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Die
Erfindung betrifft einen Lüfter
mit Lüfterrad.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Lüfterrad eines Lüfters für den Einsatz
in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Lüfteranlagen
in Kraftfahrzeugen umfassen üblicherweise
einen Ansaugtrakt zum Ansaugen von Außenluft, einen Lüfter zum
Fördern
der Luft, sowie einen Verteiltrakt zum Transportieren und Verteilen der
geförderten
Luft im Innenraum des Kraftfahrzeugs. Zusätzlich können solche Lüfteranlagen
einen Wärmetauscher
zur Heizung, einen Kondensator zur Kühlung, einen Filter zur Reinigung
und eine Anzahl Klappen und Ventile zur selektiven Leitung der Luft umfassen.
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Ein
Problem bei bestehenden Lüftungs-
bzw. Klimaanlagen liegt darin, dass gebräuchliche Lüfter mit Lüfterrädern prinzipbedingt drehzahlabhängige Geräusche generieren
können,
die sich im Verteiltrakt ausbreiten können, so dass sie im Innenraum des
Kraftfahrzeugs hörbar
sind, wo sie von Insassen als störend
empfunden werden können.
Durch Überlagerung
mit anderen Geräuschen
kann eine erhöhte Geräuschbelastung
im Innenraum des Kraftfahrzeugs entstehen.
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Bekannte
Lüfter
verfügen über eine
abgestufte oder stufenlose Drehzahlsteuerung, mittels derer die
Lüfterdrehzahl
entsprechend einer zu fördernden
Luftmenge eingestellt werden kann. Ein Übergang zwischen unterschiedlichen
Drehzahlen kann bei Lüftern,
die drehzahlabhängige
Geräusche
produzieren, zu heulenden oder jaulenden Geräuschen führen, die oft als noch unangenehmer
empfunden werden als konstante Geräusche.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lüfter mit
verminderten drehzahlabhängigen
Geräuschen
anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen Lüfter mit
Lüfterrad
nach Anspruch 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 9. Unteransprüche geben mögliche bzw.
vorteilhafte Ausbildungen an.
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Nach
einem ersten Aspekt weist ein Lüfterrad
eines Lüfters
sich in radialer und axialer Richtung erstreckende Saugschaufeln
mit einer Eintrittskante, die einer axialen Einlassrichtung des
Lüfterrades
zugewandt ist, wobei wenigstens eine Saugschaufel im Bereich der
Eintrittskante eine Verwirbelungseinrichtung zur Erzeugung von Mikroturbulenzen
aufweist.
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Durch
ein Lüfterrad
hervorgebrachte Geräusche
eines schmalen Frequenzbereichs („monofrequente Geräusche”) sind
von einer Drehzahl des Lüfterrades
sowie einer Anzahl von Lüfterschaufeln
des Lüfterrades
(Ordnung) abhängig.
Durch die Verwirbelungseinrichtung können diese Geräusche effizient unterdrückt werden.
Durch eine Verwirbelungseinrichtung kann jedoch auch ein Geräusch mit
einer hohen Frequenzbandbreite (Rauschen) hervorgerufen werden.
Die Position und Ausdehnung der Verwirbelungseinrichtung kann daher
so gewählt
werden, dass im Innenraum des Kraftfahrzeugs die Intensität der monofrequenten
Geräusche
wirksam reduziert wird und gleichzeitig das Rauschen von Insassen nicht
als störend
wahrgenommen wird.
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Wenigstens
eine Saugschaufel des Lüfterrades
kann einstückig
mit einer Abströmschaufel
ausgebildet sein. Dadurch sind die Strömungsflächen der Luft entlang der Lüfterschaufeln
kantenfrei, wodurch zusätzliche
Geräuschquellen
vermieden werden können.
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Die
Verwirbelungseinrichtung kann durch eine Aussparung in der Saugschaufel
gebildet sein. Die Aussparung kann beispielsweise eine elliptische oder
teilelliptische Form aufweisen. Insbesondere kann die Aussparung
in Form einer Vertiefung der Eintrittskante der Saugschaufel oder
in Form eines umschlossenen Durchbruchs durch die Saugschaufel im
Bereich der Eintrittskante realisiert sein.
