DE102014014287A1

DE102014014287A1 - Lüfterrad

Info

Publication number: DE102014014287A1
Application number: DE102014014287.6A
Authority: DE
Inventors: Frieder Lörcher; Andreas Gross; Georg Hofmann; Lothar Ernemann; Horst Heckel
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-03-24
Also published as: US10816009B2; RU2017113964A; WO2016045797A2; JP2017528651A; JP6660944B2; US20170335861A1; EP3198151B1; WO2016045797A3; BR112017005641A2; CN107002698A; EP3198151A2; SI3198151T1; CN107002698B; BR112017005641B1; RU2017113964A3; RU2718096C2; ES2921986T3

Abstract

Das Lüfterrad hat über den Umfang verteilt angeordnete Flügel, die in Umfangsrichtung über mindestens einen Ring miteinander verbunden sind. Das Lüfterrad besteht aus wenigstens drei einstückig ausgebildeten Segmenten, die jeweils mindestens einen Ringabschnitt mindestens eines Ringes sowie entweder wenigstens einen Flügel oder wenigstens einen Abschnitt von Flügeln aufweisen. Die Segmente sind zum Lüfterrad zusammengefügt. Der Ringabschnitt bzw. die Ringabschnitte liegen mit ihren quer zur Umfangsrichtung des Lüfterrades liegenden Rändern aneinander.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Unter Lüfterrädern können allgemein Radiallüfterräder, Diagonallüfterräder, Axiallüfterräder, aber auch Vorleit- oder Nachleiträder (Statoren) von Lüftern verstanden werden.
Lüfterräder werden aus unterschiedlichen Materialen hergestellt. Beispielsweise lassen sie sich aus faserverstärkten Kunststoffen in einem Stück fertigen. Bis zu einem gewissen Außendurchmesser hat sich eine solche Lüfterradfertigung bewährt. Für größere Baugrößen steigt allerdings die benötigte Investition in Spritzgusswerkzeuge sowie auch der Teilepreis aufgrund von hohen Maschinensätzen für große Spritzgussmaschinen so stark an, dass eine Umsetzung nicht mehr rentabel ist. Außerdem sind die Zylinder der Spritzgussmaschinen in der Regel nicht in der Lage, mehr als 15 Kilogramm geschmolzenen faserverstärkten Kunststoff auf ausreichend hohe Temperaturen aufzuheizen.
Aus diesem Grunde ist es auch bekannt, solche Lüfterräder aus mehreren Teilen zu fertigen. So ist es bekannt ( DE 41 39 293 A ), kasten- oder u-förmige Segmente stoff- und formschlüssig aneinander zu setzen und auf der Ober- und der Unterseite dieser zusammengefügten Elemente einen Nabenring sowie einen Deckring durch Kleben oder Schweißen aufzubringen. Die Herstellung solche Flügelräder ist aufgrund der großen Zahl von Einzelteilen aufwändig, zeitraubend und entsprechend kostspielig, weil zunächst die Segmente aneinandergesetzt und in weiteren Schritten der Decksowie der Nabenring angebracht werden müssen.
Es sind auch Lüfterräder bekannt, bei denen die Flügel lösbar mit einer Nabe verbunden sind, mit der das Lüfterrad auf einer Antriebswelle sitzt ( DE 10 2009 008 508 A1 ).
Es sind weiter Lüfterräder bekannt ( WO 20012/131617A1 ), bei denen die Flügel in Form von hohlen Segmenten ausgebildet sind. Sie werden aneinander gesetzt und anschließend mittels einer Scheibe und einer Kappe zusammen gehalten, die auf der Ober- und auf der Unterseite der zusammengesetzten Flügelsegmente befestigt werden. Solche Lüfterräder lassen sich nur aufwändig fertigen und montieren. So müssen zunächst die Flügelsegmente zusammengefügt und positioniert werden. Erst anschließend werden die Scheibe sowie die Kappe auf die beiden Seiten der zusammengesetzten Flügelsegmente aufgesetzt und an ihnen befestigt.
Es sind weiter Lüfterräder bekannt ( US 2003/0235502A ), die aus blockförmigen Segmenten zusammengesetzt sind. Die blockförmigen Innen- und Außenteile, die zylindrische Außen- und Innenringe bilden, liegen mit ihren axial verlaufenden Flächen aneinander. Solche Lüfterräder haben ein hohes Gewicht und sind nur für besondere Anwendungsfälle geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Lüfterrad so auszubilden, dass es kostengünstig und einfach hergestellt werden kann. Dabei soll das Lüfterrad nur geringes Gewicht haben und hohen Belastungen, insbesondere hohen Drehzahlen, standhalten können Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Lüfterrad erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Lüfterrad werden einstückig ausgebildete Segmente verwendet, die Ringabschnitte sowie Lüfterflügel oder Lüfterflügelabschnitte aufweisen. Die Ringabschnitte verlaufen im Wesentlichen quer zu den Lüfterflügeln oder Lüfterflügelabschnitten und erstrecken sich mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung des Lüfterrads. Die quer zur Umfangsrichtung des Lüfterrades liegenden Ränder der Ringabschnitte bilden beim zusammengefügten Lüfterrad Fügebereiche. Die aneinander liegenden Segmente werden an den Fügebereichen derart miteinander verbunden, dass trotz der geringen Wandstärke der Ringabschnitte eine ausreichend feste Verbindung zwischen den Segmenten möglich ist. Im zusammengefügten Zustand bilden die Ringabschnitte der Segmente insgesamt einen oder mehrere Ringe. Ringe können insbesondere Nabenringe oder Deckringe sein, welche die Flügel an deren seitlichen Enden miteinander in Umfangsrichtung verbinden, oder Zwischenringe, welche mit den Flügeln in deren Zwischenbereichen zwischen deren seitlichen Enden verbunden sind. Der Nabenring dient vorteilhafterweise dazu, das Lüfterrad mit einem Antriebsmotor zu verbinden. Bei Statoren dient vorteilhafterweise der Deckring dazu, den Stator an einer anderen Vorrichtung zu befestigen.
Die Segmente sind zumindest annähernd gleich ausgebildet. Bevorzugt haben alle Segmente die gleiche Form, so dass zu ihrer Herstellung nur ein einziges Spritzgusswerkzeug erforderlich ist, was die Herstellungskosten gering hält.
Die Deck-, Naben- und Zwischenringabschnitte benachbarter Segmente sind bevorzugt so ausgebildet, dass ihre quer zur Umfangsrichtung liegenden Ränder im Wesentlichen deckungsgleich aneinander liegen und jeweils paarweise Fügebereiche bilden, mit denen benachbarte Segmente flächig aneinander liegen. Dadurch ist eine einfache und dennoch sichere Verbindung der aneinander liegenden Segmente gewährleistet.
Diese Fügebereiche können in einer von der Lüfterradachse und einer Radialen aufgespannten Ebene liegen. Je nach Einsatzfall und Anforderungsprofil können die Fügebereiche benachbarter Segmente auch so ausgebildet sein, dass sie mit der jeweiligen von der Lüfterradachse und der Radialen aufgespannten Ebene einen Winkel einschließen. Dabei kann der Winkel zwischen 0° und etwa 80° liegen.
Benachbarte Segmente können mittels Kleben und/oder Schweißen an den Fügebereichen miteinander verbunden sein.
Eine sichere Verbindung der Segmente ergibt sich, wenn die Fügebereiche im Querschnitt eine Fügefläche vergrößernde Gestaltung aufweisen, wie es beispielsweise bei einer Feder-Nut-Verbindung der Fall ist. Eine Fügeflächen vergrößernde Gestaltung unterscheidet sich von einer herkömmlichen Gestaltung dadurch, dass der Querschnitt durch die Fügebereiche nicht in etwa die Gestalt einer die beiden Wände des Rings auf kurzem Wege verbindenden, zu den Wänden in etwa senkrechten, geraden Verbindungsstrecke hat. Werden die Segmente mittels Klebemittel miteinander verbunden, dann wird durch die Fügefläche vergrößernde Gestaltung die Klebefläche vergrößert, was zur Erhöhung der Festigkeit des Lüfterrades führt. Dies gilt genauso, wenn benachbarte Segmente an den Fügebereichen flächig miteinander verschweißt werden. Durch eine Fügeflächen vergrößernde Gestaltung kann außerdem eine zusätzliche Formschlussverbindung bezüglich Verschiebungen der Segmente zueinander quer zur Umfangsrichtung gebildet werden. Außerdem kann eine solche Gestaltung das Zusammenfügen der Segmente im Fertigungsprozess erleichtern, da eine zusätzliche Führung benachbarter Segmente zueinander geschaffen wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist mindestens ein Ringabschnitt des Segmentes mit wenigstens einem gegen den anschließenden Ringabschnitt des benachbarten Segments in Umfangsrichtung vorstehenden Formschlussteil sowie mit wenigstens einer komplementären Durchbrechung versehen. In diesem Falle können benachbarte Segmente nicht in Umfangsrichtung des Lüfterrades aneinander gesetzt werden. Vielmehr müssen benachbarte Segmente axial beziehungsweise radial oder einer Mischform aus axial und radial zusammengefügt werden, damit das vorstehende Formschlussteil in die komplementäre Durchbrechung des jeweils anschließenden Ringabschnitts des benachbarten Segments gelangt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung des Lüfterrades besteht darin, dass die zuström- und abströmseitigen Enden der Flügel Abstand von den Fügebereichen des Lüfterrads haben. In diesem Falle dienen als Verbindungsflächen ausschließlich die quer zur Umfangsrichtung des Lüfterrades verlaufenden Ränder der Ringabschnitte.
Es ist aber auch möglich, dass zusätzliche Fügebereiche zwischen benachbarten Segmenten durch die Flügel verlaufen. In diesem Falle werden die vollständigen Flügel erst durch das Zusammenfügen der Segmente gebildet. In diesem Falle bilden auch die Stoßfugen der Flügelabschnitte Fügebereiche, die zusätzlich zu den Rändern der Ringabschnitte vorgesehen sind. Auf diese Weise kann die feste Verbindung zwischen den Segmenten verbessert werden.
Die Segmente sind vorteilhaft Spritzgussteile, die einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
Als Material für die Segmente werden vorteilhaft Thermoplaste eingesetzt.
Zur Erhöhung der Festigkeit der Segmente und damit des Lüfterrades enthalten die Thermoplaste vorteilhaft Verstärkungsteile, vorzugsweise Verstärkungsfasern.
Die Verstärkungsfasern haben vorteilhaft Längen von etwa 10 μ bis über 15 mm, vorzugsweise Längen von etwa 200 μ bis etwa 10 mm. Solche Verstärkungsfasern lassen sich einfach in den Kunststoff einarbeiten und gewährleisten eine hohe Festigkeit.
Als Klebemittel zur Verbindung der Segmente untereinander kommen beispielsweise 1- oder 2 K Klebstoffe oder Lösungsmittelsysteme in Betracht.
Eine weitere vorteilhafte Verbindungmöglichkeit besteht darin, die Segmente mittels Laserschweißen, Induktionsschweißen oder Heißgasschweißen miteinander zu verbinden.
Insbesondere bei großen Durchmessern des Lüfterrades besteht eine vorteilhafte Ausbildung darin, das Lüfterrad an wenigstens einem Ring mit wenigstens einem Verstärkungsband zu umwickeln. Es hält die Segmente zusätzlich fest zusammen, so dass das Lüfterrad auch bei höherer Drehzahl oder sonstigen hohen Belastungen eingesetzt werden kann.
