JP4627409B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、例えば冷蔵庫等の家電製品や各種ＯＡ・ＩＴ機器等に使用される軸流ファンに関するものである。

例えば、冷蔵庫等の家電製品や各種ＯＡ・ＩＴ機器等には、冷却用の軸流ファンが多数使用されている。このような製品に使用される軸流ファンには、製品の発熱量やコストの低減のために、大風量化が要求されている。しかしながら、軸流ファンは風量の増加にともない、電磁加振力やプロペラ回転による騒音が大きくなる傾向にある。その一方で、快適環境の追求により、騒音低減の要求についても大きくなってきている。このような背景から、従来より、騒音低減に対する技術が開発されている。

軸流ファンの騒音低減に対する従来技術としては、例えば、ベンチュリの外周部にエアポケットを設けるとともに、脚部をプロペラの後縁部と角度を有して交差するように設けることにより乱流騒音の抑制を図ったものや（例えば、特許文献１参照。）、ベンチュリの内周形状を風下側から風上側へ向けて拡開するラッパ状にすることにより流体音の低減を図ったもの（例えば、特許文献２参照。）、又は、ベンチュリの吐出側の開き角度を吸気側の角度に応じて決定することにより、流体音の低減を図っているものがある（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００２−１８８５９９号公報 特開２００２−２６７３１９号広報 特開平６−２４１０４５号公報

しかしながら、上記従来技術はいずれもプロペラの回転によって発生する流体音の低減に着目したものであり、電動機の振動等によって発生する固体伝播音の低減については考慮されていない。したがって、軸流ファン全体で見た場合に、騒音低減の観点において未だ改良の余地があった。

本発明の目的は、流体音を低減するとともに、電動機等の振動によって発生する固体伝播音を低減することにより、さらなる騒音の低減を図ることができる軸流ファンを提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、プロペラと、前記プロペラを駆動する電動機と、前記プロペラの外周側に設けられ、前記プロペラの回転により生じた空気流が通過するベルマウス部を内周面側に有するベンチュリとを備えた軸流ファンにおいて、前記ベルマウス部は、前記空気流の流れ方向に曲面状に縮径する吸込部と、円筒形状を有する円筒部と、前記空気流の流れ方向にテーパ状に拡径する吐出部とを有し、前記電動機を支持する電動機支持部と前記ベンチュリとを連結し、前記プロペラの後縁に対して角度を有して交差するように配置された脚部を備え、前記ベンチュリは４隅に肉盛部を有し、前記脚部と前記ベンチュリとの接合部を前記肉盛部の前記プロペラ回転方向下流側に配置したものである。

本発明によれば、流体音を低減するとともに、電動機等の振動によって発生する固体伝播音を低減することにより、さらなる騒音の低減を図ることができる。

以下、本発明の軸流ファンの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施形態の軸流ファンの全体構造を表す断面図であり、図２はその平面図（吐出側（図１中下側）から見た図）である。これら図１及び図２に示すように、軸流ファンは、回転することにより空気の流れを生じさせるプロペラ１と、プロペラ１を駆動するモータ（電動機）２と、このモータ２を支持するプレート（電動機支持部）３と、プロペラ１の外周側にプロペラ１の先端部と隙間を空けて設けられたベンチュリ４と、プレート３とベンチュリ４とを連結する複数（本実施形態では４本）の脚部５とを備えている。上記モータ２はプレート３の上に組み込まれており、プロペラ１はモータ２を包み込むように取り付けられている。また、ベンチュリ４は、外周形状が略四角形の外枠部６と、内周面側に設けられプロペラ１の回転により生じた空気流が通過するベルマウス部７とから構成されている。上記の脚部５のベンチュリ４側は、外枠部６に接合されている。

ベルマウス部７は、空気流の流れ方向に曲面状に縮径する吸込部１０と、略同径の円筒形状を有する円筒部１１と、空気流の流れ方向に拡がり角度略３０°でテーパ状に拡径する吐出部１２とからなっている。

以上のような本実施形態の軸流ファンのベルマウス部７の構造によって得られる作用を、２つの比較例と比較しつつ以下に説明する。図３はこれら２つの比較例のベルマウス形状と本実施形態の軸流ファンのベルマウス形状とをそれぞれ比較して示す図である。

