JP5522677B2

JP5522677B2 - 高反応型流体式ファン・カップリング装置

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Publication number: JP5522677B2
Application number: JP2010104401A
Authority: JP
Inventors: 雅人山田; 大樹菅原
Original assignee: Usui Co Ltd
Current assignee: Usui Co Ltd
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: EP2565484A4; EP2565484A1; CN102859221A; KR101422986B1; US8991581B2; CN102859221B; EP2565484B1; KR20130014574A; BR112012027091A2; JP2011231896A; US20130037371A1; WO2011136102A1

Description

本発明は、一般に自動車等における機関冷却用のファン回転を外部周囲の温度変化あるいは回転変化に追従して制御する方式の流体式ファンクラッチに係り、より詳しくは制御信号によるファン回転の反応の迅速化をはかる高反応型流体式ファン・カップリング装置に関するものである。

従来、自動車等における機関冷却用のファン回転を制御して冷却送風量を機関に供給するファン・カップリング装置としては、温度感応型、外部制御タイプ等があり、温度感応型としては例えば、ケースとカバーとからなる密封器匣（ハウジング）の内部を、油の供給調整孔を有する仕切板により油溜り室と駆動ディスクを内装するトルク伝達室とに区劃し、回転時の油の集溜する駆動ディスクの外周壁部に対向する密封器匣側の内周壁面の一部にダムと、これに連なってトルク伝達室より油溜り室間に循環流通路を形成すると共に、外部周囲の温度等が設定値を超えると前記仕切板の供給調整孔を開放し、設定値以下では前記仕切板の供給調整孔を閉鎖する弁部材を内部に備え、駆動ディスクと前記密封器匣の外方付近の対向壁面に設けたトルク伝達間隙部での油の有効接触面積を増減させて、駆動側から被駆動側の密封器匣側へのトルク伝達を制御するものがある。この種のファン・カップリング装置は、短冊タイプまたは渦巻きタイプのバイメタルによって雰囲気温度を検出し、この検出値に応じて前記油供給調整孔の開度を調整する方式が一般的である（特許文献１参照）。また、外部制御タイプとしては、基本構造は前記温度感応型ファン・カップリング装置と同様であるが、このタイプは前記仕切板の油供給調整孔を開閉する弁部材を磁性材製とし、外部に設けた電磁石にて前記磁性を有する弁部材を制御する方式であり、その構造としては例えば、密封器匣の前面側または後面側に一対の電磁石を設け、その電磁石に対向して前記仕切板の油供給調整孔を開閉する磁性を有する弁部材を設けたものがある（特許文献３〜６等参照）。

特公昭６３−２１０４８号公報特開平３−６１７２７号公報特開２００２−８１４６６号公報特開２００３−２３９７４１号公報特開２００４−３４０３７３号公報特開２００６−１１２４６６号公報

上記した従来の流体式ファン・カップリング装置は、仕切板の油供給調整孔より油溜り室からトルク伝達室に供給される油によって駆動ディスクの駆動トルクが密封器匣（ケース）に伝達され、該密封器匣に取付けられたファンが回転する仕組みとなっているため、弁部材により開閉される油供給調整孔が従動側に設けられている。このため、この種の従来の流体式ファン・カップリング装置の場合は、低ファン回転時（ＯＦＦ回転）には遠心力が弱くなり、それに伴い油の供給量も少なくなるため、ファン回転を上げる時の反応が遅くなりファンを高速度で回転させるのに時間を要するという欠点がある。さらに、スノープロー車両（雪掻きのための除雪板をフロントグリルの前に設置した車両）においては、フロントグリル前面の風速が周囲の風速よりも遅くなり、エンジンルーム内とフロントグリル周囲で圧力差が発生し、または床下からの巻上げ風によってファンと逆方向の風の流れを発生させ、それによってファンの回転が著しく低くなり、ファン回転を上げる時の反応が遅くなるかもしくは反応せずにファンの回転が上がらずにオーバーヒートしてしまうという欠点がある。

