JP2014181633A - 可変形状ファン及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジンの潤滑油を冷却するための可変形状ファンの提供。
【解決手段】可変形状ファンは、弾性変形可能な構造体を有し、かつ、形状記憶合金からなる薄板を組み込んだ複数のブレード２からなるリングを支持するハブ１を備える。ブレードの形状を変更するように薄板に熱エネルギーを入力するために、ブレードの内部ダクトを通る温液体及び冷液体の循環路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却ファンに関し、特に（排他的ではなく）、産業車両及び同類のものの内燃エンジンの潤滑油を冷却するための冷却ファンに関する。

従来、この種のファンは、リングのブレードを支持する回転ハブを備えている。最適な冷却状態を保証するように、ファンの使用時に発生する気流を制御するために、ブレードの幾何学的形状を変更することが知られている。

本願出願人名義で出願された欧州特許出願公開第２０７８８６５号明細書には、ブレードの形状が形状記憶材料の使用によって変更される可変形状ファンが記載されている。特に、ファンの各ブレードは、ブレードの形状を変更するために加熱されるように設計された形状記憶金属合金からなる少なくとも１枚の薄板を組み込んだ弾性変形可能な構造を有し、これによって、ファンによって生成される気流を制御し、回転速度が変化しないように維持する。形状記憶合金からなる薄板の加熱は、ジュール効果によって、すなわち薄板そのものを通して適切に制御された電流を供給することによって得られる。

この解決策は、ある適用例では、満足できるものであり、かつ効果的ではあるが、特にブレードの元の形状、すなわち形状記憶薄板の加熱前の形状の復元については形状変化の迅速性の点でさらに改善できる。

欧州特許出願公開第２０７８８６５号明細書

本発明によれば、上記目的は、ブレードの形状を変更するように熱エネルギーをブレードの形状記憶合金からなる薄板に加える制御手段が各ブレードの内部チャネルを通る熱流体の循環用回路を有する点に特有の特徴がある請求項１の特徴の前提部分で規定されたタイプの可変形状ファンによって達成される。

本発明によれば、循環回路は、温液体用の第１送りラインと第１戻しライン、冷液体用の第２送りラインと第２戻しライン、及びファンが動作可能に結合されるエンジンの潤滑油の温度に応じて電子制御ユニットによって駆動されるそれぞれのソレノイド弁を備える。

電子制御ユニットには、ファンの使用の要求に応じて異なったロジックに従って２つのソレノイド弁を駆動するようにプログラムすることができる。

さらに、本発明の他の対象は、可変形状ファンのブレードの形状を制御する方法である。

本発明は、限定されない例によって単に提供された添付図面を参照して詳細に説明される。

本発明にかかる可変形状ファンの概略斜視図。 ファンの制御システムの電気油圧回路図を示す図。 図１の詳細を示す拡大図。 図３の構成要素を示す斜視図。 図３の構成要素を示す斜視図。 ファンの１つのブレードの概略前面斜視図。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線拡大断面図。 図３のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に従う部分拡大斜視図。 図８の変形例を示す図。 本発明にかかるファンの制御システムの異なる動作ロジックを例示するフローチャートを示す図。 本発明にかかるファンの制御システムの異なる動作ロジックを例示するフローチャートを示す図。 本発明にかかるファンの制御システムの異なる動作ロジックを例示するフローチャートを示す図。

最初に、図１を参照すると、本発明にかかる可変形状ファンは、例えば産業車両の内燃エンジンの潤滑油を冷却するために使用することができ、それ自体一般に知られるように、通常の様式で回転が調節され、ブレード２からなるリングの外縁に合うように設けられたハブ１を備えている。

各ブレード２は、概ね、前述の欧州特許出願公開第２０７８８６５号明細書に記載され図示されたものに従う１枚以上の形状記憶合金の薄板を組み込んだ弾性変形可能なボディによって構成されている。

