JP4172998B2 - 高効率一体型遠心ブロワ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、自動車の室温調整に使用される遠心ブロワのような、一般的な遠心ブロワの分野に関する。
【０００２】
（背景）
一般に、遠心インペラは複数のブレードを有しており、これらのブレードは、流入する気流がインペラの入口からインペラの出口へと移動する時に、この気流を径方向に向ける。一般に、ブレードは、インペラの基部（入口と反対側）において気流の経路を形成するハブに取り付けられて、ハブと共に回転する。２部品のインペラの場合、気流の経路の上端は、ブレードに取り付けられ且つブレードおよびハブと共に回転する上端シュラウドによって規定される。
遠心インペラは、自動車の室温調整器（すなわち、換気・冷暖房装置）に使用される場合、一般に、２つの範疇、すなわち、ａ）低コストの１部品インペラと、ｂ）高コストで高効率の２部品インペラとに分けることができる。１部品のインペラは、低コストであるため、一般に、２部品のインペラよりも多用される。２部品のインペラは、一般に、高効率または高圧能力の要求がコスト的な不利益を上回る場合に使用される。
自動車の室温調整器に使用される場合、遠心ブロワは、動作条件の範囲にわたって効率的に作動しなければならない。例えば、様々な流れ抵抗を有する様々な熱交換器を通過するように空気を方向付けるため、複数の流通路が開閉する。一般に、流れ抵抗は、暖房状態および除霜状態で最大となり、エアコンモードで最小になる。効率が低く或は比較的低い圧力しか形成することができない従来の１部品インペラにおいては、ある場合に、暖房モードおよび除霜モードの高い流れ抵抗によって性能およびノイズに問題が生じる。
ヤップ(Yapp)の米国特許第4,900,228号は、Ｓ字状のキャンバを備えた湾曲ブレードを有する、２部品インペラを開示している。
チャップマン(Chapman)（WO01/05652）は、ブレードのキャンバが高い、２部品インペラを開示している。
【０００３】
（概要）
本発明は、２部品の遠心インペラに見られるブレードおよび通路の幾何学的形状を、単一部品として一体的に射出成形できるような形態で提供する。射出成形は、部品を成形するための動きやスライドを全く必要としない。
全般に、本発明は、単一部品として形成される遠心インペラを特徴としている。インペラは、３つの構成部品、すなわち、i）それぞれが前縁および後縁を有する複数のブレードと、ii）ブレードの上端に接続され且つ所定の内径を有する略環状の上端シュラウドと、iii）ブレードの基部の内側部位に接続され且つ上端シュラウドの内径よりも短い外径を有するハブとを有しており、ブレードと上端シュラウドとハブとを一体に形成できるようになっている。本発明は、２部品のインペラよりも少ない費用で製造できるとともに、従来の１部品のインペラよりも高い効率および高い流れ抵抗をもって動作する。
本発明の他の態様は、前述したインペラとベースプレートとを備えたブロワアセンブリであって、インペラおよびベースプレートは、共に、入口から出口へと向う気流の流路を形成する。ベースプレートは、回転不能であり、インペラハブの半径よりも長い半径まで外側に延びている。ベースプレートとインペラブレートとの間の隙間は、一般に、ブレードの後縁の底の半径の１０％を下回っている。好適な実施形態において、ベースプレートは、インペラ軸を含む面内で湾曲しているとともに、インペラの回転時にインペラブレードの基部の外形と一致する輪郭を描く。
【０００４】
幾つかの好適な実施形態においては、インペラがブロワハウジング内に収容され、前記ベースプレートが単一の一体部品として前記ブロワハウジングの一部に組み込まれている。幾つかの好適な実施形態においては、インペラを回転させるモータが装着され、前記モータがモータフランジに装着されるとともに、前記ベースプレートが単一の一体部品として前記モータフランジに組み込まれている。幾つかの好適な実施形態においては、インペラを回転させるモータが装着され、前記モータがモータハウジングに装着されるとともに、前記ベースプレートが単一の一体部品として前記モータハウジングに組み込まれている。幾つかの好適な実施形態においては、前記モータハウジングが単一の一体部品としてブロワハウジングの一部に組み込まれている。
好適な実施形態において、ブロワアセンブリは、自動車の室温調整システムに設置されるように寸法付けられて形成される。
【０００５】
好適な実施形態において、インペラは、
ａ）インペラ軸を含む面内で湾曲する上端シュラウド、
ｂ）１．０〜２．０の間の円筒面積比、
ｃ）０．７〜１．０の間の入口／出口面積比、
ｄ）ブレードの基部のブレードミーンライン長の２０％を下回る長さにわたってハブと接触するブレード、
ｅ）インペラ直径の１５％の最小翼弦長、
ｆ）少なくとも２．０のブレード剛率、
