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Die Erfindung betrifft eine Gebläsevorrichtung, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug zur Belüftung des Innenraums.
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Bei Verwendung eines Gleichstrom-Elektromotors in einer Gebläsevorrichtung einer Klima- oder Belüftungsanlage eines Kraftfahrzeugs wird der Elektromotor unter den üblichen Betriebsbedingungen sehr heiß. Speziell zwischen der Bürste und dem Kommutator des Elektromotors darf die Temperatur 90°C nicht übersteigen. Deshalb müssen Bürste, Kommutator und Ankerwicklungen des Elektromotors gekühlt werden.
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Zur Kühlung des Elektromotors kann ein Teil des von der Gebläsevorrichtung erzeugten Luftstroms von der Druckseite der Vorrichtung über einen Kühlkanal zum Elektromotor geleitet werden. Ein solcher Kühlkanal stellt jedoch eine räumliche Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Druckseite her, sodass Motorengeräusche durch den Kühlkanal (gegen die Strömungsrichtung der Kühlluft) zur Druckseite übertragen und von den Fahrzeuginsassen wahrgenommen werden können. Insbesondere in den Anwendungsfällen, in denen ein Diffusor auf der Druckseite vorgesehen ist, kann dieser die Motorengeräusche sogar noch verstärken. Diese Verstärkung kann zu einem sehr lauten Geräuschpegel in diskreten Frequenzbereichen und damit zu einer sehr unangenehmen Lärmbelästigung im Fahrzeuginnenraum führen.
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Aus der
WO 97/41630 A1 ist eine Gebläsevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Zur Kühlung des Elektromotors ist hier vorgesehen, dass das Gebläserad nicht an einer zentralen Motorwelle, sondern über mehrere Stehbolzen an den Läufer des Motors gekoppelt ist, sodass ein Teil der Kühlluft in einen zentralen (axialen) Kühlluft-Einlass in der Mitte der Nabe des Gebläserad eingesaugt und zum Motor geleitet werden kann. Die Innen- und Außenfläche der Nabe hat ein gekrümmtes Profil, das so optimiert sein soll, dass das hörbare Geräusch der Kühlluftströmung minimiert wird. Nachteile dieser Lösung sind der große Aufwand der speziellen Formgebung der Nabe und die mangelnde nachträgliche Anpassungsfähigkeit, nachdem das Gebläserad eingebaut ist.
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Die
WO 2007/089964 A1 zeigt ebenfalls eine Gebläsevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. In einem Kühlkanal dieses Radialgebläses sind verschiedene Dämme und Wände als Barrieren gegen ein Eindringen von Wasser in das Innere des Motors vorgesehen.
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Bei der aus der
DE 10 2006 050 339 A1 bekannten Belüftungsanlage mit einem Gebläse zur Beaufschlagung eines Luftführungsvolumens mit einem Luftstrom weist das Luftführungsvolumen zumindest eine Schallbarriere auf.
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In der
US 2007/0147995 A1 und in der
DE 20 2005 021 856 U1 ist jeweils ein Radialgebläse gezeigt, bei dem eine Nabe einen rückseitigen Raum des Gebläses zwischen einem Gebläserad und einem Elektromotor des Gebläses begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile aus dem Stand der Technik eine geräuschoptimierte Motorkühlung in einer Gebläsevorrichtung aufzuzeigen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Gebläsevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gebläsevorrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Gebläsevorrichtung umfasst einen Elektromotor, ein an den Elektromotor gekoppeltes Gebläserad zur Erzeugung eines Luftstroms und einen Kühlkanal, durch den ein Teil des Luftstroms zum Elektromotor, insbesondere zu dessen Bürste, Kommutator und Ankerwicklungen, geführt wird. Gemäß der Erfindung sind im Kühlkanal Geräuschbarrieren angeordnet. Das Gebläserad weist eine Nabe mit einem Mittelabschnitt auf, der einen Raum zwischen dem Gebläserad und dem Elektromotor begrenzt. Der Mittelabschnitt dient als Trennwand zwischen einem angesaugten Luftstrom auf der einen Seite der Trennwand und einem vom Elektromotor abgeführten Luftstrom auf der anderen Seite der Trennwand.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Ausbreitung der vom Elektromotor stammenden Schallwellen im Kühlkanal in Richtung der Druckseite der Gebläsevorrichtung durch mehrfache Reflexion und Absorption an den Geräuschbarrieren gezielt behindert werden kann. Dadurch erreichen weniger Schallwellen die Druckseite der Gebläsevorrichtung, von wo sie in den Fahrzeuginnenraum erreichen könnten. Mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Geräuschbarrieren kann in kritischen Frequenzbereichen eine Schalldämmung von 2 bis 3 dB(A) erreicht werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Geräuschbarrieren nachträglich in den Kühlkanal eingebaut werden können. Bei Bedarf können auch Anzahl und Anordnung der Geräuschbarrieren verändert werden. Selbstverständlich können die Geräuschbarrieren aber auch einstückig zusammen mit einem Wandteil (z. B. einer Abdeckung) des Kühlkanals hergestellt werden.
