JP4421299B2 - オーバーラップするファンを備えたエンジン冷却ファンアセンブリ - Google Patents
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Description
ファンアセンブリは、様々なノイズ基準を満たしつつ、所要量のエンジン冷却空気を効率的に供給する必要がある。これらのノイズ基準は、通常、広帯域ノイズと音とに関係している。所定のファン出力においては、多くの場合、ファンの直径を最大化することにより広帯域ノイズを最小限に抑えられることが分かっているが、ファンが熱交換器の縁部とオーバーラップしている場合、ファンノイズ、特にファンノイズの音の含有量が増大する。
また多くの場合、ファンの効率は、ファンの直径を最大化することによって向上する。この1つの理由は、一般には、ファンを通過する空気を加速する際に消費される出力が回収されないからである。この出力は、ファンの面積を最大化することによって最小限に抑えられる。他の理由は、ファンの面積が大きいと、熱交換器の有効範囲がより良くなることである。一般に、ファンアセンブリは、奥行きが浅いため、ファンが延伸する面積の外側で熱交換器コアを通過する空気の速度は、通常、ファンが延伸する面積の内側での空気の速度よりも小さい。この流れの不均一性により、平均圧力低下が大きくなり、熱交換器の効果が低下する。
所定のファン構成が熱交換器コアの良好な有効範囲を提供する度合いの目安は、面積比Af/Acである。これは、熱交換器コアの面積Acに対するファンディスク全体の面積Afの比である。正方形コア上のシングルファンの場合、コアの縁部とオーバーラップすることなく得られる最も大きい面積比は、□/4または0.79である。また、これはアスペクト比が2のコア上において側方に隣接して並んで配置されるデュアルファン構成で得られる最大の値でもある。
実際に、多くの自動車の熱交換器は、正方形に対応し、かつシングルファンにおいて理想的な1と、デュアルファンにおいて理想的な2との間のほぼ中間のアスペクト比を有している。このことは、シングルファン構成および従来のデュアルファン構成のいずれもコアを通じた有利な流れ分布を有さないという点で、ファンの設計者に課題を与える。約1.35のアスペクト比は、おそらく、シングルファンアセンブリおよびデュアルファンアセンブリにおいて、コア面積に対するファン面積の比が同じくらい小さくなる最悪の場合である。これらの2つの配置構成の概略図が図1aおよび図1bに示されている。シングルファンアセンブリおよびデュアルファンアセンブリの両方において、面積比は、約0.58である。実際に、図1cに示す3−ファンアセンブリも面積比が0.58である。図1a、図1b、図1cに示す構成のファン全体の面積は、ほぼ等しいが、これらの構成の効率およびノイズも同様にほぼ等しい。
好ましい実施態様において、オーバーラップする対の各ファンを駆動するモータを支持する一組のアームの軸方向位置は、その対の他方のファンの軸方向位置とほぼ同じである。対の各ファンのための一組の支持アームは、その一組の支持アームと同じ軸方向位置にある対の他方のファンの場所と干渉する任意の部材を排除する。これにより、モジュールを軸方向で非常にコンパクトにすることができる。
前記側板と各ファンとの間には、オーバーラップ領域の外側のファンの外周の一部に沿って、小さな間隙が維持されていることが好ましい。ファンの軸の一方または両方と直交する平面内への側板開口の延伸は、ファンのオーバーラップ領域内でオーバーラップする2つのほぼ円形の部材であることが好ましい。
最も好ましい実施態様に係るファンアセンブリを軸方向上流側または軸方向下流側からみた場合、オーバーラップする対の一方のファンを駆動するモータを支持する一組のアームが延伸する領域は、対の他方のファンのディスクが延伸する領域の外側に位置している。
一実施態様において、ファンアセンブリは、デュアルファンアセンブリである。このような配置構成により、シングルファンアセンブリまたは従来の側方に隣接して並んだデュアルファンアセンブリが不可能な場合、すなわち、側板が熱交換器コアの長方形領域をカバーし、その長方形領域のアスペクト比が1〜2のほぼ中間にある場合には、熱交換器コアを通じた流れの均一性が良好となる。好ましい実施態様においては、アセンブリがデュアルファンシステムであり、そのサイズは、約1.25から1.8のアスペクト比で空気をコアの領域を通じて通過させることができる。最も好ましい実施態様においては、アセンブリはデュアルファンシステムであり、ファンの直径は、等しい。あるいは、ファンの直径が等しくない場合、小さい方のファンの直径は、大きい方のファンの直径の85%よりも大きく、大きいファンの直径は、コア領域の小さい方の寸法の75%よりも大きい。
他の実施態様において、ファンアセンブリは、2つ以上のファンを備えている。
幾つかの実施態様において、ファンは、油圧モータによって動力供給を受けるが、好ましい実施態様において、ファンは、電気モータによって動力供給を受ける。本発明の1つの利点は、比較的小さいパッケージ内で2つ以上の大きなモータを使用できるという点である。この場合、側方に隣接して並んで配置すると、大きなモータ出力を効率的に吸収することができないサイズまでファンの直径が制限されてしまう。また、オーバーラップするファンの配置構成において2つのモータ支持体を両方とも下流側または上流側に配置すると、奥行きが深くなりすぎて、自動車に取り付けることができなくなる。
