JP2019105269A - 冷却ファンモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】特に騒音発生に関して好都合な、改良された冷却ファンモジュールを提供する。【解決手段】本発明の冷却ファンモジュール１は、ファンシュラウド２と、ファンシュラウド２内に形成されたファンプロペラ切欠き４と、流れ方向における下流側に位置する支柱１０によってファンシュラウド２に機械的に連結されたモーター取付部３と、モーター取付部３内に少なくとも部分的に取り付けられたモーター５と、ファンプロペラ切欠き４内に配置され、かつモーター５によって回転軸心Ｒを中心として回転駆動されるファンプロペラ６とを備え、ファンプロペラは複数のブレード要素６ａを有し、支柱１０のうちの少なくとも１つと、ブレード要素６ａのうちの少なくとも１つとを含む群のうち、少なくともすべての要素が前方湾曲形状または後方湾曲形状である。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却ファンモジュールに関し、特に、主たる流れ方向における下流側（後方）に配置された支柱を有する電動の冷却ファンモジュール（特に自動車用のもの）に関する。

（特に、自動車の）内燃機関の冷却システムは、燃焼プロセスが理想的に行われないことにより燃焼室およびシリンダの壁に出力される熱を主に排出する。温度が極めて高い場合エンジンに損傷（潤滑皮膜の破断、バルブの焼き付き等）が生じるので、内燃機関を積極的に冷却する必要がある。

現代の内燃機関（特に、自動車における４ストロークエンジン）は、いくつかの例外を除き、概して、水、不凍液および防蝕剤の混合物が冷却用流体として用いられる液冷式のものである。

この冷却用流体は、ホース、パイプおよび／またはダクトを介してエンジン（シリンダーヘッドおよびエンジンブロック）を通り、また適切な場合には、排気ガスターボチャージャー、発電機または排ガス再循環冷却器などといった、エンジンに取り付けられて熱的なストレスを大きく受ける部分を通して、送られる。このとき、冷却用流体は上記の部品から熱エネルギーを吸収して運び去る。温められた冷却用流体は冷却器に流入する。この冷却器は、以前は黄銅製であることが多かったが、現在は一般的にアルミニウム製であり、通常、自動車の前部に取り付けられている。この位置において、空気流が冷却液から熱エネルギーを吸収することで、冷却液が再びエンジンに戻る前に冷却され、これにより冷却液回路が閉じられる。

冷却器へ空気を流すために、ベルトドライブを用いて機械的にまたは電気モーターを用いて電気的に駆動することができる冷却ファンモジュールが、（主たる）流れ方向において冷却器の上流側または下流側に設けられる。以下の説明は電動の冷却ファンモジュールに関するものである。

従来、冷却ファンモジュールは、ファンプロペラ切欠きを有するファンシュラウドから構成される。このファンプロペラ切欠き内に、支柱によってファンシュラウドに機械的に連結されたモーター取付部が配置されている。支柱は、空気体積流（air volume flow ）に基づいてエアシュラウドの下流側または上流側に設けることができる。モーター（特に、電気モーター）は、モーター取付部内に取り付けられている。電気モーターによって駆動されてファンプロペラ切欠き内で回転するファンプロペラが、電気モーターの出力軸に設けられている。

冷却ファンモジュールを構成および開発する際には、単位時間当たりに要求される空気量が関連するだけでなく、利用可能な設置スペース、特に、空気体積流および／または冷却ファンモジュールの寸法に基づく、冷却器の上流または下流における冷却ファンモジュールの配置、ならびに騒音発生も関連する。

特に騒音発生に関して、支柱が設けられているのがエアシュラウドの上流側であるのか下流側であるのかが重要となるが、このことは、基本的にこれらが異なる空力特性を有することによる。エアシュラウドの上流側（吸入側）の空気は比較的ゆっくり、少なくとも基本的に層状に流れるが、ファンプロペラ切欠きを通過した後には、通過する前よりも速く、より高密度でより渦状の流れとなる。このため、モーター取付部の取付けについての主要要件とは別に、前方（上流側）にある支柱に対する要件と後方（下流側）にある支柱に対する要件は基本的に異なる。前方に位置する支柱は、送り機能および／または空気指向機能を果たすことも可能であり、このような支柱は、後方に位置する支柱とは少なくとも基本的に無関係である。このとき、重要な要因となるのは、むしろ、空力的な観点から支柱が可能な限り「不可視」となっていることであり、つまり、支柱は下流の空気流にできるだけ影響を与えないように構成されている。

独国特許出願公開第１０２０１２１１２２１１号明細書（特許文献１）は、熱交換器の送風ユニットに関する。開示された送風ユニットは直線状のスポークを有し、これらのスポークは後方に配置されており、電気モーターを保持する環状の支持要素と板状の支持構造とを連結している。

独国特許出願公開第１０２０１２１１２２１１号明細書

この背景技術に対して、本発明は、特に騒音発生に関して好都合な、改良された冷却ファンモジュールを提供するという目的に基づいている。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１の構成を有する冷却ファンモジュールを用いて達成される。

