JP2005313640A - 改良されたファンリングの溶着線強度を有するプラスチックファン - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチックファンにおけるファンリングの溶着線強度を改善する方法を提供する。
【解決手段】 熱可塑性、重合性リング型ファンの射出成形中の材料の流れに、反対方向に流れる材料の大部分が、好ましくは互いを超えて流れ、或いは互いに１８０度で衝突するのでなくて、互いにある角度を成して衝突して溶着線７５を形成するように、影響を与える方法である。迂回するこの流れは、単に流れ先端部５０、６０が衝突しかつ冷却するよりも、良好な材料の混合或いは一体化をもたらす。一つの実施例において、ファンのリングの一部は溶着線領域において厚くされて互いに１８０度を成して衝突する材料の量を最小限にする。代わりに、成形状態注に材料の流れに影響を与える少なくとも一つの付属物がリングに追加される。各付属物はリング付きファンが冷却装置に導入される前に除去される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、概括的にはファン駆動システムに、厳密には、改良されたファンリングの溶着線強度を有するプラスチックファンに関する。

本発明は、産業用又は自動車用エンジンにより駆動され当該エンジンを冷却するのに使用されているファンの様な冷却ファンに関する。
大部分の産業用及び自動車用エンジン用途では、冷媒ラジエータを通して空気を引き込むのに、エンジン駆動の冷却ファンを使用している。通常、ファンは、エンジンのクランクシャフトに接続されたベルト駆動機構を通して駆動されている。

典型的冷却ファンは、中心のハブプレートに取り付けられた複数のブレードを備えている。ハブプレートは、例えば、ベルト駆動機構との回転接続部を設けるように構成されている。ファンブレードの寸法と数は、具体的用途の冷却要件で決められる。例えば、小型自動車用ファンは、直径僅か約２２８．６ｍｍ（９”）の４枚ブレードで十分であろう。大きな自動車では、多数のブレードが必要になる。或る典型的な高負荷自動車用途では、外径７０４ｍｍのブレードを９枚備えている。

ブレードの数と直径に加えて、具体的なファンの冷却容量は、ファンがその作動速度で作り出すことのできる空気流量にも支配される。空気流量は、ブレードの面積及び曲率又はプロフィールすなわち輪郭の様な具体的なブレードの幾何学形状と、ファンの回転速度で決まる。

冷却ファンの寸法と空気流量容量が増すにつれ、ファン、特にブレードに掛かる負荷も増大する。加えて、回転速度が上がり、ファンを通る空気流量が増すと、ブレードのピッチングが悪化し、著しい騒音問題が起き易い。これらの問題をある程度軽減するため、或る冷却ファンの設計では、ファンの外周の回りにリングを組み込んでいる。具体的には、ブレードの先端がリングに取り付けられ、このリングがブレード先端を安定化している。リングは、更に、ブレードの先端で発生させる渦を減らす働きをし、特に、リングが、リングの外周に沿うＵ字型のシュラウドと組み合わせられている場合には効果的である。

従って、このリング付ファンの設計は、先行技術による支持無し冷却ファン構造で生じる構造上の問題の幾つかを取り除く。確かに、リング付ファンによって強度が増し振動特性も改善されたが、これらのファンに関する通常の作動条件に対して、リング付ファンの容量に関する要求が再び高まっている。更に、外周のリングの慣性質量によって、ブレードとリングの境界面に生じる求心力が増している。

その結果、リング付ファンの冷却空気流容量を改良し、同時にその強度を増す方法に対する要求が再び高くなっている。この要求は、大きな産業用及び自動車用エンジンに対する冷却要求の増大を満足させるためにファンの作動回転速度が上がる際には特に先鋭なものとなる。

本発明は、プラスチックファンにおけるファンリングの溶着線強度を改善する方法を提供する。

本発明は、ポリマーの、望ましくは熱可塑性ポリマーのリング式ファンの射出成形の間の材料の流れに対して、成形の間に互いに逆方向に流れる材料の大部分が、望ましくは互いに流れて通り過ぎ、又は互いに対して１８０度で衝突するのではなく溶着線（編み目線とも呼ばれる）に沿って互いに対して或る角度で衝突するように、影響を及ぼす方法に関する。この流れバイパスを行うと、結果的に、単に前方に流して衝突させて冷却する場合よりも、材料が良好に混合され一体化されることになる。

