JP7901552B2 - 冷却ファン及びファン装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却風を生起させる冷却ファン及びファン装置に関する。

近年、持続可能な開発目標（Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｇｏａｌｓ、持続可能な開発のための２０３０アジェンダ、平成２７（２０１５）年９月２５日国連サミット採択、以下「ＳＤＧｓ」という）の推進に向けた取り組みが行われている。それに伴い、持続可能な生産消費形態の確保などのため、廃棄物や不良品の削減などを目指す技術が知られている。

従来より、自動車などに搭載されるラジエータに対面して、冷却ファンが設置されている。そして、冷却ファンが生起させた冷却風をラジエータに供給することによって、エンジンの冷却液を冷却するのが一般的である。

このような用途に利用される冷却ファンとして、例えば特許文献１には、モータに連結されるボスと、ボスの周方向に離間した位置から径方向外向きに突出する複数のブレードと、ボスを囲む環状に構成されて、複数のブレードを連結する連結リングとを備える冷却ファンが開示されている。

特開２０１３－２９０４２号公報

近年、ラジエータに対面して小型の冷却ファンを２つ設置するのに代えて、大型の冷却ファンを１つ設置する構成が採用されつつある。しかしながら、冷却ファンを大型化（大径化）すると回転時の遠心力が大きくなるので、連結リングに生じる応力が増加するという課題がある。

そこで、本発明の目的は、連結リングの剛性を向上させた冷却ファンを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、モータの駆動力によって回転することで冷却風を生起させる冷却ファンにおいて、前記モータに連結されるボスと、前記ボスの周方向に離間した位置から径方向外向きに突出する複数のブレードと、複数の前記ブレードの先端よりも径方向の内側で前記ボスを囲む環状に構成されて、複数の前記ブレードを連結する連結リングと、複数の前記ブレードそれぞれの前記冷却ファンの回転方向の上流側の端部から周方向に延設され、且つ前記連結リングの内周面から径方向内向きに突出する複数の内側リブと、複数の前記ブレードそれぞれの前記回転方向の下流側の端部から周方向に延設され、且つ前記連結リングの外周面から径方向外向きに突出する複数の外側リブとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、連結リングの剛性が向上した冷却ファンを得ることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

ファン装置の正面図（Ａ）及び背面図（Ｂ）である。 ファン装置の正面側から見た分解斜視図である。 冷却ファンの正面図（Ａ）及び背面図（Ｂ）である。 冷却ファンを正面側（Ａ）及び背面側（Ｂ）から見た要部斜視図である。 図３（Ａ）のＡ－Ａ断面図（Ａ）及び矢印Ｂ方向から見た矢視図（Ｂ）である。

以下、本発明の実施形態に係るファン装置の一態様として、例えば自動車などの車両に搭載され、ラジエータ（冷却対象）内を流れるエンジンの冷却水などを冷却するファン装置１について説明する。

（ファン装置１の全体構成）
まず、図１及び図２を参照して、ファン装置１の全体構成を説明する。図１は、ファン装置１の正面図（Ａ）及び背面図（Ｂ）である。図２は、ファン装置１の正面側から見た分解斜視図である。図１及び図２に示すように、ファン装置１は、ファンシュラウド２と、モータ３と、冷却ファン１０とを主に備える。

ファン装置１は、例えば、前後方向においてラジエータと対向するように、エンジンルーム内に設置される。より詳細には、一般的な自動車のエンジンルーム内には、前方から後方に向かって、ラジエータ、ファン装置１、エンジンの順に配置されている。すなわち、ファン装置１は、前後方向においてラジエータ及びエンジンの間に配置されている。以下、ファン装置１の前方側（ラジエータ側）を「正面側」と表記し、ファン装置１の後方側（エンジン側）を「背面側」と表記する。

ファンシュラウド２は、ボルト等によってエンジンルーム内に固定される。また、ファンシュラウド２は、モータ３を支持すると共に、モータ３に取り付けられた冷却ファン１０を収容する。冷却ファン１０は、モータ３の駆動力が伝達されて回転することによって、ファン装置１の正面側から背面側に向かう冷却風を生起させる。

そして、冷却ファン１０が回転することによって、ファン装置１の前方側（すなわち、ラジエータが設置された領域）が負圧になる。これにより、ラジエータが設置された領域にも前方側から後方側に向かう冷却風が生まれる。すなわち、ファン装置１の正面側は、冷却ファン１０が生起させる冷却風の流れの上流側に相当する。一方、ファン装置１の背面側は、冷却ファン１０が生起させる冷却風の流れの下流側に相当する。

