Brevet FR2685393A1 — publié le 19930625

La présente invention concerne un ventilateur axial utilisé dans un système de refroidissement par l'eau dans un moteur à combustion interne refroidi par l'eau. On demande de plus en plus des voitures automobiles de haut de gamme Ces véhicules sont généralement équipés d'un moteur à combustion interne de cylindrée élevée et de grande puissance, et dans ce cas, il est nécessaire d'avoir un système de refroidissement de qualité ayant une grande capacité de refroidissement et le moteur doit donc être muni d'un ventilateur offrant de plus grandes performances De manière à obtenir des performances de refroidissement plus grandes, on utilise un ventilateur ayant une vitesse de rotation élevée et celui-ci doit être à même de fonctionner pendant une longue durée, ce qui a pour effet d'augmenter la consommation de carburant et d'accroître le bruit du moteur Par contraste, la plupart des gouvernements nationaux ou régionaux tels que le CAFE souhaite des réductions d'énergie et la diminution du bruit pour des raisons d'environnement. Ainsi, il y a une forte demande pour un ventilateur ayant une construction perfectionnée qui permette de réduire le bruit sans diminuer les performances de refroidissement. La publication N O 63-13040 des brevets japonais examinés décrit un ventilateur de refroidissement logé dans une coiffre et comportant une ailette dont une extrémité définit un plan ayant un plus grande angle du pas (montage) par rapport au reste de l'ailette, ce qui permet d'augmenter la force du tourbillon d'air engendré à l'extrémizé de l'ailette qui est en regard de la surface intérieure de la coiffe, une courte distance les séparant Une telle réduction de la force du tourbillon a pour objet de réduire le bruit opérationnel ainsi que d'augmenter l'efficacité du refroidissement. 2 2685393 Cependant, des essais effectués par la demanderesse ont révélé que, en dehors d'un tourbillon créé à l'extrémité de l'ailette, il y a formation d'une zone stagnante ayant une vitesse très faible à la racine de l'ailette, ce qui réduit aussi les performances du ventilateur. La présente invention a pour objet un ventilateur ayant une construction perfectionnée capable d'augmenter le rendement et de réduire le bruit opérationnel. Selon la présente invention, on prévoit un ventilateur zui est destiné à être relié à une source de mouvement de rotation pour lui conférer un mouvement de rotation, comprenant: un bossage présentant un axe de rotation et comportant une paroi circonférentielle autour de ce premier axe; le bossage étant relié à la source de mouvement afin de faire tourner le ventilateur autour de l'axe, et; une multitude d'ailettes s'étendant radialement, espacées circonférentiellement les unes des autres, reliées à ladite paroi circonférentielle du bossage; chaque ailette ayant une partie racine reliée au bossage et une extrémité libre, l'ailette formant un arc dans une coupe prise transversalement à son extension radiale, ayant un rapport désiré entre la hauteur de l'arc et la longueur de sa corde; l'ailette étant divisée suivant ladite extension radiale, en formant une première zone distante du bossage et une seconde zone proche de celui-ci; la forme en arc de la section transversale étant telle que la valeur du rapport de cambrage au droit de la première zone augmente à partir de l'extrémité libre à un taux sensiblement constant, et au droit de la seconde zone croit vers la partie racine à un taux augmentant alors qu'on se rapproche de cette partie. 3 2685393 La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique de côté d'un ventilateur illustrant un problème qu'on rencontre dans la technique antérieure. La figure 2 représente un agencement d'un ventilateur selon la présente invention dans le compartiment moteur d'une automobile. La figure 3 est une vue avant partielle d'une ailette de ventilateur selon la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe de l'ailette à sa partie médiane suivant une extension radiale de i'ailette, prise le long des lignes IV-IV de la figure 3. La figure 5 représente un vecteur de vent dû à la rotation du ventilateur et à l'écoulement de l'air provoqué par le déplacement du véhicule. La figure 6 est un graphique de la relation entre la position radiale relative et la valeur du rapport de cambrage. La figure 7 est une vue en coupe transversale de l'ailette au droit de la partie racine suivant une extension radiale de l'ailette, prise le long des lignes VII-VII de la figure 3. La figure 8 est une vue en coupe transversale de l'ailette à une extrémité