JP6077991B2 - 渦流ファン - Google Patents

Description

本発明は、渦流ファンに関する。

従来、送風手段として渦流ファンが知られている。渦流ファンとしては、吸入口と吐出口を有する略Ｕ字形のケーシングに、多数の羽根を有する羽根車と、羽根車を回転させるモータとを収容して構成されるものがある（たとえば、特許文献１参照）。

この種の渦流ファンは、吸入口からケーシング内部に空気を取り入れて吐出口から吐き出すように構成されており、ケーシングの内部では、吸入口と吐出口が舌部（ストリッパ部）と呼ばれる仕切りによって隔離され、吸入口からケーシング内を進行した空気が、再び吸入口に戻ることなく吐出口に向かうようにしている。

吸入口からケーシング内に流入した空気は、モータの駆動に応じて回転する羽根車の羽根により、搬送昇圧されて吐出口に向かう。このとき、昇圧された空気が舌部に当たると、羽根のピッチに同期して空気が周期的かつ急激に圧縮され、回転数×羽根枚数で表わされるｎＺ音と呼ばれる周波数の音やその高調波が発生する。

渦流ファンにおいて、舌部周囲の空気が急激に圧縮されることによる圧力変動を抑え、ｎＺ音と高調波を軽減できる構造として、舌部の入り口コーナー両側面にアールを設けることが知られている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

また、仕切り壁（舌部）の羽根車と対向する面に、少なくとも吸入口側の端部を残して吸入口部側から吐出口部側に向かって漸次幅広くした消音溝を切欠き、または漸次幅狭とした消音突起を突出して設けた構造が知られている（たとえば、特許文献３参照）。

特開２００８−１９０８３７号公報 特開２００５−２８２５７８号公報 実開昭６２−１１６２００号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示されるように、舌部の入り口コーナー両側面にアールを設けたとしても、周囲の空気の圧力上昇が一時的に遅れるだけであり、アール終端での急激な圧力変動は避けられず、ｎＺ音や高調波の軽減効果は小さい。

また、特許文献３に示される消音溝や消音突起によれば、仕切り壁（舌部）の羽根車と対向する面、すなわち羽根車の外周面と仕切り壁（舌部）との間では急激な圧力変動は避けられるが、空気の急激な圧力変動は、羽根の上下面でより強く起こるため、ｎＺ音や高調波の軽減効果は小さい。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、舌部、特に羽根の上下面と舌部との間における圧力変動を効果的に抑制し、ｎＺ音や高調波を大幅に軽減することができる渦流ファンを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成によって把握される。
（１）本発明の渦流ファンは、ハブの外周に羽根を有する羽根車と、前記羽根車を回転させるモータと、前記ハブを覆う円筒状部と前記円筒状部の内壁に接合する前記羽根の外側周面及び上下面を覆う円環状の空気室と前記空気室に接合する吸入口と前記吸入口から周方向に離間した位置で前記空気室に接合する吐出口と前記吸入口と前記吐出口の間を隔離する舌部とからなるケーシングとを備え、前記舌部が、前記舌部の前記吐出口側の側面と前記円筒状部の前記内壁とが交差する前記舌部の角で前記舌部と前記羽根との間のクリアランスを最大とし、前記クリアランスが、前記舌部に前記角を中心として扇状の斜面が形成されていることで前記扇状の先端に向かって狭くなり、前記先端から吸入口側で一定となっている。

（２）上記（１）構成において、前記モータがアウターロータ型モータであり、前記ハブの中心に固定されるロータシャフトと、前記ハブの内周面にロータヨークを介して取り付けられるロータマグネットとを備え、前記ハブが前記アウターロータ型モータのロータハウジングとして用いられている。
（３）上記（２）構成において、前記ロータシャフトを回転自在に支持する軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングの外周に前記ロータマグネットと対向するように配置される巻き線を有するステータとを備え、前記ロータマグネットと前記ステータとでモータ部が形成されている。

