CN102235380B - 送风机叶轮以及叶轮制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种送风机叶轮以及叶轮制造方法。本发明的目的在于提供一种叶轮，其通过使用树脂材料和玻璃纤维的复合材料制成的叶片部件，从而实现了轻量化、低噪音和低振动。本发明的叶轮通过将多个叶片部件呈圆筒状固定在多枚圆盘状固定板上形成，其特征在于：叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；叶片部件的平均厚度范围在0.3～0.8mm；且叶片部件中所含的玻璃纤维取向于叶片部件的表面面内。

Description

送风机叶轮以及叶轮制造方法
技术领域
本发明关于流体送风机等各类送风机中使用的叶轮。
背景技术
近年来，基于环境保护和资源节约的考虑、随着送风机的性能的提高，不断要求在提高叶轮的轻量化的同时、实现低噪音以及低振动。
现有技术的送风机叶轮，通过减少叶片部件的厚度，实现了轻量化、提高了送风性能；此外，通过使用普通铝材、含玻璃纤维的塑料、或高抗拉钢板作为叶片部件的材质，实现了高刚性和高耐热性，
然而，如果使用普通铝材作为叶片部件的材料，和钢板相比确实有轻量化的效果，但是由于铝材材质的拉伸强度低、容易受外力影响产生变形，从而使叶片部件的厚度减少存在限制，不能获得满意的轻量化效果。如果使用高抗拉钢板作为叶片部件的材料，确实能通过减少叶片部件的厚度实现满意的送风性能，但是由于钢板的比重大、无法获得令人满意的轻量化效果。
为了解决上述问题，专利文献1提供了一种叶轮，其中的叶片部件通过使用铝合金材料AH5182-H19，减少了厚度。另外，该文献中还记载：如果使用含玻璃纤维的塑料制作叶片部件，由于加工成型叶片部件的能力问题，使厚度减少存在限制，而且也不能获得令人满意的耐热性等。
为了实现送风机叶轮的轻量化以及低噪音，专利文献1记载的叶轮，即使使用了铝合金制成的厚度减少的叶片部件，由于叶片部件为金属材料，减衰特性不良，无法实现低噪音。
在使用含有玻璃纤维的复合塑料制作叶片部件时，解决噪音问题的方法，现有技术一般采用加厚叶片部件的厚度。然而，加厚了叶片部件的厚度，会使叶片部件的刚性等升高，导致减衰下降，无法获得满意的减噪效果，更无法实现轻量化效果。
专利文献1：
特开平8-200292公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种叶轮，其通过使用树脂材料和玻璃纤维的复合材料制成的叶片部件，从而实现了轻量化、低噪音和低振动。
为了解决上述问题，第1发明的叶轮通过将多个叶片部件呈圆筒状固定在多枚圆盘状固定板上形成，其特征在于：叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；叶片部件的平均厚度范围在0.3～0.8mm；且叶片部件中所含的玻璃纤维取向于叶片部件的表面面内。
第2发明的叶轮，基于第1发明的叶轮上其特征在于：叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；且所含的玻璃纤维的重量百分比在10％～40％。
第3发明的叶轮，基于第1发明或第2发明的叶轮上，其特征在于：叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；叶片部件的表面弹性系数为2.5×109Pa～1.2×1010Pa。
第4发明的叶轮，基于第1发明至第3发明其中任一的叶轮上，其特征在于：叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；且所含的玻璃纤维的重量百分比在10％～40％；在叶轮的两端被静止支撑在环境温度60℃的槽内放置1000小时的热力蠕变实验中，叶轮的不平衡变化量换算成偏心量在40μm以下。
基于不平衡变化量是由于叶轮相对于其旋转中心的不均一的结果而产生的旋转振动的平均积分的考虑，本发明将叶轮的转轴部和毂彀部的两端产生的旋转振动的积分平均值进行累加、用发生振动的大小和叶轮的位相角表示的数值作为不平衡变化量。此外，偏心量换算指的是将不平衡变化量用叶轮的重心和旋转中心轴的距离来表示的偏心量。不平衡变化量可以用(叶轮重量×偏心量)来表示。
第5发明的叶轮，基于第1发明至第4发明其中任一的叶轮上，其特征在于：叶片部件的表面弹性系数为2.5×109Pa～1.2×1010Pa；叶片部件的取向比在1.15～1.4。
