JP2018534476A - 軸流ファンのブレード間の角度間隔を計算する方法 - Google Patents

Abstract

ハブ（２）と、ハブから延設されるｚ個のブレード（３）と、を備える軸流ファン（１）の角度間隔を計算する方法を開示する。複数のブレードの角度位置をα1，・・・，αz（α1＝０とする）として表し、複数のブレード間の角度差をεi＝αi+1−αi、ｉ＝１，・・・，ｚ−１、εz＝３６０°−αzとして表す。方法は、それぞれが角度間隔が満たすべき制約の表現である複数の数学的な問題を含む計算手順を設定する工程を含む。計算手順は、ファン（１）が静的にバランスを取ることを要求する第一の数学的な問題と、隣接するブレード（３）が重ならないことを要求する第二の数学的な問題と、角度差ε1，・・・，εnがすべて互いとは異なることを要求する第三の数学的な問題と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、角度間隔を計算する方法に関し、特に軸流（axial flow）ファンすなわち軸流ファンのブレード間の角度間隔を計算する方法または設計方法に関する。

当該軸流ファンは、自動車用途に、特に、一般に例えばラジエータである適当な熱交換器と組み合わせた機関冷却システムのために設計された軸流ファンである。

このタイプのファンは、高効率、特に軸方向における寸法的なコンパクト性、良好な水頭（圧力）および流量値を達成する能力ならびに低ノイズを含むいくつかの要求を満たさなければならない。

軸流ファンのブレード間の角度間隔に関する技術は、時間をかけて発展してきた。

ファンの実現には、実際には、理論上、複雑な方程式系において適切な制約条件を課すことによって低減される無限解法（ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）が含まれる。例えば常に適合してなければならない一の制約条件は、ファンのバランスを取ることである。

本発明と同じ出願人名の欧州特許第０５５３５９８号明細書（ＥＰ０５５３５９８Ｂ）には、等角度で間隔を空けて配置されたブレードを有するブレードを備えるファンが開示されている。

この特許に従って製造されるファンでは、良好な効率および低い騒音レベル値が得られるが、ノイズの音の分布によっては人間が聴き取ることを邪魔すると分析される場合がある。

実際、等角度で間隔を空けて配置されたブレードでは、周波数がブレード通過周波数（ｂｌａｄｅ ｐａｓｓａｇｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の整数倍に対応する一連の高調波で、共振現象が発生する。この周波数は、ファンの毎秒回転数の数とブレードの数との積に対応する。これらの共振現象は、人間の聴覚で耳障りに感じると分析される場合があるヒスノイズ（ｈｉｓｓｉｎｇ）を引き起こす。

たとえノイズによって引き起こされた不快という感覚が主として主観的な問題であったとしても、大きく二つの要因が、音による障害に影響を与えている。音圧レベルすなわちノイズの強度とその音質的分布（ｔｏｎａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）である。したがって、たとえ強度が小さいノイズであっても、ノイズの音質的分布が背景雑音とは違うと識別される場合、耳障りに感じる場合がある。例えば、音質（ｔｏｎｅ）は、ノイズ（広い周波数帯）の基準レベルより少なくとも６ｄＢ大きい場合、耳障りに感じると考えられる。

この欠点を克服するために、また、空気の流れに影響する空気・流体力学的な（ａｅｒａｕｌｉｃ）不連続性の存在により決定されるそのような音質を回避するために、等角度でない間隔を空けて配置されたブレードを有するファンが提案されている。このようなファンの一例は同じ出願人名で欧州特許第０９４５６２５号明細書（ＥＰ０９４５６２５）に記載されている。

種々の周波数（ノイズ全体）における音の強度値の積分計算を行うことによって、等角度で間隔を空けて配置されたブレードによるノイズとおよそ等しい非等角度で間隔を空けて配置されたブレードによるノイズが生成される。それでも、ノイズの異なる音質的分布によって、音響的快適性を改善することができる。

ブレードをオフセットする論理は、音放射のスペクトルに基づいて、知覚されるノイズをいっそう改善することを目的とした対応する制約条件に変換される高度な論理へと発達した。

しかしながら、スペクトルにおいては分からない、不快感を生じさせるタイプの知覚ノイズが存在する。

全く反対に、容認できるまたは良好なスペクトルであるにもかかわらず、使用時に、不快感を伝えるファンである場合もある。

こうした意味で、本発明の主な目的は、上述の欠点を克服する角度間隔を計算する方法を提供することにある。

本発明の目的は、ノイズの点から、特に回転において発生するノイズを可能な限り気にならなくするために知覚ノイズの点から改善するタイプのファンの実現へと変換する、軸ファン（ａｘｉｓ ｆａｎ）における角度間隔を計算する方法を提供することである。

