JP5829809B2 - ハイブリッド流ファン装置 - Google Patents

Description

本発明はファンに関し、さらに、自動車用途に好適なファン組立体に関するものである。

中型のおよび大型のディーゼルトラック等の現代の車両は、比較的高い冷却要求を有しうる。例えば、ヨーロッパおよび北米の規制により義務づけられているディーゼルエンジン排気規制では、エンジン冷却システムに対する要求が大幅に強化されている。適切な冷却にはより多量の気流が要求され、またラジエータおよび他の熱交換器の制限を克服するには圧力を高める必要があるが、そればかりではなく、車両設計の観点からも冷却システムのサイズに対する要求および制限が加えられる。そのような制限は、トラックおよび建設機械に関して運転手の視認性を高めるためにボンネットラインを低くすることが望ましい場合、特に重要となる。ラジエータおよび他の熱交換器は、露出面を拡大することが不可能な場合、厚さを増大させることが多い。ラジエータおよび他の熱交換器が厚い（すなわち深い）ほど、ファンおよびファンクラッチ等の他の冷却システムのためのエンジンルームの空間が削られることとなる。

自動車用の用途に関しては、冷却流を提供するにあたり従来から軸流ファンが用いられている。軸流ファンは一般にファンの回転軸と平行な方向に空気を送るものである。しかし、気流に関する要件が増大すると同時に熱交換器の厚さが増大したために、冷却システムに関する制限が急速に増大し、従来の軸流ファンでは適切な気流がもはや提供できない点にまで至っている。拡大可能なファンシステムを使用したとしても、従来の軸流ファンは比較的効率が低いために、エンジンが発する利用可能なパワーを低減させる過度のパワードロー（例えば、エンジンパワーの約１５％以上）が生じてしまう。さらに、軸流ファンは自動車の用途に対して望まれる静粛さで作動しないこともあり、その点が、騒音規制を満たすにあたっての懸念となりうる。

混流ファン（ハイブリッド流ファンとしても知られる）および輻流ファン（遠心ファンとしても知られる）が軸流ファンよりも効率および流体圧力特性に優れることはよく知られているが、混流ファンおよび輻流ファンを、大半の車両のエンジンルームに収めることは困難である。輻流ファンは一般に最良の効率を発揮するためには大きいスクロールハウジングを要求するものであり、そのように大きなスクロールハウジングを用いずに使用した場合、半径方向の排出速度は、車両エンジンのまわりの流れの助けにならないものとなってしまう。混流ファンは、輻流ファンのようなこれらの問題を有しないが、一般に軸方向に厚みがあり（すなわち、より深いため）、ボンネット下の用途には用いることができない。さらに混流ファンは、期待に反して、複雑な装置である。一般に混流ファンは簡単であると考えられているが、実は特定の用途の要件を満たすよう調整するには膨大な量の実験および設計が必要とされるため、実際に用いられることはまれである。

流体流を、半径方向および軸方向の混合方向に導くためのファン組立体は、中心軸を中心として配置された内径部分および実質的に切頭円錐形の外径部分を有する後板と、後板から延長する複数の羽根と、複数の羽根の近傍に配置され且つ複数の羽根と同時回転するよう構成された環状ファンシュラウドとを有する。後板、複数の羽根、およびファンシュラウドはファン・サブ組立体を形成し、ファン・サブ組立体の奥行全長はファン・サブ組立体の直径全長のおよそ２０％から３５％である。

前方から見た、本発明のファン装置の１つの実施形態の斜視図である。 後方から見た、図１に示すファン装置の斜視図である。 図１および図２に示すファン装置の正面図である。 図１〜図３に示すファン装置の側面図である。 図１〜図４に示すファン装置の背面図である。 本発明に係るファン組立体の１部分の断面図である。 図１〜図６に示す複数のファン装置の、積み上げた状態の断面図である。 図１〜図６に示すファン装置の１部分の斜視図である。 ファンシュラウドを省略した状態で示す、本発明に係るファン装置の代替の実施形態の概略図である。 ファンシュラウドを省略した状態で示す、本発明に係るファン装置の別の代替の実施形態の正面図である。 ファンシュラウドを省略した状態で示す、本発明に係るファン装置のまた別の代替の実施形態の正面図である。 本ファン組立体の抜粋した代替の実施形態の性能データのグラフである。 上記の図面は本発明のいくつかの実施形態を説明するものであるが、本明細書の記述において説明するように、他の実施形態もまた考えられる。いずれにせよ、本開示は本発明を例示として提供するものであり、限定するものとして提供するものではない。当業者が他の多数の変更例および実施形態を考え出すことが可能であり、それらの変更例および実施形態も本発明の原理の範囲および精神に含まれるものであることを理解すべきである。これらの図面は、正確な縮尺で描かれたものであるとはかぎらない。同様の構成部品を示すために、同様の参照番号が用いられている。

本発明は、２００８年２月２２日に出願され、「Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｈｙｂｒｉｄ Ｆｌｏｗ Ｆａｎ」を発明の名称とする米国仮特許出願第６０／０６６，６９２号の優先権を主張するものであり、米国仮特許出願第６０／０６６，６９２号の全体は、参照することにより本明細書に援用される。

