JP4110693B2 - 回転ファン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変角度のブレードを有する回転ファンに関し、例えば車両用交流発電機の回転軸と一体回転して発熱部分を空冷する回転ファンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の回転ファンとして、例えばファンブレードにより発生する風量を回転軸の回転数に応じて可変にするブレード角度調整機構を有する車両用交流発電機の空冷式回転ファンが提案されている。近年、自動車等の車両の居住性を向上すべく、エンジンルームを狭小化する傾向にある。このため、エンジンルーム内が高密度化し、車両用交流発電機の小型化が要求されている。また、安全性の向上や高付加価値化の点からエンジンルーム内の装置の電子制御化が図られ、その消費電力が増大する傾向にある。このため、エンジンルーム内の高温化が促され、これに対処すべく、車両用交流発電機の冷却性能の一層の向上が要求されている。さらに、車両品質の向上に伴い静粛性に対する要求も高まっている。
【０００３】
これら要求に対応するため、特開平７−１９４０５８号公報には、車両用交流発電機の回転ファンとして、回転数に応じて可変するファンブレードを設け、このファンブレード内には付勢手段としての捩りコイルバネを収納した構造が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来構造によると、捩りコイルバネが単にファンブレード内に収納されているだけであるため、捩りコイルバネは、大気への露出状態を免れない。しかも、露出した捩りコイルバネは、そのバネ作動時に最も異物を噛み込み易い。また、捩りコイルもバネ鋼の錆び発生を防ぐためメッキ処理を施すが、或る程度経過すると発錆し、さらに錆発生が進むと錆付いて、捩りコイルの初期特性（単位角度当たりの回転トルク）が変わってしまう場合がある。特に、空冷式の冷却ファンとして使用する車両用交流発電機では、外部から交流発電機に空気と共に取込まれる異物や水蒸気（水滴を含む）等により、捩りコイルバネが錆付いたり、捩りコイルバネに異物が噛み込む場合があり、上述のような捩りコイルの初期特性からのズレがさらに生じてしまうことで、可変ブレードの角度が初期状態からズレてしまうので、騒音低減効果が小さくなるという問題が生じる。
【０００５】
また、車両用交流発電機の回転ファンは、一般に複数のファンブレードを有するため、ブレード角度調整機構によりファンブレードの送風量が決まる構造だと、ファンブレード間の送風量バラツキによる周期的うなり音が発生することも予想される。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、したがってその目的は、回転数に応じて風量を可変にするブレード角度調整機構を採用しながら、異物噛み込み或るいは錆付きによるブレード角度調整機構の付勢手段である捩りコイルバネの初期特性からのズレを防止し、静粛性を維持できる回転ファンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の回転ファンは、ファンブレード内に捩りコイルバネを収納する開口部に封止剤を捩りコイルバネを覆うように充填するので、捩りコイルバネが大気へ露出しなくなり、捩りコイルバネ作動時の異物噛み込みや錆付きを抑制することができる。したがって、異物噛み込み或るいは錆付きによる捩りコイルバネの初期特性のズレを防止できる。また封止剤の充填のための専用空間も要しないため、ファンブレードを大型化させてしまうこともない。
さらに、本発明の請求項１に回転ファンによれば、少なくとも、２種類の封止剤を使い分けて、捩りコイルバネを収納する開口部に充填するので、封止剤の弾性力によって、付勢手段の弾発力も付勢手段として利用することができ、各々のブレードに作用する捩りコイルバネの弾発力のバラツキ或いは各部の摩擦力のバラツキを抑えることが出来る。したがって、捩りコイルバネの初期特性のズレを防止できるので、車両用交流発電機の回転ファンが有する複数のブレードごと特性のバラツキによる周期的うなり音も抑えることができるので、さらに静粛な車両用交流発電機を提供できる。
【０００８】
また、本発明の請求項２によれば、捩りコイルバネの特性を決める巻回部に封止剤を充填することができる。
【０００９】
