JP4950762B2 - 冷却ファン - Google Patents

Description

本発明は、冷却ファンに関し、詳しくは、エンジン冷却用のファンに関する。

従来、複数のブレードからなるファンであって、各ブレードの外周側端部同士をリングで連結させた冷却ファンが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなファンは、バスやトラック等のエンジンを冷却するために使用されている。

特表２００３−５３１３４１号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載のようなファンをバスやトラック等のエンジンを冷却するために使用するに限らず、ホイールローダ、ブルドーザ、油圧ショベル、ダンプトラックのような建設機械、特に、例えば１０Ｇ（Ｇ：重力加速度）のような大きな衝撃を受ける建設機械のエンジンを冷却するために使用する場合には、冷却ファンに異物（岩石等）が衝突したり、泥等の塵芥が冷却ファンに付着して冷却ファンがアンバランスになったりして、冷却ファンが破損し易くなるという問題がある。具体的には、冷却ファンの最大回転数Ｎに安全率α（α＞１）を掛け合わせた回転数Ｎαを設計条件として、強度的に耐え得るファン形状が求められる。
しかしながら、安全率αを大きくすると、設計上の回転数Ｎαも大きくなるので、冷却ファンに生じる遠心力が増大し、特に、ブレードとリングとのつながり部分の表面に亀裂が生じ易くなる。冷却ファンの強度が得られなければ、使用上の回転数を低く設定しなければならず、必要な風量が得られなくなってしまう。

本発明の目的は、悪条件下で使用される建設機械等のエンジンを冷却するために使用されても、十分な強度を有し、かつ、必要な風量を確保できる冷却ファンを提供することである。

本発明の請求項１に係る冷却ファンは、回転軸周りに放射状に設けられる複数のブレードと、各ブレードの外周側に設けられる外側リングとを備える冷却ファンであって、外径寸法が６００ｍｍ以上に設定されており、前記ブレードの枚数は、１２〜１６枚に設定され、前記ブレードの吐出側外周部には、前記外側リングに連続する半径１０〜１４ｍｍの曲線部が形成され、前記外側リングは、略円筒状のリング本体部と、このリング本体部の軸方向両端から径方向の外側に向かって延設されるリング側部とを備え、周方向の外方に開口した略Ｃ字状断面を有し、前記リング側部の厚さ寸法が、５．５〜７．５ｍｍに設定されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る冷却ファンでは、請求項１に記載の冷却ファンにおいて、前記ブレードおよび前記外側リングは、ナイロン系樹脂で形成されていることを特徴とする。

以上において、請求項１の発明によれば、ブレードの枚数が１２枚以上に設定されているので、１枚のブレードが負担する遠心力が小さくなり、設計上の回転数が増大しても、ブレードの強度を維持することができる。ここで、ブレードの枚数を１７枚以上に設定すると、送風効率が低下してしまい、必要な風量が得られなくなってしまうのに対して、ブレードの枚数を１６枚以下に設定されているので、送風効率を維持できて、必要な風量を確保できる。

また、ブレードの吐出側外周部と、外側リングとが、半径１０ｍｍ以上の曲線部で連続しているので、設計上の回転数が増大した場合に遠心力が大きくなっても、ブレードと外側リングとの連続部の形状による応力集中を緩和することができ、遠心力に対する連結部の強度を維持することができる。ここで、曲線部が半径１４ｍｍを超える寸法に設定されると、ブレードの形状に対する影響が大きくなり送風効率が下がってしまい、必要な風量が得られなくなるのに対して、曲線部が半径１４ｍｍ以下に設定されているので、送風効率を維持できて、必要な風量を確保できる。

さらに、外側リングのリング側部の厚さ寸法が、５．５ｍｍ以上に設定されているので、外側リングの周方向に直交する断面形状の断面係数が大きくなって、設計上の回転数が増大した場合に遠心力が大きくなっても、リング側部（特に先端部分）の強度を維持することができる。ここで、リング側部の厚さ寸法が７．５ｍｍを超える寸法に設定されると、外側リングの重量増加による遠心力増大の影響が無視できなくなるのに対して、厚さ寸法が７．５ｍｍ以下に設定されているので、遠心力増大の影響を受けても、外側リングの強度を維持できる。
よって、悪条件下で使用される建設機械等のエンジンを冷却するために使用されても、十分な強度を有し、かつ、必要な風量を確保できる冷却ファンを提供することができ、本発明の目的を達成できる。
また、外径寸法が６００ｍｍ以上に設定されているので、例えば、ホイールローダ、ブルドーザ、油圧ショベル、ダンプトラック等の建設機械のエンジンを冷却するために使用する場合に、６００ｍｍ以上の外径寸法を有しているので、回転数を更に大きくすることなく、必要な風量を維持できるとともに、付着物によるアンバランスが生じにくく、十分な強度を確保することができる。

