JP5240926B2 - 羽根車 - Google Patents

Description

本発明は、複数の羽根を具備する、車両の暖房および空調用の円筒形ロータ・ラジアル送風機のための羽根車、特にプラスチック製羽根車に関する。

車両の暖房装置または車両の空調装置における給気のために用いられる円筒形ロータ・ラジアル送風機は、できる限り低い回転数レベルで駆動しなければならない。その際、次の熱交換器への流入比はできる限り良好でなければならず、また、通例、非常に狭い既存の組み立てスペースをできる限り柔軟に利用しなければならない。その場合、基本条件から、通例、軸方向に広がった渦巻きケーシングと、羽根流路での圧力の発生が静的である羽根車とが用いられる。その際、羽根列は後向き、または径向き、またはやや前向きであり、また、異形なしの構成、または薄い異形を有する構成である。この場合、羽根流路内の流れは、剥離し、羽根流路の終端まで剥離したままである。この種の羽根列の場合、羽根列の動作点および種類に応じて、非常に高い回転数、あるいは高い回転数が必要となる。音響上の理由から、車両暖房装置または車両空調装置の場合、一般的に後向き羽根列は用いられない。

回転数レベルを低くすることができるラジアル送風機は、前向き羽根列を有し、明らかに回転数が低い場合にも同等の動作点を実現する。前向き羽根列では、流れの向きが激しく変えられ、加速される。この運動エネルギーは、理想的な構造の、平行壁の渦巻きケーシングの中で減速され、静圧に変換される。羽根流路の流入部において剥離流れが生じ、羽根流路の終端部で流れは再び付着する。熱交換器に対する負荷に好都合であり、かつ、径方向に次第に狭くなる構造を有する軸方向に広がったケーシングは、通例、前向き羽根列を具備するこれらの送風機の場合、効率損失が生じるので、有効ではない。

例えば車両暖房装置または車両空調装置における給気のために用いられる円筒形ロータ・ラジアル送風機を、できる限り低い回転数でも駆動できるようにしようとする場合、前向き羽根列を有する円筒形ロータ・ラジアル送風機を用いることが知られている。この場合、羽根列は、異形なしの、またはただ薄い異形を有する構造である。羽根は、通常、中実のダイカスト製である（従来の異形なしの羽根車における羽根流路内での流れの様子が描かれた図５の左側の図を参照。そこでは、羽根の負圧側で渦が生じていることが見て取れる）。

特許文献１によって知られている羽根構成の場合、羽根圧力面側と負圧面側との間に隙間を形成する第２の羽根列によって、剥離のない羽根流路の貫流を実現しようとしている。この場合、羽根圧力面側と負圧面側との間のエネルギー交換に損失が生じ、また隙間損失が生じる。
欧州特許出願公開第１３８４８９４号明細書

従って、本発明の課題は、羽根流路内でできる限り剥離が生じない、改良された羽根車を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する羽根車によって解決される。有利な構成は、従属請求項に記載されている。

発明の実施の形態

本発明では、複数の羽根を具備する、車両の暖房および空調用の円筒形ロータ・ラジアル送風機のための羽根車、特にプラスチック製羽根車が想定されており、その際、２つの羽根の間にある流路が、好ましくは流入側が先細で、流出側が末広の構造であり、さらに、厚い異形を有する構造である。厚い異形を有する、羽根車のこの先細末広構造によって、羽根流路においてほぼ剥離流れのない動作が可能となる。この構造の場合、先細部分において大きく湾曲し、かつ羽根形材の厚さが十分であることによって、当該流路部分において流れが加速され、流れの向きが羽根車の回転方向に剥離することなく変えられる。それに続く、ほとんど直線状の末広の流路部分において、流れは、ほぼ剥離することなく減速され、静圧が増大する。適当な構造、特に中実の羽根構造によって、羽根圧力側と負圧側との間のエネルギー交換に損失が伴わない。

流路の構造が、流入側が先細で、流出側が末広である場合、羽根流路のアスペクト比は、好ましくは０．１から０．９の間、特に好ましくは０．１５から０．７の間、極めて好ましくは０．２から０．６の間である。この構造の場合、羽根流路の先細部分における流路の縮小度は、好ましくは０．０３０から０．２の間、特に好ましくは０．０４から０．０７の間、極めて好ましくは０．０５から０．０６の間である。羽根流路の先細部分における流路の拡大度は、好ましくは０．０５から０．１７の間、特に好ましくは０．０９から０．１５の間、極めて好ましくは０．１から０．１４の間である。

