WO2018127970A1 - ファン、送風機、及び電動機 - Google Patents

Abstract

遠心ファン（１０）は、１１枚の羽根のうち何れか１枚の羽根を基準羽根（Ｗ１）とし、基準羽根（Ｗ１）と、回転軸（３０）の周の第１の方向（Ｘ）に隣り合う羽根と、で第１のピッチ角（θ１）を形成し、第１のピッチ角（θ１）は、第１の方向（Ｘ）に５個並んで配置される。基準羽根（Ｗ１）と、第１の方向（Ｘ）と反対方向である第２の方向（Ｙ）に隣り合う羽根と、で第１のピッチ角（θ１）と異なる第２のピッチ角（θ２）を形成し、第２のピッチ角（θ２）は、第２の方向（Ｙ）に６個並んで配置される。第１のピッチ角（θ１）を５個合算した第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角（θ２）を６個合算した第２の合算ピッチ角と、は異なるので、遠心ファン（１０）の騒音が低減される。

Description

ファン、送風機、及び電動機

　本発明は、ファン、送風機、及び電動機に関する。

　気流を発生するファンは、回転軸の周方向に等ピッチで配置された複数の羽根を備え、当該複数の羽根を回転軸の周りに回転させることで、気流を発生する。複数の羽根が等ピッチで配置されたファンは、複数の羽根が回転されることにより、回転数と羽根枚数との積で求められる値を基本周波数とする騒音である、いわゆる羽根切り音又はピュアトーン、を発生し、使用者に不快感を与える。 

　騒音を低減するために、回転軸の周方向に配置された複数の羽根を、不等ピッチで配置するファンが知られている（特許文献１）。特許文献１に開示されたファンは、羽根のピッチ角が隣接する羽根毎に異なり、各ピッチ角は非周期的に変化して配置される。

　また、ファンの騒音を低減する他の方法として、特許文献２に示すように、周期的疑似ランダム配列の配列パターンを用いて、羽根が並べられたファンを用いる方法が知られている。

特開平１－１５５０９８号公報 特開平８－７４７８３号公報

　不等ピッチで羽根が配置されたファン、及び周期的疑似ランダム配列で羽根が配置されたファンでは、ピッチが相違する羽根が混在して配置されるため、構造が複雑となり、コストもかかる。また、ファンの騒音も大きく低減されるまでには至っていない。

　また、車両を駆動させる電動機の冷却用ファンとして、ファンを用いる場合は、ファンの回転方向に応じた騒音対策が必要である。例えば、鉄道車両のように車両が往復運転される場合、車軸は、往路運転では正転され、復路運転では逆転される。冷却用ファンは、車軸に連結されているので、車軸が正転又は逆転されるにともない、冷却用ファンも正転又は逆転される。冷却用ファンは、正転と逆転の双方の回転において、同等な騒音低減効果を奏する必要がある。不等ピッチで羽根が配列されたファン、及び周期的疑似ランダム配列で羽根が配列されたファンは、ピッチが相違する羽根が混在して配置されているので、正転と逆転とでは、音圧のパターンが相違し、同等な騒音低減効果を奏することはできない。

　本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で安価であり、騒音を大きく低減することができ、ファンの正転時と逆転時で同等の騒音低減効果を奏するファン、送風機、及び電動機を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係るファンは、
　回転軸を中心に回転する支持部材と、前記支持部材に取り付けられ、前記回転軸の周りに放射状に配置されたｎ枚（ｎは２以上の整数）の羽根と、を備え、前記回転軸を中心に前記支持部材が回転することで、前記ｎ枚の羽根が回転されて気流を生成するファンであって、
　前記ｎ枚の羽根は、ｎ個のピッチ角を隔てて前記回転軸の周りに配置され、
　前記ｎ枚の羽根のうち何れか１枚の羽根を基準羽根とし、当該基準羽根と、前記回転軸の周の第１の方向に隣り合う羽根と、で第１のピッチ角を形成し、当該第１のピッチ角は、前記第１の方向にｍ個（ｍは１以上の整数、ｎ＞ｍ）並んで配置され、
　前記基準羽根と、前記第１の方向と反対方向である第２の方向に隣り合う羽根と、で前記第１のピッチ角と異なる第２のピッチ角を形成し、当該第２のピッチ角は、前記第２の方向にｎ－ｍ個並んで配置され、
　前記第１のピッチ角をｍ個合算した第１の合算ピッチ角と、前記第２のピッチ角をｎ－ｍ個合算した第２の合算ピッチ角と、は異なる。

　本発明によれば、構造が簡単で安価であり、騒音を大きく低減することができ、ファンの正転時と逆転時で同等の騒音低減効果を奏するファン、送風機、及び電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る遠心ファンを備える送風機の概略正面図 図１ＡのＡ－Ａ線での概略断面図 実施の形態１に係る遠心ファンの羽根の配列状態を示す図 実施の形態１に係る遠心ファンの羽根と比較例の羽根のピッチ角を示す図 等ピッチ羽根の音圧の変化を示すグラフ 周期的疑似ランダム配列の羽根の音圧の変化を示すグラフ 実施の形態１に係る遠心ファンの羽根の音圧の変化を示すグラフ 実施の形態１に係る遠心ファンの羽根と比較例の羽根との周波数と振幅の関係を示すグラフ 実施の形態２に係る遠心ファンの羽根の配列状態を示す図 実施の形態３に係る遠心ファンの羽根の配列状態を示す図 実施の形態４に係る遠心ファンを備える電動機の概要図 実施の形態４に係る遠心ファンの羽根の配列状態を示す図 実施の形態４に係る遠心ファンの羽根の配列状態を示す他の図 実施の形態４に係る遠心ファンの羽根の配列状態を示す他の図

