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Die
Erfindung betrifft einen Axiallüfter
zur Förderung
von Kühlluft
für eine
Kühlvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Axiallüfter zur
Förderung
von Kühlluft
für Kühlvorrichtungen,
insbesondere Kühlmodule
in Kraftfahrzeugen sind bekannt, z. B. als Axiallüfter mit frei
stehenden Blattspitzen, welche in einem feststehenden Zargenring
einer Lüfterzarge
umlaufen. Bekannt sind auch so genannte Mantellüfter, bei welchen ein Mantel
mit den Blattspitzen der Lüfterblätter verbunden
ist und mit dem Lüfter
umläuft.
Durch den umlaufenden Mantel werden Blattspitzenverluste, welche
aus einer Umströmung
der Blattspitzen infolge der Druckunterschiede auf der Druck- und
Saugseite der Lüfterblätter entstehen,
vermieden. Bei größeren Kraftfahrzeugen,
insbesondere bei Nutzfahrzeugen wird der Lüfter von der Brennkraftmaschine des
Kraftfahrzeuges angetrieben und ist gegenüber dem Block der Brennkraftmaschine
gelagert. Die Kühlvorrichtung
dagegen, bestehend aus Wärmeübertragern,
z. B. Kühlmittel-
oder Ladeluftkühlern,
ist fahrzeugseitig abgestützt,
während
der Motor elastisch gegenüber
dem Fahrzeugrahmen gelagert ist. Daraus ergeben sich Relativbewegungen
zwischen dem Lüfter
und der Kühlvorrichtung
bzw. einer an der Kühlvorrichtung
befestigten Lüfterzarge.
Die Relativbewegung zwischen den motorfesten Teilen wie z. B. der
Lüfter
und den fahrzeugfesten Teilen wie z. B. die Lüfterzarge oder der Lüfterzargenring
werden daher durch elastische, flexible Ausgleichselemente kompensiert.
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Durch
die
DE 44 38 184 C1 der
Anmelderin wurde eine Kühlvorrichtung
mit einem motorseitig angetriebenen und abgestützten Axiallüfter bekannt, welcher
in einem motorfesten Zargenring umläuft. Eine in Strömungsrichtung
vor dem Axiallüfter
angeordnete Kühlvorrichtung,
bestehend aus einem Kühler
mit Kühler-
oder Lüfterzarge,
ist über
eine elastische ringförmige
Lippendichtung mit dem feststehenden Zargenring verbunden. Der Lüfterströmung, d.
h. der vom Lüfter
erzeugten Hauptströmung
ist im Blattspitzenbereich eine Bypassströmung überlagert. Die axiale Bautiefe
der bekannten Kühlvorrichtung
ist insbesondere wegen des dem Lüfter
vorgeschalteten ringförmigen
Bypasskanals zur Erzeugung der Bypassströmung relativ groß.
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Durch
die
DE 33 04 297 C2 der
Anmelderin wurde ein so genannter Mantellüfter mit einer Einlaufdüse bekannt,
wobei der Lüfter
und die Einlaufdüse motorfest,
d. h. an der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges abgestützt sind.
Der Mantel ist an Axialschaufeln des Lüfters befestigt und ragt mit
einem nach vorne verlängerten,
zylindrischen Bereich in die Einlaufdüse hinein, wodurch eine Spaltströmung mit einer
180-Grad-Umlenkung von der Druckseite des Lüfters zur Saugseite erzeugt
wird. Wegen der vorgeschalteten Einlaufdüse ergibt sich auch hier eine
relativ große
axiale Baulänge.
Darüber
hinaus wird der wirksame Lüfterquerschnitt
durch die radial nach innen ragende Einlaufdüse vermindert, wodurch die Förderleistung
des Lüfters
eingeschränkt
wird.
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Durch
die
US 5,881,685 A wurde
ein Axiallüfter
bekannt, dem eine als Druckkammer ausgebildete Ringkammer, welche über eine
Druckluftquelle mit Druckluft versorgt wird, zugeordnet ist. Die
Ringkammer weist eine sich über
den Umfang erstreckende, vor dem Lüfter angeordnete ringförmige Düse auf, über welche
Druckluft in einen Umfangsspalt zwischen Lüfter und Ringkammer eingeblasen
wird. Die Ringkammer weist im Bereich der ringförmigen Düse eine abgerundete Fläche auf,
an welche sich die Luftströmung
unter Ausnutzung des Coanda-Effektes anlegt. Die Lufteinblasung
erfolgt somit von der Lufteintrittsseite des Lüfters über den gesamten Umfang des
Lüfterspaltes
zwischen Blattspitzen und Ringkammer.
