JPWO2017033294A1

JPWO2017033294A1 - 羽根付きディフューザ及びこれを備えた送風機乃至流体機械乃至電動送風機

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Publication number: JPWO2017033294A1
Application number: JP2017536119A
Authority: JP
Inventors: 武史本多; 孝磨佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: TW201708713A; US20180258959A1; JP6446138B2; WO2017033294A1; TWI624600B

Abstract

ディフューザ羽根で形成される重なり部で生じる定在波と、重なり部の主流との混合損失を抑制することで、低騒音化と高効率化を両立する羽根付きディフューザ及びこれを備えた送風機乃至流体機械乃至電動送風機を提供する。仕切板と、概仕切板の一面側に設けられる複数の羽根と、を有し、前記仕切板と、前記複数の羽根のうち隣り合う前記羽根と、に挟まれて形成される重なり部を複数有し、前記仕切板は、前記重なり部と直交する方向に２つの孔を有し、前記２つの孔のうちの半径方向に内側の孔と、隣接する前記重なり部における２つの孔のうちの半径方向に外側の孔と、を連結する流路を備えることである。

Description

本発明は、羽根付きディフューザ及びこれを備えた送風機乃至流体機械乃至電動送風機に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許第４７２９５９９号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、送風機の騒音を低下させると共に、送風機の効率向上を図るために、隣り合うディフューザ翼双方に挟まれて形成される重なり部空気流れ流路の一方のディフューザ翼の出口端面から開口端補正値を加えた位置までの間の他方のディフューザ翼に、前記仕切板から立ち上がった貫通孔を形成する構造が示されている。特許文献１は、隣り合うディフューザ翼（以下、ディフューザ羽根）で形成される重なり部空気流れ流路（以下、重なり部）において、重なり部出口を開口端とする定在波を抑制する構造である。

特許第４７２９５９９号公報

重なり部を持つ羽根付きディフューザは、重なり部で発生する定在波により所定の運転回転数で騒音が増加する課題を持つ。また、特許文献１に記載のように羽根に貫通孔を設けた場合は、送風機の騒音を低下させると共に、送風機の効率向上を図っているが、貫通孔でつながった隣接する重なり部の圧力差が大きく、羽根に設けた貫通孔内に流れが生じ、貫通孔から吹き出す流れが、重なり部の主流と混合することで損失が発生し効率向上の妨げになる恐れがある。

すなわち、低騒音化と高効率化を両立するための課題は、重なり部で発生する定在波の抑制と、定在波を抑制するために設けた貫通孔からの流れと重なり部の主流との混合損失の抑制である。

そこで本発明は、ディフューザ羽根で形成される重なり部で生じる定在波と、重なり部の主流との混合損失を抑制することで、低騒音化と高効率化を両立する羽根付きディフューザ及び流体機械乃至電動送風機を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明は上記課題を解決する手段を多数含んでいるが、その一例を挙げるならば、仕切板と、概仕切板の一面側に設けられる複数の羽根と、を有し、前記仕切板と、前記複数の羽根のうち隣り合う前記羽根と、に挟まれて形成される重なり部を複数有し、前記仕切板は、前記重なり部と直交する方向に２つの孔を有し、前記２つの孔のうちの半径方向に内側の孔と、隣接する前記重なり部における２つの孔のうちの半径方向に外側の孔と、を連結する流路を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ディフューザ羽根で形成される重なり部で生じる定在波の抑制と、重なり部の主流との混合損失を抑制することで、低騒音化と高効率化を両立した流体機械乃至電動送風機を提供することが可能となる。

羽根付きディフューザを有する流体機械の模式的な横断面図である。実施例１の送風機の模式図である。実施例１の送風機の横断面図である。実施例１の溝で構成する連結流路の模式図である。連結流路の長さと重なり長さの比による騒音レベルの比較を示した図である。実施例２の送風機の模式図である。実施例２の連結流路の有無による騒音レベルの比較を示した図である。電動送風機の縦断面図である。

