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Die
Erfindung betrifft einen Radiallüfter,
insbesondere einen Scheibenlüfter,
welcher eine Lüfterscheibe
mit darauf angeordneten, radialverlaufenden Flügeln aufweist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines derartigen Radiallüfters zur
weitgehend drehzahlunabhängigen
Eigenbelüftung
einer Maschine, insbesondere einer rotierenden Maschine wie Elektromotor
oder Kompressor.
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Bei
bekannten selbstbelüfteten
Maschinen mit veränderlicher
Drehzahl wird der Luftstrom, welcher typischerweise von einem auf
einem Wellenende angebrachten Lüfter
erzeugt wird, nur über
die Drehzahl der Maschine selbst beeinflusst. Dabei tritt das Problem
auf, dass bei hoher Drehzahl die zulässigen Geräuschgrenzen überschritten
werden können.
Zur Behebung dieses Problems ist es bekannt, Radiallüfter mit
einem geringeren Durchmesser und folglich auch geringerer Luftleistung
einzusetzen. Der Nachteil dabei ist, dass bei kleinen Drehzahlen
der Maschine eine ausreichende Kühlung
nicht mehr gewährleistet
ist.
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Alternativ
dazu ist es möglich,
die Maschine fremd zu belüften.
Dadurch ist eine geregelte Kühlluftzufuhr
mit der jeweils gerade erforderlichen Kühlmenge nötig. Nachteilig daran ist jedoch,
dass ein zusätzlicher
Elektromotor zur Zwangsbelüftung
sowie gegebenenfalls ein Temperatursensor und eine Regelungselektronik
bereitgestellt werden müssen.
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Aus
der
DE 41 03 863 A1 ist
eine radiale oder halbaxiale Strömungsmaschine
mit verstellbaren Laufrad bekannt. Durch radiales Verschieben eines mit
dem Laufrad umlaufenden Regelelementes wird der radiale Durchmesser
der Laufradschaufeln verändert.
Es wird vorgeschlagen, die Verstellung der Schaufelflächen mit
Hilfe eines Fliehkraftreglers in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl
durchzuführen.
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Aus
der
DE 2 302 351 A ist
eine Kreiselpumpe bekannt, die ein Laufrad mit einer Anzahl schwenkbar
gelagerter Blätter
aufweist. Die Kreiselpumpe umfasst weiter Mittel zur Verlagerung
der Blätter
von einer Position in eine andere, wobei die Blätter durch die Fliehkraft in
Richtung einer dieser Positionen gedrückt wird, wenn die Kreiselpumpe
in Betrieb ist.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Radiallüfter, insbesondere
einen Scheibenlüfter, anzugeben,
welcher einen von der Drehzahl der Maschine weitgehend unabhängigen Luftstrom
zur Eigenbelüftung
bereitstellen kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Verwendung
eines derartigen Radiallüfters
anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Radiallüfter, insbesondere durch einen
Scheibenlüfter,
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
des Radiallüfters
sind in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 6 angegeben. Im Anspruch 7 ist eine geeignete Verwendung des
erfindungsgemäßen Radiallüfters zur
weitgehend drehzahlunabhängigen
Eigenbelüftung
einer Maschine, insbesondere einer rotierenden Maschine wie Elektromotor
oder Kompressor, genannt.
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Erfindungsgemäß weist
zumindest ein Teil der Flügel
eine veränderbare
radiale Flügellänge auf. Weiterhin
weist der Radiallüfter
einen mit den jeweiligen Flügeln
verbundenen fliehkraftbasierenden Verfahrmechanismus derart auf,
dass die Flügellänge der
jeweiligen Flügel
mit zunehmender Lüfterdrehzahl
verringerbar ist. Die Anzahl der Flügel oder Schaufeln liegt üblicherweise
in einem Bereich von 4 bis 10. Sie kann bei besonders großen Lüftern auch darüber liegen,
wie z. B. bei 20. Es kann einer der Flügel, ein Teil davon oder vorzugsweise
alle Flügel längenveränderbar
ausgeführt
sein.
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Grundidee
der Erfindung ist, dass mit zunehmender Geschwindigkeit die Flügellänge verkürzt wird,
so dass sich in etwa wieder ein gleicher Luftvolumenstrom einstellt,
wobei durch die verkürzten
Flügel
die Geräuschbelastung
nur noch in geringem Maße
zunimmt. Der Verfahrmechanismus nutzt die mit zunehmender Drehung
des Radiallüfters
gleichfalls zunehmenden Fliehkräfte
zur selbsttätigen
Längenveränderung
der Flügel
aus. Mit „radial” sind Richtungen
hin zur Drehachse des Radiallüfters
und weg von ihr bezeichnet.