Das Verstärkungsband kann aus Thermoplast oder Duroplast bestehen und vorteilhaft Verstärkungsteile, vorzugsweise Verstärkungsfasern, enthalten.
Als Verstärkungsfasern kommen vorteilhaft Glas, Kohlenstoff, Aramid, Thermoplast oder Naturfasern in Betracht.
Das Verstärkungsband lässt sich einfach am Umfang eines oder mehrerer Ringe des Lüfterrades befestigen, insbesondere durch Schweißen oder Kleben.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, das Verstärkungsband am Umfang eines oder mehrerer Ringe des Lüfterrades durch Bewickeln mit einem aushärtenden Duroplast zu befestigen.
Eine besonders optimale Ausbildung ergibt sich, wenn das Verstärkungsband unter Vorspannung auf das Lüfterrad gewickelt wird. Das so erhaltene Lüfterrad zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit aus. Ein solches Lüfterrad kann bei hohen Grenzdrehzahlen eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung liegt die Vorspannung des Verstärkungsbandes im Bereich zwischen etwa 10 N und etwa 10 kN, vorzugsweise zwischen etwa 10 bis 100 N pro mm² Bandquerschnittsfläche.
Eine zuverlässige Befestigung des Verstärkungsbandes auf dem Lüfterrad ist gewährleistet, wenn das Lüfterrad zur Aufnahme des Verstärkungsbandes an den mit Verstärkungsband zu versehenden Ringen mit einer umlaufenden Nut versehen ist. In ihr lässt sich das Verstärkungsband so unterbringen, dass es nicht vom Lüfterrad abrutschen kann.
Die Verwendung eines Verstärkungsbandes kann auch vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn das Lüfterrad einstückig, d. h. nicht aus Segmenten gefertigt, ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Lüfterrad kann ein Radial-, ein Axial- oder ein Diagonallüfterrad sowie ein Vorleitrad oder Nachleitrad (Stator) sein.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
1 in axialer Draufsicht ein erfindungsgemäßes Lüfterrad, das aus mehreren Segmenten gebildet ist.
2 in vergrößerter Darstellung ein Segment zur Herstellung des Lüfterrades gemäß 1.
3 eine axiale Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades, das aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist.
4 eine Unteransicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades, das aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist.
5 in vergrößerter Darstellung ein Segment zur Herstellung des Lüfterrades gemäß 4.
6 und 7 jeweils weitere Ausführungsformen von Segmenten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lüfterrades.
8 bis 11 jeweils in vergrößerter Darstellung unterschiedliche Ausführungen von Querschnitten durch Fügebereiche erfindungsgemäßer Lüfterräder, die in einer die Fügeflächen vergrößernden Art und Weise gestaltet sind.
12 in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Segmentes zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lüfterrades.
13 im Axialschnitt eine Hälfte einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades.
14 in vergrößerter Darstellung eine erfindungsgemäße Ausbildung von Querschnitten durch Fügebereiche zwischen benachbarten Segmenten.
15 in schematischer Darstellung das Zusammenfügen der Segmente zu einem erfindungsgemäßen Lüfterrad.
16 in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades, das aus 7 Segmenten gemäß 17 zusammengefügt ist und ein Axiallüfterrad mit umlaufendem Deckring sowie einem Zwischenring ist.
17 in perspektivischer Darstellung ein Segment eines Lüfterrades gemäß 16.
18 in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades, das aus 7 Segmenten gemäß 19 zusammengefügt ist und ein Axiallüfterrad ohne umlaufendem Deckring ist.
19 in perspektivischer Darstellung ein Segment eines Lüfterrades gemäß 18.
20 in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades, das aus 11 Segmenten gemäß 21 zusammengefügt ist und ein Nachleitrad ist.
21 in perspektivischer Darstellung ein Segment eines Lüfterrades gemäß 20.
22 in seitlicher Draufsicht auf einen Ausschnitt am Rand eines Segmentes einer Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades Details zur Gestaltung des Segmentrandes,
23 in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades, das aus 7 Segmenten gemäß 24 zusammengefügt ist und ein Axiallüfterrad mit umlaufendem Deckring sowie einem Zwischenring ist, und bei dem sich Flügel zwischen Nabenring und Zwischenring und Flügel zwischen Deckring und Zwischenring in Form und Anzahl unterscheiden.
24 in perspektivischer Darstellung ein Segment des Lüfterrades gemäß 23.
25 in vergrößerter Darstellung eine Ausführung eines Querschnitts durch einen Fügebereich erfindungsgemäßer Lüfterräder, welcher keine Fügeflächen vergrößernde Gestaltung aufweist.
26 in vergrößerter Darstellung und im Querschnitt eine weitere Ausführungsform des Fügebereiches des Lüfterrades, der in einer die Fügeflächen vergrößernden Art und Weise gestaltet ist.
Im Folgenden werden Lüfterräder beschrieben, die aus Kunststoff bestehen und insbesondere große Baugrößen haben und für hohe Drehzahlen geeignet sind. Unter Lüfterrädern werden hier sowohl stehende als auch rotierende Elemente von Lüftern mit Leitfunktion für ein Strömungsmedium verstanden, die im Wesentlichen aus 2–40 Flügeln bestehen, welche durch einen, zwei oder mehrere Ringe in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind. Lüfterräder können beispielsweise Radiallüfterräder, Diagonallüfterräder, Axiallüfterräder, ebenso wie Vor- oder Nachleiträder (Statoren) sein. Die Lüfterräder werden aus untereinander gleichen oder zumindest ähnlichen Segmenten zusammengefügt. Dadurch sind teure Spritzgusswerkzeuge nicht erforderlich. Die Herstellung der Lüfterräder ist kostengünstig. Trotz der Zusammensetzung der Lüfterräder aus einzelnen Segmenten haben sie eine Formstabilität auch bei hohen Drehzahlen. Die Segmente können, wie anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele noch dargelegt werden wird, so fest miteinander verbunden werden, dass das zusammengesetzte Lüfterrad hohen Belastungen, beispielsweise Drehzahlbelastungen, standhält.
Die Zahl der Segmente, aus denen ein erfindungsgemäßes Lüfterrad besteht, entspricht vorzugsweise der Zahl der Lüfterradflügel. Insbesondere bei Lüfterrädern mit einer hohen Anzahl an Flügeln können in einem Segment auch 2 oder mehrere Flügel enthalten sein, wodurch die Zahl der Segmente reduziert wird. Für alle Segmente des Lüfterrades ist nur ein Spritzgusswerkzeug erforderlich, insbesondere wenn die Segmente untereinander gleich ausgebildet sind. Sind die Segmente untereinander ähnlich, dann reicht in der Regel auch nur ein einziges Spritzgusswerkzeug aus. Die unterschiedlichen Ausgestaltungsmerkmale der ähnlichen Segmente untereinander können dann entweder durch austauschbare Formeinsätze im Spritzgusswerkzeug oder aber durch nachträgliche Bearbeitung einiger spritzgegossener Segmente oder des zusammengefügten Lüfterrades erreicht werden. Die Gestaltung der Segmente und insbesondere der Flügel kann sehr flexibel erfolgen, da ein Spritzgusswerkzeug für ein Segment im Vergleich zu einem Spritzgusswerkzeug für ein Komplettrad mit wesentlich weniger Einschränkungen gestaltet werden kann. So muss beispielsweise für ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines Lüfterrades im Komplettguss oft ein komplizierter Schiebermechanismus eingesetzt werden, um die Schaufelkanäle entformen zu können, was bei einem Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines Segmentes in vorteilhaften Ausführungsformen nicht notwendig ist. Dadurch können auch hohle Flügel zur Gewichtsersparnis einfach gestaltet werden.
Die einzelnen Segmente werden mittels geeigneter Fügeverfahren zur Bildung des jeweiligen Lüfterrades miteinander verbunden. Als Fügeverfahren kommen unter anderem Klebeverfahren, Laserschweißverfahren, Reibschweißverfahren, Induktionsschweißverfahren, Heißgasschweißverfahren oder Ultraschallschweißverfahren bevorzugt in Betracht. Die Fügebereiche zwischen den aneinander liegenden Segmenten können relativ frei mit Rücksicht auf die beim Einsatz des Lüfterrades zu erwartenden Betriebsspannungen gewählt werden. Die Verbindung zwischen den Segmenten kann allein durch die beschriebenen Fügeverfahren hergestellt werden. Vorteilhaft ist es aber, wenn zusätzlich eine Formschlussverbindung zwischen den benachbarten Segmenten besteht, die sowohl für zusätzliche Festigkeit als auch für Führung beim Fertigungsprozess dienen kann.
Das Lüfterrad gemäß 1 ist ein Radiallüfterrad und ist aus den Segmenten I bis VII zusammengesetzt. 2 zeigt eines dieser Segmente. Da in 2 das Segment lediglich in Draufsicht dargestellt ist, wird in Bezug auf die räumliche Gestaltung des Segmentes auf 12 verwiesen, die zwar eine andere Ausbildung des Segmentes zeigt, aus der jedoch die grundsätzliche dreidimensionale Gestaltung des Segmentes hervorgeht. Bei der Ausführungsform nach 1 sind alle Segmente I bis VII gleich ausgebildet, so dass sie in demselben Spritzgusswerkzeug hergestellt werden können.
Das Segment hat einen Deckringabschnitt 1, der einen gekrümmten äußeren Rand 2 sowie einen parallel hierzu verlaufenden inneren gekrümmten Rand 3 aufweist. Beide Enden der Ränder 2, 3 sind durch Ränder 4, 5 miteinander verbunden. In axialer Draufsicht gesehen schließt der Rand 4 etwa rechtwinklig an den äußeren Rand 2 an. Der gegenüberliegende Rand 5 schließt, in axialer Draufsicht gesehen, spitzwinklig an den äußeren Rand 2 an. Der Rand 5 schließt außerdem stumpfwinklig und der Rand 4 spitzwinklig an den inneren Rand 3 des Deckringabschnittes 1 an. Der Deckringabschnitt ist, wie 12 zeigt, über seine radiale Breite derart gekrümmt, dass der radial innere Rand 3 einen größeren axialen Abstand als der radial äußere Rand 2 von einem Nabenringabschnitt 6 hat. Der Nabenringabschnitt 6 hat ebenfalls einen radial äußeren Rand 7 und einen radial inneren Rand 8. Beide Ränder 7, 8 sind jeweils gekrümmt ausgebildet und an ihren Enden durch Ränder 9, 10 miteinander verbunden. Der Nabenringabschnitt 6 steht radial nach innen über den Deckringabschnitt 1 über. In axialer Draufsicht gesehen liegt der äußere Rand 7 des Nabenringabschnittes 6 deckungsgleich zum äußeren Rand 2 des Deckringabschnittes 1. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Lüfterrädern, insbesondere Diagonal- oder Axiallüferrädern, kann der äußere Rand 7 des Nabenringabschnitts 6 in axialer Draufsicht gesehen auch versetzt und/oder winklig zum äußeren Rand 2 des Deckringabschnitts 1 liegen. Die Ränder 9, 10 liegen, in axialer Draufsicht auf das Segment gesehen, über einen Teil ihrer Länge deckungsgleich zu den Rändern 4, 5 des Deckringabschnittes 1. Diese Eigenschaft ermöglicht einen besonders einfachen Fügeprozess. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist eine derartige deckungsgleiche Ausgestaltung der Ränder 9, 10 nicht möglich, beispielsweise wenn der Flügel stark gesichelt oder verwunden ist.
