JP2013539840A - ファンブレードを備えたファン - Google Patents

Abstract

【課題】 ファンブレードの結合部の領域における質量集中部が削減されることを保証し、ファンの製造コストが低減され、かつ、製造時間が短縮されるファンを提供する。
【解決手段】 ファンブレード特に自動車の冷却器用のファンブレードを備えたファンであって、前記ファンブレード（２）がファンハブ（３）上に固定されており、各ファンブレード（２）がブレード根元部（１５）の方向に後方へ屈曲されており、前記ファンブレード（２）の屈曲された領域（５）が少なくとも部分的に前記ファンハブ（３）の方へ引き下げられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ファンブレード特に自動車の冷却器用のファンブレードを備えたファンであって、ファンブレードがファンハブ上に固定されているファンに関する。

特許文献１において公知であるファンブレードを備えたファンは、ファンブレードの正圧側にハブ傾斜面を有し、これにより、ファンブレードの正圧側で流動が安定化される。ファンブレードの負圧側領域には空気案内要素が配置されており、これらの空気案内要素は流路を形成して、空気を所望通りにハブからファンブレードの負圧側へ、すなわち円筒状のファンハブの領域あるいはハブ傾斜面の領域において案内する。

また、特許文献２によって公知であるファンブレードを備えたファンの場合、空気案内要素がフィン状のスタビライザとして構成されている。これらのスタビライザの外側に位置する面と、前記スタビライザに配置された更に別の放射状ブレード要素の面とが互いに統合されており、これにより、移行部のない共通の面が形成される。この場合、また、ファンブレードの正圧側に配置されたハブ傾斜面がブレード根元部の領域から延在しており、このブレード根元部の領域からは、放射状ブレード要素の他にスタビライザも延出している。

このような配置が有する短所は、ファンブレードをファンハブに結合する領域に質量集中部が生じるという点であり、これらの質量集中部は、製造時に生じる気泡あるいはブローホールがこれらの質量集中部に含まれてしまうという危険性を孕んでいる。また、非常に長い冷却時間が必要であるので、長い製造時間が必要とされる。また同時に、必要な材料使用量も大きくなる。

独国特許出願公開第１９９２９９７８号明細書 欧州特許第１２１９８３７号明細書

従って、本発明の根底をなす課題は、ファンブレードを備えたファンであって、前記ファンブレードの結合部の領域における質量集中部が削減されることを保証し、ファンの製造コストが低減され、かつ、製造時間が短縮されるファンを提供することである。

この課題は、本発明において、各ファンブレードがブレード根元部の方向に後方へ屈曲されており、前記ファンブレードの屈曲された領域が少なくとも部分的にファンハブの方へ引き下げられていることによって解決される。

このことが有する利点は、前記質量集中部が削減されて、気泡およびブローホールが製造時に生じる危険性が軽減されること、および、製造時間が短縮されることが保証される点である。前記ファンブレードの前縁部が前記のように引き下げられていることによって、材料の使用量が著しく削減される上にファンの強度が改善される。

有利には、前記ファンブレードの前記屈曲部から外側に向かって延在する第１の領域における前記ファンブレードの湾曲および／または半径が、前記屈曲部からファンハブの方向へ延在する第２の領域の湾曲および／または半径とは異なっており、前記ファンブレードの前記第２の領域は前記ファンハブの方へ引き下げられている。このように前記ファンブレードを前記ファンハブに結合することによって、非常に均質でかつ応力最適化された移行部が得られる。

一実施態様では、前記ファンハブの方へ引き下げられた前記ファンブレードの第２の領域における前記前縁部が、回転方向において前方へ向かって鎌刃状に形成されている。この実施態様によって、２つの互いに連続するファンブレードの間の流動条件が改善される。また、前記ファンハブの領域において前記ファンブレードを鎌刃形状にすることは、ファンの音響特性を改善することにも有用である。