また、本発明の請求項３によれば、捩りコイルバネの他端の、回転板への係合が確実にできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、車両用交流発電機（以下、オルタネータと呼ぶ）の全体構成を示す図である。同図に示すオルタネータ１は、回転子としてのロータ２と、固定子としてのステータ３と、ロータ２にフィールド電流を供給するブラシ装置４と、ステータ３から出力される３相交流電圧を整流する整流装置としてのレクチファイヤ５と、このレクチファイヤ５の出力電圧をほぼ一定に制御する電圧制御装置としてのＩＣレギュレータ６と、ロータ２およびステータ３を収納する筐体となるフロントハウジング７およびリヤハウジング８と、ロータ２の一方端に固定されるプーリ９と、リヤハウジング８に取り付けられたブラシ装置４と、レクチファイヤ５およびＩＣレギュレータ６を外側から覆うリヤカバー１０等を含んで構成されている。
【００１３】
ロータ２は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回したフィールドコイル２１を、それぞれが６個の爪を有するポールコア２２、２３によって、両側から挟み込んだ構造を有している。回転軸であるシャフト２４がこれらを貫通している。また、シャフト２４のリヤ側にはフィールドコイル２１の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置４内のブラシ３４、３６をスリップリング２７、２８のそれぞれに押し当てた状態で組み付けることにより、ＩＣレギュレータ６からフィールドコイル２１に対して励磁電流が流れるようになっている。
【００１４】
また、プーリ９が取り付けられているフロント側のポールコア２２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風をロータ２の径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン２５が溶接等によって取り付け固定されている。同様に、リヤ側のポールコア２３の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風をロータ２の径方向に吐き出すために遠心式の冷却用回転ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。これらの冷却用回転ファン２５、２６の詳細な形状については後述する。
【００１５】
ステータ３は、複数個（例えば３６個）のスロットが形成されたステータコア３１と、これらのスロットに所定の間隔で巻き回された３相のステータコイル３２とを含んで構成されている。このステータコイル３２は、発電時に流れる出力電流によって発熱して高温になるが、ロータ２に固定された２枚の冷却用回転ファン２５、２６の回転によって遠心方向に吐出される冷却風によって冷却され、材料等によって決まる所定の耐熱温度以下に冷却される。
【００１６】
レクチファイヤ５は、３相のステータコイル３２の出力電圧である３相交流を整流して直流出力を得るためのものであり、それぞれに複数個の整流素子が半田付けされた正極側放熱板５２および負極側放熱板５３を含んで構成されている。正極側放熱板５２および負極側放熱板５３に半田付けされた各整流素子は、発電時に流れるステータコイル３２からの電流によって発熱するが、ロータ２のリヤ側に取り付けられた冷却用回転ファン２６の回転によってリヤカバー１０を通して吸入される冷却風によって、各放熱板５２、５３を介して間接的に冷却される。
【００１７】
ＩＣレギュレータ６は、ロータ２のフィールドコイル２１に流す励磁電流を制御するものであり、オルタネータ１の電気負荷が軽くて出力電圧が高くなる場合には、フィールドコイル２１に対する電圧の印加を断続することにより、オルタネータの出力電圧を一定に保っている。このように、ＩＣレギュレータ６は発電時にはフィールドコイル２１に対する通電を行っており、これを制御するスイッチングトランジスタ（図示せず）が発熱するが、上述したレクチファイヤ５の場合と同様に、ロータ２のリヤ側に取り付けられた冷却用回転ファン２６の回転によってリヤカバー１０を通して吸入される冷却風によって冷却される。
【００１８】
上述した構成を有するオルタネータ１は、ベルト等を介してプーリ９にエンジン（図示せず）からの回転が伝えられるとロータ２が所定方向に回転する。このとき、フィールドコイル２１に外部から初期励磁電圧を印加することにより、ロータ２のポールコア２２、２３のそれぞれの爪部が励磁され、ステータコイル３２に３相交流電圧を発生させることができ、レクチファイヤ５の出力端子からは所定の出力電流が取り出される。以後、オルタネータ１自身の出力電圧がＩＣレギュレータ６により調整される。
【００１９】
