WO2018135069A1

WO2018135069A1 - 送風機

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Publication number: WO2018135069A1
Application number: PCT/JP2017/039157
Authority: WO
Inventors: 由智赤羽根; 正悟 ▲柳▼
Original assignee: 日本電産コパル電子株式会社
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2018-07-26
Also published as: JP2018115585A

Abstract

本実施形態において、送風機１０は、ハウジング１１と、モータ１２と、ファン１３とを備える。ハウジング１１は、外部の空気を取り込む吸気口１７ａと、吸気口１７ａに連通する収容室ＬＲと、収容室ＬＲ内の空気を外部に排出する排気口１７ｂとを備える。モータ１２は、ハウジング１１の収容室ＬＲ内に設けられ、コイル１２６を備える。ファン１３は、モータ１２の回転軸に設けられ、外部の空気を吸気口１７ａから収容室ＬＲ内に取り込み、収容室ＬＲから排気口１７ｂに送風する。ファン１３は、ファン１３の第１面１３ａ上に回転の中心ＣＯから周辺部へ向かって放射状に設けられる板形状の複数のブレード１３１と、第１面と対向するファン１３の第２面１３ｂ上であって隣接する複数のブレード１３１の間と対向する位置に中心ＣＯから周辺部へ向かって放射状に設けられる複数の溝１３３とを備える。

Description

送風機

　本発明の実施形態は、例えば人工呼吸器等に適用可能な送風機に関する。

　吸気口から吸気した空気を排気口に排出する送風機において、例えば回転時にロータとステータとが非接触である空気動圧軸受を備える送風機等がある（例えば、特許第５５８８７４７号公報）。

　空気動圧軸受を備える送風機は、ロータとステータとが直接的に接触するボールベアリング式の軸受を備える送風機等と比べて、長寿命かつ低音である。そのため、人工呼吸器用等の送風機として好適である。

　空気動圧軸受を備える送風機では、送風ファン（ブレード）の上面と下面と間に圧力差が生じ、発生した圧力差により送風ファンが所定の位置よりスラスト方向に移動し、送風ファンがケース体であるハウジングに接触することを防止する必要がある。

　本発明の実施形態では、送風ファンの上面と下面との間に発生する圧力差を抑制して信頼性を向上させることができる送風機を提供する。

　実施形態に係る送風機は、ハウジングと、モータと、ファンとを備える。ハウジングは、外部の空気を取り込む吸気口と、吸気口に連通する収容室と、収容室内の空気を外部に排出する排気口とを備える。モータは、ハウジングと、ハウジングの収容室内に設けられ、コイルを備える。ファンは、モータの回転軸に設けられ、外部の空気を吸気口から収容室内に取り込み、収容室から排気口に送風する。ファンは、ファンの第１面上に回転の中心から周辺部へ向かって放射状に設けられる板形状の複数のブレードと、第１面と対向するファンの第２面上であって隣接する複数のブレードの間と対向する位置に中心から周辺部へ向かって放射状に設けられる複数の溝とを備える。

　本発明の実施形態によれば、送風ファンの上面と下面との間に発生する圧力差を抑制し、送風機の信頼性を向上させることができる。

図１は、第１実施形態に係る送風機の一例を示す側面図である。図２は、第１実施形態に係る送風機の一例を示す上面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、図３の破線領域Ａ近傍の拡大例を示す断面図である。図５Ａは、第１実施形態に係る送風ファンの上面側の一例を示す斜視図である。図５Ｂは、第１実施形態に係る送風ファンの下面側の一例を示す斜視図である。図６は、第１実施形態に係る送風機の制御系の構成の一例を示すブロック図である。図７は、第１実施形態に係る送風機の送風動作によって発生する圧力状態の一例を示す断面図である。図８は、第１実施形態に係る送風機の送風動作によって発生する流路の一例を示す断面図である。図９は、比較例に係る送風機の送風動作における送風ファンの移動の一例を示す断面図である。図１０は、第１実施形態に係る送風機の送風動作における送風ファンの移動の一例を示す断面図である。

　以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の機能及び要素については、同一符号を付し、必要に応じて説明を行う。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係や各層の厚みの比率などは現実のものと異なることがある。

　（第１実施形態）
　［構成］
　　全体構成　
　図１、図２を用いて第１実施形態に係る送風機の全体構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る送風機１０の一例を示す側面図である。図２は、第１実施形態に係る送風機１０の一例を示す上面図である。

