DE102014102311A1

DE102014102311A1 - Lüfter mit einem mit Laufschaufeln versehenen Laufrad

Info

Publication number: DE102014102311A1
Application number: DE102014102311.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Ragg; Michael Stadler
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-27
Also published as: WO2015124487A3; WO2015124487A2; US20160265556A1; DE112015000897A5; US10605269B2; CN106030119A

Abstract

Ein Lüfter hat ein Laufrad (120), das mit Laufschaufeln (26, 28, 30, 32, 34; 126) versehen ist. Die Laufschaufeln sind so gestaltet, dass im Betrieb die Belastung einzelner Laufschaufeln differiert. Durch diese variable Schaufelbelastung können die mit dem Drehton (BPF) des Lüfters assoziierten Frequenzen auf ein breiteres Frequenzspektrum verteilt werden und wirken dadurch weniger störend.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter mit einem mit Laufschaufeln versehenen Laufrad. Die Laufschaufeln werden alternativ u.a. auch als Flügel, Lüfterflügel oder Schaufeln bezeichnet.
Das Problem des Drehtons
Es sei angenommen, dass das Laufrad eines Lüfters eine Anzahl von z Schaufeln hat, die mit gleichem Abstand („äquidistant“) in Umfangsrichtung angeordnet sind, und dass das Laufrad mit der Drehzahl n rotiert (n gemessen in U/s bzw. s^–1).
Dann ergibt sich eine Druckfluktuation, die von einem ruhenden Beobachter mit der Frequenz BPF = z·n (1). wahrgenommen wird. Sie wird als Drehton oder Blade-Passing-Frequency (BPF) bezeichnet.
Dieser Drehton wirkt sich ungünstig auf die akustische Qualität eines Lüfters aus, weil er

• ein singuläres energiereiches Maximum im Schallleistungsspektrum repräsentiert, und
• weil er sich meistens in einem Frequenzbereich befindet, für den das menschliche Gehör besonders sensibel ist.

Die akustische Qualität von Lüftern spielt besonders im Bereich von Arbeitsplätzen, oder z. B. für eine dezentrale Klimaanlage, eine wichtige Rolle. Ihrer Optimierung – und damit der Reduzierung des Drehtons – kommt daher eine wichtige Bedeutung zu.
Variable Winkelteilung
Eine weithin etablierte Methode zur Reduktion des Drehtons ist die variable Winkelteilung zwischen den Laufschaufeln. Dadurch wird der Drehton auf mehrere leicht voneinander abweichende Frequenzen verteilt. Dies kann psychoakustische Vorteile haben, weil sich die abgestrahlte Schallenergie nicht mehr auf eine einzige Frequenz konzentriert, und kann deshalb auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Lüfter bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lüfter mit einem Laufrad, das mit einer Mehrzahl von profilierten Laufschaufeln versehen ist und sich im Betrieb um eine Drehachse dreht, und mit einem das Laufrad auf seiner Außenseite mit Abstand umgebenden Lüftergehäuse, wobei die Laufschaufeln so ausgebildet sind, dass im Betrieb die Schaufelbelastung der einzelnen Laufschaufeln differiert.
Durch variable Auslegung der Schaufelbelastung der einzelnen Laufschaufeln eines Lüfters ist auch jede Laufschaufel unterschiedlichen Strömungsverhältnissen ausgesetzt. Dadurch erhält man eine Anzahl z von unterschiedlich gestalteten Druckfluktuationen, die synchron mit der Drehfrequenz n rotieren.
Im Gegensatz zu einem herkömmlich aufgebauten Laufrad bedeutet dies Folgendes:
Man erhält nun z Druckfluktuationen von unterschiedlicher Amplitude. Die einzelnen Druckfluktuationen rotieren mit der Frequenz n.
Dies bewirkt eine Reduktion der Frequenz des Drehtons um den Faktor 1/z. Damit wird der Drehton vorteilhaft meist in einen Frequenzbereich verlagert, in welchem das menschliche Gehör weniger sensibel ist. Dieser Aspekt findet auch durch die A-Bewertung der Schallleistung eine Berücksichtigung in der Praxis, z.B. „80 dB(A)“.
Zur effizienten Reduzierung des Drehtons hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Belastung der Schaufeln etwa sinusförmig in Umfangsrichtung zu verteilen.
Durch variable Schaufelbelastung können die mit dem Drehton assoziierten Frequenzen auf ein breiteres Spektrum verteilt werden als durch die oben erwähnte variable Winkelteilung.
Die Schaufelbelastung beschreibt, wie viel Energie durch den Lüfter von der betreffenden Schaufel auf das geförderte Medium, also z. B. Luft, übertragen wird. Ein geometrisches
Maß für die Schaufelbelastung ist die Krümmung einer Schaufel, d. h. eine große Schaufelbelastung entspricht einer großen Krümmung der Schaufel.
Eine genaue Vermessung der Krümmung einer Schaufel kann z. B. mit einem digitalen Koordinatenmessgerät erfolgen. Dieses Verfahren ist jedoch für eine schnelle Überprüfung ungeeignet. Ein einfaches Verfahren zur Messung der Krümmung stellt sich folgendermaßen dar. Sofern alle Schaufeln im meridianen Schnitt gleichartig erscheinen und gleiche Eintrittswinkel aufweisen, was beides als aerodynamisch vorteilhaft angesehen werden kann, kann ein Maß für die Krümmung entweder durch

• Messung der Flügelsehne, oder durch
• Messung der Umfangserstreckung des betreffenden Flügels ermittelt werden.

