JP4656831B2

JP4656831B2 - 空気流特性が改良されたエンジン冷却ファン

Info

Publication number: JP4656831B2
Application number: JP2003378079A
Authority: JP
Inventors: ニール・イー・ロブ
Original assignee: ボーグワーナー・インコーポレーテッド
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: EP2256348A3; US20040146400A1; EP2256348A2; EP1443216A2; US6827547B2; EP1443216A3; JP2004232626A

Description

本発明は、エンジン冷却装置、特に、空気流特性が改良されたエンジン冷却ファンに関する。

空気を熱交換器を通して移動させるためファンを使用することは、例えば、空気調和の分野及び自動車の冷却の分野にて周知である。かかる目的用のファンは、ハブ部材と、複数のブレード部材とから成っており、ブレード部材の各々は根元部分と、先端部分とを有し、ブレードの各々の根元部分は、ブレードがハブ部分の実質的に半径方向に伸びるようにハブ部分に固着されている。ブレード先端の支持リングは、ブレードをその先端部分付近で、又はより普通には、その先端部分に連結することができる。

電気モータにより又は、関係したエンジンから伝動装置を介して駆動されることがしばしばである、かかるファンは、通常、ファンの半径方向面が関係した熱交換器の面部分に対し平行に伸びるように配置されている。

この型式のファンは、通常、「軸流ファン」と称されている。しかし、ブレードは、空気を軸方向に移動させるようなピッチとされているが、ファンの動作は、比較的複雑な空気流を生じさせる。例えば、ファンの回転は、ファンを通過した空気がブレードの移動によって回転動作成分を有し且つ、ブレードのピッチによって誘発された線形成分を有するようにすることは明らかであろう。また、ファンの高圧側と低圧側との間にてファンブレードの先端の周りから空気が漏洩することもある（いわゆる先端渦流）。

更に、ファンに対して選ばれた特定のブレードの形態及び特定のブレードの配置位置、例えば、ブレードの二面角、ブレードのスパンに沿ったピッチ又はブレードの弦長さ（半径方向断面に沿って測定）は、ファンに近接して提供される圧力分布に影響を与え、従って、ファンを通過した空気の流れに影響を与えることになろう。

熱交換器を通して空気を移動させるために使用される型式のファンは、軸方向に空気流を提供することを目的とするものである、すなわち、その他の方向への成分はエネルギの無駄となる。かかる空気流の無駄な成分は、熱交換器の周りの色々な機械的構造体に衝突し、また、熱交換器自体に衝突して、装置によって発生される全体的な雑音を増大させる。

従って、本発明の１つの目的は、上述した難点を少なくとも部分的に緩和することである。

本発明の上記及びその他の目的は、ステータ又はディフューザ組立体がエンジンに取り付けた冷却ファンと密に連結される、本発明によって実現される。
本発明は、空気流効率及び性能が改良されたエンジン用の冷却装置において、
エンジンに取り付けられた軸流ファンであって、中央ハブの周りに周方向に配置され且つ中央ハブに連結された複数のファンブレードを有し、該複数のファンブレードの各々が、前記中央ハブから更に近接して配置された先端部分を有する軸流ファンと、
該軸流ファンとエンジンとの間に連結されたステータ組立体であって、前記ファンが中心軸線の周りを回転することに起因する空気の動きの回転成分を減少させ且つファンのそれぞれの回転速度時、単位空気流当たりの静圧を上昇させるために使用されるステータ組立体とを備えて構成されている。

本発明は、また、中心ハブ部分の周りで軸方向に変位され且つ、中心軸線の周りを回転することのできる複数のファンブレードを有するファンを駆動するために使用される馬力を減少させつつ、エンジンに連結されたファンの冷却効率を増大させる方法において、所定のファンの回転時、エンジンとファンとの間の単位空気流当たりの静圧を上昇させる装置をファンとエンジンとの間に連結することを備えて構成されている。

ステータ及びディフューザ組立体の双方は、独立的に、空気流の効率を向上させ、これにより非効率的な空気流と関係した振動雑音を減少させる。改良された空気流は、また、ファンの冷却能力を向上させる働きもし、このことは、エンジンの燃料経済性を向上させることができる。

