CN101432528A - 利用柯安达效应来减少再循环的冷却风扇 - Google Patents

Abstract

用于车辆中的发动机的冷却风扇。通常，风扇在罩内旋转，该罩环绕该风扇。在风扇叶片的末端和罩之间可发生泄露，其中，风扇排气向前移动，然后再次通过该风扇。本发明通过在风扇下游设置一表面减少泄露。该表面利用柯安达效应来促使风扇排气沿下游方向继续行进，且不像泄露空气那样向前移动。

Description

利用柯安达效应来减少再循环的冷却风扇

技术领域

本发明涉及一种减少经过风扇叶片向上游泄露空气的方法，该风扇叶片向下游移动空气。

背景技术

图1是例如机动车中使用的现有技术冷却风扇3的横截面视图，其对散热器(未示出)进行冷却，该散热器从发动机冷却剂吸收热量。电机4旋转圆柱毂5，如箭头6所示，该毂5承载风扇叶片3。箭头7指示移动的气流。

这样的风扇的一个特征在于，与点A2相比较，其增加点A1处的静压力。该压力差导致如箭头8和8A所指的泄露空气在风扇环9和罩12之间的空间内流动。

该泄露代表效率的损失，因为泄露的空气最初被泵或移到点A1的压力，但是接着下降到点A2的压力，但是没有完成做功或其它有用的功能。

可以看出，箭头8所示的气流通过实心主体，即支撑定子21的支柱18。然而，该表象是图1的横截面视图的假象。实际上，在相邻定子21之间存在空间，如图3中的空间24示意性所示。空气可如箭头27所示流动，其大致对应于图1中的箭头8。

图2A-2D是美国专利5,489,186的相同标号的附图的拷贝，且描述了该专利提出的(1)减少泄露(2)实现其它有益目的的策略。

发明内容

在本发明的一种形式中，横截面面积逐渐增加的通道定位在风扇的排气中且在用于矫直气流的定子的上游。风扇的排气由于柯安达效应而贴附到通道的壁，由此减少排气经过风扇叶片的末端反转方向和向上游泄露的倾向。

本发明的一个目的是提供一种机动车中的改进的冷却风扇。

本发明的另一目的是提供一种机动车中的冷却风扇，其利用柯安达效应来在流动路径中拖带高压空气，以由此减少图1所示的泄露。

在一个方面，一个实施例包括用于车辆的冷却系统，该系统包括：产生排气的风扇，该排气进入下游定子叶片；以及整个位于风扇和定子叶片之间的机构，其增加风扇效率。在一个实施例中，效率至少增加百分之三。

在另一方面，一个实施例包括用于车辆的冷却系统，该系统包括：产生排气的风扇，该排气包括泄露流(leakage flow)，其向风扇的上游泄露，经过风扇的叶片；和风扇下游的机构，其减少泄露流。

在另一方面，一个实施例包括用于车辆的冷却系统，该系统包括：具有出口直径D的风扇；环绕风扇排气的柯安达环，其具有等于D的入口直径且其通过一机制径向向外偏转风扇排气，该机制包括柯安达效应；和定子，其整个在柯安达环的下游，风扇排气行进经过该定子。

在又一方面，一个实施例包括用于车辆的冷却系统，该系统包括：具有出口直径D的风扇；在风扇紧下游的通道，具有等于D的入口直径；以及大于D的出口直径，该通道减少驱动风扇所需的扭矩。

