JP4619901B2 - 冷却ファン - Google Patents

Description

本発明は、自動車用を始め、家庭用電化製品或いは業務用電化製品等で使用される冷却ファンに関するもので、特に冷却能力の向上と小型軽量化を可能とする冷却ファンに関するものである。

自動車用を始め、家庭用電化製品或いは業務用電化製品等で使用される冷却ファンにおいては、従来から、冷却性能の向上と小型軽量化が要求されてきた。自動車用冷却ファンを例に取ると、エンジンの大排気量化による冷却能力の向上と、搭載スペースの縮小及び燃費向上の観点から小型軽量化とが要求されている。自動車用冷却ファンにおいて冷却能力の向上を図るには、冷却ファンの後方に空気の流れを阻害するエンジンが配置されているので、空気を効率的に流通させるためには空気を斜流方向に流す必要があるが、従来の軸流ファンにおいてこのような斜流効果を得るためにはボス部に対するブレード（翼）の取付け角を増大させる必要があり、その結果回転トルクが増大し、ファン効率が低下するという問題があった。

そこで、特許文献１に記載の発明においては、ブレードの取付け角を増大させることなく空気を斜流方向に流すことによって冷却能力の向上を図るため、ブレード先端にかけてファン回転方向に対して後退するスキュー角をブレードに持たせている。
特開平３−８９０００号公報

しかしながら、自動車用冷却ファンにおける風流れの特徴として走行していない（迎風ゼロの）状態ではエンジンブロックに向かう完全な軸方向への流れは考えられず、むしろ斜流となっており、上記特許文献１に具体的効果の記述がないように期待される効果は得られないと考えられる。即ち、従来の自動車のように冷却ファン前方が低圧力損失であれば、上記特許文献１に記されているようにエンジンブロックへの流れが強く斜流ファンの効果があると考えられるが、現在の自動車においては高圧力損失状態となっており冷却ファン周辺の圧力や冷却ファン回転による遠心成分から軸流になり難くなっているためである。さらに、高圧力損失状態での斜流化は冷却ファンを囲むシュラウドへの流れが強くなり、騒音発生の要因となる可能性もある。

また、走行状態では迎風が大きくなるにしたがいエンジンブロックへの流れが強くなるが、迎風による風量が大きいため、斜流化による風量増加の必要性には疑問がある。さらに、冷却ファンのボス部に取付けられる部品の大型化により、ボス部の内径を大きくする必要が生ずる場合も出てきて、冷却ファン全体の大きさをそのままに保ちつつボス部の寸法を大きくしなければならず、ブレードの長さを短くして、かつ従来の風量を確保するという要請にも応えなければならない。

そこで、本発明は、ブレードの従来仕事をしていない（または性能を悪化させる）部位によって風流れを発生させることによって高圧力損失状態でも風量増加及び小型軽量化の効果が期待でき、ブレードの長さを短くしてかつ従来の風量を確保することができ、余分な騒音も発生させることがない冷却ファンの提供を課題とするものである。

請求項１の発明にかかる冷却ファンは、略円筒状のボス部と、前記ボス部から外方向に延出した複数枚からなるブレードとを具備する冷却ファンであって、前記ブレードの根元部は回転方向に対して後退するスキュー角を設け、中間から先端に向けてはスキュー角をゼロまたは前記回転方向に対して前進するように設定したものである。

また、前記ブレードには、その根元部の回転方向に対して後側に放射方向に２以上４以下の補強リブを設けたものである。

しかも、前記２以上、４以下の補強リブは、前記ブレードの回転方向に対する後面側の先端側の延長線より後側にはみ出さないように設けられているものである。

請求項１の発明にかかる冷却ファンは、略円筒状のボス部と、ボス部から外方向に延出した複数枚からなるブレードとを具備する冷却ファンであって、ブレードの根元部は回転方向に対して後退するスキュー角を設け、中間から先端に向けてはスキュー角をゼロまたは回転方向に対して前進するように設定したものである。

この発明の効果を、従来の冷却ファンの特性を示す図８及び図９と比較して説明する。図８は従来の冷却ファンのブレードにおける負圧側（吸い込み側）の風流れを測定した図である。図９は従来の冷却ファンの正圧側（吹き出し側）における圧力分布を測定した図である。