図３において、比較例１の軸流ファンのベルマウス部は、円筒部の両側に位置する吸込部及び吐出部が共に吸込側及び吐出側に対しそれぞれ拡がり角度略４５°で拡開する形状となっており、従来の一般的な軸流ファンのベルマウス部に相当する形状を有している。また、比較例２のベルマウス部は、吸込部の形状を風下側から風上側へ向けてラッパ状に拡開すると共に、吐出部についても風上側から風下側に向けてラッパ状に拡開する形状（言い換えれば上記比較例１の角部にＲをつけた形状）となっており、前述した特許文献２記載の従来構造のベルマウス部に相当する形状を有している。

まず、比較例１と比較しつつ本実施形態の作用を説明する。
図４は、比較例１のベルマウス部と本実施形態のベルマウス部７との形状を比較して示した断面図である。この図４に示すように、比較例１はベルマウス部の吸込部及び吐出部の拡がり角度がどちらも４５°であるので、本実施形態のベルマウス部７の構造とすることによりベルマウス部の体積は図中の細かい斜線部分だけ増大する。これにより、ベンチュリ４の剛性を増加することができる。

ここで、例えば比較例１のようにベンチュリの剛性が十分でない場合には、使用回転領域において、モータの加振力の周波数とベンチュリの固有振動数が一致することによって共振現象が起こる可能性がある。本実施形態では、上記したようにベンチュリ４の剛性を増加することができるため、共振現象を回避することができる。このことを、以下に説明する。

一般に、軸流ファンにおいて、特に振動騒音が問題となるのは、モータなどの加振力周波数とベンチュリの固有振動数が一致し共振状態となる場合である。ベンチュリの固有振動数(固有振動モード)は多数存在するが、その中で軸流ファンの騒音に特に影響を及ぼすモードは、図５に示すねじれモードと図６に示す楕円モードである。

図７は、比較例１の軸流ファンを家電製品（例えば冷蔵庫）へ組み込んだ時の回転次数成分と固有振動数との関係を示したグラフ（庫内温度が常温の場合）である。
この図７において、回転Ｍ次成分と上記した各モード（ねじれモード、楕円モード）との交点が共振点であり、比較例１の軸流ファンの場合、使用回転数領域内に交点を有しているため、共振する可能性がある。

図８は、本実施形態の軸流ファンを家電製品（例えば冷蔵庫）へ組み込んだ時の回転次数成分と固有振動数との関係を示したグラフ（庫内温度が常温の場合）である。
この図８に示すように、本実施形態の軸流ファンでは、前述したようにベンチュリ４の剛性を増加できるので、剛性アップによりベンチュリ４の固有振動数（固有振動モード）が高くなり、その結果、共振点が使用回転数領域以上となって使用回転数領域内に共振点が存在しなくなる。すなわち、避共振構造とすることができる。このように、本実施形態によれば、ベンチュリ４の剛性アップにより共振現象を回避し、軸流ファンの固体伝播音を低減することができる。

また、比較例１の構造では、図４に示すようにベルマウス部に角部１３，１４が存在することから、プロペラの回転により発生する空気流の流れがそれら角部１３，１４の下流側で剥がれ、うず流が発生して大きな流体音を生じる可能性がある。これに対し、本実施形態のベルマウス部７では、吸込部１０を空気流の流れ方向に曲面状に縮径する形状とすることにより角部１３を無くすことができ、吐出部１２の拡がり角度を略３０°と小さくすることにより角部１４を緩やかにすることができるので、空気流がベルマウス部７内において剥がれにくくなり、渦の発生が抑制され流体音を低減することができる。

以上のことから、本実施形態の軸流ファンによれば、比較例１と比較して流体音を低減することができると共に固体伝播音についても低減することができ、さらなる騒音の低減を図ることができる。

次に、比較例２と比較しつつ本実施形態の作用を説明する。
図９は、比較例２のベルマウス部と本実施形態のベルマウス部７との形状を比較して示す断面図である。この図９に示すように、本実施形態のベルマウス部７の構造とすることによりベルマウス部の体積は比較例２の構造よりも図中の細かい斜線部分だけ増大する。これにより、ベンチュリ４の剛性を増加することができる。したがって、前述したように、共振現象を回避し、軸流ファンの固体伝播音を低減することができる。