一般に、本発明は、回転入力に応答して半径方向および軸方向の混合方向（すなわち、軸方向に対して０°〜９０°のいずれかの方向）に流体流を生じさせることができる疑似混流（つまりハイブリッド流）ファン（本明細書では単にハイブリッド流ファンと称する）を提供する。１つの実施形態では、当該ファンの奥行全長（すなわち、厚さまたは幅）はファン直径全長のおよそ２０％〜３５％である。本発明のファンは、好ましくはスロットル係数がおよそ０．０４〜０．０８の場合に、エンジン冷却システムに用いることができる。ただし、ここでスロットル係数は、見かけの流速（ファンの軸方向の突き出し面積で気流を割った値に等しい）に基づいて速度圧を計算するものとして、全圧に対する速度圧の比として定義される。

本発明のファンは、多数の特長および利益を提供するものである。例えば、このファンは、比較的高い気流および比較的高い圧力をエンジン冷却のために提供する。しかし、自動車および他のエンジンの冷却の用途に用いられるファンの構成は、一般にいくつかの制約に支配される。当該ファンは好ましくは既存の軸流ファン（ベルト駆動またはクランクシャフトで搭載される）と同じようにエンジンの前方に搭載されるべきである。さらに当該ファンには粘性クラッチ（粘性ファン駆動とも称される）すなわち当該ファンの速度制御を可能にし、且つクランク軸のねじれから当該ファンを分離することを支援する装置を使用することができる。当該ファンの直径全長は、好ましくは既存の軸流ファンと同程度であるべきである。エンジンルームのさらなるスペースを確保することが困難または不可能であることが多いため、ファンの厚さ（すなわち、軸方向深さ）は理想的には既存の軸流ファンと同程度であるか、または可能な限り薄く（すなわち、軸方向に狭く）あるべきである。当該ファンの吸気口直径は、気流がラジエータおよび熱交換器のコアを通過する通気流の弊害をもたらす層化をもたらす、ラジエータまたは他の熱交換器の中心における高高速の気流を防ぐことができるよう、好ましくは可能な限り広くあるべきである。当該ファンから吹き出される気流は、空気がエンジンの側面をまわって通過するよう空気を導くことを支援する軸方向成分を好ましくは有するべきである。当該ファンの静圧効率は可能な限り高くあるべきであり、有用な仕事のためのエンジンパワーを最大化するために、好ましくは５０％より大きいことが好ましい。当該ファンが発する騒音は可能な限り低くあるべきであり、好ましくは、より低い空気力学的性能で作動する既存の軸流ファン程度の静粛さであるべきである。また、ファンの吸気口およびラジエータまたは他の熱交換器間のインターフェース（すなわち、シュラウド）は、エンジンの振動およびフレームのねじれに起因するその両者間の相対的な動きを吸収するべきであり、しかも通常の組立ラインの工程により製造可能な構造物により形成されるべきである。

上で述べた制約のいくつかは、相互排他的なものであると見受けられる。当該ファンの吸気口直径は、そのような例の１つである。一般に軸流（または遠心）ファンでは、羽根の外径に対する羽根の内径の比をより小さくすることでより大きな圧力が達成されるものであり、その結果、ファンの羽根は半径方向により長いものとなる。しかしそうすると、ファンの軸方向の吸気口面積はより小さくなり、吸気速度が増大する。車両のラジエータ（または他の熱交換器）およびファン間の空間は通常短いため、そのような高速の流体流が当該ファンの直前にあると、ラジエータ（または他の熱交換器）のすみの部分に望ましくない「デッドゾーン」が生じる可能性があり、その結果、全体的な熱交換の効率が低下するおそれがある。同様に、輻流（または遠心）ファンにおける高い気流は、一般に当該ファンの軸方向の深さを増大することにより達成されるものであるが、これはボンネット下のエンジン冷却の用途には有効な選択肢ではない。したがって本発明のファンを設計するにあたっては、多数の制約の下で好適で効率的なファンを作るための設計パラメータを有するファンを創造する必要があった。一般に本発明のファンは、上述した制約を満たしながらも、比較的高い気流および静圧効果特性を発揮する傾向にある。

図１〜図５は、ファン装置２０の１つの実施形態の様々な眺望を示す図である。図１は、前方から見た、ファン装置２０の斜視図であり、図２は、後方から見た、ファン装置２０の斜視図である。図３〜図５は、ファン装置２０の、それぞれ正面図、側面図、および背面図である。図１〜図５に示すように、ファン装置２０は、後板２２と、複数の羽根２４（エアフォイルとも称される）と、中心線ＣＬを中心に回転するよう構成されたファンシュラウド２６とを備える。後板２２、羽根２４、およびファンシュラウド２６は、まとめてファン・サブ組立体と呼ばれる。ファン装置２０は、代替の実施形態では反時計回り方向に回転するよう構成することもできることを理解すべきであるが、図３の矢印２８により示されるように、例示のファン装置２０は時計回り方向に回転するよう構成されている。

１つの実施形態において、ファン装置２０は、ＰＣＴ国際公開第２００７／０１６４８７（Ａ１）号パンフレットに開示された種類の粘性クラッチ等の好適なクラッチ（図示せず）に取り付けられ、またさらにエンジン（図示せず）に作動可能に連結されていることを、当業者は理解するであろう。クラッチは一般にボルトまたは他の好適な固着手段を用いてファン装置２０の後板２２に着脱可能に固着される。エンジンおよびクラッチは、ファン装置２０がエンジンの冷却を支援するために空気を送るとき、所望の速度でファン装置２０を選択的に回転させることができる。一般的な用途において、ファン装置２０はラジエータおよび／または他の熱交換器（図示せず）とエンジンとの間に配置され、それにより、さらに冷却を提供するために、ファンは冷却空気をエンジンに導き、ラジエータ（および／または他の熱交換器）を通して空気を送るよう作動する。