以下、本発明の実施例１から実施例２を図に基づいて詳説する。

以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。

まず、図１を用いて、代表的な遠心型流体機械について説明する。図１に羽根付きディフューザを有する流体機械の模式的な横断面図を示す。流体機械１００において、モータの回転軸１０２の長さ方向を軸方向、直交する方向を半径方向とする。

流体機械１００は、モータの回転軸１０２にインペラ１０３が取り付けられ、その外周に羽根付きディフューザ１０４が設置されている。羽根付きディフューザ１０４は、複数枚の羽根を持つものである。羽根付きディフューザ１０４には、シュラウド側１１０に漏れを抑制するリング１０５と、ハブ面１１１を形成する仕切板１０８が設けられている。羽根付きディフューザ１０４の下流には、戻り流路１０６が形成されている。戻り流路１０６は、前記リング１０５乃至ディフューザを覆うケーシング１０９と仕切板１０８により形成されている。戻り流路１０６は、半径方向外側に向いた流路を内側に転向させるものである。戻り流路１０６の下流側には、リターンガイド１０７を有する。

次に、流体機械１００内の流体の流れを説明する。インペラ１０３の回転により吸込口１０１から流体が流入し、インペラ１０３で昇圧された後に、羽根付きディフューザ１０４の内部へ流入する。羽根付きディフューザ１０４は、インペラ１０３から流出された流体の流速を減速させることで静圧が上昇する。羽根付きディフューザ１０４を出た流れは、戻り流路１０６で半径方向外向きの流れから内向きの流れへと転向される。また、戻り流路１０６から出た流れはリターンガイド１０７により回転方向の旋回速度が減少され、下流側へ案内された後、所定の出口から排出される。

なお、リターンガイド１０７の下流には、従来技術の電動送風機のようにモータ流路が構成されていても、または、図中のインペラ１０３とは異なるインペラが存在してもよい。また、図１中のインペラ１０３は、シュラウド板を有するクローズドインペラを示しているが、シュラウド板がないオープンインペラでもよい。また、羽根付きディフューザ１０４は、リング１０５を介してケーシング１０９と接触する構成ではなく、ケーシング１０９と直接接触する構成でもよい。

次に、図２の送風機２００について説明する。図２は代表例としてインペラ２０１と羽根付きディフューザ２０２を示す。インペラ２０１は複数枚の羽根２０３、２０４から構成されており、羽根付きディフューザ２０２は複数枚のディフューザ羽根２０５、２０６により重なり部２０７が形成されている。なお、本実施例１では、インペラ羽根枚数をＺ_ｉ、ディフューザ羽根枚数をＺ_ｄとし、インペラの一翼間角度３６０／Ｚ_ｉが０．９×２×３６０／Ｚ_ｄ以上、１．１×３×３６０／Ｚ_ｄ以下の範囲となる構成を示す。なお、図２は代表例として、インペラ羽根枚数Ｚ_ｉが８枚、ディフューザ羽根枚数Ｚ_ｄが１５枚の場合を示す。

また、本発明が対象とする流体機械の代表諸元について説明する。本発明に用いられる流体機械のインペラ外径はおおよそφ２０mm〜φ４００mmの範囲にあり、羽根出口高さはおおよそ３〜１２mmの範囲にあり、最高回転数はおおよそ毎分２００００〜１５００００回転の範囲にある。

重なり部２０７は、隣り合うディフューザ羽根２０５，２０６と、仕切板と、で形成される部分であり、かつ、ディフューザ入口スロート部２１６からディフューザ羽根２０６の後縁２０８の内側の形状と直交する線上の重なり部出口２１１までとする。また、重なり部の長さＬ２１７は、重なり部２０７の形状に沿って略正接する円を書き、各円の中心を通る線の長さとする。なお、後縁２０８にテーパやＲ部などを設けた場合は、これらの部位を除いた最外径を後縁位置としてもよい。なお、重なり部の羽根面のうち、半径方向内側に位置する羽根面を圧力面２１８、半径方向外側に位置する羽根面を負圧面２１９と定義する。また、重なり部では、重なり部出口２１１を開口端とする定在波が存在し、所定の運転回転数で騒音が増加する課題を持つ。

