(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業用の建物内に配置され、人々を冷房するファンであって、
前記建物の天井に前記ファンを装着するための支持部と、
前記支持部に取り付けられ、回転可能なシャフトを備えたモータと、
前記シャフトに取り付けられたハブと、
前記ハブに接続された複数のファンブレードとを備え、
前記複数のファンブレードは、長さが少なくとも約７．５フィートで、翼形状の断面を有し、前記モータは、前記ファンブレードを１分間に約５０回転させて、前記ファンの近傍に直径約２０フィートの円柱形状で移動する空気を発生させ、前記空気は、前記ブレードから約１０フィート離れた位置で毎時約３〜５マイルの速度で移動して、前記建物内に循環する空気の流れを形成し、人々に隣接する空気の境界層を破壊して人々からの汗の蒸発を容易にし、
前記支持部は、その下端部に円形状の下部プレートを備え、
前記ハブは、当該ハブが前記シャフトから脱離したときに、前記ハブ及び前記複数のファンブレードの合計の重量を支えるための複数の安全保持具を備えており、
前記安全保持具は、前記下部プレートの上方で前記下部プレートの外周縁部と対向するように延びた第３部分を有しており、当該第３部分は、前記ハブが前記シャフトから脱離したときに、前記下部プレートの外周縁部に引っ掛かるよう構成されていることを特徴とするファン。
【請求項２】
前記安全保持具を４つ備えていることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【請求項３】
前記ファンブレードを１０個備えていることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【請求項４】
前記複数のファンブレードは、それぞれアルミニウム押し出し成形により製造されていることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【請求項５】
前記ファンブレードは、均一な断面に製造されていることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【請求項６】
前記ファンブレードの翼形状を向上させるため、前記複数のファンブレードにフラップが装着されていることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【請求項７】
前記複数のフラップは、前記ファンの回転軸に近い位置での前記ブレードの速度の低下を代償にして、前記ファンの回転軸に近い位置で、より適切な翼形状になるようにテーパ状に形成され、前記空気の流れの均一性が向上するようにすることを特徴とする請求項６に記載のファン。
【請求項８】
前記ファンブレードは、迎え角が８度で装着されていることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【請求項９】
前記複数のファンブレードは、
１分間当たりの回転数を単位とする前記ファンの回転速度に対する、前記ブレードから約１０フィート離れた位置で計測される１分間当たりの移動距離（フィート）を単位とする空気の速度を、約１対５から１対９の範囲にするように回転し、これにより前記建物内に循環する空気の流れを形成して、人々に隣接する境界層を破壊し、人々からの汗の蒸発を容易にすることを特徴とする請求項１に記載のファン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型の建物に設けられる冷房装置、特に、ビル内の人や動物の冷房を容易に行うことができるように、建物内で大量の空気を均一にゆっくりと循環させるために用いられる大径で低速のファンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
倉庫や工場等の大型の建物で働く人々は、不快であったり或いは危険な条件の中で日々働いている。暑い日には、体温を健全に維持できなくなるほど屋内の温度が高くなる。さらに、このような環境の中で、例えば溶接をしたり内燃エンジンを操作するといった行動により、有害な汚染物質が空気中に浮遊し、このような環境の中で働く人々に害を与えている。この汚染物質の浮遊は、換気が適切に行われていなければ、非常に広範囲に拡大する。
【０００３】
大型の建物において温度を下げるという問題は、従来の空調方法によって常に解決できるわけではない。特に、大型の建物内の大量の空気を効果的に冷やすには、強力な空調設備が必要となるが、このような設備を使用すると、運転費用が問題となる。大型の空調設備の運転費用は、日常的に開かれている大型のドアがあったり、外気との換気を必要とするような環境では、非常に高くなる。
【０００４】
一般に、空調設備が使用できない場合には、ある程度の温度を下げるために、ファンが使用される。典型的なファンは、回転するハブに、放射状に等間隔に配置された複数のブレードを備えている。このようなファンの直径は、３〜５フィートが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常のファンがモータにより高速で回転しているとき、ブレード近傍の空気とその周囲の空気との間には圧力差が生じ、これによりファンの回転軸に沿って延びる円錐状の空気の流れが生じる。この円錐形は、移動する空気の境界に作用する引力と組み合わさって、空気の流れをフレア状に下方へと拡散させていく。その結果、この種のファンの冷却性能及び効率は限定的なものになり、ファンから一定距離離れた場所にいる人々にのみに作用するものとなる。
【０００６】
特に、ファンの効果は、蒸発の原理に基づいている。体温が上昇してあるしきい値を越えると、人体は発汗により反応する。蒸発過程を通じて、汗を含むよりエネルギーの高い分子が周囲の空気へと放出され、その結果、人体外表部の熱エネルギーが減少する。蒸発による熱エネルギーの減少は、新陳代謝と周囲の高温の空気との熱伝導を含む人体の自発的な熱エネルギー源を打ち消す。