本発明は、この結果を得るため、２つの全く異なる方法を提案する。１つの方法では、ファンリングの溶着線近くの部分を厚肉にして、溶着線の領域で、溶融した原材料が流れて通り過ぎ、又は渦を形成するようにして、この部分で衝突する材料の量を最小化する。

これとは別に、モールド成形状態の間の材料の流れに影響を及ぼす１つ又は複数の付属物を、リングファンの外側リングの溶着線付近の位置に付け加えてもよい。この付属物は、リングファンを冷却システムに組み込む前に取り除かれる。

本発明自体は、付随する利点共々、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば良く理解頂けるであろう。

本発明の原理の理解を促す目的で、これより図面に示す実施形態について説明してゆくが、説明に際しては特定の言語を使用する。しかしながら、これによって本発明の範囲に何ら制限を加える意図は無いものと理解されたい。本発明は、本発明の関わる技術分野の当業者であれば普通に想起できると思われる、例示する装置及び説明する方法に対するあらゆる変更と更なる修正、並びに本発明の原理の更なる応用を包含するものとする。

図１及び２に示すように、先行技術による典型的なリングファン１０は、中心のハブプレート１２に取り付けられた複数のブレード１１を含んでいる。図１に示すように、ハブプレート１２は、ファンを既知設計のファン駆動アッセンブリに取り付けるために設けられた取り付けボルトリング１３を含んでいる。ファン１０は、更に、各ファンブレード１１の先端１７に固定された外側リング１５と、各ブレード１１の基部１９に固定された内側リング１６を含んでいる。内側リング１６、外側リング１５、及びブレード１１は、望ましくは、従来からの既知の方法で金属製のハブプレート１２の回りに射出成形された、高強度のモールド成形可能なポリマー材で形成されるのが望ましい。使用される代表的なプラスチックには、（ナイロン６、及び商品名Ｚｙｔｅｌ Ｎｙｔｅｌの様な）ポリアミド又はポリプロピレンがある。これらのプラスチックは、通常、約１５％から５０％、望ましくは１５％から３０％の繊維補強材で補強される。繊維補強材は、通常、短いガラス繊維の形態をしているが、長いガラス繊維を使用してもよい。

各ブレード１１は、リングファン１０への有効入口にある前面２２を有している。同様に、各ブレードは、反対側の後面２５（図２参照）を、リングファンの裏側に有している。この好適な実施形態では、５枚のブレード１１が設けられ、それぞれブレード基部１９からブレード先端１７までほぼ一様な厚さを有している。別の実施形態では、各ブレード１１は、ブレードの前縁部１１ａから後縁部１１ｂまで厚さが変化している。各ブレード１１は、リングファン１０が標準の回転速度運転範囲内で且つその意図されたシステム拘束条件の範囲内で運転されたときに、最大の空気流量を提供するような翼型形状に従っているのが望ましい。

図２を見ると分かるように、ファン１０の外側リング１５には、ファンの略出力面にフレア付のリム２８が設けられている。フレア付リム２８は、各ブレード１１の先端１７から遠ざかる方向に緩やかな曲率を描く、半径方向外向きにフレアの付いた面２９を画定している。ファン１０は、ファンブレードの前縁部１１ａが入口側を形成しており、反対側の後縁部１１ｂが出口側を形成している。外側リング１５のフレア付リム２８は、ファン１０の外側に配置されている。

図３は、先行技術によるリングファン１０の外側リング１５の、従来型のモールド成形工程で外側リング１５を形成するのに使用される溶融した原材料の流れ先端部５０、６０を、拡大し強調して示す図である。

この工程では、溶融状態の原材料が、金型の各基部１９近くの内側リング１６に対応する位置に形成されたゲートを通して圧力の下で導入される。先に図１、２で説明したように、ポリアミドで形成されたプラスチックファン１０の場合、繊維の入ったポリアミド（即ち、原材料）が、ゲートを通して、約２１８℃から２２６℃（４２４°Ｆ−４３９°Ｆ）の温度、約５００トンから１５００トンの圧力で射出される。金型に設けられているゲートは、通常、直径が約１から４ｍｍ（約０．０３９−０．１５７インチ）の範囲にある。原材料は、金型の中で冷却されて硬化したプラスチックを形成し、次いで金型が開かれ、成形済みのファン１０が取り出される。

