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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein HLK-System. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Zentrifugalgebläseanordnung für Kraftfahrzeuge.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zentrifugalgebläseanordnungen enthalten im Allgemeinen ein Lüfterrad, welches in einem Gehäuse angeordnet ist und durch einen Elektromotor angetrieben werden kann. Das Lüfterrad weist gekrümmte Gebläseflügel auf, welche Luft entlang der Drehachse der Lüfterräder axial ansaugen und die Luft radial nach außen ausstoßen. Solche Gebläseanordnungen werden in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, wie beispielsweise in Automobilanwendungen.
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Bei Automobilanwendungen ist es immer eine Aufgabe die Geräuschentwicklung zu minimierten, um das Fahren des Kraftfahrzeugs so komfortabel wie möglich zu machen. Ferner erhöht eine geringe Geräuschentwicklung die Sicherheit der Insassen in dem Fahrzeug, da eine geringe Geräuschentwicklung die Aufmerksamkeit des Fahrers erhöht.
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Das Geräusch einer Zentrifugalgebläseanordnung wird hauptsächlich durch die sich drehenden Teile der Zentrifugalgebläseanordnung erzeugt, vor allem durch das Lüfterrad. Die Luftströmung gerät von der Oberseite des Lüfterrads ohne jegliche Drehbewegung in dasselbe, strömt dann in den Flügelbereich und wird plötzlich auf die Drehzahl des Lüfterrads beschleunigt. Diese plötzliche Erhöhung der Drehgeschwindigkeit führt zu einer Trennung der Luftströmung an der Vorderkante der Gebläseflügel des Lüfterrads. Diese Trennung führt zu einem/einer verstärkten Geräusch, Vibration und Rauigkeit sowie dem Herabsetzen der Effizienz des Zentrifugalgebläses.
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Ein weiteres Erfordernis bei Automobilanwendungen ist die Größe des Lüfters für eine gegebene Strömungsanforderung zu minimieren oder den Luftströmungsdurchsatz für ein gegebenes Lüftervolumen zu maximieren. Die Trennung der Luftströmung verringert auch die Volumeneffizienz der Lüftereinheit.
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Es erfolgten viele Versuche die Trennung der Luftströmung an der Vorderkante der Gebläseflügel, die Geräuschentwicklung, Vibration und Rauigkeit einer Zentrifugalgebläseanordnung zu verringern und den Luftströmungsdurchsatz derselben für ein gegebenes Volumen zu erhöhen.
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Das
US-Patent Nr. 5,951,249 A1 offenbart eine Zentrifugalgebläseanordnung für ein Kraftfahrzeug. Die Zentrifugalgebläseanordnung enthält ein Lüfterrad, welches durch einen elektrischen Antrieb angetrieben wird, und eine stationäre Vorrichtung, welche einem Luftvolumen einen vorbestimmten Betrag einer schnellen Drehung (spin) verleiht während die Luft in die Zentrifugalgebläseanordnung gelangt. Die stationäre Vorrichtung ist in Bezug auf die Drehachse des Lüfterrads axial angeordnet und an derselben befestigt, um keine beweglichen Teile zu enthalten.
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Das
US-Patent NR. 5.951.245 offenbart eine Zentrifugallüfteranordnung. Die Lüfteranordnung enthält ein Zentrifugalgebläse, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird, und eine stationäre Vorrichtung, welche einem Luftvolumen einen vorbestimmten Betrag einer schnellen Drehung verleiht während die Luft in die Zentrifugallüfteranordnung gelangt. Die Vorrichtung ist in Bezug auf die Drehachse des Gebläses axial angeordnet und an derselben befestigt, um keine beweglichen Teile zu enthalten.
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Diese Zentrifugalgebläseanordnung verringert die Geräuschentwicklung der Zentrifugalgebläseanordnung. Diese Zentrifugalgebläseanordnung ist jedoch ineffektiv, da die stationäre Vorrichtung keine ausreichende Drehgeschwindigkeit in der eintretenden Luftströmung erzeugen kann.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine effektivere und weniger komplizierte Zentrifugalgebläseanordnung zu liefern, welche die Strömungstrennung verringert und die Effizienz des Gebläses verbessert.
