JPH10501867A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 軸流ファンは、ハブ（２）の部分に固定された複数のブレード（１）を有し、各ブレード（１）は、前縁部と後縁部と先端領域まで延びる径方向内側領域とを有し、先端領域の前方部分が、ファンの回転軸線に垂直な平面に対し、第１の方向に径方向内側領域に対してスイープ（連続的に延ば）され、先端領域の後方部分が、前記平面に対し、第２の逆方向に径方向内側領域に対してスイープ（連続的に延ば）されている。

Description

【発明の詳細な説明】 軸流ファン 発明の分野 本発明は、軸流ファンに関し、より詳細には、自動車冷却システム内の熱交換 機と連動させて使用するのに適する軸流ファンに関する。 発明の背景 軸流ファンは、当業者間で周知であり、従来は、中心ハブ部材を中心として、 一定の間隔でブレードが配置されるように、このハブ部材によって支持された多 数のブレードから構成されていた。 ブレード支持体が、環状バンドとなるようにブレードの先端を共にリンクする ブレード支持体を有する軸流ファンもある。 自動車冷却システムに関連した軸流ファンの特に重要な特徴は、ファンの音響 的性能にある。特に、効率を高くし、構造をコンパクトにすると同時に、できる だけ静粛なファンを製造することが好ましい。 従来技術である米国特許第5,312,230号明細書は、ブレードの根元部分におけ る停滞流れを減少することにより、効率を改善することを目的とした軸流ファン を開示している。この従来の特許は、後に記載するような大きな曲げ比を有する 弧状断面のブレードを根元領域に使用している。 本発明は、音響的な損失を減少し、よって、ノイズ性能および効率の双方を改 善しようとするものである。 発明の概要 本発明の第１の特徴によれば、ハブ部分に固定された複数のブレードを有し、 各ブレードが、前縁部と後縁部と先端領域まで延びる径方向内側領域とを有し、 先端領域の前方部分が、ファンの回転軸線に垂直な平面に対する第１の方向に径 方向内側領域に対してスイープ（連続的に延ば）され、先端領域の後方部分が、 前記平面に対する第２の逆方向に径方向内側領域に対してスイープ（連続的に延 ば）された軸流ファンが提供される。 好ましくは、先端領域の前方部分は、径方向内側領域の前縁部よりも前記平面 から比較的離間するように、上方にスイープ（連続的に延ば）される。 好ましくは、先端領域のスイープ（連続的な延び）量は、この先端領域の中線 で中立となっている。 好ましくは、翼弦の長さに対するブレード円周線での弦からの最大変化の比と して定義される曲げ比は、各ブレードの径方向内側領域の径方向の最も内側部分 にわたって減少し、径方向内側領域の径方向に隣接する部分にわたって増加する よう、ブレードの円周ラインに沿って切断した弧状断面を、径方向内側領域が有 している。 好ましくは、径方向内側領域の径方向中点を中心として、ほぼ対称的に径方向 内側領域のスパンに沿って曲げ比が変化している。 好ましくは、径方向内側領域における曲げ比は前記中点において最も小さくな っている。 好ましくは、ブレードスパン全体に沿った曲げ比の最大値は、４％以下である 。 好ましくは径方向内側領域の前縁部は、前記領域の後縁部よりも前記平面から より離間している。 好ましくは、先端領域の前方部分は、ファンの回転方向に対して前方に反って いる。 本発明の第２の特徴によれば、ほぼ円形の開口部を構成するファンシュラウド 部材と、円形開口部内にファンを取り付けるためのファン取り付け装置とを備え 、ファン取り付け装置が、シュラウド部材から円形開口部内に延びる素数の数の アーム部材を含む装置と組み合わされた、本発明の第１の特徴に係わる軸流ファ ンが提供される。 