【０００７】
蒸発熱の損失の割合は、周囲の空気の相対湿度に大きく依存する。周囲の空気が動いていない場合は、皮膚の近傍に飽和した空気の層が形成され、人体からの水分の蒸発が妨げられるために、蒸発熱の損失の割合が大きく低下する。こうして、人体に汗をかかせるという発汗作用が行われる。効果的な熱損失の機構が欠如すると、体温が望ましくないレベルを超えて上昇する。
【０００８】
ファンによって生ずる空気の流れは、皮膚近傍の飽和した空気を除去し、飽和していない空気に置き換える。これにより、蒸発過程がより長い時間行われる。そして望ましい結果として、体温が快適な温度に維持される。
【０００９】
大型の建物では、人々を涼しくするための従来の方法として、直径の小さい多くのファンが用いられている。直径の小さいファンは、大きさの制約により、大きい直径のものより好まれる。特に、大きい直径のファンは、ブレードの縦横比の増加に伴って上昇する重力モーメントにより生ずる応力に耐えうるために、強度が大きく軽量のブレードが要求される。さらに、直径の２乗に従ってファンの回転慣性が増加するという事実により、高いトルクを発生させる減速ギア機構が要求される。さらに、ドライブトレ−ンの構成要素は、モータの起動時に発生する非常に大きなトルクによって機械的な故障を生じやすい。
【００１０】
連続する空気の流れを作り出す従来の小さい直径のファンの欠点は、流れの下流の位置で空気の流れが急激に低下することである。これは、円錐の端部に抵抗として作用する引力と比較して、流れ中に含まれる比較的少ない量の空気と組み合わさった円錐形空気流の性質によるものである。孤立していない大きな建物の中に十分な空気の流れを作るためには、小さい直径のファンを多数準備する必要がある。しかしながら、このような多数のファンを同時に使用するには大量の電力が必要となり、低コストで稼動できるという利点を損なうことになる。さらに、密閉された空間で使用される多数のファンは、空気の流れをさらに乱し、建物内の空気の流れを低下させる。その結果、ファンの冷却性能を低下させてしまう。
【００１１】
実用的でない小さな直径のファンを多数使用せずに、大型の建物内で十分な空気の流れを作るために、少数の小さな直径のファンを高速で運転する方法を用いることがある。しかしながら、このようなタイプの複数のファンは大量の空気を比較的短時間で移動することができるが、これを望ましくない方法で行ってしまうことがある。つまり、小さい高速ファンは、比較的少量の空気を比較的高速で移動させるように運転することができ、その結果、ファン近傍の空気の速度及び騒音がともに非常に大きくなる。さらに、例えば紙等の軽い物体は、高速の空気により移動され、その結果、仕事をする環境が破壊されてしまう。
【００１２】
高速ファンの他の問題は、閉じられた大きな空間内の空気を、一定状態で連続して流れさせることに関して効率的でないことにある。特に、最も適した層流を形成する場合には、ファンの電力消費は、ファンによる空気の速度の３乗に比例する。そのため、高速の空気の流れを形成し、電気で駆動する高速ファンは、比較的高い比率で電力を消費する。さらに、空気の速度が上昇するのに伴って発生する乱気流は、比較的小さい体積の空気中では、高速ファンの空気の流れによる運動エネルギーを放散する。その結果、たとえ大きい電力が消費されても、ファンから離れた位置での空気の流れは非常に小さいものとなる。
【００１３】
不十分な空気の流れを解消するために、多数の高速ファンを使用することがある。しかしながら、この方法では、周囲の騒音が大きく、しかも運転費用が高くなってしまう。また、高速で流れる空気の領域が広がって、その結果、人々がケガをする危険性が高くなる。特に、空気が高速で移動すると、外部の物体が空気中に浮遊し、危険な状態を生じさせることになる。また、紙やその他の軽い物体がこれに巻き込まれるおそれがある。さらに、空気の温度が皮膚の温度より高くなると、高い温度の空気から低い温度の皮膚への熱の流れが増加するため、冷却効果が低下する。
【００１４】
冷房に加え、ファンはまた、排気やたばこの煙のように空気中に浮遊する汚染物質を除去する換気システムに頼るところが大きい。典型的な換気システムは、建物の周囲に配置された高速ファンを備えている。しかしながら、上記のような高速ファンの問題は、高速換気用ファンにも当てはまる。最も深刻な問題は、建物内のいくつかの場所では適切に換気することができないということである。
【００１５】
換気をよくするために、高速の屋内ファンを、建物内全体に汚染物質を分散するために使用することがある。しかしながら、上記したような高速ファンの制約は、換気の問題にも当てはまる。つまり、高速屋内ファンは、騒音が大きく、効率が悪く、ある一定の場所には十分に空気を流すことができない一方、他の場所には過大な空気を流すことがある。
【００１６】
上記から、大型の建物内で効果的に運転することができ、コスト的に有利な冷却装置が必要とされていることが認識される。さらに、効率的で、過度な騒音や速い空気の流れにより仕事をする環境が壊されないような装置が必要とされている。さらに、建物内における汚染された空気の集中箇所をより均一に希釈することができる装置が必要とされており、これにより従来の換気システムとともに使用されるときに、建物を最も望ましい状態に換気することができる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記したニーズは、本発明の方法により達成される。本発明の一実施形態の方法は、少なくとも約１０〜１２フィートの長さのブレードを有するファンを工業用の建物の天井に装着する過程と、前記ファンと隣接する位置で直径約２０〜２４フィートの円柱状の空気を移動させるように前記ファンを回転させる過程とを備えている。また、他の実施形態では、工業用建物内に空気の流れを形成するために、ファンの回転によりファンから１０フィートから離れた位置で毎時約３〜５マイルの速度を与え、この空気の流れにより皮膚に近接した空気の境界層を破壊して、皮膚からの汗の蒸発を容易にする。
