(57)【要約】自動車エンジン冷却用ファン装置（１０）では、入口部（２４１）をシュラウド胴（２０）へ張り出すともにファン羽根（４）の先端（４６）をこの入口部の形状に合致させるよう形作ることによって、高い効率と低い騒音とが達成される。ファンに流入する流体の分離は、その張出部を羽根先端の軸方向広がりにわたって拡張することによって減少し、また、先端隙間損失は、羽根先端全体に沿った再循環を調整することによって減少する。ファンのたわみを最小限にし、それによって、性能をさらに向上させる小さい先端隙間の使用を可能にするために、羽根の傾斜が用いられている。
2004503714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シュラウドとファンとを備えており、前記シュラウドが前記ファンを取り囲む胴を備え、かつ、前記ファンが中央ハブと複数の羽根とを備え、前記羽根のそれぞれが基端部分と先端部分とを有し、前記先端部分が前縁と後縁とを有し、前記シュラウドは、
その胴が張出状入口部を備えていることを特徴とするとともに、
前記ファンは、
ａ）それぞれの羽根先端の一部がシュラウド胴の張出状入口部に合致するように形作られており、
ｂ）その合致部分の上流端での羽根先端の半径がその合致部分の下流端での羽根先端の半径より大きい
ことを特徴とする自動車エンジン冷却用ファン装置。
【請求項２】
羽根先端とシュラウドとの合致部分どうしの間における、シュラウドに対して垂直に測定された隙間が、その部分の広がりにわたってせいぜいプラスマイナスおよそ２０パーセントだけ変わることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項３】
羽根先端の軸方向広がりの全体が、張出状入口部に合致していることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項４】
羽根先端の前縁が、張出状入口部への入口の下流側に軸方向に存在していることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項５】
羽根先端の前縁が、張出状入口部への入口の下流側に、ファンの直径のおよそ０．０４倍より小さい距離を置いて、軸方向に存在していることをさらに特徴とする請求項４に記載のファン装置。
【請求項６】
張出状入口部に合致する部分の上流側である羽根先端の部分の軸方向広がりが、羽根先端全体の軸方向広がりのおよそ０．３倍より小さいことをさらに特徴とする請求項１記載のファン装置。
【請求項７】
胴が、張出状入口部の下流側にほぼ円筒状の部分を備えていることをさらに特徴とする請求項１記載のファン装置。
【請求項８】
張出状入口部に合致する部分の下流側である羽根先端の部分の軸方向広がりが、羽根先端全体の軸方向広がりのおよそ０．５倍より小さいことをさらに特徴とする請求項１または７記載のファン装置。
【請求項９】
シュラウド胴が、羽根先端の後縁の下流側に段状部分を備え、かつ、前記段状部分の半径が、羽根先端の後縁の軸方向部分でのシュラウド胴の半径より小さいことをさらに特徴とする請求項１記載のファン装置。
【請求項１０】
羽根先端の後縁の軸方向部分でのシュラウド胴の半径とシュラウド胴の最小半径との間の差が、ファンの直径の０．０２倍より大きくないことをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項１１】
ファン羽根が、上流側から見たときにほぼ放射状であることをさらに特徴とする請求項１記載のファン装置。
【請求項１２】
ファン羽根が、先端でファンの直径のおよそ３パーセントより少なく前方へ傾斜していることをさらに特徴とする請求項１１記載のファン装置。
【請求項１３】
ファン羽根が、ねじれていることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項１４】
ファン羽根が、後方へ広がった領域において、およそ１５度より大きい後方傾斜角を有し、かつ、後方へ広がった領域あるいは前方へ広がった領域のどちらかにおいて、およそ５度より小さい前方傾斜角を有していることをさらに特徴とする請求項１３に記載のファン装置。
【請求項１５】
ファン羽根が、基端部で前方へ広がるとともに先端部で後方へ広がり、かつ、基端部で前方傾斜角を有するとともに先端部で後方傾斜角を有していることをさらに特徴とする請求項１３に記載のファン装置。
【請求項１６】
ファン羽根が、基端部で後方へ広がるとともに先端部で前方へ広がり、かつ、基端部で後方傾斜角を有するとともに先端部で前方傾斜角を有していることをさらに特徴とする請求項１３に記載のファン装置。
【請求項１７】