本発明は、上記した従来の流体式ファン・カップリング装置の欠点を解消するためになされたもので、油の非ニュートン流体の特性を利用することにより、制御信号によるファン回転の反応速度の優れた高反応型流体式ファン・カップリング装置を提供しようとするものである。

本発明に係る高反応型流体式ファン・カップリング装置は、油の非ニュートン流体の特性を利用した油かき出し機構をトルク伝達室内の駆動ディスクに設けた構成となしたもので、その要旨は、先端部に駆動ディスクを固着した回転軸体上に軸受を介して支承された密封器匣の内部を、油の供給調整孔を有する仕切板により油溜り室と、前記駆動ディスクを内装するトルク伝達室とに区劃し、回転時の油の集溜する駆動ディスクの外周壁部に対向する密封器匣の内周壁面の一部にダムと、これに連なってトルク伝達室と油溜り室間に油循環流通路が形成され、外部周囲の温度が設定値を超えると前記仕切板の油供給調整孔を開放し、設定値以下では閉鎖する弁部材を備え、駆動側と被駆動側とのなすトルク伝達間隙部での油の有効接触面積を増減させて駆動側から被駆動側への回転トルク伝達を制御するようにしてなるファン・カップリング装置において、前記駆動ディスクに油の非ニュートン流体の特性を利用して油溜り室内の油をかき出す機構を前記仕切板の供給調整孔と相対向して設けたことを特徴とするものである。
なお、ニュートン流体の運動方向は、力のかかる一方向だけに作用するため、油が分散空洞化（油膜切れ）してしまうのに対し、非ニュートン流体の運動方向は、力のかかる方向および垂直・水平方向にも同時に力が働くので分散空洞化（油膜切れ）しない（非ニュートン流体の特性）。

本発明の前記油溜り室内の油をかき出す機構は、前記駆動ディスクの背面に設けた当該ディスクと一体または別体のリングもしくはリング状突起で構成することを特徴とするもので、そのリングもしくはリング状突起は、仕切板の油供給調整孔と対向する面に平坦面を有し、かつ仕切板と所望の隙間（ギャップ）を隔てて設けられる。また、前記リングもしくはリング状突起は、仕切板の油供給調整孔と対向する平坦面に放射状溝を有することを好ましい態様とし、さらに前記リングもしくはリング状突起は、金属製または合成樹脂製あるいはゴム製（例えばフッ素系ゴム等）のものを用いることができる。
なお、前記リングもしくはリング状突起と仕切板との間に設ける隙間（ギャップ）は、基本的には小さい方が剪断力（摩擦力）が大きくなるので反応はよくなる。その反応性を考慮すると、この隙間（ギャップ）の最適値としては、特に限定するものではないが、０．３〜０．７ｍｍ程度が好ましい。その理由は、０．３ｍｍ未満では高ファン回転時の遠心力による大きな油の供給が、仕切板の油供給調整孔に近接する当該リングもしくはリング状突起により妨げられ、十分に油が供給されずに最高回転数に到達できない場合があり、他方、０．７ｍｍを超えると当該リングもしくはリング状突起と油の剪断力による油のかき出し効果が著しく損なわれ、ファン回転を上げるときの反応速度を速くする効果が期待できなくなるためである。

本発明に係る高反応型流体式ファン・カップリング装置は、油の非ニュートン流体の特性を利用した油かき出し機構をトルク伝達室内の駆動ディスクに設けたことにより、駆動ディスクと一体に回転するリングもしくはリング状突起の作用で油溜り室内の油がかき出されるので、低ファン回転時においてもトルク伝達室内への油の供給量が増加し、制御信号によるファン回転の反応の迅速化をはかることができるという優れた効果を奏し、かつ、油かき出し機構を構成するリングもしくはリング状突起は、既存の流体式ファン・カップリング装置にも大きなコストアップを招くことなく容易に適用できる利点を有する。