図６は、ファン装置２０および吸気口シュラウド３２を備えるファン組立体３０の１部分の断面図である。簡略のために、ファン組立体３０の羽根２４の１枚のみが図６に示されている。作動中にファン組立体３０により生じる流体流は矢印３３により示され、その流体流は、半径方向および軸方向の混合方向（すなわち、中心線Ｃ_Lに対して０°〜９０°の方向）にファン装置２０から流出する。ファン装置２０により半径方向および軸方向の混合方向に発せられる気流がボンネット下の自動車の用途に特に有益である点に特に注意されたい。そのようなハイブリッド流の方向は、よりよい冷却のためにエンジンの周囲を通り過ぎるよう気流を導く傾向があるために、純粋な軸方向気流または純粋な半径方向気流よりも、ボンネット下の冷却用途にとってより望ましい場合が多い。

後板２２は、実質的に平面である内径（ＩＤ）部分３４（ハブとも称される）と、切頭円錐形の外径（ＯＤ）部分３６とを備える。内径部分３４は、ファン装置２０の中心線Ｃ_Lに対し略垂直に配置される。クラッチまたは他の回転入力源（図示せず）にファン装置２０を取り付けるための比較的硬い構造物を提供するために、金属製ディスク３８（例えば、スチール製、アルミ製、その他）が、所望により、中心線ＣＬにおいて内径部分３４に組み込まれてもよい。クラッチまたは他の回転入力源への取り付けを容易にするために、１つまたは複数の開口部が、所望により、中心線ＣＬにおいてまたは中心線ＣＬの近傍において、内径部分３４の金属製ディスク３８に提供される。内径部分３４はクラッチに対して取り付けが可能なよう、十分な大きさを有する。先行技術における混流ファンの従来の内径部分は、従来の自動車用ファンクラッチに取り付けるには小さくなりすぎる傾向にある。外径部分３６は、直接的に内径部分３４の近傍に配置され、内径部分３４から半径方向外側に配置される。外径部分３６は、中心線Ｃ_Lに対して角度θ₁の角度をなすよう配置される。一般に、ファン装置２０から流出する気流３３の流出角度は角度θ₁に等しい。例示の実施形態において、外径部分３６は、ファン組立体２０の外周（すなわち、周縁）まで延長する。後板２２は半径Ｒ₁を有し、半径Ｒ₁は、対応する直径全長φＤ１を画定する。直径φＤ１の値は、特定の用途に対しては所望される０より大きい任意の値となりうることを理解すべきであるが、一般の用途には約４５０ｍｍ〜約７５０ｍｍの範囲となる。

例示の実施形態において、溝３９は、羽根２４のそれぞれに対応し整列する後板２２の後方側に形成される。溝３９は、後板２２の厚さおよびファン装置２０の全重量が低減されるよう支援する。溝３９は、オプションとして提供されるものであり、製作の際に後板２２および羽根２４が一体成形される場合にのみ存在するものである。後板２２が射出成形されるとき、溝３９はひけマークの回避を支援する。なお、このひけマークとは、冷却の際に体積の収縮により生じる成形上の欠陥である。ファン装置２０の製作に関しては、さらに以下で説明する。

環状リブ４０は、羽根２４の反対側である後板２２の後方側において後板２２から略軸方向に延長する（図２、図５、および図６参照）。例示の実施形態において、環状リブ４０は、後板２２の外周と内径部分３４との間の位置で、後板２２の外径部分３６から略軸方向に延長する。また環状リブ４０は、後板２２の外周に対して、軸方向に引っ込んでいる。好適な数量のガセット４２（例えば、８個）が、構造的支持を提供するために、環状リブ４０と後板２２との間に提供される。例示の実施形態では、ガセット４２は、円周方向で相互に離間し、環状リブ４０の外径表面に配置される。釣合おもり（図示せず）は、作動する間にファン装置４０のバランスを支援するために、所望により環状リブ４０に取り付けられる。１つの実施形態で、既知の構成の釣合おもりは、作動中に環状リブ４０が重さを半径方向に保持することができるよう、環状リブ４０の内径表面に接着固定される。環状リブ４０により、ファン装置２０の剛性がさらに増加しうる。