Zwischen dem Deckringabschnitt 1 und dem Nabenringabschnitt 6 erstreckt sich ein Flügel 11, der im Ausführungsbeispiel über seine Länge gekrümmt verläuft und im Querschnitt das Profil eines Tragflügels aufweist. Der Flügel 11 ist mit seinem deckringseitigen Ende 91 mit dem Deckringabschnitt 1 verbunden und mit seinem nabenringseitigen Ende 96 mit dem Nabenring 6 verbunden. Das abströmseitige Ende 12 des Flügels 11 läuft etwa spitzwinklig aus, während das zuströmseitige Ende 13, in Draufsicht gesehen, bogenförmig gerundet ist (2).
Der Flügel 11 erstreckt sich mit seinem abströmseitigen Ende 12 bis nahe an den Rand 5 des Deckringabschnittes 1. Mit seinem zuströmseitigen Ende 13 steht der Flügel 11, in axialer Draufsicht gesehen, über den Deckringabschnitt 1 vor und endet mit geringem Abstand vom Rand 9 des über den Deckringabschnitt 1 vorstehenden Bereiches des Nabenringabschnittes 6.
Der Flügel 11 kann abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine andere Querschnittsausbildung und/oder eine andere Erstreckung haben. Der Flügel 11 kann nicht nur über seine Länge gekrümmt ausgebildet sein, sondern zusätzlich auch noch über seine Länge gewunden gestaltet sein.
Der Nabenringabschnitt 6 weist nahe seinem inneren Rand 8 wenigstens eine Durchtrittsöffnung 14 auf. Sie liegt vorteilhaft etwa in halber Breite des überstehenden Nabenringabschnittes 6 und dient zum Durchtritt von Befestigungsschrauben, mit denen das Lüfterrad in der Einbaulage an einer Nabe eines Antriebsmotors befestigt werden kann.
Der Nabenringabschnitt 6 kann eben ausgebildet sein. Ebenso ist es aber möglich, wie beispielsweise aus 12 hervorgeht, dass der Nabenringabschnitt 6 am äußeren Ende abgewinkelt oder abgebogen verläuft. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltungsformen, insbesondere Diagonalrädern, kann der Nabenringabschnitt 6 auch über seine gesamte oder einen Teil seiner Erstreckung konisch oder gekrümmt verlaufen.
Im zu einem Laufrad zusammengefügten Zustand (1) liegen von jeweils benachbarten Segmenten die Ränder 4 und 5 der jeweiligen Deckringabschnitte sowie die Ränder 9 und 10 der jeweiligen Nabenringabschnitte zusammen. Bezüglich des gesamten Laufrads bilden Paare zusammenliegender Ränder 4 und 5 Fügebereiche 15 (an der Deckseite) sowie Paare zusammenliegender Ränder 9 und 10 Fügebereiche 16 (an der Nabenseite). Um ein lückenloses Zusammenliegen der Ränder 4 und 5 sowie 9 und 10 zu Fügebereichen 15 beziehungsweise 16 zu gewährleisten, müssen die Krümmungsverläufe der Ränder 4 und 5 sowie der Ränder 9 und 10 der jeweils benachbarten Segmente im Wesentlichen identisch sein. Die Fügebereiche 15 und 16 erstrecken sich quer zur Umfangsrichtung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel eines Radiallüfterrads erstrecken sich die Fügebereiche 15 und 16 außerdem quer zur Achse des Lüfterrads. Da der Flügel 11 mit Abstand von diesen Fügebereichen 15, 16 endet, entstehen am Flügel 11 infolge der Fertigung aus Segmenten keine zusätzlichen Grate, Kanten und dergleichen. Die Deckringabschnitte 1 der Segmente I bis VII bilden beim zusammengefügten Lüfterrad den gesamten Deckring 1*, entsprechend bilden die Nabenringabschnitte 6 der Segmente I bis VII zusammen den Nabenring 6*.
Das Lüfterrad, welches in 16 perspektivisch dargestellt ist, ist ein Axiallüfterrad mit Deckring 1*, Nabenring 6* sowie einem Zwischenring 71* und ist ebenfalls aus den Segmenten I bis VII zusammengesetzt. Die Bauweise aus Segmenten ist in den wesentlichen, die Erfindung hauptsächlich kennzeichnenden Punkten gleich wie die des Radiallüfterrades gemäß 1.
17 zeigt eines der Segmente des in 16 dargestellten Axiallüfterrades, bei dem alle Segmente I bis VII gleich ausgebildet sind, so dass sie in demselben Spritzgusswerkzeug hergestellt werden können.
Das in 17 dargestellte Segment I hat einen Deckringabschnitt 1, der einen gekrümmten, stromab bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Axialventilators liegenden Rand 2 sowie einen parallel hierzu verlaufenden, axial stromauf versetzten Rand 3 aufweist. Beide Enden der Ränder 2, 3 sind durch Ränder 4, 5 miteinander verbunden. Der Nabenringabschnitt 6 hat ebenfalls einen stromab liegenden Rand 7 und einen stromaufwärts liegenden Rand 8. Beide Ränder 7, 8 sind jeweils gekrümmt ausgebildet und an ihren Enden durch Ränder 9, 10 miteinander verbunden. Der Nabenringabschnitt 6 liegt radial vollständig innerhalb des Deckringabschnitts 1. Die axiale Erstreckung von Nabenring 6* und Deckring 1* ist in der gezeigten Ausführungsform identisch, kann aber, je nach Flügelgeometrie, bei anderen Ausführungsformen von Axiallüfterrädern, auch unterschiedlich sein.
In Radialrichtung gesehen zwischen Deckring 1* und Nabenring 6* ist im Ausführungsbeispiel nach 16 noch ein Zwischenring 71* vorhanden. Ein solcher Zwischenring verhilft zu noch höherer Festigkeit des zusammengefügten Lüfterrades. Bei einer vorteilhaften Gestaltung können mit einem Zwischenring auch Vorteile bei der Luftleistung, dem Wirkungsgrad und der Akustik des Lüfters erzielt werden. Ein oder mehrere Zwischenringe 71* können bei allen Arten von Lüfterrädern, wie Radiallüftern, Diagonallüftern oder Vorleit- oder Nachleiträdern vorhanden sein. Durch die Fertigungsweise aus Segmenten ist die Realisierung von Zwischenringen mit weniger Aufwand hinsichtlich Werkzeugkonstruktion möglich als bei einer Fertigung im Komplettguss.
Das in 17 dargestellte Segment I hat dementsprechend einen Zwischenringabschnitt 71, der einen gekrümmten, stromab bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Axialventilators liegenden Rand 72 sowie einen parallel hierzu verlaufenden, axial stromauf versetzten Rand 73 aufweist. Beide Enden der Ränder 72, 73 sind durch Ränder 74, 75 miteinander verbunden.
Die Ränder 74, 75 der Zwischenringabschnitte 71 der jeweiligen Segmente bilden beim zusammengefügten Lüfterrad Fügebereiche 85 (16), die sich quer zur Umfangsrichtung des Lüfterrades erstrecken und mit denen benachbarte Segmente I bis VII aneinander liegen. Da der Flügel 11 mit Abstand von diesen Fügebereichen 85 endet, entstehen am Flügel 11 infolge des Zwischenrings 71* keine zusätzlichen Grate, Kanten und dergleichen. Die Zwischenringabschnitte 71 der Segmente I bis VII bilden beim zusammengefügten Lüfterrad den gesamten Zwischenring 71*.
Zwischen dem Deckringabschnitt 1 und dem Nabenringabschnitt 6 erstreckt sich ein Flügel 11, der im Ausführungsbeispiel der 16 mit Segmenten gemäß 17 über seine Länge gekrümmt und verwunden verläuft und im Querschnitt das Profil eines Tragflügels aufweist. Das abströmseitig gelegene Ende 12 des Flügels 11 läuft wie bei der vorigen Ausführungsform etwa spitzwinklig aus, während das zuströmseitig gelegene Ende 13, im Querschnitt durch den Flügel 11 gesehen, bogenförmig gerundet ist (2).
Der Flügel 11 der Ausführungsform mit Segmenten gemäß 17 erstreckt sich mit seinem stromab gelegenen Ende 12 bis nahe an den Rand 2 des Deckringabschnittes 1. Mit seinem stromauf gelegenen Ende 13 erstreckt sich der Flügel 11 bis nahe an den Rand 3 des Deckringabschnitts 1.
Der Flügel 11 kann abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine andere Querschnittsausbildung und/oder eine andere Erstreckung haben.
Der Nabenringabschnitt 6 weist am Laufradsegment I gemäß 17 keine Vorrichtung auf, die der Befestigung des Laufrads an einem Motor dient. Das aus solchen Segmenten gebildete Lüfterrad nach 16 kann durch Aufpressen, Aufspannen, Aufkleben, Aufschweißen oder dergleichen an einem Motor befestigt werden. Selbstverständlich können bei anderen Ausführungsformen von Axiallüfterradsegmenten Löcher oder dergleichen vorgesehen sein, die dem späteren Befestigen des Lüfterrads an einem Motor dienen.
Der Nabenringabschnitt 6, der Deckringabschnitt 1 sowie der Zwischenringabschnitt 71 können, insbesondere bei einem Axiallüfterrad, zylindrisch ausgebildet sein. Ebenso ist es aber möglich, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 20 anhand des Deckrings 1* dargestellt, dass der Nabenringabschnitt 6 und/oder der Deckringabschnitt 1 und/oder der Zwischenringabschnitt 71 einer komplizierteren, dreidimensionalen Kontur folgend verläuft, welche insbesondere an die Strömungsverhältnisse besser angepasst sein kann.
In 23 ist ein erfindungsgemäßes Axiallüfterrad dargestellt, welches aus Segmenten gemäß 24 hergestellt ist. In dieser Ausführungsform mit Nabenring 6*, Deckring 1* und Zwischenring 71* erstrecken sich zwischen Deckring 1* und Zwischenring 71* Flügel 111, die sich in Form und/oder Lage und/oder Anzahl von Flügeln 112 unterscheiden, die sich zwischen Zwischenring 71* und Nabenring 6* erstrecken. Dadurch kann bei Ausführungsformen mit einem Zwischenring die Flügelzahl und die Flügelgeometrie besser an die jeweiligen Strömungsverhältnisse angepasst werden. Bei Ausführungsformen mit mehreren Zwischenringen 71* kann dementsprechend noch mehr Variabilität in die Gestaltung der Flügel gebracht werden.
Das in 24 dargestellte Segment des Axiallüfterrades gemäß 23 hat den Deckringabschnitt 1, den Zwischenringabschnitt 71 und den Nabenringabschnitt 6, aus denen der Deckring 1*, der Zwischenring 71* und der Nabenring 6* hergestellt werden. Dieses Segment hat zwei Flügel 111, welche den Deckringabschnitt 1 mit dem Zwischenringabschnitt 71 verbinden, und einen Flügel 112, welcher den Zwischenringabschnitt 71 mit dem Nabenringabschnitt 6 verbindet.
Die Ausführungsform eines Axiallüfterrads, welches in 18 perspektivisch dargestellt ist, ist ein Axiallüfterrad ohne Deckring und ohne Zwischenring und ist ebenfalls aus den untereinander identischen Segmenten I bis VII zusammengesetzt, von denen in 19 das Segment I dargestellt ist. Die Bauweise aus Segmenten ist ähnlich der Bauweise der bereits beschriebenen Ausführungsform gemäß 16. Allerdings besitzt dieses Axiallüfterrad keinen Deckring, wie es bei Axialventilatoren oft üblich ist, um Gewicht einzusparen und den Strömungswiderstand zu reduzieren. Deswegen bleiben als Fügebereiche nur die Fügebereiche 16 am Nabenring 6*, die bei dieser Ausführungsform eine höhere Belastung aufnehmen müssen. Das Segment I hat den Nabenringabschnitt 6 und den Flügel 11.