本発明によれば、舌部、特に羽根の上下面と舌部との間における圧力変動を効果的に抑制し、ｎＺ音や高調波を大幅に軽減することができる渦流ファンを提供することができる。

渦流ファンの基本構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の渦流ファンの舌部の詳細説明のための図である。 圧力変動シミュレーションの結果を説明する図である。 実施形態の渦流ファンの舌部を詳細説明するための図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 参考構造の渦流ファンの騒音測定結果のグラフである。 検討構造の渦流ファンの騒音測定結果のグラフである。 参考構造と検討構造の静圧−風量特性を示すグラフである。

以下、図面を参酌しながら、本発明の基本構成となる渦流ファンを説明した後、好適な実施形態について説明する。なお、全体を通じて同じ要素には同じ符号を付して説明する。

［渦流ファン］
図１は、渦流ファンの基本構成を示す斜視図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
渦流ファン１は、図２に示すように、ケーシング１０と、羽根車２０と、アウターロータ型モータ３０とを備えて構成されている。

図２に示すように、羽根車２０は、アウターロータ型モータ３０のロータハウジングとして機能する円筒状のハブ２１と、ハブ２１の外周の上下方向の中央付近から外側方に延出する仕切り２２と、仕切り２２の上下面に突出形成された多数の羽根２３、２４とを一体的に備えている。なお、図示していないが、仕切り２２は上若しくは下から見た平面視では円盤状であり、その円盤状の上下面に多数の羽根２３、２４が周方向に一体形成されている。
以下の記載においては、必要に応じて、仕切り２２の上面に突出形成された羽根２３を上羽根２３、仕切り２２の下面に突出形成された羽根２４を下羽根２４と称する。

また、多数の羽根２３、２４は、ハブ２１の外周部から放射方向に延出しており、隣接する羽根２３の間、および隣接する羽根２４の間が、空気の流入する溝状の空間を構成する。
なお、羽根２３、２４は、図示してはいないがハブ２１の外周部から放射方向に沿って先端側が回転方向下流側に湾曲するように延出されているが、直線的に延出する羽根形状としてもよいし、時には上流側に湾曲するように延出していてもよい。

図２に示されるように、ケーシング１０は、中央部にハブ２１を覆うように形成された円筒状部１３と、円筒状部１３の外周に接合する多数の羽根２３、２４の上下面および外周面を覆う円環状の部分を有し、その円環状の部分が空気室１４を形成している。

また、図１に示されるように、ケーシング１０は、円環状の空気室１４に接合する吸入口１１と吸入口１１から周方向に離間した位置に円環状の空気室１４に接合する吐出口１２とを有しており、吸入口１１と吐出口１２との間に舌部１５を有している。

この舌部１５は、ケーシング１０内の羽根車２０の回転により吸入口１１から吸い込まれ、ケーシング１０の外周にある空気室１４を通って、吐出口１２側に流れた空気が、再び、吸入口１１側に戻ることを防止するためのものであり、円環状の空気室１４の内壁面を羽根２３、２４に近づけてクリアランスを減少させた構造になっている。

したがって、吐出口１２に到達した空気は、クリアランスが小さい舌部１５を通って吸入口１１側に戻ることができないので、効率よく吐出口１２から排出される。
このように、舌部１５は、吐出口１２から吸入口１１に空気が流れ込まないように、吐出口１２と吸入口１１の間の空気流路を離間させるものである。

また、ケーシング１０の吸入口１１から吐出口１２までの円環状の空気室１４は、略Ｕ字形状になっている（図１参照）。
図２に示すように、アウターロータ型モータ３０は、軸受ハウジング３１と、軸受ハウジング３１の外周部に固定されるステータ３２と、ステータ３２の外周部と対向するように配置されるロータマグネット３９を含むロータ３３とを備えている。

軸受ハウジング３１は、内周部に上下一対の軸受３４が装着される円筒状の部材であり、ケーシング１０の底部に形成される嵌合筒部１６に嵌合することにより、ケーシング１０の内部中央位置に立設される。

ステータ３２は、軸受ハウジング３１の外周部に固定されるステータコア３５と、ステータコア３５のコイル巻装部に設けられるインシュレータ３６と、インシュレータ３６を介してステータコア３５に巻装される複数のコイル（巻き線）３７とを備えて構成されている。

