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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit Gebläseanordnungen, beispielsweise mit Gebläseanordnungen zum Erzeugen eines Unterdrucks in einem Staubsauger.
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STAND DER TECHNIK
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Anwendungen, in denen Gebläse verwendet werden, sind zahlreich. Beispielsweise bei Staubsaugern werden Gebläse dazu verwendet, um einen Unterdruck am Eingang des Staubsaugers zu erzeugen und somit eine große Menge angesaugte Luft bzw. angesaugtes Gas zu durch den Staubsauger zu transportieren. Dabei wird meist eine möglichst große Druckdifferenz zwischen dem Eingang des Staubsaugers und einem Ausgang des Gebläses angestrebt. Je höher die erzielbare Druckdifferenz und je höher der Volumentransport pro Zeiteinheit, desto größer wird im Allgemeinen die Saugleistung des Staubsaugers sein. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden häufig hochdrehende Elektromotoren zum Antrieb eines Lüfterrades des Staubsaugers verwendet, wobei Drehzahlen von bis zu mehreren 10.000 U/min üblich sind. Solche Elektromotoren sowie auch langsamer drehende Elektromotoren bedürfen häufig einer Kühlung, um einen ausfallfreien Betrieb über einen längeren Zeitraum zuverlässig sicherzustellen, wobei die erforderliche Kühlleistung typischerweise größer wird, je schneller die Motoren drehen.
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Unter anderem ist eine zuverlässige Kühlung bei vollständig in externen Gehäusen eingeschlossenen Motoren, wie sie beispielsweise bei Boden- oder Handstaubsaugern verwendet werden, eine Funktion, die unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern sichergestellt werden muss. Ist beispielsweise das Gesamtsystem im Hinblick auf die Strömungswiderstände für das zu fördernde Gas ungünstig gestaltet, muss der Motor a priori eine höhere Leistung aufweisen, als dies bei anderen Designs erforderlich wäre. Dies erhöht somit auch die erforderliche Kühlleistung. Abseits davon sollte auch auf einen möglichst effektiven Kontakt zwischen dem zur Kühlung verwendeten Medium, meist Luft, und den die Kühlung erforderlich machen den Bauteilen, also dem Motor, geachtet werden.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE19617265 (A1) schlägt vor, die Kühlung eines in einem Gehäuse eines Staubsaugers angeordneten Motors zu verbessern, indem die Luft gezielt am Motorgehäuse entlang geführt wird. Zu diesem Zweck sind außerhalb des Motors angebrachte Luftleitelemente vorgesehen, mittels derer die Luft um das Gehäuse des Motors in einer schraubenförmigen Bewegung herumgeführt wird, so dass die Kontaktzeit mit der Gehäusewand verlängert wird. Allerdings wird hier nur die Gehäuseaußenwand gekühlt, was wenig effizient ist, da die die Erwärmung verursachenden Elemente des Motors im Inneren des Gehäuses angeordnet sind.
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Die europäische Patentanmeldung
EP1731767 (A2) schlägt vor, den von einem Lüfterrad bzw. von einem Gebläse geförderten Luftstrom am Ausgang des Lüfterrades aufzuteilen, um diesen teilweise unmittelbar in den Innenraum des den Motors enthaltenden Gehäuses zu leiten. Allerdings erfolgt hier eine Umlenkung des Luftstroms unmittelbar am Auslass des Lüfterrades, wo die Strömungsgeschwindigkeiten hoch sind, was die Bildung turbulenter Strömungen begünstigt. Aufgrund der gewählten Führung des Gas- bzw. des Luftstroms muss der Motor zusätzliche, durch turbulente Strömungen auftretende Verluste kompensieren. Somit muss der Motor eine höhere Leistung aufbringen, was wiederum eine erhöhte Kühlleistung bedingt. Zusätzlich steigt der Geräuschpegel durch die Turbulenzen an, was beispielsweise bei Staubsaugern ein erheblicher Nachteil ist.
