層流ファンの発生騒音におよぼす諸因子の影響
葉山賢司＊・児玉 好雄＊＊
林 秀千人＊＊・田中 清裕＊＊
河部 秀彦＊＊＊
Effects of the parameters on Noise Generated by Laminar Flow Fans
by
Kenji HAYAMA＊， Yoshio KODAMA＊＊， Hidechito HAYASHI＊＊
Kiyohiro TANAKA＊＊， and Hidehiko KAWABE＊＊
The effects of four design parameters， the number of disks， th6 rotational frequency， the thickhess of disk and the distance of two disks on noise generated from Iaminar flow fan were experimentally investigated， and discussed． The fan noise increases with increasing the number of disks and the rotational freq血ency． That is， the sound pressure is nearly proportional to the number of disks and the rotational frequency of the sixth power． The thickness of disk and the distance of two disks are little independenent of fan noise． According to specific noise level， the Iaminar flow fan is by no means inferior to the centrifugal fan． The laminar fan noise is almost turbulent noise．
1．緒 言
層流ファンは薄・いドーナツ形の円板を回転軸方向に 狭い間隔に多数重ね合わせたものを羽根車としたファ
ンで，円板上の境界層に働く遠心力により流体に動力 を与えるものである．著者らはこのファンに関し，こ れまでに円板枚数，円板間隔およびシュラウドすきま，
回転数，円板内径，円板厚みおよび舌部すきまがファ ンの流体力学的特性におよぼす影響について実験的に 明らかにするばかりでなく揚程の理論式を誘導し，こ れが実験値とかなりよい一致を示すことを明らかにし た ）・2！．この種の流体機械は他の機種に比較して流体力 学的特性は劣るが，騒音が低いことが期待されてい
る3）・4）．したがって騒音低減化が要望されているOA機 器や衛生用機器に使用される可能性が十分ある．
原田らはAllenの騒音に関する経験式を用いて従来 のファンと層流ファンとの比較を行い層流ファンの方 が騒音は低いことを示している5）．一方Merryらは空力 特性がほぼ等しいとき，層流ファンの方が遠心ファン より全周波数帯域にわたって騒音が低いことを示して いる4）．しかしながら層流ファンの騒音に関する研究，
特に発生機構を推測するに足るものは極端に少なく，
不十分であるといわざるを得ない．
以上の理由に立脚して本研究では，円板枚数，回転1 数，円板厚み，円板間隔が層流ファンの騒音に及ぼす 影響を実験的に調べた．さらに騒音に流体力学的特性 を加味した比騒音レベルで比較した場合，層流ファン は遠心ファンと比較して遜色のないことが明らかに
なった．
平成3年4月30日受理
・大学院博士課程海洋資源学専攻（Graduate Student， Marine Resources）
＊＊機械システム工学科（Department of Mechanical Systems Engineering）
＊＊＊大島造船所（Ooshima Shipyard Co．， Ltd，）
2．おもな記号 B ：円板枚数
∠）亡 ：円板厚み m，㎜
∫ ：周波数 Hz g ：重力の加速度 m／s2 仏 ：静圧ヘッド ㎜Aq， m空気柱 Hτ ：全圧ヘッド ㎜Aq， m空気柱
薦（A） ：A特性の音圧レベルに基づく比騒音レベル dB
κ』（L）
L
五R
N
Q
γε
70 SPL（A）
SPL（L）
240
X
z
δo
δs
ητ
λ
ρ
φ
ψ
．L特性の音圧レベルに基づく比騒音レベル
dB
：軸動力 kW， W
：羽根車の回転軸方向長さ m，㎜
：回転数 rpm
：送風機流量 ㎡／s，㎡／min