更に、ステータ又はディフューザ組立体をエンジンに取り付けることにより、ファンの先端に対するより緊密な先端隙間を実現することができ、このことは、空気流の効率性を増大させ、また、雑音量の低下及び燃料の効率性に更につながる。

本発明のその他の特徴、利点及び有利な効果は、添付図面及び特許請求の範囲に従って検討したとき、本発明の以下の説明から明らかになるであろう。

発明の実施の形態

先ず、図１乃至図３を参照すると、ステータ組立体２０と放熱器５０との間にてハブ１４を介してエンジン１２に取り付けられた軸流ファン１０が図示されている。ファン１０は、上記ハブ１４から先端部分１８まで半径方向に伸びる複数のファンブレード１６を有している。ファン１０が中心軸線１９の周りで方向Ｒに回転すると、空気がファン１０の回転方向に沿って軸方向に移動するようなブレード１６の形状とされている。ファン１０とエンジン１２との間にステータ組立体２０を追加することは、従来のファンシュラウド又は密な先端隙間のファンシュラウドの何れかを有する冷却装置と比べて単位空気流当たりの静圧力を上昇させることになる。

図２及び図３に最も良く図示するように、ステータ組立体２０は、関係したファン１０に対するファンシュラウドを形成するステータ支持外側リング２２から成っている。ステータ組立体２０は、また、外側リング２２及び内側リング２４の後側部２８に連結された複数のステータブレード２６も有している。先端隙間を小さくし、従って、ファン効率を向上させるため、ステータ組立体２０は、取付けクリップ２９を介してエンジン１２に取り付けられ、外側支持リング２２がファンブレード１６の各々の先端部分１８と密に連結されるようにすることが好ましい。

以下に詳細に説明するように、ステータブレード２６は、空気の動きの回転成分を「破壊し」、空気をより軸方向の流路に向ける機能を果たす（すなわち、空気は中心軸線１９に対し実質的に平行に且つ、エンジン１２に向けて流れる）。更に、所定の静圧力におけるかかる空気流の増大は、ファン１０のトルク要件に悪影響を及ぼすことなく行われる。

図１及び図３に最も良く図示するように、空気の動きの回転成分を破壊するのを助けるため、ステータブレード２６の各々は、中心軸線１９及び内側リング２４に対して且つ、ファンブレード１６の回転方向に向けて凹状に僅かに湾曲している。このことは、ステータ２０を通る空気の動きの一部分をエンジン１２に向けて軸方向に向けることを許容する。

ファン１０の性能を更に向上させるため、外側リング２２は、放熱器５０と結合された放熱器シュラウド５２とも緊密に結合されている。外側リング２２は、また、ねじ、ボルト、接着剤等のような従来の取付け装置を使用して放熱器シュラウド５２に固着することもできる。

ステータ組立体２０は、成形プラスチック又は繊維強化プラスチックのような軽量で高強度の材料で出来ていることが好ましい。しかし、当業者は、ステータ組立体は、金属を含む、製造が容易である一方にて、軽量で且つ高強度を呈するその他の材料で出来たものとすることもできることが理解されよう。

図４乃至図７に図示するように、別の好ましい実施の形態において、ディフューザ組立体、又はディフューザ２８は、図１乃至３に関して上述したステータ組立体２０に置き換えられる。

次に、図４乃至図６を参照すると、ディフューザ２８は、後板３６と外側支持リング４２との間に結合された複数の出口案内ベーン３４を有している。１対の隣接する出口案内ベーン３４、外側支持リング４２及び後板３６は、共に空気の流れをファン１４とエンジン１２との間で減速させるために使用される複数のトンネル３２の１つを画成する。図７に最も良く図示するように、ディフューザはまた、外側支持リング４２から切り離された前側シュラウド３８を有していて、そのシュラウドが放熱器手段５２に連結されることが好ましい。

図５に最も良く図示するように、出口案内ベーン３４は、ハブ１４の中央に画成された中心点２３の周りで対称に且つ周方向に配置されている。出口案内ベーン３４の各々は、後板３６の端部を越えて外方に伸びる先端領域４４を有している。出口案内ベーン３４は、また上記外側支持リング４２と結合された上記外側領域３４Ｂから、上記後板３６に連結された上記内側領域３４Ａまで上記中心軸線１９に向けて僅かに湾曲している。この配置は、軸流ファン１０を通って流れる空気がトンネル３２を通過するとき、上記エンジン１２に向けてより軸方向に移動するのを促進する。

