JPH0777044A

JPH0777044A - 低ノイズ冷却装置

Info

Publication number: JPH0777044A
Application number: JP20469894A
Authority: JP
Inventors: Jim K Carroll; ケイキャロルジム; Paul A Dicke; エイディックポール
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1995-03-20
Also published as: EP0645543A1

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ノイズを低減する内燃機関用の冷却
装置を提供することを目的とする。【構成】本発明の冷却装置(20)は、中心軸を形成するフ
ァン(26)、中心軸に対し非軸対称の形のラジエーター(3
0)、ファンの周りに配置され、ラジエーターを横切る冷
却流を方向付ける流路を形成するファンシュラウド(34)
を備える。ファンシュラウドは、半径方向に縮小する入
口部分(40)、半径方向に拡大する出口部分(44)、その間
の円筒形過渡領域部分(42)を有する。半径方向に縮小す
る入口部分と半径方向に拡大する出口部分は、中心軸に
対し軸対称の形であり、互いに中心軸に垂直な仮想面に
対し対称である。ファンシュラウドの配置、ファンに対
するファンシュラウドの調整、及びラジエーターに対す
るファンの間隔は、ファンの直径と投影状態での軸方向
翼弦に対する各種の配置に関係する無次元の数に従って
決められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的にはエンジン冷
却装置に使用する低ノイズのファンとシュラウドの配置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンノイズの主な原因の１つは、そ
の冷却装置から発するノイズである。このようなノイズ
は、ファンの型と位置、ファンシュラウド（囲い）の設
計、ラジエーターコアの型、大きさ、位置等の各種の要
因の関数である。ノイズ抑制ファンシュラウドの１つの
例は、ベックらに与えられた米国特許第３，９０３，９
６０号に開示されているファンシュラウドの入口構造で
ある。米国特許第３，９０３，９６０号のファンは、円
筒形放出側スロート部分の形状に対応する円形型と、ラ
ジエーターの形状に対応する角型の間で急に細くなると
いう点で、他の先行技術のファン構造の代表例である。
このような非軸対称の放出の結果として、円筒形放出側
スロート部分を出る冷却流の分離と乱れ及びそれに伴う
ノイズが生じる。ノイズ抑制ファンシュラウドの他の例
は、山口らに与えられた米国特許第５，０２４，２６７
号に示され、この特許は熱変換器の表面の１つを覆うボ
ックス型本体と本体を貫通する円筒部分を有するファン
シュラウドを開示している。ファンが円筒部分に配置さ
れ、部分的にボックス型本体の中に延びている。本体
は、円筒部分の突き出した部分に隣接し、これに対応す
るように配置された拡大部分を含み、ファンとラジエー
ターの間に高静圧領域を作り、これにより軸方向流れを
増し、ノイズを減らそうとする。しかし、ファンからの
放出流を案内する物理的構造がなければ、非軸対称ボッ
クス型本体の影響の結果として、いくらかの再循環と乱
れ及びそれに伴うノイズは依然として起こりやすい。

