JP4598597B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等の冷却に使用される軸流ファンのうち、より小さな動力で、大きな圧力が得られることを可能にした軸流ファンに関する。

図８は従来の軸流ファンの要部の斜視図で、軸流ファン１００は、プロペラファン(羽根)１０１とモーター１０２とフレーム１０３で構成されている。
プロペラファン１０１は円筒状のハブ１０４と複数の翼１０５から構成されている。ハブ中心を中心とした任意の円筒面と翼とが交差する断面形状を示すと、図９のように、略円弧形状となっている。

前記翼１０５の前縁から後縁を結んだ直線を翼弦１０６と称し、その長さを翼弦長と称している。また、翼断面の背側１０７、腹側１０８の中心を通る曲線１０９が翼弦１０６から最も離れる点の翼弦１０６からの距離を反り１１０と称している。
翼弦長の長さをＬ、反りの長さをＤとすると、その比Ｄ／Ｌを反り率と称し、軸流ファンの性能を左右する重要な諸元の一つである。

さて、軸流ファンの性能の一つに効率、すなわち発生する空気エネルギーと、必要な電気エネルギーとの比があり、優れた軸流ファンとは、より少ない電気エネルギーで、より大きな空気エネルギーが得られることを特徴とする。

軸流ファンの効率、すなわち、回転エネルギーと電気エネルギーとの比は概ね一定であるため、ここでは、軸流ファンの軸動力と空気エネルギーとの関係について説明する。
軸流ファンの空気エネルギーすなわち軸流ファン出力は、圧力と流量の積となるが、一般に流量の増加とともに圧力は低下するため、その積は、最大流量の３／４付近で最大となる。また、軸流ファンの効率とは、軸流ファン出力が最大となるときの軸動力との比で表し、軸流ファンの効率を論ずることは、暗黙に、軸流ファン出力が最大となる条件で動作させることを前提としている。

ところが、電子機器等の冷却に使用される軸流ファンは、必ずしも、軸流ファン出力が最大となる条件で動作されるとは限らない。例えば、内部の部品が密集して配置されているものでは、設置された軸流ファンは、ほとんど最大圧力近くで動作する。また、物体を吸着するような場合、軸流ファンは最大圧力で動作する。
特開平５−１７２０９８号公報

このような用途に供される軸流ファンに対して、従来の常識で最大流量の３／４付近で出力が最大となるように軸流ファンを設計しても、効率が良いとは言えず、電力を無駄に消費している可能性がある。

本発明は、モーター動力に対する圧力の比を大きくして電力の低減を可能にした軸流ファンを提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、ハブの外周面に複数枚の翼を備えた羽根を回転軸で支持するモーターを設けた軸流ファンにおいて、前記回転軸を中心とした任意の径の円筒面と交差する前記翼の断面形状の中心線を略円弧形状とし、前記断面形状の翼弦長Ｌと反りＤからなる反り率（Ｑ＝Ｄ／Ｌ）を０．０８〜０．１の範囲とし、前記羽根中心と翼根元中心とを結ぶ直線、および翼根元中心と翼端中心とを結ぶ直線との成す角度を、前記羽根回転方向を正として、−２０〜−１０度に設定したことにある。

本発明によれば、最大圧力近くで動作する軸流ファンにおいて、電力の低減が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１ないし図３は本発明の実施の形態による軸流ファンを示し、この軸流ファン１は、プロペラファン(羽根)２を取り付けたモーター３と、このモータ３を支持するフレーム４とで構成されている。
上記プロペラファン２は、所定径の円筒状のハブ５と、このハブ５の周囲に一定間隔で装着された複数の翼６（図示例では５枚）から構成されている。これらの翼６はハブ５の外周面に円周方向に沿って一定間隔で、複数個、ハブ５と一体に形成されている。ハブ５の中心とモーター３の回転軸とは一致しており、ハブ５の中心を中心とした任意の円筒面と翼６との断面形状を示すと、図２のように、略円弧形状となっている。

