JP4149655B2 - 自己冷却モータ付き軸ファン - Google Patents
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Description
(発明の技術分野)
本発明は、電気モータ駆動される軸ファンの一般分野、特に自動車エンジン冷却の応用技術に用いられるファンに属する。
(発明の背景)
内部モータ温度は、電気モータの性能と耐久性に対して重大な影響を有する。電気モータの内部温度は、モータの発熱に起因して周囲温度よりも大きい。電気モータが車両のボンネットの下にあるような、自動車のエンジン冷却の適用においては、その問題は、車両のエンジンによって生じる高い周囲温度によって一層過酷になる。ある特徴は、周囲温度の上昇に対するモータ温度上昇を低減するように動作するかも知れない。
McLane−Goetzらによる米国特許第5,180,279号は、モータの背後を横切るいくつかの軸ファンの気流を方向転換させるための軸ファンの下流のスクープを含むファンを開示している。
DeFilippisによる米国特許第5,217,353号は、外部から空気を取り込み且つモータ内部の換気のための穴の空いた固定されたモータケーシングを有し、前記モータは、内部モータの換気のための排気ダクトとして動作する穴の空いた回転部品も有する遠心的な送風機モータを開示している。
モータにより駆動されるファンの元来構造的なリブは、モータの冷却という付加的な利益を有している。
【0002】
(発明の概要)
本発明の1つの態様は、モータの改良された冷却を提供するファンと電気モータの組合せ(あるいはそのような組合せで使用されるように適合されたファン)を特徴としている。本発明のこの態様は、概して、入口、出口および回転ブレードを有する遠心インペラを特徴としている。入口は、モータ冷却気流を受けるように配置される。回転ブレードは、インペラ出口においてインペラ入口におけるよりも大きな圧力を生じさせる。モータ冷却気流の圧力は、ファンブレードの後縁とハブとの交点の上流にインペラ出口を配置することにより、さらに上昇する(ここで、上流とは、局部的な例外にかかわらず概括的な、大部分の気流という意味で解釈される)。それ故、軸ファンにまたがる少なくともいくらかの(望ましくは全ての)圧力上昇が、インペラの圧力上昇に加えられる。インペラ出口が、さらにまだ上流、例えばファンブレードの前縁とハブとの交点の上流、に配置されると、インペラの圧力上昇は、軸ファンにまたがる全てまたはほぼ全ての圧力上昇によって上昇する。最終的な圧力上昇は、モータ冷却流路の圧力損失に打ち勝ち、より大きなモータ冷却気流に帰結する。
軸流ファンを参照すれば、軸ファンを通過する概括的な気流が、完全に軸上であるか、または、流れが混合され、その場合、そこには放射方向の流れの重要な成分が存在するであろうことを認識する。
典型的に、しかし必然的にではなく、モータは、外部ケーシングを含むであろう。本発明は、封止された外部ケーシングを有し、インペラが、モータケーシングの外部に沿ってモータ冷却気流を生成するモータにいくらかの利点を提供する。本発明は、少なくとも1つのケーシング入口、およびインペラ入口近傍に配置される少なくとも1つのケーシング出口を備えたケーシングを有し、前記インペラの回転がモータの内部を通る、すなわち、ケーシング入口を通り、モータケーシングの内部に入り、そしてケーシング出口を通って、インペラ入口に至る、モータ冷却気流を助けるモータに特に有利である。
【0003】
1つの実施形態においては、インペラブレードは、ハブの前方向きの中央領域と、前記前方向き中央ハブ領域の前方に軸方向に離間する底板との間に配置される。前記中央ハブ領域は、遠心インペラの天板として機能する。逆に、天板を、ハブと底板から離間させるようにしてもよい。
他の実施形態においては、ファンハブは、底板として機能すべく構成された後面向きの凹面の中央領域と、前記ハブ中央領域に対して軸方向後方に離間する天板を備えている。インペラブレードは、前記後面向き領域と前記天板との間に配置される。典型的に、インペラブレードは、ハブの回転がインペラブレードを駆動するようにファンハブに接続される。逆に、モータケーシングは、天板または天板の一部として機能する。この実施形態においては、モータケーシングは、遠心インペラの天板の少なくとも一部として機能するように構成されたフランジを含んでいてもよい。
