特開 2024-51594 軸流ファン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024051594

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】軸流ファン

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/38 20060101AFI20240404BHJP

【ＦＩ】

F04D29/38 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022157842

(22)【出願日】2022-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】000180025

【氏名又は名称】山洋電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】山崎 嘉久

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA13

3H130AB26

3H130AB52

3H130AC30

3H130BA66C

3H130CB01

3H130DD01Z

3H130EB01C

3H130EB05C

(57)【要約】

【課題】ファン性能の高い軸流ファンを提供する。
【解決手段】吸い込み側から吐き出し側へ流れる気流を生じさせる、複数の羽根２を有する軸流ファンであって、羽根２は、羽根２の外周縁２ａに、吸い込み側に向かって立ち上がった反り部１０が設けられており、吸い込み側から見て、外周縁２ａに亘って設けられた反り部１０の開始位置１１が、径方向外側に向かって突出する凸曲線となっており、吸い込み側から見て、凸曲線の全長をＸとしたとき、羽根２の前縁２ｃから凸曲線の頂点ｂまでの長さＹが、０＜Ｙ≦０．６Ｘである。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸い込み側から吐き出し側へ流れる気流を生じさせる、複数の羽根を有する軸流ファンであって、
前記羽根は、
前記羽根の外周縁に、前記吸い込み側に向かって立ち上がった反り部が設けられており、
前記吸い込み側から見て、外周縁に亘って設けられた前記反り部の開始位置が、径方向外側に向かって突出する凸曲線となっており、
前記吸い込み側から見て、前記凸曲線の全長をＸとしたとき、前記羽根の前縁から前記凸曲線の頂点までの長さＹが、０＜Ｙ≦０．６Ｘである、軸流ファン。

【請求項2】

０．２Ｘ≦Ｙである、請求項１に記載の軸流ファン。

【請求項3】

前記前縁での前記反り部の開始位置は、前記羽根の後縁での前記反り部の開始位置よりも、径方向の内側に位置する、請求項１に記載の軸流ファン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軸流ファンに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、羽根の外縁に沿って凸縁を設けた軸流ファンが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実用新案登録第３０８９１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の軸流ファンによれば、羽根の外周縁に沿って反り部を設けることで、インペラ回転時に、遠心力によって外周縁の外側へ空気が流出するのを防止し、外周縁に沿って空気が流れるようにして、風量－静圧特性等のファン性能を向上させている。

【0005】

しかしながら、インペラの回転数や静圧が増加すると、空気が反り部を超えて外周縁の外側へ流出し、ファン性能が低下してしまう恐れがあった。
また、空気が反り部を超えて外周縁の外側へ流出するのを防止するために、反り部の反り角度を大きくすることが考えられる。しかしながら、反り部の反り角度を大きくすると、外周縁の外側への空気の流出は抑制されるものの、風量が低下し、却ってファン性能が低下してしまう恐れがあった。

【0006】

そこで、本発明は、ファン性能の高い軸流ファンを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面に係る軸流ファンは、
吸い込み側から吐き出し側へ流れる気流を生じさせる、複数の羽根を有する軸流ファンであって、
前記羽根は、
前記羽根の外周縁に、前記吸い込み側に向かって立ち上がった反り部が設けられており、
前記吸い込み側から見て、外周縁に亘って設けられた前記反り部の開始位置が、径方向外側に向かって突出する凸曲線となっており、
前記吸い込み側から見て、前記凸曲線の全長をＸとしたとき、前記羽根の前縁から前記凸曲線の頂点までの長さＹが、０＜Ｙ≦０．６Ｘである。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ファン性能の高い軸流ファンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る軸流ファンの斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係る軸流ファンのインペラの斜視図である。