前記翼６の翼断面形状において、翼６の前縁から後縁を結んだ直線を翼弦７と、その長さを翼弦長Ｌとする。また、翼断面の背側８、腹側９の中心を通る曲線１０が翼弦７から最も離れる点の翼弦７からの距離を反り１１という。翼弦長の長さをＬ、反りの長さをＤとし、その比Ｄ／Ｌを反り率Ｑという。

ここで、モーター動力に対して大きな圧力を得るためには、従来の効率とは異なる指標を用いればよい。以下、本発明に至る理論を説明する。
すなわち、軸流ファンも含めた送風機には、相似則が成立し、大きさの異なる２機の送風機においては流量をＱ₁、Ｑ₂、圧力をＰ₁、Ｐ₂、通風路断面積をＡ₁、Ａ₂、羽根周速をｕ₁、ｕ₂、軸動力をＬ₁、Ｌ₂とすると、下記の値が一定となることが知られている。

流量係数φ＝Ｑ₁／（Ａ₁・ｕ₁）＝Ｑ₂／（Ａ₂・ｕ₂）
圧力係数ψ＝（Ｐ₁／ρ）／（ｕ₁ ²／２）＝（Ｐ₂／ρ）／（ｕ₂ ²／２）
動力係数μ＝Ｌ₁／（Ａ₁・ρ・ｕ₁ ³／２）＝Ｌ₂／（Ａ₂・ρ・ｕ₂ ³／２）
ここで、ρは流体の密度である。
効率とは、流量係数φと圧力係数ψとの積を動力係数μで割ったものになる。

すなわち、図６に示すように、流量係数φが最大値の３／４付近でφ・ψ／μは最大となり、反り率Ｑを変えて、効率、すなわち、φ・ψ／μの最大値を測定すると、図７に示すように、反り率が概ね０．０６前後で効率が最大となる。これは、翼６に適度な反りＤを与えることで、揚力と翼６間を通過する流れを効率的に得られることを示唆している。
しかしながら、以上は、流量係数φが最大値の３／４付近でのことであり、課題が解決しようとしている最大圧力付近でも効率が良いとは限らない。

そこで、本発明では、新たな指標として、圧力係数ψの最大値と動力係数μとの比で評価するようにしている。
図４が反り率Ｑを変えた場合の、圧力係数ψの最大値と動力係数μとの比を示したものであるが、従来技術では効率の良い反り率が０．０６では、さほど大きくはなく、逆に、反り率が０．０８〜０．１の範囲でψ／μが大きくなることがわかる。すなわち、単位動力あたりの圧力が大きくなることがわかる。

また、プロペラファン(羽根)２は、図３に示すように、羽根本体１２の正面、図中の羽根中心１５と翼根元中心１３とを結ぶ直線と翼端中心１４と翼根元中心１３とを結ぶ直線との成す狭角αを正しくは回転方向リーンと称し、回転方向を正として表示するが、ここでは、簡単に翼前進角と称する。
翼前進角については、騒音低減に効果があることが知られていて、例えば、特許第３０７１９３号では、翼前進角と軸方向への傾斜を径ごとに変化させることにより、低騒音化を図ったものであるが、効率改善の効果は見られない。また、前記特許第３０７１９３号では、翼前進角を羽根中心と翼根元中心とを結ぶ直線と羽根中心と翼端中心とを結ぶ直線との成す角としているが、これは、本発明の羽根中心と翼根元中心とを結ぶ直線と翼根元中心と翼端中心とを結ぶ直線との成す狭角とは異なるものである。

さて、本発明者らは、前記翼前進角すなわち羽根中心１５と翼根元中心１３とを結ぶ直線と翼根元中心１３と翼端中心１４とを結ぶ直線との成す狭角αを種々、変更させ、圧力係数ψの最大値と動力係数μとの比を測定したところ、図５に示すように、翼前進角が−２０〜−１０度の範囲で、前記ψ／μは最大となることが判明した。すなわち、反り率Ｑが、０．０８〜０．１であり、翼前進角が−２０〜−１０度の場合に、単位動力あたりの圧力が最も大きくなることが分かった。

