JP2013019335A - 冷却ファン - Google Patents

Abstract

【課題】気流に起因する騒音の発生を抑制することができる冷却ファンを提供する。
【解決手段】複数のブレード１３とを備えた冷却ファン１において、ブレード１３の負圧面側２０Ｂの回転方向後方側の縁部１３ｂに、ブレード１３の延出方向に略沿う突条２１が設けられている。
【選択図】図４

Description

この発明は、自動車のラジエータ等に用いられる冷却ファンに関するものである。

この種の冷却ファンの多くは、エンジンや電動モータ等の回転駆動源に連結されるボス部に、径方向外側に突出する複数のブレードが設けられ、回転駆動源の動力によってブレードを旋回させて、冷却対象物にエアを送風する基本構造とされている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００８／０７２５１６号明細書

図９は、従来の冷却ファンが回転駆動したときのブレードに生じる気流の挙動を示す説明図である。
ところで、同図に示すように、従来の冷却ファン１０１の場合、各ブレード１１３が冷却ファン１０１の回転方向に対して傾斜しており、冷却ファン１０１の回転時には、各ブレード１１３の回転方向の前方に臨む側の面の近傍が正圧となり、後方に臨む側の面の近傍が負圧となる。ここで、各ブレード上のファンの回転時に近傍部が正圧になる側の面を正圧面１２０Ａと呼び、逆に近傍部が負圧になる側の面を負圧面１２０Ｂと呼ぶものとすると、冷却ファン１０１の回転時には、各ブレード１１３の回転方向前方の縁部１１３ａによって気流が正圧面１２０Ａ側と負圧面１２０Ｂ側とに分流される。

分流された気流は、それぞれ正圧面１２０Ａに沿って後方に流れると共に、負圧面１２０Ｂに沿って後方に流れる。その後、気流は、各ブレード１１３の回転方向後方の縁部１１３ｂにて再び合流する。このとき、正圧面１２０Ａ側の気流（図９におけるＫ１０２参照）と、負圧面１２０Ｂ側の気流（図９におけるＫ１０１参照）とが急激に衝突し、これが騒音発生の原因となり易いという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、気流に起因する騒音の発生を抑制することができる冷却ファンを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、回転駆動源に連結されるボス部と、このボス部から径方向外側に延出して設けられる複数のブレードとを備えた冷却ファンにおいて、前記ブレードの負圧面側の回転方向後方側の縁部に、当該ブレードの延出方向に略沿う突条が設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、ボス部が回転することにより、ブレードの負圧面側に流れ込んだ気流がブレードの回転方向後方の縁部から剥離する際、突条を乗り越えるように流れる。つまり、ブレードの負圧面側に流れ込んだ気流の回転方向後方の縁部での流れが迂回させられ、ブレードの正圧面側に流れ込んだ気流との急激な衝突が回避される。このため、気流に起因する騒音の発生を抑制することができる。

請求項２に記載した発明は、前記突条は、前記ブレードの回転方向に沿う断面が略三角形状に形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、確実にブレードの負圧面側に流れ込んだ気流の回転方向後方の縁部での流れを迂回させることができる。

請求項３に記載した発明は、前記複数のブレードの径方向外側の端部領域を環状に連結し、回転中心が中心となるように配置された筒状のリング部材を備え、前記リング部材の径方向内側に、前記突条を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、ブレード強度の向上を図りつつ、ブレードの回転方向後方の縁部において、ブレードの負圧面側に流れ込んだ気流と、ブレードの正圧面側に流れ込んだ気流との急激な衝突を確実に回避することができる。

請求項４に記載した発明は、前記突条の高さをｈ、前記ブレードの回転方向後方側の縁部の肉厚をｔとしたときに、ｈ／ｔが０．８〜１．８の範囲になるように前記突条の高さｈが設定されていることを特徴とする。
この場合、請求項５に記載した発明のように、前記ブレードの回転方向後方側の端部から前記突条の最大高さ位置までの距離をｄ、前記ブレードの前記突条を含む部位の翼弦長をＬとしたときに、ｄ／Ｌが０〜０．１の範囲となるように前記突条の位置が設定されていてもよい。
このように構成することで、効率よくスムーズにブレードの負圧面側に流れ込んだ気流の回転方向後方の縁部での流れを迂回させることができる。