　図１、図２に示すように、第１実施形態に係る送風機１０は、ハウジング１１、および送風ファン１３を備えている。送風ファン１３は、ハウジング１１内の収容室内に配置されるモータの回転軸に設けられた複数の送風ブレード１３１を有する。ハウジング１１は、吸気口１７ａおよび排気口１７ｂを有しており、分割された２つのハウジング部材１１ａ、１１ｃにより構成される。吸気口１７ａは、ハウジング１１の上部に設けられ、ハウジング部材１１ａより構成される。排気口１７ｂは、ハウジング１１の側部に設けられ、ハウジング部材１１ａおよび１１ｂにより構成される。

　　断面構成
　図３、図４を用いて第１実施形態に係る送風機の断面構成について詳細に説明する。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って矢印の方向から見た断面図である。図４は、図３の破線領域Ａ近傍の拡大例を示す断面図である。

　図３に示すように、ハウジング１１内には、吸気口１７ａおよび排気口と連通し、ファンユニット５１を収容するための収容室ＬＲが設けられている。ファンユニット５１は、送風ファン１３および送風ファン１３を駆動するためのモータ１２を備える。

　本実施形態において、モータ１２は、例えば、コアレスモータとしてもよい。モータ１２は、シャフト（固定軸）１２１、微小隙間１２２、スリーブ１２３、バックヨーク１２４、コイル１２６、マグネット１２５、ハブ１２７、およびスラストマグネット１２８ａ、１２８ｂを少なくとも備える。上記構成のうち、シャフト１２１、コイル１２６、およびスラストマグネット１２８ａは固定子であり、スリーブ１２３、バックヨーク１２４、マグネット１２５、ハブ１２７、スラストマグネット１２８ｂは回転子である。

　シャフト１２１は、台座１９０を介してベース板２００に固定される。微小隙間１２２は、シャフト１２１とスリーブ１２３との間に設けられるごくわずかな間隙である。スリーブ１２３は、微小隙間１２２を介してシャフト１２１の外周に設けられる。バックヨーク１２４は、スリーブ１２３の外周に設けられる。コイル１２６は、バックヨーク１２４の外周に設けられる。ハブ１２７は、スリーブ１２３およびマグネット１２５の側面等を支持するとともに、シャフト１２１の上部を覆う回転部材である。スラストマグネット１２８ａは、シャフト１２１の上部の内側に固定されたリング状のマグネットである。スラストマグネット１２８ｂは、上記スラストマグネット１２８ａの外周部と対向するように、ハブ１２７の上部の外側に固定されたリング状のマグネットである。本実施形態では、上記構成により、空気動圧軸受を構成している。

　尚、モータ１２の近傍に、基板２３０を介してコイル１２６と電気的に接続されたインダクタとしての別コイルを設けてもよい。

　送風ファン１３は、収容室ＬＲに配置され、回転の中心ＣＯを含む回転軸がモータ１２の回転軸と一致するようにハブ１２７に固定される。送風ファン１３の上面には、吸気口１７ａから取り込んだ外部の空気を、所定の出力（送風圧力および送風流量）にて排気口１７ｂへ送風するための複数の送風ブレード１３１が設けられている。複数の送風ブレード１３１は、送風ファン１３に対して中心ＣＯから放射状に所定の間隔で設けられ、軸方向に突出した板状の部材で構成される。送風ファン１３の詳細については、後述する。

　さらに、図４は、図３の破線領域Ａ近傍の拡大例を示す断面図であり、送風ファン１３の上面１３ａと収容室ＬＲを構成するハウジング部材１１ａとの間には所定のギャップ（隙間）ＧＰ１が設けられ、送風ファン１３の下面１３ｂと収容室ＬＲを構成するハウジング部材１１ｂとの間には所定のギャップ（隙間）ＧＰ２が設けられている。これらのギャップＧＰ１、ＧＰ２が設けられていることにより、送風ファン１３が回転しても、送風ファン１３とハウジング１１とが接触することなく、正常な送風動作を行うことができる。

　尚、ハウジング部材１１ｂは、底部に配置されたベース板２００上に設けられる。ベース板２００およびハウジング部材１１ｂは、これらを貫通する取付ネジ２００ｎにより固定される。また、ベース板２００および基板２３０は、これらを貫通する取付ネジ２３０ｎにより固定される。

　　送風ファンの詳細構成
　図５Ａ、図５Ｂを用いて第１実施形態に係る送風機１０が備える送風ファン１３の詳細構成について説明する。図５Ａは、送風ファン１３の上面１３ａ側の一例を示す斜視図である。図５Ｂは、送風ファン１３の下面１３ｂ側の一例を示す斜視図である。

