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Die
Erfindung betrifft eine Lüfterhaube
für einen
von Luft durchströmbaren
Wärmeübertrager nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Lüfterhauben
werden bei Lüfteraggregaten mit
Lüftergebläse zur Kanalisierung
des Luftstromes und zur Halterung des Lüftergebläses verwendet. Insbesondere
bei Kraftfahrzeugen ist in Luftströmungsrichtung hinter einem
Wärmeübertrager,
z. B. einem Kühlmittelkühler eine
Lüfterhaube
angeordnet, welche an dem Wärmeübertrager
befestigt ist und eine kreisförmige
Zarge aufweist, innerhalb welcher ein von einem Elektromotor angetriebener
Axiallüfter zur
Förderung
des Luftstromes durch den Wärmeübertrager
umläuft.
Der Elektromotor mit dem Lüfter, kurz
Lüftergebläse genannt,
ist über
einzelne Streben mit der Zarge bzw. der Lüfterhaube verbunden, wobei
es sich vielfach um einstückig
ausgebildete, gespritzte Kunststoffbauteile handelt. Ein derartiges Lüfter- oder
Kühleraggregat
für ein
Kraftfahrzeug wurde durch die DE-A 42 44 037 der Anmelderin bekannt.
Dabei sind die Lüfterhaube
mittels Rastverbindungen am Kühler
und das Lüftergebläse an einem Befestigungsring
befestigt, welcher über
radial und im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Streben gehalten
wird. Die auf die Streben wirkenden Kräfte und Momente, welche aus
dem Gewicht und den Massenkräften
des Gebläses
mit Elektromotor, dem Reaktionsmoment und dem Axialschub des Lüfters resultieren,
sind nicht unerheblich, sodass die Streben entsprechend kräftig dimensioniert
sein müssen.
Insbesondere in axialer Richtung muss eine hinreichende Steifigkeit
gegeben sein, damit der Lüfter
oder der Motor nicht am Wärmeübertrager
anschlägt
oder anstreift. Andererseits sollen die Streben nur einen minimalen
Anteil des Zargenquerschnittes einnehmen, um die Strömungsverluste
für den
vom Lüfter
geförderten
Luftstrom so gering wie möglich
zu halten. Daher werden die Streben möglichst schlank und strömungsgünstig, teilweise
auch mit einem Strömungsprofil
ausgebildet. Ein weiteres Problem bei der Gestaltung und Dimensionierung
der Streben sind Lüftergeräusche, welche
sich durch die Luftströmung
infolge von stehenden Streben und rotierenden Lüfterblättern ergeben.
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Um
eine derartige Geräuschentwicklung
zu vermeiden, wurde in der DE-A 41 05 378 bei einem Lüfteraggregat
mit Lüfterhaube
und Lüftergebläse vorgeschlagen,
die das Gebläse
abstützenden
Streben schräg
zur radialen Richtung anzuordnen, vorzugsweise mit einem Neigungswinkel
von 20°.
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Ferner
wurde zur Vermeidung von Lüftergeräuschen in
der DE-A 196 38 518 vorgeschlagen, die Haltestreben für den Elektromotor
und den Axiallüfter zwischen
Wärmeübertrager
und Axiallüfter,
also stromaufwärts
vom Lüfter,
anzuordnen. Die an einem äußeren Stützring befestigten
Streben verlaufen dabei im Wesentlichen, d. h. im Bereich des Lüfterdurchmessers
in einer zur Rotationsachse des Lüfters normalen Ebene. Um die
in axialer Richtung vom Lüfter
hervorgerufenen Schubkräfte
und die vom Fahrzeug verursachten Trägheitskräfte durch Beschleunigen oder
Verzögern
aufzunehmen, müssen die
Streben ein hinreichendes Widerstandsmoment aufweisen, was sich
im Gewicht und in der Bautiefe bzw. im Druckabfall für den geförderten
Luftstrom negativ auswirkt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lüfterhaube der eingangs genannten
Art in Bezug auf ihre axiale Steifigkeit zu verbessern, und zwar
möglichst
ohne das Gewicht, die Anzahl und/oder die Querschnitte der Streben
zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Streben derart gekrümmt
sind, dass sie mit ihren An- bzw. Abströmkanten jeweils eine gekrümmte Fläche auf spannen,
welche vorzugsweise die Oberfläche
eines Sphäroids
bzw. einer Kuppel bildet. Durch diesen „Kuppeleffekt" ergibt sich für die Streben
eine höhere
Gestaltfestigkeit, d. h. insbesondere eine höhere Steifigkeit in axialer Richtung,
ohne dass hierfür
eine Erhöhung
der Anzahl der Streben oder eine Vergrößerung des Querschnittes im
Wesentlichen notwendig ist. Das Potenzial des Werkstoffes, sei es
Kunststoff oder sei es Leichtmetalldruckguss, wird damit besser
und gleichmäßiger ausgenutzt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird eine Umhüllende,
beispielsweise die Oberfläche des
Sphäroiden
(Paraboloid, Ellipsoid) durch Rotation eines Kurvenastes um die
Rotationsachse des Gebläses
erzeugt. Der Kurvenast kann Teil eines Kreises, einer Parabel, einer
Ellipse oder einer anderen nicht linearen Kurve sein, deren Abstand
in axialer Richtung zu einer Radialebene in radialer Richtung von
innen nach außen
ständig
wächst.