詳細には、各ブレード２は、流体力学的な効率を最大限にする目的で適切に研究された特徴的な外形を有して形成されている。そして、各ブレード２は、場合により繊維強化された熱硬化性または熱可塑性の重合体のプレートのマトリックスからなっている。工業的観点から現在最も見込みがあると思われる解決策は、例えばナイロンのような熱可塑性物質と射出成形製造技術の使用を想定する。特に、各ブレード２は、図７で概略的に表されたように、それぞれのチャネル５，６が形成された２つの異なるハーフシェル３，４によって作成できる。その後、２つのハーフシェル３，４は、２つのチャネル５，６が内部ダクト９を画定するように互いに向かい合ってセットされる態様で、固定ジョイント７，８（および／または接着、他の等価なシステム）によって恒久的に取り付けられる。前記ダクト９は、例えば図６に点線で表された通路であり、以下で説明される熱流体の循環用回路を画定する。

図７を参照すると、ダクト９の気密シールは、例えばシリコン材料からなり、２つのハーフシェル３，４の一致する対向凹部に挿入されたガスケット１０によって保証される。

ダクト９の内部には、形状記憶金属合金からなる薄板１１が、通路全体に沿って、またはより好都合にはある部分にのみ（例えば図６に表されたように合計で３つ）セットされている。通常、薄板１１は、ニッケルチタンをベースにした合金からなり、ハーフシェル３，４間でチャネル１１の中央に保持されている。このようにして、図７に表されたように、チャネル５及びチャネル６にそれぞれ対向する各薄板１１の両面を、ダクト９を循環する熱流体によって両方とも包むことができる。

各ブレード２のダクト９は、例えばハブ１の外縁にねじ込まれ、かつ、ハブ１そのものの内部にセットされた図２において全体として１３が付されている放射状のマニホールドないし分配器と連通する管状コネクタ１２に接続されている。

放射状の分配器１３は、ハブ１に対して同軸に一方が他方の内側にセットされ、ハブ１と一緒に回転するインレットダクト１４、及びアウトレットダクト１５と連通する。図４，５、及び８に詳細に示すように、インレットダクト１４及びアウトレットダクト１５は、ハブに対して径方向にセットされ、図２に概略的に表され全体として１８が付された２つの油圧回路と連通するそれぞれの固定された管状コネクタ１６，１７に回転可能に取り付けられている。

回転可能な各ダクト１４，１５と対応の固定されたコネクタ１６，１７との間の気密シールは、相互に摺動接触する環状フランジ１９，２０，及び環状フランジ２１，２２それぞれによって得られ、前記接触は、（図８で表されたように）直接的であるか、または（図９で表されたように、）フランジ１９，２０間、及びフランジ２１，２２間にセットされた環状の摺動ベアリング２３，２４の使用を想定することが考えられる。

図２を参照すると、２つの油圧回路１８は、ポンプ２７によって貯留槽２８から流入する温液体の循環用の第１送りライン２５、及び第１戻しライン２６を有し、ポンプ３１によって貯留槽３５から流入する冷液体の循環用の第２送りライン２９、及び第２戻しライン３０を有する。

温液体及び冷液体は、本発明にかかるファンが動作可能に結合される内燃エンジンの冷却液体すなわちグリコールそのものによって有利に構成できる。特に、貯留槽２８の温液体は、対応の冷却ラジエータに入る前に取り出される一定量の冷却グリコールからなっていてもよい。一方、貯留槽３５の冷液体は、ラジエータを出て行く冷却液そのものであってもよい。代案としては、冷液体は、エンジンを冷却するグリコールの回路とは異なる自律的な回路から流入させてもよい。さらに、温液体は、自律的な回路によって供給してもよい。

２つの３方ソレノイド弁に３２，３３が付されている。３方ソレノイド弁３２，３３は、一側の第１送りライン２５と第１戻しライン２６の間、及び他側の第２送りライン２９と第２戻しライン３０の間と、固定されたインレットダクト１６と回転するインレットダクト１４、及び固定されたアウトレットダクト１７と回転するアウトレットダクト１５との連通を制御する。固定されたインレットダクト１６と回転するインレットダクト１４、及び固定されたアウトレットダクト１７と回転するアウトレットダクト１５は、前述した態様で、形状記憶薄板１１を組み込んだブレード２のダクト９と接続されている。