　図５Ａに示すように、送風ファン１３の上面１３ａ上には、複数の送風ブレード（送風羽）１３１が設けられている。複数の送風ブレード１３１は、回転の中心ＣＯを含む中央部から周辺部へ向かって放射状に上面１３ａ上に所定の間隔で設けられ、軸方向に突出した板状の部材で構成される。すなわち、複数の送風ブレード１３１は、中心ＣＯに近い側の高さが、側部側（円周側）の高さより高い。

　さらに、複数の送風ブレード１３１は、送風ファン１３の回転方向（ここでは、図中の矢印で示す反時計回り）と反対の方向（時計回り）に湾曲して構成されている。このように構成することで、上部の吸気口１７ａから空気を吸気し、吸気した空気をスクロールして側部の排気口１７ｂから空気を排気する。また、送風ブレード１３１を湾曲構成することで、上面１３ａに配置される送風ブレード１３１の表面積を増大させ、送風ファン１３の回転により送風ブレード１３１の間に入り込む空気の量を増大することができる。

　図５Ｂに示すように、送風ファン１３の上面１３ａと対向する下面１３ｂ上には、複数のブレード１３１と対向する位置に凸部１３２がそれぞれ設けられることにより、中心ＣＯから周辺部へ向かって放射状に複数の溝部１３３が設けられている。換言すると、送風ファン１３の下面１３ｂ上には、隣接する複数のブレード１３１の間と対向する位置に、中心ＣＯから周辺部へ向かって放射状に複数の溝部１３３が設けられている。複数の凸部１３２および複数の溝部１３３は、送風ファン１３の下面１３ｂ上の周辺部（円周側部分）のみに設けられ、送風ファン１３の中心ＣＯを含む中央部には設けられていなくてもよい。送風ファン１３の中心ＣＯを含む中央部と周辺部との間には空洞ＯＰがあり、空洞ＯＰをまたいで上面１３ａ上に複数のブレード１３１が設けられることで送風ファン１３の中央部と周辺部とを接続してもよい。すなわち、送風ファン１３は、中央部があり、中央部と同心であり中央部と空洞ＯＰを介して配置される周辺部があり、中央部と周辺部との間には空洞ＯＰがあり、中央部と周辺部との間が複数のブレード１３１で連結される構成でもよい。

　しかも、複数の溝部１３３は、送風ファン１３が回転する方向と反対の方向に湾曲して構成されている。換言すると、複数の溝部１３３は、複数のブレード１３１と同じ方向に湾曲して設けられている。このように溝部１３３を構成することで、送風動作の際に、図５Ｂに矢印で示す各溝部１３３に沿って生成される空気の流路Ｗｂを増大でき、収容室ＬＲ内の圧力を効果的に減圧することができる。詳細については、後述する。

　また、図５Ｂに拡大して示すように、凸部１３２の下面１３ｂからの高さＨ１３２は、ブレード１３３の上面１３ａからの高さＨ１３１よりも低い（Ｈ１３２＜Ｈ１３１）。凸部１３２の幅Ｗ１３２は、ブレード１３３の幅Ｗ１３１よりも広い（Ｗ１３２＞Ｗ１３１）。

　　電気的構成
　図６は、第１実施形態に係る送風機１０の制御系の構成の一例を概略的に示すブロック図である。

　図６に示すように、送風機１０の制御系の電気的構成は、送風ファン１３が設けられたモータ１２を備えるファンユニット５１と、ファンユニット５１の駆動を制御するための駆動制御ユニット５２とにより構成される。駆動制御ユニット５２は、モータ１２を駆動する駆動電力を切り替えるためのパワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２と、パワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２の動作を制御するための制御回路３１とを備える。制御回路３１およびパワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２は、所定の回路部品として例えば基板２３０上に実装されている。

　パワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２は、例えば高耐圧系のパワーＭＯＳ－ＦＥＴ等であって、図示せぬ電流経路の一端が所定の電源に電気的に接続され、他端が基板２３０を介してコイル１２６に電気的に接続され、制御端子が制御回路３１に電気的に接続される。

　制御回路３１は、ファンユニット５１の駆動状態等に基づき、パワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２の制御端子に制御信号を送信し、モータ１２に供給する電力を制御する。そのため、制御回路３１は、例えばパワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２の動作を制御するためのコントローラ等を含んでいてもよい。

　［送風動作］
　図７、図８を用いて第１実施形態に係る送風機１０の送風動作を説明する。図７は、第１実施形態に係る送風機の送風動作によって発生する圧力状態の一例を示す断面図である。図８は、第１実施形態に係る送風機の送風動作によって発生する流路の一例を示す断面図である。

