広がりのある風を作り出す扇風機

いわゆる「デザイン家電」と呼ばれるものは、いわゆる白物家電といわれる一般的な、言い換えれば万人受けするデザインとは異なる、奇抜なデザインなどで購買者の目を引くことを目的としていますが、その機能・性能についてはさほど特筆する点がないものがほとんどです。

一方、同じようにデザイン家電と分類されることもあるバルミューダの製品ですが、その機能的・技術的な面を見ると従来の常識を打ち破った製品が大半であることは、あまり知られていません（なかなか技術って目に見えませんからね）。

今回紹介する発明も、技術のすごさがなかなか見えにくい代表例です。扇風機の発明なのですが、送風される空気の流れが従来製品とは全然違う、というものです（特許第5916319号。優先日：2009年6月28日）。

我々が扇風機と言われて思い浮かぶものって、たぶん首振りタイプで、軸を中心として回転する羽根が５枚くらいあるやつじゃないでしょうか？　部屋に置くと、なんだか急に夏を感じる気がするあれです。昔からあの形って変わっていませんよね。あの５枚羽根のファンは、製造の容易さや、耐久性が優れていることから、ベストな形だとされていたものです。

ところが、あまり知られていないことですが、直径30cmの5枚羽根ファンを毎分800回転させて発生させた風を測定すると、ファン正面から３メートル離れても、風の面積はたったの直径50cmしかないのです。だから首振り機能をつけて風を広範囲に送らないといけなかったんですね。

そこでバルミューダでは、ファンを特殊な二重構造として、一つの軸回転で、異なる２つの風速の風を同時に発生させられるようにしました。このようにすることで発生した風が互いにぶつかりあって、従来では得られない風の広がりを発生させることができるようになったのです。

目に見えにくい効果ではありますが、確かな裏付けのある技術が身近な製品に適用されていることがよくわかります。

発明の背景

本発明は、扇風機や換気扇、暖房器具など空気を送り出す必要がある機器の送風部の軸流ファンの形状に関します。具体的には扇風機です。

従来技術と対比するため、従来の扇風機の軸流ファンから説明します。図３は従来型５枚羽根ファンの正面図です。図４は従来型５枚羽根軸流ファンの斜視図です。

【図３】（左）及び【図４】（右）

図１６は、従来型の軸流ファンの羽根の形状をそのままに、羽根の枚数を増やした場合の説明図です。

【図１６】

従来、一般的な扇風機などでは、３枚から５枚羽根の軸流ファン、特に図３及び図４に示すような５枚羽根の軸流ファンが多く採用されています。このような形状は、製造するときの成形加工が容易であるため、長年、採用され続け特別な変化はありませんでした。

例えば、直径３０センチの５枚羽根の従来型軸流ファンから風を発生させると、毎分８００回転の場合、３メートル離れた場所で、風が当たる面積は直径５０センチです。このように、ほとんど広がりのない風１９となります（後の図１４をご参照）。

しかし、例えば暖房器具を使う場合、風を広範囲に送る必要があります。温かい空気を住空間へ均一に広げるために、一般的な扇風機は首振り機能を有します。これにより、送風範囲を広げて、暖かい空気をより広い空間へ送ることができます。

このように、軸流ファンを利用した機器（扇風機など）は、広範囲に風を送れる方が有利です。首振り機能がなくても広範囲に風を送るためには、例えば、巨大な軸流ファンを回転させたらよい、というアイデアを思いつきます。

しかし、巨大な軸流ファンによって広範囲に風を送ることができたとしても、従来の小型の機器にそのまま巨大な軸流ファンを取り付けることは、現実的ではありません。よって、小型の軸流ファンでありながら、風を送る範囲を広くしたいという要望があります。

