｚを下まわ
る振動モードの数を最小にする２つのスクロールの設計
が考えられた。

第１に、二重の厚さの完全に展開されたスクロールはモ
ード周波数を上昇させるけれど、先の設計案と同様に自
由端１１に沿って幅の大きな変位が生じる。

第２に、出口２１の４５度の面取りは平坦な雑音放射領
域１２を除去し、６５０Ｈｚ未満ではた（１４） った２つのモードしかなく、ファン実装構造を励起する
ような自由端に沿う振動はほとんどなかった。

共振モード周波数がより高くなるとスクロールの剛性を
著しく大きなものにしなければならないので（ファンの
コストを上昇させる）、最適な解決策は、面取りのスク
ロールとモータ／羽根車の振動の遮断とを組み合わせて
モータによる振動を最小に減らすことであった。

モータ絶縁デザインはファンの用途に拘束される。最終
的には径方向および軸方向の共振周波数を可能なかぎり
小さくするグロメット絶縁体が用いられた。これら振動
数はモータ／羽根車の重さによって制約され、効率およ
び空気力学的な雑音の観点から必要とされる寸法上の安
定性に制約された。最終的に選択されたグロメットは計
算上それぞれ２８７Ｈｚおよび６０９Ｈｚの軸方向およ
び径方向の共振周波数を有していた。

弾性的にモータを実装して、所望の面取りを有するスク
ロール（第２図）の振動および音響上の測定結果を第５
図および第６図に示す。これはデザイン解析の予想を裏
付けている。

以下の表は３つのスクロール・デザインの、コンピュー
タ設計支援モデルで予想したモード周波数の比較をモー
タ振動高調波とともに示すものである。

この発明のＤＣモータ駆動ファンを第７図、第８図およ
び第９図に示す。このファンの中心部は国際特許出願ｗ
ｏ８８１０７２８５に記載されているようなタイプのブ
ラシレスＤＣモータ５０である。このモータ５０はステ
ータ６Ｌ　ロータＳ２および支持体５３からなっており
、この支持体５３はロータ軸の軸受はハウジングを構成
し、さらにモータの電子部品を担持する印刷配線基板と
一体にモールドされている。モータはカバー板５５（第
７図では示されていない）によって完成される。

モータのロータは中央環状ウェブ５６によって羽根車６
０に結合されている（第７図に最もよく示されている）
。中央環状ウェブ５Ｇの各側部上の羽根車の板６１．６
２は半ピツチだけずれており、ブレード通過周波数での
音を小さくするようにしている。

スクロール７０は羽根車６０を取り巻いている。このス
クロールの一側には取付けフレーム８０によってモータ
／羽根車組立体が取付けられている。スクロール７０は
、羽根車を取り巻く曲折外壁部７１と、モータへの二重
の空気入り口をなすまう開口された側壁部７２とからな
っている。

スクロールは羽根車によって起こされた空気を出ロア３
に分岐する経路を定める。出口の形は矩形である。外に
曲がるフランジ７４は出口を取り巻き、ファンを取付け
板または支持壁土にたとえばスポット・つエルデイソゲ
で取付けられるようになっている。

第１図および第２図のモデルに関して上述したように、
外壁部７１の形状がモータに起因する振動からの雑音を
減少させる上で重要な要素となる。従来のように、また
第１図に示すように、スクロールの外部表面が、曲折の
大体２７０度以降、外部縁部から落ち込む斜面がスクロ
ールの低位置曲折部分と接する、または曲折部分を越え
るまで、線形に延びるように、スクロールを完全に展開
するのでなく、スクロール７０が第８図に示すようにほ
ぼ４５度の角度で面取りされる。この結果スクロールの
外壁部のわずかな線形部をのぞいて、モータ５０により
励起される周波数で振動しやすい平坦面が実質的に除去
される。理想的には第２図のモデルのようにスクロール
の外壁部は曲面のみで構成されるべきであるが、他の部
分は曲折している曲面７１のわずか線形延長部７５はさ
ほど重要な音響放射源にならないことがわかった。

出ロア３の切返しの結果、出口の平面が羽根車６０の表
面に、出口の周方向に離間した縁部７６および７７を結
ぶ線に沿って極めて近づくことになる。第２図の理想的
な形状では、スクロールの中央からの半径は出口の平面
を実質的に直角に１分するであろう。このような幾何形
状により、第７図のように、出口が垂直を向くときに下
方向の移動成分で空気の流れが生じる。

