JPH11502586A - 改良された、冷却ファンのシュラウド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自動車の冷却ファン用のシュラウドはファンブレードの先端とシュラウドとの間の周辺部で軸方向の空気の流れを提供し、ファンの効率及び原動機の冷却を改善する。シュラウドは円周方向に伸びるコアンダ表面と、空気をシュラウドとファンブレードの先端との間の環状部分に向けて流す、隣接する円形のスロートとを備えてもよい。空気圧力及びスロートの寸法により環状空間を通る空気の流れの速度のプロフィールを精密に制御可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された、冷却ファンのシュラウド 発明の背景 本発明は、全体として、自動車の冷却ファン用のシュラウド、より具体的には 、冷却ファンの効率を改良し得るように、ファンブレードの先端とシュラウドと の間の環状部分を貫通する空気流を提供するコアンダ表面（Coanda surface）を 利用する自動車のエンジン冷却ファン用のシュラウドに関する。 自動車及びエンジンの効率の増大に対する要求に対応して、自動車のエンジン 室の設計が不断に拡大するのに伴って、エンジン室の正面の面積及び外気の流量 が減少する一方で、作動温度は上昇する一方である。かかる設計の全ては、フー ド下方の作動温度を上昇させる結果となる。 これにも拘わらず、高温の外気温度のとき、公道上の速度にて走行する自動車 には、何ら顕著なエンジン冷却上の問題点が生じない。同様に、普通の外気温度 のとき、走行中に停止した自動車にも何ら顕著な冷却上の問題点が生じない。し かしながら、高温の外気温度と、１台の自動車により加熱された空気が隣接する 自動車によって吸引され、更に加熱される場合である、遅い走行状態とが組合わ さると、公知のエンジン作動上に著しい問題点が生じる。「ホット・ソーク（ho t soak）」と称される第二の著しい作動状態は、例えば、トレーラを登坂にて引 っ張り、次に、自動車が停止するようなとき、高荷重がエンジンに加わる場合に 生じる。こうした状態下にて運転するためには、エンジン駆動による冷却ファン を作動させ、また、その冷却ファンに依存することが必要となる。また、こうし た状態下にて運転するためには、最大の冷却、及び安全なエンジンの作動状態を 実現し得るように可能な限り高いファン効率であることが必要とされる。 かかる効率は、ファンブレードの数及びその形態、並びにファンの周囲の漏洩 及び逆流を最小に保ちつつ、ラジエータの空気流量及び熱伝導を最小にするよう にラジエータ／ファンのシュラウドを適宜に設計するといった、周知で且つ認識 されたパラメータによって達成される。 この点に関して、自動車の設計に内在する問題点が一般に、ファンの高効率を 達成する上で妨げとなる。この問題点は、ラジエータ及びファン用のシュラウド を自動車の車体に取り付ける一方、ファンをエンジンに取り付け、また、そのエ ンジンを複数のエンジン取り付け部を介して自動車の車体に、又はフレームに取 り付けることに起因する。こうしたエンジン取り付け部は、一般に弾性的であり 、エンジンの反発トルク、自動車の加速及び減速度に応答して、エンジン及び関 係するドライブトレーンの構成要素が車体又はフレームに関して制御された動作 を行うことを許容する。シュラウドからファン先端が分離する位置は、エンジン の取り付け部に関するファン及びシュラウドの位置、エンジン取り付け部の剛性 、及びその他の変動因子に対応して相違するものとすることができるが、ファン がシュラウドと接触しないようにするため、エンジン及びファンがシュラウド及 び自動車の車体に関して移動する最大の距離を考慮して、この分離距離は、12.7 ｍｍ（0.5インチ）乃至25.4ｍｍ（１インチ）の程度にする必要があることが判 明している。 残念なことに、かかる大きさの環状スペースを導入することは、ファンの効率 に顕著に有害な作用が及ぶ。かかる形態におけるファンの効率は、16％程度であ ると判断されている。ファンの効率のみならず、所定のファンの寸法、エンジン 全体の効率及び燃料の消費にてエンジンの必要な程度の冷却を実現する観点から して、これは、望ましい数値ではない。