(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の翼を有する羽根をモータの回転軸に装着し、該モータを複数のスポークを介して前記羽根を囲むフレームの中心位置に保持するようにした軸流ファンにおいて、前記回転軸中心から前記スポーク中心線と前記モータ周面との交点を通る直線と、前記スポーク中心線との成す角を、モータ径をＤ、スポーク幅をｄとして、前記羽根回転方向と逆向きに９０−Ａｒｃｃｏｓ（（Ｄ−ｄ）／Ｄ）度にて定義される角度に設定したことを特徴とする軸流ファン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器の冷却等に使用される軸流ファンに関し、効率改善を図り得る軸流ファンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化により、熱密度が増加し、この電子機器の冷却用に軸流ファンが使われる例が増えている。その結果、電子機器全体の騒音対策と省エネルギー化のために、より低騒音で高効率の軸流ファンが求められている。
こうした要求に応えるために、各種の効率改善や低騒音化の技術が提唱されている。
【０００３】
図１６および図１７は、上述の一般的な軸流ファンの構造を示した図である。軸流ファンは、複数の翼１００ａを有する羽根１００を回転させることで送風することになる。この羽根１００は四角形の枠状に形成されたファンフレーム１０１の中心位置に配置されたモータ１０２の回転軸に装着されている。そして、この羽根１００を支持したモータ１０２は、複数のスポーク１０３でファンフレーム１０１の中心位置に保持されている。
【０００４】
このような軸流ファンでは、羽根１００の回転に伴ってスポーク１０３と翼１００ａとの干渉により騒音が発生する。そこで、この騒音対策として、従来では、スポーク１０３を傾斜させる構造が広く採用されている。この構造を採用することにより騒音が解消でき、かつ、耳障りな音が減るために、スポーク１０３を傾斜させる構造の軸流ファンが積極的に採用されている（特許文献１，特許文献２）。
【０００５】
すなわち、モータの周囲に放射状に配置されたスポークでは、翼により発生する圧力変動がスポーク全域で同時刻に圧力が変動し、大きな音を発生させるのに対して、スポークを傾斜して配置すると、スポーク上で圧力が変動する位置が時々刻々ずれるため、音の発生が時間的に分散し、小さな音となるというものである。この際、スポークは羽根の回転方向に傾斜させても、また、回転方向とは逆向きに傾斜させても、同様の効果が得られる。
【０００６】
一方、スポークを傾斜して配置すると、効率改善にも寄与できるとする技術情報もある。すなわち、スポークを羽根回転方向とは逆に傾けて形成するというものであるが、その技術的根拠は、翼は一般的に回転方向に前進させたものが多いため、スポークを回転方向に傾斜させると翼の後縁とスポークが重なるようになるため、圧力変動の増加により、効率が低下するため、回転方向と逆向きにスポークを傾斜させるというものである（特許文献１）。
【０００７】
上記技術的根拠を基に推測すると、スポークは羽根の前進角と密接な関係があり、ただ、単にスポークを回転方向逆向きに配置しただけでは、効率は改善できない可能性がある。しかも、特許文献２には、スポークの取付角度についての具体的な記述がないことから、ファンフレーム設計に際しての技術情報としては、不十分である。
【０００８】
ところで、図１８は軸流ファンの羽根での一般的な空気の流れを説明したものであるが、図１８において、翼１００ａは速度ｕで移動するため、空気は翼１００ａに対して、ベクトルｗ１で流入する。翼間を通過した空気はベクトルｗ２で流出するが、この際、翼１００ａにより流れが屈曲する。すなわち、翼１００ａから見ると流れは相対流線と記した曲線となる。
一方、翼１００ａは速度ｕで移動しているため、ファンフレームから見た流れは相対流線から速度ｕを差し引いたものとなり、絶対流線と記された曲線となる。すなわち、軸流ファン吐出し口からの流れは、羽根回転方向に旋回した流れとなる（非特許文献１，非特許文献２）。
【０００９】
この吐出し口からの流れのうち、旋回成分は送風出力には寄与しないため、図１９に示すようにファンフレームに固定された静翼１０４により、旋回成分を軸方向の流れに矯正し、圧力を上昇させることで効率を改善できる。上記のような構成の送風機が、後置静翼型と呼ばれる軸流送風機である。
【特許文献１】特許１０３７０１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８８５９９号公報
【非特許文献１】原田幸夫著「流体機械」３４頁〜３５頁、朝倉書店１９８６年３月２０日初版発行
