专利名称：用于提高在风扇驱动系统中所用风扇的外环的强度的方法
技术领域：
本发明大体上涉及风扇驱动系统，更具体地涉及用于^是高在风扇 驱动系统中所用风扇的外环的强度的方法。
背景技术：
本发明与冷却风扇例如在冷却工业发动机或汽车发动才几中所驱 动并使用的风扇有关。更具体地说，本发明的某些方面涉及到环型风 扇(ring fan),而其它特征涉及到风扇的叶片设计。
在大多数工业发动机和汽车发动机的应用中，使用了由发动机驱 动的冷却风扇，其通过制冷剂散热器来抽吸空气。通常通过连接在发 动才几曲轴上的皮带传动4几构来驱动该风扇。
典型的冷却风扇包括安装在中心毂衬上的多个叶片。例如，可将 毂衬构造成用来提供与皮带传动机构相连的旋转连接。风扇叶片的尺 寸和数量由具体应用的冷却要求来确定。例如，小型汽车的风扇可以 只需要4个只有9英寸直径的叶片。在大型应用中，需要更多数量的 叶片。在一个典型的重型汽车的应用中，在风扇设计中包括9个叶片， 这些叶片具有704毫米的外径。
除了叶片的数量和直径之外，特定风扇的冷却能力还由风扇在其 工作速度下所能产生的气流体积来决定。这一气流体积依赖于具体的 叶片几何形状，例如叶片的面积和曲率或轮廓，以及风扇的旋转速度。
当冷却风扇的尺寸和气流容量增大时，风扇尤其是叶片所承受的
4负载也会增大。另外，更高的旋转速度以及穿过风扇的更大气流可能
会导致叶片的去俯仰(de-pitching)和显著的噪音问题。为了在一定程度 上解决这些问题， 一些冷却风扇的设计包含了环绕在风扇周围的环 件。具体地说，叶尖连接在环件上，其为叶尖提供了稳定性。尤其在 环件与沿着环件周围布置的U形罩相结合时，环件还有助于降低叶尖 处的涡流。
因此，环型风扇的设计消除了先前无支撑的冷却风扇结构中遇到 的结构难点。然而，由于环型风扇所具有的增大强度和提高振动的特 征，因此这些风扇的额定工作条件已经被提高，从而再次对环型风扇 的性能极限造成了冲击。而且，外周环件的质量惯性提高了施加在叶 片-环件界面上的向心力。
因此，仍需要研究用于提高环型风扇的冷却气流容量且同时提高 其强度的方法。这种需求随着需要提高风扇的工作转速以满足大型工 业发动机和汽车发动机日益提高的冷却要求而变得尤其强烈。
发明内容
本发明涉及一种用于提高在风扇驱动系统中所用风扇的外环的 强度的方法，所述风扇具有连接在所述外环和内环之间的多个叶片， 所述方法包括
形成具有内腔的原型模具，所述内腔对应于所述风扇的尺寸和形 状，其中所述外环的厚度是恒定的，所述模具具有设置在所述内环周 围的多个浇口 ，所述多个浇口中之 一 紧密连接在所述内环上的对应于 所述多个风扇叶片中的一个叶片的位置处；
通过所述多个免口中的各浇口以所需的温度和压力向所述原型 模具同时引入一定量的熔融原材料至所述内腔中；
使所述一定量的熔融原材料在所述原型模具中冷却，以形成原型 风扇5 和
确定所述原型风扇内的所述多个风扇叶片的各相邻对之间的熔合线在所述外环上的位置，所述熔合线对应于所述原型风扇的所述外 环在所述多个风扇叶片的相邻对之间的最弱部分，其中所述外环的所 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和所 述一定量熔融原材料的第二部分的第二流峰发生碰撞的位置处，所述 第 一流峰大致在第 一方向上沿着所述外环从所述多个风扇叶片中的 一个叶片流向所述多个风扇叶片中的相邻一个叶片，所述第二流峰大 致在第二方向上沿着所述外环从所述多个风扇叶片的所述相邻一个 叶片流向所述多个风扇叶片中的所述一个叶片，所述第一方向相对于
所述第二方向限定了角a,所述角a约为180度；
改造所述原型模具的所述内腔以形成一个模具，其中所述模具可 形成这样一种风扇，使得当所述第一流峰与所述第二流峰发生碰撞 时，所述角a小于约180度；
通过所述多个浇口中的各个浇口以所需的温度和压力向所述模 具同时引入一定量的熔融原材料至所述内腔中；
在所述模具中冷却所述一定量的熔融原材料，以形成风扇；和
从所述模具中取出风扇，
其中，改造所述原型模具的所述内腔包括沿着对应于各所述熔合 线的平坦区域在所述外环上？ 1入附件。
通过参考结合附图所作的下述详细描述，可以最佳地理解本发明 本身及其优点。
图1显示了根据现有技术的环型风扇；
图2是图1中所示环型风扇的背面透^L图3是在模塑条件期间流过图1所示外环的熔融原材料的放大的 特写图4是在根据本发明一个优选实施例的环型风扇的模塑条件期间 流过外环的熔融原材料的;^史大的特写图；图5是根据本发明另 一优选实施例的具有多个可拆卸附件的环型 风扇的特写平面图。
