JP2020518757A - 不均一なブレード間隔を有する軸流ファン - Google Patents

Abstract

軸流ファンは、ハブと、ハブの周縁から延びる複数のブレードと、を備える。各ブレードは、前縁から後縁までおよび根本から先端まで変化する厚さを有する。ブレードは、バランスがとられていないパターンで、ハブの周縁の周りに不等間隔で配置されている。ファンは、複数のブレード間でブレード厚さを変えることによってバランスがとられている。

Description

背景
本発明は、一般に、他の用途の中でも自動車のエンジン冷却ファンとして使用され得る軸流ファンに関する。

エンジン冷却ファンは、自動車において、典型的には、内燃エンジンを冷却するラジエータ、エアコンコンデンサ、および場合によって追加の熱交換器を含む一連の熱交換器に空気を通すように移動させるために使用される。これらのファンは通常、熱交換器とファンの間で空気を導き、再循環を制御するシュラウド内に配置される。典型的には、これらのファンは、モータマウントからシュラウドまで延びる複数のアームによって支持されている電気モータによって駆動される。

これらのファンによって生成される空力的なノイズには、広帯域ノイズと音響トーンの両方が含まれる。これらのトーンは、上流および下流の流れの乱れに対するブレードの応答であるブレードの時間変動力によって引き起こされる。上流の乱れは、通常、シュラウドと熱交換器の非軸対称性によるものであり、下流の乱れは、モータ支持アーム、およびファンブレードに近いその他の物体によるものである。

これらの流れの乱れに応答して各ブレードによって生成されるノイズのスペクトルは、シャフト回転速度の多くの高調波で構成される。ブレードが等間隔に配置されている場合、ファン全体によって生成されるノイズのスペクトルは、（ブレード数とシャフトレートの積である）ブレードレートの高調波のみで構成される。弱め合う干渉は、ブレードレートの高調波間の高調波をキャンセルし、強め合う干渉は、ブレードレートの高調波にてトーンを増大させる。これらのトーンは主観的に非常に不快となる場合があり、設計者はしばしば、この不快感を最小限に抑えるためにファンの形状を修正する。

設計者が主観的なノイズ品質を改善できる方法の１つに、ファンブレードの間隔を不均等にすることがある。良好なファン性能を維持するために、不均等にする程度には制限がある。しかし、控えめな不均等であっても、ファンスペクトルの高次のブレードレート高調波は大幅に低減できる。ファンスペクトル内のブレードレート高調波が減少するにつれて、等間隔のファンの場合には存在しない他のシャフト高調波が増加する。言い換えると、ブレードの間隔が不均等である場合、強め合うおよび弱め合うトーンキャンセレーションの両方が減少する。その結果、等間隔のファンよりも主観的に不快感の少ないノイズ特性を持つファンが得られる。

不等間隔のファンの各ブレードでは、やや異なる流入が起こり、多少異なる揚力を発現させる必要があるため、各ブレードのピッチとキャンバ、および場合によって翼弦は、他のブレードに対してその位置に応じて理想的に調整されるかもしれない。しかし、適度な不均等性のために、多くの場合、同じ形状のブレードを使用することができる。実際、等間隔のファンは、同じブレード形状を使用する不等間隔のファンと同じ性能を有することがしばしば観察される。

不等間隔のブレードを備えたファンの設計上の制約の１つは、ファンのバランスをとることである。ファンのアンバランスは、ファンアセンブリに不安定な力を発生させ、大きなシャフトレートノイズと振動を発生させる。特定の位置への質量（クリップまたはバランスボール）の付加または除去によって少量のアンバランスは修正できるが、これは、不適切なブレード間隔などに起因する大きなアンバランスを修正する場合には実用的ではない。したがって、ファンブレードの望ましい位置を計算するにあたっては、これらブレード位置のうち２つは、一般に、（各横軸の周りのバランスをとるための）バランス要件によって決定する必要がある。ブレードが等しく設計される場合、このような方策は、不等ブレード間隔によるアンバランスの組が発生しないことも保証する。