【０００３】ベックに与えられた米国特許第３，８７
２，９１６号は、円筒形放出スロート部分の形状に対応
する円形型とラジエーターの形状に対応する矩形の間で
急激にテーパする半径方向に拡大するシュラウド出口部
分を開示している。このような非軸対称の入口の結果と
して、ファンを通る冷却流の入口部での歪みと下流での
乱れが生じる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】それゆえ、運転ノイズ
のレベルを下げたエンジン冷却装置の必要性がある。こ
のような冷却装置は、軸流式及び混合流式ファンのいず
れにも、送風型及び吸入型ファン構造のいずれにも、ま
た適用することができる。このような冷却装置は、境界
を定めた流路を備え、ファンを通る冷却流の入口の歪
み、分離、再循環、乱れを減少させるのがよい。理想的
には、このような冷却装置は、車両のスペースが制限さ
れていることから小型であり、冷却性能が改善されるの
がよい。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本明細書中で「軸対称」
とは、中心軸に垂直な面上で全ての点が中心軸から等距
離にあること、即ち断面が円形であることを言う。ま
た、「非軸対称」とは、軸対称でないこと、即ち断面が
円形でない形状全てを言う。従って、断面が正方形であ
る立方体も非軸対称である。本発明によれば、冷却装置
の中心軸を決めるファン、全直径とその投影状態での軸
方向翼弦幅を有するファン、中心軸に関して非軸対称な
熱交換機、ファンの周りに配置されたファンシュラウ
ド、冷却流を熱交換機を軸方向に横切る方向に指向させ
る流路を形成するファンシュラウドを備える、内燃エン
ジンに使う冷却装置が開示される。１実施例では、ファ
ンシュラウドは、半径方向に縮小する入口部分、半径方
向に拡大する出口部分、入口部分と出口部分の間に配置
された円筒形過渡領域部分を含み、その入口と出口部分
は中心軸に関し形が軸対称である。他の実施例では、フ
ァンシュラウドは、ファンとの間に所定の小さい半径方
向の隙間を作るように、ファンの周りに静止状態に取り
付けられていて、半径方向に縮小する入口部分、円筒形
過渡領域部分を含み、半径方向に縮小する入口部分は中
心軸に関し軸対称の形であり、静止ファンシュラウドと
熱交換機の間に気密に接続されたボックス型プレナムが
設けられ、ボックス型プレナムは固定ファンシュラウド
と熱交換機の間を延び、非軸対称形の熱交換機と軸対称
形のファンシュラウドの間の急な過渡領域を形成してい
る。

【０００６】さらに他の実施例では、中心軸に軸対称な
形の半径方向に縮小する入口部分、中心軸に軸対称な形
の半径方向に拡大する出口部分を含むファンシュラウド
の改良が開示される。

【０００７】

【実施例】本発明以前では、ファン構造はファンに入る
冷却流特性を改善することに焦点が当てられていた。即
ち、ファンに入る冷却流の乱れを減らそうとして、各種
の半径のファン入口構造が考案された。しかし、ファン
構造とファン構造に対するファンの間隔の関係の全体の
設計が、減少したノイズ特性を有する冷却装置を達成す
るのに同様に重要である。本発明は、運転ノイズレベル
が低下する有効な冷却装置をもたらすファン構造と最適
化したファンの間隔の関係を提供する。図１を参照する
と、車両２２用の冷却装置２０が示されている。冷却装
置２０は、車両により発生するノイズを減少させるよう
に、車両２２のエンジン２４から離れて取り付けられ、
エンジンとは別に駆動される。冷却装置２０は、モータ
ー２７により油圧的に駆動される回転ブレード式のファ
ン２６を含む。モーター２７はエンジン２４から油圧力
を得る。ファン２６は冷却室２８内のエンジン２４と独
立に回転可能に取り付けられ、ノイズ障壁２９によりエ
ンジンから隔離されている。ファン２６はラジエーター
３０とオイル冷却器３１の下流に取り付けられ、室２８
の入口３２から、矢印の方向で示すように室２８を横切
る流れを誘起する。

【０００８】ノイズを減らし、熱交換機３０，３１を横
切って冷却流を有効に送るため、ファン２６は、静止フ
ァンシュラウド３４内で僅かな半径方向隙間を持つよう
に取り付けられている。ファン２６は、冷却装置２０の
中心軸３８を決め、該中心軸３８の周りを回転して、ほ
ぼ形が円筒形のスイープ領域を決める。ファンシュラウ
ド３４とラジエーター３０の間にはプレナム３６が配置
されている。プレナム３６はファンシュラウド３４とラ
ジエーター３０の間を密封し、最適の大きさで間隔をあ
けた過渡領域ダクトを提供し、該ダクトはファンシュラ
ウドと共に、ファンに入る冷却空気の入口歪みと大スケ
ールでの乱れを最小にする。図２を参照すると、ファン
シュラウドにより形成される軸対称の流れ通路とプレナ
ムにより形成される非軸対称の流れ通路をより良く例示
するために、冷却装置２０が斜視図で示してある。ファ
ンシュラウド３４はファン２６に対応して形はほぼ円形
であり、中心軸３８に関し同心である。逆にプレナム３
６はラジエーター３０に対応して矩形の形であり、中心
軸３８に沿った長さの全体にわたり非軸対称(asymmetri
c)である。プレナム３６は、ラジエーターの形に対応す
る矩形とファンシュラウドの形に対応する円形の間でテ
ーパーするのではなく、その長さの全体にわたってボッ
クス型であり、ファンシュラウドとの接合部で急に変化
する。