Die Ausführungsform gemäß 20 mit den Segmenten gemäß 21 ist ein im Betrieb stehendes Lüfterrad (Stator). Statoren können Vor- oder Nachleiträder in einem Lüfter sein. Bezüglich der Bauweise aus Segmenten ergeben sich allerdings keine wesentlichen Unterschiede. In vielen Anwendungsfällen sind Statoren auch hochbelastete Teile, an denen der Ventilator mit seinem Motor befestigt ist und die insbesondere durch die Schwingungen und Vibrationen des Ventilators im Betrieb belastet werden. Der Stator gemäß 20 wird aus 11 identischen Segmenten I bis XI gemäß 21 in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaut. Die Ränder 4, 5, 9, 10 des Deck- und Nabenringabschnitts 1, 6, die sich hauptsächlich in axialer Richtung erstrecken, haben einen komplizierteren Verlauf, der innere Kanten und Ecken aufweist. Der Nabenring 6* ist noch abströmseitig mit einem ebenen Flansch 61* versehen, der durch Flanschabschnitte 61 der Segmente I bis XI gebildet wird und an dem später der Lüftermotor befestigt werden kann. Bohrungen sind in den Segmenten noch nicht vorgesehen, da im Ausführungsbeispiel ein Stator aus 11 Segmenten aufgebaut ist, was eine zu große Zahl an Löchern bedeuten würde. Die Löcher können bei diesem Ausführungsbeispiel nach dem Zusammenfügen in den Flansch 61* gebohrt werden.
Insbesondere bei einer großen Zahl an Flügeln 11 ist es auch denkbar, in einem Segment mehr als einen Flügel zu haben, beispielsweise 2–4, was zu einer geringeren Zahl an Segmenten führt. Allerdings wird dann das Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines Segments komplizierter. Außerdem muss die Zahl der Flügel 11, sofern man ausschließlich identische Segmente haben will, durch die Zahl der Flügel pro Segment teilbar sein.
Es ist unter Umständen, je nach zu erwartenden Belastungen im Betrieb, vorteilhaft, bei erfindungsgemäßen Lüfterrädern zusätzlich zu Deck- und Nabenring 1*, 6* noch weitere Zwischenringe 71* in Umfangsrichtung zu haben. Einer oder mehrere solcher zusätzlicher Ringe können sich im Bereich zwischen Deckring 1* und Nabenring 6* befinden. Ihre Gestaltung mit Rändern bei den Segmenten und Fügebereichen beim zusammengesetzten Rad ist äquivalent zu der Gestaltung von Deck- und Nabenring 1*, 6* gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen. Zwischenringe 71* können zusätzliche Stabilität bringen, aber auch die Strömung positiv beeinflussen (Wirkungsgrad, Akustik). Solche zusätzlichen Zwischenringe 71* können durch das Fertigungsprinzip aus Segmenten mit vergleichsweise geringem Aufwand realisiert werden.
Zur Herstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrades werden die Segmente I bis VII zunächst sternförmig angeordnet (15) und dann etwa radial nach innen zusammengeschoben, bis die Segmente I bis VII mit ihren Rändern 4 und 5, 9 und 10, 74 und 75 aneinander liegen. An den entstehenden Fügebereichen 15, 16, 85 werden die Segmente I bis VII in der beschriebenen Weise fest miteinander verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt. Dabei wird vorteilhafterweise während des Klebe- oder Schweißvorganges auf die Segmente I bis VII bzw. auf die Fügebereiche 15, 16, 85 ein hoher Druck ausgeübt, so dass die aneinander liegenden Segmente I bis VII fest miteinander verbunden werden. In ähnlicher Weise werden auch die Lüfterräder, die mehr als sieben Segmente aufweisen, hergestellt. Die Segmente lassen sich in einfachen Spritzgusswerkzeugen herstellen, so dass die Herstellkosten gering gehalten werden können. Als Material für die Segmente I bis VII kommen die bekannten, zum Spritzgießen von Lüfterrädern üblichen Materialien in Betracht. Beispiele sind kurz- oder langfaserverstärkte Thermoplaste, wie Polyamid (PA6, PA66, PA66/6, PAPA, PPA, PA 4.6, PA 12) oder Polyester (PBT, PET), Polypropylen (PP), PPS, PES, PESU, PEEK, ABS, PC, ASA. Bevorzugt werden als Werkstoffe für die Segmente Polyamid, Polypropylen oder Polyester verwendet.
Als Verstärkungsfasern für diese Werkstoffe kommen beispielsweise Glas, Kohlenstoff, Aramid, Thermoplast (PET, PA) oder Naturfasern in Betracht, wie beispielsweise Flachs, Hanf, Sisal, Jute oder Kokos.
Ausgezeichnete Festigkeiten für die Segmente und damit für das Lüfterrad ergeben sich, wenn die Verstärkungsfasern im spritzgusshergestellten Segment I bis VII Längen von etwa 50 μm bis über 15 mm aufweisen. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen etwa 200 μm und 10 mm.
Werden die Segmente I bis VII an den Fügebereichen 15, 16, 85 miteinander verklebt, können hierzu 1- oder 2-K-Klebstoffe eingesetzt werden, wie Polyurethan, Acryl, Methacrylate oder Silikone. Zur Verklebung können auch Lösungsmittelsysteme verwendet werden.
Werden die Segmente I bis VII an den Fügebereichen 15, 16, 85 miteinander laserverschweißt, dann können hierzu vorteilhaft Diodenlaser, CO2-Laser oder NdYAG-Laser eingesetzt werden.
Die Verbindung der Segmente I bis VII an den Fügebereichen 15, 16, 85 kann auch durch Reibschweißen, Vibrationsschweißen oder Ultraschallschweißen hergestellt werden.
Die Verbindung der Segmente I bis VII an den Fügebereichen 15, 16, 85 kann auch mittels Induktionsschweißen oder Heißgasschweißen durchgeführt werden. Als Heißgas kommt beispielsweise Luft oder CO2 in Betracht.
In beiden Fällen wird der Kunststoff im Bereich der Fügebereiche 15, 16, 85 aufgeweicht. Unter dem Druck, unter dem die Segmente I bis VII an den Fügebereichen 15, 16, 85 gegeneinander gedrückt werden, erfolgt dadurch eine stoffschlüssige Verbindung benachbarter Segmente, die nach dem Erkalten der Fügebereiche zu einer sicheren Verbindung der Segmente führt.
Da der Flügel 11 und die Ringabschnitte 1, 6, 71 einstückig miteinander ausgebildet sind und das Segment bilden, ist eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung des Lüfterrades möglich.
Das Lüfterrad gemäß 3 ist ähnlich ausgebildet wie das Lüfterrad gemäß 1 und besteht aus den Segmenten I bis VII. Die Flügel 11 des Lüfterrades sind wiederum so angeordnet, dass die Fügebereiche 15, 16 mit Entfernung von den Flügeln 11 verlaufen. Dadurch wird die Bildung von Graten, Kanten oder dergleichen an den Flügeln 11 verhindert, so dass aufwändige Nacharbeiten entfallen können. Während bei der Ausführungsform nach den 1 und 2 die Segmente I bis VII bezüglich Belastungen, die in Umfangsrichtung wirken, ausschließlich durch einen Stoffschluss oder durch eine Klebeverbindung miteinander verbunden sind, sind die Segmente I bis VII beim Ausführungsbeispiel nach 3 zusätzlich auch formschlüssig bezüglich solcher Belastungen miteinander verbunden. Dieser Formschluss ist im Bereich der Ränder 4, 5 der Deckringabschnitte 1 bzw. der Ränder 9, 10 der Nabenringabschnitte 6 der Segmente I bis VII vorgesehen. Die radial nach innen über die Deckringabschnitte 1 vorstehenden Bereiche der Nabenringabschnitte 6 sind gleich ausgebildet wie bei der Ausführungsform nach 1. Der Formschluss zwischen benachbarten Segmenten I bis VII ist so gestaltet, dass die Segmente sich in Umfangsrichtung nicht voneinander lösen lassen. Ein Lösen der Segmente voneinander ist im nicht verklebten bzw. nicht verschweißten Zustand nur dadurch möglich, dass benachbarte Segmente in Achsrichtung des Lüfterrades gegeneinander verschoben werden.
Am Rand 5 des Deckringabschnittes 1 sowie an dem, in Achsrichtung gesehen, darunterliegenden Bereich des Randes 10 des Nabenringabschnittes 6 ist jeweils eine im Umriss etwa pilzförmige Durchbrechung 17 vorgesehen. Der gegenüberliegende Rand 4 des Deckringabschnittes 1 sowie der, in Achsrichtung gesehen, darunterliegende Bereich des Randes 9 des Nabenringabschnittes 6 sind mit einem vorstehenden pilzförmigen Vorsprung 18 versehen, der in die Durchbrechung 17 des benachbarten Segmentes eingreift. Die Durchbrechungen 17 und die Vorsprünge 18 sind komplementär zueinander ausgebildet, so dass sie mit ihren Rändern aneinander liegen. Aufgrund der pilzförmigen Gestaltung sind die Durchbrechungen 17 sowie auch die Vorsprünge 18, in Umfangsrichtung gesehen, jeweils mit einem Hinterschnitt versehen.
Abweichend von der pilzförmigen Gestaltung können die Formschlussverbindungen auch andere Umrissformen haben. Sie müssen lediglich so gestaltet sein, dass die benachbarten Segmente I bis VII in Umfangsrichtung des Lüfterrades nicht voneinander getrennt werden können.
Die Durchbrechungen 17 und die Vorsprünge 18 sind jeweils an den Deckringabschnitten 1 und den Nabenringabschnitten 6 vorgesehen. Sie können auch nur an den Deckringabschnitten oder nur an den Nabenringabschnitten vorgesehen werden, je nachdem, wo am jeweiligen Lüfterrad hohe Belastungen zu erwarten sind. Es können an einem Rand 4, 9 beziehungsweise 5, 10 über dessen Länge auch mehrere Durchbrechungen 17 und komplementäre Vorsprünge 18 vorgesehen sein. Die Flügel 11 sind so an den Segmenten I bis VII angeordnet, dass sie Abstand von den Durchbrechungen 17 und den Vorsprüngen 18 haben.
Auch bei dieser Ausführungsform sind die einstückig ausgebildeten Segmente I bis VII untereinander gleich ausgebildet, so dass nur ein einziges Spritzgusswerkzeug für die Segmente erforderlich ist. Die Formschlusselemente 17, 18 bieten eine zusätzliche Führung beim Zusammenfügen der Segmente I bis VII und sorgen außerdem für eine zusätzliche Formstabilität bei Belastungen des Lüfterrades in Umfangsrichtung. Aufgrund der Formschlusselemente 17, 18 werden die Segmente I bis VII nicht sternförmig zum Lüfterrad zusammengefügt, sondern in axialer Richtung.
Die benachbarten Segmente I bis VII sind an den Fügebereichen 15, 16 nicht nur formschlüssig verbunden, sondern auch über eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung oder dergleichen, wie anhand der vorigen Ausführungsform beschrieben worden ist. Während des Klebe- oder Schweißverfahrens werden die aneinander liegenden Segmente I bis VII vorteilhaft fest gegeneinander gedrückt, so dass die Verbindung an den Fügebereichen 15, 16 optimal ist. Auch im Bereich der Formschlussverbindung 17, 18 können benachbarte Segmente über die Klebe- oder Schweißverbindung fest miteinander verbunden sein.
