JP5375099B2 - 直列式軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、直列式軸流ファンに関する。

パーソナルコンピュータやネットワークサーバ等の電子機器では、筐体内部の電子部品を冷却するために冷却ファンが設けられており、筐体内部の電子部品の実装密度が益々高まることに伴って冷却ファンの性能向上がさらに要求されている。特に、サーバ等の比較的大型の電子機器に搭載される冷却ファンには、静圧が高く、かつ、風量が大きい特性が求められている。このような要求に対しては、例えば、所定の中心軸に沿って２つの動翼を同軸に連結した直列式軸流ファンが提供されている（例えば特許文献１参照）。

特許第３７１７８０３号公報

ところで、電子機器の内部の電子部品を効果的に冷却するためには、電子部品に対して冷却空気を直接供給する必要がある。一般的な軸流ファンにおいては、インペラの回転に伴う遠心力の影響により、軸流ファンからの空気流がインペラの回転軸に対して径方向外方に広がる傾向がある。このため、冷却ファンとして軸流ファンを用いる場合には、空気流が広がることにより、電子部品に対して十分な冷却空気が供給されない問題を有している。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、直列式軸流ファンの空気流が径方向外方に広がらないように空気流の流出方向を規制することを目的としている。

本発明の直列式軸流ファンは、回転中心軸の回りに配置された複数の第１翼を有し、回転により回転中心軸に沿った方向の空気流を発生させる第１インペラと、回転中心軸を中心として第１インペラを回転させる第１モータ部と、第１インペラに対し軸方向に隣接して配置され、回転中心軸の回りに配置された複数の第２翼を有し、回転により第１インペラによる空気流と同方向の空気流を発生させる第２インペラと、回転中心軸を中心として第２インペラを回転させる第２モータ部と、第１インペラおよび第２インペラを径方向において囲む筒状のハウジングと、第１インペラと第２インペラとの間において、回転中心軸を中心として放射状に設けられ、それぞれの外側先端がハウジングに接続されて少なくとも第１モータ部をハウジングに対して支持する複数の支持リブとを備え、各支持リブに、任意の径方向断面における第１インペラ側の端縁が第２インペラ側の端縁より第１インペラの回転方向における上流側に位置するように傾斜して該支持リブの第１インペラ側に面する傾斜面を設け、この傾斜面の回転中心軸の方向に対する角度と第１インペラによって発生する空気流の回転中心軸の方向に対する角度とをほぼ同一とし、傾斜面の回転中心軸の方向に対する角度が、傾斜面の上端部と下端部において、ほぼ同一であり、上端部と下端部とは、平面、あるいは滑らかな曲面でつながり、各支持リブの傾斜面の傾斜角度は、回転中心軸に垂直な径方向の内側から外側に行くに従い小さくなるように形成されていることを特徴とするものである。

このような直列式軸流ファンにおいて、第１インペラの各第１翼を、翼前縁が翼後縁に対して回転方向に位置するように傾かせ、各第１翼の少なくとも翼後縁と支持リブの傾斜面とのなす角度を１００度以下に設定することができ、望ましくは、この角度は８０度〜１００度の範囲に設定するのがよい。

各支持リブは、第１モータ部側の最内端から回転中心軸に垂直な径方向の直線に対して第１インペラの回転方向又は反回転方向に傾斜もしくは湾曲する形状とすることができる。この場合、支持リブが傾斜もしくは湾曲する形状とは、第１モータ部側からハウジングの接続端にかけて最短距離を結ぶ径方向直線以外の形状を意図している。

本発明の直列式軸流ファンにおけるハウジングは、第１インペラの外周を囲む第１ハウジング部材と、第２インペラの外周を囲む第２ハウジング部材と、で構成することができる。また、第１モータ部により回転される第１インペラと第２モータ部により回転される第２インペラとは、互いに同一方向に回転するのでもよく、互いの回転方向が逆になるようにすることもできる。

また、前記各支持リブは、第１モータ部から放射状に設けられそれぞれの外側先端がハウジングに接続されて第１モータ部をハウジングに対して支持する複数の第１支持リブと、 第２モータ部から放射状に設けられそれぞれの外側先端がハウジングに接続されて第２モータ部をハウジングに対して支持する複数の第２支持リブとから構成することができ、この場合、第１支持リブおよび第２支持リブを第１インペラと第２インペラとの間に配置し、第１支持リブと第２支持リブとを同一の数とするとともに、各第１支持リブと各第２支持リブとを回転中心軸の方向において接触させることで前記傾斜面を構成するようにしてもよい。

さらに、前記ハウジングは、第１インペラを径方向において囲むとともに複数の第１支持リブが接続される第１ハウジング部材と、第２インペラを径方向において囲むとともに複数の第２支持リブが接続される第２ハウジング部材とで構成することができる。この場合も、第２インペラを、第１インペラの回転方向とは反対方向に回転するようにしてもよい。