（ファンシュラウド２の構成）
ファンシュラウド２は、シュラウド本体４と、モータ支持部５と、複数のステー６とで構成される。ファンシュラウド２は、例えば、樹脂材料を射出成形して一体成形される。シュラウド本体４は、概ね板状の外形を呈する。また、シュラウド本体４には、厚み方向に貫通するファン収容孔７が形成されている。ファン収容孔７は、冷却ファン１０を収容するための円形の貫通孔である。すなわち、ファン収容孔７の直径は、冷却ファン１０の外形寸法（すなわち、複数のブレード１２の先端を結んだ仮想円の直径）より僅かに大きい。

モータ支持部５は、モータ３を支持するために、ファン収容孔７の内部（より詳細には、ファン収容孔７の中央）に配置されている。モータ支持部５は、概ね円弧形状の外形を呈する。複数のステー６は、周方向に離間した位置において、モータ支持部５からシュラウド本体４に向けて放射状に延びている。より詳細には、ステー６は、モータ支持部５と、シュラウド本体４のファン収容孔７を画定する面とを接続する。これにより、モータ支持部５は、ファン収容孔７の中央において、シュラウド本体４に支持される。

（モータ３の構成）
モータ３は、冷却ファン１０を回転させる駆動力を発生させる。本実施形態に係るモータ３は、アウターロータ側のブラシレスモータである。また、モータ３は、ブラシレスモータを制御するドライバ回路が一体化された、所謂「機電一体型」の電動モータである。モータ３は、ファンシュラウド２の背面側からモータ支持部５に取り付けられる。このとき、モータ３のロータは、モータ支持部５を通じてファンシュラウド２の正面側に突出する。そして、モータ３のロータは、冷却ファン１０のボス１１に連結される。

（冷却ファン１０の構成）
冷却ファン１０は、ファンシュラウド２の正面側からモータ３のロータに連結される。また、冷却ファン１０は、ファンシュラウド２のファン収容孔７に収容される。そして、冷却ファン１０は、モータ３の駆動力が伝達されることによって、ファン装置１の正面側から背面側（すなわち、厚み方向）に向かって延びる回転軸線周りに、図１（Ａ）の時計回りに回転する。以下、図１（Ａ）の時計回りを「冷却ファン１０の回転方向（単に「回転方向」と表記することもある。）」と表記する。冷却ファン１０は、例えば、樹脂材料を射出成形して一体成形される。但し、冷却ファン１０の構成材料及び製造方法の組み合わせは、前述の例に限定されない。

図３は、冷却ファン１０の正面図（Ａ）及び背面図（Ｂ）である。図４は、冷却ファン１０を正面側（Ａ）及び背面側（Ｂ）から見た要部斜視図である。図５は、図３（Ａ）のＡ－Ａ断面図（Ａ）及び矢印Ｂ方向から見た矢視図（Ｂ）である。図１～図５に示すように、冷却ファン１０は、ボス１１と、複数（本実施形態では、９枚）のブレード１２と、連結リング１３と、複数の内側リブ１４と、複数の外側リブ１５とを主に備える。

ボス１１は、モータ３のロータに連結される部分である。ボス１１は、概ね有底円筒体形状の外形を呈する。より詳細には、ボス１１は、円盤部１１ａと、円筒部１１ｂとで構成される。円盤部１１ａは、円筒部１１ｂの正面側の端部を閉塞する部分である。円盤部１１ａには、冷却ファン１０をモータ３のロータに固定するためのボルトが挿通されるボルト穴が形成されている。円筒部１１ｂは、円盤部１１ａの外縁からモータ３側に向けて突出する部分である。また、円筒部１１ｂの外周面には、複数のブレード１２が取り付けられる。

複数のブレード１２は、ボス１１（円筒部１１ｂ）の外周面の周方向に離間した位置に配置されている。また、複数のブレード１２は、各々が径方向外向きに突出している。また、複数のブレード１２のピッチ（周方向に隣接する２つのブレード１２の間隔）は、ブレード１２毎に異なっていてもよい。また、ブレード１２の迎角は、基端部（ボス１１との接続部）で最も大きく、先端（径方向外側）に向かって徐々に小さくなっている。さらに、ブレード１２の翼弦長は、基端部で最も短く、先端に向かって徐々に長くなっている。