Formschlussverbindungen in Umfangsrichtung können bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen in äquivalenter Weise zur beschriebenen Ausführungsform nach 3 auch bei Axiallüfterrädern, Diagonallüfterrädern oder Statoren realisiert werden. Auch bei den Zwischenringabschnitten 71 können solche Formschlüsse realisiert werden. Auch in diesen Fällen gibt es Einschränkungen hinsichtlich des Fügeprozesses, d. h. die Segmente können nicht in Umfangsrichtung relativ zueinander zusammengeführt werden.
Das Lüfterrad gemäß 4 hat im Beispielsfall ebenfalls die einstückig ausgebildeten Segmente I bis VII. Sie sind wiederum gleich ausgebildet, so dass sie mit nur einem Spritzgusswerkzeug gefertigt werden können. Ähnlich der Ausführungsform gemäß 1 sind die Segmente I bis VII so ausgebildet, dass sie sternförmig angeordnet und dann zusammengeschoben werden können, ähnlich wie es in 15 dargestellt ist.
Die Segmente I bis VII sind so ausgebildet, dass zusätzlich zu den Fügebereichen 15, 16 an Deckring 1* und Nabenring 6* noch weitere Fügebereiche 86 (4) im Bereich der Flügel 11 entstehen. Dies hat den Vorteil, dass die Klebe- bzw. Schweißfläche zum Zusammenfügen benachbarter Segmente im Vergleich zu den vorigen Ausführungsformen vergrößert ist. Die Segmente I bis VII sind hierbei so gestaltet, dass erst durch Zusammensetzen benachbarter Segmente vollständige Flügel 11 gebildet werden.
5 zeigt eines dieser Segmente in Unteransicht von der Seite des Nabenringabschnittes 6 aus. Es hat den gekrümmten äußeren Rand 7 sowie den gekrümmten inneren Rand 8. Der die einen Enden der Ränder 7, 8 verbindende Rand 10 verläuft, in Achsrichtung gesehen, gekrümmt. Der gegenüberliegende, die anderen Enden der beiden Ränder 7, 8 verbindende Rand 9 ist, in Achsrichtung des Lüfterrades gesehen, ebenfalls über seine Länge gekrümmt ausgebildet, und zwar mit weitgehend identischem Krümmungsverlauf wie Rand 10, sodass sich benachbarte, identische Segmente lückenlos zusammenfügen lassen. In direkter Verbindung mit den beiden Rändern 9, 10 erstreckt sich jeweils ein Flügelteil 11a, 11b. Die Flügelteile 11a, 11b erstrecken sich zwischen dem Nabenringabschnitt 6 und dem (in 5 komplett vom Nabenringabschnitt 6 verdeckten) Deckringabschnitt 1. Werden benachbarte Segmente I bis VII mit ihren Rändern 4, 5, 9, 10 aneinandergesetzt, liegen die Flügelteile 11a, 11b mit ihren Rändern 19, 20 aneinander und bilden auf diese Weise den Flügel 11, der in diesem Fall hohl ausgebildet ist. Die beim zusammengefügten Laufrad aneinander liegenden Ränder 19 und 20 von benachbarten Segmenten bilden einen zusätzlichen Fügebereich 86. Der Flügel 11 ist im Übrigen gleich ausgebildet wie bei den Ausführungsformen nach den 1 oder 3. Der Flügel 11 ist außerdem in Bezug auf den Deckring 1* und den Nabenring 6* des Lüfterrades ebenfalls gleich angeordnet wie bei diesen Ausführungsbeispielen.
Wenn benachbarte Segmente I bis VII durch eine Klebeverbindung miteinander verbunden sind, dann ist das Klebemittel nicht nur in den Fügebereichen 15, 16 der Ringe vorgesehen, sondern auch im Fügebereich 86 der Flügel 11. Dadurch ergibt sich eine sehr große Klebefläche, die eine feste und auch hohen Belastungen standhaltende Verbindung zwischen benachbarten Segmenten I bis VII gewährleistet. Wenn benachbarte Segmente I bis VII durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind, wird bei dieser Ausführungsform die Schweißfläche um den Bereich des Fügebereichs 86 der Flügel 11 vergrößert, was zu einer erhöhten Belastbarkeit führt.
Da die Flügel 11 hohl ausgebildet sind, hat das Lüfterrad ein verhältnismäßig geringes Gewicht. Darüber hinaus haben die hohlen Flügel 11 den Vorteil, dass mit ihnen strömungstechnisch in einfacher Weise Kanäle für gezielte Sekundärströmungen gestaltet werden können.
Nach dem Fügeprozess können im Bereich der Fügebereiche 86 der Flügel 11 Kanten, Grate oder dergleichen vorhanden sein, die jedoch einfach in herkömmlicher Weise entfernt werden können. Die Segmente I bis VII sind untereinander gleich ausgebildet und besitzen in der axialen Draufsicht eine Mittellinie 21, deren Krümmungsverlauf identisch mit dem Krümmungsverlauf der Ränder 9, 10 in axialer Draufsicht ist. Dabei nimmt die in Umfangsrichtung gemessene Breite des Segmentes vom äußeren Rand 2, 7 aus in Richtung auf den inneren Rand 8 derart ab, dass das Segment im Bereich des äußeren Randes 2, 7 die größte und im Bereich des inneren Randes 8 die kleinste Umfangsbreite aufweist.
Aufgrund der beschriebenen Gestaltung lassen sich die Segmente I bis VII, wie anhand von 15 schematisch dargestellt ist, sternförmig zusammenschieben und in Umfangsrichtung gegeneinander verpressen, so dass die Segmente I bis VII an den Fügebereichen 15, 16, 86 fest aneinander liegen. Die Bahnen, auf denen die Segmente beim Fügeprozess in rotationssymmetrischer Art und Weise zusammengefahren werden, müssen sorgfältig in Abhängigkeit des Verlaufs der Fügebereiche 15, 16, 86 gewählt werden, um ungewünschte Kollisionen zu vermeiden. Insbesondere sind bei manchen Ausführungsformen gekrümmte Bahnen notwendig.
Da 5 das Segment in Unteransicht zeigt, ist vom Deckringabschnitt 1 nur der innere Rand 3 erkennbar. Die anderen Ränder 2, 4, 5 des Deckringabschnittes 1 liegen, in Draufsicht auf das Segment gesehen, über ihre Länge deckungsgleich zu den Rändern 7, 9, 10 des Nabenringabschnittes 6.
6 zeigt, in Draufsicht auf den Nabenringabschnitt 6, ein Segment, das ähnlich ausgebildet ist wie das Segment gemäß 2. Der Flügel 11 ist so am Segment vorgesehen, dass seine beiden abström- und zuströmseitigen Enden 12, 13 Abstand von den Rändern 4, 5, 9, 10 haben. Der Flügel 11 ragt wie beim Ausführungsbeispiel nach 2 radial geringfügig über dem inneren Rand 3 des Deckringabschnittes 1 vor.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach 2 ist der Flügel 11 hohl ausgebildet. Der Flügel 11 ist nicht durchlaufend hohl ausgebildet. Die Aushöhlung endet im Bereich des Deckringabschnittes 1, so dass dieser nicht durch die Aushöhlung durchbrochen ist.
Die Hohlausbildung des Flügels 11 wird in der Spritzgussform mit Hilfe eines Kernschiebers erreicht. Aufgrund dieses Kernschiebers ist der Flügel 11 im Bereich des Nabenringabschnitts 6 offen. Um im Einsatz des Lüfterrades eine Geräuschentwicklung sowie auch Schmutzablagerungen innerhalb des Flügels 11 zu vermeiden, wird der Flügel 11 vorteilhaft nach dem Spritzgießen oder nach dem Fügeprozess des gesamten Lüfterrads mit einem Deckel oder dergleichen verschlossen oder mit einem Material ausgefüllt, beispielsweise mit geschäumtem Material. Der Deckel kann aufgeklebt, aufgeschweißt oder in anderer geeigneter Weise am Nabenringabschnitt 6 befestigt werden. Dieses Verschlussstück ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass es mit seiner Außenseite bündig mit der Außenseite des Nabenringabschnittes 1 liegt. Um dies zu erreichen, muss am Spritzgussteil im Bereich des Hohlraums am Nabenringabschnitt 6 eine Vertiefung vorgesehen sein, in die das Verschlussstück oberflächenbündig eingebracht werden kann.
7 zeigt ein Segment, das grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie das Segment gemäß 6. Der Unterschied besteht darin, dass innerhalb des hohlen Flügels 11 wenigstens eine Versteifung 22 vorgesehen ist. Die Versteifung 22 ist in Form eines Steges ausgebildet, der sich zwischen einander gegenüberliegenden Seitenwänden 23, 24 des Flügels 11 erstreckt. Die Versteifung 22 erstreckt sich vorteilhaft über die gesamte axiale Höhe des Flügels 11. Die Versteifung 22 sorgt für eine zusätzliche Festigkeit des Flügels 11.
Im Spritzgusswerkzeug sind zur Erzeugung der stegförmigen Versteifung 22 zwei Kernschieber vorgesehen, die mit geringem Abstand nebeneinanderliegen, so dass beim Einspritzen des Kunststoffes der Steg 22 zwischen den Kernschiebern gebildet wird.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den 1, 3 und 4 liegen die Fügebereiche 15, 16 zwischen den Segmenten I bis VII nicht auf einer Radialen, in Achsrichtung des Lüfterrades gesehen. Bezogen auf eine Radiale 60 (1, 3 und 4), die durch den Schnittpunkt zwischen der jeweiligen Trennlinie 15, 16 und dem inneren kreisförmigen Rand 8 des Lüfterrades verläuft, liegen die Fügebereiche 15, 16 unter einem Winkel α zu dieser Radialen 60. Je nach Verlauf der Trennlinien 15, 16 nimmt der Winkel α in Richtung vom inneren Rand 8 zum äußeren Rand 2 zu.
Die Segmente I bis VII können auch so ausgebildet sein, dass die Fügebereiche 15, 16 auf der Radialen 60 liegen, so dass der Winkel α 0° beträgt.
Der Winkel α kann bis zu etwa 80° betragen, je nach Gestaltung der Segmente I bis VII. Dieser Winkelbereich ist unabhängig davon, auf welche Weise die Segmente I bis VII miteinander verbunden sind.
25 zeigt eine mögliche Gestaltungsform von Querschnitten durch Fügebereiche 15, 16, 85, mit denen keine die Fügefläche vergrößernde Wirkung erreicht wird. Sie zeigt beispielhaft und in vergrößerter Darstellung einen durch einen Fügebereich 15, 16, 85 mit anliegenden Segmenträndern 4, 9, 74 und 5, 10, 75 gelegten Schnitt A-A (siehe 1, 3, 16, 18, 20). Der Verlauf des Fügebereichs 15, 16, 85 ist im Schnitt im Wesentlichen der einer geraden Strecke, welche die Innenseite 30 mit der Außenseite 31 der Ringabschnitte 1, 6, 71 auf kürzestem Wege verbindet. Der Fügebereich 15, 16, 85 bzw. die Ränder 4, 9, 74 und 5,10, 75 der Segmente I und II verlaufen in etwa senkrecht zur Innenseite 30 und zur Außenseite 31. Diese Gestaltungsform ist die einfachste Gestaltungsform für einen Querschnitt eines Fügebereichs. Die dazugehörige Werkzeugkonstruktion für das Spritzgusswerkzeug ist einfach und kostengünstig. Ein derart gestalteter Fügebereich ermöglicht es auch, dass die Segmente I und II in einer Richtung quer zu den Ringabschnitten 1, 6, 71 zueinander gefügt werden, wie es beispielsweise für die Ausführungsform nach 3 notwendig ist. Allerdings hat der Fügebereich 15, 16, 85 bei dieser Ausführungsform eine eher kleine Fläche zum Kleben oder Verschweißen, und es wird kein zusätzlicher Formschluss in axialer oder radialer Richtung zwischen den Segmenten untereinander hergestellt. Auch wird keine zusätzliche Führung beim Fügeprozess erreicht.
