Вентиляторный узел охлаждения двигателя с перекрывающими друг друга вентиляторами
Изобретение относится к охлаждению двигателей. В вентиляторном узле хлаждения автомобильного двигателя использована пара перекрывающих друг друга вентиляторов для повышения равномерности потока через радиатор теплообменника и для получения максимальной производительности вентиляторов, которой можно достичь при ограниченных размерах электродвигателей. Один вентилятор из каждой пары имеет расположенные перед ним (по ходу потока воздуха) опорные элементы, а другой имеет расположенные за ним (по ходу потока воздуха) опорные элементы, и эти опорные элементы конфигурированы таким образом, чтобы минимизировать осевые размеры узла. Изобретение обеспечивает увеличение производительности вентиляторов и уменьшение шумности вентилятора. 29 з.п. ф-лы, 9 ил.
Типичный вентиляторный узел охлаждения двигателя состоит из одного или более вентиляторов, каждый из которых снабжен электродвигателем и помещен в кожух, который направляет поток воздуха через один или более теплообменников. Каждый электродвигатель, в типичном случае, удерживается кронштейнами или статорами, которые удерживаются кожухом. Такой вентиляторный узел может быть расположен перед или за теплообменниками (по ходу потока воздуха), которые, в типичном случае, включают как радиатор, который охлаждает двигатель, так и охладитель системы кондиционирования воздуха (см., например, патент США №2729389, опубл. 03.01.1956).
Вентиляторный узел должен эффективно обеспечивать достижение необходимой степени охлаждения двигателя и при этом соответствовать различным критериям по шумности. Эти критерии по шумности обычно касаются как широкополосного шума, так и тонов. При заданной мощности вентилятора широкополосный шум часто минимизируют посредством максимизации диаметра вентилятора, хотя шум вентилятора и, в частности, тональная составляющая шума вентилятора возрастает при перекрытии вентилятором краев теплообменника.
Эффективность вентилятора также часто повышают посредством максимизации диаметра вентилятора. Одной причиной этого является то, что мощность, расходуемая на ускорение воздуха, проходящего через вентилятор, обычно не используется повторно. Эту мощность минимизируют посредством максимизации площади вентилятора. Другой причиной является то, что большая площадь вентилятора обеспечивает лучший охват площади теплообменников. Вследствие типичной небольшой глубины вентиляторного узла скорость воздуха, проходящего через радиатор теплообменника снаружи от района, охватываемого вентилятором, обычно меньше скорости в пределах района, охватываемого вентилятором. Эта неравномерность потока повышает средний перепад давлений и снижает эффективность работы теплообменников.
Когда радиатор теплообменника имеет приблизительно квадратную форму, неравномерность потока может быть приемлемо небольшой при использовании одного вентилятора, диаметр которого приблизительно равен длине стороны квадрата. Когда один размер (в типичном случае, ширина) радиатора больше другого размера (в типичном случае, высоты), соображения снижения шумности требуют ограничения диаметра вентилятора до величины меньшего размера. В результате неравномерность потока в случае с неквадратным радиатором обычно выше, чем в случае с квадратным радиатором, пока соотношение геометрических размеров радиатора (отношение размера самой длинной стороны к размеру самой короткой стороны) не будет достаточно большим для возможности установки двух вентиляторов рядом друг с другом. Хотя идеальным соотношением геометрических размеров радиатора для узла из двух вентиляторов является 2, такой узел может давать существенное преимущество в отношении уменьшения неравномерности потока при меньших соотношениях геометрических размеров.
Мерой величины, на которую данное расположение вентилятора обеспечивает хорошую среду действия радиатора теплообменника, является отношение площадей Ав/Ар. Эта величина является соотношением общей площади Ав диска вентилятора и площади Ар радиатора теплообменника. В случае с одним вентилятором на квадратном радиаторе наибольшее соотношение площадей, достигаемое без выхода за края радиатора, составляет □/4 или 0,79. Эта величина также является максимальным значением, которого можно достичь при расположении двух вентиляторов рядом друг с другом в случае с радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 2.
На практике многие автомобильные теплообменники имеют соотношение геометрических размеров, приблизительно равное среднему значению между 1, что соответствует квадрату и идеальному значению для варианта с одним вентилятором, и 2, что соответствует идеальному значению для варианта с двумя вентиляторами. Это представляет проблему для разработчика вентиляторов, поскольку ни конфигурация с одним вентилятором, ни обычная конфигурация с двумя вентиляторами не обеспечивают предпочтительного распределения потока через радиатор. Соотношение геометрических размеров, составляющее приблизительно 1,35, вероятно, является наихудшим случаем, когда соотношение площади, охватываемой вентилятором, и площади радиатора одинаково мало для узлов с одним вентилятором и с двумя вентиляторами. Схематические изображения двух вариантов показаны на фиг.1а и 1b. Как в случае с одним вентилятором, так и в случае с двумя вентиляторами, соотношение площадей составляет приблизительно 0,58. Фактически, узел с тремя вентиляторами, показанный на фиг.1с, также обеспечивает соотношение площадей, равное 0,58. Поскольку суммарная площадь, охватываемая вентиляторами в конфигурациях, показанных на фиг.1а, 1b и 1с, приблизительно одинакова, эффективность и шумность этих конфигураций будут также приблизительно одинаковы.
