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Die Erfindung betrifft einen Lüfter mit einem Lüfterrad.
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Lüfter bzw. Ventilatoren gehören neben Pumpen und Verdichtern zur Gattung der Strömungsarbeitsmaschinen. Ein Lüfter hat ein Lüfterrad, das mit Schaufeln besetzt ist, einen Antriebsmotor sowie bevorzugt ein Gehäuse mit der Lagerung und der Strömungsführung. Die umlaufenden Schaufeln sind so gestaltet, dass sie dem strömenden Arbeitsmedium (z. B. Luft oder ein anderes Gas) eine Richtungsänderung erteilen und ihm dadurch Druck- und Geschwindigkeitsenergie zuführen. Das Lüfterrad wird auch als Laufrad bezeichnet.
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Je nach geometrischer Formgebung des Lüfterrads unterscheidet man verschiedene Bauarten, wobei sich die Benennung üblicherweise auf die Hauptströmungsrichtung im Lüfterrad bezieht.
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Axiallüfter haben ein Lüfterrad, das einem Propeller ähnelt. Die Durchströmung des Lüfterrads erfolgt weitgehend parallel zur Rotationsachse, also in axialer Richtung, woraus sich der Namen ableitet.
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Das Lüfterrad eines Radiallüfters hat eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Mühlrad. Die Einsaugströmung verläuft in axialer und die Durchströmung des Lüfterrades in radialer Richtung. Die Schaufeln des Lüfterrads sind üblicherweise auf einer Tragscheibe befestigt, und sie fördern das Strömungsmedium von innen nach außen.
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Diagonallüfter ähneln vom grundsätzlichen Aufbau her den Axiallüftern und werden auch „halbaxiale” Ventilatoren genannt. Die Ansaugung erfolgt axial, und die Ausströmung diagonal. Im Englischen spricht man von einem mixed-flow fan.
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Die unterschiedlichen Lüftertypen haben unterschiedliche lufttechnische Eigenschaften, und so ist z. B. – grob eingeteilt – mit Radiallüftern ein großer Druckaufbau möglich, mit Diagonallüftern ein mittlerer Druckaufbau und mit Axiallüftern nur ein niedriger Druckaufbau, bezogen auf ähnliche Lüftergrößen.
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Die
US 6 206 087 B1 und
US 6 328 529 B1 zeigen einen Kühlkörper mit Kühlrippen und einem Axiallüfter, der über den Kühlrippen befestigt ist. Dies führt zu einer großen axialen Höhe des Kühlkörpers.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Lüfter mit einem neuen Lüfterrad bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
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1 eine Draufsicht auf einen Lüfter 30 mit einem Lüfterrad 40,
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2 einen Axialschnitt entlang der Linie II-II durch den Lüfter 30 aus 1,
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3 eine raumbildliche Darstellung des Lüfterrads 40 aus 1,
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4 eine Seitenansicht des Lüfterrads 40 aus 3,
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5 eine Draufsicht auf das Lüfterrad 40 aus 3,
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6 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 aus 3 entlang der Linie VI-VI aus 5,
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7 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 aus 3 entlang der Linie VII-VII aus 5,
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8 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 aus 3 entlang der Linie VIII-VIII aus 4,
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9 eine raumbildliche Darstellung eines Lüfterrads eines Radiallüfters nach dem Stand der Technik,
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10 eine Draufsicht auf das Lüfterrad aus 9,
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11 eine Erläuterung von Parametern zur Beschreibung des Aufbaus eines Lüfterrads,
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12 eine Seitenansicht des Lüfterrads 40 aus 3,
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13 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 entlang der Linie XIII-XIII aus 12,
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14 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 entlang der Linie XIV-XIV aus 12,
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15 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 entlang der Linie XV-XV aus 12,
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16 einen Schnitt durch das Lüfterrad 40 entlang der Linie XVI-XVI aus 12,
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17 eine raumbildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüfterrads 40,
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18 eine Draufsicht auf das Lüfterrad 40 aus 17,
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19 eine Seitenansicht auf das Lüfterrad 40 aus 17,
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20 eine raumbildliche Darstellung einer beispielhaften Applikation mit einem Lüfter 30 gemäß 1,
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21 die beispielhafte Applikation aus 20, jedoch ohne Deckel am Lufteinlass,
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22 eine Draufsicht auf die Applikation aus 21, und
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23 einen Schnitt durch die Applikation aus 21 entlang der Linie XXIII XXIII aus 22.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen Lüfter 30, welcher einen Flansch (Motorgehäuse) 34 und ein Lüfterrad 40 hat. Das Lüfterrad 40 hat eine Fluideintrittsöffnung 46.