また、上述したロータ２の回転に伴って、一方のポールコア２２の端面に取り付けられた冷却用回転ファン２５が回転するため、フロントハウジング７のプーリ９近傍の吸入窓を介して冷却風がオルタネータ１内部に吸入され、この冷却風がロータ２の径方向に排出されて、ステータコイル３２のフロント側半分が冷却される。同様にロータ２の回転に伴って他方のポールコア２３の端面に取り付けられた冷却用ファン２６が回転するため、リヤカバー１０の吸入窓を介して吸入された冷却風が、上述したようにレクチファイヤ５やＩＣレギュレータ６あるいはブラシ装置４等を冷却した後、冷却用ファン２６近傍まで導かれ、この冷却風がロータ２の径方向に排出されて、ステータコイル３２のリヤ側半分が冷却される。図１においては、このようにしてフロント側の冷却用ファン２５によって吸入された後排出される冷却風の流れが矢印Ａ、Ｂによって示され、リヤ側の冷却用ファン２６によって吸入された後排出される冷却風の流れが矢印Ｃ、Ｄによって示されている。
【００２０】
次に、本発明の要部である回転ファンについて説明する。本実施形態で採用する冷却用回転ファンは空冷式で、回転軸の回転数に応じて風量を可変にするブレード角度調整機構を有する回転ファンである。図２は、ブレード角度調整機構に捩りコイルバネを用いたファンブレードの正面図であり、図３は図２のファンブレードの矢視図である。回転ファン２５、２６は、円板状の回転板１１０と、ファンブレード１１５と、ブレード角調整機構１２０と、円環状のファンガイド１３０とで構成されている。
【００２１】
なお、ロータ２のリア側のポールコア２３に取り付け固定された回転ファン２６も基本的に同様の形状を有しているため、以下ではリヤ側の冷却ファン２５について詳細な説明を行うものとする。回転板１１０は、例えば、プレス機を用いて金属製板を切断及び折り曲げる等により形成したもので、ポールコア２３の軸方向端面に取付け固定されている。そして、この回転板１１０の周縁部には、放射状に突出する９つの張出部が設けられ、これら張出部の上に、各ファンブレード１１５が支柱としての支柱ピン１２１を介して回動自在に取り付けられる。
【００２２】
ファンブレード１１５は、例えば合成樹脂で成形されており、その横断面は送風に適した形状に設定されている。そして、このファンブレード１１５の中央部には、図２及び図３に図示されるように支持ピン１２１を収容する貫通穴が形成される。さらにファンブレード１１５のファン回転方向の後方の面（以下負圧面と称す）には、上記貫通穴と連絡する開口部１１６が形成されている。この開口部１１６は、ファンブレード１１５の負圧面と回転板１１０側の面とに開口してほぼ直方体状である。このファンブレード１１５は、ブレード角調整機構１２０に組み付けられている。
【００２３】
ブレード角調整機構１２０は、図２及び図３に示すように、付勢手段としての捩りコイルバネ１２２と、第１及び第２ストッパーとしてのストッパー１２３、１２４とで構成されている。捩りコイルバネ１２２の一端部である上端部１２２ａは、ファンブレード１１５の負圧面に係合している。捩りコイルバネ１２２の中央の巻回部１２２ｃは開口部１１６内に収納されている。そして、支柱ピン１２１が、捩りコイルバネ１２２の巻回部１２２ｃ内を貫通している。支柱ピン１２１は、その下端が回転板１１０に植設されている。ストッパー１２３は、回転板１１０よりプレスを用いて折り曲げられることにより形成されたものであり、ファンブレード１１５の負圧面側に配設されている。捩りコイルバネ１２２の他端部である下端部１２２ｂがストッパ１２３にガイドされると共に、回転板１１０に配設された捩りコイルバネ固定用孔１４０にその下端部１２２ｂの一部が係合している。これにより、ファンブレード１１５が、捩りコイルバネ１２２によって付勢され、ストッパー１２３によって係止されて、図３に示すように、ファンブレード１１５の吐出角度における最小角度が決定されている。
【００２４】
また、捩りコイルバネ１２２のバネ定数は、回転ファン２５の回転速度が第一回転速度Ｎ１（例えば、４０００ｒｐｍ）を超えたときに、その付勢力がファンブレード１１５の重心Ｇに加わる遠心力Ｆよりも小さくなるように、設定されている。
【００２５】
ストッパー１２４は、ブレード１１５の回転軌跡上に突設されており、その位置は、回転ファン１の回転速度が第二回転速度Ｎ２（例えば、７０００ｒｐｍ）に達したときに、ファンブレード１１５の吐出角度を最大角度に規制するように設定されている。なお、図３の矢印Ｆは、遠心力によるブレード１１５の回動方向を示している。
【００２６】
そして、このようなブレード角調整機構１２０に取り付けられたファンブレード１１５の上からリング状のファンガイド１３０が支持ピン１２１を介して回転板１１０に取り付けられている。