ｇ）インペラ入口半径よりも１〜８ｍｍ短い半径まで径方向内側に突出するブレード前縁の上端、
ｈ）インペラ入口半径よりも長いブレードの半径の少なくとも５０％にわたってブレードを覆う上端シュラウド、
ｉ）インペラとブロワハウジングとの間の隙間に通じる再循環を制御するために使用されるリングを備えた上端シュラウド、
を特徴としている。
本発明は、前述したインペラを単一部品として射出成形する方法を特徴としている。また、本発明は、モータをモータハウジング、モータフランジ、ブロワハウジングの一部に取り付け、また、ベースプレートを一体化し、前述したインペラをモータに取り付けて、インペラとベースプレートとの間の隙間を制御する、ブロワアセンブリの組み立て方法を特徴としている。
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、利点は、明細書本文、図面、および請求の範囲から明らかとなるであろう。
【０００６】
（発明の詳細な説明）
図１はインペラの一実施形態の半断面図である。この断面は、インペラ軸１６を含む面内にある。この断面は、歪曲されたブレードの図を含んでいる。インペラは、ハブ１１と、ブレード１２と、インペラ上端シュラウド１３とを備えている。
インペラハブ１１は、入口半径Ｒ２よりも短い半径Ｒ１まで延びており、これにより、スライドや他の動きを伴うことなく射出成形具による一体成形が可能である。
ブレードの前縁１４は、ブレードの基部１５におけるインペラハブの半径Ｒ１よりも短い半径から延びており、これにより、ブレードの基部をインペラハブ１１に接続することができる。
インペラ上端シュラウド１３はブレードを覆うとともに、インペラ軸１６を含む面内で湾曲している。上端シュラウドの湾曲は、インペラを通り抜ける滑らかな気流を最適化するように設計されている。インペラ上端シュラウドは、インペラの構造部品として不可欠である。また、インペラ上端シュラウドは、分流および乱流を防止するのに役立つとともに、インペラから排出される気流がブレードへと逆流して作動効率の低下をもたらす再循環を規制する。好適な実施形態において、インペラ上端シュラウドは、再循環流にとって大きな抵抗となる長い流路を形成するリング１７を備えていても良い。これにより、インペラの入口へと逆流する再循環流の流量が減少する。再循環流の流量を更に減少させるために、リングを更に追加して使用しても良い。また、好適な実施形態において、インペラ上端シュラウドは、インペラの入口半径Ｒ２よりも長いブレードの半径の５０％にわたって覆っている。
【０００７】
インペラの入口半径Ｒ２及びその半径でのブレードの高さＨ２は、その面積が２πＲ２Ｈ２である入口円筒を規定する。ブレードの後縁の上端の半径Ｒ３およびブレードの後縁の高さＨ３は、その面積が２πＲ３Ｈ３である出口円筒を規定する。出口円筒の面積に対する入口円筒の面積の比が円筒面積比である。好適な実施形態において、インペラの円筒面積比は１．０〜２．０の間、すなわち、
１．０＜Ｒ２Ｈ２／Ｒ３Ｈ３＜２．０
である。この関係は、上端シュラウドの表面による分流を防止するのに役立ち、これにより、ブロアの作動効率を比較的高くすることができる。
インペラの入口面積は、半径がＲ２の円の面積として規定される。インペラの出口面積は、半径がＲ３で且つ高さがＨ３の円筒の面積として規定される。インペラの出口に対する入口の比は、これらの２つの面積の比である。好適な実施形態において、インペラの出口面積に対する入口面積の比は０．７〜１．０の間、すなわち、
０．７＜π（Ｒ２）²／２πＲ３Ｈ３＜１．０
である。この関係も、上端シュラウドの表面による分流を防止するのに役立ち、これにより、ブロアの作動効率を比較的高くすることができる。
ブレードの上端におけるブレードの前縁は、入口半径よりも短い半径まで、径方向内側に突出している。ブレードの上端におけるブレードの前縁の半径と入口半径との間の差が“ａ”で示されている。この幾何学的形状により、大部分のブレードを成形する工具の半分をブレード１２の上縁１８に向って軸方向に延ばすことができる。工具の２つの半体がこの上縁に沿って対向接触する。好適な実施形態において、寸法“ａ”は１〜８ｍｍである。
【０００８】
図２は、２つのインペラブレードの図を示している。この図は、インペラ軸に対して垂直な面内にある。この図は、ブレードの上端における翼弦２１と、ブレードの基部における翼弦２２と、ブレートの後縁同士の間隔２３とを示している。ブレードの上端における翼弦２１は、ブレードの上端における前縁からブレードの上端における後縁へと至る線を、インペラ軸に対して垂直な面上へ投影したものとして規定されている。同様に、ブレードの基部における翼弦２２は、ブレードの基部における前縁からブレードの基部における後縁へと至る線を、インペラ軸に対して垂直な面上へ投影したものとして規定されている。最小翼弦は、これらの２つの翼弦のうちの短い方である。最小翼弦をインペラの直径の少なくとも１５％にすると、従来の単体のインペラよりも十分に高い作動効率を得ることができる。インペラの直径は、一般に、ブレードの後縁のうちで最も大きい半径を有するブレードの後縁の直径によって決定される。