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2 zeigt einen Schnitt durch den Lüfter aus 1.
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Der Lüfter hat den Flansch 34, einen Stator 35, eine Leiterplatte 36 mit elektronischen Bauelementen zur Steuerung des Lüfters 30 und eine Lageranordnung 37.
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Ein Rotor 80 ist über die Lageranordnung 37 drehbar gelagert. Der Rotor 80 hat einen Rotortopf 81 mit daran befestigten Rotormagneten 82, die mit dem Stator 35 zusammenwirken, eine Nabe 84 und eine an der Nabe 84 befestigte Welle 86, die mit der Lageranordnung 37 zusammenwirkt, um eine Drehung des Rotors 80 mit dem Lüfterrad 40 um eine Drehachse 32 zu bewirken.
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Der dargestellte Motor ist ein Außenläufermotor, und bei solchen Motoren ist die Erfindung besonders vorteilhaft, wenn – bevorzugt – das Lüfterrad 40 zumindest teilweise um den Außenrotor 80 herum angeordnet ist.
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Das Lüfterrad 40 kann jedoch z. B. auch mit einem Innenläufer-Motor oder einem Scheibenläufer-Motor angetrieben werden.
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3 bis 8 zeigen verschiedene Ansichten des Lüfterrads 40 und Schnitte durch dieses. Die Beschreibung erfolgt anhand der 3, und die andere Figuren werden genannt, wenn diese den jeweiligen Aspekt besonders gut zeigen.
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Das Lüfterrad 40 hat ein Basisteil 42, das auch als Motordom 42 bezeichnet wird. Am Umfang des Lüfterrads 40 ist ein Schaufelkranz 44 mit einer Mehrzahl von Schaufeln 50 angeordnet. Dies führt zu einer topfartigen Struktur des Lüfterrads 40, wie sie für einen Radiallüfter typisch ist. Durch den Schaufelkranz 44 wird eine Lufteintrittsöffnung 46 definiert, und um die Lufteintrittsöffnung 46 herum ist bevorzugt ein Haltering 45 angeordnet. Die Schaufeln 50 sind einerseits mit dem Basisteil 42 und andererseits bevorzugt mit dem Haltering 45 verbunden.
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Das Basisteil 42 ragt bevorzugt in den Schaufelkranz 44 in Form eines Motordoms 42 hinein, und das Basisteil 42 hat an seinem Umfang eine Seitenwand 43, die sich in eine Richtung mit axialer Komponente erstreckt, also z. B. im Wesentlichen axial zur Lufteintrittsöffnung 46 hin, vgl. 6, oder schräg.
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Aufbau der Schaufeln
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Die Schaufeln 50 haben jeweils einen ersten Bereich 51 und einen zweiten Bereich 52. Im ersten Bereich 51 sind sie als Radiallüfter-Schaufeln ausgebildet, um dort eine im wesentlichen radiale Förderung eines Fluids zu bewirken. Im zweiten Bereich 52 sind die Schaufeln 50 schraubenartig ausgebildet, sie haben dort also eine deutlich sichtbare Schaufelsteigung bzw. Schaufelschräge. Die Schaufeln 50 haben einen Übergangsbereich 53, in dem der erste Bereich 51 und der zweite Bereich 52 ineinander übergehen. Im Übergangsbereich 53 findet also ein Wechsel vom ersten Bereich 51 zum zweiten Bereich 52 statt.