这里的取向比，如后述式(1)所示，被定义为：成型为本发明厚度的叶片部件的表面弹性系数与成型为现有技术厚度的叶片部件的表面弹性系数的比值。
第6发明的叶轮制造方法，其叶轮部件的材质使用合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料，包括：制备含有重量百分比在10％～40％的玻璃纤维的液态复合材料的工序；将所述液态复合材料注入成型模具的工序；以及将凝固成型叶轮用的模具温度控制在20℃～80℃、成型叶片部件的工序。
发明效果
本发明的叶轮，通过将多个叶片部件呈圆筒状固定在多枚圆盘状固定板上形成，其特征在于：叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；叶片部件的平均厚度范围在0.3～0.8mm；且叶片部件中所含的玻璃纤维取向于叶片部件的表面面内。通过将多个叶片部件呈圆筒状固定在多枚圆盘状固定板上形成的送风机叶轮，其重量和现有技术的树脂叶轮(其叶片部件的平均厚度在1.2mm以上)相比，减轻到一半以下。即使减少了叶片部件的厚度实现了轻量化，并没有降低叶轮的性能，而且还可以减少驱动叶轮的动力。由于叶片部件的厚度减少到现有技术厚度的一半以下，材料费用也可以减少到一半以下。另外，本发明的叶片部件的平均厚度减少到0.3mm～0.8mm，不仅实现了轻量化、而且通过适当配置复合材料中的玻璃纤维，更加提高了叶片部件的强度。
第2发明的叶轮，其叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；且所含的玻璃纤维的重量百分比在10％～40％。即使叶轮的叶片部件的平均厚度减少到了0.3mm～0.8mm，由于可以将玻璃纤维配置在叶片部件的面内，从而提高了叶片部件的强度。
第3发明的叶轮，其叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；叶片部件的表面弹性系数为2.5×109Pa～1.2×1010Pa，损失正切为0.009～0.038。因此，本发明的叶轮通过减少叶片部件的厚度，和同一复合材料制成的较厚叶片部件相比，具有高弹性系数、容易复元的特性(复元性)。
第4发明的叶轮，其叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；且所含的玻璃纤维的重量百分比在10％～40％；在叶轮的两端被静止支撑在环境温度60℃的槽内放置1000小时的热力蠕变实验中，叶轮的不平衡变化量换算成偏心量在40μm以下。本发明叶轮的不平衡变化量经偏心量换算后在40μm以下，该数值只有使用现有技术中树脂叶片部件的叶轮的不平衡变化量经偏心量换算值的一半。由于本发明叶轮的不平衡变化量非常小，因此，本发明的叶轮在运转时，由于旋转产生的振动很小，从而可以有效减轻振动噪音。
第5发明的叶轮，由于其叶片部件的表面弹性系数为2.5×109Pa～1.2×1010Pa；且叶片部件的取向比(成型为本发明厚度的叶片部件的表面弹性系数与成型为现有技术厚度的叶片部件的表面弹性系数的比值)在1.15～1.4，玻璃纤维可以取向叶片部件的面内配置。由此，可以实现叶片部件的高弹性和高复元性。因此本发明的叶片部件尽管减少了厚度，却可以实现高强度和高刚性。使用了该叶片部件的叶轮，也具有高强度和良好的复元性。
第6发明的叶轮制造方法，其叶轮部件的材质使用合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料，包括：制备含有重量百分比在10％～40％的玻璃纤维的液态复合材料的工序；将所述液态复合材料注入成型模具的工序；以及将凝固成型叶轮用的模具温度控制在20℃～80℃、成型叶片部件的工序。
根据该制造方法成型的叶片部件，保证了其内部的玻璃纤维取向面内配置，从而实现叶片部件的高弹性和高复元性。
附图说明
图1是表示本发明叶轮的正面图。
图2是表示本发明叶轮的结构单元的说明图。
图3是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的转轴部侧的不平衡特性的比较图。
图4是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的毂彀部侧的不平衡特性的比较图。
图5是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的送风效率的比较图。
图6是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的噪音特性的比较图。