Anhand der 8 bis 11, 14 und 26 werden beispielhaft mögliche Gestaltungen von Querschnitten durch Fügebereiche 15, 16, 85 beschrieben, mit denen die Fügefläche erheblich vergrößert werden kann, ohne die Wandstärken der Ringe 1*, 6*, 71* zu vergrößern, und mit denen ein zumindest teilweiser Formschluss zwischen benachbarten Segmenten I bis VII hinsichtlich Verschiebungen in axialer und/oder radialer Richtung hergestellt werden kann (Fügeflächen vergrößernde Gestaltungen). Diese Figuren zeigen jeweils beispielhaft und in vergrößerter Darstellung einen durch einen Fügebereich 15, 16, 85 mit anliegenden Segmenträndern 4, 9, 74 und 5, 10, 75 gelegten Schnitt A-A (siehe 1, 3, 16, 18, 20). Bei diesen Beispielen sind die Fügeflächen vergrößernde Gestaltungen vorgesehen, die nicht nur zu einer Vergrößerung der Klebe/Schweißfläche führen, sondern zusätzlich für eine erhöhte Formstabilität der zusammengefügten Segmente sorgen. Außerdem wird durch diese speziellen Gestaltungen der Fügebereiche 15, 16, 85 beim Zusammenfügen der Segmente I bis VII zum Lüfterrad auch eine Führung erzielt, die das Zusammensetzen der Segmente zum Lüfterrad erleichtert. Infolge dessen kann der Fertigungsprozess erfindungsgemäßer Lüfterräder erheblich wirtschaftlicher, schneller und präziser gestaltet werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform gemäß 8 hat ein Rand 4, 9, 74 des Segmentes I eine vorstehende Feder 25, die sich zumindest teilweise über die Länge (senkrecht zur Zeichenebene) des Rands 4, 9, 74 erstreckt. Ein Rand 4, 9, 74 kann auch mehrere über seine Länge verteilt angeordnete Federn 25 aufweisen. Die Feder 25 verjüngt sich in Richtung auf ihr freies Ende und liegt etwa in halber Dicke des Ringabschnitts 1, 6, 71.
Ein gegenüberliegender Rand 5, 10, 75 eines Segments II ist mit wenigstens einer entsprechenden Nut 26 versehen, in welche die Feder 25 des jeweils benachbarten Segmentes eingreift. Die Nut 26 ist komplementär zur jeweils entsprechenden Feder 25 ausgebildet und liegt ebenfalls etwa in halber Dicke des Ringabschnittes 1, 6, 71. In der montierten Lage liegt die Feder 25 flächig an den Seitenwänden und am Boden der Nut 26 an. Der von den beiden Rändern 4, 9, 74 und 5, 10, 75 jeweils benachbarter Segmente gebildete Fügebereich 15, 16, 85 hat eine sehr dünnflächige Gestalt. Zwischen den Rändern 4, 9, 74 und den Rändern 5, 10, 75 ist ein Klebemittel im Fügebereich 15, 16, 85 eingebracht.
Die Feder 25 und die Nut 26 sind so ausgebildet, dass die Ringabschnitte 1, 6, 71 der Segmente I, II aneinander stoßen, so dass an der Außen- und Innenseite der zusammengefügten Ringe 1*, 6*, 71* kein Spalt gebildet wird.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass eine Vertauschung der Merkmale „Nut” und „Feder” hinsichtlich der Ränder 4, 9, 74 und 5, 10, 75 gleichermaßen im Sinne der Erfindung liegt, was sinngemäß auch für die Ausführungsformen nach den 9 bis 11, 14 und 26 gilt.
Bei der Ausführungsform gemäß 9 ist die Feder 25 so ausgebildet, dass sie geringen Abstand von den Seitenwänden und vom Boden der Nut 26 hat. Dadurch wird im Fügebereich 15, 16, 85 ein Freiraum 27 gebildet, in den ein zähflüssiges Klebemittel 28 eingebracht werden kann. Der Fügebereich 15, 16, 85 hat in diesem Ausführungsbeispiel durch den mit Klebemittel 28 ganz oder teilweise ausgefüllten Freiraum 27 insofern eher voluminöse Gestalt. Dieses Klebemittel kann vor dem Zusammenfügen der beiden Segmente I, II in die Nut 26 eingebracht werden. Konstruktiv wird die Größe des Freiraums 27, der nach erfolgtem Zusammenführen der Segmente I und II vorhanden ist, durch einen Anschlag 98 sichergestellt, d. h. die Segmente I und II werden so lange aufeinander zu bewegt, bis zumindest im Bereich des Anschlags 98 direkter Kontakt zwischen den Segmenträndern 4, 9, 74 und 5, 10, 75 hergestellt ist. Alternativ ist es möglich, das Klebemittel nach dem Fügen der beiden Segmente I und II senkrecht zur Zeichenebene in den Freiraum 27 einzubringen.
Bei beiden beschriebenen Ausführungsformen gemäß den 8 und 9 wird das Klebemittel vorteilhafterweise auch auf die Bereiche des Anschlags 98 aufgebracht, so dass die aneinander liegenden Segmente I, II über eine große Fläche durch das entsprechende Klebemittel fest miteinander verbunden sind.
10 zeigt eine Nut-Feder-Verbindung, bei der die Verbindung der mit ihren Rändern 4, 9, 74 und 5, 10, 75 aneinander liegenden Segmente I, II über eine eher linienförmige Schweißungen im Bereich der Innenseite 30 bzw. der Außenseite 31 der Ringabschnitte 1, 6, 71 vorgenommen wird. Die Schweißung ist durch Schweißraupen 29 kenntlich gemacht. Die Schweißverbindung ist im Bereich außerhalb der Nut 26 vorgesehen, so dass die Segmente I, II mit ihren außerhalb der Nut 26 liegenden Stirnseiten im Bereich des Anschlags 98 aneinander liegen. Zusätzlich kann die Feder 25 in die Nut 26 eingeklebt sein, wie anhand der 8 oder 9 beschrieben worden ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach 11 sind die Ränder 4, 9, 74 und 5, 10, 75 der Segmente I, II gestuft ausgebildet. Die Stufungen der beiden Ränder 4, 9, 74 und 5, 10, 75 sind komplementär zueinander ausgebildet, so dass die Segmente I, II am Fügebereich 15, 16, 85 flächig aneinander liegen.
Der Fügebereich 15, 16, 85 hat, im Schnitt gesehen, einen senkrecht an die Innenseite 30 sowie an die Außenseite 31 der Ringabschnitte 1, 6, 71 anschließende Stirnseitenbereiche 32, 33, die durch einen Wandbereich 34 miteinander verbunden sind. Er verläuft vorteilhaft unter einem geringen Winkel schräg in Bezug auf die Innenseite 30 sowie die Außenseite 31 der Segmente I, II. Der schräg liegende Wandbereich 34 erleichtert das Zusammenfügen der benachbarten Segmente I, II. Vorteilhaft sind die Übergänge zwischen den Stirnseitenbereichen 32, 33 und dem Wandbereich 34 verrundet, um Rissbildung zu vermeiden.
In den Stirnseitenbereichen 32, 33 und den Wandbereich 34 wird ein Klebemittel aufgebracht, so dass die beiden Segmente I, II am Fügebereich 15, 16, 85 zuverlässig flächig miteinander verklebt sind. Die stufenförmige Gestaltung der Fügebereiche 15, 16, 85 ist vorteilhaft über deren ganze Länge vorgesehen.
Die stufenförmige Gestaltung der Fügebereiche 15, 16, 85 ermöglicht zudem einen einfachen und problemlosen Fügeprozess bei der Herstellung des Lüfterrades.
Beim Ausführungsbeispiel nach 26 wird die die Fügeflächen vergrößernde Wirkung dadurch erreicht, dass der Fügebereich 15, 16, 85, im Querschnitt gesehen, mit der Innenseite 30 bzw. der Außenseite 31 der Ringabschnitte 1, 6, 71 spitze Winkel β bzw. β* bildet, die deutlich kleiner als 90° sind, vorteilhaft zwischen 70° und 30°. Verläuft der Fügebereich 15, 16, 85, im Querschnitt gesehen, gerade, haben β und β* in etwa den gleichen Betrag. Der Fügebereich 15, 16, 85 kann allerdings, im Schnitt gesehen, auch gekrümmt verlaufen, wodurch sich die Beträge der beiden Winkel β und β* auch deutlich voneinander unterscheiden können.
Die Querschnittausbildungen insbesondere gemäß den 8, 11, 25 und 26 eignen sich auch hervorragend für Ausführungsformen, bei denen die Segmente I, II durch eine flächige Schweißung miteinander verbunden werden. Anhand von 14 wird eine vorteilhafte Ausgestaltung der Nut-Feder-Verbindung ähnlich der 8 detailliert erläutert, wie sie sich insbesondere für Schweißverbindungen mit Laserschweißen, Reibschweißen, Vibrationsschweißen, Heißgasschweißen oder Induktionsschweißen gut eignet.
Die Ringabschnitte 1, 6, 71 haben eine Wandstärke D, die im Bereich zwischen etwa 3 mm bis etwa 12 mm liegen kann. Ein vorteilhafter Bereich liegt zwischen etwa 4 mm und etwa 8 mm. Eine besonders bevorzugte Wandstärke D liegt bei etwa 6 mm. Die Nut 26 hat eine Tiefe t, die im Bereich von etwa (0.7 bis 2.5)·D liegt. Vorteilhaft beträgt die Nuttiefe etwa das Doppelte der Wandstärke D.
Die Feder 25 verjüngt sich in ihrem Querschnitt in Richtung auf ihr freies Ende 35. Dadurch wirkt die Feder 25 beim Fügevorgang selbstzentrierend. Darüber hinaus ist diese Querschnittsverjüngung vorteilhaft für die Festigkeit. Nahe dem freien Ende 35 hat die Feder 25 die Dicke d2, während sie nahe dem Anschlag 98 die größere Dicke d1 hat. Die Feder 25 liegt mit ihren Seitenwänden flächig an den Seitenwänden der Nut 26 an. Die Stirnseite 35 der Feder 25 hat geringen Abstand vom Boden 36 der Nut 26. Dadurch ist sichergestellt, dass die beiden Segmente I, II so zusammengefügt werden können, dass die Flanken 39 und 40 der Feder 25 flächig an der Nut anliegen und dass an der Innenseite 30 sowie der Außenseite 31 der Ringe 1*, 6*, 71* keine Spalte entstehen.
Aufgrund der Querschnittsverjüngung der Feder 25 nimmt der Querschnitt der die Nut 26 umgebenden Bereiche 37, 38 der Ringabschnitte 1, 6, 71, vom freien Ende der Nut im Bereich des Anschlags 98 startend gesehen, stetig zu. Im Bereich der Querschnittsdicke d2 wird die Feder 25 nur wenig belastet, während der umgebende Bereich 37, 38 der Nut des Segments II stark belastet wird. Der entsprechend dicke Bereich 37, 38 kann darum diese Belastung sicher aufnehmen.