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Nach
einer Ausführungsform
des Radiallüfters
weisen die jeweiligen Flügel
ein radial innenliegendes, feststehendes, erstes Flügelteil
und ein aus dem ersten Flügelteil
oder ein seitlich entlang des ersten Flügelteils radial nach außen verfahrbares, zweites
Flügelteil
auf. Das jeweilige zweite Flügelteil ist
mit dem Verfahrmechanismus verbunden. Vorzugsweise sind die jeweiligen
zweiten Flügelteile
so mit dem Verfahrmechanismus verbunden, dass alle gemeinsam eingefahren
bzw. ausgefahren werden und folglich die gesamten Flügel bezüglich ihrer
Flügellänge verkleinert
bzw. vergrößert werden.
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Weiterhin
weisen die ersten Flügelteile
einen vorzugsweise axial oder axial/radial verlaufenden Ausfahrschlitz
auf, aus dem in Abhängigkeit
der Lüfterdrehzahl
das jeweilige zweite Flügelteil
eingefahren bzw. ausgefahren werden kann. Das jeweilige zweite Flügelteil
ist dabei im Stillstand und bei geringer Drehzahl komplett ausgefahren,
während
es bei weiter steigenden Drehzahlen stufenlos eingefahren und bei
hohen Drehzahlen komplett im ersten Flügelteil eingefahren und somit „verschwunden” ist. Mit „axial” sind hier
Richtungen parallel zur Drehachse des Radiallüfters bezeichnet.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist die Lüfterscheibe
einen Lüfterteller
mit den jeweiligen Flügelteilen
und einen Kulissenteller auf. Der Kulissenteller ist axial vom Lüfterteller
aufnehmbar und relativ zu diesem gegen Federkraft tangential verdrehbar
gelagert. Mit „tangential” sind Richtungen um
die Drehachse des Radiallüfters
herum bezeichnet. Der Verfahrmechanismus bzw. die Komponenten des
Verfahrmechanismus sind auf dem Kulissenteller angeordnet, um die
Lüfterscheibe
in Abhängigkeit
von der drehzahlabhängigen
Fliehkraft relativ zum Lüfterteller
zu verdrehen. Weiterhin sind im Kulissenteller radial/tangential
verlaufende, nutförmige Aussparungen
vorhanden, um ein Führungselement des
jeweiligen zweiten Flügelteils
im Lüfterteller
im Sinne einer Kulisse in Abhängigkeit
von der tangentialen Verdrehung radial zu verfahren.
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Die
Kulissenführung
erlaubt vorteilhaft ein exaktes und daher weitgehend unwuchtfreies
Verfahren der zweiten Flügelteile,
insbesondere bei hohen Umdrehungszahlen von 1000 bis 10.000 U/min
oder mehr.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
weist der Lüfterteller
eine Nabe mit einer radial außenliegenden
Verzahnung auf. Der Verfahrmechanismus weist für das jeweilige zu verfahrende
zweite Flügelteil
ein schwenkbar im Kulissenteller gelagertes Zahnsegment mit einer
Fliehkraftmasse auf. Das jeweilige Zahnsegment ist dabei im Eingriff
mit der Verzahnung der Nabe. Vorzugsweise sind der Lüfterteller
mit den feststehenden ersten Flügelteilen
und mit der verzahnten Nabe sowie der Kulissenteller mit den Aussparungen
jeweils ein Kunststoffspritzgussteil.
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Dadurch
ist ein noch exakteres Verfahren der zweiten Flügelteile möglich. Vorzugsweise sind die Zahnsegmente
sowie die zweiten Flügelteile
gleichfalls mittels eines Kunststoffspritzgussverfahrens hergestellt.
Die Fliehkraftmasse weist im Vergleich zum Kunststoff ein vielfach
höheres
spezifisches Gewicht auf. Insbesondere sind die Fliehkraftmassen aus
Metall, wie z. B. Eisen, gefertigt. Vorzugsweise handelt es sich
bei diesen Komponenten um Stanzteile.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Verfahrmechanismus derart ausgebildet, dass innerhalb eines
vorgebbaren Lüfterdrehzahlbereichs mit
einer Minimal- und Maximallüfterdrehzahl
ein in etwa konstanter Luftstrom durch den Radiallüfter einstellbar
ist. Dadurch wird vorteilhaft eine gleichmäßige Kühlung der zu kühlenden
Maschine bei zugleich geringem thermischen Stress erreicht.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die nutförmigen Aussparungen
im Kulissenteller eine derart ausgestaltete Kulissenkurvenform auf,
dass der Luftstrom in etwa konstant einstellbar ist. Vorzugsweise
weisen die Aussparungen Längsanschläge zur Verfahrwegsbegrenzung
der zweiten Flügelteile
auf. Da der Luftstrom typischerweise nicht linear mit der Drehzahl
zunimmt, ist hier durch eine geometrische Anpassung der Kurvenform der
Kulisse eine weitgehend drehzahlunabhängige Einstellung eines konstanten
Luftstroms möglich. Diese
Kurvenform kann z. B. experimentell ermittelt werden.
