DE10020878A1 - Lüfter insbesondere zur Belüftung von elektronischen Geräten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Lüfter insbesondere für Personalcomputer, bei dem zur Geräuschminimierung folgende Merkmalskombination vorgeschlagen wird: DOLLAR A a) einem einen Strömungskanal (24) außenseitig durch eine Leitfläche (22) begrenzenden Lüftergehäuse (10), DOLLAR A b) einem in dem Lüftergehäuse (10) um eine Drehachse (12) drehbar gelagerten, mit seiner Nabe (14) den Strömungskanal (24) innenseitig begrenzenden Laufrad (18), DOLLAR A c) einem in der Nabe (14) angeordneten Drehantrieb (20) für das Laufrad (18), DOLLAR A d) die über den Umfang der Nabe (14) asymmetrisch verteilten Schaufeln (16) des Laufrads (18) sind als Radialschaufeln ausgebildet, DOLLAR A e) die Leitfläche (22) und die Nabe (14) sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskante (34) und Schaufelaustrittskante (36) in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strömungskanals (24) konstant bleibt oder sich verringert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter insbesondere zur Belüftung bzw. Kühlung von elektronischen Geräten wie Personalcomputern.

Zu diesem Zweck werden üblicherweise flach gebaute Axiallüfter eingesetzt, welche einen zylindrischen Ring­ raum als Strömungskanal und schräg angestellte Schaufeln aufweisen. Die Strömung verläuft somit axial durch das Laufrad. Damit kann bei geringen Druckdifferenzen ein hoher Volumenstrom erzielt werden. Im Übergangsbereich zu höheren Druckdifferenzen treten jedoch Unstetigkeiten auf, die zu starken Verwirbelungen und damit einherge­ hend zu ungünstigem Geräuschverhalten führen.

Daneben sind Radiallüfter beispielsweise zum Einsatz in Haartrocknern bekannt, die unter Aufbau größerer Druck­ differenzen einen höheren Strömungswiderstand überwin­ den können. Solche Lüfter sind jedoch abgesehen von ih­ rem geringen Fördervolumen wegen der radialen bzw. tan­ gentialen Luftführung für den Einbau in PC-Gehäuse eher ungeeignet. Weiter bekannt sind Mischformen insbesondere als sogenannte Halbaxial-Lüfter, die eine diagonale Strömungskomponente bei sich bereichsweise überdecken­ den, schräg angestellten Schaufeln aufweisen. Auch sol­ che Lüfter weisen bei Computerapplikationen Geräusch­ nachteile auf.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Lüfter anzugeben, der die zuvor genannten Nachteile vermeidet und bei geringer Geräuschentwick­ lung einen hohen Wirkungsgrad im Hinblick auf eine ef­ fiziente Belüftung und Kühlung erreicht. Daneben soll die Bauform für den Einbau in Computergehäuse gut ge­ eignet und auf die typischen Systemkennlinien abge­ stimmt sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen Lüfter mit diagonal durchströmtem Radialrad einzusetzen, um einen breiten günstigen Arbeitsbereich zu erreichen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Lüfter mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen:

• - einem einen Strömungskanal außenseitig durch eine Leitfläche begrenzenden Lüftergehäuse,
• - einem in dem Lüftergehäuse um eine Drehachse drehbar gelagerten, mit seiner konzentrisch zu der Leitfläche angeordneten Nabe den Strömungskanal innenseitig be­ grenzenden Laufrad,
• - einem in der Nabe angeordneten Drehantrieb für das Laufrad,
• - die über den Umfang der Nabe vorzugsweise ungleichmä­ ßig verteilten Schaufeln des Laufrads liegen in par­ allel zur Drehachse verlaufenden, entgegen der Dreh­ richtung rückwärts gekrümmten Zylinderflächen,
• - die Leitfläche und die Nabe sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskante und Schaufelaus­ trittskante in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strömungskanals konstant bleibt oder sich verringert.

Damit wird bei kompakter axialer Bauform ein radiales Arbeitsprinzip erreicht. Gegenüber Axiallüftern wird die Ausblasrichtung nur geringfügig verändert, während bei vergleichbarem Volumenstrom eine deutliche Drucker­ höhung erreicht wird. Die besondere Führung des Strö­ mungskanals diagonal durch das Laufrad führt zu einer stetigen Drosselkurve und ermöglicht damit eine Opti­ mierung des Arbeitspunktes über einen weiten Bereich.

Insbesondere treten aufgrund der geringen Umfangsge­ schwindigkeitsunterschiede geräuscherzeugende Störungen der Strömung bzw. ein Strömungsabriß erst bei hohen Drücken im oberen Bereich der Drosselkurve ein. Die Sy­ stemkennlinien von PC's liegen üblicherweise nicht in diesem Bereich. In diesem Sinne wirkt sich auch der längere Strömungsweg positiv aus.