溶融した原材料は、金型空洞内に射出されると、最も抵抗の少ない経路に沿って流れる。原材料の一部は、こうして内側リング１６を形成する。２つの隣接するゲートからの流れ先端部５０、６０で表されている溶融した原材料の他の部分は、隣接するブレード１１を通って基部１９から先端１７へ、そして外側リング１５へと流れて外側リング１５を形成する。流れ先端部５０、６０は、先端１７から外側リング１５内を、各ブレード１１の先端１７から略等距離の中間領域に向かって、互いに対して且つ外側リング１５の内周２３と外周２７に対して略平行に、流れる。流れ先端部５０、６０は、リングファン１０構造体の接線方向に対して略直角な概ね平坦な領域５５に沿って（平面領域５５は、この中間領域で外側リング１５の内周２３と外周２７の接線に対して直角方向に走っている）出会い、凝固する（即ち、流れ先端部５０、６０は、直接互いに衝突する）。換言すると、流れ先端部５０、６０は、互いに対して約１８０度の角度ａ’を形成し、外側リング１５の厚さｔは、その長さと幅に沿って先端領域から中間領域まで一定である。流れ先端部５０、６０の出会いと凝固によって、外側リング１５の各隣接するブレード１１の対の間に溶着線７５（編み目線とも呼ぶ）ができる。当業者であれば理解頂けるように、この溶着線７５は、通常、遠心力によって誘起される曲げ応力に対する、外側リング１５の最も弱い部分となる。

部品の形状によっては結合目線すなわち溶着線７５の形状に影響の出ることもあるが、一般的に、編み目線は、極めて直線的で、軸方向に外側リング１５に沿って隣接するブレード先端１７同士のほぼ中間を、外側リング１５の内周２３と外周２７の両方を規定する接線に対して直角に走る。

図４と図５は、この様々な溶着線におけるリングファン１０の強度を改善するための２つの好適な方法を示している。図４では、外側リング１５の厚さｔを、先端領域から中間領域までその長さと幅の部分に沿って変化させることによって、原材料の流れ５０、６０の方向が変えられている。流れ先端部５０、６０からの材料が少なければ、（図３のように）平坦な領域５５に沿って衝突して凝固し、その結果強い溶着線ができる。換言すると、流れ先端部５０の一部が、流れ先端部６０の一部と（図３のように）約１８０度より小さな角度ａ’で衝突する。図５では、溶着線が生じる領域又はその近くの領域に、材料が衝突するのではなくそこを通って流れることになる１つ又は複数の付属物９９を設けることによって、図３に示すような溶着線が、効果的に取り除かれるか又は減らされている。この付属物は、この後、ファン１０をファン駆動部に取り付ける前に除去される。これらについては、以下に詳しく説明する。

図４は、外側リング１５の厚さtを、溶着線７５に近いか又は対応する中間位置５７で単に厚くすることによって流れ先端部５０の方向を変える方法を示している。これによって、各流れ先端部５０、６０の少なくとも一部５０ａ、６０ａが、外側リング１５の接線方向にほぼ直角な平面領域５５で（図３のように）出会い凝固するのではなく、溶着線７５において（図３のように）互いに対してある角度で出会うことになる。

次に図５は、（図３のような）平面領域５５内の溶着線７５の近くの位置５７に付属物９９を設けて溶着線７５を変化させる別の方法を示している。図５では、付属物９９は、外側リング１５の内周２３に沿って連結されている。（図３に示すような）流れ先端部５０、６０からの材料は、好適にも、外側リング１５の接線（即ち、長さに沿う）方向に対してほぼ直角な平坦な領域５５に沿って出会い停止するのではなく、付属物９９へと流れ込む。この様にして、溶着線は、最小化されるか、或いは外側リング１５から取り除かれ、代わりに付属物９９内に形成される。流動材料が冷却し金型が取り外されると、付属物９９は、時計方向又は反時計方向に捻るだけで壊して外側リング１５の位置５７から容易に除去することができる。

更に、付属物９９を設けると、金型内に閉じ込められていた気体を追い出す場所ができるという付加的な利点も得られる。これは、酸化残余物の様な金型が放出する残余物又は不純物をモールド成形工程の間に集める場所ともなる。

図５では、外側リング１５の内周２３に沿って１つの付属物９９が配置されているように示されているが、別の好適な実施形態では、付属物９９が結合すなわち溶着線７５に沿って別の位置に配置されている。例えば、付属物９９は、外側リングの外周２７に沿って形成してもよいし、内周２５と外周２７の中間に設けてもよい。更に、別の好適な実施形態では、結合線７５毎に複数の付属物９９が、モールド成形工程の間に形成される。この様に、例えば、或る実施形態では、１つの付属物９９が内周２３上に、もう１つの付属物９９が外周２７上に、それぞれ隣接するブレード先端１７の対のほぼ中間に位置する各結合線７５上に形成される。別の好適な実施形態では、或る隣接するブレード先端１７の対の間に形成される付属物９９の数が、別の隣接するブレード先端１７の対の間に形成される付属物の数と異なっている。