張出状入口部の表面におけるそれぞれの箇所と近似楕円における対応箇所との距離が、ファンの直径のおよそ０．５パーセントより小さいことをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項１８】
１つの半軸が軸方向のものであり、１つの半軸が半径方向のものであることをさらに特徴とする請求項１７に記載のファン装置。
【請求項１９】
近似楕円の半径方向の半軸が、その楕円の軸方向の半軸のおよそ０．４〜１．０倍であることをさらに特徴とする請求項１８に記載のファン装置。
【請求項２０】
近似楕円の軸方向の半軸が、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．５〜２倍であることをさらに特徴とする請求項１８に記載のファン装置。
【請求項２１】
近似楕円の軸方向の半軸が、ファンの直径のおよそ０．０４〜０．１４倍であることをさらに特徴とする請求項１８に記載のファン装置。
【請求項２２】
近似楕円の半径方向の半軸が、ファンの直径のおよそ０．０２〜０．１１倍であることをさらに特徴とする請求項１８に記載のファン装置。
【請求項２３】
羽根先端の合致部分における上流端の半径が、羽根先端の合致部分における下流端の半径よりおよそ２〜１５パーセント大きいことをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項２４】
羽根先端とシュラウドとの間における、シュラウドに対して垂直に測定された最小隙間が、ファンの直径のおよそ０．００７〜０．０２倍であることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項２５】
羽根先端とシュラウドとの間における最小軸方向距離が、ファンの直径のおよそ０．０１１〜０．０３４倍であることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項２６】
羽根先端の合致部分の半径方向座標および軸方向座標が湾曲部を形成し、かつ、この湾曲部におけるそれぞれの箇所と近似楕円における対応箇所との距離が、ファンの直径のおよそ０．５パーセントより小さいことをさらに特徴とする請求項１７に記載のファン装置。
【請求項２７】
張出状入口部の形状に近似している楕円が、軸方向である半軸と半径方向である半軸とを有するとともに、羽根先端の形状に近似している楕円が、軸方向である半軸と半径方向である半軸とを有し、かつ、羽根先端の形状に近似している楕円の軸方向半軸が、張出状入口部の形状に近似している楕円の軸方向半軸よりも、羽根先端の形状に近似している楕円の半径方向半軸が張出状入口部の形状に近似している楕円の半径方向半軸を超える量に等しいかあるいはその量よりも大きい量だけ、長いことをさらに特徴とする請求項２６に記載のファン装置。
【請求項２８】
羽根先端の弦長が、ファンの直径のおよそ０．２〜０．４倍の間であることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項２９】
シュラウドが、上流側熱交換器の背後に取り付けられていることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項３０】
シュラウドが、胴の上流側に気体充満空間を備え、前記気体充満空間が、上流側熱交換器の背後に設けられており、この気体充満空間によって覆われた熱交換器外面の区域が、ファンの円板区域の少なくともおよそ１．５倍であることをさらに特徴とする請求項２９に記載のファン装置。
【請求項３１】
シュラウドが、下流側熱交換器の前方に取り付けられていることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項３２】
ファンとシュラウドとが、射出成形されたプラスチックから作られていることをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項３３】
シュラウドが、単一部品として成形されていることをさらに特徴とする請求項３２に記載のファン装置。
【請求項３４】
羽根先端の後縁とシュラウド胴の下流端との間の軸方向距離が、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．５倍より小さいことをさらに特徴とする請求項１に記載のファン装置。
【請求項３５】
羽根先端の後縁とシュラウド胴の下流端との間の軸方向距離が、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．３倍より小さいことをさらに特徴とする請求項３４に記載のファン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