　以下、本発明に係るファンの実施の形態を、遠心ファンを備える送風機を一例として図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
　本実施の形態に係る遠心ファンを備える送風機１を、図１Ａ、図１Ｂに示す。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、送風機１は、遠心ファン１０と、遠心ファン１０を収納するハウジング２０と、遠心ファン１０を回転させる回転軸３０と、回転軸３０を駆動するモータ４０と、を備える。

　遠心ファン１０は、支持部材である主板１１と、複数の羽根１２と、からなる。主板１１は、複数の羽根１２を支持する部材であり、円板状に形成された部材である。主板１１は、主板１１の中心にモータ４０の回転軸３０が貫通して固定されることで、回転軸３０に取り付けられる。複数の羽根１２は、主板１１の一方の面に、回転軸３０を中心としてその周方向に放射状に取り付けられる。複数の羽根１２は、各羽根が半径方向を向いた径向き羽根である。このような羽根を備える遠心ファン１０は、プレート送風機に適用できる。また、主板１１と羽根１２との取付角度は、９０°に設定される。

　ハウジング２０は、扁平な箱状の部材であり、内部に遠心ファン１０を収容する。ハウジング２０は、互いに対向する主壁２０ａ、２０ｂと、主壁２０ａ、２０ｂの間の領域を囲む側壁２０ｃとを含む。遠心ファン１０は、回転軸３０がハウジング２０の厚さ方向に沿った状態で、ハウジング２０の内部に収容される。ハウジング２０の主壁２０ｂには、遠心ファン１０と対向する位置に、吸込口２１が設けられる。また、ハウジング２０の側壁２０ｃの一部には、吐出口２２が設けられる。

　送風機１は、遠心ファン１０がモータ４０により回転されることにより、図１Ｂの矢印ＡＲ１に示すように、遠心ファン１０の回転軸３０の延長線上に位置する吸込口２１から空気を吸い込む。吸い込まれた空気は、ハウジング２０内で圧縮されて、図１Ａの矢印ＡＲ２に示すように、ハウジング２０の回転軸３０に直交する方向に設けられた吐出口２２から吐出される。

　送風機１は、様々な装置、例えば、換気扇、エアーカーテンに適用される。また、送風機１は、送風機１の吐出口２２の近傍に、熱交換器を配置することで、空気調和装置に適用される。

　遠心ファン１０の羽根１２と主板１１は、適用される装置の大小又は種類に応じて、例えば、ステンレス、アルミニウム、チタン、合成樹脂により製造される。

　次に、本実施の形態に係る遠心ファン１０の羽根の配列について、図２を参照して説明する。

　本実施の形態に係る遠心ファン１０の羽根１２の配列は、（１）羽根の総枚数ｎが奇数であること、（２）ピッチ角の種類は、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の２種類であり、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は相違すること、（３）第１のピッチ角θ１は第１の方向にｍ個並べて配置され、第２のピッチ角θ２は第２の方向にｎ－ｍ個並べて配置されること、（４）第１のピッチ角θ１の数と、第２のピッチ角θ２の数と、の差が１個であること、（５）第１のピッチ角θ１をｍ個合算した第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角θ２をｎ－ｍ個合算した第２の合算ピッチ角と、が相違すること、を特徴とする。

　本実施の形態における遠心ファン１０の羽根枚数を１１枚と設定し、Ｗ１～Ｗ１１の羽根を、回転軸３０の周りに配置する。Ｗ１～Ｗ１１の羽根が回転軸３０周りに配置されることで、１１個のピッチ角が形成される。

　本実施の形態における第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は、１１枚の羽根のうちの任意の１枚を基準羽根として定義される。図２に示すように、１１枚の羽根のうち羽根Ｗ１を基準羽根として設定し、羽根Ｗ１と、羽根Ｗ１と回転軸３０の周の時計回りの方向（図示のＸ方向：以下「第１の方向Ｘ」という。）に隣り合う羽根Ｗ２と、で形成されるピッチ角を、第１のピッチ角θ１と定義する。また、羽根Ｗ１と、羽根Ｗ１と回転軸３０の周の反時計回りの方向（図示のＹ方向：以下「第２の方向Ｙ」という。）に隣り合う羽根Ｗ１１と、で形成されるピッチ角を、第２のピッチ角θ２と定義する。第１のピッチ角θ１と、第２のピッチ角θ２の定義は、以下の実施の形態２～４においても同様に定義するものとする。

　第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は、羽根の総枚数と、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の比を定めることにより、次の式により一意に定まる。

　大きいピッチ角の個数を１つ多くする場合には、
　（ｎ－１）／２×θ＋（ｎ＋１）／２×Δ×θ＝３６０°（式１）
　小さいピッチ角の個数を１つ多くする場合には、
　（ｎ＋１）／２×θ＋（ｎ＋１）／２×Δ×θ＝３６０°（式２）
　と示すことができる。
　ここで、ｎは羽根の総枚数、θは小さいピッチ角の角度、Δは大きいピッチ角と小さいピッチ角の比率を示す。