ソレノイド弁３２，３３は、プログラムを通じて選択的に変更可能な異なるロジックに従って、ファンによって発生した流れに晒されたエンジンの潤滑油の温度に応じて駆動を制御する電子制御ユニット３４に動作可能に連結されている。エンジンの潤滑油の温度を検出するために、従来型のトランスデューサーが設けられている。このトランスデューサーは、図示していないが制御ユニット３４に接続されている。

３つの例の考えられる制御ロジックが、図１０〜１２のフローチャートを参照して説明される。

図１０に例示された制御ロジックは、オンオフタイプのものである。すなわち、形状記憶薄板１１の作動は、薄板そのものの所定の配置のために達成可能な最大限の変形まで接続される。熱い／冷たいグリコールの循環を決定するパラメータは、明らかに、エンジン内部で検出される潤滑油の温度である。もし、検出された温度が、テストステージにセットされた上側の閾値（例えば８０度）を超えるならば、電子制御ユニット３４は、インレットダクト１６，１４、及びアウトレットダクト１５，１７を通じて、温回路（第１送りライン２５、第１戻しライン２６）とブレード２のダクト９との連通を開くように、ソレノイド弁３２，３３を作動させる。既にブレードの外形の最大限の変形を保証するのに必要な温度であるグリコールは、ダクト９を循環する。潤滑油の温度が、テストステージにセットされた下側の閾値（例えば７５度）まで一旦低下すると、制御ユニット３４は、温液体を送ることを中断し、記憶形状薄板１１が初期位置に戻る結果として、ブレード形状が初期形状に戻るまで、冷液体の回路（第２送りライン２９、第２戻しライン３０）とダクト９との連通を開く。これにより、そのままの場合、すなわち薄板１１の強制冷却がない場合よりも速く、かつ、より効率的に冷却を実行できる。

変形セットは、ファンの寸法に関連し、各ブレード２の内部での形状記憶薄板１１の一定の分配に対して達成可能な最大限の変形に等しくなる。これらの動作パラメータが一旦固定されると、期待される最大限の変形を確保することができる熱いグリコールの温度を規定できる。

図１１のフローチャートに従って実行される第２の制御ロジックは、モジュールタイプではない。すなわち、テストステージにおいて、必要とされる変形度合いまでブレードの外形の変形をもたらすことを可能にする全ての変数が決定される。形状記憶薄板１１の所定の形状配置のために、第１の決定は、期待される変形の度合いを考慮する。この選択は、ファンの性能曲線、及びファンが結合されたエンジンのタイプに強く結びついている。これら３つのパラメータが一旦セットされると、システムの動作点、従って期待される変形を保証するために到達されなければならないグリコールの温度を導き出すことが可能である。例えば、以下のように、小さな寸法のファンが存在する場合、形状記憶薄板１１を作動させることができるグリコールの温度は、より大きな寸法のファンが存在する場合よりも多く含まれるだろう。

この場合も、形状記憶薄板１１の作動は、検出されたエンジン潤滑油の温度に応じて制御される。しかしながら、前のロジックとは異なり、テストステージにおいて作動させる変形の度合いを決定することは可能である。形状記憶薄板１１、ひいてはブレードを最大限まで変形させないことを選択すると、流入する低い温度のグリコールに由来するエネルギーの節約がもたらされ、ポテンシャルを最大限まで使用しないファンの耐用年数が長くなる。

図１１のフローチャートによって規定された制御ロジックによって、形状記憶薄板１１が作動する潤滑油の上側の閾値の温度は、８０℃と設定され、下側の閾値の温度は７５℃と設定される。

図１２のフローチャートによって例示された第３の制御ロジックも、前のものと同様にモジュールタイプであるが、テスト中の決定は、期待される変形の度合いに加えて、変形を完了させるのに必要な時間ｔ_１、従って油温を低下させるのに必要な時間ｔ_１を考慮する。冷却時間は、テストステージでセットされる安全パラメータΔｔに関連して評価される。ファンの性能曲線、及びファンが結合されるエンジンのタイプが一旦特定されると、前に説明したように、システムの動作点、従って期待される変形を保証するために到達するグリコールの温度Ｔ_Ｇを規定することが可能である。

作動は、常に、エンジン潤滑油の温度を測定することによって決定されるが、テストステージで決定された時間が関与する。単純にするために、ｔ_１を１２０秒、Δｔを５０秒に設定した数値の例を考えてください。検出された油の温度が上側の限界値として設定された８０℃よりも高いとき、熱いグリコールの循環は実行される。