【図3】従来例に係るインペラの一部を示す平面図である。

【図4】比較例１に係るインペラの一部を示す平面図である。

【図5】図４に示したインペラの一部の断面図である。

【図6】比較例２に係るインペラの一部を示す平面図である。

【図7】比較例３に係るインペラの一部を示す平面図である。

【図8】本発明の実施形態に係るインペラの一部を示す平面図である。

【図9】風量に対する静圧、および消費電力の測定結果を示すグラフである。

【図10】同様のＰＱ特性を有する複数のインペラにおいて、反り部の開始位置である凸曲線の頂点の位置に対する消費電力の測定結果を示すグラフである。

【図11】反り部の開始位置である凸曲線の頂点の位置に対するフリーエアーでの消費電力の測定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

【0011】

図１は、本発明の実施形態に係る軸流ファン１の一例を示す斜視図である。図１の（Ａ）は軸流ファン１の吸込み側（以下、上流側とも呼ぶ）から見た斜視図、（Ｂ）は軸流ファン１の吐出し側（以下、下流側とも呼ぶ）から見た斜視図である。
図１に示すように、軸流ファン１は、複数の羽根２を有するインペラ３と、インペラ３の内部に設けられたモータ４と、インペラ３およびモータ４を収容するハウジング５と、インペラ３とハウジング５を接続するスポーク６と、を備える。

【0012】

モータ４は、回転軸８の回転軸線Ａｘを中心に回転方向Ｖにインペラ３を回転駆動する。

【0013】

ハウジング５は、例えば、全体の形状が略矩形状に形成されている。ハウジング５は、空気を吸い込む吸込口５ａと吸い込んだ空気を吐き出す吐出口５ｂとを有する。複数の羽根２の回転によって、吸込口５ａから吸い込まれた空気は、送風方向Ｗに送られ、吐出口５ｂから外部に吐出される。換言すると、軸流ファン１は、吸込口５ａから吐出口５ｂへ流れる気流を生じさせる。
ハウジング５は、インペラ３を収容するための円柱状の空間を形成する内周壁５１を有している。内周壁５１の内径は、インペラ３の外径より僅かに大きい。

【0014】

図２は、本発明の実施形態に係る軸流ファン１のインペラ３の斜視図である。図に示す一例では、インペラ３は、カップ状のハブ９と、ハブ９から径方向外側に延びる複数の羽根２を有している。複数の羽根２はハブ９の周壁部に取り付けられている。複数の羽根２は、羽根２の外周縁２ａの前端が羽根２の付け根２ｂの前端よりも回転方向Ｖに前進した前進翼である。また、複数の羽根２は、それぞれが回転軸８の軸方向に対して傾斜して設けられている。
なお、以下の説明において、前後方向に言及する際には、回転方向Ｖに対して定義するものとする。すなわち、回転方向の上流側を前方とよび、回転方向の下流側を後方と呼ぶ。羽根２の外縁のうち、前方に位置する縁を前縁２ｃ、径方向外側に位置する縁を外周縁２ａ、後方に位置する縁を後縁２ｄと呼ぶことがある（図３参照）。

【0015】

図３は、従来例に係るインペラ３の一部を示す上流側から見た平面図である。図３では、理解しやすくするために、複数の羽根２のうち１つのみを示している。また、羽根２の表面の空気の流れを説明するため、羽根２の表面を流れる気流Ｗ１～Ｗ３を破線矢印で示す。気流Ｗ１は羽根２の径方向内側（付け根２ｂ側）を流れる気流を示し、気流Ｗ２は羽根２の径方向中間領域（付け根２ｂ側と外周縁２ａ側の中間領域）を流れる気流を示し、気流Ｗ３は羽根２の径方向外側（外周縁２ａ側）を流れる気流を示す。

【0016】

図３に示すように、従来例に係るインペラ３においては、羽根２の外周縁２ａに沿って上流側（図３の紙面奥側）から下流側（図３の紙面手前側）に向かって立ち上がる反り部が設けられていない。そのため、インペラ３が回転方向Ｖに回転して気流を生じさせると、径方向外側を流れる気流Ｗ３に遠心力が作用し、羽根２の表面に沿って流れる気流Ｗ３はそのまま外周縁２ａから径方向外側へ流出してしまう。このように外周縁２ａから流出する気流Ｗ３が生じてしまうと、ファン本来の性能が発揮できず、ファン性能が低下してしまう恐れがある。