本发明的这些和其它目的和优点通过以下说明、所附附图和权利要求得以显现。

附图说明

图1示出了现有技术风扇系统中的泄露；

图2A、2B、2C和2D是美国专利5,489,186中的相同标号的附图的拷贝；

图3示出了支柱18之间的空间24且说明了图1中的支柱18不是在沿罩12的所有圆周位置处都存在，因此图1中的流动路径1可真实地存在；

图4示出了本发明的一种形式；

图5是图4的部分的放大视图；

图6A和6B是水杯39和水龙头45的简化示意图，用于说明柯安达效应；

图7示出了泄露流69是如何被流动反向(flow reversal)和涡流73伴随的，其有效地减少来自风扇的总排气63的横截面面积；

图8示出了本发明如何减少或消除流动反向和涡流73，由此增加来自风扇的总排气的横截面面积；

图9、10和11是性能参数图表，其比较了具有和不具有本发明的柯安达环30的风扇性能；

图12是具有注解的图2D的拷贝；

图13示出了风扇的排气如何沿螺旋的或螺旋形路径行进；

图14A和14B示出了图2D的现有技术设备如何阻止旋涡；

图15A和15B示出了本发明如何没有如图14阻止旋涡；以及

图16A、16B、16C、16D和16E示出了柯安达环30的出口角；

图17是本发明的一种形式的示意性横截面视图；

图18是柯安达环100的示意性透视图，其具有加强肋105；

图19是显示安装在罩12内的柯安达环100的示意性透视剖切图。

具体实施方式

图4是本发明的一种形式的横截面视图，其中，被称为柯安达环的环形环30设置在风扇环9的下游、定子21的上游。风扇环9是连接相邻风扇叶片的末端的环。

柯安达环30的内直径D1等于风扇环9的内直径D2。而且，如图5所示，柯安达环30的内表面33在风扇排气进入柯安达环30的点P1处与风扇气流34相切。柯安达环30的内表面33之后远离风扇的图4中的中心轴线36弯曲，某种程度上作为扩散器，但是同时保持沿着柯安达环30的贴附的流动(flow)，如下文所述。

柯安达环30利用了柯安达效应(Coanda effect)。柯安达效应可容易地验证，利用普通的保持水平的水杯和水龙头，如图6A和6B所示。在左侧的图6A，水杯39立在从龙头45发出的水流42的外侧，且水流42不接触水杯39。在右侧的图6B，水杯39的最右侧壁48接触水流42。由于柯安达效应，水流42贴附到水杯39的表面，且沿着水杯39的轮廓行进，直至水流42在点P2处滴落。

点2的具体位置随水流42的条件改变而改变，例如，如果水流42的速度改变，P2的位置通常也改变。

柯安达效应的这个例子涉及液体。但是柯安达效应也在气体中发生。

图5是图4的部分放大。柯安达环30拖带离开风扇3的气流34，以使得气流34沿柯安达环30的表面33行进。

图5中在柯安达环30的切点处的点P1大致对应于图6B中的水杯39的最右侧壁48。

理想地，图5中的沿柯安达环30的流(flow)沿柯安达环30的整个轴向长度贴附，即，从切点P1到出口点PB。

柯安达环30显著改善了现有技术的冷却，特别是当图4中的风扇叶片3的排气被位于下游的物体阻挡时，例如发动机组。这将加以说明。

图7显示了现有技术的冷却风扇3，其可吸曳空气通过散热器或热交换器60，且朝向发动机组66或发动机的其它主要部件引导排气63。泄露空气69的存在要求发生排气63的流动方向的反向。虚线72表示风扇出离流(exitflow)的主气流管(primary stream tube)的边界。线72以下的流是风扇的主要出离流的部分。线72以上的流是回流(reversing flow)的区域，用回线73表示。

回流的特征在于，从相邻表面的流动分离(flow separation)以及还有湍流和涡流。线72以上的回流的平均出离速度大大小于线72以下的风扇出离流的流管内的速度。即，与线72以下的空气分子相比较，回流中的空气分子沿随机方向行进。因此，不像线72以下的那样，线72以上的回流空气分子不矢量地增加到沿单个方向的具有相对较大速度的单个矢量中。因此，与线72以下的气流和分子相比，线72以上的反向分子可被看成不动的或缓慢移动的。

从另一点看，回流(线72以上的)所具有的平均出离速度比离开风扇3的流的其余部分(线72以下的)低。因此，总的出离流(exiting flow)的有效横截面面积实际上限制到线72以下。该总出离流实际上被限制在图7的点P3和点P4之间。

相反，根据图8所示的本发明，柯安达环30减少了回流。图7中的线72以上的分离的流被显著减少，或被消除。因为减少或消除了回流，现在离开风扇的流的横截面面积增加，且从图8中的点P5延伸至点P6。