好ましい実施態様において、側板は、熱交換器コアとファンとの間にプレナムを形成する。このプレナムは、上流側に支持アームを有するファンに隣接するそれらの領域で深くなっている。これにより、側板の所定の軸方向深さにおいてプレナムの深さを最大化することができるとともに、流れの不均一性を最小限に抑えることができる。
好ましい実施態様においては、ファンの外周のオーバーラップしない部分−任意の他のファンの上流側または下流側にない部分で、各ファンと側板との間の間隙を小さく維持することにより、再循環が制御される。この間隙は、ファンの直径の2%未満であることが好ましい。
回転方向は、アセンブリの軸方向下流側から見た方向で特定される。幾つかの実施態様においては、オーバーラップする対の一方のファンが時計周り方向に回転し、対の他方のファンが反時計周り方向に回転する。これにより、ファンブレード同士は、オーバーラップ領域において同じ方向に回転する。このような配置構成では、オーバーラップ領域で全体の渦流速度が増大し、オーバーラップ領域でブレード同士が反対方向に回転する配置構成と比べて効率が下がる。しかしながら、下流側のファンの相対速度が低下するため、他の配置構成と比べてファンノイズを低減させることができる。他の利点は、モータの装着の仕方に起因して、両方のファンモータがモータに対して同じ回転方向を有しているという点である。場合によっては、同じモータを使用することができる。
他の実施態様において、オーバーラップする対の両方のファンは、同じ方向に回転する(両方のファンが時計周り、あるいは、両方のファンが反時計周り)。これにより、ファンのブレード同士は、オーバーラップ領域において反対の方向に回転する。このような配置構成では、渦流が除去されるため、このオーバーラップ領域でブレード同士が同じ方向に回転する配置構成よりも若干効率を高めることができる。しかし、下流側のファンの相対速度が増大するため、他の配置構成と比べてファンのノイズが大きくなる可能性がある。
好ましい実施態様において、オーバーラップする対の両方のファンは、その先端が前方に湾曲するブレードを有する。このような幾何学的形状によれば、他の幾何学的形状に比べて効率が良くなり、かつファンノイズが低減することが分かった。これは、前方に湾曲するブレードが、例えばブレードがオーバーラップする領域内へと入る時、あるいはブレードがオーバーラップ領域から出る時に生じる不安定な流れに対して、比較的高い耐性を有しているためである。
好ましい実施様態においては、オーバーラップする対の一方のファンが時計周り方向に回転し、他方のファンが反時計周り方向に回転する。また、下流側のファンの前縁の先端の湾曲方向は、上流側のファンの後縁の先端の湾曲方向と反対である。この構成においては、下流側のファンが上流側のファンのウェーク(伴流)と交わり、それにより、ブレード断面の違いに基づく不安定な力が互いに打ち消されて、アコースティック音が低減される。
最も好ましい実施態様において、オーバーラップする対の上流側のファンは、その後縁の根元の湾曲方向が、後縁の先端の湾曲方向と反対である。
本発明は、熱交換器の上流側または下流側に配置することができ、あるいは、2つの熱交換器の間に配置することができる。
モータは、DCモータであってもよく、また、機械的あるいは電気的に整流されてもよい。
好ましい実施態様において、側板は、オーバーラップするファンの対の少なくとも一方を取り囲むバレルを備え、このバレルは、対の他方のファンの上流側または下流側の領域に延伸し、その他方のファンのモータのマウントの支持に寄与する。
図1bおよび図1cは、2枚および3枚のファンを配置して成る、オーバーラップ(側方に隣接して並んだ)配置構成を示す。この場合も、コアのアスペクト比は1.35である。また、これらの配置構成の面積比も約0.58である。ここで、ファンディスクの面積は、各ファンのディスクの面積を合計することによって得られる。図1bおよび図1cにおいて、隣り合うファンのブレード先端は、ファンディスクの接点で接触する。実際には、任意の回転チップバンドおよび所要の運転間隙の存在により、面積比は、計算値よりも若干小さい値まで減少する。
図1dおよび図1eは、コアのアスペクト比が1.35においてオーバーラップするファンの配置構成の概略図を示す。ファンがオーバーラップする配置構成では、一般に、このコアアスペクト比でオーバーラップしない配置構成よりも面積比が大きくなる。図1dは、面積比が0.68になるデュアルファン配置構成である。図1eは、ほぼ同じ面積比を有する3−ファン配置構成である。ここで、ファンディスクの面積は、各ファンのディスク面積の合計からオーバーラップ面積を差し引くことによって得られる。
ファンをオーバーラップさせることによって得られる良好なコア有効範囲に加え、ファンを通り抜ける空気を加速させる際に費やされるファン出力の一部分が、コアの抵抗に打ち勝つ際に費やされるファン出力と比較して十分大きい場合には、これらの配置構成によりファン効率も向上する。ファン出力のこの部分は、ファンディスクの面積を最大化して、ファンを通り抜ける軸流速度を最小にすることにより、減少させることができる。