羽根車の羽根は、厚い異形を有する構造であることが好ましい。厚い異形を有するとみなされるのは、特に、形材の全長に対する形材の厚さの比が、０．１５よりも大きい羽根、特に０．２よりも大きい羽根である。その際、好ましくは、正圧側の流入角は、３０°から９０°の間、特に好ましくは３５°から８０°の間であり、負圧側の流入角２５°から７０°の間、特に好ましくは３０°と６０°の間である。正圧側の流出角は、９０°から１７５°の間、特に好ましくは１００°から１６５°の間であり、負圧側の流出角は、９０°から１７０°の間、特に好ましくは１００°から１６５°の間である。いずれの角度も、その中央付近の値、すなわち前記の各範囲の中央値を中心とする＋／−１０°の値が特に好ましく、これにより、最適な効率およびノイズの少ない動作を実現することができる。

好ましくは、羽根は、支持機能を有する、好ましくは中実の構造体によって形成され、その上に、少なくとも部分的に柔軟部材が吹き付けられているか、あるいは、その中にすくなくとも部分的に柔軟部材が注入されている。好ましくは、この支持構造体は十分な強度を有する第１のプラスチックであり、また、柔軟部材は、第１のプラスチックより柔軟な第２のプラスチックである。第２のプラスチックは、好ましくは発泡プラスチックである。この構成によって、ほぼ反りおよび収縮を伴うことなく羽根車を製造することができる。

羽根部分における支持構造体の最大肉厚は、好ましくは３ｍｍである。肉厚をこのように制限している場合、反りおよび収縮を確実に避けることができる。その一方で、この構造体を形成する材料を適切に選択することによって、羽根車の十分な強度を確保することができる。さらに、柔軟部材を適切に選択することによって、羽根車の重量を低減し、送風機全体を軽量化することができる。また、柔軟部材は、音響上、吸音効果を有するので、送風機は、柔軟部材を伴わない同様の送風機よりも幾分静かである。

柔軟部材は、好ましくは少なくとも部分的に羽根の異形、特に厚い異形部分を形成する。特に好ましくは、負圧側にも正圧側にも柔軟部材層が設けられている。羽根の終端は、好ましくは柔軟部材を伴わず、これにより、柔軟部材は、取り付け時に損傷を被ることからも保護される。

１つの軽量な実施形態では、羽根は、好ましくは少なくとも部分的に中空形材として構成されている。その際、剛性を高めるために、中空形材の中に補強部を設けることもできる。中空形材は、好ましくは一方の側が閉じられている。中空形材のフレーム側が閉じられている場合、羽根は、好ましくは、フレーム側が円錐状に先細にされる。

羽根は、好ましくは、羽根車のハブ側において、モータ側が円筒状に、フレーム側が円錐状に構成されている。その際、羽根は、フレーム方向に先細になっている。これにより、厚い異形を有し、しかもフレームによって覆われているにもかかわらず、十分な吸気断面が得られ、吸気断面の閉塞が生じないことが保証される。

この種の羽根車の製造は、プラスチック射出成形によって行われる。その際、好ましくは、まず、支持構造体が第１のプラスチックから射出成形され、それに続いて、またはほとんど同時に、羽根車および／または中空形材の、異形構造である羽根のうち少なくとも一部が、第２の、より柔軟なプラスチックによって射出成形され、この第２のプラスチックは、支持構造体上に吹き付けられるか、あるいは支持構造体によって形成された中空形材の中に注入される。

支持構造体の材料としては、特にＰＡまたはＰＰ、さらにまた金属も考慮の対象となる。支持構造体を少なくとも部分的に取り囲む柔軟部材としては、発泡プラスチック、例えば特にＳ−ＥＰＳが好ましい。また、ＰＰ−ＥＰＳも非常に適している。一般的に、ＰＵＲ発泡体、メラミン発泡体、ＰＥ発泡体（塗布時に発泡剤を使用）、シリコン発泡体、または制限はあるが発泡エラストマを使用することができる。

支持構造体用の上記材料は、柔軟部材を伴わない羽根車にも適切に利用することができる。この場合、特に発泡材料を用いることができる。

以下において、本発明について、図面を参照しながら、複数の態様を含む１つの実施例を用いて詳述する。

車両の空調装置における給気のために用いられる円筒形ロータ・ラジアル送風機は、一般的に複数の羽根２からなるリングを具備する羽根車１を有し、それぞれ２つの羽根２の間に羽根流路３が設けられている。羽根車１は、公知の方法で、送風機のモータシャフト（図示されていない）に設置されている。負圧側で、羽根車１は、渦巻きケーシングの一部であるフレームによって部分的に覆われている。吸気用のフレーム開口部は、図６に示されている。