通过减少或消除图7中的线72以上的回流，柯安达环30具有增加的流动输出。

图9-11示出了使用柯安达环30获得的实验结果。在所有结果中，水平轴线表示通过风扇的无量纲流速PHI。图9示出压力上升PSI，对照PHI而绘。图1中从点A2到A1的压力上升表示一个这样的压力上升。

图10示出了效率ETA，对照PHI而绘。图11示出了驱动风扇所需的无量纲扭矩LAM，对照PHI而绘。

在每个图中，垂直线绘在PHI＝0.116处，其表示车辆的怠速状况。采用该状况是重要的，因为其表示低风扇气流的状况，还有就是在热天交通拥堵时，何时能够获得较高的发动机冷却。

图9示出了在这种怠速状况时，在具有柯安达环30时风扇压力增加，这是有益的。图11示出在具有柯安达环时被风扇吸收的扭矩下降，这意味着电机驱动风扇3所需的功率降低，这也是有益的。图10示出在怠速状况时效率增加约百分之四，这被认为是非常重要的。

图17-19示出了其它实施例。风扇叶片3绕轴线36旋转，如图4。在图17中，柯安达环100是中空的，如图18所示。图17和18中的加强肋105把柯安达环100和罩12连接。图19是透视剖切图，显示安装在罩12中的柯安达环100。

图2的现有技术结构和图17-19的实施例之间存在一些重大差别。图12显示了一个现有技术结构，具有附注。一个差别在于，图12中的叶片28D出现在风扇环24D和罩壳26D之间的环形间隙中。图17中没有这样的叶片。

另一差别在于，叶片28D延伸到弯曲表面48D的中空内部中。在图17中，在风扇环9和罩12之间的环形间隙内不存在叶片延伸到柯安达环100的中空内部中。替代地，加强肋105完全位于柯安达环100的中空内部内，且不延伸超过柯安达环的轴向界限。

另一差别在于，图12中的叶片28D被设计为对进入风扇环24D和罩26D之间的环形间隙的再循环气流的方向进行控制。图17中的加强肋105不执行该功能。

另一差别在于，图12中的叶片28D显然对称地绕风扇轴线(未示出)分布。图17中的加强肋105不需要对称地分布。

另一差别在于，在本发明的一种形式中，图17中加强肋105靠近定子21，且在定子21被罩12支撑的点处提供机械刚性。例如，如果定子位于一点钟位置，加强肋105也位于该位置。在一些设计中，加强肋被用于支撑图1的电机4。

另一差别在于，加强肋105的数目K相当低，如果图12中具有相同数目K的叶片28D，叶片28D的数目K对于完成现有技术装置期望的理想的改向是效率低下的。一个原因是由于叶片28D数目K较小，它们之间的空间较大，使得在一对叶片28D之间的中间流动的空气不受到叶片28D的转移，因为这些叶片被间隔太大。

在一个实施例中，加强肋105的总数等于从1到10中的任意数目，且不会更多。在另一实施例中，加强肋105不形成对称排列且没有径向对称。

其它考虑

1、在本发明的一个形式和图2D的现有技术设备(其在图12中用标注重复)之间存在多个差别。在图12中，弯曲表面48D是中空的，且不存在对空气进入该中空内部的阻挡。即，空气可如箭头A所示进入。空气可在进入后在弯曲表面48D内循环。

此外，具有导向叶片(turning vane)28D，且该叶片28D延伸到弯曲表面48D的中空内部中。

此外，弯曲表面CS的大部分位于与定子叶片37D相同的轴向位置处。

与这三个特征相对照，图5的柯安达环30包括前挡90，其阻止空气进入到任何中空内部。即，没有如图12的气流A可进入图54中的柯安达环30的内部。在本发明的一个形式中，柯安达环30可由实心材料形成或由膨胀的泡沫状材料形成，这两者都防止空气进入柯安达环30的内部。

而且，在柯安达环的中空内部不存在任何叶片，不同于图2D和12的叶片28D。

此外，图8的柯安达环30完全位于定子21的前面，不同于图12的状况。

2、本发明与图2D和12的现有技术设备之间的另一差别在于，现有技术设备是否使用柯安达效应来保持沿图12的弯曲表面48D的贴附的流动是未知的。即，是否发生流动分离是未知的，例如在图12的点P7处。这样的分离可发生在非常高气流(high airflow)处，且风扇被设计以产生这样的高气流。在这样的分离处不存在柯安达效应。

