(57)【要約】【課題】送風効率および静圧効率を向上させ、かつ消費電力を低減することができる軸流ファンを実現する。【解決手段】軸流ファン１００は、回転駆動装置の回転軸にハブ２０が取り付けられた羽根車１０と、羽根車１０の径方向の外周を囲み回転軸の軸方向に対向する吸気口４２および吐出口４３を有するベンチュリケーシング４１と、を備え、ハブ２０に一体的に取り付けられた複数の羽根３０の正圧面３０ｂは、羽根３０の回転方向Ｒの前縁部３１の湾曲形状に沿うように湾曲した複数の段差部３３を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動装置の回転軸にハブが取り付けられた羽根車と、
前記ハブに一体的に取り付けられた複数の羽根と、を備え、
前記複数の羽根の正圧面は、前記羽根の回転方向の前縁部の湾曲形状に沿うように湾曲した複数の段差部を有することを特徴とする軸流ファン。
【請求項２】
回転駆動装置の回転軸にハブが取り付けられた羽根車と、
前記羽根車の径方向の外周を囲み前記回転軸の軸方向に対向する吸気口および吐出口を有するベンチュリケーシングと、を備え、
前記ハブに一体的に取り付けられた複数の羽根の正圧面は、前記羽根の回転方向の前縁部の湾曲形状に沿うように湾曲した複数の段差部を有することを特徴とする軸流ファン。
【請求項３】
前記各段差部は、前記各羽根の正圧面において、該各羽根の内周部から外周部に至るまで延出させて湾曲していることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流ファン。
【請求項４】
前記羽根の後縁部側に位置する段差部は、前縁部側に位置する段差部よりも湾曲率を減少させて湾曲していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軸流ファン。
【請求項５】
前記羽根の正圧面の断面形状は、前記羽根の前縁部側から滑らかに肉厚が増加し、段差部を経て肉厚が急激に減少する形状を段階的に繰り返すことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の軸流ファン。
【請求項６】
前記羽根の断面形状は、前記前縁部側から前記後縁部側へ向けて、流線形の翼が直列に連なったような形状を呈することを特徴とする請求項１から５のいずれか１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、羽根車の羽根の正圧面の形状を改良した軸流ファンに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流ファンは、回転中心となるハブの外周に放射線状に複数の羽根を備える。軸流ファンは、構造が簡単であるので、たとえば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、サーバー用の冷却ファンや、換気扇などに広く用いられる。
【０００３】
軸流ファンは、一般に風量が大きく、静圧が小さいという送風特性を有する。軸流ファンの送風特性を改良し、騒音を低減するため、羽根の構造に様々な工夫が施されている。
【０００４】
軸流ファンの羽根構造に関連する技術として、回転中心となるハブの外周に複数枚の羽根を備え、各羽根の負圧面に、多数のディンプルを形成するとともに、該ディンプルの深さをｄ、ディンプルの穴径をφとするとき、０．１５≦ｄ／φ≦０．３となるように設定した軸流ファンが開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１の技術は、各羽根の負圧面に所定条件で多数のディンプルを形成することにより、羽根の負圧面での境界層の発達および流れの剥離を抑制して、軸流ファンの騒音の低減および空力性能の向上を図っている。
【０００６】
また、羽根の加圧面に複数の突起を設け、同突起の頂点を結んで形成される面と羽根の負圧面とで、流線形の翼形状を形成してなる軸流ファンが開示されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献２の技術は、羽根の負圧面とで流線形の翼形状を形成するように加圧面（正圧面）に複数の突起を設けることにより、送風効率が高く、騒音が小さく、かつ軽量な軸流ファンを提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３３２２９４号公報
【特許文献２】特開平１１−３７０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１および２の技術によれば、軸流ファンの消費電力の低減については全く検討されておらず、送風効率が向上し騒音が小さくなっても、消費電力が大きくなれば技術的価値が半減する。
【００１０】