請求項６に記載した発明は、前記複数のブレードの径方向外側の端部の近傍を環状に連結し、回転中心が中心となるように配置された筒状のリング部材を備え、前記リング部材の径方向内側に、前記突条を設けると共に、前記リング部材の半径をＲ、前記突条の前記リング部材からの径方向内側の延出長さをｍとしたときに、ｍ／Ｒが０．０５〜０．４の範囲となるように前記突条の延出長さが設定されていることを特徴とする。
このように構成することで、ブレードの回転方向後方の縁部において、ブレードの負圧面側に流れ込んだ気流と、ブレードの正圧面側に流れ込んだ気流との急激な衝突を効果的に回避することができる。

本発明によれば、ボス部が回転することにより、ブレードの負圧面側に流れ込んだ気流がブレードの回転方向後方の縁部から剥離する際、突条を乗り越えるように流れる。つまり、ブレードの負圧面側に流れ込んだ気流の回転方向後方の縁部での流れが迂回させられ、ブレードの正圧面側に流れ込んだ気流との急激な衝突が回避される。このため、気流に起因する騒音の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態における冷却ファンの正面図である。 本発明の実施形態におけるファン本体の斜視図である。 本発明の実施形態におけるブレードの正面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態における冷却ファンの突起を設定する箇所ごとの騒音を比較したグラフである。 本発明の実施形態における冷却ファンの突条の高さを変えて騒音低下量を調べた結果を示すグラフである。 本発明の実施形態における冷却ファンの突条の位置を変えて騒音低下量を調べた結果を示すグラフである。 本発明の実施形態における冷却ファンの突条の延出長さを変えて騒音低下量を調べた結果を示すグラフである。 従来の冷却ファンが回転駆動したときのブレードに生じる気流の挙動を示す説明図である。

（冷却ファン）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、この実施形態に係る冷却ファン１を正面から見た図であり、図２は、冷却ファン１のファン本体１０を示す斜視図である。
この実施形態の冷却ファン１は、自動車のラジエータに用いられる軸流ファンであり、図示しないエンジンや電動モータ等の回転駆動源によって回転駆動されるファン本体１０と、ファン本体１０の外周側を覆ってラジエータに対するエアの導入効率を高めるためのシュラウド１１とを備えている。

シュラウド１１は、その前面のほぼ中央に、ファン本体１０の軸方向に沿った奥行き深さを持つ円形の導風孔３０が設けられ、その導風孔３０の周壁面の内側にファン本体１０が回転可能に配置されるようになっている。また、シュラウド１１の前面の導風孔３０を囲む領域は導風孔３０に向かって窪むテーパ面とされている。

ファン本体１０は、ポリプロピレン等の樹脂材にて一体成形された樹脂成形品であって、図示しない回転駆動源の出力軸に連結される有底円筒状のボス部１２と、このボス部１２の外周面から径方向外側に延出して設けられた複数（この実施形態の場合５枚）のブレード１３と、複数のブレード１３の径方向外側の端部領域を環状に連結する円筒状のリング部材１４とを備えている（本実施形態の場合、リング部材１４はブレード１３の径方向外側の端部より径方向内側にオフセットした位置を環状に連結している）。

ここで、ファン本体１０について、シュラウド１１の外側に露出する側の面（図１において正面に見える側の面）を前面と呼び、その裏側の面を後面と呼ぶものとすると、各ブレード１３は、図１に矢印Ｄで示すファン本体１０の回転方向の前方側がファン本体１０の前面側に開くように傾斜している。したがって、ブレード１３の後面側は、ファン本体１０の回転時にその近傍部が正圧になる正圧面２０Ａとされ、ブレード１３の前面側は、ファン本体１０の回転時にその近傍部が負圧となる負圧面２０Ｂとされている。