この出願は、２０００年６月１６日に出願された米国仮出願第６０／２１１，９８８号の優先権を主張するものである。
【０００２】
（背景）
自動車のエンジンは、液体−空気熱交換器すなわちラジエーターを通って吸排される冷却液によって冷却されるのが普通である。冷却液と空気との比重差のために、ラジエーターは、その幅が比較的狭いが、冷却用空気が通る部分の表面積が大きいのが一般的である。空気調和システムの凝縮器のような他の輸送機関用熱交換器は、類似した構成であり、ラジエーターと直列状に冷却されることが多い。
これらの熱交換器の位置は一般に、輸送機関の前方や輸送機関本体の開口の後方であるため、輸送機関の前方移動によって高い圧力がもたらされる。しかしながら、冷却要件がきびしいときあるいはその輸送機関が移動しないときに充分な空気が熱交換器を通過することを保証するためには、熱交換器の上流側か下流側かのいずれか一方に、ファン装置が取り付けられる。
【０００３】
このファン装置には一般に、ファンと、このファンを取り囲むとともに熱交換器とこのファンとの間へ空気を案内するシュラウドとが含まれている。このファンは一般に、シュラウドとともに取り付けられあるいはシュラウドに一体に取り付けられたブラケットで支持された電気モーターによって駆動する。このシュラウドは、フード下方の空間に位置が制約されるため、一般に深さが最小でなければならず、同時に、熱交換器表面の広い区域を覆う必要がある。このため、冷却用空気の大部分は、基本的には（負の）半径方向からファンへ到達し、また、ファンの先端領域を通って流れるときには、ほとんど９０度、向きを変えなければならない。
充分に向きを変えることができないときには、冷却用空気の大部分は、シュラウドの表面から分かれて、ファンの効率と音響性能とを損なうであろう。
【０００４】
ファンを設計する上での別の制約は、その騒音が消費者にとって許容することができるかどうかということである。ファンの騒音には、広帯域の騒音と発振音との両方が含まれており、後者はファンと非線対称的流入物との相互作用によって生じる。これらの発振音を最小化する１つの方法は、羽根の設計にねじれを組み入れることである。しかしながら、ねじれ羽根には、放射羽根に対抗することができないという構造上の問題がある。
【０００５】
このファン装置を設計するには他に多くの制約がある。１つの要件は、ファンとシュラウドとを安価に製造しなければならないということである。この理由のために、それらはプラスチック射出成形された部品であるのが一般的である。ファンとシュラウドとの隙間は動いているときに、これらの部品のたわみと製造公差とを吸収しなければならない。これらのたわみは、長期間にわたるクリープを含むものであり、また、時間、温度および湿度に左右されるものである。ファンのたわみは、遠心力および空気力から生じるとともに、半径方向および軸方向の両方における成分を含んでいる。このファン装置は、ファンがどのようなときでもシュラウドに接触しないような方法で設計されていなければならず、また、ファンとシュラウドとの間における漏洩によって効率あるいは騒音が過度に損なわれないように隙間が充分小さいものでなければならない。この用途のためには、漏洩の起きる隙間の性質が異なる２つの型のファンが使われてきた。
ファンの１つの型は、シュラウドと回転羽根の端部との間に隙間がある遊離先端型ファンである。この型のファンには一般に、構成がほとんど放射状であってわずかにねじれのある羽根が備わっている。この羽根には一般に、一定半径の先端形状が備わっているので、ほとんど放射状である構成によって最小にされた半径方向のたわみだけによってシュラウドと接触することがある。図１ａには、代表的な遊離先端型エンジン冷却用ファンが示されている。
【０００６】
２番目の型のファンは、羽根先端が回転ベルトに取り付けられているベルト型ファンである。再循環が起きる隙間は、回転ベルトとシュラウドとの間である。この構成における１つの利点は、さまざまな漏洩制御装置（米国特許第５４８９１８６号）を使用することで漏洩流体を最小限にできることである。別の利点は、そのベルトがねじれ羽根の構造的支持体をもたらして（米国特許第４５６９６３１号、４５６９６３２号）、それらのたわみを最小限にできることである。
これら両方の型のファンには不利益がある。
【０００７】