　本実施の形態では、ｎを１１と、Δを１．３と設定する。そして、小さいピッチ角の個数を１つ多くする条件で、これらの値を、式２に当てはめる。すると、θは２８．８°と導き出せるので、小さいピッチ角が２８．８°、大きいピッチ角が３７．４４°と求められる。大きいピッチ角を第１のピッチ角θ１とし、小さいピッチ角を第２のピッチ角θ２とすると、図２に示すように、第１のピッチ角θ１は、羽根Ｗ１とＷ６との間に第１の方向Ｘに５個並んで配置され、第２のピッチ角θ２は、羽根Ｗ１とＷ６との間に第２の方向Ｙに６個並んで配置される。具体的には、羽根Ｗ１から回転軸３０の第１の方向Ｘに沿って、ピッチ角は、３７．４４°、３７．４４°、３７．４４°、３７．４４°、３７．４４°、２８．８°、２８．８°、２８．８°、２８．８°、２８．８°、２８．８°と定められる。各ピッチ角の位置を示すため、図２において、ピッチ角の位置を第１の方向Ｘに沿って１～１１の数字を付して位置を特定する。

　第１のピッチ角θ１を５個並べることで、第１の合算ピッチ角を形成し、第２のピッチ角θ２を６個並べることで、第２の合算ピッチ角を形成する。第１の合算ピッチ角は、３７．４４×°５＝１８７．２°であり、第２の合算ピッチ角は、２８．８°×６＝１７２．８°である。このように、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは相違し、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは、図２に示すように、回転軸３０の周りに境界線Ｄ１を境に偏って配置される。

　このような羽根の配列を備える遠心ファン１０の羽根特性を、比較例と対比して説明する。

　比較例の遠心ファンの羽根として、１１枚の羽根を回転軸の周りに等ピッチで配置した羽根（以下、「等ピッチ羽根」という。）と、１１枚の羽根を回転軸周りに周期的疑似ランダム配列に従って配置した羽根（以下、「周期的疑似ランダム配列羽根」という。）と、を用いる。

　図３は、等ピッチ羽根と、周期的疑似ランダム配列羽根と、本実施の形態の羽根との、それぞれのピッチ角を、ピッチ角の位置の番号に対応付けて示した表である。図３において、ピッチ角の位置の欄に示された番号は、図２におけるピッチ角の位置の番号に対応する番号である。

　等ピッチ羽根のピッチ角は、図３に示すように、全てのピッチ角が同一である。具体的には、３２．７３°のピッチ角をもって１１枚の羽根が配置される。

　周期的疑似ランダム配列羽根の周期的疑似ランダム配列として、本比較例では、Ｍ系配列を用いる。Ｍ系配列は、２^ｎ－１の周期をもつ０と１との２値の数列であり、１つの周期の中の数列の数は奇数であり、「０」と「１」の数の差が１と定められる。比較例において、「０」と大きいピッチ角とを対応させ、「１」と小さいピッチ角とを対応させ、周期を１１と設定する。すると、Ｍ系配列で示される数列は、１１０１１１０００１０となる。この数列に基づくピッチ角は、図３に示すように、ピッチ角の位置に対応して、２８．８°、２８．８°、３７．４４°、２８．８°、２８．８°、２８．８°、３７．４４°、３７．４４°、３７．４４°、２８．８°、３７．４４°と定められる。

　等ピッチ羽根、周期的疑似ランダム配列羽根、及び本実施の形態の羽根の、任意の観測点での時間経過に伴う音圧Ｐｎ（ｔ）の変化を、それぞれ図４Ａ、４Ｂ、４Ｃに示す。図４Ａは、等ピッチ羽根の音圧Ｐ１（ｔ）を時間経過ｔに沿って測定したグラフ、図４Ｂは、周期的疑似ランダム配列羽根の音圧Ｐ２（ｔ）を時間経過ｔに沿って測定したグラフ、図４Ｃは、本実施の形態の羽根の音圧Ｐ３（ｔ）を時間経過ｔに沿って測定したグラフである。図４Ａ～４Ｃの縦軸は、音圧の最大値を１、最低値を０と設定した音圧Ｐの値を示し、横軸は時間ｔを示す。

　等ピッチ羽根の場合、図４Ａに示すように、音圧Ｐ１（ｔ）の変化は、Ｐ１（ｔ）=sin(ωｔ）で示す正弦波で表される。音圧Ｐ１の最大値は、羽根が観測点を通過するときに周期的に発生する。したがって、最大の音圧は、羽根Ｗ１～Ｗ１１の各々の羽根が観測点を通過するときに発生する。全ての羽根のピッチ角は等しいので、等しい時間間隔で、最大の音圧が発生する。

　周期的疑似ランダム配列羽根の場合、図４Ｂに示すように、Ｍ系配列に従って配列された羽根Ｗ１～Ｗ１１の各々が観測点を通過するタイミングで、最大の音圧が発生する。羽根は周期的疑似ランダム配列で配置されているので、その配置間隔に応じて、最大の音圧が発生する。

　本実施の形態の羽根の場合、図４Ｃに示すように、第１のピッチ角θ１で並べられた羽根Ｗ１～Ｗ６と、第２のピッチ角θ２で並べられた羽根Ｗ６～Ｗ１１が、観測点を通過するタイミングで、最大の音圧が発生する。第１のピッチ角θ１で配置された羽根の配置間隔と、第２のピッチ角θ２で配置された羽根の配置間隔に応じて、最大の音圧が発生する。

　このようにして求められた音圧のグラフを、回転数を５０Ｈｚ、羽根数を１１枚の条件のもと、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析をして、等ピッチ羽根、周期的疑似ランダム配列羽根、及び本実施の形態の各々の羽根について、周波数に対応する振幅値を求める。図５は、ＦＦＴ解析により求められた振幅と周波数の関係を示すグラフである。図５に示すグラフの縦軸は振幅、横軸は周波数である。グラフからわかるように、等ピッチ羽根は、周波数５０Ｈｚ×羽根総枚数１１枚で求められる基本周波数である周波数５５０Ｈｚで、ピークスペクトル０．５を示した。周期的疑似ランダム配列の羽根は、周波数５５０Ｈｚで、ピークスペクトル０．３７４１００５を示した。本実施の形態で使用した羽根は、周波数５５０Ｈｚを挟んで、低周波側と高周波側で、２つのピークスペクトルを示し、高い方のピークスペクトルは、０．２８１２５７５であった。

