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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-01
(45)【発行日】2022-09-09
(54)【発明の名称】軸流ファン
(51)【国際特許分類】
   F04D 29/66 20060101AFI20220902BHJP
   F04D 29/32 20060101ALI20220902BHJP
【FI】
F04D29/66 N
F04D29/32 E
【請求項の数】 2
(21)【出願番号】P 2018189661
(22)【出願日】2018-10-05
(65)【公開番号】P2020060102
(43)【公開日】2020-04-16
【審査請求日】2021-08-04
(73)【特許権者】
【識別番号】000114215
【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001771
【氏名又は名称】弁理士法人虎ノ門知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】奈良 精久
(72)【発明者】
【氏名】児玉 貴文
【審査官】嘉村 泰光
(56)【参考文献】
【文献】実開平07-026629(JP,U)
【文献】特開2002-061596(JP,A)
【文献】特開2011-052684(JP,A)
【文献】特開2011-106428(JP,A)
【文献】特開2013-249738(JP,A)
【文献】国際公開第2005/098213(WO,A1)
【文献】米国特許第05740766(US,A)
【文献】米国特許出願公開第2011/0044809(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2012/0189440(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2015/0260200(US,A1)
【文献】欧州特許出願公開第2863063(EP,A2)
【文献】独国特許出願公開第102008046508(DE,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F04D 1/00-13/16
F04D 17/00-19/02
F04D 21/00-25/16
F04D 29/00-35/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ハウジングと、
前記ハウジングに対して回転自在に支持されるハブと、
前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される複数の羽根と、
前記羽根の径方向外側端部に取り付けられ、前記羽根の回転に伴って回転する連結リングと、
を備え、
前記連結リングは、径方向外側端部が前記ハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入され、
前記ハウジングは、第1ハウジングと、第2ハウジングとを有し、
前記溝は、前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとより形成され
前記第1ハウジングと、前記第2ハウジングとは、軸方向において前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが重ね合わされる段差部が形成され
前記段差部は、前記第1ハウジングの風洞側に前記第2ハウジングから遠ざかる方向に形成された環状の凹部と、該凹部に続いて前記風洞と反対側に前記第2ハウジングに近づく方向に形成された凸部と、前記第2ハウジングの前記風洞側に前記第1ハウジングに近づく方向に形成された環状の凸部と、該凸部に続いて前記風洞と反対側に前記第1ハウジングから遠ざかる方向に形成された凹部と、から構成され、前記第1ハウジングに形成された前記凹部と前記第1ハウジングに形成された前記凸部との軸方向の間隔は、前記第2ハウジングに形成された前記凸部と前記第2ハウジングに形成された前記凹部との軸方向の間隔よりも大きく、前記第1ハウジングに形成された前記凸部が、前記第2ハウジングに形成された前記凹部に嵌合することによって、前記第1ハウジングに形成された前記凹部と前記第2ハウジングに形成された前記凸部との間に前記溝が形成され、
前記羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をL、前記一端から前記連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をXとして、Y=X/Lとした場合に、前記溝は、0.3<Y<0.9となる軸方向位置に配置される、
軸流ファン。
【請求項2】
前記羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をL、前記一端から前記連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をXとして、Y=X/Lとした場合に、
