JP5097201B2 - 軸流ファン組立体 - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、全体の内容が本明細書に援用される２００６年５月３１日出願の米国仮特許出願第６０／８０３，５７６号に対する優先権を主張する。

本発明は、軸流ファンに関し、より詳細には、自動車の軸流ファン組立体に関する。

軸流ファン組立体は、自動車の用途に用いられるとき、典型的に、囲い板と、囲い板に連結された原動機と、原動機によって駆動される軸流ファンとを含む。軸流ファンは、典型的に、軸流ファンの翼の各先端部を接続する帯部を含み、それによって、軸流ファンの翼を補強し、翼の先端部がより高い圧力を発生できるようにする。

自動車の用途に用いられる軸流ファン組立体は、高効率および低ノイズで作動しなければならない。しかしながら、様々な制約が、この設計上の目標をしばしば複雑にする。このような制約は、たとえば、軸流ファンと上流の熱交換器との間の限定された間隔（すなわち「ファンから軸心までの間隔」）、軸流ファンのすぐ下流のエンジン要素からの空力的な妨害、軸流ファンの翼のスイープ面積に対する囲い板の被覆面積の大きい比率（すなわち「面積比」）、および軸流ファンの帯部と囲い板との間の再循環を含み得る。

複数の要因が、軸流ファンの効率を低下させる一因となり得る。大きい面積比とファンから軸心までの短い間隔とが組み合わさった結果、通常、軸流ファンの翼の先端部の近くにおいて、半径方向内向きの流入速度が比較的高くなる。この領域の気流は、また、帯部の周囲の再循環する気流としばしば混合する。このような帯部の周囲の再循環する気流は、比較的高角度の「前渦」、または軸流ファンの回転方向に比較的高い接線速度を有することがある。これらの要因が、個々にまたは組み合わせて考慮されるとき、軸流ファンの翼の先端部が効率的に圧力を発生させる能力を、しばしば低下させる。

本発明は、一態様において、軸流ファンの効率を低下させる一因となり得る１つまたは複数の上述の要因の存在にもかかわらず、軸流ファンの翼の先端部および帯部に（すなわち、ファンの翼の半径の外側２０％に対応するファンの翼の領域において）付与される高速の気流を維持するように構成された軸流ファンの翼を提供する。

本発明は、別の態様において、中心軸を中心に回転するように構成されたハブと、ハブから半径方向外向きに延在し、中心軸の回りに配置された複数の翼とを含む軸流ファンを提供する。それぞれの翼は、基部、先端部、基部と先端部との間の前縁、および基部と先端部との間の後縁を含む。それぞれの翼は、翼の先端部と中心軸との間に翼半径を規定する。それぞれの翼は、翼半径の外側２０％内において、減少するスキュー角を規定する。翼ピッチ対平均翼ピッチの比は、翼半径の外側２０％内において最低値から最高値まで増加する。最高値は最低値よりも約３０％から約７５％大きい。

本発明は、さらに別の態様において、囲い板と囲い板に連結された原動機とを含む軸流ファン組立体を提供する。原動機は、中心軸を中心に回転可能な出力軸を含む。軸流ファン組立体は、また、中心軸を中心に回転するように出力軸に連結されたハブと、ハブから半径方向外向きに延在し、中心軸の回りに配置された複数の翼とを有する軸流ファンを含む。それぞれの翼は、基部、先端部、基部と先端部との間の前縁、および基部と先端部との間の後縁を含む。それぞれの翼は、翼の先端部と中心軸との間に翼半径を規定する。それぞれの翼は、翼半径の外側２０％内において、減少するスキュー角を規定する。翼ピッチ対平均翼ピッチの比は、翼半径の外側２０％内において最低値から最高値まで増加する。最高値は最低値よりも約３０％から約７５％大きい。

本発明のその他の特徴および態様は、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮することによって明らかとなろう。

本発明のいくつかの実施形態が詳細に説明される前に、本発明は、その用途において、以下の説明に述べられるまたは以下の図面に示される構造の詳細および構成要素の構成に限定されないことが理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々なやり方で実施または実行が可能である。また、本明細書に用いられる語法および用語は、説明の目的のためであり、限定するものとみなされるべきではないことが理解されたい。本明細書の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」およびその変形体の使用は、後に列挙される品、およびその均等物、ならびに追加の品を含むことが意図される。特に指定または限定されない限り、「取り付けられた（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持された（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」、および「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語、ならびにその変形体は広義に使用され、直接的および非直接的両方の取り付け、接続、支持および連結を含む。さらに「接続された」および「連結された」は、物理的または機械的な接続または連結に限定されない。