図７は、積み重ねられた３つのファン装置２０、ファン装置２０’、およびファン装置２０”の断面図である。さらなる実施形態において、任意の数のファン装置２０、ファン装置２０’、およびファン装置２０”を積み上げることが可能である。ファン装置２０’の構成部品の参照番号はダッシュ記号を有し、ファン装置２０”の構成部品の参照番号は二重ダッシュ記号を有するが、図７に示すように、ファン装置２０、ファン装置２０’、およびファン装置２０”はそれぞれ同一の構成を有し、同様の参照番号が付されている。積み重ねられると、ファン装置２０’およびファン装置２０”のファンシュラウド２６’およびファンシュラウド２６”は、隣接するファン装置２０またはファン装置２０’の後板２２および後板２２’のリブ４０およびリブ４０’と外径部分３６および外径部分３６’との間に画成されるポケットへと延長する。さらに、ファン装置２０および２０’のリブ４０およびリブ４０’は隣接するファン装置２０’またはファン装置２０”のファンシュラウド２６’およびファンシュラウド２６”から半径方向内側に位置し、後板２２および後板２２’は隣接するファンシュラウド２６’またはファンシュラウド２６”に接触する。このように、ファン装置２０、ファン装置２０’、およびファン装置２０”は、保管または輸送のために、比較的容易に整列して積み上げることができ、この積み上げ方は比較的十分にコンパクトで安定しており、荷崩れしにくい。積み上げたファン装置は、保管または輸送するために、所望により好適な容器（図示せず）内に収納することができる。

図１〜図６に戻ると、ファンシュラウド２６は後板２２の反対側において羽根２４のそれぞれに固着され、作動中はファン装置２０とともに回転する。例示の実施形態で、ファンシュラウド２６は略環状の形状を有し、集まって別れる構成のトロイド形状となって、少なくとも部分的に湾曲している。ファンシュラウド２６の内径部分は、後板２２から遠ざかるように湾曲する。ファンシュラウド２６は一般に羽根２４の外径部分に固着される。図６にも示すように、ファンシュラウド２６により、突出厚さＰＷ_s（ファシュラウド２６の軸方向前方の延長および軸方向後方の延長間の距離として計測される）と、吸気口半径Ｒ２（中心線Ｃ_Lおよびファンシュラウド２６の半径方向内側の延長間の距離として計測される）とが定まり、ここで半径Ｒ２を、対応する直径φＤ２として定義する。典型的な実施形態では、直径φＤ２は、直径φＤ１のおよそ８５％である。１つの実施形態では、突出厚さＰＷ_sは、直径φＤ１のおよそ１２％である。ファンシュラウド２６の外径部分は、中心線Ｃ_Lに対して角度θ₂の角度をなす。

羽根２４は、後板２２の外径部分３６からファンシュラウド２６へと延長する。羽根２４の数は代替の実施形態において変化しうる（例えば、全部で１８個の羽根２４）が、例示の実施形態では全部で１６個の羽根２４が提供されている。羽根２４のそれぞれは、前縁部４４（後板２２の外径部分３６に対して角度θ₃の角度をなす）と、後縁部４６（例示の実施形態で、中心線Ｃ_Lに対して実質的に平行に配置される）とを画成する。羽根２４の、互いに反対側にある圧力側および吸込側が前縁部４４および後縁部４６間に延長することを、当業者は理解するであろう。例示の実施形態において、羽根２４の前縁部４４はファンシュラウド２６に固定されていない。羽根２４の前縁部４４の全体が、中心線Ｃ_Lを中心とする半径Ｒ₃を画定し、この半径Ｒ₃は羽根の内径φＤ３に対応する。羽根２４が後板２２の切頭円錐形を有する外径部分３６に沿って延長するため、羽根２４の前縁部４４の半径方向の位置により、軸方向におけるファン装置２２の重心が影響される。作動中にファン装置２０のバランスをよりよく保つため、特に、ファン装置２０が取り付けられうるベアリングに対して、重心が軸方向で中央の位置にあることが一般に望ましい。いくつかの実施形態では、内径部分３４は、ファン装置２０の重心に対して実質的に直線上に並んでいる（例えば、軸方向において、重心に対して直径全長φＤ１のおよそ＋／−２％の範囲内）。さらに、羽根のそれぞれは、流入角β_Iおよび流出角β_Eを画定する（図３参照）。各羽根２４に対する流入角β_Iは、前縁部４４における接線と、前縁部４４における羽根の平均厚さ線へとの間の角度として定義される。流出角β_Eは、後縁部４６に位置する接線と、後縁部４６における羽根２４の平均厚さ線との間の角度として定義される。各羽根２４は、後板２２の外径部分３６の法線（すなわち、中心線Ｃ_Lに対して平行な線）に対して傾斜角α_Tの角度をなす（図４参照）。羽根２４は、ファン装置２０の回転方向（図３の矢印２８により示す）に向かう方向に傾斜する。いくつかの実施形態では、羽根２４が、０に等しい傾斜角α_Tを有して、実質的に軸方向に向かうことができる点に注意されたい。

図１〜図６に示すファン装置２０の実施形態における羽根２４は、後傾配列に構成される。流入角β_Iおよび流出角β_E間の関係に応じて、羽根の配列が、後方湾曲、後傾、輻流（疑似輻流）端、前方湾曲、および輻流羽根で構成されうることを、当業者は理解するであろう。様々な代替の実施形態において、所望の任意の羽根構成を利用することができる（例えば、図９および図１０参照）。さらに、矢印２８に示す意図する回転方向が変更される（すなわち、時計回りから反時計回りへと）場合、特定構成の羽根２４の配列は逆転（すなわち、鏡像として）される。

図６に示すように、経線流線４８が図示する羽根２４に投影されている。経線流線４８は、２つの隣接する羽根２４の間において、羽根２４の前縁部４４にある吸気口から羽根２４の後縁部４６にある吹出口までの、後板２２およびファンシュラウド２６間における流体の体積の中心または中間点として定義される。経線流線４８は一般に、矢印３３により示される流体流に関連する曲線または弧である。羽根２４のそれぞれは、それぞれの投影された経線流線４８に沿って定義される経線長さを有する。全羽根長さＬ_Btotは、ファン装置２０の羽根２４のそれぞれの経線長さを加え合わせた累加的な長さとして定義される。全羽根長さＬ_Btotは、個々の羽根２４の寸法とともに、ファン装置２０が備える羽根２４の総数により、影響される。