以上は、無次元化された指標での議論であり、軸流ファンのサイズには、依存しないことは明らかである。すなわち、さまざまな大きさの軸流ファンに適用可能である。
本発明の一実施例として、市販の縦横９２ｍｍ、厚さ２５．４ｍｍの軸流ファンにおいて、翼の反り率Ｑを０．１としたものが、図１および図２である。比較対象として、従来技術に基づいて反り率を０．０６としたものが、図８および図９である。従来技術に基づいて反り率を０．０６とした場合の圧力係数の最大値は０．４８６で、そのときの動力係数は０．１２であった。
一方、本発明に基づいて、反り率Ｑを０．１とした場合の圧力係数ψの最大値は０．５０４で、そのときの動力係数μは０．１２であった。同じ動力係数０．１２でも、従来技術に基づいた軸流ファンでは、圧力係数の最大値は０．４８６に対して、本発明に基づいた軸流ファンでの、圧力係数ψの最大値は０．５０４となり、同じ動力でも大きな圧力が得られることがわかる。

本実施の形態では、翼断面形状は、厚さが均一な平板翼としている。ＮＡＣＡ翼型等を用いることにより、効率がさらに向上することが期待できるが、これは翼型の性能の問題であり、本発明の主旨、効果とは、何ら対立しない。

本発明の効果を具体的な数値で比較してみるために、従来技術による軸流ファンと本発明による軸流ファンがそれぞれ、最大圧力が５０Ｐａとなる場合の電気エネルギーを比較してみる。
従来技術に基づいた軸流ファンでは、圧力係数ψ＝０．４８６から翼端周速は１２．８ｍ／ｓとなり、この値と動力係数μ＝０．１２から、モーター動力は０．８９ｗとなる。モーターの効率は５０％として、必要な電力は１．７８ｗとなる。
一方、本発明に基づいた軸流ファンでは、圧力係数ψ＝０．５０４から翼端周速は、１２．６ｍ／ｓとなり、この値と動力係数μ＝０．１２から、モーター動力は０．８６ｗとなる。同様にモーター効率を５０％として、必要な電力は１．７２ｗとなり、電力は４％低減できることがわかる。以上のように、本発明により、最大圧力近くで動作する軸流ファンにおいて、電力の低減が可能となる。

本発明の実施の形態による軸流ファンを示す斜視図である。 本発明の実施の形態による軸流ファンの翼断面図である。 図１のプロペラファン（羽根）の正面図である。 軸流ファンの流量係数最大値と反り率との関係を示す図である。 軸流ファンの流量係数最大値と翼前進角との関係を示す図である。 軸流ファンの流量係数と効率との関係を示す図である。 軸流ファンの効率最大値と反り率の関係を示す図である。 従来の軸流ファンを示す斜視図である。 従来の軸流ファンの翼の断面図である。

符号の説明

１ 軸流ファン
２ プロペラファン（羽根）
３ モーター
４ フレーム
５ ハブ
６ 翼
７ 翼弦
８ 翼の背側
９ 翼の腹側
１０ 翼の背側、腹側の中心を通る曲線
１１ 反り
１２ 羽根本体
１３ 翼根元中心
１４ 翼端中心
１５ 羽根中心
α 翼前進角(狭角)
ψ 圧力係数
μ 動力係数
Ｑ 反り率

Claims (1)

1. ハブの外周面に複数枚の翼を備えた羽根を回転軸で支持するモーターを設けた軸流ファンにおいて、
   前記回転軸を中心とした任意の径の円筒面と交差する前記翼の断面形状の中心線を略円弧形状とし、前記断面形状の翼弦長Ｌと反りＤからなる反り率（Ｑ＝Ｄ／Ｌ）を０．０８〜０．１の範囲とし、
   前記羽根中心と翼根元中心とを結ぶ直線、および翼根元中心と翼端中心とを結ぶ直線との成す角度を、前記羽根回転方向を正として、−２０〜−１０度に設定したことを特徴とする軸流ファン。

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