CN108603512B - 带有不被堵塞的出口的发动机冷却风扇外壳护罩 - Google Patents

Abstract

用于轴流式风扇的护罩包括环形筒。筒包括圆筒形部段和圆筒形部段下游的锥形部段。锥形部段以15度至35度之间的角度从圆筒形部段径向向内成角度。护罩也包括环形出口钟状部，其在限定锥形部段与出口钟状部之间的过渡部的顶端处联接到锥形部段。出口钟状部和筒容纳多个泄漏定子。定子基座从出口钟状部的径向内表面延伸到定子基座末端，并且从出口钟状部的端部表面到顶端测量的出口钟状部的深度（a）小于沿通过风扇护罩的轴向气流的方向从出口钟状部的端部表面到定子末端测量的深度（b）的一半。

Description

带有不被堵塞的出口的发动机冷却风扇外壳护罩

相关申请

本申请要求于2016年2月8日提交的美国临时专利申请序列No. 62/292,532的权益，其全部内容特此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及轴流式风扇，并且更具体地涉及具有护罩的汽车轴流式风扇组件。

背景技术

轴流式风扇组件在使用于汽车应用中时通常包括护罩、联接到护罩的马达，以及由马达驱动的轴流式风扇。轴流式风扇通常包括连接轴流式风扇叶片的相应末端的带，由此增强轴流式风扇叶片并允许叶片的末端生成更大的压力。

在汽车应用中所使用的轴流式风扇组件必须以高效率和低噪音操作。然而，各种约束通常使该设计目标变得复杂。例如，这样的约束可包括轴流式风扇与上游热交换器之间的有限间距（即，“风扇到芯部间距”）、紧接着处于轴流式风扇下游的发动机部件的空气动力学堵塞、护罩覆盖面积与轴流式风扇叶片的扫掠面积的大比率（即“面积比”），以及轴流式风扇的带与护罩之间的再循环。作为设计的考虑因素的其他约束包括护罩的材料质量和成本、护罩的整体刚度（尤其在将马达和风扇固定到护罩的马达定子中），以及在机动车辆中所占据的总体积。

现有的轴流式风扇组件在不同成功程度上试图考虑所有上述约束。一种现有技术的轴流式风扇组件10在图1A和1B中示出，并且表示美国专利No. 4,548,548中所示的风扇组件。特别感兴趣的是在护罩筒14与风扇带18之间形成的两个径向间隙“g”，以及在风扇下游的由圆筒形筒形状形成的简单出口。这些特征包括市场中使用的最常见的几何形状。与其他出口相比，它们不仅提供低材料成本和低成型复杂性，也提供更低的风扇效率和更高的风扇噪音。通常需要所示的结构支架22以围绕筒14加强护罩26，以便将负荷从马达定子30传递到护罩26。即使在具有所示的支架22的情况下，该设计也可能需要额外的支撑。

另一现有技术的轴流式风扇组件40在图2A和2B中示出，并且表示美国专利No. 5,489,186中所示的风扇组件。该布置包括泄漏定子（leakage stator）44，其减少围绕风扇带18再循环的气流以及从再吸入的流动移除切向速度。出口钟状部48减少了尾流中的损失。相比于图1A、1B的设计，这些特征通常导致更高的风扇效率和/或更低的风扇噪音。由出口钟状部48、泄漏定子44和筒52组成的结构相比于图1A、1B设计提供显著更大的刚度。然而，该设计需要更多的材料并且在车辆中占据更多的体积。当与来自位于风扇的出口的下游的其他汽车部件的严密堵塞物相结合时，该设计的效率和噪音可能不如其他设计那样好。这是由于其相对较高的“空气动力学深度”d，这引起撞击在下游堵塞物上的风扇尾流的更多限制。

又一现有技术的轴流式风扇组件60在图3A和3B中示出，并且表示美国专利No. 7,762,769中所示的风扇组件。该布置是图2A、2B中所示设计的进一步改进。风扇带18和出口钟状部64之间的流动空隙（running clearance）由径向间隙“g”提供，而不是由轴向间隙提供。这允许更小的空气动力学深度d。当存在严密的下游堵塞物时，该设计导致撞击在下游堵塞物上的风扇尾流的更少收缩。因此，当在存在更严密的下游堵塞物的情况下进行比较时，相比于图2A、2B的设计，风扇效率能够显著更高。然而，由于风扇带18与出口钟状部64之间的径向间隙“g”，该出口在没有下游堵塞物的情况下往往更不有效地运行。该设计也提供与图2A、2B的设计相当的刚度。