В дополнение к проблеме максимизации площади охвата вентилятором иногда возникает проблема максимизации мощности вентилятора. Иногда в этом случае предпочтительно использовать несколько вентиляторов. В частности, в тех случаях, когда наиболее мощный доступный электродвигатель слишком слаб для обеспечения требуемого охлаждения в системе с одним вентилятором, может требоваться узел с несколькими вентиляторами, даже в ущерб оптимальной эффективности системы. Эта ситуация может возникать при разработке электрических систем охлаждения для замены вентиляторов с приводом от двигателя для систем охлаждения грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности. Эта ситуация также может быть вероятной в случае с системами охлаждения нового поколения транспортных средств на топливных элементах.
Предметом настоящего изобретения является вентиляторный узел охлаждения двигателя автомобиля, содержащий: первый вентилятор, приводимый в действие первым электродвигателем, причем первый электродвигатель удерживается первым держателем электродвигателя, при этом первый держатель электродвигателя удерживается первым комплектом кронштейнов, и первый комплект кронштейнов проходит к кожуху и удерживается им; и второй вентилятор, приводимый в действие вторым электродвигателем, причем второй электродвигатель удерживается вторым держателем электродвигателя, при этом второй держатель электродвигателя удерживается вторым комплектом кронштейнов, и второй комплект кронштейнов проходит к кожуху и удерживается им. При этом кожух направляет поток воздуха на протяжении, по меньшей мере, части расстояния между указанными вентиляторами и радиатором теплообменника; и первый вентилятор и второй вентилятор характеризуются диаметрами. Кроме того, первый вентилятор и второй вентилятор содержат ступицу и множество удлиненных лопастей, и каждая из указанных лопастей имеет хвостовик, оконечность, переднюю кромку и заднюю кромку. Первый и второй вентиляторы перекрывают друг друга при взгляде вдоль оси по направлению потока или против направления потока; и первый комплект кронштейнов расположен перед первым вентилятором, и второй комплект кронштейнов расположен за вторым вентилятором.
Предпочтительно, между кожухом и каждым из вентиляторов остается небольшой зазор, проходящий вдоль части окружности вентиляторов вне области перекрытия.
Положение в осевом направлении первого вентилятора по существу соответствует положению в осевом направлении второго комплекта кронштейнов, и положение в осевом направлении второго вентилятора по существу соответствует положению в осевом направлении первого комплекта кронштейнов.
Преимущественно, при проецировании первого и второго комплектов кронштейнов на плоскость, перпендикулярную оси одного или обоих указанных вентиляторов, и проецировании первого и второго вентиляторов на указанную плоскость площадь проекции второго комплекта кронштейнов лежит вне первого круглого диска, отцентрированного по проекции оси первого вентилятора, причем диаметр первого диска равен диаметру первого вентилятора, и площадь проекции первого комплекта кронштейнов лежит вне второго круглого диска, отцентрированного по проекции оси второго вентилятора, причем диаметр указанного диска равен диаметру второго вентилятора.
Расстояние между радиатором теплообменника и самой удаленной точкой на первом электродвигателе составляет от 0,8 до 1,25 расстояния между указанным радиатором и самой удаленной точкой на втором электродвигателе.
Вентиляторный узел, предпочтительно, состоит по существу из первого вентилятора и второго вентилятора.
Как вариант, вентиляторный узел дополнительно содержит, по меньшей мере, один вентилятор в дополнение к первому вентилятору и второму вентилятору.
Предпочтительно, вентиляторы направляют воздух через приблизительно прямоугольную область радиатора теплообменника, и больший размер прямоугольной области составляет от 1,25 до 1,8 меньшего размера прямоугольной области. При этом диаметр, по меньшей мере, одного из указанных вентиляторов больше 0,75 меньшего измерения указанного прямоугольной области.
Преимущественно, диаметры двух вентиляторов одинаковы, или, если неодинаковы, диаметр меньшего из указанных вентиляторов составляет больше 0,85 диаметра большего из указанных вентиляторов.
Величина перекрытия, измеренная в плоскости, которая содержит ось вращения, по меньшей мере, одного из указанных вентиляторов и, по меньшей мере, одну точку на оси другого вентилятора, может быть больше 10% диаметра меньшего из указанных вентиляторов и меньше размаха лопасти меньшего из указанных вентиляторов.
Преимущественно, двигатели являются электрическими двигателями.
Кроме того, вентиляторный узел может содержать камеру повышенного давления между указанными вентиляторами и радиатором теплообменника, в котором глубина камеры повышенного давления вблизи вентилятора, более удаленного от радиатора, больше глубины вблизи вентилятора, расположенного ближе к радиатору.
Предпочтительно, зазор между указанным кожухом и каждым из указанных вентиляторов составляет меньше 2% диаметра вентилятора вдоль существенной части неперекрывающейся части окружности вентилятора.
Дополнительно, по меньшей мере, один из вентиляторов имеет бандаж.