【非特許文献２】編者ターボ機械協会「ターボ機械」２４頁、平成元年１２月２８日初版発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、電子機器などに取付けられる軸流ファンは、より薄型、小型化するために、静翼１０４を取り付ける余裕がなく、静翼１０４による効率改善は不可能であった。そこで、静翼１０４を用いずに送風効率を上げる構造が要求されている。
【００１１】
翼は一般的に回転方向に前傾させたものが多いことから、スポークを回転方向に傾斜させると翼の後縁とスポークが重なるようになる。そこで、前述の特許文献２に示されているものは、圧力変動の増加により、効率が低下するという理由により、回転方向と逆向きにスポークを傾斜させるというものである。
しかしながら、翼が扇型のファンでは、スポークをどちら向きに傾斜させても効率は改善されるのか、また、翼が回転方向と逆に傾斜したファンでは、スポークは回転方向に傾斜させたほうが良いのかといった疑問は残っていた。
上記のように、効率、騒音双方の面で適切なスポーク配置を決定する方法は、今のところ見当たらず、試行錯誤により、設計している、あるいは、効率、騒音性能が不完全なままで製品となっているのが実情である。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決し、効率改善と低騒音化を図り得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】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、複数の翼を有する羽根をモータの回転軸に装着し、該モータを複数のスポークを介して前記羽根を囲むフレームの中心位置に保持するようにした軸流ファンにおいて、前記回転軸中心から前記スポーク中心線と前記モータ周面との交点を通る直線と、前記スポーク中心線との成す角を、モータ径をＤ、スポーク幅をｄとして、前記羽根回転方向と逆向きに９０−Ａｒｃｃｏｓ（（Ｄ−ｄ）／Ｄ）度にて定義される角度に設定したことにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の軸流ファンによれば、送風効率を改善し、エネルギーの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図示の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態による軸流ファンの斜視図である。また、図２は図１の軸流ファンの正面図である。図３は図１の軸流ファンのフレームを示す正面図である。
【００１６】
図１ないし図３において、軸流ファンは、羽根（プロペラファン）１と、この羽根１を取り付けたファンフレーム２とで構成されている。羽根１は所定径の円筒状のハブ１ａと、このハブ１ａの周囲に一定間隔で放射状に設けられた複数の翼３（図示例では５枚）から構成されている。これらの翼３はハブ１ａの外周面に円周方向に沿って一定問隔で、複数個、ハブ１ａと一体成形されている。
【００１７】
前記ファンフレーム２は、四角形の枠２ａの内側に、軸方向に円筒状の内周面２ｂを形成したもので、この円筒部２ｃの略中心位置に、前記羽根１を回転軸５の中心Ｏに支持したモータ６が複数のスポーク（図示例では３本）４を介して支持されている。このスポーク４は、モータ６の周面に一定間隔をおいて、一端を連結され、かつ他端を前記羽根１の回転方向とは逆方向に傾斜させてモータ６の外側に延出されて前記ファンフレーム２の内周面２ｂに連結されている。
【００１８】
前記モータ６の直径をＤ、スポーク４のスポーク幅をｄとして、前記モータ３の回転軸５の中心Ｏから前記スポーク４のスポーク中心線８と前記モータ６の外周７との交点Ｐを通る直線９と、前記スポーク中心線８と前記モータ外周７との交点Ｐにおける前記スポーク中心線８との成す角βを、前記羽根回転方向と逆向きに９０−Ａｒｃｃｏｓ（（Ｄ−ｄ）／Ｄ）度にて定義される角度の５０％から１００％の範囲に設定している。
前記実施の形態では、ファンフレーム２のスポーク４の配置を、本発明に基づき、羽根回転方向とは逆向きに５９度傾いたものとしてある。
【００１９】
ここで、前述した従来技術から本発明に至った技術的な経緯について説明する。
本発明者は、発明に先立って、基本に戻り、市販のファンで羽根、スポークをそれぞれ、回転方向の向き、あるいは回転方向の逆向き、放射状としたものを組み合わせて、効率と騒音を計測してみた。
一般に、送風機（軸流ファン）の解析では、送風機の送風出力と電動機の軸動力との比を効率として求めている。また、圧力−流量特性については、回転速度、羽根径に依存しないように、無次元化して比較している。すなわち、下記の式で定義された流量係数φ、圧力係数ψ、効率ηを用いて評価を行うのが一般的である（非特許文献２）。
【００２０】