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Nach
einer Ausführungsform
weist der Radiallüfter
eine Nabe mit einer radial innenliegenden Öffnung zur möglichen
Befestigung des Radiallüfters
an einem axialen Wellenende, insbesondere an einem axialen Wellenende
einer rotierenden Maschine, auf. Der Radiallüfter kann beispielsweise aufgesteckt oder
aufgepresst werden. Die Maschine ist insbesondere eine rotierende
Maschine, wie z. B. ein Elektromotor oder ein Generator. Sie kann
auch ein Kompressor, eine Pumpe oder eine andere bekannte rotierende
Maschine sein.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 einen
Scheibenlüfter
nach dem Stand der Technik, perspektivische Ansichten eines Lüftertellers
und
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2–5 Kulissentellers
als Teile einer Lüfterscheibe
eines beispielhaften erfindungsgemäßen Radiallüfters,
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6–8 Komponenten
eines beispielhaften Verfahrmechanismus für den Radiallüfter gemäß 2 bis 5,
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9, 10 jeweils
eine Front- und Seitenansicht des erfindungsgemäßen Radiallüfters bei hoher Drehzahl und
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11, 12 jeweils
eine Front- und Seitenansicht des erfindungsgemäßen Radiallüfters bei niedriger Drehzahl.
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1 zeigt
einen Scheibenlüfter 1 nach
dem Stand der Technik. Im vorliegenden Beispiel weist der als Scheibenlüfter 1 ausgeführte Radiallüfter 1 eine Lüfterscheibe 2 mit
sechs feststehenden Flügeln 4 bzw.
Schaufeln auf. Ein jeweiliges radial außenliegendes Ende der Flügel 4 ragt über den
Rand der Lüfterscheibe 2 hinaus.
Der gezeigte Scheibenlüfter 1 ist
typischerweise ein Eisen- oder Aluminiumgussteil.
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2 bis 5 zeigen
perspektivische Ansichten eines Lüftertellers 21 und
Kulissentellers 22 als Teile einer Lüfterscheibe 2 eines
beispielhaften erfindungsgemäßen Radiallüfters 1.
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2 zeigt
eine axiale Innenseite des Lüftertellers 21,
welcher den Kulissenteller 22 nach Zusammenbau des Radiallüfters 1 axial
aufnimmt. In diesem Fall liegt die in 5 gezeigte
Innenseite des Kulissentellers 22 der axialen Innenseite
des Lüftertellers 21 gegenüber. Mit
dem Bezugszeichen A ist die Drehachse des erfindungsgemäßen Radiallüfters 1 bezeichnet.
Im Beispiel der 2 ist bereits eine radiale Außenverzahnung 31 der
Nabe 3 des Lüftertellers 21 zu
sehen.
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3 zeigt
eine axiale Außenseite
des Kulissentellers 22 mit beispielhaft fünf nutförmigen Aussparungen 25 und
fünf Schwenklagern 24 zur
Lagerung von Zahnsegmenten als Teil des Verfahrmechanismus. Letztere
sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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4 zeigt
eine axiale Außenseite
des Lüftertellers 21 mit
beispielhaft fünf
angeformten, radial innenliegenden, feststehenden, ersten Flügelteilen 41.
Mit dem Bezugszeichen 43 ist jeweils ein axial/radial verlaufender
Ausfahrschlitz bezeichnet, aus dem das jeweilige, in der 4 nicht
dargestellte, zweite Flügelteil 42 zur
erfindungsgemäßen Verlängerung des
Flügels 4 ausgefahren
werden kann. Mit OF ist eine kreisförmige Öffnung bezeichnet. Sie dient
zum Aufschieben des Radiallüfters 1 auf
ein axiales Wellenende zum Antreiben des Radiallüfters 1. Weiterhin sind
in der 4 zwei Flügellängen R1,
R2 eingetragen. Dabei weisen die jeweiligen Flügel 4 die erste Flügellänge R1 bei
hoher Lüfterdrehzahl
und die zweite Flügellänge R2 im
Stillstand oder bei niedriger Drehzahl auf. Für dazwischenliegende Lüfterdrehzahlen
weisen die Flügel 4 einen
dazwischenliegenden Flügellängenwert
auf.
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6 bis 8 zeigen
Komponenten 42, 50, 55 eines beispielhaften
Verfahrmechanismus für den
Radiallüfter 1 gemäß 2.
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6 zeigt
ein Zahnsegment 50 mit einer auf die Außenverzahnung 31 der
Nabe 3 abgestimmten Verzahnung 53. Mit dem Bezugszeichen 51 ist eine
Lageröffnung
bezeichnet. Sie dient zur Aufnahme durch das Schwenklager 24 im
Kulissenteller 22.