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Die deutsche Übersetzung
DE 601 20 259 T2 der europäischen Patentschrift
EP 1 138 242 B1 beschreibt ein elektrisches Gebläse, das hauptsächlich für einen elektrischen Staubsauger verwendet wird, und zielt insbesondere darauf ab, die Größe eines Hauptkörpers des elektrischen Staubsaugers zu verringern, um die Verwendbarkeit zu verbessern, indem eine Schaltungseinheit, welche die elektrische Energie zur Motoreinheit steuert in einem Luftstromweg für die Luft angeordnet ist.
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Das
US Patent 7,845,917 B2 schlägt ebenfalls vor, einen Gebläsemotor mittels eines Teils der von dem Gebläse geförderten Luft zu kühlen.
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Das
US Patent 1 601 531 A beschreibt einen gasdicht gekapselten Motor zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen, der von einer Flüssigkeit gekühlt wird.
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Wie in den vorhergehenden Absätzen dargelegt, stellt sich im Anbetracht des Stands der Technik die Aufgabe, eine effizientere Gebläseanordnung bereitzustellen, bei der die Kühlung des Motors eine geringere Verlustleistung verursacht.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist eine Gebläseanordnung sowohl einen Elektromotor als auch ein von dem Elektromotor angetriebenes Lüfterrad auf. Der Elektromotor ist in einem Gehäuse angeordnet, welches einen Einlass für ein den Elektromotor kühlendes Gas aufweist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann dadurch ein Gas bzw. Luft unmittelbar an die die Verlustleistung erzeugenden Komponenten innerhalb des Gehäuses strömen. Das von dem Elektromotor angetriebene Lüfterrad transportiert das Gas bzw. dass mittels der Gebläseanordnung zu fördernde Medium, beispielsweise Luft, in einer Strömungsrichtung von einer Ansaugöffnung zu einer Ausblasöffnung. Als Strömungsrichtung soll hier und im Folgenden diejenige Richtung verstanden werden, in die das zu transportierende bzw. das zu beobachtende Gas an der betreffenden Stelle aufgrund der Geometrie der Anordnung befördert wird bzw. strömt. Die Ausblasöffnung des Lüfterrades und der Einlass des Elektromotorgehäuses sind mit einem schraubenförmigen Gaskanal gekoppelt, der so ausgestaltet ist, dass mittels des Gaskanals ein aus der Ausblasöffnung ausgeblasenes bzw. austretendes Gas in das Elektromotorgehäuse geleitet wird.
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Die Verwendung eines schraubenförmigen Gaskanals führt zu einer strömungsgünstigen Führung des Gases oder eines Luftstroms mit geringen Strömungsverlusten. Verglichen mit anderen Formen ermöglicht es die Schraubenform bei einigen Ausführungsbeispielen, bei vorgegebenem, für die Luft- oder Gasführung zur Verfügung stehendem Volumen, die Ausblasöffnung und den (Luft-)Einlass mit einem geschlossenen Gaskanal zu verbinden, innerhalb dessen bei den gegebenen Randbedingungen die minimal möglichen Ablenkungen der Strömung pro Längeneinheit des Gaskanals realisiert werden können.
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Definiert beispielsweise der Durchmesser eines gedachten zur Verfügung stehenden Volumens den maximalen Radius und somit die minimal mögliche Ablenkung in einer azimutalen Richtung, kann die Ablenkung in einer axialen Richtung zwischen der zu verbinden Ausblasöffnung und dem Luft- bzw. Gaseinlass dadurch verringert werden, dass der Gaskanal schraubenförmig ist, also die Länge des gesamten Kanals deutlich größer ist als die direkte Verbindung zwischen den beiden zu verbindenden Punkten, was die Ablenkung pro Längeneinheit auch in der axialen Dimension deutlich verringert. Allgemein kann als schraubenförmiger Gaskanal ein Gaskanal verstanden werden, der entlang seiner Ausdehnung bezüglich eines Zylinderkoordinatensystems in einem signifikanten Teil seiner Länge einen nichtverschwindenden Gradienten der azimutalen und der axialen Koordinate aufweist. Die Verwendung eines solchen schraubenförmigen Gaskanals führt somit zu einem strömungsgünstigen Transport desjenigen Gases (Luft), das mittels des Lüfterrades aus der Ausblasöffnung ausgeblasen wird und kann bei einigen Ausführungsbeispielen das Auftreten turbulenter Strömungen verhindern. Dies kann dazu führen, dass die Leistung bzw. die Drehzahl des Elektromotors gesenkt werden kann, was wiederum die zu Kühlung erforderliche Leistung verringern und insgesamt zu einer Effizienzsteigerung der Gebläseanordnung führen kann.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist der Gaskanal, der das Gas zu den die Abwärme führenden Komponenten leitet, eine gebogene Form auf, d. h. die Krümmung des Gaskanals erfolgt lediglich in einer Richtung.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen erfolgt die Kopplung bzw. die Strömungsführung derart, dass die in den Gaskanal strömende Luft bzw. das Gas von dem Lüfterrad parallel zu dem Gaskanal eingeblasen wird. Das heißt mit anderen Worten, dass eine oder mehrere Wände bzw. Begrenzungsflächen zu Beginn des Gaskanals parallel zu der Strömungsrichtung des Gases verlaufen. Dies kann das Auftreten von Turbulenzen verringern.
