JP6556441B2 - 車両用ファン - Google Patents

Description

本発明は、車両に用いられる軸流式の車両用ファンに関する。

例えば特許文献１のように、車両に用いられる軸流式の車両用ファンとして、ラジエーターを冷却するファンがある。このファンは、ラジエーターの後方に位置し、ラジエーターを通じて外気を吸引する。ファンは、回転軸が連結されるボス部と、ボス部から放射状に延びる複数のブレードとを備え、エンジンの出力を利用して駆動される。各ブレードは、ファンの回転方向に対して傾斜しており、一方の面が回転方向の前方側に臨む正圧面に設定され、他方の面が回転方向の後方側に臨む負圧面に設定される。

特開２０１３−０６０９２９号公報

ところで、ファンが回転しはじめると、各ブレードでは、負圧面の表面に沿うように空気の流れが形成される。この空気の流れは、ファンが所定の回転数に到達すると負圧面から剥離し、ファンの回転抵抗を大幅に増加させる。こうした回転抵抗の増加は、ラジエーターを冷却するファンに限らず、他の用途に用いられるファンにも共通する。

本発明は、空気の剥離に起因した回転抵抗の増加を抑えることが可能な車両用ファンを提供することを目的とする。

上記課題を解決する車両用ファンは、回転軸が連結されるボス部と、前記ボス部に連結される基端縁部を有し、前記ボス部から放射状に延びて回転方向に対して傾斜するブレードと、を備え、前記ブレードは、前記回転方向の後方側に臨む負圧面を有するブレード本体と、前記負圧面に形成された凸状あるいは凹状の条部と、を有し、前記条部の少なくとも１つは、前記負圧面のうちで前記ブレード本体の基端縁部よりも先端縁部に近い領域に位置し、前記回転方向の後方側に位置する後縁部から前記回転方向の前方側に位置する前縁部に向かって延びたのちに先端縁部側へ曲がっている。

負圧面の表面において、ブレード本体の基端縁部よりも先端縁部に近い領域を流れる空気は、先端縁部と前縁部とがなす角部において前縁部から先端縁部に向かって流れるを傾向を有し、それ以外の部分においては基端縁部から先端縁部へ向かって流れる傾向を有する。

上記構成によれば、負圧面の表面における空気の流れと交差するように条部が延びている。そのため、条部を通過することによって負圧面の表面に微小な渦流が形成されることで乱流境界層が形成される。これにより、負圧面から空気が剥離しにくくなることから、空気の剥離に起因した回転抵抗の増加が抑えられる。

上記車両用ファンは、前記負圧面に、複数の前記条部が形成されることが好ましい。
上記構成によれば、乱流境界層が形成される範囲が拡がることから、負圧面から空気が剥離しにくくなる。

上記車両用ファンにおいて、前記条部は、前記負圧面における空気の流線に対して直交するように延びていることが好ましい。
上記構成によれば、条部によって微小な渦流が生成されやすくなり、負圧面から空気が剥離しにくくなる。

上記車両用ファンは、前記条部の一端部が前記後縁部に位置し、かつ、前記条部の他端部が前記先端縁部あるいは前記前縁部に位置することが好ましい。
上記構成によれば、乱流境界層が形成される範囲がさらに拡がる。
上記車両用ファンにおいて、前記条部が凸状であることが好ましい。
上記構成によれば、空気の剥離に起因した回転抵抗の増加を抑えつつ、車両用ファンの機械的な強度が高められる。

一実施形態の車両用ファンが搭載された冷却システムの概略構成を示す概略断面図である。 ファンの斜視構造の一例を示す斜視図である。 （ａ）は凸条部が形成されていないファンにおける負圧側の空気の流れを解析した結果の一例を示す平面図であり、（ｂ）は特定のブレードの負圧面における解析の結果を拡大して示す平面図である。 空気の流線と凸条部の延出方向との関係を示す平面図である。 基準のブレードとは異なるブレードにおいて空気の流線と凸条部の延出方向との関係を示す平面図である。 （ａ）は凸条部が形成されていないファンにおける負圧側の空気の流れを解析した結果の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は他の例における空気の流線と凸条部の延出方向との関係を示す平面図である。 負圧面における空気の流れを模式的に示す断面図である。 変形例において凹状の条部の一例を示す断面図である。