近年、インターネット・インフラの整備促進に伴い、大型サーバーが普及している。大型サーバーのケーシングには、たとえば、４０個程度の多数の冷却ファンが取り付けられる。多数の冷却ファンの電源は、通常、ケーシング内に収納された単一の電源装置から供給されるので、電源装置への負担は大きい。したがって、個々の冷却ファンの消費電力を少しでも下げることができれば、冷却ファン全体として電源装置への負荷を大幅に下げることができる。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、送風効率および静圧効率を向上させ、かつ消費電力を低減することができる軸流ファンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための軸流ファンは、回転駆動装置の回転軸にハブが取り付けられた羽根車と、上記羽根車の径方向の外周を囲み上記回転軸の軸方向に対向する吸気口および吐出口を有するベンチュリケーシングと、を備える。
【００１３】
上記ハブに一体的に取り付けられた複数の羽根の正圧面は、上記羽根の回転方向の前縁部の湾曲形状に沿うように湾曲した複数の段差部を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る軸流ファンは、各羽根の正圧面が複数の段差部を有する。各段差部は、当該羽根の回転方向の前縁部の湾曲形状に沿うように湾曲している。
【００１５】
したがって、各羽根の正圧面とベンチュリケーシングとの間の吐出流は、湾曲した各段差部の回転方向後方の窪みに渦流れを形成すると考えられる。本発明によれば、複数の段差部によって形成された段階的な渦流れ上を後流の吐出流が通過することにより、軸流ファンの送風効率および静圧効率を向上させ、かつ消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の軸流ファンの正面図である。
【図２】本実施形態の軸流ファンの背面図である。
【図３】本実施形態の軸流ファンの一部を破断した概略側面図である。
【図４】本実施形態の軸流ファンにおける羽根の上面図、下面図および背面図である。
【図５】本実施形態の軸流ファンにおける試作機の送風特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本実施形態の軸流ファンについて説明する。
【００１８】
本実施形態の軸流ファンは、ハブに一体的に取り付けられた複数の羽根の正圧面に、羽根の回転方向の前縁部の湾曲形状に沿うように湾曲した複数の段差部を有する。本実施形態によれば、複数の段差部によって形成された段階的な渦流れ上を後流の吐出流が通過することにより、送風効率および静圧効率を向上させ、かつ消費電力を低減できる軸流ファンが実現される。
【００１９】
〔軸流ファンの構成〕
まず図１から図３を参照して、本実施形態の軸流ファンの構成について説明する。図１は本実施形態の軸流ファンの正面図である。図２は本実施形態の軸流ファンの背面図である。図３は本実施形態の軸流ファンの一部を破断した概略側面図である。図４は本実施形態の軸流ファンにおける羽根の上面図、下面図および背面図である。
【００２０】
図３に示すように、本実施形態の軸流ファン１００は、回転駆動装置（図示せず）の回転軸に取り付けられた羽根車１０と、該羽根車１０の径方向の外周を囲むベンチュリケーシング４１と、を有する。
【００２１】
ベンチュリケーシング４１は、ファンフレーム４０の主要部を構成する部材である。ベンチュリケーシング４１は、羽根車１０が起こす風の通路としての風洞を区画形成する円筒体状の部材である。ベンチュリケーシング４１の軸方向両端の開口は、それぞれ吸引口４２、吐出口４３となる。
【００２２】
ベンチュリケーシング４１の吸気側および吐出側の周縁には、電子機器などにファンフレーム４０を固定するためのフランジ部４４，４５が設けられる。フランジ部４４，４５は、ベンチュリケーシング４１の外周壁と連続する正方形状の取付部材である。各フランジ部４４，４５の四隅には、取付ねじを螺合するための不図示のねじ孔が形成される。
【００２３】
なお、ベンチュリケーシング４１およびフランジ部４４，４５を含むファンフレーム４０は、たとえば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金により形成されるが、例示した材質に限定されず、他の金属材料や熱可塑性の合成樹脂等を用いてもよい。
【００２４】
羽根車１０は、回転中心となるハブ２０と、該ハブ２０の外周に一体的に取り付けられた複数の羽根３０とを有する。
【００２５】
ハブ２０は、羽根車１０の中央部に設けられたカップ状の部材である。ハブ２０の内部には、羽根車１０の回転駆動装置としての不図示のモータのロータヨークが嵌入される。モータのベース部はファンフレーム４０に支持される。
【００２６】