发明内容

本发明包括用于汽车发动机冷却风扇组件的护罩的新设计特征。新特征包括护罩的“出口”、“筒”和“定子基座”的形状。改进的设计降低了护罩的材料成本以及其在机动车辆中占据的体积，而不降低马达定子与护罩之间的连接的刚度。其在实现这些的同时在各种各样的条件下提供高风扇效率和低风扇噪音。

在一个实施例中，本发明提供一种用于轴流式风扇的风扇护罩。所述护罩包括：马达安装件，将所述马达安装件联接到所述护罩的径向外部分的多个马达定子，以及远离所述护罩的径向外部分轴向延伸的环形筒。所述环形筒包括圆筒形部段和在所述圆筒形部段下游的锥形部段。所述锥形部段从所述圆筒形部段以15度至35度之间的角度径向向内成角度。所述护罩还包括环形出口钟状部，其在限定锥形部段与出口钟状部之间的过渡部的顶端处联接到锥形部段。出口钟状部和筒在其中容纳多个周向间隔开的泄漏定子以便破坏或减少出口钟状部和筒内的气流的切向分量。多个马达定子中的每一个均由定子基座联接到出口钟状部，所述定子基座从出口钟状部的径向内表面延伸到定子基座末端，并且沿通过风扇护罩的轴向气流的方向从出口钟状部的端部表面到顶端测量的出口钟状部的深度（a）小于沿通过风扇护罩的轴向气流的方向从出口钟状部的端部表面到定子末端测量的深度（b）的一半。

在另一实施例中，本发明提供一种具有轴流式风扇的轴流式风扇组件，所述轴流式风扇包括毂、从所述毂向外延伸的多个叶片，以及将所述多个叶片的末端部分相互连接的带。所述带包括径向内表面、径向外表面，以及邻近所述径向内表面和所述径向外表面并在其间延伸的端部表面。所述轴流式风扇组件还包括驱动地连接到轴流式风扇和风扇护罩的马达。所述护罩包括马达安装件，将马达安装件联接到护罩的径向外部分的多个马达定子，以及远离护罩的径向外部分轴向延伸的环形筒。所述环形筒包括圆筒形部段和在圆筒形部段下游的锥形部段。锥形部段从圆筒形部段以15度至35度之间的角度径向向内成角度。所述护罩也包括环形出口钟状部，其在限定锥形部段与出口钟状部之间的过渡部的顶端处联接到锥形部段。出口钟状部和筒在其中容纳多个周向间隔开的泄漏定子以便破坏或减少出口钟状部和筒内的气流的切向分量。多个马达定子中的每一个均由定子基座联接到出口钟状部，所述定子基座从出口钟状部的径向内表面延伸到定子基座末端，并且沿通过风扇护罩的轴向气流的方向从出口钟状部的端部表面到顶端测量的出口钟状部的深度（a）小于沿通过风扇护罩的轴向气流的方向从出口钟状部的端部表面到定子末端测量的深度（b）的一半。在带的端部表面与出口钟状部的端部表面之间设置轴向间隙G1，并且带的端部表面和出口钟状部的端部表面沿径向方向对齐。

通过考虑以下详细描述和附图，本发明的其他特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1A是现有技术的轴流式风扇组件的局部透视图，其示出护罩、联接到护罩的马达以及由马达驱动的轴流式风扇。

图1B是图1A的护罩和风扇带的局部剖视图。

图2A是另一现有技术的轴流式风扇组件的局部透视图，其示出护罩、联接到护罩的马达以及由马达驱动的轴流式风扇。

图2B是图2A的护罩和风扇带的局部剖视图。

图3A是另一现有技术的轴流式风扇组件的局部透视图，其示出护罩、联接到护罩的马达以及由马达驱动的轴流式风扇。

图3B是图3A的护罩和风扇带的局部剖视图。

图4是实现本发明的轴流式风扇组件的透视图。

图5A是图4的轴流式风扇组件的局部透视图，其示出护罩、联接到护罩的马达以及由马达驱动的轴流式风扇。

图5B是图5A的护罩和风扇带的局部剖视图。

图6是图5A的护罩和风扇带的另一局部剖视图，其示出与轴流式风扇间隔开的下游堵塞物。

在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解的是，本发明就其应用而言不限于以下描述中阐述的或在以下附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。而且，应该理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应当被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等价物以及额外项目。除非另有其他说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广义地使用并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