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Bei
heutigen Kraftfahrzeugen steht für
den Einbau von Kühlvorrichtungen
einschließlich
Lüfter wenig
Bauraum zur Verfügung,
andererseits steigen die Anforderungen in Bezug auf die zu erbringende Kühlleistung
und damit auch auf die Lüfterleistung.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axiallüfter der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch bei
starken Drosselzuständen
des Lüfters
ein hoher aerodynamischer Wirkungsgrad erreicht wird und die Lüftergeräusche reduziert
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Axiallüfter ist vorgesehen,
dass dem Bereich des Lüfterspaltes, des
so genannten Kopfspaltes zwischen Lüfterblattspitzen und Zargenring
Luft zur Beeinflussung der Lüfterströmung zuführbar ist.
Die Luftzufuhr erfolgt vorzugsweise durch Einblasung durch Öffnungen
im Zargenring, welche über
dessen Umfang verteilt sind. Die Öffnungen sind vorzugsweise
als in Strömungsrichtung
geneigte Kanäle
ausgebildet, sodass die eingeblasene Luft unter einem relativ flachen Winkel
in die Lüfterströmung eintritt.
Damit wird eine vorteilhafte Beeinflussung der Lüfterströmung erreicht, insbesondere
werden Strömungsablösungen im
Blattspitzenbereich sowie eine Umströmung der Blattspitzen von der
Druckseite zur Saugseite der Lüfterblätter vermieden.
Damit wird der Vorteil eines erhöhten
aerodynamischen Wirkungsgrades, verbunden mit einer Geräuschminderung,
erreicht.
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Die
Lüfterblätter weisen
vorzugsweise ein aerodynamisches Schaufelprofil auf, welches im
Bereich der Lüfterblatttiefe
eine maximale Profildicke (Profildickenrücklage) aufweist. Die Luftzuführöffnungen
im Zargenring sind vorzugsweise im Bereich der maximalen Profildicke,
d. h. in der radialen Ebene der Profildickenrücklage angeordnet. Die Profildickenrücklage kann
bei 30 bis 50% der Lüfterblatttiefe
liegen. Eine Lufteinblasung in diesem Bereich ist besonders wirksam,
weil hinter der maximalen Profildicke der gefährdete Ablösungsbereich liegt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform kann
der Axiallüfter
auf seinem Umfang teilweise ummantelt sein, d. h. einen Mantelring
aufweisen, welcher kürzer
als die Blatttiefe ist, wobei die Teilummantelung (der Teilmantel)
im anströmseitigen
oder im abströmseitigen
Bereich der Lüfterblätter liegen kann,
sodass jeweils ein nicht ummantelter Bereich der Blattspitzen verbleibt.
In diesen nicht ummantelten Bereich wird die Luft eingeblasen. Damit
wird ebenfalls der Vorteil erreicht, dass Strömungsablösungen im Blattspitzenbereich
vermieden werden.
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Die
Zufuhr der Druckluft erfolgt erfindungsgemäß aufgrund eines Druckgefälles, welches
zwischen der Druckseite, d. h. der Lüfteraustrittsebene und den
Luftzufuhröffnungen
besteht. Aufgrund dieses Druckgefälles erfolgt eine Rückströmung auf
der Außenseite
des Zargenringes, sodass keine Energiezufuhr von außen notwendig
ist.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass der Zargenring als Druckkammer ausgebildet
ist, welche Druckluft von einer separaten Druckluftversorgung erhält. Die
Lufteinblasung erfolgt durch die im Zargenring angeordneten Öffnungen
in den Kopfspalt, sodass eine gezielte Strömungsbeeinflussung mit den
zuvor erwähnten
Vorteilen erfolgen kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
Axiallüfter
mit Zargenring und Lufteinblasung,
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2 einen
Axiallüfter
mit Teilmantel im abströmseitigen
Bereich,
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3 einen
Axiallüfter
mit Teilmantel im anströmseitigen
Bereich,
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4 einen
Axiallüfter
mit als Druckkammer ausgebildetem Zargenring,
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5 ein
Strömungsbild
für einen
Axiallüfter nach
dem Stand der Technik,
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6 ein
Strömungsbild
für einen
Axiallüfter mit
Mantel und Einlaufdüse
nach dem Stand der Technik und
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7 ein
Strömungsbild
für den
erfindungsgemäßen Axiallüfter mit
Lufteinblasung.