【数１】
0004583281.tif 000002
【００２１】
ここで、Ｑ、Ｐｔおよびρは、それぞれ流量、全圧および空気密度であり、Ｄｐは羽根径であり、ｕは羽根外周の速度である。また、Ｔはモータのトルク、ωは羽根の回転角速度である。
実験に用いた市販の軸流ファンは、幅９２ｍｍ、厚さ２５．４ｍｍの一般的なものである。実験に用いた羽根は３種類、ファンフレーム２は８種類であり、その一部を図７（ａ）（ｂ）（ｃ）および図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図７（ａ）は、羽根１の回転方向と逆向きに２０ｄｅｇ（度）ずつ翼３１を傾けたものである。図７（ｂ）は、放射状に翼３２を配置したものである。図７（ｃ）は、羽根１の回転方向と同じ向きに２０ｄｅｇ（度）ずつ翼３３を傾けたものである。図８（ａ）は、羽根１の回転方向と逆向きにスポーク４１を傾けたものである。図８（ｂ）は、放射状にスポーク４２を配置したものである。図８（ｃ）は、羽根１の回転方向と同じ向きにスポーク４３を傾けたものである。
【００２２】
ここで、スポーク取付角度の取りうる値について、図４をもとに具体的に説明する。
スポーク４を過度に傾けるとスポーク外側のライン１１はモータ６のモータ外周７よりはみ出してしまい、モータ６を保持するというスポーク４の機能を果たせなくなる。このスポーク外側のライン１１がモータ外周７をはみ出さないという条件がスポークの取付角度の最大値となる。
【００２３】
この状態では、図４のようにスポーク外側のライン１１はモータ外周７と接することになり、その際、スポーク外側のライン１１、スポーク中心線８とモータ外周７との交点からモータ中心を通る直線１３、スポーク外側のライン１１がモータ外周７と接する点Ｐとモータ中心を結んだ直線１２は直角三角形を形成する。スポーク外側のライン１１とスポーク中心線８とは平行であるため、スポーク中心線８と、スポーク外側のライン１１がモータ外周７と接する点とモータ中心を結んだ直線１２と、スポーク中心線８とモータ外周７との交点Ｐからモータ中心５を通る直線１３も同様に直角三角形を形成する。
【００２４】
この揚合、図４の直線１３と１２の成す角αはモータ径をＤ、スポークの幅をｄとすると、Ａｒｃｃｏｓ（（Ｄ−ｄ）／Ｄ）となる。Ａｒｃｃｏｓは余弦関数ｃｏｓの逆関数である。スポークの取付角度すなわち、直線１３と１４の成す角は、０度から９０−Ａｒｃｃｏｓ（（Ｄ−ｄ）／Ｄ）度の範囲となる。Ａｒｃｃｏｓの値については、ｄｅｇ、ｒａｄ、ｇｒａｄの３種の形式があるが、ここではｄｅｇ、すなわち、度で求めている。実験に用いたサンプルはＤ＝４３ｍｍ、ｄ＝６ｍｍであるため、スポークの取付角度は０度から５９度となる。
以上のようにして、各種の翼前進角の羽根と各種スポーク取付角度のフレームとを表１に従って試作したもののうち、Ｎｏ．１からＮｏ．１５のサンプルでファン特性を測定したのが、図９である。
【００２５】
【表１】
0004583281.tif 000003
【００２６】
なお、データ数が多いため、図９は、サンプルＮｏ．６、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０の測定結果のみを示した。ファンの効率は流量の変化に従って変化し、最大流量の２／３前後で効率は最大となる。この最大効率の変化を、翼の前進角、スポークの取付角度ごとに見たのが、図１０である。
【００２７】
図１０から、翼が扇型、すなわち前進角が０、回転方向に翼が前進、すなわち前進角が正、回転方向逆向きに翼が後退すなわち前進角が負のいずれの場合にも、スポークは回転方向逆向きに前傾させたほうが効率が大きく、かつ、スポークの取付角度の絶対値がある値以上であれば、効率は最大のまま、飽和することが分かる。つまり、翼の後縁とスポークとの位置関係は効率には影響せず、効率は回転方向に対するスポークの取付角度のみに依存していることが分かる。
【００２８】
一方、騒音についても基礎的な実験を行ったので、詳述する。
スポーク傾きは翼の前進角には依存せず、羽根回転方向と逆向きに，傾斜させると効率が高いことが分かったため、スポーク傾きは羽根回転方向と逆向きに取付角度の種類を増やして、羽根については前進角が０度の組み合わせにて、騒音を測定した。
【００２９】
すなわち、表１のＮｏ．６、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．１８について、開放状態での騒音値を無響音室にて、ファン吸込み口から１ｍの位置で、マイクロホンで測定した結果が図１１である。
【００３０】
図１１のスポーク取付角度は、既にスポークは羽根回転方向と逆向きに傾けたほうが良いことが効率の実験から分かっているため、ここでは、大きさのみを示した。すなわち、スポーク取付角度は、羽根の回転方向の逆向きへの角度を示し、図１０のスポーク取付角度が負の範囲に相当する。