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Der Übergangsbereich 53 hat bevorzugt eine Biegung, um die Änderung des Verlaufs der Schaufeln 50 zwischen dem ersten Bereich 51 und dem zweiten Bereich 52 zu bewirken. Die Biegung des Übergangsbereichs 53 hat zur Verringerung der Geräusche bevorzugt eine Krümmung, sie kann aber auch als scharfer Knick ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind die Schaufeln im gesamten Übergangsbereich 53 frei und damit fluidtechnisch wirksam. Der Fluidstrom wird dort also nicht durch Stege oder ähnliches behindert. Dies verbessert den Übergang des Fluidstroms 63 (vgl. 3) zwischen dem ersten Bereich 51 und dem zweiten Bereich 52.
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Bevorzugt sind die Schaufeln 50 sowohl im ersten Bereich 51 als auch im zweiten Bereich 52 gekrümmt ausgebildet, weiter bevorzugt vorwärts gekrümmt. Sie können aber auch rückwärts gekrümmt sein oder radial enden.
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Die Schaufeln 50 haben ein erstes, der Fluideintrittsöffnung 46 zugeordnetes axiales Ende 71, ein zweites, vom ersten axialen Ende abgewandtes Ende 72, eine Innenkante (radial innere Kante) 73 und eine Außenkante (radial äußere Kante) 74.
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Der Raum zwischen den Innenkanten 73 der Schaufeln 50 wird auch als Saugraum bezeichnet, da dort das Fluid 48 einströmen kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der zweite Bereich 52 der Schaufeln 50 das zweite axiale Ende 72.
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Zur weiteren Diskussion wird kurz auf den Aufbau eines konventionellen (normalen) Radiallüfters eingegangen. 9 und 10 zeigen einen Radiallüfter nach dem Stand der Technik. Die Bezugszeichen sind gegenüber den gleichartigen Teilen des erfindungsgemäßen Lüfters um 200 erhöht, um eine Verwechslung zu vermeiden. Das Lüfterrad 240 hat ein Basisteil 242 mit einer Seitenwand 243, Schaufeln 250 und einen Haltering 245, der die Schaufeln 250 miteinander verbindet. Bei solchen Lüfterrädern 240 führt das in das topfartige Lüfterrad 240 hineinragendes Basisteil 242 dazu, dass das Basisteil 242 als Hindernis für die zu fördernde Luft wirkt und daher die Luftförderung in dem Bereich der Schaufeln, der um das Basisteil 242 herum liegt, verringert wird. Aus diesem Grund wird bei solchen Radiallüftern am unteren Bereich des Basisteils 242 üblicherweise eine nach außen ragende Ringplatte 249 vorgesehen, um einen Abstand bzw. Zwischenraum 249' zwischen den Innenkanten 273 der Schaufeln 250 und dem Basisteil 242 bzw. der Seitenwand 243 zu bewirken. Die Schaufeln 250 sind an der Ringplatte 249 angeordnet, so dass das Fluid durch diesen Zwischenraum 249' zum unteren Bereich des Lüfterrads strömen kann. Ohne einen solchen Zwischenraum 249' wird im Bereich des Basisteils 242 kaum Fluid gefördert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist ebenfalls eine Ausgestaltung des Basisteils 42 mit einer solchen Ringplatte 249 möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Ausgestaltung der Schaufeln 50 mit dem zweiten Bereich 52 auch dann Fluid 48 im von der Eintrittsöffnung 46 abgewandten („unteren”) Bereich des Lüfterrads 40 gefördert werden kann, wenn die Innenkante 73 der Schaufeln 50 im benachbarten Bereich des Basisteils 42 direkt mit dem Basisteil 42 bzw. mit der Seitenwand 43 verbunden sind. Ein Teilbereich 73' der Innenkante 73 der Schaufeln 50 ist hierbei direkt an der Seitenwand 43 befestigt, wie dies nachfolgend anhand der 8 beschrieben wird. Durch eine solche Anbindung sind die Schaufeln 50 bereits gut befestigt, und der Haltering 45 ist daher nicht unbedingt notwendig. Dieser kann aber z. B. auch zum Wuchten verwendet werden, indem zum Wuchten Teile vom Haltering entfernt werden.