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Gleichzeitig kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Gebläseanordnung die Luft bzw. das mit der Gebläseanordnung zu fördernde Gas an den eine Abwärme produzierenden Komponenten des Elektromotors im Inneren des Elektromotorgehäuses vorbeigeführt werden, was die Effizienz der Kühlung weiter erhöht. Die Kühlung kann dabei in einem Bereich erfolgen, in dem die Strömungsgeschwindigkeiten verglichen zu der Position direkt an der Ausblasöffnung des Lüfterrades geringer sind, so dass eine effiziente Kühlung erzielt werden kann, ohne Turbulenzen zu erzeugen beziehungsweise ohne den Strömungswiderstand der Gesamtanordnung deutlich zu erhöhen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist zum Zwecke der effizienten Kühlung ferner zumindest eine Auslassöffnung in dem Elektromotorgehäuse vorgesehen, durch die das durch den (Luft-)Einlass strömende Gas entweichen kann, wobei sich die Auslassöffnung in der Strömungsrichtung hinter dem Stator und dem Rotor des Elektromotors befinden kann. Mit anderen Worten befinden sich bei einigen Ausführungsbeispielen der Stator und der Rotor in der Strömungsrichtung zwischen dem Lufteinlass und der Auslassöffnung des Elektromotorgehäuses.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen verjüngt sich ein Querschnitt des Gaskanals von der Ausblasöffnung bis zu dem Lufteinlass des Elektromotormotorgehäuses hin, was zu einer Verdichtung des Gases und zu einer effizienteren Kühlung führen kann.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umschließt der schraubenförmige Gaskanal das Gehäuse des Elektromotors zumindest teilweise, d. h. dieser läuft azimutal zumindest teilweise um das Gehäuse herum, was bei gegebenem Gesamtvolumen für die Einheit aus Elektromotorgehäuse und Gaskanal zu einer besonders strömungsgünstigen Konfiguration mit geringen Strömungswiderständen führen kann.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind das Lüfterrad und der Motor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, welches zusammen mit dem schraubenförmigen bzw. mit dem gebogenen Gaskanal eine effiziente und tragbare Gebläseanordnung bildet. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird als Lüfterrad ein Radiallüfterrad verwendet, welches mit der Achse des Elektromotors gekoppelt ist. Beispielsweise kann dieses über eine Kardanwelle oder direkt auf einer Verlängerung oder auf der Achse des Elektromotors angebracht sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist ein Staubsauger bzw. ein Handstaubsauger eine Gebläseanordnung der vorher beschriebenen Art auf, was aufgrund der erhöhten Effizienz der Gebläseanordnung zu einem verringerten Energiebedarf des Gerätes führen kann, was wiederum insbesondere bei Handstaubsaugern, die üblicherweise mittels Akkumulatoren betrieben werden, von besonderem Vorteil sein kann. Darüber hinaus verhindert eine strömungsoptimierte Anordnung bzw. Führung der Luft in einem Staubsauger die Strömungsgeräusche, die bei Umlenkung von Luft und turbulenten Anteilen in der Strömung unweigerlich auftreten, was solche Staubsauger darüber hinaus besonders angenehm in der Handhabung machen kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Gebläseanordnung;
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2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels von 1;
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3 eine Ansicht von unten auf das Ausführungsbeispiel von 1;
