JP2013513062A - 自動車等のファン用プロペラ - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ファン用プロペラは、複数のブレード（１４）を備え、ブレードの各々は、前縁（２８）及び後縁（３０）と、中立軸（３２）と、前縁（２８）と後縁（３０）の間のスパン（３０）とを備える航空機の翼型状の断面形を有している。一実施形態によれば、ブレードは、その長さの少なくとも一部において、中立軸（３２）が、反曲点（３４）を有し、２つの反対向きの湾曲、すなわち、前縁（２８）と反曲点（３４）との間の凸状湾曲（Ｃ₁）と、反曲点（３４）と後縁（３０）との間の凹状湾曲（Ｃ₂）を備えるように形作られた断面形を有している。利用分野は、自動車である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ファン用プロペラに関する。
より詳細には、本発明は、ハブと、ハブから外側に向けて放射状に延びるブレードとを備えるファン用プロペラに関する。各ブレードは、前縁及び後縁と、中立軸と、前縁と後縁の間のスパンとを有し、全体として、航空機の翼型の断面形を有している。

この種のプロペラは、主として自動車に用いられるものであり、例えば、自動車のエンジンの冷却ラジエーターを含む少なくとも１つの熱交換器を備える冷却モジュールを通る空気の流れを加速するためのエンジン用ファン装置において用いられている。

この場合、プロペラは、回転駆動されるために、電動モータのシャフトに固定されている。

プロペラのブレードは、ハブから延びており、プロペラの外側端は、自由端となっているか、又は、「ガイド」とも呼ばれているリングによって連結されている。

自動車のエンジン用ファン装置に利用する場合、プロペラは、広い範囲の条件の下で作動しなければならず、極めて小さなエネルギーで、大きな流速の空気流を作り出さなければならない。

これらの条件を満たすため、プロペラは、従来、ファンのトルクを低減するように、少数（典型的には５枚から９枚）のブレードを備え、各ブレードは、限られた長さのスパンを有するものとなっている。

そのため、自動車において用いられるファンの多くは、プロペラの中心から一定の半径内において、小さな割合の幾何学的広がりを有するものとなっている。この割合は、「剛率」としても知られているもので、ブレードの数を乗じ、関連する半径上における周囲長で割ったスパンの長さとして定義される。よって、この割合は、プロペラが有するブレードの数が多くなり、またブレードのスパンが大きくなるほど、高くなる。

剛率の小さなファン用プロペラは、作動状況や、他の機械的構成との近接や、ブレードの端部における空気の再循環現象の影響を受けやすいという問題点を有している。

状況が好ましくない場合には、全体的な効率が低下し、冷却状況が低下するか、又は／及びファンを十分な回転速度で駆動するためのエネルギーの必要量が増大することとなる。

さらに、このような公知のファンにおいては、プロペラのブレードは、通常、従来の航空機の翼型断面を有しており、この断面においては、その中立軸は、一定方向に湾曲している。

本発明の目的は、上記問題点を克服することである。

本発明の目的は、高い流速を提供することができ、またエネルギー必要量が小さく、広い範囲の作動条件で作動し得るファン用プロペラを提供することである。

この目的のため、本発明の第１の実施形態では、ブレードは、少なくともその長さの一部において、扁平化されたＳ字形の断面を有し、従って、中立軸は、反曲点を有し、２つの反対向きの湾曲、すなわち、前縁と反曲点の間における凸状湾曲と、反曲点と後縁の間における凹状湾曲とを有している。

したがって、各ブレードは、その長さ方向の少なくとも一部において、著しい抗力の増大や、それに伴うファンのトルクの増大を果たすことなく、適切な値の剛率を保持することができる特有の断面形状を有していることを特徴としている。

この特有の空気力学的断面形は、その中立軸が、反曲点を有し、この反曲点は、それぞれが反対向きの湾曲を有する２つの連続した曲線状のものであるという事実から引きだされたものである。