羽根２は、厚い異形構造であり、流路３は、流入部分４が先細の構造であり、流出部分５が末広の構造である（図４を参照）。羽根２の正圧側ＤＳは、流入部分４において、必要であれば流出部分５まで凹状に形成され、流出部分５において直線状に形成されている。羽根の厚さｄは、先細部分で最大となる。

厚い異形を有する羽根を製造する際の諸問題を避けるために、羽根２は、本例では、１つのプラスチックによる中実構造の、予想負荷に対する十分な剛性を持つ構造体６と、該構造体６に吹き付けられた柔軟部材の層７とからなり、この柔軟部材の層が、羽根２の厚い異形部分における形材となる。その際、この構造体６の厚さは、最大３ｍｍであり、従って、構造体６を製造する際に反りや収縮の問題が生じない。さらに、この厚さは、通例、羽根２が十分な剛性を持つのに十分な厚さである。吹き付けられた層７は、異形部分にのみ用いられ、（送給される空気によって圧縮されないという必要条件を除き）支持機能を有していない。その際、また、吹き付けられた層７は、その外側８に膜またはコーティングを有しており、このコーティングが、特に汚染を防ぐために、必要であれば、羽根２全体または羽根車１全体を覆うことも可能である。これにより、製造を容易にすることができる。

この支持構造体６は、柔軟部材によって覆われた羽根２の部分において、幾分先細に形成されており、その際、テーパは徐々に大きくされる。外輪郭が、支持構造体６から柔軟部材への境界部分によって損なわれることはない。

支持構造体６は、本実施例では、ＰＡからなり、柔軟部材はＰＰ−ＥＰＤＭからなる。

図３ａおよび図３ｂには、羽根２の態様が示されている。これらの羽根の場合、構造体６自身が羽根形材である。構造体は、羽根形材用に中空形材として構成されており、第２の態様の場合には補強ブリッジを備えた中空形材として構成されている。この中空形材の内部に（特に剛性の理由から）、吹き付けられた層７である柔軟部材を具備することも可能である。また、個々の領域に、上述の実施例に則した、外部に吹き付けられた層を設けることも可能である。この場合にも、構造体の厚さは最大３ｍｍであり、従って、製造の際に反りや収縮は生じない。

形材内部の支持構造体６の位置全体にわたって、羽根の負圧側および正圧側の柔軟部材の厚さを調整することが可能であり、送風機の動作中、柔軟部材が、特に羽根の正圧側において、貫流に影響を及ぼすことのない最低限の変形しか生じないようにすることができる。

さらに、このような異形状の羽根構造の場合、図５の右図から明らかなように、羽根２の負圧側に渦が生じない。従って、流れは十分に付着している。これは、ＣＦＤ計算における効率ηの向上、および音響測定におけるノイズレベルの低減につながる（図５のリストを参照。当該の送風機の最適動作点における流れの様子とその効率とがそれぞれ示されている）。

以下の形状寸法は、先細末広型の羽根流路において、特に厚い異形を有する羽根の場合に非常に適している。すなわち、ｄ／ｌｇｅｓが０．１５よりも大きい場合、特に０．２よりも大きい場合に非常に適している。なお、ｄは形材の厚さを表し、Ｌｇｅｓは形材の全長（直線的に測定）を表す。

すなわち、羽根流路のアスペクト比Ｌｋｖは、０．１から０．９の間であることが好ましい。なお、Ｌｇｅｋｒｇｅｓが湾曲した羽根流路全体の長さ、Ｌｇｅｋｒｄｉｖが湾曲した羽根流路の末広部分の長さ、Ｌｇｅｋｒｋｏｎｖが湾曲した羽根流路の先細部分の長さであるとすると、
（数１） Ｌｇｅｋｒｇｅｓ＝Ｌｇｅｋｒｄｉｖ＋Ｌｇｅｋｒｋｏｎｖ
および、
（数２） Ｌｋｖ＝Ｌｇｅｋｒｄｉｖ／Ｌｇｅｋｒｇｅｓ
である。

羽根流路の先細部分における流路の縮小度Ｋｖｅｒｋｏｎｖは、
（数３） Ｋｖｅｒｋｏｎｖ＝（Ａ１−Ａ２）／Ｌｇｅｋｒｋｏｎｖ
であり、好ましくは、０．０３０から０．２００の間である。なお、Ａ１は入口における流路幅であり、Ａ２は最狭断面における流路幅である。

流路の末広部分における流路の拡大度Ｋｅｒｗｄｉｖは、
（数４） Ｋｅｒｗｄｉｖ＝（Ａ３−Ａ２）／Ｌｇｅｋｒｄｉｖ
であり、好ましくは、０．０５から０．１７の間である。なお、Ａ３は、出口における流路幅である。