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Die Möglichkeit der Anbindung der Schaufeln 50 an das Basisteil (den Motordom) 42 bzw. an die Seitenwand 43 ermöglicht es, bei gleichem Außendurchmesser des Lüfterrads 40 ein Basisteil mit größerem Durchmesser und größerer Höhe zu verwenden als bei einem reinen Radiallüfter. Dies erlaubt zum einen bei vorgegebenem Außendurchmesser des Lüfterrads 40 die Verwendung größerer Rotoren bzw. größerer Motoren (in radialer und/oder axialer Richtung), und zum anderen bei vorgegebener Größe des Rotors bzw. Motors die Verwendung kleinerer Lüfterräder 40 (in radialer und/oder axialer Richtung). Dies ist ein großer Vorteil, der nicht vorhersehbar war.
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8 zeigt einen schrägen Schnitt durch das Lüfterrad 40 entlang der Linie VII-VIII aus 4. Es ist zu sehen, dass ein Teilbereich 73' der Innenkanten 73 der Schaufeln 50 direkt an der Seitenwand 43 des Basisteils 42 befestigt sind, wobei sie bevorzugt einstückig mit dem Basisteil 42 ausgebildet sind. Diese Befestigung an der Seitenwand 43 führt zu einer hohen Stabilität. Von dem Basisteil 42 ist die Innenseite zu sehen. Die Länge des Teilbereichs 73' umfasst bevorzugt mindestens 10% der gesamten Länge der Innenkante 73 der Schaufeln 50, um eine gute Anbindung der Schaufeln 50 zu bewirken.
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Erzeugte Luftbewegung
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Wie in 3 zu sehen ist, saugt das Lüfterrad 40 durch die Fluideintrittsöffnung 46 ein Fluid 48 in axialer Richtung 54 ein. Im ersten Bereich 51, in dem die Schaufeln nach Art von Radiallüfter-Schaufeln ausgebildet sind, wird das Fluid 48 hauptsächlich in radialer Richtung 56 ausgeblasen. Im zweiten Bereich 52 verlaufen die Schaufeln 50 dagegen schraubenartig, und hierdurch wird das Fluid 48 zum einen in radialer Richtung 58 ausgeblasen, es entsteht aber zusätzlich eine Beschleunigung in axialer Richtung 60, wodurch mehr Fluid 48 in Richtung zum zweiten axialen Ende 72 der Schaufeln 50 gefördert wird. Bei einem bevorzugten Lüfterrad 40 mit offenen zweiten axialen Enden 72 führt dies zu einem zusätzlichen Ausblasen in die axiale Richtung 62.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die schraubenartige Ausgestaltung der Schaufeln 50 im zweiten Bereich 52 mehr Fluid 48 im Bereich 52 ausgeblasen werden kann, als dies bei einem reinen Radiallüfter der Fall ist. Zudem ist die Verteilung des Fluids 48 gleichmäßiger und für viele Applikationen günstiger als bei einem reinen Radiallüfter, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen.
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Durch den zweiten Bereich 52 mit der schraubenartigen Ausgestaltung wird zudem die Gesamtfläche der einzelnen Schaufel 50 erhöht.