前記溝は、0.3<Y≦0.5となる軸方向位置に配置される、
請求項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】
家電機器、OA機器、産業機器の冷却、換気、空調や、車両用の空調、送風などに広く用いられている送風機として、軸流ファンが知られている。
【0003】
軸流ファンでは、円筒状の風洞を備えたハウジングの中に複数の羽根を備えたインペラが収納されている。このような軸流ファンにおいては、ハウジングの吹出口から吹き出された空気の一部が、羽根と風洞との間の隙間を通って吸込口に流れる逆流が発生する場合がある。
【0004】
この逆流によって、逆流した空気が吸込口において吸込口に流入する空気と衝突して渦流が生じ、騒音が発生すると共に、軸流ファンの風量特性が低下する原因となる。
【0005】
このような逆流を防止するために、円板のファン素材を中央リング及び外周リングと、この中央リングと外周リングとの間を放射線状に連結する複数のリブと、さらにリブの一側方に突出した所要角度で曲げ起したブレードとを打ち抜き成形し、このファン素材の二枚を前記ブレードの突出方向と曲げ起し方向とを互いに相反する方向で背中合せで接合一体化し、前記外周リング部をファンシュラウドに形成した彎曲溝部内に嵌入して成るクーリングファンが開示されている(例えば、特許文献1参照)。このクーリングファンは、外周リングとシュラウドの溝部とによるラビリンス効果によって逆流を防止する構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】実公昭57-45429号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上述した従来のクーリングファンは、インペラについては、外周リングを重合し、スチールの場合は適所でスポット又はリベット止めによって接合一体化する構造となっているが、シュラウドの製造方法に関しては特に開示されていない。従って、外周リングとシュラウドに形成された溝との間で、隙間寸法の精度を高くすることができず、効果的なラビリンスシールを形成することができない可能性がある。
【0008】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、効果的なラビリンスシールを容易に形成できる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】
【0009】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る軸流ファンは、ハウジングと、ハブと、複数の羽根と、連結リングとを備える。前記ハブは、前記ハウジングに対して回転自在に支持される。前記複数の羽根は、前記ハブに固定され、かつ周方向に配置される。前記連結リングは、前記羽根の径方向外側端部に取り付けられ、前記羽根の回転に伴って回転する。前記連結リングは、径方向外側端部が前記ハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入される。前記ハウジングは、第1ハウジングと、第2ハウジングとを有する。前記溝は、前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとより形成される。前記第1ハウジングと、前記第2ハウジングとは、軸方向において前記第1ハウジングと前記第2ハウジングとが重ね合わされる段差部が形成される。前記段差部は、前記第1ハウジングの風洞側に前記第2ハウジングから遠ざかる方向に形成された環状の凹部と、該凹部に続いて前記風洞と反対側に前記第2ハウジングに近づく方向に形成された凸部と、前記第2ハウジングの前記風洞側に前記第1ハウジングに近づく方向に形成された環状の凸部と、該凸部に続いて前記風洞と反対側に前記第1ハウジングから遠ざかる方向に形成された凹部と、から構成され、前記第1ハウジングに形成された前記凹部と前記第1ハウジングに形成された前記凸部との軸方向の間隔は、前記第2ハウジングに形成された前記凸部と前記第2ハウジングに形成された前記凹部との軸方向の間隔よりも大きく、前記第1ハウジングに形成された前記凸部が、前記第2ハウジングに形成された前記凹部に嵌合することによって、前記第1ハウジングに形成された前記凹部と前記第2ハウジングに形成された前記凸部との間に前記溝が形成される。前記羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をL、前記一端から前記連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をXとして、Y=X/Lとした場合に、前記溝は、0.3<Y<0.9となる軸方向位置に配置される。
【0010】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る軸流ファンは、効果的なラビリンスシールを容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1図1は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す正面図である。