また、羽根の回転数が同じであれば、軸流ファンからの風量は、羽根の面積が大きいほど多くなります。よって、従来型の軸流ファン（例えば５枚羽根）よりも羽根の面積を大きくすれば、低い回転数で同じ風量を得ることができるはずです。そうすれば、騒音を減らしたり、消費電力を減らしたりできる可能性があります。

しかし、現状では、扇風機、換気扇、または暖房機といった軸流ファンのほとんどは、５枚よりも多い羽根を持っていません。また、羽根の面積をかなり大きくした軸流ファンもありません。

この原因の１つは、効率の良い軸流ファンを設計するために、流体力学の知識等が必要となる点です。また、流体力学に未解明の部分が多いため、設計上の困難さが想定される点も原因の１つです。また、量産しようとしたときに生産技術上の問題が予測される点も原因であると考えられます。

例えば、図１６に示すように、一般的な軸流ファン１０の５枚羽根の形状を維持しながら、羽根の枚数だけを増やしたとします。そうすると、軸流ファン正面から見たときに、羽根の付け根部に羽根同士の重なり２２が生じます。このような複雑な形状は、二分割の射出成型金型を使用してプラスチック成型するには不利です。

すなわち、工業的に量産するときに、金型に特殊な工夫が必要となるアンダーカット部が出来てしまうため、非現実的です。

一方、羽根同士が重ならないよう、羽根の付け根部を細くするように設計したとしても、羽根の強度に問題が生じます。詳しくは、細くした根元だけで回転時の負荷に耐えることが難しいため、強度的に問題があります。

以上のように、より広範囲に送風できる性能を要求されているにも関わらず、従来の軸流ファンでは、そのような性能を実現できませんでした。

風量を大きくし、低回転、低騒音、省エネルギー型の軸流ファンを製造しようとすると、羽根の面積を増やせばよいのですが、上記の通り、量産時の効率と軸流ファン自体の強度とを兼ね備えることができないという問題があったのです。

どんな発明？

本発明は、上記の問題を念頭に置いて着想されたものです。本発明は、金型を２分割とした比較的単純な射出成形加工で製造できる形状（一般的な量産方法で製造できる形状）であり、かつ、軸流ファン自体の強度もあり、しかも、羽根の枚数や面積を増加させた軸流ファンを備えた扇風機に関します。

別の見方をしますと、本発明では、軸流ファン全体の大きさや回転数が従来通りであっても、羽根の総面積が比較的広く、風量が比較的多く、風を優しく送ることができます。

このような性能を発揮させるために、本発明の軸流ファンは、回転軸とファンの最外周との間に、回転軸と同心円の中間リング１を有します。また、中間リング１の内側および外側にそれぞれ羽根群を設け、各羽根群を、別々の形状、枚数、総面積に設計しています。これにより、容易な量産が可能となり、軸流ファンの強度を十分に保てます。

このような軸流ファンの発明の具体例について、以下に説明します。

図１は本発明に係る軸流ファンの正面図です。図２は本発明に係る軸流ファンとモーターの斜視図です。

【図１】（左）及び【図２】（右）

羽根の面積をできるだけ大きくして、しかも、製造時に射出成形加工で上下二分割式の金型で量産できるように、本発明には以下のような工夫があります。

本発明の軸流ファンは、モータ５などの回転駆動手段の回転軸６に取り付けられた回転軸部４を備えます。

また、回転軸部４とファンの最外周との間に配置された環状の中間リング１を備えます。また、回転軸部４の外側で回転軸部４と同軸に取り付けられた内側羽根２群を備えます。内側羽根２群は、回転軸部４から外方へ放射状に延びて中間リング１に達する複数の内側羽根２を有します。

また、内側羽根２群の外側に内側羽根２群と同軸に取り付けられた外側羽根３群を備えます。外側羽根３群は、中間リング１から外方へ放射状に延びてファンの最外周まで達する複数の外側羽根３を有します。