ロータ３３は、ハブ２１の内側に一体的に設けられるロータヨーク３８と、ロータヨーク３８の内周部に周方向に装着される複数または単体のロータマグネット３９と、ハブ２１またはロータヨーク３８の中心に固定されるロータシャフト４０とを備え、このロータシャフト４０が軸受３４を介して軸受ハウジング３１に支持されることにより、ロータシャフト４０を中心として回転するように構成されている。

そして、アウターロータ型モータ３０は、電源部（図示せず）から所定のタイミングで複数のコイル３７に順次電流を供給することにより、ロータ３３と一体の羽根車２０を回転させる、いわゆるアウターロータ型の渦流ファン１を構成している。

つぎに、ケーシング１０の舌部構造について説明する。
［舌部構造］
前述したように、ケーシング１０の舌部１５は、吸入口１１からケーシング１０内を進行した空気が、再び吸入口１１に戻ることなく吐出口１２に向かわせるために、吸入口１１と吐出口１２の間を隔離させる部分である。

具体的には、図２に示すように、舌部１５は、上羽根２３の上端とケーシング１０とのクリアランスを狭くする上側舌部１５ａと、下羽根２４の下端とケーシング１０とのクリアランスを狭くする下側舌部１５ｂと、羽根２３、２４の外周端とケーシング１０とのクリアランスを狭くする外周側舌部１５ｃとを備えて構成されている。

また、前述したように、舌部１５は、空気室１４のように羽根２３、２４との間にクリアランスを許す部分ではなく、できるだけ内壁面を羽根２３、２４に近づけるように形成している部分である。
したがって、舌部１５の上下の壁面は、空気室１４の上下の壁面よりも羽根２３、２４に近い位置となるように空気室１４の上下の壁面よりも内側に出っ張った構造となる。

このため、図３に示す空気室１４と舌部１５とが接する境界部分、つまり、舌部１５の吐出口１２側の側面には、段差が形成されており、この吐出口１２側の側面にできる段差面１５ｄについて、以下のような考察を行った。

渦流ファン１は、アウターロータ型モータ３０の駆動に応じて羽根車２０が回転している状態では、吸入口１１からケーシング１０内に流入した空気が羽根車２０によって搬送昇圧され、吐出口１２に向かう。
このとき、空気は羽根２３、２４の先端から放出され根元に帰るという流動を繰り返す。根元付近（ハブ２１側）の気流は、羽根車２０の内側に位置する空気であるから吐出口１２から遠い位置にあり、効率よく吐出口１２から排出され難い。

このため、このような空気は、そのまま羽根車２０の回転にしたがって、吸入口１１側に向かおうとすると考えられる。
ところが、前述のように、舌部１５の吐出口１２側の側面には内側に出っ張る段差面１５ｄがあるので、吸入口１１側に向かおうとした空気は、この段差面１５ｄに衝突すると考えられる。

この空気の衝突は、羽根２３、２４のピッチに同期して、周期的に起こるとともに、単に衝突ではなく急激な圧縮も同時に受けていると考えられ、このため、回転数×羽根枚数で表わされるｎＺ音と呼ばれる周波数の音やその高調波が発生しているのではと考えた。

そこで、この現象を確認すべく、圧力変動シミュレーションを行った。
圧力変動のシミュレーションで得られた結果をわかり易く図示したのが図４である。

図４に示すように、圧力変動は、舌部１５の吐出口１２側の側面の段差面１５ｄにおける羽根２３、２４の根元付近が最も大きく、一方、羽根２３、２４の先端付近の空気は吐出口１２に排出されるため、圧力変動幅が小さいことが明らかとなった。

そこで、本願発明者は、渦流ファン１の舌部１５における圧力変動の大きい部分の羽根２３、２４と舌部１５（上側舌部１５ａ、下側舌部１５ｂ）のクリアランスを大きくとり段差を減らし、そこから徐々にクリアランスを狭くすることにより、圧力の急激な上昇を抑えることで、この段差面１５ｄにおけるｎＺ音と呼ばれる周波数の音やその高調波の発生を抑制できるのではないかと考えた。

