JP6245437B2 - 軸流ファン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、特に自動車の内燃機関に関して冷気を送給するための軸流ファンに関する。

この種の軸流ファンが、本出願人による以前の特許出願に係る特許文献１によって開示されている。この軸流ファンは、ハブリングに固定されたファンブレードを有しており、これらのファンブレードは、その正圧側にハブ傾斜面を有し、かつ、その負圧側にスタビライザとも呼ばれる空気案内要素を有していて、これらの空気案内要素はファン流を制御する働きをする。前記ファンブレードは、それぞれ上流縁部とも呼ばれる前縁部と下流縁部とも呼ばれる後縁部とを有する。前記ファンブレードの前記後縁部は、実質的に、径方向に延在する２つの部分、すなわち前記ハブ傾斜面の外側に配置された外側部分と前記ハブ傾斜面の内側に配置された内側部分とを有する。前記後縁部の前記内側部分は、軽量化のために内側の方向、すなわち前記ハブリングの方向に屈曲されており、これにより、前記後縁部に凹部が生じ、従ってまた前記ファンブレードの幅が小さくなる。前記後縁部にこの凹部があることによって、ファンブレード流に横方向流および／または後方流が生じることが明らかになっており、この流れは、隣接するファンブレードの正圧側の流れに不都合な影響を引き起こす。この後方流および／または横方向流によって前記ハブ傾斜面の領域に渦構造が生じ、この渦構造は効率の低下を招く。

特許文献２によって公知であるファンブレードを備えた軸流ファンでは、これらのファンブレードの正圧側に流れ方向とは逆方向に上昇するハブ傾斜面が配置されている。前記ハブ傾斜面は、羽根根元部の領域におけるいわば死水域を塞ぎ、従って、損失を伴う渦流を防止する。

特許文献３によって公知であるファンブレードを備えた軸流ファンでは、これらのファンブレードの負圧側に空気案内要素が配置されており、前記ファンブレードの正圧側にハブ傾斜面が配置されている。これにより、羽根根元部の領域における流れを安定的に案内する流路が形成される。

独国特許出願公開第１０２０１００４２３２５．４号明細書 欧州特許出願公開第０５１５８３９号明細書 独国特許第１９９２９９７８号明細書

本発明の課題は、冒頭に挙げた種類の軸流ファンにおいて流動状態を改善し、特に損失を伴う渦の発生を防止することである。

本発明のこの課題は独立請求項１によって解決される。有利な実施態様は従属請求項によって明らかにされる。

ファンブレードは２つの部分を備えた後縁部を有し、第１の外側部分がハブ傾斜面の径方向外側に存在し、第２の内側部分が前記ハブ傾斜面の径方向内側に存在する。本発明において有利であるのは、前記後縁部が前記ハブ傾斜面の径方向外側における前記外部領域に延在部を有し、この延在部が前記ハブ傾斜面の径方向位置を越えて径方向内側に向かって前記内側領域内へ実質上不変のまま延びており、径方向の最も内側の領域においてハブにまで延設されている場合である。これによって実現される本発明に係る効果は、前記ハブ傾斜面領域におけるファンブレード流の安定化が達成されることであり、すなわち、前記ファンブレードの後縁部周囲の横方向流および／または後方流が少なくとも低減されるか、または回避される。このことにより、ファンの効率が有意に向上し、ファンの作用点においてファンにより送給される体積流量が著しく増大する。更にまた、比騒音レベルも低減される。

更に、前記径方向の最も内側の領域が、前記径方向内側領域の半径部における径方向内側の一部分となっている場合に有利である。

また、前記部分が、前記後縁部における前記内側領域の半径部の約３分の１または約４分の１である場合、あるいは好ましくはほぼ５分の１未満である場合に有利である。

従ってまた、３つの領域が備えられていると解することもでき、すなわち、前記外部領域と前記内部領域とが備えられており、更に前記内側領域自体がいわゆる中間領域と最も内側の領域とに分割されている。従って、本発明において有利であるのは、前記後縁部が前記ハブ傾斜面の径方向外側における外側領域に延在部を有し、この延在部が、前記ハブ傾斜面の径方向位置を越えて径方向内側に向かって前記内側領域の前記いわゆる中間領域内へ実質上不変のまま延び、径方向の最も内側の領域においてハブにまで延設されている場合である。この場合、ハブまでのこの延設部は、湾曲または屈曲等の形状変化を有していてもよい。

