部分リング冷却ファン

专利摘要:
ブレード先端部に部分リング部材が取り付けられた冷却ファン。ファンは、好ましくは、中心ハブと複数のブレード部材とを備えるワンピースの成形ファンである。ブレード先端部の部分リング部材は、重量を低減するとともに、ニットライン及び高い回転数での動作により引き起こされる破損の可能性を最小限に抑える。
公开号:JP2011513618A
申请号:JP2010547720
申请日:2009-02-18
公开日:2011-04-28
发明作者:デイヴィッド・アール・ホスキンス
申请人:ボーグワーナー・インコーポレーテッド；
IPC主号:F04D29-32

专利说明:

[0001] 本発明は、冷却ファンに関し、特に、工業用又は自動車用エンジンによって駆動され、又はその冷却に使用されるファンに関する。]
背景技術

[0002] ほとんどの工業用又は自動車用エンジン用途では、冷却ラジエータ又は熱交換器を通して空気を吹き出したり、又は吸い込んだりするために、エンジン駆動式冷却ファンが利用される。通常、ファンは、エンジンのクランクシャフトに連結されたベルト駆動機構により駆動される。]
[0003] 典型的な冷却ファンは、中心ハブ又はハブプレートに装着された複数のブレードを有する。ハブは、例えばベルト駆動機構との回転連結を提供する。ファンブレードのサイズ及び数は、特定の用途に対する冷却要件によって決定される。例えば、小型自動車用ファンは、わずか４枚のブレードしか必要でなく、直径が３００ｍｍ未満であり得る。より大型の用途、例えば重量車用途、特にトラック及びバスでは、ファン設計に９枚以上のブレードが利用され得るとともに、ファンは６００ｍｍ以上の外径を有し得る。]
[0004] ブレードの数及びファンの直径に加え、特定のファンの冷却能力は、ファンがその運転速度で発生させることのできる空気流の容積によっても左右される。空気流の容積は、特定のブレード形状、例えば、ブレードの面積及び曲率又は外形、並びにファンの回転数に依存する。冷却ファン寸法及び空気流量が増加するに従い、ファン、特にブレードが受ける負荷もまた増加する。加えて、回転数が高くなり、ファンを通じた空気流が増加すると、ブレードにねじれが生じ、騒音レベルが高まり得る。]
[0005] こうした問題にある程度対処するため、特定の冷却ファン設計は、ファンの周囲に沿ってリングを組み込んでいる。具体的には、ブレード先端部が３６０°リングに取り付けられる。リングがブレード先端部に安定をもたらし、また、特にリングがシュラウドと組み合わされるとき、ブレード先端部における渦流の発生を低減することにも役立つ。リングはまた、ファン設計に対し強度の増加をもたらし、振動特性を向上させる。]
[0006] 従って、リングファン設計は、支持されていない冷却ファン構成が直面する構造上の問題点のある部分を解消する。しかしながら、現在の自動車用及び工業用の冷却環境では、ファンは軽量化の一方で、なお性能特性の向上を提供することが求められ、リングファンの能力の限界をさらに押し上げるべく、こうしたファンの動作条件は高まりつつある。]
[0007] リング型ファンに関する問題の一つは、現在の状況下では、多くのファンがワンピースとして成形され、プラスチック材料で作製されることである。射出成形プロセスでは、本質的にファンリングに、プラスチックのニットラインによってもたらされる脆弱な箇所が発生する。また、ファンの回転速度が高いときに完全な円周リングの質量慣性によってもたらされるブレードとリングとの接合部にかかる遠心力により、その接合部で成形ファンの破損が起こり得る。]
発明が解決しようとする課題

[0008] 結果的に、ファン、特に成形リング型ファンの冷却空気流量を向上させると同時に、その強度を増加させて、起こり得る破損を防止する方法に対する必要性が生じている。この必要性は、特に、ファンが大型で、より大きい質量を有する大型の工業用及び自動車用エンジンについては、高い冷却要求に対応してファンの動作回転数が増加するため、極めて切実となっている。]
課題を解決するための手段