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Ein reiner Axiallüfter erzeugt keinen bzw. kaum einen Fluidstrom im radialen Umfangsbereich, und ein reiner Radiallüfter erzeugt bei vielen Applikationen einen schlechten Fluidstrom im unteren Bereich. Der erfindungsgemäße Lüfter 30 kann sowohl im radialen Umfangsbereich als auch im unteren – motornahen – Bereich einen beispielsweise für eine Kühlung geeigneten Fluidstrom erzeugen und ist somit vorteilhaft.
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Krümmung der Schaufeln
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Für die geometrische Beschreibung des Lüfterrads 40 werden im Folgenden einige übliche Parameter definiert.
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11 zeigt übliche Parameter, die zur Beschreibung eines Lüfterrads verwendet werden. Es sind beispielhaft drei unterschiedliche Schaufeln 50A, 50B, 50C gezeigt, die eine Innenkante 73 und eine Außenkante 74A, 74B, 74C haben.
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Die Drehrichtung ist mit ω bezeichnet, und das Lüfterrad dreht sich in diesem Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Der Eintrittsradius ist mit r1 bezeichnet, und die Innenkante 73 der Schaufeln 50 endet innen am Eintrittsradius r1.
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Der Austrittsradius ist mit r2 bezeichnet, und die Außenkante 74A, 74B, 74C der Schaufeln 50 endet außen am Austrittsradius r2.
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Die Schaufeln 50A, 50B, 50C haben einen Eintrittswinkel (Schaufeleintrittswinkel, englisch: blade entrance/inlet angle) β1 und einen Austrittswinkel (Schaufelaustrittswinkel, englisch: blade exit/outlet angle) β2.
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Der Eintrittswinkel β1 ist der Winkel zwischen der Richtung 75 der Schaufel (des Schaufelprofils) 50A, 50B, 50C an der Innenkante 73 und einer Tangente 77 an dem Eintrittsradius r1 des Lüfterrads 40. Die Tangente 77 wird auch als Kreistangente an der Innenkante 73 bezeichnet.
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Der Austrittswinkel β2 ist der Winkel zwischen der Richtung 76A, 76B, 76C der Schaufel (des Schaufelprofils) 50A, 50B, 50C an der Außenkante 74A, 74B, 74C und einer Tangente 78A, 78B, 78C an dem Austrittsradius r2 des Lüfterrads 40. Die Tangenten 78A, 78B, 78C werden auch als Kreistangenten an der Außenkante 74 bezeichnet.
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Schaufeln 50C mit einem Austrittswinkel β2 < 90° werden als rückwärts (entgegen der Drehrichtung) gekrümmt bezeichnet. Radial endende Schaufeln 50B haben einen Austrittswinkel β2 = 90°. Schaufeln 50A mit einem Austrittswinkel β2 > 90° werden als vorwärts gekrümmte Schaufeln bezeichnet, deren Schaufelaustrittskante zeigt also in Drehrichtung ω.
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Bevorzugt ist der Austrittswinkel β2 beim Lüfterrad 40 gemäß 3 bis 17 über die axiale Erstreckung L_ax (4) nicht konstant, insbesondere nicht im zweiten Bereich 52.
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Es ist z. B. in 3 und in 4 gut zu sehen, dass sich die vorwärts gekrümmten (β2 > 90°) Schaufeln 50 im zweiten Bereich 52 nach unten hin bzw. in die Richtung vom ersten Bereich 51 weg öffnen, der Austrittswinkel β2 wird also kleiner.
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Anders ausgedrückt sind die Schaufeln 50 im ersten (radialen) Bereich 51 vorwärts gekrümmt, bevorzugt mit einem im Wesentlichen konstanten Austrittswinkel β2. Im zweiten Bereich 52 ändert sich jedoch der Austrittswinkel β2 in die Richtung vom ersten Bereich weg zumindest teilweise so, dass er sich vom vorwärts gekrümmten Bereich in Richtung zum rückwärts gekrümmten Bereich verändert, wobei er bevorzugt nicht in den rückwärts gekrümmten Bereich hinein verläuft. Diese Änderung in Richtung zum rückwärts gekrümmten Bereich hin ist bevorzugt mindestens auf 50% der Länge des zweiten Bereichs 52 gegeben.