libre suivant une extension-radiale de l'ailette, prise le long des lignes VIII-VIII de la figure 3. La figure 9 est une courbe de la relation entre le rapport de cambrage à la partie racine et le rendement du ventilateur. La figure 10 est un graphique de la relation entre le rapport de cambrage et le facteur d'aspiration, et entre le rapport de cambrage et entre le rapport de cambrage et le rapport du facteur de traînée au facteur d'aspiration. La figure 11 est un graphique des relations entre le débit d'air soufflé et le rendement du ventilateur, entre le débit d'air soufflé et la différence de pression statique, et entre ldébitd'air et le bruit dans une comparaison entre la technique antérieure (ligne en trait plein) et la présente invention (ligne entirets). On décrira maintenant, en liaison avec la figure 1, un problème à résoudre par la présente invention Dans cette figure, les écoulements d'air F sont créés dans une coiffe 100 sous l'effet de la rotation d'un ventilateur qu'elle renferme Dans une zone o l'ailette 101 du ventilateur est en regard de la coiffe 100, les écoulements de l'air créent un tourbillon V La publication n' 63-13040 des brevets japonais examinés a pour objet de réduire l'apparition d'un tel tcurbillon à l'extrémité extérieure d'une ailette En plus de ce tourbillon, la demanderesse a trouvé que l'écoulement de l'air créée une zone stagnante S à l'emplacement de la racine o l'ailette 101 est reliée au moyeu 102 du ventilateur Un tel tourbillon V et une telle zone de stagnation S ont pour effet que le sens de l'écoulement principal F de l'air varie plus que prévu dans l'étude faite à l'origine, ce qui réduit l'efficacité Il en résulte que la construction de la technique antérieure est désavantageuse en ce sens que toute l'aire de l'ailette n'est pas effectivement utilisée Plus précisément, la création de la zone stagnante réduit l'efficacité et augmente le bruit en fonctionnement. Cn expliquera maintenant en liaison avec un mode de réalisation, une construction de la présente invention aul surmonte la difficulté cidessus dont souffre la technique antérieure La figure 2 représente schématiquement un compartiment moteur 10 d'une automobile dans lequel est disposé le moteur 12 à combustion interne A l'avant du moteur 12 se trouve un ventilateur 13 comportant une partie à bossage 14 reliée 2685393 à un moteur électrique 16 pour conférer un mouvement de rotation à la partie 14 La carcasse du moteur 16 est fixée au compartiment moteur 10 au moyen d'éléments appropriés (non représentés) Une multitude d'ailettes 18 espacées circonférentiellement les unes des autres, chacune s'étendant radialement, sont fixées au bossage 14 Les ailettes 18 et le bossage 14 sont constitués d'une résine plastique Le ventilateur 13 est logé dans une coiffe 20 ayant une forme sensiblement tubulaire dont l'extrémité arrière débouche sur le moteur 12 et dont l'extrémité avant débouche sur un radiateur 22 comportant des canaux (non représentés) pour le liquide de refroidissement du moteur provenant d'une chemise à eau (non représentée) du moteur 12 et renvoyé à la chemise La coiffe 20 du ventilateur sert à guider à travers le radiateur 22 le courant d'air créé sous l'effet du mouvement de rotation du ventilateur 13. Lorsque le véhicule est équipé d'un dispositif de climatisation de l'habitacle (non représenté), un condenseur 24 est disposé à l'avant du radiateur 22 qui est, comme cela est bien connu, situé dans un passage de circulation d'un réfrigérant pour le refroidissement de l'air et pour la climatisation de l'habitacle du véhicule Le véhicule comporte une grille avant 26 à sa partie antérieure en regard du condenseur 24 pour l'introduction de l'air extérieur dans le compartiment moteur 10 La référence 28 représente un pare-choc se trouvant à l'avant de la grille 26. La figure 3 est une vue avant du ventilateur et plus particulièrement de l'une des ailettes 18 s'étendant radialement à partir du bossage 14 Comme représenté dans cette figure, chaque ailette 18 est constituée d'une plaque allongée ayant le profil désiré et présentant un axe 29 pour sa partie radiale allongée, et une racine 18-1 ayant une largeur relativement étroite à proximité du bossage 14 et une extrémité libre 18-2 de largeur relativement grande, éloignée du bossage 14 Comme représenté en figure 4, l'ailette 18 s'étend verticalement par rapport à un axe 30 pour mouvement de rotation du bossage 14, en étant inclinée par rapport à celui-ci Comme représenté en figure 4, l'ailette 18 forme un arc à une section prise transversalement à l'axe 29 