图6是显示了用来提高风扇的外环强度的方法的流程图。
具体实施例方式
出于更好地理解本发明原理的目的，下面将参考图中所示的实施 例并用专用的语言来介绍这些实施例。然而应当理解，并不因此而限 制了本发明的范围。本发明包括了所示装置和所述方法中的任何变化 和其它修改，以及对本发明原理的进一步应用，这些都是本发明所属 领域的技术人员通常能想到的。
现在来看图1和2，根据现有技术的典型环型风扇10包括多个安 装在中心毂衬12上的叶片11。如图l所示，毂衬12可包括装配螺栓 孔13,其构造成用来将风扇安装到已知设计的风扇驱动组件上。风扇 10还包括固定在各风扇叶片11的叶尖17上的外环15,以及固定在 各叶片11的叶冲艮19上的内环16。内环16、外环15和叶片11优选 由高强度的可模塑聚合物材料形成，该材料优选在传统的已知工艺中 围绕着金属毂衬12进行注塑。所使用的典型塑料包括聚酰胺(例如 尼龙6和商标名为Zytel Nytel的尼龙)或聚丙烯。这些塑料通常利 用约15%到50%、优选15%到30%之间的纤维增强材料来增强。纤维 增强材料通常为短玻璃纤维的形式，但是也可使用长玻璃纤维。
各叶片11包括位于环型风扇10的有效入口处的前表面22。同样， 各叶片也包括位于环型风扇背面的相对的后表面25 (见图2)。在优 选实施例中设有5个叶片11，各叶片都具有从叶根19到叶尖17的基 本上均匀的厚度。在另一实施例中，各叶片11的厚度可在从叶片的 前缘lla到后缘llb上变化。各叶片ll优选采用翼型结构，其在环型 风扇10在其标准转速工作范围内以及在其系统限制的预期范围内工 作时可提供最大量的气流。
参见图2，可以看到，风扇10的外环15包括张开的缘边28,其
7通常设置在风扇的输出面上。张开的缘边28限定了径向向外的展开 面29，其以渐进的曲率远离各叶片11的叶尖17。风扇10限定了位 于风扇叶片前缘lla处的入口侧，以及位于后缘llb处的相反的出口 侧。外环15的张开缘边28设置在风扇10的出口侧。
图3显示了根据现有技术的环型风扇IO的外环15的特写^L大图， 其显示了在传统模塑工艺期间用于形成外环15的熔化(即熔融)原 材料的流峰50,60。
在该工艺中，熔融形式的原材料在压力作用下经由形成于模具中 的浇口而引入到与相应叶才艮19附近的内环16相对应的位置处。对于 如图1和2所述由聚酰胺形成的塑料风扇IO来说，含有纤维的熔融 聚酰胺(即原材料)经由浇口以约218到226摄氏度(424到439华 氏度)的温度并以约为500吨到1500吨之间的压力注入。包含于模 具中的浇口通常在约1到4毫米(0.039英寸到约0.157英寸)直径的 范围内。原材料可在模具中冷却以形成硬塑料，然后将模具打开以释 放出所形成的风扇10。
当将原材料注入模腔中时，熔融的原材料沿着最小阻力的路径流 动。这样，原材料的一部分形成了内环16。由来自两个相邻浇口的流 峰50和60所表示的熔融原材料的另 一部分从相应的浇口中流出来， 从叶根19到叶尖17地穿过相邻叶片11,并进入到外环15中以形成 外环15。流峰50,60在外环15内流动，从叶尖17流向距各叶尖17 大致相等距离的中间区域，并且大致相互平行且平4亍于外环15的内 周23和外周27。流峰50,60沿着几乎垂直于环型风扇10结构的切线 方向的相当平坦的区域55 (该平坦区域55在这个中间区域内垂直于 外环15的内周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)。换句话说，流峰50,60限定了相互间约180度的角 度a，其中外环15的厚度t沿其长度和宽度从叶尖区域至中间区域都 是恒定的。在外环15中的每对相邻叶片11之间，流峰50和60的相 遇和凝固产生了熔合线75 (也称为汇合线)。如普通技术人员所认识
8到的那样，相对于离心力所致的弯曲应力而言，这些熔合线75通常
代表外环15的最弱部分。
虽然部件的几何形状会影响汇合线75的形状，但是通常汇合线 都是几乎线性的，并且沿着外环15轴向地延伸到相邻叶尖17之间的 大致中间位置，并且垂直于限定了外环15的内周23和外周27的切 线方向。