图7是表示成型本发明叶轮中使用的薄叶片部件样品的模具概略图。
图8是表示成型现有技术叶轮中使用的厚叶片部件样品的模具概略图。
具体实施方式
根据附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明叶轮的正面图。图2是表示本发明叶轮的结构单元的说明图。图3是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的转轴部侧的不平衡特性的比较图。图4是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的毂彀部侧的不平衡特性的比较图。图5是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的送风效率的比较图。图6是表示本发明叶轮和现有技术叶轮的噪音特性的比较图。图7是表示成型本发明叶轮中使用的薄叶片部件样品的模具概略图。图8是表示成型现有技术叶轮中使用的厚叶片部件样品的模具概略图。
<1>本发明叶轮的结构
图1中本发明的叶轮1由多个图2中表示的结构单元2、毂彀部侧圆盘状固定板5、转轴部6以及毂彀部7构成。转轴部6安装在叶轮1的一侧端部的结构单元2的圆盘状部件3上。毂彀部侧圆盘状固定板5安装在叶轮1的另一侧端部的结构单元2的叶片部件侧。毂彀部7设置在毂彀部侧圆盘状固定板5上。
<2>叶片部件(结构单元2)的结构
叶轮1的结构单元2由圆盘状部件3和叶片部件4构成。材质为AS树脂与玻璃纤维的复合材料、ABS树脂与玻璃纤维的复合材料、或PP树脂与玻璃纤维的复合材料。这里所记载的树脂只是一个例子，通常的合成树脂只要成型品具有一定的强度，都可以使用。圆盘状部件3和叶片部件4通过射出成型、挤压法或者压出法等一体成型。各结构单元2的连接，可以通过超声波溶合法等接合法进行。毂彀部侧圆盘状固定板5和设置在叶轮1的毂彀部侧的端部的结构单元2的叶片部件4之间，可以通过超声波溶合法等接合法进行连接。
叶轮1的结构单元2的叶片部件4设置有成型时的脱模坡度。叶片部件4的平均厚度优选在0.3～0.8mm、最优选在0.4～0.6mm。如果叶片部件4的平均厚度小于0.3mm，根据成型法成型时，导致成型性的恶化，从而在叶片部件的顶端部发生成型不良的问题。如果叶片部件4的平均厚度大于0.8mm，导致叶片部件4变重，从而无法实现轻量化效果，同时导致叶片部件4的强度下降、即产生无法使玻璃纤维取向叶片部件4的面内配置的问题。
<3>叶片部件(结构单元2)的材质
下面对叶轮1的结构单元2以及毂彀部侧圆盘状固定板5的材质进行说明。其材质可以使用AS树脂与玻璃纤维的复合材料、ABS树脂与玻璃纤维的复合材料、或PP树脂与玻璃纤维的复合材料。复合材料中的玻璃纤维的百分比率优选占全部重量的10％～40％、最优选在10％～30％。如果所含的玻璃纤维的百分比率超过全部重量的40％，会导致叶片部件(结构单元2)成型不良的问题；如果所含的玻璃纤维的百分比率低于全部重量的10％，会导致叶片部件强度降低的问题。
本发明叶轮的叶片部件的材质使用树脂材料与玻璃纤维的复合材料，该复合材料的弹性系数为2.5×109Pa～1.2×1010Pa。如果复合材料的弹性系数不足2.5×109Pa，弹性系数低，无法实现容易复元特性(复元性)；如果超过1.2×1010Pa，会导致结构单元的叶片部件成型不良、无法获得成品。
上述弹性系数是通过使用粘弹性测定仪(TA仪器公司产品RSA3)测定从成型后的叶片部件上按一定的尺寸取样得到的实验片获得的。弹性系数的测定时在升温速度7.2℃/分钟、测定频率1Hz条件下进行的。弹性系数是20℃时的测定值。
当图2所示的叶片部件的厚度变薄时，本发明叶轮的叶片部件中使用的树脂材料和玻璃纤维的复合材料的弹性系数升高、当叶片部件的厚度变厚时，弹性系数降低的趋势。当厚度从0.5mm增加到2mm时，弹性系数大约减小到原来的一半。
另外，如果玻璃纤维的含量增加，弹性系数也有增加的趋势。如果玻璃纤维的百分比率从10％增加到40％，弹性系数大约是原来的3倍。
<4>实施例1及比较例1
以下，用实施例和比较例对本发明进行更详细的说明。需要指出的是：本发明并不限定于后述的实施例。
[实施例1]