Damit wird ein ähnlicher
Abstützeffekt
für die
Streben erreicht, wie er bei Kuppeln oder Gewölben bekannt ist, und zwar
insbesondere im radial äußeren Bereich, wo
auch die mechanische Beanspruchung am stärksten ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Streben einerseits
zwischen Wärmeübertrager
und Lüfter,
also in Strömungsrichtung
vor dem Lüfter
als auch in Strömungsrichtung
hinter dem Lüfter
angeordnet sein. Insbesondere die Ausführungen, bei welchen der Abstand
zwischen den Vorderkanten des Lüfters
und den Hinterkanten der Streben oder der Abstand zwischen den Hinterkanten
des Lüfters
und den Vorderkanten der Streben radial von innen nach außen wächst, bringt
Vorteile im Bereich der Aerodynamik und der Geräuschentwicklung, weil im äußeren Durchmesserbereich
die größten Strömungsgeschwindigkeiten
auftreten und die größten Förderleistungen
erreicht werden, während
gleichzeitig der Abstand zwischen Lüfter und Streben am größten ist.
Dadurch werden die schädlichen
Interferenzen deutlich vermindert.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des Patentanspruches
10 gelöst.
Erfindungsgemäß sind die
Streben in unterschiedlicher Umfangsrichtung geneigt bzw. gekrümmt und
bilden ein Strebengitter. Damit wird der Vorteil einer axialen und
radialen Versteifung erreicht.
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Vorteilhafterweise
können
die unterschiedlich geneigten Streben unterschiedlich dimensioniert, d.
h. als Druck- und Zugstreben ausgebildet sein, wobei die Druckstreben
stärker
als die Zugstreben dimensioniert sind. Dadurch wird der Vorteil
einer weiteren Materialersparnis, verbunden mit einem geringeren
Druckabfall für
die Luftströmung
erreicht. Die Anordnung der Streben in Gitterform gilt sowohl für Streben,
welche im Wesentlichen in einer Ebene oder auf einer Kegelfläche angeordnet
sind, als auch für
Streben, welche sphärische
oder sphäroide Krümmungen
aufweisen.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich eine
Verstärkung
des Querschnittes der Streben vorgesehen, und zwar insbesondere
im äußeren Durchmesserbereich,
wo die größte Biegebeanspruchung
aufgrund axialer Belastung auftritt. Die Strebenquerschnitte nehmen
somit mit wachsendem Radius zu, wobei entweder die Strebenhöhe (in Luftströmungsrichtung)
oder die Strebenbreite (quer zur Luftströmungsrichtung) erhöht werden
kann. Damit wird der Vorteil eines weiteren Zuwachses bezüglich der
axialen Steifigkeit der Gebläseaufhängung erreicht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform sind
die Kreuzungspunkte in Bereichen mit im wesentlichen axialer Durchströmung angeordnet.
Da in diesen Bereichen eine Radialkomponente der Durchströmung minimal
ist, stellen die Kreuzungspunkte bei einer solchen Anordnung einen
geringeren Strömungswiderstand
dar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit entgegen der Luftströmungsrichtung gekrümmten Streben
zwischen Wärmeübertrager
und Lüfter,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit in Luftströmungs-Richtung gekrümmten Streben
zwischen Wärmeübertrager
und Lüfter,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit in Luftströmungs- Richtung gekrümmten Streben
stromabwärts
vom Lüfter,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit entgegen der Luftströmungsrichtung gekrümmten Streben
stromabwärts
vom Lüfter,
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5 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Strebengitter in einer Ansicht entgegen
der Luftströmungsrichtung,
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6 das
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 in
einer Ansicht in Luftströmungsrichtung
auf die Lüfterhaube
mit Strebengitter und
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7 eine
schematische Ansicht einer Lüfterhaube
mit gekreuzten Streben.
