JPH0587095A - 内燃機関の冷却フアン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送風量を内燃機関の熱負荷に合わせて変化さ
せることを可能とし、軽量化及び耐久性の向上を図る。 【構成】 冷却ファン１の翼９を基材１０と、炭素繊維
を主成分とする繊維材料１１とから構成する。繊維材料
１１は、基材１０の一側面においては上半分を覆うよう
に、他側面においては下半分を覆うように、かつ、残り
の露出した基材１０と面一になるように取着する。基材
１０と繊維材料１１とは熱膨張率が異なっているため、
温度が低い場合には翼角θが小さくなるように翼９が変
形し、また、温度が高い場合には翼角θが大きくなるよ
うに翼９が変形する。従って、低温時には冷却ファン１
の回転抵抗が小さくなるとともに、送風量が少なくな
り、過剰な冷却が抑制される。また、高温時には送風量
が増大され、冷却力が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関の冷却を行
うために回転駆動される内燃機関の冷却ファンに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の技術として、例えば実開
昭６８−１８０１７号公報に開示された「内燃機関の冷
却ファン」が知られている。この技術では、冷却ファン
のブレード（翼）にその翼の材質とは熱変形特性の異な
る金属板等の板材を貼り合わせることにより、冷却風の
温度上昇に基づく板材の変形力で翼のねじれ角、すなわ
ち翼角を増すようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記従来技
術においては、スチール製の翼面の一部に異種材である
金属板を貼り合わせる構造となっている。従って、その
張り合わせた金属板がその肉厚分だけ翼面から突出し、
翼の回転抵抗となっていた。特に、ファンの高速回転時
には、金属板の突出部分による空気抵抗の増大に伴い、
エネルギーの損失を招くとともに、乱流を生じさせるこ
とになった。その結果、実際には、翼角の増大に伴う送
風量の増大効果は相殺され、板材を貼り合わせない通常
の冷却ファンの送風量とさほど変わらない場合があっ
た。

【０００４】また、従来技術では、翼面の局部に異種材
を貼り合わせて接合していることから、熱サイクル、つ
まり、低温・高温の繰り返しに伴う歪み応力は、翼と金
属板との接合面に集中しやすい。そのため、長期的には
翼と金属板との接合界面に剥離が生じたり、翼自体に亀
裂が発生するおそれがあった。

【０００５】さらに、従来技術では、金属板の如き比重
の大きな材料を張り合わせているので、ファン回転時の
遠心力が増大することになる。そのため、翼の高強度化
が必要となり、結果的に翼の厚さを増大させる必要が生
じ、重量の増加を招くことになった。

【０００６】この発明は前述した事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、内燃機関の熱負荷に合わせ
て送風量を効率良く変化させることが可能で、かつ、軽
量化及び耐久性の向上を図ることが可能な内燃機関の冷
却ファンを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明においては、ボスを中心に複数枚の翼を備
えるとともに、内燃機関の冷却を行うために回転駆動さ
れる内燃機関の冷却ファンにおいて、冷却風の温度上昇
に伴って翼の角度を増大すべく、翼の基材とは熱膨張率
の異なる繊維材料を翼の基材に複合させるようにしてい
る。

【０００８】

【作用】上記の構成によれば、冷却風の温度上昇に伴っ
て翼の角度を増大すべく翼の基材とは熱膨張率の異なる
繊維材料を翼の基材に複合させている。そのため、熱膨
張率の差から、冷却風温度の低い場合には翼角が小さ
く、また、冷却風温度の高い場合には翼角が大きくなる
ように各翼が撓む。このとき、繊維材料は翼の基材から
突出せず一体となって複合されるので、翼回転時の抵抗
とならず、しかも、剥離、亀裂等が生じにくい。従っ
て、低温時にはファンの回転抵抗が小さくなるととも
に、送風量が少なくなり、確実に過剰な冷却が抑制され
る。また、高温時には送風量が増大され、確実に冷却力
が向上する。さらに、全体として軽量なものとなり、翼
の駆動力が節約される。

【０００９】

【実施例】以下、この発明における内燃機関の冷却ファ
ンを具体化した一実施例を図１〜７に基づいて詳細に説
明する。

【００１０】図４に示すように、この実施例における冷
却ファン１は、内燃機関としてのエンジン２の冷却水の
放熱を行うラジエータ３の背面に配置される。この冷却
水はラジエータ３にて冷却された後、ウォータポンプ室
４に導入され、同室４内のウォータポンプ５により、ウ
ォータジャケット６内に圧送される。そして、エンジン
２を冷却すべくウォータジャケット６を循環した後、再
びラジエータ３に導入されるようになっている。また、
冷却ファン１はエンジン２の回転に伴ってクランク軸に
連結されたファンベルト７により駆動され、走行風や外
気（以下、これらを総称して冷却風という）を取入れて
ラジエータ３の放熱作用を促進させるようになってい
る。