Преимущественно, при взгляде в осевом направлении против потока воздуха один из указанных вентиляторов вращается по часовой стрелке, а другой из указанных вентиляторов вращается против часовой стрелки.
Как вариант, при взгляде в осевом направлении против потока воздуха оба указанных вентилятора вращаются в одном направлении.
Предпочтительно, первый вентилятор имеет первое количество лопастей, а указанный второй вентилятор имеет второе количество лопастей, и первое количество лопастей не равно второму количеству лопастей.
Кроме того, по меньшей мере, одно из указанного множества лопастей имеет неравномерно разнесенные оконечности лопастей.
Предпочтительно, оба из указанных вентиляторов имеют передние кромки обратной стреловидности в районе оконечности.
Расположенный дальше по ходу потока воздуха вентилятор имеет лопасти со стреловидностью передней кромки в районе оконечностей, которая противоположна стреловидности задней кромки в районе оконечностей лопастей вентилятора, расположенного перед ним по ходу потока воздуха.
Преимущественно, расположенный дальше по ходу потока воздуха вентилятор имеет стреловидность передних кромок лопастей в районе оконечностей, которая имеет такой же знак, как и стреловидность задних кромок лопастей в районе оконечностей.
Как вариант, передний по ходу потока воздуха вентилятор имеет стреловидность задних кромок лопастей в районе хвостовиков, противоположную стреловидности задних кромок в районе оконечностей.
Предпочтительно, передний по ходу потока воздуха вентилятор имеет стреловидность задних кромок лопастей в районе хвостовиков, противоположную стреловидности задних кромок в районе оконечностей.
Преимущественно, вентиляторы выполнены из отлитой под давлением пластмассы.
Первый держатель электродвигателя, первый комплект кронштейнов и второй держатель электродвигателя, второй комплект кронштейнов и, по меньшей мере, часть кожуха могут быть выполнены из отлитой под давлением пластмассы.
Предпочтительно, единый отлитый под давлением элемент содержит первый держатель электродвигателя, первый комплект кронштейнов, второй держатель электродвигателя, второй комплект кронштейнов и, по меньшей мере, часть кожуха.
Преимущественно, проекция проема кожуха в плоскости, перпендикулярной, по меньшей мере, одной оси вентилятора, представляет собой два, по существу, круглых элемента, которые перекрывают друг друга в области перекрытия вентилятора.
Дополнительно, кожух может содержать барабан, окружающий первый вентилятор, и барабан проходит в район, расположенный в осевом направлении после второго вентилятора, и содействует удерживанию второго держателя электродвигателя.
Предпочтительно, кожух содержит барабан, окружающий второй вентилятор, и барабан проходит в район, расположенный в осевом направлении перед первым вентилятором, и содействует удерживанию первого держателя электродвигателя.
Направление вращения задано при взгляде в осевом направлении с тыльной стороны узла (против потока воздуха). В некоторых вариантах осуществления изобретения один вентилятор из пары перекрывающих друг друга вентиляторов вращается по часовой стрелке, а другой вентилятор из пары вращается против часовой стрелки. Благодаря этому лопасти вентиляторов движутся в районе перекрытия в одном направлении. Такая конфигурация увеличивает суммарную скорость завихренного потока в районе перекрытия и уменьшает эффективность по сравнению с конфигурацией, в которой лопасти движутся в районе перекрытия в противоположных направлениях. Однако уменьшенная относительная скорость вентилятора, расположенного дальше по ходу потока воздуха, может уменьшать шумность вентилятора относительно альтернативной конфигурации. Другое преимущество состоит в том, что благодаря устройству держателей электродвигателей оба электродвигателя вентиляторов вращаются в одном направлении относительно двигателя. В некоторых случаях можно использовать идентичные электродвигатели.
В других вариантах осуществления изобретения, оба вентилятора пары перекрывающих друг друга вентиляторов вращаются в одном направлении (оба по часовой стрелке или оба против часовой стрелки). При этом лопасти вентиляторов в области перекрытия движутся в противоположных направлениях. Благодаря уменьшению завихрения такое устройство может быть в некоторой степени более эффективным, чем устройство, в котором лопасти в этой области движутся в одном направлении. Однако увеличенная относительная скорость заднего вентилятора может повышать шумность вентилятора относительно альтернативного варианта. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения два вентилятора пары перекрывающих друг друга вентиляторов имеют неравные количества лопастей. Кроме того, в предпочтительных вариантах осуществления изобретения, оконечности лопастей, по меньшей мере, одного вентилятора пары перекрывающих друг друга вентиляторов разнесены неравномерно.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения оба вентилятора пары перекрывающих друг друга вентиляторов имеют лопасти, которые имеют обратную стреловидность в районе их оконечностей. Было обнаружено, что такая геометрическая форма обеспечивает хорошую эффективность, а также снижает шумность вентилятора по сравнению с другими геометрическими формами. Это может происходить вследствие того факта, что лопасти с обратной стреловидностью обладают относительно высокой стойкостью к неустойчивости потока, которая возникает при вхождении лопастей в область перекрытия и выходе из него.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения один вентилятор пары перекрывающих друг друга вентиляторов вращается по часовой стрелке, а другой вентилятор вращается против часовой стрелки, и задний (по ходу потока воздуха) вентилятор имеет стреловидность передних кромок лопастей в области оконечностей, которая противоположна стреловидности задних кромок лопастей в районе оконечностей переднего вентилятора. В этой конфигурации задний вентилятор пересекает спутную струю переднего вентилятора таким образом, что неустойчивые силы, воздействующие на разные секции лопастей, компенсируют друг друга, таким образом уменьшая акустические тона.