また、各ブレード１３は、付根部側では仰角が大きく、かつ、翼弦長が短く設定されており、延出端側に向かうにつれて仰角が次第に小さくなるとともに翼弦長が次第に長くなるように設定されている。そして、各ブレード１３の延出端は、正面視でボス部１２と同軸中心の円を描く円弧形状に形成され、シュラウド１１の導風孔３０の内周面に対してほぼ一定の微小隙間が維持されるようになっている。
さらに、この実施形態のブレード１３は、正面視で延出端側が回転方向の前方に向かって湾曲する前進翼型とされているが、特に、回転方向の前方側の縁部は延出端に近づくにつれて前方側への膨出量が大きくなっている。

複数のブレード１３を連結しているリング部材１４は、その中心がファン本体１０の回転中心と略一致するように形成されている。
そして、リング部材１４のエア吸い込み側（図２における上側）の軸方向の端面は、各ブレード１３の負圧面２０Ｂのうちの、延出端近傍の回転方向前方側の縁部１３ａと同高さに形成されるとともに、回転方向に交互に複数のエア流入溝１６が設けられている。また、リング部材１４のエア吐き出し側（図２における下側）の軸方向の端面は、各ブレード１３の負圧面２０Ｂのうちの、延出端近傍の回転方向後方側の縁部１３ｂと同高さに形成されるとともに、回転方向に交互に同様に複数の肉抜き溝１７が形成されている。

図３は、一つのブレード１３を拡大して示した正面図であり、図４は、そのブレード１３を回転方向に沿って切ったときの断面図である。
図３、図４に示すように、各ブレード１３の負圧面２０Ｂには、リング部材１４よりも径方向内側であって、且つ回転方向後方側の縁部１３ｂに、その縁部１３ｂの延出方向に沿うように突条２１が一体的に設けられている。突条２１は、リング部材１４側の端部が、このリング部材１４に接合するように配置されている。

また、突条２１は、ブレード１３の回転方向に沿う断面が略三角形状に形成され、その略三角形状の底辺部分がブレード１３の負圧面２０Ｂ側における回転方向後方側の縁部１３ｂに接合されている。なお、突条２１はブレード１３の本体部と一体に形成するようにしても良い。
ここで、突条２１の突出高さｈと、ブレード１３の回転方向前方側の端部から突条２１の最大高さ位置までの距離ｄと、突条２１の延出範囲（延出長さ）は、後述する実験結果に基づき以下のように設定されている。

（突条２１の突出高さｈ）
突条２１の突出高さをｈ、ブレード１３の回転方向後方側の縁部１３ｂの肉厚をｔとしたときに、以下の条件（１）を満たすように設定されている。
０．８≦ｈ／ｔ≦１．８ …（１）

（突条２１の最大高さ位置までの距離ｄ）
ブレード１３の回転方向後方側の縁部１３ｂから突条２１の最大高さ位置までの距離をｄ、ブレード１３のリング部材１４の近傍（突条２１を含む部位）の翼弦長をＬとしたときに、以下の条件（２）を満たすように設定されている。
０≦ｄ／Ｌ≦０．１ …（２）

（突条２１の延出範囲）
リング部材１４の半径（図１参照）をＲ、突条２１のリング部材１４（リング部材１４の厚みの中心）からの径方向内側の延出長さをｍとしたときに、以下の条件（３）を満たすように設定されている。
０．０５≦ｍ／Ｒ≦０．４ …（３）

以上の構成において、この冷却ファン１のボス部１２が回転駆動されると、エアがファン本体１０の前方と外周側からブレード１３間のスペースに吸い込まれ、そのエアがファン本体１０の後方側に配置された図示しないラジエータに供給される。