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Der Kühlkanal mit den Geräuschbarrieren führt vorzugsweise von einem auf der Druckseite der Gebläsevorrichtung angeordneten Diffusor zum Elektromotor, insbesondere zu einer vom Gebläserad abgewandten Seite des Elektromotors. Von der Druckseite kann dem Elektromotor ausreichend Kühlluft zugeführt werden, wobei die Geräuschbarrieren für einen effektiven Lärmschutz im Kühlkanal sorgen.
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Die für die Abzweigung eines Teils des Luftstroms notwendige Strömungsverbindung vom Diffusor zum Kühlkanal kann durch eine im Diffusor gebildete Öffnung, die in den Kühlkanal mündet, hergestellt werden.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragen die Geräuschbarrieren von der Innenwand des Kühlkanals in den Kühlkanal hinein. Diese Gestaltung erlaubt eine einseitige Befestigung der Geräuschbarrieren an der Innenwand des Kühlkanals. Die in den Kühlkanal hineinragenden Geräuschbarrieren bieten Auftreffflächen für den Schall vom Elektromotor, die in vorteilhafter Weise dessen Ausbreitung in Richtung der Druckseite behindern.
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Um sicherzustellen, dass genügend Kühlluft zum Elektromotor gelangt, sollten die Geräuschbarrieren den Strömungsquerschnitt des Kühlluftkanals nicht zu stark einengen. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn sich die Geräuschbarrieren nicht bis zur gegenüberliegenden Innenwand des Kühlkanals erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der kürzeste Abstand a zwischen einer Geräuschbarriere und der gegenüberliegenden Innenwand des Kühlkanals, bezogen auf den maximalen Durchmesser d des Kühlkanals in diesem Bereich, zwischen 0,4 * d und 0,8 * d liegt, vorzugsweise zwischen 7/16 * d und 3/4 * d.
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Um die Geräuscheindämmung effektiver zu machen, ohne den Kühlluftstrom zu stark einzuschränken, können mehrere Geräuschbarrieren in Strömungsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sein. Auf diese Weise kann die durch die Geräuschbarrieren bedingte Einengung des Strömungsquerschnitts des Kühlluftkanals auf mehrere Stellen verteilt werden.
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Die beste Geräuscheindämmung ergibt sich in diesem Fall für eine Anordnung der Geräuschbarrieren, bei der der kürzeste Abstand b zwischen zwei Geräuschbarrieren, bezogen auf den maximalen Durchmesser d des Kühlkanals in diesem Bereich, zwischen 0,5 * d und 0,8 * d liegt, vorzugsweise zwischen 9/16 * d und 3/4 * d.
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Die dem Elektromotor zugeführte Kühlluft muss selbstverständlich auch wieder abgeführt werden. Damit das Abführen der Kühlluft nicht durch den vom Gebläserad angesaugten Luftstrom behindert wird, sind die beiden Luftströme voneinander getrennt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Gebläserad eine Nabe mit einem - vorzugsweise kegel- oder kalottenförmigen - Mittelabschnitt aufweist, der einen Raum zwischen dem Gebläserad und dem Elektromotor begrenzt. Der Mittelabschnitt dient dann als Trennwand zwischen dem angesaugten Luftstrom auf der einen Seite und dem vom Elektromotor abgeführten Luftstrom auf der anderen Seite.
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Um ein Überströmen von der einen auf die andere Nabenseite auszuschließen, ist der Nabenabschnitt deshalb vorzugsweise geschlossen.
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Die Kühlluftabfuhr aus dem Raum zwischen dem Gebläserad und dem Elektromotor erfolgt am besten über einen gesonderten Auslasspfad, der zur Druckseite der Gebläsevorrichtung führt, insbesondere zu einem Diffusor.