上述の表から理解できるように、切返しスクロールのデ
ザインは６５０Ｈｚ未満のスクロールの振動のモード（
モータの振動高調波により励起されやすいもの）の数を
５から２に抑え、この新たな形状ではスクロールの「自
由」外部縁部に沿（２０） う振動がほとんどない。しかしながらモータからの雑音
をさらに減少させるにはモータ／羽根車組立体の振動絶
縁を必要とする。第７図から第９図のファンでは、モー
タ取付けフレーム８０をスクロールの側壁部７２に３つ
のグロメット８１にまり結合することによってこの絶縁
を行っている。

グロメットは適切な軸方向および径方向の共振周波数を
有して、スクロールを他のモータ振動周波数から分離す
る。

取付けフレーム８０はプラスチック材料から成型され、
環状の外部板８２を有する。この外部板は３つのグロメ
ット用の位置決めスロット８３および鰐部８４を具備し
ている。鰐部８４はスクロール内に軸方向に延びている
。鰐部８０は４つの角度分割されたリブ８５を含み、こ
のリブの各々は指部８６まで延びる。この指部８６は支
持体５３および印刷配線基板５４内の対応する切り欠き
に配置され、モータを支持する。

音響パワーの測定は、半球測定表面を用いた反射位置に
わたる開放場測定のためのＩＳＯ７７（２１） ７９にしたがって行われ（コンピュータ及びビジネス機
器が出すエアボーン雑音の測定）、つぎのファン構成に
ついて行われた。

１、ファン支持板に取付けられた２つブラシレスＤＣモ
ータの遠心力ファンと、通常のユーザの状況で一体化さ
れた堅固に取付けられたモータ／羽根車組立体のもとも
とのデザイン。

２、第７図から第９図に示す最終ユニットのファン／デ
ザインを利用する１のデザイン。ファン・スクロールは
ファン支持板にスポット融着される。

３、ユニットレベルで測定された最公のファン・デザイ
ン。

測定結果を第１０図に示す。Ａに重み付けした音響パワ
ーはベルで表され、ｍｍ水位の後方圧力に対してプロッ
トされている。曲線９０は最初のファン構造に対応し、
曲線９１おまび９２は第２および第３の構造に対応する
。

測定結果は、最後のデザインでは、音響パワーの後方圧
力に対する増加がほぼ線形であることを示す。これは単
一ユニットでも二重ファン組立体でも同じである。また
当初のデザインでは７ｄＢまでの振動を起こすモータ振
動周波数は除去されていることを示す。

さらに最終デザインの二重ファン組立体について音響パ
ワーをファンｒｐｍの対数に対してプロットすると、線
形な回帰式が次のように与えられる。

Ｌｗ＝６．１６１９＊ｌｏｇ　（ファンｒｐｍ）−１４
，６８ この式は、ソースが低速度の遠心力ファンであれば顕著
になる空気力学グイポールに対する第６次パワー法則と
ほとんど適合する。このことから、空気力学的な雑音が
今では顕著になり、羽根車のブレードおよびファンのス
クロールの取り入れ口のデザインを改良するしか、より
一層雑音をなくすことができないことがわかる。

したがって第７図から第９図のファンにおいて、４５度
の出口のスクロールを用いるとともにモータ／羽根軍組
立体の振動絶縁を行えば、広範囲の動作圧力おまび空気
流にわたって空気力学的な雑音が主になるようなレベル
に、モータの雑音を抑えることができる。

１２ボルトで動作する二重ファン組立体における最終の
デザインでは’ＡＪに重み付けされた音響パワーが極め
て低いレベルなる。このレベルは一貫して後方圧力に応
じて変化し、まず開放の流れでは３．９７ベルであり、
２５１　／　ｓ　ｅ　ｅの空気流の供給のもと２ｍｍ水
位の圧力では４．５０ベルになる。