図５及び図６に最も良く図示するように、後板３６はまた、ディフューザ２８を複数のねじ（図示せず）又は当該技術分野にて周知のその他の取付け装置を介してエンジン１２に固着するために使用される複数の穴４０も有している。

ステータ組立体２０と同様に、ディフューザ２８は、成形プラスチック又は繊維強化プラスチックのような軽量で高強度の材料で出来ていることが好ましい。上述したように、ディフューザ２８は、アルミニウムのような金属で出来たものでもよい。

図８には、図１乃至図３に関して上記に説明した色々な構成要素を利用して静圧、静的効率及びトルク対空気流の比較がグラフで示してある。線１００、１１０、１２０、１３０は、冷却装置に対して静圧と空気流とを比較してプロットし一方、線２００、２１０、２２０、２３０は、静的空気効率対空気流をプロットしている。更に、線３００、３１０、３２０、３３０は、トルク出力対空気流をプロットしている。図８に図示するように、線１００、２００、３００は、従来のファンシュラウド構造体を有する軸流ファン１０の性能を示す一方、線１１０、２１０、３１０は、より密な先端隙間を有するファンシュラウドを追加した状態を示す。線１２０、２２０、３２０は、図１乃至図３に示すような、ステータ組立体２０がファン１０に追加された場合を示す一方、線１３０、２３０、３３０は、図４乃至図６に示すような、ディフューザ組立体２８をファン１０に追加する場合を示す。

当該技術分野の当業者が理解するように、ファン１０から分（時間単位）当たりの立方フィート（すなわちｃｆｍ）で表わした空気流の出力速度は、ファンブレード１６が方向Ｒに向けて回転することに起因する動きの回転成分と、ファンブレード１６のピッチによって誘発される線形成分ｖ_Xとを有する。更に、特定のブレードの形態及びブレードの配置、ブレードのスパンに沿ったピッチの変化又はブレードの弦長さ（半径方向断面に沿って測定）は、ファン１０に近接して提供される静圧分布に影響を与え、従って、ファン１０は通過する空気の流れに影響を及ぼす。

図８に示すように、線１１０で示す如く、より緊密な先端ファンブレードシュラウドを追加することは、線１００で示す如く、従来のファンシュラウドを有する冷却装置と比較して単位空気流当たりの静圧を僅かに上昇させることになる。更に、所定の静圧力におけるかかる空気流の増大は、線３００と線３１０を比較して示すように、トルク要件に悪影響を及ぼすことなく、行われる。このことは、線２００と線２１０を比較して示すように、静的効率が向上することになる。これらの向上の原因は、より密な先端隙間は空気流の一部分を所定の静圧にてエンジンに向けて案内する（すなわち偏向させる）に役立つからである。

更に、図１乃至図３に示すような、ステータ組立体２０を追加することは、線１２０と線１１０、１００を比較して示すように、従来のファンシュラウド又は密な先端隙間ファンシュラウドの何れかを有する冷却装置と比較して単位空気流当たりの静圧を上昇させる。更に、所定の静圧時におけるかかる空気流の増大は、線３２０と線３１０、３００を比較して示すように、トルク要件に悪影響を与えずに行われる。このことは、線２２０と線２１０、２００を比較して示すように、静的効率の向上に至る。上述したように、これらの改良点は、空気の動きの回転成分を「破壊し」、より多量の空気を軸方向流路に沿ってエンジン１２に向ける機能を果たすステータブレード２６によるものである。

また、線１３０で示すように、出口案内ベーン３４を有する図４乃至図７に示したようなディフューザ２８を追加することは、線１２０と線１１０、１００を比較して示すように、冷却装置と比較したとき、単位空気流当たりの静圧を上昇させる。更に、所定の静圧時におけるかかる空気流の増大は、特に、約１９８．２１８ｍ³／分（７０００ｃｆｍ）以上の空気流のとき、線３３０と線３２０、線３１０、３００を比較して示すように、トルク要件に悪影響を与えずに、行われる。このことは、線２３０と線２２０、２１０、２００を比較して示すように、静的効率の向上に至る。上述したように、ディフューザ２８は、出口案内ベーン３４を通って流れる空気を減速し、これにより回収されたエネルギは、ファン１０の所定の回転速度Ｒにおけるファン１０の冷却能力を増大させる。