本発明は、定在波の抑制と重なり部の主流との混合損失を抑制するために、仕切板における各重なり部出口２１１の近傍に重なり部出口２１１と略平行に２つの孔２０９、２１０を設け、１つの重なり部に隣接する重なり部の仕切り板における重なり部出口２１９の近傍に２１２、２１３を設け、半径方向に外側の孔２０９と、回転方向の前向きに隣接する重なり部かつ、半径方向に内側の孔２１３とをつなぐ連結流路２１４を設けている。重なり部出口２１１と略平行の２つの孔２０９、２１０は重なり部の流路に略直交した場所である。２つの孔２０９，２１０は、重なり流路で静圧が略同一であり、２つの孔２０９，２１０の周りの流速差も小さい。すなわち、隣り合う重なり部など各異なる重なり部においても２つの孔の静圧が略同一である。つまり、孔２０９、２１０、２１２，２１３の静圧は略同一である。静圧が略同一であるため、孔２０９と孔２１３とをつなぐ連結流路２１４内の流速は小さい。連結流路２１４内を流れる空気の流速が小さいため、連結流路２１４内を流れる流路と重なり部を流れる流路（主流）との混合損失はそれほど大きいものではなく、無視できる。なお、２つの孔２０９，２１３をつなぐ連結流路２１４の幅は、孔の径と略一致であり、略一定の幅としている。

また、連結流路２１４の長さ２１５は、連結流路の形状に沿って略正接する円を書き、各円の中心を通る線の長さである。なお、孔の大きさは、連結流路幅よりも小さくしてもよい。孔の大きさを小さくすることで、主流との混合損失をより小さくすることができるという効果を奏する。なお、重なり部に設ける２つの孔は、重なり流路に略直交していれば、重なり部出口近傍ではなく、重なり部の長さＬの１／２から重なり部出口までの間に設置してもよい。なお、重なり部の長さＬの１／２から重なり部の出口までの間に設置してもよいとしているのは、重なり部の定在波は、重なり部後半での圧力変動が大きいためである。また、重なり部の長さＬの１／２から重なり部出口までの間であれば，重なり部流路内の流速変化が小さくなった場所となるため，各流路における孔の静圧が略同じとなり、主流との混合損失はそれほど大きいものではなくなるためである。

次に、図３に図２の送風機を組み込んだ際の横断面図を示す。図３は羽根付きディフューザ３０１のハブ側仕切板３０６に、２つの孔３０２、３０３が設けられ、隣接する重なり部をつなぐ連結流路３０４が構成されている。なお、ディフューザの構成はディフューザ羽根３０１とハブ仕切板３０６が一体で構成されている。また、連結流路３０４は仕切板３０６のリターンガイド側形状の一部と、連結流路３０４の一部を溝構造としたリターンガイド側仕切板３０５が合わさることで構成される。なお、ディフューザ羽根３０１を構成する部位とリターンガイド側仕切板３０５は、はめ合い構造３０７で芯や周方向位置が定まり、連結流路内の流れがディフューザ羽根間以外に漏れないように溶着や接着により貼付け、またはＯリング等の漏れ防止構造が用いられている。なお、連結流路構成時は戻り流路の内側曲率半径が大きくなり、戻り流路で生じるはく離の抑制も可能である。また、前記連結流路は、パイプやチューブを用いた流路構成でもよい。なお、重なり部の出口に設けた孔はディフューザのリングに、連結流路はケーシングに構成してもよい。また、羽根付きディフューザは遠心型、斜流型でもよい。