さらに、本実施形態のベルマウス部７の構造によれば、比較例２のベルマウス構造に対して空力特性を向上することができる。以下、この点について説明する。

図１０は比較例２及び前述の比較例１の空力特性の解析結果を比較して示す図であり、静圧及び静圧効率（モータ出力に対するファンの静圧仕事の比率）と空気流量との関係をそれぞれ示している。この図１０に示すように、比較例１と比較例２とでは、比較例２の方が静圧効率が低下している。これは、角部分にＲをつけることによる損失低減よりも、プロペラの先端部とベルマウス部との隙間であるチップクリアランスの増大の方が空力特性への影響の点で支配的であったためと考えられる。したがって、ベルマウス部の形状を最適にするには、単に角部にＲをつけるのみでなくチップクリアランスが重要であると言える。

本実施形態のベルマウス７は、以上の点を踏まえ、先の図３に示すように円筒部１１により比較例１と同等のチップクリアランスを保持した状態で、吸込側にＲをつけて吸込部１０を空気流の流れ方向に曲面状に縮径する形状とし、また吐出側については略３０°の拡がり角度でテーパ状に拡径する吐出部１２を設けている。

この吐出部１２の拡がり角度である３０°は、図１１及び図１２に示す空力特性の最適化解析に基づいて決定したものである。図１１は最適化解析により選ばれたベルマウス部の最適形状と上述したように比較例２よりも空力特性のよい比較例１のベルマウス形状とを比較して示す図であり、図１２はこれら最適形状と比較例１との空力特性を比較して示す図である。これら図１１及び図１２に示すように、比較例１に対し全流領域で静圧効率を向上することができる最適形状のベルマウス部は、吸込側ではほとんど傾斜がなく、吐出側では拡がり角度が比較例１の拡がり角度４５°よりも小さい略３０°となっている。したがって、本実施形態のベルマウス７の吐出部１２の拡がり角度を本解析で得られた結果である略３０°としている。

以上により、本実施形態のベルマウス部７の構造とすることによって、比較例２に対し（さらには前述の比較例１に対しても）、空力特性（静圧効率）を向上することができると考えられる。

以上のことから、本実施形態の軸流ファンによれば、特許文献２記載の従来構造に相当するベルマウス形状である比較例２と比較して、固体伝播音を低減することにより騒音の低減を図ることができ、さらには空力特性（静圧効率）をも向上することができる。

なお、本実施形態の軸流ファンによれば、比較例２に対してベンチュリの製作上の優位点をも有する。すなわち、一般に本実施形態のような軸流ファンを製作する場合には、ベンチュリ４は通常吸込部１０及び円筒部１１部分と吐出部１２部分とに分けて別々に製作され、その後一体的に接合して製作する。この際、比較例２の場合には接合部分が連続した曲面であるために、接合時には不連続な段差を生じないように相当な注意を払う必要がある。これに対し、本実施形態の軸流ファンの場合には、接合部分はもともと不連続な角部（図４参照）となっているために、接合時にそこまでの注意を払う必要がない。したがって、本実施形態のベルマウス部７の構造は比較例２に比べベンチュリの製作事情に適う形状であると言える。

本実施形態の軸流ファンの他の特徴は、脚部５の取付け方向にある。
図１３は本実施形態の軸流ファンの全体構造を表す平面図（吐出側から見た図）であり、先の図２をさらに詳細に示した図である。この図１３に示すように、脚部５は、プロペラ１の後縁１ａと平行でなく、ある角度を持って漸近的に交差するように取り付けられている。これは、脚部５とプロペラ１の後縁１ａとが平行となる構造の場合には、プロペラ１の後縁１ａが脚部５を通過する際に後縁１ａと脚部５との形状がほぼ重なるため、脚部５の周辺で大きな圧力変動が発生し、流体音が増加するおそれがあるからである。本実施形態においては、上記したような構造とすることにより、脚部５とプロペラ１の後縁１ａとの重なる部分（漸近的な交差部分）を小さくできるため（プロペラ１の回転時にはその交点が径方向外周側から内周側に向けて移動する）、脚部５と後縁１ａとの干渉が緩和されて、流体音を低減することが可能である。

本実施形態の軸流ファンのさらに他の特徴は、脚部５の取付位置にある。
先の図１３に示すように、本実施形態の軸流ファンでは、脚部５とベンチュリ４（外枠部６）との接合部１５を、ベンチュリ４の外枠部６の４隅にある肉盛部１６の近傍としている。詳細には、肉盛部１６のプロペラ１回転方向やや下流側に配置している。この肉盛部１６は、ベンチュリ４を製作する際に型抜きの関係上生成されるものである。