遊離先端型ファンの効率はその先端隙間に大きく左右される。空気は羽根先端の周りで圧力側から吸引側へ移動し、それによって、先端領域における羽根の前後間の圧力差が減少するとともに集中した先端渦が生じる。この渦は、損失機構であって、騒音の発生源になることがある。図１ｂに示されたような構成によれば、先端隙間は最小になるが、シュラウド胴における入口半径が小さいために流体分離は犠牲になる。図１ｃには、いっそう代表的な遊離先端型ファン装置が示されており、ここでは、羽根先端の前方部分がファンの気体充満空間の中へ延び出すことができることと、いっそう大きい入口半径を採用することとによって、前記分離が最小になっている。しかしながら、この構成では、小さい先端隙間が羽根先端の後方部分でだけ維持されるため、先端での漏洩損失がより大きくなる。遊離先端型ファンは、とりわけいっそう抵抗的な作用箇所で、ベルト型ファンよりも騒音が大きい傾向がある。これらの遊離先端型ファンでは、エンジン停止が、いっそう甚だしくかついっそう突発的に起きる。
【０００８】
ベルト型ファンでは、遊離先端型ファンに比べて先端隙間損失が少ないものの、回転ベルトの付加的な粘性損失が大きい。これらの損失は、負荷の少ない作用箇所、すなわち、発生した圧力および流体に対してファン速度が比較的大きい箇所で、とりわけ大きい。このような作用箇所は、このような作用箇所で安価な低トルクモーターを使うことができるため、自動車の用途では一般的である。ベルト型ファンに関する渦流損の別の発生源は、ベルトにおける流体分離である。成形要件のために、ベルトの内面は、図１ｄに示されたように、羽根の軸方向の広がりにわたって基本的に円筒状でなければならない。ベルトの前方にはリップが取り付けられるのが普通であるが、これは、きびしい空間要件のために広がりを制約する必要であるからである。流体分離はたいてい、その結果である。回転ベルトによってもまた、何らかの騒音問題と振動問題とが生じる。ベルトの軸振れによって、輸送機関における振動問題を引き起こす大きい連結不均衡が生じる。また、ベルト型ファンの大きい慣性モーメントによって、ファンの電源が切られたときにファンが惰性運転する際の時間が長くなる。この惰性運転過程によって、輸送機関における不愉快な騒音が引き起こされることがある。これらの性能上の問題に加えて、ベルト型ファンは遊離先端型ファンよりも製造に費用がかかる。ベルトの半径が大きいときには、ベルト型ファンは、遊離先端型ファンよりも別の均衡操作が必要になりがちである。ベルト型ファンでは、遊離先端型ファンについて必要であるときよりも多くの材料の使用が必要になり、また、ベルトには接合線があるため、他の物を使うよりも高価な材料の使用が必要になる。
【０００９】
（発明の目的）
本発明における１つの目的は、ファンとシュラウドとの間の漏洩を最小限にすることによって自動車エンジン冷却用ファン装置の効率を最大限に発揮させることである。
別の目的は、流体分離を最小限にすることによってファン装置の効率を最大限に発揮させることである。
別の目的は、ファンによって生じる騒音を最小限にすることである。
本発明の別の目的は、その製造に用いられるプラスチック材料の量および費用を最小限にすることによって低コストの装置を提供することである。
別の目的は、ファンの静的不均衡および連結不均衡を最小限にし、それによって、ファンの均衡費用と輸送機関における振動量とを減少させることである。
別の目的は、ファンの電源が切られたときに惰性運転過程を短くするためにファンの慣性モーメントを最小限にすることである。
【００１０】
（概要）
本発明は、無ベルト型自動車エンジン冷却用ファンとシュラウドとからなる装置に関するものである。このシュラウドには、張出状入口部と、この入口部の形状に合致するそれぞれの羽根先端の少なくとも一部とがある胴が備わっている。羽根先端の半径は、その合致部分の下流端よりも合致部分の上流端の方がより大きい。
好ましい１つの実施形態では、羽根先端の全体がシュラウド入口部の形状に合致している。また、好ましい１つの実施形態では、羽根先端とシュラウドとの隙間はほぼ一定である。先端隙間が実質的に羽根先端全体にわたってその最小値に維持されるので、先端隙間損失とファン騒音とは最小限になる。加えて、この設計により可能になった大きい張出状入口部によって流体分離が最小限になる。このことによって、ファン効率が最大限に発揮されるとともに騒音が最小限になる。
特定の１つの実施形態では、羽根先端は、シュラウド張出部に合致する羽根先端の一部の上流側へ延び出している。この実施形態では、この上流部分の軸方向広がりは、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．３倍よりも少ない。
【００１１】
シュラウド胴の張出状入口部の下流側部分はほぼ円筒状であってよい。１つの実施形態では、羽根先端はシュラウド張出部の下流端の下流側へ延び出している。この実施形態では、この下流側部分の軸方向広がりは、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．５倍より少ない。
この好ましい実施形態では、羽根後縁の軸方向部分でのシュラウド胴の半径は、シュラウド胴の最小半径をファン半径の０．０２倍超えることはない。シュラウドの半径とは、シュラウドの内側における空気流路の半径を意味する。