図面の簡単な説明 次に、添付図面を参照し、単なる例として、本発明の好ましい実施例を説明す る。 図１は、本発明のファンの一実施例の斜視図を示す。 図２は、図１のファンのブレードの平面図を示す。 図３は、ファンの半径に対する図２のブレードの配置を示す。 図４は、図２のブレード、および図５および図６に対する断面ラインを示す。 図５（ａ）〜図５（ｇ）は、それぞれ、図４のＯａ−Ｏｇに沿った図４のブレ ードの断面を示す。 図６（ｉ）〜図６（ｖｉｉｉ）は、それぞれ、図４のＩ−Ｉ〜Ｖｉｉｉ−Ｖｉ ｉｉに沿った図４のブレードの通る断面を示す。 図７は、図４のブレードの曲げ比を示す。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は、図４のブレードの場合の変更されたブレード厚さ を示す。 図９〜図１６は、図１のファンの性質を示す。 図９は、ブレードスパンに沿った仕事量の分布を示す。 図１０は、ブレードスパンに沿ったレイノルズ数の変化を示す。 図１１は、ブレードスパンに沿った揚力分布を示す。 図１２は、ブレードスパンに沿った偏角の変化を示す。 図１３は、ブレードスパンに沿った翼弦分布の変化を示す。 図１４は、ブレードスパンに沿った剛率分布の変化を示す。 図１５は、ブレードスパンに沿ったピッチ分布の変化を示す。 図１６は、ブレードスパンに沿った翼形中心線（反り）分布の変化を示す。 図１７は、ファン取付構造の部分図を示す。 図１８は、図１７のラインＸ−Ｘに沿った図１７のファン取り付け構造を通る 断面図を示す。 図１０において、同じ参照番号は同じ部品を示す。 好ましい実施例の説明 図１は、本発明のファンの一実施例の斜視図を示す。 図１を参照すると、ファンは５つのブレード（１）を有し、各ブレードの根元 領域は、ほぼおわん状をしたハブ部分（２）に固定されている。実施例では、ブ レードの先端領域では、ブレード支持部材によって相互に接続されていないが、 当然ながら当業者であれば、一般にファンの軸線と同軸状の円筒形リング状をし たブレード支持部材を設けることが可能であることが理解できよう。 次に図２を参照する。 ブレード（１）は、第１の径方向内側領域（２０）を有し、この内側領域は、 本実施例では若干弧状をした断面を有する。若干弧状となっていることは、曲げ 比、すなわち翼弦の長さに対する翼弦からの最大垂直偏差の比が、４％以下とな ることを意味している。実施例では、ブレードの前縁部（２４）が、ブレードの 後縁部（２５）よりも高くなっていえるという点で、翼弦角、すなわちブレード の翼弦とファンの軸線に垂直な平面との間の角度が正となっている。これについ ては、図６（ｉ）〜図６（ｖｉｉｉ）を参照してより明瞭に説明する。 ブレードは、２つの先端領域（２１）（２２）を有し、これらの先端領域は、 中心輪郭ライン（２３）に沿って互いに接続し、内側領域（２０）の最も径方向 外側の部分（２６）（２７）から延びている。先端領域（２１）は、ブレード前 縁部（２４）によって片側の境界が定められており、この領域を前縁先端領域と 称する。一方、先端領域（２２）は、後縁部（２５）によって片側の境界が定め られており、この領域を後縁先端領域と称する。 本ブレードに音響的に有利な性質を与えるため、前縁先端領域は、上方にスイ ープ（連続的に延ば）され、後縁先端領域は、下方にスイープ（連続的に延ば） されている。より詳細に説明すれば、径方向内側領域（２０）の前縁部（２４） は、ハブの後方部を通ってハブの背面からほぼ一定の距離に離間し、かつファン の軸線に対して垂直となっている。同様に、径方向内側領域の後縁部（２５）は 、背面から若干小さい間隔で、ほぼ一定に離間している。 背面に対する前縁部（２４）の間隔は、内側領域（２２）の径方向外側端部を 示す点（２６）から、比較的シャープに増加している。