Im Querschnittsbereich d1 hingegen ist die Feder 25 sehr stark belastet, so dass der umgebende Bereich 37, 38 der Nut des Segments II entsprechend schwach ausgebildet sein kann.
Der Keilwinkel zwischen den beiden Flanken 39, 40 der Feder 25 liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen etwa 0,5° und etwa 8°.
Der Übergang zwischen den Flanken 39, 40 der Feder 25 und dem Anschlag 98 ist am Segment I mit dem Radius R1 abgerundet. Dieser Radius R1 beträgt vorteilhaft etwa (0,05 bis 0,3)·D. Beim komplementären Radius R1 an Segment II kann der gleiche Wert oder aber ein minimal größerer Wert gewählt werden, um eine vorzeitige Kollision der Segmente I und II im Bereich von R1 beim Fügeprozess sicher zu vermeiden. Dadurch würde im Bereich von R1 ein sehr kleiner (in 14 nicht dargestellter) Spalt entstehen.
Vorteilhaft ist es allerdings, diesen Übergang zwischen den Flanken 39, 40 und dem Anschlag 98 bionisch zu gestalten, d. h. keinen konstanten Radius in diesem Übergangsbereich vorzusehen. Vorteilhafterweise ist der Krümmungsverlauf des Übergangs derart gestaltet, dass der Krümmungsradius am Anschlag 98 klein ist, und in Richtung auf die Flanken 39, 40 stetig größer wird. Die bionische Gestaltung des Überganges hat den Vorteil, dass er im Hinblick auf den Kraftfluss von der Feder 25 in den Ringabschnitt 1, 6, 71 von Segment 1 so gestaltet werden kann, dass eine Rissbildung vermieden wird.
Der Übergang von den Seitenwänden der Nut 26 in die Bodenseite 36 der Nut 26 ist mit dem Radius R2 abgerundet. Er beträgt vorteilhaft (0,05 bis 0,3)·D. Damit der Kraftfluss optimal gewährleistet werden kann, ist die Abrundung im Übergangsbereich in besonders vorteilhafter Weise bionisch gestaltet, also kein konstanter Radius vorgesehen. Dadurch kann dieser abgerundete Übergang optimal an die beim Einsatz des Lüfterrades auftretenden Belastungen so angepasst werden, dass Rissbildungen auf jeden Fall vermieden werden. Vorteilhafterweise ist der Krümmungsverlauf des Übergangs derart gestaltet, dass der Krümmungsradius am Boden 36 der Nut klein ist und in Richtung der Flanken 39, 40 schreitend stetig größer wird.
Im vollständig zusammengeführten Zustand, d. h. wenn die Segmente I und II am Anschlag 98 aneinander stoßen, herrscht im Bereich der Flanken 39, 40 vorteilhafterweise bereits durch das Zusammenpressen der Segmente I und II im Fügeprozess eine Vorspannung. Dadurch ist gewährleistet, dass die Flanken 39, 40 der Feder 25 und die entsprechenden Flanken der Nut 26 nach dem Zusammenfügen ohne Spiel aneinander liegen.
Werden die Segmente I, II durch Laserschweißen im Fügebereich 15, 16, 85 miteinander verbunden, dann wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform auf die Ränder 4, 9, 74 und/oder 5, 10, 75 vor dem Fügevorgang eine laserabsorbierende Flüssigkeit aufgebracht. Nach dem Zusammenfügen wird beim Schweißvorgang das Laserlicht, welches das speziell verwendete, für das benutzte Laserlicht transparente Material der Ringabschnitte 1, 6, 71 durchdringt, in diesem Bereich in Wärme umgewandelt, wodurch benachbartes Material aufschmilzt und sich stoffschlüssig verbindet. Da die absorbierende Flüssigkeit nur einen Teil des Laserlichtes absorbiert bzw. durch den Schweißvorgang selbst lasertransparent wird, kann gleichzeitig im Bereich beider Flanken 39 und 40 der Feder 25 mit einer einzigen Laserlichtquelle geschweißt werden.
Wird ein solcher Schweißvorgang durchgeführt, wird als Material für die Segmente I bis VII vorteilhaft ein spezieller, für beim Schweißen eingesetzte Laser weitgehend transparenter Kunststoff eingesetzt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Segmente I–VII insbesondere im Bereich ihrer Ränder 4, 9, 74 und 5, 10, 75 sowie deren unmittelbarer Umgebung nach dem Spritzgussprozess nicht spanabhebend bearbeitet, da die Oberflächen sonst in zu starkem Maße laserlichtabsorbierende, laserlichtreflektierende und/oder laserlichtstreuende Eigenschaften haben. An den zu verschweißenden Stellen, im Wesentlichen den Rändern 4, 9, 74 und/oder 5, 10, 75, wird in der beschriebenen Weise vor dem Schweißvorgang eine spezielle, Laserlicht absorbierende Flüssigkeit aufgebracht. Sie sorgt dafür, dass die Energie des Laserlichtes genau an der gewünschten Stelle in Wärme umgewandelt wird, so dass in diesem Bereich der Kunststoff lokal aufschmilzt. Diese Lasertechnik macht es möglich, die Schweißung nicht nur an der äußeren Oberfläche des Rings 1*, 6*, 71* im Bereich der Innenseite 30 und der Außenseite 31, sondern auch in inneren Bereichen der Fügebereiche 15, 16, 85 des Materials des Lüfterrades durchzuführen.
12 zeigt in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Segmentes zur Herstellung des Lüfterrades. Aus 12 geht der prinzipielle Aufbau der zuvor beschriebenen Segmente hervor. Das einstückig ausgebildete Segment hat den Flügel 11, der sich zwischen dem Deckringabschnitt 1 und dem Nabenringabschnitt 6 erstreckt. Der Deckringabschnitt 1 hat den gekrümmten äußeren Rand 2 sowie den gekrümmten inneren Rand 3, in Draufsicht gesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der äußere Rand 2 mit einer Abwinkelung 41 versehen, die sich über die Umfangslänge des Deckringabschnittes 1 erstreckt.
Der Deckringabschnitt 1 ist mit Abstand von der Abwinkelung 41 derart aufwärts gekrümmt, dass der innere Rand 3 größeren axialen Abstand vom Nabenringabschnitt 6 aufweist als der äußere Rand 2. Der Deckringabschnitt 1 weist die beiden Ränder 4, 5 auf.
Der Nabenringabschnitt 6 hat den gekrümmten äußeren Rand 7 und den inneren gekrümmten Rand 8. An ihren beiden Enden sind die Ränder 7, 8 durch die Ränder 9, 10 miteinander verbunden. Im Bereich des äußeren Randes 7 ist der Nabenringabschnitt 6 entgegengesetzt zum Deckringabschnitt 1 geringfügig abgewinkelt. Im Übrigen ist der Nabenringabschnitt 6 eben ausgebildet.
Die Ränder 4, 9 sind mit den Federn 25 versehen, wie es anhand der 8–10 und 14 bereits beschrieben wurde. Entsprechend sind die Ränder 5, 10 mit den Nuten 26 versehen. Die Federn 25 sind durch Aussparungen 42 unterbrochen, die Nuten 26 sind ebenfalls unterbrochen durch zu den Aussparungen 42 komplementäre Bereiche 43. Die zueinander komplementären Aussparungen und Bereiche 42, 43 sind so gestaltet, dass das Zusammenfügen erleichtert wird. Im zusammengefügten Zustand wird durch die Aussparungen 42 und Bereiche 43 ein zusätzlicher Formschluss in Längsrichtung des Fügebereichs 15, 16 erreicht. Außerdem sorgen die Aussparungen und Bereiche 42, 43 durch ihre schräg zulaufende Formgebung dabei, dass sich benachbarte Segmente beim Fügeprozess richtig zueinander positionieren (zentrierende Wirkung).
In Draufsicht auf das Segment gesehen, hat es – bis auf die Ausgestaltung der Ränder 4, 9, 74 und 5, 10, 75 – die gleiche Umrissform wie das Segment nach 2. Darum kann in Bezug auf die Anordnung der Ränder des Deckringabschnittes 1 und des Nabenringabschnittes 6 auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden.
22 zeigt in seitlicher Draufsicht und in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt eines Segmentrandes 4, 9, 74. In diesem Ausführungsbeispiel sind am Rand 4, 9, 74 die Federn 25 vorgesehen, wobei deren Querschnitt ähnlich wie anhand der 8–10 und 14 beschrieben gestaltet sein kann. Längs des Randes 4, 9, 74 sind in etwa konstanten Abständen Unterbrechungen 44 zwischen den Federn 25 vorhanden. Die (nicht gezeigte) Nut des Nachbarsegments kann in diesem Fall durchlaufend, also ohne Unterbrechungen, gestaltet sein. Der technische Vorteil, der mit diesen Unterbrechungen erreicht wird, ist der, dass die Flexibilität der Federn 25 hinsichtlich geringer Verschiebungen quer zu den Ringabschnitten 1, 6, 71 größer ist, was beim Fügeprozess zum Ausgleichen von Toleranzen in Richtung quer zu den Ringabschnitten 1, 6, 71 Vorteile bringt. Der Abstand a zweier Unterbrechungen 44 in Längsrichtung liegt vorteilhaft zwischen dem 0.5-fachen der Federtiefe t und dem 5-fachen von t. Am Fuß einer Aussparung zwischen benachbarten Federn 25 ist vorteilhaft eine Verrundung zwischen zwei benachbarten Federn 25 vorgesehen, welche eine Vollrundung sein kann oder aber auch bionisch, d. h. mit nicht konstantem Radius gestaltet sein kann.
13 schließlich zeigt im Axialschnitt eine Hälfte eines Radiallüfterrades. Es ist durch drei über seinen Umfang verlaufende Bänder 54 bis 56 verstärkt. Die Bänder werden vorteilhafterweise unter Vorspannung auf das Lüfterrad aufgebracht. Die Vorspannung kann in einem Bereich zwischen etwa 10 N und etwa 10 kN liegen, bevorzugt bei etwa 10 bis 100 N/mm² Bandquerschnittsfläche.
Im Ausführungsbeispiel hat das Lüfterrad drei Bänder 54 bis 56. Je nach Größe des Lüfterrades können auch nur ein, zwei oder mehr als drei Bänder vorgesehen sein. Die Zahl der Bänder kann zwischen 1 und 10 liegen. Für die Bänder 54 bis 56 werden bevorzugt Thermoplaste eingesetzt, wie Polyamid (PA6, PA66, PA66/6, PAPA, PPA, PA 4.6, PA12), Polyester (PBT, PET), Polypropylen (PP), PPS, PES, PESU, PEEK, ABS, PC, ASA und dergleichen. Bevorzugt wird für die Bänder ein Polyamid, ein Polypropylen oder ein Polyester als Werkstoff verwendet.
Für die Bänder 54 bis 56 können auch Duroplaste eingesetzt werden, wie Epoxitharz, Harnstoffharz oder Phenolharz. Bevorzugt wird als Duroplast ein Epoxit- oder Phenolharzsystem herangezogen.
Die Bänder 54 bis 56 sind vorteilhaft mit Fasern verstärkt, unabhängig davon, ob sie aus einem Thermoplast oder einem Duroplast bestehen. Als Verstärkungsfasern kommen Glas, Kohlenstoff, Aramid, Thermoplast (PET, PA) oder Naturfasern in Betracht, wie beispielsweise Flachs, Hanf, Sisal, Jute oder Kokos.