多くのブレードを備えたファンの設計者は、バランスを保証するブレード間隔配置について多くのバリエーションを利用可能であるが、ブレードの数が少ないファンの設計者には少ない選択肢しかない。特に、４枚ブレードファンのブレードの間隔には、任意に選択できるブレード間間隔が１つしかない。そのスペースが選択されると、他のすべてのブレード間間隔はバランス要件によって決定される。３枚ブレードファンでは、バランスを保証する不均等間隔のブレード配列がないため、さらに問題である。

この問題の解決策の１つは、ブレードの間隔においてある程度の柔軟性が望まれる、少なくとも５枚のブレードのファンを常に使用することである。しかしながら、より少ないブレードを使用することには、しばしば、空気力学的な利点がある。特に、負荷の軽いファンでは、低いブレード堅牢性しか必要とされないので、多くの場合、ブレード面積を減らしてブレードを増やすよりも、使用するブレードの数が少ない方が有利である。特に、自由端ファンでは、ファンのブレード間距離を最大化することにより渦干渉作用ノイズが最小化されるため、少数のブレードの使用は有利である。

したがって、ブレードの数が少ないことで空力的なおよびノイズの利点を有するが、不均等ブレード間隔による主観的なノイズの利点を有するファンが要求されている。

概要
一態様において、本発明は、ハブと、ハブの周縁から延びる複数のブレードと、を備える軸流ファンを提供する。各ブレードは、前縁から後縁までおよび根本から先端まで変化する厚さを有する。ブレードは、バランスがとられていないパターンで、ハブの周縁の周りに不等間隔で配置されている。ファンは、複数のブレード間でブレード厚さを変えることによってバランスがとられている。

本発明の他の態様では、第１のブレードのブレード厚さは、他のブレードのそれぞれの厚さを規定するために、個々のブレード厚さ係数によってスケーリングされ、該ブレード厚さ係数は、ファンが、バランスが取れるように、複数のブレード間で変化する。

本発明の他の態様では、複数のブレードのうちの最も厚いブレードの厚さ係数を複数のブレードのうちの最も薄いブレードの厚さ係数で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．０５である。

本発明の他の態様では、複数のブレードのうちの最も厚いブレードの厚さ係数を複数のブレードのうちの最も薄いブレードの厚さ係数で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．１０である。

本発明の他の態様では、複数のブレードすべてのブレード厚さ係数は、それぞれ異なる。

複数のブレードのうちの２つを除くすべてのブレード厚さ係数は、それぞれ異なる。

本発明の他の態様では、複数のブレードは、ちょうど３枚のブレードからなる。

本発明の他の態様では、複数のブレードがちょうど４枚のブレードからなる。

本発明の他の態様では、複数のブレードのそれぞれによって規定される中心表面は同一である。

本発明の他の態様では、軸流ファンは、先端が自由な軸流ファンである。

本発明の他の態様では、軸流ファンは、自動車用エンジン冷却ファンである。

本発明の他の態様では、複数のブレードの間隔は、対称線に関して対称である。

本発明の他の態様では、複数のブレードの間隔は、対称線に関して対称であり、また、その位置が対称線に対して対称である、複数のブレードのうちの２つは、等しい厚さを有する。