前記ファンブレードは、有利には、また前記内部領域にも前記外部領域の場合と実質的に同じブレード深さを有し、すなわち、特に、前記ブレード後縁部が前記外側部分から実質的に直線状に前記内側部分へと移行し、これにより、全体的に、前記羽根根元部内まで直線的な後縁部が実現される。この場合、前記前縁部がある程度湾曲していても不都合ではなく、ここでの考察では簡略のために直線とみなさており、非直線的な湾曲した前縁部も許容されるであろう。

従って、前述した以前の特許出願に係るファンに比べて、ブレード深さ、更にまたブレード幅が、前記ハブ傾斜面の内側の領域において有利に増大されている。

ファンブレードとファンの羽根という用語は、本出願においては同義語として用いられる。ブレード深さという用語は、ファンブレードの軸方向の延在長さを意味する。ブレード深さは周方向へのブレード幅の投影であり、その際、ブレード幅は、弦の方向に測定した場合のブレード前縁部とブレード後縁部との間の距離である。

好ましい一実施形態では、前記後縁部は最も内側の領域が丸みを帯びている。これにより、前記ブレード後縁部から前記ハブ領域内への移行部において応力を低減することが可能となる。

更に別の好ましい一実施形態では、前記ブレード後縁部が、その最も内側の領域において−丸み部を経て−前記ハブ傾斜面の自由端へ移行する。これにより、ファンブレードをハブへ結合するためのブレード根元部の領域における強度を増大することが実現される。更に、羽根根元領域およびハブ傾斜面領域における負圧側と正圧側との間に流れに好都合な通路が形成される。前記ハブ傾斜面の自由端は、前記ハブ傾斜面におけるファンブレードから遠い側の、ファンブレードから突出した縁部を意味する。

更に別の好ましい一実施形態では、ファンブレードの負圧側にスタビライザが配置されており、これらのスタビライザは、好ましくは前記ハブ傾斜面の径方向内側に存在する。従って、前記スタビライザにおける下流側に位置する領域は、前記ブレード後縁部の内側部分内へ連通する。前記スタビライザによって、２つの羽根の間において前記ハブ傾斜面と相まって、羽根根元領域における流れを更に安定化することが実現される。

更に別の好ましい一実施形態では、ハブがハブリングとして形成されており、このハブリングは、ファンブレードよりも著しく小さな軸方向延在長さを有する。従って、従来の意味における円筒状のハブはもはや存在しない。ファンブレードの前記軸方向延在長さは、上述のようにブレード深さと呼ばれ、このブレード深さは、ブレード幅を周方向に投影したものである。ファンブレードは、その前縁部およびその後縁部のいずれもが前記ハブリングの端面を越えて突出している。従って、前記最も内側の領域内にまで直線状に延びる前記後縁部は、ファンブレードにおいて前記ハブリングに対して軸方向に突出する部分を形成する。

更に別の好ましい一実施形態では、前記軸流ファンが４２％超のハブ比Ｄ_ｉ／Ｄ_ａを有する。ただし、前記ハブ比は、ハブ直径とファンブレードの外径との比である。前記内部領域における前記ブレード後縁部の前記軸方向突出部は、比較的大きなハブ比を有するファンの場合に特に有利に作用する。なぜなら、このようなハブ比は、効率およびファンにより送給される体積流量に不都合な作用をもたらすからである。従って、この実施形態は１つの補償となる。前記比較的大きなハブ比は、出力段階を下げるためにファンブレードが短縮される場合に外径が小さくなることで生じる。

更に別の好ましい一実施形態では、前記軸流ファンがそのハブリングを介して液体摩擦継手に固定的に結合されており、この液体摩擦継手は内燃機関によって駆動され、その一方で、制御された駆動回転数でファンを駆動する。出力が高くなるほど、前記液体摩擦継手の直径は増大し、従ってまたハブ直径も増大して、これにより、ハブ比が大きくなる可能性がある。この場合、効率および体積流量を向上させる本発明に係る前記ブレード突出部が、特に有利に作用する。

更に別の好ましい一実施形態では、ファンブレードがブレード根元部の領域に屈曲部を有し、これにより、ファンブレードに適した羽根の形態が生じる。この場合に有利であることは、ファンブレードとハブリングとの結合領域に材料が集中する度合が低減すること、および、強度が増すことである。

本発明の実施例が図面に示されており、それらの実施例について以下において更に詳述する。その説明および／または図面から、その他の特徴および／または利点についても明らかにする。

従来技術に係るファンブレードの構成を示す。 本発明に係る、流れが安定化されたファンブレードの構成を示す。 本発明に係るファンの一部分を示す立体図である。 ファンハブの径方向断面図である。 軸流ファンを示す部分図であり、切断平面∨Ｉ−∨Ｉが示されている。 図５の切断平面∨Ｉ−∨Ｉに沿った断面図である。