高い効率を得るための他の重要な特徴は、ブレードの高い剛率である。ブレードの剛率は、最も半径が遠い後縁でのブレード間の間隔に対する最小翼弦長の比として規定される。効率的な作動を得るためには、ブレードの剛率を少なくとも２．０にするのが最適である。ブレードの剛率は、翼弦長を制限する事象と同じ事象によって制限される。すなわち、ブレードの通過領域は、気流がインペラを通り抜けることを阻止するほど非常に狭くなり、動作効率が減少する。
【０００９】
図３は、ブレードの基部におけるブレードミーンライン３１を示すインペラブレードの斜視図を示している。ブレードの基部におけるブレードミーンラインは、ブレードの基部に沿って前縁から後縁へと延び且つブレードの両側から等距離にある線として規定される。好適な実施形態において、ブレードは、ブレードの基部におけるブレードミーンラインの２０％以下（例えば最初の２０％）にわたって、インペラのハブと接触する。
図４は、インペラ４３とベースプレート４２とを備えたブロワアセンブリの半断面図である。この断面は、インペラ軸４１を含む面内にある。インペラ４３の断面図は、歪曲されたブレードの図を含んでいる。ベースプレート４２は、インペラのハブの半径Ｒ１を越えて径方向に延びており、好適な実施形態においては、ベースプレート４２は、図示のように、インペラブレードの基部４４の外径Ｒ５まで延びている。ベースプレート４２は、インペラ４３の真下に位置されており、インペラブレードの基部４４の外形と一致した外形に形成されている。ベースプレート４２とインペラブレードの基部４４との間の垂直距離が図４に“ｃ”で示されている。インペラを通り抜ける気流の経路を効果的に確保するため、一般に、“ｃ”は半径Ｒ５の１０％を下回っていなければならない。好適な実施形態において、ブロワの効率は、製造公差が許す限りベースプレートをインペラに近付けて位置させることにより、最大となる。自動車の室温調節インペラは、一般に、６０〜１３０ｍｍの半径を有している。半径が１００ｍｍの典型的なインペラの場合、間隔“ｃ”は１〜１０ｍｍの間でなければならない。
【００１０】
図５は、ベースプレートを有するインペラを備えた他のブロワアセンブリの半断面図である。この断面は、インペラ軸５１を含む面内にある。インペラ５４の断面図は、歪曲されたブレード５５の図を含んでいる。この実施形態は、上端シュラウド５３の他の実施形態と同様に、ベースプレート５２の他の実施形態を含んでいる。このベースプレート５２は、インペラブレード５５の基部の半径Ｒ５よりも短い半径Ｒ４を有している。ベースプレートは、インペラのハブの半径Ｒ１よりも長い任意の半径で有効となり得る。上端シュラウド５３は、インペラブレード５５の上端の半径Ｒ３よりも短い外径を有している。ブロワハウジング５６の一部が図示されている。上端シュラウド５３の半径がインペラブレード５５の上端の半径Ｒ３よりも実質的に短い場合には、再循環を規制するため、ブロワハウジング５６の一部をインペラブレード５５の上端の直ぐ近傍に位置させなければならない。
【００１１】
図６は、ブロワハウジング６１とインペラ６２とモータ６３とを備えたブロワアセンブリの断面図である。この断面は、インペラ軸６４を含む面内にある。アセンブリの断面図は、歪曲されたブレードの図を含んでいる。この実施形態においては、アセンブリの部品点数を減少させるため、ベースプレート６５がブロワハウジング６１の一部に組み込まれている。
図７は、ブロワハウジング７１と、フランジ７３を有するモータ７２と、インペラ７４とを含むブロワアセンブリの断面図である。この断面は、インペラ軸７５を含む面内にある。この断面図は、歪曲されたインペラブレードの図を含んでいる。この実施形態においては、ベースプレート７６がモータフランジ７３と一体を成している。
図８は、ブロワハウジング８１と、モータハウジング８２と、モータ８３と、インペラ８４とを含むブロワアセンブリの断面図である。この断面は、インペラ軸８５を含む面内にある。アセンブリの断面図は、歪曲されたブレードの図を含んでいる。この実施形態においては、ベースプレート８６がモータハウジング８２と一体を成している。
【００１２】
図９は、ブロワハウジング９１と、モータハウジング９２と、モータ９３と、インペラ９４とを含むブロワアセンブリの断面図である。この断面は、インペラ軸９５を含む面内にある。アセンブリの断面図は、歪曲されたブレードの図を含んでいる。この実施形態においては、モータハウジング９２およびベースプレート９６がブロワハウジング９１の一部に組み込まれている。