　本実施の形態の羽根の配列を使用すれば、等ピッチ羽根、周期的疑似ランダム配列の羽根と比較して、ピークスペクトルの値を低く抑えるとともに、ピーク値を分散でき、遠心ファン１０の騒音を大きく低減できる。

　以上説明したように、本実施の形態に係る遠心ファン１０は、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とが、回転軸３０の周りに偏って配置されるため、遠心ファン１０の騒音を大きく低減できる。また、ピッチ角の種類として、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の２種類のみを適用して、遠心ファン１０を製造するので、遠心ファン１０の設計も簡単となり、製造コストを低減できる。

　本実施の形態に係る遠心ファン１０は、送風機１に組み込むことで、送風機１を使用する各種の製品、例えば、換気扇、空気調和装置に適用することができるので、これらの製品を運転するときにも騒音を大きく低減できる。

　上記の例は、小さいピッチ角の個数を１つ多くする条件で、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２を設定したが、大きいピッチ角の個数を１つ多くする条件で、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２を設定する他の例（図示はせず）でも、同様な効果を奏する。

　この例において、ｎを１１と、Δを１．３と設定する。そして、これらの値を、上記式１に当てはめる。すると、θは、２８．１２°と導き出せるので、小さいピッチ角が２８．１２°、大きいピッチ角が３６．５６°と求められる。大きいピッチ角を第１のピッチ角θ１、小さいピッチ角を第２のピッチ角θ２とすると、第１のピッチ角θ１は、羽根Ｗ１とＷ７の間に第１の方向Ｘに６個並んで配置され、第２のピッチ角θ２は、羽根Ｗ７とＷ１との間に第２の方向Ｙに５個並んで配置される。具体的には、回転軸３０の第１の方向Ｘに、ピッチ角は、３６．５６°、３６．５６°、３６．５６°、３６．５６°、３６．５６°、３６．５６°、２８．１２°、２８．１２°、２８．１２°、２８．１２°、２８．１２°と定められる。

　第１のピッチ角θ１を６個並べることで、第１の合算ピッチ角を形成し、第２のピッチ角θ２を５個並べることで、第２の合算ピッチ角を形成する。第１の合算ピッチ角は、３６．５６°×６＝２１９．３７°であり、第２の合算ピッチ角は、２８．１２°×５＝１４０．６°である。このように、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは相違し、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは、回転軸３０の周りに偏って配置される。

　大きいピッチ角の個数を１つ多くする条件でピッチ角を設定した場合でも、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角が、回転軸３０の周りに偏って配置されるため、遠心ファン１０の騒音を大きく低減できる。

　また、本実施の形態の遠心ファン１０は、遠心ファン１０の回転軸３０が正転する場合と逆転する場合の双方の場合で、同等な騒音低減効果を奏する。正転と逆転の場合の羽根特性について、周期的疑似ランダム配列羽根と比較して、以下に説明する。

　周期的疑似ランダム配列羽根のピッチ角の並びは、上述したように、大きいピッチ角を「０」と、小さいピッチ角を「１」と対応させて、１１０１１１０００１０という配列で示すことができる。遠心ファンを１回正転させると、この配列の順序で羽根が観測点を通過して、図４Ｂに示す音圧Ｐ２（ｔ）のパターンを示す。この遠心ファンを１回逆転させると、０１０００１１１０１１という正転とは異なる配列の順序で、羽根が観測点を通過する。したがって、正転の場合と逆転の場合では、発生する音圧のパターンが相違し、騒音低減効果も異なる。一般的には、正転する場合を前提として羽根の配列を設計するので、遠心ファンが逆転した場合には、騒音低減効果が減少するおそれがある。

　本実施の形態の遠心ファン１０は、図２に示すように、正転方向である第１の方向Ｘと、反転方向である第２の方向Ｙとの、どちらにも回転させることができる。遠心ファン１０の用途及び使用者の要望に応じて、回転方向を決定する。

　本実施の形態の羽根と周期的疑似ランダム配列羽根とを対比するため、本実施の形態の羽根のピッチ角を、周期的疑似ランダム配列羽根のピッチ角と同様に、大きいピッチ角を「０」と、小さいピッチ角を「１」と対応させる。図３に示す本実施の形態の羽根のピッチ角は、ピッチ角の位置「１」から「１１」まで、０００００１１１１１１という配列で示すことができる。遠心ファン１０が１回正転すると、この順序で羽根が観測点を通過して、図４Ｃに示す音圧Ｐ３（ｔ）のパターンを示す。この遠心ファン１０を１回逆転させると、１１１１１１０００００という配列の順序で、各羽根が観測点を通過する。遠心ファン１０が連続して正転又は逆転されることで、各々の配列パターンが繰り返し観測点を通過する。

　遠心ファン１０が連続して正転又は逆転する場合の羽根のパターンは、次のようにも説明できる。回転軸３０の周りは、０００００の配列で示される、第１のピッチ角θ１を５つ合算した第１の合算ピッチ角の領域（以下、「Ａ領域」という。）と、１１１１１１の配列で示される、第２のピッチ角θ２を６つ合算した第２の合算ピッチ角の領域（以下、「Ｂ領域」という。）と、に分割される。遠心ファン１０が連続回転すると、正転又は逆転の何れの場合でも、Ａ領域とＢ領域は、交互に観測点を通過する。したがって、遠心ファン１０が正転でも逆転でも、発生する音圧のパターンは同一であり、騒音低減効果も同等となる。

