專利名稱：具有提高的風扇環件熔合線強度的塑料風扇的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及風扇驅動系統，更具體地涉及具有提高的風扇環件熔合線強度的塑料風扇。
背景技術：
本發明與冷卻風扇例如在冷卻工業發動機或汽車發動機中所驅動并使用的風扇有關。更具體地說，本發明的某些方面涉及到環型風扇(ring fan)，而其它特征涉及到風扇的葉片設計。
在大多數工業發動機和汽車發動機的應用中，使用了由發動機驅動的冷卻風扇，其通過制冷劑散熱器來抽吸空氣。通常通過連接在發動機曲軸上的皮帶傳動機構來驅動該風扇。
典型的冷卻風扇包括安裝在中心轂襯上的多個葉片。例如，可將轂襯構造成用來提供與皮帶傳動機構相連的旋轉連接。風扇葉片的尺寸和數量由具體應用的冷卻要求來確定。例如，小型汽車的風扇可以只需要4個只有9英寸直徑的葉片。在大型應用中，需要更多數量的葉片。在一個典型的重型汽車的應用中，在風扇設計中包括9個葉片，這些葉片具有704毫米的外徑。
除了葉片的數量和直徑之外，特定風扇的冷卻能力還由風扇在其工作速度下所能產生的氣流體積來決定。這一氣流體積依賴于具體的葉片幾何形狀，例如葉片的面積和曲率或輪廓，以及風扇的旋轉速度。
當冷卻風扇的尺寸和氣流容量增大時，風扇尤其是葉片所承受的負載也會增大。另外，更高的旋轉速度以及穿過風扇的更大氣流可能會導致葉片的去俯仰(de-pitching)和顯著的噪音問題。為了在一定程度上解決這些問題，一些冷卻風扇的設計包含了環繞在風扇周圍的環件。具體地說，葉尖連接在環件上，其為葉尖提供了穩定性。尤其在環件與沿著環件周圍布置的U形罩相結合時，環件還有助于降低葉尖處的渦流。
因此，環型風扇的設計消除了先前無支撐的冷卻風扇結構中遇到的結構難點。然而，由于環型風扇所具有的增大強度和提高振動的特征，因此這些風扇的額定工作條件已經被提高，從而再次對環型風扇的性能極限造成了沖擊。而且，外周環件的質量慣性提高了施加在葉片-環件界面上的向心力。
因此，仍需要研究用于提高環型風扇的冷卻氣流容量且同時提高其強度的方法。這種需求隨著需要提高風扇的工作轉速以滿足大型工業發動機和汽車發動機日益提高的冷卻要求而變得尤其強烈。
發明內容
本發明涉及一種方法，其可在聚合物優選是熱塑性聚合物的環型風扇的注塑期間影響材料的流動，使得在成型期間在相反方向上流動的材料的主要部分優選沿著熔合線(也稱為匯合線)相互間旁路地流過，或者相互間以一定的角度發生碰撞，而非相互間以180度的角度發生碰撞。與僅僅使流峰發生碰撞并冷卻相比，這種旁路流動可以導致更好的材料混合或整體化。
本發明為實現這種結果提出了兩種不同的方法。在一種方法中，增加了風扇環件的位于熔合線附近的那一部分的厚度，從而使熔融原材料在熔合線區域內流過或產生渦動，以減少在這一部分處發生碰撞的材料總量。
或者，可在熔合線附近的位置處在環型風扇的外環上增設一個或多個可在模塑條件期間影響材料流動的附件。在將環型風扇裝入到冷卻系統中之前除去這種附件。
通過參考結合附圖所作的下述詳細描述，可以最佳地理解本發明本身及其優點。
圖1顯示了根據現有技術的環型風扇；圖2是圖1中所示環型風扇的背面透視圖；圖3是在模塑條件期間流過圖1所示外環的熔融原材料的放大的特寫圖；圖4是在根據本發明一個優選實施例的環型風扇的模塑條件期間流過外環的熔融原材料的放大的特寫圖；圖5是根據本發明另一優選實施例的具有多個可拆卸附件的環型風扇的特寫平面圖。
圖6是顯示了用來提高風扇的外環強度的方法的流程圖。
具體實施例方式
出于更好地理解本發明原理的目的，下面將參考圖中所示的實施例并用專用的語言來介紹這些實施例。然而應當理解，并不因此而限制了本發明的范圍。本發明包括了所示裝置和所述方法中的任何變化和其它修改，以及對本發明原理的進一步應用，這些都是本發明所屬領域的技術人員通常能想到的。
現在來看圖1和2，根據現有技術的典型環型風扇10包括多個安裝在中心轂襯12上的葉片11。如圖1所示，轂襯12可包括裝配螺栓孔13，其構造成用來將風扇安裝到已知設計的風扇驅動組件上。風扇10還包括固定在各風扇葉片11的葉尖17上的外環15，以及固定在各葉片11的葉根19上的內環16。內環16、外環15和葉片11優選由高強度的可模塑聚合物材料形成，該材料優選在傳統的已知工藝中圍繞著金屬轂襯12進行注塑。所使用的典型塑料包括聚酰胺(例如尼龍6和商標名為Zytel Nytel的尼龍)或聚丙烯。這些塑料通常利用約15％到50％、優選15％到30％之間的纖維增強材料來增強。纖維增強材料通常為短玻璃纖維的形式，但是也可使用長玻璃纖維。