図４に、図３に示したリターンガイド側仕切板３０５を４００として改めて記述した図を示す。リターンガイド側仕切板４００は、半径方向に外側の孔４０１と、回転方向の前向きに隣接する重なり部かつ、半径方向に内側の孔４０２とをつなぐよう溝４０３が設けられている。

次に、図５に連結流路長さＡと重なり部の長さＬの比による騒音レベルの比較結果を示す。なお、本比較はインペラ出口部に各周波数別の点音源を与えた音響解析結果である。

図５から、連結流路無し時は、重なり部内の定在波により共鳴が生じ騒音が大きいことがわかる。一方、連結流路を設けた場合、長さ比Ａ／Ｌが１．５より小さい場合は騒音レベルが小さいことがわかる。なお、連結流路の長さ比Ａ／Ｌは、約１がよいことがわかる。これは、連結流路内の音波の位相と、重なり部の音波が逆位相となることで、定在波を打ち消しあうことができる最適範囲が存在するためである。なお、連結流路の最小長さは、隣接する重なり部出口の長さと関係し、長さ比Ａ／Ｌが０．５より小さい場合は、連結流路を直線で構成しても流路が届かなくなり構成が難しくなる。また、隣り合う重なり部を連結する連結流路を設けた場合、長さ比Ａ／Ｌが１．５より上では、連結流路内の音波の位相が隣り合う重なり部同士の音波の位相と近くなるために、騒音が増加する。また、連結流路長さを１．５より大きくすると、リターン側仕切板３０５の溝構造が複雑となる。溝構造が複雑となると、樹脂製の場合に連結流路を長くすることで仕切板が溝だらけになり、肉厚の不均一で（薄肉にもなる）ヒケも存在することになり成型時の樹脂流れが難しくなる恐れや、切削製作時の作業時間の拡大から製造コストが増加する恐れがある。すなわち、連結流路の長さには、重なり長さＬとの関係で最適値が存在し、長さ比Ａ／Ｌを略１とすると製造コストを増加させることなく低騒音化が図れる。

すなわち、本実施例の構成にすれば、各重なり部に設けた２つの孔の圧力差が略同一であり、隣り合う重なり部の孔をつなぐ連結流路を設けることにより、重なり部の主流との混合損失を抑制でき効率低減を抑制でき、重なり部の長さＬと連結流路の長さＡの長さ比Ａ／Ｌが０．５より大きく１．５より小さい場合は、重なり部の定在波を連結流路により抑制することができ、騒音の低減を図ることができる。

ここで、図８を用いて、電動送風機８００の構成について説明する。図８は電動送風機８００の縦断面図である。電動送風機８００は送風機８０１と電動機８０２から構成されている。

電動機８０２は、一端が開口されたハウジング８０３と、このハウジング８０３の開口側に配置されたエンドブラケット８０４により電動機外殻を構成している。ロータ８０６の回転軸８０５はハウジング８０３の反開口側とエンドブラケット８０４により回転可能に支持され、この回転軸８０５にロータ８０６が取り付けられている。ロータ８０６の外周側にはステータ８０７が配置された構成となっている。ロータ８０６への電気の供給は、ブラシ８０８とそれに接触するコンミテータ８０９により伝えられる。ハウジング８０３内にはロータ８０６，ステータ８０７，ブラシ８０８が収納されている。

送風機８０１は、回転軸８０５に固定され、吸込み口８１５を備えたインペラ８１０と、このインペラ８１０の外周側に配置されたディフューザ８１１と、このディフューザ８１１に対して仕切板８１２を挟んで対面に配置されるリターンガイド８１３とがファンケーシング８１４内に収められた構成となっている。ファンケーシング８１４は、ハウジング８０３の開口側に配置され、インペラ８１０，ディフューザ８１１，前記リターンガイド８１３を覆っている。仕切板８１２はインペラ８１０の背面側（反吸込み口側）に位置している。仕切板８１２の前面側にはディフューザ８１１が配置され、仕切り板８１２の後面側にはリターンガイド８１３が配置される。