請求項２の発明によれば、ブレードおよび外側リングが、ナイロン系樹脂で形成されているので、冷却ファンを軽量化でき、遠心力が低減され、強度を十分維持することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の冷却ファン１を示す正面図である。図２は、図１におけるII−II線断面図である。
図１，図２において、冷却ファン１は、中央部の鋼製のハブプレート２と、このハブプレート２の外周部に形成された内側リング３と、この内側リング３から等周間隔で放射状に設けられた複数のブレード４と、各ブレード４の先端同士を連結するように各ブレード４の先端から連続して設けられた外側リング５とを含んで構成され、回転軸Ｐ周りに矢印Ａの方向に回転することで、ブレード４の吸気側（負圧側）から吐出側（図２中の矢印Ｂの方向）に流体が送風されるようになっている。

ハブプレート２は、回転軸Ｐ周りに複数のボルト孔６を有し、これらのボルト孔６を介して、冷却ファン１を図示しないエンジン等の回転軸にボルト止め可能に構成されている。
内側リング３、ブレード４、および外側リング５は、ナイロン系樹脂を射出成形して一体的に形成されると同時に、ハブプレート２は、内側リング３にインサート成形される。具体的には、内側リング３、ブレード４、および外側リング５をインサート成形型内への溶融樹脂の射出により一体的に形成することで、三次元形状の冷却ファン１を実現している。ハブプレート２は、前記成形型内に予め配置され、図２に示されるように、その周縁部分が樹脂で覆われるようにインサート成形される。このようにして冷却ファン１が軽量化されて、回転時に発生する遠心力が低減され、強度を十分に維持できるようになっている。
ブレード４の枚数は、１２〜１６枚（図では１４枚）に設定されている。
冷却ファン１のブレード外径寸法φ１は、６００ｍｍ以上８５０ｍｍ以下に設定されている。

図３は、図２の要部を拡大して示す断面図である。
図３に示すように、外側リング５は、周方向の全体で略円筒状とされたリング本体部５１と、このリング本体部５１の軸方向両端から径方向の外側に向かって延設されるリング側部５２とを備え、図３に示すように、周方向の一部では、外方に開口した略Ｃ字状断面を有している。そして、略Ｃ字状断面による開口部分は、外側リング５の全周にわたる溝部５４となっている。

リング側部５２の厚さ寸法ｔ１は、５．５〜７．５ｍｍに設定され、リング本体部５１の厚さ寸法ｔ２よりも大きい。リング本体部５１の平坦な内周面から、各リング側部５２の外側面までは半径Ｒ１の曲面部５３によって連続している（なお、半径Ｒ１を示す矢印はその部位の位置を示すものであって、矢印の長さが半径の大きさを示している訳ではない。他の半径Ｒについても同様である）。

リング側部５２の厚さ寸法ｔ１は、従来の寸法よりも大きく設定されている。外側リング５のリング側部５２は、径方向において冷却ファン１の最も外周となる部分であり、冷却ファン１を回転させた際に最も大きい遠心力が生じる部分である。従って、厚さ寸法ｔ１を従来よりも大きく設定することは、リング側部５２の強度を確保する上で効果的な手法である。

また、ブレード４では、外側リング５よりも吐出側（矢印Ｂの方向）に張出部４１が形成されている。この張出部４１の外周は、冷却ファン１の径方向に沿った直線部４２と、張出部４１の径方向外端において送風方向（矢印Ｂ）に沿った直線部４３と、これらの直線部４２，４３を連続する半径Ｒ２の円弧部４４とによって形成されている。
また、張出部４１の直線部４３から外側リング５へ向かって、半径Ｒ３の円弧部４５と、この円弧部に連続する半径Ｒ４の曲線部４６とが形成され、直線部４３から外側リング５の半径Ｒ１の曲面部５３までの間を滑らかな曲状部が連続して形成されている。このように、ブレード４の吐出側外周部と、外側リング５とが、半径Ｒ３の円弧部４５と、半径Ｒ４の曲線部４６とで連続され、特に半径Ｒ４の寸法は、半径Ｒ３の寸法よりも大きく、１０〜１４ｍｍに設定されている。

