-
Die Erfindung betrifft eine Klappe für ein Klimagerät.
-
Klappen für Klimageräte sollten stromgünstig geformt sein beziehungsweise das gezielte Umlenken von Luftströmen ermöglichen. Wenn eine Klappe besonders strömungsgünstig gestaltet ist, ist sie oft nicht zufriedenstellend steif gegenüber Biege- und Torsionsbelastungen. Im Stand der Technik werden Klappen für Klimageräte so durch eine Art von Platte, auch Türblatt genannt, dargestellt und mittels Verrippungen hinreichend versteift, dass sie mittels Standard- beziehungsweise Zweikomponenten-Spritzguss wirtschaftlich gefertigt werden können. Dadurch wird jedoch die strömungsgünstige Form beeinflusst. Klappen von Heiz- und Klimaanlagen sind in der Regel aus thermoplastischen Materialien aufgebaut, wobei die Dichtungsfunktion oft durch ein Thermoplastisches Elastomer (TPE) realisiert wird.
-
Aufgrund von Fertigungsrestriktionen des Standard-Spritzgussverfahrens wird die Gestalt einer Klappe entsprechend bestimmt. Dazu zählt das Streben nach konstanter und dünner Wandstärke, minimaler Anzahl von Hinterschnitten für robuste Werkzeuggestaltung und die Entformung, aber auch aufgrund der Verwendung von preiswerten Materialien kommt es zu Einschränkungen. Die Verwendung eines Zweikomponenten-Verfahrens zur zusätzlichen Verarbeitung von weichen Materialien führt zu weiteren Einschränkungen, zum Beispiel beim Umlegen des Materials in eine zweite Werkzeugkavität oder bei der Realisierung V-förmiger Dichtungen. Dadurch wird jedoch die strömungsgünstige Form beeinflusst.
-
In der
DE 10 2013 107 095 A1 ist eine Lamelle einer Luftaustrittsdüse für ein Fahrzeug beschrieben, wobei die Lamelle einen Lamellenkörper aus einem Kunststoff, einem Verbundstoff, einem Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik oder einem Holz aufweist und der Lamellenkörper als Hohlkörper oder massiver Körper ausgebildet ist, wobei der Lamellenkörper eine Beschichtung aufweist, die den Lamellenkörper im Wesentlichen vollständig umgibt und aus Polyurethan besteht. Der Lamellenkörper kann als Hohlprofil ausgebildet sein, wodurch das Gewicht der Lamelle reduziert wird.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klappe für Klimageräte bereitzustellen, die strömungsgünstig geformt ist und so die Anforderungen zur Steuerung der Luft im Klimagerät erfüllt, jedoch gleichzeitig hinreichend steif bezüglich Torsions- und Biegebelastungen ist.
-
Die Aufgabe wird durch eine Klappe für ein Klimagerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des unabhängigen Anspruchs 2 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Erfindungsgemäß umfasst die Klappe zwei beabstandete Luftführungsflächen, die einen Raum einschließen und sich mindestens an einem Ende berühren und so einen Kernraum bilden, der eine Kernstruktur mit einer geringeren Dichte enthält als das Material der Außenschicht der Luftführungsflächen.
-
Mit dieser Bauweise kann der Körper der Klappe derart gebildet werden, dass eine für den jeweiligen Anwendungszweck luftströmungsgünstige Form entsteht. Die Ausbildung einer luftströmungsgünstigen Form ist durch die Anordnung der beabstandeten Luftführungsflächen möglich, wobei durch das Material auf der Außenseite der Luftführungsflächen und durch ein Material oder Materialelement geringerer Dichte im Inneren des durch die Halbschalen der Luftführungsflächen gebildeten Hohlkörpers eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht der Klappe als Luftführungselement erreicht wird. Vorteilhafterweise zeigt eine solche Klappe einen geringen Strömungswiderstand und dabei ein günstiges Widerstandsmoment/Querschnittsflächen-Verhältnis bei minimalen Verschiebungen unter Last.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die beiden beabstandeten Luftführungsflächen im Querschnitt zusammen eine Flügelform, das heißt eine Form, bei der die beiden Luftführungsflächen entgegengesetzt konvex gekrümmt sind und an ihren beiden Enden jeweils zusammenlaufen. Der Hohlkörper wird somit durch Halbschalen gebildet, wobei, wie bereits erwähnt, die Kernstruktur im Inneren des Hohlkörpers eine geringere Dichte aufweist als das Material der Halbschalen.