つまり、図２を参照しながら説明すると、舌部１５を羽根２３、２４の上下面と対向する上側舌部１５ａ及び下側舌部１５ｂと、羽根２３、２４の先端面に対向する外周側舌部１５ｃとに分けた場合、羽根２３、２４と外周側舌部１５ｃとの間では圧力変動が少ないので、一定のクリアランスを維持する。

一方、羽根２３、２４と上側舌部１５ａ及び下側舌部１５ｂとの間では、図３に示すように、舌部１５の吐出口１２側の側面の段差面１５ｄにおいて、羽根２３、２４の根元付近の角部１５ｅで圧力変動が最も高いので、この部分は、羽根２３、２４とのクリアランスを大きくとり段差を減らし、吸入口１１側及び羽根２３、２４の先端側に進むにしたがってクリアランスを徐々に小さくすることによって、圧力を徐々に上昇させるようにする。このようにすれば、急激な圧力上昇に伴う圧力変動が抑えられ、ｎＺ音や高調波の発生を軽減できるのではないかと考えた。

以下、この考えを基にした本実施形態の舌部構造を図５及び図６を参照してより詳細に説明する。
なお、図６は、図５の断面を示すものであるが、上記で説明した舌部１５の構造がわかり易いように、舌部１５を通る直線的な断面ではなく、断面を取る途中部分は、図５のＯ−Ａ−Ｂ−Ｏ’を通るように断面を取ったＢ−Ｂ線断面図になっている。

本実施形態の渦流ファン１００の舌部１５は、図５に示すように、舌部１５の吐出口１２側の側面１５ｈとケーシング１０の円筒状部１３の内壁とが交差する角部１５ｅで、図６に示すように、舌部１５と羽根２３、２４との間のクリアランスが最大になっている。
また、このクリアランスは、図５に示すように、舌部１５に角部１５ｅを中心として扇状に形成されその面には斜面１５ｆが形成されることで扇状の先端に向かって狭くなり、図６に見られる通り、その先端から吸入口１１側で一定となる。

本実施形態の舌部１５は、形状的に見れば、図５に示されるように、円筒状部１３の一部を１辺とする略台形状に形成されており、円筒状部１３の１辺の吐出口１２側の角部１５ｅで舌部１５と羽根２３、２４とのクリアランスを最大にするとともに、角部１５ｅを中心とする扇状の斜面１５ｆを舌部１５（上側舌部１５ａ、下側舌部１５ｂ（図６参照））に形成し、扇状の先端側で羽根２３、２４とのクリアランスが小さくなる形状になっている。

上記のような舌部１５の形状としたことに伴う効果を確認するために、本実施形態の構造（以下、「検討構造」という）と、図１〜４を用いて説明してきた基本構成の構造（以下、「参考構造」という）とで羽根車の回転数を５９００ｒｐｍとして吸込み口から１ｍの位置での騒音測定を実施した。
その結果を図７、図８に示す。図７が参考構造の測定結果であり、図８が検討構造の測定結果である。
これらの結果を見ると、参考構造で見られていた４．５ｋＨｚ付近での約３０ｄＢＡのｎＺ成分が検討構造では確認されなくなっており、良好な結果を得ることができた。

また、回転数を同一とした場合の検討構造と参考構造とのＰ−Ｑ特性（静圧−風量特性）を図９に示すが、検討構造のＰ−Ｑ特性は、参考構造のＰ−Ｑ特性と略同じ特性を得ており、このことから、検討構造は性能劣化等の問題もなく、ｎＺ成分の低減が行えていることが確認できた。