この特有の断面形により、改善された性能を発揮し、効率が低下することなく作動しうるプロペラを提供することが可能となっている。

反曲点は、前縁から、スパンの２０〜８０％のところに位置していると有利である。
しかしながら、反曲点は、前縁よりも後縁の近くに位置していることが望ましい。

本発明の他の特徴によれば、反曲点のレベルにおける中立軸に対する接線は、スパンと交差し、最小で４度、望ましくは１０〜２０度傾いている。

断面輪郭の凸状湾曲は、少なくとも２％の矢高を有し、断面輪郭の凹状湾曲は、少なくとも２％の矢高を有すると有利である。なお、矢高とは、スパンに対する中立軸の高さと、スパンの長さの比のことである。

本発明の第２の実施形態においては、ブレードは、その長さの少なくとも一部において、中立軸が、前縁と中間点の間の凸状湾曲と、中間点と後縁の間の略平坦な部分を有するように形成された断面輪郭を有している。

特に中間点の領域における中立軸の接線は、スパンと交差し、少なくとも４度の角度をなしている。この角度は、中立軸に対する接線とスパンのなす角度が最大となる位置において考慮される。

本発明の他の特徴によれば、中間点は、中立軸の反曲点と実質的に一致している。

平坦な部分は、スパンの２０〜６０％の長さを有しているのが好ましい。

本発明の第１又は第２の実施形態にしたがって形成された断面輪郭は、必ずしも、ハブのレベルにあるルートから外側端部に至るブレードの全長にわたって設けられなくてもよい。

望ましい実施形態によれば、ブレードは、ハブのレベルにあるルートの領域における断面形状から始まって、中立軸の反曲点なしで、ブレードの端部領域における航空機の翼型の断面形状で終わる進展型の断面輪郭を有している。

本発明の他の特徴によれば、ファン用プロペラは、少なくとも０．５の剛率を有している。有利には、剛率は、ハブのレベルにあるブレードのルートからブレードの端部領域に向けて減少する。

例えば、剛率は、ブレードのルートからブレードの端部に至るまでに、約０．９から約０．５に変化する。

以下、添付図面を参照して、単なる例について説明する。

本発明によるファン用プロペラの斜視図である。 本発明の第１の実施形態によるブレードの横断面を示す図である。 前縁の領域において、図２のブレードの詳細を拡大して示す図である。 後縁の領域において、図２のブレードの詳細を拡大して示す図である。 本発明の第１の実施形態による他のブレードの扁平化された断面図であり、断面における凸状湾曲及び凹状湾曲のそれぞれの矢高を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるブレードの進展型の横断面を示す図である。 図１のファン用プロペラと類似するファン用プロペラの斜視図であり、ハブに近接した領域における断面と、中間領域における断面と、プロペラのリングに近接した領域における断面との、ブレードの３つの円筒断面を示す図である。 図７のハブに近接した領域における断面に対応するブレード断面輪郭の扁平化された横断面図である。 図７の中間領域における断面に対応するブレード断面輪郭の扁平化された横断面図である。 図７のプロペラのリングに近接した領域における断面に対応するブレード断面輪郭の扁平化された横断面図である。 従来技術におけるプロペラの２つのブレード間の空気流を概略的に示す図である。 本発明によるプロペラの２つのブレード間の空気流を概略的に示す図である。

まず、本発明によるプロペラ１０を示す図１を参照する。プロペラ１０は、例えば、自動車のエンジン用ファン装置の一部を構成するものである。このプロペラは、有利には、例えば繊維又はガラス玉が充填されたポリアミド等の適当な樹脂材料を、一体成形して製造されるものである。プロペラ１０は、「ボウル」とも呼ばれるハブ１２を備えている。ハブ１２は、所要の回転方向に軸ＸＸの周りに回転駆動されるように、電気モータの駆動シャフト（図示せず）にキー止めしうるようになっている。

例えば７枚のブレードである複数のブレード１４が、ハブ１２から放射状に延びている。これらのブレードは、ハブ１２に取り付けられた内側端部１６（「ルート」又は［足部」としても知られている）と、外側端部１８とを備えている。本実施形態では、外側端部１８は、外側リング２０（「ガイド」としても知られている）に接続されている。しかしながら、図示しない変形例として、ブレードの外側端部１８を、自由端とすることもある。中間領域２２は、端部１６と１８の間に延びている。

