(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に、本発明の実施の形態にかかるプロペラファンおよび換気扇を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、プロペラファンの構成の一例としてスパイダーとブレードが別々に構成されたものを図示しているが、スパイダーとブレードが一体で成形される構成においても本発明の効果は得られる。
【0012】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる換気扇が備える電動機とプロペラファンとを示す斜視図である。
図2は、実施の形態1にかかるプロペラファンの正面図である。換気扇50は、電動機30と、プロペラファン40とを備える。
【0013】
電動機30は、筐体31と軸部32とを備える。筐体31の内部には、図示を省略した固定子と回転子とが設けられている。回転子は、回転軸9を中心に回転可能とされている。回転子は、電動機30に電力が供給されることで回転軸9を中心に回転する。軸部32は、回転子に連結されており、一部が筐体31から露出している。軸部32は、回転軸9に沿って延びる棒状の形状であり、回転子とともに回転軸9を中心に回転する。
【0014】
プロペラファン40は、ボス部6、スパイダー2、ブレード1を備える。ボス部6には、電動機30の軸部32を貫通させる孔6aが形成されている。ボス部6の孔6aに、電動機30の軸部32が差し込まれて、ボス部6が軸部32に連結される。
【0015】
図3は、実施の形態1におけるスパイダーの正面図である。スパイダー2は、主板3と、複数のつなぎ部23と、複数の接合部5とを有する。主板3は、ボス部6の外周面から、回転軸9から離れる方向に延びて円環状に形成された板状の部材である。主板3の板面は、回転軸9と垂直な面を構成する。ボス部6と主板3とは、一体に形成されていてもよいし、別体で形成された物を溶接等で接合してもよい。
【0016】
つなぎ部23は、主板3の外周縁から、回転軸9から離れる方向に延びるように形成されている。つなぎ部23は、主板3の外周縁に沿って等間隔で並べて形成されている。つなぎ部23の数は、後述するブレード1の数と一致する。本実施の形態1では、つなぎ部23の数は3つである。
【0017】
接合部5は、複数のつなぎ部23のそれぞれから、回転軸9から離れる方向に延びるように形成されている。接合部5には、ブレード1が接合される。接合部5とブレード1とは、溶接、カシメ、またはリベットによって接合される。ブレード1は、主板3よりも薄く形成された板状の部材である。回転軸9に垂直な方向から見た場合、ブレード1の板面は、回転軸9に対して傾斜する。プロペラファン40は、3次元立体形状を有する。
【0018】
プロペラファン40では、電動機30の軸部32が回転することで、ボス部6と、スパイダー2と、ブレード1とが一体となって回転軸9を中心に回転する。
図1に示すように、プロペラファン40は、矢印8に示す方向に回転する。矢印8に示す方向にプロペラファン40が回転すると、矢印7に示す方向に向かう気流が発生する。すなわち、プロペラファン40は、矢印8に示す方向に回転することで、矢印7に示す方向に送風する。なお、以下の説明において、矢印7に示す方向を下流方向とし、その反対方向を上流方向とする。また、主板3のうち上流方向を向く面を上流面と称し、下流方向を向く面を下流面と称する。また、回転方向を示す矢印8に示す方向を回転方向における前方とし、その反対方向を回転方向における後方とする。
【0019】
次に、主板3に形成されたリブ4について詳細に説明する。
図4は、
図3に示すIV−IV線に沿った断面図である。主板3には、下流方向に向けて凸となるリブ4が形成されている。リブ4は、
図3に示すように、回転軸9に沿って見た場合に、円環形状に形成されている。本実施の形態1では、ボス部6から径方向外側に向けた一定の領域にはリブ4は形成されていない。すなわち、リブ4の内周縁とボス部6との間には、リブ4が形成されていない領域が設けられている。スパイダー2とブレード1の製造方法には、薄板鋼板や薄板アルミニウム板等をプレス機にてプレス加工して成形する方法が採用される場合が多い。プレス加工によって成形されたスパイダー2では、リブ4の裏面側は凹んだ形状となっている。なお、プレス加工によらずスパイダー2を成形して、リブ4の裏面が凹まないようにしてもよい。