このような構成の冷却ファン１は、図示しないエンジン等によって回転駆動される。そして、例えば、冷却空気の吸い込み式のクーリングユニットにおいては、冷却ファン１を挟んでエンジンとは反対側に設置された図示しないラジエータを通して冷却空気を吸込み、エンジン側に吐出するようになっている。冷却ファン１の外周部には、この冷却ファン１を囲む図示しないシェラウドが設けられ、このシュラウドによってラジエータからの冷却空気の流路が形成されている。

冷却ファン１が回転してＢ方向に冷却空気が送風されると、冷却ファン１の吐出側の圧力が上昇し、一部の冷却空気が外側リング５の外方から冷却ファン１の吸込側に逆流しようとする。これに対して、外側リング５の全周にわたって溝部５４が形成され、この溝部５４と図示しないシュラウドとからラビリンス構造が形成されているので、冷却空気の逆流を抑制でき、冷却効率を向上させることができる。

なお、図１〜図３に示される本実施形態の冷却ファン１の各部の具体的な設定値は、例えば、以下の通りである。
ブレード外径寸法φ１：６２０ｍｍ
ブレード枚数 ：１４枚
半径Ｒ４ ：１０ｍｍ
厚み寸法ｔ１ ：５．５ｍｍ

ここで、ブレード外径寸法φ１を前述値よりも大きい８５０ｍｍに設定した場合の冷却ファン１Ａの形状を図４に示す。この冷却ファン１Ａの各部の具体的な設定値は、例えば、以下の通りである。
ブレード外径寸法φ２ ：８５０ｍｍ
ブレード枚数 ：１４枚
半径Ｒ８ ：１３．７ｍｍ
厚み寸法ｔ３ ：７．５ｍｍ
この冷却ファン１Ａにおける半径Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７の各寸法は、上述した半径Ｒ８と同様に、ブレード外径寸法φが６２０ｍｍの冷却ファン１において対応する半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の各寸法よりもそれぞれ大きく設定されている。

冷却ファン１，１Ａのようにブレード外径寸法φを６００ｍｍ以上に設定することによって、例えば、油圧ショベル、ブルドーザ、ホイールローダ等の建設機械のエンジンを冷却するために冷却ファン１，１Ａを使用する場合であっても、ブレード外径寸法φが６００ｍｍ以上なので、回転数を大きくしなくても、冷却のために必要な風量を確保できる。これによって、付着物によるアンバランスが生じにくく、十分な強度を維持できる。

［本実施形態の作用および効果］
冷却ファン１について前述したように、ブレード４の枚数を１２〜１６枚とし、ブレード４の吐出側外周部と外側リング５とを半径１０〜１４ｍｍの曲線部で連続させ、外側リング５のリング側部５２の厚さ寸法を５．５〜７．５ｍｍに設定したのは、次の知見（１）〜（３）に基づくものである。
（１）発明者は、冷却ファン１におけるブレード枚数を変更することによる影響を探るべく、シミュレーションを行ったところ、図５に示されるように、ブレード枚数だけを変更させると、ブレードが１２枚以上の場合では、１枚のブレードに生じる応力σがブレードの応力基準値σ１よりも小さくなることが判った。このことから、１枚のブレードが負担する遠心力を小さくして、設計上の回転数を増大させても、ブレードの強度を維持するためには、ブレードの枚数を１２枚以上に設定するのがよいことが判る。
また、ブレードの枚数を１１枚以下または１７枚以上に設定すると、送風効率が低下してしまい、必要な風量が得られなくなってしまうのに対して、ブレードが１２枚以上１６枚以下の場合では、冷却ファンを設計上の回転数で回転して得られる風量Ｑが風量基準値Ｑ１に達することが判った。
以上のことから、ブレード枚数を１２〜１６枚にすることで、必要な強度が維持され、かつ、必要な風量が得られることが確認された。

（２）発明者は、冷却ファン１におけるブレード４と外側リング５との連続部の半径Ｒ４を変更することによる影響を探るべく、シミュレーションを行ったところ、図６に示されるように、連続部の半径Ｒ４だけを変更させると、半径Ｒ４が１０ｍｍ以上の場合では、連続部に生じる応力σがブレード４の応力基準値σ１よりも小さくなることが判った。また、半径Ｒ４が１４ｍｍ以下の場合では、冷却ファンを設計上の回転数で回転して得られる風量Ｑが風量基準値Ｑ１を上回ることが判った。
このことから、設計上の回転数を増大させることで遠心力が大きくなっても、ブレードと外側リングとの連続部の形状による応力集中を緩和させるためには、ブレード４の吐出側外周部と外側リング５とを半径１０ｍｍ以上の曲線部で連続させることがよいことが確認された。また、ブレードの形状に対する影響を小さくして送風効率が下がってしまうのを防ぐためには、曲線部の半径Ｒ４を１４ｍｍ以下に設定するのがよいことが判った。
つまり、連続部の半径Ｒ４を１０〜１４ｍｍにすることで、必要な強度が維持され、かつ、必要な風量が得られることが確認された。