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1 zeigt
eine Anordnung eines Wärmeübertragers 1,
einer Lüfterhaube 2 sowie
eines Lüftergebläses 3,
welches über
eine Anzahl von Streben 4 gegenüber der Lüfterhaube 2 befestigt
ist. Der Wärmeübertrager 1 kann
vorzugsweise als Kühlmittel/Luftkühler eines
Kraftfahrzeuges ausgebildet und in einem nicht dargestellten vorderen
Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet sein. Zur Vereinfachung
ist nur das Netz des Kühlers 1 dargestellt,
welches von Umgebungsluft in Richtung des Pfeils L durchströmt wird.
Die Lüfterhaube 2 ist
ebenfalls nur unvollständig
dargestellt, sie ist in nicht dargestellter, jedoch aus dem Stand
der Technik bekannter Weise mit dem Kühler 1, z. B. über eine
Rastverbindung verbunden. Die Lüfterhaube 2 weist
an ihrem stromabwärtigen
Ende eine Zarge 2a auf, in welcher ein Axiallüfter 3a umläuft, welcher
von einem Elektromotor 3b angetrieben wird. Die gemeinsame
Rotationsachse ist mit 3c bezeichnet. Das aus Elektromotor 3b und
Lüfter 3a bestehende
Gebläse 3 weist
einen Haltering 5 auf, an welchem die Streben 4 befestigt
sind und somit das Gebläse 3 innerhalb
der Lüfterhaube 2 halten;
damit ist das Gebläse 3 sowohl
in radialer Richtung gegenüber
der Lüfterzarge 2a als
auch in axialer Richtung gegenüber
dem Netz des Kühlers 1 fixiert.
Die Streben 4 weisen im Querschnitt ein strömungsgünstiges
Profil 4a auf, welches durch eine Strebenhöhe h in
Luftströmungsrichtung
und eine maximale Strebenbreite b quer zur Luftströmungsrichtung
gekennzeichnet ist. Das Strebenprofil kann in radialer Richtung
unterschiedliche Querschnitte, d. h. unterschiedliche Höhen und/oder
Breiten aufweisen – daher
ist ein weiteres Strebenprofil 4b mit einem geringeren
Querschnitt dargestellt. Die Streben 4 weisen jeweils gestrichelt
dar gestellte Vorder- oder Anströmkanten 6 und
Hinter- oder Abströmkanten 7 auf.
Sowohl die Vorderkanten 6 als auch die Hinterkanten 7 sind – in diesem
Ausführungsbeispiel – entgegen
der Luftströmungsrichtung,
d. h. in Richtung des Kühlers 1 gekrümmt – sie spannen
jeweils eine die Streben 4 umhüllende Fläche auf, welche einen Teil
der Oberfläche
eines Sphäroiden,
d. h. eines Rotationskörpers
bildet. Ein solcher Sphäroid
wird durch Rotation eines Kurvenastes (einer so genannten Erzeugenden)
um eine Rotationsachse erzeugt; im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Erzeugenden die Vorderkanten 6 und die Hinterkanten 7 der
Streben 4, d. h. beide liegen in der Zeichenebene. Sie weisen
jeweils einen nicht linearen Kurvenverlauf auf, d. h. die Vorderkante 6 und
die Hinterkante 7 könnten
z. B. Bogenstücke
einer Parabel sein. Durch diesen nicht linearen Kurvenverlauf ergibt
sich ein veränderlicher
Abstand x zwischen der Hinterkante 7 der Streben 4 und
der Eintrittsebene E des Axiallüfters 3a,
d. h. es ergibt sich radial innen ein minimaler Abstand xi und radial außen ein maximaler Abstand xa. Der Abstand x nimmt somit nicht linear
(progressiv) mit wachsendem Radius (Abstand von der Rotationsachse 3c)
zu. Die Streben 4 erhalten durch die beschriebene Krümmung eine
erhöhte
Gestaltfestigkeit, d. h. durch die gewölbte Ausbildung, bei welcher die
Streben 4 quasi das Gerüst
einer Kuppel bilden, ergibt sich ein Abstützeffekt, und zwar insbesondere bei
axialer Belastung in Richtung der Rotationsachse 3c. Da
im Schaufelspitzenbereich des Axiallüfters 3a die höchsten Umfangs-
bzw. Strömungsgeschwindigkeiten
auftreten, ergeben sich durch den vergrößerten Abstand xa zwischen
Streben 4 und Lüfter 3a in diesem
Bereich verbesserte Strömungsverhältnisse, was
zu Geräuschminderungen
und Wirkungsgraderhöhung
führt.