Die Fasern sind bevorzugt Endlosfasern, die einfach hergestellt und kostengünstig sind. Sie lassen sich problemlos in die Kunststoffmasse der Bänder 54 bis 56 einbringen.
Die Bänder 54 bis 56 erstrecken sich über den Umfang des Lüfterrades und sind in geeigneter Weise an ihm befestigt. So können die Bänder 54 bis 56 durch Schweißen mit dem Lüfterrad verbunden sein. Für den Schweißvorgang können Diodenlaser, aber auch andere Lasersysteme, eingesetzt werden. Sind die Segmente aus weitgehend lasertransparentem Material gefertigt, wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform vor dem Laserschweißen im Bereich der aufzuschweißenden Bänder 54 bis 56 eine laserabsorbierende Flüssigkeit aufgebracht. Zum Schweißen kann auch Ultraschall eingesetzt werden. Auch ist es möglich, durch Reibung in Umfangsrichtung eine feste Verbindung zwischen den Bändern und dem Lüfterrad herzustellen.
Als weitere Möglichkeit zur Verbindung der Bänder 54 bis 56 mit dem Lüfterrad kommen auch Klebeverfahren in Betracht. Als Klebemittel kommen 1- oder 2 K-Klebstoffe in Betracht, wie Polyurethan, Acryl, Methacrylate oder Silikone, oder Lösungsmittelsysteme.
Die Verbindung zwischen den Bändern 54 bis 56 und dem Lüfterrad kann auch dadurch erfolgen, dass sie mit einem aushärtenden Duroplast umwickelt werden, der nach dem Umwickeln aushärtet. Dadurch ist eine sichere feste Verbindung zwischen dem jeweiligen Band 54 bis 56 und dem Lüfterrad erreicht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Deckring 1* längs seines äußeren Randes 2 mit einer umlaufenden Nut 57 versehen, in die das Band 55 eingelegt ist. Die Nut 57 ist somit am Außendurchmesser des Deckrings 1* vorhanden.
Auch am Innendurchmesser des Deckrings 1* befindet sich eine umlaufende Nut 58, die das Band 54 aufnimmt.
Die Nabenring 6* ist am Außendurchmesser mit einer umlaufenden Nut 59 für das Band 56 versehen.
Alle Nuten 57 bis 59 sind in Umfangsrichtung des Lüfterrades offen. Dadurch lassen sich die Bänder 54 bis 56 einfach in die Nuten 57 bis 59 einlegen. Die Nuten 57 bis 59 können bereits beim Spritzgießen der Segmente I bis VII vorgesehen werden. Jedes dieser Segmente weist dann in seinem Deckringabschnitt 1 bzw. Nabenringabschnitt 6 die entsprechenden Ringnutabschnitte auf, die beim Zusammenfügen der Segmente I bis VII die über den Umfang des Lüfterrades umlaufenden Ringnuten bilden.
Die Nutenseitenwände führen die Bänder 54 bis 56 in Axialrichtung, so dass sie nicht vom Lüfterrad abrutschen können.
Die Bänder 54 bis 56 können mehrmals über den Umfang des Lüfterrades gewickelt sein. Vorteilhaft werden die Bänder 54 bis 56 hierbei so oft über den Umfang des Lüfterrades gewickelt, dass die Nuten 57 bis 59 vollständig mit dem Band ausgefüllt sind.
Grundsätzlich reicht es aber aus, wenn das jeweilige Band 54 bis 56 nur einmal über den Umfang des Lüfterrades gewickelt ist, wobei die beiden Enden des Bandes einander überlappen. Die Überlappung liegt vorteilhafterweise bei mindestens 10 Bandbreiten bis maximal 20% des Umfangs. Bei einer solchen Ausbildung ist es vorteilhaft, wenn das jeweilige Band 54 bis 56 eine der Nutbreite entsprechende Breite hat.
Durch die Bänder 54 bis 56 werden die Segmente I bis VII fest zusammengehalten, so dass auch bei hohen Belastungen, beispielsweise bei hohen Drehzahlen und großen Durchmessern des Lüfterrades, nicht die Gefahr besteht, dass sich die Segmente voneinander lösen.
Sind die Lüfterräder mit den beschriebenen endlosfaserverstärkten Bändern 54 bis 56 versehen, können die Lüfterräder bei höheren Grenzdrehzahlen betrieben werden.
Die Bänder können auch bei Lüfterrädern vorgesehen sein, die nicht aus Segmenten hergestellt, sondern einstückig ausgebildet sind. Auch bei solchen Lüfterrädern wirken sich die vorteilhaft mit Vorspannung auf das Lüfterrad aufgewickelten Bänder 54 bis 56 vorteilhaft aus, insbesondere hinsichtlich der Erhöhung der Grenzdrehzahl des Lüfterrades.
Der Anteil der Fasern in den Bändern 54 bis 56 kann vorteilhaft zwischen 10 und 65 Volumenprozent liegen, vorzugsweise zwischen 25 und 60 Gewichtsprozent.
Auch Axiallaufräder, Diagonallaufräder oder Statoren können in der beschriebenen Weise mit Bändern 54 bis 56 vorteilhaft an Deckring 1* und/oder Nabenring 6* und/oder Zwischenringen 76* verstärkt sein.
Bei aus Segmenten gefertigten Lüfterrädern kann das Auftreten von Bindenähten komplett vermieden werden, wie sie beim Spritzguss von Kompletträdern zwangsweise auftreten. Der Spritzguss einzelner Segmente, insbesondere bei Segmenten mit nur einem Flügel 11, kann ohne das Auftreten von Bindenähten konzipiert werden. Diese schwer zu kontrollierende Schwachstelle kann somit bei aus Segmenten gefügten Lüfterrädern vermieden werden. Die Festigkeit der Fügebereiche 15, 16, 85, die durch Klebe- oder Schweißverbindungen realisiert wird, kann mit den beschriebenen Elementen der Erfindung erreicht werden.
Die Segmente sind jeweils so gestaltet, dass sie im Montageprozess jeweils in einer gleichen bzw. ähnlichen Bewegung zusammengeführt werden können. In 15 sind die Segmente I bis VII in der linken Abbildung im Ausgangszustand dargestellt. Die Bewegungspfeile für jedes Segment zeigen, dass sie die gleiche Zusammenführbewegung ausführen. Dadurch wird der Montageprozess wesentlich vereinfacht und erleichtert. Diese Art der Zusammenführung ist allerdings nur bei solchen Segmenten möglich, die an ihren Rändern 4, 9, 74; 5, 10, 75 keine vorstehenden Formschlusselemente aufweisen, welche einen Formschluss in Umfangsrichtung bewirken, wie dies beispielhaft in 3 dargestellt ist. In diesem Falle müssen die Segmente wegen des Vorsprunges 18 und der Durchbrechung 17 in Achsrichtung zusammengefügt werden. In diesem Falle kann die gemeinsame Bewegungsrichtung der Segmente die axiale Bewegung sein.
Das Lüfterrad kann nach dem Fügeprozess noch spanabhebend nachbearbeitet werden. Dies ist beispielsweise dann wichtig, wenn in bestimmten Bereichen des Lüfterrades eine hohe Rundlaufgenauigkeit gefordert wird. Dies ist beispielsweise für die Nuten 57 bis 59 (13) für die Bänder 54 bis 56 zweckmäßig. Auch ist eine Nachbearbeitung beispielsweise im Hinblick auf den Zentrierdurchmesser sowie den Außendurchmesser des Deckrings 1* bzw. des Nabenrings 6* notwendig. Die Nuten 57 bis 59 können auch in den Segmenten I bis VII zunächst nicht vorgesehen sein und nach dem Fügen der Segmente spanabhebend eingebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4139293 A [0004]
DE 102009008508 A1 [0005]
WO 20012/131617 A1 [0006]
US 2003/0235502 A [0007]

Claims

Lüfterrad mit über den Umfang verteilt angeordneten Flügeln (11), die in Umfangsrichtung über mindestens einen Ring (1*, 6*, 71*) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad aus wenigstens drei einstückig ausgebildeten Segmenten (I bis VII) besteht, die jeweils mindestens einen Ringabschnitt (1, 6, 71) mindestens eines Ringes (1*, 6*, 71*) sowie entweder wenigstens einen Flügel (11) oder wenigstens einen Abschnitt (11a, 11b) von Flügeln (11) aufweisen, und dass die Segmente (I bis VII) zum Lüfterrad zusammengefügt sind, bei dem zumindest der Ringabschnitt/die Ringabschnitte (1, 6, 71) mit ihren quer zur Umfangsrichtung des Lüfterrades liegenden Rändern (4, 9, 74 und 5, 10, 75) aneinander liegen.
Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad mindestens einen Nabenring (6*) hat, der die Flügel (11) an deren nabenringseitigen Enden (96) in Umfangsrichtung miteinander verbindet und an dem das Lüfterrad mit einem Antriebsmotor verbunden ist.
Lüfterrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad mindestens einen Deckring (1*) hat, der die Flügel (11) an deren deckringseitigen Enden (91) in Umfangsrichtung miteinander verbindet.
Lüfterrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenring (6*) und der Deckring (1*) versetzt zueinander angeordnet sind und die Flügel (11) sich zwischen Nabenring (6*) und Deckring (1*) erstrecken.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad mindestens einen Zwischenring (71*) aufweist, welcher die Flügel (11) in Umfangsrichtung miteinander verbindet und an den Flügeln im Bereich zwischen deren seitlichen Enden (96, 91) befestigt ist, wobei die Segmente (I–VII) jeweils mindestens einen Zwischenringabschnitt (71) aufweisen.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (I bis VII) zumindest annähernd gleich ausgebildet und vorteilhaft Spritzgussteile sind.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (4, 9, 74; 5, 10, 75) der Ringabschnitte (1, 6, 71) im Wesentlichen deckungsgleich aneinander liegen und Fügebereiche (15, 16, 85) bilden, mit denen benachbarte Segmente (I bis VII) flächig aneinander liegen.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Segmente (I bis VII) mittels Kleben und/oder Schweißen an Fügebereichen (15, 16, 85) miteinander verbunden sind.
Lüfterrad nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Querschnitte durch Fügebereiche (15, 16, 85) in einer die Fügeflächen vergrößernden Art und Weise gestaltet sind.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ringabschnitt (1, 6, 71) jedes Segmentes (I bis VII) mit wenigstens einem gegen das benachbarte Segment vorstehenden Formschlussteil (18) sowie mit wenigstens einer komplementären Durchbrechung (17) versehen ist.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zuströmseitigen sowie abströmseitigen Enden (12, 13) der Flügel (11) Abstand von den Fügebereichen (15, 16) haben.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Fügebereiche (86) durch die Flügel (11) verlaufen.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (I bis VII) mittels Laserschweißen, Induktionsschweißen oder Heißgasschweißen miteinander verbunden sind.
Lüfterrad, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad an wenigstens einem Ring (1*, 6*, 71*) mit wenigstens einem Verstärkungsband (54 bis 56) umwickelt ist, das aus Thermoplast oder Duroplast bestehen kann.
Lüfterrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsband (54 bis 56) Verstärkungsteile, vorzugsweise quasi endlose Verstärkungsfasern, enthält.
Lüfterrad nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsband (54 bis 56) an einem Ring (1*, 6*, 71*) des Lüfterrades durch Schweißen oder Kleben befestigt ist.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ring (1*, 6*, 71*) des Lüfterrads zur Aufnahme des Verstärkungsbandes (54 bis 56) mit wenigstens einer umlaufenden Nut (57 bis 59) versehen ist.
Lüfterrad nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad einstückig ausgebildet ist.