【００１８】
他の実施形態では、ファンを装着する過程が、約１０フィートの長さの複数のブレードを有するファンを工業用建物の天井に装着する過程を備え、このようなファンが、建物の面積が１０，０００平方フィートにつき約１個の割合で配置される。他の実施形態では、ファンを回転させる過程が、空気を円柱状に建物の床に向かって下方へと流し、続いてこの空気を円柱から外側に側方へと流すようにファンを回転させる過程を備えている。
【００１９】
本発明の他の態様として、上記したニーズは、支持部、モータ、ハブ及び複数のファンブレードを備えた本発明のファンにより満たされる。支持部により、工業用建物の屋根にファンを装着することができる。モータは、支持部に取り付けられ、回転可能なシャフトを備えている。複数のファンブレードは、シャフトに取り付けられ、長さが約１０フィートで翼形状の断面を有している。モータは、約５０ｒｐｍでファンブレードを回転させ、ファンブレードに非常に近接した位置で直径約２０フィートの円柱形状で移動する空気を発生させる。別の実施形態では、１０フィートのブレードを回転させており、ファンブレードから１０フィート離れた位置での、ブレードの回転数（ｒｐｍ）に対する空気の速度（ｆｅｅｔ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅｓ）を、約５対１から９対１の間の範囲にし、これにより工場内に循環する空気の流れを形成し、この流れで人体に隣接する境界層を破壊して人体からの汗の蒸発を容易にする。
【００２０】
上記から、本願発明のファンは、静かで、しかもコスト的に高効率で、孤立していない大きな建物内の人々を冷房することができる。本願発明のファンは、穏やかでしかも一定の空気の流れを、最小限の機械的エネルギーの消費で建物内に供給することができる。結果として、本願発明のファンは、汚染物質が集中する領域を希釈し、これにより建物内の通気を維持することができる。このような本願発明の目的及び利点は、図面とともに行う次の説明から明らかになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下の図面においては、同様の符号は同様の部材を示す。図１は、一般的な倉庫や工場における好ましい実施形態である低速ファン１００を示している。この低速ファン１００は、予め備わっている適宜の支持構造体に直接取り付けるか、或いは支持構造体に接続されて延びる適宜の延長部材に取り付けられ、これにより低速ファンの回転軸は鉛直方向に延びた状態となる。図１に示すように、この低速ファン１００は、延長部材１０１に連結されており、この延長部材１０１は、ナット、ボルト、溶接等の公知の取付具を用いて工場の天井１１０の取付位置１０４に取り付けられている。
【００２２】
コントロールボックス１０２は、一般的な電力ラインを介して低速ファン１００と接続されている。このコントロールボックス１０２は、後述する方法で、低速ファン１００に電力を供給することを目的としている。図１に示すように、低速ファン１００は、工場の床１０６より上の高い位置に配置され、これにより建物内の人々を冷やすことができるようになっている。以下に詳述するように、この低速ファン１００は非常に大型で、大量の空気の移動を生じさせることができ、これにより施設内の人々を冷やすことができるように、比較的低速で大きい円柱形状の空気を施設内に行き渡らせる。
【００２３】
特に、図２に示すように、使用者がコントロールボックス１０２に適当な入力を行い低速ファン１００を運転モードに設定すると、均一で穏やかに循環する空気の流れ２００（図２）が建物の内部１０６に形成される。一般に、循環する空気の流れ２００は、始めに、大きく比較的ゆっくりとした下方へ向かう流れ２０２になる。この流れ２０２は、大きい慣性質量により巨大な開放空間を通過し、後述するように、円柱形状となって低速ファン１００から離れていく。続いて、この空気の流れ２０２は、大きい慣性質量に妨げられることなく、低速ファン１００の下方の床部分２１２へと近づいていく。
【００２４】
床部分２１２に達すると、この空気の流れ２０２は、建物の下方で水平方向に外方へ移動する流れ２０４になる。この空気の流れ２０４は工場の壁２１４にしたがって上方へ向かう流れ２０６となり、さらに工場の天井１１０にしたがって水平方向に内方へ移動する流れ２１０となる。低速ファン１００の上方の空間２１６に達すると、この空気の流れ２１０は、低速ファン１００の動作により再び下方へと向かい、このサイクルが繰り返される。
【００２５】
低速ファン１００により上記のような連続する循環流２００が形成されると、工場内で働く人々の環境をより快適にすることができる。上記のように、暑い環境では、内部の人々は発汗をし始め、皮膚と隣接する湿った境界層が形成される。空気の流れがないと、この境界層が汗の蒸発をさらに妨げる。空気の流れは、皮膚近傍の湿った空気を湿っていない空気に置き換え、汗を蒸発させることによって冷却を行い、内部の人々を快適にする。さらに、低速ファンによる循環流は、空気中の汚染物質を工場内部に均一に分布させることによって、これらによる毒性を低下させることができる。さらに、低速ファン１００は、ほとんど騒音を発せず、仕事をする環境にほとんど影響を与えない。また、以下に説明するように、低速ファンは、低コストでこれらの有利な点を提供することができる。
【００２６】
低速ファン１００については、図３〜図１１により詳細に示されている。図３Ａは、低速ファンの側面図、図３Ｂは低速ファンの下部の拡大した側面図を示している。