１つの実施形態では、シュラウド胴は、羽根先端の後縁の下流側で内方へ入っていてもよい。
さらに別の実施形態では、シュラウド胴は比較的短く、シュラウド胴の終端と羽根先端の後縁との間の距離は、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．５倍よりも小さい。好ましい１つの実施形態では、この距離は、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．３倍よりも小さい。
本発明はまた、羽根先端におけるたわみを最小限にする羽根の幾何学的形態を特徴とする。１つの実施形態では、ファンは放射羽根であり、また、先端は、ファンの直径の３％より少なく前方へ傾斜が付けられている。好ましい実施形態では、ファンはねじれている。好ましくは、ファンには、後方へ広がった領域あるいは前方へ広がった領域のどちらかにおいて、およそ５度より小さい前方傾斜角を有し、また、後方へ広がった領域において、およそ１５度より大きい後方傾斜角を有している。
好ましい１つの実施形態では、ファンは、ハブの近傍で前方へ広がるとともに、羽根先端の近傍で後方へ広がり、また、ファンには、ハブの近傍で前方傾斜角を有し、羽根先端の近傍で後方傾斜角を有している。
【００１２】
別の実施形態では、ファンは、ハブの近傍で後方へ広がるとともに、羽根先端の近傍で前方へ広がり、また、ファンには、ハブの近傍で後方傾斜角を有し、羽根先端の近傍で前方傾斜角を有している。
好ましい１つの実施形態では、張出部の形状はほぼ楕円形であり、張出状入口部の表面において各箇所と近似楕円における対応箇所との間の距離は、ファンの直径の０．５％より小さい。好ましい１つの実施形態では、近似楕円は、軸方向半軸と半径方向半軸を有するように方位付けられており、また、羽根先端の軸方向広がりのおよそ０．５〜２．０倍である軸方向半軸と、この軸方向半軸のおよそ０．４〜１．０倍である半径方向半軸とを有している。この好ましい実施形態では、軸方向半軸はファンの直径の０．０４〜０．１４倍の間にあり、また、半径方向半軸はファンの直径の０．０２〜０．１１倍の間にある。
好ましい１つの実施形態では、羽根先端の合致部分における上流端の半径は、羽根先端の合致部分における下流端の半径よりおよそ２％〜１５％だけ大きい。
【００１３】
好ましい１つの実施形態では、羽根先端とシュラウドとの間の最小隙間は、ファンの直径の０．００７〜０．０２倍である。羽根の前縁とシュラウドとの間の一定半径箇所で測定された軸方向距離は、ファンの直径のおよそ０．０１１〜０．０３４倍である。
この好ましい実施形態では、羽根先端の合致部分によって広げられた子午線面の湾曲部における各箇所と近似楕円における対応箇所との間の距離は、ファンの直径の０．５％より短い。最も好ましい実施形態では、この楕円は張出状入口部の形状に近似しており、羽根先端は、軸方向半軸と半径方向半軸とがあるように方位付けられており、また、これら２つの楕円における軸方向半軸どうしの間の差は、半径方向半軸どうしの間の差に等しいかあるいはその差より大きい。
この好ましい実施形態では、ファン先端の前縁は、シュラウド張出部の上流端の下流におけるファンの直径のたった０．０４倍に過ぎない。
この好ましい実施形態では、ファン先端における羽根弦は、ファンの直径のおよそ０．２〜０．４倍である。
【００１４】
１つの実施形態では、ファン装置は熱交換器の下流側に取り付けられている。この好ましい実施形態では、シュラウドには気体充満空間が混ざっているが、この空間は、ファンの円板区域の少なくとも１．５倍である、その熱交換器の外面区域を覆っている。この実施形態では、特に、本発明の特徴である大きい張出状入口部によって恩恵を受ける。気体充満空間の領域からの流体には、ファン胴に到達するような大きい半径成分があり、分離はこのような張出部がないときに起きやすい。
別の実施形態では、このファン装置は熱交換器の上流側に取り付けられている。
この好ましい実施形態では、ファンとシュラウドとは射出成形されたプラスチックから作られている。最も好ましい実施形態では、シュラウドは単一部品として成形されている。
【００１５】
（詳細な説明）
図２ａは、さまざまな羽根パラメーターを示す従来技術におけるファン羽根の見取図である。ファン１０は、上流側から見たとき時計回り方向へ回転する左回りファンである。羽根４の前縁４１は、中間弦線４２および後縁４３に先立って回転する。半径「ｒ」でのねじれ角とは、羽根基端部４５での中間弦箇所を通る放射状直線６０と半径「ｒ」での断面の中間弦線を通る放射状直線６２との間における角である。半径「ｒ」での中間弦広がり角Ｌは、放射状直線６２と中間弦線６４への局部正接との間の角として定義される。示されたファンは、前方へ広がっているもの、すなわち、それらの羽根が回転方向に広がっているものである。