【０００９】図３を参照すると、冷却装置２０がより詳
細に示してある。前述したように、ファン２６がラジエ
ーター３０の下流に配置されているので、冷却装置２０
が吸入モードで作動し、ラジエーターを横切る冷却流を
起こす。ラジエーターを出る流れはボックス型プレナム
３６に入り、ファンシュラウド３４に吸引され、そこで
ラジエーターの非軸対称矩形流路から軸対称流路に変わ
る。試験により、ファンシュラウドの配置に対するファ
ンの配置、ラジエーターに対するファンシュラウドの間
隔、ファンとファンシュラウドの運転時の半径方向隙間
に関して各種の好適な寸法が決められる。これらの寸法
の関係は性能を良くし、ノイズを減少させることが分か
った。ファンシュラウド３４は、半径方向に縮小する入
口部分４０、過渡領域部分４２、半径方向に拡大する出
口部分４４を含む。入口部分４０と出口部分４４はそれ
ぞれ中心軸３８に関し軸対称の形であり、さらに面４９
のような中心軸３８に垂直な仮想面に対し相互に対称で
あるのがよい。入口部分４０の半径方向に縮小する軸対
称形は均一にファンへの流れを加速し、入口での歪みを
減らし、乱れの強さを最小にする。過渡領域部分４２
は、ファンがファンシュラウドと狭い運転時の隙間で取
り付けられるようにし、それによりファンブレードの前
縁を横切る再循環と乱れを減少させる。出口部分４４の
半径方向に拡大するする軸対称の形は、ファンを出る流
れを均一に減速させ、又は拡散させ、ファンブレードを
横切る再循環と乱れを最小に維持する。

【００１０】本発明を実施するには、各種の半径方向に
縮小する入口部分又は半径方向に拡大する出口部分を使
用することができるが（即ち、入口部分、出口部分が異
なる曲率半径を有する）、入口部分、出口部分４０，４
４は、中心軸３８に対し軸対称形であり、それぞれファ
ンの全直径Ｄに関し好適な一定の曲率半径Ｒを有する。
入口部分の曲率半径は、出口部分の曲率半径と等しいか
大きいのがよいが、好適な実施例では、入口部分と出口
部分の曲率半径は、ほぼ等しく上流と下流の流れ通路を
対称にする。好適な実施例では、曲率半径Ｒは、ファン
の全直径Ｄの約６から約１０パーセントであるのがよ
く、図３の特に好適な実施例では、ファンの全直径Ｄの
約８パーセントである。同様に、本発明を実施するに
は、ファンシュラウドの軸方向長さとファンに対する配
置をいろいろに変えることができるが、ファンブレード
を横切る再循環を減らすために、ファン２６に対する過
渡領域部分４２の好適な軸方向長さと軸方向の配置があ
る。例えば、過渡領域部分４２の軸方向長さＬは、投影
状態での軸方向翼弦幅Ｗの約４０から約７５パーセント
の範囲であるのが好ましく、図３の特に好適な実施例で
は投影状態での軸方向翼弦幅Ｗの約５０パーセントであ
る。さらに、ファン２６の前縁４８は、中心軸３８に垂
直で、入口部分４０の過渡領域部分４２との結合部を通
る面４９と同一面上にある。その結果、ファン２６の所
定の投影状態での翼弦幅の部分Ｐが、出口部分４４の中
に延びる。所定の投影状態での翼弦幅の部分Ｐは、過渡
領域部分４２の軸長さＬと直接関係し、ファン２６の投
影状態での軸方向翼弦幅Ｗの約６０パーセントから約２
５パーセントの範囲にあるのが好ましく、図３の特に好
適な実施例では、投影状態での軸方向翼弦幅Ｗの約５０
パーセントである。