図１は、自動車の放熱器などの熱交換器１４に連結された軸流ファン組立体１０を示す。しかしながら、軸流ファン組立体１０は、任意のいくつかの異なる用途において、熱交換器１４と組み合わせて用いられてよい。軸流ファン組立体１０は、囲い板１８と、囲い板１８に連結された原動機２２と、原動機２２に連結され、原動機２２によって駆動される軸流ファン２６とを含む。詳細には、図１に示すように、原動機２２は、出力軸３０および軸流ファン２６の中心軸３４を中心に軸流ファン２６を駆動する出力軸３０を含む。

軸流ファン組立体１０は、軸流ファン２６が熱交換器１４を介して気流を引くように、「引き出し」構成で熱交換器１４に連結される。代替として、軸流ファン組立体１０は、軸流ファン１０が熱交換器１４を介して気流を排出するように、「押し出し」構成で熱交換器１４に連結されてもよい。任意のいくつかの異なる連結具が、軸流ファン組立体１０を熱交換器１４に連結するために用いられてよい。

図１の軸流ファン組立体１０の図示の構造では、囲い板１８は、原動機２２が連結される取付台３８を含む。取付台３８は、軸流ファン２６によって排出される気流の向きを変える複数の傾けられた羽根４２によって囲い板１８の外側部分に連結される。しかしながら、軸流ファン組立体１０の代替構造は、取付台３８を囲い板１８の外側部分に連結するために、軸流ファン２６から排出される気流の向きを実質的に変えない他の支持部材を用いてもよい。原動機２２は、任意のいくつかの異なる留め具または他の接続装置を使用して取付台３８に連結されてよい。

囲い板１８は、また、軸流ファン２６の外周部の回りに配置された実質的に環形の出口鐘状部４６を含む。複数の漏れ固定子５０が、出口鐘状部４６に連結され、中心軸３４の回りに配置される。軸流ファン２６の作動中、漏れ固定子５０は、再循環する気流の接線方向の成分（すなわち「前渦」）を崩壊または減少させることによって、軸流ファン２６の外周部の回りの再循環を減少させる。しかしながら、軸流ファン組立体１０の代替構造は、図１に示されるものとは異なるように構成された出口鐘状部４６および漏れ固定子５０を用いてもよい。さらに、軸流ファン組立体１０のさらに別の代替構造は、出口鐘状部４６または漏れ固定子５０を含まなくてよい。

図１〜４を参照すると、軸流ファン２６は、中央ハブ５４と、ハブ５４から外向きに延在する複数の翼５８と、翼５８を接続する帯部６２とを含む。詳細には、それぞれの翼５８は、ハブ５４に隣接し連結された基部部分または基部６６と、基部６６から外向きに間隔を置かれ、帯部６２に連結された先端部分または先端部７０とを含む。それぞれの翼５８の中心軸３４と先端部７０との間の半径方向の距離は、軸流ファン２６の最大翼半径「Ｒ」と定義され（図４を参照）、一方、それぞれの翼５８の基部６６とそれぞれの翼５８の対応する先端部７０との間の半径方向の距離は、翼の翼幅「Ｓ」と定義される。翼５８の直径は、最大翼直径「Ｄ」と定義され、翼半径「Ｒ」の２倍に等しい。

それぞれの翼５８は、また、基部６６と先端部７０との間の前縁７４、および基部６６と先端部７０との間の後縁７８を含む。図４は、軸流ファン２６の時計回りの回転方向（矢印「Ａ」によって示される）に対する翼５８の前縁７４および後縁７８を示す。軸流ファン組立体１０の代替構造では、翼５８は、軸流ファン２６の逆時計回りの回転方向に従って、異なるように構成されてもよい。さらに、それぞれの翼５８は、正圧面８６（図２および４を参照）および負圧面８２（図３を参照）を含む。正圧面８６および負圧面８２は、それぞれの翼５８にエーロフォイル形状を与え、それによって、軸流ファン２６が気流を発生できるようになる。

図１および３を参照すると、原動機２２の上に冷却気流を与えるように、複数の二次翼９０が、中心軸３４の回りに配置され、ハブ５４の内周部に連結される。原動機２２は、原動機の電気構成要素を実質的に囲む原動機筐体９４を含んでよい（図１を参照）。図１には示されていないが、原動機筐体９４は、原動機２２の電気構成要素を冷却するように、二次翼９０によって発生される冷却気流を筐体９４の中を通過させる複数の開口を含んでよい。代替として、原動機筐体９４は、いかなる開口をも含まなくてよく、二次翼９０によって発生される冷却気流は、筐体９４の上だけに向けられてもよい。軸流ファン組立体１０のさらに別の構造では、軸流ファン２６は二次翼９０を含まなくてよい。