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Zur Verstärkung der Kühlluftabfuhr und damit des Kühlluftstroms und der Kühlleistung sind bei der bevorzugten Ausführungsform der Gebläsevorrichtung zusätzliche Schaufeln am Gebläserad vorgesehen, die Luft aus dem Raum in den Auslasspfad fördern.
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Die zusätzlichen Schaufeln sind zweckmäßigerweise auf der dem Elektromotor zugewandten Seite des Gebläserads gebildet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gebläsevorrichtung;
- - 2a, 2b, 2c schematisch verschiedene Anordnungen von Geräuschbarrieren in einem Kühlkanal einer erfindungsgemäßen Gebläsevorrichtung; und
- - 3 eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung einer erfindungsgemäßen Gebläsevorrichtung mit integrierten Geräuschbarrieren.
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In 1 ist eine Gebläsevorrichtung 10 für die Zufuhr eines Luftstroms in den Innenraum eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Gebläsevorrichtung 10 umfasst unter anderem einen Elektromotor 12, ein an den Elektromotor 12 gekoppeltes und von diesem angetriebenes Radialgebläserad 14, einen Diffusor 16 (Ausströmraum) und einen Kühlkanal 18.
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Der Elektromotor 12 ist ein Gleichstrommotor und weist in bekannter Weise einen Kommutator 20, eine Bürste 22 (Schleifkontakte) und Ankerwicklungen (in 1 nicht sichtbar) auf. Auf der dem Kommutator 20 und der Bürste 22 entgegengesetzten Seite weist der Elektromotor 12 eine Antriebswelle 24 auf, auf die die Nabe 26 des Gebläserads 14 aufgesetzt ist. Ein im Wesentlichen kegel- oder kalottenförmiger Mittelabschnitt 28 der Nabe 26 verbindet einen drehfest an die Antriebswelle 24 gekoppelten Innenabschnitt 30 mit einem Außenabschnitt 32 des Gebläserads 14, an dem Schaufeln 34 gebildet sind. Der kegel- oder kalottenförmige Mittelabschnitt 28 ist geschlossen, weist also in Axialrichtung keine strömungstechnisch relevanten Öffnungen oder Durchbrüche auf.
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Die Gebläsevorrichtung 10 umfasst ferner ein Gehäuse, von dem in 1 nicht alle Teile dargestellt sind. Das Gehäuse weist eine axial über dem Gebläserad 14 angeordnete Einlassöffnung, ein spiralförmiges, radial um das Gebläserad 14 herum gebildetes Gehäuseteil und den daran angesetzten Diffusor 16 auf.
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Im Diffusor 16 ist eine Öffnung 36 vorgesehen, die den Diffusor 16 mit dem Kühlkanal 18 verbindet. Der Kühlkanal 18 ist nach außen durch eine Abdeckung 38 begrenzt und führt vom Diffusor 16 zum Elektromotor 12, genauer gesagt zu dessen vom Gebläserad 14 abgewandter Seite. Im Kühlkanal 18 sind mehrere Geräuschbarrieren 40 angeordnet, deren Funktionsweise später noch erläutert wird.
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Im Betrieb der Gebläsevorrichtung 10 wird Luft von der dem Elektromotor 12 abgewandten Seite des Gebläserads 14 durch die Einlassöffnung des Gehäuses angesaugt. Die angesaugte Luft wird durch die Drehung des Gebläserads 14 um 90° umgelenkt und radial in das spiralförmige Gehäuseteil abgegeben. Von dort wird die Luft durch eine Austrittsfläche in den Diffusor 16 ausgeblasen.
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Ein Teil des ausgeblasenen Luftstroms gelangt durch die Öffnung 36 im Diffusor 16 in den Kühlkanal 18 und wird zum Elektromotor 12 geleitet, um diesen zu kühlen, insbesondere dessen Kommutator 20, Bürste 22 und Ankerwicklungen. Die Kühlluft strömt am Elektromotor 12 vorbei in einen Raum 42, der durch den kegel- oder kalottenförmigen Mittelabschnitt 28 der Nabe 26 begrenzt ist.
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Von dort gelangt die Luft durch einen unterhalb des Mittelabschnitts 28 gebildeten radialen Auslasspfad zurück in den Diffusor 16. Beschleunigt wird dieser Strömungsvorgang durch zusätzliche Schaufeln 44, die auf der dem Elektromotor 12 zugewandten Seite des Gebläserads 14 unterhalb des Mittelabschnitts 28 und der Schaufeln 34 vorgesehen sind.