【００１１】ファンブレードの先端を横切る再循環を減
らすためには、ファンブレードとファンシュラウドの間
の好ましい半径方向隙間Ｔがある。好適な実施例では、
半径方向隙間Ｔはファンの全直径Ｄの約０．１パーセン
トから約１．０パーセントの範囲であり、ある特定の実
施例ではファンの全直径Ｄの約０．５パーセントであ
る。ファンシュラウド３４は、その形と配置以外にも、
ラジエーター３０の出口表面５０に対する好ましい軸方
向間隔があり、その結果さらにノイズのレベルが低下す
る。好適な実施例では、ファンシュラウド３４の入口は
最適には出口表面５０からファンの直径Ｄの約１．５パ
ーセントから約１０パーセントの距離Ｅだけ間隔をあけ
ていて、図３の特に好適な実施例では、ファンの全直径
Ｄの約２パーセントである。本発明の範囲内で、プレナ
ム３６のファンシュラウド３４への取り付け位置を変え
た他のファン取り付け構造とすることができる。図３に
示すように、プレナム３６を入口部分４０の入口に突き
当てて気密に接続する他に、プレナム３６は、ファンシ
ュラウド３４の種々の部分を取り囲むようにさらに下流
側で気密に接続することもできる。例えば、図４ではボ
ックス型プレナム３６は、過渡領域部分４２でファンシ
ュラウド３４に取り付けられ、入口部分４０を取り囲
み、一方図５では、プレナム３６は出口部分４４の出口
に取り付けられていて、ファンシュラウド３４の全体を
取り囲む。プレナム３６をファンシュラウド３４の一部
分の上側まで延ばすことで、入口のベル形の半径を増加
し、シュラウドとプレナムの組立体を小型に維持しなが
ら、さらに分離と乱れを減らすことができる。さらに、
別のノイズ障壁をファンシュラウド３４の半径方向外側
に設け、ファンの運転の間発生するノイズのレベルを低
下させるようにする。

【００１２】図６から図８を参照すると、半径方向に拡
大する出口部分がない点を除いて、ファンシュラウド３
４と似た形の各種の軸対称のファンシュラウドが描かれ
ている。図６から図８では、図１のファンシュラウド３
４と同様に、軸対称のファンシュラウド６０がボックス
型プレナムの下流に配置されている。この場合、ファン
により発生するノイズを減少させるのに好ましい隙間の
関係がある。しかし、ファンシュラウド６０の好ましい
軸方向長さとファン２６に対するファンシュラウド６０
の軸方向の配置は、ファンシュラウド３４の軸方向長さ
と軸方向配置とはいくらか異なる。例えば、過渡領域部
分６１の軸方向長さＬ’はファン２６の投影状態での軸
方向翼弦幅Ｗの約６５パーセントから約８５パーセント
の範囲であるのが好ましく、図３の特に好適な実施例で
は、投影状態での軸方向翼弦幅Ｗの約８０パーセントで
ある。同様にファン２６の前縁４８は、中心軸３８に垂
直で入口部分６３の過渡領域部分６１との結合部を通る
平面６２と同一面上にある。その結果、ファン２６の所
定の投影状態での翼弦幅の部分Ｐ’はファンシュラウド
６０を超えて延びる。所定の投影状態での翼弦幅の部分
Ｐ’は、過渡領域部分６１の軸方向長さＬ’と関係し、
ファン２６の投影状態での軸方向翼弦幅Ｗの約３５パー
セントから約１５パーセントであるのが好ましく、図６
の特定の好適な実施例では、投影状態での軸方向翼弦幅
Ｗの約２０パーセントである。ファンシュラウド３４と
同様に、ファンシュラウド６０を使う場合も、他のファ
ン取り付け構造が可能であり、過渡領域部分６１に気密
に結合され、入口部分６３を取り囲む（図７）プレナム
３６とし、又は過渡領域部分６１の出口に気密に結合さ
れ、ファンシュラウド６０の全体を取り囲む（図８）プ
レナム３６とすることもできる。

