JP6448524B2 - 二重反転式送風機 - Google Patents

Description

本発明は、上流側のインペラと下流側のインペラとが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機に関する。

軸流型の送風機としては、軸流方向に回転軸中心をそろえて上流側のインペラと下流側のインペラとを配置したものが知られている。このような二重反転式送風機は、単一のインペラを回転するものと比較すると、整流効果により風の流れが軸流方向に集中するため冷却対象への風量が大きくなる、カウンタートルクを相殺することができる、などの利点がある。その利点を利用することにより、送風機の小型化、省電力化、及び静寂化が可能となる。

更に、二重反転式送風機としては、電気機器のケース内部に設けられる空冷装置として利用されたものがよく知られている。その場合、通常は上流側のインペラと下流側のインペラとがダクトの内部に配置されている。つまり、静圧を得るためにクローズド構造となっている（特許文献１〜２）。これに対し、本願発明者は、パソコンの周辺機器としてパソコンの外部から風を当てる送風機の性能向上を図るべく、上流側のインペラと下流側のインペラとの間からも空気を吸い込むオープン構造の二重反転式送風機を提案した（特許文献３〜５）。

これらの二重反転式送風機において、特許文献５のものは、その特許請求の範囲に記載されているように、軸流方向に回転軸中心をそろえて配置された上流側の第１インペラ及び下流側の第２インペラと、前記第１インペラを回転する第１モータと、前記第２インペラを回転する第２モータと、前記第１インペラ及び前記第２インペラを包囲するガードとを備え、前記第１インペラと前記第２インペラとが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機において、前記第１インペラの回転数をＸ、前記第２インペラの回転数をＹとし、前記第１インペラの直径をＬ１、前記第２インペラの直径をＬ２とし、前記第１インペラの前記ブレードの数をＡ、前記第２インペラの前記ブレードの数をＢとするとき、前記第１モータ及び第２モータをスペックが共通の同型のモータとして、第１モータ及び第２モータを等しい電圧で駆動した場合に、それらは、Ｘ＞Ｙ、Ｌ１＜Ｌ２、Ａ＜Ｂ、の関係が成り立つようにした構成の二重反転式送風機である。

上記特許文献５記載の二重反転式送風機は、第１モータ及び第２モータをスペックが共通の同型のモータとし、第１モータ及び第２モータを等しい電圧で駆動した場合における第１インペラ及び第２インペラの構造を次のように工夫して完成させたものである。

すなわち、第１モータ及び第２モータは、それぞれ駆動時における回転数及びトルクが適正負荷の許容範囲内となればよい。条件としては、空気に作用するブレードの面積が大きくなればトルクが増して回転数が低下する。つまり、インペラの直径が大きくなれば回転数が低下する。ブレードの枚数が多くなれば回転数が低下する。また、軸流方向に対するインペラのブレードの幅が大きくなれば回転数が低下する。

ここで、オープン構造、すなわち第１インペラと第２インペラとの間からも空気を吸い込むことにより風量を増すことを考慮して、第２インペラの直径Ｌ２を第１インペラの直径Ｌ１よりも大きく設定した。また、第２インペラの直径Ｌ２が第１インペラの直径Ｌ１より大きいことを踏まえつつ空気の流れ等を考慮して、第２インペラのブレードの数Ｂを第１インペラのブレードの数Ａよりも多く設定した。すると、第１インペラの回転数Ｘは、第２インペラの回転数Ｙよりも相対的に大きくなる。このような構成によると、二重反転式送風機の送風効率を高めることが可能となる。

更に、第１インペラの回転数Ｘを第２インペラの回転数Ｙよりも大きくするという条件の下で、軸流方向に対する第１インペラのブレードの幅Ｗ１を第２インペラのブレードの幅Ｗ２よりも大きく設定した。つまりこれは、第２インペラの直径Ｌ２をより大きくするための工夫である。このような構成によると、第１インペラと第２インペラとの間からより積極的に空気を吸い込むことが可能となる。そして構造的にバランスのとれた設計となり、送風効率が向上する。

本願発明者は、優れたオープン構造の二重反転式送風機を得るべく、試作と検証を繰返して、特許文献５記載の発明を完成させたものであり、この構成が極めて有効であることは、条件が異なる試作品との比較実験によっても確認されている。

特許第３９９３１１８号公報 特許第４１２８１９４号公報 特許第５７０９９２１号公報 特許第５７２６１０７号公報 特許第５７４９１９５号公報

本願発明者は、上述したような前記発明の試作及び検証から得た知見に基づき、この種の二重反転式送風機の動力源として使用している２つのモータを、１つのモータで同様の作用効果、或はそれに近似した作用効果を奏することができる構造を検討して、本発明を完成したものである。