内側羽根２群および外側羽根３群の枚数、面積、形状、角度は、それぞれ異なります。内側羽根２群と外側羽根３群が互いに異なる形状であるため、ファン正面から見たときに羽根同士が重なりません。しかも、中間リング１がファン全体の強度を高めています。

なお、後に説明しますが、審査を得て最終的に確定した本願の特許内容では、内側羽根２がシャフト形状となっています。

図１４は、従来型５枚羽根の軸流ファンを回転させた時に発生する風の広がりを表した図です。図１５は、本発明に係る軸流ファンを回転させた時に発生する風の広がりを表した図です。

【図１４】（左）及び【図１５】（右）

本発明の軸流ファンを有する扇風機では、中間リング１の内側にある内側羽根２群、および、外側にある外側羽根３群において、羽根の枚数、角度、形状をそれぞれ別々に設計できます。これにより、回転させた時に中間リング１の内側と外側とで、風の量を変えることができます。すなわち１つの軸流ファン７が回転したときに、中間リング１の内側１１と外側１２とで（図１をご参照）、風速を変えることができます。

やや極端な例では、中間リング１の外側と内側のそれぞれの羽根群の枚数、面積、形状を変えることによって、中間リング１の外側１２からの風速Ｖ２が、内側１１からの風速Ｖ１よりも著しく速くなるように（Ｖ２＞Ｖ１）設定できます。この場合、空気の密度差により、外側羽根群からの風は、内側羽根群からの密度の低い風に引っ張られてぶつかり合います。

その結果、図１５に示すように緩やかに広がって行く（１９）のではなく、図１６に示すように内側方向へ巻き込まれて行く動き（３０）になります。

これにより、軸流ファンから、例えば数十センチの近距離の位置３１で風が集まります。そして、風が集中した反動によって、その後、風が大きく拡散していく動き（２０）に変化します。この原理によって、例えば３メートルくらい離れた地点において、従来型の軸流ファンよりも、風の広がりをより大きくさせることができます。

このように、中間リング１の内側羽根２群と外側羽根３群における羽根の枚数、角度、形状を調整することで、中間リング１の内側の羽根群および外側の羽根群それぞれからの風速差を調整し、その風速差によって風の方向を意図的に変えることができます。

また、本発明の軸流ファンでは、中間リング１によって軸流ファンの力学的強度が向上されています。よって、軸流ファンは、羽根の総面積が大きくても十分な強度を有します。

また、本発明の軸流ファンでは、例えば、中間リング１の外側羽根３群の枚数を多くして、外側の総羽根面積を大きくできます。この場合に、内側羽根２群の枚数を少なくできます。従って、回転軸付近での羽根同士の重なりを避けることができます。そのため、量産時の射出成型が容易でありながら、軸流ファン全体の総羽根面積を大きくできます。

また、本発明の軸流ファンでは、内側羽根２および外側羽根３が、中心から放射状に延びて互いに連続するような形状である必要はありません。よって、上述したような羽根の重なりという問題がありません。従って、特に外側羽根３の枚数を増やして、羽根の総面積を大きくした軸流ファンを量産できます。これにより、従来の３枚から５枚羽根の軸流ファンよりも、風量を多くすることができます。

また、本発明の軸流ファンでは、羽根の根元部分における重なりや、製造後の強度不足の問題を考慮しなくても、中間リング１の内側と外側とで、それぞれ羽根の枚数を設定できます。

従って、羽根の枚数を著しく増やすことができます。一般的には、３枚羽根よりも５枚羽根の軸流ファンの方が優しい風になると言われていますが、本発明では、特に外側羽根３の枚数を５枚よりも多くして、より優しい風を発生させることができます。

図５は本発明に係る軸流ファンの三面図です。

【図５】

図５などの各図において、中間リング１は、軸流ファンの回転軸とファンの最外周との間に位置し、回転軸と同心円状です。中間リング１の直径は、例えば１７センチです。中間リング１の内側にある内側羽根２の枚数は、例えば５枚です。中間リング１の外側にある外側羽根３の枚数は、例えば９枚です。図２に示すように、回転軸部４は、モーター５の回転軸６とネジなどによって結合されています。