本発明に係る高反応型流体式ファン・カップリング装置の一実施例を示す縦断面側面図である。同上装置の要部を拡大して示す縦断面側面図である。本発明の他の実施例を示す図２相当図である。本発明のリングまたはリング状突起の、仕切板の油供給調整孔と対向する面の形状の種類を例示したもので、（Ａ）はフラットな平坦面、（Ｂ）は平坦面に放射状溝を形成したもの、（Ｃ）は平坦面に放射状突起を形成したもの、（Ｄ）は平坦面にラビリンスを形成したもの、をそれぞれ示す平面図である。本発明のリングまたはリング状突起の断面構造の一例を示す説明図で、（Ａ）は仕切板の油供給調整孔と対向する面の外端面側を斜めにカットした斜面付き断面構造を、（Ｂ）は同じく仕切板の油供給調整孔と対向する面の外端面側を階段状にカットした段差付き断面構造を、それぞれ示す拡大断面図である。本発明の実施例１における通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）時の電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を示す図である。同じく実施例１におけるスノープロー車両での問題を想定したＯＦＦ回転（１５０ｒｐｍ）に制御した状態から電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を示す図である。本発明の実施例２における通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）時に電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を示す図である。同じく実施例２におけるスノープロー車両での問題を想定したＯＦＦ回転（１５０ｒｐｍ）に制御した状態から電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を示す図である。本発明の実施例３における通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）時の電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を示す図である。同じく実施例３におけるスノープロー車両での問題を想定したＯＦＦ回転（１５０ｒｐｍ）に制御した状態から電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を示す図である。

図１に示す高反応型流体式ファン・カップリング装置（外部制御式）は、駆動部（エンジン）の駆動によって回転する回転軸体（駆動軸）１に、軸受１３を介してケース２−１とカバー２−２とからなる密封器匣２が支承され、この密封器匣２内は油供給調整孔８付き仕切板４にて油溜り室５とトルク伝達室６とに区劃され、トルク伝達室６内には回転軸体１の先端に固着された、先端部に前面の外方付近を櫛歯壁となす駆動ディスク３が該トルク伝達室６内に収納され、かつ該駆動ディスク３はその先端部の櫛歯壁と背面のケース２−１との間に設けられたラビリンス機構１６によるトルク伝達のための微少間隙を保持してある。なお、ダム１５は回転時の油の集溜する駆動ディスク３の外周壁部と対向するカバー２−２の内周壁面の一部に設けたものである。

ケース２−１には油回収用循環流通路７が設けられ、仕切板４に設けられた油供給調整孔８を開閉する油供給用弁部材９は、板バネ９−１とアーマチャー９−２とからなり、板バネ９−１基端部がケース２−１に取付けられている。

密封器匣２の駆動部側には、回転軸体１に軸受１４を介して支承されかつエンジンブロック等の外部材に固定されたリング状の電磁石支持体１２にリング状の電磁石１１が支持され、かつケース２−１に組込まれたリング部を有する円板状の磁気ループエレメント（磁性体）１０が前記弁部材のアーマチャー９−２と対向して取付けられ、前記電磁石支持体１２の一部が磁気ループエレメント１０に凹凸嵌合されている。なお、本実施例では、電磁石１１の磁束を効率よく弁部材のアーマチャー９−２に伝えるため、リング部を有する円板状の磁気ループエレメント１０を用いて油供給用弁部材９の作動機構を構成している。