【００２７】
低速ファン１００は支持フレーム３０２により機械的に支持されている。支持フレーム３０２は、金属製で水平に延びる上部プレート３２２を備えており、この上部プレート３２２は、建物の天井に隣接する適当な水平支持構造体に固定される。これにより、支持構造体とプレート３２２の第１の面３６６とが接触し、低速ファン１００が天井に装着される。一実施形態として、プレート３２２を天井の梁にボルトで固定し、これによって低速ファン１００が図１に示しているのと同様に、ビルの天井から下方へ延びるように配置することができる。
【００２８】
上部プレート３２２の第２の面３７０には、このプレート３２２の水平面に対して垂直な方向に延びる一対の支持部材３２６ａ，３２６ｂの一端部３２５が溶接されている。支持部材３２６ａ，３２６ｂの他端部３３５には、これら支持部材の軸方向と垂直になるように金属製で水平に延びる下部プレート３２４が溶接されている。下部プレート３２４は開口３２７を備えており、この開口によってハウジング３７６を有する電動モータ３０４を、下部プレート３２４の第１の面３７２に隣接させて支持フレーム３０２の内部に装着することができるようになっている。これにより、ハウジング３７６から延びる電動モータ３０４のシャフト３０６が、開口３２７から延び、下部プレート３２４の第２の表面３７４に近接するようになっている。
【００２９】
電力はコントロールボックス１０２から標準的な伝送ラインを介し、接続ボックス３６０を通って電動モータ３０４へ送られる。接続ボックス３６０は、モータハウジング３７６の外周面上部に配置されている。モータは、装着プレート３３０を備えている。この装着プレート３３０は、金属製の環状プレートで構成され、モータのシャフト３０６近傍でモータハウジング３７６に一体的に取り付けられており、またシャフト３０６と垂直な平面上に配置されている。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、装着プレート３３０は、モータハウジング３７６と支持フレーム３０２の下部プレート３２４との間に介挿されている。
【００３０】
この好ましい実施形態においては、電動モータ３０４には、トルクを変化させることができるように周波数が変化する交流電源が使用されている。交流モータを使用することによって直流モータで問題となるスイッチングブラシの使用を避けることができる。電動モータ３０４は、低速ファンを駆動するために必要な機械的に有利な構成として、さらに内蔵型減速ギア機構を備えている。この好ましい実施形態に使用されている電動モータ３０４は、Ｓｕｍｉｔｏｔｍｏ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ製であり、型式ＣＮＶＭ−８−４０９７ＹＡ３５を付与されている。この好ましい実施形態に使用されている電動モータ３０４の最大消費電力率は、３７０ワットである。
【００３１】
この好ましい実施形態においては、コントロールボックス１０２は、周波数変化を制御できる交流電源としてＳｕｍｉｔｏｍｏ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ製のＮＴ２０１２−Ａ７５を備えている。デジタル操作インターフェイスにより、使用者は、異なる操作状態を選択することができる。例えば、使用者は、周波数が徐々に上昇する交流電圧を発生させるようにコントロールボックス１０２に指示を与えることにより、初期起動状態を選択することができ、これによって電動モータ３０４により低速ファン１００が破損するのを防止することができる。別の例では、使用者は、周波数を６０ヘルツに固定した交流電圧を発生させるようにコントロールボックス１０２に指示を与えることにより、連続的な最大速度を選択することができる。さらに別の例では、使用者は、周波数を６０ヘルツ以下に固定した交流電圧を発生させるようにコントロールボックス１０２に指示を与えることにより、連続的に低い速度を選択することができる。
【００３２】
この好ましい実施形態で用いられるコントロールボックス１０２は、他の有利な点を有している。例えば、コントロールボックス１０２は、中央制御装置により遠隔操作をすることができる。また、標準的なアナログ入力により、温度計、湿度を計測する装置、及び空気の速度モニターから制御入力信号を容易に受けることができる。
【００３３】
図３Ａに示すように、電動モータ３０４は、低速ファン１００に駆動トルクを与えることができるように、支持フレーム３０２に直接装着されている。特に、電動モータ３０４における装着プレート３３０の第１の面５０２（図５Ａ及び図５Ｂ参照）は、支持フレーム３０２における下部プレート３２４の第１の面３７２に隣接して配置され、モータのシャフト３０６が下部プレート３２４の開口３２７から延びている。さらに、電動モータ３０４の回転軸、つまりシャフト３０６の軸方向は、下部プレート３２４の水平面に対して垂直方向に向いている。さらに、装着プレート３３０の第１の面５０２（図５Ａ及び図５Ｂ参照）から一体的に延びるボス部材５０４が、下部プレート３２４と同一平面を形成するように下部プレート３２４の開口３２７内に配置されている。以下に詳述するように、上記のように配置された装着プレート３３０は、複数の固定具により下部プレート３２４に装着され、電動モータ３０４と支持フレーム３０２とを固定する。
【００３４】
シャフト３０６は、電動モータ３０４からシャフト３０６に装着されたハブ３１２へトルクを伝達する。この実施形態におけるハブ３１２は、アルミニウムからなる一体成形の鋳造物であり、ファンブレード３１６を固定するように、円板状に形成されている。後述するように、このハブ５１２は、シャフト３０６に装着され、複数のファンブレード３１６（図６参照）が装着できるようになっており、シャフト３０６の回転によりファンブレード３１６が回転するようになっている。また、このハブ３１２は、平面を形成するように、シャフト３０６から放射状に外方へ延びる円形で平らな中央部３４６を有しており、この中央部は、内側の面３５２と、これと平行な外側の面３５６（図３Ｂ）とを備えている。