図４を参照すると、翼５８のいくつかの特性は、翼幅Ｓにわたって変化する。詳細には、これらの特性は、翼５８の基部６６から翼５８の先端部７０へと移動する半径「ｒ」に対応する別々の円筒形の翼の断面において測定されてよい。したがって、半径「ｒ」を有する翼の断面は、ファン２６と、半径「ｒ」およびファン２６の中心軸３４と同一線上の軸を有する円筒との交差部において規定される。前述のように、翼５８の先端部７０に対応する翼の断面は、軸流ファン２６の翼５８の最大半径に等しい半径「Ｒ」を有する。したがって、翼幅Ｓにわたって変化する翼５８の特性は、翼半径Ｒの分数（すなわち「ｒ／Ｒ」）における特定の翼の断面について述べられることができる。本明細書において用いられる分数「ｒ／Ｒ」はまた、「無次元半径」として示されてもよい。

図５を参照すると、翼幅Ｓの端部の近く（すなわちｒ／Ｒ〜１）の翼の断面が示される。この特定の翼の断面では、翼５８は湾曲を有する。翼５８の湾曲（または当技術において「反り」として知られる）の程度は、特定の翼の断面における翼５８の中央線９８と前端／後端線１０２とを基準にすることによって測定される。図５に示すように、中央線９８は、翼５８の前縁７４から後縁７８まで、翼５８の正圧面８６と負圧面８２との中間に延在する。前端／後端線１０２は、翼５８の前縁７４と後縁７８との間に延在する直線であり、翼５８の前縁７４および後縁７８において中央線９８と交差する。

反りは、前端／後端線１０２に沿った位置の関数である無次元量である。詳細には、反りは、前端／後端線１０２から中央線９８までの垂直距離「Ｄ」を、前端／後端線１０２の長さで割ったものを示す関数であり、翼の「翼弦」としても知られる。一般に、反りの無次元量が大きいほど、翼５８の湾曲はより大きくなる。

図５はまた、翼幅Ｓの端部の近く（すなわちｒ／Ｒ〜１）の翼の断面における、翼５８のピッチ角「β」を示す。ピッチ角βは、前端／後端線１０２と中心軸３４に実質的に垂直である面１０６との間の角度として定義される。翼５８の基部６６から翼５８の先端部７０へと動く半径「ｒ」における、それぞれの次の翼の断面に対応する翼５８のピッチ角βが分かれば、翼の「ピッチ」は、以下の式を用いて計算可能である。

ピッチ＝２πｒｔａｎβ
翼５８のピッチは、翼５８によってその半径方向の長さに沿って発生される静圧の量を概ね決定する特性である。上記の式から明らかであるように、ピッチは次元量であり、一片の木材にねじ込まれるねじに似た、固体の媒体の中で回転する場合に、半径「ｒ」の特定の翼の断面によって軸の１回転で理論的に移動される軸方向の距離として視覚化される。

図９は、軸流ファン２６の翼幅Ｓにわたる翼のピッチを示す。詳細には、Ｘ軸は、特定の翼の断面の翼幅Ｓに沿った分数「ｒ／Ｒ」を表し、Ｙ軸は、翼５８の基部６６と翼５８の先端部７０との間のすべての翼の断面の平均翼ピッチに対する翼ピッチの比を表す。翼ピッチ対平均翼ピッチの比をとることによって、図９に示される曲線は正規化され、高いピッチおよび低いピッチ両方の軸流ファン２６を表す。さらに、図９に示される曲線は、異なる翼直径Ｄを有する軸流ファン２６を表す。「平均翼ピッチ」は単にスカラであるので、「翼ピッチ」を表す曲線の形状は、「翼ピッチ／平均翼ピッチ」の表す曲線の形状と同じである。

図９を続けて参照すると、翼ピッチ対平均翼ピッチの比は、翼半径Ｒの外側２０％内、または０．８≦ｒ／Ｒ≦１の間において、減少しない。さらに、翼ピッチ対平均翼ピッチの比は、翼半径Ｒの外側２０％内において増加する。図９の曲線によって表される翼５８の構造では、「翼ピッチ／平均翼ピッチ」の値は、翼半径Ｒの外側２０％において、約０．８８から約１．２２へと約４０％増加する。しかしながら、翼５８の他の構造では、「翼ピッチ／平均翼ピッチ」の値は、翼半径Ｒの外側２０％内において、少なくとも約５％増加してよい。さらに、図９の曲線によって表される翼５８の構造では、「翼ピッチ／平均翼ピッチ」の値は、翼半径Ｒの外側１０％、または０．９≦ｒ／Ｒ≦１の間にわたって連続的に増加する。翼５８の他の構造においては、「翼ピッチ／平均翼ピッチ」の値は、翼半径Ｒの外側２０％内において、約３０％から約７５％増加してよく、一方、翼５８のさらに他の構造では、「翼ピッチ／平均翼ピッチ」の値は、翼半径Ｒの外側１０％内において、約２０％から約６０％増加してよい。