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Folglich sorgt die vorliegende Offenbarung für eine Zentrifugalgebläseanordnung, welche ein Gehäuse, ein Lüfterrad mit einer Vielzahl von Gebläseflügeln, wobei das rotierende Lüfterrad in dem Gehäuse montiert und zum Erzeugen einer Luftströmung konstruiert ist, welche axial in das Lüfterrad und radial aus demselben heraus strömt, und eine Leitschaufelvorrichtung mit einer Vielzahl von Leitschaufeln aufweist, wobei die Leitschaufelvorrichtung mit dem Lüfterrad gekoppelt und zum Leiten der Luftströmung in das Lüfterrad vorgesehen ist.
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Die vorliegende Erfindung sorgt auch für ein HLK-System, welches Folgendes aufweist:
ein Gehäuse, einen Zentrifugalgebläse, ein Lüfterrad mit einer Vielzahl von Gebläseflügeln, wobei das Lüfterrad in dem Gehäuse drehbar montiert ist und zum Erzeugen einer Luftströmung konstruiert ist, welche axial in das Lüfterrad und radial aus demselben heraus strömt, und eine Leitschaufelvorrichtung, welche eine Vielzahl von Leitschaufeln enthält, wobei die Leitschaufelvorrichtung mit dem Lüfterrad gekoppelt und zum Leiten der Luftströmung in das Lüfterrad vorgesehen ist.
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Die vorliegende Erfindung liefert eine Zentrifugalgebläseanordnung mit einer Leitschaufelvorrichtung, welche eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweist und sich mit dem Lüfterrad dreht. Die Leitschaufelvorrichtung leitet eine eintretende Luftströmung in das Lüfterrad und erhöht graduell die Drehgeschwindigkeit der Luftströmung während dieselbe die Leitschaufeln hinuntergeht bzw. hinunterströmt. Die Leitschaufelvorrichtung ist zum graduellen Beschleunigen der eintretenden, sich nicht drehenden Luftströmung auf die Drehzahl des Lüfterrads fähig.
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Aufgrund dieser Konfiguration erfolgt die Beschleunigung der Luftströmung sanft und daher wird die Strömungstrennung an der Vorderkante der Gebläseflügel des Lüfters beseitigt. Mit der vorliegenden Erfindung arbeitet die Gebläseanordnung des Lüfters effizienter während sie gleichzeitig die Geräuschentwicklung verringert.
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Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Zentrifugalgebläseanordnung mit einer erheblich höheren Luftströmung für die gleiche Größe und einer erheblich geringeren Betriebsdrehzahl für die gleiche Luftströmungsrate als bekannte Gebläseanordnungen. Zudem ist die gelieferte Zentrifugalgebläseanordnung im Vergleich zu bekannten Zentrifugalgebläseanordnungen leiser.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Leitschaufelvorrichtung an einer axialen Endfläche des Lüfterrads angeordnet. Beispielsweise bedeckt die Leitschaufelvorrichtung die gesamte Endfläche des Lüfterrads. Es ist jedoch auch möglich, dass die Leitschaufelvorrichtung nur einen Abschnitt der Endfläche des Lüfterrads bedeckt. In einer anderen Ausführungsform weist die Lüfterradanordnung zwei Leitschaufelvorrichtungen auf, jeweils eine an jeder Endflächenseite des Lüfterrads.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist zumindest eine der Leitschaufeln eine gekrümmte Vorderkante auf. Die gekrümmte Vorderkante der Gebläseflügel des Lüfterrads erhöht die Leistung der Leitschaufelvorrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen alle Leitschaufeln eine gekrümmte Vorderkante auf.