ファン装置２０は、軸方向における突出厚さＰＷ_f（すなわち、奥行全長つまり厚さ）を画定する。例示の実施形態において、突出厚さＰＷ_fは、ファンシュラウド２６の軸方向前方の延長と、後板２２の外径部分３６の軸方向後方の延長との間の距離として定義される。１つの実施形態において、ファン装置２０の直径全長φＤ１はおよそ５５０ｍｍであり、ファン装置２０の突出厚さＰＷ_fはおよそ１６５ｍｍである。ファン装置２０は一般に従来の軸流ファンよりもより厚い（すなわち、軸方向により深い）が、ファン装置２０の厚さは従来の軸流ファンの厚さに対してわずか約１８０％〜２００％にすぎない値となりうる。なお、従来の軸流ファンは、先行技術の混流ファンに対しては約２５０％にあたり、先行技術の輻流ファンに対しては約３００％にあたる。

吸気口シュラウド３２は、ファン装置２０の近傍に配置された環状の部材であり、少なくとも部分的にトロイド形状に湾曲する内径部分５０を備える。吸気口シュラウド３２は、下流側開口部よりも大きい上流側開口部を画成する。一般に吸気口シュラウド３２は回転可能に固定され、ボンネット下の用途においては、エンジン、ラジエータまたは他の熱交換器、車両フレーム等に固定されることができる。吸気口シュラウドは、内径部分５０の半径方向内側の延長において、半径Ｒ４を画定し、この半径Ｒ₄は直径φＤ４に相当する。例示の実施形態において、吸気口シュラウド３２の内径部分５０の少なくとも１部分は、ファンシュラウド２６の上流側部分の内側に配置され、ファンシュラウド２６の軸方向前方の延長の後方側に向かって延長する。すなわち、軸方向の重なりが、ファンシュラウド２６と吸気口シュラウド３２との間に形成される。略半径方向の間隙がファンシュラウド２６と吸気口シュラウド３２との間に存在し、ボンネット下の用途においては、この間隙により、エンジンの振動、フレームのねじれ、振動または他の運動に起因する、ファンシュラウド２６および吸気口シュラウド３２間の相対運動を許容する。作動する間、矢印３３の方向の流体流は吸気口シュラウド３２の中央開口部を通り、ファン装置２０へと流れる。吸気口シュラウド３２は、気流が、ラジエータまたは他の熱交換器からファン装置２０へと流れるよう導くことを支援することができる。また、いくつかの付加的な流体流が、ファンシュラウド２６および吸気口シュラウド３２間の略半径方向の間隙を通って、ファン装置２０に到達できる。

本発明に係るファン装置２０の構成は、特定の用途に対する所望により変更されてもよい。表１は、ファン装置２０のパラメータに対する可能な３つの範囲を提供する。表１上の値はすべて近似値である。表１上の値が単に例示のために提供されたものであり、限定するために提供されたものではない点にも、注意されたい。さらに表１は、個々のパラメータの独立的な選択が許されるものとして解釈すべきである。例えば、「第１範囲」列から１つのパラメータを選択し、「第２範囲」列から別のパラメータを選択する等が可能である。

図８はファン装置２０の１部分の斜視図である。図８に示すように、オプションとして提供されるフィレット５２が、羽根２４およびファンシュラウド２６間に位置している。羽根２４は前縁部４４の近傍に非連結先端部分５４を有する。例示の実施形態において、フィレット５２は羽根２４とともに一体に形成され、羽根２４の非連結先端部分５４からファンシュラウド２６へと略翼弦方向に延長し、略半径方向内側に向く。フィレット５２はファンシュラウド２６と物理的に接触し、所望によりファンシュラウド２６と結合されることができる。フィレット５２は所望によりファン装置２０の各羽根に提供されてもよく、また代替の実施形態において完全に省略されてもよい。フィレット５２の存在は、羽根２４およびファンシュラウド２６間の中間面における応力の低減を支援する。

ファン装置２０を備えるファン組立体３０は、様々な方法で製造することができる。ファン組立体３０の構成部品は、ガラス繊維製、金属製、その他の好適な材料製でありうるが、一般には、ポリマー製または他の射出成形可能な材料製である。１つの実施形態においては射出成形が利用され、射出成形においては、ナイロン等のポリマー材料が、スティール製の金属製ディスク３８を除く、ファン組立体３０の全構成部品を形成する。通常、羽根２４および後板２２は単体のサブ組立体として、一体的に形成される。羽根２４および後板２２が射出成形される場合、金属製ディスク３８は、羽根２４および後板２２を一体形成するために、ポリマー材料をオーバーモールドしてもよい。一般にファンシュラウド２６および吸気口シュラウド３２は、射出成形または他の好適な技術により、それぞれ別個に形成される。次に、ファンシュラウド２６は、溶接工程、機械式締結具、または他の好適な技術を用いて、サブ組立体の羽根２４に取り付けられる。超音波溶接または高周波電磁溶接等の、溶接工程または溶接に類する工程が好ましい。羽根２４およびファンシュラウド２６間に溶接部を有する構成においては、後に溶接される個々の部品を射出成形する工程が簡略化される一方で、羽根２４およびファンシュラウド２６間の溶接部に加わる応力も比較的低いものとなる。吸気口シュラウド３２は取付構造に対して取り外し可能に取り付けられ、ファン装置２０は、望ましい取り付け位置において吸気口シュラウド３２の近傍に配置される。