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Die
Verwirbelungseinrichtung kann auch durch ein zwei voneinander beabstandete
Aussparungen in der Saugschaufel ausgebildet sein. Es hat sich gezeigt,
dass insbesondere der Bereich zwischen beabstandeten Aussparungen
eine mikroturbulente Wirbelschleppe erzeugen kann, die die Neigung
des Lüfterrads
zur Produktion monofrequenter Geräusche effizient unterdrückt. Ein
Einsatz von mehreren Verwirbelungseinrichtungen im Bereich der Eintrittskante
ist ebenfalls möglich.
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Benachbarte
Saugschaufeln können
sich bezüglich
der Position und/oder der Ausformung ihrer Verwirbelungseinrichtung
unterscheiden. Durch Vermeiden einer allzu regelmäßigen Abfolge
von Verwirbelungseinrichtungen benachbarter Saugschaufeln in Umfangrichtung
des Lüfterrades
können
durch die Verwirbelungseinrichtung selbst ermöglichte monofrequente Geräusche unterbunden
werden.
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Einander
bezüglich
der Position und/oder der Ausformung ihrer Verwirbelungseinrichtung
entsprechende Saugschaufeln können
periodisch über den
Umfang des Lüfterrades
wiederholt sein. Insbesondere können
die Verwirbelungseinrichtungen auf den Saugschaufeln des Lüfterrades
so verteilt sein, dass sie auf einem oder mehreren Armen einer (gedachten)
Spirale liegen. Ist eine streng regelmäßige Abfolge von einander entsprechenden
Saugschaufeln nicht praktikabel, beispielsweise, weil die Anzahl der
Saugschaufeln eine Primzahl ist, kann an einer oder mehreren Stellen
von dem Anordnungsprinzip leicht abgewichen werden, ohne die Wirkung
der Verwirbelungseinrichtungen signifikant zu beeinträchtigen.
Dies kann beispielsweise durch zwei aufeinander folgende, einander
entsprechende Saugschaufeln erfolgen.
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Eine
Position und/oder Ausdehnung der Verwirbelungseinrichtung kann in
Abhängigkeit
von einem Verhältnis
der Länge
der Saugschaufel zur Länge
der Abströmschaufel
bestimmt sein. Das genannte Längenverhältnis ist
einer der am stärksten
bestimmenden Faktoren bei der Auslegung des Verhältnisses der Förderleistung
der Saugschaufeln zur Förderleistung
der Abströmschaufeln.
Die Strömungsbelastung
der Saugschaufeln, und damit eine Neigung der Saugschaufeln, monofrequente
Geräusche
zu produzieren, kann von diesem Verhältnis der Förderleistungen abhängig sein.
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Das
Lüfterrad
kann Abströmschaufeln
mit Abströmkanten
umfassen, die einer radialen Auslassrichtung des Lüfterrades
zugewandt sind. Eine solche Auslegung ist als halbaxiales Lüfterrad
bekannt. Halbaxiale Lüfterräder weisen
einen besonders guten Wirkungsgrad auf, da die zu fördernde Luft
sowohl in Saugrichtung durch die Saugschaufeln, als auch in Abströmrichtung
durch die Abströmschaufeln
gefördert
wird. Durch die den Saugschaufeln nachgeordneten Abströmschaufeln
ist eine Strömungsbelastung
der Saugschaufeln durch die vorbeiströmende Luft höher als
bei einem rein axialen Aufbau des Lüfterrades. Mittels der beschriebenen Verwirbelungseinrichtung
im Bereich der strömungstechnisch
hoch belasteten Eintrittskante einer Saugschaufel kann einer Neigung
eines halbaxialen Lüfterrades
zur Produktion von drehzahl- bzw. ordnungsabhängigen Geräuschen besonders effizient begegnet
werden. Darüber
hinaus wird durch den Fördervorgang
der Abströmschaufeln
das durch die Mikroturbulenzen bedingte Rauschen wirksam gedämpft, so
dass sich durch die Verwirbelungseinrichtung bedingte Geräusche nicht
signifikant durch den Verteiltrakt fortpflanzen.
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Nach
einem zweiten Aspekt umfasst ein Kraftfahrzeug eine Lüfteranlage,
die einen Lüfter
mit Lüfterrad
wie oben beschrieben umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben,
wobei
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1 eine
schematische Darstellung einer Lüfteranlage
in einem Kraftfahrzeug;
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2 eine
Draufsicht eines Lüfterrades
zum Einsatz in der Lüfteranlage
von 1;
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3 eine
isometrische Schnittansicht des Lüfterrades aus 2;
und
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4 eine
seitliche Schnittansicht des Lüfterrades
aus 2 darstellt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Lüfteranlage 100.