（実施の形態２）
　実施の形態１では、羽根の総枚数が奇数であり、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２とが異なる角度に設定され、第１のピッチ角θ１の数と第２のピッチ角θ２の数との差異は、１であった。本発明は、このような羽根の枚数、ピッチ角の数には限定されず、羽根の総枚数が偶数であり、第１のピッチ角θ１の数と第２のピッチ角θ２の数が等しい場合にも適用される。

　本実施の形態に係る遠心ファンの羽根の配列は、（１）羽根の総枚数ｎが偶数であること、（２）ピッチ角の種類は、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角の２種類であり、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は相違すること、（３）第１のピッチ角θ１は第１の方向にｍ個並べて配置され、第２のピッチ角θ２は第２の方向にｎ－ｍ個並べて配置されること、（４）第１のピッチ角θ１の数と、第２のピッチ角θ２の数と、が同一であること、（５）第１のピッチ角θ１をｍ個合算した第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角θ２をｎ－ｍ個合算した第２の合算ピッチ角と、が相違すること、を特徴とする。なお、本実施の形態の遠心ファンは、実施の形態１の遠心ファン１０と基本的構成は同一である。

　本実施の形態の遠心ファン１０は、図６に示すように、正転方向である第１の方向Ｘと、反転方向である第２の方向Ｙとの、どちらにも回転させることができる。遠心ファン１０の用途及び使用者の要望に応じて、回転方向を決定する。

　本実施の形態に係る遠心ファン１０の羽根の配列について、図６を参照して説明する。

　第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は、羽根の総枚数と、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の比を定めることにより、次の式により一意に定まる。

　ｎ／２×θ＋ｎ／２×Δ×θ＝３６０°（式３）
　ここで、ｎは羽根の総枚数、θは小さいピッチ角の角度、Δは大きいピッチ角と小さいピッチ角の比率を示す。

　本実施の形態では、ｎを１０と、Δを１．３と設定し、これらの値を、式３に当てはめる。すると、θは、３１．３°と導き出せるので、小さいピッチ角が３１．３°、大きいピッチ角が４０．６９°と求められる。大きいピッチ角を第１のピッチ角θ１とし、小さいピッチ角を第２のピッチ角θ２とすると、図６に示すように、第１のピッチ角θ１は、羽根Ｗ１とＷ６との間に第１の方向Ｘに５個並んで配置され、第２のピッチ角θ２は、羽根Ｗ１とＷ６との間に第２の方向Ｙに５個並んで配置される。具体的には、回転軸３０の第１の方向Ｘに、ピッチ角は、４０．６９°、４０．６９°、４０．６９°、４０．６９°、４０．６９°、３１．３°、３１．３°、３１．３°、３１．３°、３１．３°と定められる。

　第１のピッチ角θ１を５個並べることで、第１の合算ピッチ角を形成し、第２のピッチ角θ２を５個並べることで、第２の合算ピッチ角を形成する。第１の合算ピッチ角は、４０．６９°×５＝２０３．４５°であり、第２の合算ピッチ角は、３１．３°×５＝１５６．５°である。このように、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは相違し、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは、図６に示すように回転軸３０の周りに、境界線Ｄ２を境として偏って配置される。

　以上説明したように、羽根の総枚数が偶数枚であり、第１のピッチ角θ１の個数と第２のピッチ角θ２の個数とが同一であっても、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角は偏って配置されるので、遠心ファン１０の騒音を大きく低減できる。

　また、第１のピッチ角θ１を５個並べた第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角θ２を５個並べた第２の合算ピッチ角が、回転軸３０周りに配置されるので、遠心ファン１０が正転する場合と逆転する場合の双方の場合で、同じ音圧パターンを生成し、同等な騒音低減効果を奏する。

（実施の形態３）
　実施の形態１、２では、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の数が等しい場合、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の数の差が１である場合について説明した。しかしながら、本発明は、このようなピッチ角の数に限定されず、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の数の差が、２以上であってもよい。

　本実施の形態に係る遠心ファンの羽根の配列は、（１）羽根の総枚数ｎが奇数又は偶数であること、（２）ピッチ角の種類は、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角の２種類であり、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は相違すること、（３）第１のピッチ角θ１は第１の方向にｍ個並べて配置され、第２のピッチ角θ２は第２の方向にｎ－ｍ個並べて配置されること、（４）第１のピッチ角θ１の数と、第２のピッチ角θ２の数と、の差が２以上であること、（５）第１のピッチ角θ１をｍ個合算した第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角θ２をｎ－ｍ個合算した第２の合算ピッチ角の角度と、が相違すること、を特徴とする。なお、本実施の形態の遠心ファンは、実施の形態１の遠心ファン１０と基本的構成は同一である。

　本実施の形態の遠心ファン１０は、図７に示すように、正転方向である第１の方向Ｘと、反転方向である第２の方向Ｙとの、どちらにも回転させることができる。遠心ファン１０の用途及び使用者の要望に応じて、回転方向を決定する。

　本実施の形態に係る遠心ファン１０の羽根の配列について、図７を参照して説明する。

　第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は、羽根の総枚数と、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の比を定めることにより、次の式により一意に定まる。