本発明の他の態様では、複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．１５である。

本発明の他の態様では、複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．２０である。

本発明の他の態様では、複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、１．８０以下である。

本発明の他の態様では、複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、１．６０以下である。

用語の定義を含むファンの概略図である。 図１ａのファンを通る代表的な円筒断面であり、いくつかの断面特性の定義を有する。 従来技術の等間隔５枚ブレードファンの概略図である。 図２ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 図２ｂのファントーンスペクトルをもたらす推定された単一ブレードトーンスペクトルの概略図である。 従来技術である不等間隔５枚ブレードファンの概略図である。 図３ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 従来技術の等間隔４枚ブレードファンの概略図である。 図４ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 図４ｂのファントーンスペクトルをもたらす推定された単一ブレードトーンスペクトルの概略図である。 従来技術の不等間隔４枚ブレードファンの概略図である。 図５ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 本発明にしたがう不等間隔４枚ブレードファンの概略図である。 図６ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 最小ブレード厚さ係数に対する最大ブレード厚さ係数の比が、図６ａのファンのブレード番号２に選択した厚さ係数によってどのように変化するかを示すグラフである。 バランスを保証する１組の相対的な厚さを示す、図６ａのファンのブレードを通る代表的な円筒断面を示す。 ブレード間隔が１つの軸に関して対称である、本発明にしたがう不等間隔４枚ブレードファンの概略図である。 図７ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 ２つの厚さ係数だけを使用してバランスを保証する相対厚さを示す、図７ａのファンのブレードを通る代表的な円筒断面を示す。 従来技術の等間隔３枚ブレードの概略図である。 図８ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 図８ｂのファントーンスペクトルをもたらす推定された単一ブレードトーンスペクトルの概略図である。 本発明にしたがう不等間隔３枚ブレードファンの概略図である。 図９ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 バランスを保証する相対的な厚さを示す、図９ａのファンのブレードを通る代表的な円筒断面を示す。 ブレード間隔が１つの軸に関して対称である、本発明にしたがう不等間隔３枚ブレードファンの概略図である。 図１０ａのファンのトーンスペクトルの概略図である。 バランスを保証する相対的な厚さを示す、図１０ａのファンのブレードを通る代表的な円筒断面を示す。

詳細な説明
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その用途において、以下の説明に記載または以下の図面に示す構成の詳細および構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施または実行することができる。

図１ａおよび１ｂは、本明細書で開示される各ファンを参照して、明細書および図面の残りの部分で使用される基本的な用語を定義するために使用される。図１ａは、ハブＨの外周面から延びる複数のブレードＢを有するファンの概略図である。ファン半径「Ｒ」は、ブレード先端の後縁の半径として定義される。前縁１、後縁２、ブレード根元３およびブレード先端４が示されている。半径「ｒ」の位置での円周方向に沿った断面Ａ−Ａが示されている。

図１ｂは、図１ａの円周断面Ａ−Ａの図である。ブレード部１００は、前縁１０１および後縁１０２を有する。ブレードの翼形中心線１０５は、対向する「下」および「上」面１０６，１０７の中心にある線として定義される。より正確には、翼形中心線１０５の点から上面１０７までの、翼形中心線１０５から垂直に測定された距離は、翼形中心線１０５上のその点から下面１０６までの、翼形中心線１０５に垂直に測定された距離に等しい。翼形中心線の孤長は「Ａ」として定義される。翼形中心線１０５に沿った任意の位置「ａ」でのブレード厚さ「ｔ」は、その位置で翼形中心線に垂直に測定される上面１０７と下面１０６との間の距離である。この厚さは、翼形中心線に沿った位置ａ／Ａおよび半径位置ｒ／Ｒの関数として特定することができる。

ブレードの中心表面は、上で定義したように、いかなる半径でもその円周断面がその半径での翼形中心線と同一である表面として定義される。

ブレードの角度位置「θ」は、任意の固定角度位置に対するブレード上の代表点の角度位置として定義され、２つの隣接するブレード間の角度間隔「δ」は、これら２つのブレード上の代表点間の角距離として定義される。図１ａおよび本願の他の図では、代表点は、ファンの半径Ｒに等しい半径位置で、ブレードの前縁と後縁の中間にあると想定される。しかしながら、各ブレードで同じ代表点が想定されている限り、他の任意の代表点を選択することができる。同様に、図１ａおよび本願の他の図では、任意の固定角度位置はｙ軸の位置であるが、他の任意の固定角度位置を用いることもできる。

図２ａは、等間隔のブレードＢ１からＢ５を備えた従来の５枚ブレードファンを示している。各ブレードの先端の角度位置はθ_ｉとして示され、ここで、「ｉ」はブレードの指標である。隣接するブレード間の角度間隔は一定の７２度である。