モータケーシングの少なくとも一部がファンハブと共に回転するモータのために、インペラブレードはモータケーシングに連結されていてもよい。モータケーシングが固定されているモータのために、その組立はケーシングとハブの間のギャップを減小させるための封止材(例えば、ハブからケーシングへの延長、ケーシングからハブへの延長、またはそれらの両方)を含んでいてもよい。
【0004】
回転可能なモータ駆動板(driveplate)がモータに連結されていてもよく、インペラブレードの少なくとも一部が、前記駆動板に連結されていてもよく、そして、モータはインペラブレードを駆動する。前記駆動板は、天板か底板のいずれかとして機能してもよい。前記駆動板は、封止材を含む。前記インペラブレードおよび駆動板は、モータから冷却気流への熱転送を改善すべく金属製であってもよい。
ファンとインペラブレードは、射出成型されたプラスチック材料により形成されていてもよい。いくつかの場合には、ファンとインペラブレードは、単一のユニットとして成型されている。ファン、インペラブレードおよび、天板と底板のいずれかまたは両方とを単一のユニットとしてモールド成型することもできる。他の場合には、インペラブレードと、天板と底板のいずれかまたは両方とを単一のユニットとしてモールド成型することもできる。
上述したファンおよびモータの組合せは、車両における隣接する熱交換器を通して空気を移送するのに用いることができる。
上述したファン/モータの組合せは、前記ファンに前記モータを連結することにより組立てることができる。
他の特徴、および利点は、以後の記述およびクレームにより明確になるであろう。
【0005】
(好ましい実施形態の説明)
図1Aおよび図1Bにおいて、軸ファン10は、ファンの上流(気流の主流の観点から)の熱交換器11を通して空気を「引き込む」ために用いられる。ファン10は、モータケーシング14に収容されたモータ12により駆動される。ファン10は、回転バンド18およびリブ21により構造的に補強されたハブ20に一体的に接続された一連のブレード16を含む。ブレード16は、各々前縁90および後縁92を有し、ファンおよびモータの軸22におおむね垂直な平面内に延在する。各ブレード16は、ファン10のおおむね上流側方向に面した低圧面13およびファン10のおおむね下流側に向かう高圧面(図示していない)を有する。
モータ12を冷却するため、多数の(例えば、少なくとも5個の)インペラブレード24が底板25に連結され、そしてそれらは底板25とハブ20との間に延在する。ブレード24は、おおむね軸22に対して垂直に延びる。ハブ20、底板25とおよびブレード24の組合せは、その出口から内方へ放射状をなす入口を有する遠心送風機の流路を決定する。好ましい実施形態においては、ブレード24および底板25は、図1C(明確にする目的で、部品はハブ20から分離したブレード24として分解図により示されている)に示されるように一体にモールド成型され、そしてファン10は他のユニットとしてモールド成型される。
ハブ20は、(例えば、少なくとも3個の)駆動板アームに連結され、明確にするためにそれらのうちのアーム26のみが示されており、そしてそれらはシャフト28に一体的に接続されている。使用に際しては、モータケーシング14は、静止したままであり、そしてモータ12は、他の全ての上述した接続された要素が軸22の廻りを単一ユニットとして回転するようにシャフト28を回転させる。
【0006】
図1Dには、ファン/送風機ユニットにより誘起される気流パターンが示されている。ファン10が軸22の廻りを回転するにつれて、ブレード16はファン10の上流領域(U)から、空気を引き込み、そしてそれらは、(図1Bにも示されるように)矢印30で示されるようにファン10を通して空気をおおむね下流領域(D)へ移動させる。誘起されたファン10を通る気流は、圧力の増大ΔP2を経験する。
前記空気は、流れ矢印32で示されるように、領域(D)から入口開口31を通ってモータケーシング14へ引き込まれる。前記空気は、モータ12の内部を通り、それによって冷却し、流れ矢印34で示されるように冷却開口33を通して放出される。それから、気流は、冷却開口33からインペラブレード24の入口(I)を通って、前記ブレードの出口(O)へ動き、流れ矢印35で示されるように、おおむね軸方向で且つ接線方向から、おおむね放射状で且つ接線方向に切り替えられる。空気が遠心送風機のインペラブレード24を通って動くとき、圧力上昇ΔP1を生じる。