図１０は、実現可能なブレード前縁形状１０２の１つを示すインペラの斜視図である。ブレード前縁形状は、製造要件を満たすように変更することができる。この実施形態において、殆どのブレード前縁は略垂直であり、“フット”１０１によってブレードがハブに取り付けられている。
図１１は、実現可能な他のブレード前縁形状１１１を示すインペラの斜視図である。ブレード前縁形状は、製造要件を満たすように変更することができる。この実施形態において、前縁は、その全長にわたって一定の角度を成している。
本発明の多くの実施形態を説明してきたが、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、様々な改良を成すことができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インペラの一実施形態の半断面図であって、この断面はインペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたブレードの図を含んでおり、インペラ回転時のブレードの包絡線を示している。インペラハブおよび上端シュラウドの形状が示されている。
【図２】 ２つのインペラブレードの図であって、この図はインペラ軸に対して垂直な面内にある。この図はブレードの上端における翼弦と、ブレードの基部における翼弦と、ブレードの後縁同士の間隔とを示している。
【図３】 ブレードの基部におけるブレードミーンラインを示すインペラブレードの斜視図である。
【図４】 ベースプレートを有するインペラの他の実施形態の半断面図であって、この断面はインペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたブレードの図を含んでいる。ベースブレードの好適な実施形態が示されている。
【図５】 ベースプレートを有するインペラの他の実施形態の半断面図であって、この断面はインペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたブレードの図およびブロワハウジングの一部を含んでいる。ベースブレードの第２の実施形態が示されている。
【図６】 ブロワハウジングとインペラとモータとを備えたアセンブリの断面図であって、この断面は、インペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたインペラブレードの図を含んでいる。ベースプレートがブロワハウジングの一部に組み込まれた実施形態が示されている。
【図７】 ブロワハウジングとモータとモータフランジとインペラとを備えたアセンブリの断面図であって、この断面はインペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたインペラブレードの図を含んでいる。ベースプレートがモータフランジに組み込まれた実施形態が示されている。
【図８】 ブロワハウジングとモータハウジングとモータとインペラとを備えたアセンブリの断面図であって、この断面は、インペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたインペラブレードの図を含んでいる。ベースプレートがモータハウジングに組み込まれた実施形態が示されている。
【図９】 ブロワハウジングとモータハウジングとモータとインペラとを備えたアセンブリの断面図であって、この断面はインペラ軸を含む面内にある。この断面は歪曲されたインペラブレードの図を含んでいる。ベースプレートおよびモータハウジングがブロワハウジングの一部に組み込まれた実施形態が示されている。
【図１０】 １つの実現可能なブレード前縁形状を示すインペラの斜視図である。
【図１１】 ２つ目の実現可能なブレード前縁形状を示すインペラの斜視図である。
【符号の説明】
１１…インペラハブ、
１２…ブレード、
１３…インペラ上端シュラウド、
１４…ブレードの前縁、
１５…ブレードの基部、
１６、４１、５１、６４、７５、８５、９５…インペラ軸、
１７…リング、
１８…ブレードの上縁、
２１…ブレードの上端における翼弦、
２２…ブレードの基部における翼弦、
２３…ブレートの後縁同士の間隔、
３１…ブレードの基部におけるブレードミーンライン、
４２、５２、６５、７６、８６、９６…ベースプレート、
４３、５４、６２、７４、８４、９４…インペラ、
４４…インペラブレードの基部、
５３…上端シュラウド、
５５…インペラブレード、
５６、６１、７１、８１、９１…ブロワハウジング、
６３、７２、８３、９３…モータ、
７３…モータフランジ、
８２、９２…モータハウジング、
１０１…フット、
１０２、１１１…ブレード前縁形状、
ａ…ブレードの上端におけるブレードの前縁の半径と入口半径との間の差、
ｃ…ベースプレートとインペラブレードの基部との間の垂直距離

Claims (20)