図２ｃは、図２ａのファンの１つのブレードが回転するときに生成される、想定される音響トーンのスペクトルの「棒グラフ」の概略図を示している。これは、他のブレードもトーンを生成しているため、このスペクトルに対応するノイズが聞こえないという理論上のスペクトルである。図２ｃに示す単一ブレードのスペクトルでは、すべてのシャフトの高調波次数は同じ大きさである。これは、時間領域でのインパルスである音圧に対応する。実際の単一ブレードのスペクトルは、ファンの運転環境の詳細に依存する。それは一般的には不明であり、実験からのみ推測可能である。しかし、インパルススペクトルを想定することで、さまざまな運転環境において効果的なブレード間隔を選択することができる。

図２ｂは、図２ｃの想定されるインパルス性の単一ブレードスペクトルに基づく、図２ａのファン全体のトーンノイズスペクトルを示している。ブレード数５の倍数に等しいシャフトレート次数のトーンは、他のすべてのシャフトレート高調波が弱め合う干渉により存在しない一方で、強め合う干渉によって２０ｌｏｇ５＝１４ｄＢだけ増加する。単一ブレードのシャフトレート高調波トーンは、−１４ｄＢのレベルにあると想定され、ファンスペクトルのブレードレートの次数は０ｄＢのレベルになる。

図３ａは、それぞれが同一の形状をしている不等間隔のブレードを備えた従来のファンを示している。このファンは、次の関係が維持されるようにブレードの間隔が選択されているため、完璧なバランスを有している。

ここで、θ_ｉはｉ番目のブレードの角度位置、Ｚはブレードの総数であって図３ａのファンでは５である。これらの２つの方程式は、ブレードがそれぞれｙ軸とｘ軸に関してバランスが取れていることを示している。これらの２つの式を満たすブレードの間隔は、バランス間隔またはバランスパターンと呼ぶことができる。

図３ａは１組のブレード位置角のみを示しているが、５つの同一ブレードの他のバランスの取れた配置も可能である。１つのブレード位置角度は、ファンの回転角度を固定するだけある。２つのブレード角度は任意に指定でき、残りの２つのブレード角度はバランス要件によって規定される。

図３ｂは、単一ブレードのスペクトルがすべてのブレードで同じであり、図２ｃに示したものと等しいと仮定した場合の、図３ａのファンのトーンスペクトルの概略図を示している。比較のために、等間隔のファンのスペクトル（図２ｂ）を点線の棒で示す。不均等なブレード間隔のファンのスペクトルは、ブレードレートの高調波でトーンを低減し、ブレードレートの高調波ではないシャフトレートの高調波で、観測可能なトーンを低減している。最初のブレードレートの高調波でのトーンはわずかに減少しているが、より高いブレードレートの高調波のトーンは大幅に減少している。主観的に、ほとんどの観測者は、不等間隔のファンのノイズは、等間隔のファンのノイズよりも不快ではないと考える。

図４ａは、等間隔のブレードＢ１からＢ４を備えた従来の４枚ブレードファンを示している。隣接するブレード間の角度間隔は一定の９０度である。図４ｃは、図４ｂのファンスペクトルをもたらす単一ブレードのインパルス性スペクトルを示している。５枚ブレードの等間隔ファンの場合のように、ブレードレートの倍音であるシャフトレートの高調波には強いトーンがあり、他のシャフトレートの高調波にはトーンはない。図４ｃのインパルス性スペクトルは、ファンスペクトルのブレードレートのトーンが振幅０ｄＢとなるようにスケーリングされている。

図５ａは、それぞれが同一の形状を有する、不均等な間隔のブレードＢ１からＢ４を備える従来の４枚ブレードファンを示している。このファンは完全にバランスが取れている。４枚の同一のブレードの他のバランスの取れた配置も可能である。４枚ブレードファンの場合、隣接する２枚のブレードの角度位置は任意に選択でき、残りの２枚のブレード角度はバランス要件によって決まる。任意の角度のうちの１つがファンの回転角度を定めるにすぎないので、ブレードのバランスのとれたパターンの選択には１つの自由度しかない。４枚の同一のブレードのすべてのバランスのとれたパターンは、径方向で対向する２組のブレードを特徴づける。