従って、ファンの効率を改良し、従って 自動車の冷却を改良するように、自動車の冷却ファンの形態を改良することが望 まれることは明らかである。 発明の概要 自動車エンジンの冷却ファン用のシュラウドは、ファンの効率及びエンジンの 冷却を改良すべくファンブレードの先端とシュラウドとの間に周方向への軸方向 空気流れを提供する。このシュラウドは、内側の流れ分配通路（シュラウドのプ レナム）と、周方向に伸長するコアンダ表面と、シュラウドとファンブレード先 端との間の環状部分に向けて空気流を導く隣接する円形喉部とを備えることが望 ましい。約50.8乃至254ｍｍ（約２乃至10インチ）の水圧（４乃至20トール）の 範囲の圧力の空気をシュラウドのプレナムに提供する。この空気圧及び喉部の寸 法を調節することにより、環状部分を通る空気流の速度プロフィールを正確に制 御することが可能となる。また、代替的な実施の形態における成形又は製造した シュラウドも開示される。 このように、本発明の一つの目的は、ファンの効率を増大させる自動車の冷却 ファン用のシュラウドを提供することである。 本発明の更に別の目的は、ファンの効率を向上させるべくコアンダ効果を利用 する自動車の冷却ファン用のシュラウドを提供することである。 本発明の更に別の目的は、ファンブレードとシュラウドとの間を通る空気の速 度プロフィールを制御すべくシュラウドのプレナムに提供される空気圧を調節し 且つ出口喉部の寸法を調節することのできる自動車の冷却ファン用シュラウドを 提供することである。 本発明の更にもう一つの目的は、ファンブレードの先端とシュラウドとの間の 環状部分を通る逆流を少なくする、自動車の冷却ファン用のシュラウドを提供す ることである。 本発明の更にもう一つの目的は、ファンブレードの先端とシュラウドとの間に 顕著な環状のスペースが存在するにも拘わらず、ファンの効率を良好なものとす る、自動車の冷却ファン用のシュラウドを提供することである。 本発明の更なる目的及び有利な点は、同一の要素、特徴部分又は構成要素を同 様の参照番号で表示する、好適な実施の形態及び代替的な実施の形態に関する以 下の説明及び添付図面を参照することにより明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による冷却ファン、ラジエータ及びシュラウドを示す、自動車 の一部断面図とした概略図的な側面図である。 図２は、図１の線２−２に沿った、本発明による自動車エンジンの冷却ファン 、ラジエータ及びシュラウドの背面図である。 図３は、図２の線３−３に沿った、本発明による自動車エンジンの冷却ファン の部分断面図である。 図４は、本発明による自動車エンジンの冷却ファンの一部及び代替的な実施の 形態のシュラウドの部分図である。 図５は、本発明による自動車エンジンの冷却ファン及び代替的な実施の形態の シュラウドの部分図及び部分断面図である。 望ましい実施例および他の実施例の説明 図１には、自動車の前方部分が図示され、全体に参照符号１０が付されている 。自動車１０は原動機１２を有している。該原動機１２は、ディーゼルエンジン でもよいし、図示するようなオットーサイクルエンジンでもよく、また、他の熱 を発生するパワープラントでもよい。原動機１２は、複数の弾力性のあるエンジ ン取付台１６によって、フレーム１４または他の本体構造物に取り付けられてい る。複数のエンジン取付台１６の一つが図１に図示されている。エンジン取付台 １６は、振動を減衰させ、自動車１０のフレームないし単一の本体（unibody） １４に対する原動機１２の動きを限定および制御することを可能にする。原動機 １２によって発生された動力は、関連するドライブライン（図示せず）へと、伝 動装置１８を介して伝達される。原動機１２の前方端のほぼ中央には、ファン２ ０が設けられている。ファン２０は、半径方向に延び且つ斜めを向いた複数のフ ァンブレード２２を有している。ファン２０は、ウォータポンプ２６の軸２４上 に設けられてもよいが、独立して装架されることが望ましい。ファン２０の前方 にはラジエータ２８が配置されている。ラジエータ２８は、通常のものであり、 内側の垂直または水平通路３２を通るエンジン冷却剤の流れを受ける熱交換器と して機能する。エンジン冷却剤は、ラジエータ２８を通って図１の左から右へと 水平に移動する空気に、冷熱を与える。 装飾を施されたグリル３６がラジエータ２８の前方に配置されている。