本発明は、上記構成のファン・カップリング装置の駆動ディスク３に油の非ニュートン流体の特性を利用して油溜り室５内の油をかき出す機構を前記仕切板４の油供給調整孔８と相対向して設けるもので、その油かき出し機構は、図１〜図３に示すように、駆動ディスク３の背面に設けた当該ディスクと別体のリング１７または一体のリング状突起１８で構成することを主たる特徴とするものである。
図１、図２に示す実施例のリング１７は、仕切板４の油供給調整孔８と対向する面が平坦面となしたほぼドーナツ状となしたもので、仕切板４との間に前記したように０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ程度の隙間（ギャップ）を隔てて当該駆動ディスク３の背面に固着されている。また、このリングの固着手段としては、当該リングの材質によって異なるが、金属製リングの場合は溶接やろう付け、合成樹脂製やゴム製の場合は圧入、接着等を採用することができる。なお、リングの肉厚や大きさ（直径、内径等）については適用するファン・カップリング装置の駆動ディスク３と仕切板４間の隙間、トルク伝達室６の大きさ等、ファン・カップリング装置の構造やサイズ等に応じて適宜設定することはいうまでもない。

また、図３に示すリング状突起１８は、駆動ディスク３の背面に当該ディスクと一体に設けた場合を例示したもので、このリング状突起１８の場合も、仕切板４の油供給調整孔８と対向する面が平坦面となしたもので、仕切板４との間に前記したように０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ程度の隙間（ギャップ）を隔てて当該駆動ディスク３の背面に形成されている。

上記駆動ディスク３の背面に設ける当該ディスクと別体のリング１７もしくは一体のリング状突起１８の、仕切板４の油供給調整孔８と対向する面は、図４（Ａ）〜（Ｄ）に例示した形状とすることができる。これは該リング１７もしくはリング状突起１８の作用による油のかき出し効果を考慮したもので、（Ａ）は前記したように平坦面のみ、（Ｂ）は平坦面に放射状溝１９を形成したもの、（Ｃ）は平坦面に放射状突起２０を形成したもの、（Ｄ）は平坦面にラビリンス溝２１を形成したもの、をそれぞれ示す。この中で、油のかき出し効果が最も大きいのは、（Ｂ）の平坦面に放射状溝１９を形成したものであることが実験により判明した。これは仕切板４の油供給調整孔８との対向面に放射状溝１９を形成したリング１７もしくはリング状突起１８の場合は、油供給調整孔８に対向する面積が多くなるだけでなく、放射状溝１９の作用によりリング１７もしくはリング状突起１８の外側へ油をかき出す作用が大きいためであると推察される。

なお、本発明のリング１７もしくはリング状突起１８の断面構造としては、図１〜図４に示す矩形断面構造のものが一般的であるが、この外に例えば図５に示すように、仕切板４の油供給調整孔８と対向する面の外端面側を斜めにカットした斜面２２付き断面構造（Ａ）や、仕切板４の油供給調整孔８と対向する面の外端面側を階段状にカットした段差２３付き断面構造としても、ほぼ同様の作用効果が得られることはいうまでもない。

上記構成の高反応型流体式ファン・カップリング装置において、電磁石１１がＯＦＦ（非励磁）の時はアーマチャー９−２が当該板バネ９−１の作用により磁気ループエレメント１０より離間することにより油供給調整孔８が閉じられ、トルク伝達室６内への油の供給が停止し、電磁石１１がＯＮ（励磁）の時はアーマチャー９−２が当該板バネ９−１に抗して磁気ループエレメント１０側に吸引されることにより、当該板バネ９−１がケース２−１側に圧接して油供給調整孔８が開き、トルク伝達室６内へ油が供給され、ラビリンス機構１６部へ適量の油が供給されてトルク伝達が行われる。

本発明では、電磁石１１がＯＮ（励磁）の時に油供給調整孔８が開き、トルク伝達室６内へ油が供給される時、油の非ニュートン流体の特性を利用した油かき出し機構、すなわち駆動ディスク３の背面に設けたリング１７またはリング状突起１８が仕切板４の油供給調整孔８の上で回転することにより、油の非ニュートン流体の特性で油溜り室５内の油がかき出されて油供給調整孔８よりトルク伝達室６内へ供給される油の供給量が増加する。したがって、本発明によれば、低ファン回転時においてもトルク伝達室６内への油の供給量が増加し、制御信号によるファン回転アップの反応が速くなる。