各葉片11包括位于環型風扇10的有效入口處的前表面22。同樣，各葉片也包括位于環型風扇背面的相對的后表面25(見圖2)。在優選實施例中設有5個葉片11，各葉片都具有從葉根19到葉尖17的基本上均勻的厚度。在另一實施例中，各葉片11的厚度可在從葉片的前緣11a到后緣11b上變化。各葉片11優選采用翼型結構，其在環型風扇10在其標準轉速工作范圍內以及在其系統限制的預期范圍內工作時可提供最大量的氣流。
參見圖2，可以看到，風扇10的外環15包括張開的緣邊28，其通常設置在風扇的輸出面上。張開的緣邊28限定了徑向向外的展開面29，其以漸進的曲率遠離各葉片11的葉尖17。風扇10限定了位于風扇葉片前緣11a處的入口側，以及位于后緣11b處的相反的出口側。外環15的張開緣邊28設置在風扇10的出口側。
圖3顯示了根據現有技術的環型風扇10的外環15的特寫放大圖，其顯示了在傳統模塑工藝期間用于形成外環15的熔化(即熔融)原材料的流峰50，60。
在該工藝中，熔融形式的原材料在壓力作用下經由形成于模具中的澆口而引入到與相應葉根19附近的內環16相對應的位置處。對于如圖1和2所述由聚酰胺形成的塑料風扇10來說，含有纖維的熔融聚酰胺(即原材料)經由澆口以約218到226攝氏度(424到439華氏度)的溫度并以約為500噸到1500噸之間的壓力注入。包含于模具中的澆口通常在約1到4毫米(0.039英寸到約0.157英寸)直徑的范圍內。原材料可在模具中冷卻以形成硬塑料，然后將模具打開以釋放出所形成的風扇10。
當將原材料注入模腔中時，熔融的原材料沿著最小阻力的路徑流動。這樣，原材料的一部分形成了內環16。由來自兩個相鄰澆口的流峰50和60所表示的熔融原材料的另一部分從相應的澆口中流出來，從葉根19到葉尖17地穿過相鄰葉片11，并進入到外環15中以形成外環15。流峰50，60在外環15內流動，從葉尖17流向距各葉尖17大致相等距離的中間區域，并且大致相互平行且平行于外環15的內周23和外周27。流峰50，60沿著幾乎垂直于環型風扇10結構的切線方向的相當平坦的區域55(該平坦區域55在這個中間區域內垂直于外環15的內周23和外周27的切向而延伸)相遇并凝固(即流峰50，60直接相互碰撞)。換句話說，流峰50，60限定了相互間約180度的角度α，其中外環15的厚度t沿其長度和寬度從葉尖區域至中間區域都是恒定的。在外環15中的每對相鄰葉片11之間，流峰50和60的相遇和凝固產生了熔合線75(也稱為匯合線)。如普通技術人員所認識到的那樣，相對于離心力所致的彎曲應力而言，這些熔合線75通常代表外環15的最弱部分。
雖然部件的幾何形狀會影響匯合線75的形狀，但是通常匯合線都是幾乎線性的，并且沿著外環15軸向地延伸到相鄰葉尖17之間的大致中間位置，并且垂直于限定了外環15的內周23和外周27的切線方向。
圖4和5顯示了兩種用于提高環型風扇10在這些各種熔合線處的強度的優選方法。在圖4中，通過改變外環15沿其部分長度和寬度的從葉尖區域到中間區域上的厚度，就可以使原材料的流動50，60重新定向。因此，流峰50，60的較少材料沿著平坦區域55(如圖3所示)碰撞并凝固，這便產生了強度更高的熔合線。換句話說，流峰50的一部分與流峰60的一部分以小于約180度的角度α(如圖3所示)發生碰撞。在圖5中，通過在熔合線發生的區域處或其附近引入一個或多個附件99，就可以有效地去除或減少如圖3所示的熔合線，在這些區域內材料流過但不碰撞。然后在將風扇10連接到風扇驅動裝置之前除去這些附件。下面將更加詳細地介紹每種方法。
現在來看圖4，僅通過增大外環15在靠近或對應于熔合線75的中間位置57處的厚度t就可以實現一種用于使流峰50重新定向的方法。這導致了各個流峰50，60(如圖3)的至少一部分50a，60a在熔合線75處以相互間成某一角度相遇，而非沿著幾乎垂直于外環15切向的平坦區域55(如圖3所示)相遇并凝固。