図５ｂは、単一ブレードのスペクトルがすべてのブレードで同じであり、図４ｃに示すものと等しいと仮定した場合の、図５ａに示すファンのトーンスペクトルの概略図を示している。比較のために、等間隔のファンのスペクトル（図４ｂ）を点線の棒で示している。図５ａに示すファンのブレード間隔は、円周方向に等間隔である、ブレードの２つの同一グループを有するため、ファンスペクトルは、偶数のシャフト高調波次数のみで非ゼロトーンを持ち、奇数のシャフト高調波次数でゼロトーンを持つ。これは、音のエネルギーが異なる高調波に広がる程度を減少させ、不均一なブレード間隔の利点を減少させる。

図６ａは、本発明にしたがう不等間隔の４枚ブレードファンを示している。このファンのブレードＢ１からＢ４は、所望の音質特性を達成するように間隔が空けられており、ブレードごとに一定の係数による異なるブレード厚さを除いて、同一の形状を有する。等間隔（図４ａ）またはバランスのとられた間隔（図５ａ）のファンにおけるファンブレードの厚さは、「設計厚さ」と見なすことができる。この厚さｔ_ｄ（ａ／Ａ、ｒ／Ｒ）は、前縁１から後縁２まで、およびブレード根元３からブレード先端４まで変化する。図６ａのファンのｉ番目のブレードにおけるすべての位置での厚さは、対応する位置での設計厚さであってどのブレードでも一定であるがブレード間で異なる厚さ係数Ｔ_ｉが掛けられた設計厚さに等しくなる。

バランスのとれたファンをもたらすＴ_ｉの値は、次の方程式の解によって与えられる。

これらの方程式は同次であり、Ｔ_ｉの値の任意の解集合に一定の係数を乗算して、別の解集合を取得することができる。したがって、Ｔ_１の値を１．０に等しくなるように任意に設定することができる。それから、Ｔ_ｉの未知の値Ｚ-１および満たすべき２つの方程式が得られる。

４枚ブレードファンの場合、（１．０に等しいＴ_１に加えて）Ｔ_ｉの１つの値は任意に選択でき、残りの２つの値は２つのバランス方程式を満たすことで決定される。さまざまな厚さのブレードを持つことから生じる可能性のある問題を最小限に抑えるために、任意の厚さ係数を選択して、複数のブレードのうち最も厚いブレードの厚さ係数Ｔ_ｍａｘを複数のブレードの中で最も薄いブレードの厚さ係数Ｔ_ｍｉｎで割った比を最小にすることができる。図６ａに示すファンにおいて、図６ｃは、Ｔ_１が１．０のままであると仮定した際のＴ_２の仮定値を用いた場合の上記比の変動のプロットを示している。図６ｃに示すように、最小のブレード厚さ係数に対する最大のブレード厚さ係数の比率は、１．１５から１．２０の間、特に１．１６９の最小値を有する。

上記方程式を満たすことでファンのバランスは保証されるが、構造、製造、およびコストの問題により、最小および／または最大ブレード厚さを決めてもよい。その場合、Ｔｉ値の集合全体に一定の係数を掛けてから、個々の厚さ係数として適用することができる。

図６ｄは、すべて半径がブレード先端の半径の０．８倍に等しい位置での、図６ａのファンの４枚のブレードのそれぞれを通る円筒断面を示している。これらの断面は、バランスのとれたファンになる厚さ係数Ｔ_ｉのセットを示している。この例では、図６ｃに示すように、Ｔ_２が最小厚さ比に対応する値になるように選択されている。見てわかるように、このＴ_２の選択により、Ｔ_４はＴ_１と等しくなる。