Hier geht es also darum, dass die Belastung pro Schaufel variieren soll. Dies ist daran erkennbar, dass zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

• Die Differenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung zweier Laufschaufeln (gemessen im Gradmaß [°], wobei eine Umdrehung 360° entspricht) beträgt mindestens 0,0010·D (wobei D der Laufraddurchmesser ist), bevorzugt mindestens 0,0020·D und besonders bevorzugt mindestens 0,0030·D, oder
• die Differenz zwischen größter und kleinster Sehnenlänge zweier Flügel (gemessen am radial äußeren Rand der Flügel) beträgt mindestens 0,0010·D, bevorzugt mindestens 0,0020·D und besonders bevorzugt mindestens 0,0030·D, wobei ebenfalls D der Laufraddurchmesser, gemessen in mm, ist.

Dies bedeutet also, dass jede (oder fast jede) Laufschaufel innerhalb eines Lüfters für einen leicht variierten Designpunkt ausgelegt wird. In Verbindung mit dem Leitapparat gibt es dadurch Schaufeln, die eher Volumenstrom liefern und andere Schaufeln, die eher Druck aufbauen. Damit reduziert sich der Drehton auf 1/z der Drehfrequenz (z = Anzahl der Laufschaufeln), und man erhält eine Reduktion der Gesamtschallleistung um ca. 2 dB(A).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt:

• Die Differenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung zweier Laufschaufeln (gemessen im Gradmaß [°], wobei eine Umdrehung 360° entspricht) beträgt höchstens 0,0700·D (wobei D der Laufraddurchmesser in mm ist), oder
• die Differenz zwischen größter und kleinster Sehnenlänge zweier Flügel (gemessen am radial äußeren Rand der Flügel) beträgt höchstens 0,0700·D, wobei ebenfalls D der Laufraddurchmesser, gemessen in mm, ist.