[0009] こうした必要性に応えるため、本発明は、エンジン冷却システムにおいて使用されるエンジン駆動式冷却ファンを企図し、ここでファンは、独自のリング型構造を有する。ファンは、中心ハブと、ハブから半径方向外側に突出する複数のファンブレードとを備え、ブレードの各々は、ハブに連結するブレード根元部と、その反対側の端部のブレード先端部とを有する。ブレードの各々は、ファンの入口側に前縁と、ファンの出口側に後縁とをさらに画定する。冷却ファンはまた、複数のファンブレードの各々のブレード先端部に連結された部分円周リングも備える。]
[0010] 本発明は、３６０°リングファンの動作上及び性能上の利益及び特性を実現するが、その欠点の多く、すなわち破損が起こり得る潜在的な脆弱箇所は含まない。]
[0011] 円周リングの一部分が、ブレード先端部の各々に連結される。部分リング部材の各々は、一実施形態において、ファンブレードの幅又は先端部とほぼ同じ長さである。部分リング部材の軸方向の幅はまた、ブレードの軸方向の延在範囲とほぼ同じ延在範囲にわたり延在し得る。部分リング部材はまた、一実施形態において、ブレード先端部の幅又は延在範囲全体を完全には被覆せず、ブレードの後縁の一部分を拘束しない状態のままとする。]
[0012] 部分リング部材は、平面的な形態を有してもよく、又は「Ｖ」字型若しくは湾曲状などの他の断面形態を有してもよい。部分リング部材の円周端はまた、ファンの軸と平行に形成されてもよく、又はその軸と角度をなして形成されてもよい。]
[0013] 本発明の他の目的、利点及び利益は、以下に記載される説明及び添付の図面を、添付の特許請求の範囲と併せて考慮することで理解され得る。]
図面の簡単な説明

[0014] 本発明の実施形態に係る部分リング冷却ファンの斜視図である。
本発明の別の実施形態に係る部分リング冷却ファンの斜視図である。
本発明のさらに別の実施形態に係る部分リング冷却ファンの斜視図である。
本発明を利用する冷却システムの性能特性を、先行技術の冷却システムと対比して示すグラフである。
本発明に係るファンの実施形態を利用する２つの冷却システムの性能特性を、先行技術の冷却ファンを用いる先行技術の冷却システムと比較して示すグラフである。]
実施例