図６ｂは、単一ブレードのスペクトルがすべてのブレードで同じでありかつ図４ｃに示すものと等しいと仮定した場合の、図６ａに示すファンのスペクトルの概略図を示している。点線のバーは、等間隔の４枚ブレードファン（図４ｂ）のトーンを表している。図６ａに示すファンのブレードＢ１からＢ４は２つの同一のブレード群を形成しないため、結果として生じるファンスペクトルは、シャフトレートのすべての高調波でゼロ以外のトーンを有し、主体的なノイズは図５ａのファンのそれと比較して向上する傾向にある。

図７ａは、ブレード間隔が対称である、本発明による不均等間隔の４枚ブレードファンを示している。対称的なブレード間隔は、図７ａ中「Ｌ」として示される対称線が存在するものとして定義され、その対称線に対する各ブレードの角度位置は、その対称線に対して、符号は反対であるが、他のブレードの角度位置と等しい。対称位置のブレードの各セット（ここではブレードＢ１とＢ４、およびブレードＢ２とＢ３）の厚さ係数が同じ場合、対称線に関しバランスが達成される。２組のブレードの相対的な厚さ係数については、１つのバランス方程式のみを解く必要がある。このファンは、２つの異なるブレード設計だけで作成することができ、ファンの製造を簡素化するための手段を提供し得る。たとえば、ブレードを個別に成型してからファンハブに取り付けると、必要な射出成形金型の数を減らすことができる。

図７ｃは、すべて半径がブレード先端の半径の０．８倍に等しい位置での、図７ａのファンの４枚のブレードのそれぞれを通る円筒断面を示している。これらの断面は、バランスのとれたファンになる厚さ係数Ｔ_ｉのセットを示している。ブレードＢ１とＢ４、およびブレードＢ２とＢ３の厚さ係数は同じである。

図７ｂは、単一ブレードのスペクトルがすべてのブレードで同じでありかつ図４ｃに示すものと等しいと仮定した場合の、図７ａに示すファンのトーンスペクトルの概略図を示している。点線のバーは、等間隔の４枚ブレードファン（図４ｂ）のトーンを表している。図７ｂのスペクトルを図６ｂおよび５ｂのスペクトルと比較すると、ブレードの対称配置の選択により、不均衡な間隔の利点が幾分損なわれるが、均等間隔をもつ従来のファンよりも依然として大きな利点がある。

図８ａは、等間隔のブレードを備えた従来の３枚ブレードファンを示している。隣接するブレード間の角度間隔は、一定の１２０度である。図８ｃは、図８ｂのファンスペクトルをもたらすインパルス性の単一ブレードスペクトルを示している。等間隔のブレードを備えた４枚ブレードファンまたは５枚ブレードファンの場合と同様に、ブレードレートの倍音であるシャフトレートの高調波には強いトーンがあり、他のシャフトレートの高調波にはトーンはない。図８ｃのインパルス性のスペクトルは、ファンスペクトルのブレードレートトーンが０ｄＢになるようにスケーリングされている。

図８ａに示すファンのブレードの形状が同じである場合、ファンのバランスは保たれるが、３つの同一のブレードの他のいかなる配置もバランス方程式を満たすことはできない。

図９ａは、本発明による不等間隔の３枚ブレードファンを示している。所望の音質特性を達成するために間隔が空けられたこのファンのブレードは、一定の係数Ｔ_ｉによって各ブレードで異なるブレードの厚さを除いて同一の形状を有する。バランスのとれたファンをもたらすＴ_ｉの値は、図６ａのファンの厚さ係数を支配する方程式の解によって与えられる。Ｔ_１は１．０に等しいため、未知の値Ｔ_２およびＴ_３のために２つのバランス方程式を解くことができる。

図９ｃは、すべて半径がブレード先端の半径の０．８倍に等しい位置での、図９ａのファンの４枚のブレードのそれぞれを通る円筒断面を示している。これらの断面は、バランスのとれたファンになる厚さ係数Ｔ_ｉのセットを示している。