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12 zeigt eine Seitenansicht des Laufrads 40 aus 3, und 13 bis 16 zeigen vier Schnitte durch das Laufrad 40, wobei 13 den obersten, also der Lufteintrittsöffnung 46 nächstliegenden Schnitt darstellt, und 16 den untersten, also den von der Lufteintrittsöffnung 46 am weitesten entfernten Schnitt darstellt. Soweit in der vorliegenden Anmeldung von oben und unten gesprochen wird, bezieht sich das auf die Zeichnungen und üblicherweise bei Seitenansichten auch auf die Anordnung des Lüfters 30 auf einem Tisch. In den Applikationen ist oben und unten jedoch nicht festgelegt.
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In 13 bis 16 ist jeweils an einer Schaufel 50 die Richtung 76 der Schaufel 50 an deren Außenkante 74 eingezeichnet. Es ist insbesondere im Vergleich zwischen 16 und 13 zu sehen, dass der Austrittswinkel β2 in Richtung von der Lufteintrittsöffnung 46 weg kleiner wird.
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Variante mit vertauschtem ersten und zweiten Bereich
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17, 18 und 19 zeigen ein Lüfterrad 40, bei dem der erste Bereich 51, in dem die Schaufeln 50 als Radiallüfter-Schaufeln ausgebildet sind, und der zweite Bereich 52 mit dem schraubenartigen Verlauf der Schaufeln 50 vertauscht sind. Der zweite Bereich 52 ist also der Seite der Lufteintrittsöffnung 46 zugeordnet. Durch die Vertauschung wird weiterhin das Fluid 48 im zweiten Bereich 52 in axiale Richtung beschleunigt, und hierdurch dem radialen ersten Bereich 51 zugeführt.
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Die Schaufeln 50 sind bevorzugt vorwärts gekrümmt, und der Austrittswinkel β2 macht im zweiten Bereich zum ersten Bereich hin auf, er ändert sich also im zweiten Bereich 52 im Verlauf vom ersten Ende 71 zum ersten Bereich 51 hin in Richtung zum rückwärts gekrümmten Flügel (β2 < 90°), wobei der Austrittswinkel bevorzugt vorwärts gekrümmt (β2 > 90°) bleibt.
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Die Beschreibung zum Lüfter gemäß 3 gilt ansonsten entsprechend.
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Geräuschmessungen
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Es wurden Schalldruckmessungen mit dem Lüfterrad gemäß 3 und 17 sowie mit einem konventionellen, vorwärts gekrümmten Radiallüfterrad gemäß 9 durchgeführt. Der Durchmesser der Eintritts- bzw. Ansaugöffnung (2·r1) betrug jeweils 33 mm. Auf Grund der höheren Schaufelzahl des konventionellen Radiallüfters wurde zur Erreichung des gleichen Volumenstroms die Drehzahl n des konventionellen Radiallüfters auf 4631 min–1 gesetzt, und die Drehzahl n des Lüfters gemäß 3 auf 5260 min–1. Die Schalldruckmessung hat beim konventionellen Radiallüfter einen Gesamtpegel (overall level) von 43,5 dB(A)/20 μPa ergeben, und beim Lüfter gemäß 3 einen Gesamtpegel von 35,3 dB(A)/20 μPa. Trotz der höheren Drehzahl n ist das Laufrad 40 gemäß 3 deutlich leiser als ein konventionelles, vorwärts gekrümmtes Radiallüfter-Rad. Der Lüfter gemäß 17 war etwas lauter als der Lüfter gemäß 3.
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Lüfterräder mit vorwärts gekrümmten Schaufeln werden auch als Trommelläufer bezeichnet. Solche Lüfterräder haben den maximalen Leistungsbedarf, wenn sie frei blasend betrieben werden. Mit steigendem Gegendruck sinkt der Leistungsbedarf. Daher ist die herrschende Lehre, dass Lüfterräder mit vorwärts gekrümmten Schaufeln ein Spiralgehäuse benötigen, um einen entsprechenden Druck aufzubauen.