具体实施方式

图4示出轴流式风扇组件100，其包括护罩104、联接到护罩104的马达108，以及联接到马达108并由马达108驱动的轴流式风扇112。特别地，如图4所示，马达108包括输出轴（未示出），以便围绕轴流式风扇112的中央轴线116驱动轴流式风扇112。在所示实施例中，护罩104是模制的单件式零件。

轴流式风扇组件100被配置为以“抽吸通过”配置联接到热交换器，使得轴流式风扇112通过热交换器抽吸气流。替代性地，轴流式风扇组件100可以以“推送通过”配置联接到热交换器，使得轴流式风扇112通过热交换器排出气流。可以利用多个不同连接器中的任何连接器将轴流式风扇组件100联接到热交换器。

在图4的轴流式风扇组件100的所示结构中，护罩104包括安装件120，马达108联接在所述安装件120上。安装件120通过多个倾斜导叶或马达定子124联接到护罩104的外部分，所述倾斜导叶或马达定子124使由轴流式风扇112排出的气流重新定向。

现在参考图5-6，护罩104也包括围绕轴流式风扇112的外周边定位的大致环形的出口钟状部128。多个泄漏定子132联接到出口钟状部128并且围绕中央轴线116布置。在轴流式风扇112的操作期间，泄漏定子132通过破坏或减小再循环气流的切向分量（即，“预涡旋”）来减少围绕轴流式风扇112的外周边的再循环。

轴流式风扇112包括中央毂136、从毂136向外延伸的多个叶片140，以及连接叶片140的带144。具体地，每个叶片140均包括邻近毂136并连接到毂136的根部部分或根部148，以及从根部148向外间隔开并且联接到带144的末端部分或末端152。

参考图6，轴流式风扇组件100被示出为相对于示意性示出的下游“堵塞物”156定位。这种堵塞物156例如可以是汽车发动机的一部分。如果下游堵塞物156使风扇尾流收缩，则其能够被称为“严密的”。当风扇平面中风扇的尾流中的流线的净横截面积小于风扇叶片所占据的面积时发生这种情况。另一方面，如果尾流的横截面积显著大于风扇叶片面积，则下游堵塞物156能够被称为“宽松的”。轴流式风扇组件100的效率部分地取决于带144与出口钟状部128和泄漏定子132的间距，以及出口钟状部128与堵塞物156之间的间距。另外，护罩的刚度、材料成本和包装体积是促进轴流式风扇组件100的总体合意性的额外因素。

图5B和6示出在轴流式风扇组件100的一种结构中带144与出口钟状部128和泄漏定子132之间的间距。具体地，带144包括邻近轴向延伸的径向内表面164和轴向延伸的径向外表面168的端部表面160。出口钟状部128包括邻近径向内表面或下游表面176的端部表面172。轴向间隙“G1”（参见图5B）在带144的相应端部表面160与出口钟状部128的相应端部表面172之间测量。带144的端部表面160和出口钟状部128的端部表面172沿径向方向大体对齐，使得在端部表面160、172处在带144的径向内表面164与出口钟状部128的径向内表面176之间几乎没有径向偏移。轴向间隙G1相对大以提供流动空隙。这允许在下游堵塞物156宽松时具有良好的风扇效率，在与现有技术的风扇组件10和60的相同的堵塞条件下，风扇效率得到改进。

借助于出口钟状部128的形状/几何形状实现另一改进。如图6中所示，出口钟状部128的径向内表面176被配置成限定椭圆E的一部分的形状，该椭圆E沿通过风扇组件100的气流的轴向方向具有其短轴。如图6所示，径向内表面176符合椭圆E的一部分，所述椭圆E的短轴平行于轴向气流方向并且平行于中央轴线116。在其他实施例中，径向内表面176能够符合椭圆的一部分，其中所述椭圆的短轴不与中央轴线116平行但仍大体沿气流的方向延伸。出口钟状部128的这种部分椭圆形状（其中出口钟状部128的轴向长度相比于现有技术的风扇组件40和60被减小）减小了出口钟状部128和其中的泄漏定子132所占据的体积。减小的体积减少了护罩104的材料成本。此外，由于该部分椭圆形状所致的出口钟状部128的减小的轴向深度在存在严密的下游堵塞物的情况下减少了风扇尾流的限制，从而在该条件下改进风扇效率。