[0015] 本発明の原理の理解を促す目的から、ここで図面に示される実施形態が参照されるとともに、それらが特定の用語を使用して説明される。しかしながら、それによって本発明の範囲を限定する意図はないことは理解されるであろう。本発明は、本発明が関係する技術分野の当業者が通常着想し得るような、例示される装置及び説明される方法における任意の変更及びさらなる修正、並びに本発明の原理のさらなる応用を含む。]
[0016] また、本発明は、自動車又は車両、特にトラック若しくはバスなどの重量車両用の冷却システムにおけるその使用を特に参照して説明される。しかしながら、本発明は、かかる用途における使用に限定されるものではないことは理解されるべきである。むしろ、本発明は、図面及び特許請求の範囲に従うそのあらゆる範囲、及び冷却システムにおいて冷却ファンが利用される任意の用途における使用が適用されるものである。]
[0017] 部分リング冷却ファンを利用する本発明の一実施形態が図１に図示され、参照符号１０によって特定される。ファン１０は、中心ハブ部材１２と、ハブ部材に取り付けられた複数のブレード部材１４とを備える。ハブ部材１２は、ファンを公知の設計のファン駆動アセンブリに装着するように構成された取付けボルトリング１６を備え得る。] 図１
[0018] ファンブレード部材１４の各々は、その根元部１８でハブ部材に取り付けられる。ファンブレード部材の各々はまた、根元部１８の反対側の端部にブレード先端部２０も備える。]
[0019] 図１に示されるとおり、ブレード部材１４の各々のブレード先端部に、部分リング部材２２が取り付けられる。] 図１
[0020] これまでに説明したとおりの図１の部分リング冷却ファン１０は、公知の方法で作製することができる。例えば、図１に示される構造全体は、好ましくは金属製ハブプレート部材１６の周囲に射出成形される高強度の成形用ポリマー材料から、従来の公知の射出成形方法を利用して形成することができる。従来のプラスチック射出成形技術は、現在、円周リング部材が配置されることも、又は配置されないこともあるワンピースのプラスチック成形冷却ファンに対して用いられている。] 図１
[0021] この点について、ワンピースの冷却ファン部材がプラスチック材料で成形され、且つ冷却ファンがそこに完全な３６０°円周リングを有するとき、典型的には、外側リングにおける各ブレード間に、最後に充填される範囲によるウェルド（又はニット）ラインが生じる。こうしたウェルドラインによって脆弱な範囲が生じ、ある状況下ではリングの分離及び破損につながり得る。また、完全な３６０°リング部材の質量慣性によってブレード部材に対しブレード先端部に引き起こされる応力もまた、ある状況下でリングをブレードと分離させ、従って冷却ファンの破損を引き起こし得る。ニットラインの、又は円周リングがブレード先端部と交わる部分におけるこうした破損条件は、典型的には高い局部応力及び材料特性の低下によって生じる。]
[0022] 図面では（図１〜図３）、冷却ファンの回転方向が、Ｒと付された矢印によって示される。加えて、ファンの回転軸、すなわちファン冷却システムの長手方向軸が、文字Ａによって示される。参照のため、ブレード部材の各々は、前縁Ｌと後縁Ｔとを有する。また、部分リング部材２２は特定の「幅」Ｗを有し、これは、冷却ファンの軸Ａの方向に計測した距離である。ブレード部材１４の実際の数は、ファンのサイズ及び冷却用途又はファンが利用されるシステムに依存する。例えば、図１では６枚のブレード部材が図示され、一方、図２及び図３では５枚のブレード部材が図示される。ブレード部材の実際の数及び冷却ファンの直径は、本発明に従えば重要ではない。従って、本発明は、ファンの直径及び設けられるブレード部材の数にかかわらず、任意のタイプの部分リングファンに適用される。] 図１ 図２ 図３
[0023] ファンブレード部材１４はまた、任意の断面サイズ及び形状であってよい。ブレード部材は、平坦な平面的形態を有してもよく、又は現在ブレード部材に利用されている従来の形態のいずれかのように湾曲していてもよい。例えば、ブレード部材１４は、その幅全体にわたり一様な断面を有してもよく、又は従来のように変化を有してもよい。ブレード部材１４はまた、エアフォイル形状を有してもよい。ブレード部材はまた、その根元部１８からその先端部２０まで一様な厚さを有してもよく、又はこの場合にも、根元部から先端部へと、ブレード部材の半径方向外側に向かって厚さが変化してもよい。この点について、ブレード部材は好ましくは、エアフォイル型の形態を有し、部分リング冷却ファンがその標準回転数及び動作範囲内で動作するとき、最大の空気流を供給するように構成される。]
[0024] 図１に示される本発明の実施形態では、部分リング部材２２の各々は、平坦な、又は平面的な断面形態を有し、且つ部分リングファン部材の各々の端部２２Ａ及び２２Ｂもまた平面的で、冷却ファン１０の長手方向軸Ａと平行な向きに設けられている。この点について、冷却ファン１０の耐久性及び性能に害を及ぼし得る不平衡で望ましくない力を防止するため、冷却ファンの周囲には実質的に同じ部分リングファン部材及びブレード部材が提供されなければならない。従って、ハブ１２の周囲を囲むブレード部材１４及び部分リングファン部材２２は全て、正確に同じである。] 図１
[0025] 一実施形態において、部分リングファン部材２２の幅Ｗは、冷却ファンの軸方向におけるブレード部材の軸方向の全延在範囲と同じ寸法である。また、当然ながら他の実施形態において、部分リングファン部材の幅がブレード部材の軸方向の延在範囲より大きいか、又は小さいことも可能である。]
[0026] また、図１に示されるとおり、ブレード部材１４の先端部２０の各々の部分２０Ａは、部分リングファン部材２２によって支持されず、又はひいては部分リングファン部材２２と接続していない。この特徴は、部分リングファン部材の幅Ｗを最小限に抑え、ひいては冷却ファン及び部分リング部材の材料及び重量を節減するために提供され得る。ブレード先端部２０の部分２０Ａを部分リングファン部材に接続しないとしても、冷却ファンの動作又は効率が悪化又は低下することはない。] 図１
[0027] 本発明の別の実施形態が図２に示され、参照符号３０によって指示される。この実施形態において、冷却ファン部材は、中心ハブ３２と、ハブに取り付けられた複数のブレード部材３４とを有する。ブレード部材３４は、その根元部３６で中心ハブ３２に取り付けられる。ブレード部材の各々はまた、ブレード部材３４の各々の先端部４２に取り付けられた部分リングファン部材４０も有する。] 図２