本発明の他の直列式軸流ファンは、回転中心軸の回りに配置された複数の第１翼を有し、回転により回転中心軸に沿った方向の空気流を発生させる第１インペラと、回転中心軸を中心として第１インペラを回転させる第１モータ部と、第１インペラに対し軸方向に隣接して配置され、回転中心軸の回りに配置された複数の第２翼を有し、回転により第１インペラによる空気流と同方向の空気流を発生させる第２インペラと、回転中心軸を中心として第２インペラを回転させる第２モータ部と、第１インペラおよび第２インペラを径方向において囲む筒状のハウジングと、第１インペラと第２インペラとの間において、回転中心軸を中心として放射状に設けられ、それぞれの外側先端がハウジングに接続されて少なくとも第１モータ部をハウジングに対して支持する複数の支持リブとを備え、各支持リブに、任意の径方向断面における第１インペラ側の端縁が第２インペラ側の端縁より第１インペラの回転方向における上流側に位置するように傾斜して支持リブの第１インペラ側に面する傾斜面を設け、第１インペラの第１翼によって発生する空気の空気流の方向と傾斜面とをほぼ平行とし、傾斜面の回転中心軸の方向に対する角度が、傾斜面の上端部と下端部において、ほぼ同一であり、上端部と下端部とは、平面、あるいは滑らかな曲面でつながり、各支持リブの傾斜面の傾斜角度は、回転中心軸に垂直な径方向の内側から外側に行くに従い小さくなるように形成されていることを特徴とするものである。

本発明では、直列式軸流ファンの風量特性（風量及び静圧）を向上させるだけでなく、直列式軸流ファンから排出される空気流の径方向外方への広がりを抑えることが可能である。このことにより、直列式軸流ファンから排出された空気流が電子部品等の被冷却体に効率良く供給され、冷却効率が向上する。

本発明の一つの実施の形態に係る直列式軸流ファンを示す斜視図である。 図１の直列式軸流ファンの分解斜視図である。 図１の直列式軸流ファンの縦断面図である。 図１の直列式軸流ファンの第１軸流ファンの平面図である。 図１の直列式軸流ファンの第２軸流ファンの平面図である。 図１の直列式軸流ファンにおける第１支持リブと第２支持リブとの当接状態を示す斜視図である。 図１の直列式軸流ファン（インペラなし）の平面図である。 図１の直列式軸流ファンにおける第１支持リブおよび第２支持リブの断面図である。 図１の直列式軸流ファンにおける第１翼、第１支持リブ、第２支持リブ、第２翼を中心軸Ｊを中心とした任意の径の円弧に沿って軸方向に切断した断面図である。 第１支持リブ、第２支持リブを組み合わせて得られる支持リブの変形例を示す図である。

符号の説明

１ 直列式軸流ファン
２１ 第１インペラ
２２ 第１モータ部
２３ 第１ハウジング
２４ 第１支持リブ
３１ 第２インペラ
３２ 第２モータ部
３３ 第２ハウジング
３４ 第２支持リブ
２１１ 第１翼
２４３ 上端面
３１１ 第２翼
４４１ 支持リブ第１側面
４４２ 支持リブ第２側面
Ｊ 中心軸

図１〜図１０を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。本発明の説明において、異なる構成要素間の位置関係および向きが「上」、「下」、「左」、「右」を用いて記載される場合には、それらは図面における方向、向きを示すものとする。これらの構成要素が組み立てられた後の方向および向きを示すものではない。また、以下の説明において、「軸方向」とは回転軸に平行な方向であり、「径方向」とは回転軸に垂直な方向である。

図１は、本発明の一実施形態に係る直列式軸流ファン１を示す斜視図である。図２は、直列式軸流ファン１を分解して示す斜視図である。直列式軸流ファン１は、例えば、サーバ等の電子機器を空冷するための電動式冷却ファンとして用いられる。図１に示すように、直列式軸流ファン１は、図１中の上側に配置される第１軸流ファン２、および、中心軸Ｊ１に沿って第１軸流ファン２に接続されて図１中の下側に配置される第２軸流ファン３を備える。第１軸流ファン２および第２軸流ファン３はビス（図示省略）等により連結され、一体化される。その際、図３に示すように、直列式軸流ファン１は、第２軸流ファン３が中心軸Ｊの方向に関して反転した状態で第１軸流ファン２の排気側に固定されている。

本実施の形態に係る直列式軸流ファン１は、いわゆる二重反転式軸流ファンであり、図２に示す第１軸流ファン２の第１インペラ２１と第２軸流ファン３の第２インペラ３１とが互いに反対方向に回転することにより、図１中の上側（すなわち、第１軸流ファン２側）から空気が取り込まれ、下側（すなわち、第２軸流ファン３側）へと送出されて中心軸Ｊの方向の空気流が発生する。以下の説明では、中心軸Ｊの方向において、空気が取り込まれる側である図１中の上側を「吸気側」と呼び、空気が排出される側である図１中の下側を「排気側」と呼ぶ。直列式軸流ファン１では、図２に示す第１インペラ２１の回転方向と第２インペラ３１の回転方向とを互いに反対方向とすることにより、２つのインペラが同方向に回転する場合に比べて、高静圧および大風量を実現することができる。