図2図2は、実施形態に係る軸流ファンの構成例を示す断面図である。
図3図3は、第1ハウジングおよび第2ハウジングにより形成される環状の溝と連結リングの周辺を詳細に示した断面図である。
図4図4は、連結リングの軸方向における位置の指標を定義する寸法Lと寸法Xとを示す図である。
図5図5は、連結リングの位置による風量特性(P-Q特性)を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、実施形態に係る軸流ファンについて図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、1つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。
【0013】
(軸流ファン1の構成)
図1は、実施形態に係る軸流ファン1の構成例を示す正面図である。図1において、軸流ファン1は外形が矩形のハウジング34を備え、ハウジング34の中央に形成される円筒状の風洞には、ロータヨーク13bと、ハブ21、羽根22および連結リング23を有するインペラ20とが設けられている。ハウジング34は、後述のように、図1における表側の第1ハウジング(34A)と裏側の第2ハウジング(34B)とが重ね合されて形成される。第1ハウジングと第2ハウジングとが重ね合されることで、風洞を構成する壁面に環状の溝が形成され、その溝に連結リング23の外周側の一部が挿入される。図1には、破線により、溝の内面34cと、連結リング23の外周端23aとが示されている。また、ハウジング34の四隅には、ボルト等により他の装置等への取付を行うための取付孔34aが設けられている。
【0014】
図2は、実施形態に係る軸流ファン1の構成例を示す断面図(図1におけるA-A断面図)である。図2において、軸流ファン1は、モータ10と、インペラ20と、ケーシング30と、軸受40と、回路基板50とを備えている。
【0015】
モータ10は、たとえば、アウターロータ型のブラシレスDCモータであり、インペラ20を回転させる。モータ10は、ステータコア11と、コイル12と、ロータ13とを有する。
【0016】
ステータコア11は、ケイ素鋼板などのような軟磁性材料から形成された鋼板がプレス加工され、プレス加工された鋼板が複数枚、軸方向に積層されて構成される。ステータコア11は、円環状の本体部と、かかる本体部の外周側から外方に向かって径方向に延在する複数のティースとを有する。
【0017】
なお、以降においては、軸流ファン1の径方向、軸方向および周方向を次のように規定して説明する。ここで、「径方向」とは、軸流ファン1の内部で回転するインペラ20の回転軸XXと直交する方向であり、「軸方向」とは、インペラ20の回転軸XXの軸方向と一致する方向であり、「周方向」とは、インペラ20の回転方向Rと一致する方向である。
【0018】
コイル12は、ステータコア11を軸方向の両側から覆うインシュレータ(上側インシュレータおよび下側インシュレータ)を介して、複数のティースのそれぞれに巻回される。
【0019】
ロータ13は、回転軸XXを中心としてステータコア11に対して相対的に回転する。ロータ13は、シャフト13aと、ロータヨーク13bと、ロータマグネット13cとを有する。
【0020】
シャフト13aは、円柱状であり、軸方向に延在し、軸受ホルダー31の内側に装着された一対の軸受40により回転可能に支持される。ロータヨーク13bは、軟磁性材からなり、カップ状であり、中央に軸方向内側に向けて形成された突出部にシャフト13aの一方端が圧入されて結合される。ロータヨーク13bの突出部は絞り加工やバーニング加工等にて形成されている。
【0021】
ロータマグネット13cは、円筒状であり、ロータヨーク13bの外周部における内周面に接合される。また、ロータマグネット13cは、ステータコア11のティースと向かい合うように配置され、内周面にS極、N極が周方向に交互に着磁される複数の磁極が形成される。
【0022】
インペラ20は、ハブ21と、複数の羽根22と、連結リング23とを有する。ハブ21は略円筒状であり、ロータヨーク13bの外周面に支持される。複数の羽根22は、ハブ21の外周面に支持される。羽根22は全て同じ形状で、周方向に均等の間隔で配置され、隣接する羽根22との間に平面視で隙間が形成されている。連結リング23は環状であり、複数の羽根22の外周縁に設けられ、複数の羽根22を連結する。連結リング23の軸方向における位置(第1ハウジング34Aと第2ハウジング34Bとで形成される溝の位置に対応)は、図では羽根22の軸方向の上端(後述する吹出口36側の一端)から下端(後述する吸込口35側の他端)までの略中央とされているが、後述のように、実測結果を参考にして決定される。ハブ21と複数の羽根22と連結リング23とは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。ハブ21の内側にロータヨーク13bが挿入され、接着剤で接着されるが、これに代えて、ロータヨーク13bがインペラ20に一体成形されても構わない。
【0023】