一変形態様では、ハブ傾斜面が２つのファンブレードの間にテーパ状に形成されている。このハブ傾斜面はハブ領域を安定化させ、これにより、前記ファンハブの領域において前記ブレード根元部周囲の流動をきれいにし、損失を小さくすることが可能となる。

一実施態様では、前記ハブ傾斜面が、前記ファンハブに配置された前記ブレード根元部を起点にして後続のファンブレードの後縁部へ向かって直接延設されている。この態様の場合、前記ハブ傾斜面は前記ファンブレードの一体的な構成要素を成しており、このことは流体力学上特に有利である。これにより、材料使用量が僅かでもファンの強度が保証される。

更に別の態様では、前記ハブ傾斜面とは反対側の前記ファンブレード側面にスタビライザが配置されており、このスタビライザが、特に好ましくは、前記ファンブレードの第２の領域において、前記ファンハブの方へ引き下げられた前記ファンブレード部分に形成されている。このスタビライザは流動案内要素として機能し、前記ファンハブの領域における渦構造の発生を防止する。

更に別の実施形態では、前記スタビライザが、前記ファンブレードの裏側における前記ハブ傾斜面よりも小さな半径で延在する。この場合、前記スタビライザは、射出成形部品として前記ファンブレードに配置されている。前記ファンブレードの前記ブレード根元部の領域におけるこれらのスタビライザは、前記ファンブレードの負圧側においてハブの流動とブレードの流動とを分離させ、流れの剥離および有害な渦の発生を防止する。

有利には、前記ファンブレードの重心、好ましくは前記ファンブレードの第１の領域は、前記ファンブレードに作用する遠心力と圧力上昇により生じた空気力学的な力とがほぼ相殺し合う程度において、前方へ負圧側に向かってずらされている。このことが有する利点は、遠心力から生じる前記ファンブレードの反力が、流動方向において前記ファンハブの前方に位置するという点である。

更に別の一態様では、前記ブレード根元部を前記ファンハブに結合する位置において、少なくとも１つのフィンがファンの正圧側に半径方向に配置されている。これにより、前記ファンハブから前記ファンブレード内へ力が流れることが保証される。

一変形態様では、前記フィンが弓形の外縁部を有し、前記フィンが前記ファンハブから好ましくは前記ハブ傾斜面まで延在している。前記フィン後縁部がこのように応力最適化されて弓形にされることによって、材料の使用量は低減される。更に、前記少なくとも１つのフィンが、前記ファンハブとの前記ファンブレードの本来の結合部と並んで配置されており、これにより、発生する圧力による最大の負荷にさらされているこの結合部は、負荷から解放される。

本発明の基本となる実施例（実施形態）は数多くある。そのうちの１つについて、図面の各図を参照しながら更に詳述する。

本発明に係るファンの一実施形態を示す斜視図である。 図１におけるファンの表側を示す部分図である。 図１におけるファンの裏側を示す部分図である。 スタビライザとファンブレードにおける傾斜面とを示す図である。 ファンの裏側に半径方向に配置されたフィンを示す。 図５における半径方向に配置されたフィンを示す拡大図である。 ファンハブへのファンブレードの結合部を示す。 ファンブレードに作用する力の関係を示す概念図である。

同じ特徴部分には同じ符号が付されている。

軸方向ブレードとして形成されたファンブレードを備えたファンが、商用車で用いられて、車両エンジンによって駆動される。前記ファンは、この場合、エンジン端面において、直接クランク軸上に結合されているか、または、ベルト伝動部あるいは歯車伝動部を介してクランク軸に結合されている。その際、前記ファンの回転時間の制御は連結器によって行われ、この連結器はファンハブの内部に配置されている。車両エンジンへのこの連結によって、大きな機械的負荷が前記ファンに作用する。この負荷は、一方では、車両エンジンの振動という形か、あるいはクランク軸の曲がりによるものであり、もう一方では、回転数によるものである。例えば、シフトの不具合による車両エンジンの回転数の超過は、前記連結器によってあまり素早く調整されないので、前記ファンには回転数による大きな負荷が作用する。