В других предпочтительных вариантах осуществления изобретения оба вентилятора пары перекрывающих друг друга вентиляторов вращаются в одном направлении, и задний вентилятор имеет стреловидность передних кромок лопастей в районе оконечностей, которая имеет такой же знак, как и стреловидность задних кромок лопастей в районе оконечностей у переднего вентилятора. Это другая конфигурация, обеспечивающая уменьшение тонов.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения передний вентилятор пары перекрывающих друг друга вентиляторов имеет лопасти со стреловидностью задних кромок в районе хвостовиков, которая противоположна стреловидности в районе оконечностей.
Узел согласно изобретению может быть расположен либо перед (по ходу потока воздуха) теплообменником, либо за ним, либо между двумя теплообменниками.
Электродвигателями могут быть электродвигатели постоянного тока, и они могут сообщаться механическим или электронным способом.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения кожух содержит барабан, окружающий, по меньшей мере, один из пары перекрывающих друг друга вентиляторов, и этот барабан проходит в район, расположенный перед другим вентилятором пары или за ним, и способствует удерживанию держателя электродвигателя этого другого вентилятора.
Далее, изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1а - схематический вид узла с одним вентилятором и радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35;
фиг.1b - схематический вид узла с двумя не перекрывающими друг друга вентиляторами и радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35;
фиг.1с - схематический вид узла с тремя не перекрывающими друг друга вентиляторами и радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35;
фиг.1d - схематический вид узла с двумя перекрывающими друг друга вентиляторами и радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35;
фиг.1е - схематический вид узла с тремя перекрывающими друг друга вентиляторами и радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35;
фиг.2 - вид в осевом направлении лопасти вентилятора, на котором показаны углы стреловидности передней кромки и задней кромки;
фиг.3 - вид сечения узла с двумя перекрывающими друг друга вентиляторами, соответствующего настоящему изобретению, в котором лопасти показаны в "развернутом" виде;
фиг.4 - вид в осевом направлении спереди (по ходу потока воздуха) узла с двумя перекрывающими друг друга вентиляторами, соответствующего настоящему изобретению;
фиг.5 - вид в осевом направлении сзади (против потока воздуха) узла с двумя перекрывающими друг друга вентиляторами, соответствующего настоящему изобретению;
фиг.6 - перспективный вид узла из двух перекрывающих друг друга вентиляторов, соответствующего настоящему изобретению;
фиг.7а - 7d - очертания контуров лопастей в области перекрытия, где оба вентилятора вращаются в одном направлении и геометрия лопастей соответствует предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8а - 8d - очертания контуров лопастей в области перекрытия, где вентиляторы вращаются в противоположных направлениях и геометрия лопастей соответствует другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 - вид в осевом направлении сзади узла из двух перекрывающих друг друга вентиляторов, соответствующего настоящему изобретению, показывающий вентиляторы с неоднообразным разнесением оконечностей лопастей и барабан кожуха, окружающий расположенный дальше по ходу потока воздуха, проходящий в район, расположенный за передним вентилятором.
На фиг.1а - 1с показаны схематические виды нескольких разных конфигураций без перекрытия вентиляторов с радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35. На фиг.1а показана конфигурация с одним вентилятором, в которой вентилятор имеет наибольшие размеры, не образующие перекрытие границ радиатора. Соотношение площадей или соотношение площади диска вентилятора и площади радиатора составляет 0,58. Площадь диска задана как площадь круглого диска с диаметром, равным диаметру вентилятора. Хотя в некоторых ситуациях перекрытие границ радиатора приемлемо, было обнаружено, что большие величины перекрытия приводят к повышению шумности вентилятора.
На фиг.1b и 1с показаны конфигурации с двумя и тремя не перекрывающими друг друга (расположенными рядом) вентиляторами также с радиатором с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,35. Эти конфигурации также имеют соотношение площадей, составляющее 0,58. Здесь площадь диска вентилятора задана как сумма площадей дисков вентиляторов. Как показано на фиг.1b и 1с, оконечности лопастей соседних вентиляторов могут касаться в точках касания дисков вентиляторов. На практике наличие любых вращающихся бандажей на оконечностях и требуемые зазоры между ними будут уменьшать соотношение площадей до величины, несколько меньшей вычисленной.