3、本发明与图2D和12的现有技术设备之间的另一差别在于，根据本发明，风扇排气的旋涡(swirl)成分将沿柯安达环30行进。在图2D和12的现有技术设备中，定子37D阻挡旋涡。图13-15B示出该状况。

图13示出一简单的单叶片风扇100，其沿箭头105的方向旋转。风扇100的排气沿螺旋或螺旋形路径110。该螺旋流的圆或切向分量通常称为旋涡。

在图14A和14B中，其为图2D和12的现有技术装置的示意图，定子37D阻挡该旋涡。更准确地说，当被环48D环绕的旋涡遇到定子37D时，由于定子37D也被环48D环绕，该旋涡被阻挡。图14B的底部示出风扇22D、环48D和定子37D的顺序设置。该顺序也在图2D中示出。

相反，如图15A，在柯安达环30内旋涡不被定子21阻挡。一个原因是定子21不被柯安达环30环绕。柯安达环30内没有定子21。

当然，根据本发明，图15B中的定子21可改变该旋涡。但是，定子21整个在柯安达环30的下游。在柯安达环30内，旋涡仍不被定子221改变。

4、本发明的一重要特点在于，在存在下游障碍物时，增加了风扇排气的有效横截面面积，如图8所示。在一个例子中，该障碍物距离风扇出口93小于D/4，其中D是风扇直径。在其它例子中，该障碍物位于风扇出口下游D/K处，其中D是风扇直径而K是例如范围从1到10的数字，但是该数字的范围可更高。

5、在风扇的至少一个操作模式期间，例如上述的怠速操作期间，本发明保持沿柯安达环30的贴附的流动，如图5所示。在本发明的另一形式中，在基本上所有的风扇操作模式期间，都保持有贴附的流动。在本发明的另一形式中，在风扇的至少一个操作模式期间，例如上述怠速操作期间，保持沿柯安达环30的贴附的流动，如图5所示。在本发明的另一形式中，在基本上所有的风扇操作模式期间，都保持有贴附的流动。

6、图16A，左上，示出了标准圆柱坐标系。在图16B的右上部，该坐标系叠加在图5的柯安达环30上。如图16C的右下部所示，进入柯安达环30的流以零度进入，而以约58度离开。

期望的是，出口角将确定流体从柯安达环30分离的点，即，例如，如果对于一给定流动速度和所示的58度的出口角没有分离发生，则如果该出口角变为90度可能发生分离。图16D和16E示出了其它示例性出口角。

为了确定极限出口角，在本发明的一个形式中，柯安达环30的形状用试验方法确定。即，例如，首先确定风扇排气的理想流动速度，然后测试不同的柯安达环。所有的柯安达环都具有相同的入口角，即零度，其与风扇排气相切。但不同的柯安达环具有不同的出口角，例如图16C的左下部所示的两个环。测试逐渐增加的出口角，直至找到发生流动分离的出口角。该测试可在具有烟雾显示的风洞内进行。

导致流动分离的出口角被用于确定极限柯安达环。具有较小出口角的柯安达环中的一个被选择用于生产。

7、本发明的一个形式包括图4或8的设备，和其中安装有该设备的机动车。该设备对从发动机冷却剂吸收热量的散热器(未示出)进行冷却。

8、图5示出了具有弯曲的凸表面的柯安达环30。但是，该表面(未示出)的部分可以是平的。而且，可使用平的表面(未示出)，例如直接在点P1和PB之间延伸的表面。

9、在图3中，在支柱18之间跨设的环12的部分阻挡径向流。即，对于径向流，环12的该部分作为阻挡物。相反，在本发明的一个形式中，在定子叶片21的末端T之间没有相应阻挡物。径向流可在相邻定子叶片21之间经过末端T。

10、在图4中，柯安达环30具有内表面S1，该内表面为绕轴线36的回转表面。在图5中，内表面S1在轴向位置AS1处具有内半径(或直径)RA，在轴向位置AS2处具有内半径(或直径)RB。轴向位置AS2比轴向位置AS1更靠近定子叶片21。半径RA小于半径RB。从另一观点看，该表面S1界定的通路的横截面面积和直径都越靠近定子叶片21越增加，且都沿下游方向增加。