インペラブレード24を通しての圧力上昇ΔP1と、ファン10を通してのΔP2は、モータ12を通り、開口31を通って入り、開口33を通って出るときに生じる圧力低下ΔP3によって、次に示される関係でバランスされる。
ΔP1+ΔP2=ΔP3
ファン/モータが動作中であるときは、ちょうど記述したような気流パターンがモータ12の内部を連続的に冷却する。モータ12の内部部品を一層除熱するために、そしてモータの性能および耐久性を改善するために、モータケーシングの内部を気流が確実に通り、ケーシングの外部に沿わないようにするために、封止装置40が採用される。封止装置40は、ハブ20の延長でありモータケーシングの天板38に向かって軸方向に延び、製造上の許容誤差および設計思想によって決定される間隙ギャップ42を決定する。封止装置40の、軸22からの、内部放射状部は、冷却開口33を出る気流が干渉しないように冷却開口33の外周縁よりも若干大きい。
【0007】
図1Eを参照するに、モータ/ファンの組合せは、空気を、矢印49で示される方向に、ファンの下流の(主流の気流の観点から)熱交換器11を通して「押し込む」。モータ冷却空気は、モータケーシング14を出て、矢印34で示されるように、インペラブレード24の入口(I)に入り、そして、インペラ内を流通し、出口(O)に出る。出口(O)から、冷却気流は、矢印35で示される主流の気流に入る。他の全ての識別要素は、図1Bを参照して上述したのと同様である。
図1Fを参照するに、封止モータケーシング300が示されている。この実施形態においては、モータ冷却空気は、おおむね矢印301の方向に、モータケーシング300の外部に沿って流れる。気流は、矢印304で示されるように、インペラの入口(I)に入り、インペラブレード24を通過する。インペラの出口(O)を出るときに、矢印306で示される気流は、気流の主流に入り、おおむね矢印308の方向に流れる。
さて、本発明の他の実施形態について述べる。図1Aから図1Dにおいて用いたのと同じ要素番号が、図2から図8において、同様の要素を識別するのに用いられるであろう。
【0008】
図2において、底板25は、分離形成片であり、インペラブレード24は、ファンハブ20の頂部に一体的に接続されて、インペラブレード24とファン10が単一のユニットとしてモールド成型される。インペラブレード24をファン10と一緒にモールド成型することにより、インペラブレード24は、ハブ20に付加的な構造的支持を提供する。底板25は、図示上の目的でインペラブレード24とは分離されて示されている。動作に際しては、底板25は、溝23によりハブ20に対して中央に位置し、インペラブレード24に例えば熱ウェルディング処理により、接続されている。他の実施形態では、底板25は、ハブ20上に取り付けられる。図2に示されるファン/モータの動作は、冷却開口33を出るときの気流が、ブレードを通過してインペラブレードの出口(O)領域への移動に先立って、インペラブレード24の入口(I)近傍に配置されたハブ穴53を通って流れることを除き、図1Aから図1Dに関連して記述されたのとおおむね同様である。
図3を参照するに、ある実施形態の図が示されており、底板25がファン10と一体的にモールド成型された一組のインペラブレード24に連結されていて、ここでは、底板25はインペラブレード24の外側放射状部の外部に延びていない。加えて、ハブ20により形成された天板50は、インペラブレード24の内部放射状部に向かって内方に延びておらず、それによって、インペラブレード24によってのみ分岐される環状ギャップ52を形成している。このことは、ファン10、インペラブレード24、および底板25を、単一のユニットとしてモールド成型することを可能としている。
他の実施形態においては、図4に示されるように、モータケーシング14に接続されてハブ20に向かって外方に延びるフランジ19が天板として機能する。逆に、モータケーシングは、フランジを有しておらず、前記モータケーシングの直径が充分に大きく、前記モータケーシングの少なくとも一部が天板として機能するようにしてもよい。ファン/モータが動作中は、空気は、冷却開口33を通り、矢印34で示される方向にモータケーシング14を流通する。気流は、フランジ19、インペラブレード24および底板25の組合せにより形成される一連の流路を通って方向変換しつつ流れ、前記底板25はシャフト28に一体的に接続された駆動板27に連結されている。封止材は、フランジ19と、ハブ20との間のギャップ41を最小化することにより形成される。
