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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelrad für Axialventilatoren oder Radial- und Diagonallüfter mit einem Radträgerteil und mit an diesem angeordneten Schaufeln.
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Derartige Schaufelräder bzw. deren Radträgerteil und/oder die Schaufeln selber werden aus einem thermoplastischen Polymer, typischerweise Polypropylen oder Polyamid, im Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei werden die Schaufelräder entweder auf dem Rotor eines Außenläufermotors befestigt oder auf einer Welle eines Innenläufermotors. Diese bekannten Lösungen sind bezüglich der Festigkeit auf Grund der beschränkten mechanischen Eigenschaften der spritzfähigen Kunststoffe problematisch, da bei höheren Fördermitteltemperaturen und/oder höheren Drehzahlen die zulässigen Festigkeitsgrenzen überschritten werden, oder es wird eine unwirtschaftliche hohe Kunststoffmenge zur Erfüllung der Festigkeitsanforderungen notwendig. Bei solchen Belastungen werden heute Laufräder in der Regel in Metallausführung hergestellt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, Schaufelräder aus Kunststoff, die im Spritzgussverfahren herstellbar sind, in ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen und/oder hohen Drehzahlen von typischerweise bis zu 70°C Umgebungstemperatur und Umfangsgeschwindigkeiten bis zu U = 80 m/s (U = D·π·n; D in [m]; n in Umdrehungen/sek) zu verstärken, ohne dass hierdurch die Herstellkosten und das Gewicht des Schaufelrades wesentlich erhöht werden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein aus thermoplastischen Kunststoff gespritztes Radträgerteil und/oder die aus thermoplastischem Kunststoff gespritzten Schaufeln zumindest teilweise mindestens ein Formteil aus Organoblech, d. h. aus in einer Matrix aus thermoplastischem Kunststoff integrierten Endlosfaser-Gewebe aus Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern, in ihrem Wandungsbereich aufweisen. Hierbei erfolgt der Einsatz eines derartigen aus Organoblech bestehenden Formteils an denjenigen Stellen, an dem die höchsten Belastungen mechanischer Art oder auch durch Temperatureinwirkung erfolgen. Das in dem Organoblech enthaltene Gewebe kann ein orthotropes Gewebe oder ein unidirektionales Gewebe sein. Als Matrixmaterial des Organoblechs wird ein thermoplastisches Polymer, wie z. B. Polypropylen oder dergleichen, verwendet. Auf Grund der wesentlich höheren Steifigkeit und Bruchfestigkeit von Organoblech-Formteilen gegenüber reinen Kunststoffspritzteilen kann das so verstärkte Ventilatorschaufelrad oder Lüfterschaufelrad bei wesentlich höheren Drehzahlen und/oder Fördermitteltemperaturen typischerweise bis zu 70°C Umgebungstemperatur und Umfangsgeschwindigkeiten bis zu U = 80 m/s (U = D·π·n; D in [m]; n in Umdrehungen/sek) betrieben werden. Dabei bleiben die Vorteile des Spritzgießens mit seinen vielfältigen geometrischen Gestaltungsmöglichkeiten und der wirtschaftlichen Fertigung erhalten. Insbesondere dann, wenn das Bauteil vollständig aus einem Organoblech-Formteil besteht, können Wandstärken verringert und damit die erforderlichen Materialmengen reduziert werden, und zwar im Vergleich mit einem Bauteil, das im Spritzgussverfahren hergestellt ist. Somit sind durch den Einsatz von Formteilen aus Organoblechen leichtere und kostengünstigere Bauteile herstellbar. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, nur in bestimmten Bereichen eine Verstärkung mit einem aus Organoblech bestehenden Formteil anzubringen, in denen das spritzgegossene Kunststoffformteil festigkeitsmäßig nicht ausreicht, ist eine sehr sparsame und damit sehr kostengünstige Nutzung des Organoblech-Materials möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten und werden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Schaufelrades, das als Radiallüfterrad ausgebildet ist,
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2, 2a und 3 Teilansichten des Radiallüfterrades gemäß 1,
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4, 4a, 4b eine Teilansicht auf ein Radiallüfterrad gemäß 1, wobei jedoch die Formteile aus Organoblech im Bereich der Deck- oder Bodenscheibe angeordnet sind,
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5 und 6 Teilansichten des Radiallüfterrades gemäß 1, wobei die Schaufeln vollständig aus einem Organoblech-Bauteil gebildet sind,
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7, 7a und 8 Teilansichten des Radiallüfterrades gemäß 1, wobei eine doppelwandige Hohlschaufel aus einem Organoblech vollständig gebildet ist,
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9, 9a eine Teilansicht auf das Radiallüfterrad gemäß 1, wobei das aus Organoblech gebildete Bauteil an einer Teilfläche verstärkt ist,
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10, 10a und 11 eine Teilansicht auf das Radiallüfterrad gemäß 1, wobei das aus Organoblech gebildete Bauteil gezahnte bzw. gewellte Seitenkanten aufweist.