：羽根車入口半径 m，㎜
：羽根車出口半径 m，㎜
：A特性の音圧レベル dB
：L特性の音圧レベル dB
：羽根：車外縁の周速度 m／s
：回転軸方向の距離 m，㎜
：音源と観測点間の軸心距離 m
：2枚の円板間の間隔 m，㎜
：シュラウドすきまm，㎜
：ファンの全圧効率
：動力係数
：空気の密度 ㎏／㎡
：流量係数
：圧力係数
3．実験装置および方法
図1と図2はそれぞれ実験装置の概要と供試羽根車 を示したものである．実験装置には入ロノズル，吐出 し管が設置されており，吐出し管末端には流量調整用
Inlet n。zzle Air fユ。w
R㎝。vable wall＼0・ifice St・ti・p・es・ure t・p＼
φ152 Daコ1per φ100血peller
■ｺノ、
・ ． 層 曹 o ． 一
590 370 1890
50 Electric motor
boncrete wa11
Fig．1 Schematic diagram of experimental apparatus．
亘
コへ〜㍉｝産
懲蹴、講
義
Fig．2 1mpeller used in this experiment
のダンパが設けられている．流量および静圧はJIS規 格に従って設置されたオリフィスおよび静圧孔で測定 された．本実験では電動機騒音を遮断する目的で，電 動機を吸音材が内張りしてあるコンクリート製の箱の 中に入れた．供試羽根車は外径380㎜，内径170㎜のドー ナツ形アルミニウム製円板から構成されており円板厚 みDfは0．8，1．5，3．0㎜の3通りのものが用いられた．
本研究では円板枚数Bは10，20，39の3通り，円板間 隔δ。は0．8，1．6，3㎜の3通りのものを用いた．また シュラウドすきまδ5と恥部すきまδcは，それぞれ既報 の結果をもとに1L2｝効率のよかった2㎜および20㎜と した．騒音測定は送風機の軸中心上で入ロノズル端か ら1mおよび1．5m上流の点（遠距離場）で行い，その 出力を狭帯域のスペクトルアナライザで周波数分析し，
結果を高速度レベルレコーダで記録した．
4．実験結果および考察 4．1 特性曲線
図3は層流ファンの流体力学的特性におよぼす回転 数の影響を示したものである．図中のψ，φ，η7はそれ ぞれ圧力係数，流量係数および電動機と送風機との総 合効率であり，次式で定義される．
ψ＝291／T／z602， φ＝Q／2πB70δpz60
λ＝」乙ノπBρδ07・oZ403， η7＝ψφ／λ （1）
ここでλは動力係数，Hτはファンの全期上昇量，π。は 羽根車外縁の周速度，Qは毎秒当りの流量，五は軸動 力，ρは空気の密度である．この図からファン効率およ び圧力係数は回転数Nが900rpmの場合他の二者に比
1．5
う
」
5
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0 0．4
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、
LF−fan B＝39 Dt＝0．8㎜
δD篇0．8皿 δS＝2㎜
、、、
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N ：rpm
1800
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15
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：琵50−n，／／＼＼、、＼
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Φ25 ／ ＼
器 ／ 一＝LF−fan（B雷39）
函 ／ ＿一．一＝Centrifugal fan（B＝1
00 10 SPL（A）
（Z雷1．5m）
）
20
Flow rate， Q
30m3／min 50ρQ l：：1
0．02 0．04 0．06
Flow coefficient，φ
Fig．5 Comparison of characteristids for LF−fan with C．fan．
Fig．3
9100
琶
占
6＄
露503
＄ 拭 需
ぢ 臼
0
Effects of the rotational frequency on characteristic curve．
・50
訳
ξ 賦 呂
3253
鵡
Φ
9 h
0 LF−fan N＝1800rp皿 Dt＝0．8㎜
δD冨0．8㎜
δS雷2mIn
HT
o
△ 口
B 39 20 10
η