（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。

図１に示す外部制御式流体式ファン・カップリング装置を使用し、試験条件として、通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）と、スノープロー車両での問題を想定したＯＦＦ回転（１５０ｒｐｍ）に制御した状態から電磁石を励磁してトルク伝達までの反応速度を調査した結果を従来例（リングなし）と比較して図６（ＯＦＦ回転：５００ｒｐｍ）、図７（ＯＦＦ回転：１５０ｒｐｍ）に示す。
＜装置仕様＞
・採用したリング（別体形）：
図４（Ｂ）に示す平坦面に放射状溝を形成したリング（以下、「放射状溝リング」と称する）
・リングと仕切板間の隙間（ギャップ）：
０．３ｍｍ
・油の粘度：
１２，５００ｃｓｔ

図６、図７に示す結果より明らかのように、通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）で試験した場合、本発明のリング付きのファン・カップリング装置は、制御信号をＯＮしてから１０秒以内で素早く反応するのに対し、従来のリングなしのファン・カップリング装置の場合はその反応に約２０秒近く要した。また、スノープロー車両での問題を想定したＯＦＦ回転（１５０ｒｐｍ）で試験した場合、従来のリングなしのファン・カップリング装置の場合はほとんど反応しなかったのに対し、本発明のリング付きのファン・カップリング装置は通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）で試験した場合と同様に、制御信号をＯＮしてから１０数秒で素早く反応した。この結果より、本発明のリングの効果が確認された。

実施例１と同様の外部制御式流体式ファン・カップリング装置を使用し、同一の試験条件で下記に示す本発明の４種のリングの効果を比較した結果を図８（ＯＦＦ回転：５００ｒｐｍ）、図９（ＯＦＦ回転：１５０ｒｐｍ）に示す。
＜装置仕様＞
・採用したリング（別体形）：
図４に示す（Ａ）平坦面のみのリング（以下、「単純リング」と称する）、（Ｂ）平坦面に放射状溝を形成したリング（以下、「放射状溝リング」と称する）、（Ｃ）平坦面に放射状突起を形成したリング（以下、「放射状突起リング」と称する）、（Ｄ）平坦面にラビリンス溝２１を形成したリング（以下、「ラビリンスリング」と称する）の４種類。
・リングと仕切板間の隙間（ギャップ）：
０．３ｍｍ
・油の粘度：
１２，５００ｃｓｔ

図８、図９に示す結果より明らかのように、通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）での試験では、図８に示すように（Ａ）〜（Ｄ）の４種類のリングすべてにおいて制御信号をＯＮしてから１０数秒以内で素早く反応し、その中でも特に（Ｂ）の放射状溝リングが最も優れた反応を示した。また、スノープロー車両での問題を想定した１５０ｒｐｍでの試験では、図９に示すように（Ａ）〜（Ｄ）の４種類のリングのうち、放射状溝リング（Ｂ）のみが２０秒以内で反応し、他の３種類のリング（Ａ）（Ｃ）（Ｄ）は反応しなかった。これは、放射状溝リング（Ｂ）の場合は、油供給調整孔に近接して相対する面積を適切に維持し、油掻き出し後にリング外周側へ油を良好に排出するためであるのに対し、放射状突起リング（Ｃ）およびラビリンスリング（Ｄ）は、それぞれ油供給調整孔に近接して相対する面積が少ないので油の掻き出し量が少なく、他方、単純リングリング（Ａ）は油供給調整孔との対向面積が最大であるも油掻き出し後にリング外周側へ排出するための工夫がなされていないため仕切り板との隙間（ギャップ）に油が滞留するためであると推察される。

実施例１と同様の外部制御式流体式ファン・カップリング装置に放射状溝リング（Ｂ）を組込み、同様の試験条件で当該リングと仕切板間の隙間（ギャップ）を変化させた場合の反応速度を比較した結果を図１０（ＯＦＦ回転：５００ｒｐｍ）、図１１（ＯＦＦ回転：１５０ｒｐｍ）に示す。
＜装置仕様＞
・採用したリング（別体形）：
図４（Ｂ）に示す放射状溝リング
・リングと仕切板間の隙間（ギャップ）：
０．３〜１．０ｍｍ
・油の粘度：
１２，５００ｃｓｔ