-
Alternativ bilden die beiden beabstandeten Luftführungsflächen im Querschnitt zusammen eine Halbschale, das heißt eine Form, in der die beabstandeten Luftführungsflächen an ihren beiden Enden jeweils zusammenlaufen und zum Beispiel in die gleiche Richtung gekrümmt oder V-förmig gestaltet sind.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die beiden beabstandeten Luftführungsflächen im Querschnitt zusammen eine V-Form auf, wobei die Luftführungsflächen gerade oder gekrümmt ausgebildet sein können. Das heißt, dass die zueinander beabstandeten Luftführungsflächen in dieser Ausführungsform an nur einem Ende zusammenlaufen.
-
Gemäß der Erfindung ist die Kernstruktur in Form einer steifen, sich selbst tragenden Struktur eines Mikrogitters aus sich miteinander kreuzenden und knotenbildenden länglichen Gitterelementen mit einer Dicke von jeweils ≤ 1500 µm ausgebildet. Eine solche Kernstruktur ist erhältlich, indem ein Fotomonomer mit UV-Licht durch Blenden hindurch beleuchtet wird, so dass das Fotomonomer in den belichteten Zonen aushärtet und eine durch die Ausrichtung des UV-Lichtes und die Form der Blenden definierte dreidimensionale, selbsttragende Polymer-Gitterstruktur bildet.
-
Alternativ kann ein Mikrogitter als Kernstruktur in Form einer leichtgewichtigen Struktur aus sich kreuzenden, rohrförmigen metallischen Gitterelementen ausgebildet sein, wobei die einzelnen rohrförmigen Gitterelemente jeweils einen Innendurchmesser von ≤ 1500 µm und eine Wandstärke vom ≤ 200 µm aufweisen. Eine solche Mikrogitterstruktur ist erhältlich, indem im ersten Schritt ein Fotomonomer mit UV-Licht durch die Blenden hindurch beleuchtet wird, so dass das Fotomonomer in den belichteten Zonen aushärtet und eine durch die Ausrichtung des UV-Lichtes und die Form der Blenden definierte dreidimensionale, selbsttragende Polymer-Gitterstruktur bildet und in einem zweiten Schritt die ausgehärtete Polymer-Gitterstruktur mit Metall beschichtet wird, das ausgehärtete Polymer später ausgelöst wird, so dass eine hohle dreidimensionale metallische Gitterstruktur aus einer Mehrzahl von rohrförmigen Gitterelementen resultiert.
-
Die Kernstruktur ist ein Mikrogitter, wobei die Hautschicht, die die Kernschicht umschließt und damit die Luftführungsflächen bildet, aus einem Thermoplasten, einem Thermoplastischen Elastomer oder einem Polyurethan-basiertem Material (PUR) besteht.
-
Durch die funktionsbestimmenden Luftführungsflächen wird ein Klappendesign gebildet, zu dem jeweils geeignete Fertigungsmethoden zugeordnet werden. Diese alternativen Fertigungsmöglichkeiten ermöglichen eben diese Gestaltung und Fertigung von strömungsgünstigen Klappen. Die geforderte Steifigkeit der Klappe wird durch das Design erreicht und dies bei maximalem Widerstandsmoment mit minimalem Werkstoffeinsatz. Die Nutzung von leichten Werkstoffen für das Kernmaterial führt zu leichtgewichtigen Komponenten. Das Bauteildesign der Klappe ermöglicht ein gezielteres Führen von Luftströmen und ermöglicht so eine kompaktere Bauform eines Klimagerätes.
-
Eine Klappe mit einer steifen Mikrostruktur als Kernstruktur ist nach einem Verfahren erhältlich, bei dem
- a) eine Kernstruktur erzeugt wird, indem ein Fotomonomer mit UV-Licht durch die Blenden hindurch beleuchtet wird, so dass das Fotomonomer in den belichteten Zonen aushärtet und eine durch die Ausrichtung des UV-Lichtes und die Form der Blenden definierte dreidimensionale, selbsttragende Polymer-Gitterstruktur bildet und
- b) anschließend eine Hautschicht, vorzugsweise aus einem Thermoplasten, einem Thermoplastischen Elastomer und/oder einem Polyurethan-basierten Material (PUR) bestehend, aufgebracht wird.