つまり、本発明に係る冷却ファンモジュールは、ファンシュラウドと、前記ファンシュラウド内に形成されたファンプロペラ切欠きと、流れ方向における下流側に位置する支柱によって前記ファンシュラウドに機械的に連結されたモーター取付部と、前記モーター取付部内に少なくとも部分的に取り付けられたモーター（特に、電気モーター）と、前記ファンプロペラ切欠き内に配置され、かつ前記モーターによって回転軸心を中心として回転駆動されるファンプロペラとを備え、前記ファンプロペラは複数のブレード要素を有し、前記支柱のうちの少なくとも１つおよび前記ブレード要素のうちの少なくとも１つを含む群のうち、少なくともすべての要素が前方湾曲形状または後方湾曲形状である。

本発明に係る「冷却ファンモジュール」は、特に、前記流れ方向において自動車の冷却器の上流側または下流側に設けられ、かつ前記冷却器を通るおよび／または前記冷却器の周囲を流れる空気体積流を生じさせるために設けられ、特にこのために構成されたアセンブリであり、前記空気体積流は、前記冷却器から熱エネルギーを吸収する。

本発明に係る「ファンシュラウド」は、特に前記ファンプロペラが取り付けられるフレームであり、このフレーム自体は前記冷却器にまたはその近傍に配置され、特に固定されていることが好ましい。本発明に係るファンシュラウドは、プラスチック材料（特に、プラスチック化合物）を含むことが好ましく、特に、前記ファンシュラウドはプラスチック材料から形成されている。付加的および／または代替的に、前記ファンシュラウドは、例えば、鉄、鋼、アルミニウム、マグネシウムなどの金属材料を含み、特に少なくとも部分的に、特に少なくとも基本的に、特に完全に金属材料から形成されている。一実施形態によれば、ファンシュラウドは、２つ以上のファンプロペラ切欠きと、１つのモーター取付部と、１つのモーターと、１つのファンプロペラとを有していることも可能であり、特に、本発明は、２つ以上（特に２つ）のファンプロペラを有する冷却ファンモジュールにおける使用に適している。一実施形態によれば、前記ファンシュラウドは、少なくとも１つの開閉自在の開口、特に少なくとも１つのフラップ、特に複数のフラップをさらに有する。この点は、特にこれによりさらなる空気指向特性を実現させることができるので、好都合である。

本発明に係る「ファンプロペラ切欠き」は、特に、前記ファンシュラウド内の材料の切欠き部である。本発明の一実施形態によれば、前記ファンプロペラ切欠き内に配置されたモーター取付部を前記ファンシュラウドに機械的（特に、電気的および／または電子的）に連結する支柱が、前記ファンプロペラ切欠き内に延在している。本発明の一実施形態によれば、前記ファンプロペラ切欠きはシュラウドリングによって囲まれている。

本発明に係る「モーター取付部」は、特に、前記ファンプロペラに対抗するトルクを提供するために、特に、前記モーターを前記ファンシュラウドに機械的に固定する装置である。一実施形態によれば、前記モーター取付部は、前記モーターが取り付けられる少なくとも基本的に環状の構造である。この点は、特に、これにより前記モーターを通る冷却空気の好都合な流れに悪影響を与えずにすむので、好都合である。

本発明に係る「流れ方向」は、特に主たる流れ方向と称する方向であり、換言すれば、前記ファンプロペラの前記回転軸心と平行に前記ファンシュラウドの前記ファンプロペラ切欠きを通る流れであって、前記冷却器を冷却するために用いられる流れを指している。

本発明に係る「支柱」は、特に、前記モーター取付部と前記ファンシュラウドとの機械的な連結を実現する棒状または鎌状の構造である。本発明の一実施形態によれば、前記支柱は、好都合な空力効果および／または制音効果を得るために液滴状の断面を有していてもよい。

本発明に係る「モーター」は、特に、１つの形式のエネルギー（例えば、熱／化学／電気エネルギー）を運動エネルギー（特に、トルク）に変換する機械的な作業を行う機械である。この点は、特にこれにより、エネルギーの供給を除き、少なくとも基本的に自立的に、換言すれば（例えばファンベルトまたは歯付きベルトなどによって）外部から運動エネルギーを供給することなく前記ファンシュラウドを作動させることができるので、好都合である。

本発明に係る「電気モーター」は、電力を機械力（特に、トルク）に変換する電気機械変換器（電気機械）である。本発明に記載の電気モーターという用語には、以下に限定されるものではないが、直流モーター、交流モーターおよび三相モーター、またはブラシ付き電気モーターおよびブラシレス電気モーター、またはインナーロータ型モーターおよびアウターロータ型モーターが含まれる。この点は、特に、電気エネルギーは機械エネルギーまたは化学エネルギーと比べて伝達が容易な形式のエネルギーであり、これにより前記ファンプロペラを駆動するために必要なトルクを得ることができるので、好都合である。

本発明に係る「ファンプロペラ」は、特に、ハブ（特に、ハブの皿状頭部）に連結されている回転対称な部品であって、ハブは、モーターによって発生されるトルクが少なくとも基本的にすべて前記ファンプロペラに伝達されるように、前記ファンプロペラを前記モーターに、特にモーターから突出するシャフトを介して連結している。