図3は、熱交換器コア4の下流側に装着された本発明に係るオーバーラップするデュアルファンアセンブリの断面を示す。断面の平面は、2つのオーバーラップするファン10、20の回転軸を含んでいる。ファン10は、マウント30に取り付けられたDCモータ(DC電動機)20によって給電される。マウント30は、複数のアーム40によって支持されており、これらのアーム40は、側板2によって支持されている。ファン110は、マウント130に取り付けられたDCモータ(DC電動機)120によって給電される。マウント130は、複数のアーム140によって支持されており、これらのアーム140は、側板2によって支持されている。ファン10、110は、オーバーラップ領域22内で互いにオーバーラップしている。支持アーム40は、ファン10の上流側に配置されている。このことは、気流がファン10と衝突する前に、支持アーム40に衝突することを意味している。支持アーム140は、ファン110の下流側に配置されている。したがって、気流は、ファン110と衝突した後、支持アーム140と衝突する。図面から分かるように、アセンブリは、軸方向で非常にコンパクトである。マウント30、130、支持アーム40、140、および側板2は、単一のプラスチック部品として成形される。
ファンブレード14、114は、半径の関数としてブレードの軸方向の長さを示す “湾曲した”図によって表わされる。ブレードは、オーバーラップ領域22内におけるブレードの装着状態を維持するのに役立つ回転チップバンド16、116に対して取り付けられる。回転チップバンド16、116は、この領域の外側で、側板2との間に、狭い運転間隙18、118を有している。これらの間隙は、ファンの直径の2%未満である。これらの狭い間隙は、他と違って自動車のエンジンの冷却ファンにより生成される著しい圧力上昇によって形成される再循環を最小限に抑える。
この実施態様において、ファンの直径は、互いに等しい。ブレードの長さは、“s”で示される。ブレードのオーバーラップする長さは、寸法“o”で示される。寸法“o”は、寸法“s”よりも僅かに小さい。ブレード14は、ファンのハブ112の後側を通っておらず、また、ブレード114は、ハブ12の前側を通っていない。オーバーラップにおけるこのような制限により、ファン10、110によって生成されるアコースティック音が最小になる。
コア4の面とモータ20の面との間の最大距離がd1で示されており、また、コア4の面とモータ120の面との間の最大距離がd2で示される。d1は、d2とほぼ等しくなるように示される。好ましい実施態様において、d1とd2との間の差は、d1およびd2のうちよりの小さい方の25%未満である。
図面から分かるように、上流側の支持アーム40は、その延伸した領域がファン110の延伸したディスクの領域中に含まれるような部材を全く有していない。このような配置により、ファン110および支持アーム40を同じ軸方向の位置に配置することができ、それにより、ファンアセンブリの軸方向の長さを最小限に抑えることができる。支持アーム40は、一組の放射状に延伸する部材として示されているが、多くの他の形状の支持アームを使用することができる。例えば、放射状でない、あるいは湾曲した支持アームを使用することができ、また、交差支持構造または中間リング構造によって補足的に支持することもできる。
モータマウント30は、幾つかの装着タブを有するほぼ円形の部材として示されているが、他の多くの形状のモータマウントを使用することができる。
側板2によってカバーされる熱交換器コアの領域は、アスペクト比が1.44のほぼ矩形状を成している。各ファンは、この領域の小さい方の寸法の約0.79倍の直径を有している。
上流側の支持アーム40の断面は、細くなっており、流れに対する障害を最小限に抑えることができ、かつ側板バレル50の外周の外側における領域で成形性を確保できるように方向づけられている。
バンド16と側板バレル50との間の間隙18、および、バンド116と側板バレル150との間の間隙118は、オーバーラップ領域22の外側の領域における各ファンの直径の2%未満である。
矢印は、両方のファン10、110が同じ方向(この図では、時計回り)に回転することを示す。このような配置により、ブレード14は、オーバーラップ領域において、ブレード114と反対の方向に回転する。この領域において、ファン110によって形成される渦流は、ファン10によって形成される渦流によって幾分打ち消される。このような配置構成によれば、オーバーラップ領域でブレード同士が同じ方向に回転する配置構成よりも、効率を若干高めることができる。
ファンブレード14、114は、ブレードの先端で前方に湾曲する前縁15、115を有している。前方に湾曲するブレードは、一般に、例えばオーバーラップしたファンのブレードが直面するような不安定な流れに対して高い耐性を示す。このような耐性により、後方に湾曲する構造と比較した場合、効率を高めて、ノイズを低減ことができる。