次に図２は、ブレード１４の扁平化された横断図、すなわち、プロペラの軸ＸＸの周りの回転の円柱表面によりブレードを横断し、この円柱表面を扁平化することにより得られる閉曲線を示している。ブレード１４は、扁平化されたＳ字型の断面輪郭形状を有している。この断面輪郭は、曲線形の内側面２４と、曲線形の外側面２６により画成されている。これら２つの面は、前縁２８と後縁３０で接続されている。

本実施形態における断面形状は、反曲点３４を持つ中立軸３２を有する特徴的な形状を有している。中立軸は、１次近似において、断面を形成する内側面２４と外側面２６の中間に位置する中央線と一致するものである。中立軸３２は、反曲した曲率又は湾曲を有している。このため、中立軸３２は、反対向きの２つの湾曲、すなわち、前縁２８と反曲点３４の間との凸状湾曲Ｃ₁と、反曲点３４と後縁３０との間の凹状湾曲Ｃ₂とを備えている。従って、中立軸３２は、前縁２８と後縁３０を結ぶスパン３６の両側から延びている。

図２から分かるように、反曲点３４は、前縁から測って、スパンの長さＬの２０〜８０％の地点に位置している。図２に示すように、反曲点３４が位置する領域Ｄは、矢高を有する区間の形状を有している。一般に、反曲点３４は、図２のように、前縁２８よりも後縁３０の近くに位置していることが望ましい。

反曲点のレベルにおいて、中立軸に対する接線Ｔは、スパン３６と交差し、少なくとも４度の角度Ａをなしている。この角度Ａは、１０〜２０度であることが望ましい。この角度が、これより大きくなると、湾曲Ｃ₁及び／又はＣ₂が強くなり過ぎてしまう。

断面における凸状湾曲Ｃ₁は、少なくとも２％の矢高を有している。ここで、矢高とは、スパン３６に対する中立軸３２の高さＨ₁と、スパン３６の長さＬの比のことである（図３参照）。矢高は、例えば、４〜８％である。

同様に、断面における凹状湾曲Ｃ₂は、少なくとも２％の矢高を有している。ここで、矢高とは、スパン３６に対する中立軸３２の高さＨ₂と、スパンの長さＬの比のことである（図４参照）。矢高は、例えば、４〜８％である。

図示の実施形態では、Ｈ₁はＨ₂よりも大きく、そのため、凸状湾曲Ｃ₁の矢高は、凹状湾曲Ｃ₂の矢高よりも大きくなっている。

図５は、図２に示したブレードの断面と類似する他のブレードの断面を示す。また、高さＨ₁及びＨ₂と角度Ａが明示されている。

図６は、本発明の第２の実施形態によるブレード１４の扁平化された断面図であり、上述の第１の実施形態におけるブレードの断面と類似するブレードの断面を示している。この実施形態では、ブレード１４の中立軸３２は、その長さの少なくとも一部において、前縁２８と中間点３８の間の凸状湾曲Ｃ₁と、中間点３８と後縁３０の間のほぼ平坦な部分Ｐとを有する断面とされている。

特徴的な形態では、中間点３８の領域における中立軸に対する接線Ｔは、スパン３６と交差し、少なくとも４度の角度Ｂをなしている。この角度Ｂは、中立軸に対する接線とスパンのなす角度が最大となる位置におけるものである。この角度Ｂは、望ましくは１０〜２０度であり、例えば８度及び１２度である。

中間点３８は、凸状湾曲Ｃ₁と平坦部Ｐの接合点に位置する中立軸３２の反曲点と実質的に一致している。

平坦部Ｐは、スパン３６の長さＬの１０〜８０％、特に２０〜６０％の長さを有している。この長さは、図６の実施例では、スパン３６の長さＬのほぼ３分の１である。従ってこの例では、中間点３８は、前縁２８よりも後縁３０の近くにある。

本発明の第１及び第２の実施形態における断面輪郭は、ブレード１４の全長にわたって、又はこの全長の一部にのみ設けることができる。この実施形態では、ブレード１４は、ハブのレベルにあるブレードのルートの領域から始まって、ブレードの端部領域に至るまで続く断面形を有している。