ブレードの外側円部（２ ８）内には、前縁部（２４）がカーブし、、ファンの最高点、すなわち上記背面 から最大に離間するブレードの点は、図２で符号２９で示した領域内にほぼ位置 している。 同様に、後縁部は、内側領域（２０）の径方向外側端部に対応する後縁部に沿 った点（２７）から最も低い高さの点、すなわち、ゾーン（３０）内において、 ブレードが上記平面に最も接近する点に達する上記平面側へ低下している。 次に図３を参照して、ファンの中心に対するブレードの配置、および回転方向 について説明する。 図３は、３つの径のファンＯＡ、ＯＢおよびＯＣと、ファンの軸線Ｏを示す。 径ＯＡは、ブレード（１）の前縁部（２４）がハブ（２）に合流する点を通過す る。図３から判るように、前縁部（２４）は、矢印Ｄが示す回転方向に対して径 ＯＡから後方に反っている。 径ＯＢは、前縁部（２４）の最も後方の点Ｅを通る。点Ｅは、前縁部の径方向 内側の後方に反った部分と、前縁部の径方向外側の前方に反った部分との間の変 曲点を示している。しかし、前縁部の径方向外側部分において、最初に前方に反 った後に前縁部は、過渡曲線としてシャープに後方へカーブし、外側エッジ（２ ８）に進む。 径ＯＣは、後縁部（２５）がハブに合流する点でハブと交差する。 図３から再び理解できるように、後縁部（２５）は、回転方向Ｄに対して前方 に反っている。後縁部（２５）上の点Ｆでは、後縁部は外側エッジ（２８）内へ 前方過渡曲線を開始させている。後縁部の変曲点に対する径方向の距離ＯＥは、 後縁部が上記過渡曲線を開始する点までの径方向の距離ＯＦとほぼ同じである。 前縁部（２４）は、根元部と点Ｅとの間で、若干後方にカーブしており、後縁部 は根元部と移行点Ｆとの間で若干前方にカーブしている。 次に、図４、図５（ａ）〜（ｇ）および図６（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）を参照して 、ブレード（１）の実際の形状について説明する。 図４は、それぞれの径Ｏａ〜Ｏｆに沿った多数の断面線、およびそれぞれのフ ァンセクターＩ−Ｉ’〜Ｖｉｉｉ−Ｖｉｉｉ’のまわりに沿った第２の複数の断 面と共にブレード（１）を示す。 図５（ａ）〜（ｇ）を参照する。 ブレード（１）を通る長手方向断面の各々は、先に図２を参照して説明した径 方向内側の領域（２０）の範囲に対応する距離にて、ブレードの根元から開始す るほぼ平坦な部分を有している。 図４を参照すると判るように、図５（ａ）の断面は、前縁部の近くで切り取っ たものであり、ブレードは、前縁部が最も高い位置にある。すなわち、ハブの背 面Ｐ−Ｐ’からの間隔は最大となっている。 図５（ａ）〜（ｇ）を検討すると、ブレード全体は、断面が前縁部から後縁部 に進むにつれ、すなわち、背面Ｐ−Ｐ’に接近するにつれ、連続的により低くな る。 図５（ａ）および図５（ｂ）から最も明瞭に理解できるように、ブレードの先 端領域は、前縁部が平面Ｐ−Ｐ’から離間するように上方にスイープ（連続的に 延ば）されており、後縁部が平面Ｐ−Ｐ’に向かって下方にスイープ（連続的に 延ば）されている。 上記過渡曲線は、図５（ｆ）ではわずかな下方へのスイープ（連続的な延び） 量しか示されていないが、その理由は、上記過渡曲線はこの径に沿ってブレード 長さが前方に短くされているからである。 図５（ｃ）は、図２を参照して説明した中心形状（２３）の直線部分にほぼ対 応する径に沿って切断した図である。図２を参照すると、中間輪郭ライン（２３ ）はブレード先端の近くで前方に反っているので、図５（ｃ）の端部は、若干下 方に曲がっていることが判る。 次に図６（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）を参照する。 