【００１１】図１は冷却ファン１を示す正面図であり、
図２はその冷却ファン１の側面図である。これらの図に
示すように、冷却ファン１はその内部に図示しないボー
ルベアリングがインサートされたボス８と、このボス８
を中心として周方向に延びる８枚の翼９とにより形成さ
れる。この実施例において、冷却ファン１の直径は「４
００ｍｍ」であり、ボス８の直径は「８０ｍｍ」であ
る。また、翼９の長さは「１６０ｍｍ」で、幅はボス８
の付け根付近では「７０ｍｍ」、先端部では「１００ｍ
ｍ」となっている。さらに、その厚さはボス８の付け根
付近では「４．５ｍｍ」、先端部では「２ｍｍ」となっ
ている。そして、この翼９の実際の表面形状は、連続的
に徐変した曲面となっている。

【００１２】図３に示すように、翼９はナイロン６製の
基材１０と、同基材１０の表面及び裏面のほぼ半分を覆
い、かつ、残りの露出した基材１０と面一になるように
基材１０に複合されたメッシュ状の繊維材料１１とから
構成されている。但し、繊維材料１１は、基材１０の一
側面においては上半分を覆うように、他側面においては
下半分を覆うようにそれぞれ複合されている。

【００１３】ここで、ナイロン６製の基材１０の熱膨張
率は「８×１０^-5／℃」である。一方、繊維材料１１は
ナイロン６−炭素繊維クロス複合シート（炭素繊維含有
量：６０重量％）よりなり、その熱膨張率は「５×１０
^-6／℃」である。この繊維材料の幅はボス８の付け根付
近では「３２ｍｍ」、先端部では「４２ｍｍ」となって
おり、その厚さは「０．２ｍｍ」である。また、繊維材
料１１の繊維の向きは、翼９の長さ方向に対して約±４
５°となって交差している。

【００１４】この冷却ファン１では、冷却風が常温（２
０℃）のときに、図５（ｂ）に示すように、翼９の回転
方向に対する傾き角度、すなわち、翼角θが約３５°と
なるように設定されている。また、図５（ａ）に示すよ
うに、冷却風温度が「−３０℃」のときには翼角θが約
３０°となるように設定され、図５（ｃ）に示すよう
に、冷却風温度が「７０℃」のときには翼角θが約４０
°となるように設定されている。なお、図５（ａ）〜
（ｃ）は翼９の断面を概略的に示す図であって、この実
施例においては、翼９の断面をほぼ直線状に示した。

【００１５】この冷却ファン１を製造するには、冷却フ
ァン１の形状を有するキャビティ内にて、翼９に対応す
る所定の位置に別途成形した繊維材料１１を予め貼り付
けて配置し、型締めした後に通常の射出成形法によりキ
ャビティ内に基材１０となるナイロン６を射出して成形
を行うことにより得られる。そして、繊維材料１１と基
材１０とは、メッシュ状の繊維材料１１を基材１０の表
面に埋没させるように複合させることにより、一体的に
強固に融着されている。

【００１６】次に、前述した冷却ファン１の作用につい
て説明する。前述したように、図５（ａ）〜（ｃ）は翼
９の翼角θの変化を示すための概略断面図である。図５
（ｂ）に示すように、翼９の受ける冷却風の温度が「２
０℃」のときには、その翼角θは約３５°となる。

【００１７】また、翼９の受ける冷却風の温度が「−３
０℃」の低温になると、熱膨張率の違いから、翼の基材
１０は繊維材料１１よりも収縮しやすいので、繊維材料
１１が複合されている部分よりも基材１０が露出してい
る部分の方がより収縮する。つまり、翼９は幅方向及び
長手方向に歪んで変形し、結果として、図５（ａ）に示
すように、その翼角θは約３０°となる。

【００１８】さらに、翼９の受ける冷却風の温度が「７
０℃」の高温になると、熱膨張率の違いから、基材１０
は繊維材料１１よりも膨張しやすいので、繊維材料１１
が複合されている部分よりも基材１０が露出している部
分の方がより膨張する。つまり、翼９が前記図５（ａ）
の場合とは逆方向に変形し、結果として、図５（ｃ）に
示すように、その翼角θは約４０°となる。