図４と図５の上記好適な実施形態の何れにおいても、ファン駆動システムで使用されるファンの外側リングの強度を改善する好適な方法論が、図６に示す以下のフロー線図に従って実現されている。先ず、ステップ１００で、ファンの寸法と形状に対応する内部を有するファン用の試作金型が作られる。この試作金型では、外側リング１５の厚さｔは一定に保たれている。次のステップ１１０で、或る量の溶融した原材料が、複数のゲートそれぞれを通して前記内部へ、所望の温度と圧力で同時に導入される。ステップ１２０で、原材料は、試作金型の中で冷却され試作のファンを形成する。

ステップ１３０で、隣接する複数のファンブレード１１の対それぞれの間の外側リング１５に沿う溶着線７５の位置が確認される。先に述べたように、溶着線７５は、隣接する複数のファンブレード１１の対の間の前記試作ファンの外側リング１５の最も弱い部分に対応し、前記量の溶融した原材料の或る部分の第１の流れ先端部５０が、前記量の溶融した原材料の第２の部分の第２の流れ先端部６０と衝突する位置に形成される。一様な厚さの外側リングの場合、理想的なモールド成形条件の下では、流れ先端部５０と６０は、直接互いに衝突する（即ち、２つの先端部５０と６０の間に形成される角度は、ほぼ１８０度に近い）。

次に、ステップ１４０で、モールド成形工程によって、一方の流れ先端部５０の原材料の流れの部分が、第２の流れ先端部６０からの原材料の部分と約１８０度より小さい角度ａ’で衝突するファン１０が形成されるように、前記試作金型の内部形状を形状修正する。図４では、このステップは、外側リング１５の厚さｔを、その長さと幅の部分に沿って先端領域から溶着線７５かその近くの位置の中間領域まで厚くすることによって達成される。図５では、このステップは、１つ又は複数の付属物９９を、外側リング１５に沿う各溶着線に対応する平面領域５５に設けることによって達成される。

ステップ１５０で、或る量の溶融した原材料が、複数のゲートそれぞれを通して前記形状修正された試作金型の内部へ、所望の温度と圧力で同時に導入される。
ステップ１６０で、形状修正された試作ファンの強度が、外側リング１５全体を通して厚さが一定の試作ファンの強度と、比較される。

最後に、必要に応じて、ステップ１７０で、外側リング１５の最適な所望強度を達成するため、試作金型を形状修正してステップ１４０−１６０を繰り返す。
溶着線７５が図３の外側リング１５上に形成されるように示しているが、お分かりのように、リングファン１０の流れ先端部が交差する別の領域に、追加の溶着線（図示せず）が形成されることもある。例えば、原材料の流れは、原材料が複数のゲートから同時に射出されるため、内側リング１６内のゲートの間で交差する。従って、溶着線の強度を改良するための本方法は、リングファンのここに記述していない別の部分にも組み込むことができる。

本発明は、この様に、モールド成形リングファンの強度を改良するための２つの独特な方策を記述している。この追加的強度は、大きな産業用及び自動車用エンジンに対する増大する冷却の要求を満足させるためにファンの運転回転速度を上げる際には、特に重要になってくる。

更に、ここに述べる本方法は、溶融した原材料の流れがモールド成形工程の間に交差するモールド成形可能なプラスチック部品の成形には、あらゆるものに等しく適用することができる。

以上、本発明を幾つかの実施形態に関係付けて説明してきたが、ここに記述した特定の機構及び技法は、本発明の原理を例示するためのものに過ぎず、ここに説明した方法と装置には、特許請求の範囲に定義する本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えることができるものと理解されたい。

先行技術によるリングファンを示す。 図１に示すリングファンの後方斜視図である。 モールド成形状態の間の、図１の外側リングを通る溶融した原材料の流れを拡大し強調して示す図である。 本発明の或る好適な実施形態による、リングファンのモールド成形状態の間の、外側リングを通る溶融した原材料の流れを拡大し強調して示す図である。 本発明の別の好適な実施形態による、取り去ることのできる複数の付属物を有するリングファンの拡大平面図である。 図４及び図５の好適な実施例によるファンを成形するためのフロー図である。