尚、１つのモータを使用する二重反転式送風機として、歯車列を用いて各インペラを駆動するものも考慮され得るが、コストアップやノイズ発生などの点から好ましくないので、歯車列を用いるものは設計開発から除外した。

そこで本発明は、１つのモータを使用しながら上記の歯車列を用いずに、よりシンプルな構成で且つエネルギー効率の高い二重反転式送風機を得ることを目的とするものである。

本願第１請求項に記載した発明は、実施例で用いた符号を付して記すと、軸流方向に回転軸中心をそろえて配置された上流側の第１インペラ（１１０）及び下流側の第２インペラ（１２０）を備え、前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）とが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機（１）であって、
前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）のうち一方のインペラはモータにより回転駆動されるものであるとともに、他方のインペラは、前記回転軸に回転可能に設けられ、且つ、前記一方のインペラが回転したときに当該一方のインペラの風力によって当該一方のインペラの回転方向とは反対の方向に回転する非モータ駆動のものであり、
当該二重反転式送風機（１）は、前記軸流方向の後方から空気を吸い込むとともに、前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）との間からも空気を吸い込むものであり、
更に、
ａ：前記一方のインペラの直径をＬ１、前記他方のインペラの直径をＬ２、
ｂ：前記一方のインペラのブレード数をＡ、前記他方のインペラのブレード数をＢ、
ｃ：前記一方のインペラ及び前記他方のインペラを前記軸流方向の正面から見たとき、当該一方のインペラのインペラ総面積に対する各インペラ間の空隙部の比率をＰ、当該他方のインペラのインペラ総面積に対する各インペラ間の空隙部の比率をＱ、
とするとき、それらは、Ｌ１＜Ｌ２、Ａ＜Ｂ、及び、Ｐ＞Ｑ、の関係が成り立つように設けたことを特徴とする二重反転式送風機である。

本願第２請求項に記載した発明は、請求項１において、前記他方のインペラに、直線状の翼断面の部位、又は、ハブ位置と翼端で形状の異なる翼断面の部位を有することを特徴とする二重反転式送風機である。

本発明は、上流側と下流側に２つのインペラを有する二重反転ファンの構造を持ち、一方のインペラをモータで駆動し、他方のインペラは当該一方のインペラの風を受けて回転する構造を備えるので、図１に示すように、送風損失となる風、つまり、インペラの回転により生じる旋風（インペラの周囲を回っているだけの風）および遠心力方向（横方向）に吹き出される風を、当該他方のインペラの回転にて取り込み得ることとなり、結果、当該他方のインペラから軸流方向へもたらされる送風の送風効率を向上することができる。

また、当該他方のインペラの奏する上記の整流効果は、前記他方のインペラに、直線状の翼断面の部位、又は、ハブ位置と翼端で形状の異なる翼断面の部位を有することにより、一層向上することができるものである。

本発明における下流側インペラ（第２インペラ）による整流効果を示す説明図である。 本発明の実施例に係り、二重反転式送風機の正面図である。 本発明の実施例に係り、二重反転式送風機の側面図である。 本発明の実施例に係り、二重反転式送風機の側面断面図である。 本発明の実施例に係り、第１インペラの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。 本発明の実施例に係り、第２インペラの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。 本発明の実施例に係り、第１インペラ及び第２インペラの説明図である。

以下に、本発明の実施例を図面（図２〜図７）に基づいて説明する。

本例の二重反転式送風機１は、パソコンのＵＳＢを電源として駆動する小型の送風機である。この二重反転式送風機１は、軸流方向に回転軸中心をそろえて配置された上流側の第１インペラ１１０及び下流側の第２インペラ１２０と、第１インペラ１１０を回転するモータ２１０と、第１インペラ１１０及び第２インペラ１２０を包囲するガード３００とを備え、第１インペラ１１０と第２インペラ１２０とが互いに異なる方向に回転する構成となっている。

ガード３００は格子状又は網状の覆いであり、本例の二重反転式送風機１は、第１インペラ１１０と第２インペラ１２０との間からも空気を吸い込むオープン構造のものである。尚、図３中の黒矢印は空気の流れを示している。また、図５中の白矢印は第１インペラ１１０の回転方向を示し、図６中の白矢印は第２インペラ１２０の回転方向を示している。