図１〜図７を参照して、車両用ファンの一実施形態について説明する。
図１に示すように、この車両用ファンは、車両用の冷却システム１０に用いられる。この冷却システム１０は、エンジン１１の前方であって、かつ、ラジエーター１２の後方に位置してエンジン１１の出力軸１３にファンクラッチを介して連結される車両用ファン１５（以下、単にファン１５という。）を備える。また、冷却システム１０は、ラジエーター１２の外周部分およびファン１５の外周部分を覆うことでラジエーター１２とファン１５との間に通風路１６を形成するシュラウド１７を備える。

ファン１５は、エンジン１１の出力軸１３に対してファンクラッチを介して連結されるボス部１８と、ボス部１８に一体的に形成されてボス部１８から放射状に延びる複数のブレード１９とを備える。ファン１５は、例えば耐熱性に優れたガラス繊維入りポリプロピレン等の樹脂材料によって、ボス部１８と複数のブレード１９とが一体的に成型されている。ファン１５は、ファンクラッチが接続状態に制御されているときにエンジン１１から回転力が付与され、ラジエーター１２を通じて外気を吸引することでラジエーター１２を冷却する。ファン１５から吐出された空気は、エンジン１１を避けるようにエンジン１１の周りに向かって流れる。

図２に示すように、ファン１５のボス部１８は、ラジエーター１２側に臨む円形の前面１８ｆと、ブレード１９が連結された外周面１８ｓとを有する。各ブレード１９は、回転方向Ｒに対して傾斜しているブレード本体２０を有する。ブレード本体２０において、エンジン１１側に臨む面は、ファン１５の回転方向の前方側に臨む正圧面２０ｐである。また、ラジエーター１２側に臨む面は、ファン１５の回転方向の後方側に臨む負圧面２０ｓである。ブレード本体２０は、ボス部１８の外周面１８ｓに連結される基端縁部１９ａと、ファン１５の外周部分を構成する先端縁部１９ｂと、回転方向Ｒの前方側に位置する前縁部１９ｃと、回転方向Ｒの後方側に位置する後縁部１９ｄとを有する。各ブレード本体２０の負圧面２０ｓには、条部として複数の凸条部２５が形成されている。

各凸条部２５は、例えば半円状の断面形状を有し、互いに交差することなく延びている。凸条部２５の延出方向は、凸条部２５が形成されていない負圧面２０ｓの表面における空気の流れを解析した結果に基づき設定される。

なお、図３（ｂ）に示すように、負圧面２０ｓは、二点鎖線２６によって領域２７と領域２８とに区画される。具体的に、領域２７は、負圧面２０ｓのうちで基端縁部１９ａよりも先端縁部１９ｂに近い部位で構成され、先端縁部１９ｂを含む先端側領域である。領域２８は、負圧面２０ｓのうちで先端縁部１９ｂよりも基端縁部１９ａに近い部位で構成され、基端縁部１９ａを含む基端側領域である。また、領域２７において二点鎖線２９で区画された角部３０は、先端縁部１９ｂのうちで後縁部１９ｄ側の端部よりも前縁部１９ｃ側の端部に近い部位と、前縁部１９ｃのうちで基端縁部１９ａ側の端部よりも先端縁部１９ｂ側の端部に近い部位とによって挟まれる領域である。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、ファン１５の負圧側における空気の流線を示す平面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、凸条部２５が形成されていない負圧面２０ｓを流れる空気は、以下に示す（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の傾向を有する。

（Ａ）領域２７の平均流速は、領域２８の平均流速よりも大きい。
（Ｂ）角部３０では、前面１８ｆ側からの平面視にて、前縁部１９ｃから先端縁部１９ｂに向けて斜めに空気が流れる。

（Ｃ）領域２７において、角部３０以外の領域では、ボス部１８の前面１８ｆ側からの平面視にて、基端縁部１９ａから先端縁部１９ｂに向けて空気が流れる。
（Ｄ）領域２８において、先端縁部１９ｂ側の領域では、前面１８ｆ側からの平面視にて、基端縁部１９ａから先端縁部１９ｂに向かって空気が流れる。

図４に示すように、凸条部２５の延出方向は、複数のブレード１９のなかから選択された任意の１つのブレード１９を基準ブレード１９Ａとして、その基準ブレード１９Ａの負圧面２０ｓにおける流線に対して直交するように設定される。