本実施形態に係るブレード１２は、所謂「後退前進翼」である。すなわち、ブレード１２は、基端側が後退翼（遅れ角が設定されている）で、先端側が前進翼（進み角が設定されている）となっている。但し、ブレード１２の形状は特に限定されず、前進翼、後退翼、前進後退翼などでもよい。

前進翼とは、冷却ファン１０の回転中心から半径方向の翼断面弦長中心に伸ばした垂線を基準として、回転方向に進み角を持つ翼形状である。後退翼とは、冷却ファン１０の回転中心から半径方向の翼断面弦長中心に伸ばした垂線を基準として、回転方向に遅れ角を持つ翼形状である。後退前進翼とは、ブレード１２の根元からブレード１２の先端にかけて後退翼から前進翼へと切り替わる翼形状である。前進後退翼とは、ブレード１２の根元からブレード１２の先端にかけて前進翼から後退翼へと切り替わる翼形状である。

連結リング１３は、冷却ファン１０の回転軸線を中心とする円環形状である。また、連結リング１３は、冷却ファン１０の回転軸線方向に延びる円筒形状である。そして、連結リング１３は、ボス１１を囲むように配置されている。より詳細には、連結リング１３は、ボス１１の円筒部１１ｂと同心円状に配置されている。

また、連結リング１３は、複数のブレード１２それぞれに連結されている。より詳細には、連結リング１３は、複数のブレード１２それぞれの前進翼部分に連結されている。換言すれば、連結リング１３は、複数のブレード１２を相互に連結している。そして、連結リング１３は、冷却ファン１０の回転時に生じる遠心力によって、ブレード１２がバタつくのを抑制する補強部材として機能する。

なお、連結リング１３の直径は、ボス１１の直径より大きく、複数のブレード１２の先端を結んだ仮想円の直径より小さい。すなわち、複数のブレード１２は、連結リング１３からさらに径方向外向きに突出している。

内側リブ１４は、複数のブレード１２それぞれに設けられている。より詳細には、内側リブ１４は、ブレード１２の回転方向の上流側の端部に接続されている。また、内側リブ１４は、連結リング１３の内周面に接続されている。そして、内側リブ１４は、ブレード１２から周方向（回転方向の上流側）に延設され、且つ連結リング１３から径方向内向きに突出している。そして、内側リブ１４は、冷却ファン１０の回転時に生じる遠心力によって、連結リング１３がバタつくのを抑制する補強部材として機能する。

また、図３に示すように、内側リブ１４は、ブレード１２の回転方向の上流側の端部から遠ざかるほど、連結リング１３の内周面からの突出量が徐々に小さくなる。すなわち、内側リブ１４は、冷却ファン１０の回転軸線方向から見ると、概ね三角形状の外形を呈する。また、冷却ファン１０の回転軸線方向から見たときの内側リブ１４の大きさは、例えばブレード１２のピッチに合わせて、互いに異なっていてもよい。但し、内側リブ１４は、冷却ファン１０の回転軸線方向から見たときに、回転方向の上流側に隣接するブレード１２と重ならない大きさに設定されるのが望ましい。

また、図４及び図５に示すように、内側リブ１４は、回転軸線方向における連結リング１３の中央（図５（Ａ）に一点鎖線で示す直線Ｌ）より冷却風の流れの下流側（すなわち、背面側）に配置されている。さらに、図５に示すように、内側リブ１４は、冷却ファン１０の回転軸線に直交している。換言すれば、内側リブ１４の迎角は９０°となっている。すなわち、内側リブ１４は、冷却風を生起させるブレードとしての機能を有していない。

外側リブ１５は、複数のブレード１２それぞれに設けられている。より詳細には、外側リブ１５は、ブレード１２の回転方向の下流側の端部に接続されている。また、外側リブ１５は、連結リング１３の外周面に接続されている。そして、外側リブ１５は、ブレード１２から周方向（回転方向の下流側）に延設され、且つ連結リング１３から径方向外向きに突出している。そして、外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転時に生じる遠心力によって、連結リング１３がバタつくのを抑制する補強部材として機能する。