一旦ｔ_１−Δｔより短い時間が経過すると、２つの状態が存在する。
・油の温度が最大値より下に低下したならば、到達した変形が温度を低下させる効果を既に有していたことを意味し、冷たいグリコールの回路を作動させ、サイクルの作動を終了することが可能である。
・油の温度がまだ閾値よりも高いならば、油の温度を低下させるために７０秒が利用可能であるとすると、温度Ｔ_Ｇのグリコールの循環を延長するには十分である。

そうではなくて、もし、ｔ_１−Δｔに等しい時間またはｔ_１−Δｔより長い時間が経過し、グリコールの温度がまだ閾値の７５℃以上であるならば、ヒータは、ブレードの外形の変形の度合いを増加させ、予めセットされた時間で閾値内に戻ることができるように、グリコールをＴ_Ｇ以上に加熱する。

このようにして、テストステージにセットされた時間を考慮してブレードの外形のモジュールの変形を保証することが可能である。この場合、必要なときにのみグリコールの温度をＴ_Ｇ以上に上昇させるため、エネルギーの節約に関して利点を強調することが重要である。さらに、ファンはポテンシャルの最大限まで使用しないので、ファンの長寿命が達成される。

最後に、この第３制御ロジックは、ファンが使用時に作動する異なる環境条件に関連して考えることができる。例えば、冬の低い温度で作動させる場合、グリコールをＴ＞Ｔ_Ｇの温度まで加熱することを必要としない、従って吸収される力を制限する条件であってもよい。

もちろん、構造の詳細及び実施形態は、本発明の原理に対する偏見なしに、次の請求項に規定された本発明の範囲を逸脱することなく、ここで説明され、図示されたものに対して広く変更することができる。

したがって、ブレードの内部に挿入されたニッケルチタンの形状記憶薄板の変態温度の最適化として、薄板そのもの作動、及び結果として起こるブレードの外形の変更のために、車両内部に既に存在する温液体（エンジン冷却システムのグリコール）の使用を可能にする。熱いグリコールは、エンジンのラジエータに入る前に取り出し、既に示した様式に従うファンのブレードの内部に搬送することができる。想定された作動の終わりに、冷却液は、ブレードに搬送され、その後の薄板の冷却を助け、ブレードが初期形状に戻ることを加速させる。車両のエンジンの熱の大きさの決定に関して、冷却工程中、冷たいグリコールは、（ΔＴが十分であるならば、）出口でラジエータから取り出されることによって、あるいは冷却液の専用回路を設けることによって使用できる。このようにして、ブレードの内部の温液体の停滞が回避され、ファンを越える気流の対流効果によって促進される初期形状への戻りが助けられる。

さらに、異なる作動ロジックに従って、エンジンルームの温度、ひいては十分な流速の冷却空気を送ることができるように設計されたブレードの形状の最適な配置を決定する、ファンを越える空気の温度であることを期待してもよい。この場合、できれば薄板が部分的に露出され、その結果として熱交換を向上させるために空気と直接接触して包まれるということを想定して、ブレードの形状の斬新的な制御を実行することができる。液体の加熱回路及び冷却回路は、もはや必要ではないが、空気の温度に関連して薄板に起こる対流効果及び結晶相の転移により、ブレードの形状を必要とされる作動条件に連続的に適合させるだろう。

１ ハブ
２ ブレード
３，４ ハーフシェル
５，６ チャネル
７，８ 固定ジョイント
９ ダクト
１０ ガスケット
１１ 薄板
１２ 管状コネクタ
１３ 分配器
１４ インレットダクト
１５ アウトレットダクト
１６，１７ 管状コネクタ
１８ 油圧回路
１９，２０，２１，２２ 環状フランジ
２３，２４ 摺動ベアリング
２５ 第１送りライン
２６ 第１戻しライン
２７ ポンプ
２８ 貯留槽
２９ 第２送りライン
３０ 第２戻しライン
３１ ポンプ
３２，３３ ３方ソレノイド弁
３４ 電子制御ユニット
３５ 貯留槽

Claims (14)