この図には、セクターＩ−ＩからＶＩＩＩ−ＶＩＩＩのそれぞれの円周部の断 面が示されている。 従って、図６（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）を検討すると、ブレードの前縁部とブレー ドの後縁部との間の実際の長さＬ−Ｌ’が、ブレードのスパンに沿って増加し、 同様に投影された長さＭ−Ｍ’も、ブレードのスパンに沿って増加することが判 る。しかし、後縁部と前縁部とを接続するラインと平面Ｐ−Ｐ’との間の翼弦角 度Ｑは、根元部分で最大値となり、径方向内側部分（２０）の径方向端部（２６ ）（図２）に至るまで、ブレードのスパンに沿って減少する。これは、図６（ｖ ）と対応している。その後、角度Ｑは先端領域まで増加する。 次に、図７を参照して、ブレード（１）の曲げ比について説明する。 ブレードの曲げ比は、ブレードの翼弦長さに対するブレードの翼弦からのブレ ードの垂直方向の最大間隔の比として定義される。 図７から判るように、本実施例のブレードの曲げ比は小さく、常に４％以下で ある。この曲げ比は、ブレードの根元部分から先端に向かって進むにつれて、径 方向内側の領域（２０）の最初の半分で減少し、径方向内側領域（２０）の径方 向外側端部に向かって再び増加する。特に、径方向内側領域（２０）のスパンに 沿う曲げ比の変化は、ほぼ対称的である。先端領域の径方向外側部分では、曲げ 比は急速に低下する。 本発明のブレードの基本的特徴は、ブレードの中線の片側まで上方にスイープ する（連続的に延びる）部分と、中線の反対側まで下方にスイープする（連続的 に延びる）部分を有する先端領域が設けられていることである。 このようなスイープ（連続的に延びる）変化により、位相がずれる現象が生じ 、この位相のずれにより、正面および背面から発生されるノイズが相互に相殺し 合う。ブレードの内側領域では、ブレードの曲げ比が小さく、曲げ比変化自体は 小さい。しかし、他の値の曲げ比とすることも可能である。特に曲げ比は、ブレ ードの内側領域に沿って非対称に変化してもよく、２つ以上のピークと谷とを有 していてもよい。 本明細書に記載の実施例は、図２内の中線（２３）によって示されるように、 全体として、前方に曲がった部分を有する。しかし、このことは、この実施例の １つの特徴である。 より詳細には、ブレードが曲がることのできない内側領域、および先端領域の いずれか、または双方で、ブレードを後方にスイープ（延びることが）でき、前 縁部および後縁部を、ほぼラジアル状とするか、または前縁部を一方向に曲げ、 後縁部を他方向に曲げ、コニカル効果を発生させてもよい。その他の任意の曲げ を考えつくこともできる。 ５つのブレード付きファンを参照して、本発明について説明したが、このこと は、本発明に必須なことではない。ブレードの数を、他の数にすることも可能で ある。更に、ファンの剛率を、ここに開示した値と実質的に異なるようにするこ とも可能である。 次に図８を参照する。 前縁部と後縁部の間でブレードの厚さは変えられている。特に、前縁部の径方 向外側部分が最大の負荷を支持するので、ブレードの後縁部のほうを、ブレード の前縁部よりも比較的薄くすることが可能である。これにより、ブレード全体の 質量および重量を低減することが可能となり、このような厚さの低減により、ブ レードの後部に対するいわゆるウェーク条件を低減することが可能となる。これ により、隣接するブレード間の境界層の相互作用が小さくなる。 当業者に知られているように、ウェーク条件とは、ブレードの後縁部の吸引側 と圧力側の間で流れが分離することであり、これにより、好ましくないノイズが 生じる。上記ブレードは、ブレードの後縁部の厚さを前縁部の厚さの半分以下と することができると考えられる。 