　上記構成において、制御ユニット５２によりモータ１２が駆動されると、送風ファン１３が回転することにより、送風機１０内部の圧力が外部の大気圧と比べて負圧となることで、吸気口１７ａから収容室ＬＲに外気が取り込まれる。

　収容室ＬＲに取り込まれた空気は、送風ブレード１３１により収容室ＬＲをスクロールして所定の出力をもって排気口１７ｂから外部へ排気される。

　ここで、図７に示すように、送風ブレード１３１のスクロールが継続されると、送風ファン１３の上面１３ａ側が負圧、下面１３ｂ側が正圧となり、送風ファン１３の上面１３ａと下面１３ｂとの間に圧力差が発生する。この発生した圧力差により、図中の矢印で示すように、送風ファン１３には圧力の低い領域である負圧側に移動しようとする力が働く。そのため、送風ファン１３が、所定の位置より軸方向のスラスト方向に移動し、送風ファン１３が異常浮上するおそれがある。

　しかし、上述のように、本実施形態に係る送風機１０では、送風ブレード１３の下面１３ｂ上に、中心ＣＯから周辺部へ向かって放射状に複数の溝部１３３が設けられている。そのため、図５Ｂに示したように、送風ファン１３が回転すると、凸部１３２に空気が衝突して各溝部１３３に空気が集められ、各溝部１３３に沿って空気の流路Ｗｂが生成される。

　そのため、図８に示すように、この空気の流路Ｗｂにより、ハウジング１１の収容室ＬＲ内の空気は、排気口１７ｂから外部へ吸い出される。より具体的には、送風ファン１３の下面１３ｂとハウジング１１ａとの間の隙間（ギャップＧＰ２）に発生した空気の流路Ｗｂに伴い、モータ１２の側面のハウジング１１ａとハブ１２７と間に、収容室ＬＲ内の空気を吸い出すように空気の流路Ｗｂ１が発生する。発生した流路ＷｂおよびＷｂ１により、下面１３ｂ側のギャップＧＰ２に発生した正圧が減圧され、送風ファン１３の上面１３ａと下面１３ｂとの間の圧力差が抑制され、送風ファン１３のスラスト方向への移動を防止できる。

　［作用効果］
　図９は、比較例にかかる送風機１００の一例を示す断面図であり、本実施形態のように、下面側１３ｂに溝１３３を形成していない送風ファンを備える送風機を例示している。図９に示す比較例に係る送風機１００において、送風ブレードのスクロールが継続されると、上述したように、送風ファンの上面側が負圧、下面側が正圧となり、送風ファンの上面と下面との間に圧力差が発生する。この圧力差が発生する要因は、送風ファンの上面は吸気口と連通して大気開放されているためその圧力が大気圧となるが、送風ファンの下面の圧力はハウジング内の内圧と等価となることによる。しかし、比較例に係る送風機１００は、本実施形態に係る溝部１３３等の構成を備えていない。そのため、発生した圧力差がしだいに増大し、送風ファンに働く負圧側に浮上しようとする力も大きくなる。そのため、送風ファンの下面とハウジングと間のギャップＧＰ１２が増大し、送風ファンは上面とハウジングとのギャップＧＰ１１が実質的に０となるまでスラスト方向に移動し、送風ファンがハウジングに接触してしまうおそれがある。また、送風ファンの下面側を大気開放してその圧力を大気圧とすると、送風効率が低減する。

　これに対して、第１実施形態に係る送風機１０は、送風ブレード１３の下面１３ｂ上に、中心ＣＯから周辺部へ向かって放射状に設けられた複数の溝部１３３を備える。上記構成において、送風ファン１３が回転すると、空気が各溝部１３３に集められ、各溝部１３３に中心ＣＯから周辺部へ向かう空気の流路Ｗｂが生成される（図５Ｂ）。この空気の流路Ｗｂにより、ハウジング１１の収容室ＬＲ内の空気は、送風ブレード１３１のスクロールにより、排気口１７ｂから外部へ吸い出される（図８）。

　これにより、図１０に示すように、送風ファン１３の下面１３ｂ側のギャップＧＰ２に発生した正圧が減圧され、送風ファン１３の上面１３ａ側のギャップＧＰ１と下面１３ｂ側のギャップＧＰ２とに発生した圧力を均等化できる。その結果、送風動作の前後にかかわらず、送風ファン１３の上面１３ａ側のギャップＧＰ１と下面１３ｂ側のギャップＧＰ２を維持でき、送風ファン１３のスラスト方向への移動を防止することができるため、信頼性を向上することができる点で有利である。さらに、本実施形態では、送風ファン１３の下面１３ｂ側の圧力を大気開放することなく、上面１３ａ側と連結させるため、供給電力に対するモータ１２の駆動効率の低下を防止でき、送風機１０の出力が低下することもない。