これにより、領域２７には、後縁部１９ｄから前縁部１９ｃに向かって延びたのちに先端縁部１９ｂ側に湾曲し、角部３０を通って先端縁部１９ｂあるいは前縁部１９ｃまで延びる凸条部２５が設定される。この凸条部２５では、一端部が後縁部１９ｄに位置し、かつ、他端部が先端縁部１９ｂあるいは前縁部１９ｃに位置する。また、領域２８には、先端縁部１９ｂ側の部分に、後縁部１９ｄから前縁部１９ｃに向かって延びる凸条部２５が設定される。この凸条部２５では、一端部が後縁部１９ｄに位置し、かつ、他端部が前縁部１９ｃに位置する。なお、凸条部２５の断面形状は、例えば、ファン１５に要求される機械的強度とブレード本体２０の厚さとの関係に基づき設定されることが好ましい。

図５は、基準のブレードとは異なるブレードの解析結果に対して凸条を重ね合わせて示した平面図である。図５に示すように、基準ブレード１９Ａとは異なるブレード１９Ｂにおいても、上記（Ａ）〜（Ｄ）に示した傾向が共通することから、凸条部２５が空気の流線に対して交差するように延びていることが確認できる。

図６（ａ）は凸条が形成されていないファンにおける負圧側の空気の流れを解析した結果の他の例を示す平面図である。図６（ａ）に示すように、他の例においても、上記（Ａ）〜（Ｄ）に示した傾向を有することが確認された。そして、図６（ｂ）に示すように、負圧面２０ｓに対して凸条部２５を重ね合わせてみると、凸条部２５が空気の流線に対して交差するように延びていることが確認できる。

図７を参照して、上述したファン１５の作用について説明する。
図７に示すように、ファン１５が回転すると負圧面２０ｓの表面に沿うように空気が流れる。そして、空気が流れる方向と凸条部２５の延出方向とが交差することから、凸条部２５を通過した空気によって凸条部２５の背部に微小な渦流が形成される。こうした微小な渦流が形成されることによって、負圧面２０ｓの表面に乱流境界層が形成され、負圧面２０ｓから空気が剥離しにくくなる。

上記実施形態の車両用ファン１５によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）凸条部２５によって負圧面２０ｓからの空気の剥離が抑えられることから、ファン１５の回転抵抗の増加が抑えられる。

（２）回転抵抗の増加が抑えられることで、ファン１５の駆動時におけるエンジン１１の燃料消費量が低減される。
（３）例えばファン１５の運転効率が最も低くなる運転条件での空気の流れに基づいて凸条部２５の延出方向が設定されることにより、ファン１５の運転効率の低下が効率よく抑えられる。

（４）複数の凸条部２５が形成されていることで、乱流境界層が形成される範囲が拡がる。その結果、負圧面２０ｓから空気がさらに剥離しにくくなる。
（５）凸条部２５は、負圧面２０ｓにおける空気の流線に対して直交するように延びている。その結果、負圧面２０ｓにおいて乱流境界層が形成されやすくなる。

（６）凸条部２５は、後縁部１９ｄから先端縁部１９ｂあるいは前縁部１９ｃまで延びていることから、負圧面２０ｓにおいて乱流境界層が形成される範囲がさらに拡がる。
（７）条部が凸条部２５であることから、負圧面２０ｓにおける空気の剥離を抑えつつ、ブレード１９の機械的強度の向上が図られる。

（８）ファン１５は、ラジエーター１２とエンジン１１との間に位置している。また、ファン１５の外周部分もシュラウド１７によって覆われている。そのため、ファン１５の形状は、ラジエーター１２とエンジン１１との隙間の大きさやファン１５の周りに配設された他の部品等によって制約される。

この点、上記構成では、凸条部２５によって空気の剥離に起因した回転抵抗が抑えられることから、所定の回転数において所定の風量を得るうえでファン１５の形状に関する自由度が向上する。その結果、ファン１５の薄型化や小型化を図ることができる。なお、ファン１５の形状に関する設計事項としては、例えば、ボス部１８の形状や大きさ、ブレード本体２０の形状や大きさ、ならびに、ブレード本体２０の傾斜角度が挙げられる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・図８に示すように、条部は、凸条部２５に限らず、負圧面２０ｓに凹設される凹条部３１であってもよい。こうした構成であっても、凹条部３１付近に微小な渦流が形成され、上記（１）に記載した効果が得られる。