翼半径Ｒの外側２０％内において翼５８のピッチを増加させることによって、図９に示すように、翼５８の先端部７０は、高速の軸方向の気流を帯部６２に維持するように、増加する静圧を発生することができ、それによって、流入の半径方向内向きの成分が存在するにもかかわらず、軸流ファン２６の効率を改善する。

図６を参照すると、軸流ファン２６の翼５８は、様々なスキュー角「θ」を有する形状にされる。翼５８のスキュー角θは、翼５８の基部６６に対応する翼断面を基準にして、半径「ｒ」に対応する特定の翼断面において測定される。具体的には、翼５８の基部６６に対応する翼断面の中央翼弦に基準点１１０が記され、基準線１１４が、基準点１１０と軸流ファン２６の中心軸３４とを通って引かれる。図６に示すように、基準線１１４は、「正の」スキュー角θと「負の」スキュー角θとの境界線を画定する。本明細書に定義されるように、正のスキュー角θは、翼５８が軸流ファン２６の回転の方向に傾斜されていることを示し、一方、負のスキュー角θは、翼５８が軸流ファン２６の回転の方向とは反対の方向に傾斜されていることを示す。

次に、中央翼弦線１１８が、翼５８の前縁７４と後縁７８との間に引かれる。増加する半径「ｒ」に対応するそれぞれの次の翼の断面が、中央翼弦線１１８上にある中央翼弦点（たとえば、図５に示される翼断面上の点「Ｐ」）を有する。半径「ｒ」に対応する特定の翼断面における翼５８のスキュー角θが、基準線１１４と、特定の翼断面の中央翼弦点（たとえば点「Ｐ」）および中心軸３４を接続する線１２２との間で測定される。図６に示すように、翼５８の一部は、正方向に傾斜され、翼５８の一部は負方向に傾斜される。

図１０は、軸流ファン２６の翼幅Ｓにわたる翼ピッチおよびスキュー角θを示す。詳細には、Ｘ軸は、特定の翼断面の翼幅Ｓに沿った無次元半径または分数「ｒ／Ｒ」を表し、左側のＹ軸は、翼ピッチ対軸流ファン直径または翼直径Ｄの比を表し、右側のＹ軸は、基準線１１４を基準にしたスキュー角θを表す。翼ピッチ対翼直径Ｄの比をとることによって、図１０に示される曲線は無次元となり、様々な翼直径Ｄを有する軸流ファン２６を表す。翼直径Ｄは単にスカラであるので、「翼ピッチ」を表す曲線の形状は、「翼ピッチ／平均翼直径Ｄ」の表す曲線の形状と同じである。

図１０を続けて参照すると、翼５８は、翼半径Ｒの外側２０％内において、減少するスキュー角θを規定する。言い換えると、スキュー角θは、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の範囲内において減少する。さらに、翼５８のスキュー角θは、翼半径Ｒの外側２０％にわたって連続的に減少する。図１０の曲線によって表される翼５８の構造では、スキュー角θは、翼半径Ｒの外側２０％内において、約（＋）２．７５度から約（−）９．９８度へと約１２．７５度減少する。代替として、翼５８は、翼半径Ｒの外側２０％内において、スキュー角θが、約１２．７５度を超えてまたは約１２．７５度未満減少するように構成されてよい。しかしながら、ファン２６の好ましい構造では、翼５８のスキュー角θは、翼半径Ｒの外側２０％内において少なくとも約５度減少するべきである。

図５および１１を参照すると、軸流ファン２６の翼５８は、様々な傾斜輪郭を有する形状にされる。図５に示すように、翼の傾斜は、翼５８の基部６６に対応する（基準線１２４に近い）翼断面の中央翼弦点を基準にした、半径「ｒ」に対応する特定の翼断面の中央翼弦点（たとえば点「Ｐ」）の軸方向のオフセット「Δ」として測定される。半径「ｒ」に対応する翼断面の中央翼弦点（たとえば点「Ｐ」）が、翼５８の基部６６に対応する翼断面の中央翼弦点の上流に配置されるとき、軸方向のオフセットΔの値は負であり、一方、半径「ｒ」に対応する翼断面の中央翼弦点が、翼５８の基部６６に対応する翼断面の中央翼弦点の下流に配置されるとき、軸方向のオフセットΔの値は正である。