この種のファン１が図１に示されている。このファンは複数のファンブレード２から成り、これらのファンブレードは、ファンハブ３の周囲に配置されていて、このファンハブにブレード根元部１５で固定されている。各ファンブレード２は２つの領域４、５に区分される。前記ファンブレード２はこれらの２つの領域４、５の間に屈曲部６を有する。その際、内側に位置して前記ファンハブに繋がっている前記第２の領域５は、外側へ張り出している前記第１の領域４から遠ざかるように後方へ延設されて、前記ファンハブ３面に載置されている。前記ファンブレード２の前記第１の領域４は、前記ファンハブ３の方へ引き下げられた前記ファンブレード２の前記第２の領域５とは異なる円弧プロファイルを有する。前記屈曲部６において、前記ファンブレード２の前記第１の領域４における第１の大きい方の半径部に、より小さな半径部が繋ぎ合わされ、これにより、前記ファンブレード２の前記第２の領域５は、前記ファンブレード２の前記第１の領域４とは異なる円弧を形成する。従って、前記ファンブレード２における前記第１の領域４の湾曲と前記第２の領域５の湾曲とは互いに異なる。この屈曲部６によって、前記ファンブレード２のシャベル様の形状が得られる。前記ファンブレード２の前記第２の領域５を前記ファンハブ３の方へ引き下げることによって、ファンブレード２とファンハブ３との間に非常に均質でかつ応力最適化された移行部が得られ、この移行部は、同時にまた、前記連結器内の良好な通気を実現する。この連結器は図示されていないが、通常、前記ファンハブ３の内部に配置されている。

図２から明らかなように、前記ファンブレード２における前記引き下げられた第２の領域５の前縁部８は、前記ファン１の回転方向において前方に向かって鎌刃状に形成されている。前記ファンハブ３の領域にある前記ファンブレード２の前記前縁部８におけるこの鎌刃形状の領域には、符号８ａが付されている。この鎌刃形状は、前記ファン１の音響特性を改善することに役立つ。前記ファンブレード２の前記第２の領域５におけるこの弓形部は、前記ファンハブ３の領域から外側へ延設される。

図３は、前記ファン１の裏側（正圧側）を示す部分図であり、各ファンブレード２にハブ傾斜面９が配置されている。このハブ傾斜面９は、前記ファンブレード２とそれに後続する前記ファンブレード２ａとの間の領域においてテーパ状に実施されている。傾斜面前縁部１３は丸みを帯びており、前記ファンハブ３に向かって内側へ延設されている。前記ハブ傾斜面９は、前記ファンハブ３を起点にして、先行するファンブレード２からそれに後続する前記ファンブレード２ａの後縁部１０へ向かって直接延設されている。その際、前記ハブ傾斜面９は、前記ファンブレード２の前記第２の領域５における結合箇所を起点にして延在しているので、前記ハブ傾斜面９と前記ファンブレード２とは１つの構造ユニットを形成しており、互いに一体的に溶着されている。この場合、前記ハブ傾斜面９は、前記後続のファンブレード２ａの後縁部１０において、前記ファンブレード２ａのほぼ半分の高さ位置で終わる。この実施態様によって、材料使用量が僅かでも前記ファン１の強度が保証される。この場合、前記ハブ傾斜面９は、前記ファンハブ３に対向する複数のフィン１１によって安定化される。

図４は、前記ファン１の前縁部（上流側）を示す部分図である。前記ファンブレード２の前縁部にはスタビライザ７が配置されている。前記ハブ傾斜面９は前記ファンブレード２の裏側にあり、そのために破線で示されている。前記スタビライザ７は、前記ファンブレード２に対してほぼ垂直に位置して、前記ファンブレードから突出しており、これによって流動が安定化される。前記スタビライザ７は流動案内要素として機能し、これにより、前記ファンハブ３の領域で渦構造が広がることを防止することができる。前記スタビライザ７は、前記ファンブレード２上において、前記引き下げられた領域５（前記ファンブレード２の第２の領域５）から始まって前記ファンブレード２前縁部８で終わる。前記スタビライザ７は、前記ファンハブ３に対向して、前記ハブ傾斜面９よりも小さな半径を有する。