[0028] 部分リング部材４０の各々は、図２に示されるとおり、本質的にＶ字型の断面形態を有する。これは、冷却ファン３０の動作及び性能の観点から、さらなる利益をもたらし得る。加えて、図２に示される実施形態において、部分リング部材４０の各々の端部４０Ａ及び４０Ｂは、冷却ファンの回転の長手方向軸Ａと平行である。部分リング部材４０はまた、ブレード部材３４の各々のブレード先端部４２の全長にわたり延在する。冷却ファン３０の軸方向の幅Ｗはまた、ブレード部材の軸方向寸法の延在範囲より大きい。] 図２
[0029] 本発明のさらに別の実施形態が、図３に示される。この冷却ファンは、概して参照符号５０により特定される。冷却ファン５０は、中心ハブ部材５２と複数のファンブレード部材５４とを備える。ブレード部材５４の各々は、中心ハブに取り付けられる根元部５６と、ブレード先端部５８とを有する。] 図３
[0030] 部分リングファン部材６０が、ブレード部材５４の各々の先端部５８に取り付けられる。この実施形態において、部分リングファン部材６０は、図示されるとおり、湾曲した略Ｕ字型形態を有する。この点について、Ｕ字型形態は、ハブに対して凹面形状であっても、又は凸面形状であってもよい。]
[0031] また、部分リングファン部材６０の各々の端部６０Ａ及び６０Ｂは、冷却ファン５０の回転軸Ａに対して角度Ｘをなして設けられる。特に、図３に示されるとおり、部分リングファン部材６０の角度をなす端部６０Ａの最前端の角部６２は、部分リングファン部材６０を冷却ファン５０の回転Ｒの方向に誘導するように設けられる。] 図３
[0032] 図４及び図５は、上記のとおりの部分リングの発明を利用するときの、空気流に対する静圧、静的効率、トルク、及び出力を、完全な３６０°リングを有する先行技術のリングファンに関するそれらの特性と比較して、グラフで示す。線１００、１００’、１１０、１１０’及び１２０は、冷却システムに関して、空気流に対する静圧の比較をプロットしたものであり、一方、線２００、２００’、２１０、２１０’及び２２０は、空気流に対する静的空気効率をプロットしたものである。さらに、線３００及び３１０は、空気流に対する出力をプロットし、線５００、５１０及び５２０は、空気流に対するトルク出力をプロットしたものである。] 図４ 図５
[0033] 図４及び図５のグラフに示される、プロット点を示す丸を有する線は全て、完全な３６０°リングがブレード先端部に取り付けられたリングファンに対して行われた試験に関する。これは、先行技術のタイプのリングファンである。小さい四角で示されるグラフの線は、図１〜図２に示される本発明の実施形態に係る部分リングファンのパフォーマンスをプロットしたものである。最後に、図５に示される、プロット点が小さい菱形で示されるグラフの線は、部分リングファンの別の実施形態、特に図３に示される部分リングファンの実施形態のパフォーマンスをプロットしたものである。この部分リングファンは、端部がファンの中心軸に対して角度をなす部分リング部材を有する。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５
[0034] 当業者は理解するとおり、メートル毎秒で表されるファンからの空気流の出力速度は、回転運動成分を有する。これは、ファンブレードの方向Ｒへの回転と、ファンブレードのピッチにより生じる直線成分Ｖｘとによるものである。さらに、特定のブレード形状及びブレードの配置により、ブレードのスパンに沿った変化及びピッチ、又はブレードのコード長（半径方向断面に沿った）が、ファンに直接隣接してもたらされる圧力分布の状態に影響を及ぼし、従ってファンを通り抜ける空気の流れをもたらす。]
[0035] 図４に示されるとおり、部分リング部材を有するファン構造１１０は、完全な３６０°リングを有するリングファン１００より大きい静圧１１０を有する。加えて、本発明に係る部分リングファンの静的効率２１０は、低い空気流速では３６０°リングファン２００よりいくらか低いが、本発明に係る部分リング部材を有する部分リングファンの静的効率は、より高い空気流速では先行技術のリング３６０°リングファンの静的効率より高い。従って、本発明によれば、従来のリングファンを有する冷却システムと比較して、所与の空気流における静圧及び静的効率がより良好である。所与の静圧におけるかかる空気流の増加は、図５の線５００と線５１０との比較に示されるとおり、トルクレベルに悪影響を及ぼすことなく達成される。これは、図４の線２００と線２１０との比較によって示されるとおり、より高い空気流での静的効率の上昇につながる。同様の上昇が、図５に、従来の３６０°リングファンと比較した２つの部分リングファンの実施形態の各々によって示される。] 図４ 図５
[0036] 図５に示されるとおり、部分リングファン５１０及び５２０の各々のトルク特性は類似しており、同じように、３６０°リングと比べても、部分リングファン部材の使用による悪影響はない。] 図５
[0037] こうした改善は、部分リングがブレード先端部の渦を低減し、同時に半径方向流をより多く発生させることによるものと予想される。]
[0038] 当業者は理解するとおり、静的効率は、ファンへの機械的動力に対するファン出力の比であり、これは、トルク×回転数に対する流量×圧力の倍数である。これから、ファンを駆動させるために必要な馬力の大きさを計算することができる。従って、所与の回転数入力（すなわちトルク）における静的効率が高くなるほど、ファンを駆動させるために必要な馬力は低下する。これは、トルクの減少に伴う燃費の上昇につながる。]
[0039] 従って、本発明は、ファン重量及びリングファンに関連する製造上の問題を低減する一方、効率又は流量の向上をもたらす。また、本発明の構成は、完全リングのファンと比べて、所与の同等の空気流でもたらされる騒音レベルは同等であり、従って顧客の満足が維持される。]
[0040] 最適な性能のためには、所与のブレード形状について部分リングの形態間に寸法の関係性が存在するものと考えられる。]
[0041] 本発明が様々な実施形態に関連して説明されたが、本発明はそれらの実施形態に限定されないことは理解されるであろう。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれ得るとおりのあらゆる代替例、修正、及び等価物を網羅する。]