借助于出口钟状部的径向内表面176的部分椭圆形状实现又一改进。该部分椭圆形状提供其中出口钟状部的横截面沿轴向气流方向具有更小总长度且沿径向方向具有更大总长度的纵横比。该纵横比为马达定子基座180提供牢固的结构性基部，其中马达定子基座180在所示实施例中是将马达定子124与出口钟状部128相互连接的大体三角形部件。由出口钟状部128提供的这种牢固基部改进了护罩104的刚度，尤其是优于风扇组件10的护罩的刚度，并且尽管其具有相当的材料质量和包装体积。

借助于护罩104的筒184的配置实现又一改进，并且在图6中清楚地示出该改进。筒184是护罩104的环形部分，其在到达最远下游点之前远离（沿下游方向）护罩104的平面主体轴向延伸，在所述最远下游点处，顶端188形成在筒184与出口钟状部128的相交处。筒184的径向外表面192面向径向远离风扇112和马达108的方向，直到其在顶端188处过渡到出口钟状部128的径向内表面176（其完全面向径向向内朝向马达108的方向）。限定径向外表面192的筒184的壁部分包括第一上游部段196和第二下游部段200，其中第一上游部段196平行于中央轴线116延伸以围绕中央轴线116形成柱形状，该第二下游部段200从第一部段196以15度至35度之间的角度α径向向内成角度以围绕中央轴线116形成高度锥形形状。该高度锥形的筒部段200将由泄漏定子132所占据的体积减少到对于泄漏定子132执行阻滞风扇带144周围的泄漏流的任务而言所需的最小量。这进一步减小材料成本和车辆中的包装体积。图5B和图6还示出定子基座180的径向外表面204如何与锥形部段200处的径向外表面192大体对齐并且具有与其大体相同的斜率。这些外表面204也能够与第一部段196形成15度至35度之间的角度。这也促进护罩104的改进的刚度和包装体积。

在不偏离本发明的情况下，能够做出对所示设计的某些改型。例如，在一些实施例中，出口钟状部的形状可以不是部分椭圆的形状，而是可以采取另一种形式，其中出口钟状部的横截面沿轴向气流方向具有更小的总长度并且沿径向方向具有更大的总长度。虽然部分椭圆几何形状通常是用于使流动向外转动的良好布置，原因在于曲率随着边界层的扩展而变得更小，但是其他几何形状也能够证明是有益的。在如图6中所示的椭圆形状的情况中，或者在其他形式的情况中，图5B示出提供上述优点的关系。具体地，出口钟状部128的总深度“a”小于从定子基座180的末端到出口钟状部128的底部的深度“b”的1/2。此外，虽然定子基座被示为形状呈三角形，但是也能够使用其他非三角形形状，并且同时仍然实现将负荷从基座传递到出口钟状部和泄漏定子的同一功能。

护罩104与现有技术的护罩设计的分析比较表明，在施加200N的力时，相比于所有现有技术设计，轴向偏转减小（由于增加的刚度），体积相对于除了一个之外的所有现有技术设计减小，并且总质量比除了一个之外的所有现有技术设计减小。

以下权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用于轴流式风扇的风扇护罩，所述风扇护罩包括：

马达安装件；

多个马达定子，其将所述马达安装件联接到所述护罩的径向外部分；

环形筒，其远离所述护罩的径向外部分轴向延伸，所述环形筒包括圆筒形部段和在所述圆筒形部段下游的锥形部段，所述锥形部段从所述圆筒形部段以15度至35度之间的角度径向向内成角度；和

环形出口钟状部，其在顶端处联接到所述环形筒的锥形部段，所述顶端限定所述锥形部段与所述出口钟状部之间的过渡部，所述出口钟状部和所述筒在其中容纳多个周向间隔开的泄漏定子以便破坏或减少所述出口钟状部和所述筒内的气流的切向分量；

其中，所述多个马达定子中的每一个均由定子基座联接到所述出口钟状部，所述定子基座从所述出口钟状部的径向内表面延伸到定子基座末端，并且其中沿通过所述风扇护罩的轴向气流的方向从所述出口钟状部的端部表面到所述顶端测量的所述出口钟状部的深度（a）小于在所述出口钟状部的径向内端部处沿通过所述风扇护罩的轴向气流的方向从所述出口钟状部的端部表面到所述定子基座的末端测量的深度（b）的一半。