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Um die Ausbreitung des vom Elektromotor 12 durch den Kühlkanal 18 in den Diffusor 16 übertragenen Schall zu unterdrücken, sind die im Kühlkanal 18 angeordneten Geräuschbarrieren 40 vorgesehen. Die Geräuschbarrieren 40 sind als Platten oder andere Gebilde gestaltet, die von der Innenwand des Kühlkanals 18 in diesen hineinragen. An den Oberflächen der Geräuschbarrieren 40 werden Schallwellen effektiv reflektiert. Die einzelnen Geräuschbarrieren 40 sind in Richtung des Kühlluftstroms bzw. in Richtung der Schallausbreitung voneinander beabstandet und reichen jeweils nicht bis zur gegenüberliegenden Seite der Innenwand.
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In den 2a bis 2c sind beispielhaft einige Anordnungen von Geräuschbarrieren 40 im Kühlkanal 18 dargestellt. Gemeinsam ist allen Anordnungen, dass der kürzeste Abstand a zwischen einer Geräuschbarriere 40 und der gegenüberliegenden Innenwand des Kühlkanals 18, bezogen auf den maximalen Durchmesser d des Kühlkanals 18 in diesem Bereich, jeweils zwischen 0,4 * d und 0,8 * d liegt, vorzugsweise zwischen 7/16 * d und 3/4 * d. Außerdem liegt bei allen Anordnungen der kürzeste Abstand b zwischen zwei Geräuschbarrieren 40, bezogen auf den maximalen Durchmesser d des Kühlkanals 18 in diesem Bereich, zwischen 0,5 * d und 0,8 * d, vorzugsweise zwischen 9/16 * d und 3/4 * d. Beispielsweise können bei einem Durchmesser d von 34 mm der kürzeste Abstand a zwischen einer Geräuschbarriere 40 und der gegenüberliegenden Innenwand des Kühlkanals 18 23 mm und der kürzeste Abstand b zwischen zwei Geräuschbarrieren 40 22 mm betragen.
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Die Anordnungen der Geräuschbarrieren 40, einschließlich deren Orientierung/Ausrichtung, sind auf einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen ausreichender Kühlluftzufuhr für den Elektromotor 12 und bestmöglicher Hinderung des Schalls an einer Ausbreitung in Richtung des Diffusors 16 ausgelegt.
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3 zeigt, wie die Geräuschbarrieren 40 in die Abdeckung 38 integriert sind. Die Geräuschbarrieren können entweder einstückig zusammen mit der Abdeckung 38, insbesondere in einem Spritzgussprozess, hergestellt oder nachträglich an der Abdeckung 38 angebracht werden. In letzterem Fall ist es grundsätzlich möglich, die Anzahl und Anordnung der Geräuschbarrieren 40 nachträglich zu ändern, um die angestrebte Geräuschminderung an die konkret vorliegenden Bedingungen (Elektromotor-Typ, etc.) anzupassen.
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Die in 3 gezeigten Geräuschbarrieren 40 haben eine außerdem die Besonderheit, dass sie nicht massiv sind. Stattdessen sind sie als aneinandergrenzende Wandabschnitte ausgebildet, die in bestimmten Winkeln zueinander angeordnet sind. Die Wandabschnitte können unterschiedliche Abmessungen haben. Auch teilmassive Geräuschbarrieren 40 mit integrierten Hohlräumen sind möglich.
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Die Geräuschbarrieren 40 können selbstverständlich auch andere geometrische Formen als die in den Figuren gezeigten haben. Mit rechteckigen, dreieckförmigen oder zylindrischen Grundformen wird in der Regel eine hohe Diffusität bei der Schallreflexion erzielt. Aber auch Geräuschbarrieren 40, die auf der Grundform von Lamellen, Pyramiden, Kegeln, Kegelstumpfen oder Prismen basieren, sind für den vorgesehenen Zweck besonders geeignet.
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Die mit den Geräuschbarrieren 40 erreichte Schalldämmung kann 2 bis 3 dB(A) betragen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gebläsevorrichtung
- 12
- Elektromotor
- 14
- Gebläserad
- 16
- Diffusor
- 18
- Kühlkanal
- 20
- Kommutator
- 22
- Bürste
- 24
- Antriebswelle
- 26
- Nabe
- 28
- Mittelabschnitt
- 30
- Innenabschnitt
- 32
- Außenabschnitt
- 34
- Schaufeln
- 36
- Öffnung
- 38
- Abdeckung
- 40
- Geräuschbarrieren
- 42
- Raum
- 44
- zusätzliche Schaufeln