以上に述べた実施形態の渦流ファン１００によれば、図６に示すように、ハブ２１の外周に羽根２３、２４を有する羽根車２０と、羽根車２０を回転させるアウターロータ型モータ３０と、ハブ２１を覆う円筒状部１３と円筒状部１３の外周に接合する羽根２３、２４の外側周面及び上下面を覆う円環状の空気室１４と空気室１４に接合する吸入口１１と吸入口１１から周方向に離間した位置で空気室１４に接合する吐出口１２と吸入口１１と吐出口１２の間を隔離する舌部１５とからなるケーシング１０とを備え、図５に示すように、舌部１５が、舌部１５の吐出口１２側の側面１５ｈと円筒状部１３の内壁とが交差する舌部１５の角部１５ｅで舌部１５と羽根２３、２４との間のクリアランスを最大とし、このクリアランスが、舌部１５に角部１５ｅを中心として扇状の斜面１５ｆが形成されていることで扇状の先端に向かって狭くなり、先端から吸入口１１側で一定となっているので、舌部１５、特に羽根２３、２４の上下面における圧力変動を効果的に抑制し、ｎＺ音や高調波を大幅に軽減することができる。

また、本実施形態の渦流ファン１００は、図６に示すように、モータがアウターロータ型モータ３０であり、ハブ２１の中心に固定されるロータシャフト４０と、ハブ２１の内周面にロータヨーク３８を介して取り付けられるロータマグネット３９とを備え、ハブ２１がアウターロータ型モータ３０のロータハウジングとして用いられているので、羽根車２０に対して、その羽根車２０を回転させるための、アウターロータ型モータを別途設ける場合に比べ、アウターロータ型モータの構造をコンパクトに構成することができる。

また、本実施形態の渦流ファン１００は、図６に示すように、ロータシャフト４０を回転自在に支持する軸受ハウジング３１と、軸受ハウジング３１の外周にロータマグネット３９と対向するように配置されるコイル３７を有するステータ３２とを備え、ロータマグネット３９とステータ３２とでアウターロータ型モータ３０が構成されているので、モータ部が収納された渦流ファン１００をコンパクトに構成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 渦流ファン
１０ ケーシング
１１ 吸入口
１２ 吐出口
１３ 円筒状部
１４ 空気室
１５ 舌部
１５ａ 上側舌部
１５ｂ 下側舌部
１５ｃ 外周側舌部
１５ｄ 段差面
１５ｅ 角部
１５ｆ 斜面
１５ｈ 側面
１６ 嵌合筒部
２０ 羽根車
２１ ハブ
２３ 羽根
２４ 羽根
３０ アウターロータ型モータ
３１ 軸受ハウジング
３２ ステータ
３３ ロータ
３４ 軸受
３５ ステータコア
３６ インシュレータ
３７ コイル
３８ ロータヨーク
３９ ロータマグネット
４０ ロータシャフト
１００ 渦流ファン

Claims (3)

1. 渦流ファンであって、
   ハブの外周に羽根を有する羽根車と、
   前記羽根車を回転させるモータと、
   前記ハブを覆う円筒状部と前記円筒状部の内壁に接合する前記羽根の外側周面及び上下面を覆う円環状の空気室と前記空気室に接合する吸入口と前記吸入口から周方向に離間した位置で前記空気室に接合する吐出口と前記吸入口と前記吐出口の間を隔離する舌部とからなるケーシングとを備え、
   前記舌部が、前記舌部の前記吐出口側の側面と前記円筒状部の前記内壁とが交差する前記舌部の角で前記舌部と前記羽根との間のクリアランスを最大とし、
   前記クリアランスが、前記舌部に前記角を中心として扇状の斜面が形成されていることで前記扇状の先端に向かって狭くなり、前記先端から吸入口側で一定となっていることを特徴とする渦流ファン。
2. 前記モータがアウターロータ型モータであり、
   前記ハブの中心に固定されるロータシャフトと、
   前記ハブの内周面にロータヨークを介して取り付けられるロータマグネットとを備え、
   前記ハブが前記アウターロータ型モータのロータハウジングとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の渦流ファン。
3. 前記ロータシャフトを回転自在に支持する軸受ハウジングと、
   前記軸受ハウジングの外周に前記ロータマグネットと対向するように配置される巻き線を有するステータとを備え、
   前記ロータマグネットと前記ステータとでモータ部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の渦流ファン。