図５は、前記ファン１の裏側を示す平面図であり、この裏側には、半径方向に延在するフィン１１が配置されており、これらのフィンは前記ファン１を補強する働きをする。この実施態様の場合、各ファンブレード２に少なくとも３つのフィン１１が備えられており、そのうちの少なくとも２つのフィン１１が前記ハブ傾斜面９を支持する。これらのフィン１１は、応力のピークが生じた際に前記各ファンブレード２から、より良好に負荷を取り除くことに役立つ。この場合、前記ファンハブ３から前記ファンブレード２内へ力が流れることが前記フィン１１によって保証される。

図６および図７から明らかなように、前記ファンブレード２は、それが前記ファンハブ３に接触する箇所においてフィン１１ａによって補強されている。この場合、前記フィン１１は、前記ファンハブ３への前記ファンブレード２の結合部１４の右側および左側に配置されている。これにより、この箇所、すなわち最大の負荷を伴う箇所から負荷が取り除かれる。前記結合部１４における前記ファンハブ３および前記ハブ傾斜面９までの前記フィン１１の奥行きは、材料の節減という理由から最小限にされてはいるが、前記ファンブレード２に作用する遠心力による前記ハブ傾斜面９における応力があまり大きくならないようにするには十分な奥行きである。前記フィン１１は、前記ハブ傾斜面９の後縁部から約２ｃｍの位置で終わる。その際、前記フィン１１は弓形の外縁部１２を有し、前記フィンの面が、前記ファンハブ３を起点にして前記ハブ傾斜面９の方向へ広くなっている。この弓形のフィン形状はこの箇所における流動状態を改善する。

図８は、前記ファンが回転する際に前記ファン１に生じる諸力を示す模式図であり、前記ファンブレード２を側方から見た図である。この場合、前記ファンブレード２は、前記ハブ３に対して中央には配置されておらず、前記ファンブレード２の重心１６は、前記ファン１の表側（負圧側）に向かって前方へずらされている。空気供給方向１７は左側から前記ファンブレード２の方に向いている。前記ファン１が回転する際、前記ファンブレード２の遠心力Ｆ_Ｚが生まれ、この遠心力は前記ファンブレード２の前縁部に生じる。これが意味することは、前記遠心力Ｆ_Ｚから生じる前記ファンブレード２の反力Ｆ_Ｒが、流動方向の観点からは、前記ファンハブ３の前方に位置するということである。前記反力は下記式から得られる。すなわち、
Ｆ_Ｒ＝∫ω^２ρｄ∨ｄｒ
ただし、
ω ファンの回転速度
ρ 密度
∨ 排除される空気の体積
ｒ ファンの半径
上記遠心力Ｆ_Ｚに対抗して空気力学的な力Ｆ_Ｄが作用する。この空気力学的な力Ｆ_Ｄは、圧力の上昇によって前記ファンブレード２の裏側（正圧側）に生じる。前記空気力学的な力Ｆ_Ｄは、前記ファンブレード２の後縁部に作用して前記ファンブレード２を前記空気供給方向１７に移動させようとする。その際、前記ファンブレード２は圧力を蓄積する。

これらの空気力学的な力は、前記ファン１の回転数が不変である場合には作用点に依存しており、従って、前記ファン１を設計する際、作用点に関して想定を立てる必要がある。前記ファンハブ３内にモーメントが導入されることはない。この場合、前記空気力学的な力および前記遠心力は前記回転数の２乗に比例して増大する。

前記ファンブレード２の重心が前記ファンハブ３から距離ａだけ空気供給方向１７へ側方にずれているので、前記遠心力Ｆ_Ｚは、前記ファンハブ３に作用するのではなく、前記ファンブレード２を後方へ倒そうとする。この力は、前記ファンブレード２が前記ファンハブから独自の距離だけ離れていることによって、前記作用する前記空気力学的な諸力Ｆ_Ｄによって相殺される。