【0017】

以下、図８に示す本発明の実施形態に係るインペラ３の形状を説明するために、図４～６を用いて比較例１～３を説明する。なお、図４～７では、理解しやすくするために、複数の羽根２のうち１つのみを示している。

【0018】

図４は、比較例１に係るインペラ３の一部を示す平面図である。図４に示した比較例１のインペラ３においては、羽根２の外周縁２ａに沿って上流側（図４の紙面奥側）から下流側（図４の紙面手前側）に向かって立ち上がる反り部１０が設けられている。
図４において、羽根２の前縁２ｃの付け根２ｂ側の端部を点Ａ、前縁２ｃの外周縁２ａ側の端部を点Ａ’、後縁２ｄの付け根２ｂ側の端部を点Ｃ、後縁２ｄの外周縁２ａ側の端部を点Ｃ’と定義する。

【0019】

図５は、図４に示したインペラ３の断面図である。図５に示したように、羽根２の上流側の表面は、付け根２ｂから径方向外側に向かって延びる曲面で構成されている。羽根２の外周側には、羽根２の付け根２ｂから延びる曲面の曲率が変化し、上流側に向かって立ち上がる反り部１０が設けられている。この羽根２の上流側の表面において、羽根２の付け根２ｂから延びる曲面の曲率が変化する点を、反り部１０の開始位置１１と呼ぶ。
図４に戻り、反り部１０の開始位置１１の前縁２ｃ側の端部を点ａ、反り部１０の開始位置１１の後縁２ｄ側の端部を点ｃと定義し、反り部１０の開始位置１１を点ａから点ｃまで破線で示す。

【0020】

図４に示すように、反り部１０は、羽根２の前縁２ｃから後縁２ｄに亘って設けられている。反り部１０の開始位置１１（点ａから点ｃまでの破線）は外周縁２ａに沿った略円弧状である。

【0021】

図６は、比較例２に係るインペラ３の一部を示す平面図である。なお、図４と同様に、点Ａ、Ａ’、Ｃ、Ｃ’、ａ、ｃを定義し、反り部１０の開始位置１１を点ａから点ｃまで破線で示す。

【0022】

図６に示すように、比較例２では、点ａが点Ａ’と一致しており、前縁２ｃには反り部１０が設けられていない。

【0023】

図７は、比較例３に係るインペラ３の一部を示す平面図である。なお、図４と同様に、点Ａ、Ａ’、Ｃ、Ｃ’、ａ、ｃを定義し、反り部１０の開始位置１１を点ａから点ｃまで破線で示す。

【0024】

図７に示すように、比較例３では、点ｃが点Ｃ’と一致しており、後縁２ｄには反り部１０が設けられていない。

【0025】

以下、図８を用いて本発明の実施形態に係るインペラ３の形状を説明する。

【0026】

図８は、本発明の実施形態に係るインペラ３の一部を示す平面図である。なお、図４と同様に、点Ａ、Ａ’、Ｃ、Ｃ’、ａ、ｃを定義し、反り部１０の開始位置１１を点ａから点ｃまで破線で示す。

【0027】

図８に示すように、本実施形態に係るインペラ３において、反り部１０の開始位置１１は径方向外側に向かって突出する凸曲線である。ここで、凸曲線の頂点を点ｂ、点ｂを通って羽根２の形状に沿って径方向外側に延びる仮想線が外周縁２ａと交差する点を点Ｂ’と定義する。
ここで、点Ａ’から点ａまでの曲線の長さが点Ｂ’から点ｂまでの曲線の長さよりも長く、点Ｂ’から点ｂまでの曲線の長さが点Ｃ’から点ｃまでの曲線の長さよりも短くなるように、点ｂは設定されている。