符号の説明

１０ ファン １１ ブレード
１５ 外側リング １６ 内側リング
２３ 外側リングの内周 ２７ 外側リングの外周
５０ 第１の流れ先端部 ５５ 平面部分
６０ 第２の流れ先端部 ７５ 溶着線
９９ 付属物

Claims (9)

1. ファン駆動システムで使用される、外側リング（１５）と内側リング（１６）の間に連結された複数のファンブレード（１１）を有するファン（１０）の前記外側リング（１５）の強度を改良するための方法において、
   前記ファン（１０）の寸法と形状に対応する内部を有する試作金型を形成する段階であって、前記外側リング（１５）の厚さは一定であり、前記金型は前記内側リング（１６）の周りに配置された複数のゲートを有しており、前記複数のゲートの１つは、前記内側リング（１６）と前記複数のファンブレード（１１）の１つに対応する位置で密に連結されている、段階と、
   前記試作金型に、或る量の溶融した原材料を、前記複数のゲートのそれぞれを通して前記内部へ所望の温度と圧力で同時に導入する段階と、
   前記或る量の溶融した原材料を前記試作金型内で冷却して試作ファン（１０）を形成する段階と、
   前記試作ファン（１０）内の、前記複数のファンブレードの各隣接する対の間で前記外側リング（１５）に沿う溶着線（７５）の位置を確認する段階であって、前記溶着線（７５）は、前記複数のファンブレードの隣接する対の間で前記試作ファンの前記外側リング（１５）の最弱部分に対応しており、前記外側リング（１５）の前記最弱部分は、前記或る量の溶融した原材料の或る部分の第１の流れ先端部（５０）が、前記或る量の溶融した原材料の第２の部分の第２の流れ先端部（６０）と衝突する位置に形成され、前記第１の流れ先端部（５０）は、前記外側リング（１５）に沿って前記複数のファンブレード（１１）の１つから前記複数のファンブレード（１１）の隣接する１つに向けて実質的に第１の方向に流れ、一方、前記第２の流れ先端部（６０）は、前記外側リング（１５）に沿って前記複数のファンブレード（１１）の前記隣接する１つから前記複数のファンブレード（１１）の前記１つに向けて実質的に第２の方向に流れ、前記第１の方向は、前記第２の方向に対して約１８０度の角度ａ’を画定している、段階と、
   前記試作金型の前記内部を形状修正して金型を形成する段階であって、前記金型が、前記第１の流れ先端部（５０）が前記第２の流れ先端部（６０）と衝突したときに前記角度ａ’が約１８０度より小さくなるように、ファンを成形できるようにする段階と、
   前記金型に、或る量の溶融した原材料を、前記複数のゲートのそれぞれを通して前記内部へ所望の温度と圧力で同時に導入する段階と、
   前記或る量の溶融した原材料を前記金型内で冷却して前記ファンを形成する段階と、
   前記ファン（１０）を前記金型から取り出す段階と、から成る方法。
2. 前記金型による前記外側リング（１５）の強度を、前記試作金型による前記外側リング（１５）の強度と比較する段階と、
   前記金型の前記内部を、前記外側リング（１５）の強度が最適化されるまで形状修正する段階と、を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記試作金型の内部を形状修正する前記段階は、前記内部を、前記溶着線（７５）に対応する前記外側リング（１５）の前記厚さ（３７）が厚くなるように前記内部を形状修正する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
4. 前記試作金型の内部を形状修正する前記段階は、付属物９９を前記外側リング（１５）に、前記溶着線のそれぞれに対応する平面領域（５５）に沿って設ける段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 前記試作金型の内部を形状修正する前記段階は、付属物（９９）を前記外側リング（１５）の内周（２３）に、前記溶着線（７５）のそれぞれに対応する平面領域（５５）に沿って設ける段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 前記試作金型の内部を形状修正する前記段階は、付属物（９９）を前記外側リング（１５）の外周（２７）に、前記溶着線（７５）のそれぞれに対応する平面領域（５５）に沿って設ける段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
7. 前記試作金型の内部を形状修正する前記段階は、少なくとも２つの付属物（９９）を前記外側リング（１５）に、前記溶着線（７５）のそれぞれに対応する平面領域（５５）に沿って設ける段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
8. 請求項３の方法に従って形成されたファン（１０）。
9. 請求項４、５、６又は７の方法に従って形成されたファン（１０）。

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