На фиг.1d и 1е показаны схематические виды конфигураций с перекрытием вентиляторов и с радиатором, имеющим соотношение геометрических размеров, составляющее 1,35. Конфигурации с перекрытием вентиляторов обычно обеспечивают получение больших соотношений площадей, чем конфигурации без перекрытия при этом соотношении геометрических размеров. На фиг.1d показана конфигурация с двумя вентиляторами, обеспечивающая получение соотношения площадей, составляющего 0,68. На фиг.1е показана конфигурация с тремя вентиляторами, обеспечивающая получение почти столь же высокого соотношения площадей. Здесь площадь диска вентилятора задана как сумма площадей дисков вентиляторов минус площадь области перекрытия.
В дополнение к лучшему охвату площади радиатора, обеспечиваемому перекрывающими друг друга вентиляторами, эти конфигурации также повышают эффективность работы вентилятора в тех случаях, когда часть мощности вентилятора, расходуемая на ускорение воздуха, направляемого через радиатор, существенна по сравнению с частью, расходуемой на преодоление сопротивления радиатора. Эта часть мощности может быть уменьшена посредством минимизации осевой скорости через вентилятор благодаря максимизации площади диска вентилятора.
На фиг.2 показаны очертания контура лопасти вентилятора. Стрелка показывает направление вращения. Лопасть 14 имеет оконечность 141, хвостовик 142, переднюю кромку 143 и заднюю кромку 144. Угол Λ1e стреловидности передней кромки и угол Λte стреловидности задней кромки показаны в районах хвостовика и оконечности лопасти. Каждый из этих углов стреловидности задан как угол между касательной к кромке лопасти с заданным радиусом и радиальной линией к кромке с этим радиусом. Знак угла стреловидности задан относительно направления вращения вентилятора. Вентилятор, показанный на фиг.2, имеет углы стреловидности передней и задней кромок, которые положительные в районе оконечности и отрицательные в районе хвостовика. Таким образом, как передняя, так и задняя кромки имеют обратную стреловидность в районе оконечности (имеют наклон в направлении вращения) и прямую стреловидность в районе хвостовика (имеют наклон в направлении, противоположном направлению вращения). Как показано, радиальное измерение "R" составляет половину диаметра вентилятора. Размах лопасти задан как радиальная протяженность лопасти и обозначен буквой "s".
На фиг.3 показано сечение узла с перекрывающими друг друга двумя вентиляторами, соответствующего настоящему изобретению, установленному после (по ходу потока воздуха) радиатора 4 теплообменника. Оси вращения двух перекрывающих друг друга вентиляторов 10 и 20 лежат в плоскости сечения. Вентилятор 10 приводится в действие электрическим двигателем 20 постоянного тока, который прикреплен к держателю 30. Держатель 30 удерживается кронштейнами 40, которые удерживаются кожухом 2. Вентилятор 110 приводится в действие электродвигателем 120 постоянного тока, который прикреплен к держателю 130. Держатель 130 удерживается кронштейнами 140, которые удерживаются кожухом 2. Вентиляторы 10 и 110 перекрывают друг друга в области 22 перекрытия. Опорные кронштейны 40 расположены перед вентилятором 10. Это означает, что поток воздуха сталкивается с опорными кронштейнами 40 перед тем, как он сталкивается с вентилятором 10. Опорные кронштейны 140 расположены за вентилятором 110. Поток воздуха сталкивается с опорными кронштейнами 140 после того, как он проходит вентилятор 110. Можно видеть, что узел очень компактен в осевом направлении. В данном варианте, держатели 30 и 130, опорные кронштейны 40 и 140 и кожух 2 могут быть отформованы как единый пластмассовый элемент.
Лопасти 14 и 114 вентилятора показаны в "развернутом" виде, показывающем осевую протяженность лопастей как функцию радиуса. Лопасти прикреплены оконечностями к вращающимся бандажам 16 и 116, которые способствуют поддержанию равномерной нагрузки на лопасти в области 22 перекрытия. Вращающиеся бандажи 16 и 116 на оконечностях лопастей имеют небольшие рабочие зазоры 18 и 118 относительно кожуха 2, находящиеся вне этого района.
Эти зазоры имеют размер, составляющий менее 2% диаметра вентилятора. Эти небольшие зазоры минимизируют рециркуляцию, которая, в противном случае, могла бы вызываться существенным повышением давления, создаваемым вентилятором охлаждения двигателя автомобиля.
В этом варианте осуществления изобретения вентиляторы имеют одинаковый диаметр. Размах лопасти обозначен буквой "s". Величина перекрытия лопастей обозначена буквой "о". Величина "о" немного меньше величины "s". Лопасти 14 не проходят за ступицей 112 вентилятора, и лопасти 114 не проходят перед ступицей 12. Это ограничение перекрытия минимизирует акустические тона, генерируемые вентиляторами 10 и 110.
Максимальное расстояние между поверхностью радиатора 4 и поверхностью электродвигателя 20 обозначено как d1, и максимальное расстояние между поверхностью радиатора 4 и поверхностью электродвигателя 120 обозначено как d2. Как показано, d1 приблизительно равно d2. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения разность между d1 и d2 составляет менее 25% меньшего значения d1 и d2.