1 ：2 3 4 5 F1。w rat。，Q孤3／min
図4はファン特性におよぼす円板枚数Bの影響を示 したもので，0印，△印，三三はそれぞれB；39，20，
10の場合である．この図から，Bが大なるほど流量，効 率，全圧ヘッドは増加することが判る．これは文献（1）
で示したようにBが増加するにしたがって主流部分に 対する前・後面シュラウド近傍の低流速領域の割合が 小となり，その部分での損失の全体に対する割合が小
さくなるためである．
図5はほぼ外径と回転数が等しい層流ファンと市販 されている遠心ファンとの特性を比較したものである．
最高効率点での静圧ヘッドE、は両者にそれほどの差 異は見られないが，最大流量については，層流ファン は遠心ファンの約1／8であり，また静圧効率も遠心ファ ンに比較して低い事が判る．一方，A特性での音圧レベ ルSPL（A）は層流ファンの方が回転数，羽根車直径とも に遠心ファンよりもやや大であるにもかかわらず8
〜10dB低い．以上のことより，層流ファンは遠心ファ ンに比較して流体力学的特性は劣るが騒音特性は優れ ていると言える．
0
Fig．4 Effects of the number of disks on characteristic curve．
べ多少低下するもののNが1800rpmと1200rpmでは差 異はほとんどないことが判る．Breiterらによれば6）
2＞＝900，1200，1800rpmに対する円板間の最適すきま はそれぞれ1．3，1．1，0．9mmになる．最適すきまから離 れるほどすきま内の速度分布に歪が生じるため効率が 低下するといわれており，この実験の場合，円板間隔 は0．8mmであるからNが大なるほど効率が高くなるの はこの理由によることが考えられる．
4．2 絶対流出角と絶対速度分布
図6と図7は羽根車出口における流出角と絶対速度 の回転軸方向分布の円板間隔δDによる差異を示した もので，耳印，○印，△印はそれぞれδDが3．0，1．6，
0．8mmの場合である．なお，流出角は周方向からの角度 であり，正は外向き流れ，負は内向き流れを表してい る．図6（a）に見られるように流出角は前面円板から X／LRが増加するにしたがい増加しX／五Rが0．2近傍 で極大値をとり，0．3〜0．75ではほぼ一定値の約7度を とるが，0．8より大となれば負の角度となり，外向き流 れから内向き流れに変わる．しかしながら，δDによる 差異はほとんど見られない．一方，絶対速度も流出角
15。
Φ
JlO。
ゆ
ゴ
召
5。冨
3
の慧。。
診．
β 角 一5。
一：LO。
δs＝7㎜
「㍉nax−po■nt
Front disk
1F−fan B＝20 N冨1800rpm Dt＝1・5㎜
δD㎜
口 3．0
O ：L．6
△ 0．8
Rear disk ＼ 0 0●25 0。5 0●75 1．0
舷i・1di・t・n・e， X／LR
25
足
日
20『
詔
815
冒
〉 ゆ
≧・lo 捻 冒
5
0
LF−fan B＝20 N＝1800rp甲
Dt＝1・5m皿．
δs＝7㎜
nmaxqpo■nt
Front disk
δD㎜
口 3．．0
O 1．6
△ 0．8
Rear disk
Fig．6 Effects of the distance of two disks on flow angle．
0 Qξ25 0●5 0．75 1●o Axial distance， X／：LR
Fig．8 Effects of the distance of two disks on relative velocity．
25
20 ミ
日
＞ 10
遺 斜
8 后．0
＞ ε β＿エ0
8
遷
一20
LF−fan B＝20 N＝180qrpm τhlax−point
δD㎜
口 3．0
○ 1．6
△ 0．8
：Front
disk
Dt＝1．5㎜
δs＝7㎜
Reとr disk 0 0．25 0●5 0．75 ］．．O
Axia二L distance， X／LR
ミ 日20 免
栴58
ぱ
〉
．自Φ10
慧 冒 国 5
0
Dt旨1・5㎜
δs＝7㎜
r㎞ax−point
Front
／
：LF−fan B＝20 δD＝0．8㎜
N冒1800rpm
disk
1200rpm 900rpm
Rea「d sk 0 0。25 0●5 0●75 1．O
̲
Aコξia］． digtance， X／■R
Fig．7 Effects of the distance of two disks on absolute velocity．