Ein Kraftfahrzeug 110 umfasst einen Ansaugtrakt 120,
einen Lüfter 130 und
einen Verteiltrakt 140. Der Lüfter 130 umfasst ein
Lüfterrad 150 und
einen Lüftermotor 160.
In der Darstellung von 1 nicht enthalten sind optionale
Elemente der Kraftfahrzeug-Lüfteranlage 100, wie
Filter, Klappen, Ventile, Wärmetauscher,
Kondensatoren und weitere Elemente, die im vorliegenden Zusammenhang
nicht weiter relevant sind. Der Lüftermotor 160 versetzt
das Lüfterrad 150 in
Drehung, so dass Luft von einer Außenseite des Kraftfahrzeugs 110 durch
den Ansaugtrakt 120 in das Lüfterrad 150 eingesogen
und anschließend
durch den Verteiltrakt 140 auf eine Innenseite des Kraftfahrzeugs 140 abgeströmt wird.
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Häufig sind
der Ansaugtrakt 120 und der Verteiltrakt 140 miteinander
integriert ausgeführt
und der Lüfter 130 kann
nach Art einer Kartusche in den integrierten Trakt eingesetzt werden.
Der Trakt kann auch Elemente aufweisen, die eine radiale Strömungsrichtung
von aus dem Lüfterrad 150 abgeströmter Luft
in eine einheitliche Strömungsrichtung umsetzen,
beispielsweise eine sogenannte Druckerhöhungsspirale.
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2 zeigt
das in 1 nur als Funktionsblock dargestellte Lüfterrad 150 in
einer Draufsicht. Das Lüfterrad 150 umfasst
eine Nabe 210, von der aus sich zu einer Versteifungsfläche 220 am
Umfang des Lüfterrades 150 eine
Anzahl Saugschaufeln 230 erstreckt.
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Die
Saugschaufeln 230 umfassen zwei unterschiedliche Ausführungen,
von denen eine erste Ausführung
nur eine Verwirbelungseinrichtung 250 und eine zweite Ausführung zwei
voneinander beabstandete Verwirbelungseinrichtungen 250 umfasst. Saugschaufeln 230 der
ersten und der zweiten Ausführung
sind in Umfangrichtung des Lüfterrades 150 alternierend
angeordnet, mit Ausnahme einer Unregelmäßigkeit im Bereich der 1-Uhr-Position
des Lüfterrades 150,
wo zwei Saugschaufeln 230 der zweiten Ausführung benachbart
sind. Da das Lüfterrad 150 insgesamt
23 Saugschaufeln 230 umfasst, ist es nicht möglich, Saugschaufeln 230 mehrerer
unterschiedlicher Ausführungen
in einer geschlossenen zyklischen Abfolge entlang des Umfangs des
Lüfterrades 150 anzuordnen
(falls die Zykluslänge
weder 1 noch 23 sein soll). Die dargestellte Unregelmäßigkeit hat
nur geringen oder gar keinen Einfluss auf die Funktion der Verwirbelungseinrichtungen 250,
durch Erzeugung von Mikroturbulenzen Geräusche zu minimieren, die von
der Drehgeschwindigkeit des Lüfterrades 150 abhängig sind.
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Die
dargestellten Verwirbelungseinrichtungen 250 umfassen Paare
von Aussparungen mit Halbkreisform. Die Lage, die Position und die
Ausmaße
der Verwirbelungseinrichtungen 250 können jedoch variiert werden.
Beispielsweise kann an Stelle der Halbkreisform auch allgemeiner
die Form eines Ellipsensegments verwendet werden. Auch ist es möglich, die
Eintrittskante 240 einer Saugschaufel 230 auf
einem Teil ihrer Länge
oder auf der gesamten Länge
mit einer größeren oder
kleineren Anzahl von Aussparungen zu versehen. In einer weiteren
Ausführungsform
ist es möglich,
bezüglich
einer Oberfläche
der Saugschaufeln 230 erhabene Verwirbelungseinrichtungen 250 vorzusehen.
Die erhabenen Verwirbelungseinrichtungen 250 können sich
von den Eintrittskanten 240 aus in tangentialer oder axialer Richtung
oder in beiden Richtungen erstrecken. In noch einer weiteren Ausführungsform
kann die Verwirbelungseinrichtung 250 einen von einer Saugschaufel 230 umschlossenen
Durchbruch im Bereich der Eintrittskante 240 umfassen.