Um den Strömungsquerschnitt etwa konstant zu halten, sollte die Leitfläche im Schaufelbereich axial steiler als die Nabe verlaufen. Dabei ist es weiter von Vor­ teil, wenn die Leitfläche im Schaufelbereich im wesent­ lichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwin­ kel zwischen 20° und 60°, vorzugsweise 40° aufweist, und wenn die Nabe im Schaufelbereich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwi­ schen 80° und 110°, vorzugsweise 95° aufweist.

Zur weiteren Reduzierung der Geräuschentwicklung ist es von Vorteil, wenn die Nabe zumindest in ihrem Scheitel­ bereich parabolisch ausgebildet ist. Günstig ist es auch, wenn die Eintrittspartie der Leitfläche über ei­ nen Einlaufradius nach außen abgerundet ist.

Vorteilhafterweise besitzen die Ein- und Austrittsöff­ nung des Strömungskanals eine gegenseitige radiale Überdeckung.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung sind die Schaufelaustrittskante zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöff­ nung des Strömungskanals unter einem spitzen Anstell­ winkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt. Da­ bei sollte gewährleistet sein, daß der Anstellwinkel zwischen 10° und 20°, vorzugsweise 15° beträgt. Damit wird erreicht, daß abströmseitige Verwirbelungen und entsprechend auch die Geräuschentwicklung minimiert werden.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die freien Schaufelendkanten unter Freihaltung eines Tole­ ranzspalts entlang der Leitfläche verlaufen.

Zur Erhöhung des Einlaßquerschnitts zwischen den Schau­ feln ist es vorteilhaft, wenn die Schaufeleintrittskan­ ten sich axial über die Nabe hinaus zu der Eintritts­ öffnung hin erstrecken.

Eine weitere aerodynamisch günstige Ausführung sieht vor, daß die Schaufeleintrittskante einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkante aufweist.

Zum Drehantrieb des Laufrads wird vorteilhafterweise ein als Außenläufer ausgebildeter, in einer Ausnehmung der Nabe angeordneter Elektromotor eingesetzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Lüfter für PC-Geräte in einströmseitiger Draufsicht;

Fig. 2 den Lüfter nach Fig. 1 mit vereinfacht kontu­ riert dargestellter Beschaufelung im Axial­ schnitt.

Der in der Zeichnung dargestellte Lüfter besteht im we­ sentlichen aus einem Gehäuse 10, einem darin um eine Drehachse 12 drehbar gelagerten, eine Nabe 14 sowie daran angeformte Schaufeln 16 aufweisenden Laufrad 18 und einem Drehantrieb 20 für das Laufrad 18.

Das Gehäuse 10 umfaßt mit einem Innenmantel als Leit­ fläche 22 einen Strömungskanal 24 an dessen Außenseite, während die konzentrisch zu der Leitfläche 16 angeord­ nete Nabe 14 den Strömungskanal 24 innenseitig be­ grenzt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist die Leitfläche 22 mit Ausnahme ihrer Eintrittspartie 26 die Form eines sich in Durchströmrichtung - in Fig. 2 nach unten - erwei­ ternden Kegelstumpfes auf, wobei der Kegelwinkel etwa 40° beträgt. Die Eintrittspartie 26 ist unter Begren­ zung der Eintrittsöffnung 28 des Strömungskanals 24 über einen Einlaufradius nach außen abgerundet ist. Dieser Radius sollte möglichst groß gehalten werden, um das Entstehen von eintrittsseitigen Turbulenzen zu ver­ meiden. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Leitfläche als abgestumpftes Rotationsparaboloid schwach gekrümmt ist.

Die Nabe 14 ist im Fußbereich 30 der Schaufeln 16 ke­ gelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Kegelwinkel in der gezeigten Ausführungsform 95° beträgt. In ihrem der Eintrittsöffnung 28 zugewandten Scheitelbereich 32 ist die Nabe 14 parabolisch geformt, um Turbulenzen zu ver­ meiden. Denkbar ist es auch, daß die Nabe 14 insgesamt die Form eines Paraboloids aufweist, gegebenenfalls mit abgerundeter Abströmkante. In jedem Fall sollte gewähr­ leistet sein, daß die Leitfläche 22 im Schaufelbereich, also zwischen der Schaufeleintrittskante 34 und der Schaufelaustrittskante 36 eine größere Steigung in Richtung der Drehachse 12 aufweist als die Nabe 14, so daß der Mitteldurchmesser des dort kreisringförmigen Strömungskanals 24 bei konstanter oder geringfügig ab­ nehmender lichter Durchströmfläche sich stetig erwei­ tert. Dabei besteht zwischen Eintrittsöffnung 28 und Austrittsöffnung 38 des Strömungskanals 24 eine radiale Überdeckung, so daß ein Ringbereich 40 axial durchgän­ gig offen ist.

Die Schaufeln 16 sind zur Vermeidung von Resonanzen über den Umfang der Nabe 14 asymmetrisch verteilt und liegen als reine Radialschaufeln in parallel zur Dreh­ achse 12 verlaufenden, entgegen der Drehrichtung (Gegenuhrzeigersinn in Fig. 1) rückwärts gekrümmten Zy­ linderflächen.