-
Eine leichtgewichtige Struktur ist ebenfalls durch ein Verfahren unter Anwendung eines Micro-Lattice-Prozesses möglich, wobei bei dem Verfahren
- a) eine Polymer-Gitterstruktur erzeugt wird, indem das Fotomonomer mit UV-Licht durch die Blenden hindurch beleuchtet wird, so dass das Fotomonomer in den belichteten Zonen aushärtet und eine durch die Ausrichtung des UV-Lichtes und die Form der Blenden definierte dreidimensionale, selbsttragende Polymer-Gitterstruktur bildet und
- b) die ausgehärtete Polymer-Gitterstruktur mit Metall beschichtet wird,
- c) das ausgehärtete Polymer ausgelöst wird, so dass eine hohle dreidimensionale metallische Gitterstruktur aus einer Mehrzahl von rohrförmigen Gitterelementen resultiert und
- d) eine Außenhautschicht, vorzugsweise aus einem Thermoplasten, einem Thermoplastischen Elastomer und/oder einem Polyurethan-basierten Material (PUR) bestehend, aufgebracht wird, so dass eine Sandwich-Struktur entsteht.
-
In allen beschriebenen Verfahrensvarianten ist es möglich, die Beschichtung des Kerns derart durchzuführen, dass ein Überstand der Außenhautkomponente über dem Kern ausgebildet wird, so dass sich eine Klappen-Dichtkontur integral bildet.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Klappe mit möglichen Querschnitten,
- 2: eine schematische Darstellung einer Klappe mit möglichen Kernstrukturen, und
- 3: eine schematische Darstellung einer Klappe mit einer integral gebildeten Dichtkontur
-
Die 1 zeigt in Abbildung A eine Klappe 1, die mittels zweier angebrachter Lager 2 schwenkbar gelagert ist. Die Klappe 1 weist auf ihrer Oberfläche eine Außenhaut 3 beziehungsweise eine Randschicht 3 auf. 1 dient der Illustration von Ausführungsformen der Erfindung hinsichtlich des Profils der Klappe, zeigt im Gegensatz zur Lehre der vorliegenden Erfindung aber keine Mikrogitterstruktur als Kernkomponente.
-
Die Abbildungen B und C in 1 zeigen jeweils Querschnitte für Klappen 1, die ein strömungsgünstiges Profil aufweisen. Die Abbildungen B und C in 1 zeigen Beispiele für strömungsgünstige Querschnitte der Klappe 1.
-
Die Klappe 1 in Abbildung B der 1 wird dabei durch zwei zueinander beabstandete Luftführungsflächen 4 und 5 gebildet, die einen Kernraum 6 einschließen. Beide Luftführungsflächen 4, 5 laufen an ihren jeweiligen Enden 4a, 5a und 4b, 5b zusammen. Die beiden beabstandeten Luftführungsflächen 4, 5 in Abbildung B der 1 bilden zusammen den Querschnitt einer Halbschale, das heißt, beide Luftführungsflächen 4, 5 sind in die gleiche Richtung gekrümmt und laufen an ihren beiden Enden 4a, 5a und 4b, 5b jeweils zusammen. Eine solche Halbschale muss nicht zwangsläufig gekrümmt sein, die beiden beabstandeten Luftführungsflächen 4, 5 können zum Beispiel auch zusammen einen V-förmigen Querschnitt - mit einem Knick in der Mitte jeder Luftführungsfläche 4, 5 - bilden.
-
Die Klappe 1 in der 1, bei der die beiden beabstandeten Luftführungsflächen 4, 5 ebenfalls einen Kernraum 6 einschließen, bilden im Querschnitt zusammen eine Flügelform. Unter Flügelform soll im Rahmen dieser Anmeldung eine Form verstanden werden, bei der die beiden Luftführungsflächen 4, 5, wie in der 1 zu sehen, entgegengesetzt konvex gekrümmt sind und an ihren beiden Enden 4a, 5a und 4b, 5b jeweils zusammenlaufen, wie das zum Beispiel bei einer ovalen oder im linsenförmigen Form der Fall ist.
-
Die Kernkomponente 7 des Kernraums 6 kann hohl sein oder aus einer geschäumten Kernstruktur 7 bestehen. Die Kernstruktur 7 kann zum Beispiel aus einem expandierbaren Polypropylen (EPP) bestehen. Die Außenhaut 3 kann ebenfalls aus einem EPP, jedoch auch aus einem Polypropylen (PP) oder Thermoplastischen Elastomer (TPE) bestehen.