図２ｂは、このファン羽根を通る円筒状断面図であり、その断面の前縁４１１、後縁４３１および中間弦箇所４２１を示している。弦長「ｃ」とは、この前縁から後縁までの直線の長さである。
図２ｃは、ファンのハブとファン羽根４の「広がり」視野とに沿った断面図である。線４７は、羽根前縁の軸方向位置を半径方向位置の関数として表している。同様に、線４８および線４９は、羽根中間弦の軸方向位置と羽根後縁の軸方向位置とを半径方向位置の関数として表している。半径「ｒ」での傾斜度は、半径「ｒ」での中間弦線４８と羽根基端部での中間弦線４８との間の軸方向距離として定義される。半径「ｒ」での傾斜角Ｑは、その半径で、弦線４８と回転軸に垂直な平面とによって作られる角度である。
【００１６】
図３ａには、自動車用のラジエーター、凝縮器、シュラウド、および本発明に係る放射状羽根のあるファンに沿った断面図が示されている。シュラウド２０が取り付けられているラジエーター４０の前方には凝縮器５０が取り付けられている。シュラウド２０によって、気体充満空間２２と胴２４とが形成されている。胴２４は、張出状入口部２４１と円筒状部分２４２とからなっている。複数の静止羽根２６が胴２４から内方へ延び出しており、また、これらの静止羽根によってモーターマウント２８が支持されている。このモーターマウント２８に取り付けられたモーター３０によってファン１０が駆動される。このファンは、「広がり」視野に示されたハブ２と複数の羽根４とからなっている。ファン羽根４の先端４６はその胴の形状に合致するように形作られている。
【００１７】
図３ａに示された構成の利点は、羽根先端の広がり全体にわたって小さい先端隙間が維持されており、同時に、その流体は、シュラウド表面からその流体が分かれる傾向を最小限にするような方法で、徐々に収縮することができることである。このような状況は、小さい先端隙間が維持されるもののきわめて小さい入口部楕円を犠牲にして分離、非能率および騒音を引き起こしやすい、図１ｂに示されたものに比べて都合がよい。図３ａに示された構成も、大きい先端隙間を犠牲にして大きい入口部楕円が生じることでまた非能率と騒音とが引き起こされる、図１ｃに示されたものに比べて都合がよい。
図３ａに示された張出状入口部の幾何学的形態は、半軸ａｒおよび半軸ａｘのある楕円の４分の１に近似している。しかしながら、楕円に近似するだけであり、入口部の形状を得ることができる良好な性能と同様に、良好な近似は、その幾何学的形態が楕円からファンの直径のプラスマイナス０．５％だけ変化するものである。図３ａの中間弦線４８は、遠心的負荷の下での放射状羽根のあるファンのたわみを最小限にするわずかな前方傾斜を示している。事情が変われば、遠心的負荷および空力的負荷の両方による軸方向たわみによって、運転中における隙間が増大する傾向にある。しかしながら、この傾斜が大き過ぎると、下流側に軸方向たわみが生じて、ファンとシュラウドとが接触する結果となるはずである。
【００１８】
羽根の幾何学的形態の最適化によって、負荷のかかったファンのたわみを最小限にすることができるが、これのたわみはなくなることはない。予測されたたわみと他のいくつかの因子とによって、羽根先端とシュラウドとの間における必要な隙間が決定される。軸方向における必要な隙間ｇａは半径方向における必要な隙間ｇｒよりたいてい大きい。
図３ａに示された実施形態では、ファン羽根４の先端４６は、シュラウド胴の入口部２４１に対してほぼ一定の隙間ｇが維持されるように形作られており、ここで、ｇはシュラウド表面に垂直に測定されたものである。羽根先端の形状は図３ｂにおける先端形状「ａ」に対応している。この先端形状に関して、羽根先端とシュラウドとの間における軸方向隙間は羽根前縁で最小であるように思われる。この最小隙間が必要な隙間ｇａより小さければ、この先端形状は不充分である。先端形状「ｂ」は一定の軸方向隙間ｇａの線を表しており、ここで、ｇａはｇｒの２倍の大きさであると仮定している。許容することのできる先端形状は、羽根先端の後方部分については「ａ」になり、前方部分については「ｂ」になるであろう。いっそう保守的な取り組みは先端形状「ｃ」を用いることであろうと思われ、それは、最小限必要な軸方向隙間と半径方向隙間とを満たす単一楕円である。最も保守的な先端形状は、羽根が、シュラウドに接触する前に、軸方向へ距離ｇａだけかつ半径方向へ距離ｇｒだけ同時に移動することができる「ｄ」である。この最後の取り組みは、先に述べたたわみを羽根先端に沿った位置の関数として反映するために改変してもよい。
【００１９】