中間リング１と、中間リング１に連なる内側羽根２群と、中間リング１に連なる外側羽根３群と、回転軸部４とは、１つのプラスチック成型品となって互いに結合し、例えば直径が３０センチの軸流ファン７を形成しています。

また、軸流ファン７が回転したときの風量を多くするために、内側羽根２群および外側羽根３群において、各羽根の面積ができるだけ大きくなるように設計されています。また、内側羽根２群から発生する風の速度Ｖ１よりも、外側羽根３群から発生する風の速度Ｖ２が大きくなるように、中間リング１の内側と外側の各羽根の形状および角度が設計されています。

ここで、簡単な比較実験の結果を示します。送風機の軸流ファンを毎分８００回転で回転させ、軸流ファンの正面から１センチ前側で風速を計測しました。具体的には、回転軸からファンの外周方向に向けて４センチ離れた位置１１の前方（図１をご参照）１センチのところ、および、１０センチ離れた位置１２の前方（図１をご参照）１センチのところで、それぞれ風速を計測しました。

一方、従来型の５枚の羽根で構成される直径３０センチの一般的な軸流ファン１０を用意し、上記と同様に風速を計測しました。

その結果は、それぞれ表１および表２に示す通りです。

【表１】

【表２】

表１と表２を比べると、表１の本発明の軸流ファン７は、表２の従来型の５枚の羽根で構成される軸流ファン１０と比べて、外周付近からの風速と、回転軸付近からの風速との差が、より大きくなりました。

表２に表した従来型の軸流ファン１０は、上記の風速の差が小さく、図１４に表すように、穏やかに広がる方向１９の風を発生させました。

一方、表１に表した本発明に係る軸流ファン７は、上述したように、ファンの外周付近から発生する風の風速と、回転軸付近から発生する風の風速の差が大きくなりました。

これにより、ファン正面の至近距離位置の軸付近空間２４と、ファンの外周付近空間２５において（図５参照）、押し出される空気量に大きな差が生じて、空気の密度差が発生します。このような密度差によって、中間リング１の外側から発生する風は、中間リング１の内側から発生する密度の低い風に引っ張られ、内側方向へ巻き込まれます。

よって、軸流ファン７正面から約４０センチの近距離の位置３１（図１５をご参照）では風が集まりますが、風が集まった反動によって、その後、風が大きく拡散していく動き（２０）につながります。

ここで、風の広がりを実際に計測した結果について簡単に説明します。

軸流ファンの直径、回転数が同じであるにも関わらず、本発明の軸流ファンの方が、送風の範囲が大きくなりました。すなわち、風を送ったときの面積をより大きくすることができました。風は、正面から見た時に概ね円形に広がるため、本発明の軸流ファンから発生する風の広がりは、３メートル離れた地点で直径が約１.５メートルになりました。一方、従来型の軸流ファン１０から発生する風の広がりは、同地点で直径が約５０センチの風になりました。

この結果から、ファン正面から３メートル離れた地点において、本発明に係る軸流ファンは、従来型の軸流ファンに比べて、約９倍の面積に風を送ることができたことになります。

図１１は、中間リング１を１つではなく２つにした場合の軸流ファンの具体例です。このように、本発明の軸流ファン２３の中間リング１は、要望される送風範囲、風の広がり方向、または用途によって、複数になり得ます。

【図１１】

上述したように、中間リング１の内側と外側のそれぞれの羽根群を変えることによって、回転時の風速の差が大きくなり、送風範囲を変化させることができます。よって、このような変化をより大きくして、送風範囲、または、風の広がり方向を望み通りにすることができます。