-
Für die Herstellung einer Klappe 1 gemäß 1 eignen sich verschiedene Verfahren, wobei die im Folgenden aufgezählten Verfahren aber weder Teil der Erfindung sind noch der Erfindung entsprechen:
-
Gemäß einer ersten Variante wird eine Kernstruktur 7 zunächst vorgefertigt, in eine Form eingelegt und danach wird ein thermoplastisches Material mittels Hinterspritzen verarbeitet, so dass eine Außenhaut 3 gebildet wird. Die Kernstruktur 7 kann, wie bereits erwähnt, zum Beispiel aus einem expandierbaren Polypropylen (EPP) gefertigt werden oder aus einem Hartschaumblock bestehen, während als Komponente zum Überspritzen sich zum Beispiel ein Polypropylen (PP) und/oder ein Thermoplastisches Elastomer (TPE) eignet.
-
Gemäß einer zweiten Variante wird eine kompakte Klappe 1 mit einer hohlen Struktur im Kernraum 6, mit anderen Worten, mit einer hohlen Achse, mittels Sandwich-Spritzguss, vorzugsweise mittels der an sich bekannten Fluid-Injektionstechnologie beziehungsweise Innendruck-Spritzgießen, erzeugt. Dabei wird nach einem ersten Arbeitsschritt des Spritzgießens beziehungsweise nach einer definierten Teilfüllung der Gussform ein Fluid wie Wasser oder ein inertes Gas so in die teilgefüllte Gussform injiziert, dass es Schmelze aus der Mitte verdrängt - so wächst zum einen ein Hohlraum und zum anderen wird die Schmelze in Strömungsrichtung gedrückt, zum Beispiel zur vollständigen Füllung einer Kavität, in eine Nebenkavität oder zurück in ein Plastifizieraggregat. Nach Erstarren der Schmelze entweicht das Fluid wieder.
-
Als Variation kann mittels Sandwich-Spritzguss die fluide Kernkomponente beziehungsweise die später hohle Struktur durch ein schäumendes Material ersetzt werden, so dass statt der Hohlstruktur eine Kernstruktur 7 aus einem Schaumstoff erhalten wird.
-
Gemäß einer dritten Variante kann ein Reaktionsspritzgussverfahren (RIM = Reaction Injection Moulding), vorzugsweise mit einem Polyurethan-basiertem Material (PUR) eingesetzt werden. Beim RIM-Verfahren werden zwei Komponenten und eventuell weitere Zusätze in einem Mischer intensiv gemischt und anschließend als Reaktionsmasse in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Die Aushärtung findet in der Form statt. Mit diesem Verfahren kann ein Bauteil mit integraler Dichteverteilung erreicht werden, zum Beispiel eine kompakte Randschicht 3 und eine geschäumte Kernschicht 7.
-
Gemäß einer vierten Variante kann ein nach der oben genannten ersten Variante vorgefertigte Kernstruktur 7 aus EPP mit einem PUR-Material überflutet werden.
-
In einer fünften Variante können Funktionsbauteile, wie zum Beispiel die in der 1 dargestellten Lagerteile 2, vorgefertigt werden und in ein Werkzeug eingelegt werden, wo dann zum Beispiel EPP injiziert wird und so die Klappenkontur mit den Funktionsbauteilen verbunden wird.
-
Es ist gemäß einer sechsten Variante auch möglich, eine nach der ersten Variante hergestellte Kernstruktur 7 mit einem Material für die Außenhaut 3 zu fügen, was beispielsweise aus TPE bestehen oder eine Verbundfolie sein kann.
-
Die 2 zeigt in Abbildung A eine Klappe 1, die mittels zweier angebrachter Lager 2 schwenkbar gelagert ist. Die Klappe 1 weist eine Randschicht 3 auf, welche zum Beispiel in Form einer Außenhaut 3 bestehen kann.
-
Die Abbildungen B und C in 2 zeigen jeweils Querschnitte von Klappen 1, die das gleiche strömungsgünstige Profil aufweisen, wobei nur die einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entspricht. Die Klappen 1 in Abbildung B und C der 2, in denen die beiden beabstandeten Luftführungsflächen 4, 5 einen Kernraum 6 einschließen, bilden im Querschnitt zusammen eine Flügelform. Die Kernkomponente 7 der Klappe 1 aus Abbildung B der 2 weist im Querschnitt eine „gerippte“ beziehungsweise wellenförmige Kernstruktur 8 mit geringer Wanddicke auf. Die Außenhautschicht 3 besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, zum Beispiel TPE oder PU.
-
Die „gerippte“ beziehungsweise wellenförmige Kernstruktur 8 kann durch ein Standard-Spritzverfahren gefertigt werden - die notwendige Außenhautschicht 3 wird anschließend aufgebracht.