このような構造とすることにより得られる作用を、比較例３と比較しつつ以下に説明する。図１４は比較例３の軸流ファンの全体構造を表す平面図である。
この図１４に示すように、比較例３の軸流ファンの脚部構造は、脚部５Ａがベンチュリ４Ａの外枠部６Ａの４辺のうち図１４中左右側の辺にのみそれぞれ２本ずつ取り付けられ、上下側の辺には取り付けられていない構造となっている。

ここで、一般に軸流ファンにおいては、コギングトルク（モータ２の固定子と回転子の間に発生する磁気吸引力に基づくトルクの回転角に対する変化のことで、いわゆるトルクムラのことをいう。）やプロペラ１の通過によって発生する加振力が、プレート３から脚部５を介してベンチュリ４の外枠部６に伝搬する。ベンチュリ４の振動応答を低減するには、伝搬径路上で如何に振動を伝えにくい構造とするかがポイントとなる。

上記比較例３の構造では、脚部５Ａを介して伝わる加振力は、上述したようにベンチュリ４Ａの外枠部６Ａのうち左右の外枠にのみ伝搬するため、伝搬に偏りが生じる。更に、ベンチュリ４Ａは左右の取付位置で支持されることになるため、外枠部６Ａの上下は振動的にはほぼフリーの状態になり、軸方向、半径方向とも振動し易くなると考えられる。なお、このときのベンチュリ４Ａの軸方向及び半径方向の代表的な振動モードは、それぞれ先の図５及び図６に示したねじれモード及び楕円モードである。

これに対し、本実施形態の軸流ファンでは、図１３に示すように脚部５とベンチュリ４の外枠部６との接合部１５を外枠部６の上下左右に均等に配置する。これにより、振動の伝搬の偏りを無くし、ベンチュリ４の上下の振動を低減することができる。さらに本実施形態では、各接合部１５を強度が比較的大きい肉盛部１６の近傍にそれぞれ配置するので、脚部５から外枠部６への振動の伝播をさらに低減することができる。

以上の振動伝播の低減効果を図１５及び図１６を用いて説明する。図１５は比較例３と本実施形態の軸流ファンにおけるプレートと脚部付根部の振動伝達率を比較して示す図である。この図１５に示すように、本実施形態においては、比較例３に比べて振動伝達率が約７分の１に低減されていることがわかる。また、図１６は比較例３と本実施形態の軸流ファンにおける脚部付根部と外枠部中央部分の振動伝達率を比較して示す図である。この図１６に示すように、本実施形態においては、比較例３に比べて振動伝達率が約３分の２に低減されていることがわかる。

以上説明してきたように、本実施の形態の軸流ファンによれば、ベルマウス部７の形状及び脚部５の設置方向を工夫することにより流体音を低減することができると共に、ベンチュリ４の剛性を増加して共振現象を回避し、さらに脚部５の取付位置を肉盛部８の近傍として振動伝達率を低下させることによって、軸流ファンの固体伝播音を低減することができる。したがって、流体音の低減にのみ着目した前述の従来技術に比べ、さらに騒音を低減することが可能である。

なお、本実施形態の軸流ファンは、冷蔵庫、テレビ等の冷却を必要とする家電製品や、その他、コンピュータ、ワープロ、コピー機等の各種ＯＡ・ＩＴ機器に適用可能である。その一例を図１７に示す。

図１７は本実施形態の軸流ファン（ここでは軸流ファン２０とする）を取り付けた冷蔵庫２１の全体構造を表す断面図である。この図１７に示すように、軸流ファン２０は冷蔵庫２１内部の所定の位置に設置される。このとき、軸流ファン２０のベンチュリ４の周囲には図示しないウレタン等の緩衝材が巻き付けられる。

一般に、冷蔵庫内の冷却ファンは、引き出し、もしくはドア２２〜２５が開けられた時に運転を停止する場合と停止しない場合があるが、ここでは後者を考える。この場合、冷蔵庫２１の引き出し、もしくはドア２２〜２５を開けると、軸流ファン２０の騒音がユーザに聞こえることになる。従って、軸流ファン２０の騒音を低減することは、冷蔵庫２１周囲の快適環境の創生の観点から重要なことである。