【００３５】
図３Ｂに示すように、円筒状で対称に配置されているフランジ部３４２が、中央部３４６から、これと垂直な方向に内側へ延びている。このフランジ部３４２により、円筒状で均整のとれた開口部３４４が形成され、この開口部３４４にモータのシャフト３０６及びロック用台座３１０が挿通するようになっている。一実施形態において、台座３１０は、Ｆｅｎｎｅｒ  Ｔｒａｎｔｏｒｑｕｅ製の型番６２００２２８０のものとされる。また、中央部３４６の径方向外方には、対称的な多角形状のリム部３５０が中央部３４６の内側の面３５２から、この面と垂直に上方へ延びている。
【００３６】
複数の細いリブ３６２が、中央部３４６の内側の面３５２に沿って一体的に放射状に延び、内側の面３５２をフランジ部３４２及び中央部３４６のリム部３５０に接続している。外側の面３５６から該面３５６に垂直な方向に計測すると、ハブ３１２におけるリム部３５０、フランジ部３４２及びリブ３６２の高さは、本実施形態では、ほぼ同一になっている。
【００３７】
複数のブレード支持部３１４が、シャフト３０６により構成される回転軸から外方へ放射状に延びるように、リム部３５０の外面３８０から約１５インチの長さで延びている。ブレード支持部３１４は、パドル状に形成され、ファンブレード３１６をハブ３１２に装着するための手段として、ファンブレード３１６の一端部内に摺接している。ファンブレード３１６の取付手順については、以下に詳述する。
【００３８】
ハブ３１２は、シャフト３０６に対して垂直な平面を構成するような装着位置に配置され、これにより、ハブの内側の面３５２がモータ３０４と対向する。フランジ部３４２の開口部３２７から延びるシャフト３０６の先端部３６４が、ハブ３１２の中央部３５２における外側の面３５６と略同一面を構成するように、ハブ３１２を配置する。この位置において、ハブ３１２は、台座３１０によりシャフト３０６に固定される。この固定は、ハブ３１２とシャフト３０６との間に、滑りが生じないような公知の方法で行われる。
【００３９】
１組の安全保持具３２０が、緊急状態において、ハブ３１２とファンブレード３１６の合計重量を支えるために使用される。この実施形態では、各安全保持具３２０は、幅が約１インチで、強度の高いＵ字形のアルミニウムで構成されている。各安全保持具３２０は、真直ぐに延びる第１部分３３２と、この第１部分３３２から垂直に真直ぐに延びる第２部分３３４と、この第２部分３３４から垂直に、真直ぐに延びる第３部分３３６とから構成され、Ｕ字形に形成されている。
【００４０】
各安全保持具３２０は、第１部分３３２を中央部３４６の内側の面３５２に配置することで、ハブ３１２に装着され、これにより第２部分３３４が、中央部３４６のリム部３５０と隣接した位置に配置される。第１部分３３２は、内側の面３５２に沿って放射状に延び、中央部３４６に複数のボルト３４０により固定され、その結果、安全保持具３２０がハブ３１２に固定される。
【００４１】
固定された状態では、各安全保持具３２０は、次のように配置されている。つまり、ハブ３１２が低速ファン１００から脱離した場合に、安全保持具３２０が独立してハブ３１２を支えることができる長さだけ、第３部分３３６が支持フレーム３０２の下部プレート３２４の上方に延びている。特に、安全保持具３２０の第３部分３３６は、例えば台座３１０が壊れてシャフト３０６が破損し、これによりシャフト３０６からハブ３１２が脱離した場合に、下部プレート３２４の第１の面３７２を受け止めるようになっている。このようにして、安全保持具３２０は、ハブ３１２とファンブレード３１６とが床に落下するのを防止している。さらに、安全保持具３２０は、第３部分３３６が支持部材３２６ａ，３２６ｂと接触しないように配置され、低速ファン１００が適切に運転しているときは、下部プレート３２４の第１の面３７２の上方に配置されている。
【００４２】
好ましい実施形態においては、４つの安全保持具３２０が９０度おきに等間隔で配置される。低速ファン１００が図１に示すように、下方へ垂直に装着されているときに、シャフト３０６からハブ３１２が脱離した場合には、安全保持具３２０がハブ３１２の支持手段となり、ハブ３１２が床に落ちるのを防止する。
【００４３】
図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃの３つの図は、支持フレーム３０２を示している。図４Ａの上部プレート３２２の平面図によって示されるように、このプレート３２２は、低速ファン１００を適切な張り出し構造に取り付けるために使用される複数の装着孔４００を備えている。この実施形態では、各装着孔４００がプレート３２２の端縁と中心との間の中間点付近に位置するように、プレート３２２上に均一に配置されている。
【００４４】
上部プレート３２２には、一対の支持部材３２６ａ，３２６ｂ（図４Ｂ）の一端部３２５とプレート３２２との溶接用に用いられる一対の長方形の領域４０２が設けられている。図４Ａに示すように、一対の領域４０２は、一直線上に配置され、２つの領域４０２の中間点がプレート３２２の中心と一致するように配置されている。
【００４５】
図４Ｃの下部プレート３２４の平面図によって示されるように、このプレート３２４は、複数の装着孔４１６を備えており、この実施形態では、装着孔４１６は、プレート３２４の中心から約６７ｍｍ離れた位置に均一に配置されている。装着孔４１６は、電動モータ３０４を下部プレート３２４に固定するために使用される。下部プレート３２４の開口部３２７は、半径が約５５ｍｍの円形になっており、上記したように、電動モータ３０４のボス部材５０４が挿通される。