【0028】

図３で説明したように、反り部１０を設けない軸流ファンでは、気流Ｗ３が外周縁２ａから流出してしまう。そこで、図４のように、単に外周縁２ａに沿って開始位置１１が延びるような反り部１０を設けただけでは、高い回転数で回転するような、高い静圧が作用する環境下では、気流Ｗ３が反り部１０を乗り越えて外周縁２ａから流出してしまう。そこで、反り部１０の開始位置１１の形状を工夫することにより、気流Ｗ３の外周縁２ａからの流出を抑止することを、本発明者は検討した。

【0029】

まず、本発明者は、図６のような形状の反り部１０を設けることを検討した。図４の形状では、羽根２の後方（後縁２ｄ付近）で、気流Ｗ３が流出しやすい。そこで、図６に示すように羽根２の後方に反り部１０を設ければ、反り部１０を最低限の大きさで確保しつつ、気流Ｗ３の外周縁２ａからの流出を抑制できると考えた。しかしながら、図６に示した羽根２では、羽根２にぶつかった気流Ｗ３がそのまま外周縁２ａの径方向外側へと向かって流出してしまい、羽根２が効率よく空気を捕まえることができず、軸流ファンの性能を高めにくいことを見出した。

【0030】

次に、本発明者は、図７のような形状の反り部１０を設けることを検討した。図７に示すように、羽根２の前方（前縁２ｃ付近）に反り部１０を設ければ、羽根２にぶつかった気流Ｗ３は外周縁２ａの前部から流出しにくくなり、一応の理想的な流れはできるようにも思われる。しかしながら、反り部１０は羽根２の本来の形状とは異なる形状であり、反り部１０を大きく確保すれば、その分だけ羽根２の本来の仕事量が減ってしまう。その結果、羽根２全体の仕事量が減るので軸流ファンが生じさせることのできる風量が低下してしまうことを見出した。

【0031】

そこで、本発明者は、図８のような、気流Ｗ３が外周縁２ａから流出しにくく、かつ羽根２の仕事量を極力減らさない反り部１０の形状を設けることを検討した。
図８に示した反り部１０を有する羽根２においては、まず空気の流入口である羽根２の前縁２ｃにおいては、反り部１０を大きく確保した。つまり、点Ａ’から点ａまでの長さを大きく確保した。このように大きな反り部１０により、羽根２の前縁２ｃにおいては、気流Ｗ３に後方へ向かって強く流れるベクトルを与えることができる。
羽根２の周方向の中間部においては、反り部１０の大きさを小さくし、この中間部に流入した気流Ｗ３をそのままの勢いで後方へ流す。
中間部を流れてきた気流Ｗ３は、遠心力により徐々に径方向外側へ向かうベクトルが強まるため、中間部から後縁２ｄにかけて反り部１０を徐々に大きくすることで、気流Ｗ３が外周縁２ａから径方向外側に流出することを抑制する。
このような形状の反り部１０を設けることで、反り部１０の面積を最小限に抑えつつ、気流Ｗ３の外周縁２ａからの流出を抑制することができる。

【0032】

なお、羽根２の前縁２ｃでの反り部１０の開始位置１１は、羽根２の後縁２ｄでの反り部１０の開始位置１１よりも、径方向内側に位置してもよい。羽根２による空気の流入口である羽根２の前縁２ｃにおいて、気流Ｗ３に後方へ向かって流れるベクトルをより強く与えることができる。

【0033】

次に、従来例のインペラ２３、比較例１～３のインペラ３３、４３、５３、本実施形態のインペラ３をそれぞれ用いた軸流ファンの、静圧－風量特性（以降、ＰＱ特性と呼ぶ）の測定結果について説明する。

【0034】

図９は、それぞれのインペラを用いた軸流ファンのＰＱ特性を示すグラフである。横軸に風量、縦軸に静圧を示す。従来例のインペラ２３、比較例１～３のインペラ３３、４３、５３、本発明の実施形態のインペラ３について、所定の電力量で駆動した際の風量と静圧を測定した。
図９に示すように、特定の風量（例えば３ｍ^３／ｍｉｎ）を出力するように軸流ファンを駆動した際の静圧は、従来例のインペラ２３を用いた軸流ファン（約７０ｐａ）、比較例１～３のインペラ３３、４３、５３を用いた軸流ファン（約９０ｐａ）、本実施形態のインペラ３を用いた軸流ファン（９５ｐａ以上）の順に大きくなっている。各軸流ファンには同じ電力量を投入しているにもかかわらず、本実施形態の軸流ファンが最も高い静圧であったため、本実施形態の軸流ファンが最も効率が高いことが確認できた。