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In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist zumindest eine Leitschaufel eine Einstellvorrichtung auf und ein Winkel der gekrümmten Vorderkante ist während des Betriebs mittels der Einstellvorrichtung verstellbar. Aufgrund dieser Konfiguration kann das Lüfterrad während des Betriebs optimiert und an verschiedene Drehzahlen angepasst werden. Die Einstellvorrichtung kann beispielsweise elektromagnetisch sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Leitschaufelvorrichtung mit dem Lüfterrad als Einzelteil einstückig ausgebildet. Die Leitschaufel ist für die ausgelegte maximale Betriebsdrehzahl des Lüfterrads optimiert. Diese Konfiguration verringert die Kosten zur Herstellung der Zentrifugalgebläseanordnung. Zudem wird die Stabilität der Leitschaufelvorrichtung und des Lüfterrads erhöht.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Lüfterrad Gebläseflügel auf, welche nach vorne gekrümmt, nach hinten gekrümmt oder gerade und radial sind. Das Lüfterrad kann an verschiedene Zustände und Anwendungen angepasst und für dieselben verwendet werden.
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In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Leitschaufelvorrichtung Leitschaufeln auf, welche nach vorne gekrümmte Schaufeln, nach hinten gekrümmte Schaufeln oder gerade, radiale Schaufeln sind. Eine Kombination aus nach vorne gekrümmten Schaufeln, nach hinten gekrümmten Schaufeln und geraden, radialen Schaufeln ist in der vorliegenden Erfindung enthalten. Die Leitschaufelvorrichtung kann an verschiede Zustände adaptiert und in verschiedenen Anwendungen verwendet werden.
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Das Lüfterrad wird durch einen Direktantrieb, Riemenantrieb, eine Magnetkupplung oder Hydraulikkupplung angetrieben. Andere Antriebsmechanismen sind auch möglich.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich die Anzahl an Gebläseflügeln von der Anzahl an Leitschaufeln. Die Anzahl an Leitschaufeln ist gleich der halben Anzahl an Gebläseflügeln.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weisen die Leitschaufeln eine gekrümmte Vorderkante und einen geraden Abschnitt auf, welcher sich zur Unterseite des Lüfterrads erstreckt.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die gekrümmte Vorderkante der Leitschaufeln in die Leitschaufelvorrichtung eingebaut und der gerade Abschnitt der Leitschaufeln in das Lüfterrad eingebaut.
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In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Lüfterrad ein spritzgegossenes Kunststoffteil. Beispielsweise besteht das Lüfterrad zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material oder einem duroplastischen Polymermaterial.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Leitschaufelvorrichtung ein spritzgegossenes Kunststoffteil. Auch kann die Leitschaufelvorrichtung aus einem thermoplastischen Material oder einem duroplastischen Polymermaterial bestehen.
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Das Gehäuse der Zentrifugalgebläseanordnung ist auch ein spritzgegossenes Kunststoffteil. Das Lüfterrad, die Leitschaufelvorrichtung und das Gehäuse können jedoch ein Metallmaterial oder einen Verbundwerkstoff aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die oben erwähnten und andere Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden offensichtlicher werden und die Offenbarung selbst wird in Bezug auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Offenbarung besser verständlich werden, welche in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen genommen wurde, in welchen:
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1 eine Perspektivansicht einer Zentrifugalgebläseanordnung für ein Kraftfahrzeug nach der vorliegenden Erfindung ist;
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2 verschiedene Ansichten der Zentrifugalgebläseanordnung veranschaulicht;
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3 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform der Zentrifugalgebläseanordnung nach der Erfindung veranschaulicht;
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4 eine Perspektivansicht einer Leitschaufel ist;
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5 eine Perspektivansicht einer Leitschaufel ist, welche eine Einstellvorrichtung aufweist;
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6 eine schematische Darstellung eines HLK-Systems nach der Erfindung ist.
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Die folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Art und soll die vorliegende Offenbarung, Anmeldung oder die Verwendungen derselben nicht beschränken. Es sollte klar sein, dass überall in den Zeichnungen identische Bezugsnummern die gleichen oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist eine Perspektivansicht einer Zentrifugalgebläseanordnung 1 für ein Kraftfahrzeug nach der vorliegenden Erfindung. Die Zentrifugalgebläseanordnung 1 weist ein Gehäuse 4 und ein Lüfterrad 2 mit einer ersten Anzahl an Gebläseflügeln 7 auf. Das Lüfterrad 2 ist innerhalb des Gehäuses 4 drehbar montiert und kann durch einen Elektroantrieb, einen Direktantrieb, einen Riemenantrieb, eine Magnetkupplung oder Hydraulikkupplung (nicht gezeigt) angetrieben werden.