【0020】
ここで、
図3に示すように、主板3の外径をD1とし、リブ4の外周縁の径である外径をD2とする。また、主板3の板厚をtとし、リブ4の高さをhとする。なお、
図4に示すように、リブ4の形成によってできた下流面側の凹みの底面と、主板3の下流面とを結ぶ壁面の中点を結んだ円を、リブ4の外周縁とする。
【0021】
図5は、スパイダーに発生する最大応力比とリブ高さ比(h/t)との関係を示す図である。最大応力比は、リブ4が形成されていないスパイダー2に発生する最大応力を1とした場合の、リブ高さ比を異ならせたスパイダー2に発生する最大応力の比率である。
【0022】
図5に示すように、リブ4が形成されていない場合に比べて、リブ4が形成されている条件ではいずれの条件においても最大応力の低減を図ることが可能となる。特に、リブ高さ比(h/t)≧0.45にて、リブ4が形成されていない場合に比べて最大応力比が0.8倍となり、最大応力を大きく低減することが可能となる。
【0023】
ただし、リブ高さ比(h/t)≧1.2では最大応力の低減量は、ほぼ一定となるため、強度上はリブ高さ比(h/t)をある一定以上大きくしても最大応力の低減を図ることができず、リブ高さ比(h/t)≧2.0では逆に最大応力比はわずかだが増加する。
【0024】
図6は、スパイダーに発生する最大応力比とリブ外周比(D2/D1)との関係を示す図である。
図6に示すように、D2/D1=0.64を基準とすると、リブ外周比D2/D1≧0.69で、5%以上の最大応力の低減を図ることが可能となり、リブ外周比D2/D1が0.815付近で最大応力比が最小の0.885となっている。
【0025】
図7は、実施の形態1にかかるプロペラファンを回転させた場合のスパイダーでの最大応力の発生箇所を示す図である。
図8は、実施の形態1にかかるプロペラファンを回転させた場合の強度解析結果を示す図である。
図8では、羽根外径がφ815mm、ブレード1の材料がアルミ合金で、板厚が2.0mm、スパイダー2の材料が高張力鋼で、板厚が4.5mmのプロペラファン40において、回転速度が1200(min
−1)で回転させた場合の、スパイダー2に生じる応力分布を示している。ハッチングの濃い領域ほど高い応力が発生していることを示す。
【0026】
最大応力発生個所11は、
図7および
図8に示すように、つなぎ部23のうち回転方向の前方となる縁部であるスパイダー前縁部10となり、特に、主板3に近い根元部となることが分かる。
【0027】
図9は、実施の形態1におけるスパイダーであって、D2/D1=0.915の場合のスパイダーを示す図である。
図10は、
図9のX−X線に沿った断面図である。本事例では、主板3に対してリブ4が占める割合が大きくなるため、リブ4がつなぎ部23に近づく。そのため、リブ4で応力が集中するようになり、応力低減を図ることができなくなる。
【0028】
図11は、
図9に示したスパイダーを用いたプロペラファンを回転させた場合の強度解析結果を示す図であって、スパイダーを上流側から見た図である。
図11では、ハッチングが濃いほど高い応力が発生していることを示す。
図11によれば、リブ4に応力が集中していることが分かる。
【0029】
このように、リブ4の径方向の位置によって、応力低減の割合が変わる。また、リブ外周比D2/D1が大きい場合、スパイダー2のプレス加工時にスパイダー2の外周部を押さえつける領域が少なくなり、加工性が低下する。また、リブ4とつなぎ部23が近接することで、加工される範囲が狭い範囲に集中することにより、加工性が低下する。これらの要因により、リブ外周比D2/D1が大きい場合には、寸法精度の低下、製造誤差の増大およびコストの増大を招く可能性がある。
【0030】
一方、上記説明で例示した範囲でリブ外周比を設定することで、最大応力の低減を図りつつ、寸法精度の低下、製造誤差の増大およびコストの増大を抑えることができる。また、上記説明で例示した範囲でリブ高さ比(h/t)を設定することで、より一層の最大応力の低減を図ることができる。すなわち、主板3の強度の向上を図りつつ、厚さを抑えて重量の増加および製造コストの増大を抑えることができる。
【0031】
なお、本実施の形態1ではブレード1が3枚のプロペラファン40を例示したが、ブレード1の枚数は複数であれば3枚に限られない。
【0032】
実施の形態2.