図１１は、軸流ファン２６の翼幅Ｓにわたる翼の傾斜を示す。詳細には、Ｘ軸は、特定の翼断面の翼幅Ｓに沿った無次元半径または分数「ｒ／Ｒ」を表し、Ｙ軸は、翼の傾斜対軸流ファン直径または翼直径Ｄの比を表す。翼傾斜対翼直径Ｄの比（すなわち「無次元の翼傾斜」）をとることによって、図１１に示される曲線は、無次元となり、異なる翼直径Ｄを有する軸流ファン２６を表す。翼直径Ｄは単にスカラであるので、「翼の傾斜」を表す曲線の形状は、「翼の傾斜／翼直径Ｄ」を表す曲線の形状と同じである。

翼５８の正圧面８６から延在する面法線の半径方向内向きおよび半径方向外向きの成分を縮小するように、翼半径Ｒの外側２０％にわたる翼５８の傾斜輪郭が、図１０に示されるスキュー角およびピッチ輪郭に従って調整される。言い換えると、翼５８の傾斜輪郭を変えることなく、翼５８を前方向（すなわち図６に示される正方向）に傾斜することによって、軸方向および接線方向の成分に加えて半径方向内向きの成分を有する、翼５８の正圧面８６から垂直に延在する面法線または射線が生じる。同様に、翼５８を後方向（すなわち図６に示される負の方向）に傾斜することによって、軸方向および接線方向の成分に加えて半径方向外向きの成分を有する面法線が生じる。翼５８の正圧面８６から延在する面法線のこのような半径方向内向きおよび半径方向外向きの成分は、軸流ファン２６の効率を低下させ得る。しかしながら、図１１に示すように翼５８の傾斜輪郭を変えることによって、面法線のこのような半径方向内向きおよび半径方向外向きの成分が縮小され、したがって軸流ファン２６の効率ならびに翼５８の構造上の安定性を増し、それぞれの翼５８によって起こされる圧力が、確実に、気流の方向と最適に整列するようになる。

図１１は、翼半径Ｒの外側２０％にわたる、ある無次元の傾斜輪郭を示す。詳細には、図示の傾斜輪郭では、無次元の翼傾斜は、翼半径Ｒの外側２０％にわたって連続的に増加する。さらに、図示の傾斜輪郭では、翼半径Ｒの外側２０％にわたる無次元の半径に対する無次元の翼傾斜の変化率は、約０．０８から約０．１８である。翼半径Ｒの外側２０％にわたる図示の傾斜輪郭は、以下の式による翼半径Ｒの外側２０％にわたるピッチの変化とスキュー角の変化との関数として述べられることができ、式中「Ｄ」は翼直径Ｄに等しい。

既知の翼直径Ｄの軸流ファン２６に対して、翼幅Ｓのそれぞれの増分（すなわち０．８≦ｒ／Ｒ＜≦０．９および０．９≦ｒ／Ｒ≦１）にわたる傾斜の変化を計算するには、ピッチおよび傾斜の各値が、まず、経験的に決定される必要がある。次に、傾斜の変化の値が計算可能である。

軸流ファン２６の代替の構造では、翼５８は、翼半径Ｒの外側２０％にわたる結果的な傾斜輪郭が、図１１に示された無次元の傾斜輪郭とは異なるように、翼半径Ｒの外側２０％にわたって異なるスキュー角およびピッチ輪郭を含んでよい。

図７を参照すると、軸流ファン組立体１０は、概略的に示された下流の「妨害物」１２６に対して配置されているのが示される。このような妨害物１２６は、たとえば、自動車のエンジンの一部であり得る。軸流ファン組立体１０の効率は、出口鐘状部４６および漏れ固定子５０からの帯部６２の間隔、ならびに出口鐘状部４６と妨害物１２６との間の間隔に一部依存する。

図８は、軸流ファン組立体１０の一構造における、帯部６２と出口鐘状部４６および漏れ固定子５０との間の間隔を示す。詳細には、帯部６２は、軸方向に延在する半径方向最も内側の表面１３４、および軸方向に延在する半径方向最も外側の表面１３８に隣接する端面１３０を含む。出口鐘状部４６は、半径方向最も内側の表面１４６に隣接する端面１４２を含む。軸方向の間隙「Ｇ１」が、帯部６２および出口鐘状部４６のそれぞれの端面１３０、１４２の間で測定される。図８は、また、帯部６２の軸方向に延在する半径方向最も外側の表面１３８と出口鐘状部４６の半径方向最も内側の表面１４６との間で測定される半径方向の間隙「Ｇ２」を示す。