第１２図は代替的なモータ取付けフレームを概略的に示
す。これを第７図から第９図のフレーム８０と代えるこ
とができる。この代替的な構成では、フレーム１００が
重いゴムから成型され、モータ１０２に結合される基部
１０１を含んでいる。３つの脚部１０３は基部から外側
に向かってスクロール１０４中の空気入り口を通じて延
びており、Ｕベンドを通って折り曲げられ、足部１０５
で終端となる。アンクル部１００は各足部の上方でくび
れ、絶縁的な取付けを達成する。１０６（２４） の部分の形状は相対的な軸方向および径方向の剛性を決
定し、モータ振動周波数の高調波により決定される。

Ｅ９発明の詳細 な説明したように、この発明によればスクロールの出口
を切り詰めて余分な平坦面による振動共振を無くしてい
るので、静かな遠心力ファンを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を説明する図、第２図はこの発明の遠心
力ファンを概略的に説明する図、第３図および第４図は
第１図のスクロールの振動および音圧レベルをそれぞれ
説明する図、第５図および第６図は第２図のスクロール
の振動および音圧レベルをそれぞれ説明する図、第７図
はこの発明の実施例を分解して示す斜視図、第８図およ
び第９図は第７図の実施例を詳細に示す図、第１０図お
よび第１１図は第７図の実施例のスクロールの振動およ
び音圧レベルをそれぞれ示す図、第１２図はこの発明の
変形例を示す図である。 （２５） ５０・・・モータ、 ６０・・・羽根車、 ７０−・・スフロー ル、 ８０・・・フレーム。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）ブラシレスＤＣモータと、このモータに取り付け
   られて回転する羽根車と、上記モータを取り付けるスク
   ロールとを有し、このスクロールが空気入り口および空
   気出口を有するとともに、上記羽根車により駆動された
   空気を上記出口に案内する経路を定め、さらに上記スク
   ロールはその出口の位置で切り詰められて実質的に平坦
   部がなくなっていることを特徴とする遠心力ファン。
2. （２）上記スクロールの外壁部が全長にわたって曲面と
   されている請求項１記載の遠心力ファン。
3. （３）上記出口が実質的に矩形の開口であり、その開口
   の平面がその開口の周方向に離間した縁部を結ぶ線に沿
   って上記羽根車に接近する請求項１また２記載の遠心力
   ファン。
4. （４）上記スクロールはその矩形の出口の縁部から外側
   に延びる平坦なフランジを有し、このフランジでフアン
   本体を取り付け板に取り付ける請求項３記載の遠心力フ
   ァン。
5. （５）上記スクロールがそれぞれ空気入り口をなすよう
   に開口された２つの側壁部を有する請求項１、２、３ま
   たは４記載の遠心力ファン。
6. （６）上記モータを弾性的に上記スクロールに取り付け
   上記モータによる上記スクロールの共振を抑圧する請求
   項１、２、３、４又は５記載の遠心力ファン。
7. （７）上記スクロールが側壁部を有し、上記ファン本体
   が上記側壁部に弾性的に結合され上記スクロールへと上
   記羽根車内において軸方向に延びるモータ支持フレーム
   を有する請求項６記載の遠心力ファン。
8. （８）上記モータ支持フレームは上記側壁部とともに延
   びる外部板と、スクロールへと軸方向に延びる籠部材と
   を有し、この籠部材は上記モータに堅固に結合され、上
   記弾性的な結合は上記外部板および上記側壁部の間に周
   方向に配された複数の振動絶縁体により実現する請求項
   ７記載の遠心力ファン。
9. （９）上記籠部材は軸方向に延びる複数のリブを有し、
   これらリブをモータ基部の対応する切り込みに位置決め
   して上記堅固な結合を実現する請求項８記載の遠心力フ
   ァン。
10. （１０）上記スクロールの側壁部が開口され空気入り口
    をなし、上記モータ支持フレームが環状の形状をして上
    記空気入り口の障害物を最小にする請求項８または９記
    載の遠心力ファン。
11. （１１）上記モータ支持フレームが弾性部材で形成され
    て振動絶縁を行う請求項７記載の遠心力ファン。
12. （１２）モータ支持フレームが３つの脚部を有し、これ
    ら脚部により上記モータに堅固に結合された基部を、上
    記側壁部内の足部に結合する請求項１１記載の遠心力フ
    ァン。
13. （１３）上記脚部は上記足部に結合する位置で狭められ
    振動絶縁を実現する請求項１２記載の遠心力ファン。