図１は、従来技術に係る軸流ファンにおけるファンブレード１、２の配置を示す。前記ファンの回転方向は矢印Ｄで示されている。前記ファンブレード１、２は、それぞれその正圧側にハブ傾斜面３、４とブレード後縁部１ａ、２ａとを有する。前記後縁部または別称下流縁部１ａ、２ａは、その径方向内側に位置する領域、すなわち前記ハブ傾斜面３、４の内側の領域にそれぞれ凹部または窪み５、６を有する。ファンブレード幅におけるこの種の窪みおよび短縮は従来技術でも施されていた。その理由は、それらが、一方では軽量化を意味すること、もう一方では羽根根元部領域に前記ファンブレードがあっても出力の向上をもたらさないと考えられていたことである。しかし、短所として、横方向流および／または後方流が生じることが明らかになっており、これらの流れは矢印Ｗによって示されている。窪み５の領域においてブレード後縁部の周囲を空気が流れることによって、矢印Ｗによって示された後流渦が発生し、この後流渦は、ファン効率の低下、体積流量の減少および騒音発生の増大につながる。

図２は、ファンブレード７、８とそれらのブレード後縁部７ａ、８ａとの本発明に係る構成を概略的に示す。前記軸流ファンの回転方向は、ここでも矢印Ｄによって示されている。前記ファンブレード７、８の正圧側にはハブ傾斜面９、１０が配置されており、これらのハブ傾斜面は、前記ブレード後縁部７ａ、８ａを径方向外側の領域と径方向内側の領域とに区分する。本発明では、前記ブレード後縁部７ａの前記径方向内側の領域は、実質的に直線状に延びており、すなわち、前記外側領域から前記内側領域への移行部に関しては、実質的に直線状の形状が与えられている。

換言すれば、前記ファンブレード７の羽根幅は、従来技術に係る前記ファンブレード１の羽根幅に比べて径方向内側の領域が拡大されており、従って、窪みが設けられていない。

この拡大された領域は、太く示された輪郭線７ｂによって強調されている。前記領域７ｂにおいて羽根幅が増大されたことによる効果として、図１に示された損失を伴う横方向流および／または後方流の発生が防止される。特に、ファンブレード８のハブ傾斜面１０の径方向外側において矢印Ｓによって示された流れは、ほぼ乱されることがない。その一方で、前記ハブ傾斜面１０の下方においても、比較的安定した、渦のない流れが生じ、それが矢印Ｐによって示されている。前記径方向内側の領域７ｂにおける前記ブレード後縁部の前記延設、すなわち前記羽根幅の前記拡大は、体積流量の有意な増加および効率の向上ならびに騒音の低減をもたらす。

ファンブレードおよびファンの羽根という用語は、前縁部と後縁部との間の距離あるいは羽根またはブレードの弦の長さを意味するものとする。羽根の深さ（ブレード深さ）は、周方向への羽根幅の投影を意味する。

図３は、本発明に係る軸流ファン１１の一部分を示す立体図である。この図はハブリング１２を示し、このハブリングにファンブレード１３、１４、１５が固定されており、すなわち、一体的に射出成形されている。前記ファンブレード１３、１４、１５は、それぞれその正圧側にハブ傾斜面１３ａ、１４ａ、１５ａを有し、これらのハブ傾斜面は、矢印Ｄにより示された回転方向とは逆方向に上昇している。前記ハブ傾斜面１３ａ、１４ａ、１５ａは、強度上の理由から、その下側においてリブを介して前記ハブリングに結合されている。前記ファンブレード１３、１４、１５は、それぞれ下流縁部１６、１７、１８とも呼ばれる後縁部１６、１７、１８を有し、これらの後縁部は、実質的に直線状に径方向外側から径方向内側に向かって延びている。前記ハブ傾斜面１３ａ、１４ａ、１５ａの下流側位置の端部によって、前記後縁部１６、１７、１８は２つの部分、すなわち径方向外側の部分または領域１６ａ、１７ａ、１８ａと径方向内側の部分または領域１６ｂ、１７ｂ、１８ｂとに区分されている。前記ブレード後縁部１６、１７、１８の前記内側部分１６ｂ、１７ｂ、１８ｂは、放射状範囲または丸い窪みＲを介して前記ハブ傾斜面１３ａ、１４ａ、１５ａの自由端へと移行する。なお、前記参照番号１３ａ、１４ａ、１５ａの引出線はこれらの自由端を起点としている。以上のように、強度に関して最適化されたファン構造が提供され、このファン構造は、ファンの動作中に生じる力、特に遠心力を吸収することが可能である。また、前記ファンブレードの負圧側はフィン状のスタビライザ１９を有する。