このとき、図４に示すように、各ブレード１３の後面側では、エアが正圧面２０Ａに押されて同正圧面２０Ａに沿って後方側に流れ、その後、各ブレード１３の回転方向後方側の縁部１３ｂからエアが剥離する（図４における気流Ｋ２参照）。
一方、各ブレード１３の前面側では、エアがブレード１３の回転方向前方側の縁部１３ａに当たって負圧面２０Ｂ側に流れ込むと、同負圧面２０Ｂに沿ってエアが後方側に流れる。

ここで、各ブレード１３の負圧面２０Ｂ側に沿って後方側に流れた気流は、ブレード１３の回転方向後方側の縁部１３ｂに形成されている突条２１の頂部を乗り越えるように流れる。つまり、負圧面２０Ｂ側に沿って流れる気流は、ブレード１３の回転方向後方側の縁部１３ｂによって迂回させられる。このため、各ブレード１３の負圧面２０Ｂ側において、回転方向後方側の縁部１３ｂから剥離した気流Ｋ１は、正圧面２０Ａ側の縁部１３ｂから剥離した気流Ｋ２から僅かに離反する方向に向かって流れる。

したがって、上述の実施形態によれば、冷却ファン１の回転時に、各ブレード１３の回転方向前方の縁部１３ａによって正圧面２０Ａ側と負圧面２０Ｂ側とに分流された気流のうち、負圧面２０Ｂ側に流れ込んだ気流の回転方向後方の縁部１３ｂでの流れが迂回させられ、正圧面２０Ａ側に流れ込んだ気流との急激な衝突が回避される。このため、気流に起因する騒音の発生を抑制することができる。

また、各ブレード１３の負圧面２０Ｂにおけるリング部材１４よりも径方向内側に突条２１を設けているので、確実に気流に起因する騒音の発生を抑制できる。
より具体的に、図５に基づいて説明する。
図５は、縦軸を騒音（ｄＢＡ）とし、横軸を各ブレード１３に突条２１を設けない場合、各ブレード１３の負圧面２０Ｂにおけるリング部材１４よりも径方向内側に突条２１を設けた場合、各ブレード１３の正圧面２０Ａにおけるリング部材１４よりも径方向内側に突条２１を設けた場合とし、これら３つの場合の騒音を比較したグラフである。

同図に示すように、各ブレード１３の負圧面２０Ｂにおけるリング部材１４よりも径方向内側に突条２１を設けた場合、各ブレード１３に突条２１を設けない場合（図５におけるラインＳ１参照）と比較して、騒音が低減されているのが確認できる（図５における二点鎖線部参照）。
これに対し、各ブレード１３の正圧面２０Ａにおけるリング部材１４よりも径方向内側に突条２１を設けた場合、各ブレード１３に突条２１を設けない場合よりも騒音が大きくなってしまうことが確認できる。

ここで、各ブレード１３に設ける突条２１の断面形状は必ずしも三角形状である必要はないが、この実施形態のように突条２１の断面形状を三角形状とした場合には、ブレード１３の負圧面２０Ｂに流れ込んだ気流を傾斜面によってスムーズに変えることができるとともに、ブレード１３部分での回転抵抗の増大や風量の低下を抑制するうえで有利となる。

図６は、縦軸を、騒音（ｄＢＡ）とし、横軸を、突条２１の高さｈを回転方向後方側の縁部１３ｂの肉厚ｔで除算した値（ｈ／ｔ）とした場合における突条２１の高さｈを変化させたときの騒音の低下量を調べた実験結果を示すグラフである。
ここで、図６中のラインＳ２は、ブレード１３に突条２１を設けない場合の騒音の値を示している。

同図のグラフから明らかなように、突条２１の高さｈが上記の式（１）の条件を満たす範囲であるときに、騒音が低下して充分な騒音低減効果が得られるようになることが確認できる。また、ｈ／ｔの値が０．８よりも小さくなると、殆ど騒音低減効果が得られないことが確認できる。さらに、ｈ／ｔの値が１．８よりも大きくなるとそれ以上は殆ど騒音低減効果に変化が現れなくなることが確認できる。