de la partie radiale étendue La section en forme d'arc est telle qu'elle est convexe au côté en regard du radiateur (R) et concave en regard du moteur (M) En figure 4, l'angle a est appelé angle d'attaque, qui est l'angle de la corde 34 de l'arc de l'ailette 18 avec le sens du vent W, lequel est, comme représenté en figure 5, un vecteur constitué d'une composante VROT de vitesse de l'écoulement, dans le sens vertical 36, produite par la rotation du ventilateur et d'une composante VAIR de la vitesse de l'écoulement de l'air dû au déplacement du véhicule On désigne par b un angle de montage (angle de pas), qui est l'angle formé entre la corde 34 de l'arc et la verticale 36 transversale à l'axe 30 de rotation du ventilateur Dans la section transversale en forme d'arc de la figure 4, la largeur de l'ailette, c'est-à-dire la longueur de la corde de l'arc est désignée par " 1 ", et le degré du cambrage, c'est-à-dire la distance entre la corde et le sommet de l'arc, est désigné par "h". En outre, le rapport de cambrage est défini par le rapport a entre la hauteur de cambrage h et la longueur 1 de la corde, c'est-à-dire h En outre, une position radiale relative de l'ailette suivant l'axe 29 est désignée par le rapport f de la distance r entre la position et la racine, et la distance R entre l'extrémité libre et la racine, c'est- à-dire: r La figure 6 représente diverses relations A, B, C, D et E selon la présente invention entre la valeur de la position radiale relative D et la valeur du rapport de cambrage a X La courbe G donne une relation similaire pour la technique antérieure Comme on le 7 2685393 verra facilement en figure 6, selon la présente invention, la valeur du rapport de cambrage Oa présente une première section entre l'extrémité libre 18-2 ( 5 = 1) et une partie médiane o l'augmentation de la valeur du rapport de cambrage a est très douce, c'est-à-dire que le taux d'accroissement de la valeur du rapport de cambrage a est sensiblement inchangé, et une seconde section entre la zone médiane et le côté racine 18-1 (à = 0), o l'augmentation de la valeur du rapport de cambrage a est brutale, c'est-à-dire que le taux d'augmentation du rapport de cambrage a croit au fur et à mesure au'on se rapproche de la racine Plus précisément, entre la partie médiane et la racine 18-2 ( 3 = O), la valeur du rapport de cambrage a dans la courbe A augmente de 14 %, dans la courbe B cette valeur augmente de 12 %, dans la courbe C la valeur augmente de %, dans a courbe D la valeur croît de 8 %, et dans la courbe E la valeur est de 6 % Au contraire, dans la technique antérieure représentée par la courbe G, le taux d'augmentation de la valeur du rapport de cambrage a est sensiblement constant, c'est-à-dire qu'il y a seulement une augmentation douce de la valeur du rapport de cambrage entre l'extrémité libre 18-2 ( 3 = 1) et la racine 18-1 (p = 0) Plus précisément, la valeur du rapport de cambrage a à la racine est de 4 %. La figure 7 est semblable à la figure 4, mais représente la forme de la section en coupe de l'ailette à la racine 18-1, o la longueur de la corde est 1 Rr et la hauteur de cambrage h R, d'o l'obtention d'une valeur élevée pour le rapport de cambrage h R/l R, car la longueur 1 R a une valeur relativement faible, alors que la hauteur h R présente une valeur relativement élevée La figure 8 représente la forme de la section en coupe de l'ailette à l'extrémité libre 18-2, o la longueur de la corde 1 L, et la hauteur du cambrage h L, d'o une faible valeur pour le rapport de cambrage h L/l L car la longueur 1 L a une valeur relativement élevée alors que la hauteur h L est relativement petite. 8 2685393 La figure 9 représente une courbe de la relation entre les formes et les valeurs du rendement du ventilateur Comme on le verra facilement, par rapport à la technique antérieure, lorsque la valeur du rapport de cambrage a à la racine (y = O) est 4 %, on peut obtenir une valeur plus élevée du rendement il du ventilateur selon la présente invention Plus précisément, entre les formes E (la valeur du rapport de cambrage a à la racine (y = O) est 6 %), D (la valeur du rapport de cambrage a à la racine (f = 0) est 8 %), C (la valeur du rapport de cambrage a à la racine ( 5 = O) est 10 %) et B (la valeur du rapport de cambrage a à la racine (f = O) est 12 %), plus la valeur du rapport de cambrage OC est élevée à la racine (f = 0), plus grand est le rendement ij du ventilateur. Cependant, comme cela apparaîtra en figure 9, lorsque la valeur du rapport de cambrage a à la racine (f = 0) dépasse 12 i comme cela est le cas de l'exemple A (la valeur du rapport de cambrage a à la racine (f = 0) est 14 %), la valeur du rendement Tl du ventilateur commence à chuter Une telle chute du rendement du ventilateur dans la zone o le rapport de cambrage a X a une valeur élevée est due au fait que les écoulements engendrés par la rotation de l'ailette du ventilateur sont à même d'être séparés de la surface de l'ailette génératrice d'un vide, d'o la réduction du rapport E enrre le facteur CT de la force de traînage et le facteur CA de la force d'aspiration Plus précisément, en figure 10, la courbe m représente la relation entre le rapport de cambrage f et le rapport ú entre la fcrce de traînée et la force d'aspiration. Comme on le verra facilement en figure 6, une valeur du rapport de cambrage f supérieure à 12 % provoque une augmentation rapide du rapport e, ce qui réduit sensiblement l'efficacité de l'ailette Ainsi, il est clair d'après ce qui précède que la valeur du rapport de cambrage a X à la racine (f = 0) est 12 %, ce qui représente quatre fois la valeur ( 2,7 %) du rapport de 9 2685393 cambrage a à la racine dans le cas de la technique antérieure. En figure 10, la courbe N représente la relation entre le rapport de cambrage 5 et le facteur d'aspiration CA Les relations N et m en figure 6 sont déterminées lorsque l'angle d'attaque a est de 100. Comme cela apparaîtra d'après ce qui précède, la division de l'ailette 18 en une première section entre l'extrémité libre et la partie médiane ayant une valeur a du rapport de cambrage n'augmentant sensiblement pas et une seconde section entre la partie médiane et la racine 18-1 présentant une valeur a du rapport de cambrage augmentant brutalement permet d'utiliser efficacement la surface totale de l'ailette 18, et de réduire la surface stagnante à faible vitesse de l'air qui,dans le cas contraireest produite à la zone proche de la racine 18-1. En outre, on remarquera qu'une petite valeur a du rapport de cambrage entre la partie médiane et l'extrémité libre selon la présente invention est préférable pour obtenir les conditions désirées pour l'écoulement Plus précisément, la partie médiane de l'ailette est distante tant du bossage 14 que de la coiffe 20, d'o la réduction de la vitesse de l'écoulement de l'air qui permet d'obtenir les conditions requises de l'écoulement quelle que soit la pression totale relativement faible au droit de la partie médiane de l'ailette par suite de la faible vitesse périphérique de l'ailette à cet endroit A l'extrémité libre de l'ailette, sa vitesse périphérique est élevée, d'o l'augmentation de la pression totale, ce qui est efficace pour obtenir les conditions désirées de l'écoulement pour l'air passant au droit de l'ailette. En figure 11, les courbes H et J sont des relations entre le débit de l'air Va (x 102 m 3/h) et le rendement du ventilateur il (%) La courbe H correspond à la présente invention lorsque la valeur du rapport 2685393 maximum de cambrage a à la racine est 12 %, alors que la courbe J correspond à la technique antérieure lorsque la valeur du rapport de cambrage à la racine est 4 %, et est sensiblement inchangée sur toute la partie de l'ailette Quant aux relations entre le débit de l'air Va et le niveau du bruit (d B-A), la courbe K correspond à la présente invention, et L à la technique antérieure. Enfin, quant aux relations entre les débits de l'air Va et la différence de pression statique AP, on verra facilement (figure 11) qu'on peut obtenir un plus grand rendement l du ventilateur et un bruit réduit dans une gamme plus large de l'air soufflé. Selon le mode de réalisation de la présente invention, on choisit le rapport de cambrage à la racine à 12 % Cependant, on peut employer une valeur de ce rapport dans une gamme comprise entre 8 et 12 % pour augmenter le rendement du ventilateur et réduire le bruit opérationnel Il est également préférable que la valeur du rapport de cambrage à la racine et la valeur du rapport de cambrage à l'extrémité libre soient dans un rapport compris entre 3 et 5. Dans le mode de réalisation illustré, l'augmentation rapide du rapport de cambrage est continue entre la partie médiane et l'extrémité libre de l'ailette Cependant, une augmentation rapide du rapport de cambrage à partir de la partie médiane peut être arrêtée à un point situé avant la racine Et cette valeur maximum du rapport de cambrage est maintenue jusqu'à la racine. La présente invention n'est pas limitée au type particulier d'ailette représenté dans les dessins. Plus précisément, on peut utiliser le concept de la présente invention pour de nombreux types d'ailettes, dont les ailettes ayant une partie s'avançant vers l'avant qui est inclinée dans un sens de rotation, et une partie avançant vers l'arrière qui est inclinée dans le sens opposé, une ailette inclinée vers l'avant dans la direction de l'entrée d'air, et une ailette inclinée il 2685393 vers l'arrière dans le sens inverse En outre, on peut également utiliser le concept de la présente invention avec un ventilateur présentant des anneaux à sa périphérie extérieure. 