本発明に係る「ブレード要素」は、前記回転軸心が垂直に交わる平面に対して傾斜した少なくとも基本的に平坦な板状体であって、この板状体は、ハブの皿状頭部に設けられており、前記ファンプロペラが回転駆動されるとすぐに空気体積流を発生させるために設けられ、特にこのために構成されている。このとき、前記ブレード要素が、前記回転軸心に対して−９０°から＋９０°、特に−７５°から＋７５°、特に−６０°から＋６０°、特に−４５°から＋４５°、特に−３０°から＋３０°の角度範囲で傾斜していることが好ましく、−１５°から＋１５°の角度範囲で傾斜していることが特に好ましい。本発明に係るブレード要素は、特に、ブレード、ショベルブレードまたはローターブレードであってもよいと理解されたい。

本発明に係る「前方湾曲形状（forward-sickled ）」は、特に、前記回転方向において、前記ブレード要素の先端が、前記ブレード要素の中央よりも進んだ位置にある（leads ）ということ意味している。

本発明に係る「後方湾曲形状（rearward-sickled）」は、特に、前記回転方向において、前記ブレード要素の先端が、前記ブレード要素の中央よりも遅れた位置にある（lags）ということを意味している。

換言すれば、前記少なくとも１つの支柱の形状（寸法形状、geometry）は、前記回転軸心と垂直な平面における長さに関して、少なくとも基本的に前記少なくとも１つのブレード要素の形状に応じたものである。特に、前記形状は、前記回転軸心と垂直な平面における長さに関して、前記少なくとも１つの支柱の支柱中心線に応じており、少なくとも基本的に前記少なくとも１つのブレード要素のブレード要素中心線の形状に応じている。

この点は、特に、これにより前記支柱（特に、後方に位置する支柱）による悪影響のうちの少なくとも１つ（特に、騒音に関する影響（acoustics ））を低減することが可能であるので、好都合である。これについて、ファンシュラウドの開発において支柱は常に悪影響を与えるものである、ということを認識しておく必要がある。前記ファンプロペラによって発生される体積流は、特に、前記流れ方向において前記ファンプロペラのすぐ下流側（後ろ）で密度が高く、それぞれの空気分子は、前記ファンプロペラによって発生される渦とともに極めて高速で前方へ移動する。この初期状態において、空気分子は「その通り道にある」支柱に衝突し、その結果として空気分子は制動され、その方向を変える。この場合において、望ましくない騒音は、特に前記ブレード（特に、その前端）が前記支柱の上を移動するときに生じる。これにより望ましくない騒音（特に「ブロッキング」と呼ばれる騒音）が発生する。これについては下記でより詳細に説明する。前記支柱の形状は、径方向長さに関して、少なくとも基本的に前記ブレード要素の形状に応じたものとなるので、前記ブレード要素の前端がその長さ全体で同時に前記支柱に影響を及ぼすのではなく、（ブレード要素の前端と支柱が）重なり合う点は、径方向に移動しつつ、常に１つしか存在しない。これは、例えば、市販の紙切りばさみのように、はさみが閉じられるにつれて２枚のブレードの交点が長さ方向に沿って移動するようなものと考えることができる。

本発明の一実施形態によれば、前記群は、複数（特に、すべて）の前記支柱および／または複数（特に、すべて）の前記ブレード要素を含む。

この点は、特に、これにより上記の効果が増幅されることから好都合である。本発明に従ってより多くの支柱またはブレード要素を適合させるほど、前記冷却ファンモジュールの特性は騒音発生についてより有利となる。

本発明のさらなる実施形態によれば、プロフィール区画における前記群の前記ブレード要素のブレード要素中心線と前記群の前記支柱の支柱中心線とが、下記式のように関連している。

式中、
Ｘ座標は、前記支柱中心線と断面との交点の、前記断面におけるｘ−ｙ座標系でのＸ座標であり、
Ｙ座標は、前記支柱中心線と断面との交点の、前記断面におけるｘ−ｙ座標系でのＹ座標であり、
ｎは、現在検討中のプロフィール区画であり、
ｎ_ｍａｘは、前記支柱および前記ブレード要素がそれらの径方向長さにわたって等間隔で分割されるプロフィール区画の数であって、
ｎ_ｍａｘ∈［５；２５］
であり、
α_ｓ（ｎ）は、前記ブレード要素の前記プロフィール区画ｎにおける湾曲角度、すなわち、前記回転軸心と平行でモーター移動される第１脚部と、前記断面における前記支柱の前端および後端の位置によって定められる第２脚部とのなす角度であり、
Ｄ_Ｈは、前記モーター取付部（３）の外径であり、
Ｌ_Ｐは、前記支柱（１０）のプロフィール長さ、すなわち、前記断面における前記支柱の前端と後端との距離であり、
β_ｓ（ｎ）は、前記湾曲の補正係数であって、
β_ｓ（ｎ）∈［−５；５］
であり、
β_Ｒ（ｎ）は、プロフィール回転の補正係数であって、
β_Ｒ（ｎ）∈［−３０；３０］
である。

本発明に係る「支柱中心線」は、プロフィール中央線、キャンバーラインまたは曲率線とも称され、プロフィール（断面形状の輪郭）に内接する円の中心点を結んだ線を示しており、この中心線は、突出円中心点からプロフィール突出部まで直線状に延びている。本発明に従ってのみ包含されるさらなる代替的な定義では、支柱中心線は、Ｘ座標またはプロフィール弦に対して垂直である上側と下側との間の中心点から構成される線であると定義される。また、前記中心線の経路は基本的に流れ特性を決定する。重要となる形状特徴値はキャンバー高さと最大キャンバーの位置であり、直線状またはＳ字状の中心線を有する支柱プロフィールは、ブレード角度とともにわずかにのみ変化する圧力点を有する。