この構成において、電動送風機入口８１５から流入した空気は、まずインペラ８１０で昇圧及び増速される。その後、ディフューザ８１１を通過した流れは曲がり流路を経て略１８０°転向し、リターンガイド８１３へと流入するが、この過程において流れは減速されて、その分だけ圧力が上昇する。リターンガイド８１３を通過した流れは、電動機のハウジング８０３内に流入し、ロータ８０６，ステータ８０７，ブラシ８０８，コンミテータ８０９などを冷却してから排気される。

掃除機に用いられる図８のような電動送風機に、本実施例の構成の羽根付きディフューザを搭載すれば、重なり部出口に設けた２つの孔の圧力差が略同一であるために、重なり部の主流との混合損失を抑制でき、重なり部の定在波を連結流路により抑制することができ、高効率化と、幅広い運転回転数範囲での低騒音化が図れる。

次に、実施例２の送風機６００の形状について図６を用いて説明する。実施例１と基本的な構成は同じであるので同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。ここでは、図３中の送風機３００に注目して記載し、送風機を６００とし説明する。

送風機６００は、図２の送風機部分と同じように、インペラ６０１は複数枚の羽根６０３、６０４から構成されており、羽根付きディフューザ６０２は複数枚のディフューザ羽根６０５、６０６により重なり部６０７が形成されている。なお、図６は代表例として、インペラ羽根枚数Ｚ_ｉが８枚、ディフューザ羽根枚数Ｚ_ｄが１１枚の場合を示す。なお、重なり部の定義は実施例１と同じである。

本発明は、重なり部内で発生する定在波を抑制するために、一つ置きの重なり部出口６１０に重なり部出口と略平行に２つの孔６０８、６０９または、６１３、６１４を設け、半径方向に外側の孔６０８と、回転方向の前向きに一つ置きの重なり部６１１かつ、半径方向に内側の孔６１４とをつなぐ連結流路６１２を設けている。重なり部出口６１０と略平行の２つの孔は重なり部の流路に略直交した場所であり各重なり流路で静圧が略同一で、２つの孔周りの流速差も小さい。すなわち、異なる重なり部においても２つの孔の静圧が略同一であるため、連結流路内の流速は小さく、重なり部の主流との混合損失は無視できる。なお、２つの孔をつなぐ連結流路６１２の幅は、孔の径と略一定としている。なお、孔の大きさは、流路幅よりも小さくしてもよい。また、重なり部に設ける２つの孔は、重なり流路に略直交し重なり長さＬの１／２から重なり部出口までの間に設置してもよい。なお、図６の送風機を組み込んだ際の横断面図は図３と、リターンガイド側仕切板の構成は図４と略同一であるため省略する。

次に、図７に実施例２に記載の連結流路の有無による騒音レベルの比較を示す。なお、本比較はインペラ出口部に各周波数別の点音源を与えた音響解析結果である。連結流路無し時は、重なり部内の定在波により共鳴が生じ騒音が大きい。一方、連結流路を設けた場合、騒音レベルが小さいことがわかる。実施例２では、１つ置きの重なり部を連結しており、連結流路の長さＡが重なり部の長さＬに比べて大きくなり、長さ比Ａ／Ｌは２以上となる。なお、１つ置きの重なり部を連結する連結流路を構成することで、重なり部の音波の位相が逆位相となる連結流路の長さが長くなり、長さ比Ａ／Ｌが２以上でも低騒音化が図れる。また、１つ置きの重なり部を連結する場合は、連結流路の構成は略直線で構成でき、リターンガイド側仕切板の溝構造が簡素である。すなわち、例えば樹脂製の場合の成型時の樹脂流れが難しくなること、切削製作時の作業時間の拡大から製造コストの増加となることを回避できる。

連結流路がある場合の騒音低減効果は、実施例１と同様に、連結流路内の音波の位相と、重なり部の音波が逆位相となることで、定在波を打ち消しあうことができるためである。すなわち、重なり部出口に設けた２つの孔の圧力差が略同一であるために、重なり部の主流との混合損失を抑制でき、重なり部の定在波を連結流路により抑制することができ、高効率化と低騒音化の両立が図れる。