図7は、図3〜図6に示すオーバーラップするファンアセンブリの詳細図である。図7は、軸方向下流側から見たオーバーラップ領域におけるファンブレードの外形を示す。両方のファンは、時計周り方向に回転する。上流側のブレードの後縁は、先端が前方に湾曲するとともに、根元が後方に湾曲している。また、下流側のブレードの前縁は、先端が前方に湾曲している。下流側のブレードは、4つの異なる回転角度で示されており、また、これらのそれぞれの場合において、上流側のブレードは、下流側のブレードの前縁の先端部と上流側のブレードの後縁との間の交角を示すために回転している。ファン同士の間の軸方向の空間は狭いため、この交角は、下流側のブレードが上流側のブレードのウェークと交わる角度にほぼ等しい。ファンの音を最小限に抑えるため、この交角は、理想的には約90°でなければならないが、回転するブレードによって与えられる様々に変化する幾何学的形状に起因して、そのような理想的な配置構成を得ることはできない。図示の配置構成は、4つの回転角度のうちの3つで、有利な交角を示している。55°の回転角度において、下流側のブレードの前縁は、上流側のブレードの後縁と瞬間的に平行になるが、このような状態は、短時間だけしか存在しない。
図9は、図5に示すアセンブリと同様のアセンブリの軸方向下流側の図である。このアセンブリにおいて、ファン10、110は、米国特許第5,000,660号によれば、根元で均等に離間し、かつ先端で不均等に離間するブレード14、114を有している。2つのファンのうちの少なくとも一方、好ましくは両方において、ブレードの先端を不均等に離間させると、ファンアセンブリの本来備わっているノイズの質を改善することができる。同様なノイズの改善は、不均等に離間されたブレードを使用することにより得ることができる。
また、図9は、下流側のファン10を取り囲んでファン110の下流側領域へと延伸する側板バレル50を示す。延伸部51は、直接に、かつ別個の支持アーム141を介して、モータマウント130を付加的に支持している。上流側のファンを取り囲む同様の延伸部を側板バレルに設けると、構造的な利点を得ることができる。
Claims (27)
- a)第1のモータによって駆動される第1のファンであって、前記第1のモータが第1のモータマウントによって支持され、前記第1のモータマウントが一組の第1のアームによって支持され、前記一組の第1のアームが側板へと延伸して前記側板によって支持される第1のファンと、
b)第2のモータによって駆動される第2のファンであって、前記第2のモータが第2のモータマウントによって支持され、前記第2のモータマウントが一組の第2のアームによって支持され、前記一組の第2のアームが前記側板へと延伸して前記側板によって支持される第2のファンと、を備え、
前記側板は、前記ファンと熱交換器のコアとの間の間隙の少なくとも一部で気流を導き、
前記第1のファンおよび前記第2のファンは、それぞれ直径によって特徴づけられ、
前記第1のファンおよび前記第2のファンは、それぞれハブと、複数の細長いブレードとを備え、前記各ブレードは、根元と、先端と、前縁と、後縁とを有する、自動車エンジン冷却ファンアセンブリにおいて、
前記第1のファンおよび第2のファンは、軸方向上流側または軸方向下流側から見て、互いにオーバーラップすることを特徴とし、
前記一組の第1のアームは、前記第1のファンの上流側に配置され、前記一組の第2のアームは前記第2のファンの下流側に配置されることを特徴とし、さらに、
前記側板と前記各ファンとの間には、ファンのオーバーラップ領域の外側の外周の一部に沿って、小さな間隙が維持されることを特徴とし、
前記側板は、前記第1のファンおよび前記第2のファンを取り囲むバレルを備え、前記バレルは、前記第2のファンの軸方向下流側の領域に延伸し、前記第2のモータマウントの支持に寄与し、前記バレルは、前記第1のファンの軸方向上流側の領域に延伸し、前記第1のモータマウントの支持に寄与する、
自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。 - 前記第1のファンの軸方向位置は、前記一組の第2のアームの軸方向位置とほぼ同じであり、前記第2のファンの軸方向位置は、前記一組の第1のアームの軸方向位置とほぼ同じであることを特徴とする、請求項1に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記一組の第1のアームおよび前記一組の第2のアームが前記ファンの一方または両方の軸と直交する平面上に延伸し、かつ前記第1のファンおよび第2のファンが前記平面上に延伸する際、前記一組の第2のアームの延伸領域は、前記第1のファンの軸の延伸範囲上に中心を有する第1の円形ディスクの外側に位置し、前記第1の円形ディスクの直径は、前記第1のファンの直径と等しく、前記一組の第1のアームの延伸する領域は、前記第2のファンの軸の延伸範囲上に中心を有する第2の円形ディスクの外側に位置し、前記第2の円形ディスクの直径は、前記第2のファンの直径と等しいことを特徴とする、請求項1に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記熱交換器コアと前記第1のモータの最も遠い点との間の距離は、前記コアと前記第2のモータの最も遠い点との間の距離の0.8〜1.25倍であることを特徴とする、請求項1に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- さらに別個のファンを備えない、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記第1のファンおよび前記第2のファンのほかに、さらに少なくとも1つのファンを備える、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンは、前記熱交換器コアのほぼ長方形状の領域を通じて空気を流し、前記長方形状の領域の大きい方の寸法は、前記長方形状の領域の小さい方の寸法の1.25〜1.8倍である、請求項5に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 