（３）発明者は、冷却ファン１における外側リング５の厚さ寸法ｔ１を変更することによる影響を探るべく、シミュレーションを行ったところ、図７に示されるように、厚さ寸法ｔ１だけを変更させると、厚さ寸法ｔ１が５．５ｍｍ以上の場合では、外側リングの断面係数Ｚが外側リングの強度上必要な断面係数Ｚ１よりも大きい値となることが判った。また、厚さ寸法ｔ１が７．５ｍｍ以下の場合では、冷却ファンを設計上の回転数で回転する際に生じる遠心力Ｆが外側リングの強度上の遠心力基準値Ｆ１よりも小さくなることが判った。
このことから、外側リング５の周方向に直交する断面形状の断面係数Ｚを大きくして、設計上の回転数が増大した場合に遠心力が大きくなっても、リング側部５２（特に先端部分）の強度を維持するためには、リング側部５２の厚さ寸法ｔ１を５．５ｍｍ以上に設定するのが良いことが判った。また、外側リング５の重量増加による遠心力増大の影響を受けても、外側リング５の強度を維持するためには、厚さ寸法ｔ１を７．５ｍｍ以下に設定するのが良いことが判った。
つまり、外側リング５の厚さ寸法ｔ１を５．５〜７．５ｍｍにすることで、必要な強度が維持されることが確認された。

なお、本発明を実施するための最良の構成、方法等は、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質等を限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質等の限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

例えば、前記実施形態では、ハブプレート２と内側リング３とを含んで冷却ファンが構成されているが、ハブプレート２や内側リング３の構成はこれに限定されるものではない。
また、前記実施形態では、内側リング３とブレード４と外側リング５とがナイロン系樹脂で形成されており、例えば、ガラス繊維強化ポリアミドのような樹脂で形成されている。さらに、内側リング３とブレード４と外側リング５とが一体で形成されていたが、本発明では少なくともブレード４と外側リング５とが一体で形成されていればよい。

また、前記実施形態の冷却ファンが冷却空気の吸い込み式のクーリングユニットに使用される場合を説明したが、これに限らず、例えば、加熱空気（エンジンにて暖められた空気）の吸い込み式のクーリングユニットにおいて、冷却ファンとエンジンとの間に設置された図示しないラジエータを通して加熱空気を冷却し、エンジンとは反対側に吐出するようにしてもよい。
また、前記実施形態の冷却ファンは、エンジンで駆動されるものに限らず、電動モータや油圧モータで駆動されてもよい。

本発明は、建設機械、土木機械、農業機械、輸送車両、発電機等に搭載されるクーリングユニットの冷却ファンとして好適に利用できる。

本発明の一実施形態に係る冷却ファンを示す正面図。 図１におけるII−II線断面図。 前記冷却ファンの要部を拡大して示す断面図。 本実施形態の実施例に係る冷却ファンの要部を拡大して示す断面図。 前記実施形態における効果を説明するためのグラフ。 前記実施形態における効果を説明するためのグラフ。 前記実施形態における効果を説明するためのグラフ。

符号の説明

１，１Ａ…冷却ファン、４…ブレード、５…外側リング、４６…曲線部、５１…リング本体部、５２…リング側部、Ｐ…回転軸、Ｒ４，Ｒ８…曲線部の半径、ｔ１，ｔ３…厚さ寸法、φ１，φ２…ブレード外径寸法。

Claims (2)

1. 回転軸周りに放射状に設けられる複数のブレードと、各ブレードの外周側に設けられる外側リングとを備える冷却ファンであって、
   外径寸法が６００ｍｍ以上に設定されており、
   前記ブレードの枚数は、１２〜１６枚に設定され、
   前記ブレードの吐出側外周部には、前記外側リングに連続する半径１０〜１４ｍｍの曲線部が形成され、
   前記外側リングは、略円筒状のリング本体部と、このリング本体部の軸方向両端から径方向の外側に向かって延設されるリング側部とを備え、周方向の外方に開口した略Ｃ字状断面を有し、
   前記リング側部の厚さ寸法が、５．５〜７．５ｍｍに設定されている
   ことを特徴とする冷却ファン。
2. 請求項１に記載の冷却ファンにおいて、
   前記ブレードおよび前記外側リングは、ナイロン系樹脂で形成されている
   ことを特徴とする冷却ファン。

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