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12 eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Axialventilatorrad,
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13 bis 16 eine Ansicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialventilatorrades.
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In den 1 bis 16 sind gleiche Teile bzw. funktionsgleiche Teil mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Sofern bestimmte beschriebene und/oder aus den Zeichnungen entnehmbare Merkmale des erfindungsgemäßen Schaufelrades oder seiner Bestandteile nur im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, sind diese aber auch gemäß der Erfindung unabhängig von diesem Ausführungsbeispiel als Einzelmerkmal oder aber auch in Kombination mit anderen Merkmalen des Ausführungsbeispiels wesentlich und werden als zur Erfindung gehörig beansprucht.
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In 1 ist ein als Radiallüfterrad ausgebildetes Schaufelrad 1 dargestellt. Dieses Schaufelrad 1 besteht aus einer kreisförmigen Bodenscheibe 2 und einer kreisförmigen Deckscheibe 3, mit einer mittigen Einströmöffnung 4 sowie zwischen der Bodenscheibe 2 und der Deckscheibe 3 verlaufenden Schaufeln 5. In der Bodenscheibe 2 befindet sich mittig eine kreisförmige Öffnung 6 für eine Montage des Radiallüfterrades 1 auf einem Rotor eines Außenläufermotors, was nicht im Einzelnen dargestellt ist. Diese Öffnung 6 kann auch durch eine Montageplatte verschlossen sein. Die Schaufeln 5, die Bodenscheibe 2 sowie die Deckscheibe 3 sind als einstückiges Spritzgussformteil aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt, wobei dieser Kunststoff durch Kurz- und/oder Langfasern, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder dergleichen verstärkt sein kann. Als Kunststoffmaterial wird insbesondere ein thermoplastisches Polymer, wie Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA) verwendet, das Kurz- oder Langfasern enthalten kann.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schaufeln 5 in einem Teilbereich durch ein Formteil 8 aus Organoblech verstärkt, in dem dieses Formteil 8 in die Schaufel materialschlüssig integriert ist. Unter Organoblech wird ein Material verstanden, das aus einem Endlosfasergewebe besteht, das in einer thermoplastischen Materialmatrix aus einem thermoplastischen Polymer, wie z. B. Polypropylen, Polyamid, z. B. Polyamid6 oder Polyamid66 oder Polyamid12, Polyphenylsulfid (PPS) oder einem thermoplastischen Polyurethanelastomer (TPU) besteht. Die Endlosfasern sind als Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern vorzugsweise ausgebildet. Das Gewebe ist als orthotropes Gewebe oder unidirektionales Gewebe hergestellt. Hierbei ist die Faserausrichtung des Gewebes im Formteil 8 an den jeweiligen Spannungszustand angepasst. Die Dicke des Formteils 8 kann vorteilhafterweise zwischen 50 μm bis 4 mm betragen.
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Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Formteil 8 einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein, wobei bei einer mehrlagigen Ausbildung eine ein- oder mehrfache Faltung des in der Kunststoffmatrix eingebundenen Gewebes vorhanden ist. Wie 1 zu entnehmen ist, wobei in den 2, 2a und 3 vergrößerte Detailansichten aus 1 dargestellt sind, ist das Formteil 8 in einem Teilbereich der Schaufel 5 des dargestellten Radialrades angeordnet. Dabei besteht das Formteil 8 aus einem Abschnitt 9, der innerhalb der Schaufel 5 verläuft, sowie aus zwei an dessen Enden angeformten abgewinkelten Verbindungsabschnitten 10, von denen einer mit der Bodenscheibe 2 und der anderen mit der Deckscheibe 3 des Radiallüfterrades 1 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Formteil 8 einseitig innerhalb der Schaufel 5 integriert angeordnet, es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, ebenfalls derartige Formteile auch beidseitig der Schaufel vorzusehen. Ebenfalls können erfindungsgemäße Formteile zur Verstärkung an der Bodenscheibe 2 oder der Deckscheibe 3 angeordnet und integriert sein. Hierzu wird auf 4 verwiesen, wo dargestellt ist, wie die Deckscheibe 3 und die Bodenscheibe 2 durch jeweils ein Formteil 8 abschnittsweise lokal verstärkt sind. Hierbei erfolgt an der Deckscheibe 3 insbesondere dort eine lokale Verstärkung mittels eines Formteils 8 in demjenigen Bereich der Deckscheibe 3, in dem die Schaufeln 5 mit der Deckscheibe 3 verbunden sind. Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Formteils 8 an der Bodenscheibe 2 erfolgt vorzugsweise im Übergangsbereich zwischen Bodenscheibe 2 und Schaufel.