装飾グ リル３６は、ラジエータ２８に対するある程度の防護の役割をなすばかりでなく 、魅力的な外観を与える。フレームないしユニボディ１４にはバンパ３８が取り 付けられている。該バンパ３８もまた、自動車１０の前方端を防護している。容 易に理解できるように、ヒンジつきのフード４２がエンジン室内の原動機１２そ の他の要素を覆っている。 図１及び図２を参照すると、ファン２０とラジエータ２８との中間において及 びそれらに近接してファンのシュラウド（shroud）５０が配設されている。ファ ンのシュラウド５０はラジエータ２８に固定されかつラジエータ２８とともに作 動する。このラジエータ２８はフレーム又は単一の本体１４にしっかりと締結さ れている。上記の通り、ファン２０は原動機１２に取り付けられ、かつ原動機１ ２は弾力性のあるエンジン取付台１６によりフレーム又は単一の本体１４に固定 されているため、ファン２０とファンのシュラウド５０の間に相対運動が起こり 得る。典型的なトラックに適用する場合、ファンブレード２２の先端と、最も近 接した、即ち、半径方向に隣接しかつ整合されたファンのシュラウド５０の表面 との間には約２５．４ｍｍ（１インチ）の間隙を設けることが必要であることが わかっている。ファン２２が５０８ｍｍ（２０インチ）の直径を形成すると仮定 すると、ブレード２２の先端とファンのシュラウド５０との間の２５．４ｍｍ（ １インチ）の環状空間は４２５．４平方センチ（６６平方インチ）の領域を形成 する。ファンとシュラウドがこのような形態をしている場合、１６％程度のファ ン効率が認められる。このような効率により、ファンブレード２２とファンのシ ュラウド５０の最も近接した表面とにより形成される環状部分を介して顕著な逆 流が発生すると考えられている。強制された軸流はまた、ファンブレードの圧力 側から吸入側へ流れる局部流れを制限する。従って、局部流れはこのようなファ ンの「先端損失（tip loss）」の原因となる。 図２及び図３を参照すると、ファンのシュラウド５０は円周方向に連続した内 部通路又はプレナム５２を形成している。円周方向のプレナム５２は複数の入口 ポート５４と流体的に連通していることが望ましく、入口ポート５４は順にポン プ５６のような一つ又はそれ以上の低圧空気源に連通している。単一の入口ポー ト５４はプレナム５２に圧力をかけるには十分であるが、空気の流動及び作動状 態は多数のポート５４により改良される。空気は水面計（water gauge）で約７ ６．２ｍｍ（３インチ）ないし１２７ｍｍ（５インチ）の圧力又は約６ないし１ ０トルの圧力で供給されることが望ましい。所望の流れ特性、エンジン区画での 圧力、その他の変数に依存して、そのような空気圧用の作動領域は水面計で約５ ０．８ｍｍ（２インチ）から２５４ｍｍ（１０インチ）まで（４トルから１０ト ルまで）であることが認められる。シュラウド５０は通路又はプレナム５２を形 成しかつスロート（throat）６０に向かって縮小している内部壁５８を備えてい る。重複しているリップ６２はスロート６０の一部を形成し、スロート６０の他 の部分は湾曲した円周方向に伸びるコアンダ表面６４により形成されている。コ アンダ表面６４は空気をスロート６０を介して移動させ続いてコアンダ表面６４ に沿って湾曲させ、それにより、代表的な速度特性６６を有する空気流れを与え 、かつ空気流れをコアンダ表面６４とファンブレード２２の先端との間の環状空 間に向ける。スロート６０を橋渡しする複数の半径方向に配置されたウェブ７２ がスロート６０の所望の幅及びシュラウド５０の全体的な強度を確かなものにす る。 内部壁５６、スロート６０、リップ６２及びコアンダ表面６４は基準中心線７ ４の回りに軸対称であることが望ましい。コアンダ表面６４の外形及び片持状の リップ６２を見ると、コアンダ表面６４の利用により、環状空間６８の空気流れ が達成されるだけでなく、空気がファン２０に向かって流れるときにラジエータ ２８の周囲領域を通過する空気に対し滑らかな流体力学的面が与えられ、それに より、ファンの効率を改善することが認められる。 図４及び図５を参照すると、第１の別の実施形態によるファンのシュラウドが 図示されかつ参照符号８０で示されている。第１の別の実施形態によるファンの シュラウド（shroud）８０は環状部分を連想させるような軸対称の形状を有する 成形又は湾曲加工された本体を形成している。