図12は、本発明の実施の形態2にかかるプロペラファンの斜視図である。実施の形態1と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態2にかかるプロペラファン40では、リブ4に複数の貫通孔12が形成されている。より具体的には、リブ4の頂部となる平面部に貫通孔12が形成されている。
図12では、円状の貫通孔12が3箇所に形成された例を示している。貫通孔12の形状はこれに限られず、楕円または多角形等であってもよい。また、貫通孔12の個数はこれに限られず、2個または4個以上であってもよい。
【0033】
図12に示すように、貫通孔12を設けることで、プレス加工時の位置決めに貫通孔12を利用することができる。これにより、スパイダー2のプレス加工時にブランク材料の回転を防ぐことが可能となり、接合部5およびリブ4の成型精度の向上を図り、製造安定性の向上を図ることが可能となる。
【0034】
図13は、実施の形態2にかかるプロペラファンの正面図である。ここで、つなぎ部23の前縁と主板3との境界をつなぎ部前縁端13と定義し、つなぎ部23の後縁と主板3との境界をつなぎ部後縁端14と定義する。
【0035】
貫通孔12は、つなぎ部前縁端13と回転軸9とを結ぶ線と、つなぎ部後縁端14と回転軸9とを結ぶ線とがなす角度をθとすると、つなぎ部後縁端14と回転軸9とを結ぶ線を回転方向の前方に向ってθ/2進めた基準線22とつなぎ部後縁端14と回転軸9とを結ぶ線との間となる領域に形成されていることが望ましい。
【0036】
図14は、比較例にかかるスパイダーの正面図である。比較例にかかるスパイダー62では、貫通孔72が、つなぎ部後縁端14と回転軸9とを結ぶ線を回転方向の前方に向ってθ/2進めた領域よりもさらに前方に形成されている。
【0037】
図15は、
図13に示されたスパイダーの強度解析結果を示す図である。
図16は、
図14に示されたスパイダーの強度解析結果を示す図である。
図15と
図16のどちらも、実施の形態1で示した条件、すなわち羽根外径がφ815mm、ブレードの材料がアルミ合金で、板厚が2.0mm、スパイダーの材料が高張力鋼で、板厚が4.5mmのプロペラファンにおいて、回転速度が1200(min
−1)で回転させた場合の、スパイダーに生じる応力分布を示している。
【0038】
図16に示すように、貫通孔72が、回転方向である矢印8に対してθ/2より前縁側に形成されている場合には、貫通孔72の縁に応力が集中する部分が発生する。一方、
図15に示すように、貫通孔12が、回転方向である矢印8に対してθ/2より後縁側に形成されている場合には、
図16に示した例に比べて貫通孔12の縁で応力が集中していない。このように、回転方向である矢印8に対してθ/2より後縁側に貫通孔12を形成することで、主板3での応力の集中を低減することができる。
【0039】
図17は、貫通孔が形成される位置と貫通孔の縁で発生する最大応力の関係を示す図である。ここで、貫通孔12,72が形成される位置を、θ1で定義する。貫通孔12,72の中心と回転軸9とを結ぶ線と、基準線22が成す角度をθ1とする。また、基準線22を境に前縁側ほど角度が小さく、後縁側ほど角度が大きくなる条件である。
【0040】
例えば、θ=−38°の位置の貫通孔72に発生する最大応力を1とした場合、θ1=21.8°の位置に形成された貫通孔12に発生する最大応力は、0.457倍となり応力が大きく変化することが分かる。
【0041】
貫通孔12,72で発生する応力が高くなることにより、貫通孔12,72から亀裂等が発生する可能性がある。したがって、上述したように、回転方向である矢印8に対してθ/2より後縁側に貫通孔12を形成することが望ましい。
【0042】
実施の形態3.