ここで、図１８は先の比較例１の軸流ファンを冷蔵庫へ組み込んだ時における庫内温度が低音（例えば−２０℃）の場合の回転次数成分と固有振動数との関係を示すグラフである。また、図１９は本実施形態の軸流ファンを冷蔵庫へ組み込んだ時における庫内温度が低音（例えば−２０℃）の場合の回転次数成分と固有振動数との関係を示すグラフである。

これら図１８及び図１９に示すように、比較例１の軸流ファンでは使用回転数領域内に交点を有しているため共振する可能性があるのに対し、本実施形態の軸流ファン２０によれば、使用環境が低音（例えば−２０℃）であっても共振点を使用回転数領域以上として避共振構造とすることができる。また、特に図面を用いて詳細には説明しないが、上述してきた内容と同様に振動伝達率についても低減でき、さらに流体音についても低減することができる。このように、軸流ファン２０は固体伝播音及び流体音を含めて騒音を低減することができるので、この軸流ファン２０を設けた冷蔵庫２１によれば、ユーザにとって騒音の少ない快適な周囲環境を提供することができる。

本発明の軸流ファンの一実施形態の全体構造を表す断面図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態の全体構造を表す平面図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態のベルマウス形状と比較例１及び比較例２のベルマウス形状とをそれぞれ比較して示す図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態のベルマウス形状と比較例１のベルマウス形状とを比較して示す断面図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態のベンチュリの固有振動モードのうちのねじれモードを説明する図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態のベンチュリの固有振動モードのうちの楕円モードを説明する図である。 比較例１の軸流ファンを家電製品（例えば冷蔵庫）へ組み込んだ時の回転次数成分と固有振動数との関係を示したグラフ（庫内温度が常温の場合）である。 本発明の軸流ファンの一実施形態を家電製品（例えば冷蔵庫）へ組み込んだ時の回転次数成分と固有振動数との関係を示したグラフ（庫内温度が常温の場合）である。 本発明の軸流ファンの一実施形態のベルマウス形状と比較例２のベルマウス形状とを比較して示す断面図である。 比較例１と比較例２との空力特性の解析結果を比較して示す図である。 最適化解析により選ばれたベルマウス部の最適形状と比較例１のベルマウス形状とを比較して示す図である。 最適形状と比較例１との空力特性を比較して示す図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態の全体構造を表す平面図である。 比較例３の軸流ファンの全体構造を表す平面図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態と比較例３におけるプレートと脚部付根部の振動伝達率を比較して示す図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態と比較例３における脚部付根部と外枠部中央部分の振動伝達率を比較して示す図である。 本発明の軸流ファンの一実施形態を取り付けた冷蔵庫の全体構造を表す断面図である。 比較例１の軸流ファンを冷蔵庫へ組み込んだ時における庫内温度が低音（例えば−２０℃）の場合の回転次数成分と固有振動数との関係を示すグラフである。 本発明の軸流ファンの一実施形態を冷蔵庫へ組み込んだ時における庫内温度が低音（例えば−２０℃）の場合の回転次数成分と固有振動数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ プロペラ
１ａ 後縁
２ モータ（電動機）
３ プレート（電動機支持部）
４ ベンチュリ
５ 脚部
７ ベルマウス部
１０ 吸込部
１１ 円筒部
１２ 吐出部
１５ 接合部
１６ 肉盛部

Claims (4)

1. プロペラと、前記プロペラを駆動する電動機と、前記プロペラの外周側に設けられ、前記プロペラの回転により生じた空気流が通過するベルマウス部を内周面側に有するベンチュリとを備えた軸流ファンにおいて、
   前記ベルマウス部は、前記空気流の流れ方向に曲面状に縮径する吸込部と、円筒形状を有する円筒部と、前記空気流の流れ方向にテーパ状に拡径する吐出部とを有し、
   前記電動機を支持する電動機支持部と前記ベンチュリとを連結し、前記プロペラの後縁に対して角度を有して交差するように配置された脚部を備え、
   前記ベンチュリは４隅に肉盛部を有し、前記脚部と前記ベンチュリとの接合部を前記肉盛部の前記プロペラ回転方向下流側に配置した
   ことを特徴とする軸流ファン。
2. 請求項１に記載の軸流ファンを備えた冷蔵庫。
3. 請求項１に記載の軸流ファンを備えた家電製品。
4. 請求項１に記載の軸流ファンを備えたＯＡ・ＩＴ機器。

Images