本発明に係る「ブレード要素中心線」は、プロフィール中央線、キャンバーラインまたは曲率線とも称され、プロフィールに内接する円の中心点を結んだ線を示している。この中心線は、突出円中心点からプロフィール突出部まで直線状に延びている。本発明に従ってのみ包含されるさらなる代替的な定義では、ブレード要素中心線は、Ｘ座標またはプロフィール弦に対して垂直である上側と下側との間の中心点から構成される線であると定義される。また、前記中心線の経路は基本的に流れ特性を決定する。重要となる形状特徴値はキャンバー高さと最大キャンバーの位置であり、直線状またはＳ字状の中心線を有するブレード要素プロフィールは、ブレード角度とともにわずかにのみ変化する圧力点を有する。

上記の関数関係は、徹底的な科学的調査および試験の結果であり、前記支柱中心線と前記ブレード要素中心線との関係について初めて表したものである。このため、前記ブレード要素または支柱の前記径方向長さは、ｎ_ｍａｘ個の等距離のプロフィール区画に分割され、少なくとも１つのプロフィール区画について、特に複数の区画について、特にｎ_ｍａｘ個のプロフィール区画の大部分について、本明細書に記載する前記関係を満たす必要がある。

前記ブレード要素の形状は、前記ブレード要素の湾曲を生じさせる前記ブレード要素中心線によって前記支柱の構成に直接包含されている。

前記数式には、前記ブレード要素中心線のパラメータが、前記ブレード要素の前記プロフィール区画ｎにおける湾曲角度α_ｓ（ｎ）の形式で含まれる。したがって、前記ブレード要素の形状と前記支柱の形状との間に関数関係が初めて認められ、これにより、システム全体の特に有利なサウンドパターンが得られる。このことは、騒音の放出が顕著に低い電動の自動車に特に関連があり、騒音の放出が顕著に少ないことは、古典的な（すなわち、内燃機関の）主駆動システムの重畳している騒音がなくなることから、これまでに知られる冷却ファンモジュールが不快な騒音を感知させてしまうことになる理由である。

本発明のさらなる実施形態によれば、Ｘ座標およびＹ座標について定められた関数関係が、すべての区画ｎ∈［０；ｎ_ｍａｘ］に適用される。

特に、このように、Ｘ座標およびＹ座標について定められた前記関数関係は、徹底的な連続試験において有利と証明されており、この関係がブレード要素および支柱の径方向長さ全体に当てはまることから、好都合である。したがって、前記ブレード要素が、前記支柱の上を「緩やか」に、すなわち主体積流の流動ベクトルの影響を抑制させた状態で通過することができるので、騒音の低減という有利な効果をさらに向上させることが可能である。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記支柱が、半対称プロフィールを有する。

本発明に係る「プロフィール」は、特に、前記支柱の断面形状であり、この断面は、前記冷却ファンモジュールの径方向ベクトルに垂直な断面である。一方、この径方向ベクトルは、このベクトルと垂直な前記回転軸心の方向と、検討される前記断面における前記支柱中心線の点とによって定められる。

低いキャンバー（特に、１〜３％の範囲）を有するプロフィールであって、キャンバーを有するものの輪郭が凹状でないプロフィールが、本発明に係る「半対称プロフィール（semi-symmetrical profile）」であると理解されたい。このプロフィールは、両凸プロフィールとも称される。

特に、このように、本発明に係る冷却ファンモジュールについて上述した利点は、前記ブレード要素に対して前記支柱の位置を最適化するだけでなく前記支柱の構成も最適化することで、前記支柱が主体積流に可能な限り有利に含まれるようにして、空気体積流の偏向および／または分流を防止することも可能とすることによって、さらに向上させることができるので、好都合である。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記支柱が、前記回転軸心に対して、５°から４５°の範囲、好ましくは１０°から２５°の範囲のブレード角度αで配置されている。

本発明に係る「ブレード角度」は、「流入角度」とも呼ばれ、流体の流入方向と前記プロフィールの軸方向中心、すなわち前記プロフィール突出部と前記プロフィールの後端との間を仮想的に直線状に結んだものとのなす角度である。

特に、このように、主体積流の偏向および／または分流がさらに低減されるように前記支柱を構成することができるさらなるパラメータが特定されるので、この点は好都合である。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記支柱が、−３０°から＋３０°の範囲、特に−２０°から＋２０°の範囲、特に−１０°から＋１０°の範囲の値を有する角度βで前記モーター取付部から出ている。

このことは、特に、徹底的な試験および比較研究から、前記支柱が前記モーター取付部から出る傾斜が過度になるとその長さが顕著に増大し、この支柱の長さによって端部同士が「緩やか」に摺動することによる有益な効果が再び相殺され、場合によっては逆転されるということが判明したので、好都合である。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記支柱が、−９０°から＋３０°の範囲、特に−７５°から＋１５°の範囲、特に−６０°から０°の範囲の値を有する所定の角度φで前記ファンシュラウドに入っている。これは、特に、これにより前記支柱を係合保護部として配置することもでき、前記システムを構成する際に既存の設置スペースに適合させることができるので、好都合である。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記モーター取付部と前記支柱の１つとの間に、特に前記モーター取付部と複数の前記支柱との間に、特に前記モーター取付部と各支柱との間に形成される補強要素が設けられている。