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1 zeigt
einen Axiallüfter 1,
welcher zur Kühlluftförderung
für eine
nicht dargestellte Kühlvorrichtung
eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist. Die Kühlvorrichtung umfasst mindestens
einen Wärmeübertrager,
z. B. einen Kühlmittelkühler zur
Kühlung des
Kühlmittels
für die
Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges. Der Axiallüfter 1,
der vorzugsweise für Nutzfahrzeuge
einsetzbar ist, wird über
eine Kupplung 2, z. B. eine Flüssigkeitsreibungskupplung von der
nicht dargestellten Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges angetrieben,
wobei a die Rotationsachse der Kupplung 2 darstellt. Der
Axiallüfter 1 weist Lüfterblätter 3 mit
einem hier nicht dargestellten aerodynamischen Schaufelprofil auf.
Die Lüfterblätter 3 sind
an einer Nabe 4 befestigt, welche mit der Kupplung 2 verbunden
ist. Der Axiallüfter 1 läuft in einem Zargenring 5 einer
nicht dargestellten Lüfterzarge um,
die ihrerseits mit dem Wärmeübertrager
(Kühlmittelkühler) verbunden
ist. Vorzugsweise ist der Zargenring 5 – ebenso wie der Axiallüfter 1 – motorfest angeordnet,
d. h. gegenüber
der Brennkraftmaschine abgestützt.
Die Lüfterblätter 3 werden
von Umgebungsluft in Richtung eines Pfeiles L angeströmt und weisen
eine Anströmkante 3a sowie
eine Abströmkante 3b,
eine Lüfterblatttiefe
t sowie Blattspitzen 3c auf. Die umlaufenden Blattspitzen 3c bilden
mit dem Zargenring 5 einen Spalt, den so genannten Kopfspalt 6.
Letzterer kann bei einer motorfesten Anordnung von Lüfter 1 und
Zargenring 5 minimal ausgebildet werden, da keine Relativbewegungen
auftreten. Erfindungsgemäß sind in
dem Zargenring 5 auf dessen Umfang Öffnungen 7 in Form
von schräg
zur Strömungsrichtung
L verlaufenden Luftkanälen
oder Schlitzen angeordnet. Die Öffnungen 7 münden etwa in
einer Radialebene E in den Kopfspalt 6 zwischen Blattspitzen 3c und
Zargenring 5. Die Radialebene E bezeichnet dabei etwa die
Lage der maximalen Profildicke der Lüfterblätter 3, die so genannte
Profildickenrücklage,
gemessen in Strömungsrichtung
L von der Anströmkante 3a.
Die Profildickenrücklage
des Schaufelprofils kann etwa 50% der Lüfterblatttiefe t betragen.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Anordnung
der Luftkanäle 7 wird
dem Kopfspalt 6 über
eine Rückströmung, dargestellt
durch ringförmig
angeord nete Pfeile R, Druckluft von der Druckseite des Lüfters zugeführt. Die
Rückströmung R wird
durch das Druckgefälle
zwischen Lüfteraustrittsebene
(Abströmkante 3b)
und der Luftzuführebene
E bewirkt. Eine Zufuhr von Fremdenergie ist nicht erforderlich. Die über die
Luftkanäle 7 schräg in die
Lüfterströmung eintretende,
zugeführte
Luft stabilisiert die Lüfterströmung im
Blattspitzenbereich und verhindert eine Strömungsablösung.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Axiallüfter 8,
welcher in seinem abströmseitigen
Bereich einen Mantel 9, im Folgenden auch Teilmantel genannt,
aufweist. Im Übrigen
werden für
gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 verwendet. Die
Vorderkante 3a des Lüfters 8 ist
gegenüber
dem Zargenring 5 in Strömungsrichtung
L etwas nach hinten versetzt, sodass die Abströmkante 3b und der Teilmantel 9 über den
Zargenring 5 hinausstehen. Die Austrittsöffnung der
Luftkanäle 7 liegt
in Strömungsrichtung
vor dem Teilmantel 9. Aufgrund dieser Anordnung stellt
sich die durch die Pfeile R angedeutete Rückströmung von der Lüfteraustrittsebene in
Richtung der Luftkanäle 7 im
Zargenring 5 ein. Durch die schräg zur Strömungsrichtung L zugeführte Luft
ergibt sich eine Strömungsbeeinflussung
im Blattspitzenbereich 3c.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Axiallüfter 10,
welcher einen Teilmantel 11 im anströmseitigen Bereich der Lüfterblätter 3 aufweist.