【００４６】
下部プレート３２４には、さらに、一対の支持部材３２６ａ，３２６ｂ（図４Ｂ）の他端部３３５とプレート３２４との溶接用に用いられる一対の長方形の領域４０４が設けられている。この一対の領域４０４は、一直線上に配置され、２つの領域４０４の中間点が下部プレート３２４の中心と一致するように配置されている。
【００４７】
次に図５Ａ及び図５Ｂを参照する。図５Ａは電動モータ３０４の側面図、図５Ｂはシャフト３０６側から見た電動モータ３０４の端面図である。特に、図５Ａ，Ｂに示すように、ボス部材５０４が装着プレート３３０の第１の面５０２から延び、ボス部材５０４と装着プレート３３０とが平行になっている。上記したように、ボス部材５０４は、支持フレーム３０２における下部プレート３２４の開口部３２７に挿入され、下部プレート３２４と同一面を構成する。
【００４８】
図５Ｂに示すように、電動モータ３０４の装着プレート３３０は、複数の装着孔５００を備えており、これら装着孔５００は、プレート３３０の端縁付近に均一に配置されている。特に、この装着孔５００は、図３Ａに示すように、電動モータ３０４が支持フレーム３０２内に配置されたときに、下部プレート３２４の装着孔４１６と一致するように配置されている。その結果、図３Ａに示すように、電動モータ３０４は、公知の方法で、対応する各装着孔４１６，５００を標準的な固定具で固定することにより、支持フレーム３０２に固定される。
【００４９】
図６は、低速ファン１００を下方から見た図であり、ハブ３１２と、このハブ３１２から延びる一組のブレード支持部３１４と、ブレード支持部３１４から延びるファンブレード３１６との関係を示している。各ファンブレード３１６は、シャフト３０６により構成される低速ファン１００の回転軸から垂直に延び、均一に配置されている。この実施形態では、各ファンブレード３１６は、各ブレード支持部３１４を覆って見えないようにしている。
【００５０】
この好ましい実施形態においては、低速ファン１００の直径は、１５〜４０フィートの範囲であり、よく好ましくは２０〜４０フィートである。ファンブレード３１６は、少なくとも約７．５フィートの長さにするのが好ましく、少なくとも約１０フィートにするのがより好ましい。その結果、各ファンブレード３１６の縦横比は、１５：１〜４０：１になるが、２０：１〜４０：１となるのがより好ましい。低速ファン１００が通常の状態で運転中には、ブレード先端の速度が毎秒約５０フィートとなるように、電動モータ３０４の駆動比が設定される。
【００５１】
図７は、ファンブレード３１６の１つを下方から見た図である。この実施形態では、各ファンブレード３１６は、中空の細く長いアルミニウムにより構成されている。各ファンブレード３１６は、さらにファンブレード３１６の内側の端部７１４に隣接する第１の開口７１０と、ファンブレード３１６の外側の端部７１６に隣接する第２の開口７１２とを備えている。また、次に説明するように、ファンブレード３１６をハブ３１２のブレード支持部３１４に固定するための複数の装着孔７００が第１の開口７１０の近傍に形成されている。
【００５２】
この実施形態では、ファンブレード３１６は、アルミニウムの押し出し成形により製造される。これにより、高い完成度の軽量のファンブレードを低コストで製造することができる。また、ファンブレードを低コストで翼形状に製造することができる。この実施形態では、各ファンブレード３１６は長手方向に沿って、均一な断面で製造されているが、別の実施形態として、アルミニウムの押し出し成形によるファンブレードを、均一でない断面で製造することもできる。
【００５３】
標準的な固定具を用いてテーパ状のフラップ７０４をファンブレード３１６に装着することにより、ファンブレード３１６の空気力学上の性能を向上することができる。フラップ７０４は、端部がテーパー形状で、中実の平らな帯状の材料で、しかも軽量で長く形成されている。次に説明するように、低速ファン１００は、フラップ７０４によって、より均一な空気の流れを作り出す。
【００５４】
標準的な取付具を用いて、キャップ７０２がファンブレード３１６の他端部７１６の第２の開口７１２に装着される。これにより、他端部７１６に外面が形成される。一実施形態として、キャップをファンブレードの断面に適応するように最小の大きさにすることができる。さらに他の実施形態においては、キャップにスピルプレートのような空気力学上の構造を付加することができる。さらに、キャップに、低速ファン１００の周囲に円形リングのような支持部材を設けるようにすることもできる。
【００５５】
図８は、シャフト３０６と平行な線に沿って見たハブ３１２の内側の拡大図である。複数のリブ３６２がフランジ部３４２から多角形状のリム部３５０に延びている。各リブ３６２は、ブレード支持部３１４の中心線上で、リム部３５０に接続されている。各リブは、対応するファンブレードによってハブに作用する大きな力により、ハブが損傷するのを抑制する役目を果たしている。図８に示すように、多角形状のリム部３５０の外面３８０からは、放射状にブレード支持部３１４が延びている。この構成では、各ブレード支持部３１４とこれに対応する外面３８０とが直角になっており、これにより、ファンブレード３１６がハブ３１２の外面３８０に次に説明するように装着されている。この実施形態では、ハブ３１２は、計１０個のブレード支持部３１４と、１０個の外面３８０及び１０個のリブ３６２を備えている。
【００５６】
ハブ３１２は、さらに、ブレード支持部３１４の中心線上に配置される複数の第１の装着孔８００を備えている。この装着孔８００は、標準的な取付具で複数のファンブレード３１６とブレード支持部３１４とを固定するのに使用される。ファンブレード３１６の内側の端部７１４をハブ３１２のリム部３５０の外面３８０に装着するために、対応するブレード支持部３１４の外周にファンブレード３１６の第１の開口を係合することで、ファンブレード３１６がハブ３１２に装着される。各ファンブレード３１６は、装着孔７００と、ブレード支持部３１４の装着孔８００と、公知の取付具とによりブレード支持部３１４に固定される。