他の実施形態において、ファン装置２０の後板２２と、羽根２４と、ファンシュラウド２６は、単体として一体成形される。単体構成は強度の点で有益であるが、単体構成を成就するにあたっては、複雑且つ高価な金型が要求される傾向にある。あるいは、ファンシュラウド２６および羽根２４が一体成形され、別に成型された後板２２に取り付けられる。

前述したように本発明に係るファン装置は、代替の実施形態において、後方湾曲、後傾、輻流（疑似輻流）端、前方湾曲、および輻流羽根等の構成の、いくつかの異なる構成で配列された羽根を有することができる。これらの用語は、輻流ファン設計から導かれたものである。異なる羽根構成は異なる運用効果を有する。なお、これらの運用効果は一般に他のファン装置のパラメータと相互関係するものである。最適な羽根構成は、所望する性能特性とファン装置に課せられる制約とに係る異なる用途に応じて、変化する。図９および図１０は、２つの追加的な羽根構成を示す図であるが、他の羽根構成も本発明の範囲内で可能であることが理解される。

図９は、後板１２２と複数の羽根１２４とを備え且つ矢印２８の方向（すなわち、時計回り方向）に回転するよう構成された、代替の実施形態のファン装置１２０を示す概略図である。ファン装置１２０は、羽根１２４に固定されたファンシュラウドも備えるものである。なお、図９においては、このファンシュラウドは、羽根１２４をよりよく示すために、省略されている。ファン装置１２０の全般的な構成および動作は、上述したファン装置２０の構成および動作と同様である。例示の実施形態において、ファン装置１２０の羽根１２４は、前方湾曲の構成で配列されている。

図１０は、他の代替の実施形態に係るファン装置２２０の正面図である。なお、このファン装置２２０は、後板２２２と複数の羽根２２４とを備え、矢印２８の方向（すなわち、時計回り方向）に回転するよう構成されているものである。ファン装置２２０は、羽根２２４に固定されたファンシュラウドも備えるものである。なお、図１０においては、このファンシュラウドは、羽根２２４をよりよく示すために、省略されている。ファン装置２２０の全般的な構成および動作は、上述したファン装置２０の構成および動作と同様である。例示の実施形態において、ファン装置２２０の羽根２２４は、疑似輻流端の構成で配列されている。真の輻流端の構成においては、羽根は、羽根の後縁部が正確に半径方向に配列されるよう、湾曲している。しかし例示の疑似輻流端の構成においては、羽根２２４は、羽根２２４の後縁部２４６が正確に半径方向ではなく、ほぼ半径方向に配列されるよう、湾曲している。

図１１は、さらに他の代替の実施形態に係るファン装置３２０の正面図である。なお、このファン装置３２０は、後板３２２と、複数の羽根３２４とを備え、矢印２８の方向（すなわち、時計回り方向）に回転するよう、構成されている。ファン装置３２０は、羽根３２４に固定されたファンシュラウドも備えるものである。なお、図１１においては、このファンシュラウドは、羽根３２４をよりよく示すために、省略されている。ファン装置３２０の全般的な構成および動作は、上述したファン装置２０の構成および動作と同様である。例示の実施形態において、ファン装置２２０の羽根３２４は、後方湾曲の構成で配列されている。

以上の記載を鑑みて、当業者は、本発明に係るファン組立体が多数の特長および利益を提供することを理解するであろう。例えば、本発明に係るファンは、比較的高い圧力および気流を提供する一方で、比較的薄いものであり、もし相当な軸方向深さを有するスペースが贅沢に利用可能な条件下で設計者ならば採用し得るアスペクト比とは異なるアスペクト比を一般に有する。さらに、本発明のファンは、比較的良好な稼働静圧効率特性を発揮する。本発明のファンは、ボンネット下の用途に関連する多数の設計上の制限を同時に満足しながら、ボンネット下の自動車冷却用途に望まれる性能特性もまた満足することができる。

加えて、本発明に係るファンは、騒音強度特性および騒音品質特性を含む、比較的良好な騒音特性を提供する。２つのファンの騒音比較が最も公正なものとなるのは、２種類のファンが同一の空気力学的な点（すなわち、同一の流量および圧力）で作動する場合である。１９００ＲＰＭで動作中の本発明の６８０ｍｍ直径のファンを、１９７０ＲＰＭで動作中の先行技術の７５０ｍｍ直径の軸流ファンと比較すると、本発明のファンは４ｄＢＡだけ静粛であった。本発明のファンがより静粛であるのは、２つの主要な理由によるものである。第１に、本発明のファンは、軸流ファンと比較して、より低い回転速度で望ましいレベルの静圧を発生させることができるものであり、ファンの騒音は周速度（すなわち、先端部の速度）にきわめて大きく依存する。第２に、本発明のファンの流路を通過する空気の流れは、本発明のファンが動作することが望まれる高圧下において、軸流ファンを通過する空気の流れよりもはるかに滑らかで且つはるかに乱れがすくない。通常、上述の条件下で軸流ファンを通過する流れは失速流れとして知られ、この失速流れは乱れが強く且つ不安定で、騒々しい騒音と関連するものである。