2つのファンの直径が等しく、あるいは、等しくない場合には、前記ファンの最も小さい直径は、前記ファンの最も大きい直径の0.85倍よりも大きい、請求項5に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンの少なくとも一方の直径は、前記長方形状の領域の前記小さい方の寸法の0.75倍よりも大きい、請求項7に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンの少なくとも一方の回転軸と他方のファンの回転軸上の少なくとも1つの点とを含む平面内で測定した場合、オーバーラップする範囲は、前記ファンの小さい方の直径の10%よりも大きく、前記ファンの小さい方のブレードの長さよりも小さい、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記モータは、電動機である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンと前記熱交換器コアとの間にプレナムを備え、コアから最も離れたファンに隣接する前記プレナムの深さは、コアにより近いファンに隣接する前記プレナムの深さよりも大きい、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記側板と前記各ファンとの間の間隙は、ファンの外周のオーバーラップしない部分の実質的な小部分に沿って、前記ファンの直径の2%未満である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンのうちの少なくとも1つは、バンド付きである、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 軸方向下流側から見て、前記ファンのうちの一方が時計回り方向に回転し、前記ファンのうちの他方が反時計周り方向に回転する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 軸方向下流側から見て、前記ファンの両方が同じ方向に回転する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記第1のファンが第1の数のブレードを有し、前記第2のファンが第2の数のブレードを有し、前記ブレードの第1の数は、前記ブレードの第2の数と異なる、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記複数のブレードのうちの少なくとも1つは、ブレードの先端が不均等に離間している、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンの両方とも、前縁が先端で前方に湾曲している、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 下流側のファンの前縁の先端の湾曲方向は、上流側のファンの後縁の先端の湾曲方向と反対である、請求項15に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 下流側のファンの前縁の先端の湾曲方向は、上流側のファンの後縁の先端の湾曲方向と同じである、請求項16に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 上流側のファンは、その後縁の根元の湾曲方向が、後縁の先端の湾曲方向と反対である、請求項20に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 上流側のファンは、その後縁の根元の湾曲方向が、後縁の先端の湾曲方向と反対である、請求項21に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記ファンが射出成形プラスチックから成る、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 前記第1のモータマウント、前記一組の第1のアーム、前記第2のモータマウント、前記一組の第2のアーム、前記側板の少なくとも一部は、射出成形プラスチックから成る、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 単一の射出成形部品は、前記第1のモータマウント、前記一組の第1のアーム、前記第2のモータマウント、前記一組の第2のアーム、前記側板の少なくとも一部を備える、請求項25に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
- 少なくとも1つのファンの軸と直交する平面内の側板開口の延伸範囲は、ファンのオーバーラップ領域でオーバーラップする2つのほぼ円形の部材である、請求項1に記載の自動車エンジン冷却ファンアセンブリ。
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