На фиг.4 показан осевой вид спереди узла из двух перекрывающих друг друга вентиляторов, показанного на фиг.3. Здесь ясно видно, как вентиляторы 10 и 110 перекрывают друг друга. Вентилятор 10 имеет девять лопастей 14, а вентилятор 110 имеет одиннадцать лопастей 114. Благодаря использованию разного количества лопастей в двух вентиляторах тона вентиляторов минимизированы.
Можно видеть, что передние опорные кронштейны 40 не имеют каких-либо элементов, площадь проекции которых лежит в проекции диска вентилятора 110. Такая конфигурация позволяет располагать вентилятор 110 и опорные кронштейны 40 в одинаковом осевом положении и, таким образом, минимизировать осевую протяженность вентиляторного узла. Хотя опорные кронштейны 40 показаны как комплект проходящих в радиальном направлении элементов, можно использовать много других конфигураций опорных элементов. Например, можно использовать нерадиальные или стреловидные опорные кронштейны, и дополнительную поддержку могут обеспечивать поперечные связи или промежуточные кольцевые структуры.
Хотя держатель 30 электродвигателя показан как в целом круглый элемент с несколькими крепежными проушинами, можно использовать много других конфигураций держателя электродвигателя.
Область радиатора теплообменника, охваченная кожухом 2, имеет приблизительно прямоугольную форму с соотношением геометрических размеров, составляющим 1,44. Каждый вентилятор имеет диаметр, составляющий приблизительно 0,79 от меньшего измерения этой области.
Поперечные сечения передних опорных кронштейнов 40 тонкие и ориентированы таким образом, чтобы минимизировать создание препятствий потоку и обеспечивать формуемость в области вне окружности барабана 50 кожуха.
Зазор 18 между бандажом 16 и барабаном 50 кожуха и зазор 118 между бандажом 116 и барабаном 150 кожуха составляет меньше 2% диаметров соответствующих вентиляторов в областях вне области 22 перекрытия.
На фиг.5 показан осевой вид сзади (против потока воздуха) вентиляторного узла, показанного на фиг.3 и 4. Можно видеть, что опорные кронштейны 140 не включают каких-либо элементов, проекция которых лежит в проекции диска вентилятора 10. Можно видеть, что опорные кронштейны 140 представляют собой комплект проходящих в радиальном направлении лопаток статора, каждая из которых наклонена относительно осевого направления, как это часто бывает в случае с опорными кронштейнами, расположенными после (по ходу потока воздуха) вентилятора охлаждения двигателя. Как и в случае с расположенными перед вентилятором опорными кронштейнами, можно использовать многие другие конфигурации опорных кронштейнов.
Как показано стрелками, оба вентилятора 10 и 110 вращаются в одном направлении (по часовой стрелке при взгляде с этой стороны). В такой конфигурации в области перекрытия лопасти 14 движутся в направлении, противоположном направлению движения лопастей 114. В этой области завихрение, создаваемое вентилятором 110, в некоторой степени ослабляется завихрением, создаваемым вентилятором 10. Такая конфигурация может обеспечивать в некоторой степени большую эффективность, чем конфигурация, в которой лопасти в области перекрытия движутся в одном направлении.
Лопасти 14 и 114 вентиляторов имеют передние кромки 15 и 115, которые в районе оконечностей лопастей имеют обратную стреловидность. Лопасти обратной стреловидности обычно демонстрируют высокую стойкость к неустойчивости потока, который воздействует на лопасти перекрывающих друг друга вентиляторов. Эта стойкость может обеспечивать более высокую эффективность и меньшую шумность по сравнению с конструкцией с прямой стреловидностью.
На фиг.6 показан перспективный вид вентиляторного узла, показанного на фиг.3, 4 и 5. Можно видеть, что камера 5 кожуха имеет большую глубину в районе кожуха 2, примыкающем к вентилятору 10, расположенному дальше по ходу потока воздуха, по сравнению с районом, примыкающим к переднему вентилятору 110. Такое устройство максимизирует эффективность узла за счет повышения равномерности потока через часть радиатора, примыкающую к вентилятору 10, при сохранении компактности узла в осевом направлении. Барабаны 50 и 150 кожуха обеспечивают контроль утечки воздуха снаружи от области перекрытия.
На фиг.7а - 7d показаны виды части узла с перекрывающими друг друга вентиляторами, показанного на фиг.3-6. Показаны очертания лопастей вентиляторов в области перекрытия при взгляде в осевом направлении против потока воздуха. Оба вентилятора вращаются по часовой стрелке. Задняя кромка лопасти переднего (по ходу потока воздуха) вентилятора имеет обратную стреловидность в районе оконечности и прямую стреловидность в районе хвостовика, и передняя кромка лопасти заднего (по ходу потока воздуха) вентилятора имеет обратную стреловидность в районе оконечности. Лопасть заднего вентилятора показана под четырьмя разными углами вращения, и лопасть переднего вентилятора повернута в каждом случае для показа угла пересечения между оконечной секцией передней кромки лопасти заднего вентилятора и задней кромкой лопасти переднего вентилятора. Поскольку осевой зазор между вентиляторами небольшой, этот угол приблизительно составляет угол, под которым лопасть заднего вентилятора пересекает спутную струю лопасти переднего вентилятора. Для минимизации тонов вентилятора этот угол в идеальном случае должен составлять около 90°, но из-за переменной геометрии, демонстрируемой вращающимися лопастями, такая идеальная конфигурация не может быть достигнута. Показанная конфигурация демонстрирует благоприятные углы пересечения при трех из показанных четырех углов вращения. При повороте на угол 55° передняя кромка лопасти заднего вентилятора мгновенно параллельна задней кромке лопасти переднего вентилятора, но это состояние будет существовать только короткий период времени.