図18は、本発明の実施の形態3にかかるプロペラファンの斜視図である。
図19は、実施の形態3にかかるプロペラファンの正面図である。
図20は、
図19に示すXX−XX線に沿った断面図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0043】
実施の形態3にかかるプロペラファン40では、主板3とボス部6の境界からリブ4が形成されている。また、リブ4の凹み部分であって、ボス部6より外側に円環状の補強板15が設けられている。上記実施の形態1,2と異なり、主板3とボス部6の境界からリブ4が形成されている場合であっても、補強板15を設けることで、スパイダー2の強度の向上を図ることができる。本実施の形態3のように、主板3を上流側から凹ませてリブ4を形成している場合には、
図20に示すように、補強板15の厚さthをリブ高さhと同じにして、上流面側での凹凸を少なくすることが望ましい。
【0044】
本実施の形態3にかかるプロペラファン40は、プロペラファン40が大型である場合またはプレス機の能力の関係で、ボス部6から径方向外側に向けた一定の領域にリブ4が形成されていない領域を設けることが難しい場合であってもスパイダー2の強度の向上を図れる点で有効である。
【0045】
また、本実施の形態3にかかるプロペラファン40では、ブレード1においてもスパイダー2の接合部5より外周側となるブレード前縁16に沿って延びるブレードリブ17が形成されている。プロペラファン40が大型である場合には、ブレード1にも大きな応力が発生する。そのため、スパイダー2の強度改善のみでは、プロペラファン40全体としての強度が不足する場合がある。そこで、最も強度が必要なブレード前縁16付近にブレードリブ17を設置することで、応力発生部分での強度の向上を図ることができる。これにより、ブレード1の板厚を抑えたり、高強度材料の使用を避けたりすることが可能となり、製造コストの低減が可能となる。なお、ブレードリブ17の突起方向は、本実施の形態では矢印7の方向と逆方向に凸であるが、逆に矢印7の方向と同じ方向に凸となる形状でも同様な効果が得られる。
【0046】
また、本実施の形態3におけるブレード前縁16のブレードリブ17の位置は、スパイダー2とブレード外周縁18との間に位置する。また、ブレード外周縁18を前方に延ばした仮想線とブレード前縁16を径方向外側に延ばした仮想線とが交わる部分をブレード前縁部交点20とし、ブレード外周縁18とブレード後縁19との交点をブレード後縁部交点21とする。このとき、回転軸9との間でのなす角をθbとした場合、回転方向である矢印8に対して、θb/2となる位置よりも前縁部にブレードリブ17が位置することが、ブレード1の応力低減には望ましい。
【0047】
実施の形態4.
図21は、本発明の実施の形態4にかかるプロペラファンの斜視図である。本実施の形態4にかかるプロペラファン40では、実施の形態2で例示したプロペラファン40のブレード1に、実施の形態3で例示したブレードリブ17を追加した構成となっている。
【0048】
本実施の形態4にかかるプロペラファン40では、実施の形態3で例示したようにボス部6と主板3との境界からリブ4を形成するほど大型ではないものの、ブレードにも大きな応力が発生するサイズのプロペラファン40において、板厚アップや高強度材料の使用を避けつつ強度の向上を図ることが可能となり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【0049】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。