次に、本発明の第１の実施形態における進展する断面形の例を説明するために、図７と、図８Ａ，図８Ｂ及び図８Ｃを参照する。図７は、プロペラの一部を示す図であり、ブレードの１つは、ハブに近いルートの領域と、中間領域と、リングに近い外側端部に近い領域において、それぞれ円筒断面ＶＩＩＩＡ、ＶＩＩＩＢ及びＶＩＩＩＣの３つの位置で切断されている。

図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、対応する横断面図である。これらは、内側端部領域１６（ルート）から、中間領域２２（図８Ｂ）を経て、外側端部領域１８に至る断面の変化を示している。図から分かるように、断面は、ルート領域（図８Ａ）において、外側領域（図８Ｃ）におけるよりも大きく湾曲しており、移行部（図８Ｂ）を備えている。

（本実施形態では扁平化されたＳの形状を有する）断面形状を、ブレードの長さの少なくとも一部に設けた他のブレード形状とすることも可能である。この断面形は、本発明の第１又は第２の実施形態における特定の形状から進んで、湾曲の反転を有さず、反曲点を有しない航空機の翼型の従来形状に近くなっている。

第１の実施形態においては、凸状湾曲は、凹状湾曲によって延長されているが、第２の実施形態においては、凸状湾曲は、ほぼ平坦な部分によって延長されている。どちらの場合においても、凸状湾曲は、後縁に至る延長部（凹状湾曲又は略平坦な部分）を備えており、プロペラによって動かされる流体の流れに影響を与えるものである。

次に、本発明によるプロペラの作用を、従来技術によるプロペラと比較して説明する。

図９は、従来のプロペラにおける空気流線を示している。従来のプロペラは、ブレードが航空機の翼型の断面形を有しており、（上述したように）ソリディティ、すなわち充実比は小さい。

オイラーの理論が示すように、タービン機関において、圧力の増加は、ブレードのスパンに沿った流れの偏向に依存する。多数の空気力学的断面形が、この種の偏向を得るために用いられてきた。高い剛率、すなわち、互いに近くに配置されたブレードにより、より良い案内が得られる。

一方、ソリディティ（充実比）が低いと、流れの案内は非効率的であり、図９に示すように、前縁側において流れの分離が発生する。この図から分かるように、空気の流れは分離され、下側面Ｉではうまく案内されるが（矢印Ｆ₁）、上側面Ｅでは乱流を生じ易い（矢印Ｆ₂）。

この乱流の発生を避けるための従来の解決策は、スパンを断面形状の長いものとするか、より多くのブレードを用いることによって、剛率を向上させることである。しかしこれは、ファンのトルクを増大させることになる。従って、この種の解決は、自動車のエンジン用ファンに用いられる直流モータにおける技術的制約に、必ずしも合致しないものである。

本発明によれば、上述のような断面を採用したことにより、この種の不都合を回避することができる。

図１０は、本発明によって形作られた（本例では扁平化されたＳ字形を有している）断面輪郭形状により、空気流線Ｆ₁が、図９の場合のような分離又は乱流を形成することなく、互いに一緒であり続けている様子を示す。これらの線は、ブレー１４の間で案内され、絞られている。同様のことが、本発明の第２の実施形態によって形成された断面輪郭によっても得られる。

本発明において、剛率は、少なくとも０．５であると有利であり、ブレードのルートからブレードの端部に至るまで、約０．９から約０．５まで変化し得る。従来のブレードと比較すると、従来のブレードの剛率は、ルートにおける約０．７から、端部における０．３まで変化する。このように、高い剛率により、本発明の第１又は第２の実施形態による断面によれば、乱流の発生その他の攪乱を生じることなく、また大きなトルクを必要とすることなく、より良い効果が得られる。

本発明の優先的な利用分野は、自動車のエンジン用ファン装置である。

１０ プロペラ
１２ ハブ
１４ ブレード
１６ 内側端部
１８ 外側端部
２０ 外側リング
２４ 内側面
２６ 外側面
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 中立軸
３４ 反曲点
３６ スパン
３８ 中間点
Ｂ 角度
Ｃ₁ 凸状湾曲
Ｃ₂ 凹状湾曲
Ｅ 上側面
Ｈ 中立軸の高さ
Ｉ 下側面
Ｌ スパンの長さ
Ｐ 平坦部
Ｔ 接線

Claims (15)