上述のファン１はプラスチック材料で製造されている。製造技術上、前記ファン１は、スライドコアを用いない単純な開閉金型で製作され、プラスチックの使用量が最小限に抑えられる。

１ ファン
２ ファンブレード
２ａ 後続のファンブレード
３ ファンハブ
４ 第１の領域
５ 第２の領域
６ 屈曲部
７ スタビライザ
８ ファンブレードの前縁部
８ａ 鎌刃形状の領域
９ ハブ傾斜面
１０ ファンブレードの後縁部
１１ フィン
１１ａ フィン
１２ フィンの外縁部
１３ 傾斜面前縁部
１４ 結合部
１５ ブレード根元部
１６ 重心
１７ 空気供給方向
Ａ 距離
Ｆ_Ｄ 空気力学的な力
Ｆ_Ｚ 遠心力

Claims (10)

1. ファンブレード特に自動車の冷却器用のファンブレードを備えたファンであって、前記ファンブレード（２）がファンハブ（３）上に固定されているファンにおいて、
   各ファンブレード（２）がブレード根元部（１５）の方向に後方へ屈曲されており、前記ファンブレード（２）の屈曲された領域（５）が少なくとも部分的に前記ファンハブ（３）の方へ引き下げられていることを特徴とするファン。
2. 前記屈曲部（６）から外側に向かって延在する第１の領域（４）における前記ファンブレード（２）の湾曲および／または半径が、前記屈曲部（６）からファンハブ（３）の方向へ延在する第２の領域（５）の湾曲および／または半径とは異なっており、前記ファンブレード（２）の前記第２の領域（５）が前記ファンハブ（３）の方へ引き下げられていることを特徴とする、請求項１に記載のファン。
3. 前記ファンハブ（３）の方へ引き下げられた前記ファンブレード（２）の前記第２の領域（５）における前縁部（８）が、回転方向に鎌刃形状（８ａ）に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のファン。
4. ハブ傾斜面（９）が、前記１つのファンブレードとそれに後続する前記ファンブレード（２、２ａ）とのそれぞれのブレード前縁部の間にテーパ状に形成されていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載のファン。
5. 前記ハブ傾斜面（９）が、前記ファンハブ（３）に配置された前記ファンブレード（２）の前記ブレード根元部（１５）を起点にして前記後続のファンブレード（２ａ）の後縁部（１０）へ向かって直接延設されていることを特徴とする、請求項４に記載のファン。
6. 前記ハブ傾斜面（９）とは反対側の前記ファンブレード（２）側面にスタビライザ（７）が配置されており、このスタビライザが、特に好ましくは、前記ファンブレード（２）の前記第２の領域（５）において、前記ファンハブ（３）の方へ引き下げられた前記部分に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５の少なくとも１項に記載のファン。
7. 前記スタビライザ（７）が、前記ファンブレード（２）の表側において、前記ファンブレード（２）の裏側における前記ハブ傾斜面（９）の半径方向の延在部よりも小さな半径で延在することを特徴とする、請求項６に記載のファン。
8. 前記ファンブレード（２）の重心（１６）が、前記ファンブレード（２）に作用する遠心力（Ｆ_Ｚ）と圧力上昇により前記ファンブレードに生じる空気力学的な力（Ｆ_Ｄ）とがほぼ相殺し合う程度において、前方へ負圧側に向かってずらされていることを特徴とする、請求項１〜７の少なくとも１項に記載のファン。
9. 前記ファンハブ（３）との前記ブレード根元部（１５）の結合部（１４）に近接して、少なくとも１つのフィン（１１）が前記ファン（１）の正圧側に半径方向に配置されていることを特徴とする、請求項１〜８の少なくとも１項に記載のファン。
10. 前記フィン（１１）が弓形の外縁部（１２）を有し、前記フィン（１１）が前記ファンハブ（３）から好ましくは前記ハブ傾斜面（９）まで延在していることを特徴とする、請求項９に記載のファン。

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