他の特長および利益も、特にここでは述べないが、また提供される。

例
本発明に係るファン組立体の試作機を開発して試験を実施し、本発明に係るファン組立体の設計についてさらに調査するために、コンピュータシミュレーションを行った。試作機試験の結果として示されたのは、本発明のファンが、ボンネット下の自動車冷却用途のための搭載に好適であり且つ許容できる出力要件を発揮しながらも、従来の軸流ファンと比較して、気流が約３５％高く、稼働静圧効果が１５％ポイント優れ、より静粛な稼働特性を発揮するという点である。

注意深く選択したいくつかのファン設計変数に関するいくつかの組合せに対してシミュレーションを実施する実験設計（ＤＯＥ）プロトコルを用いた。ＤＯＥを実施することにより、限られた数の、可能な組合せに対して試験を行いながら、最適化が可能となる。計算流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェア（例えば、米国カリフォルニア州サンタクララのＡＮＳＹＳ社から入手可能な流れモデルソフトウェア、ＦＬＵＥＮＴ（登録商標））を用いて、各ＤＯＥに関するシミュレーション試験データを生成した。多数のＤＯＥ研究を実施した。実施した最大のＤＯＥは、５つの要因を含み、そのそれぞれに対して３つの可能なレベルが存在し、合計で２３４個（すなわち３⁵）の可能な組合せが存在した。そのうち、表２に挙げた要因およびレベルにしたがって、２７個の変数にシミュレーションを実施した。

風量（単位：ｋｇ／ｓ）、静圧（単位：Ｐａ）、および静圧効率（単位：％）に対するＤＯＥの結果を収集した。図１２は、最大のＤＯＥにしたがって選択した代替の実施形態のファン組立体２０に対する性能データのグラフである。図１２のグラフは、水平軸上の風量（ｋｇ／ｓ）に対して、左手の垂直軸上の圧力（Ｐａ）および右手の垂直軸上の静圧効率（％）を示すものである。静圧効率および風量に関する２７個のＤＯＥ結果が、図１２において中空の□印によりプロットされ、圧力および風量に関する結果が、図１２において中黒のダイヤモンド印によりプロットされている。図１２において、中空の□印のそれぞれが対応する中黒のダイヤモンド印と垂直方向に並んでいる点に注意されたい。

圧力および圧力および風量のデータ点（中黒のダイヤモンド印）に対する結果が、代表的なエンジン冷却制限曲線を近似する２次曲線上にあることが示されている。ＤＯＥ結果が示すように、対応する静圧効率および風量のデータ点（中空の□印）の全体が曲面境界４００を画成する。２７個のＤＯＥ結果に基づいて、ファン装置２０の３つの最適な設計のために、データ点を補間した。静圧効率に対しては中空の三角印として、圧力に対しては中黒の三角印として図１２に示した設計＃１に関しては、風量および静圧効率が最高となるよう、性能を最適化した。静圧効率に対しては中空の円印として、圧力に対しては中黒の円印として図１２に示した設計＃２に関しては、静圧効率が最高となるよう、性能を最適化した。静圧効率に対しては中空の六角印として、圧量に対しては中黒の六角印として図１２に示した設計＃３に関しては、最高の風量から、性能を最適化した。設計＃１〜設計＃３に関連するファン装置２０のパラメータを、表３に提供する。ファン装置２０のパラメータの相互作用は、直感的なものではなく、物理的な試作機の製作および試験により決定するにあたり時間を要するものである。設計＃１〜設計＃３のそれぞれは、実行可能であり、異なった要件を有する異なったエンジン冷却用途を満足しうるものである。

好適な実施形態を参照して本発明について説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および詳細を変更しうることを当業者は理解するであろう。

Claims (22)