1. ハブ（１２）と、前記ハブ（１２）から外側に向けて放射状に延びる複数のブレード（１４）とを備えるファン用プロペラであって、前記ブレード（１４）の各々は、中立軸（３２）と、前記ブレード（１４）の前縁（２８）と後縁（３０）の間を延びるスパン（３０）とを有する断面輪郭を備えるファン用プロペラにおいて、
   前記ブレード（１４）は、その長さの少なくとも一部において、扁平化されたＳ字型形状に形成された断面輪郭を備え、これにより、前記中立軸（３２）は、反曲点（３４）を有することができ、かつ前記前縁（２８）と反曲点（３４）との間の凸状湾曲（Ｃ₁）と、前記反曲点（３４）と前記後縁（３０）との間の凹状湾曲（Ｃ₂）の２つの反対向きの湾曲を備えていることを特徴とするファン用プロペラ。
2. 前記反曲点（３４）は、前記前縁（２８）から測って、前記スパン（３６）の長さの２０％〜８０％の個処に位置していることを特徴とする請求項１に記載のファン用プロペラ。
3. 前記反曲点（３４）は、前縁（２８）よりも後縁（３０）の近くに位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載のファン用プロペラ。
4. 前記反曲点のレベルにおける中立軸に対する接線（Ｔ）は、前記スパンと交差して、少なくとも４度の角度をなしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
5. 前記断面輪郭の凸状湾曲（Ｃ₁）は、少なくとも２％の矢高を有しており、前記矢高は、前記スパン（３６）に対する前記中立軸（３２）の高さ（Ｈ₁）と、前記スパンの長さ（Ｌ）との比であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
6. 前記断面輪郭の前記凹状湾曲（Ｃ₂）は、少なくとも２％の矢高を有し、前記矢高は、前記スパン（３６）に対する前記中立軸（３２）の高さ（Ｈ₂）と、前記スパンの長さ（Ｌ）の比であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
7. ハブ（１２）と、前記ハブ（１２）から外側に向けて放射状に延びる複数のブレード（１４）とを備えるファン用プロペラであって、前記ブレード（１４）の各々は、中立軸（３２）と、前記ブレード（１４）の前縁（２８）と後縁（３０）の間を延びるスパン（３６）とを有する断面輪郭を備えたファン用プロペラにおいて、
   前記ブレード（１４）は、その長さの少なくとも一部において、前記中立軸（３２）が、前記前縁（２８）と中間点（３８）との間の凸状湾曲（Ｃ₁）と、前記中間点（３８）と前記後縁（３０）との間の平坦部（Ｐ）とを有するように形作られた断面輪郭を備えていることを特徴とするファン用プロペラ。
8. 前記中立軸に対する接線（Ｔ）は、前記スパン（３６）と交差して、少なくとも４度の角度（Ｂ）をなしており、かつ前記角度は、前記中立軸に対する接線と前記スパンがなす角度が最大となる位置における角度であることを特徴とする請求項７に記載のファン用プロペラ。
9. 前記角度（Ｂ）は、８度〜１２度の間にあることを特徴とする請求項８に記載のファン用プロペラ。
10. 前記中間点（３８）は、前記中立軸（３２）の反曲点と実質的に一致していることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
11. 前記平坦部（Ｐ）は、前記スパン（３６）の長さの２０％〜６０％の長さ（ｌ）を有していることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
12. 前記ブレード（１４）は、前記ハブ（１２）のレベルの領域における前記断面輪郭形状から始まって、中立軸の反曲点なしで、前記ブレードの端部領域における航空機の翼型の断面輪郭で終わる進展型の断面輪郭を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
13. 少なくとも０．５の剛率を有し、この剛率は、ブレードの個数が乗じられ且つ与えられた半径の周長で割られたブレード（１４）のスパンの長さ（Ｌ）であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のファン用プロペラ。
14. 前記剛率は、前記ハブのレベルのブレードのルートから前記ブレードの端部に向けて減少していることを特徴とする請求項１３に記載のファン用プロペラ。
15. 前記剛率は、前記ブレードのルートから前記ブレードの端部に至るまでに、約０．９から約０．５まで変化していることを特徴とする請求項１４に記載のファン用プロペラ。

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