図４は、軸流ファン１１のハブリング１２に沿った径方向断面（径方向平面における断面）を示し、同じ部材に対しては図３と同じ符号が用いられている。気流方向は矢印Ｌによって示されている。前記ハブリング１２は軸方向の延在長さａを有し、前記ファンブレード１４は深さｔを有する。この深さは、上述のように、周方向への羽根幅の投影として定義されている。この図から明らかなように、前記ブレード深さｔは前記ハブリング１２の前記軸方向延在長さａよりも著しく大きい。前記ブレード深さｔは、好ましい一実施例では、前記ハブリング１２の軸方向延在長さａのほぼ２倍である。前記ファンブレード１４の前記後縁部１７は実質的に径方向に直線状に延びており、前記後縁部１７の最も内側の部分は丸みを帯びている。前記ハブ傾斜面は、１４ａで示された切断面として表されている。

図５は、軸流ファン２０の一部分を示す図であり、視線方向は前記軸流ファンの前縁部あるいは前記ファンブレード２１の負圧側に向けられていて、これらのファンブレード上には空気案内要素２２が配置されている。前記軸流ファン２０は金属製の支持リング２３を含み、この支持リングは、一方において前記軸流ファン２０のプラスチックハブに結合されており、もう一方において図示されていない継手、好ましくは液体摩擦継手に固定することができる。参照番号２１ａ、２１ｂ、２１ｃが付されたファンブレードは、切断平面∨Ｉ−∨Ｉで切断されている。

図６は、前記軸流ファン２０を示す切断平面∨Ｉ−∨Ｉに沿った断面図である。この図は、前記ファンブレード２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれ異なる切断面を示す。図５の切断平面∨Ｉ−∨Ｉが示しているように、前記ファンブレード２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それらの径方向の中心線に対してそれぞれ異なる平面において切断されており、前記中央のブレード２１ｂの切断平面は接線方向断面として見ることができ、前記ハブ傾斜面の径方向内側に位置している。図６における前記ブレード２１ｃの切断面は前記ハブ傾斜面の上方に位置しており、このハブ傾斜面は、この図では参照番号２４で示されている。一方、このハブ傾斜面は、前記ファンブレード２１の裏側に配置されているので、図５では見ることはできない。前記中央のファンブレード２１ｂの切断面から、前記羽根幅ｂ、すなわち前縁部と後縁部との間の距離を見て取ることができる。周方向への前記羽根幅ｂの投影は前記（図示されていない）羽根深さｔとなり、この羽根深さは、径方向領域の全体にわたってほぼ一定であり、すなわち、ブレード後縁部がほぼ直線状に延びている。

その他の特徴および好ましい実施形態については、本出願人による冒頭に挙げた以前の特許出願に係る特許文献１から明らかである。この以前の特許出願は全体が本出願の開示内容に含まれる。従って、有利であり得ることは、前記ファンブレードをそれらのブレード根元部の方向に屈曲し、内側位置にあるその屈曲された領域を前記ハブリングの方へ引き下げることである。この屈曲によって、前記ファンブレードのシャベル状の形態と、ファンブレードとハブリングとの間における応力最適化された移行部とが実現される。

１ ファンブレード
１ａ ブレード後縁部、下流縁部
２ ファンブレード
２ａ ブレード後縁部、下流縁部
３ ハブ傾斜面
４ ハブ傾斜面
５ 窪み
６ 窪み
７ ファンブレード
７ａ ブレード後縁部
７ｂ 輪郭線、拡大された領域
８ ファンブレード
８ａ ブレード後縁部
９ ハブ傾斜面
１０ ハブ傾斜面
１１ 軸流ファン
１２ ハブリング
１３ ファンブレード
１３ａ ハブ傾斜面
１４ ファンブレード
１４ａ ハブ傾斜面
１５ ファンブレード
１５ａ ハブ傾斜面
１６ ブレード後縁部、下流縁部
１６ａ 径方向外側の部分または領域
１６ｂ 径方向内側の部分または領域
１７ ブレード後縁部、下流縁部
１７ａ 径方向外側の部分または領域
１７ｂ 径方向内側の部分または領域
１８ ブレード後縁部、下流縁部
１８ａ 径方向外側の部分または領域
１８ｂ 径方向内側の部分または領域
１９ スタビライザ
２０ 軸流ファン
２１ａ ファンブレード
２１ｂ ファンブレード
２１ｃ ファンブレード
２２ 空気案内要素
２３ 支持リング
２４ ハブ傾斜面
Ｄ 回転方向
Ｄ_ａ ファンブレードの外径
Ｄ_ｉ ハブの外径
Ｌ 気流方向
Ｐ 渦のない流れ
Ｒ 丸い窪み、丸み部、放射状範囲
Ｗ 横方向流および／または後方流
ａ ハブリングの軸方向円在長さ
ｂ 羽根幅
ｔ ブレード深さ、羽根深さ
∨Ｉ−∨Ｉ 切断平面