2.根据权利要求1所述的风扇护罩，其中，所述出口钟状部的径向内表面限定椭圆的一部分。

3.根据权利要求2所述的风扇护罩，其中，所述定子基座的形状大体为三角形。

4.根据权利要求3所述的风扇护罩，其中，每个定子基座包括径向外表面，所述径向外表面与所述圆筒形部段形成15度至35度之间的角度。

5.根据权利要求2所述的风扇护罩，其中，所述出口钟状部的径向内表面限定椭圆的一部分，所述椭圆具有平行于通过所述风扇护罩的轴向气流的方向延伸的短轴。

6.根据权利要求1所述的风扇护罩，其中，所述出口钟状部的深度（a）小于沿垂直于通过所述风扇护罩的轴向气流的方向的径向方向测量的所述出口钟状部的横截面长度。

7.根据权利要求6所述的风扇护罩，其中，所述定子基座的形状大体为三角形。

8.根据权利要求7所述的风扇护罩，其中，每个定子基座均包括径向外表面，所述径向外表面与所述圆筒形部段形成15度至35度之间的角度。

9.根据权利要求1所述的风扇护罩，其中，所述定子基座的形状大体为三角形。

10.根据权利要求9所述的风扇护罩，其中，每个定子基座包括径向外表面，所述径向外表面与所述圆筒形部段形成15度至35度之间的角度。

11.一种轴流式风扇组件，包括：

轴流式风扇，其包括

毂；

从所述毂向外延伸的多个叶片；和

将所述多个叶片的末端部分相互连接的带，所述带具有径向内表面、径向外表面，以及邻近所述径向内表面和所述径向外表面并在其间延伸的端部表面；

驱动地连接到所述轴流式风扇的马达；和

风扇护罩，其包括

支撑所述马达的马达安装件；

多个马达定子，其将所述马达安装件联接到所述护罩的径向外部分；

环形筒，其远离所述护罩的径向外部分轴向延伸，所述环形筒包括圆筒形部段和所述圆筒形部段下游的锥形部段，所述锥形部段以在15度至35度之间的角度从所述圆筒形部段径向向内成角度；和

环形出口钟状部，其在顶端处联接到所述环形筒的锥形部段，所述顶端限定所述锥形部段与所述出口钟状部之间的过渡部，所述出口钟状部和所述筒在其中容纳多个周向间隔开的泄漏定子以便破坏或减少所述出口钟状部和所述筒内的气流的切向分量；

其中，所述多个马达定子中的每一个均由定子基座联接到所述出口钟状部，所述定子基座从所述出口钟状部的径向内表面延伸到定子基座末端，并且其中沿通过所述风扇护罩的轴向气流的方向从所述出口钟状部的端部表面到所述顶端测量的所述出口钟状部的深度（a）小于在所述出口钟状部的径向内端部处沿通过所述风扇护罩的轴向气流的方向从所述出口钟状部的端部表面到所述定子基座的末端测量的深度（b）的一半；并且

其中，在所述带的端部表面与所述出口钟状部的端部表面之间设置轴向间隙G1，并且其中，所述带的端部表面和所述出口钟状部的端部表面沿径向方向对齐。

12.根据权利要求11所述的轴流式风扇组件，其中，所述出口钟状部的径向内表面限定椭圆的一部分。

13.根据权利要求12所述的轴流式风扇组件，其中，所述定子基座的形状大体为三角形。

14.根据权利要求13所述的轴流式风扇组件，其中，每个定子基座包括径向外表面，所述径向外表面与所述圆筒形部段形成15度至35度之间的角度。

15.根据权利要求12所述的轴流式风扇组件，其中，所述出口钟状部的径向内表面限定椭圆的一部分，所述椭圆具有平行于通过所述风扇护罩的轴向气流的方向延伸的短轴。

16.根据权利要求11所述的轴流式风扇组件，其中，所述出口钟状部的深度（a）小于沿垂直于通过所述风扇护罩的轴向气流的方向的径向方向测量的所述出口钟状部的横截面长度。

17.根据权利要求16所述的轴流式风扇组件，其中，所述定子基座的形状大体为三角形。

18.根据权利要求17所述的轴流式风扇组件，其中，每个定子基座包括径向外表面，所述径向外表面与所述圆筒形部段形成15度至35度之间的角度。

19.根据权利要求11所述的轴流式风扇组件，其中，所述定子基座的形状大体为三角形。

20.根据权利要求19所述的轴流式风扇组件，其中，每个定子基座包括径向外表面，所述径向外表面与所述圆筒形部段形成15度至35度之间的角度。

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