上述した技術的目的および特定の目標は、請求項１にかかる計算方法によって十分に達成される。

本発明のさらなる特徴および利点は、以下の添付図面に示すタイプの軸流ファンのブレード間の角度間隔を計算する方法の、好ましいが限定するものではない実施形態を参照した以降の詳細な説明からより明瞭となろう。
本発明にかかる方法で計算される軸流ファンの概略的な平面図を示す。 本発明にかかる方法で計算される軸流ファンの第二実施形態の概略的な平面図を示す。

添付図面を参照して、参照符号１は、本発明にかかる方法を説明するために用いる語による以下に示す短い定義に関連する軸流ファンを表す。

ブレード間隔角度αは、それぞれのブレード（例えばブレードの端部の縁部）の対応する点を通る半径間の回転の中心で測定される角度である。それぞれの間隔角度αは、便宜上α₁＝０とする角度位置に対応する。

図１に例として示すファン１は、五つのブレード３が延設されているハブ２を備える。また、図２のファンは、１１個のブレードを備える。以降では、ファン１のブレード３の数を「ｚ」で表す。

それぞれのブレード３は、根元部４と頂部すなわち端部５とを有する。それぞれのブレード３は、理論上ブレードの各径方向の断面に対して一つであって、根元部４からから延びて端部５に漸進的に連結される一連の空気力学的輪郭によって形成される。

個々のブレード間の角度差を

として表す。

角度間隔を計算する方法は、それぞれが角度間隔が満たすべき制約すなわち条件の表現である複数の数学的な問題を含む手順（system）を設定する工程を含む。

好ましい実施形態において、手順は、ファン１が静的にバランスを取ることを要求する第一の数学的な問題を含む。

五つのブレードを有するファン１の図１における実施例の場合、

である。

α₁＝０であることを考慮に入れると、

となる。

問題の未知数と角度差を置き換えて、以下の三つの式が得られる。

すなわち、五つの未知数を含んでいる三つの式の手順であり、自由度は二つである。一般にｚ個のブレードを有するファンでは、手順はｚ個の未知数を含んでいる三つの式のバランス条件から得られ、つまり、自由度がｚ−３つである手順となる。

手順の解は、角度位置の計算により得られる。

計算方法において設定される手順は、隣接するブレードが重ならないことを要求する第二の数学的な問題を含む。

ハブ２に対するブレード３の「角度的な広がり（ａｎｇｕｌａｒ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）」を考慮に入れる角度δを導入すると、ブレードが重ならないようにするためには、

であることが必要である。

五つのブレード３を有するファン１の例における場合では、

と書くことができる。

この条件により、プラスチック材料からのファンの型成形ができる。ブレード３を重ねないことによって型を開くことができるからである。そうできない場合には問題となる。

本発明にかかる計算方法において、計算手順は、ブレード３間の角度差ε₁，・・・，ε_nがすべて互いとは異なることを要求する第三の数学的な問題を含んでいる。

こうして、使用時において、同じ角度で間隔を空けて配置された数ペアのブレードが存在する状態において生じるであろう効果が無効になる。

その場合、低周波における同一の高調波成分（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ）を生成する二つのシステムが、すなわち同じ高調波成分を有する音圧波形があることになる。これらの環境は、不快感を引き起こす、スペクトルにおいて分からない知覚ノイズの例であるいわゆる「ラトルノイズ（ｒａｔｔｌｅ ｎｏｉｓｅ）」の誘因となるが、それをブレードすべてが互いとは異なるブレード間の角度差を設定することによって解消できることを出願人は見出した。

好ましい実施形態において、等しい角度差を有するペアのブレードが含まれないよう、以下の条件が規定される。

一の実施形態においては、例えば、λ＝２である。

五つのブレード３を有するファン１の例における場合では、例えば、λ＝２を考慮すると、

と書くことができる。

本発明にかかる計算方法において、計算手順は、１８０°オフセットした点にはブレードが存在しないことを要求する、つまり、

を要求する第四の数学的な問題を含んでいる。

この条件により、ファン１が設置される用途の対称性の理由で、同じノイズが同時に発生することを回避する利点がある、すなわち同じノイズを同時に生成する二つのブレードが備えられないよう、同じ形状を有する細流（ｔｈｒｅａｄｓ ａｉｒ）に当たることになるブレードが直径方向における反対側に位置してはならない。

したがって本発明にかかる方法は、上述した条件すべてをチェックし、そして見付けたそれぞれの解に対して、以下の定義するターゲット関数ｆ（ε_i）を評価する。

一般に、ターゲット関数は以下のように表現することができる。

計算方法は、可能な限り互いに異なる角度差を有するよう、上述のターゲット関数を最大化することを含む。

好ましい実施形態において、角度差εが計算されると、計算された角度に応じてオフセットされるすべてのブレード３に対して同一であるブレードの幾何構造が、既知の方法で決定される。