これは、特に、これにより前記冷却ファンモジュール全体の剛性および特に前記支柱の剛性を向上させることができるので、好都合である。このように特に前記モーター取付部と前記支柱の間を補強することは、前記モーターの駆動トルクとは反対方向の逆トルクの結果として特に前記モーター取付部と前記支柱の間の移行部に高いせん断力が生じることから、特に好都合である。さらに、前記ブレード要素の外側半径と比較するとこの領域における回転速度および体積流速は比較的遅いので、前記モーター取付部のすぐ側における前記支柱の領域に材料が集中するという上記の利点により、関連する空力的な欠点が少なくとも部分的に補われる。

前記補強要素は、特に、材料を集中させて前記支柱から前記モーター取付部への移行部における半径を増大させる形で設けられ、これにより、特に、力の作用を改善することができる。

一実施形態によれば、これは、特に、前記補強要素が支柱の強度を向上させた結果、この支柱の寸法安定性が極めて高くなるので、好都合である。前記補強要素は、特に、前記支柱および／または前記モーター取付部と一体で設けられる。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記ファンシュラウド、前記モーター取付部および前記支柱が、一部品のプラスチック射出成形品として形成されている。

これは、特に、これにより費用効果が良く最終的な形状に近い形で形成される独自の形成方法を用いて、前記モーター取付部および支柱とともに前記エアシュラウドを得ることが可能であるので、好都合である。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記支柱が強化要素を有する。

さらなる実施形態によれば、前記強化要素は少なくとも部分的に金属を含む。例えば、前記強化要素は、鋼板の形式で設けられる。一実施形態によれば、これは、特に、これにより前記支柱の寸法安定性および強度を向上させることができるので、好都合である。

本発明のさらなる実施形態によれば、支柱の数はブレード要素の数と異なっており、特に、前記冷却ファンモジュールは支柱の数がブレード要素の数よりも多く、特に、前記冷却ファンモジュールは支柱の数がブレード要素の数よりも２本多く、特に、前記冷却ファンモジュールは１１本の支柱と９枚のブレード要素を有する。この改良は、特に、これにより各ブレード要素が他のブレード要素とは異なる位相で支柱を通過することになり、前記システム全体について騒音の放出をより均一なものとするので、好都合である。

上記の改良および発展は、当業者にとって本明細書から明白でない限り、所望するように組み合わせることが可能である。本発明の考え得るさらなる改良、発展および実施には、典型的な実施形態に言及して上述または後述する上記の本発明の構成および明記されていない構成の組み合わせも含まれる。特に、当業者であれば、本発明の基本的な各形態に、改良または追加により各態様を本発明に追加することも可能であろう。

本発明について、図面に含まれる模式図に定められた典型的な実施形態に基づいて、以下でより詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る支柱を図示した先行技術のファンシュラウドの模式的な平面図である。 本発明の一実施形態に係るファンシュラウドの詳細を示す模式的な平面図である。 本発明のさらなる実施形態に係るファンシュラウドの模式的な平面図および２つの断面図である。 本発明の一実施形態に係る各支柱の模式的な透視図である。 本発明の一実施形態に係る各支柱の支柱中心線のプロフィールおよび経路を示す模式的な透視図である。 本発明の一実施形態に係る、モーター取付部とファンシュラウドとの間の各支柱の詳細を示す模式的な立体図である。 本発明の一実施形態に係る各支柱の模式的な断面図である。 本発明のさらなる実施形態に係る、強化要素を有する各支柱の模式的な断面図である。 先行技術に係る冷却ファンモジュールの測定値を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る冷却ファンモジュールの測定値を示すグラフである。

添付の図面は、本発明の実施形態についての理解をさらに促進するように意図されている。これらの図面には実施形態が示されており、本明細書とともに本発明の原則および構想について説明するものである。他の実施形態および特定された利点の多くは、図面を参照することで理解される。図面の要素は、他の要素に対して必ずしも正確な縮尺で示されていない。

図面において、同一、機能的に同一および作用が同一である要素、構成および部品に対しては、特に記載しない限り同一の符号を付している。

図１は、本発明の一実施形態に係る支柱１０を図示した、先行技術の冷却ファンモジュール１のファンシュラウド２の模式的な平面図である。冷却ファンモジュール１は、ファンシュラウド２と、ファンシュラウド２内に形成されたファンプロペラ切欠き４と、流れ方向における下流側に配置された（これまでに知られている直線状の）支柱１００によってファンシュラウド２に機械的に連結されたモーター取付部３と、モーター取付部３内に少なくとも部分的に取り付けられたモーター（特に、電気モーター５）と、ファンプロペラ切欠き４内に配置され、モーター５によって回転軸心Ｒを中心として回転駆動されるファンプロペラ６と、を備え、ファンプロペラ６は複数のブレード要素６ａを有する。