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Es hat sich aber gezeigt, dass Radiallüfterräder mit vorwärts gekrümmten Schaufeln einen niedrigeren Schalldruckpegel erzeugen als solche mit rückwärts gekrümmten Schaufeln oder radialen Schaufeln.
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Applikation
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20 zeigt eine isometrische Darstellung einer Kühlvorrichtung 10. Die Kühlvorrichtung 10 hat eine Grundplatte 12, zwei geschlossene Seitenwände 14, 16, Kühlrippen 20 und 22, durch die Kühlluft hindurchfließen kann, und einen Lüfter 30, der im Betrieb ein Fluid (z. B. Luft, Helium, Wasser), im folgenden Luft genannt, durch einen Lufteinlass 32 ansaugt und durch den Lüfter 30 zu den Kühlrippen 20, 22 hin ausbläst. Der Lüfter 30 arbeitet hier weitgehend frei blasend.
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Die Grundplatte 12 steht in Wärmeverbindung mit einem zu kühlenden Bauteil 24 (z. B. Mikroprozessor, elektronisches Bauteil, Leistungshalbleiter etc.), und die Wärmeverbindung erfolgt z. B. durch direkten Kontakt des Bauteils 24 mit der Grundplatte 12 (evtl. unter Verwendung einer Wärmeleitpaste) oder aber über ein weiteres – nicht dargestelltes – gut Wärme leitendes Wärmeleitelement. Messungen haben ergeben, dass die Temperaturverteilung in der Kühlvorrichtung üblicherweise zum Bauteil 24 hin zunimmt.
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21 zeigt die Kühlvorrichtung 10 ohne den Deckel 18 aus 20. Die Kühlrippen 20, 22 können sich auch bis in die Nähe des Lüfters 30 erstrecken, um die Oberfläche der Kühlrippen zu erhöhen. Die Anordnung der Kühlrippen 20, 22 in senkrechter bzw. waagerechter Form ist beispielhaft, und es sind auch andere Gestaltungen möglich, z. B. Kühlrippen, die radial um den Lüfter verlaufen.
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22 zeigt das Lüfterrad 40 in der Kühlvorrichtung 10, wobei zwei Zonen 92, 94 jeweils zweifach schematisch eingezeichnet sind. Bei einer leicht abgewandelten Applikation, bei der die Kühlrippen 20 und/oder 22 bis in die Nähe des Lüfterrads 40 verlaufen, war die Belüftung in den Zonen 92, 94 gut.
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Bei der – nicht dargestellten – Verwendung eines konventionellen Radiallüfterrads wurde jedoch entdeckt, dass es dazu kommen kann, dass durch die Drehung in Drehrichtung ω in den Bereichen 94 nach dem Drehen entlang der Seitenwände 12, 14 zwar Luft ausgeblasen wurde, dass jedoch in den Bereichen 92 kaum Luft ausgeblasen wurde oder sogar Luft angesaugt wurde, was zu einer schlechten Kühlleistung geführt hat. Dieser Effekt ist bei dem erfindungsgemäßen Lüfterrad 40 nicht aufgetreten.
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23 zeigt schematisch die Temperaturverteilung in einer Kühlvorrichtung 10. Die Temperaturen sind nach dem Schema TX angegeben, wobei X die Temperatur in °C ist. So entspricht z. B. T80 einer Temperatur von 80°C.