その際、正圧側の流入角β１ＤＳは３０°から９０°の間であり、負圧側の流入角β１ＳＳは２５°から７０°の間である。正圧側の流出角β２ＤＳは９０°から１７５°であり、負圧側の流出角β２ＳＳは９０°から１７０°である。

β１ＤＳ、β１ＳＳ、β２ＤＳおよびβ２ＳＳについての上記角度範囲は、末広先細型の羽根流路形状の場合にも、先細の流路形状の場合にも非常に適している。

羽根２が厚い異形を有する構造であり、さらにこのような流入開口部（羽根列の約１／３だけがフレームに覆われていない）であるので、質量流量が大きい場合に、図６に示されているように、流入部分で閉塞が生じる恐れがある。これは、効率の低下および／音響上の短所につながる恐れがある。この理由から、もう１つの態様では、羽根２が、その全長にわたって、または少なくとも一部分または数部分にわたって、回転軸に対して平行に、異なった断面を有するように構成されている。この断面は、入力側において、図７に示されているように、羽根車のハブ側が円筒状であり（羽根車ハブ側は、図１では符号９で示されている）、フレーム側が長手方向にフレームへ向かって円錐状に先細に構成されている。

図には示されていない１つの態様では、羽根が、中実断面を有し、ただ１つの材料、例えば軽金属やプラスチック（発泡性のものも可能）から製造されている。すなわち、柔軟部材を含まず、支持材料がその代わりをする。

図８から図１０は、図６に関連するもう１つの態様を示し、流入側へ向かって先細になっている羽根２を有する。この場合、羽根は、羽根長さの大部分にわたって、回転軸の方向に見て、一定の断面を有する。最後の４分の１の部分でようやく、羽根の断面は小さくなり始め、しかも形材長手方向に小さくなって行く。その際、内径ｄｉｎｅｎｎは、テーパ内径ｄｉｖｅｒｊに至るまで大きくなり、一方、外径は一定のままである。また、羽根の断面は、厚さ方向も小さくなって行く。形材の変化をさらに明確に示すために、図９では、基礎形材の中心線がアステリスク付きの破線で示されている。羽根全長にわたってのテーパ遷移が、図８に示されている。図８では、羽根全長がＳｌｇｅｓａｍｔで示されており、羽根長さの、内径が大きくなった部分がＳｌｖｅｒｊで示されている。その際、内径ｄｉｖｅｒｊは、図８から分かるように、羽根長さの最後の４分の１において大きくなる。なお、図８の形材長さの図は、実寸比ではない。

一般的に、羽根長さ全体に対する羽根長さの比ｖｅｒｊｕｅｎｇｔ（Ｓｌｖｅｒｊ／Ｓｌｇｅｓａｍｔ）の特に適切な値は、０．１から０．７、好ましくは０．１５から０．５、特に好ましくは０．２０から０．２５である。

直径比DＶは、下記式、
（数５） ＤＶ＝（Ｄｎｅｎｎ−Ｄｖｅｒｊｕｅｎｇｔ）／Ｄｎｅｎｎ
から得られ、通例、０．０１から０．２、好ましくは０．０２から０．１、特に好ましくは０．０４から０．０７である。なお、ＤｎｅｎｎとＤｖｅｒｊｕｅｎｇｔは、下記式から得られる。

（数６） Ｄｎｅｎｎ＝ｄｉｎｅｎｎ／ｄａ
（数７） Ｄｖｅｒｊｕｅｎｇｔ＝ｄｉｖｅｒｊ／ｄａ
ただし、ｄａは羽根の外径、ｄｉｎｅｎｎは羽根の公称内径、ｄｉｖｅｒｊは羽根の内径である。

羽根の形材長さのほかに、羽根の形材厚さも小さくなる。従って、羽根の形材の断面も、テーパ部分では小さくなる。この断面積の相対的減少は、下記式から得られる。

（数８） ＡＶ＝（Ａｎｅｎｎ−Ａｖｅｒｊ）／Ａｎｅｎｎ
ただし、Ａｎｅｎｎは細くなっていない部分における断面積であり、以下において、基礎形材とも呼ぶ。また、Ａｖｅｒｊは（最も）細くなった部分における断面積である。羽根の形材の変化は、特に図１０からよく見て取れる。一般的に言えば、すなわち、本態様に明示的に関連していない場合に関しても言えば、断面積の相対的減少ＡＶは、０．１から０．９０、特に好ましくは０．２から０．８、極めて好ましくは０．３から０．７の範囲である。