На фиг.8а - 8d показаны виды, подобные показанным на фиг.7а - 7d, но в случае когда вентиляторы вращаются в противоположных направлениях. Передний вентилятор вращается по часовой стрелке, и задняя кромка его лопасти имеет обратную стреловидность в районе оконечности и прямую стреловидность в районе хвостовика. Задний вентилятор вращается против часовой стрелки, и передняя кромка его лопасти имеет прямую стреловидность в районе оконечности. Как и на фиг.7а - 7d, лопасть заднего вентилятора показана под четырьмя разными углами вращения, и лопасть переднего вентилятора в каждом случае повернута для показа угла пересечения между оконечной секцией передней кромки лопасти заднего вентилятора и задней кромкой лопасти переднего вентилятора. Благоприятные углы пересечения образуются при трех из четырех показанных углов вращения. Под углом вращения 74° передняя кромка лопасти заднего вентилятора мгновенно параллельна задней кромке лопасти переднего вентилятора, но это состояние будет существовать только короткий период времени.
На фиг.9 показан вид при взгляде в осевом направлении против потока воздуха, подобный показанному на фиг.5. В этом узле вентиляторы 10 и 110 имеют лопасти 14 и 114, которые равномерно разнесены в районах хвостовиков и неравномерно разнесены в районах оконечностей в соответствии с патентом США №5000660. Использование неравномерно разнесенных оконечностей лопастей, по меньшей мере, на одном, предпочтительно, на обоих из двух вентиляторов может улучшить субъективное качество шума вентиляторного узла. Подобное ослабление шума может быть получено с использованием неравномерно разнесенных лопастей.
На фиг.9 также показан барабан 50 кожуха, который окружает задний вентилятор 10 и проходит в район, расположенный сзади от вентилятора 110. Продолжение 51 барабана образует дополнительную опору для держателя 130 электродвигателя как непосредственно, так и при помощи дополнительных опорных кронштейнов 141. Подобное продолжение барабана кожуха, окружающего передний вентилятор, может также давать структурное преимущество.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что в объем нижеследующей формулы изобретения входят другие варианты осуществления изобретения. Например, вариант осуществления изобретения может вообще не включать камеру повышенного давления; в альтернативном варианте, вариант осуществления изобретения может включать камеру повышенного давления, только часть которой составляет единое целое с барабаном и держателями электродвигателей, а остальная часть камеры может быть выполнена как отдельная часть.
1. Вентиляторный узел охлаждения двигателя автомобиля, содержащий первый вентилятор, приводимый в действие первым электродвигателем, причем первый электродвигатель удерживается первым держателем электродвигателя, при этом первый держатель электродвигателя удерживается первым комплектом кронштейнов и первый комплект кронштейнов проходит к кожуху и удерживается им, и второй вентилятор, приводимый в действие вторым электродвигателем, при этом второй электродвигатель удерживается вторым держателем электродвигателя, причем второй держатель электродвигателя удерживается вторым комплектом кронштейнов и второй комплект кронштейнов проходит к кожуху и удерживается им, и при этом кожух направляет поток воздуха на протяжении, по меньшей мере, части расстояния между указанными вентиляторами и радиатором теплообменника, первый вентилятор и второй вентилятор характеризуются диаметрами, и первый вентилятор и второй вентилятор содержат ступицу и множество удлиненных лопастей, причем каждая из указанных лопастей имеет хвостовик, оконечность, переднюю кромку и заднюю кромку, отличающийся тем, что первый и второй вентиляторы перекрывают друг друга при взгляде вдоль оси по направлению потока или против направления потока и при этом первый комплект кронштейнов расположен перед первым вентилятором и второй комплект кронштейнов расположен за вторым вентилятором.
2. Вентиляторный узел по п.1, отличающийся тем, что между кожухом и каждым из вентиляторов остается небольшой зазор, проходящий вдоль части окружности вентиляторов вне области перекрытия.
3. Вентиляторный узел по п.1, отличающийся тем, что положение в осевом направлении первого вентилятора, по существу, соответствует положению в осевом направлении второго комплекта кронштейнов и положение в осевом направлении второго вентилятора, по существу, соответствует положению в осевом направлении первого комплекта кронштейнов.
4. Вентиляторный узел по п.1, отличающийся тем, что при проецировании первого и второго комплектов кронштейнов на плоскость, перпендикулярную оси одного или обоих указанных вентиляторов, и проецировании первого и второго вентиляторов на указанную плоскость площадь проекции второго комплекта кронштейнов лежит вне первого круглого диска, отцентрированного по проекции оси первого вентилятора, причем диаметр первого диска равен диаметру первого вентилятора, и площадь проекции первого комплекта кронштейнов лежит вне второго круглого диска, отцентрированного по проекции оси второго вентилятора, причем диаметр указанного диска равен диаметру второго вентилятора.