図８に示されるように、従来の根元部にスキュー角が設けられていないブレード１３の負圧側の風流れを見ると、本来先端側の風流れを示す小さい矢印１３ｂのように、ブレード１３の上辺を乗り越えて下方先端に向かう流れが好ましいが、ブレード１３の根元部分においては小さい矢印１３ａが示すように、逆に上方に向かう風流れが渦を巻いており、大きい４本の矢印１３ｃで示される流れの向きを邪魔する好ましくない流れとなっている。

さらに、図９に示されるように、この図では赤色（橙色）に近い部分ほど圧力が高く、青色に近い部分ほど圧力が低いのであるが、従来の冷却ファン１１においてはブレード１３の先端部分が橙色で最も圧力が高く、根元に近づくにしたがって黄色・緑色・水色とだんだん圧力が低くなり、ボス部１２においては青色でほぼ大気圧に近い。

このように、風を発生させるのに殆ど役立っておらず、むしろ負圧側では好ましい風流れの邪魔をするブレードの根元部に、回転方向に対して後退するスキュー角を設けることによって、冷却ファンを回転させるとブレードの根元部に強制的に風が遠心後方に流れる。これによって、冷却ファンの正圧側では風を起こすのに役立つようになり、負圧側でも好ましい風流れが起こるようになって、冷却ファンの回転により発生する風量が増加する。また、ブレード長さを減少させて小型化しても従来の冷却ファン１１と同等以上の風量を得ることができ、小型軽量化が可能となる。

このようにして、ブレードの従来仕事をしていない部位によって風流れを発生させることによって高圧力損失状態でも風量増加及び小型軽量化の効果が期待でき、余分な騒音も発生させることがない冷却ファンとなる。

この冷却ファンは、ブレードの根元部の回転方向に対して後側に放射方向に２以上４以下の補強リブを設けたものである。

ブレードの根元部に設ける補強リブは、回転方向に対して後側に設けることによって、より効果的にブレードの根元部を補強することができる。また、補強リブを１つだけ設けたのでは、補強の効果が小さくバランスも悪くなり、一方、余り多数設けたのでは重量的にＲを設けるのと殆ど変わらなくなり、軽量化の要請に反する。そこで、ブレードの根元部の回転方向に対して後側に放射方向に設ける補強リブの数を２以上４以下と限定することによって、冷却ファンの重量を殆ど増すことなくブレードの根元部を補強するという目的を確実に達成することができる。

このようにして、ブレードの従来仕事をしていない部位によって風流れを発生させるとともに、軽量化の要請に反することなくブレードの根元部を補強して耐久性を向上させることができる冷却ファンとなる。

しかも、前記冷却ファンは、２以上４以下の補強リブがブレードの回転方向に対する後面側の先端側の延長線より後側にはみ出さないように設けられている。

これによって、ブレードの根元部の回転方向に対して後側に放射方向に設けられる補強リブが風流れを乱すことなく、より効果的に風量を増すことができる。

このようにして、ブレードの従来仕事をしていない部位によって風流れを発生させるとともに、軽量化の要請に反することなく、また風流れを乱すことなく、ブレードの根元部を補強して耐久性を向上させることができる冷却ファンとなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンの全体構成を示す平面図である。図２は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンのブレードの１枚を負圧側から見て示す部分拡大図である。図３は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンのブレードの１枚を正圧側から見て示す部分拡大図である。図４は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンの風量特性を従来品と比較して示す図である。図５は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンの騒音特性を従来品と比較して示す図である。

図１に示されるように、本実施の形態１の冷却ファン１は、４箇所に取付け穴の設けられた金属製のリング状のスペーサ４と、このスペーサ４と一体にインサート成形されるプラスティック製の円筒形のボス部２と、ボス部２から外方向に延出した７枚のブレード３から構成されている。本実施の形態１の冷却ファン１においては、プラスティックとしてナイロンを用いている。また、各ブレード３の根元部にはボス部２の外周から伸びる長さの異なる２本の補強リブ５（当然、ナイロン製）が設けられている。図において手前側がブレード前縁側（空気の入る側）である。

次に、ブレード３のボス部２外周への接続構造について、図２及び図３を参照して説明する。図２に示されるように、負圧側から見ると、ブレード３のボス部２への接続部分（ブレードの根元部）３ａには冷却ファン１の回転方向に対して後退するスキュー角（約３０度）が設けられており、接続部分３ａに続くブレード先端にかけての部分３ｂには逆に回転方向に対して前進するスキュー角（約８度）が設けられている。また、ブレード３の根元部にはボス部２の外周から伸びる長さの異なる２本のナイロン製の補強リブ５が設けられている。