図３は、直列式軸流ファン１を中心軸Ｊを含む平面で切断した縦断面図であり、図４は、第１軸流ファン２を吸気側から見た平面図である。インペラ図３および図４に示すように、第１軸流ファン２は、中心軸Ｊを中心として周方向に等ピッチにて配置された７枚の第１翼２１１を有する第１インペラ２１、中心軸Ｊを中心として第１インペラ２１を図２および図４中における時計回りに回転することにより中心軸Ｊに沿った方向の空気の流れ、すなわち、図３中の上側から下側へと向かう空気の流れを発生させる第１モータ部２２、第１インペラ２１を径方向において囲む第１ハウジング２３、および、第１インペラ２１の下側、すなわち、第１インペラ２１と第２インペラ３１との間において、第１モータ部２２から中心軸Ｊを中心として放射状に伸びるとともにそれぞれの先端部が第１ハウジング２３に接続されて第１モータ部２２を支持する複数の第１支持リブ２４を備える。本実施の形態では、第１支持リブ２４は４本である。第１軸流ファン２では、第１ハウジング２３の内側に第１インペラ２１、第１モータ部２２および第１支持リブ群が配置される。図４中の矢印Ｒ１は第１インペラ２１の回転方向を示す。

なお、図３では、図示の都合上、第１翼２１１および第１支持リブ２４についてはそれぞれ、側方から見た概略形状を示しており、第１モータ部２２の各構成については、断面を表す平行斜線の図示を省略している。また、後述する第２軸流ファン３の第２翼３１１および第２支持リブ３４についても、第１翼２１１および第１支持リブ２４と同様に、それぞれを側方から見た概略形状を示しており、第２モータ部３２の各構成についても、第１モータ部２２と同様に、断面を表す平行斜線の図示を省略している。

図３に示すように、第１モータ部２２は、固定組立体であるステータ部２２１、および、回転組立体であるロータ部２２２を備え、ロータ部２２２は、後述する軸受機構を介して中心軸Ｊを中心にステータ部２２１に対して回転可能に支持される。以下の説明では、便宜上、中心軸Ｊに沿ってロータ部２２２側を上側、ステータ部２２１側を下側として説明するが、中心軸Ｊは必ずしも重力方向と一致する必要はない。

ステータ部２２１は、平面視において中心軸Ｊを中心とする略円環状のベース部２２１１を備え、ベース部２２１１は、図３および図４に示すように、複数の第１支持リブ２４を介して第１ハウジング２３の略円筒状の内周面２３１に固定されてステータ部２２１の各部を保持する。ベース部２２１１は樹脂製であり、同じく樹脂製の複数の第１支持リブ２４および第１ハウジング２３とともに射出成形により形成される。

図３に示すように、ベース部２２１１の中央部には、ベース部２２１１から上側（すなわち、ロータ部２２２側）に突出する略円筒状の軸受保持部２２１２が固定されている。軸受保持部２２１２の内側には、軸受機構の一部となる玉軸受２２１３，２２１４が中心軸Ｊ方向の上部および下部に設けられる。

ステータ部２２１は、また、軸受保持部２２１２の外周に取り付けられる電機子２２１５、および、電機子２２１５の下側に取り付けられるとともに電機子２２１５のコイルに電気的に接続されてコイルに対する通電を制御する制御回路を組み込んだ略円環板状の回路基板２２１６をさらに備える。回路基板２２１６は、複数のリード線を束ねたリード線群を介して直列式軸流ファン１の外部に設けられた外部電源に接続される。なお、図３では、リード線群および外部電源の図示は省略している。

ロータ部２２２は、中心軸Ｊを中心とする略円筒状であって蓋部を有し磁性を持った金属材料により形成されたヨーク２２２１、ヨーク２２２１の周壁部の内側面に固定されて電機子２２１５と対向する略円筒状の界磁用磁石２２２２、および、ヨーク２２２１の蓋部の中心部から下向きに突出するシャフト２２２３を備える。

シャフト２２２３は、軸受保持部２２１２に挿入されて玉軸受２２１３，２２１４により回転可能に支持される。第１軸流ファン２では、シャフト２２２３および玉軸受２２１３，２２１４が、中心軸Ｊを中心にヨーク２２２１をベース部２２１１に対して回転可能に支持する軸受機構の役割を果たす。

第１インペラ２１は、第１モータ部２２のヨーク２２２１の外側を覆う有蓋略円筒状のハブ２１２、および、ハブ２１２の周壁部の外側（すなわち、外側面）から放射状に伸びると共に周方向に等間隔に配置された複数の第１翼２１１を備える。本実施形態では、ハブ２１２は樹脂製であり、同じく樹脂製の第１翼２１１とともに射出成形により形成される。

第１軸流ファン２では、第１モータ部２２の回路基板２２１６を介して電機子２２１５に駆動電流が供給されて電機子２２１５と界磁用磁石２２２２との間で中心軸Ｊを中心とするトルクが発生し、制御回路により駆動電流を制御することにより、ロータ部２２２に取り付けられた第１インペラ２１の複数の第１翼２１１が、中心軸Ｊを中心として図４中における時計回りに所定の回転数にて回転する。本実施形態では、約１００００ｒｐｍで回転する。これにより、図３中の上側、すなわち、第１モータ部２２のロータ部２２２側から空気が取り込まれて下側、すなわち、第２軸流ファン３側へと送られる。