1. 形状記憶合金からなる少なくとも１枚の薄板（１１）を組み込んだ弾性変形可能な構造体を各々有する複数のブレード（２）からなるリングを支持する回転ハブ（１）、及び前記ブレード（２）の形状を変更するように前記少なくとも１枚の薄板（１１）に熱エネルギーを加えるための制御手段（９，１８，３４）を備える、特に内燃エンジンの潤滑油を冷却するための可変形状ファンにおいて、
   前記制御手段は各ブレード（２）の内部ダクト（９）を通る熱流体の循環用回路（１８）を有することを特徴とする可変形状ファン。
2. 前記熱流体の循環用回路（１８）は、温液体用の第１送りライン（２５）及び第１戻しライン（２６）と、冷液体用の第２送りライン（２９）及び第２戻しライン（３０）と、前記内部ダクト（９）と前記第１ライン（２５，２６）、または前記第２ライン（２９，３０との連通をそれぞれ開閉するためのソレノイド弁手段（３２，３３）と、該ソレノイド弁手段（３２，３３）に動作可能に接続された電子制御ユニット（３４）とを有することを特徴とする請求項１に記載の可変形状ファン。
3. 前記電子制御ユニット（３４）は、エンジン潤滑油の温度に応じて前記ソレノイド弁手段（３２，３３）の開閉を駆動するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の可変形状ファン。
4. 前記電子制御ユニット（３４）は、選択的に変更可能なロジックに従って作動するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の可変形状ファン。
5. 前記少なくとも１枚の形状記憶薄板（１１）は、前記ブレード（２）の前記内部ダクト（９）に沿って配置されていることを特徴とする１以上の先行する請求項に記載の可変形状ファン。
6. 前記少なくとも１枚の形状記憶薄板（１１）は、その両面が前記内部ダクト（９）の中で露出されていることを特徴とする請求項５に記載の可変形状ファン。
7. 前記回転ハブ（１）は、前記ブレード（２）の前記内部ダクト（９）と連通し、かつ、前記回転ハブ（１）に対して同軸に配置された前記熱流体のインレットダクト（１４）及びアウトレットダクト（１５）に連結された放射状の分配器（１３）を有することを特徴とする１以上の先行する請求項に記載の可変形状ファン。
8. 前記インレットダクト及びアウトレットダクトは、前記回転ハブ（１）とともに回転し、摺動シールコネクタ（１９，２０；２１，２２）を介してそれぞれの固定された部分（１６，１７）に連結されたそれぞれの回転可能な部分（１４，１５）を有することを特徴とする請求項７に記載の可変形状ファン。
9. 前記摺動シールコネクタ（１９，２０；２１，２２）は環状摺動ベアリング（２３；２４）を有することを特徴とする請求項８に記載の可変形状ファン。
10. 各ブレード（２）は、シールして合わされ、前記内部ダクト（９）を形成するために互いに向かい合ったそれぞれのチャネル（５，６）を有する１対のハーフシェル（３，４）によって形成されることを特徴とする１以上の先行する請求項に記載の可変形状ファン。
11. 前記熱流体は、前記内燃エンジンの冷却液によって構成されることを特徴とする１以上の先行する請求項に記載の可変形状ファン。
12. 特に内燃エンジンの潤滑油を冷却するための可変形状ファンのブレードの形状を制御する方法であって、
    前記ブレード（２）が、熱エネルギーが加えられる形状記憶合金からなる薄板（１１）を組み込んだ弾性変形可能な構造体を有する方法において、
    前記熱エネルギーの入力は、各ブレード（２）の内部ダクト（９）を通る熱流体の、前記薄板（１１）が露出された内部ダクト（９）への循環を想定することを特徴とする可変形状ファンのブレードの形状を制御する制御方法。
13. 前記熱流体は、前記ファンが使用される前記エンジンの潤滑油の温度に応じて前記内部ダクト（９）を通して制御される循環の、温液体及び冷液体を含むことを特徴とする請求項１２に記載の可変形状ファンのブレードの形状を制御する制御方法。
14. 前記熱流体は、前記ファンが使用される前記内燃エンジンの冷却液であることを特徴とする請求項１２に記載の可変形状ファンのブレードの形状を制御する制御方法。

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