モーター取付部３は、先行技術から十分に知られているように、直線状の支柱１００を介してファンシュラウド２に連結されている。下記で詳述するような本発明に係る支柱は、図１において符号１０で既に示されている。特に、図１において、これまでに知られている支柱１００と本発明に係る支柱１０との形状的な差異が明白である。

図２は、本発明の一実施形態に係るファンシュラウド２の詳細を示す模式的な平面図である。

ファンシュラウド２は、プラスチックから構成されており、特に、一部品のプラスチック射出成形品の形で構成されている。

支柱１０は、ファンプロペラ切欠き４の端からモーター取付部３へと放物線状に延びており、ファンプロペラ切欠き４内でモーター取付部を定位置に保持する。支柱１０は、各場合につき、モーター取付部３と支柱１０の１つとの連結を補強する補強要素１１をそれぞれ有する。補強要素１１は、支柱１０と一体形成されていることが好ましい。ファンシュラウド２、支柱１０およびモーター取付部３は、一部品のプラスチック射出成形品であることが好ましい。モーター５を固定することができる固定接合部３０がモーター取付部３に設けられている。また、支柱１０がモーター取付部３に入っている角度を示す角度βが図示されている。このとき、角度βの脚部の一方は、支柱１０がモーター取付部３から出ている延出点における支柱１０の延長ベクトル１４であり、他方の脚部は、支柱１０がモーター取付部３から出ている延出点を通る径方向ベクトル１５である。本発明の一実施形態によれば、βの値が、−３０°から＋３０°の範囲内にある。

また、支柱１０がファンプロペラ切欠き４の端に入っている角度を示す角度φ（ファイ）が図示されている。角度φの脚部の一方は、支柱１０がファンシュラウド２に入っている進入点における支柱１０の延長ベクトル１６であり、他方の脚部は、支柱１０がファンシュラウド２に入っている進入点を通る径方向ベクトル１６ａである。本発明の一実施形態によれば、φの値が、−９０°から＋３０°の範囲内にある。

以下において、起点１７および終点１８のそれぞれについて、本発明に係る支柱１０の構成とともに説明する。起点１７は、支柱１０がモーター取付部３から出ている延出点であり、終点１８は、支柱１０がファンシュラウド２に入っている進入点によって定められる。

図３は、本発明のさらなる実施形態に係るファンシュラウド２の模式的な平面図および２つの断面図である。図３に示された冷却ファンモジュール１は、流れ方向における下流側に配置された支柱１０を有する冷却ファンモジュールである。図３に示された内容から、空気は、支柱１０に衝突する前に、まず回転するファンプロペラ６によって加速されて圧縮されることが明らかであり、このことは、こうした冷却ファンモジュールおよび特に支柱１０を構成する場合に特に課題とされる。

同図において、ファンプロペラ６が初めて複数のブレード要素６ａとともに示されている。この図には、図３に示された視点から見たときブレード要素６ａがどのように支柱１０の後ろで移動して通過するかという本発明の効果が特に良く示されている。図３の好適な実施形態によれば、ファンシュラウド２は本発明の支柱１０を１１本有し、ファンプロペラ６は９枚のブレード要素６ａを有する。この構造的特性により、ファンプロペラの回転中の各時点において、確実に、各ブレード要素６ａが、他のブレード要素６ａとは異なる位相で支柱１０の１つを通過することになる。これにより、システム全体の騒音放出を好都合なもの、特に、より均一なものとすることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る各支柱１０の模式的な透視図である。この支柱１０は、モーター取付部３をファンシュラウド２に連結し、ファンシュラウド２のファンプロペラ切欠き４内でモーター取付部３を定位置に保持する。支柱１０は、モーターによって発生されてファンプロペラ６を駆動するトルクとは反対方向の逆トルクを生じさせる。このため、支柱１０を介して強力な力が伝達されるので、その剛性要件が厳しくなる。支柱１０は放物線状の形状を有する。支柱１０の中心線１２はモーター取付部上の起点１７からファンシュラウド２上の終点１８まで延びている。支柱の頂点１３は、軸方向において支柱１０の中央に少なくとも基本的に位置している。

支柱１０も翼プロフィール（aerofoil profile）を有する。プロフィール２０（特に、横断面プロフィール）の前端２６の周囲の領域の厚さは、プロフィール２０の後端２７の周囲の領域よりも厚い。特に好適な一実施形態によれば、支柱１０の翼プロフィールが、半対称プロフィール（semi-symmetrical profile）である。

図５は、本発明の一実施形態に係る各支柱１０の支柱中心線のプロフィールおよび経路（course）を示す模式的な透視図である。支柱１０のプロフィール２０は、この実施形態に係る半対称プロフィールとして実現されており、支柱１０の中心線１２は放物線状に延びている。