权利要求:

請求項1
エンジン冷却システム用のエンジン駆動式冷却ファンであって、効率及び性能が向上した前記冷却ファンは、中心ハブ部材と、前記ハブ部材に取り付けられ、且つそこから半径方向に延在する複数のブレード部材であって；前記ブレード部材の各々が、そこに先端部分を有する、複数のブレード部材と、複数の部分リング部材であって、前記部分リング部材の１つが、前記ブレード部材の各々の前記先端部分に位置決めされ、且つそれと連結される、複数の部分リング部材と、を備え、前記部分リング部材が、各々、外周円方向に湾曲している、エンジン冷却システム用ファン。
請求項2
前記ブレード部材の各々が、外周円上の延在部にある最大寸法を有し、及び前記部分リング部材が、各々、前記円周方向最大寸法以下の円周方向長さを有する、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項3
前記ブレード部材の各々が、前記ファンの軸方向にある最大寸法を有し、及び前記部分リング部材が、各々、前記軸方向最大寸法以下の軸方向幅Ｗを有する、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項4
前記先端部分の各々の少なくとも一部分が、そこに配置される前記部分リング部材と接続されていない、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項5
前記部分リング部材の各々が、平面的な断面形態を有する、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項6
前記部分リング部材の各々が、実質的にＶ字型の断面形態を有する、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項7
前記部分リング部材の各々が、実質的にＵ字型の断面形態を有する、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項8
前記部分リング部材が、各々、２つの端部材を有し、前記端部材の向きが、実質的に前記ファンの軸方向である、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項9
前記部分リング部材が、各々、２つの端部材を有し、前記端部材の少なくとも一方の向きが、前記ファンの軸方向に対し角度をなす、請求項１に記載のエンジン冷却システム用ファン。
請求項10
前記端部材の各々の向きが、前記ファンの軸方向に対し角度をなす、請求項９に記載のエンジン冷却システム用ファン。