の場合と同様に前面円板からの距離が増加するにつれ 増加し，X／LRが0．25〜0．9近傍でほぼ平坦となり，・こ れより大なる位置では負の流れ，つまり，内向き流れ となる．δoによる差異はX／届が0．25〜0．9近傍でδρが 小なるほどわずかに速度が大となる程度である．これ はノ〉＝1800rpmの場合，円板問の流れ．はδ。＝0．8mmが理 想的に近いことに一因がある．また，後面円板近傍で 内向き流れを生じる一因としてある領域で流れが循環
Fig．9 Effects of the rotational frequency on relative velocity．
する固定のセルが考えられるη．
4．3 相対速度分布
図8と図9は実測された絶対速度の大きさと方向か ら求めた相対速度確の羽根車回転軸方向の分布の一 例で，それぞれ円板間隔δDおよび回転魏Vを変えた結 果について示したものである．図8に示すようにδ。を 変えた場合，X／疏が0，25以下では相対速度はδ。が
3．0，1．6，0．8㎜の順に高く，0．25以上では逆に高く なる．しかしながらδp＝3．0，L6，0．8mmに対する羽根 車幅にわたる の平均値はそれぞれ18．5，17．6，17．5 m／sであり，ほとんど三者間で差がない．一方，図9か
らはNが減少するほど全領域にわたって相対速度罪 は小となり，N＝1800，1200，900rpmに対する の平 均値はそれぞれ17。5，11．7，9．Om／sで，ほぼNに比例
している．
4．4 音圧レベル
図10は層流ファンの音圧レベルの流量による変化を 示したものである．音圧レベルSPL（L）は最大流量点か らφ＝0．05近傍まではほぼ一定値58．5dB（Z＝1mの場 合）をとり，この点から締切点に向かってわずかに低
βq
唱
70
宕
途
H
①
岩60
鴇 蜜 自 で雪
￡
LF−fan B＝20 N雷1800：rp皿 δD富0・8mm Dt＝0．8㎜
δS＝2皿n
O，△：Z・＝1．Om ●，▲：Z＝1・5m
ηmax−po■nt
↓SPL（L）
500 0．05
Flow coefficient， φ
Fig．10 Flow characteristics of sound pressure level．
0．1
下する．通常のファンは最高効率点からはずれると サージングや流れのはく離などの現象のため音圧レベ ルが急激に増加するが，層流ファンの場合は全流量域 にわたってほぼ一定値をとることが特徴的である．こ れは層流ファンの昇圧機構が摩擦力と遠心力によって おり，流れのはく離や低流量域での不安定現象が生じ にくいためである．また音源と観測点問の距離Zが大 なるほど音圧レベルは低下する．Z＝1mと1．5mでは 前者が後者より約1．5dB高い．一方L特性で測定した音 圧レベルSPL（L）（○，●印）はA特性での測定値SPL（A）
に比較して約6．5dB高くなっており，比較的低周波数 成分が多い事が分かる．
図11は層流ファン騒音のスペクトル密度分布におよ ぼす円板厚み0 の影響を示したもので，破線，一点鎖 線，実線はそれぞれaが3，1．5，0．8mmの場合である．
この図から∠），を0．8mmから3mmに増加させても音圧レ ベルの増加量は全帯域騒音で1dB程度であり，円板厚 みの影響はほとんど見られない．一方スペクトル密度 分布も三者ほぼ同様の傾向であり，各周波数に対する 音圧レベルの差異もほとんど見られない．また，本実 験範囲では離散周波数騒音の発生はみられない．した がって，層流ファン騒音は主として乱流騒音であると 言える．
図12は円板間隔δ。が騒音に与える影響を示したも のである．この実験の場合δ。は3， 1．6，0．8mmの3通り を採用している．この場合全帯域騒音およびスペクト ル密度分布に三者間で差異はほとんど見られない．こ れはδDを変えても騒音と直接関連する羽根車の相対 速度が図8に示したようにあまり差がなかったためと 考えられる．
図13は騒音におよぼす円板枚数Bの影響を示したも ので，敵中の実線，一点鎖線，破線はそれぞれBが39，
70 唱60
も 幽＞50
錯40
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α づ520
￡
10
LF−fan
響SPL（L） B＝20 ．δS＝2㎜
N＝1800rpul Z嵩1．Om 盟SP毛（A）δD・0・8m・ ㌔。ズP・i・・
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Dt！nm 3。0 1．5 0．8
＼壌・・㌔
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：＼、「㌦、