図３は正圧側から見たところであり、やはりブレード３のボス部２への接続部分（ブレードの根元部）３ａには冷却ファン１の回転方向に対して後退するスキュー角（約３０度）が設けられており、接続部分３ａに続くブレード先端にかけての部分３ｂには逆に回転方向に対して前進するスキュー角（約８度）が設けられている。前記後退するスキュー角が設けられている部分３ａの長さは、ブレード３の全長に対して約１３％である。

かかる構造を有する本実施の形態１にかかる冷却ファン１について、構造がほぼ同様な従来の冷却ファンと比較して、風量特性及び騒音特性を試験した。従来の冷却ファンも金属製のリング状のスペーサと、このスペーサと一体にインサート成形されるナイロン製の７枚のブレードと、ブレードが外周に接続される円筒形のボス部から構成されている。そして、大きさは外径寸法がφ４９０ｍｍ、ボス部寸法がφ１９２ｍｍ、ブレード長さが１４９ｍｍである。これに対して、本実施の形態にかかる冷却ファン１の大きさは、外径寸法がφ４９０ｍｍと同じで、ボス部２の寸法がφ２１２ｍｍ、ブレード３の長さが１３９ｍｍである。

測定条件としては、風量特性については、静定槽を測定装置として用いて、「ＪＩＳＢ ８３３０−８１」の測定方法に準じて、ファン回転数１０００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍの２水準について測定した。また、騒音特性については、ファン回転数を１０００ｒｐｍから３０００ｒｐｍまで５００ｒｐｍずつ変化させて、ファンの前方１ｍにおける音圧レベルを騒音計によって測定した。

測定試験の結果、圧力線図（風量特性）は図４に示されるように、本実施の形態１にかかる冷却ファン１は、ブレード３の長さが１０ｍｍも短くなったにも関わらず、ファン回転数１０００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍの２水準のいずれにおいても従来品と同等の風量特性を示している。また、騒音特性に関しては、図５に示されるように、同等というよりはむしろ従来品より低減しており、低騒音効果も有することが確認できた。今回の比較試験では、外径寸法を同じにしてボス部寸法を大きくして試験したが、ボス部寸法が同じ場合、外径（即ちブレード長さ）を減少させたり、またブレード幅を減少させても同等以上の風量が得られると考えられる。

このようにして、本実施の形態１にかかる冷却ファン１においては、ブレード３の従来仕事をしていない部位によって風流れを発生させることによって高圧力損失状態でも風量増加及び小型軽量化の効果が期待でき、余分な騒音も発生させることがない。そして、ボス部２の寸法を大きくして、しかも冷却ファン１全体の大きさは小さく保ちつつ、したがってブレード３の長さを短くして、かつ風量を維持するという要請にも応えることができる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について、図６乃至図７を参照して説明する。図６は本発明の実施の形態２にかかる冷却ファンの全体構成を示す斜視図である。図７は本発明の実施の形態２にかかる冷却ファンのブレードの１枚を横方向から見て示す部分拡大図である。

図６に示されるように、本実施の形態２にかかる冷却ファン６は、全体的には実施の形態１にかかる冷却ファン１と同様の構成を有している。即ち、４箇所に取付け穴の設けられた金属製のリング状のスペーサ４と、このスペーサ４と一体にインサート成形されるプラスティック製の円筒形のボス部２と、ボス部２から外方向に延出した７枚のブレード３から構成されている。本実施の形態２の冷却ファン６においても、プラスティックとしてナイロンを用いている。

また、図７に示されるように、実施の形態１にかかる冷却ファン１と同様に、負圧側から見ると、ブレード３のボス部２への接続部分（ブレードの根元部）３ａには冷却ファン６の回転方向に対して後退するスキュー角（約３０度）が設けられており、接続部分３ａに続くブレード先端にかけての部分３ｃは回転方向に対してほぼ直角になっている（スキュー角０度）。前記後退するスキュー角が設けられている部分３ａの長さも、実施の形態１と同様に、ブレード３の全長に対して約１３％である。

本実施の形態２にかかる冷却ファン６が、実施の形態１にかかる冷却ファン１と異なるのは、上述の如く、接続部分３ａに続くブレード先端にかけての部分３ｃが回転方向に対してほぼ直角（スキュー角０度）になっている点と、図７に示されるように、各ブレード３の根元部に設けられたボス部２の外周から伸びる長さの異なる２本の補強リブ７（当然、ナイロン製）が、ブレード３の回転方向に対する後面側の先端側３ｃの延長線３ｄより後側にはみ出さないように設けられている点である。