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Die Gebläseflügel 7 des Lüfterrads 2 sind in Bezug auf die Drehachse 5 des Lüfterrads 2 axial orientiert. Die Gebläseflügel 7 des Lüfterrads können beispielsweise nach vorne gekrümmte Gebläseflügel, nach hinten gekrümmte Gebläseflügel oder gerade, radiale Gebläseflügel sein. Die Gebläseflügel 7 sind zum Erzeugen einer Luftströmung konstruiert, welche axial in das Lüfterrad 2 und radial aus dem Lüfterrad 2 strömt.
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Zudem weist die Zentrifugalgebläseanordnung 1 eine Leitschaufelvorrichtung 3 mit einer zweiten Anzahl an Leitschaufeln 8 auf. Die Leitschaufeln 8 der Leitschaufelvorrichtung 3 sind im Allgemeinen in einem Winkel zur Drehachse 5 des Lüfterrads 2 orientiert und können beispielsweise senkrecht zur Drehachse 5 des Lüfterrads 2 orientiert sein. Die Leitschaufelvorrichtung 3 ist mit dem Lüfterrad 2 gekoppelt. Bei Betrieb dreht sich die Leitschaufelvorrichtung 3 mit dem Lüfterrad 2. Die Leitschaufelvorrichtung 3 ist zum Leiten der Luftströmung in das Lüfterrad 2 vorgesehen und die Drehgeschwindigkeit der Luftströmung nimmt graduell zu während dieselbe den geraden Abschnitt der Leitschaufeln 8 hinunterströmt. Die Leitschaufelvorrichtung 3 beschleunigt graduell die eintretende, sich nicht drehende Luftströmung auf die Drehzahl des Lüfterrads 2. Die Leitschaufeln 8 können eine gekrümmte Vorderkante 9 und einen geraden Abschnitt aufweisen, welcher sich zum Boden des Lüfterrads 2 erstreckt.
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2 veranschaulicht verschiedene Ansichten der Zentrifugalgebläseanordnung. Die Ansichten oben links und oben rechts sind perspektivische Querschnittsansichten des Lüfterrads 2 und der Leitschaufelvorrichtung 3. Die Ansichten unten links und unten rechts sind perspektivische Draufsichten des Lüfterrads 2 und der Leitschaufelvorrichtung 3, welche von der Ober- und Unterseite des Lüfterrads 2 genommen wurden. In dieser Ausführungsform sind das Lüfterrad und die Leitschaufelvorrichtung als ein Teil geformt.
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3 veranschaulicht verschiedene Ansichten einer Ausführungsform der Zentrifugalgebläseanordnung nach der Erfindung. Links ist eine Perspektivansicht des Lüfterrads 2 und der Leitschaufelvorrichtung 3. Rechts oben ist eine perspektivische Querschnittsansicht des Lüfterrads. Die Ansicht rechts unten ist eine Draufsicht des Lüfterrads, welche von der Oberseite genommen wurde. In dieser Ausführungsform ist die Anzahl an Leitschaufeln 8 gleich der halben Anzahl an Gebläseflügeln 7 des Lüfterrads. Die geraden Abschnitte der Leitschaufeln 8 erstrecken sich ganz bis zur Unterseite des Lüfterrads 2. Die geraden Abschnitte der Leitschaufeln gewährleisten, dass die Luftströmung, nachdem dieselbe in das Lüfterrad 2 gelangt, der Rotation des Lüfterrads 2 vollständig folgt.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Leitschaufeln in zwei Teile unterteilt, wobei einer der Abschnitt der gekrümmten Vorderkante ist, welcher sich über dem Lüfterrad 2 als unabhängiger Teil befindet, und die geraden Abschnitte der Leitschaufeln 8 in das Lüfterrad 2 selbst eingebaut sind.