在本实施例中,使用含有重量比占全体重量的20％玻璃纤维的AS树脂复合材料制作了结构单元和毂彀部侧圆盘状固定板。结构单元的叶片部件具有如图2所示的形状，平均厚度为0.4mm、长度为79mm，枚数共35枚。在叶片部件4的最外部，结构单元的直径为106mm。该结构单元以上述材质的材料通过射出成型得到。随后，8个结构单元2、与和结构单元2同材质制作的毂彀部侧圆盘状固定板5通过超声波熔合法接合制成了图1所示的叶轮。制成的叶轮全长635mm，直径106mm，总重量为385g。
[比较例1]
本比较例的叶轮，除了结构单元的叶片部件具有新月形状、平均厚度在1.2mm之外，和实施例同样制作了图1所示的叶轮。叶轮重量为733g。
对实施例1和比较例1制作的叶轮，通过以下试验进行了比较。
[1]热力蠕变性能
对实施例1和比较例1制作的叶轮，其热力蠕变通过如下方法进行了评估。将上述方法制作的叶轮，水平支撑转轴部6和毂彀部7后置于恒温槽内，恒温槽温度设定在60℃，1000小时后测定了偏心量。
[2]送风效率
对实施例1和比较例1制作的叶轮，其送风效率通过如下方法进行了评估。将上述方法制作的叶轮组装到空调室内机内，将空调机本机设定为风量测定装置，测定了送风量以及驱动叶轮所需要的电力消耗。
[3]噪音特性
对实施例1和比较例1制作的叶轮，其噪音特性通过如下方法进行了评估。将上述方法制作的叶轮组装到空调室内机内，将空调机本机设定为风量测定装置，测定了送风量以及叶轮的转数。此外，将空调机本机挂在噪音测定室内，测定了噪音值及叶轮的转数。对同一转数下的送风量和噪音值的关系进行了作图。
热力蠕变性能的评估结果用图3和图4表示。图3表示实施例的叶轮和比较例的叶轮的转轴部侧的不平衡特性的比较结果。图4表示实施例的叶轮和比较例的叶轮的毂彀部侧的不平衡特性的比较结果。
图3和图4中现有技术叶轮中，当结构单元的叶片部件的平均厚度约为1.2mm时，图3B的转轴部侧的不平衡变化量为1.59g·cm、图4B的毂彀部侧的不平衡变化量为2.33g·cm。而在本发明叶轮中，当结构单元的叶片部件的平均厚度为0.4mm时，图3B的转轴部侧的不平衡变化量为0.35g·cm、图4B的毂彀部侧的不平衡变化量为0.48g·cm。
经偏心量换算后，现有技术叶轮的偏心量在图3A的转轴部侧为44μm、图4A的毂彀部侧为64μm。而本发明的叶轮，其偏心量在图3A的转轴部侧为19μm、图4A的毂彀部侧为24μm。
从以上结果可知：本发明叶轮的不平衡变化量只有现有技术叶轮的19～23％，偏心量换算后约为37～44％。因此，本发明叶轮即使长时间运转，也能很好抑制振动的发生，从而有效提高使用本发明叶轮的送风机的性能。
送风效率(电力消耗)的评估结果用图5表示。图5表示实施例叶轮和比较例叶轮的风量(m3/分钟)和电力消耗(W)的关系比较图。从图5可知：当风量为2m3/分钟时，和现有技术的叶轮相比，本发明的电力消耗减少了大约5～6％。
噪音特性的评估结果用图6表示。图6表示实施例叶轮和比较例叶轮的风量(m3/分钟)和噪音值(dB(A))的关系比较图。从图6可知：本发明的叶轮和现有技术的叶轮具有同等的性能。
以上，对实施例和比较例的叶轮的不平衡变化量、送风效率以及噪音特性进行了比较。在噪音特性上，二者的特性几乎相同。然而，在不平衡变化量或送风效率上，实施例中的本发明叶轮有所改善。这是因为叶片部件内部所含的玻璃纤维几乎取向表面的面内配置的原因。同时，整体可快速硬化的薄叶片部件中所含的用于增强强度的玻璃纤维几乎朝向表面的面内配置，提高了热力蠕变特性，从而也会使不平衡变化量减少。
除上述之外，由于叶轮的叶片部件的平均厚度减少了一半，其重量也减轻了一半。因此，用于制造叶轮的材料重量也可以减少一半，从而可以大幅降低材料费。
<4>其他实施方式获得的叶片部件
以下说明的实施方式获得的叶片部件，也可以使用在本发明中。
即，本发明叶轮，可以使用表面弹性系数在2.5×109Pa～1.2×1010Pa、取向比在1.15～1.4的叶片部件。
如下式(1)所示，这里取向比被定义为：成型为本发明厚度的叶片部件的表面弹性系数(B)与成型为现有技术厚度的叶片部件的表面弹性系数(A)的比值。成型为现有技术平均厚度的叶片部件，和后述的比较例2相当，其弹性系数为5.3×109Pa。
取向比＝(B)/(A)式(1)
当取向比小于1.15时，会导致轻量化效果差、弹性系数不足的问题；而当取向比超过1.4时，根据成型法成型时，会导致成型性的恶化，从而在叶片部件的顶端部发生成型不良的问题。
在本实施例中，成型叶片部件的模具温度优选在20℃～80℃。在模具温度在20℃～80℃范围内时，叶片部件能快速硬化，改善玻璃纤维沿叶片部件的表面面内取向特性。如果成型叶片部件的模具温度低于20℃，原料树脂的固化过于迅速，需要高射出速度的特殊成型机来成型，会使成型成本增加。如果成型叶片部件的模具温度高于80℃，需要花费时间来冷却圆盘状部件，从而间接增加成型成本。