テーパ遷移に関連する他の態様は、例えば、図１１ａから図１１ｄに示されている。図１１ａは凸状のテーパ遷移を、図１１ｂは凹状のテーパ遷移を、図１１ｃは直線状のテーパ遷移を、図１１ｄは一段の階段状のテーパ遷移を示す。また、例えば、必要に応じて多段にした階段状のテーパ遷移など、任意の組み合わせも可能である。

図１２から図１４は、羽根形材の流入側方向へのテーパ形状に関する種々の態様を示す。テーパ遷移は、例えば図１１ａから図１１ｄに示されているような遷移も可能である。形材の変化をさらに明確に示すために、図１２から図１４では、それぞれの基礎形材の中心線が、アステリスク付きの破線で示されている。

テーパは、基礎形材の中心線に対して対称的に付けることができる。これが、図１２に、負圧側における羽根２の破線で示されている。また、テーパは、基礎形材の中心線に対して非対称的に設けることもできる。これが、図１３に、羽根２における負圧側の点線によって示されている。また、テーパは、中心線に対して部分的には対称的に、部分的には非対称的に付けることもできる。これが、図１２から図１４に、実線で示されており、破線あるいは点線を実線と比較すると明確に分かる。

一般的には、羽根のテーパ部分における流路の形状は、先細型でも、先細末広型でも、あるいは末広型でもよいことに留意すべきである。

特に好ましくは、細くなって行く羽根部分における流入角および流出角は、基礎形材の領域、すなわち断面が不変である部分における流入角および流出角と異なり、これにより、羽根形材の空力的なゆがみが生じる。しかしまた、これらの角度は、一定または少なくともほぼ一定であってもよい。

図に示されていない１つの態様では、フレーム側に、少なくとも部分的なカバーディスクがあってもよい。

同様に図示されていないもう１つの態様では、羽根は、ただ１つの材料から製造された中空形材によって形成される。この場合、形材の補強のために横材を設けることも可能であり、これにより、また、特に複数の互いに分離した中空スペースを設けることが可能である。

羽根が（部分）中空形材として構成されている場合、この形材は、フレーム側において開いた状態でも、また閉じられた状態でも構成することが可能である。

本発明に係る羽根車の実施例の斜視図である。 図１における羽根車の羽根の断面図である。 羽根の１つの態様の断面図である。 羽根の別の態様の断面図である。 羽根の断面の詳細図であり、個々の寸法が記されている。 図５の左図は、従来の中実構造の羽根車の断面図であり、流速が矢印によって示されている。図５の右図は、本発明に係る、前向きの異形を有する羽根車の断面図である。 羽根車の平面図である。 羽根のもう１つの態様の概略図であり、３つの切断面の断面を示す。 羽根の長手方向断面の概略図であり、羽根のテーパを示す。 テーパ羽根を有する羽根車の横断面を示す部分図である。 図９と同様の断面図であり、羽根の断面積の縮小を示す。 羽根のテーパの、１つの可能な形態を概略的に示す。 羽根のテーパの、別の可能な形態を概略的に示す。 羽根のテーパの、もう１つの可能な形態を概略的に示す。 羽根のテーパの、もう１つの可能な形態を概略的に示す。 羽根の基礎形材の中心線に対して対称的であるテーパを図式的に示す。 羽根の基礎形材の中心線に対して非対称的であるテーパを図式的に示す。 羽根の基礎形材の中心線に対して対称・非対称的であるテーパを図式的に示す。

Claims (4)

1. 複数の羽根（２）を具備する、車両の暖房および空調用の円筒形ロータ・ラジアル送風機のための羽根車において、２つの羽根（２）の間の流路（３）は、流入側で流路が狭まるように構成され、流出側で流路が広くなるように構成され、羽根（２）の形材全長に対する形材厚さの比が、０．１５よりも大きく、羽根（２）は、柔軟部材とその柔軟部材を支持する支持構造体(６)を有し、柔軟部材が支持構造体(６)に固定されて、層（７）として形成され、羽根（２）の厚い形材領域になっており、柔軟部材の層（７）が、支持構造体(６)の負圧側及び正圧側の両方の外面に設けられており、かつ、羽根の終端は柔軟部材を伴わず、柔軟部材が取り付け時に損傷を受けないようになっていることを特徴とする羽根車。
2. 羽根の領域における支持構造体（６）の最大肉厚が３ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の羽根車。
3. 柔軟部材が羽根（２）の厚い形材領域で羽根（２）の形材を形成していることを特徴とする、請求項１または２に記載の羽根車。
4. 羽根車（１）が二成分プラスチック射出成形によって製造されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の羽根車。

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