【0035】

次に、図８に示す本実施形態のインペラを有する軸流ファンにおいて、点ｂの位置を変化させた場合の消費電力の影響について、図１０を用いて説明する。なお、反り部１０の開始位置１１の凸曲線における点ｂの相対位置ｒを、凸曲線の全長Ｘに対する、点ａから点ｂまでの凸曲線の長さＹの割合（ｒ＝Ｙ／Ｘ）で表現することとする。ｒは０から１の間で変化する。

【0036】

図１０は、ｒ＝０．２，０．４，０．６と設定したインペラがそれぞれ同様のＰＱ特性となるように、各々の軸流ファンに任意の電力量を投入した際の消費電力の測定結果を示すグラフである。具体的には、まずｒ＝０．２のインペラを有する軸流ファンについて任意の電力量を投入してＰＱ特性および風量を変化させた際の消費電力を測定した。次に、ｒ＝０．４のインペラを有する軸流ファンについて、特定の風量（例えば１ｍ^３／ｍｉｎ）の出力時に、ｒ＝０．２のインペラを有する軸流ファンが示した該風量の時の静圧（例えば１２０ＭＰａ）となるように、電力量を投入した。このときの消費電力を測定した。このようにして、風量０～６ｍ^３／ｍｉｎに亘って同様の静圧が得られるときの消費電力を測定した。同様にしてｒ＝０．６と設定したインペラを有する軸流ファンについても電力を測定した。

【0037】

図１０は、ｂ＝０．４と設定したインペラを有する軸流ファンが、他の軸流ファンよりも少ない電力量で同様のＰＱ特性が得られること示している。つまり図１０は、ｂ＝０．４と設定したインペラを有する軸流ファンが、ｂ＝０．２，０．６と設定したインペラを有する軸流ファンと比べて、電力効率が良いことを示している。

【0038】

さらに、ｂがどの範囲であれば効率的な軸流ファンが実現できるかを検討した。このような検討に先立ち、点ｂを変化させた際のＰＱ特性および消費電力の関係について確認した。図１０は、ｒ＝０．２，０．４，０．６のいずれも、破線は同じような間隔で並んでおり、同じＰＱ特性を示す運転条件においては、風量の変化に対する消費電力の変化が同様であることを示している。そこで、様々なＰＱ特性の中から、代表としてフリーエアー（無負荷状態）時のＰＱ特性を示すときの消費電力に着目し、ｒの最適値を検討した。
図１１は、ｒを様々に変化させたときの、フリーエアー時の消費電力を測定した結果である。図１１に示したように、０＜ｒ≦０．６と設定した場合、フリーエアー電力が小さくなる。特に、０．２≦ｒ≦０．６と設定した場合、フリーエアー電力が１２．７Ｗ以下でより小さくなることが確認できた。
なお、図１１においてはフリーエアー時の消費電力を測定し、最適なｒの範囲を論じた。このような最適なｒの範囲は、他の運転条件の時にも同様である。図１０において、運転条件が変化してもそれに伴って電力も同様に変化することが確認されているからである。したがって、図１１より、どのような運転条件においても、０＜ｒ≦０．６と設定するのが好ましく、特に、０．２≦ｒ≦０．６と設定することがより好ましい。

【0039】

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

【符号の説明】

【0040】

１ 軸流ファン
２ 羽根
２ａ 外周縁
２ｂ 付け根
２ｃ 前縁
２ｄ 後縁
３ インペラ
４ モータ
５ ハウジング
６ スポーク
８ 回転軸
９ ハブ
１０ 反り部
１１ 開始位置
５１ 内周壁
Ｖ 回転方向
Ｗ 送風方向
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 気流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】