模具温度通过以下方法控制。冷却模具的冷却水通过模具温度调节机控制在20℃～80℃、加压使其在模具内循环，通过热交换将模具温度大致控制在一定的状态。
通过实施例2～4和比较例2对本实施方式进行说明。在实施例2～4和比较例2中，成型成型品时的模具温度设置在50℃。
[实施例2]
实施例2中，使用了和实施例1同一种类的复合材料，取向比调整为1.15。取向比为图7A所示的模具成型为0.8mm厚度的成型品的表面弹性系数与图8所示的模具成型为1.2mm厚度的成型品的表面弹性系数的比值。成型成型品时的模具温度设置在50℃。使用和实施例1同一种类的复合树脂材料，制作了取向比为1.15且和实施例1具有同样形状的叶轮，并测定了热力蠕变性能。
[实施例3]
实施例3中，使用了和实施例1同一种类的复合材料，取向比调整为1.35。取向比为图7B所示的模具成型为0.4mm厚度的成型品的表面弹性系数与图8所示的模具成型为1.2mm厚度的成型品的表面弹性系数的比值。成型成型品时的模具温度设置在50℃。使用和实施例1同一种类的复合树脂材料，制作了取向比为1.35且和实施例1具有同样形状的叶轮，并测定了热力蠕变性能。
[实施例4]
实施例4中，使用了和实施例1同一种类的复合材料，取向比调整为1.4。取向比为图7C所示的模具成型为0.3mm厚度的成型品的表面弹性系数与图8所示的模具成型为1.2mm厚度的成型品的表面弹性系数的比值。成型成型品时的模具温度设置在50℃。使用和实施例1同一种类的复合树脂材料，制作了取向比为1.4且和实施例1具有同样形状的叶轮，并测定了热力蠕变性能。
[比较例2]
比较例2中，使用了和实施例1同一种类的复合材料，取向比调整为1.0。因此，图8所示的1.2mm厚度的成型品，其弹性系数为5.3×109Pa。成型成型品时的模具温度设置在50℃。使用和实施例1同一种类的复合树脂材料，制作了取向比为1.0且和实施例1具有同样形状的叶轮，并测定了热力蠕变性能。
实施例2～4和比较例2的结果列于表1中。从表1所示可知：当叶片材料的取向比在1.15～1.4之间时，叶轮的热力蠕变性能得到了改善。观察厚度减少后的成型品的表面可见：叶片部件内部所含的玻璃纤维几乎朝向表面的面内、即沿表面的进深方向配置。因此，虽然本发明的厚度减少，但由于取向比增加，从而改善了叶轮的热力蠕变性能。
表1
实施例2 实施例3 实施例4 比较例2
取向比 1.15 1.35 1.4 1.0
模具温度 50℃ 50℃ 50℃ 50℃
平均厚度 0.8mm 0.4mm 0.3mm 1.2mm
偏心量(平均) 35μm 24μm 19μm 54μm
[符号说明]
1叶轮
2结构单元
3圆盘状部件
4叶片部件
5毂彀部侧圆盘状固定板
6转轴部
7毂彀部

Claims (5)

1.送风机的叶轮，该叶轮通过将多个叶片部件呈圆筒状固定在多枚圆盘状固定板上形成，其特征在于：
叶片部件的材质为合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料；
所含的玻璃纤维的重量百分比在10％以上且小于30％；
叶片部件的平均厚度范围在0.3mm以上且0.4mm以下；且
叶片部件中所含的玻璃纤维取向于叶片部件的表面面内。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：
叶片部件的表面弹性系数为2.5×109Pa～1.2×1010Pa。
3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于：
在叶轮的两端被静止支撑在环境温度60℃的槽内放置1000小时的热力蠕变实验中，叶轮的不平衡变化量换算成偏心量在40μm以下。
4.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：
叶片部件的取向比在1.15～1.4。
5.一种叶轮制造方法，其叶片部件使用合成树脂材料和玻璃纤维的复合材料，包括：
制备含有重量百分比在10％以上且小于30％的玻璃纤维的液态复合材料的工序；
将所述液态复合材料注入成型模具的工序；以及
将凝固成型叶轮用的模具温度控制在20℃～80℃、成型叶片部件的工序，其中所成型的叶片部件的平均厚度范围在0.3mm以上且0.4mm以下。
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