Die Luftzuführkanäle 7 münden in Strömungsrichtung
hinter dem Teilmantel 11 und treffen im Wesentlichen auf
den abströmseitigen
Blattspitzenbereich 3c der Lüfterblätter 3, wo sie ebenfalls eine
stabilisierende Wirkung auf die Blattspitzenströmung ausüben.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Axiallüfter 12 und
einem Zargenring 13, welcher als ringförmige Druckkammer 14 mit
Luftausblasöffnungen 15 ausgebildet
ist. Die Druckkammer 14 wird durch eine nicht dargestellte Druckluftquelle über eine
Zuführleitung 14a mit Druckluft
versorgt. Bei dieser Anordnung tritt also keine Rückströmung wie
in den vorherigen Ausführungsbeispielen
auf, vielmehr wird die Druckluft aus der Druckkammer 14 über die
Zufuhröffnungen 15 in den
Blattspitzenbereich 3c eingeblasen. Damit kann ebenso eine
Strömungsbeeinflussung
zur Verhinderung von Strömungsablösungen erfolgen.
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5 zeigt
eine Darstellung der Lüfterströmung bei
einem Axiallüfter 16 nach
dem Stand der Technik. Der Axiallüfter 16 weist frei
stehende (nicht ummantelte) Lüfterblätter 16a auf,
welche in einem Zargenring 17 umlaufen, welcher über ein
elastisches Ausgleichselement 18 mit einer teilweise dargestellten
Lüfterzarge 19 verbunden
ist. Der Zargenring 17 ist ebenso wie der Lüfter 16 motorfest
angeordnet, während
die Lüfterzarge 19 fahrzeugfest
angeordnet ist, daher das elastische Ausgleichselement 18.
Die Hauptströmung
durch den Lüfter
ist entsprechend den dargestellten Strömungspfeilen etwa halbaxial
ausgerichtet. Im anströmseitigen
Blattspitzenbereich 16c findet eine Strömungsablösung mit der Bildung eines
Wirbels, dargestellt durch Pfeile W statt. Eine derartige Wirbelbildung
vermindert die Lüfterleistung
und den Wirkungsgrad des Lüfters.
Vorteilhaft bei dem dargestellten Axiallüfter sind ein relativ hoher
Massenstrom und ein guter Wirkungsgrad sowie eine geringe axiale
Bautiefe. Nachteilig dagegen sind der Druckaufbau und die Geräuschentwicklung.
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6 zeigt
einen so genannten Mantellüfter 20 nach
dem Stand der Technik sowie eine Darstellung der Strömung. Der
Mantellüfter 20 weist
einen Mantel 21 mit einem vorstehenden zylindrischen Bereich 21a auf,
welcher in eine U-förmig ausgebildete Einlaufdüse 22 hineinragt.
Dadurch wird eine so genante Düsenströmung, dargestellt
durch zwei U-förmige
Strömungspfeile
D erzeugt, welche eine stabilisierende Wirkung auf die Hauptströmung des
Lüfters gemäß den dargestellten
Strömungspfeilen
ausübt. Die
Wirbelbildung, wie in 5 dargestellt – wird durch
die Düsenströmung D unterbunden.
Vorteilhaft bei dem Mantellüfter
mit Einlaufdüse
sind der gute Druckaufbau und eine geringe Geräuschentwicklung. Nachteilig
dagegen sind ein gegenüber
dem Axiallüfter
geringerer Wirkungsgrad sowie eine erhöhte axiale Bautiefe.
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7 zeigt
eine Darstellung der Lüfterströmung für den erfindungsgemäßen Axiallüfter 1 gemäß 1.
Der Zargenring 5 mit den Luftzuführöffnungen 7 ist über ein
Ausgleichselement 18 (vgl. 5) mit einer
nicht dargestellten Lüfterzarge
verbunden. Die erfindungsgemäße Rückströmung ist durch
Strömungspfeile
R angedeutet. Die Hauptströmung
durch den Lüfter 1 ist
durch weitere Strömungspfeile
P dargestellt. Man erkennt, dass im Blattspitzenbereich 3c eine
anliegende, wirbelfreie Strömung
ausgebildet ist – als
Folge der erfindungsgemäßen Luftzuführung in
Form einer Lufteinblasung durch die Öffnungen 7. Dadurch
werden Lüftergeräusche reduziert,
der Massenstrom wird auch bei starken Drosselzuständen erhöht, und
die axiale Bautiefe ist gering.