5. Вентиляторный узел по п.1, отличающийся тем, что расстояние между радиатором теплообменника и самой удаленной точкой на первом электродвигателе составляет от 0,8 до 1,25 расстояния между указанным радиатором и самой удаленной точкой на втором электродвигателе.
6. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он состоит, по существу, из первого вентилятора и второго вентилятора.
7. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один вентилятор в дополнение к первому вентилятору и второму вентилятору.
8. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанные вентиляторы направляют воздух через приблизительно прямоугольную область радиатора теплообменника и больший размер прямоугольной области составляет от 1,25 до 1,8 меньшего размера прямоугольной области.
9. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что диаметры двух вентиляторов одинаковы или, если неодинаковы, диаметр меньшего из указанных вентиляторов составляет больше 0,85 диаметра большего из указанных вентиляторов.
10. Вентиляторный узел по п.8, отличающийся тем, что диаметр, по меньшей мере, одного из указанных вентиляторов больше 0,75 меньшего измерения указанной прямоугольной области.
11. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что величина перекрытия, измеренная в плоскости, которая содержит ось вращения, по меньшей мере, одного из указанных вентиляторов и, по меньшей мере, одну точку на оси другого вентилятора, больше 10% от диаметра меньшего из указанных вентиляторов и меньше размаха лопасти меньшего из указанных вентиляторов.
12. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что двигателями являются электрические двигатели.
13. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что содержит камеру повышенного давления между указанными вентиляторами и радиатором теплообменника, в котором глубина камеры повышенного давления вблизи вентилятора, более удаленного от радиатора, больше глубины вблизи вентилятора, расположенного ближе к радиатору.
14. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что зазор между указанным кожухом и каждым из указанных вентиляторов составляет меньше 2% от диаметра вентилятора вдоль существенной части неперекрывающейся части окружности вентилятора.
15. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из вентиляторов имеет бандаж.
16. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что при взгляде в осевом направлении против потока воздуха один из указанных вентиляторов вращается по часовой стрелке, а другой из указанных вентиляторов вращается против часовой стрелки.
17. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что при взгляде в осевом направлении против потока воздуха оба указанных вентилятора вращаются в одном направлении.
18. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что первый вентилятор имеет первое количество лопастей, а указанный второй вентилятор имеет второе количество лопастей и первое количество лопастей не равно второму количеству лопастей.
19. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из указанного множества лопастей имеет неравномерно разнесенные оконечности лопастей.
20. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что оба из указанных вентиляторов имеют передние кромки обратной стреловидности в районе оконечности.
21. Вентиляторный узел по п.16, отличающийся тем, что расположенный дальше по ходу потока воздуха вентилятор имеет лопасти со стреловидностью передней кромки в районе оконечностей, которая противоположна стреловидности задней кромки в районе оконечностей лопастей вентилятора, расположенного перед ним по ходу потока воздуха.
22. Вентиляторный узел по п.17, отличающийся тем, что расположенный дальше по ходу потока воздуха вентилятор имеет стреловидность передних кромок лопастей в районе оконечностей, которая имеет такой же знак, как и стреловидность задних кромок лопастей в районе оконечностей.
23. Вентиляторный узел по п.21, отличающийся тем, что передний по ходу потока воздуха вентилятор имеет стреловидность задних кромок лопастей в районе хвостовиков, противоположную стреловидности задних кромок в районе оконечностей.
24. Вентиляторный узел по п.22, отличающийся тем, что передний по ходу потока воздуха вентилятор имеет стреловидность задних кромок лопастей в районе хвостовиков, противоположную стреловидности задних кромок в районе оконечностей.
25. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанные вентиляторы выполнены из отлитой под давлением пластмассы.
26. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что первый держатель электродвигателя, первый комплект кронштейнов и второй держатель электродвигателя, второй комплект кронштейнов и, по меньшей мере, часть кожуха выполнены из отлитой под давлением пластмассы.
27. Вентиляторный узел по п.26, отличающийся тем, что единый отлитый под давлением элемент содержит первый держатель электродвигателя, первый комплект кронштейнов, второй держатель электродвигателя, второй комплект кронштейнов и, по меньшей мере, часть кожуха.
28. Вентиляторный узел по п.1, отличающийся тем, что проекция проема кожуха в плоскости, перпендикулярной, по меньшей мере, одной оси вентилятора, представляет собой два, по существу, круглых элемента, которые перекрывают друг друга в области перекрытия вентилятора.
29. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что кожух содержит барабан, окружающий первый вентилятор, и барабан проходит в район, расположенный в осевом направлении после второго вентилятора, и содействует удерживанию второго держателя электродвигателя.
30. Вентиляторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что кожух содержит барабан, окружающий второй вентилятор, и барабан проходит в район, расположенный в осевом направлении перед первым вентилятором, и содействует удерживанию первого держателя электродвигателя.