1. 一つの軸を中心に回転可能に装着された遠心インペラであって、それぞれが前縁および後縁を有する複数のブレードと、インペラハブと、上端シュラウドとを備え、インペラ直径、円筒面積比、出口面積、最小翼弦長、ブレードミーンライン長、ブレード剛率がブレードによって規定され、インペラ入口半径および入口面積を有するインペラへの入口が上端シュラウドによって形成される遠心インペラにおいて、
   ａ）一体的に射出成形され、
   ｂ）インペラハブは、インペラ入口半径よりも短い半径で外側に延び、
   ｃ）ブレードは、インペラハブの半径よりも短い半径から外側に延び、
   ｄ）上端シュラウドは、インペラ軸を含む面内で湾曲し、
   ｅ）円筒面積比が１．０〜２．０の間であり、
   ｆ）前記ブレード剛率が少なくとも２．０である
   ことを特徴とする遠心インペラ。
2. 前記上端シュラウドは、再循環流を制御するための少なくとも１つのリングを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
3. 前記上端シュラウドは、インペラ入口半径よりも長いブレードの半径の少なくとも５０％にわたってブレードを覆っていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
4. ブレードの前縁の上端は、インペラ入口半径よりも短い半径まで内側に突出していることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
5. 前記最小翼弦長は、インペラ直径の少なくとも１５％であることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
6. 前記ブレードは、ブレードの基部のミーンライン長の２０％を下回る長さにわたってハブと接触していることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
7. ブレードの前縁の上端は、インペラ入口半径よりも１〜８ｍｍ短い半径まで内側に突出していることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
8. 出口面積に対する入口面積の比が０．７〜１．０の間であることを特徴とする、請求項１に記載の遠心インペラ。
9. ベースプレートと請求項１に記載されたインペラとを備え、前記インペラの上端シュラウドおよびベースプレートが共に入口から出口に向う気流の流路を形成する遠心ブロワアセンブリにおいて、
   前記ベースプレートは、
   ａ）インペラハブの半径よりも長い半径まで外側に延び、
   ｂ）回転不能であり、
   ｃ）インペラブレードとの間の隙間がインペラの半径の１０％を下回っている
   ことを特徴とする遠心ブロワアセンブリ。
10. ブロワハウジングを更に備え、ベースプレートは、単一の一体部品として前記ブロワハウジングの一部に組み込まれている、請求項９に記載の遠心ブロワアセンブリ。
11. モータおよびモータフランジを更に備え、ベースプレートは、単一の一体部品として前記フランジに組み込まれている、請求項９に記載の遠心ブロワアセンブリ。
12. モータハウジングを更に備え、ベースプレートは、単一の一体部品として前記モータハウジングに組み込まれている、請求項９に記載の遠心ブロワアセンブリ。
13. ブロワハウジングを更に備え、モータハウジングは、単一の一体部品として前記ブロワハウジングの一部に組み込まれている、請求項１２に記載の遠心ブロワアセンブリ。
14. 前記ベースプレートは、前記インペラと共に、インペラの回転時にインペラブレードの基部の外形と一致する輪郭を描き、これによって、前記気流の流路を確保することを特徴とする、請求項９に記載の遠心ブロワアセンブリ。
15. 前記ベースプレートは、ファンの軸を含む面内で湾曲していることを特徴とする、請求項９に記載の遠心ブロワアセンブリ。
16. 遠心インペラを単一部品として射出成形することによる、請求項１に記載の遠心インペラを形成する方法。
17. 前記ブロワハウジングの前記一部にモータを装着し、前記インペラを前記モータに取り付ける、請求項１０に記載の遠心ブロワアセンブリの組み立て方法。
18. 前記モータを前記モータフランジに装着し、前記インペラを前記モータに取り付ける、請求項１１に記載の遠心ブロワアセンブリの組み立て方法。
19. 前記モータハウジングにモータを装着し、前記インペラを前記モータに取り付ける、請求項１２または請求項１３に記載の遠心ブロワアセンブリの組み立て方法。
20. 自動車の室温調整システムに設置されるように寸法付けられて形成される請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項に記載の遠心ブロワアセンブリ。

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