Die Schaufeleintrittskanten 34 erstrecken sich axial über den Scheitelbereich 32 der Nabe 14 hinaus zu der Eintrittsöffnung 28 und besitzen einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkanten 42, welche unter Freihaltung eines Toleranzspalts entlang der Leitfläche 22 verlaufen. Zur Geräuschminderung sind die Schaufel­ austrittskanten 36 zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung 38 unter einem spitzen An­ stellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt, wobei der Anstellwinkel in der gezeigten Ausführungs­ form etwa 15° beträgt.

Das gesamte Lüfterrad 18 ist vorzugsweise als einstüc­ kiges Spritzgußformteil aus Kunststoff hergestellt. Da­ bei ist es hinsichtlich der Entformung günstig, daß die Schaufeln 16 in Drehrichtung nicht überlappen.

Der Drehantrieb 20 ist durch einen als Außenläufer aus­ gebildeten Elektromotor gebildet, welcher in einer zy­ lindrischen Ausnehmung 44 der Nabe 14 angeordnet ist. Der Rotor 46 ist dabei fest mit der Nabe 14 verbunden, während über Wälzlager 48 auf der Rotorwelle 50 sitzen­ de Stator 52 mittels Ringflansch 54 und davon radial abstehenden Rahmenstegen 56 austrittsseitig gehäusefest befestigt ist.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfin­ dung betrifft einen Lüfter insbesondere für Perso­ nalcomputer, bei dem zur Geräuschminimierung folgende Merkmalskombination vorgeschlagen wird:

• - einem einen Strömungskanal (24) außenseitig durch ei­ ne Leitfläche (22) begrenzenden Lüftergehäuse (10),
• - einem in dem Lüftergehäuse (10) um eine Drehachse (12) drehbar gelagerten, mit seiner Nabe (14) den Strömungskanal (24) innenseitig begrenzenden Laufrad (18)
• - einem in der Nabe (14) angeordneten Drehantrieb (20) für das Laufrad (18),
• - die über den Umfang der Nabe (14) asymmetrisch ver­ teilten Schaufeln (16) des Laufrads (18) sind als Ra­ dialschaufeln ausgebildet,
• - die Leitfläche 22 und die Nabe 14 sind im Schaufelbe­ reich zwischen Schaufeleintrittskante 34 und Schau­ felaustrittskante 36 in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausge­ bildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strö­ mungskanals 24 konstant bleibt oder sich verringert.

Claims (13)

1. Lüfter insbesondere zur Belüftung von elektroni­ schen Geräten wie Personalcomputern mit folgenden Merkmalen:

• a) einem einen Strömungskanal (24) außenseitig durch eine Leitfläche (22) begrenzenden Lüf­ tergehäuse (10),
• b) einem in dem Lüftergehäuse (10) um eine Dreh­ achse (12) drehbar gelagerten, mit seiner kon­ zentrisch zu der Leitfläche (22) angeordneten Nabe (14) den Strömungskanal (24) innenseitig begrenzenden Laufrad (18),
• c) einem in der Nabe (14) angeordneten Drehan­ trieb (20) für das Laufrad (18),
• d) die über den Umfang der Nabe (14) vorzugsweise ungleichmäßig verteilten Schaufeln (16) des Laufrads (18) liegen in parallel zur Drehachse (12) verlaufenden, entgegen der Drehrichtung rückwärts gekrümmten Zylinderflächen,
• e) die Leitfläche (22) und die Nabe (14) sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskan­ te (34) und Schaufelaustrittskante (36) in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strö­ mungskanals (24) konstant bleibt oder sich verringert.

2. Lüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (22) im Schaufelbereich axial steiler als die Nabe (14) verläuft.

3. Lüfter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitfläche (22) im Schaufelbe­ reich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 20° und 60°, vor­ zugsweise 40° aufweist.

4. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (14) im Schaufelbe­ reich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 80° und 110°, vor­ zugsweise 95° aufweist.

5. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (14) zumindest in ih­ rem Scheitelbereich (32) parabolisch ausgebildet ist.

6. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittspartie (26) der Leitfläche (22) über einen Einlaufradius nach au­ ßen abgerundet ist.

7. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Austrittsöffnung (28, 38) des Strömungskanals (24) eine gegenseitige radiale Überdeckung (40) besitzen.

8. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelaustrittskanten (36) zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung (38) des Strömungskanals (24) un­ ter einem spitzen Anstellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt sind.

9. Lüfter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel zwischen 10° und 20°, vor­ zugsweise 15° beträgt.

10. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Schaufelendkanten (42) unter Freihaltung eines Toleranzspalts ent­ lang der Leitfläche (22) verlaufen.

11. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeleintrittskanten (34) sich axial über die Nabe (14) hinaus zu der Eintrittsöffnung (28) hin erstrecken.

12. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeleintrittskanten (34) einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkanten (42) aufweisen.

13. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (20) durch ei­ nen als Außenläufer ausgebildeten, in einer Aus­ nehmung (44) der Nabe (14) angeordneten Elektromo­ tor gebildet ist.