　大きいピッチ角の個数をａ個多くする場合には、（ａは、２以上）
　（ｎ－ａ）／２×θ＋（ｎ＋ａ）／２×Δ×θ＝３６０°（式４）
　小さいピッチ角の個数をａ個多くする場合には、（ａは、２以上）
　（ｎ＋ａ）／２×θ＋（ｎ＋ａ）／２×Δ×θ＝３６０°（式５）
　と示すことができる。
　ここで、ｎは羽根の総枚数、θは小さいピッチ角の角度、Δは大きいピッチ角と小さいピッチ角の比率を示す。

　本実施の形態では、ｎを１１と、Δを１．３と、ａを３（大きいピッチ角の数が、小さいピッチ角の数より３個多い。）と、設定する。これらの値を、式４に当てはめることで、θは、２７．５°と導き出せるので、小さいピッチ角が２７．５°、大きいピッチ角が３５．７°と求められる。小さいピッチ角を第１のピッチ角θ１とし、大きいピッチ角を第２のピッチ角θ２とすると、図７に示すように、第１のピッチ角θ１は、羽根Ｗ１とＷ５との間に第１の方向Ｘに４個並んで配置され、第２のピッチ角θ２は、羽根Ｗ１とＷ５との間に第２の方向Ｙに７個並んで配置される。具体的には、回転軸３０の第１の方向Ｘに、ピッチ角は、２７．５°、２７．５°、２７．５°、２７．５°、３５．７°、３５．７°、３５．７°、３５．７°、３５．７°、３５．７°、３５．７°と定められる。

　第１のピッチ角θ１を４個並べることで、第１のピッチ角θ１を４個合算した第１の合算ピッチ角を形成し、第２のピッチ角θ２を７個並べることで、第２のピッチ角θ２を７個合算した第２の合算ピッチ角を形成する。第１の合算ピッチ角は、２７．５°×４＝１１０°であり、第２の合算ピッチ角は、３５．７°×７＝２４９．９°である。このように、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは相違し、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは、図７に示すように、回転軸３０の周りに、境界線Ｄ３を境に偏って配置される。

　以上説明したように、本実施の形態に係る遠心ファン１０は、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とが、回転軸３０の周りに偏って配置されるため、遠心ファン１０から発生する騒音を大きく低減できる。

　また、第１のピッチ角θ１を４個並べた第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角θ２を７個並べた第２の合算ピッチ角が、回転軸３０周りに配置されるので、遠心ファン１０が正転する場合と逆転する場合の双方の場合で、同じ音圧パターンを生成し、同等な騒音低減効果を奏する。

（実施の形態４）
　実施の形態１～３で説明した遠心ファンにおいて、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とが回転軸３０の全周を囲んで配置され、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角は異なると説明した。本発明は、回転軸の全周を第１の合算角度と第２の合算角度のみで囲むことに限定されず、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とを合算して第３の合算角度を形成し、この第３の合算角度を回転軸の周りに２以上配置してもよい。

　本実施の形態に係る遠心ファンは、主に鉄道車両用の電動機の冷却ファンとして用いられる。遠心ファンを備える鉄道車両用の電動機について、図８を参照して説明する。

　電動機１００は、フレーム２００と、固定子３００と、回転子４００と、回転子４００と一体に回転する回転軸５００と、回転軸５００に取り付けられた遠心ファン６００と、を備える。

　フレーム２００は、固定子３００と回転子４００を取り囲んで配置され、空気が吸込される吸込口２０１と、吸込された空気を吐出する吐出口２０２が形成されている。固定子３００は、固定子鉄心３０１と、固定子鉄心３０１に巻回された固定子コイル３０２とを含み、回転子４００は、固定子３００に対向して配置される。回転子４００の中心部には、回転軸５００が貫通して固定される。

　回転軸５００のいずれか一方の端部は、車両の車軸（図示せず）に連結され、回転軸５００が回転されることで車軸が回転する。回転軸５００の両端部は、フレーム２００に設けられた軸受５０１により支持される。

　遠心ファン６００は、複数の羽根６０１を備え、複数の羽根６０１は、回転軸５００の周りに放射状に配置される。

　このような電動機１００において、固定子コイル３０２に電源（図示せず）から交流電流が入力されると、固定子鉄心３０１に回転磁界が発生し、この回転磁界により回転子４００に誘導電流が誘起される。回転子４００の周りに回転磁界が形成され、かつ回転子４００に誘導電流が発生することにより、回転子４００を回転軸５００周りに回転される電磁力が発生し、回転子４００が回転する。そして、回転子４００の回転により回転軸５００が回転し、車軸を回転させる。

　回転軸５００が回転すると同時に、回転軸５００に取り付けられた遠心ファン６００も回転する。回転軸５００の回転中は、固定子コイル３０２で発生する銅損と、回転子４００で生じる誘導電流による鉄損により、電動機１００の部品の温度が上昇する。遠心ファン６００は、回転軸５００の回転に伴い回転され、遠心ファン６００が回転されることで吸込口２０１から空気が導入される。導入された空気が電動機１００内を通過して吐出口２０２から吐出されることにより、電動機１００の内部は冷却される。

　鉄道車両は、往路方向と、その反対の方向の復路方向に運転されるので、電動機１００は、運転の方向に応じて回転軸５００を回転駆動させる。回転軸５００は、往路方向の運転の場合には、図８に示すようにＰ方向に回転され、復路方向の運転の場合には、Ｐ方向と逆方向であるＱ方向に回転される。遠心ファン６００の羽根の配列が、不等ピッチ配列又は周期的疑似ランダム配列である場合には、回転軸５００を回転子４００のある方向に見た場合とその逆の方向から見た場合では、羽根のピッチ角の配列が異なる。したがって、回転軸５００をＰ方向に回転させたときに騒音を減少させる羽根の配列が、回転軸５００をＱ方向に回転させたときも同様に騒音を減少させるとは限らない。本実施の形態における遠心ファン６００は、Ｐ方向とＱ方向に回転、具体的には正転・逆転をする必要がある遠心ファンに好適に適用できる。Ｐ方向は、図９に示す第１の方向に対応し、Ｑ方向は、第２の方向Ｙに対応する。