【００１３】本発明は、ファンとファンシュラウドをラ
ジエーターの上流に取り付け、ファンの前縁をファンシ
ュラウドの入口と過渡領域部分の結合部と同一面上にす
ることにより、送風型冷却装置に適用することもでき
る。例えば、図９では、冷却装置７０は、ファンシュラ
ウド７４とファン７６がラジエーター８０の上流側に配
置され、ラジエーター８０を横切って空気を送る即ち送
風する点を除いて、冷却装置２０のそれと同様である。
本発明はまた、吸入モードでラジエーターの下流に取り
付けられた（図１０）のと送風モードでラジエーターの
上流に取り付けられた（図１１）のと両方の囲いをつけ
たファン組立体に適用することができる。図１０，１１
に示す囲いをつけたファン組立体では、１９９３年２月
２日に本発明者に与えられた米国特許第５，１８３，３
８２号に開示されたのと同様に、ラビリンスシール８２
がプレナムとファンシュラウドの間に設けられている。
図１０では、ファンシュラウド８４はファン８６に接触
してファンとシュラウドの組立体を形成する点を除い
て、ファンシュラウド８４は冷却装置２０のそれと同様
の形で、ファン８６に対して同一平面にある。プレナム
３６と同様、プレナム８８はラジエーター８９とファン
シュラウド８４の入口部分９１の間に気密に接続されて
いる。このように、プレナム８８は、ラビリンスシール
８２の静止部分を形成し、一方、ファンシュラウド８４
の入口部分９１はラビリンスシール８２の回転部分を形
成する。

【００１４】さらに、本発明の各種の態様を組み合わ
せ、ノイズが低減する特性を有するファンシュラウド構
成の組み合わせを生み出すことができる。例えば、図１
２ではファンシュラウド９０は、混合流方式の冷却装置
９３で混合流ファン９２と使うように示されている。冷
却装置２０のファンシュラウド３４と同様に、ファンシ
ュラウド９０は軸対称の半径方向に縮小する入口部分９
４と軸対称の半径方向に拡大する出口部分９６を含む。
しかし、混合流ファン９２の半径方向動作隙間を小さく
するため、過渡領域部分９８は、ファン９２のブレード
外形に対応する半径方向に拡大する形を有する。冷却装
置９３の好適な隙間の関係は、ファンの全直径はファン
９２の平均のファンの直径に関連するという点を除い
て、冷却装置２０のそれとほぼ同様である。

【００１５】

【効果】上述のことから、冷却流の分離、再循環、乱れ
により発生するノイズを減少させるように最適の構成し
たファンシュラウドを含むエンジン冷却装置が構成され
ることが分かる。さらに、ファン、ファンシュラウド、
熱交換機は、動作ノイズレベルを減少させるように相互
に最適に配置されている。本発明の他の関連する目的、
利点は、図面、発明の詳細な説明から明らかである。例
えば、本発明はまた高性能冷却流装置を提供するために
採用することもできる。ある許容される動作ノイズレベ
ルでは、本発明を使えば従来技術の冷却装置のファン速
度より速くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の吸入モードに配置されたフ
ァン、ファンシュラウド、熱交換機を含む冷却装置の側
面断面図である。