図５は、第２軸流ファン３を吸気側から見た平面図である。図３および図５に示すように、第２軸流ファン３は、中心軸Ｊに沿って第１インペラ２１に隣接して配置される第２インペラ３１を備え、第２インペラ３１は、中心軸Ｊを中心として放射状に延びるとともに周方向に等ピッチにて配列された５枚の第２翼３１１を有する。

第２軸流ファン３は、また、中心軸Ｊを中心として第２インペラ３１を第１インペラ２１とは反対方向、すなわち、図５中における反時計回りであり、矢印Ｒ２で示す方向に回転することにより第１インペラ２１による空気の流れと同方向の空気の流れ、すなわち、図３中の上側から下側へと向かう中心軸Ｊ方向の空気の流れを発生させる第２モータ部３２、第２インペラ３１を径方向において囲む第２ハウジング３３、および、第２インペラ３１の下側、すなわち、第２インペラ３１の第１インペラ２１とは反対側において第２モータ部３２から中心軸Ｊを中心として放射状に伸びるとともに第２ハウジング３３に接続されて第２モータ部３２を支持する複数の第２支持リブ３４を備える。本実施の形態では、第２支持リブ３４は第１支持リブ２４と同様に４本である。

第２軸流ファン３では、第２ハウジング３３の内側に第２インペラ３１、第２モータ部３２および第２支持リブ群が配置される。また、直列式軸流ファン１全体として見た場合、連続する第１ハウジング２３および第２ハウジング３３の内側において空気が流れる流路には、図３中の上側（すなわち、吸気側）から順に、第１インペラ２１、第１支持リブ群、第２支持リブ群、第２インペラ３１が配置される。その際に、第１支持リブ群と第２支持リブ群のそれぞれの支持リブは、中心軸Ｊ方向において当接している。

図３に示すように、第２モータ部３２の構成は第１モータ部２２の構成と同様であり、ステータ部３２１、および、ステータ部３２１の下側（すなわち、排気側）に配置されてステータ部３２１に対して回転可能に支持されるロータ部３２２を備える。

ステータ部３２１は、複数の第２支持リブ３４を介して第２ハウジング３３の略円筒状の内周面３３１に固定されてステータ部３２１の各部を保持するベース部３２１１、玉軸受３２１３，３２１４が内側に設けられる略円筒状の軸受保持部３２１２、軸受保持部３２１２の外周に取り付けられる電機子３２１５、および、電機子３２１５の下側に取り付けられるとともに電機子３２１５のコイルに電気的に接続されてコイルに対する通電を制御する制御回路を組み込んだ略円環板状の回路基板３２１６を備える。

本実施形態では、ベース部３２１１は樹脂製であり、同じく樹脂製の複数の第２支持リブ３４および第２ハウジング３３と共に射出成形により形成される。回路基板３２１６は、複数のリード線を束ねたリード線群を介して直列式軸流ファン１の外部に設けられた外部電源に接続される。

ロータ部３２２は、金属製のヨーク３２２１、ヨーク３２２１の内側面に固定される界磁用磁石３２２２、および、ヨーク３２２１から下向きに突出するシャフト３２２３を備える。シャフト３２２３は、軸受保持部３２１２内において玉軸受３２１３，３２１４により回転可能に支持される。第２軸流ファン３では、シャフト３２２３および玉軸受３２１３，３２１４が、中心軸Ｊを中心にヨーク３２２１をベース部３２１１に対して回転可能に支持する軸受機構の役割を果たす。

第２インペラ３１は、第２モータ部３２のヨーク３２２１の外側を覆う有蓋略円筒状のハブ３１２、および、ハブ３１２の周壁外側面から放射状に伸びる複数の第２翼３１１を備える。ハブ３１２は樹脂製であり、同じく樹脂製の第２翼３１１とともに射出成形により形成される。

第２軸流ファン３では、第２モータ部３２が駆動されることにより、第２インペラ３１の複数の第２翼３１１が中心軸Ｊを中心として図５中における反時計回りに所定の回転数にて回転する。本実施の形態では、約８０００ｒｐｍで回転する。これにより、図３中の上側、すなわち、第２支持リブ３４側から空気が取り込まれて下側、すなわち、第２軸流ファン３側へと送られる。

図６は、直列式軸流ファン１の第１支持リブ２４と第２支持リブ３４との当接状態を示す斜視図である。図６に示すように、第１インペラ２１と第２インペラ３１との間には、両軸流ファン２、３がそれぞれ備える第１支持リブ２４および第２支持リブ３４が配置されている。第１支持リブ２４は周方向等間隔で配置されており、第２支持リブ３４も周方向等間隔で配置されている。第１軸流ファン２と第２軸流ファン３とをビス等で連結した場合、第１支持リブ２４と第２支持リブ３４とは、軸方向において当接し、４本の第２支持リブ３４が４本の第１支持リブ２４の第２インペラ３１側、すなわち、排気側にそれぞれ配置される。各第２支持リブ３４は、平面視すなわち中心軸Ｊ方向から見た場合において第１支持リブ２４と全長に亘って重ね合わされている。以下の説明では、第１支持リブ２４と第２支持リブ３４とを合わせて、単に「支持リブ４４」と呼ぶ。換言すれば、複数の第１支持リブ２４と複数の第２支持リブ３４とを備える複数の支持リブ４４により、第１インペラ２１と第２インペラ３１との間において第１モータ部２２および第２モータ部３２が支持される。