図７は、縦軸を、騒音（ｄＢＡ）とし、横軸を、ブレード１３の回転方向後方側の縁部１３ｂから突条２１の最大高さ位置までの距離ｄをブレード１３のリング部材１４の近傍の翼弦長Ｌで除算した値（ｄ／Ｌ）とした場合における距離ｄを変化させたときの騒音の低下量を調べた実験結果を示すグラフである。
ここで、図７中のラインＳ３は、ブレード１３に突条２１を設けない場合の騒音の値を示している。

同図のグラフから明らかなように、突条２１の位置が上記の式（２）の条件を満たす範囲であるときに、騒音が低下して充分な騒音低減効果が得られるようになる。また、ｄ／Ｌの値が０．１よりも大きくなると殆ど騒音低減効果が得られないことが確認できる。

図８は、縦軸を、騒音（ｄＢＡ）とし、横軸を、突条２１のリング部材１４（リング部材１４の厚みの中心）からの径方向内側の延出長さｍをリング部材１４の半径Ｒで除算した値（ｍ／Ｒ）とした場合における突条２１の延出長さｍを変化させたときの騒音の低下量を調べた実験結果を示すグラフである。
ここで、図８中のラインＳ４は、ブレード１３に突条２１を設けない場合の騒音の値を示している。

同図のグラフから明らかなように、突条２１の延出長さが上記の式（３）の条件を満たす範囲であるときに、騒音が低下して充分な騒音低減効果が得られるようになる。
また、ｍ／Ｒの値が０．０５よりも小さくなると、殆ど騒音低減効果が得られないことが確認できる。さらに、ｍ／Ｒの値が０．４よりも大きくなるとそれ以上は殆ど騒音低減効果に変化が現れなくなることが確認できる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。
例えば、上記の実施形態は、冷却ファンをラジエータの冷却に用いているが、本発明に係る冷却ファンは、ラジエータ冷却用に限定されるものではなく、その他の機器を冷却するものであっても良い。

１ 冷却ファン
１２ ボス部
１３ ブレード
１３ａ，１３ｂ 縁部
１４ リング部材
２０Ａ 正圧面
２０Ｂ 負圧面
２１ 突条

Claims (6)

1. 回転駆動源に連結されるボス部と、
   このボス部から径方向外側に延出して設けられる複数のブレードとを備えた冷却ファンにおいて、
   前記ブレードの負圧面側の回転方向後方側の縁部に、当該ブレードの延出方向に略沿う突条が設けられていることを特徴とする冷却ファン。
2. 前記突条は、前記ブレードの回転方向に沿う断面が略三角形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン。
3. 前記複数のブレードの径方向外側の端部領域を環状に連結し、回転中心が中心となるように配置された筒状のリング部材を備え、
   前記リング部材の径方向内側に、前記突条を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却ファン。
4. 前記突条の高さをｈ、前記ブレードの回転方向後方側の縁部の肉厚をｔとしたときに、ｈ／ｔが０．８〜１．８の範囲になるように前記突条の高さｈが設定されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の冷却ファン。
5. 前記ブレードの回転方向後方側の端部から前記突条の最大高さ位置までの距離をｄ、前記ブレードの前記突条を含む部位の翼弦長をＬとしたときに、ｄ／Ｌが０〜０．１の範囲となるように前記突条の位置が設定されていることを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の冷却ファン。
6. 前記複数のブレードの径方向外側の端部の近傍を環状に連結し、回転中心が中心となるように配置された筒状のリング部材を備え、
   前記リング部材の径方向内側に、前記突条を設けると共に、
   前記リング部材の半径をＲ、前記突条の前記リング部材からの径方向内側の延出長さをｍとしたときに、ｍ／Ｒが０．０５〜０．４の範囲となるように前記突条の延出長さが設定されていることを特徴とする請求項２、請求項４、及び請求項５の何れか１項に記載の冷却ファン。

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