図１に示すように、複数の羽根３０は、回転中心となるハブ２０の周囲に放射線状に一体的に取り付けられる。本実施形態における羽根車１０は５枚の羽根３０を有するが、羽根３０の枚数は５枚に限定されない。ハブ２０および羽根３０は、たとえば、熱可塑性の合成樹脂により形成されるが、例示した材質に限定されない。熱可塑性合成樹脂としては、たとえば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＣ／ＡＢＳ、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）等の樹脂が挙げられる。
【００２７】
各羽根３０は、翼形状を呈している。各羽根３０は、当該翼形状の各羽根３０の先端側（突出側）が羽根車１０の回転方向Ｒの前方側へ位置するように、ハブ２０に一体的に取り付けられる。
【００２８】
各羽根３０の基端部（内周端部）は、回転軸の軸方向に対して傾斜させてハブ２０に取り付けられる。具体的には、各羽根３０は、当該羽根３０の回転方向の前縁部３１がハブ２０の頭部側に位置し、後縁部３２がハブ２０の開口側に位置するように、ハブ２０に傾斜させて取り付けられる（図３参照）。
【００２９】
図１から図３に示すように、羽根車１０は、ベンチュリケーシング４１内において、各羽根３０の前面側が吸引口４２側となり、背面側が吐出口４３側となるように配置される。したがって軸流ファン１００は、各羽根３０の前面側が負圧面３０ａとなり、背面側が正圧面３０ｂとなる。
【００３０】
本実施形態の軸流ファン１００は、各羽根３０の正圧面３０ｂに湾曲した複数の段差部３３が形成されている。各羽根３０の正圧面３０ｂのみに湾曲した複数の段差部３３が形成され、負圧面３０ａは通常の滑らかな面で形成される。
【００３１】
図４（ａ）は羽根の外周面の上面図、（ｂ）は羽根の内周面（基端面）の下面図、（ｃ）は羽根の背面図である。
【００３２】
図２から図４に示すように、各段差部３３は、羽根３０の前縁部３１の湾曲形状に沿うように形成される。各段差部３３は、各羽根３０の正圧面３０ｂにおいて、当該各羽根３０の基端部（内周部）から外周部に至るまで延出させて湾曲している。複数の段差部３３の湾曲率は、羽根３０の前縁部３１の湾曲率よりも小さく、後縁部３２の湾曲率よりも大きく形成される。本実施形態では、各羽根３０の正圧面３０ｂに２箇所の段差部３３ａ，３３ｂを設けている。羽根３０の後縁部３２側に位置する段差部３３ｂの湾曲率は、前縁部３１側に位置する段差部３３ａの湾曲率よりも小さく設定される。
【００３３】
本実施形態では、各羽根３０の正圧面３０ｂに２箇所の段差部３３ａ，３３ｂを設けているが、段差部の数は２箇所に限定されない。
【００３４】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、各羽根３０の断面において、正圧面３０ｂの肉厚は、前縁部３１から徐々に増大し、段差部３３ａを経てその増大の程度と比較して急激に減少している。さらに、段差部３３ａを経て急激に減少した肉厚は再度徐々に増大し、段差部３３ｂを経てその増大の程度と比較して急激に減少して、後縁部３２へと至っている。すなわち、羽根３０の正圧面３０ｂの断面形状は、当該羽根３０の前縁部３１側から滑らかに肉厚が増加し、段差部３３を経て肉厚が急激に減少する形状を段階的に繰り返している。
【００３５】
一方、各羽根３０の負圧面３０ａは、上述したように、通常の滑らかな面で形成される。羽根３０の正圧面３０ｂの断面形状と負圧面３０ａの断面形状を総合して全体観察すると、各羽根３０の断面形状は、あたかも前縁部３１側から後縁部３２側へ向けて流線形が２つ直列に連なったような形状を呈している。
【００３６】
なお、段差部３３の数を３箇所以上とする場合は、各羽根３０の断面形状は、あたかも段差部３３の数に応じた流線形が直列に連なったような形状を呈する。
【００３７】
〔軸流ファンの動作〕
次に、図１から図５を参照して、本実施形態の軸流ファン１００の動作を説明する。
【００３８】
図３に示すように、軸流ファン１００は、吸気側フランジ部４４もしくは吐出側フランジ部４５に不図示の取付けねじを螺合することにより、電子機器の筐体などに取り付けられる。たとえば、本実施形態の軸流ファン１００をＰＣやサーバー用の冷却ファンとして用いる場合は、ＰＣ等の筐体内面のファン取付部に吸気側フランジ部４４が取り付けられる。また、本実施形態の軸流ファン１００を換気扇として用いる場合は、建屋内壁の開口部周縁部に吐出側フランジ部４５が取り付けられる。
【００３９】
本実施形態の軸流ファン１００をサーバーの冷却ファンとして使用する場合、ベンチュリケーシング４１内において、羽根車１０の各羽根３０の負圧面３０ａはサーバーの筐体外へ臨んでおり、正圧面３０ｂは筐体内へ臨んでいる。サーバーの稼働中には軸流ファン１００の羽根車１０が回転し、外気を筐体内へ取り込んでハードディスク（ＨＤＤ）等の電子機器を空冷する。
【００４０】
軸流ファン１００の吸引口４２から吸い込まれた外気は、羽根車１０の羽根３０とベンチュリケーシング４１との間を通って吐出口４３から筐体内へと吐出される。
【００４１】