また、掃除機に用いられる電動送風機に、本実施例の構成の羽根付きディフューザを搭載すれば、重なり部出口に設けた２つの孔の圧力差が略同一であるために、重なり部の主流との混合損失を抑制でき、重なり部の定在波を連結流路により抑制することができ、高効率化と、幅広い運転回転数範囲での低騒音化が図れる。

１００流体機械
１０１吸込口
１０２回転軸
１０３、２０１、６０１、８１０インペラ
１０４、２０２、６０２、８１１羽根付きディフューザ
１０５リング
１０６戻り流路
１０７、８１３リターンガイド
１０８、８１２仕切板
１０９、８１４ケーシング
１１０シュラウド側
１１１ハブ側
２００、３００、６００、８０１送風機
２０３、２０４、６０３、６０４インペラ羽根
２０５、２０６、３０１、６０５、６０６ディフューザ羽根
２０７、６０７重なり部
２０８ディフューザ羽根の後縁
２０９、２１２、３０２、４０１、６０８、６１３半径方向外側の孔
２１０、２１３、３０３、４０２、６０９、６１４半径方向内側の孔
２１１、６１０重なり部出口
２１４、３０４、６１２連結流路
２１５連結流路長さ
２１６入口スロート部
２１７重なり長さ
２１８圧力面
２１９負圧面
３０５、４００リターンガイド側仕切板
３０６ハブ側仕切板
４０３溝
６１１１つ置きの重なり部
８００電動送風機
８０２電動機
８０３ハウジング
８０４エンドブラケット
８０５回転軸
８０６ロータ
８０７ステータ
８０８ブラシ
８０９コンミテータ
８１５電動送風機入口

Claims

仕切板と、概仕切板の一面側に設けられる複数の羽根と、を有し、
前記仕切板と、前記複数の羽根のうち隣り合う前記羽根と、に挟まれて形成される重なり部を複数有し、
前記仕切板は、前記重なり部と直交する方向に２つの孔を有し、
前記２つの孔のうちの半径方向に内側の孔と、隣接する前記重なり部における２つの孔のうちの半径方向に外側の孔と、を連結する流路を備えたことを特徴とする羽根付きディフューザ。
請求項１に記載の羽根付きディフューザにおいて、連結流路の長さＡと重なり部の長さＬとの比Ａ／Ｌが０．５以上１．５未満の範囲であることを特徴とする羽根付きディフューザ。
仕切板と、概仕切板の一面側に設けられる複数の羽根と、を有し、
前記仕切板と、前記複数の羽根のうち隣り合う前記羽根と、に挟まれて形成される重なり部を有し、
前記仕切板は、前記重なり部と直交する方向に２つの孔を有し、
前記２つの孔のうちの半径方向に内側の孔と、一つ置きに隣接する前記重なり部における２つの孔のうちの半径方向に外側の孔と、を連結する流路を備え、
前記連結流路の長さＡと前記重なり部の長さＬとの比Ａ／Ｌが２以上であることを特徴とする羽根付きディフューザ。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の羽根付きディフューザにおいて、
前記連結流路をパイプ乃至チューブで構成したことを特徴とする羽根付きディフューザ。
円周方向に複数配置される羽根を持つインペラと、前記インペラの外周部に設けられる請求項１乃至４の何れか１項に記載の羽根付きディフューザと、を有し、
前記インペラの羽根枚数をＺ_ｉ、前記ディフューザ羽根枚数をＺ_ｄとし、インペラの一翼間の角度３６０／Ｚ_ｉが０．９×２×３６０／Ｚ_ｄ以上、１．１×３×３６０／Ｚ_ｄ以下の範囲となる構成としたことを特徴とする送風機。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の羽根付きディフューザを有する流体機械又は電動送風機。