軸方向の間隙Ｇ１および半径方向の間隙Ｇ２は、出口鐘状部４６と妨害物１２６との間の間隔（「Ｌ」）（図７を参照）、帯部の軸方向に延在する半径方向最も内側の表面１３４の半径（「Ｒ_ｂａｎｄ」）、ハブ５４の半径（「Ｒ_ｈｕｂ」）、および出口鐘状部１５０の半径方向最も外側の表面の半径（「Ｒ_ｏｕｔ」）に対して決定される。詳細には、軸方向の間隙Ｇ１および半径方向の間隙Ｇ２は、以下の式に従って計算される「妨害係数（Ｂｌｏｃｋａｇｅ Ｆａｃｔｏｒ）」について決定されてよい。

図８を参照すると、妨害係数が約０．８３より小さい軸流ファン組立体１０の構造において、翼直径Ｄに対する軸方向の間隙Ｇ１の比は、約０．０１から約０．０２５であり得る。しかしながら、妨害係数が約０．８３より大きいまたは約０．８３に等しい軸流ファン組立体１０の構造において、翼直径Ｄに対する軸方向の間隙Ｇ１の比は、約０から約０．０１であり得る。図８に示される軸流ファン組立体１０において、軸方向の間隙Ｇ１は、端面１４２の上流に端面１３０を配置することによって形成される。しかしながら、妨害係数が約０．８３より大きいまたは約０．８３に等しいとき、軸方向の間隙Ｇ１は、端面１４２の下流に端面１３０を配置することによって形成されてもよい。これらの好ましい軸方向の間隙Ｇ１は、図９〜１１に示されるピッチ、スキュー角θ、および軸方向のオフセットΔ（すなわち傾斜）の好ましい輪郭と併せて、漏れ固定子５０の効率を増加させることによって軸流ファン組立体１０の総合効率を増し、一方で、帯部６２と出口鐘状部４６との間の気流の前渦および再循環を低減することができる。

図８を続けて参照すると、妨害係数が約０．８３より大きいまたは約０．８３に等しい軸流ファン組立体１０の構造において、翼直径Ｄに対する半径方向の間隙Ｇ２の比は、約０．０１から約０．０２であり得る。図８に示される軸流ファン組立体１０において、半径方向の間隙Ｇ２は、軸方向に延在する半径方向最も外側の表面１３８を、出口鐘状部４６の半径方向最も内側の表面１４６の半径方向内側に配置することによって形成される。しかしながら、妨害係数が約０．８３より小さいとき、半径方向の間隙Ｇ２は、軸方向に延在する半径方向最も外側の表面１３８を、出口鐘状部４６の半径方向最も内側の表面１４６の半径方向外側に配置することによって形成されてもよい。

妨害係数が約０．８３より小さい軸流ファン組立体１０の構造において、軸方向に延在する半径方向最も内側の表面１３４は、出口鐘状部４６の半径方向最も内側の表面１４６と実質的に整列する。したがって、翼直径Ｄに対する半径方向の間隙Ｇ２の比は、約０から約０．０１であってよい。軸流ファン組立体１０のこのような構造では、漏れ固定子５０は、帯部６２に十分な隙間を与えるように構成されてよい。これらの好ましい半径方向の間隙Ｇ２は、図９〜１１に示されるピッチ、スキュー角θ、および軸方向のオフセットΔ（すなわち傾斜）の好ましい輪郭と併せて、後流分離および不必要な圧縮を低減することによって軸流ファン組立体１０の総合効率を増すことができる。

軸流ファン組立体１０は、囲い板面積の大きい比率およびファンから軸心までの小さい間隔を有する軸流ファンの翼５８の翼幅にわたって比較的一定である静圧の上昇を採用する。この特徴の組み合わせは、しばしば、ファンの翼５８の先端部７０において比較的高い半径方向内向きの流入速度をもたらす。さらに、翼５８の先端部７０の近くの比較的高い静圧の上昇は、帯部６２と出口鐘状部４６との間の気流の再循環を増加させる。次に、これが、翼５８の先端部７０に対する流入の前渦を増加させる。比較的高い半径方向内向きの流入速度は、帯部６２および出口鐘状部４６からの気流の分離に至ることがある。翼半径Ｒの外側２０％内において翼５８のピッチを増加することが、翼５８の先端部７０を比較的高い流入速度に適応させる。結果として生じる流入速度の増加および静圧の上昇は、翼５８によって起こされる圧力が、確実に、気流の方向と最適に整列されるように、翼半径Ｒの外側２０％内において翼５８を傾斜させること、後流分離および不必要な圧縮に対して保護するために、妨害係数に依存した特定の範囲内で帯部６２と出口鐘状部４６とを半径方向に間隔を置くこと、ならびに、前渦および再循環を低減するために漏れ固定子５０の機能を最適化するように、妨害係数に依存した特定の範囲内で帯部６２と出口鐘状部４６とを軸方向に間隔を置くことによって維持される。