図３ｃには、羽根の放射状性質を示す、図３ａのファンにおける上流側部分の図が示されている。羽根先端４６は、一定半径線の上にはなくて、その代わりに、羽根先端４１２の前縁が羽根先端４３２の後縁の半径Ｒｔｅより大きい半径Ｒｌｅで存在している。先端弦長ｃｔｉｐは、先端後縁の半径Ｒｔｅで羽根の弦長として定義することができるとともに、ファンの直径Ｄは、その半径の２倍に等しいとして与えることができる。このファンの円板区域は、直径Ｄの円の区域であるとして与えることができる。
図３ｄには、図３ａおよび図３ｃのファンにおけるいくつかの円筒状羽根断面図が示されており、その視点は、これらの図に示されたように、羽根基端部４５の中間弦箇所４５２を通る視線に沿って与えられている。
【００２０】
図４ａには、本発明に係る、ねじれたファンの上流側部分の図が示されている。中間弦線４２の広がりは、先端４６の近傍における反対方向以外の、羽根基端部４５の近傍における回転方向（前方への広がり）であることを確認することができる。ねじれ羽根の利点は、１）前縁が流体を通って斜めに移動するという事実による乱流摂取騒音が減少することと、２）周縁流体の非均一性によって生じた音響的発振音が減少することである。図３ｂに示される放射状ファンの場合と同様に、羽根先端の前縁の半径Ｒｌｅは羽根先端の後縁の半径Ｒｔｅを超えている。
図４ｂには、シュラウドと図４ａのねじれたファンとに沿った断面図が示されている。図３ａに示された放射羽根のあるファンの場合と同様に、ファン羽根４の先端４６は、シュラウド胴の入口部２４１に対してほぼ一定の隙間を維持するように形作られている。また、より大きい剛性をもたらすために、かつ、シュラウド胴の円形状の幾何学的形態を維持しやすくするために静止羽根２６の周縁箇所に配置された外側リブ２５が示されている。
ねじれ羽根の潜在的不利益は、遠心的負荷の下では、ねじれ羽根が放射羽根の場合よりも半径方向および軸方向の両方へ一般に多くたわむということである。軸方向のたわみは、ファンとシュラウドとが本発明に従って作られているときに、前方へのたわみによって先端隙間が大きくなり、後方へのたわみによってファンとシュラウドとの間が接触することが潜在的に起きるという点で、とりわけ問題である。しかしながら、羽根を適切に傾斜させることで、先端隙間が増大してもシュラウドとの接触の場合に比べて重大な結果をもたらすことがきわめて少ないので、軸方向のたわみを最小限にしたりわずかに前方になるように設計することができる。図４ｂの中間弦線４８は、羽根の基端部領域における正の（上流側の）傾斜角と、先端領域における負の（下流側の）傾斜角とを示している。このような傾斜角の配置は、図４ａに示されるねじれの配置に「合致し」、それによって、たわみが最小限になる。付加的な利点として、このことによる最終的効果は、このファンが放射状ファンの位置に対して前方へ移動し、いっそうコンパクトな装置になることである。
図４ｃには、図４ａおよび図４ｂに示されたファンのいくつかの円筒状断面図が示されており、その視点は、これらの図に示されたように、羽根基端部４５の中間弦箇所４５２を通る視線に沿って与えられている。この羽根の断面図は、性能要件によって要求されたねじれと上反りとを仮定すると羽根ができるだけ平坦であるような方法で「積み重ねられて」いるように確認することができる。
【００２１】
他のねじれ配置もまた可能である。図５ａには、広がりが、先端の近傍の前方方向以外の基端部の近傍の後方方向にあることを確認することができる。先端における前方へのねじれによって、ファンは高い圧力で効率よくかつ静かに作動することができる。
図５ｂには、リング状シュラウド２０と図５ａのねじれのあるファン１０とに沿った断面図が示されている。リング状シュラウドによって熱交換器４０および熱交換器５０の比較的小さい部分が覆われており、その結果、ファンは比較的高い圧力に遭遇するであろう。このことは、前方へ広がった先端のあるファンにとっては、適切な応用である。本発明に従って、ファン羽根４の先端４６は、シュラウド胴の入口部２４１に対してほぼ一定の隙間を維持するように形作られている。
図５ｃには、図５ａおよび図５ｂに示されたファンのいくつかの円筒状断面図が示されており、おり、その視点は、これらの図に示されたように、羽根基端部４５の中間弦箇所４５２を通る視線に沿って与えられている。先の例の場合と同様に、これらの羽根断面図は、できるだけ平坦な幾何学的形態になるように「積み重ねられて」いるように確認することができる。
図６には、シュラウド２０が熱交換器４０および熱交換器５０の上流側に取り付けられ、かつ、ファン１０が図４ａ、図４ｂおよび図４ｃに示されたものであるファン装置に沿った断面図が示されている。本発明に従って、ファン羽根４の先端４６は、シュラウド胴の入口部２４１に対してほぼ一定の隙間を維持するように形作られている。胴２４は、ファン羽根先端の後縁４６３のわずか下流側で終わっている。静止羽根２６は放射状リブ２３によって支持されている。このような幾何学的形態の利点は、シュラウド２０を簡単な製造設備で単一部品に射出成形することができることである。