　しかも、溝部１３３に生成される空気の流路Ｗｂの流量は、送風ファン１３の回転数に応じて増大するように構成されるため、送風ファン１３の回転数に応じて、スラスト方向への送風ファン１３の変位量を効果的に抑制することができる。

　さらに、送風ブレード１３１、凸部１３２、および溝部１３３は、所定の樹脂等により一体的に成形されるため、所望の形状を精密かつ容易に形成することが可能である。

　また、溝部１３３の本数、深さ（凸部１３２の高さＨ１３２）、幅（凸部の幅Ｗ１３２）を選択することで、送風ファン１３のスラスト方向への変位量を制御することができる。

　さらに、本実施形態では、複数の凸部１３２および複数の溝部１３３は、送風ファン１３の下面１３ｂの周辺部のみに設けられ、送風ファン１３の中心ＣＯを含む中央部と周辺部との間には空洞ＯＰがあり、上面１３ａ上の空洞ＯＰをまたいで複数のブレード１３１が設けられることで、送風ファン１３の中心部と周辺部とを接続している。そのため、送風ファン１３を軽量化でき、消費電力を低減することができる。

　加えて、本実施形態に係る送風機１０を人工呼吸器用の送風機等として利用する場合、一般的な送風機と異なり送風動作のオン／オフを頻繁に行う必要がない一方で、より長時間かつ安定した送風動作が求められる。そのため、本実施形態に係る送風機１０を当該人口呼吸器用の送風機として適用すると、送風ファンの上面１３ａと下面１３ｂとの間における圧力差を抑制できるため、信頼性のある送風動作を安定的に行うことが可能となる。

　尚、基板２３０に送風動作時に発熱体となる制御回路３１およびパワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２を配置する場合、空気の流路Ｗｂ、Ｗｂ１により、これらの発熱体を冷却することも可能となる。そのため、制御回路３１およびパワーＭＯＳ－ＦＥＴ３２から発生した熱によるモータ１２のコイル１２６の温度上昇を抑制することができ、送風機１０の出力の低下を防止することも可能となる。

　（変形例）
　本発明の実施形態は、第１実施形態に開示した内容に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形が可能であることは勿論である。

　例えば、第１実施形態に係る送風機１０では、溝部１３３の本数は、送風ブレード１３１の本数と同一であるが、これに限定されない。また、溝部１３３の深さ（凸部１３２の高さＨ１３２）および幅（凸部の幅Ｗ１３２）も必要に応じて選択することが可能である。

　さらに、溝部１３３の形状において、その側面が水平面に対してほぼ垂直である構造を一例に挙げたがこれに限定されず、例えば溝部１３３の側面が水平面に対して所定のテーパ角を有するように構成してもよい。

　尚、本実施形態に開示の送風機１０の用途は、人工呼吸器用に限定されない。例えば睡眠時無呼吸症候群の治療のための持続陽圧呼吸療法（ＣＰＡＰ：Continuous Positive Airway Pressure）用の医療用途等、その他の送風用途に広く適用可能であることは勿論である。

　その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims

　外部の空気を取り込む吸気口と、前記吸気口に連通する収容室と、前記収容室内の空気を外部に排出する排気口とを備えるハウジングと、
　前記ハウジングの前記収容室内に設けられ、コイルを備えるモータと、
　前記モータの回転軸に設けられ、外部の空気を前記吸気口から前記収容室内に取り込み、前記収容室から前記排気口に送風するファンと、を具備し、
　前記ファンは、前記ファンの第１面上に回転の中心から周辺部へ向かって放射状に設けられる板形状の複数のブレードと、前記第１面と対向する前記ファンの第２面上であって隣接する前記複数のブレードの間と対向する位置に前記中心から前記周辺部へ向かって放射状に設けられる複数の溝と、を備える
　送風機。
　前記複数の溝は、前記ファンの前記第２面上の周辺部に設けられている
　請求項１の送風機。
　前記複数の溝の数は、前記複数のブレードの数と同一である
　請求項１の送風機。
　前記複数のブレードは、前記ファンが回転する方向と反対の方向に湾曲して設けられ、
　前記複数の溝は、前記複数のブレードと同じ方向に湾曲して設けられる
　請求項１の送風機。
　前記ファンは、前記中心を含む中央部と、前記中央部と同心であり空洞を介して配置される周辺部と、前記空洞をまたいで前記中央部と前記周辺部とを接続し前記ファンの上面上に設けられる複数のブレードとを具備する
　請求項１の送風機。