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In den 4a und 4b sind die verstärkenden Formteile 8 für die Deckscheibe 3 bzw. die Bodenscheibe 2 dargestellt.
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In den 5 und 6 sind Teilansichten eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades 1 dargestellt, bei dem die Schaufeln 5 vollständig aus Organoblech gefertigt sind. Hierbei sind die Schaufeln 5 über Verbindungsabschnitte 10, die über an ihren Enden angeformten, abgewinkelten Verbindungsabschnitten 11 mit der Bodenscheibe 2 und der Deckscheibe 3 materialschlüssig verbunden sind. Die Schaufelvorder- und/oder hinterkante (Organoblech-Schnittkanten) können dabei mit einer Kunststoffschicht umspritzt sein. In den 7, 7a und 8, die wiederum Teilansichten eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades 1 zeigen, sind die Schaufeln 5 komplett aus Organoblech gefertigt, wobei diese Schaufeln 5 jedoch als doppelwandige Hohlschaufeln 33 ausgestaltet sind. Diese als doppelwandige Hohlschaufeln 33 ausgebildeten Schaufeln 5 sind an ihren mit der Bodenscheibe 2 und der Deckscheibe 3 verbundenen Enden über beidseitig angeformte Verbindungsabschnitte 12 jeweils mit der Bodenscheibe 2 und der Deckscheibe 3 materialschlüssig verbunden. Zur Verbesserung der Stabilität kann der Hohlraum mit Kunststoff ausgespritzt oder ausgeschäumt sein.
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In 9 und 9a ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades 1 im Teilschnitt dargestellt, bei dem im Wesentlichen entsprechend der Ausführung gemäß den 2 und 3 die Schaufeln 5 nur partiell über ein Formteil 8 verstärkt sind. Dieses Formteil 8 ist in einem Teilbereich 13 doppellagig hergestellt, wobei dieser Teilbereich 13 im Übergangsbereich des Formteils 8 zur Bodenscheibe 2 vorhanden ist. Dieser doppellagige Teilbereich 13 kann sich auch auf den Verbindungsabschnitt 10 erstrecken. In dieser Ausführungsform ist das Frontteil etwa trapezförmig geformt, so dass sich das Formteil von dem Verbindungsabschnitt 12 in Richtung auf die Deckscheibe 3 verjüngt.
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In den 10, 10a und 11 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, mit einem Formteil 8, bei dem alle umlaufenden Kanten (Schnittkanten des Organobleches) oder Teile davon, eine zahnartige oder wellenförmige oder ähnliche Struktur aufweisen, um eine verbesserte Verbindung zwischen Organoblech und der übrigen Kunststoffstruktur zu erzielen.
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In 12 ist ein erfindungsgemäßes Schaufelrad als Axialventilatorrad 14 dargestellt. Dieses Axialventilatorrad 14 besteht aus einem kreiszylindrischen Träger 15, an dem umfangsgemäß Ventilatorschaufeln 16 angeformt sind. An den Ventilatorschaufeln 16 ist jeweils im Bereich der in Drehrichtung D weisenden Kante 17, und zwar im Anschluss an das hohlzylindrischen Trägerteil 15 ein Formteil 18 aus Organoblech vorhanden, das über eine Abwinklung 19 auch mit dem Trägerteil 15 verbunden ist. Gegebenenfalls kann das Formteil 18 um die Kante 17 herumgeführt sein und sich auf die Außenseite der Ventilatorschaufeln 16 erstrecken. Durch das erfindungsgemäße Formteil 18 wird der Übergangsbereich zwischen dem hohlzylindrischen Trägerteil 15 und der Ventilatorschaufel 16 verstärkt. Die Schnittkanten des Formteils können auch hier eine zahnartige oder wellenförmige oder ähnliche Struktur aufweisen.
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In den 13 und 14 sind alternative Ausführungsformen einer Ventilatorschaufel 16 eines Axialventilatorrades 14 dargestellt. Die 13 zeigt dabei die Anbringung des Formteils 18 in einem mittleren Teil der Schaufel 16 mit Abwinklung 19 und Anbindung an dem hohlzylindrischen Trägerteil 15. Die 14 zeigt eine Schaufel 16, die komplett aus Organoblech besteht und damit auch mit dem hohlzylindrischen Trägerteil 15 verbunden ist.