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4 ist eine Perspektivansicht einer Leitschaufel 8. Die Leitschaufel 8 weist einen geraden Abschnitt 11 und einen Abschnitt 9 einer gekrümmten Vorderkante auf. Der Winkel zwischen dem geraden Abschnitt 11 und dem Abschnitt der gekrümmten Vorderkante wird auf eine Weise eingestellt, dass die eintretende Luftströmung in Tangentialrichtung (mit einem Anströmwinkel von 0 Grad) in die Leitschaufel 8 geht. In unterschiedlichen Abständen von der Gebläseachse wird dieser Winkel durch die lokale, axiale Arcustangens-Luftströmungsgeschwindigkeit (welche durch das Dividieren der Strömungsrate durch die Querschnittsfläche am Lüftereinlass berechnet wird) geteilt durch die lokale Rotationsgeschwindigkeit (maximale Gebläsegeschwindigkeit mal 2π mal Abstand von der Gebläseachse) bestimmt. Die gekrümmte Vorderkante 9, welche in dieser Ausführungsform gezeigt wird, weist einen Kreisbogen auf. Andere Bogenformen, wie beispielsweise ein Parabelbogen oder ein Hyperbelbogen, werden nach der vorliegenden Erfindung auch in Erwägung gezogen. Der Bogen wird zum graduellen Drehen der eintretenden Luftströmung zur Achsenrichtung des Lüfterrads verwendet. Der Radius r des Bogens sollte ausreichend groß sein, um ein sanftes Drehen der Strömung ohne Trennen zu gewährleisten. Der Radius r des Bogens sollte in Abhängigkeit von der Ausgestaltung so groß wie möglich sein und kann beispielsweise vom Zwanzigstel bis zur Hälfte der Gesamtlänge einer Leitschaufel 8 variieren. Der Radius r ist in 4 beispielsweise auf ein Viertel der Länge der Leitschaufel 8 eingestellt.
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5 ist eine Perspektivansicht einer Leitschaufel 8, welche eine Einstellvorrichtung 12 aufweist. Die Leitschaufel 8 weist einen geraden Abschnitt 11 und einen Abschnitt 9 einer gekrümmten Vorderkante auf. Zwischen dem geraden Abschnitt 11 und dem Abschnitt 9 der gekrümmten Vorderkante ist eine Einstellvorrichtung 12 angeordnet. Die Einstellvorrichtung 12 kann beispielsweise ein elektromechanischer Servomechanismus sein. Natürlich kann die Einstellvorrichtung 11 auch ein Piezoaktor, Hydrauliaktor oder Pneumatikaktor sein. Mit der Einstellvorrichtung 12 ist es möglich den Winkel a zwischen dem geraden Abschnitt 11 und dem Abschnitt 9 der gekrümmten Vorderkante der Leitschaufel 8 während des Betriebs der Zentrifugalgebläseanordnung einzustellen. Dadurch ist es möglich die Leistung der Zentrifugalgebläseanordnung bei unterschiedlichen Drehzahlen der Leitschaufelvorrichtung 3 und des Lüfterrads 2 zu optimieren.
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6 ist eine schematische Darstellung eines HLK-Systems 18 (Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystems) nach der Erfindung. Das HLK-System 18 wird in einem Kraftfahrzeug verwendet. Das HLK-System weist einen Verdampfer 12, ein Expansionsventil 13, einen Kompressor 14, einen Kondensator 15, ein Gebläse 16 und eine Zentrifugalgebläseanordnung 1 nach der Erfindung auf. Die Zentrifugalgebläseanordnung 1 versorgt den Verdampfer 12 mit einer Luftströmung. Die Zentrifugalgebläseanordnung 1 kann jedoch auch zum Versorgen des Kondensators 15 mit einer Luftströmung verwendet werden.
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Zwar wurde die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen derselben veranschaulicht und zwar wurden die Ausführungsformen höchst detailliert beschrieben, aber dieselben sollen den Bereich der beiliegenden Ansprüche nicht auf solche Details einschränken oder keineswegs beschränken. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden sich jemandem mit technischen Fähigkeiten ohne Weiteres zeigen. Die Erfindung ist in den umfassenderen Aspekten derselben daher nicht auf die spezifischen Details, die repräsentative Vorrichtung und das repräsentative Verfahren sowie die veranschaulichenden Beispiele, welche gezeigt und beschrieben sind, beschränkt. Daher können Abweichungen von solchen Details vorgenommen werden ohne vom Bereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5951249 A1 [0007]
- US 5951245 [0008]