実際には、計算された角度によって互いからオフセットされた、同一の羽根３を有する、図１に例えば示したファン１が得られる。

図２に示した他の好ましい実施形態において、それぞれが、他のブレードとは異なる、いわゆる「縁部弓形（edge bow）」を有するブレード３が生成される。

実際には、ブレード毎に異なる縁部弓形を有するブレード３は生成され、そして、それらブレードは互いに同一ではない。

好ましくは、ハブ２において、すなわち根元部４において等間隔で配置される、すなわち、互いとすべて等しい角度で分離された輪郭を有すると同時に、頂部５における輪郭が、計算された角度εで間隔を空けて配置されるようブレード３が生成される。

実際には、この場合、頂部の輪郭がハブまたは根元部における輪郭に対してどれほど回転するかを特定する縁部弓形角度（edge bow angle）すなわち後退角度（sweep angle）を持つブレード幾何学的形状を、十分に知られている方法で生成することから開始する。

上述した通りに計算した角度εが、初めに設定された（initial）縁部弓形に加えられ、そして、したがってブレードはそれぞれ、他のブレードとは異なる縁部弓形を有する。

上述した発明により顕著な利点が得られる。

軸流ファンの実施形態は、理論上無限の解を有するが、検討している変数の数を低減するために課することができるより多くの制約によって低減できる。

複数の問題に基づいた提案される計算手順によって、問題の点から規定される条件を満たす一以上の要素（数、機能、幾何学的形状、設定など）の決定または構築を必要とする問題の意味で、計算方法の自由度を低減できる。

提案の設計方法により、いわゆる「ラトルノイズ」を十分に低減でき、概して知覚ノイズの点からファンの性能を改善できる。

欧州特許第０５５３５９８号明細書（ＥＰ０５５３５９８Ｂ） 欧州特許第０９４５６２５号明細書（ＥＰ０９４５６２５）

Claims (7)

1. ハブ（２）と、前記ハブ（２）から延設されるｚ個のブレード（３）と、を備える軸流ファン（１）の角度間隔を計算する方法であって、
   それぞれのブレード（３）は、根元部（４）と頂部（５）とを有しており、前記根元部（４）から延びて前記端部（５）に漸進的に連結される複数の空気力学的輪郭によって形成されており、
   前記個々のブレードの角度位置を
   α₁，・・・，α_z（α₁＝０とする）
   として表し、
   前記個々のブレード間の角度差を
   ε_i＝α_i+1−α_i、ｉ＝１，・・・，ｚ−１、ε_z＝３６０°−α_z
   として表すとき、
   前記方法は、それぞれが前記角度間隔が満たすべき制約の表現である複数の数学的な問題を含む計算手順を設定する工程を含んでおり、
   前記計算手順は、
   前記ファンが静的にバランスを取ることを要求する第一の数学的な問題と、
   隣接するブレードが重ならないことを要求する第二の数学的な問題と、
   を含んでいる方法において、
   前記計算手順は、前記角度差ε₁，・・・，ε_nがすべて互いとは異なることを要求する第三の数学的な問題を含んでいる方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記第三の数学的な問題は
   

   

   のタイプである方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   前記計算手順は、１８０°オフセットした点にはブレードが存在しないことを要求する、つまり、
   α_i−α_j≠１８０°、ｉ＞ｊ、ｉ＝１，・・・，ｚ、ｊ＝１，・・・，ｚ
   を要求する第四の数学的な問題を含んでいる方法。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の方法において、
   前記計算手順のそれぞれの解に対して
   

   

   のタイプのターゲット関数を計算する工程と、
   可能な限り互いに異なる角度差ε_i＝α_i+1−α_i、ｉ＝１，・・・，ｚ−１、ε_z＝３６０°−α_zを持つよう前記ターゲット関数を最大化する工程と、
   を含んでいる方法。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の方法において、
   すべての前記ブレード（３）に対して等しいブレード幾何学的形状を生成するための工程と、
   前記角度差ε₁，・・・，ε_nに応じて前記ブレード（３）をオフセットさせる工程と、
   を含んでいる方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一に記載の方法において、
   ブレード幾何学的形状を生成するための工程を含んでおり、
   前記ハブ（２）におけるすなわち前記根元部（４）における輪郭は均等に間隔を空けて配置されており、
   前記頂部（５）における輪郭は前記角度差ε₁，・・・，ε_nに応じて間隔を空けて配置されている方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記ブレード幾何学的形状を生成するための前記工程は、
   前記頂部（５）の前記輪郭が前記根元部（４）における前記輪郭に対してどのくらい回転するかを特定する、縁部弓形角度を有する縁部弓形ブレード幾何学的形状を生成するための工程と、
   前記縁部弓形角度に前記角度差ε₁，・・・，ε_nを加算して互いに異なる縁部弓形を有する前記ブレード（３）とする工程と、
   を含んでいる方法。

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