【0009】
図5を参照するに、ファン/モータの実施形態が示されており、そこでは、ファン10、インペラブレード24、および底板25を、回転可能な外部モータケーシング15に、例えばねじ62により、連結される単一片を形成するように一緒に接続することができる。前記ファン/モータが使用中の時、ファン10、インペラブレード24、底板25および外部モータケーシング15は、軸22の廻りを回転するとともに、内部モータケーシング17は固定されたままである。空気は、モータ12の内部におおむね矢印60の方向に、入口開口31を通り、冷却開口33を通ってモータケーシング15の外部に出て、最終的にインペラブレード24を通って放射方向で且つ接線方向に移動して流れる。上述した実施形態(図1C)と同様に、封止装置64は、気流がモータケーシング15の外側を通って流れるのを防止し、流れが、確実にモータ12の内部を通過するようにするが、図1Cに示されたのとは異なり、ハブ20は、外部モータケーシング15に密接していてもよい。
逆に、外部モータケーシング15は、インペラブレード24に一体に接続することができ、ファンハブ20と一体化された底板25がねじ62により外部モータケーシング15に連結される。
他の構成においては(図示していない)、図1B、図2および図7(後述する)に示されており、各々固定ケーシング14を有するモータを示しているファン/ハブ/インペラの組合せが、回転可能な外部ケース15を有するモータと組み合わせて用いることもできる。
【0010】
図6Aおよび図6Bに示した実施形態では、インペラブレード24は、ファン/モータ駆動板アタッチメント72と一体化され、駆動板/インペラブレードユニットは天板として機能する。底板25は、穴70を通って配置されるねじ切りボルト(図示していない)により駆動板アタッチメント72に連結され、駆動板アタッチメントのねじ部(threaded portion)74にしっかりと係止される。駆動板アタッチメント72の一部は、ハウジング14に向かって軸方向に延び、ギャップ71を決定する。このギャップを最小化することにより、封止装置が形成される。使用にあたっては、空気は、インペラブレード24、底板25、および駆動板アタッチメント72によって形成される流路を通ってモータケーシング14の冷却開口33を出て流れ出し、矢印35で示されるように、スロット76を通って出る。
図6Cを参照すると、ファン/モータ組合せが示されており、そこには、駆動板400がインペラブレード24と一体化され、その駆動板/インペラブレードユニットが、底板として機能する。気流は、矢印34で示されるようにモータケーシング14およびインペラブレード24を通る。インペラを出た後は、気流は、矢印35で示されるように、方向転換して主流の気流に入る。
他の構成において、インペラブレード24およびファン/モータ駆動板アタッチメント72は、金属製とすることができる。このような金属部品は、熱交換器のように作用し、モータ作動部からシャフトを通して熱を奪い、熱をモータブレードから誘起された冷却空気に捨てる。
【0011】
図7Aおよび図7Bに示された実施形態において、インペラブレード24は、ハブ20の下方に一体的にモールド成型され、ハブ20が底板として機能するようにする。分離した円環状をなす天板82は、インペラブレード24の底部に一連の流路を形成するように連結され、各流路は、両側に2つの隣接するインペラブレードを有し、且つ底部側および頂部側に、それぞれハブ20および天板82を有している。この構成は、モータケーシングを出た気流は、規定された流路を通って移動し、ハブ20の周辺近傍に配置したスロット80を通って出ることを可能とする。スロット80の位置は、ブレード16の低圧面13近傍にそれぞれ配置するように指示される。天板82の内部放射状部近傍の領域と、モータケーシング14との間の間隔により定義される間隙84は、気流が、モータケーシングの外側周囲でなく、モータの内部を通って動くことを確実にするための封止材を形成すべく最小化される。
図8Aおよび図8Bに示されているのは、モータ/ファンの組合せであり、矢印93の方向に流れる冷却空気がモータケーシングを出て、インペラブレードを通過して流れ、インペラ出口(O)を通って排出され、出口(O)は、ファンブレード16の前縁90の下流で、且つ後縁の上流に配置される。その他の、同一要素は、上述したものと同様である。