上述の通り、第１支持リブ２４と第２支持リブ３４とが重ね合わされることによって、支持リブ４４が構成されている。支持リブ４４は、第１支持リブ２４と第２支持リブ３４との境界部において、ほぼ段差が無い状態で重ね合わされている。換言すれば、第１支持リブ２４の空気流の上流側に面する第１支持リブ第１側面２４１と、第２支持リブ３４の空気流の上流側に面する第２支持リブ第１側面３４１とで、ほぼ段差の無い連続的な面が形成されている。同様に、第１支持リブ２４の空気流の下流側に面する第１支持リブ第２側面２４２と、第２支持リブ３４の空気流の下流側に面する第２支持リブ第２側面３４２とで、ほぼ段差の無い連続的な面が形成されている。つまり、支持リブ４４は、本来は第１支持リブ２４と第２支持リブ３４とを重ね合わせて構成したものであるが、あたかも１つの支持リブであるかのように形成される。以下、第１支持リブ第１側面２４１と第２支持リブ第１側面３４１とで形成された連続面を支持リブ第１側面４４１という。また、第１支持リブ第２側面２４２と第２支持リブ第２側面３４２とで形成された連続面を支持リブ第２側面４４２という。

図７は、直列式軸流ファンを軸方向から見た平面図である。図７ではインペラは省略されている。図８は、図７におけるＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿って軸方向に切断した各断面図である。これらＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線はそれぞれ、中心軸Ｊを中心とした円弧線を示している。図９は、第１翼２１１、支持リブ４４、第２翼３１１を中心軸Ｊを中心とした任意の径の円弧に沿って軸方向に切断した断面図であり、以下、円筒面での断面という。また、図９における矢印Ｒ１は第１インペラ２１の回転方向であり、同時に第１翼２１１の移動方向を示す。また、矢印Ｒ２は第２インペラ３１の回転方向であり、同時に第２翼３１１の移動方向を示す。図８に示すように、支持リブ４４の前記円筒面での断面における長手方向は、その軸方向上端が下端よりインペラ２１の回転方向とは反対側に位置するよう、中心軸Ｊに対して傾斜している。支持リブ４４は、第１ハウジング２３と第２ハウジング３３とで構成される空気流路を横切るように配置されている。よって、支持リブ４４はできるだけ空気流のエネルギ損失が小さくなるように配置される必要がある。

ここで、支持リブ４４の配置を説明する前に、第１翼２１１の構造について説明する。第１翼２１１の平面視の形状は、図４に示すように、径方向に直線的に延びるのではなく、径方向内側から外側に行くに従い第１インペラ２１の回転方向とは反対側に向けて拡大するような扇形状となっている。また、第１翼２１１の中心軸Ｊを中心とした円筒面での断面形状は、図９に示すように、第１翼２１１の上縁つまり回転方向前縁が下縁つまり回転方向後縁より第１インペラ２１の回転方向下流側に位置するように傾斜及び湾曲した弧状である。通常、電子機器内部を冷却するのに用いられる軸流ファンは、電子機器内のシステムインピーダンスと軸流ファンの風量及び静圧によって選定される。ここで、システムインピーダンスとは、電子機器内での静圧と風量の関係、つまりシステム内での空気流の流れ難さ、システム内の空気流の抵抗を意味している。電子機器内では電子部品及び電源等が狭い空間に密集していることが多く、高システムインピーダンスになり、システム内の空気流の抵抗値が大きい状態になることが多い。従って、電子機器内部の冷却に用いられる軸流ファンには、高い静圧が要求される。

軸流ファンにおいて高静圧を達成する方法として、第１軸流ファン２の平面視における隣り合う第１翼２１１の間隔を小さくする方法がある。この場合、第1翼２１１の前記円筒面での断面における弧状部分の弧長を径方向内側から外側に行くに従い長くなるようにすれば良い。ここで、第１翼２１１の前記弧状部分の弧長とは、弧状部分の厚さ方向の中間点を結ぶ弧の長さを意味している。しかし、第１翼２１１の前記弧状部分の弧長を長くしていくと、第１翼２１１の中心軸Ｊ方向の高さが径方向内側から外側に行くに従い高くなることになる。径方向内側と外側とで第１翼２１１の軸方向高さの差を小さくすることでハウジングが構成する風洞部内での第１翼２１１が占める有効体積、つまり軸方向からみた第１翼２１１の面積と第１翼２１１の軸方向高さとの積が大きくなり、高風量でありながら高静圧を達成した第１軸流ファン２が得られる。これを実現する一つの指標として、図９に示すように、第１翼２１１の前記円筒面での断面の弧状部分において特に後縁部分の中心軸Ｊに対する傾斜（以下、第１傾斜角αという）が径方向内側から外側に行くに従って大きくなるようにすれば良い。この後縁部分は空気流の下流側に位置し、第１インペラ２１の空気流の発生方向を規定する部分でもある。