これによって、ブレード３の根元部の回転方向に対して後側に放射方向に設けられる日本の補強リブ７が風流れを乱すことなく、より効果的に風量を増すことができる。

かかる構造を有する本実施の形態２にかかる冷却ファン６についても、構造がほぼ同様な従来の冷却ファンと比較して、実施の形態１と同様な条件で風量特性を試験した。従来の冷却ファンも金属製のリング状のスペーサと、このスペーサと一体にインサート成形されるナイロン製の７枚のブレードと、ブレードが外周に接続される円筒形のボス部から構成されている。そして、大きさは外径寸法がφ４９０ｍｍ、ボス部寸法がφ１９２ｍｍ、ブレード長さが１４９ｍｍである。これに対して、本実施の形態２にかかる冷却ファン６の大きさは、外径寸法がφ４９０ｍｍと同じで、ボス部２の寸法がφ２１２ｍｍ、ブレード３の長さが１３９ｍｍである。

測定試験の結果、圧力線図（風量特性）は、本実施の形態２にかかる冷却ファン６は、ブレード３の長さが１０ｍｍも短くなったにも関わらず、ファン回転数１０００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍの２水準のいずれにおいても従来品と同等の風量特性を示した。

このようにして、本実施の形態２にかかる冷却ファン６は、ブレード３の従来仕事をしていない部位３ａによって風流れを発生させるとともに、軽量化の要請に反することなく、また風流れを乱すことなく、ブレード３の根元部を補強して耐久性を向上させることができる。そして、ボス部２の寸法を大きくして、しかも冷却ファン６全体の大きさは小さく保ちつつ、したがってブレード３の長さを短くして、かつ風量を維持するという要請にも応えることができる。

上記各実施の形態においては、金属製のリング状のスペーサ４と、このスペーサ４と一体にインサート成形されるプラスティック製の７枚のブレード３と、ブレード３が外周に接続される円筒形のボス部２から構成された冷却ファン１及び冷却ファン６について説明したが、このタイプの冷却ファン以外にも、合成樹脂部と金属スペーサをブッシュでかしめた冷却ファンや、全て金属（鉄またはマグネシウム）製の冷却ファン等の、他のタイプの冷却ファンにも本発明を適用することができる。

また、上記各実施の形態においては、プラスティック（ボス部２，ブレード３及び補強リブ５，７）としてナイロン樹脂を用いているが、これに限られるものではなく、樹脂ファンに一般に使用されるポリプロピレンを始めとして、他のプラスティック（熱可塑性樹脂に限られず、熱硬化性樹脂も含んだ広い概念としてのプラスティック）をも用いることができる。

さらに、上記各実施の形態においては、ブレード（翼）３の枚数を７枚としているが、これに限られるものではない。

冷却ファンのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンの全体構成を示す平面図である。 図２は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンのブレードの１枚を負圧側から見て示す部分拡大図である。 図３は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンのブレードの１枚を正圧側から見て示す部分拡大図である。 図４は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンの風量特性を従来品と比較して示す図である。 図５は本発明の実施の形態１にかかる冷却ファンの騒音特性を従来品と比較して示す図である。 図６は本発明の実施の形態２にかかる冷却ファンの全体構成を示す斜視図である。 図７は本発明の実施の形態２にかかる冷却ファンのブレードの１枚を横方向から見て示す部分拡大図である。 図８は従来の冷却ファンのブレードにおける負圧側（吹き出し側）の風流れを測定した図である。 図９は従来の冷却ファンの正圧側（吸い込み側）における圧力分布を測定した図である。

１，６ 冷却ファン
２ ボス部
３ ブレード
４ スペーサ
５，７ 補強リブ

Claims (1)

1. 略円筒状のボス部と、前記ボス部から外方向に延出した複数枚からなるブレードとを具備し、
   前記ブレードの根元部は回転方向に対して後退するスキュー角を設け、中間から先端に向けてはスキュー角をゼロまたは前記回転方向に対して前進するように設定してなる冷却ファンであって、
   前記ブレードの根元部の回転方向に対して後側に、かつ、放射方向に、前記ブレードの回転方向に対する後面側の先端側の延長線より後側にはみ出さないように２以上、４以下の補強リブを設けたことを特徴とする冷却ファン。

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