また、図３に示すように、外側リブ１５は、ブレード１２の回転方向の下流側の端部から遠ざかるほど、連結リング１３の外周面からの突出量が徐々に小さくなる。すなわち、外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転軸線方向から見ると、概ね三角形状の外形を呈する。また、冷却ファン１０の回転軸線方向から見たときの外側リブ１５の大きさは、例えばブレード１２のピッチに合わせて、互いに異なっていてもよい。但し、外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転軸線方向から見たときに、回転方向の下流側に隣接するブレード１２と重ならない大きさに設定されるのが望ましい。

また、図４及び図５に示すように、外側リブ１５は、回転軸線方向における連結リング１３の中央（図５（Ｂ）に一点鎖線で示す直線Ｌ）より冷却風の流れの上流側（すなわち、正面側）に配置されている。さらに、図５に示すように、外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転軸線に直交している。換言すれば、外側リブ１５の迎角は９０°となっている。すなわち、外側リブ１５は、冷却風を生起させるブレードとしての機能を有していない。

すなわち、内側リブ１４及び外側リブ１５は、連結リング１３の内周面側及び外周面側において、ブレード１２から冷却ファン１０の回転方向の反対側に延びている。また、周方向に隣接する２つのブレード１２の間において、内側リブ１４及び外側リブ１５は、連結リング１３の内周面側及び外周面側において、互いに近接するように延びている。さらに、内側リブ１４及び外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転軸線方向にずれて配置されている。

また、複数の内側リブ１４は、冷却ファン１０の回転バランスの偏りを相殺するように、冷却ファン１０の回転軸線方向の厚み寸法が互いに異なっていてもよい。同様に、複数の外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転バランスの偏りを相殺するように、冷却ファン１０の回転軸線方向の厚み寸法が互いに異なっていてもよい。すなわち、内側リブ１４及び外側リブ１５は、冷却ファン１０の回転バランスを調整するためのウェイトとして機能する。内側リブ１４及び外側リブ１５の厚み寸法を変更する方法は特に限定されないが、例えば以下の方法が考えられる。

まず、複数の内側リブ１４の厚み寸法を同一とし、複数の外側リブ１５の厚み寸法を同一とした冷却ファン１０を射出成形によって試作する。冷却ファン１０を射出成形するための金型は、例えばインサートを入れ替えることによって、複数の内側リブ１４及び複数の外側リブ１５の厚み寸法を１つずつ調整可能に構成されているものとする。

次に、試作した冷却ファン１０を実際に回転させて、回転バランスを計測する。回転バランス計測する方法は既に周知なので、説明を省略する。次に、計測した回転バランスの偏りを相殺するように、金型のインサートを入れ替えて、一部の内側リブ１４または一部の外側リブ１５の厚み寸法を増減させる。そして、インサートを入れ替えた後の金型を用いて冷却ファン１０を量産することによって、回転バランスの偏りが少ない冷却ファン１０が得られる。

上記の実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。

上記の実施形態によれば、連結リング１３の内周面及び外周面に沿って、ブレード１２から周方向に延びる内側リブ１４及び外側リブ１５によって、冷却ファン１０の回転時に連結リング１３に負荷される遠心力の一部を支持することができる。これにより、連結リング１３に生じる応力を低減することができる。その結果、冷却ファン１０を大径化したとしても、回転時の遠心力に対抗する剛性を確保することができるので、冷却ファン１０の長寿命化に寄与する。

また、連結リング１３に負荷される遠心力の一部を内側リブ１４及び外側リブ１５で支持することによって、連結リング１３単体で必要な剛性を確保する必要がないので、連結リング１３の肉厚や軸方向の幅の増大を抑えることができる。そして、内側リブ１４及び外側リブ１５を離散的に設ける構成によれば、全周に亘って連結リング１３の肉厚や軸方向の幅を増大させる場合と比較して、冷却ファン１０を形成するための樹脂量が減少し、冷却ファン１０の軽量化にも寄与する。

また、上記の実施形態によれば、内側リブ１４及び外側リブ１５それぞれの連結リング１３からの突出量を漸減する（換言すれば、三角形状にする）ことによって、径方向において内側リブ１４及び外側リブ１５が風を切るタイミングをずらすことができる。これにより、内側リブ１４の周辺に発生する乱流剥離渦、外側リブ１５の周辺に発生する層流剥離渦が低減されるので、冷却ファン１０の回転に伴う騒音を低減できる。

また、上記の実施形態によれば、内側リブ１４及び外側リブ１５を回転軸線方向にずらして配置することによって、連結リング１３の補強効果をさらに高めることができる。また、内側リブ１４及び外側リブ１５の迎角を９０°とすることによって、余分な冷却風が発生しないので、さらに騒音を低減できる。