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Mit
dem Bezugszeichen 52 ist eine im Zahnsegment 50 ausgeformte
Aufnahme für
die in 7 gezeigte Fliehkraftmasse 55 bezeichnet.
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Die
in 7 gezeigte Fliehkraftmasse 55 weist eine
weitere Lageröffnung 56 auf,
welche mit der ersten Lageröffnung 51 im
aufgenommenen Zustand der Fliehkraftmasse 55 im Zahnsegment 50 fluchtet.
Mit 57 ist ein Nocken als Anschlag für eine in der vorliegenden 7 nicht
gezeigten Blattfeder bezeichnet. Sie dient zur Aufbringung einer
rückstellenden
Federkraft, so dass die zweiten Flügelteile 42 im Stillstand
oder bei niedriger Lüfterdrehzahl
selbsttätig ausgefahren
bleiben.
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8 zeigt
eine perspektivische Ansicht des zweiten Flügelteils 42. Ein als
Bolzen ausgeführtes Führungselement 44 dient
zur nahezu verschleißfreien
Führung
in der korrespondierenden nutförmigen Aussparung 25 im
Kulissenteller 22. Mit 45 ist eine Führungsschiene
bezeichnet. Sie dient zur Führung des
zweiten Flügelteils 42 entlang
des jeweiligen Ausfahrschlitzes 43 im jeweiligen ersten
Flügelteil 41 und
im fortgeführten
Schlitz 23 im Kulissenteller 22.
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9 und 10 zeigen
jeweils eine Front- und Seitenansicht des erfindungsgemäßen Radiallüfters 1 bei
hoher Drehzahl.
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9 zeigt
die Komponenten 6, 24, 50, 55 des
Verfahrmechanismus 5 in beispielhaft fünffacher Anzahl für die entsprechende
Anzahl von Flügeln 4. Erfindungsgemäß ist der
fliehkraftbasierende Verfahrmechanismus derart mit den Flügeln 4 bzw.
zweiten Flügelteilen 42 verbunden,
dass die Flügellänge R1,
R2 der Flügel 4 mit
zunehmender Lüfterdrehzahl verringerbar
ist. Mit ER ist die Einfahrrichtung zu den bereits eingefahrenen
zweiten Flügelteilen 42 bezeichnet.
Der Verfahrmechanismus ist dabei auf dem Kulissenteller 22 angeordnet.
Die im Kulissenteller 22 radial/tangential verlaufenden,
nutförmigen
Aussparungen 25 dienen zur Führung des Führungselementes 44 des
jeweiligen zweiten Flügelteils 42 im Lüfterteller 21 im
Sinne einer Kulisse. 9 zeigt weiterhin jeweils eine
Blattfeder 6, welche als Federelement zur Aufbringung einer
Rückstellkraft
zwischen dem jeweiligen Schwenklager 24 und dem jeweiligen
Anschlag 56 an der Fliehkraftmasse 55 eingespannt
ist. Zum einfachen Einspannen ist das Schwenklager 24 als
Schlitzbolzen ausgeführt.
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10 zeigt
den Radiallüfter 1 gemäß 9 in
einer Seitenansicht. Die zweiten Flügelteile 42 sind aufgrund
der hohen Drehzahl durch den Verfahrmechanismus 5 komplett
in den ersten Flügelteilen 41 eingezogen.
Die Rückstellkraft
der Federelemente 6 wird dabei durch die nun wirkenden
hohen Fliehkräfte überwunden.
Weiterhin weist der in 10 gezeigte beispielhafte Radiallüfter 1 eine
Trichterform auf. Dadurch wird die in der vorliegenden 10 von
rechts angesaugte Luft in zunehmendem Maße sanft radial umgelenkt,
und die Geräuschbelastung
im Vergleich zu Radiallüfter
des Standes der Technik vorteilhaft reduziert.
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11 und 12 zeigen
jeweils eine Front- und Seitenansicht des erfindungsgemäßen Radiallüfters 1 bei
niedriger Drehzahl. In diesem Fall sind die zweiten Flügelteile 42,
bedingt durch die Rückstellkraft
der Blattfedern 6 und bedingt durch die jetzt kaum wirkende
Fliehkraft, komplett ausgefahren. Der Radiallüfter 1 kann alternativ
konstruktiv auch derart ausgeführt
sein, dass die zweiten Flügelteile 42 im
Stillstand und bei geringer Drehzahl über den radialen Außenrand
des Lüftertellers 21 und Kulissentellers 22 hinausragen.
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12 zeigt
schließlich
den erfindungsgemäßen Radiallüfter 1 mit
im Vergleich zu 10 nun ausgefahrenen Flügelteilen 42.
Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Verlängerung der Flügel 4 sind
die beiden Flügellängen R1,
R2 eingetragen.