図１０、図１１に示す結果より明らかのように、通常のＯＦＦ回転（５００ｒｐｍ）での試験では、図１０に示すように０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍのいずれも場合も、制御信号をＯＮしてから１０数秒以内で素早く反応し、その中でも特にリングと仕切板間の隙間（ギャップ）が０．３〜０．７ｍｍの場合が制御信号をＯＮしてから１０秒以内という優れた反応を示した。また、スノープロー車両での問題を想定したＯＦＦ回転（１５０ｒｐｍ）での試験においても、リングと仕切板間の隙間（ギャップ）が０．３〜０．７ｍｍの場合が良好に反応した。ただし、ＯＦＦ回転を１５０ｒｐｍに制御した条件の場合、リングと仕切板間の隙間（ギャップ）が０．３ｍｍでは最大ファン回転に影響が出ており、隙間（ギャップ）０．５ｍｍが最大回転数を犠牲にせずに反応速度の向上が期待できる。

なお、ここでは電磁石にて弁部材を制御する方式の外部制御式流体式ファン・カップリング装置に本発明を適用した場合の実施例を示したが、温度感応型の流体式ファン・カップリング装置に適用しても前記と同様の作用効果が得られることはいうまでもない。

本発明の高反応型流体式ファン・カップリング装置は、油の非ニュートン流体の特性を利用した油かき出し機構をトルク伝達室内の駆動ディスクに設けたことにより、駆動ディスクと一体に回転するリングもしくはリング状突起の作用で油溜り室内の油がかき出されるので、低ファン回転時においてもトルク伝達室内への油の供給量が増加し、制御信号によるファン回転の反応の迅速化をはかることができる上、既存の流体式ファン・カップリング装置にも容易に適用できる等、極めて有用性に富むものである。

１回転軸体（駆動軸）
２密封器匣
２−１ケース
２−２カバー
３駆動ディスク
４仕切板
５油溜り室
６トルク伝達室
７油回収用循環流通路
８油供給調整孔
９油供給用弁部材
９−１板バネ
９−２アーマチャー
１０リング部を有する円板状の磁気ループエレメント（磁性体）
１１電磁石
１２電磁石支持体
１３、１４軸受
１５ダム
１６ラビリンス機構
１７リング
１８リング状突起
１９放射状溝
２０放射状突起
２１ラビリンス溝
２２斜面
２３段差

Claims

先端部に駆動ディスクを固着した回転軸体上に軸受を介して支承された密封器匣の内部を、油の供給調整孔を有する仕切板により油溜り室と、前記駆動ディスクを内装するトルク伝達室とに区劃し、回転時の油の集溜する駆動ディスクの外周壁部に対向する密封器匣の内周壁面の一部にダムと、これに連なってトルク伝達室と油溜り室間に油循環流通路が形成され、外部周囲の温度が設定値を超えると前記仕切板の油供給調整孔を開放し、設定値以下では閉鎖する弁部材を備え、駆動側と被駆動側とのなすトルク伝達間隙部での油の有効接触面積を増減させて駆動側から被駆動側への回転トルク伝達を制御するようにしてなるファン・カップリング装置において、前記駆動ディスクに流体の運動方向が力のかかる方向および垂直・水平方向にも同時に力が働いて分散空洞化しない油の非ニュートン流体の特性を利用して油溜り室内の油をかき出す機構が前記仕切板の油供給調整孔と相対向して設けられ、前記油溜り室内の油をかき出す機構は、前記駆動ディスクの背面に設けた当該ディスクと一体または別体のリングもしくはリング状突起で構成され、前記リングもしくはリング状突起は、前記仕切板の油供給調整孔と対向する平坦面に放射状溝を有することを特徴とする高反応型流体式ファン・カップリング装置。