このように、ステータ組立体２０及びディフューザ２８を追加することは、所定の回転速度にてファン１０を通って軸方向に流れる空気の流量を増大させる作用を果たす。その結果、所定のエンジン速度にてエンジンに利用可能な冷却効果が増大することになる。

更に、当該技術分野の当業者が理解するように、静的効率（η）は、トルク×速度である、ファン１０内への機械的動力と、流量（Ｑ）×静圧（Ｐ_S）である、ファン１０の出力との比較である。このことから、ファン１０を駆動するために必要な馬力量（ＨＰ）は次式を使用して計算することができる。

ＨＰ＝ＴＲ＝（ＱＰ_S）／η
ここで、（Ｔ）は、所定のファンの回転速度にてファンを駆動するために供給されるトルクである。このように、静的効率が所定の入力回転速度（すなわちトルク）において増大すると、ファン１０を駆動するために必要とされる馬力は減少する。このことは、トルクの減少に関係した燃料経済性を向上させることにつながる。

このように、本発明は、エンジンと関係した冷却装置の効率を増大させる二重のアプローチを提供する。第一に、ステータ組立体２０又はディフューザ組立体２８を追加することは、装置内の全体の空気流の効率を向上させ、これにより所定のファンの回転速度における冷却性能を向上させることになる。更に、ステータ組立体２０又はディフューザ組立体２８は、所定のエンジン速度にてファンを回転させるトルク要件を減少させ、このことは燃料経済性の向上につながる。また、図１乃至図７に関して説明したように、本発明の構成は、ファン１０の回転によって発生される雑音を減少させ、このことは、顧客の満足を向上させることになる。

本発明を１つの実施の形態に関して説明したが、本発明はこの実施の形態にのみ限定されるものではないことが理解されよう。これに反して、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれるであろう全ての代替例、改変例及び等価物を包含するものである。

本発明の１つの好ましい実施の形態による冷却装置を有するエンジンの斜視図である。図１の一部分の正面図である。図２の側面図である。本発明の１つの好ましい実施の形態による冷却装置を有するエンジンの斜視図である。図４の一部分の正面図である。図５の側面図である。図４の一部分の側面図である。図１及び図４の冷却装置対従来技術の冷却装置の性能特性を示すグラフである。

符号の説明

１０軸流ファン１２エンジン
１４ハブ１６ファンブレード
１８ファンの先端部分１９中心軸線
２０ステータ組立体２２ステータ支持外側リング
２３ハブの中心点２４内側リング
２６ステータブレード２８外側リング及び内側リングの後側部／ディフューザ組立体２９取付けクリップ
３２トンネル３４出口案内ベーン
３４Ａ内側領域３４Ｂ外側領域
３６後板３８前側シュラウド
４０穴４２外側支持リング
５０放熱器５２放熱器シュラウド／放熱器手段
１００、１１０、１２０、１３０静圧対空気流の比較線
２００、２１０、２２０、２３０静止空気効率対空気流の比較線
３００、３１０、３２０、３３０トルク出力対空気流の比較線