特に、プロフィール区画（profile section ）におけるブレード要素６ａのブレード要素中心線と支柱中心線１２は、次の数学的関係によって関連している。

式中、
Ｘ座標は、前記支柱中心線と断面との交点の、前記断面におけるｘ−ｙ座標系でのＸ座標であり、
Ｙ座標は、前記支柱中心線と断面との交点の、前記断面におけるｘ−ｙ座標系でのＹ座標であり、
ｎは、現在検討中のプロフィール区画であり、
ｎ_ｍａｘは、支柱およびブレード要素がそれらの径方向長さにわたって等間隔で分割されるプロフィール区画の数であって、
ｎ_ｍａｘ∈［５；２５］
であり、
α_ｓ（ｎ）は、ブレード要素のプロフィール区画における湾曲角度、すなわち、回転軸心と平行でモーター移動される第１脚部と、断面における支柱の前端および後端の位置によって定められる第２脚部とのなす角度であり、
Ｄ_Ｈは、モーター取付部（３）の外径であり、
Ｌ_Ｐは、支柱（１０）のプロフィール長さ、すなわち、断面における支柱の前端と後端との距離であり、
β_ｓ（ｎ）は、湾曲の補正係数であって、
β_ｓ（ｎ）∈［−５；５］
であり、
β_Ｒ（ｎ）は、プロフィール回転の補正係数であって、
β_Ｒ（ｎ）∈［−３０；３０］
であり、
Ｘ座標およびＹ座標について定められた関数関係は、ｎ_ｍａｘ＝１０のとき、すべての区画ｎ∈［０；ｎ_ｍａｘ］に適用される。

図６は、本発明の一実施形態に係る、モーター取付部３とファンシュラウド２との間の各支柱１０の詳細を示す模式的な立体図である。同図において、支柱１０とモーター取付部３との間の補強要素１１を確認することができる。補強要素１１は、支柱１０から角度をなして延びる壁１９を有する。一実施形態によれば、この角度は、大きさで角度βと一致し、支柱１０と壁１９が円形のモーター取付部３の垂線について鏡面対称に配置される。壁１９によって支柱１０はより安定したものとなり、その結果、モーター取付部３内でモーター５を定位置に確実に保持することができる。図示された実施形態によれば、補強要素１１は、支柱１０およびモーター取付部３と一体に形成されている。

図７は、本発明の一実施形態に係る各支柱１０の模式的な断面図である。この実施形態に係る支柱１０のプロフィール２０は、半対称プロフィール２０である。プロフィール２０の上側２１のプロフィールキャンバーと、下側２２のプロフィールキャンバーとは同一方向に延びている。上側２１は凹状に湾曲しており、一方で下側２２は凸状に湾曲している。また、プロフィール２０は、プロフィール厚さ２３と、プロフィール深さ２５とを有する。プロフィール２０は、さらに、このプロフィールの突出部の半径を特定する突出半径２４を有する。プロフィール２０の後端２７の領域は、プロフィール２０の前端２６の領域よりも狭い。この実施形態に係るプロフィールのブレード角度αは、ブレード表面に対して通常約４５°である。空気は、支柱１０の周囲で矢印２９の方向に流れる。

図８は、本発明のさらなる実施形態に係る各支柱１０の模式的な断面図である。支柱１０の当該実施形態において、支柱１０に強化要素３１が設けられている。強化要素３１は、少なくとも部分的に金属を含んでいでもよい。例えば、強化要素３１は鋼板から形成される。代替的に、強化要素３１をアルミニウムから形成することも可能である。この実施形態により、支柱１０を特に寸法的に安定なものとすることが可能である。

図９ａは、先行技術に係る冷却ファンモジュールの測定値のグラフであり、図９ｂは、本発明の一実施形態に係る冷却ファンモジュールの測定値のグラフである。

図９ａおよび図９ｂのグラフには、各場合において、システムによって発生される、合計レベルの推移およびファンプロペラ配列での推移が示されている。合計レベルは、全周波数にわたる騒音の全体放出量を特定する。これらのグラフには、１１番のファンプロペラ配列が示されており、この配列は、ブレードの数、ブレードの幾何学的な配列および湾曲に応じたものである。

さらに、合計レベルよりも１０ｄＢ低い、いわゆる１０ｄＢ基準が定められている。１０ｄＢ基準は、特にファンの騒音のサウンドパターンの評価に関連しており、１０ｄＢ基準は、この１０ｄＢ基準よりも低い周波数成分は不快に感じられないということを示している。これは、個人の声が全体的なざわめきに包含される大きなオープン型オフィスのように考えることができる。一方、この１０ｄＢ基準を超える騒音成分は特に不快に感じられる。すべての周波数成分が１０ｄＢ基準よりも低い場合、騒音の放出は好ましい「低い」音に感じられる。

図９ａおよび図９ｂに示された結果は、熱交換器が配置された半無響室（low in semi-reflections ）における部品レベルで測定されたものである。本発明の実施形態に従って形成された支柱の構成により、先行技術と比較して、１１番のファンブレード配列が顕著に向上される。先行技術と比較すると、合計レベルは最大で４ｄＢ向上され、これにより、初めて１０ｄＢ基準を満たしている。

本発明について、好適な典型的実施形態に基づいて上記ですべて説明したが、本発明は上記の説明に限定されるものではなく、本発明に対して様々な変更を施すことが可能である。

支柱は、例えば、圧力側および／または真空側に設けることができる。また、ファンプロペラを支柱の形状に適合させることも可能である。例えば、ファンプロペラの前端および／または後端の曲率は、支柱の曲率と一致させてもよい。