oヘへこ
LAO．04 0．1 234681 2346810
68 Freq・e・・y， f kH・
70
電
60
部
1550
諺40
善，。
§ 舅20 10
LF−fan
聾SP■（L）
B環20 δS＝2㎜
聾SPL（A） N嵩1800rpm Z＝1・O m Dt＝0・8m皿 η恥ax−point α＝ 叱謬 乙＝
，「呂 卜、．．
・噂．
染・・
δD㎜
3。0 1．6 0．8
鍬
・㌔、、
こ、、
LAO，040．1234681 2346810，
68 Frequ・n・y， f kH・
Fig．11 Effects of the thickness of disk on sound pressure level．
Fig．12 Effects of the distance of、two disks on sound pressure Ievel．
20，10の場合である．全帯域騒音SPL（L）はBが2倍にな れば約3dB，4倍になれば6dB増加している．このこと はこの程度の円板枚数の場合には円板間の干渉を考慮 する必要がなく，各々の円板を独立した騒音源と考え て円板枚数Bの効果を一枚の円板から発生する騒音の 音響出力のB倍どして取り扱えることを意味している．
また，スペクトル密度分布においては0．1kHz以下でβ が増加するほど音圧レベルの増加が著しい．これは，
層流ファンの発生騒音源が主としてこの周波数帯域で あることを意味している．
図14（a），（b）は層流ファン騒音におよぼす回転数Nの影 響を表したもので，（a）は全帯域騒音を，（b）は騒音のス ペクトル密度分布を示している．全帯域騒音は回転数 1＞が増加するにしたがって増加し，1＞が倍になると約
18dB増加している［図14（a）］．図中の破線はSPL（L）が6 1091。2＞に比例すると仮定した場合の勾配を示した走 のである．破線のNに対する勾配と実験値を結んだ多 線の勾配はほとんど同じであり，このことより音響日 力はNの6乗に比例していると言える．これは図91・
示したように相対速度研の変化はほぼ！＞の変化に摯 しいためである．以上の結果から音の放射特性は双歴 子形であると思われる．一方，図14（b）で示される騒至 のスペクトル密度分布からは回転数が増加するにしプ がって全周波数帯域で音圧レベルは増加することが半 る．以上の騒音のスペクトル密度分布から回転面，F 板枚数等を変えても離散周波数騒音の発生は見られ〜
この種のファンの騒音源は主として乱流騒音であると 言える．
70 箸 60
勾
三50
婁 呂 S0
§3。
仙 弓、。
￡
10
＝｝・PL（・） 看工臨。・チ・一
…；｝…（・）ll：8：1監竃1轟、。，
ノヘロ ノ ロ コヘロ
〔へ／！哩臓秘計
ハヘノ ロコノリ
v㌔≡婁 驚婚
一一一一一 10
LAO．040ユ23468：L 2346810
6 Frequency， f lkHz
Fig．13 Effects of the number of disk on sound pressure level．
4．5 比騒音レベル
羽根車の良否の目安の一つとして音圧レベルに全是 P7（kg／㎡）と流量Q（㎡／min）を加味した式（2）で示芝 れる比騒音レベル瓦がある．この値が低いほど良好滝 羽根車であると言われている．
魚＝SPL−1010910（2Pτ2
70
電
唱60
茜
H
錯
嵩50
＄ 拭
唱
￡⇒40
30
（2）
図15．｝ま円板枚数：Bがん、に与える影響を示したも0 である．図中の○印，△印，□印はそれぞれBが39，
20，10の場合を，白抜き［κ，（L）］と黒塗［魚（A）］の言 号はそれぞれL特性とA特性の音圧レベルを用いた糸 果を示している．B＝39と20では（2／砺。κが0．7以上6 場合にβ＝39の方が，0．2以下の場合にはB＝20の方ズ 魚の値は魚（L），魚（A）とも．に多少低くなるものの両≒
にそれほど大きな差異は見られない．一方，β＝10のち
工F−fan B＝39 Dt＝0．8㎜
δD＝0・8㎜
δS＝2㎜
ηmax−point＝ ㌔
一1
盛感卜 ， ノノ ！ノ ，，
♂9 6ρ
／ 0・△：z＝1・〔㎞
！ノe。飼G．●，▲・Z・・．5m
900 1200 1800
Rotational frequency，N τpm
70
電
60
后
H＄50 窪40
扇
＄
琶30 号2。
￡
10
LF−fan
B＝39 δS52】匝m δD＝0・8mm Z＝1・0ロ1 ρt＝0・8皿㌦・ズP・int
Nrpm1800 1200
900
〆藁一へ
ψ ノ＼．