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4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
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5 eine Ansicht auf einen Handstaubsaugers mit einer Gebläseanordnung gemäß 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Gebläseanordnung 2 und 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Handstaubsauger, der eine solche Gebläseanordnung 2 aufweist. Die 2 und 3 zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht von Unten der Gebläseanordnung 2 von 1. Zum besseren Verständnis der Funktion der Gebläseanordnung werden die 1 bis 3 und 5 nachfolgend zusammen beschrieben. Dabei werden hier sowie allgemein in diesem Dokument funktionsähnliche oder funktionsidentische Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Bei dem Handstaubsauger in 5 ist eine Ansaugöffnung 4 (siehe 1) eines Lüfterrades 6 der Gebläseanordnung 2 mit einem Staubraum 8 bzw. einem Staubbehälter des Staubsaugers verbunden bzw. der Staubraum 8 mündet in die Ansaugöffnung 4. Der Staubraum 8 wird von einem Filtereinsatz 10 geteilt, wobei sich in der der Ansaugöffnung 4 zugewandten Seite des Staubraums 8 bereits gereinigte Luft befindet, die den Filtereinsatz 10 entlang einer Strömungsrichtung 12 der Luft bereits passiert hat. Zum Ansaugen des mittels des Staubsaugers geförderten Gases bzw. der verunreinigten Luft schließt sich an den Staubraum 8 auf der der Gebläseanordnung 2 abgewandten Seite eine Düseneinheit 14 an, die sich von einem flachen Ansaugbereich 16 zu einem kreisförmigen Anschlussbereich 18 weitet, an dem die Düseneinheit 14 mit dem Staubraum 8 verbunden ist.
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Das Lüfterrad 6 ist mittels einer in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Achse mit dem Elektromotor 20 verbunden, welcher über diese Kopplung das Lüfterrad 6 antreibt. Vorliegend handelt es sich bei dem Lüfterrad 6 um ein Radiallüfterrad, es wird also ein Radiallüfter eingesetzt, welcher die Luft bzw. ein zu transportierendes Gas in einer axialen Richtung 21 über die Ansaugöffnung 4 ansaugt und dieses in einer dazu senkrechten radialen Richtung über Ausblasöffnungen 22a und 22b ausbläst. Zu diesem Zweck kann das Lüfterrad 6 bei einigen Ausführungsbeispielen innerhalb eines Lüftergehäuses angeordnet sein. An die Ausblasöffnungen 22a und 22b schließen sich schraubenförmige Gaskanäle 24a und 24b an, mittels derer die Luft zu Lufteinlässen 26a und 26b geleitet wird, so dass die mittels des Lüfterrades 6 geförderte Luft in das Innere des Elektromotorgehäuses 28 geführt wird, wo es in direktem Kontakt mit den die Abwärme des Motors verursachenden Komponenten eine effiziente Kühlung sicherstellen kann.
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Durch die Verwendung der schraubenförmigen geschlossenen Gaskanäle 24a und 24b wird die oben beschriebene strömungsoptimierte Luftführung erreicht, die eine, verglichen mit anderen Lösungen, verringerte Motorleistung ermöglicht und gleichzeitig eine Kühlung mit maximaler Effizienz erlaubt.
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In dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Elektromotor 20 und das Lüfterrad 6 koaxial zueinander in einem gemeinsamen, im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse angeordnet. Die dort dargestellte, in azimutaler Richtung teilweise um das Gehäuse verlaufende schraubenförmige Ausgestaltung der Gaskanäle 24a und 24b nutzt darüber hinaus den zur Verfügung stehenden Raum effektiv aus.