本実施形態の軸流ファン１００は、各羽根３０の正圧面３０ｂに湾曲した複数の段差部３３が形成されている。各段差部３３は、各羽根３０の回転方向の前縁部３１の湾曲形状に沿うように湾曲している。各段差部３３は、各羽根３０の正圧面３０ｂにおいて、当該各羽根３０の基端部（内周部）から外周部に至るまで延出させて湾曲している。羽根３０の後縁部３２側に位置する段差部３３ｂは、前縁部３１側に位置する段差部３３ａよりも湾曲率を減少させて湾曲している。
【００４２】
羽根３０の正圧面３０ｂの断面形状は、羽根３０の前縁部３１側から滑らかに肉厚が増加し、段差部３３を経て肉厚が急激に減少する形状を段階的に繰り返している。したがって、羽根３０の断面形状は、前縁部３１側から後縁部３２側へ向けて、流線形の翼が直列に連なったような形状を呈する。
【００４３】
以上のような羽根構造を有する本実施形態の軸流ファン１００の送風特性は、図５に示すように、本実施形態の軸流ファン１００の試作機を作製して運転し、従来構造との比較で確認した。従来構造の軸流ファンは、本実施形態と同数の５枚の羽根を有し、各羽根の負圧面と正圧面が滑らかな面で形成された羽根車を備えている。
【００４４】
図５は本実施形態の軸流ファンにおける試作機の送風特性を説明する図である。なお、送風特性は、回転速度、最大風量、最大静圧、音圧レベル、消費電力、静圧効率および羽根効率について測定した。
【００４５】
まず図５（ａ）は、本実施形態の軸流ファンの風量と消費電力の関係を従来構造との比較で説明するための図である。図５（ａ）では、本実施形態の軸流ファンと従来構造の軸流ファンの風量と静圧の関係曲線を合わせている。
【００４６】
図５（ａ）に示すように、軸流ファンの風量が増加するにつれて、静圧は次第に減少する。また、軸流ファンの風量を増加させると、消費電力は緩やかに上昇した後降下曲線を描いて減少する。
【００４７】
本実施形態の軸流ファンと従来構造の軸流ファンの風量と静圧の関係曲線を合わせると、本実施形態の軸流ファンは、従来構造の軸流ファンよりも約１２．７％の最小消費電力［Ｗ］の低減が見られた。
【００４８】
次に図５（ｂ）は、本実施形態の軸流ファンの風量と静圧効率の関係を従来構造との比較で説明するための図である。図５（ｂ）では、本実施形態の軸流ファンと従来構造の軸流ファンの風量と静圧の関係曲線を合わせている。
【００４９】
図５（ｂ）に示すように、軸流ファンの風量が増加するにつれて、静圧は次第に減少する。また、軸流ファンの風量を増加させると、静圧効率は山状の曲線を描いて変化する。
【００５０】
本実施形態の軸流ファンと従来構造の軸流ファンの風量と静圧の関係曲線を合わせると、本実施形態の軸流ファンは、従来構造の軸流ファンよりも約５．８％の最大静圧効率の向上が見られた。また本実施形態の軸流ファンは、従来構造の軸流ファンよりも約７．５％の最大羽根効率の向上が見られた。
【００５１】
図５の試作機の送風特性の測定結果から、各羽根３０の正圧面３０ｂとベンチュリケーシング４１との間の吐出流は、湾曲した各段差部３３ａ，３３ｂの回転方向後方の窪みに渦流れを形成すると考えられる。すなわち、本実施形態の軸流ファン１００によれば、複数の段差部３３ａ，３３ｂによって形成された段階的な渦流れ上を後流の吐出流が通過することにより、送風効率および静圧効率を向上させ、かつ消費電力を低減することができる。
【００５２】
特に、大型サーバーの場合は、組み込むＨＤＤの数が多いため、たとえば、４０個程度の冷却ファン（軸流ファン）１００が取り付けられる。多数の冷却ファンの電源は、通常、筐体内に収納された単一の電源装置から供給されるので、電源装置への負担は大きい。
【００５３】
本実施形態の軸流ファン１００は、個々の冷却ファンの消費電力を低減することができ、冷却ファン全体として電源装置への負荷を大幅に低減することができるという有利な効果を奏するものである。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。
【００５５】
また上記の実施形態は、軸流ファンの羽根の正圧面に湾曲した段差部を形成しているが、シロッコファン等の他形式のファンの羽根の正圧面にも応用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０    羽根車、
２０    ハブ、
３０    羽根、
３０ａ    負圧面、
３０ｂ    正圧面、
３１    前縁部、
３２    後縁部、
３３，３３ａ，３３ｂ    段差部、
４１    ベンチュリケーシング、
４２    吸気口、
４３    吐出口、
１００    軸流ファン、
Ｒ    回転方向。
【図１】
2013209956.tif 000003
【図２】
2013209956.tif 000004
【図３】
2013209956.tif 000005
【図４】
2013209956.tif 000006
【図５】
2013209956.tif 000007