-
Eine steife Kernstruktur 7 kann, wie in in 2 schematisch dargestellt, auch in Form eines sogenannten Mikrogitters 9 ausgebildet sein, was einer Ausführungsform der Erfindung entspricht. Dieses Mikrogitter 9 kann unter Anwendung von Verfahrenschritten aus dem an sich - unter anderem aus http://valdevit.eng.uci.edu/research.html und http://www.hrl.com bekannten Micro-Lattice-Verfahren erzeugt werden.
-
In diesem Verfahren wird ein Fotomonomer mit UV-Licht, das durch eine Blende tritt, belichtet. Dabei härtet das Fotomonomer in den belichteten Bereichen aus und bildet eine selbsttragende polymere Gitterstruktur aus einer Vielzahl von Gitterelementen 10, die sich vorzugsweise kreuzen und miteinander Knoten 11 bilden. Die Gitterelemente 10 , vorzugsweise lineare Gitterstäbe, weisen eine Dicke ≤ 1500 µm auf.
-
Die Randschicht 3 und damit auch die beiden beabstandeten Luftführungsflächen 4, 5 können ebenfalls mittels Bestrahlung des Fotomonomers mit UV-Licht durch geeignete und entsprechend geformte Blenden erzeugt werden. Die Randschicht 3 ist dabei ≤ 2000 µm dick. Es kann aber auch gegebenenfalls eine Außenhautschicht 3, bestehend aus einem Thermoplasten, TPE oder PUR, in geeigneter Weise nach Fertigung des Mikrogitters 9 auf dieses aufgetragen werden.
-
Vorteilhafterweise kann unter Anwendung des Micro-Lattice-Verfahrens eine auch leichtgewichtige Mikrostruktur gefertigt werden. Dabei wird im Unterschied zum oben beschriebenen Verfahren die ausgehärtete Polymer-Gitterstruktur mit Metall beschichtet wird und das ausgehärtete Polymer ausgelöst, so dass eine hohle dreidimensionale metallische Gitterstruktur aus einer Mehrzahl von rohrförmigen Gitterelementen resultiert. Auf die erhaltene leichtgewichtige Mikrostruktur 9 wird die Außenhautschicht 3 aufgebracht, die vorzugsweise aus einem Thermoplasten, einem Thermoplastischen Elastomer (TPE) oder einem Polyurethan-basiertem Material (PUR) besteht. Dadurch wird eine Sandwichstruktur erreicht - die Steifigkeit entsteht hier durch das so gebildete Profil.
-
Die 3 zeigt in Abbildung A eine Klappe 1, die mittels zweier angebrachter Lager 2 schwenkbar gelagert ist. Die Klappe 1 weist auf ihrer Oberfläche eine Außenhaut 3 beziehungsweise eine Randschicht 3 auf. 3 dient der Illustration einer erfindungsgemäßen Ausführungsform hinsichtlich der Außenhaut der Klappe, zeigt im Gegensatz zur Lehre der vorliegenden Erfindung aber keine Mikrogitterstruktur als Kernkomponente.
-
Die Abbildungen B und C in 3 zeigen jeweils Querschnitte für Klappen 1, die ein Flügelprofil aufweisen. Dabei kann die Klappe 1 in Abbildung B im Kernraum 6 eine hohle Kernkomponente 7 oder eine geschäumte Kernstruktur 7 aufweisen. Die in 3 zeigt eine Klappe 1, die im Querschnitt eine „gerippte“ beziehungsweise wellenförmige Kernstruktur 8 mit geringer Wanddicke aufweist.
-
In beiden Abbildungen B und C zeigt die Außenhautkomponente 3 einen Überstand 12 über dem Kern 6. Mit diesem Überstand 12 der Außenhautkomponente 3 kann eine Dichtkontur der Klappe 1 integral gebildet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Klappe
- 2
- Lager
- 3
- Oberfläche (der Klappe 1), Außenhaut, Randschicht
- 4
- Luftführungsfläche
- 4a
- Ende der Luftführungsfläche
- 4b
- Ende der Luftführungsfläche
- 5
- Luftführungsfläche
- 5a
- Ende der Luftführungsfläche
- 5b
- Ende der Luftführungsfläche
- 6
- Kernraum, Kern
- 7
- Kernkomponente, Kernstruktur, Kernschicht
- 8
- wellenförmige Kernstruktur
- 9
- Mikrostruktur, Mikrogitter
- 10
- Gitterelemente
- 11
- Knoten
- 12
- Überstand der Außenhautkomponente über dem Kern 6