㌔、〜・㌔・〜v・
》 気 、 、 も ロヂへゆ
ノ響…、＼へ 噂｝・、． v・．
LAO・0468・1 234681 2341Frequency， f kHz 68：LO
（a） Overall leve1。 （b）Comparison of spectral density distribution
Fig．14 Effects of the rotational frequency on sound pressure leve1．
40国 唱
の
肱
ぢ30
茜
H
①
紹
8
β
出208
8
10
LF−fan N＝1800rpm Dt＝0．8㎜
δD冒0．8㎜
δS・2㎜Ks（L）
B
○ ● 39
△ ▲ 20
口 ■ 10
＼
Fq 20
℃
■十三
Ks（A）
1
0 0．5 1．O Flow rate ratio，Q／q士nax
Fig．15 Effects of the number of disks on specific noise level．
盆 協 肱 冒
葛
H10
霧
ぢ
斜、
出
88
℃0
LF−fan N＝900rPln Dt＝0．8m皿 δD＝0・8㎜
Far fie］．d（Z＝1．5τn）
○：：LF−fan（B＝39）
△：Centrifugal fan（B＝・10）
40
0。5 ：L．O Fエ・wrate rati・，Q／（lmax
Fig．17 Comparison of K』for LF−fan with C−fan．
ρq
℃
の
屯
H窪30 3
田
ぢ
名 出820
8
10 0 LF−fan B＝39 Dt＝0．8㎜
δD＝0．8㎜
δS＝2mm
Nrpm o ● 1800
△ ▲ 1200
口 ■ 900
Ks（L）
＼
Ks（A）
「
0．5 1．O F1・w rate rati・，Q／（hax
合は前二者に比較して魚（L），1（、（A）ともに全流量域で高
い。
図16は回転数1＞が比騒音レベルにおよぼす影響であ る．属（L），魚（A）ともにN＝1200，900rpmがN＝1800 rpmに比較して魚は低い．以上の効率とκ、の面から考 えると本実験範囲ではB＝20〜40，2V＝1200rpmが羽 根車として一番良好と思われる．
図17は一般に市販されている遠心ファンと層流ファ ンの比騒音レベルを比較したものである．壷中の△印 と○印はそれぞれ遠心ファンと層流ファンの結果を示 している．いずれの流量域においても層流ファンが遠 心ファンよりも魚は低い．特に（2／（2襯。＝0．8〜1．0およ び0．4以下での差が大きい．これは層流ファンは遠心 ファンのように流れのはく離やサージングなどが起こ りにくいためと考えられる．
Fig．16 Effects of the rotational frequency on specific noise leve1。
5．結 論
本研究では円板枚数，回転数，円板厚み，円板間隔 が層流ファン騒音に与える影響を実験的に調査した．
その結果，次の結論を得た．
1．回転数が増加するに伴い音圧レベルは増加する．
また，音響出力はほぼ回転数2Vの6乗に比例する．
2．円板枚数が2倍になれば3dB，4倍になれば6dBの 音圧レベルの増加が見られる．このことより音響 出力は円板枚数に比例するといえる．
3．円板厚みや円板間隔が層流ファンにおよぼす影響 は小さい．また，層流ファンの騒音はほとんど乱 流騒音である．
4．比騒音レベル，ファン効率の面から判断すれば，
本実験範囲ではB＝20〜40，N＝1200rpmの羽根 車が最も良好であると思われる．
5．層流ファンは一般に市販されている遠心ファンと ほぼ同程度の比騒音レベルを有している．した がって層流ファンは遠心ファンと比較して遜色の ないものと考える．
おわりに本研究に協力していただいた当時長崎大学 学生の後藤慎治，淵山正毅の諸氏に謝意を表す．
参考文献
1）児玉・ほか3名，機論，55−518，B（1989），
3096．
2）児玉・ほか3名，機論，56−524，B（1990），952．
3）Merry， S． L，ほか2名， Inter−noise，83（1983），
21．
4）Merry， s．1．， and Glegg， S． A． L．， Inter−noise，
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6）Breiter， C． L， and Pohlhausen， K．， A． R． L． Rep．
No． ARL62−318（1962）．
7）伊良部・山里，ターボ機械，18−8（1990），450．