Claims (11)

1. 自動車の内燃機関に関して冷気を送給するための軸流ファンにおいて、ハブ（１２）に固定されたファンブレード（１３、１４、１５）であって、正圧側および負圧側、後縁部（１６、１７、１８）ならびにブレード深さ（ｔ）を有するファンブレード（１３、１４、１５）を含み、
   前記ファンブレードのそれぞれの正圧側に、前記軸流ファン（１１）の回転方向（Ｄ）とは逆方向に上昇するハブ傾斜面（１３ａ、１４ａ、１５ａ）が対応するファンブレードの正圧側内で配置されており、
   前記後縁部（１６、１７、１８）は前記ハブ傾斜面（１３ａ、１４ａ、１５ａ）の径方向外側に位置する外側領域（１６ａ、１７ａ、１８ａ）と、前記ハブ傾斜面（１３ａ、１４ａ、１５ａ）の径方向内側に位置する内側領域（１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ）とを有し、
   前記後縁部（１６、１７、１８）は前記外側領域（１６ａ、１７ａ、１８ａ）の輪郭である延在部を有し、この延在部が径方向内側に前記ハブ傾斜面の径方向位置を越えて前記内側領域（１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ）内に実質上不変のままで前記ハブに向けて延び、
   前記内側領域（１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ）は径方向の最も内側の領域にて丸い窪み（Ｒ）を有するとともに、該丸い窪み（Ｒ）を介して隣接するハブ傾斜面の自由縁に移行し、
   前記隣接するハブ傾斜面が前記軸線ファンの逆回転方向でみて前記内側領域に隣接しており、
   前記丸い窪み（Ｒ）は、前記後縁部における前記内側領域の径方向長さの３分の１よりも小さいことを特徴とする軸流ファン。
2. 前記丸い窪み（Ｒ）は、前記後縁部における前記内側領域の径方向長さの４分の１よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の軸流ファン。
3. 前記丸い窪み（Ｒ）は、前記後縁部における前記内側領域の径方向長さの５分の１よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の軸流ファン。
4. 前記内側領域（１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ）における前記ブレード深さ（ｔ）が、前記外側領域（１６ａ、１７ａ、１８ａ）における前記ブレード深さ（ｔ）に等しいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸流ファン。
5. 前記後縁部（１６、１７、１８）が、前記外側領域（１６ａ、１６ｂ、１７ａ）および前記内側領域（１７ｂ、１８ａ、１８ｂ）にて前記丸い窪み（Ｒ）を除いて、実質的に直線状の縁として形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の軸流ファン。
6. 前記ファンブレード（２１）の負圧側に、スタビライザとして形成された空気案内要素（２２）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸流ファン。
7. 前記スタビライザ（２２）が前記後縁部（１６、１７、１８）の前記内側領域（１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ）の側に位置付けられていることを特徴とする、請求項６に記載の軸流ファン。
8. 前記ハブが、軸方向の延在長さ（ａ）を有するハブリング（１２）として形成されており、この延在長さが、前記ファンブレード深さ（ｔ）よりも著しく小さいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸流ファン。
9. 前記軸流ファン（１１）が４２％超のハブ比Ｄｉ／Ｄａを有し、ただし、Ｄｉが前記ハブ（１２）の外径であり、Ｄａが前記ファンブレード（１４）の外径であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の軸流ファン。
10. 前記ハブ（１２）の内側に液体摩擦継手が配置されて、前記ハブ（１２）に固定的に結合されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の軸流ファン。
11. 前記ファンブレード（１３、１４、１５）の各々は、前記丸い縁（Ｒ）を有するブレード根元部を有し、
    前記ブレード根元部は、対応するファンブレードの正圧側から離れる方向に斜めに曲げられかつ少なくとも部分的に前記ハブ（１２）へ向かって引き付けられていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の軸流ファン。

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