図１のファンは、従来の軸流ファンよりも有利な性質を有する。 図９を参照すると、ブレードのスパンに沿う仕事量の分布は、従来のファンよ りも低く、より均一に分布していることが理解できよう。 図１０を参照すると、ブレードのレイノルズ数も、径全体にわたって改善され ている。 図１１を参照すると、スパンの両側でのブレードの揚力は低下し、従来のブレ ードのような変曲点を呈しない。 図１２を参照すると、偏角はよりスムーズであり、スパンの約７４％まで均一 である。残りのスパンでは、先端ゾーンにおける仕事負荷をより大きくできるよ うに急激に増加する。 図１３は、ファンのブレードの径に沿って翼弦長さが増し、これにより、性能 が改善されることを示している。 図１４を参照すると、剛率分布、すなわち本実施例における翼弦とブレード間 隔の合計値に対する翼弦の比は、従来技術よりも大きくなっている。 図１５は、ブレードに沿うピッチ分布を示す。 図１６は、ブレードに沿う翼形中心線分布を示す。 図１７および図１８を参照する。 これら図には、本発明のファンのための支持構造体およびシュラウドが示され ている。 シュラウド（１６０）は、円形開口部（１７０）を構成し、円形開口部（１７ ０）の外周部からほぼ円形の支持部分（１７４）まで、ほぼ径方向内側に延びる ３本のアーム（１７１）（１７２）（１７３）により、開口部内にファンが支持 されている。 この支持構造体（１７４）は、シャフト（１９１）を有する電動モータ（図１ ９における１９０）を支持し、このシャフトにファンのハブ部分（２）が 取り付けられている。このファンは、方向Ｒに回転する。既に説明したように、 音響的な性能を最適にするため、素数の数のブレード１、一般に５個または７個 のブレードが選択される。 ブレードと支持アーム（１７１）（１７２）（１７３）との音響的な一致を防 止するため、異なる素数の支持アーム、本例では３つの支持アームが選択されて いる。音響的な性質を更に改善するため、アーム（１７１）（１７２）（１７３ ）は、ブレードの反り部に対して逆方向に反らされている。 従って、アーム（１７２）（１７２）（１７３）の各々は、円形開口部（１７ ０）に対して径方向に延びているだけでなく、ファンの回転方向Ｒに対して、後 方の接線方向にも延びている。ファンの回転方向に対してファンが後方に反った 部分を有する場合、支持アームに対して前方に反った部分を設けることが好まし い。 これとは異なり、反っていないブレードを設ける場合には、支持アームを反ら せる。 次に図１８を参照する。 ここでは、壁部材（１８０）により、円形開口部（１７０）が構成されている 。先に説明したように、ファンブレードの前縁部は、ハブの後部を通過する平面 に対して上方にスイープ（連続的に延ば）され、後縁部がその平面側に下方にス イープ（連続的に延ば）される。したがって、ブレードの先端領域は軸方向に離 間する２の位置の間で延び、空気を有効に案内するため、壁部材（１８０）はブ レードの先端の軸方向範囲にわたって側方に反って延びる円筒形部分（１８１） を有する。 壁部材（１８０）は、この円筒形領域（１８３）のいずれかの側まで径方向外 側に湾曲し、ファンの両側で空気をスムーズに通過させ、気流を案内し、乱流効 果を低減させている。乱流が少なくなることにより、ノイズ全体も小さくなる。 自動車の冷却システムでは、このファンは連動する熱交換機を通して空気を吸 引するか、またはこの熱交換機を通して空気を押し出すように働く。従って、シ ュラウド（１６０）は、気流を案内するように熱交換機の正面部分に密に接近し ながら外側に延びている。このシュラウド（１６０）は、円形開口部（１８０） を構成する壁部材（１８０）から軸方向に離間した周辺領域（１６１）を有する 。 