【００２２】
図７には、本発明の別の実施形態に係るシュラウドとファンとに沿った断面図が示されている。羽根先端４６の後方部分４６５はシュラウド胴２４の形状に合致している。しかしながら、前方部分４６４は、シュラウド胴２４に合致しているのではなく、代わりに、この領域におけるファンとシュラウドとの間における、かなり大きい隙間を可能にしている。このような構成は、包装上の制約によってシュラウドの深さがきびしく制限されるときには、好都合である。このような場合には、図３ａおよび図４ｂに示されたように羽根先端全体を取り囲むファンの胴は、気体充満空間２２のために利用することのできる空間が不充分になるように、深いものであってもよい。気体充満空間の深さが不充分であるときには、その熱交換器を通る流体の不均一性が増大するとともに、必要なファン電力が増大する結果となる。図７に示された構成は、羽根先端の部分の周りにおける漏洩の増大に関係する小さい効率損失を顧みることなく、充分な深さの気体充満空間を維持するために用いることができる。
図８には、本発明における別の実施形態に係るシュラウドとファンとに沿った断面図が示されている。シュラウド胴２４には、羽根先端４６の後縁の下流側に段状部分２４３が備わっている。静止羽根２６は、この段状部分によって支持されており、また、引き続いて、外側のシュラウドリブ２５によっても支持されている。このような構成によれば、羽根先端４６とシュラウド胴２４との間の隙間を通る漏洩流体を減少させることができる。装置抵抗が大きいいくつかの用途では騒音減少の利点があることがわかった。
図９ａには、本発明における別の実施形態に係るシュラウドとファンとに沿った断面図が示されている。シュラウド胴２４は、羽根先端４６の後縁から軸方向にわずかに離れた箇所で終わっている。静止羽根２６は外側のシュラウドリブ２５の延長部分である。このような構成によれば、装置抵抗が大きい場合には騒音減少の利点があることがわかった。さらに別の利点は、エンジン閉塞の悪影響を減少させることである。これらの利点を達成する別の構成は図９ｂに示されている。ここで、静止羽根２６は、シュラウド胴２４の局部的延長部分によって支持されており、また、引き続いて、外側リブ２５によっても支持されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ、ｂおよびｃは、従来技術における遊離先端型ファンと２つの代わりのシュラウドとからなる構成の見取図である。ｄは、従来技術におけるベルト型ファンとシュラウドとの見取図である。
【図２】ａ、ｂおよびｃは、さまざまな羽根パラメーターを画定する従来技術におけるファン羽根の見取図である。
【図３】ａ、ｂ、ｃおよびｄは、シュラウドが熱交換器の下流側に取り付けられかつファンが放射状の羽根のものである、本発明に係るファン装置の見取図である。
【図４】ａ、ｂおよびｃは、シュラウドが熱交換器の下流側に取り付けられかつファン羽根が基端部で前方へ広がり先端部で後方へ広がっている、本発明に係るファン装置の見取図である。
【図５】ａ、ｂおよびｃは、シュラウドが熱交換器の下流側に取り付けられたリング状シュラウドでありかつファン羽根が基端部で後方へ広がり先端部で前方へ広がっている、本発明に係るファン装置の見取図である。
【図６】シュラウドが熱交換器の上流側に取り付けられ、かつファン羽根が基端部で前方へ広がり先端部で後方へ広がっている、本発明に係るファン装置の見取図である。
【図７】シュラウドの形状に合致するファン羽根先端の後方部分だけが示されている、ファンとシュラウドとの見取図である。
【図８】本発明における別の実施形態に係るシュラウドとファンとに沿った断面図である。
【図９】ａおよびｂは、本発明における別の２つの実施形態に係るシュラウドとファンとに沿った断面図である。
【符号の説明】
２　ハブ、４　ファン羽根、１０　ファン、２０　リング状シュラウド、２２　気体充満空間、２４　シュラウド胴、２５　外側のシュラウドリブ、２６　静止羽根、２８　モーターマウント、３０　モーター、４０　熱交換器（ラジエーター）、４１、４１１　前縁、４２、４８、６４　中間弦線、４３、４３１　後縁、４５　羽根基端部、４７、４９　線、５０　熱交換器（凝縮器）、６０、６２　放射状直線、２４１　張出状入口部（シュラウド胴の入口部）、２４２　円筒状部分、２４３　段状部分、４２１、４５２　中間弦箇所。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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