【図２】図１の冷却装置の斜視図である。

【図３】図１のファンシュラウド取り付け配置の部分側
面断面図である。

【図４】図１の冷却装置用の他の第１のファンシュラウ
ド取り付け配置の部分側面断面図である。

【図５】図１の冷却装置用の他の第２のファンシュラウ
ド取り付け配置の部分側面断面図である。

【図６】本発明の第２実施例の吸入モードに配置された
ファン、ファンシュラウド、及び熱交換機を含む冷却装
置の側面断面図である。

【図７】図６の冷却装置用の他の第１のファンシュラウ
ド取り付け配置の部分側面断面図である。

【図８】図６の冷却装置用の他の第２のファンシュラウ
ド取り付け配置の部分側面断面図である。

【図９】本発明の第３実施例の送風モードに配置された
ファン、ファンシュラウド、及び熱交換機を含む冷却装
置の部分側面断面図である。

【図１０】本発明の第４実施例の吸入モードに配置され
た回転ファン、シュラウド組立体、及び熱交換機を含む
冷却装置の部分側面断面図である。

【図１１】本発明の第５実施例の送風モードに配置され
た回転ファン、シュラウド組立体、及び熱交換機を含む
冷却装置の部分側面断面図である。

【図１２】本発明の第６実施例の吸入モードに配置され
た流れ混合ファン、ファンシュラウド、及び熱交換機を
含む冷却装置の部分側面断面図である。

【符号の説明】

２０・・冷却装置２２・・車両２４・・エンジン２６・・ファン２７・・モーター２８・・冷却室２９・・障壁３０・・ラジエーター３１・・オイル冷却器３２・・入口３４・・ファンシュラウド３６・・プレナム３８・・中心軸４０・・入口部分４２・・過渡領域部分４４・・出口部分４８・・前縁４９・・面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ポールエイディックアメリカ合衆国イリノイ州 61614 ピオーリアイーストリザーヴオア 2211

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃エンジンに使用する冷却装置で、前記冷却装置の中心軸を決め、全直径とその投影状態で
の軸方向翼弦幅を有するファン、前記中心軸に関し非軸対称形の熱交換機、前記ファンの周りに配置されて、前記熱交換機を横切る
方向に冷却流れを指向させる流路を形成し、前記中心軸
に関し軸対称の形の半径方向に縮小する入口部分と過渡
領域部分を含むファンシュラウド、及び、前記ファンシュラウドと前記熱交換機の間に気密に接続
されたボックス型プレナム、を備え、前記ボックス型プレナムは、前記ファンシュラウドと共
に、前記熱交換機の非軸対称形に対応する非軸対称形と
前記ファンシュラウドの軸対称形に対応する軸対称形の
間の急な過渡領域を形成する、ことを特徴とする冷却装
置。
【請求項２】前記ファンシュラウドは、さらに半径方向
に拡大する出口部分を含み、前記半径方向に縮小する入
口部分と前記半径方向に拡大する出口部分は前記中心軸
に関し軸対称の形であることを特徴とする請求項１記載
の冷却装置。
【請求項３】前記半径方向に縮小する入口部分と前記半
径方向に拡大する出口部分は、前記中心軸に垂直な仮想
平面に対して互いにほぼ対称であることを特徴とする請
求項２記載の冷却装置。
【請求項４】前記ボックス型プレナムは、前記ファンシ
ュラウドの前記出口部分に気密に接続されていることを
特徴とする請求項２記載の冷却装置。
【請求項５】前記ファンは，前縁を有し、前記半径方向
に縮小する入口部分と前記過渡領域部分は、結合部と前
記中心軸に垂直で前記結合部を通る入口平面を形成し、
前記ファンは前記ファンシュラウド内で前記前縁が前記
入口平面と同一平面上に位置するように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項６】前記ボックス型プレナムは、前記ファンシ
ュラウドの前記入口部分に気密に接続されていることを
特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項７】前記ボックス型プレナムは、前記ファンシ
ュラウドの前記過渡領域部分に気密に接続されているこ
とを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項８】前記熱交換機は、前記ファンシュラウドか
ら前記中心軸に沿って前記全直径の約１．５パーセント
から約１０パーセントの範囲の所定の間隔をあけ、前記
所定の間隔をもって配置されたことを特徴とする請求項
１記載の冷却装置。
【請求項９】前記過渡領域部分は、前記投影状態での軸
方向翼弦幅の約４０パーセントから約８５パーセントの
範囲の所定の軸方向長さを有することを特徴とする請求
項１記載の冷却装置。
【請求項１０】前記半径方向に縮小する入口部分と前記
半径方向に拡大する出口部分は、それぞれ前記全直径の
約６パーセントから約１０パーセントの範囲の曲率半径
を有することを特徴とする請求項２記載の冷却装置。