また、上記の実施形態によれば、冷却ファン１０の回転バランスを調整するためのウェイトとして、内側リブ１４及び外側リブ１５を利用することによって、別体のウェイトを省略することができる。これにより、部品点数の削減に寄与する。また、内側リブ１４及び外側リブ１５の厚み寸法を調整した金型を用いて、冷却ファン１０を量産することによって、完成後の冷却ファン１０の回転バランスを個別に調整する必要がないので、冷却ファン１０の製造工程が簡素化される。さらに、内側リブ１４及び外側リブ１５を冷却ファン１０の回転軸線方向にずれて配置したことによって、冷却ファン１０の厚み方向の両側（すなわち、二面）で回転バランスを調整することができる。

また、上記の実施形態によれば、複数のブレード１２の先端を結んだ仮想円の直径より、連結リング１３の直径を小さくしている。換言すれば、連結リング１３は、ブレード１２の径方向の中間に配置されている。これにより、ブレード１２の先端（すなわち、最外周）に連結リング１３を設ける場合と比較して、冷却ファン１０の直径を小さくすることができる。さらに、連結リング１３をブレード１２の中間に配置したことで、内側リブ１４のみならず、外側リブ１５でも連結リング１３を補強することができる。その結果、連結リング１３の剛性がさらに向上する。

さらに、上記の実施形態では、エンジンによって駆動される車両にファン装置１を搭載する例を説明したが、ファン装置１を搭載する車両は電動モータによって駆動されるものでもよい。また、上記の実施形態では、ファン装置１の冷却対象として、ラジエータの例を説明したが、ファン装置１の冷却対象はこれに限定されない。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、本実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、本実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ ファン装置
２ ファンシュラウド
３ モータ
４ シュラウド本体
５ モータ支持部
６ ステー
７ ファン収容孔
１０ 冷却ファン
１１ ボス
１１ａ 円盤部
１１ｂ 円筒部
１２ ブレード
１３ 連結リング
１４ 内側リブ
１５ 外側リブ

Claims (6)

1. モータの駆動力によって回転することで冷却風を生起させる冷却ファンにおいて、
   前記モータに連結されるボスと、
   前記ボスの周方向に離間した位置から径方向外向きに突出する複数のブレードと、
   複数の前記ブレードの先端よりも径方向の内側で前記ボスを囲む環状に構成されて、複数の前記ブレードを連結する連結リングと、
   複数の前記ブレードそれぞれの前記冷却ファンの回転方向の上流側の端部から周方向に延設され、且つ前記連結リングの内周面から径方向内向きに突出する複数の内側リブと、
   複数の前記ブレードそれぞれの前記回転方向の下流側の端部から周方向に延設され、且つ前記連結リングの外周面から径方向外向きに突出する複数の外側リブとを備えることを特徴とする冷却ファン。
2. 請求項１に記載の冷却ファンにおいて、
   複数の前記内側リブそれぞれは、前記ブレードの前記回転方向の上流側の端部から遠ざかるほど、前記連結リングの内周面からの突出量が小さくなり、
   複数の前記外側リブそれぞれは、前記ブレードの前記回転方向の下流側の端部から遠ざかるほど、前記連結リングの外周面からの突出量が小さくなることを特徴とする冷却ファン。
3. 請求項１に記載の冷却ファンにおいて、
   複数の前記内側リブそれぞれは、前記連結リングの厚み方向の中央より冷却風の流れの下流側に配置され、
   複数の前記外側リブそれぞれは、前記連結リングの厚み方向の中央より冷却風の流れの上流側に配置されていることを特徴とする冷却ファン。
4. 請求項３に記載の冷却ファンにおいて、
   複数の前記内側リブ及び複数の前記外側リブそれぞれは、前記冷却ファンの回転軸線に直交していることを特徴とする冷却ファン。
5. 請求項１に記載の冷却ファンにおいて、
   複数の前記内側リブ及び複数の前記外側リブの少なくとも一方は、前記冷却ファンの回転バランスの偏りを相殺するように、前記冷却ファンの回転軸線方向の厚み寸法が互いに異なることを特徴とする冷却ファン。
6. ファンシュラウドと、
   前記ファンシュラウドに支持されて、駆動力を発生させるモータと、
   前記ボスが前記モータに連結されて回転する請求項１に記載の冷却ファンとを備えることを特徴とするファン装置。