本発明の様々な特徴は特許請求の範囲に述べられる。

囲い板と、囲い板に連結された原動機と、原動機によって駆動される軸流ファンとを示す、本発明の軸流ファン組立体の部分断面図である。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの上面斜視図である。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの底面斜視図である。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの上面図である。 図４の５−５線に沿った軸流ファンの拡大断面図である。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの一部の拡大上面図である。 軸流ファンから間隔を置かれた下流の妨害物を示す、図１の軸流ファン組立体の一部の拡大断面図である。 軸流ファンと囲い板との間の間隔を示す、図７の軸流ファン組立体の断面の拡大図である。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの翼幅にわたる翼のピッチを示すグラフである。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの翼幅にわたる翼のピッチおよび翼のスキュー角を示すグラフである。 図１の軸流ファン組立体の軸流ファンの翼幅にわたる翼の傾斜を示すグラフである。

Claims (20)

1. 中心軸を中心に回転するように構成されたハブと、
   前記ハブから半径方向外向きに延在し、前記中心軸の回りに配置された複数の翼において、前記翼のそれぞれが、
   基部、
   先端部、
   前記基部と前記先端部との間の前縁、
   および前記基部と前記先端部との間の後縁を含む複数の翼とを備える軸流ファンであって、
   前記翼のそれぞれが、前記翼の先端部と前記中心軸との間に翼半径を規定し、
   前記翼のそれぞれが、前記翼半径の外側２０％内において、減少するスキュー角を規定し、
   翼ピッチ対平均翼ピッチの比が、半径方向に、前記翼半径の外側２０％内における最低値から前記翼半径の外側２０％内における最高値まで増加し、
   前記最高値が前記最低値よりも約３０％から約７５％大きい軸流ファン。
2. 前記翼ピッチ対平均翼ピッチの比が、前記翼半径の外側１０％内における最低値から前記翼半径の外側１０％内における最高値まで増加し、前記翼半径の外側１０％内における前記最高値が、前記翼半径の外側１０％内における前記最低値よりも約２０％から約６０％大きい、請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記翼の前記スキュー角が、前記翼半径の外側２０％にわたって連続的に減少する、請求項１に記載の軸流ファン。
4. 前記翼のそれぞれが、前記翼半径の外側２０％内において、増加する傾斜を規定する、請求項１に記載の軸流ファン。
5. 前記傾斜が、前記翼半径の外側２０％にわたって連続的に増加する、請求項４に記載の軸流ファン。
6. 無次元の翼傾斜を翼傾斜対最大翼直径の比として規定し、前記翼半径の外側２０％にわたる無次元の半径に対する前記無次元の翼傾斜の変化率が、約０．０８から約０．１８である、請求項４に記載の軸流ファン。
7. 囲い板と、
   前記囲い板に連結された原動機において、中心軸を中心に回転可能な出力軸を含む原動機と、
   前記中心軸を中心に回転するように前記出力軸に連結されたハブ、
   ならびに前記ハブから半径方向外向きに延在し、前記中心軸の回りに配置された複数の翼において、前記翼のそれぞれが、
   基部、
   先端部、
   前記基部と前記先端部との間の前縁、
   および前記基部と前記先端部との間の後縁を含む複数の翼を含む軸流ファンとを備える軸流ファン組立体であって、
   前記翼のそれぞれが、前記翼の先端部と前記中心軸との間に翼半径を規定し、
   前記翼のそれぞれが、前記翼半径の外側２０％内において、減少するスキュー角を規定し、
   翼ピッチ対平均翼ピッチの比が、半径方向に、前記翼半径の外側２０％内における最低値から前記翼半径の外側２０％内における最高値まで増加し、
   前記最高値が前記最低値よりも約３０％から約７５％大きい軸流ファン組立体。
8. 前記翼ピッチ対平均翼ピッチの比が、前記翼半径の外側１０％内における最低値から前記翼半径の外側１０％内における最高値まで増加し、前記翼半径の外側１０％内における前記最高値が、前記翼半径の外側１０％内における前記最低値よりも約２０％から約６０％大きい、請求項７に記載の軸流ファン組立体。
9. 前記翼の前記スキュー角が、前記翼半径の外側２０％にわたって連続的に減少する、請求項７に記載の軸流ファン組立体。
10. 前記翼のそれぞれが、前記翼半径の外側２０％内において、増加する傾斜を規定する、請求項７に記載の軸流ファン組立体。
11. 前記傾斜が、前記翼半径の外側２０％にわたって連続的に増加する、請求項１０に記載の軸流ファン組立体。
12. 無次元の翼傾斜を翼傾斜対最大翼直径の比として規定し、前記翼半径の外側２０％にわたる無次元の半径に対する前記無次元の翼傾斜の変化率が、約０．０８から約０．１８である、請求項１０に記載の軸流ファン組立体。
13. 前記ファンが、前記翼の前記先端部に連結された実質的に円形の帯部を含み、前記囲い板が、前記中心軸に芯合わせされた実質的に環形の出口鐘状部を含む、請求項７に記載の軸流ファン組立体。
14. 前記帯部から半径方向外向きに配置され、前記出口鐘状部に隣接する複数の漏れ固定子をさらに備え、前記漏れ固定子が前記中心軸の回りに配置された、請求項１３に記載の軸流ファン組立体。
15. 前記出口鐘状部が、半径方向最も内側の表面と、半径方向最も外側の表面と、前記半径方向最も内側の表面に隣接する端面とを含み、前記漏れ固定子が、前記半径方向最も内側の表面と前記半径方向最も外側の表面との間に配置され、前記帯部が、軸方向に延在する半径方向最も内側の表面と、軸方向に延在する半径方向最も外側の表面と、前記軸方向に延在する半径方向最も内側の表面および前記軸方向に延在する半径方向最も外側の表面に隣接する端面とを含み、前記帯部および前記出口鐘状部のそれぞれの端面が、軸方向の間隙だけ間隔を置かれ、最大翼直径に対する前記軸方向の間隙の比が、約０から約０．０１であり、前記帯部の前記軸方向に延在する半径方向最も外側の表面が、半径方向の間隙だけ、前記出口鐘状部の前記半径方向最も内側の表面の径方向内向きに間隔を置かれ、前記最大翼直径に対する前記半径方向の間隙の比が、約０．０１から約０．０２である、請求項１４に記載の軸流ファン組立体。
16. 前記ハブが、ハブ半径（Ｒ_ｈｕｂ）を規定する半径方向最も外側の表面を含み、前記帯部の前記軸方向に延在する半径方向最も内側の表面が、帯半径（Ｒ_ｂａｎｄ）を規定し、前記出口鐘状部の前記半径方向最も外側の表面が、出口半径（Ｒ_ｏｕｔ）を規定し、前記出口鐘状部が、下流の妨害物からある長さ寸法（Ｌ）だけ軸方向に間隔を置かれ、妨害係数が式
    