1. 内径部分と、中心軸を中心にして位置する実質的に切頭円錐形の外径部分とを含む後板であって、前記切頭円錐形の外径部分は前記後板の周縁へと延長する後板と、
   前記後板から延長する複数の羽根と、
   前記複数の羽根の近傍に位置し且つ前記複数の羽根とともに同時回転するよう構成された環状のファンシュラウドと、を含み、前記後板と、前記複数の羽根と、前記ファンシュラウドとが、ファン・サブ組立体を形成し、流体流を、軸方向又は半径方向以外の半径方向および軸方向の混合方向に導くファン組立体であって、
   前記ファン・サブ組立体の奥行全長は、ファン・サブ組立体直径全長の２８％〜３２％である、ファン組立体。
2. 前記後板の前記外径部分により画成される排出角θ１は前記軸に対して６５°〜８０°の角度をなす、請求項１に記載のファン組立体。
3. ファン吸気口の内径は前記ファン・サブ組立体の直径全長の８０％〜９０％である、請求項１に記載のファン組立体。
4. 前記複数の羽根の前記それぞれの流入角は１５°〜３０°であり、前記複数の羽根のそれぞれの流出角は４０°〜９０°である、請求項１に記載のファン組立体。
5. 全羽根長さは、前記ファン・サブ組立体の直径全長の４５０％〜５５０％である、請求項１に記載のファン組立体。
6. 前記全羽根長さは前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の４８０％〜５２０％である、請求項５に記載のファン組立体。
7. 前記複数の羽根の内径は前記ファン・サブ組立体の直径全長の５０％〜７５％である、請求項１に記載のファン組立体。
8. 前記複数の羽根は等しく離間し、且つ前記後板の前記外径部分に固定される、請求項１に記載のファン組立体。
9. 前記後板の前記内径部分は実質的に平面である、請求項１に記載のファン組立体。
10. 前記後板の前記内径部分は金属材料を含み、前記後板の前記外径部分は前記内径部分上にオーバーモールドされたポリマー材料を含む、請求項１に記載のファン組立体。
11. 前記ファンシュラウドの近傍に位置する環状の吸気口シュラウドをさらに備える請求項１に記載のファン組立体であって、前記吸気口シュラウドは回転しないように固定され、前記吸気口シュラウドは、湾曲する内径部分において下流側開口部よりも大きい上流側開口部を形成する、ファン組立体。
12. 前記後板の前記内径部分は、軸方向において、前記ファン・サブ組立体のおよそ重心に位置する、請求項１に記載のファン組立体。
13. 前記複数の羽根は、前方に湾曲する後縁部の構成と、後方に湾曲する後縁部の構成と、後方に傾斜する傾斜角を有する構成とからなる群から選択される構成を有する、請求項１に記載のファン組立体。
14. 前記後板の前記外径部分により画成される排出角θ１は前記軸に対して６５°〜８０°の角度をなし、ファン吸気口の内径は前記ファン・サブ組立体の直径全長の８０％〜９０％であり、前記複数の羽根の前記それぞれの流入角は１５°〜３０°であり、前記複数の羽根のそれぞれの流出角は４０°〜９０°であり、全羽根長さは前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の４５０％〜５５０％であり、前記複数の羽根の内径は前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の５０％〜７５％である、請求項１に記載のファン組立体。
15. 前記複数の羽根の傾斜角は０°〜１５°の範囲内にある、請求項１に記載のファン組立体。
16. 前記複数の羽根の傾斜角は３°〜１０°の範囲内にある、請求項１に記載のファン組立体。
17. 前記後板の前記切頭円錐形の外径部分に位置する、少なくとも部分的に軸方向に延長する環状リブをさらに備え、前記環状リブは、前記複数の羽根の反対側において延ばされている、請求項１に記載のファン組立体。
18. 内径部分と、中心軸を中心にして位置する切頭円錐形の外径部分とを含む後板と、
    前記後板から延長する複数の羽根と、
    前記複数の羽根の近傍に位置し且つ前記複数の羽根とともに同時回転するよう構成された環状のファンシュラウドと、を含み、前記後板と、前記複数の羽根と、前記ファンシュラウドとが、ファン・サブ組立体を形成し、流体流を、軸方向又は半径方向以外の半径方向および軸方向の混合方向に導くファン組立体であって、
    前記ファン・サブ組立体の奥行全長はファン・サブ組立体直径全長の２８％〜３２％であり、
    前記全羽根長さは前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の４８０％〜５２０％である、ファン組立体。
19. 前記複数の羽根の内径は、前記ファン・サブ組立体の直径全長の５０％〜７５％である、請求項１８に記載のファン組立体。
20. 内径部分と、軸に対して位置する実質的に切頭円錐形の外径部分とを含む後板と、
    前記後板の前記実質的な切頭円錐形の外径部分から延長する複数の羽根と、
    前記複数の羽根の近傍に位置し且つ前記複数の羽根とともに同時回転するよう構成された環状のファンシュラウドと、を含み、前記後板と、前記複数の羽根と、前記ファンシュラウドとが、ファン・サブ組立体を形成し、流体流を、軸方向又は半径方向以外の半径方向および軸方向の混合方向に導くファン組立体であって、
    前記ファン・サブ組立体の奥行全長はファン・サブ組立体直径全長の２８％〜３２％であり、
    前記複数の羽根の内径は前記ファン・サブ組立体直径全長の５０％〜７５％である、ファン組立体。
21. 前記全羽根長さは前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の４８０％〜５２０％である、請求項２０に記載のファン組立体。
22. 内径部分と、中心軸を中心にして位置する実質的に切頭円錐形の外径部分とを含む後板と、
    環状のファンシュラウドと、
    前記後板および前記ファンシュラウド間で延長する、複数の羽根と、を含み、前記後板と、前記複数のファン羽根と、前記ファンシュラウドとが、ファン・サブ組立体を形成し、流体流を、軸方向又は半径方向以外の半径方向および軸方向の混合方向に導くためのファン組立体であって、
    前記ファン・サブ組立体の奥行全長はファン・サブ組立体直径全長の２８％〜３２％であり、
    前記後板の前記外径部分により画成される排出角θ１は前記軸に対して６５°〜８０°の角度をなし、
    ファン吸気口の内径は前記ファン・サブ組立体の直径全長の８０％〜９０％であり、
    前記複数の羽根の前記それぞれの流入角は１５°〜３０°であり、
    前記複数の羽根のそれぞれの流出角は４０°〜９０°であり、全羽根長さは前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の４５０％〜５５０％であり、
    前記複数の羽根の内径は前記ファン・サブ組立体の前記直径全長の５０％〜７５％である、ファン組立体。

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