【００３１】
図１１から、スポーク取付角度は３０度以上で、騒音は低位安定化することが分かる。すなわち、スポーク取付角度が取りうる最大のときに騒音値はもっとも小さくなるが、スポーク取付角度が取りうる最大値の５０％以上では、騒音値は、さほど変化せず、スポーク取付角度はその最大値の５０％から１００％のうちのいずれで設計しても、十分、低騒音のものが得られることが分かる。
【００３２】
公知の技術として、特許文献１を用いれば、スポークは回転方向の向きでも、また回転方向の逆向きでも良い。また、特許文献２においても、その説明からは、翼後縁とスポークが交差すれば良いのであるから、扇形の翼であれば、スポークは回転方向逆向きでも、また回転方向の向きでも良いことになる。そこで、従来の例では、スポークは回転方向の向きに５９度傾いているものとした（図１６，図１７参照）。
【００３３】
図５に本発明の実施例と従来例でのファン特性の測定結果を示す。
ファン特性に関しては、無次元化し、流量係数と圧力係数で表してある。また、図６に本発明の実施例と従来例での騒音周波数特性を示す。また、表２には、本発明の実施例と従来例での最大効率および騒音の測定結果の比較を示す。図５から本発明の実施例では、流量係数が０．１以上では、従来例よりも圧力係数が大きく、効率も従来例を上回っていることが分かる。
【００３５】
以上、従来例との効率、騒音比較を表にまとめると、表２に示すとおり、従来例での最大効率は０．２７に対して、本発明の実施例における最大効率は０．３２と約１．２倍になっていることが分かる。
【００３６】
【表２】
0004583281.tif 000004
【００３７】
さて、ここで、本発明により効率の改善が可能な技術的理由について、詳しく説明する。
発明者は特定のスポーク配置は、従来技術で説明した静翼と同じような働きをすることを見出した。本発明の技術的な原理はこのことを利用したものである。
以下、本発明の軸流ファンと従来例における吐出し口からの流れを数値流体解析により求めた結果を、図１２、図１３、図１４、図１５をもとに詳細に説明する。
なお、数値流体解析に使用したソフトウェアは市販の数値解析コードであり、軸流送風機の解析においても実績のあるものである。
【００３８】
図１４は従来の軸流ファンにおける吐出し口での流れを吸込み口側から見たものである。流れは羽根回転方向に旋回していることが分かる。図１４でベクトルが小さくなっている部分がスポーク直後の流れである。図１４で、スポークは流れの旋回方向に傾斜しているため、流れはスポークに当たると、全体的に外向きにさらに旋回する流れとなっていることが分かる。
【００３９】
一方、図１２は本発明の軸流ファンにおける吐出し口での流れを吸込み口側から見たものであるが、スポークは流れの旋回方向と逆向きに傾斜しているため、流れはスポークに当たると、中心向きに方向を変えようとする。ところが、中心部分は圧力が高いため、中心に向かうことはできず、軸方向、すなわち、図１２の紙面裏側に向かうことになり、これが、従来の静翼と同じように、流れの旋回成分を軸方向成分に矯正する仕組みとなり、効率を改善させている。
【００４０】
以上の結果を数値的に見るために、吐出し口での流れの旋回成分の大きさを濃淡で表示したものが図１３と図１５である。図１３，図１５において、黒色に近い部分ほど旋回成分が大きく、逆に白色に近い部分ほど旋回成分は小さいことを示している。
図１５は従来例における旋回成分の大きさを、また、図１３は本発明の実施の形態における旋回成分の大きさをそれぞれ示している。
【００４１】
図１３と図１５を比較すると、図１３のほうが淡い部分が多く、旋回成分の大きさは図１５よりも小さいことが分かる。つまり、図１３、すなわち、本発明の軸流ファンにおける旋回成分のほうが、図１５の従来例における旋回成分よりも小さく、本発明の軸流ファンでは旋回成分が軸方向成分に矯正され、効率改善に寄与していることが分かる。
【００４３】
以上のように、本発明は特定のスポーク配置が前述の静翼と同じような働きをすることを利用したものであり、技術的には、吐出し口からの流れの旋回成分を矯正することにより、効率を改善するものであるが、容易には成しえないことは、特許文献２との比較から、明らかである。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態における軸流ファンの送風効率は３２％であり、従来例での送風効率２７％に対して、５％効率を改善できる。これは、従来例と同等の出力を得るには２７／３２＝８４．４％のエネルギーで十分であることになり、エネルギーを１５％ほど削減できることが分かる。
【００４５】