　本実施の形態に係る遠心ファン６００の羽根の配列は、（１）羽根の総枚数ｎが偶数であること、（２）ピッチ角の種類は、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の２種類であり、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は相違すること、（３）第１のピッチ角θ１は第１の方向にｐ個並べて配置され、第２のピッチ角θ２は第２の方向にｑ個並べて配置されること、（４）第１のピッチ角θ１をｐ個合算した第１の合算ピッチ角と、第２のピッチ角θ２をｑ個合算した第２の合算ピッチ角と、が相違すること、（４）第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角を合算して第３のピッチ角を形成し、第３のピッチ角を回転軸の周りに２個以上並べて配置したこと、を特徴とする。

　本実施の形態に係る遠心ファン６００の羽根の配列について、図９を参照して説明する。

　第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２は、羽根の総枚数と、第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の比を定めることにより、上記の式４または式５により一意に定まる。本実施の形態では、第１のピッチ角θ１の個数と第２のピッチ角θ２の個数は同一とし、ｎを１２と、Δを１．３と、設定する。これらの値を、式４又は式５に当てはめることで、θは、２６．１°と導き出せるので、小さいピッチ角が２６．１°、大きいピッチ角が３３．９°と定められる。

　小さいピッチ角を第１のピッチ角θ１とし、大きいピッチ角を第２のピッチ角θ２とすると、第１のピッチ角θ１は、図９に示すように、羽根Ｗ１とＷ４との間に第１の方向Ｘに３個並べて配置され、第２のピッチ角θ２は、羽根Ｗ１とＷ１１との間に第２の方向Ｙに並べて配置される。第１のピッチ角θ１を３個並べることで第１の合算ピッチ角を形成し、第２のピッチ角θ２を３個並べることで第２の合算ピッチ角を形成する。第１の合算ピッチ角は、２６．１°×３＝７８．３°であり、第２の合算ピッチ角は、３３．９°×３＝１０１．７°であり、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角は異なって形成される。さらに、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角を合算して第３の合算ピッチ角を形成する。第３の合算ピッチ角は、図９において、第１の方向Ｘに、Ｗ１０とＷ４との間に形成される。そして、この第３の合算ピッチ角をＷ１０とＷ４の第２の方向Ｙに形成することで、第３の合算ピッチ角が、回転軸５００の周りに２つ形成される。

　本実施の形態の羽根の配列は、第１の合算ピッチ角が形成される領域をＡ領域とし、第２の合算ピッチ角が形成される領域をＢ領域とし、回転軸５００の周りをいくつかの領域に分割して、Ａ領域とＢ領域を交互に配置する配置方法によっても説明できる。

　Ａ領域とＢ領域を配置する方法は、まず、回転軸５００の周りを４以上の偶数の領域に分割し、続いて、分割された領域にＡとＢを交互に並べる方法である。図９の羽根の配置について、当該方法を用いて、以下に説明する。

　図９で説明した第１の合算ピッチ角の領域をＡ領域とし、第２の合算ピッチ角の領域をＢ領域とすると、図９は、図１０Ａで示す図に置き換えられる。図１０Ａに示すように、回転軸５００の周りの領域を４つの領域に分割する。そして、４つに分割された領域に、Ａ領域とＢ領域を、交互に並べて配置する。

　分割する領域を４以上の偶数である８とした場合の領域の配列を、図１０Ｂに示す。図１０Ｂに示すように、回転軸５００の周りの領域を８つに分割する。８つに分割された領域に、Ａ領域とＢ領域を、交互に並べて配置する。

　Ａ領域とＢ領域を交互に配置することにより、遠心ファン６００が連続して正転又は逆転しても、Ａ領域とＢ領域が交互に現れるように回転するので、どちらに回転しても同等の音圧パターンを示す。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の合算ピッチ角と第２の合算ピッチ角とは、その角度が回転軸周りに異なって形成されるので、遠心ファン６００の騒音を大きく低減できる。

　また、遠心ファン６００が連続して回転することにより、Ａ領域とＢ領域が交互に現れる。すなわち、遠心ファン６００の正転時も逆転時も同一のパターンでＡ領域とＢ領域が出現するので、鉄道車両の往路運転または復路運転のどちらの場合でも、同等な騒音の低減効果を達成する。

（変形例）
　以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の各実施の形態によって限定されるものではない。

　実施の形態１～４において、遠心ファンを用いて本発明を説明したが、本発明は、遠心ファン以外のファンにも適用できる。例えば、軸流ファン、斜流ファン、横流ファンにも、本発明のファンを適用できる。

　実施の形態１において、主板１１と羽根１２との取付角度は、９０°に設定されると説明したが、本発明は、このような取付角度に限定されない。ファンの種類に応じて適宜設定できる。

　実施の形態１において、羽根１２は、半径方向を向いた径向き羽根であると説明したが、本発明は、このような羽根に限定されない。本発明は、回転方向を向いた前向き羽根も適用でき、前向き羽根は多翼送風機に適用できる。また、本発明は、羽根が回転方向と反対方向を向いた後向き羽根にも適用でき、後向き羽根はターボファンに適用できる。