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In 15 ist eine alternative Ausführungsform einer Ventilatorschaufel 16 eines Axialventilatorrades 14 dargestellt, wobei die Ventilatorschaufel 16 nicht einstückig mit dem Trägerteil 15 verbunden wird, sondern über eine Schraubverbindung. Hierzu weist die Ventilatorschaufel 16 einen Schaufelkörper 21 auf, der ein inneres Einlegeteil 22 besitzt, und ein dieses Einlegeteil 22 teilweise umhüllendes äußeres Schaufelformteil 23. Hierbei ist das Schaufelformteil 23 im Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt und das Einlegeteil 22 besteht erfindungsgemäß aus einem Formteil aus Organoblech, so dass das Einlegeteil 22 durch Umspritzung mit dem Schaufelformteil 23 mit diesem materialschlüssig verbunden ist. Das Organoblech kann zur weiteren Stabilisierung auch Sicken 31 aufweisen. An dem Einlegeteil 22, das einen nicht von dem Schaufelformteil 23 umschlossenen Bereich 24 besitzt, kann die Ventilatorschaufel 16 an dem hohlzylindrischen Trägerteil 15 befestigt werden. Hierzu weist das hohlzylindrische Trägerteil 15 vom Trägerteil radial abstehende Befestigungsflansche auf. Diese Ausführung des Trägerteils ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, auch diese Befestigungsflansche aus Organoblech-Material als Formteil herzustellen, die mit dem hohlzylindrischen Trägerteil 15, das beispielsweise ebenfalls aus thermoplastischem Kunststoff gespritzt sein kann, materialschlüssig verbunden sind.
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16 zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der die Ventilatorschaufel 16 komplett aus Organoblech gefertigt ist und lediglich die umlaufenden Kanten mit einer Kunststoffberandung versehen sein können.
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Für die Fertigung der erfindungsgemäßen Schaufelräder 1, 14 und Schaufeln 5, 16 wird das Formteil aus Organoblech zunächst zugeschnitten und erwärmt in das Spritzgusswerkzeug zur Herstellung des jeweiligen Schaufelrades 1, 14 bzw. der jeweiligen Schaufeln 5, 16 eingelegt und im Spritzgusswerkzeug in einem kombinierten Vorgang geformt und umspritzt. Ist die Dicke des jeweiligen zur Anwendung kommenden Organoblech-Formteils kleiner als die Dicke der Kavität der Spritzgussform, wird das Organoblech-Formteil während des Spritzvorgangs durch geometrische Maßnahmen im Werkzeug fixiert. Füllt das jeweilige Formteil aus Organoblech die Kavität in dem jeweils zur Anwendung kommenden Spritzgusswerkzeug nicht aus, da die Dicke des Formteils kleiner ist als die Dicke der Kavität, so liegt das jeweilige Formteil an einer Seite der Kavität der Spritzgussform an. Füllt das Formteil aus Organoblech jedoch die Kavität des Spritzgusswerkzeuges komplett aus, was dann der Fall ist, wenn beispielsweise die Schaufel vollständig aus dem Material des Organoblechs besteht, entspricht die Negativkontur der Kavität des Spritzgusswerkzeuges der Positivform des Organoblechs. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn das Formteil aus Organoblech beim Spritzgussvorgang in der jeweiligen Spritzgussform vollständig mit Spritzgussmaterial umschlossen wird, so dass keine Schnittkanten des aus Organoblech bestehenden Formteils am fertigen Spritzgussteil sichtbar sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaufelräder bzw. Schaufeln ergeben sich folgende Vorteile gegenüber konventionell gefertigten Schaufelrädern bzw. Schaufeln.
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Durch die wesentlich höhere Steifigkeit und Bruchfestigkeit des Organoblechmaterials kann das mit den erfindungsgemäßen Formteilen aus Organoblech verstärkte Schaufelrad oder die verstärkte Einzelschaufel oder die insgesamt aus Organoblech gebildeten Schaufeln bei wesentlich höheren Drehzahlen und/oder Fördermitteltemperaturen betrieben werden. Hierbei bleiben jedoch die Vorteile des Spritzgussverfahrens, im Wesentlichen dessen vielfältige geometrische Gestaltungsmöglichkeiten und eine wirtschaftliche Fertigung, erhalten.
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Durch den Einsatz von Formteilen aus Organoblech lassen sich Wandstärken und damit erforderliche Materialmengen reduzieren, was zu leichteren und somit kostengünstig herstellbaren Bauteilen führt.
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Durch die Möglichkeit, nur in Bereichen partiell eine Verstärkung mit einem erfindungsgemäßen Formteil anzubringen, in denen das Spritzgussformteil ohne das erfindungsgemäße Formteil festigkeitsmäßig nicht hinreichend dimensioniert wäre, ist eine sehr sparsame und damit sehr kostengünstige Nutzung eines erfindungsgemäßen Formteils aus Organoblech möglich.
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Die für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formteils aus Organoblech zusätzlichen Maßnahmen wie die Vorerwärmung des Organoblechs und die erforderliche Verformung des Organoblechs vor oder während des Spritzgussvorgangs lassen sich leicht in den Fertigungszyklus des üblichen Spritzgussvorgangs integrieren, so dass nur geringe Zusatzprozesskosten entstehen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