図９ｂは、単一ブレードのスペクトルがすべてのブレードで同じでありかつ図８ｃに示すものと等しいと仮定した場合の、図９ａに示すファンのトーンスペクトルの概略図を示している。点線のバーは、等間隔の３枚ブレードファン（図８ｂ）のトーンを表している。

図１０ａは、ブレード間隔が対称である、本発明による不等間隔の３枚ブレードファンを示している。奇数のブレード数および対称的なブレード間隔を持つファンは、ブレードの１つと同じ角度位置の対称線を持つことになる。図１０ａでは、対称線の角度位置はブレードＢ２の角度位置に等しい。この対称線に関するバランスは、対称位置にある２つのブレード、つまりブレードＢ１とＢ３の厚さ係数が同じ場合に達成される。これら２枚のブレードと比較したブレードＢ２の相対厚さ係数については、１つのバランス方程式のみを解く必要がある。このファンは、２つの異なるブレード設計でのみ制作することができる。これは、ファンの製造を簡素化するための手段を提供し得る。

図１０ｃは、すべて半径がブレード先端の半径の０．８倍に等しい位置での、図１０ａのファンの３枚のブレードのそれぞれを通る円筒断面を示している。これらの断面は、バランスのとれたファンになる厚さ係数Ｔ_ｉを示している。ブレードＢ１とＢ３の厚さ係数は同じである。

図１０ｂは、単一ブレードのスペクトルがすべてのブレードで同じでありかつ図８ｃに示すものと等しいと仮定した場合の、図１０ａに示すファンのトーンスペクトルの概略図を示している。点線のバーは、等間隔の３枚ブレードファン（図８ｂ）のトーンを表している。図１０ｂのスペクトルを図９ｂおよび８ｂのスペクトルと比較すると、ブレードの対称配置の選択により、不均衡な間隔の利点が大幅に損なわれるが、均等間隔をもつ従来のファンよりも依然として大きな利点がある。

図６ａ、７ａ、９ａ、および１０ａに示されている各ファンのブレードは厚さを除いて同一であり、２つのバランス方程式が満たされることで静的なバランスが確保されるため、アンバランスの組もゼロになる。

いくらかの間隔の不均一性はノイズ品質を改善するが、不均一性を増やしてもノイズ品質は必ずしもさらには改善されない。ファンノイズの知覚される音調性は、一般に、より不均等な間隔によってさらに低減できるが、ある時点で、知覚される音の粗さが不快なレベルまで増加する可能性がある。高い空力効率を維持するなどの他の考慮事項も、ブレードの不均一性の程度が制限されることを示し得る。不均一性の１つの計量は、最小のブレード間間隔「δ_ｍｉｎ」に対する最大のブレード間間隔「δ_ｍａｘ」の比である。図６ａ、７ａ、９ａ、および１０ａに示されているファンのブレード間隔比δ_ｍａｘ／δ_ｍｉｎは、１．３５４、１．２８５、１．２２６、および１．３００である。本発明のいくつかの実施形態は、より大きな間隔比を有してもよく、いくつかはより小さな間隔比を有してもよい。一部の構成では、間隔比は少なくとも１．１５であり、少なくとも１．２０とすることができ、一方、一部の構成では、間隔比は１．８０以下であり、１．６０以下とすることができる。

図６ｄ、７ｃ、９ｃ、および１０ｃの断面図は、最小厚さ係数に対する最大厚さ係数の比が１．１６９、１．１２５、１．３１３、および１．２８６であるブレードを示している。本発明のいくつかの実施形態は、ブレード厚さ係数のより大きな変動を有してもよく、いくつかは、より小さな変動を有してもよい。一部の構成では、最小厚さ係数に対する最大厚さ係数の比率は、少なくとも１．０５であり、一部の構成では少なくとも１．１０とすることができる。

示されているファンはすべて自由端ファンである。換言すると、ブレードの先端を接続するバンドは設けられていない。自由端ファンは、３枚ブレードまたは４枚ブレードファンが論理的なデザイン選択となり得る軽負荷時に高い効率を有し、本発明の優れた候補である。しかし、結束されたファンも、不均衡なブレード間隔を特徴づけることができ、本明細書で説明したような不均等なブレード厚さを使用することによってバランスを実現することができる。