    

    によって定義され、
    前記最大翼直径に対する前記軸方向の間隙の比が約０から約０．０１であり、前記妨害係数が約０．８３より大きいまたは約０．８３に等しいとき、前記最大翼直径に対する前記半径方向の間隙の比が約０．０１から約０．０２である、請求項１５に記載の軸流ファン組立体。
17. 前記出口鐘状部が、半径方向最も内側の表面と、半径方向最も外側の表面と、前記半径方向最も内側の表面に隣接する端面とを含み、前記漏れ固定子が、前記半径方向最も内側の表面と前記半径方向最も外側の表面との間に配置され、前記帯部が、軸方向に延在する半径方向最も内側の表面と、軸方向に延在する半径方向最も外側の表面と、前記軸方向に延在する半径方向最も内側の表面および前記軸方向に延在する半径方向最も外側の表面に隣接する端面とを含み、前記帯部の前記軸方向に延在する半径方向最も外側の表面が、半径方向の間隙だけ、前記外側鐘状部の前記半径方向最も内側の表面の半径方向外向きに間隔を置かれ、最大翼直径に対する前記半径方向の間隙の比が、約０から約０．０１であり、前記帯部および前記出口鐘状部のそれぞれの前記端面が、軸方向の間隙だけ間隔を置かれ、前記最大翼直径に対する前記軸方向の間隙の比が約０．０１から約０．０２５である、請求項１４に記載の軸流ファン組立体。
18. 前記ハブが、ハブ半径（Ｒ_ｈｕｂ）を規定する半径方向最も外側の表面を含み、前記帯部の前記軸方向に延在する半径方向最も内側の表面が、帯半径（Ｒ_ｂａｎｄ）を規定し、前記出口鐘状部の前記半径方向最も外側の表面が、出口半径（Ｒ_ｏｕｔ）を規定し、前記出口鐘状部が、下流の妨害物からある長さ寸法（Ｌ）だけ軸方向に間隔を置かれ、妨害係数が式
    

    

    によって定義され、
    前記妨害係数が約０．８３より小さいとき、前記最大翼直径に対する前記半径方向の間隙の前記比が約０から約０．０１であり、前記最大翼直径に対する前記軸方向の間隙の前記比が約０．０１から約０．０２５である、請求項１７に記載の軸流ファン組立体。
19. 前記翼ピッチ対平均翼ピッチの比が、前記翼半径の外側２０％内において減少しない、請求項１に記載の軸流ファン。
20. 前記翼ピッチ対平均翼ピッチの比が、前記翼半径の外側２０％内において減少しない、請求項７に記載の軸流ファン。

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