ケーシング30は、軸受ホルダー31と、モータベース32と、複数のスポーク33と、ハウジング34とを有する。前述のように、ハウジング34は第1ハウジング34Aと第2ハウジング34Bとが重ね合されて形成される。軸受ホルダー31は、円筒状であり、モータベース32の中央に形成された突出部の開口に配置される。軸受ホルダー31はモータベース32の突出部の開口に嵌着してもよく、また軸受ホルダー31をインサートしてモータベース32に一体成形してもよい。軸受ホルダー31は、内周側に一対の軸受40が装着され、外周側にはステータコア11などが装着されている。モータ10が装着されるカップ状のモータベース32は、第2ハウジング34Bの一方端に配置される。
【0024】
複数のスポーク33は、モータベース32の外周側に配置され、径方向に延在してモータベース32と第2ハウジング34Bとを連結する。第1ハウジング34Aおよび第2ハウジング34Bは、内側に円孔が形成され、かかる円孔に軸流ファン1の各部材が収容される。モータベース32と、スポーク33と、第2ハウジング34Bとは、たとえば、樹脂の一体成形で形成される。
【0025】
また、ケーシング30には、軸方向における一方側(図2では上側)に吸込口35が形成され、軸方向における他方側(図2では下側)に吹出口36が形成される。そして、インペラ20が所定の回転方向Rに回転することにより、吸込口35から吹出口36に向けて空気の流れ100が形成される。
【0026】
軸受40は、転がり軸受で構成されており、シャフト13aを回転自在に支持する。なお、軸受40は流体軸受であってもよいし、滑り軸受であってもよい。
【0027】
回路基板50は、電子部品を実装し、モータ10を制御する制御回路を有しており、ステータコア11とモータベース32との間で、下側インシュレータの下端側に配置される。
【0028】
図3は、第1ハウジング34Aおよび第2ハウジング34Bにより形成される環状の溝34gと連結リング23の周辺を詳細に示した断面図である。図3において、第1ハウジング34Aには、風洞側に環状の凹部34dが設けられ、それに続いて凸部34bが設けられている。また、第2ハウジング34Bには、風洞側に環状の凸部34fが設けられ、それに続いて凹部34eが設けられている。そして、第1ハウジング34Aの凸部34bが、第2ハウジング34Bの凹部34eに嵌合することで、連結リング23の先端が挿入される環状の溝34gが形成される。凸部34b、凹部34d、凹部34eおよび凸部34fは、段差部の一例である。
【0029】
ハウジング34が上述のような構造の第1ハウジング34Aと第2ハウジング34Bとで形成されることで、第1ハウジング34Aと第2ハウジング34Bのいずれも、上型と下型とに分かれた金型による射出成形にて形成が可能となり、高精度かつ低コストでの製造が可能となる。また、第2ハウジング34B側にインペラ20が配置された後に第1ハウジング34Aが取り付けられることにより、風洞よりも径の大きな連結リング23を溝34gに容易に挿入することが可能になる。
【0030】
なお、軸流ファン1の組立工程の概略は次のようになる。先ず、第2ハウジング34Bのモータベース32にモータ10のステータコア11が取り付けられた後、インペラ20が取り付けられたロータ13がステータコア11の外周に取り付けられる。次いで、第2ハウジング34Bの上に第1ハウジング34Aが装着され、第1ハウジング34Aと第2ハウジング34Bとを貫通する取付孔34aにボルトが装着され、両ハウジング34A、34Bが結合される。なお、ボルトが他の装置に締結されることで、両ハウジング34A、34Bが結合されるようにしてもよい。この結合によって、インペラ20の連結リング23が、風洞の内周面に形成された環状の溝34gの中に収納される。連結リング23とハウジング34との間には微小な隙間が形成され、吹出口36から吸込口35への空気の逆流を防止するラビリンス効果を発揮する。なお、
連結リング23の軸方向の寸法(厚さ寸法) < 溝34gの軸方向の寸法
連結リング23の外周端の径(直径) < 溝34gの径(直径)
となる。
【0031】
(連結リング23および溝34gによるラビリンス効果)
モータ10のロータ13の回転により、インペラ20が回転すると、ハウジング34の吸込口35から風洞内部に吸い込まれた空気は、インペラ20の羽根22の間を通過して、ハウジング34の吹出口36から外方に吹き出される。
【0032】
吹出口36における空気の圧力と、羽根22の外周とハウジング34の風洞の内周面との間に形成された隙間での空気の圧力との差により、吹出口36から吹出された空気流の一部が、隙間を通って吸込口35側に流れる逆流が生じる。
【0033】
しかし、逆流した空気流は、連結リング23と溝34gとによって形成された微小な隙間によるラビリンス効果によって、ハウジング34の吸込口35側に流れることが防止される。
【0034】
以下、本実施形態における軸流ファン1の性能の実測結果について説明する。図4は、連結リング23の軸方向における位置の指標を定義する寸法Lと寸法Xとを示す図である。図4において、Lは、羽根22の軸方向における下端(吹出口側の一端)から上端(吸込口側の他端)までの寸法である。Xは、羽根22の軸方向における下端(吹出口側の一端)から連結リング23の軸方向における下端(吹出口側の一端)までの寸法である。これらの距離Lと距離Xとにより定義される、
Y=X/L