いくつかの位置では、さまざまなブレードの厚さ分布が完璧にスケーリングされていない場合がある。特に、ブレードとハブとの間のフィレットはスケーリングに適合しない場合がある。同様に、ブレードが、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，４０４，５１１号に記載されている先端形状を特徴とする場合、先端領域の厚さは完全にスケーリングされない場合がある。これらのおよびその他の、完璧な厚さスケーリングからの小さな逸脱は、ファンの静的なバランスおよびバランスの組に大きな影響を与えず、残りのアンバランスは従来の方法で対処することができる。これらのファンは依然として本発明の利点を示し、その範囲に含まれる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の利点は、他の幾何学的形状および構成にも及ぶ。図示の実施形態ではなく、添付の特許請求の範囲およびそのすべての合理的な均等物が、本発明の真の範囲を定義するのである。本発明の１つまたはそれ以上の態様による特性を有するファンは、前方スキューデザイン、後方スキューデザイン、放射状デザイン、または混合スキューデザインとすることができる。同様に、本発明の１つまたはそれ以上の態様によるファンは、任意の中心表面形状を有することができる。

Claims (17)

1. 軸流ファンであって、
   ハブと、
   前記ハブの周縁から延びる複数のブレードと、を備え、
   前記複数のブレードのそれぞれは、前縁から後縁までおよび根本から先端まで変化する厚さを有し、
   前記複数のブレードは、バランスがとられていないパターンで、前記ハブの周縁の周りに不等間隔で配置されており、かつ、
   前記ファンは、前記複数のブレード間でブレード厚さを変えることによってバランスがとられている、軸流ファン。
2. 第１のブレードの前記ブレード厚さは、他のブレードのそれぞれの厚さを規定するために、個々のブレード厚さ係数によってスケーリングされ、該ブレード厚さ係数は、前記ファンが釣り合うように、複数のブレード間で変化する、請求項１記載の軸流ファン。
3. 前記複数のブレードすべての前記ブレード厚さ係数は、それぞれ異なる、請求項２記載の軸流ファン。
4. 前記複数のブレードのうちの２つを除くすべての前記ブレード厚さ係数は、それぞれ異なる、請求項２記載の軸流ファン。
5. 前記複数のブレードのうちの最も厚いブレードの厚さ係数を前記複数のブレードのうちの最も薄いブレードの厚さ係数で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．０５である、請求項２記載の軸流ファン。
6. 前記複数のブレードのうちの最も厚いブレードの厚さ係数を前記複数のブレードのうちの最も薄いブレードの厚さ係数で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．１０である、請求項２記載の軸流ファン。
7. 前記複数のブレードは、ちょうど３枚のブレードからなる、請求項１記載の軸流ファン。
8. 前記複数のブレードがちょうど４枚のブレードからなる、請求項１記載の軸流ファン。
9. 前記複数のブレードのそれぞれの中心表面は同一である、請求項１記載の軸流ファン。
10. 前記軸流ファンは、先端が自由な軸流ファンである、請求項１記載の軸流ファン。
11. 前記軸流ファンは、自動車用エンジン冷却ファンである、請求項１記載の軸流ファン。
12. 前記複数のブレードの間隔は、対称線に関して対称である、請求項１記載の軸流ファン。
13. その位置が対称線に対して対称である、前記複数のブレードのうちの２つは、等しい厚さを有する、請求項１２記載の軸流ファン。
14. 前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．１５である、請求項１記載の軸流ファン。
15. 前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、少なくとも１．２０である、請求項１記載の軸流ファン。
16. 前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、１．８０以下である、請求項１記載の軸流ファン。
17. 前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最大間隔角度を前記複数のブレードのうちの隣接するブレード間の最小間隔角度で割ったものとして定義される比は、１．６０以下である、請求項１記載の軸流ファン。

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