現在來看圖5，另一種用來改變熔合線75的方法是在靠近熔合線75的位置57處和在平坦區域55(如圖3所示)內引入附件99。在圖5中，附件99顯示為沿著外環15的內周23進行連接。與沿著幾乎垂直于外環15的切線方向(即沿著長度)的平坦區域55相遇并凝固相比，來自流峰50和60的材料(如圖3所示)將優先流入到附件99中。這樣就可將熔合線減少到最小，或者將其從外環15中除去，取而代之的是使其形成在附件99上。在流動材料冷卻并從模具中取出之后，通過簡單地順時針或逆時針扭轉便可容易地除去附件99，其中可在位置57處使附件脫離外環15。
另外，附件99的引入具有額外的優點，即提供了可去除存積在模具中的空氣的位置。這還提供了用于在模塑工藝期間所聚集的脫模劑殘余物和其它雜質如氧化殘余物的位置。
雖然在圖5中顯示了一個附件99沿著外環15的內周23進行定位，但是其它的優選實施例可將附件99定位在沿著匯合線75的其它位置中。例如，可沿著外環的外周27或者在內周25和外周27之間的中間點位上形成附件99。另外，在其它優選實施例中，在模塑工藝期間可在每條匯合線75上形成多個附件99。因此，例如，對于處于一對相鄰葉尖17之間的大約中間位置處的各條匯合線75而言，某一實施例可具有形成于內周23上的一個附件99，以及形成于外周27上的另一附件99。在其它優選實施例中，形成于一對相鄰葉尖17之間的附件99的數量可以不同于形成于另一對相鄰葉尖17之間的附件99的數量。
在上面圖4和5所介紹的任一優選實施例中，根據如圖6所示的下述流程圖，可以實現一種用來提高在風扇驅動系統中使用的風扇的外環強度的優選方法。首先，在步驟100中構建風扇的原型模具，其具有對應于風扇尺寸和形狀的內腔。在這種原型模具中，外環15的厚度t保持恒定。接下來在步驟110中，通過多個澆口中的各個澆口以所需的溫度和壓力將一定量的熔融原材料同時引入到所述內腔中。在步驟120中使原材料在原型模具中冷卻，以形成原型風扇。
在步驟130中，確定多個風扇葉片11的每對相鄰葉片之間的熔合線75在外環15上的位置。如上所述，熔合線75對應于所述原型風扇的外環15在多個風扇葉片11的相鄰對之間的最弱部分，并形成于所述一定量熔融原材料的一部分的第一流峰50與所述一定量熔融原材料的第二部分的第二流峰60發生碰撞的位置。在均勻厚度的外環15中，在理想的模塑條件下，流峰50，60直接相互碰撞在一起(也就是說，兩個流峰50，60之間所形成的角度接近約180度)。
接下來在步驟140中改造所述原型模具的內腔，使得該模塑工藝形成這樣一種風扇10，其中一個流峰50的原材料流的一部分與第二流峰60的原材料的一部分以小于約180度的角α發生碰撞。在圖4中，這一步驟通過增大外環15沿著其部分長度和寬度的從葉尖區域到位于熔合線75的部位處或其附近的中間區域上的厚度t來實現。在圖5中，這一步驟通過在外環15中的對應于各條熔合線的平坦區域55內引入一個或多個附件99來實現。
在步驟150中，通過多個澆口中的各澆口將一定量的熔融原材料以所需的溫度和壓力同時引入到改造過的原型模具的所述內腔中。
在步驟160中，將改造過的原型風扇的強度與整個外環15上具有恒定厚度的原型風扇的強度相比較。
最后，如果需要的話，在步驟170中改造原型模具的形狀，并重復步驟140-160，以獲得外環15的最優化的所需強度。
雖然熔合線75顯示為形成在圖3的外環15上，然而應當理解，在流峰相交的環型風扇10的其它區域中會形成其它的熔合線(未示出)。例如，當通過澆口同時注入原材料時，原材料流也會在澆口之間的內環16中相交。因此，用于提高熔合線強度的方法可結合到這里未介紹過的環型風扇的其它部分內。
這樣，本發明描述了兩種用于提高模塑出的環型風扇的強度的獨特方法。由于需要提高風扇的工作轉速以滿足大型工業和汽車發動機的日益提高的冷卻要求，因此這種額外的強度變得尤其重要。
另外，這里所介紹的方法同樣適用于其中在模塑工藝期間熔融原材料流動會相交的任何可模塑的塑料件的成型。
雖然已經結合一個或多個實施例來介紹了本發明，然而應當理解，已介紹的具體裝置和技術僅僅只是本發明原理的解釋性說明，在不脫離由所附權利要求限定的精神和范圍的前提下，可對所介紹的方法和裝置進行各種修改。
權利要求