【００１９】このように、この実施例の冷却ファン１に
おいては、翼９の受ける冷却風の温度変化に伴ってその
翼角θが変化する。一般に、冷却ファンの性能は風を送
る力、つまり送風力Ｔ及びファンを動かす力、つまり動
力Ｐによって決定され、これら送風力Ｔ及び動力Ｐは下
記式（Ａ），（Ｂ）によって表される。

【００２０】Ｔ＝πＤ² ρｖ² ／８ …（Ａ） Ｐ＝πＤ² ρｖ² ／１６ …（Ｂ） 但し、Ｄ：翼径、ρ：空気密度、ｖ：風速 また、風速ｖは下記式（Ｃ）によって表される。

【００２１】ｖ＝２πｒｎ(tanθ) …（Ｃ） 但し、ｒ：翼半径、ｎ：回転数、θ：翼角 よって上記式（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に従って求められ
るこの実施例の冷却ファン１の「−３０℃〜７０℃」に
おける理論上の送風力Ｔ及び動力Ｐの値は次の表１に示
すようになる。

【００２２】

【表１】 上記表１に示すように、この実施例においては、冷却風
の温度が高温になるほど送風力Ｔ及び動力Ｐが大きくな
る。また、繊維材料１１と残りの露出した基材１０とは
面一になるように複合されているので、翼面から突出す
る部分もなく回転抵抗を無くすことができる。従って、
図４に示すように、冷却ファン１をエンジン２に組付け
た場合には、冷却風が高温になるほど冷却ファン１によ
りラジエータ３へ冷却風を取り込む能力、ひいてはエン
ジン２を冷却する能力を向上させることができ、エンジ
ン２のオーバーヒートを抑制することができる。

【００２３】また、表１に示すように、この実施例にお
いては、冷却風の温度が低温になるほど送風力Ｔが小さ
くなる。従って、図４において、冷却風が低温になるほ
どエンジン２の冷却能力を小さくすることができ、エン
ジン２のオーバークールを抑制することができる。

【００２４】さらに、冷却風が低温になるほど動力Ｐが
小さくなる。従って、図４において、エンジン２から冷
却ファン１に伝達される損失を小さくすることができ、
エネルギーの浪費を防止することができる。

【００２５】加えて、この実施例における冷却ファン１
は、その基材１０をナイロン６樹脂により形成し、か
つ、繊維材料１１をナイロン６−炭素繊維クロス複合シ
ートにより形成したので、冷却ファン１は従来に比べて
著しく軽量なものとすることができる。

【００２６】併せて、この実施例における冷却ファン１
は、基材１０に対して繊維材料１１を複合させたので、
従来の張り合わせた場合に比べ、剥離、亀裂等が生じに
くく、優れた耐久性を示す。

【００２７】ここで、本実施例の冷却ファン１にかかわ
る実験例を説明する。実験には、この実施例の冷却ファ
ン１を用いるとともに、比較例として翼角θがそれぞれ
３０°と４０°で翼全体がナイロン６製の冷却ファンを
用いた。そして、図４に示すように、クランク軸により
動力を得る方式により、エンジン２に冷却ファンを取り
つけて性能を評価した。

【００２８】まず、エンジン始動後に冷却水の温度が
「８０℃」に到達するまでの時間、すなわち、エンジン
がオーバークール状態から脱するまでの時間を測定し
た。但し、このときのエンジン回転数はアイドルアップ
状態を想定して「１５００ｒｐｍ」とし、かつ、冷却フ
ァンの回転数を「１８００ｒｐｍ」として測定した。ま
た、このときの冷却風の温度は外気温と同じ「−３０
℃」に設定した。これは、極寒地でのオーバークール状
態を再現したものであり、エンジン２にとって過酷な条
件である。

【００２９】その結果を図６に示す。同図において、こ
の実施例における冷却ファン１は、「−３０℃」の条件
下においては前述したように、その翼角θは約３０°と
なり、比較例における翼角θが３０°のファンに等しい
８分という短い時間でオーバークール状態から脱するこ
とができた。一方、翼角θが４０°のファンでは、３０
分以上経過してもオーバークール状態から脱することが
できなかった。これは、翼角θが４０°と大きく、その
ため送風量が多くなってしまったからである。

【００３０】次に、前述した３種類の冷却ファンを用い
て高温時でのアイドリング特性について評価した。すな
わち、エンジン及び冷却ファンの回転数は前述の実験と
同じとし、外気温を「４０℃」（このときの冷却風温度
は「７０℃」）に設定し、エンジン２にとって過酷な炎
天下渋滞路でのオーバーヒート状態を再現した。この条
件でアイドリングを開始してから１時間放置後の冷却水
の到達温度を測定した。