・ブレード本体２０には、条部として凸条部と凹条部とが形成されてもよい。
・条部が有する２つの端部は、いずれか一方が縁部に位置していなくともよい。
・条部の延出方向は、負圧面２０ｓにおける空気の流線と交差する方向に設定されればよく、基準のブレード１９の負圧面２０ｓにおける流線に対して直交する方向に限られない。条部は、領域２７において、後縁部１９ｄから前縁部１９ｃに向かって延びたのちに先端縁部１９ｂ側へ曲がる形状を有していればよい。

・条部の延出方向は、基準となるブレード１９の流れ解析の結果に基づき設定されるに限らず、例えば、各ブレード１９の各々における流れ解析の結果に基づいて、ブレード１９ごとに設定されてもよい。

・各ブレード１９に形成される条部には、領域２７に位置して、後縁部１９ｄから前縁部１９ｃに向かって延びたのちに先端縁部１９ｂ側へ曲がる形状を有する条部が含まれていればよい。そのため、条部は、先端縁部１９ｂ側へなだらかに曲がっていてもよいし、先端縁部１９ｂ側へ急激に曲がっていてもよい。また、その個数は１以上であればよい。たとえ１つであったとしても、負圧面２０ｓからの空気の剥離が抑えられる。

・車両用ファンは、ラジエーター１２の冷却に用いられるファン１５に限らず、車両に用いられる軸流式のファンであればよい。
・車両用ファンは、機械式のファンに限らず、電動式のファンであってもよい。

Ｒ…回転方向、１０…冷却システム、１１…エンジン、１２…ラジエーター、１３…出力軸、１５…車両用ファン、１６…通風路、１７…シュラウド、１８…ボス部、１８ｆ…前面、１８ｓ…外周面、１９…ブレード、１９ａ…基端縁部、１９ｂ…先端縁部、１９ｃ…前縁部、１９ｄ…後縁部、１９Ａ…基準ブレード、２０…ブレード本体、２０ｐ…正圧面、２０ｓ…負圧面、２５…凸条部、２６…二点鎖線、２７，２８…領域、２９…二点鎖線、３０…角部、３１…凹条部。

Claims (1)

1. エンジンの前方であって、かつ、ラジエーターの後方に位置するとともに、前記ラジエーターの後方に通風路を形成するシュラウドに外周部分が覆われた車両用ファンであって、
   回転軸が連結されるボス部と、
   前記ボス部に連結される基端縁部と前記車両用ファンの外周部分を構成する先端縁部とを有し、前記ボス部から放射状に延びて回転方向に対して傾斜するブレードと、を備え、
   前記ブレードは、
   前記回転方向の後方側に臨む負圧面を有するブレード本体と、
   前記負圧面に形成された凸状の条部と、を有し、
   前記負圧面は、
   前記先端縁部よりも前記基端縁部に近い基端側領域と前記基端縁部よりも前記先端縁部に近い先端側領域とを有し、
   前記ブレード本体は、
   前記基端縁部と、
   前記先端縁部と、
   前記回転方向における前方側にて前記基端縁部と前記先端縁部とを連結する前縁部と、
   前記回転方向における後方側にて前記基端縁部と前記先端縁部とを連結する後縁部と、を有し、
   前記ボス部の前面側からの平面視において、
   前記先端縁部は、前記回転方向において前記基端縁部よりも長く、
   前記前縁部は、前記ボス部の中心軸に対する放射方向に沿うように延びており、
   前記後縁部は、前記基端側領域に位置する部分が前記ボス部の中心軸に対する放射方向に沿うように延びており、前記先端側領域に位置する部分が前記先端縁部寄りの部位ほど前記回転方向における前方側に位置するように延びており、
   前記条部は、
   前記基端側領域に形成された条部と、前記先端側領域に形成された条部と、前記基端側領域と前記先端側領域とに跨って形成された条部とを含み、前記負圧面における空気の流線に対して直交するように連続的に延びており、
   前記基端側領域に形成された条部は、
   前記後縁部に一端部を有し、かつ、前記前縁部に他端部を有し、前記後縁部から前記前縁部に向かって延びる条部であり、
   前記先端側領域に形成された条部、および、前記基端側領域と前記先端側領域とに跨って形成された条部は、
   前記後縁部に一端部を有し、かつ、前記先端縁部あるいは前記前縁部に他端部を有し、前記後縁部から前記前縁部に向かって延びたのちに先端縁部側へ曲がっている条部である
   車両用ファン。