1.一種用于提高在風扇驅動系統中所用的風扇(10)的外環(15)的強度的方法，所述風扇具有連接在所述外環(15)和內環(16)之間的多個葉片(11)，所述方法包括形成具有內腔的原型模具，所述內腔對應于所述風扇(10)的尺寸和形狀，其中所述外環(15)的厚度是恒定的，所述模具具有設置在所述內環(16)周圍的多個澆口，所述多個澆口中之一緊密連接在所述內環(16)上的對應于所述多個風扇葉片(11)中的一個葉片的位置處；通過所述多個澆口中的各澆口以所需的溫度和壓力向所述原型模具同時引入一定量的熔融原材料至所述內腔中；使所述一定量的熔融原材料在所述原型模具中冷卻，以形成原型風扇(10)；和確定所述原型風扇(10)內的所述多個風扇葉片的各相鄰對之間的熔合線(75)在所述外環(15)上的位置，所述熔合線(75)對應于所述原型風扇的所述外環(15)在所述多個風扇葉片的相鄰對之間的最弱部分，其中所述外環(15)的所述最弱部分形成于所述一定量熔融原材料的一部分的第一流峰(50)和所述一定量熔融原材料的第二部分的第二流峰(60)發生碰撞的位置處，所述第一流峰(50)大致在第一方向上沿著所述外環(15)從所述多個風扇葉片(11)中的一個葉片流向所述多個風扇葉片(11)中的相鄰一個葉片，所述第二流峰(60)大致在第二方向上沿著所述外環(15)從所述多個風扇葉片(11)的所述相鄰一個葉片流向所述多個風扇葉片(11)中的所述一個葉片，所述第一方向相對于所述第二方向限定了角α，所述角α約為180度；改造所述原型模具的所述內腔以形成一個模具，其中所述模具可形成這樣一種風扇，使得當所述第一流峰(50)與所述第二流峰(60)發生碰撞時，所述角α小于約180度；通過所述多個澆口中的各個澆口以所需的溫度和壓力向所述模具同時引入一定量的熔融原材料至所述內腔中；在所述模具中冷卻所述一定量的熔融原材料，以形成風扇；和從所述模具中取出風扇(10)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將所述模具中的外環(15)的強度與所述原型模具中的外環(15)的強度進行比較；和改造所述模具的所述內腔，直到所述外環(15)的強度達到最佳。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，改造所述原型模具的所述內腔包括將所述內腔改造成使得所述外環(15)的對應于所述熔合線(75)的厚度(37)增加。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，改造所述原型模具的所述內腔包括沿著對應于各所述熔合線的平坦區域(55)在所述外環(15)上引入附件(99)。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，改造所述原型模具的所述內腔包括沿著對應于各所述熔合線(75)的平坦區域(55)在所述外環(15)的內周(23)上引入附件(99)。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，改造所述原型模具的所述內腔包括沿著對應于各所述熔合線(75)的平坦區域(55)在所述外環(15)的外周(27)上引入附件(99)。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，改造所述原型模具的所述內腔包括沿著對應于各所述熔合線(75)的平坦區域(55)在所述外環(15)上引入至少兩個附件(99)。
8.一種根據權利要求3所述的方法來形成的風扇(10)。
9.一種根據權利要求4、5、6或7所述的方法來形成的風扇(10)。
全文摘要
一種可在熱塑性聚合物的環型風扇的注塑期間影響材料的流動的方法，使得在相反方向上流動的材料的主要部分優選相互間旁路地流過或相互間以一定角度發生碰撞，而非相互間以180度的角度發生碰撞而形成熔合線。與僅僅使流峰發生碰撞并冷卻相比，這種旁路流動可以導致更好的材料混合或整體化。在一個實施例中，增加了風扇環件的位于熔合線區域中的部分的厚度，從而減少了相互間以180度的角度發生碰撞的材料量。或者，可在環型風扇上增設一個或多個附件，其可在模塑條件期間影響材料的流動。在將環型風扇裝入到冷卻系統中之前除去各個附件。
文檔編號B29C45/76GK1689784SQ20051007001
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月25日 優先權日2004年4月26日
發明者J·B·斯塔格, D·E·布克利 申請人:博格華納公司