支持リブ４４による空気流損失を小さくするためには、支持リブ４４の側面つまり支持リブ第１側面４４１、支持リブ第２側面４４２が、図９に示すように、第１軸流ファン２から発生する空気流の流速方向と略平行になるように、つまり第１翼２１１の後縁部分に対し略直交するように、配置されているのが好ましい。換言すれば、空気流の流れ方向から支持リブ４４を見て、支持リブ４４の投影面積が最も小さくなるように支持リブ４４が配置されているのが好ましい。空気流と支持リブ４４の側面とが平行である場合には、支持リブ４４付近を通過する空気は、支持リブ第１側面４４１、支持リブ第２側面４４２によるエネルギ損失は少ない。支持リブ４４の上端面２４３は、空気流と対向するように配置されているが、本実施形態においては空気流に対して平行ではないものの、空気流に対して鋭角の角度で交差している。このため、空気流が上端面２４３に干渉する際の空気損失を抑えることができる。本実施形態においては、上端面２４３の形状は平面であるが、これに限定されず、例えば湾曲面が形成されても良い。

第１インペラ２１が回転した際に発生する空気の流れ方向は、第１翼２１１の後縁部分に対して９０度の方向と略平行になる。つまり、第１傾斜角αを規定する第１翼２１１の後縁部分と支持リブ４４の断面の長手方向とが９０度になるように構成すれば、第１インペラ２１で発生する空気流と支持リブ４４の断面の長手方向とが略平行になる。ただし、この空気流は、第１インペラ２１の回転速度や、周囲環境によって、流速や角度が変化する。そういった場合には、支持リブ４４の断面の長手方向の中心軸Jに対する角度βは、第１インペラ２１の回転速度や周囲環境に応じて、適宜変更される。その場合、第１翼２１１の後縁部分と支持リブ４４の断面の長手方向とのなす角度が１００度以下、好ましくは、８０度〜１００度になる。つまり、第１傾斜角αと支持リブ４４の断面の長手方向の角度βとの和が８０度〜１００度となる。

上記の構成により、第１インペラ２１が回転することによって発生する空気流は、流れの方向をほとんど変えることなく且つエネルギ損失を最小限にして支持リブ４４を通過する。支持リブ４４を通過した空気は、第２翼３１１に向けて流れる。第２翼３１１の中心軸Ｊを中心とした円筒面での断面形状は、図９に示すように、第２翼３１１の上縁つまり回転方向前縁が下縁つまり回転方向後縁より第２インペラ３１の回転方向下流側に位置するように傾斜及び湾曲した弧状である。第２翼３１１の前記円筒面での弧状断面の長手方向の特に空気流の上流側に位置する前縁部分の中心軸Ｊに対する傾斜（以下、第２翼傾斜角γという）は、空気流の第２インペラ３１への流入角度（支持リブ４４の角度βに近似）よりも小さく設定されている。

一般的に、軸流ファンから排出される空気の空気流は、大きく分けて３つの速度成分を有している。それは、軸方向成分（軸方向の流速）、旋廻成分（インペラ回転方向の流速）、遠心成分（径方向外方への流速）の３つの速度成分である。直列式軸流ファン１の送風特性を向上させるために、上記３つの速度成分のうち軸方向成分の比率を高くする必要がある。つまりは、旋廻成分および遠心成分を可能な限り軸方向成分に変換する必要がある。

次に、前記旋廻成分および遠心成分を軸方向成分に変換する作用について説明する。第２翼３１１に進入してくる空気は、図９に示すように、第２翼３１１の回転方向における前進側翼面３１１１に衝突する。第２翼３１１は、その中腹から後縁にかかる部分が回転方向前方に曲がるように湾曲し、前進側翼面３１１１が径方向内方側に向くように傾けられている。よって、第２翼３１１に衝突した空気は、径方向内方に向いて流れるように規制され、空気流の速度ベクトルの変換が行われる。よって、空気流の速度成分のうち遠心方向成分が、径方向内方に向けられる。このため、空気流の径方向外方への広がりを抑制することができる。

第２翼３１１に進入した空気の旋廻成分は、第２翼３１１の前進側翼面３１１１に衝突することにより軸方向成分に変換される。よって、第２翼３１１の作用は、第１翼２１１から排出された空気の流速のうち、旋廻成分と遠心成分とを軸方向成分に変換することである。これにより、直列式軸流ファン１から排出される空気の空気流そのものが、被冷却部材に対して、径方向外方に広がることなく供給される。

１個のインペラのみを備えた軸流ファン単品（直列式ではない通常のファン）においては、最適な翼設計ができたとしても、インペラの回転に伴う旋廻成分をゼロにすることは不可能である。しかし、直列式軸流ファン１においては、第１インペラ２１で発生した空気流の旋廻成分を第１インペラ２１とは逆方向に回転する第２インペラ３１によって回収することができ、このため、静圧特性の高い軸流ファンを提供することができる。