11、在图5中，可在左侧定义入口，即，在柯安达环30的上游侧。可在右侧定义出口，即，下游侧。出口直径大于入口直径。

12、本发明的一个形式包括如下的一个或多个：图4中的固定环12、柯安达环30和定子叶片21。这些部件可由塑料制品供应商制造，该供应商不制造电机4或相关联的风扇。图4内的来自不同供应商的部件然后组装在一起。

本发明的一个形式在于整体模制物品，由塑料树脂构成，其包括图18的结构，以及图17中的罩12。图19是该结构的示意图。

本发明的另一形式是图17中的虚线框120内的横截面中所示的整体结构。其包括图18的结构，环绕和贴附到图17的罩12的部分，但是没有其它部件。

可采取各种替换和修改而不离开本发明的实质精神和范围。期望受专利保护的是权利要求所限定的本发明。

Claims (37)

1、一种用于车辆的冷却系统，该系统包括：

a)产生排气的风扇，该排气进入下游定子叶片；和

b)机构，其整个位于所述风扇和所述定子叶片之间，该机构增加风扇效率。

2、如权利要求1所述的系统，其中，所述机构包括利用柯安达效应的装置，该装置减少在所述风扇和环绕该风扇的罩之间的泄露。

3、一种用于车辆的冷却系统，该系统包括：

a)产生排气的风扇，该排气包括泄露流，该泄露流向所述风扇上游泄露经过所述风扇的叶片；和

b)所述风扇下游的机构，该机构减少泄露流。

4、如权利要求3所述的系统，其中，所述机构包括环绕所述排气的环形环，其中，随着所述排气向下游行进，所述排气被所述环形环的逐渐增加的内直径约束。

5、如权利要求4所述的系统，其中，所述柯安达效应导致排气贴附到所述环形环。

6、如权利要求5所述的系统，其中，流贴附至所述环上的所有点。

7、一种用于车辆的冷却系统，该系统包括：

a)具有出口直径D的风扇；

b)环绕风扇排气的柯安达环，其具有等于D的入口直径；和

c)通过一机制径向向外偏转风扇排气，该机制包括柯安达效应；和

d)定子，整个在所述柯安达环的下游，风扇排气行进经过该定子。

8、如权利要求7所述的冷却系统，其中，在至少一组操作状况下，所述风扇排气在贴附的流中沿着所述柯安达环行进。

9、如权利要求7所述的冷却系统，其中，所述风扇排气包括旋涡，且所述旋涡基本上不受阻挡地通过所述柯安达环。

10、如权利要求7所述的冷却系统，其中，所述柯安达环是中空的。

11、如权利要求7所述的冷却系统，其中，所述柯安达环内没有叶片。

12、一种用于车辆的冷却系统，该系统包括：

a)具有出口直径D的风扇；

b)在所述风扇紧下游的通道，该通道具有等于D的入口直径，且

c)大于D的出口直径，该通道减少驱动所述风扇所需的扭矩。

13、如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述通道增加跨过所述风扇的压力上升。

14、如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述通道导致靠近所述通道表面的排气贴附到所述表面，且不使方向反向和向所述风扇上游泄露。