なお、効率改善および騒音低減の手法は、本発明のスポーク配置以外にも、翼形状やフレーム吐出し口形状など、各種の方法があり、それらと本発明とは、独立のものであり、他の手法との組み合わせにより、本発明の実施形態や効果が変わるものではない。さらに、スポーク断面形状を翼形状や流体抵抗の少ない断面形状にすることでさらなる効率改善あるいは騒音低減が可能であるが、それらにより本発明の実施の形態や効果が変わるものではないことは言うまでもない。
【００４６】
さらにまた、本発明の実施の形態の軸流ファンでは、正面から見たスポーク形状は直線であるが、これを曲線にすることも可能であり、製品デザインの向上あるいは効率改善、騒音低減の効果が期待できるが、このことにより、本発明の実施の形態や効果が変わるものではないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態による軸流ファンの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態による軸流ファンの吸込み口から見た正面図である。
【図３】本発明の実施の形態による軸流ファンのファンフレームの正面図である。
【図４】本発明の実施の形態による軸流ファンのモータ径、スポーク幅とスポーク取付角度との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態による軸流ファンと従来例でのファン特性を比較した図である。
【図６】本発明の実施の形態による軸流ファンと従来例での騒音周波数特性を比較した図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）はスポーク配置と効率の基礎実験に用いた羽根を示す概念図である。
【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）はスポーク配置と効率の基礎実験に用いたファンフレームの一部を示す概念図である。
【図９】スポーク配置と効率の基礎実験結果のうちファン特性を比較した図である。
【図１０】スポーク配置の基礎実験から得られたスポーク取付角度と効率との関係を示す図である。
【図１１】スポーク配置の基礎実験から得られた羽根回転逆向きへのスポーク取付角度と騒音との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態における吐出し口流れをベクトル表示した図である。
【図１３】本発明の実施の形態における吐出し口流れの旋回成分の大きさを濃淡で表示した図である。
【図１４】従来の軸流ファンにおける吐出し口流れをベクトル表示した図である。
【図１５】従来の軸流ファンにおける吐出し口流れの旋回成分の大きさを濃淡で表示した図である。
【図１６】従来の軸流ファンの斜視図である。
【図１７】従来の軸流ファンの吸込み口から見た正面図である。
【図１８】軸流ファン翼間の流れを模式的に示した図である。
【図１９】軸流ファン翼間の流れを模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  羽根
２  ファンフレーム
３  翼
４  スポーク
５  軸中心
６  モータ
７  モータ外周
８  スポーク中心線
９  回転軸の中心からスポーク中心線とモータ外周との交点を通る直線
１１  スポーク外側のライン
１２  スポーク外側のラインがモータ外周と接する点とモータ中心を結んだ直線
１３  スボーク中心線とモータ外周との交点からモータ中心を通る直線
１４  スポーク中心線の延長部分
Ｏ  回転軸の中心
Ｐ  スポーク中心線とモータ外周との交点
Ｑ  スポーク外側のラインがモータ外周と接する点
β  スポーク傾斜角
【図１】
0004583281.tif 000005
【図２】
0004583281.tif 000006
【図３】
0004583281.tif 000007
【図４】
0004583281.tif 000008
【図５】
0004583281.tif 000009
【図６】
0004583281.tif 000010
【図７】
0004583281.tif 000011
【図８】
0004583281.tif 000012
【図９】
0004583281.tif 000013
【図１０】
0004583281.tif 000014
【図１１】
0004583281.tif 000015
【図１２】
0004583281.tif 000016
【図１３】
0004583281.tif 000017
【図１４】
0004583281.tif 000018
【図１５】
0004583281.tif 000019
【図１６】
0004583281.tif 000020
【図１７】
0004583281.tif 000021
【図１８】
0004583281.tif 000022
【図１９】
0004583281.tif 000023