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Das zu kühlende Bauteil 24 hat z. B. eine Temperatur von 120°C, und die Bodenplatte 12 im inneren Bereich ebenfalls 120°C, in den äußeren Bereichen 100°C. Die Seitenwände 14, 16 haben auf der dem Bauteil 24 zugewandten Seite 80°C, und auf der von diesen abgewandten Seite 60°C. Die Kühlrippen 20 haben auf der dem Bauteil 24 zugewandten Seite 90°C, und auf der von diesen abgewandten Seite 60°C. Dieses schematische Beispiel soll verdeutlichen, dass es effektiv ist, mehr Luft auf der von der Lufteintrittsöffnung 46 abgewandten Hälfte des Lüfterrads 40 auszublasen und in dem (unteren) Bereich mit der größeren Temperatur zu kühlen. Dies ist mit dem Lüfterrad 40 besser möglich als mit einem herkömmlichen Radiallüfter. Ein Umdrehen des Lüfters 30 um 180°, das theoretisch auch bei einem Radiallüfter zu einer Verbesserung der Kühlung auf der dem Bauteil 24 zugewandten Seite der Kühlvorrichtung 10 führen würde, ist in vielen Fällen nicht möglich, da beim Umdrehen die Befestigung des Lüfters nur umständlich möglich wäre und die Luftzufuhr zur Fluideintrittsöffnung durch die Bodenplatte 12 verdeckt wäre.
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Eine Untersuchung unterschiedlicher Applikationen hat ergeben, dass häufig die Kühlung im Bereich der von der Lufteintrittsöffnung 46 abgewandten Seite, d. h. der Motorseite, besonders wichtig ist.
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Herstellung im Spritzgussverfahren
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In 5 ist der Winkelabstand φ_diff zwischen den einzelnen Schaufeln 50 eingezeichnet. Der Winkelabstand φ_diff wird bevorzugt mindestens so groß gewählt, dass die Schaufeln 50 in axialer Draufsicht entsprechend 5 nicht überlappen. Dies führt zu einem größeren Winkelabstand φ_diff als bei einem üblichen Radiallüfter und damit auch zu einer geringeren Anzahl an Schaufeln 50. Je geringer die Schaufelsteigung im zweiten Bereich ist und je größer der zweite Bereich 52 im Verhältnis zum ersten Bereich 51 ist, desto weniger Schaufeln 50 sind möglich. Vorteilhaft an einem so gewählten Winkelabstand ist jedoch, dass eine Fertigung des Lüfterrads 40 im Spritzgussverfahren ermöglicht wird, da eine Entformung gut möglich ist. Im Falle einer Überlappung wäre eine solche Fertigung nur mit einer Spritzgussform mit Schiebern möglich, was bei der Anzahl an Schaufeln 50 sehr teuer wäre. Die Schaufeln 50 haben bevorzugt im ersten Bereich 51 ebenfalls eine geringe Entformschräge gegenüber der Drehachse 32 (vgl. 3), sie laufen also nicht rein axial, sondern haben üblicherweise eine Entformschräge, die z. B. 1,0° oder 1,5° beträgt. Dies hat den Vorteil, dass die Spritzgussform beim Entformen nicht fortdauernd flächig am ersten Bereich 51 vorbei gleitet, denn dies kann dazu führen, dass das Lüfterrad an der Spritzgussform hängen bleibt.
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Bevorzugt ist der Haltering 45 in der Draufsicht außerhalb vom Basisteil 42 angeordnet, so dass der Haltering 45 und das Basisteil 42 nicht überlappen, vgl. 5. Dies ermöglicht es, bei einer Herstellung im Spritzgussverfahren die Spritzgussform axial zwischen dem Haltering 45 und dem Basisteil 42 herauszufahren.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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So kann die Schaufelform (Kontur) der Schaufeln 50 z. B. sein:
- • ein Kreisbogen, rückwärts gekrümmt,
- • ein Kreisbogen, radial endend,
- • ein Kreisbogen, vorwärts gekrümmt,
- • eine logarithmische Kontur,
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Der Eintrittsradius r1 (vgl. 11) kann zwischen den Innenkanten 73 der einzelnen Schaufeln 50 unterschiedlich gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6206087 B1 [0008]
- US 6328529 B1 [0008]