Claims

空気流効率及び性能が改良されたエンジン用の冷却装置において、
エンジンに取り付けられた軸流ファンであって、中央ハブの周りに周方向に配置され且つ中央ハブに連結された複数のファンブレードを有し、該複数のファンブレードの各々が、前記中央ハブから半径方向に延び且つ先端部分を有する軸流ファンと、
該軸流ファンとエンジンとの間に連結されたステータ組立体であって、前記ファンが中心軸線の周りを回転することに起因する空気の動きの回転成分を減少させ且つファンのそれぞれの回転速度時、単位空気流当たりの静圧を上昇させるために使用されると共にステータ支持外側リングを有するステータ組立体とを備え、
前記ステータ組立体のステータ支持外側リングは、放熱器に取り付けられた放熱器シュラウドの内面に所定の隙間を有して連結されている、エンジン用の冷却装置。
請求項１の冷却装置において、前記ステータ組立体が、ステータ支持外側リング及び内側リングの後側に連結された複数のステータブレードを備える、冷却装置。
請求項２の冷却装置において、前記ステータ支持外側リングが、前記複数のファンブレードの各々の前記先端部分の周りで周方向に連結されている、冷却装置。
請求項１の冷却装置において、前記ステータ組立体が、該ステータ組立体をエンジンに取り付ける少なくとも１つの取付けクリップを有する、冷却装置。
請求項１の冷却装置において、前記ステータブレードの各々が、前記中心軸線及び前記内側リングに対して凹状に湾曲し、前記軸流ファンを通って流れる空気の動きの部分の少なくとも一部分をエンジンに向けて軸方向に向けるようにした、冷却装置。
請求項１の冷却装置において、前記ステータ組立体が、成形したプラスチックステータ組立体を備える、冷却装置。
空気流効率及び性能が改良されたエンジン用の冷却装置において、
エンジンに取り付けられた軸流ファンであって、中央ハブの周りに周方向に配置され且つ中央ハブに連結された複数のファンブレードを有し、該複数のファンブレードの各々が、前記中央ハブから半径方向に延び且つ先端部分を有する軸流ファンと、
エンジンと前記軸流ファンとの間に取り付けられたディフューザであって、後板と外側支持リングとの間に連結された複数の出口案内ベーンを有し、前記外側支持リングが、エンジンから外方に伸びて離れる正面側シュラウドを有し、前記正面側シュラウドが、放熱器に取り付けられた放熱器シュラウドの内面に所定の隙間を有して連結されており、ファンのそれぞれの回転速度時、単位空気流当たりの静圧を上昇させるために使用されるディフューザとを備える、冷却装置。
請求項７の冷却装置において、前記先端部分が、前記外側支持リング内で緊密に密に連結されている、冷却装置。
請求項７の冷却装置において、前記後板がエンジンに取り付けられる、冷却装置。
請求項７の冷却装置において、前記複数の出口案内ベーンの各々が、前記外側支持リングに連結された外側領域と、前記内側支持リングに連結された内側領域とを有し、前記外側領域から前記内側領域まで前記中心軸線に向けて僅かに内方に湾曲した、冷却装置。
請求項７の冷却装置において、前記出口案内ベーン、前記後板及び前記外側リングの隣接する対の各々が、前記ディフューザ内に複数のトンネルの１つを画成し、空気が該トンネルを通って減速することができるようにした、冷却装置。
空気流効率及び性能が改良されたエンジン用の冷却装置において、
エンジンに取り付けられた軸流ファンであって、中央ハブの周りに周方向に配置され且つ中央ハブに連結された複数のファンブレードを有し、該複数のファンブレードの各々が、前記中央ハブから半径方向に延び且つ先端部分を有する軸流ファンと、
エンジンと前記軸流ファンとの間に取り付けられたディフューザであって、後板と外側支持リングとの間に連結された複数の出口案内ベーンを有し、前記後板は前記エンジンに取り付けられ、ファンのそれぞれの回転速度時、単位空気流当たりの静圧を上昇させるために使用されるディフューザとを備え、
前記ディフューザの前記外側支持リングは放熱器に取り付けられた放熱器シュラウドの内面に所定の隙間を有して連結されている、エンジン用の冷却装置。
請求項１２の冷却装置において、前記外側支持リングが、エンジンから外方に伸びて離れる正面側シュラウドを有する、冷却装置。
請求項１３の冷却装置において、前記正面側シュラウドが、密に連結された放熱器の放熱器シュラウドに連結されている、冷却装置。
請求項１２の冷却装置において、前記複数の出口案内ベーンの各々が、前記外側支持リングに連結された外側領域と、前記内側支持リングに連結された内側領域とを有し、前記外側領域から前記内側領域まで前記中心軸線に向けて僅かに内方に湾曲した、冷却装置。
請求項１２の冷却装置において、前記出口案内ベーン、前記後板及び前記外側リングの隣接する対の各々が、前記ディフューザ内に複数のトンネルの１つを画成し、空気が該トンネルを通って減速することができるようにした、冷却装置。