第１モータ２１０は、ＤＣモータであり、ＵＳＢを電源とする５［Ｖ］の直流電源を用いている。各インペラ１１０，１２０は、モータ２１０の駆動軸に連係するハブ１１０ａと、モータを用いていない軸に連係するハブ１２０ａに直結されている。各インペラ１１０，１２０のハブ１１０ａ，１２０ａは、直径が等しく設定されている。尚、図４において、符号２２０はケースである。このケース２２０は、従前の発明（前記特許文献５）のモータ（第２モータ）のモータケースを本実施例に利用しているものであって、この例ではケース２２０に、第２インペラ１２０をフリー回転可能に設けている。すなわち、第２インペラ１２０を非モータ駆動のものとしている。もっとも、ケース２２０を用いずに、ハブ１２０ａに第２インペラ１２０を回転可能に設けるようにしてもよい。

モータ２１０及びガード３００は、台座１０に対して角度調整可能に支持された支持体２０に装着されている。支持体２０又は台座１０の要所には、モータ２１０のＯＮ／ＯＦＦを切換えるスイッチ３０が設けられている。尚、スイッチ３０は、ＯＮ／ＯＦＦの機能のほかに、電圧を変えることにより風量の調整を可能としたものである。以下の説明における回転数は、最大電圧にて駆動した際の値である。

発明者の知見によると、二重反転式送風機は、その送風効率の点で、モータ回転するインペラの回転数がフリー回転するインペラの回転数よりも大きい方が優れている。そこで、このような送風効率を得る構造として、インペラの直径が大きくなれば回転数が低下し、ブレードの枚数が多くなれば回転数が低下すること、また、軸流方向に対するインペラのブレードの幅が大きくなれば回転数が低下すること、更に、第１インペラと第２インペラとの間からも空気を吸い込むことにより風量を増すことを考慮して、第２インペラの直径Ｌ２を第１インペラの直径Ｌ１よりも大きく設定した。

また、第２インペラの直径Ｌ２が第１インペラの直径Ｌ１より大きいことを踏まえつつ空気の流れなどを考慮して、第２インペラのブレードの数Ｂを第１インペラのブレードの数Ａよりも多く設定した。すると、第１インペラの回転数Ｘは、第２インペラの回転数Ｙよりも相対的に大きくなる。

更に、第１インペラの回転数Ｘを第２インペラの回転数Ｙよりも大きくするという条件の下で、軸流方向に対する第１インペラのブレードの幅Ｗ１を第２インペラのブレードの幅Ｗ２よりも大きく設定した。これは、第２インペラの直径Ｌ２をより大きくするための工夫であり、第１インペラと第２インペラとの間からより積極的に空気を吸い込むことが可能となって、構造的にバランスのとれた設計となり、送風効率が向上する知見を得ている。

以上のような構成によると、二重反転式送風機の送風効率を高めることが可能となる点を考慮して、下記の構造を案出した。

本例の二重反転式送風機１は、第１インペラ１１０の直径をＬ１、第２インペラ１２０の直径をＬ２とし、第１インペラ１１０のブレード１１１の数をＡ、第２インペラ１２０のブレード１２１の数をＢ、軸流方向に対する第１インペラ１１０のブレード１１１の幅をＷ１、第２インペラ１２０のブレード１２１の幅をＷ２とするとき、それらは、Ｌ１＜Ｌ２、Ａ＜Ｂ、Ｗ１＞Ｗ２の関係が成り立つように構成されている。尚、本例の場合、第１インペラ１１０の回転数は２４００［ｒｐｍ］である。

また、第１インペラ１１０の直径Ｌ１は８０［ｍｍ］、第２インペラ１２０の直径Ｌ２は８５［ｍｍ］である。Ｌ１とＬ２との望ましい関係は、Ｌ２／Ｌ１＝１．０６〜１．２０、である。Ｌ１の実用的な値は８０〜１００［ｍｍ］であり、Ｌ２の実用的な値は８５〜１２０［ｍｍ］である。

また、第１インペラ１１０及び第２インペラ１２０を軸流方向の正面から見たとき、当該第１インペラ１１０のインペラ総面積に対する各インペラ間の空隙部の比率をＰ、当該第２インペラ１２０のインペラ総面積に対する各インペラ間の空隙部の比率をＱ、とするとき、Ｐ＞Ｑ、であることが好ましいことが判明した。

第１インペラ１１０のブレード１１１の数Ａは５枚であり、第２インペラ１２０のブレード１２１の数Ｂは７枚である。Ａの実用的な枚数は３〜６枚であり、このときＢの望ましい枚数はＡより１〜４枚多い枚数である。

軸流方向に対する第１インペラ１１０のブレード１１１の幅Ｗ１は２１［ｍｍ］、第２インペラ１２０のブレード１２１の幅Ｗ２は１８［ｍｍ］である。Ｗ１とＷ２との望ましい関係は、Ｗ１／Ｗ２＝１．１６〜１．４０である。