【0012】
図9を参照すると、モータケーシング14は、モータケーシング14の側方で、且つインペラブレード24の入口(I)の近傍に配置された冷却開口33を含んでいる。この構造においては、モータ冷却空気は、矢印34で示されるように、おおむね放射方向に且つ接線方向に、冷却開口33を通ってモータケーシング14から出る。冷却空気は、インペラブレード24を介して移動し、前記インペラブレードの出口(O)において前記インペラから出る。矢印35により示されるように、冷却気流は、出口から出て、おおむね矢印200の方向に主流の気流を移動させる。この実施形態は、インペラブレードをモータケーシングの側部により一般的に沿う位置に移動させることによる全体のパッケージの高さを低減し得る付加的な利益を有する。
他の実施形態は、図1から図9を参照して詳述した1つまたはそれ以上の特徴を包含し、請求項の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1Aおよび図1Bは、電気モータのための軸冷却ファンの図形的表現である。
【図2】 図1Cは、底板および組立の残りの部分から分離したインペラブレードを示す図1Aおよび図1Bのファンを説明するための分解図である。
【図3】 図1Dは、図1Aのモータケーシングおよびハブの拡大図である。
【図4】 図1Eは、電気モータのための熱交換器を通して空気を送り込む軸冷却ファンの図形的表現である。
【図5】 図1Fは、封止されたモータケーシングの模式図である。
【図6】 図2は、軸ファンのハブに一体的に接続されたインペラブレードを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図7】 図3Aおよび図3Bは、底板の半径よりも大きな外部半径を有するインペラブレードを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図8】 図4は、天板として機能するフランジを有するモータケーシングを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図9】 図5は、回転モータケースを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図10】 図6Aは、ファン/モータ駆動板アタッチメントと一体化したインペラブレードを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図11】 図6Bは、ファン/モータ駆動板アタッチメントと一体化したインペラブレードを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図12】 図6Cは、駆動板が底板として機能するファン/モータの組合せの模式図である。
【図13】 図7Aおよび図7Bは、ファンハブの後方に形成されたキャビティに配置したインペラブレードを有する軸冷却ファンの模式図である。
【図14】 図8Aおよび図8Bは、ファンブレードの前縁の下流にインペラ出口が配置された軸冷却ファンの模式図である。
【図15】 図9は、モータケーシングが、冷却空気が放射方向に排出されるように冷却開口が配置されたファン/モータの組合せの模式図である。
Claims (23)
- 軸流ファンおよびモータの組合せであって、
a)外方に延びるファンブレードに接続されたファンハブ、前記ハブおよびファンブレードは、ファンブレードの前縁の上流領域からファンブレード後縁の下流領域への気流を生成するように回転可能である、と、
b)前記ファンハブを回転させるように接続された電気モータと、を具備し、
前記電気モータが、ケーシングを備え、
前記ファンおよびモータの組合せは、さらに、
c)回転インペラブレード、インペラ入口およびインペラ出口を備え、前記インペラ出口が前記ファンブレード後縁と前記ハブの交点の上流に配置される遠心インペラを具備し、
前記電気モータのケーシングの少なくとも一部が、前記回転インペラブレードおよび前記ファンブレードと共に回転する。 - 前記モータのケーシングは、少なくとも1つのケーシング入口と、少なくとも1つのケーシング出口とを備え、前記ケーシング出口は、前記インペラ入口の近傍に配置され、それによって、インペラの回転が、前記ケーシング入口を通って、前記モータケーシングの内部に入り、そして前記ケーシング出口を通って前記インペラに至るモータ冷却気流を助ける請求項1の組合せ。