【００５７】
ハブ３１２は、さらに複数の第２の装着孔８０２を備えている。この装着孔８０２は、ハブ３１２の中央部３４６において放射状に対称的に配置されている。装着孔８０２は、安全保持ボルト３４０により安全保持具３２０とハブ３１２とを公知の方法で接続するのに用いられる。
【００５８】
図９はハブ３１２の中央部３４６の平面に沿って、ハブ３１２の中心側を見た場合のブレード支持部３１４の１つの拡大図を示したものであり、ファンブレード３１６は、取り外されている。各ブレード支持部３１４は、多角形状のリム部３５０の外面３８０から垂直に延びるパドル状に形成されている。さらに、各ブレード支持部３１４は、以下に説明するように、ハブ３１２が形成する面に対して傾斜している。
【００５９】
各ブレード支持部３１４は、上部のテーパ部９０２と下部のテーパ部９０４との間に位置する広い中央部９００を備え、ハブ３１２の中央部３４６の面に対して角度θだけ傾斜している。この場合、θは、中央部９００の下面９０６と多角形のリム部３５０の外面３８０との交線と、ハブ３１２の中央部３４６の面とリム部３５０の外面３８０との両方に平行な線との間の角度である。これにより、ファンブレードはθに対応する迎え角で装着される。一実施形態においては、すべてのブレード支持部において、角度θを８度とされる。低速ファン１００が回転しているときに、図９に示すブレード支持部３１４は、上部のテーパ部９０２が下部のテーパ部９０４より先頭になって移動をする。
【００６０】
各ブレード支持部３１４の中央部９００は、ほぼ長方形状に形成されており、その下面９０６とこれに平行な上面９１０とで境界面が形成されている。中央部９００の長方形状は、以下に説明するように、ファンブレード３１６を装着するのに効率的な構造となっている。
【００６１】
図１０は、ファンブレード３１６の第２の開口７１２側を見たときの、長さ方向の任意の位置の断面図である。このファンブレード３１６は、第１の湾曲壁１０２４と、第２の湾曲壁１０２６と、空洞部１０２２とを備えている。２つの壁１０２４，１０２６は先端接合部１０３１と後端接合部１０３２とで接続されている。後端接合部１０３２では、２つの壁１０２４，１０２６は、第３の壁１０３０を形成するように連続的に接続されている。この第３の壁１０３０は、後端部１０１４まで延びている。第１の面１００６は、第１の湾曲壁１０２４の外面に形成され、第３の壁１０３０の外面へと継ぎ目なく延びている。第２の面１０１０は、第２の湾曲壁１０２６の外面に形成され、第３の壁１０３０の外面へと継ぎ目なく延びている。２つの面１００６，１０３０は、先端部１０１２で接続されている。空洞部１０２２は、主として長方形状の広い中央部１０００を備えている。平坦な第３の面１０１６が第１の湾曲壁１０２４の内面の中央部１０００の位置に形成されており、平坦な第４の面１０２０が第２の湾曲壁１０２６の内面の中央部１０００の位置に形成されている。つまり、２つの平坦面１０１６，１０２０が互いに平行になっている。
【００６２】
各ファンブレード３１６は、ファンブレード３１６内部の中央部１０００の形状が、これに対応するブレード支持部３１４の中央部９００の形状と対応するように、形成されている。これにより、ファンブレード３１６が対応するブレード支持部３１４の外周に配置され、固定具で取り付けられたときに、両部材が強固に固定される。平坦面は、湾曲面より容易に製造することができるため、このような方法は、製造コストの観点から有効な取付方法である。
【００６３】
２つの外面１００６，１０１０は、翼状に形成されている。一実施形態においては、この翼形状は、参照番号ＦＸ６２−Ｋ−１３１のドイツのセールプレーンの翼に基づいて形成される。押し出し成形による製造工程では、構造上の制約のために、ファンブレード３１６の形状を最適な翼形状にするのが困難である。特に、第３の壁１０３０を好ましい翼形状になるように、延ばすのが困難である。フラップ７０４が後端部１０１４に沿ってなだらかに、しかも連続的に第３の壁１０３０に装着されたときには、これは、実質的に第３の壁１０３０と同等に作用し、その結果、翼形状に非常に近いものとなる。
【００６４】
内側の端部７１４が広く、外側の端部７１６が狭くなるように、フラップ７０４（図７）をテーパ状にすると、より改良されたものとなる。フラップをテーパ状にすることで、半径が小さくなるにつれて、ファンブレードの形状が、最適になる。上記の関係では、半径が小さくなるにつれてファンブレード３１６の速度が遅くなることを代償にして、低速ファン全体を横断するより均一な空気の流れが発生する。
【００６５】
低速ファン１００が運転モードにあるとき、図１１に示すファンブレードの断面は対応する迎え角で時計回りに傾斜しており、先端部１０１２が先頭になって回転する。各ファンブレードについて見ると、ファンブレード３１６の回転により、ファンブレード３１６の各面１００６，１０１０に沿う空気の流れ１１００，１１０２が生ずる。ファンブレード３１６の翼形状により、上方の空気の流れ１１００の速度は下方の空気の流れ１１０２の速度より速くなる。その結果、下面（第２の面）１０１０の空気圧が上面（第１の面）１００６の空気圧より大きくなる。
【００６６】
ファンブレード３１６が回転することにより生ずる非対称な空気の流れが、各ブレード３１６に揚力Ｆliftを生じさせている。これに対応して下方へ作用する力Ｆverticalが、周囲の空気に対して作用する。さらに、ファンブレード３１６の翼形状が、各ファンブレード３１６に作用する水平方向の引力Ｆdragを最小限に抑える。したがって、各ファンブレード３１６の周囲の空気に対して水平方向に作用する力Ｆhorizontalが最小になる。その結果、低速ファン１００によって生ずる空気の流れは、低速ファン１００の回転軸に沿う円柱状の空気の流れになっていく。