Die Streben 4 unterliegen bei axialer Belastung einer Biegebeanspruchung,
welche im radial äußern Bereich,
d. h. im Bereich des größten Abstandes
x am größten ist.
Obwohl in diesem Bereich aufgrund der erfindungsgemäßen Wölbung bereits ein
Festigkeitszuwachs durch erhöhte
Gestaltfestigkeit erreicht wird, kann es von Vorteil sein, in diesem Bereich
den Strebenquerschnitt 4a zu vergrößern, d. h. entweder durch
Vergrößerung der
Strebenhöhe
h oder Vergrößerung der
Strebenbreite b oder durch beides, wobei ein schlankes Profil sowohl
festigkeitsmäßige als
auch aerodynamische Vorteile bietet.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wobei für
gleiche Teile gleiche Bezugszahlen verwendet werden, also für den Wärmeübertrager 1 und
das Gebläse 3 sowie
die Lüfterhaube 2.
Das Gebläse 3 ist
mittels des Halteringes 5 über Streben 8 gegenüber der
Lüfterhaube 2 befestigt, wobei
die Streben 8 Vorderkanten 8a und Hinterkanten 8b aufweisen,
welche hier in Richtung der Luftströmung, entsprechend dem Pfeil
L, gekrümmt
sind. In diesem Falle ist also der axiale Abstand xi im
radial inneren Bereich zwischen dem Netz des Wärmeübertragers 1 und der
Vorderkante 8a kleiner als der Abstand xa im
radial äußeren Bereich.
Die Streben 8 sind somit gegenüber den Streben 4 gemäß 1 gegenüber einer
Radialebene gespiegelt. Der Abstützeffekt
aufgrund der kuppelartigen Wölbung
der Streben 8 ist also hier derselbe wie beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1.
Die Lüfterhaube 2 ist vorzugsweise
am Wärmeübertrager 1 befestigt,
d. h. die vom Gebläse 3 ausgehenden, über die
Streben 8 übertragenen
Kräfte
werden vom Wärmeübertrager 1 bzw.
dessen Lagerung im Fahrzeug aufgenommen. Eine Abstützung der
Lüfterhaube 2 auf
andere Weise, z. B. direkt gegenüber
dem Fahrzeug ist auch möglich.
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3 zeigt
ein weiteres (drittes) Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei welchem das Gebläse 3 über Streben 9 gegenüber der
Lüfterhaube 2 gehalten
ist und die Streben 9 stromabwärts vom Lüfter 3a angeordnet
sind. Die Streben 9 weisen eine Vorderkante 9a und
eine Hinterkante 9b auf, welche in Richtung der Luftströmung gekrümmt sind,
Der Abstand x zwischen einer Austrittsebene A des Axiallüfters 3a und
der Vorderkante 9a der Streben 9 wächst also
mit zunehmendem Radius, d. h. der äußere Abstand xa ist
größer als
der innere Abstand xi, wobei x von xi nach xa progressiv
zunimmt. Auch bei dieser Lösung
ergeben sich insbesondere im radial äußeren Bereich aerodynamische
Vorteile, verbunden mit einer Geräuschminderung und Wirkungsgraderhöhung.
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4 zeigt
ein weiteres (viertes) Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei welchem das Gebläse 3 über Streben 10 gegenüber der
Lüfterhaube 2 abgestützt ist.
Die Streben 10 weisen Vorderkanten 10a und Hinterkanten 10b auf,
welche entgegen der Luftströmungsrichtung
gekrümmt
und hinter der Austrittsebene A des Axiallüfters 3a angeordnet
sind. Diese Ausführungs form
stellt somit eine Spiegelung der Ausführungsform gemäß 3 dar.
Der erfindungsgemäße Abstützeffekt
aufgrund der kuppelförmigen
Wölbung
der Streben 10 ist auch hier gegeben.
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5 zeigt
ein weiteres (fünftes)
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, nämlich
eine Lüfterhaube 11 mit
einer Lüfterzarge 11a,
innerhalb welcher ein Elektromotor 12 für den Antrieb eines nicht dargestellten
Lüfterrades
angeordnet ist. Die Lüfterhaube 11 ist
mit ihrer Rückseite 11b dargestellt
und auf nicht auf dargestellte Weise an ihrer Vorderseite mit einem ebenfalls
nicht dargestellten Wärmeübertrager
verbunden. Der Elektromotor 12 ist in einem Haltering 13 aufgenommen,
welcher über
ein Strebengitter 14 mit der Lüfterhaube 11 verbunden
ist. Das Strebengitter 14 besteht aus Streben 15,
die im Uhrzeigersinn in Umfangsrichtung gekrümmt sind, und aus Streben 16,
die in entgegengesetzter Umfangsrichtung gekrümmt sind. Die Streben 15, 16 sind
derart angeordnet, dass sich zwischen ihnen eine Vielzahl von Kreuzungspunkten 17 ergibt,
welche zusammen mit den Streben 15, 16 die Gitterstruktur 14 bilden.