図１８から判るように、この周辺領域は、コーナーが丸くされたほぼ長方形ま たは正方形の形状となっている。 当業者には知られているように、周辺領域（１６１）は連動する熱交換機の面 に隣接して配置されている。支持構造体およびシュラウドは、支持体部分（１８ ３）（１８４）により連動する熱交換機、またはこれに隣接する自動車の構造体 のいずれかに固定されている。 図１４を参照する。 支持部分（１８３）には、端部の解放されたスペードタイプの端部が設けられ 、一方、支持部分（１８４）には、固定孔が設けられている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハブ部分に固定された複数のブレードを有し、各ブレードが、前縁部と後 縁部と先端領域まで延びる径方向内側領域とを有し、先端領域の前方部分が、フ ァンの回転軸線に垂直な平面に対する第１の方向に径方向内側領域に対してスイ ープ（連続的に延ば）され、先端領域の後方部分が、前記平面に対する第２の逆 方向に径方向内側領域に対してスイープ（連続的に延ば）されている軸流ファン 。 ２．先端領域の前方部分が、径方向内側領域の前縁部よりも前記平面から相対 的に離間するように、上方にスイープ（連続的に延ば）されている、請求項１記 載の軸流ファン。 ３．先端領域のスイープ（連続的な延び）量が、この先端領域の中線で中立と なっている、請求項１または２記載の軸流ファン。 ４．翼弦の長さに対するブレード円周線での弦からの最大変化の比として定義 される曲げ比が、各ブレードの径方向内側領域の径方向の最も内側部分にわたっ て減少し、径方向内側領域の径方向に隣接する部分にわたって増加するよう、ブ レードの円周ラインに反って切断した弧状断面を径方向内側領域が有する、前記 請求項に記載の軸流ファン。 ５．曲げ比が、径方向内側領域の径方向中点を中心として、ほぼ対称的に径方 向内側領域のスパンに沿って変化している、請求項４記載の軸流ファン。 ６．径方向内側領域における曲げ比が、前記中点において最も小さくなってい る、請求項５記載の軸流ファン。 ７．ブレードスパン全体に沿う曲げ比の最大値が４％以下である、請求項４〜 ６のいずれかに記載の軸流ファン。 ８．径方向内側領域の前縁部が前記領域の後縁部よりも前記平面からより離間 している、前記請求項に記載の軸流ファン。 ９．素数の数のブレードを備える前記請求項に記載の軸流ファン。 １０．ほぼ円形の開口部を構成するファンシュラウド部材と、円形開口部内に ファンを取り付けるためのファン取り付け装置とを備え、ファン取り付け装置が 、シュラウド部材から円形開口部内に延びる素数の数のアーム部材を含む、前記 請求項に記載の軸流ファン。 １１．軸流ファンがファンモータにより駆動され、円形開口部とほぼ同心状に 配置されたファンモータ支持部分に、複数のアーム部分が固定されている、請求 項１０記載の軸流ファン。 １２．熱交換機の近くに配置するためのほぼ平面状の外側周辺部分をシュラウ ド部材が有する、請求項１０または１１記載の軸流ファン。 １３．円形開口部内でアーム部材が非放射状に延びている、請求項１０〜１２ のいずれかに記載の装置。 １４．各アーム部材が、それぞれの径に対して同じ方向に反っている、請求項 １３記載の軸流ファン。 １５．ファンの各ブレードの先端領域の前方部分が、ファンの回転方向に対し て前方に反り、かつアームが、ファンの回転方向に対して後方に反っている、請 求項１４記載の軸流ファン。 １６．ファンの各ブレードの先端領域の前方部分が、ファンの回転方向に対し て後方に反り、アームがファンの回転方向に対して前方に反っている、請求項１ ４記載の軸流ファン。 １７．各ブレードが、ファンの回転方向に対して反っていない、請求項１４記 載の軸流ファン。