15、如权利要求14所述的冷却系统，其中，所述排气由于所述柯安达效应而贴附到所述表面。

16、如权利要求12所述的冷却系统，其中，所述通道具有平行于所述风扇旋转轴线的入口角，以及远离所述轴线指向的出口角。

17、一种冷却系统设备，该设备包括：

a)柯安达环，具有限定在其中的中心轴线；和

b)径向排列的定子叶片，这些叶片靠近但不在所述柯安达环内。

18、如权利要求17所述的冷却系统，其中，所述柯安达环具有内柯安达表面(S1)，该柯安达表面(S1)包括：

i)绕所述轴线的回转表面；和

ii)在轴向位置AS1处的内直径RA；和

iii)在轴向位置AS2处的内直径RB，其中，AS2比AS1更靠近所述径向排列的定子叶片，且RB大于RA。

19、如权利要求17所述的冷却系统，其中，所述柯安达环限定了内表面(S1)，该内表面包括：

i)入口和出口，所述出口邻近所述径向排列的定子叶片，且

ii)在所述入口处的直径，该直径小于在所述出口处的直径。

20、如权利要求17所述的冷却系统，其还包括：

c)具有热交换器的车辆，该热交换器由风扇冷却，其中，所述柯安达环定位在所述风扇下游，并且所述风扇的一些排气通过柯安达效应贴附到所述柯安达环。

21、如权利要求20所述的冷却系统，其中，发动机位于所述柯安达环下游，且所述柯安达环使所述发动机周围的一些风扇排气偏转。

22、一种冷却设备，该设备包括：

a)关于一轴线同心的圆柱环；

b)柯安达环，其

i)关于所述轴线同心；

ii)邻近所述圆柱环；

iii)包括绕所述轴线的回转表面(S1)，该表面(S1)具有

A)靠近所述圆柱环的内直径D1；

B)内直径(R1、R2)，其随着与所述圆柱环的轴向距离的增加而增加；和

c)径向排列的定子叶片，其

i)关于所述轴线同心；且

ii)邻近所述柯安达环。

23、如权利要求22所述的冷却设备，其中

d)所述圆柱环与风扇有效配合以形成一组件，其中，所述圆柱环环绕风扇叶片，所述风扇叶片在它们末端处通过风扇环连接；

e)所述风扇环具有等于D1的内直径；和

f)在所述组件中，来自所述风扇叶片的排气贴附或沿着所述表面S1。

24、如权利要求23所述的冷却设备，且还包括：

c)具有热交换器的车辆，该热交换器被风扇冷却，其中，所述柯安达环定位在所述风扇下游，且所述风扇的一些排气贴附到所述柯安达环。

25、如权利要求24所述的冷却设备，其中，发动机位于所述柯安达环下游，且所述柯安达环使所述发动机周围的一些风扇排气偏转。

26、如权利要求17所述的冷却设备，其中，没有定子环连接所述定子叶片的末端(T)。

27、如权利要求17所述的冷却设备，其中，在相邻定子叶片的外末端(T)之间没有阻挡物来阻挡所述末端之间的径向向外的流动。

28、如权利要求22所述的冷却设备，其中，没有定子环连接所述定子叶片的末端(T)。

29、如权利要求22所述的冷却设备，其中，在相邻定子叶片的外末端(T)之间没有阻挡物来阻挡所述末端之间的径向向外的流动。

30、一种冷却设备，该设备包括：

a)具有中心轴线和可旋转叶片的风扇，所述叶片在其它们的末端处连接到风扇环，所述风扇环具有内直径D2；

b)关于所述中心轴线同心且环绕所述风扇环的固定圆柱环；

c)柯安达环(30)，其

i)关于所述中心轴线大致同心；

ii)邻近所述固定圆柱环；

iii)包括内表面(S1)，该内表面包括

A)靠近所述风扇环(9)的入口，该入口的直径D1等于D2；

B)内直径(R1、R2)，其随着与所述入口的轴向距离的增加而增加；和

d)径向排列的定子叶片，其

i)关于所述轴线(36)大致同心；且

ii)在所述柯安达环下游。

31、如权利要求30所述的冷却设备，其中，所述风扇的一些排气贴附到内表面(S1)，且获得径向速度分量。

32、如权利要求30所述的冷却设备，还包括：

c)具有热交换器的车辆，该热交换器被所述风扇冷却。

33、如权利要求32所述的冷却设备，其中，发动机位于所述柯安达环下游，且所述柯安达环使所述发动机周围的一些风扇排气偏转。

34、如权利要求30所述的冷却设备，其中，没有定子环连接所述定子叶片的末端(T)。

35、如权利要求30所述的冷却设备，其中，在相邻定子叶片的外末端(T)之间没有阻挡物来阻挡所述末端之间的径向向外的流动。

36、如权利要求1所述的设备，其中，所述机构使风扇效率至少增加百分之三。

37、如权利要求10所述的系统，还包括所述柯安达环内的加强肋。

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