【００６７】
この好ましい実施形態においては、低速ファンは、直径２０フィートの穏やかな円柱状の空気の流れを形成する。円柱状の空気の流れは、その大きな慣性質量と組み合わさって、空気の流れを大きな空間へ広げていく。したがって、低速ファン１００は、大きな工場内の人々を涼しくするための広い範囲で穏やかな空気の流れを発生させることができる。上記した運転能力は、建物の空間１００００平方フィートに対して３７０ワットという低い電力消費率で達成されることが好ましい。
【００６８】
試作用の低速ファン１００で繰り返し実験した際に、出願人は空気の速度を計測した。試作用の低速ファン１００は、対向するファンブレードの外側の端部間の距離が２０フィートであり、１０枚のファンブレードを備えている。ファンブレード３１６から１０フィート風下の位置で計測した空気の速度の平均は、毎時３〜５マイルであった。ファンブレード３１６から２フィート風下の位置で計測した空気の最大速度は、毎時６マイルより大きくないことが分かった。
【００６９】
出願人によるテストを通じて、ファンブレード３１６の外側の端部７１６の速度が毎時３６マイルに維持され、電動モータ３０４の消費電力はほんの３７０ワットに過ぎなかった。低速ファン１００が設けられた１０，０００平方フィートの工場では、直径２０フィートの円柱状の空気の流れを発生させることで、十分工場を冷房することができた。
【００７０】
特に、大きなファンブレード３１６は、アルミニウムの押し出し成形により製造されている。この方法により、ファンブレードは、頑丈で、軽量なものとなり、しかも安価に製造することができる。この方法では、またファンブレード３１６を翼形状に製造することにより、円柱型の空気の流れを発生させることができる。さらに、低速ファンで使用される電動モータ３０４は小型であり、内蔵型の減速ギアを備えている。これにより大型の低速ファン１００に要求される大きいトルクを発生させることができる。また、この電動モータ３０４は、制御可能な装置であり、起動時には低いトルクを発生させることができ、これにより低速ファン１００に作用する機械的負荷を低減することができる。これに加えて、電動モータ３０４は、低速運転用に、低い一定のトルクを発生させることができる。この低速ファン１００の安全性は、複数の安全保持具３２０を備えることによって高められている。この安全保持具３２０は、ハブ３１２が低速ファン１００から脱離したときに、ファンブレード３１６とともにハブ３１２を支持するようになっている。
【００７１】
本発明の好ましい実施形態により、本発明の主要で新規な特徴を示したが、当業者にとっては、本発明の概念から逸脱しない限りにおいて、図示した装置等を省略したり、別のもので代用したり、その形態を変更したりすることもできる。その結果、本発明の範囲は上記した説明に限定されるものではなく、添付した請求項によっても定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る低速冷房ファンが大型商業ビルの天井に配置されている状態を示す斜視図である。
【図２】  図１の低速冷房ファンによる空気の流れを示す斜視図である。
【図３Ａ】  図１の低速冷房ファンの断面図である。
【図３Ｂ】  図１の低速冷房ファンの下部の断面図である。
【図４Ａ】  図１の低速冷房ファンの支持フレームを構成する第１支持プレートを示す平面図である。
【図４Ｂ】  図１の低速冷房ファンの電動モータの支持フレームを示す側面図である。
【図４Ｃ】  図１の低速冷房ファンの支持フレームを構成する第３支持プレートを示す平面図である。
【図５Ａ】  図１の低速冷房ファンの電動モータの側面図である。
【図５Ｂ】  図１の低速冷房ファンのモータハウジングをモータのシャフトの軸方向に下から見た図である。
【図６】  図１の低速冷房ファンを見上げた図である。
【図７】  図１の低速冷房ファンのファンブレードの一つを示す平面図である。
【図８】  図１の低速冷房ファンのハブを示す平面図である。
【図９】  図１の低速冷房ファンのブレード支持部の一つの断面図である。
【図１０】  図１の低速冷房ファンのファンブレードの一つの断面図である。
【図１１】  図１の低速冷房ファンによって発生する空気力学上の力が図示されているファンブレードの一つを示す断面図である。
【符号の説明】
１００    低速ファン
３０２    支持フレーム
３０４    電動モータ
３０６    シャフト
３１２    ハブ
３１４    ブレード支持部
３１６    ファンブレード
３２０    安全保持具
７０４    フラップ
【図１】
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【図２】
0004051468.tif 000003
【図３Ａ】
0004051468.tif 000004
【図３Ｂ】
0004051468.tif 000005
【図４Ａ】
0004051468.tif 000006
【図４Ｂ】
0004051468.tif 000007
【図４Ｃ】
0004051468.tif 000008
【図５Ａ】
0004051468.tif 000009
【図５Ｂ】
0004051468.tif 000010
【図６】
0004051468.tif 000011
【図７】
0004051468.tif 000012
【図８】
0004051468.tif 000013
【図９】
0004051468.tif 000014
【図１０】
0004051468.tif 000015
【図１１】
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