ここでポイントとなるのが、第１インペラ２１から排出された空気が支持リブ４４を通過する際に、空気流の流速方向が変換されていないことである。現在、既に公知の直列式軸流ファンにおいては、第１インペラと第２インペラの間に静翼が配置されているものが多い。この場合、第１インペラから排出された空気の流速の旋廻成分は、静翼によって回収され、軸方向成分に変換される。静翼によって軸方向成分に変換された空気流は、第２インペラによって旋廻成分が付与された状態で第２インペラから排出される。つまり、第１インペラと第２インペラとの間に静翼が配置されることによって、直列式軸流ファンから排出される空気は旋廻成分を持った状態で排出されることになる。このため、この種の直列式軸流ファンによって発生した空気流は、その旋廻成分によって、直列式軸流ファンから排出された後に、径方向外方に向けて広がり、被冷却部材に対して十分に空気流を供給することができない。よって、直列式軸流ファンにおいては、第１インペラと第２インペラとの間に静翼を設けないことが好ましい。

次に、本発明における支持リブ４４の詳細形状について説明する。第１翼２１１は、上述の通り、中心軸Jを中心とした円筒面での断面形状である弧状断面が中心軸Ｊ方向に対する傾斜角を有しており、その傾斜角は、径方向外側に行くにつれて大きくなっている。そのため、第１インペラ２１が回転することによる第１翼２１１から発生する空気流の流速角度は径方向の位置によって異なる。詳しくは、径方向内側においては第１翼断面の傾斜角が小さいため、空気流の流速角度は中心軸Ｊ方向に対して大きな角度を有しているが、径方向外側においては、第１翼断面の傾斜角が大きいため、空気流の流速角度は中心軸Ｊ方向に対して小さな角度を有している。このため、支持リブ４４による空気流のエネルギ損失の低減を図るためには、径方向に依存して支持リブ４４の傾斜角度を変化させる必要がある。本発明においては、第１傾斜角αを有する第１翼２１１の後縁部分と、支持リブ４４の中心軸Jを中心とした円筒面での断面の長手方向とのなす角度が１００度以下（詳しくは、８０度〜１００度程度）になるように設定される。理想的には、その角度が９０度になることが望ましい。

また、第１インペラ２１から排出される空気流は中心軸Ｊに対する角度だけでなく流速そのものが径方向位置に応じて異なる。第１翼２１１の径方向外側においては、流速が大きく、径方向内側においては流速が小さい。従って、支持リブ４４を通過する空気流のエネルギ損失は径方向外側において小さくするのが望ましい。また、支持リブ４４の断面形状は、径方向外側に行くに従い、空気の流れ方向から見た投影面積を小さくすればエネルギ損失を小さくすることが可能である。つまり、支持リブ４４の断面形状は径方向によって適宜変化させてもよい。

支持リブ４４の断面形状は、できるだけ空気抵抗が少ない形状が理想的である。図１０は、支持リブの断面形状の変形例を示している。第１支持リブ２４ａの空気流上流側と第２支持リブ３４ａの空気流下流側とをそれぞれ滑らかな曲面に仕上げた支持リブであってもよい。また、第１支持リブ２４ｂの空気流上流側と第２支持リブ３４ｂの空気流下流側とをそれぞれ鋭角な断面形状として支持リブを構成してもよい。さらに、第１支持リブ２４ｃの空気流上流側のみ滑らかな曲面とし第２支持リブ３４ｃは断面菱形とした支持リブであってもよい。或いは、第１支持リブ２４ｄの空気流上流側のみを滑らかな曲面とする一方、第１支持リブ２４ｄから第２支持リブ３４ｄにかけて徐々に断面を細くするような支持リブとしてもよい。加えて、第１支持リブ２４ｅや第２支持リブ３４ｅのように断面形状を流線形状にしても良い。この場合には、第１支持リブ２４ｅ、第２支持リブ３４ｅを通過する空気流のエネルギ損失をより抑えることが可能である。ただし、いかなる断面形状においても第１インペラ２１から排気された空気流の流速と支持リブ断面の長手方向とが同一方向になるように支持リブは配置される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の範囲および精神を逸脱しない範囲での様々な改変、修正は当業者には明らかなことである。したがって本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ規定される。

Claims (11)