- 前記インペラブレードは、ファンハブに接続され、それによって、ハブの回転が前記インペラブレードを駆動する請求項1の組合せ。
- 前記インペラ出口は、前記ファンブレード前縁の上流に配置された請求項1の組合せ。
- 天板と、底板とをさらに備え、前記底板は、前記天板から離間され、前記天板と底板との間の空間により流路が形成され、インペラブレードは、前記天板と前記底板との間に配置される請求項1の組合せ。
- 前記ハブは、天板として機能すべく構成された前面向きの中央領域と、前記ハブ中央領域に対して軸方向前方に離間する底板を備え、前記インペラブレードが、前記前面向きの中央領域と前記底板との間の空間に配置される請求項1の組合せ。
- 前記ハブは、底板として機能すべく構成された後面向きの凹面の中央領域と、前記ハブ中央領域に対して軸方向後方に離間する天板を備え、前記インペラブレードが、前記後面向きの中央領域と前記天板との間の空間に配置される請求項1の組合せ。
- 前記インペラブレードは、前記モータケーシングに一体的に接続された請求項1の組合せ。
- 前記モータは、封止された外部ケーシングを備え、前記インペラは、前記モータケーシングの外側に沿ってモータ冷却気流を生成する請求項1の組合せ。
- 前記モータケーシングの少なくとも一部は、天板として機能する請求項1の組合せ。
- 前記モータケーシングは、フランジを含み、前記フランジは前記インペラの天板として機能すべく構成された請求項10の組合せ。
- 前記モータに接続された回転可能なモータ駆動板を含む請求項1の組合せ。
- 前記駆動板は、天板および底板のいずれかとして機能する請求項12の組合せ。
- 前記インペラブレードの少なくとも一部は、前記駆動板に連結され、それによって、モータ駆動板の回転が前記インペラブレードを駆動する請求項12の組合せ。
- 前記インペラブレードおよび前記駆動板は、金属からなる請求項14の組合せ。
- 少なくとも前記ファンおよび前記インペラブレードは、射出成型されたプラスチック材料からなる請求項1の組合せ。
- 前記ファンと、少なくとも前記インペラブレードとは、一体に成型された請求項16の組合せ。
- 前記ファン、前記インペラブレードおよび、前記天板と前記底板のいずれかまたは両方とが、一体に成型された請求項5、6または7の組合せ。
- 前記インペラブレードおよび、前記天板と前記底板のいずれかまたはそれら両方とが、一体に成型された請求項5、6または7の組合せ。
- 隣接する熱交換器を通して空気を移送するのに用いる射出成型プラスチックの軸流ファンおよびモータの組合せであって、
a)外方に延びるファンブレードに接続されたファンハブ、前記ハブおよびファンブレードは、ファンブレードの前縁の上流領域からファンブレード後縁の下流領域への気流を生成するように回転可能である、と、
b)回転インペラブレード、インペラ入口およびインペラ出口を備える遠心インペラと、
c)天板および底板、前記底板は、前記天板から離間され、上流に配置されており、前記インペラブレードは前記天板と前記底板との間に配置される、と、
d)前記ファンハブを回転させるように接続された電気モータ、前記モータは、内部のモータ部品を囲繞する外部ケーシングを備え、前記ケーシングは、少なくとも1つの空気入口と、少なくとも1つの空気出口とを備え、前記ケーシング出口は、前記インペラ入口の近傍に配置され、前記インペラ出口は、前記ファンブレード後縁と前記ハブの交点の上流に配置される、と、を具備し、
それによって、前記ファンとインペラは、前記モータケーシングの内部を通るモータ冷却気流を生成する。 - 熱交換器を通して空気を移送すべく熱交換器に隣接する請求項1のファン/モータの組合せを動作させることにより、車両内における熱交換器を通して空気を移送する方法。
- モータをファンに連結することにより請求項2のファン/モータの組合せを組立てる方法。
- 前記インペラが、ファンブレードの後縁の下流領域から前記ケーシング入口を通って、前記モータケーシングの内部に入り、そして前記ケーシング出口を通って前記インペラに至るモータ冷却気流を助ける請求項2の組合せ。
Applications Claiming Priority (3)
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