In allen Fallen können
Verwirbelungseinrichtungen 250 in gleichen oder unterschiedlichen
Größen, Positionen
und Ausformungen auf unterschiedlichen Saugschaufeln 230 angeordnet
sein.
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3 zeigt
das Lüfterrad 150 aus 2 in einer
isometrischen Schnittansicht. Es ist zu erkennen, wie sich jede
der Saugschaufeln 230 in axialer Richtung fortsetzt und
jeweils in eine Abströmschaufel 210 mit
einer Abströmkante 320 übergeht.
Luft, welche die Saugschaufeln 230 passiert hat, wird von den
Abströmschaufeln 310 um
die Drehachse des Lüfterrades 150 herum
beschleunigt, so dass sie aufgrund einer Fliehkraftwirkung das Lüfterrad 150 in
radialer Richtung verlässt.
Zusätzlich
sind die Abströmschaufeln 310 gewölbt, um
das Abströmen
der Luft zu unterstützen.
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Es
ist ebenfalls zu erkennen, dass die Nabe 210 und die Versteifungsfläche 220 einstückig mit den
Saugschaufeln 230 und den Abströmschaufeln 310 ausgebildet
ist. Dadurch kann das Lüfterrad 150 in
einem einzigen Guss- oder Spritzgussvorgang hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann
das Lüfterrad 150 auch
um eine Nabe 210 aus einem anderen Material, wie beispielsweise
Bronze oder Stahl, herumgegossen oder -gespritzt sein. Die Nabe 210 ist
zur Aufnahme einer Achse oder Welle bzw. eines entsprechenden Lagers ausgebildet.
Eine Befestigung an der Nabe 210 kann beispielsweise durch
Verschrauben, Verkleben, Vernieten oder Verpressen erfolgen. Die
dargestellte Ausprägung
der Verwirbelungseinrichtungen 250 unterstützt die
Herstellungsart des Gießens
oder Spritzgießens,
indem sie die Saugschaufeln 230 nicht mit zusätzlichen
Hinterschneidungen versieht, die einen Entformungsprozess des Lüfterrades 150 aus
einer Dauerform behindern können.
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Die
Versteifungsfläche 220 weist
einen vorderen Einlassring 330 und einen äußeren Abschlussring 340 auf.
Der Einlassring 330 schließt das Lüfterrad 150 gegenüber einer
umgebenden Struktur, beispielsweise dem Ansaugtrakt 120,
ab und ist so ausgeformt, dass ein zwischen diesen Elementen verbleibender
Spalt möglichst
wenig störend
für die
an ihm vorbeiströmende
Luft ist. Der Abschlussring 340 kann eine ähnliche
Funktion erfüllen,
wobei die umgebende Struktur auch der Verteiltrakt 140 sein
kann. Läuft
der Abschlussring 340 in einer Nut der umgebenden Struktur,
kann so eine Labyrinthdichtung aufgebaut sein. Außerdem kann
der Abschlussring 340 das Lüfterrad 150 gegen
Verformung, beispielsweise bei hohen Drehzahlen, versteifen.
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4 zeigt
eine seitliche Schnittansicht des Lüfterrades 150 aus 2.
Auch in dieser Darstellung ist der einstückige Aufbau des Lüfterrades 150 derart,
dass es in einem Guss- oder Spritzgussverfahren vorteilhaft hergestellt
werden kann, gut zu erkennen.
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Ist
das Lüfterrad 150 in
einen Lüfter 130 eingesetzt,
befindet sich an den in der Darstellung von 4 unteren
Enden der Abströmschaufeln 310 ein Ablenkelement,
welches Luft, die die Saugschaufeln 230 passiert hat, zu
den Abströmschaufeln 310 hin ablenkt.
Ein Lüftermotor 160 ist üblicherweise
jenseits (unterhalb) dieses Ablenkelements angeordnet und überträgt ein Drehmoment
auf das Lüfterrad 150 mittels
einer in die Nabe 210 führenden
Antriebswelle.
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Ein
solcher Lüfter 130 eignet
sich insbesondere zum Einsatz in Lüftungs- und Klimaanlagen vor allem
von Personenkraftwagen. Das in den 2 bis 4 beispielhaft
dargestellte Lüfterrad
weist einen äußeren Durchmesser
von ca. 20 cm auf.