1. 直列式軸流ファンであって、
   回転中心軸の回りに配置された複数の第１翼を有し、回転により前記回転中心軸に沿った方向の空気流を発生させる第１インペラと、
   前記回転中心軸を中心として前記第１インペラを回転させる第１モータ部と、
   前記第１インペラに対し軸方向に隣接して配置され、前記回転中心軸の回りに配置された複数の第２翼を有し、回転により前記第１インペラによる空気流と同方向の空気流を発生させる第２インペラと、
   前記回転中心軸を中心として前記第２インペラを回転させる第２モータ部と、
   前記第１インペラおよび前記第２インペラを径方向において囲む筒状のハウジングと、
   前記第１インペラと前記第２インペラとの間において、前記回転中心軸を中心として放射状に設けられ、それぞれの外側先端が前記ハウジングに接続されて少なくとも前記第１モータ部を前記ハウジングに対して支持する複数の支持リブと、
   を備え、
   前記各支持リブは、任意の径方向断面における前記第１インペラ側の端縁が前記第２インペラ側の端縁より前記第１インペラの回転方向における上流側に位置するように傾斜して該支持リブの前記第１インペラ側に面する傾斜面を有しており、前記傾斜面の前記回転中心軸の方向に対する角度と前記第１インペラによって発生する空気流の前記回転中心軸の方向に対する角度とがほぼ同一であり、
   前記傾斜面の前記回転中心軸の方向に対する角度が、前記傾斜面の上端部と下端部において、ほぼ同一であり、
   前記上端部と前記下端部とは、平面、あるいは滑らかな曲面でつながり、
   前記各支持リブの傾斜面の傾斜角度は、前記回転中心軸に垂直な径方向の内側から外側に行くに従い小さくなるように形成されていることを特徴とする直列式軸流ファン。
2. 前記第１インペラの前記各第１翼は、翼前縁が翼後縁に対して回転方向に位置するように傾いており、前記各第１翼の少なくとも翼後縁と前記支持リブの傾斜面とのなす角度が１００度以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の直列式軸流ファン。
3. 前記各第１翼の少なくとも翼後縁と前記支持リブの傾斜面とのなす角度は８０度〜１００度の範囲に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の直列式軸流ファン。
4. 前記各支持リブの放射状に延びる方向のいずれかの位置において、前記回転中心軸を中心とした円筒面での断面が、前記延びる方向の他の位置の断面とは異なる形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の直列式軸流ファン。
5. 前記各支持リブは、前記第１モータ部側の最内端から前記回転中心軸に垂直な径方向の直線に対して前記第１インペラの回転方向又は反回転方向に傾斜もしくは湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の直列式軸流ファン。
6. 前記ハウジングが、前記第１インペラの外周を囲む第１ハウジング部材と、前記第２インペラの外周を囲む第２ハウジング部材と、で構成されることを特徴とする請求項１に記載の直列式軸流ファン。
7. 前記第２インペラは、前記第１インペラの回転方向とは反対方向に回転することを特徴とする請求項１に記載の直列式軸流ファン。
8. 前記各支持リブは、
   前記第１モータ部から放射状に設けられ、それぞれの外側先端が前記ハウジングに接続されて前記第１モータ部を前記ハウジングに対して支持する複数の第１支持リブと、
   前記第２モータ部から放射状に設けられ、それぞれの外側先端が前記ハウジングに接続されて前記第２モータ部を前記ハウジングに対して支持する複数の第２支持リブと、からなり、
   前記第１支持リブおよび前記第２支持リブは第１インペラと第２インペラとの間に配置され、
   前記第１支持リブと前記第２支持リブとは同一の数設けられているとともに、前記各第１支持リブと前記各第２支持リブとが前記回転中心軸の方向において接触することで前記傾斜面を構成していることを特徴とする請求項１に記載の直列式軸流ファン。
9. 前記ハウジングは、前記第１インペラを径方向において囲むとともに前記複数の第１支持リブが接続される第１ハウジング部材と、前記第２インペラを径方向において囲むとともに前記複数の第２支持リブが接続される第２ハウジング部材と、で構成されることを特徴とする請求項８に記載の直列式軸流ファン。
10. 前記第２インペラが、前記第１インペラの回転方向とは反対方向に回転することを特徴とする請求項８に記載の直列式軸流ファン。
11. 直列式軸流ファンであって、
    回転中心軸の回りに配置された複数の第１翼を有し、回転により前記回転中心軸に沿った方向の空気流を発生させる第１インペラと、
    前記回転中心軸を中心として前記第１インペラを回転させる第１モータ部と、
    前記第１インペラに対し軸方向に隣接して配置され、前記回転中心軸の回りに配置された複数の第２翼を有し、回転により前記第１インペラによる空気流と同方向の空気流を発生させる第２インペラと、
    前記回転中心軸を中心として前記第２インペラを回転させる第２モータ部と、
    前記第１インペラおよび前記第２インペラを径方向において囲む筒状のハウジングと、
    前記第１インペラと前記第２インペラとの間において、前記回転中心軸を中心として放射状に設けられ、それぞれの外側先端が前記ハウジングに接続されて少なくとも前記第１モータ部を前記ハウジングに対して支持する複数の支持リブと、
    を備え、
    前記各支持リブは、任意の径方向断面における前記第１インペラ側の端縁が前記第２インペラ側の端縁より前記第１インペラの回転方向における上流側に位置するように傾斜して該支持リブの前記第１インペラ側に面する傾斜面を有しており、前記第１インペラの第１翼によって発生する空気の空気流の方向と前記傾斜面とはほぼ平行であり、
    前記傾斜面の前記回転中心軸の方向に対する角度が、前記傾斜面の上端部と下端部において、ほぼ同一であり、
    前記上端部と前記下端部とは、平面、あるいは滑らかな曲面でつながり、
    前記各支持リブの傾斜面の傾斜角度は、前記回転中心軸に垂直な径方向の内側から外側に行くに従い小さくなるように形成されていることを特徴とする直列式軸流ファン。
    

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