图4和5显示了两种用于提高环型风扇IO在这些各种熔合线处 的强度的优选方法。在图4中，通过改变外环15沿其部分长度和宽 度的从叶尖区域到中间区域上的厚度，就可以使原材料的流动50,60 重新定向。因此，流峰50,60的较少材料沿着平坦区域55 (如图3所 示)碰撞并凝固，这便产生了强度更高的熔合线。换句话说，流峰50 的一部分与流峰60的一部分以小于约180度的角度a (如图3所示) 发生碰撞。在图5中，通过在熔合线发生的区域处或其附近引入一个 或多个附件99,就可以有效地去除或减少如图3所示的熔合线，在这 些区域内材料流过但不碰撞。然后在将风扇10连接到风扇驱动装置 之前除去这些附件。下面将更加详细地介绍每种方法。
现在来看图4,仅通过增大外环15在靠近或对应于熔合线75的 中间位置57处的厚度t就可以实现一种用于使流峰50重新定向的方 法。这导致了各个流峰50,60 (如图3)的至少一部分50a,60a在熔合 线75处以相互间成某一角度相遇，而非沿着几乎垂直于外环15切向 的平坦区域55 (如图3所示)相遇并凝固。
现在来看图5，另一种用来改变熔合线75的方法是在靠近熔合线 75的位置57处和在平坦区域55 (如图3所示)内引入附件99。在图 5中，附件99显示为沿着外环15的内周23进行连接。与沿着几乎垂 直于外环15的切线方向(即沿着长度)的平坦区域55相遇并凝固相 比，来自流峰50和60的材料(如图3所示)将优先流入到附件99 中。这样就可将熔合线减少到最小，或者将其从外环15中除去，取 而代之的是使其形成在附件99上。在流动材料冷却并从模具中取出
9之后，通过简单地顺时针或逆时针扭转便可容易地除去附件99，其中 可在位置57处使附件脱离外环15。
另外，附件99的引入具有额外的优点，即提供了可去除存积在 模具中的空气的位置。这还提供了用于在模塑工艺期间所聚集的脱模 剂残余物和其它杂质如氧化残余物的位置。
虽然在图5中显示了一个附件99沿着外环15的内周23进行定 位，但是其它的优选实施例可将附件99定位在沿着汇合线75的其它 位置中。例如，可沿着外环的外周27或者在内周25和外周27之间 的中间点位上形成附件99。另外，在其它优选实施例中，在模塑工艺 期间可在每条汇合线75上形成多个附件99。因此，例如，对于处于 一对相邻叶尖17之间的大约中间位置处的各条汇合线75而言，某一 实施例可具有形成于内周23上的一个附件99,以及形成于外周27上 的另一附件99。在其它优选实施例中，形成于一对相邻叶尖17之间 的附件99的数量可以不同于形成于另 一对相邻叶尖17之间的附件99 的数量。
在上面图4和5所介绍的任一优选实施例中，根据如图6所示的 下述流程图，可以实现一种用来提高在风扇驱动系统中使用的风扇的 外环强度的优选方法。首先，在步骤100中构建风扇的原型模具，其 具有对应于风扇尺寸和形状的内腔。在这种原型模具中，外环15的 厚度t保持恒定。接下来在步骤110中，通过多个浇口中的各个浇口 以所需的温度和压力将一定量的熔融原材料同时引入到所述内腔中。 在步骤120中使原材料在原型模具中冷却，以形成原型风扇。
在步骤130中，确定多个风扇叶片11的每对相邻叶片之间的熔 合线75在外环15上的位置。如上所述，熔合线75对应于所述原型 风扇的外环15在多个风扇叶片11的相邻对之间的最弱部分，并形成 于所述一定量熔融原材料的一部分的第一流峰50与所述一定量熔融 原材料的第二部分的第二流峰60发生碰撞的位置。在均匀厚度的外 环15中，在理想的模塑条件下，流峰50,60直接相互碰撞在一起(也就是说，两个流峰50,60之间所形成的角度接近约180度)。
接下来在步骤140中改造所述原型模具的内腔，使得该^t塑工艺 形成这样一种风扇10，其中一个流峰50的原材料流的一部分与第二 流峰60的原材料的一部分以小于约180度的角a发生碰撞。在图4 中，这一步骤通过增大外环15沿着其部分长度和宽度的从叶尖区域 到位于熔合线75的部位处或其附近的中间区域上的厚度t来实现。在 图5中，这一步骤通过在外环15中的对应于各条熔合线的平坦区域 55内引入一个或多个附件99来实现。
在步骤150中，通过多个浇口中的各浇口将一定量的熔融原材料 以所需的温度和压力同时引入到改造过的原型模具的所述内腔中。
在步骤160中，将改造过的原型风扇的强度与整个外环15上具 有恒定厚度的原型风扇的强度相比较。
最后，如果需要的话，在步骤170中改造原型模具的形状，并重 复步骤140-160,以获得外环15的最优化的所需强度。