第１インペラ１１０のブレード１１１と第２インペラ１２０のブレード１２１との間隔Ｇは、１４．５［ｍｍ］である。Ｇの実用的な値は１．０〜１６．５［ｍｍ］であり、より望ましい値は、可及的に接近可能な方がよく、１．０［ｍｍ］である。

更に、本例の場合、第２インペラ１２０に、直線状の翼断面の部位、又は、ハブ位置と翼端で形状の異なる翼断面の部位を有することが、下流側のプロペラは風を受けて回るのに適した形状であり、かつ送風機として整流効果を持つことが判明した。

すなわち、通常、インペラは、回転して空気を押し出す部位（空気と接触する面）が直線状の翼断面であるとともに、裏面が円弧状の翼断面であるところ、本例では、この第２インペラ１２０に、直線状の翼断面の部位のほか、ハブ位置と翼端で形状の異なる翼断面の部位を有することを提案するものである。この異なる翼断面とは、好ましくは、第２インペラ１２０のハブ１２０ａの箇所は直線状の翼断面の部位とし、また、翼端では円弧状の翼断面の部位とするものである。このように設けると、直線状の翼断面の部位を有する翼端においては、第１インペラ１１０からの風を受けて、第２インペラ１２０を回転せしめるエネルギーに変換でき、また、直線状の翼断面の部位を有するハブ１２０ａの箇所においては、軸流方向へ風を強めて送風することができるものとなる。

このような本例の構成によると、製造性に優れるとともに騒音が小さく送風性能の高い極めて優れた二重反転式送風機を得ることができる。

更に、発明者の知見によると、本発明の二重反転式送風機は、本例のモータ回転する第１インペラ１１０とフリー回転する第２インペラ１２０を備えた構成のみならず、このモータ回転とフリー回転を逆に設定して、つまり第１インペラ１１０をフリー回転させるとともに第２インペラ１２０をモータ回転させることによっても、略同様の作用効果を奏することが判明している。この場合は、上述した本例の第１インペラ１１０及び第２インペラ１２０の各ブレードに係る数値を逆に設定するものである。

以上説明したように、本例はオープン構造の二重反転式送風機として極めて合理的に構成されたものである。尚、本例における各部の構成は、特許請求の範囲に記載した技術的範囲において適宜に設計変更が可能であり、図例説明したものに限定されないことは勿論である。

本発明の二重反転式送風機は、パソコンのＵＳＢを電源として駆動する小型の送風機として好適に利用することが可能である。

１ 二重反転式送風機
１０ 台座
２０ 支持体
３０ スイッチ
１１０ 第１インペラ
１１０ａ ハブ
１１１ ブレード
１２０ 第２インペラ
１２０ａ ハブ
１２１ ブレード
２１０ モータ
２２０ ケース
３００ ガード
Ｌ１ 第１インペラの直径
Ｌ２ 第２インペラの直径
Ｗ１ 軸流方向に対する第１インペラのブレードの幅
Ｗ２ 軸流方向に対する第２インペラのブレードの幅
Ｇ 第１インペラのブレードと第２インペラのブレードとの間隔

Claims (2)

1. 軸流方向に回転軸中心をそろえて配置された上流側の第１インペラ（１１０）及び下流側の第２インペラ（１２０）を備え、前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）とが互いに異なる方向に回転する二重反転式送風機（１）であって、
   前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）のうち一方のインペラはモータにより回転駆動されるものであるとともに、他方のインペラは、前記回転軸に回転可能に設けられ、且つ、前記一方のインペラが回転したときに当該一方のインペラの風力によって当該一方のインペラの回転方向とは反対の方向に回転する非モータ駆動のものであり、
   当該二重反転式送風機（１）は、前記軸流方向の後方から空気を吸い込むとともに、前記第１インペラ（１１０）と前記第２インペラ（１２０）との間からも空気を吸い込むものであり、
   更に、
   ａ：前記一方のインペラの直径をＬ１、前記他方のインペラの直径をＬ２、
   ｂ：前記一方のインペラのブレード数をＡ、前記他方のインペラのブレード数をＢ、
   ｃ：前記一方のインペラ及び前記他方のインペラを前記軸流方向の正面から見たとき、当該一方のインペラのインペラ総面積に対する各インペラ間の空隙部の比率をＰ、当該他方のインペラのインペラ総面積に対する各インペラ間の空隙部の比率をＱ、
   とするとき、それらは、Ｌ１＜Ｌ２、Ａ＜Ｂ、及び、Ｐ＞Ｑ、の関係が成り立つように設けたことを特徴とする二重反転式送風機。
   
2. 前記他方のインペラに、直線状の翼断面の部位、又は、ハブ位置と翼端で形状の異なる翼断面の部位を有することを特徴とする請求項１記載の二重反転式送風機。
   
   

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