１ 冷却ファンモジュール
２ ファンシュラウド
３ モーター取付部
４ ファンプロペラ切欠き
６ ファンプロペラ
６ａ ブレード要素

１０ 支柱
１１ 補強要素
１２ 中心線
１３ 中心線の頂点
１４ 支柱がモーター取付部から出ている延出点における支柱の延長ベクトル
１５ 支柱がモーター取付部から出ている延出点を通る径方向ベクトル
１６ 支柱がファンシュラウドに入っている進入点における支柱の延長ベクトル
１６ａ 支柱がファンシュラウドに入っている進入点を通る径方向ベクトル
１７ 起点
１８ 終点
１９ 補強壁
２０ プロフィール
２１ 上側のプロフィールキャンバー
２２ 下側のプロフィールキャンバー
２３ プロフィール厚さ
２４ 突出半径
２５ プロフィール深さ
２６ 前端
２７ 後端
２８ モーター取付部に対する垂線
２９ 空気の流れ方向
３０ 固定接合部
３１ 強化要素

１００ これまでに知られている直線状の支柱
１ プロフィール長さ
ｒ２ 上側曲率の半径
ｒ３ 下側曲率の半径
ｈ 高さ
ｄ１ プロフィール突出部の直径
ｄ２ 後端の直径

Ｒ 回転軸心

α ブレード角度
β 角度
φ 角度

Claims (11)

1. 冷却ファンモジュール（１）であって、
   ファンシュラウド（２）と、
   前記ファンシュラウド（２）内に形成されたファンプロペラ切欠き（４）と、
   流れ方向における下流側に位置する支柱（１０）によって前記ファンシュラウド（２）に機械的に連結されたモーター取付部（３）と、
   前記モーター取付部（３）内に少なくとも部分的に取り付けられたモーターであって、特に、電気モーター（５）と、
   前記ファンプロペラ切欠き（４）内に配置され、かつ前記モーター（５）によって回転軸心（Ｒ）を中心として回転駆動されるファンプロペラ（６）とを備え、
   前記ファンプロペラは複数のブレード要素（６ａ）を有し、
   前記支柱（１０）のうちの少なくとも１つと、前記ブレード要素（６ａ）のうちの少なくとも１つとを含む群のうち、少なくともすべての要素が前方湾曲形状または後方湾曲形状であることを特徴とする冷却ファンモジュール（１）。
2. 請求項１に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記群が、前記支柱のうちの複数の支柱、特にすべての前記支柱、および／または前記ブレード要素（６ａ）のうちの複数のブレード要素、特にすべての前記ブレード要素（６ａ）を含む冷却ファンモジュール。
3. 請求項１または２に記載の冷却ファンモジュールにおいて、プロフィール区画における前記群の前記ブレード要素のブレード要素中心線と前記群の前記支柱の支柱中心線とが、下記式のように関連している冷却ファンモジュール。
   

   

   式中、
   Ｘ座標は、前記支柱中心線と断面との交点の、前記断面におけるｘ−ｙ座標系でのＸ座標であり、
   Ｙ座標は、前記支柱中心線と断面との交点の、前記断面におけるｘ−ｙ座標系でのＹ座標であり、
   ｎは、現在検討中のプロフィール区画であり、
   ｎ_ｍａｘは、前記支柱および前記ブレード要素がそれらの径方向長さにわたって等間隔で分割されるプロフィール区画の数であって、
   ｎ_ｍａｘ∈［５；２５］
   であり、
   α_ｓ（ｎ）は、前記ブレード要素の前記プロフィール区画ｎにおける湾曲角度、すなわち、前記回転軸心と平行でモーター移動される第１脚部と、前記断面における前記支柱の前端および後端の位置によって定められる第２脚部とのなす角度であり、
   Ｄ_Ｈは、前記モーター取付部（３）の外径であり、
   Ｌ_Ｐは、前記支柱（１０）のプロフィール長さ、すなわち、前記断面における前記支柱の前端と後端との距離であり、
   β_ｓ（ｎ）は、前記湾曲の補正係数であって、
   β_ｓ（ｎ）∈［−５；５］
   であり、
   β_Ｒ（ｎ）は、プロフィール回転の補正係数であって、
   β_Ｒ（ｎ）∈［−３０；３０］
   である。
4. 請求項３に記載の冷却ファンモジュールにおいて、Ｘ座標およびＹ座標について定められた関数関係が、すべての区画ｎ∈［０；ｎ_ｍａｘ］に適用される冷却ファンモジュール。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記支柱（１０）が、半対称翼プロフィールを有する冷却ファンモジュール。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記支柱（１０）が、前記回転軸心（Ｒ）に対して、５°から４５°の範囲、好ましくは１０°から２５°の範囲のブレード角度αで配置されている冷却ファンモジュール。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記支柱（１０）が、−３０°から＋３０°の範囲の値を有する角度βで前記モーター取付部（３）から出ている冷却ファンモジュール。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記支柱（１０）が、−９０°から＋３０°の範囲の値を有する所定の角度φで前記ファンシュラウド（２）に入っている冷却ファンモジュール。
9. 請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記モーター取付部（３）と前記支柱（１０）の１つとの間に、補強要素（１１）が形成されている冷却ファンモジュール。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記ファンシュラウド（２）、前記モーター取付部（３）および前記支柱（１０）が、一部品のプラスチック射出成形品として形成されている冷却ファンモジュール。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュールにおいて、前記支柱（１０）が強化要素（３１）を有する冷却ファンモジュール。

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