【００２７】
さらに、本実施形態では、開口部１１６に収納されている捩りコイルバネ１２２（特に捩りコイルバネ１２２の特性を決める巻回部１２２ｃ）が大気開放し、露出しないように、開口部１１６内に封止剤１５０が塗布、充填されている。図２では、封止剤１５０をハッチングにて示している。これにより、捩りコイルバネ１２２の巻回部１２２ｃは封止剤１５０に浸漬され、巻回部１２２ｃの表面が完全に覆われる。しかも、封止剤１５０は、支柱ピン１２１と巻回部１２２ｃとの摺動部も外気から密閉する。この封止剤１５０としては、例えば弾性力の比較的小さいシリコンゴムを用いれば良好に捩りコイルバネ１２２を空気から遮断し、かつ捩りコイルバネ１２２の発錆を防止できる。また、封止剤１５０の弾性力を利用することによって、ブレード角度調整機構１２０の付勢手段である捩りコイルバネ１２２のバネ定数を、図４のように小さくできる。封止剤１５０としてシリコンゴムを充填する場合、ファンブレード１１５の回動特性を上述所望の回転数Ｎ１、Ｎ２に設定するためには、捩りコイルバネ１２２のバネ定数とシリコンゴムの弾性力との両方を考慮して設計すればよい。なお、図４の横軸は封止剤の弾性力Ｃ１を示し、縦軸は戻りコイルバネのバネ定数Ｃ２を示す。また、封止剤１５０は、図３のように遠心力が加わる方向と逆向きに開口した開口部１１６へ塗布・充填されるので、車両用交流発電機運転中に封止剤が飛散して消失することもない。
【００２８】
次に、回転ファン２５の動作を説明する。
【００２９】
前述のとおり、回転ファン２５、２６は回転によって図１中の矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの方向に冷却風を流す。ブレード角が固定されているオルタネータの場合は、風量が回転速度に比例して線形的に増加してしまって、高回転域で回転騒音が大きくなる。ところが、本発明の実施形態が採用する回転軸の回転数に応じて風量を可変にし高回転域で風量を抑制するブレード角度調整機構を有するオルタネータ１では、回転軸２４の回転数を増していくと、ファンブレード１１５の重心に加わる遠心力が捩りコイルバネ１２２の付勢力に抗して、ファンブレード１１５を支柱ピン１２１の回りでストッパー１２４方向に回転させようとする。第一回転速度Ｎ１で発生する遠心力に釣合うよう捩りコイルバネ１２２と封止剤１５０とで得られる付勢手段の付勢力が設定されているから、回転ファン２５の回転速度が第一回転速度Ｎ１に至るまでは、ファンブレード１１５の負圧面がストッパー１２３に当接し、ファンブレード１１５は最小角度を維持する。従って、回転速度が第一回転速度Ｎ１より小さい範囲では、ファンブレード１１５が最小角度に維持され、回転板１１０の回転速度に応じて、風量、騒音レベルが増大するが、回転速度が低いため騒音レベルは小さい。このとき発電機の温度上昇は、出力電流の増加と共に上昇し、第一回転速度Ｎ１において極値となるため、第一回転速度Ｎ１における温度上昇が許容温度上昇以下になるように最小角度が設定されている。
【００３０】
そして、回転板１１０の回転速度が第一回転速度Ｎ１に達した後、さらに第二回転速度Ｎ２に至るまで回転速度を増大させていくと、ファンブレード１１５の重心に加わる遠心力による回転モーメントが捩りコイルバネ１２２等による付勢力による回転モーメントよりも大きくなり、ファンブレード１１５の吐出角度θが遠心力Ｆの大きさに対応して開いていく。
【００３１】
そして、回転ファン２５の回転速度が第二回転速度Ｎ２になると、ファンブレード１５がストッパー２４に当接し、ファンブレード１５の吐出角度が最大角度に規制される。更にファンブレード１５の回転速度が第二回転速度Ｎ２を超えると、その吐出角度が以上大きくならないので、風量が漸次増加し、これに対応して騒音レベルが僅かに増大していく。しかしながら、ブレード角が固定されているオルタネータと比較して回転速度Ｎ１〜Ｎ２でファンブレード１１５の回動によって風量の増加率が抑えられるので、騒音レベルは著しく低い。
【００３２】
ここで、乗用手段である車両用に使用される交流発電機としては、沿岸地方や豪雪地帯のような塩害地域の走行等の車両環境を保証できる信頼性を確保しようとしたとき、複数のファンブレード１１５のブレード角度調整機構１２０が、工場出荷時の初期状態とズレなく正常に作動し続ける必要がある。
【００３３】