を種々に変えた場合について実測を行った。Yは、連結リング23の位置を示す指標である。
【0035】
図5は、連結リング23の位置による風量特性(P-Q特性)を示す図である。図5は、ラビリンス無しの場合(連結リング23が無い場合)と、連結リング23の位置を4箇所に変えた場合との計5種類の軸流ファンについて、静圧[Pa](縦軸)と風量[m3/min](横軸)との関係を示している。Y=0は連結リング23を羽根22の最下端に形成した場合、Y=0.3は連結リング23を羽根22の下端から略30%の位置に形成した場合、Y=0.5は連結リング23を羽根22の略中央に形成した場合、Y=0.9は連結リング23を羽根22の略最上端に形成した場合である。Y以外の測定条件はすべて同じである。
【0036】
図5に示される軸流ファン1の風量特性(P-Q特性)において、実使用時の動作点は、軸流ファン1が適用される他の装置や機器のシステムインピーダンス(通風抵抗)と軸流ファン1のP-Q特性との交点になる。通常、軸流ファンが最大静圧や最大風量の領域で使用されることはなく、中流域で使用される。このため、図5において、サージングが生じない中流域(例えば、0.15~0.18m3/min)において使用されることが想定され、この範囲において連結リング23が無い場合(ラビリンス無し)よりもP-Q特性が向上されるYの数値範囲として、0.3<Y<0.9が読み取れる。また、より好ましくは、0.3<Y≦0.5が読み取れる。連結リング23がこれらの範囲にある場合、逆流が効果的に防止されることにより、P-Q特性が良くなり、吸込口35から吸い込まれた空気が効率よく吹出口36から吹き出される。また、P-Q特性が向上する結果、吸込口35に逆流する空気流が吸込口35に吸い込まれる空気流と衝突する動作が防止されるため、騒音も低減されることが確認された。
【0037】
軸流ファン1は、インペラ20の回転によって、吸込口35での圧力が低く、吹出口36側の圧力が高くなるため、吹出口36側から吸込口35側に少なからず逆流が生じる。このため、圧力が低い吸込口35側の領域に連結リング23を配設するより、圧力が高い吹出口36側の領域に連結リング23を配設した方が、逆流を効果的に抑制することができる。従って、吹出口36側の領域となる 0.3<Y≦0.5 の範囲に連結リング23を配設することが好適である。
【0038】
また、連結リング23の位置が吸込口35に近い箇所に形成された場合、連結リング23がない場合(ラビリンス無し)よりもP-Q特性が低下し、効果が見られない。
【0039】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【0040】
たとえば、ハウジング34の外形は、図1に示されたような矩形に限られず、例えば、円形であってもよい。この場合、ハウジング34を2分割構造にする際、2つのハウジングの嵌合箇所をインローとし、バヨネット構造で結合するようにしてもよい。さらに、2つのハウジングの一方側に係止爪を形成し、他方側に係止して連結する構造であってもよい。このような構造を用いることによって、ねじやボルト等の締結部材を用いることなく、2つのハウジングを結合することができる。
【0041】
以上のように、実施形態に係る軸流ファンは、ハウジングと、ハブと、複数の羽根と、連結リングとを備える。ハブは、ハウジングに対して回転自在に支持される。複数の羽根は、ハブに固定され、かつ周方向に配置される。連結リングは、羽根の径方向外側端部に取り付けられ、羽根の回転に伴って回転する。連結リングは、径方向外側端部がハウジングの内周面に形成された環状の溝に挿入される。ハウジングは、第1ハウジングと、第2ハウジングとを有する。溝は、第1ハウジングと第2ハウジングとより形成される。これにより、効果的なラビリンスシールを容易に形成できる軸流ファンを提供することができる。
【0042】
また、第1ハウジングと、第2ハウジングとは、軸方向において段差部が形成されている。これにより、第1ハウジングと第2ハウジングとの重ね合せが容易に行える。
【0043】
また、羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をL、羽根の軸方向における吹出口側の一端から連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をXとして、Y=X/Lとした場合に、溝は、0.3<Y<0.9となる軸方向位置に配置される。これにより、連結リングおよび溝の軸方向の位置の最適化を図ることができる。
【0044】
また、羽根の軸方向における吹出口側の一端から吸込口側の他端までの寸法をL、羽根の軸方向における吹出口側の一端から連結リングの軸方向における吹出口側の一端までの寸法をXとして、Y=X/Lとした場合に、溝は、0.3<Y≦0.5となる軸方向位置に配置される。これにより、連結リングおよび溝の軸方向の位置の最適化を図ることができる。
【0045】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【0046】
1 軸流ファン,21 ハブ,22 羽根,23 連結リング,34A 第1ハウジング,34B 第2ハウジング,34g 溝
図1
図2
図3
図4
図5