12 2685393 REVEND ICATIONS 1 Ventilateur ( 13) destiné à être relié à une source de mouvement de rotation ( 16) pour lui conférer un mouvement tournant caractérisé en ce qu'il comprend: un bossage ( 14) présentant un axe de rotation et une paroi circonférentielle autour de cet axe; le bossage étant relié à la source de mouvement de rotation pour animer le ventilateur d'un mouvement tournant autour de l'axe, et; une multitude d'ailettes ( 18) s'étendant radialement, espacées circonférentiellement les unes des autres, reliées à la paroi circonférentielle du bossage; chaque ailette ayant une racine reliée au bossage et une extrémité libre, l'ailette présentant une section en coupe en forme d'arc transversalement à son extension radiale, suivant un rapport désiré entre la hauteur de l'arc et la longueur de sa corde; l'ailette étant divisée suivant ladite extension radiale, en une première zone ( 18-2) distante du bossage ez une seconde zone ( 18-1) proche de celui- ci; la forme de l'arc et de la section étant telle que la valeur du rapport de cambrage (a) pour la première zone augmente à partir de l'extrémité libre à un taux sensiblement constant, et dans la seconde zone croît vers la racine à un taux augmentant alors qu'on se rapproche de la racine. 2 Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du rapport de cambrage à la racine es-: comprise dans la gamme allant de 6 % à 12 %. 3 Ventilateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur du rapport de cambrage à la racine es: comprise dans la gamme allant de 8 % à 12 % 4 Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du rapport de cambrage à 13 2685393 la racine est trois fois plus grande et cinq fois plus petite que le rapport de cambrage à l'extrémité libre. Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde zones sont reliées l'une à l'autre à un endroit de l'ailette qui est situé sensiblement au centre de l'extension radiale de l'ailette. 6 Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation du taux du rapport de cambrage se poursuit jusqu'à la racine à partir d'une partie médiane de l'ailette. 7 Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est fondamentalement constitué d'une résine plastique. 8 Dispositif de refroidissement pour une automobile comportant un compartiment moteur ( 10) pour renfermer un moteur à combustion interne ( 12), ce compartiment ayant une entrée ( 26) pour l'introduction d'un écoulement d'air extérieur, et le dispositif comportant: au moins un échangeur de chaleur ( 22) disposé entre l'entrée et le moteur; un ventilateur ( 13) placé entre le moteur et l'échangeur de chaleur; un moyen ( 16) pour conférer un mouvement de rotation au ventilateur afin de créer un écoulement d'air dans une direction allant de l'échangeur de chaleur au moteur; et une coiffe tubulaire ( 20) disposée autour du ventilateur, la coiffe ayant une première extrémité s'étendant vers l'échangeur de chaleur et une seconde extrémité vers le ventilateur; caractérisé en ce que le ventilateur comprend: un bossage ( 14) ayant un axe de rotation et une paroi circonférentielle autour de ce premier axe; le bossage étant relié au moyen conférant un mouvement oi 14 2685393 de rotation afin d'animer le ventilateur d'un mouvement de rotation autour de l'axe, et; une multitude d'ailettes ( 18) s'étendant radialement, espacées circonférentiellement les unes des autres, reliées à la paroi circonférentielle du bossage; chaque ailette ayant une racine reliée au bossage et une extrémité libre contiguë à la coiffe, l'ailette présentant une section en coupe en forme d'arc transversalement à son extension radiale, suivant un rapport désiré entre la hauteur de l'arc et la longueur de sa corde; l'ailette étant divisée le long de son extension radiale, en une première zone ( 18-2) proche de la coiffe et une seconde zone ( 18-1) proche du bossage; la forme de l'arc étant telle que la valeur du rapport de cambrage à la première zone augmente à partir de l'extrémité libre à un taux sensiblement constant, et à la seconde zone croît vers la racine à un taux qui augmente lorsqu'on se rapproche de la racine.