特に、空冷式の冷却ファンとして使用する車両用交流発電機では、外部から交流発電機に空気と共に取込まれる異物や水蒸気（水滴を含む）等により、捩りコイルバネ１２２が錆付いたり、捩りコイルバネ１２２に異物が噛み込む場合があり、上述のような捩りコイルバネ１２２の初期特性からのズレがさらに生じてしまうことで、可変ブレードの角度が初期状態からズレてしまうことは、避けねばならない。この点本発明の実施形態では、ファンブレード１１５の開口部１１６に収納されている捩りコイルバネ１２２（特に捩りコイルバネの特性を決める巻回部１２２ｃ）が大気開放し露出しないように、封止剤１５０が塗布充填されているので、捩りコイルバネ１２２作動時の異物噛み込みや錆付きを抑制することができる。したがって、異物噛み込み或るいは錆付きによるブレード角度調整機構１２０の付勢手段である捩りコイルバネ１２２の初期特性のズレを防止し、良好に静粛性を維持できる。なお、封止剤としては、塗布充填後に弾性体となるものの他、乾燥性のもの、或いは高粘性の流体等を用いることができ、潤滑性成分或いは錆の防止成分を含ませることができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
車両用交流発電機にブレード角度調整機構１２０のを有する回転ファン２５を搭載する場合は、小型化と冷却能力の要求から、回転ファン２５には複数のファンブレード１１５を持たねばならないが、加工精度上、各々のブレード角度調整機構１２０の付勢手段の弾発力（単位角度当たりの回転トルク）のバラツキが発生する。
【００３５】
また、ブレード角度調整機構１２０を有する回転ファン２５では、ブレード角度調整機構１２２により調整されるファンブレード１１５の吐出角度によってファンブレードの送風量が決まる構造のため、この弾発力のバラツキが発生すると、ファンブレード間の送風量バラツキが生じるので周期的うなり音が発生して、場合によっては耳障りな騒音となる場合がある。例えば説明のため、ファンブレードの数を６として、それぞれのファンブレードが回転ファン２５の回転によって発生する送風量を回転方向の順に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６とする。このとき、ブレード角度調整機構１２０の上述のバラツキによりＶ１〜Ｖ６の大小関係が、例えば順に、大、大、小、大、大、小とか、大、大、大、大、大、小のように周期的に送風量が変動すると、うなり音が発生する。
【００３６】
このため、本発明の実施形態では、弾性力の異なる少なくとも２種類の封止剤１５０を複数のファンブレード１１５ごとに使い分けて、ブレード角度調整機構１２０の付勢手段の捩りコイルバネ１２２を収納する開口部１１６に充填する。これにより、封止剤１５０の弾性力によって捩りコイルバネ１２２のバネ定数のバラツキを補償して、各々のブレード角度調整機構１２０の回動特性のバラツキを抑えることが出来る。したがって、ブレード角度調整機構１２０の付勢手段である捩りコイルバネ１２２の初期特性のズレがあっても、さらに車両用交流発電機の回転ファン２５に有する複数のブレード角度調整機構１２０の加工精度のバラツキがあっても、周期的うなり音を抑えることができるので、さらに良好に静粛性を維持できる回転ファン、そして車両用交流発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】ブレード角度調整機構に捩りコイルバネを用いたファンブレードの正面図である。
【図３】図２のIII矢視図である。
【図４】封止剤の弾性力に対する捩りコイルバネのバネ定数を表す特性図である。
【符号の説明】
２ ロータ
３ ステータ
２２、２３ ポールコア
２５、２６ 冷却用回転ファン
１１０ 回転板
１１５ ファンブレード
１１６ 開口部
１２０ ブレード角調整機構
１２２ 捩りコイルバネ
１２２ａ 上端部（一端部）
１２２ａ 下端部（他端部）
１２２ｃ 巻回部
１２３、１２４ ストッパ
１４０ 捩りコイルバネ固定用孔
１５０ 封止剤

Claims (3)

1. 回転駆動される回転板と、
   この回転板に支柱を介して回動可能に設けられた複数のファンブレードと、
   前記ファンブレードの開口部に収納された捩りコイルバネと、
   前記開口部内に前記捩りコイルバネを覆うように充填された封止剤とを備え、
   前記封止剤は、前記複数のファンブレードの特性のバラツキを抑制するように使い分けられた少なくとも２種類の封止剤を有することを特徴とする回転ファン。
2. 前記捩りコイルバネは両端部と巻回部とからなり、この巻回部が前記開口部に収納されると共に前記封止剤で覆われることを特徴とする請求項１に記載の回転ファン。
3. 前記捩りコイルバネの前記一端部が前記ファンブレードの側面に係合していると共に、前記他端部が前記回転板の一部に係合していることを特徴とする請求項２に記載の回転ファン。

Images