図５に示された断面図はファンの シュラウド８０の円周方向の断面を一部除外して表している。この除外部分は複 数の入口ポート８４に関する部分であり、これら入口ポート８４はシュラウド８ ０の回りの複数の円周方向位置でシュラウド８０の内部又はプレナム８６と流体 的に連通している。更に、複数の入口ポート８４は均一な空気流動及びそれによ る最適な作動をもたらす。しかしながら、例えば一つ又は二つの入口ポート８４ を備えた構成及びその作動も容易に可能であることは認められる。 シュラウド８０の連続した側壁８２には内部に反対側に湾曲された終端部分８ ８が形成されており、この終端部分８８は空気がスロート（throat）９０の方に 移動するとき適切な流線を提供する。スロート９０は、勿論、連続し湾曲した側 壁８２により形成され、この側壁８２はファンブレード２２の先端と第１の別の 実施形態のシュラウド８０との間の環状のスペースに空気流れを向けるコアンダ 表面９４である。ウェブ９６がスロート９０を形成する側壁８２の複数部分の間 の複数位置に設けられシュラウドの回りで円周方向に隔置されている。従って、 これらウェブ９６は図５に図解して示された所望の空気速度特性９８を維持する 。 これに関して、正確な大きさと形状、即ち好ましい他の実施形態のシュラウド ５０、８０の曲がったコアンダ表面６４、９４の外形は、各々所望の速度分布を 得るために重要ではない。むしろ、スロート６０、９０の幅と、シュラウド５０ 、８０のプレナム５２、８６に提供される空気圧とにより、それぞれ容易に調節 可能なパラメータを提供でき、これらのパラメータによって、速度分布を調節し て、最適な作動と、適用及び作動状態の異なる送風効率を提供することができる 。更に本発明は、フード下方温度、周囲温度、エンジン区画室圧力あるいはエン ジンスピードのような一またはそれ以上の感知された変数に応答してプレナム５ ２、８６に供給される空気圧のリアルタイムな調節をして、ファンシュラウド５ ０、８０により環状空隙６８に供給される空気の速度分布を変えることができる と考えられる。 好ましい他の実施形態のシュラウド５０、８０の各々は、共に本発明を具体化 しているが、主としてシュラウドの製造と組み立ての異なる方法に基づいた相違 点を有している。図３に示すように、好ましい実施形態のシュラウド５０は、３ またはそれ以上のモールド成形されたプラスチック片でできており、これらのプ ラスチック片は互いに整合した嵌合エッジと溝とによって一緒に嵌め込まれ、適 切な接着剤によって固定されている。しかし図５に示す他の実施形態のシュラウ ド８０では、プラスチックのモールド成形された材料でできた、エッジを備える 単一片でできていることが好ましく、このエッジはカールし、重なって最終製品 を形成している。いづれにしてもシュラウド５０、８０は、アクリロニトリル− ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）のような耐熱性プラスチックでモールド成形さ れることが期待される。熱硬化性成形、即ち硬化あるいは架橋された成形では、 好ましい実施形態のシュラウド５０の製造が適切である。一方、熱可塑性成形、 即ち硬化していないあるいは架橋していないフォームであるＡＢＳは、最初のモ ールド成形の後に追加の成形（硬化）を必要とする他の実施形態のシュラウド８ ０のモールディングに適切である。 上記の開示は、本発明を実施するために発明者によって考えられた最も好まし い実施形態である。しかし実施形態の変更や変形を含む装置や方法は、流体分野 に関する当業者にとって明らかであることは、明白である。上記開示は、関連技 術の当業者が差し迫った発明を実施することができるように意図したものである から、それに限定されるように解釈されるべきではなく、上記の明白なバリエー ションも本発明に含むように解釈されるべきである。そして特許請求の範囲の精 神と範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ファンの動作効率を改善するためのシュラウド組立体において、 ファンの回りに配置されるシュラウドであって、ファンを受ける実質的に円形 の開口、前記開口の回りで伸びている実質的に連続するスロート、及び前記実質 的に連続するスロートと連通している内側通路を有するシュラウドと、 前記シュラウドの前記内側通路に空気を供給する手段と、 を備えたシュラウド組立体。 ２． 請求項１に記載のシュラウド組立体であって、更に、前記実質的に連続す るスロートに隣接する湾曲した円周表面を備えるシュラウド組立体。 ３． 請求項２に記載のシュラウド組立体であって、前記湾曲した表面がコアン ダ表面であり、空気が水面計で約１０インチより低い圧力で前記内側通路に供給 されるシュラウド組立体。 ４． 請求項１に記載のシュラウド組立体であって、更に、前記実質的に連続す るスロートを横切って配置されている複数のウエブを備えるシュラウド組立体。 ５． 請求項１に記載のシュラウド組立体であって、前記シュラウドがファンの 軸線の回りで軸対称であるシュラウド組立体。 ６． 請求項１に記載のシュラウド組立体であって、前記シュラウドが自動車の ラジエータに隣接して配置され、前記ファンが自動車の原動機の上に配置されか つその原動機によって駆動されるシュラウド組立体。 ７． 請求項１に記載のシュラウド組立体であって、更に、水面計で約１０イン チ又はそれ以下の圧力で空気を供給するための手段を備えるシュラウド組立体。 ８． ファンの効率を改善するためのシュラウド組立体において、 ファンを受ける円形の開口を有するシュラウドと、 前記開口に隣接して配置された実質的に連続するスロートと、 前記スロートに隣接して配置されかつ前記開口の回りで伸びている、実質的に 連続する湾曲した表面と、 前記スロートと流体的に連通している内側通路と、 を備えるシュラウド組立体。 ９． 請求項８に記載のシュラウド組立体であって、前記湾曲した表面がコアン ダ表面であるシュラウド組立体。 １０． 請求項８に記載のシュラウド組立体であって、更に、低圧の空気を前記 内側通路に供給する手段を備えるシュラウド組立体。 １１． 請求項８に記載のシュラウド組立体であって、更に、前記スロートを横 切って横に配置された複数のウエブを備えるシュラウド組立体。 １２． 請求項８に記載のシュラウド組立体であって、更に、水面計で約１０イ ンチ又はそれ以下の圧力で空気を前記内側通路に供給するポンプを備えるシュラ ウド組立体。 １３． 請求項８に記載のシュラウド組立体であって、前記シュラウドが自動車 のラジエータに隣接して配置され、前記ファンが自動車の原動機の上に配置され かつその原動機によって駆動されるシュラウド組立体。 １４． 自動車冷却装置のファン用のシュラウドにおいて、 原動機の上に取り付けられかつ原動機によって駆動されるファンと、 前記ファンに隣接して配置されたラジエータと、 前記ラジエータに固定されかつ前記ファンを受けるための開口を有するファン シュラウドであって、前記開口に隣接して配置されたスロートを画成するファン シュラウドと、 前記スロートと流体的に連通している内側通路と、 低圧の空気を前記内側通路に供給する手段と、 を備えている自動車冷却装置。 １５． 請求項１４に記載の自動車冷却装置であって、湾曲した表面がコアンダ 表面であり、前記シュラウドが、更に、前記スロート内に配置された横に向いた ウエブを備える自動車冷却装置。 １６． 請求項１４に記載の自動車冷却装置であって、前記シュラウドが前記空 気供給手段及び前記内側通路と連通している複数の入口ポートを備える自動車冷 却装置。 １７． 請求項１４に記載の自動車冷却装置であって、前記ファンと前記シュラ ウドの前記開口との間の半径方向間隔が約２．５４ｃｍ（１インチ）である自動 車冷却装置。 １８． ファンの効率を改善する方法において、 ファンを受ける開口、前記開口に隣接して配置された実質的に連続するスロー ト及び前記スロートから前記開口に伸びる湾曲した表面を有するファンシュラウ ドを提供することと、 前記開口に空気を流すことと、 を備える方法。 １９． 請求項１８に記載の方法において、前記湾曲した表面がコアンダ表面で ありかつ前記空気の流れが前記スロートを通過した後前記表面にほぼ沿って移動 する方法。 ２０． 請求項１８に記載の方法において、前記空気が水面計で約１０インチ又 はそれ以下の圧力で与えられる方法。 ２１． 請求項１８に記載の方法において、前記スロートがある幅を有し、前記 幅及び前記空気の圧力が所望の速度のプロフィールを達成するように調整される 方法。