そのため、用途によっては、中間リング１の内側の羽根群は、羽根形状ではなく、中間リング１と回転軸部４を連結するだけのシャフトのような形状にすることができます。シャフトは、送風機能がほとんどないため、上記のような風量の差をより大きくできます。本出願の特許の権利範囲は、まさしくこのようなシャフトを採用した技術内容に相当します。

図１２は、本発明に係る軸流ファンを換気扇に取り付けた説明図です。図１３は、本発明に係る軸流ファンを利用した暖房機の説明図です。

【図１２】

本発明の軸流ファンは、扇風機や送風機で利用できるだけでなく、他にも図１２に表すように換気扇１７など、また、図１３に表すように暖房器具１７など、内部に送風機を必要とするさまざまな器具で利用できます。

例えば、本発明の軸流ファンは、外径を小さくすることによって、冷却が必要なコンピューターに内蔵するファンなど、さまざまな器具に利用できます。　また、本発明の軸流ファンは、外径を大きくすることによって、例えば、空気の流れを発生させるためのビル施設の空調送風装置など、さまざまな器具や設備に利用できます。

また、本発明の軸流ファンは、空気以外のガスや液体といった、さまざまな流体を対象にできます。例えば水の中で回転させるスクリューなど、流体に流れを発生させるためのさまざまな器具に利用できます。

ここがポイント！

上記の通り、本発明は、一般的な射出成形加工で量産できる形状の軸流ファンを有し、かつ、軸流ファン自体に強度があり、しかも、羽根の枚数や面積を増加させた扇風機を提供します。

本発明では、軸流ファンに中間リングが設けられ、中間リングの内側および外側に、複数の羽根が設けられています。言い換えますと、外側の羽根群と外側の羽根群との間に中間リングが配置されています。このような形状であるため、羽根群における羽根の重なりを避けることができ、射出成形という一般的な加工方法で軸流ファンを量産できます。

しかも、中間リングが内側の羽根群および外側の羽根群を支えているため、内側および外側に多数の羽根があっても、回転で壊れない十分な強度を有します。さらには、内側の羽根をシャフト形状にして、中間リングの内側よりも外側で風量をかなり大きくすることができます。これにより、離れた場所に広範囲で風を送ることができるのです。

本出願で特許となった本発明のポイントを解説しますと、本発明は、羽根の形状に特徴がある扇風機です。

本発明の扇風機は、回転駆動する回転軸に取り付けられた回転軸部を備えます。また、回転軸部を中心とする環状の中間リングを備えます。また、回転軸部から放射方向に延びて中間リングに連結している（内側羽根の代わりの）シャフトを備えます。また、中間リングの外側に設けられた複数の外側羽根を有する外側羽根群を備えます。

なお、軸流ファンでは、回転軸部の軸芯から中間リングまでの距離が、中間リングから外側羽根の外周の端までの距離よりも長くなっており、回転軸部の回転軸が略水平になっています。

何に活用されているの？

本特許は、「バルミューダ株式会社」から出願されたものです。「バルミューダ株式会社」は、ご存じのように今までにない新しいタイプのトースターや扇風機を販売してきた会社です。この会社のウェブサイトには、他にも掃除機やスピーカー、ライトなどの商品も掲載されています。

従来からある扇風機の仕組みを革新的に進歩させたアイデアが、本特許発明に取り入れられています。

本特許の発明は、「The GreenFan」という扇風機に利用されていると思われます。本特許の発明は、今までにないユニークな扇風機に適用されているアイデアであると予想されます。

特許の概要

＜免責事由＞
本解説は、主に発明の紹介を主たる目的とするもので、特許権の権利範囲（技術的範囲の解釈）に関する見解及び発明の要旨認定に関する見解を示すものではありません。自社製品がこれらの技術的範囲に属するか否かについては、当社は一切の責任を負いません。技術的範囲の解釈に関する見解及び発明の要旨認定に関する見解については、特許（知的財産）の専門家であるお近くの弁理士にご相談ください。