虽然熔合线75显示为形成在图3的外环15上，然而应当理解， 在流峰相交的环型风扇10的其它区域中会形成其它的熔合线(未示 出)。例如，当通过浇口同时注入原材料时，原材料流也会在浇口之 间的内环16中相交。因此，用于提高熔合线强度的方法可结合到这 里未介绍过的环型风扇的其它部分内。
这样，本发明描述了两种用于提高模塑出的环型风扇的强度的独 特方法。由于需要提高风扇的工作转速以满足大型工业和汽车发动机 的日益提高的冷却要求，因此这种额外的强度变得尤其重要。
另外，这里所介绍的方法同样适用于其中在模塑工艺期间熔融原 材料流动会相交的任何可模塑的塑料件的成型。
虽然已经结合一个或多个实施例来介绍了本发明，然而应当理 解，已介绍的具体装置和技术仅仅只是本发明原理的解释性说明，在 不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的前提下，可对所介绍的方 法和装置进行各种修改。
权利要求
1. 一种用于提高在风扇驱动系统中所用风扇(10)的外环(15)的强度的方法，所述风扇具有连接在所述外环(15)和内环(16)之间的多个叶片(11)，所述方法包括形成具有内腔的原型模具，所述内腔对应于所述风扇(10)的尺寸和形状，其中所述外环(15)的厚度是恒定的，所述模具具有设置在所述内环(16)周围的多个浇口，所述多个浇口中之一紧密连接在所述内环(16)上的对应于所述多个风扇叶片(11)中的一个叶片的位置处；通过所述多个浇口中的各浇口以所需的温度和压力向所述原型模具同时引入一定量的熔融原材料至所述内腔中；使所述一定量的熔融原材料在所述原型模具中冷却，以形成原型风扇(10)；和确定所述原型风扇(10)内的所述多个风扇叶片的各相邻对之间的熔合线(75)在所述外环(15)上的位置，所述熔合线(75)对应于所述原型风扇的所述外环(15)在所述多个风扇叶片的相邻对之间的最弱部分，其中所述外环(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)发生碰撞的位置处，所述第一流峰(50)大致在第一方向上沿着所述外环(15)从所述多个风扇叶片(11)中的一个叶片流向所述多个风扇叶片(11)中的相邻一个叶片，所述第二流峰(60)大致在第二方向上沿着所述外环(15)从所述多个风扇叶片(11)的所述相邻一个叶片流向所述多个风扇叶片(11)中的所述一个叶片，所述第一方向相对于所述第二方向限定了角α，所述角α约为180度；改造所述原型模具的所述内腔以形成一个模具，其中所述模具可形成这样一种风扇，使得当所述第一流峰(50)与所述第二流峰(60)发生碰撞时，所述角α小于约180度；通过所述多个浇口中的各个浇口以所需的温度和压力向所述模具同时引入一定量的熔融原材料至所述内腔中；在所述模具中冷却所述一定量的熔融原材料，以形成风扇；和从所述模具中取出风扇(10)，其中，改造所述原型模具的所述内腔包括沿着对应于各所述熔合线的平坦区域(55)在所述外环(15)上引入附件(99)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附件(99)在所 述外环(l5)的内周(23)上引入。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附件(99)在所 述外环(l 5)的外周(27)上引入。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述外环(15) 上引入至少两个所述附件(99)。
全文摘要
一种用于提高在风扇驱动系统中所用风扇的外环的强度的方法，使得在相反方向上流动的材料的主要部分优选相互间旁路地流过或相互间以一定角度发生碰撞，而非相互间以180度的角度发生碰撞而形成熔合线。与仅仅使流峰发生碰撞并冷却相比，这种旁路流动可以导致更好的材料混合或整体化。在一个实施例中，增加了风扇环件的位于熔合线区域中的部分的厚度，从而减少了相互间以180度的角度发生碰撞的材料量。或者，可在环型风扇上增设一个或多个附件，其可在模塑条件期间影响材料的流动。在将环型风扇装入到冷却系统中之前除去各个附件。
文档编号F24F13/08GK101518931SQ20091012838
公开日2009年9月2日 申请日期2005年4月25日 优先权日2004年4月26日
发明者D·E·布克利, J·B·斯塔格 申请人:博格华纳公司