【００３１】その結果を図７に示す。同図において、こ
の実施例における冷却ファン１は、「７０℃」の条件下
においては前述したように、その翼角θは４０°とな
り、比較例の翼角θが４０°のファンと同じ送風力を有
しており、水温はほぼ「１００℃」と安定していた。一
方、翼角θが３０°のファンでは、送風力が低下してし
まい、冷却水の水温は「１２０℃」まで上昇してしまっ
た。

【００３２】上述した実験例からも明らかなように、こ
の実施例では、低温時には翼角θを小さくすることによ
り、冷却ファン１の送風能力を低下させることができ
る。従って、エンジン２の運転に伴って冷却ファン１が
駆動されても速やかにエンジン２の温度を高めることが
でき、エンジン２のオーバークールを防止することがで
きる。また、高温時には、翼角θを大きくすることによ
りファンの送風能力を向上させることができる。従っ
て、冷却ファン１によるエンジン２の冷却効果を増大さ
せることができ、エンジン２のオーバーヒートを防止す
ることができる。

【００３３】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成の一部
を適宜に変更して次のように実施することもできる。 （１）前記実施例においては、基材１０の材質としてナ
イロン６樹脂を用いたが、その外にも例えばナイロン
６，６等のその他のポリアミド、ポリイミド、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等
の熱可塑性樹脂や、あるいは、エポキシ、フェノール、
不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。

【００３４】（２）前記実施例においては、繊維材料１
１の強化繊維の材質として炭素繊維を用いたが、基材１
０よりも熱膨張率の小さいもの、例えばガラス繊維、ア
ラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維等の単体あるいは
これらの組合せからなるものであってもよい。また、そ
の形態は長繊維であっても短繊維であってもよい。

【００３５】（３）前記実施例においては、繊維材料１
１の繊維の向きを、翼９の長さ方向に対して約±４５°
に交差させたが、この繊維の向きは、翼９の形状や変形
させたい方向等に合わせ、適宜選択すればよい。また、
一方向の配列であっても、ファン性能を満足するもので
あれば何ら差し支えない。さらに、繊維材料１１を複合
させる範囲も所望とする翼９の変形状態に合わせたもの
でよく、１か所でも、あるいは３か所以上であってもよ
く、その厚さ、幅、長さ、形状等の制約は受けるもので
はない。

【００３６】（４）前記実施例においては、冷却ファン
１の動力をエンジン２のクランク軸より得るようにした
が、この冷却ファン１を、エンジンと別体の電動モータ
により駆動させるようにしてもよい。この場合には、温
度状況に応じて冷却ファン１の回転数を種々変更させる
ことができ、より一層冷却水の温度の安定化を図ること
ができる。また、低温時には、モータの駆動力を低くす
ることにより、エネルギーの消費量を少なくすることも
できる。

【００３７】（５）冷却ファン１の大きさ、ボス８の大
きさ、翼９の枚数、長さ、幅、厚さ、翼角θ等は、目的
とするファンの性能に応じて適宜変更し得るものであ
る。もちろん、翼角θの変化量はファン形状、材質、使
用温度状況及び要求性能を考慮して決定されるべきであ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明の内燃機
関の冷却ファンによれば、基材とは熱膨張率の異なる繊
維材料を基材に複合させたので、送風量を内燃機関の熱
負荷に合わせて変化させることができ、かつ、軽量性及
び耐久性を向上させることができ、さらには、繊維材料
により翼の強度を増大させるので、耐久性を一層向上さ
せることができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を具体化した一実施例における冷却フ
ァンを示す正面図である。

【図２】一実施例における冷却ファンを示す側面図であ
る。

【図３】一実施例における冷却ファンの翼を示す部分側
面図である。

【図４】一実施例において冷却ファンをラジエータの背
面に配置した状態を示す一部破断概略図である。

【図５】一実施例において温度によって異なる翼角状態
を示す概略断面図である。

【図６】一実験例において種々の冷却ファンを用いた場
合のエンジンがオーバークール状態から脱するまでの時
間を示すグラフである。

【図７】一実験例において種々の冷却ファンを用いた場
合のアイドリングを開始してから１時間放置後の冷却水
の到達温度を示すグラフである。

【符号の説明】

１…冷却ファン、２…内燃機関としてのエンジン、８…
ボス、９…翼、１０…基材、１１…繊維材料。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボスを中心に複数枚の翼を備えるととも
   に、内燃機関の冷却を行うために回転駆動される内燃機
   関の冷却ファンにおいて、 冷却風の温度上昇に伴って前記翼の角度を増大すべく、
   前記翼の基材とは熱膨張率の異なる繊維材料を前記翼の
   基材に複合させたことを特徴とする内燃機関の冷却ファ
   ン。