Im Sinne einer Aufgabenteilung kann ein Teil der Streben als Druckstreben 15 und
ein anderer Teil der Streben als Zugstreben 16 ausgebildet
werden, womit auch die radiale Steifigkeit erhöht wird. Die Zugstreben können schlanker,
d. h. mit einem geringeren Querschnitt ausgebildet werden. Die Lüfterhaube 11 einschließlich Zarge 11a,
Strebengitter 14 und Haltering 13 kann als einstückiges Kunststoffspritzteil
hergestellt werden. Das Strebengitter 14, bestehend aus
in Umfangsrichtung gekrümmten Streben 15, 16 kann
sowohl in einer Ebene als auch auf der Oberfläche eines Sphäroiden – wie in
den vorigen Ausführungsbeispielen
beschrieben – angeordnet
sein. Durch die zusätzliche
kuppelförmige
Wölbung
des Strebengitters 14 kann also eine zusätzliche
axiale Steifigkeit durch Erhöhung
der Gestaltfestigkeit erreicht werden.
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6 zeigt
die Lüfterhaube 11 gemäß 5 in
einer Ansicht in Luftströmungsrichtung
mit Streben 15, 16, welche das Strebengitter 14 zur
Halterung des Halteringes 13 bilden – das Gebläse ist hier nicht dargestellt.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beziehen sich auf einen Sauglüfter,
d. h. eine Anordnung von Lüfterhaube
und Lüftergebläse in Luft strömungsrichtung
hinter dem Wärmeübertrager. Im
Rahmen der Erfindung liegt auch eine Lüfterhaubenanordnung mit drückendem
Lüfter,
d. h. in Luftströmungsrichtung
vor dem Wärmeübertrager.
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7 zeigt
eine Lüfterhaube 21 in
schematischer Ansicht in Luftströmungsrichtung
mit nur angedeuteten Streben 22, 23, 28, 29,
welche sich in einem Kreuzungspunkt 24 kreuzen. Die jeweilige
Form der Strebenpaare 22, 23 beziehungsweise 28, 29 ist
dabei an die jeweiligen Stabilitätserfordernisse
anzupassen. Weitere, nicht explizit dargestellte Kreuzungspunkte
sind entlang einer Ellipse 25 mit Halbachsen c und d angeordnet.
Im Bereich der Ellipse 25 ist die Durchströmung vorwiegend
axial, das heißt
senkrecht zur Zeichenebene von 7. Da die Kreuzungspunkte
einen erhöhten
Strömungswiderstand
bei Durchströmung
mit einer Komponente innerhalb der Zeichenebene von 7 darstellen,
ist ein Gesamtströmungswiderstand
der Lüfterhaube 21 bei
dieser Anordnung reduziert. CFD-Strömungssimulationen einer rechteckigen
Lüfterhaube
ohne Streben führen
ebenfalls zu einer Ellipsenform.
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Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Durchströmung
innerhalb der Ellipse 25 aufgrund einer Ablenkung durch
die Lüfternabe 26 schräg nach außen gerichtet,
weist also eine Radialkomponente nach außen auf. Außerhalb der Ellipse ist die Durchströmung aufgrund
einer Ablenkung durch die äußere Fläche 27 der
Lüfterhaube 21 schräg nach innen
gerichtet, weist also eine Radialkomponente nach innen auf.
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Diese
nach innen gerichtete Radialkomponente ist umso stärker ausgeprägt, je breiter
die Außenfläche 27 ist.
Somit ergibt sich die Ellipsenform aus der länglichen Rechteckform der Lüfterhaube 21. Generell
ergibt sich bei rechteckigen Lüfterhauben mit
den Kantenlängen
a und b gemäß 7 und kreisrunder
Lüfteröffnung eine
Ellipse mit den Halbachsen c und d, wobei b kleiner als a ist und
c kleiner als d ist. Die längliche
Form der Ellipse ist also gegenüber
der länglichen
Form der Lüfterhaube
um 90° gedreht.
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Bei
einer quadratischen Lüfterhaube
ergibt sich dementsprechend ein Kreis als Spezialfall einer Ellipse.