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Zur Entlüftung des Elektromotorgehäuses 28 weist dieses eine oder mehrere Auslassöffnungen 30 auf, die in der Strömungsrichtung hinter den zu kühlenden Komponenten des Elektromotors 20 angeordnet sind, und aus denen die Luft störungsfrei austreten kann. Nach dem Austreten aus dem Elektromotorgehäuse 28 kann bei einigen Ausführungsbeispielen die Abluft aus einem die Gebläseanordnung 2 umgebenden, hier der Klarheit halber nicht gezeigten, Staubsaugergehäuse effizient und strömungsgünstig abgeleitet werden. Dies kann beispielsweise durch eine groß gestaltete, jedoch kompakte Anordnung, zum Beispiel rings um das Gebläse erfolgen, wobei weitere Umlenkungen des Luftstroms vermieden werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein großer Cartridge-Filter und/oder ein Filterschaum als Ausblasfilter und gleichzeitig als Diffusor dienen.
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Die vorstehend beschriebene Gebläseanordnung 2 bzw. deren Implementierung kann in einem Staubsauger zu einem niedrigeren Energieverbrauch führen, als dies bei Standardgeräten vergleichbarer Leistungsaufnahme der Fall wäre. Gleichzeitig verspricht der Motor 28 aufgrund seiner effizienten Kühlung eine lange Haltbarkeit und der Staubsauger insgesamt ein niedriges Laufgeräusch.
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Wenngleich in den 1 bis 3 ein Radiallüfterrad 6 zum Fördern bzw. Verdichten der Luft verwendet wird, versteht es sich von selbst, dass bei weiteren Ausführungsbeispielen andere Lüfterräder bzw. andere Lüfter verwendet werden können, beispielsweise Axiallüfter.
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Ferner versteht es sich von selbst, dass bei alternativen Ausführungsbeispielen das Lüfterrad 6 und der Motor 20 nicht in einem gemeinsamen Gehäuse 28 und auch nicht koaxial zueinander angeordnet sein können. Vielmehr können Lüfterrad 6 und Elektromotor 20 auch in separaten Gehäusen und sogar räumlich voneinander getrennt angeordnet werden, d. h., es braucht abseits der schraubenförmigen Gaskanäle keine Verbindung zwischen den beiden Gehäusen zu bestehen.
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Wenngleich in den vorhergehenden Absätzen beispielhaft meist hochdrehende Elektromotoren betrachtet wurden, können in weiteren Ausführungsbeispielen auch Elektromotoren mit niedriger Drehzahl verwendet werden, beispielsweise Elektromotoren größerer Abmessung als sie in Staubsaugern üblicherweise verwendet wird.
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Bei der Verwendung in Staubsaugern kann die Verwendung von weiteren Ausführungsbeispielen von Gebläseanordnungen 2 besonders vorteilhaft sein, da hier üblicherweise nur ein begrenzter Platz zur Verfügung steht, wobei typische Radien von schraubenförmigen Gaskanälen 24a und 24b 10 cm und darunter betragen können und dennoch eine strömungsgünstige und effiziente Kühlung bzw. Kopplung zwischen Lüfterrad 6 und Elektromotor 28 erzielt werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Radius größer sein als 3 cm und beispielsweise in dem Intervall von 3 cm bis 15 cm oder in dem Intervall von 3 cm bis 10 cm liegen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gebläseanordnung, bei der die Gaskanäle 24a und 24b eine gebogene Form aufweisen. Die Krümmung eines Gaskanals erfolgt also lediglich in einer Richtung, was bei vergleichbaren Strömungseigenschaften den Platzbedarf der Gebläseanordnung verringern kann.
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Obwohl vorhergehend anhand eines Handstaubsaugers dargestellt, versteht es sich von selbst, dass bei weiteren Anwendungen Ausführungsbeispiele von Gebläseanordnungen 2 auch in anderen Szenarien verwendet werden können. Beispielsweise können Sie zur Förderung von sonstigen Gasen, beispielsweise von Erdgas oder dergleichen im industriellen Maßstab oder im Labormaßstab verwendet werden, wo die Gebläseanordnungen hinsichtlich ihrer geometrischen Dimensionierung und ihrer Förderleistung jeweils auf die unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden kann. Weitere Ausführungsbeispiele können also beispielsweise in Erdgaspumpen, Industriestaubsaugern, Bodenstaubsaugern oder sonstigen Anwendungen verwendet werden, wo es erforderlich ist, ein Gas oder ein gasförmiges Medium wie Luft über eine Ansaugöffnung anzusaugen und in einer Strömungsrichtung zu transportieren.