　実施の形態１において、支持部材として円板状の主板１１を用いて説明したが、本発明は、このような支持部材に限定されない。ファンとして軸流ファンや斜流ファンを用いた場合には、円柱状の回転軸を支持部材として用い、この回転軸の周りに複数の羽根を取り付けてもよい。

　実施の形態３において、ａの値を、大きいピッチ角の数が小さいピッチ角の数より大きい値として設定したが、小さいピッチ角の数が大きいピッチ角の数より大きい値として設定してもよい。

　実施の形態４において、鉄道車両用の電動機を例に説明したが、電動機が駆動させる車両は、鉄道車両用には限定されない。本発明は、車軸を正転・逆転させる電動機を使用する車両であればよく、例えば、自動車にも適用できる。

　実施の形態４において、第１のピッチ角θ１の数と、第２のピッチ角θ２の数は同数であると説明したが、個数は同数に限定されない。第１のピッチ角θ１と第２のピッチ角θ２の個数の差が１以上であってもよい。

　実施の形態４において、鉄道用車両に適用する電動機を用いてファンを説明したが、鉄道用車両のファンとして、実施の形態１～３に記載したファンを用いてもよい。

　以上、本発明の各実施の形態および変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。

　本発明は、送風機又は電動機に搭載されるファンに好適に利用できる。

１　送風機、１０　遠心ファン、１１　主板、１２　羽根、２０　ハウジング、２０ａ，２０ｂ　主壁、２０ｃ　側壁、２１　吸込口、２２　吐出口、３０　回転軸、４０　モータ、１００　電動機、２００　フレーム、２０１　吸込口、２０２　吐出口、３００　固定子、３０１　固定子鉄心、３０２　固定子コイル、４００　回転子、５００　回転軸、５０１　軸受、６００　遠心ファン、６０１　羽根、Ｗ１　基準羽根

Claims (8)

1. 　回転軸を中心に回転する支持部材と、前記支持部材に取り付けられ、前記回転軸の周りに放射状に配置されたｎ枚（ｎは２以上の整数）の羽根と、を備え、前記回転軸を中心に前記支持部材が回転することで、前記ｎ枚の羽根が回転されて気流を生成するファンであって、
   　前記ｎ枚の羽根は、ｎ個のピッチ角を隔てて前記回転軸の周りに配置され、
   　前記ｎ枚の羽根のうち何れか１枚の羽根を基準羽根とし、当該基準羽根と、前記回転軸の周の第１の方向に隣り合う羽根と、で第１のピッチ角を形成し、当該第１のピッチ角は、前記第１の方向にｍ個（ｍは１以上の整数、ｎ＞ｍ）並んで配置され、
   　前記基準羽根と、前記第１の方向と反対方向である第２の方向に隣り合う羽根と、で前記第１のピッチ角と異なる第２のピッチ角を形成し、当該第２のピッチ角は、前記第２の方向にｎ－ｍ個並んで配置され、
   　前記第１のピッチ角をｍ個合算した第１の合算ピッチ角と、前記第２のピッチ角をｎ－ｍ個合算した第２の合算ピッチ角と、は異なる、ファン。
2. 　前記第１のピッチ角をもって配置されるｍ個のピッチ角の数と、前記第２のピッチ角をもって配置されるｎ－ｍ個のピッチ角の数と、は異なる、
   　請求項１に記載のファン。
3. 　前記第１のピッチ角をもって配置されるｍ個のピッチ角の数と、前記第２のピッチ角をもって配置されるｎ－ｍ個のピッチ角の数と、は等しい、
   　請求項１に記載のファン。
4. 　回転軸を中心に回転する支持部材と、前記支持部材に取り付けられ、前記回転軸の周りに放射状に配置されたｎ枚（ｎは２以上の整数）の羽根と、を備え、前記回転軸を中心に前記支持部材が回転することで、前記ｎ枚の羽根が回転されて気流を生成するファンであって、
   　前記ｎ枚の羽根は、ｎ個のピッチ角を隔てて前記回転軸の周りに配置され、
   　前記ｎ枚の羽根のうち何れか１枚の羽根を基準羽根とし、当該基準羽根と、前記回転軸の周の第１の方向に隣り合う羽根と、で第１のピッチ角を形成し、当該第１のピッチ角は、前記第１の方向にｐ個（ｐは１以上の整数、ｎ＞ｐ）並んで配置され、
   　前記基準羽根と、前記第１の方向と反対方向である第２の方向に隣り合う羽根と、で前記第１のピッチ角と異なる第２のピッチ角を形成し、当該第２のピッチ角は、前記第２の方向にｑ個（ｑは１以上の整数、ｎ＞ｑ）並んで配置され、
   　前記第１のピッチ角をｐ個合算した第１の合算ピッチ角と、前記第２のピッチ角をｑ個合算した第２の合算ピッチ角と、は異なり、
   　前記第１の合算ピッチ角と前記第２の合算ピッチ角とを合算した第３のピッチ角を回転軸の周りに２以上並べて前記ｎ個のピッチ角を形成する、ファン。
5. 　前記ファンは、遠心ファンである、
   　請求項１～４の何れか１項に記載のファン。
6. 　前記回転軸は、前記第１の方向と前記第２の方向との双方向に回転する、
   　請求項１～５の何れか１項に記載のファン。
7. 　請求項１～６の何れか１項に記載されたファンと、
   　前記回転軸を中心に前記支持部材を回転させるモータと、
   　を備える送風機。
8. 　フレームの内面に固定され、電源が供給されることで回転磁界を発生させる固定子と、
   　回転軸が貫通して固定され、前記回転磁界により回転される回転子と、
   　前記回転軸の一端に取り付けられた請求項１～６の何れか１項に記載のファンと、
   　を備える電動機。

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