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Die Erfindung betrifft einen Axiallüfter zur Förderung von Kühlluft für eine Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeuges, wobei der Axiallüfter Lüfterblätter mit Blattspitzen aufweist und in einem Zargenring unter Bildung eines Spaltes zwischen den Blattspitzen und dem Zargenring umläuft.
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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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Die
DE 695 24 169 T2 offenbart einen Axiallüfter eingerichtet zur Förderung von Kühlluft für eine Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeuges, wobei der Axiallüfter Lüfterblätter mit Blattspitzen aufweist und in einem Zargenring unter Bildung eines Spaltes zwischen den Blattspitzen und dem Zargenring umläuft, wobei im Bereich des Spaltes Luft zuführbar ist.
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Die
DE 1 905 269 B offenbart einen Ventilator mit zwei Hilfsstrahlen am Laufradeintritt, bei dem bei einem Spalt im Einlauf Luft aus dem Druckraum des Gehäuses auf den Laufradstrom trifft, die durch mehrere Rückströmspalten dem Laufrad zugeführt wird, wobei zwischen der Deckscheibe der Beschaufelung und der Ventilatorsaugöffnung ein am Gehäuse befestigter Wulstring vorgesehen ist, dessen eines Ende mit der unteren Gehäuseberandung und dessen anderes Ende mit der Deckscheibe eine ringförmige Düse bildet, wobei der Ventilator eine Blatttiefe und einen Mantelring aufweist, der mit den Blattspitzen verbunden und gegenüber der Blatttiefe verkürzt ist, und dass die Luft im nicht ummantelten Bereich der Blattspitzen zuführbar ist.
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Die
DE 696 21 079 T2 offenbart eine Turbomaschine, die als Axialgebläse ausgebildet sein kann, wobei das Axialgebläse ein Laufrad mit Blättern mit Blattspitzen aufweist und in einem Gehäuse unter Bildung eines Spaltes zwischen den Blattspitzen und dem Gehäuse umläuft, wobei im Bereich des Spaltes Luft zuführbar ist, wobei im Gehäuse Nuten oder Durchlässe, über den Umfang verteilt, angeordnet sind, über welche die Luft zuführbar ist.
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Die
DE 10 2006 047 236 A1 offenbart verschiedene Ausgestaltungen von Axiallüftern mit Zargenring und Mantelring.
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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, bei einem einfachen konstruktiven Aufbau.
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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 durch Öffnungen im Zargenring, welche über dessen Umfang verteilt sind. Der Axiallüfter ist auf seinem Umfang teilweise ummantelt. Er weist einen Mantelring auf, 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.
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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 Öffnungen sind vorzugsweise als in Strömungsrichtung geneigte Kanäle ausgebildet, sodass die eingeblasene Luft unter einem relativ flachen Winkel in die Lüfterströmung eintritt.
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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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Die Zufuhr der Druckluft erfolgt 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
- 1 einen nicht erfindungsgemäßen Axiallüfter mit Zargenring und Lufteinblasung,
- 2 einen Axiallüfter mit Teilmantel im abströmseitigen Bereich,
- 3 einen Axiallüfter mit Teilmantel im anströmseitigen Bereich,
- 4 einen nicht erfindungsgemäßen Axiallüfter mit als Druckkammer ausgebildetem Zargenring,
- 5 ein Strömungsbild für einen Axiallüfter nach dem Stand der Technik,
- 6 ein Strömungsbild für einen Axiallüfter mit Mantel und Einlaufdüse nach dem Stand der Technik und
- 7 ein Strömungsbild für einen nicht 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. In dem Zargenring 5 sind 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 Anordnung der Luftkanäle 7 wird dem Kopfspalt 6 über eine Rückströmung, dargestellt durch ringförmig angeordnete 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 erstes 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.
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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 eine Gestaltung 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
DE 10 2006 047 236 A1 . Der Axiallüfter
16 weist freistehende (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 der
DE 10 2006 047 236 A1 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 nicht 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 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.