Die Erfindung wird auch gelöst durch einen Lüfter nach Art eines Axial- oder Diagonalventilators mit einem Laufrad, das mit einer Mehrzahl von profilierten Laufschaufeln versehen ist, und dem eine Drehachse zugeordnet ist, um die es sich im Betrieb dreht, um ein gasförmiges Medium, insbesondere Luft, von einer Saugseite zu eine Druckseite zu fördern, und mit einem das Laufrad auf seiner Außenseite mit Abstand umgebenden Lüftergehäuse, wobei am Kopf der Laufschaufeln Luftleitelemente vorgesehen sind, welche auf der Zuströmseite der betreffenden Laufschaufel einen in Richtung zur Saugseite verlaufenden ersten Bereich und auf der Abströmseite der betreffenden Laufschaufel einen in Richtung zur Druckseite verlaufenden zweiten Bereich, sowie zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich einen Übergangsbereich bilden, welche Bereiche jeweils durch einen Kopfspalt vom Lüftergehäuse getrennt sind.
Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Laufschaufeln durch die Luftleitelemente auf der Zuströmseite zur Saugseite hin gebogen, und auf der Abströmseite zur Druckseite hin gebogen.
Bevorzugt verläuft der in Richtung zur Saugseite verlaufende erste Bereich der Laufschaufel sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Laufschaufel in Richtung zur Saugseite. Die Laufschaufel ist dort also insgesamt zur Saugseite hin gebogen.
Bevorzugt verläuft der in Richtung zur Druckseite verlaufende zweite Bereich der Laufschaufel sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Laufschaufel in Richtung zur Saugseite. Die Laufschaufel ist dort also insgesamt zur Druckseite hin gebogen.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Laufrads für einen Axialventilator, gesehen in Richtung des Pfeiles I der 2,
2 das Laufrad der 1 in raumbildlicher Darstellung,
3 einen Schnitt durch drei Laufschaufeln (Lüfterflügel) mit unterschiedlicher Sehnenlänge,
4 eine Darstellung der Schaufelbelastung bei dem Laufrad der 2, das fünf Schaufeln 26, 28, 30, 32, 34 hat,
5 eine raumbildliche Darstellungen von Laufschaufeln, die mit sehr vorteilhaften Leitelementen versehen sind,
6 eine weitere raumbildliche Darstellung der Laufschaufeln von 5,
7 eine Laufschaufel als separates Bauteil zur Befestigung an einem Grundkörper, wie das in 9 beispielhaft dargestellt ist,
8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIII-VIII der 7,
9 eine Explosionsdarstellung eines Lüfters mit Elementen eines Lauf- bzw. Lüfterrades, das speziell für Geräuschminderung ausgelegt ist,
10 eine raumbildliche Darstellung einer zweiten Form des Axialventilators, gesehen von der Lufteinlassseite, also von der Saugseite 44,
11 eine auseinander gezogene Darstellung des Axialventilators der 10,
12 eine schematische Darstellung einer Laufschaufel 58 des Ventilators (Lüfters) der 10 und 11, und zugehörige achsnormale Schnitte A-A bis G-G, welche die Form dieser Laufschaufel anschaulich machen,
13 eine Darstellung des Laufrads 20 des Lüfters 22 der 10 bis 12, wobei die Schnittebenen C und F der 12 zum besseren Verständnis schematisch angedeutet sind: es handelt sich, wie dargestellt, um achsnormale Schnitte, also Schnitte, die senkrecht zur Drehachse des Laufrads 20 verlaufen,
14 eine schematische Darstellung des Kopfspaltwirbels 70 bei einem Lüfter nach dem Stand der Technik,
15 eine schematische Darstellung des reduzierten Kopfspaltwirbels 70’ bei der verbesserten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Anmeldung,
16 eine raumbildliche Darstellung des Laufrads der 10 bis 13, wobei dieselbe Laufschaufel zerschnitten dargestellt ist; dabei ist zu beachten, dass der Schnitt nur aus didaktischen Gründen eingezeichnet ist, und dass die Flügel in der Realität meistens einstückig ausgebildet sind,
17 eine raumbildliche Darstellung des Laufrads der 16 in zusammengesetzter Darstellung,
18 eine Darstellung analog 16,
19 eine Darstellung analog 18, wobei aber im Gegensatz zu 18 das Laufrad von der Druckseite gesehen dargestellt ist, und
20 eine Darstellung des Flügels von 12, jedoch mit Schnitten, welche annähernd senkrecht zur Flügeloberfläche verlaufen.
1 zeigt ein Laufrad 20 eines Lüfters 22, dessen Teile in 9 nur teilweise und in einer Weise dargestellt ist, die dem Fachmann das Verständnis erleichtert. Einige der in 9 dargestellten Einzelheiten sind in den übrigen Figuren nicht nochmals dargestellt. Dargestellt ist ein Axiallüfter 22, es ist aber auch eine Ausführung als Diagonallüfter möglich. Das Laufrad 20 dreht sich im Betrieb um eine Drehachse 11.
Das Laufrad 20 der 1, das auch als Rotor bezeichnet wird, hat fünf Flügel (Schaufeln) 26, 28, 30, 32 und 34, die sich geringfügig voneinander unterscheiden, um eine variable Schaufelbelastung der verschiedenen Flügel zu erreichen. Das bedeutet, dass jede Schaufel eines Lüfters 22 (9) für einen leicht variierten Designpunkt ausgelegt ist. Dadurch gibt es Schaufeln, die mehr Volumenstrom liefern, und es gibt andere Schaufeln, die mehr Druck aufbauen. Das Laufrad 20 hat auch eine Nabe 23 und dreht sich im Betrieb in Richtung eines Pfeiles 24, hier also im Uhrzeigersinn.
Die Flügel haben leicht unterschiedliche Winkelerstreckungen φ26 bis φ34 in Umfangsrichtung, gemessen an ihren radial äußeren Bereichen. Die kleinste Erstreckung φ26 hat der Flügel 26. Die nächst größere Erstreckung φ28 hat der Flügel 28. Die nächst größere Erstreckung φ34 hat der Flügel 34. Es folgt der Flügel 30 mit einer Erstreckung φ30, und dann der Flügel 32 mit einer Erstreckung φ32.
Zum besseren Verständnis werden beispielhafte Zahlenwerte angegeben. Diese gelten für ein Lüfterrad 20 mit äquidistant angeordneten Flügeln: φ26 = 46,05 ° φ28 = 46,13 ° φ30 = 46,27 ° φ32 = 46,41 ° φ34 = 46,19 °.
Es handelt sich also um kleine Unterschiede der Flügelgrößen, die aber kombiniert den Effekt haben, die Amplitude der BPF um 2 dB(A) zu reduzieren. Durch variable Gestaltung der Schaufelbelastung jeder einzelnen Laufschaufel eines Ventilators ist nämlich jede Laufschaufel unterschiedlichen Strömungsverhältnissen ausgesetzt. Dies bewirkt eine Anzahl unterschiedlich gestalteter Druckfluktuationen, die synchron miteinander und mit einer Frequenz n rotieren.
Unterstellt man, dass der Lüfter 22 eine Zahl von z Flügeln hat, so bewirkt die Drehung des Lüfterrads 20 eine Anzahl z unterschiedlich gestalteter Druckfluktuationen, die synchron mit der Drehfrequenz des Rotors rotieren. Im Gegensatz zu einem herkömmlich aufgebauten Rotor bedeutet dies folgendes:

• Es erscheinen nun z Druckfluktuationen von unterschiedlicher Amplitude.
• Die einzelnen Druckfluktuationen rotieren mit der Frequenz n, also mit der Drehzahl des Rotors 20 (gemessen in Umdrehungen pro Sekunde).

Dies bewirkt eine Reduktion der Frequenz des Drehtons BPF um den Faktor 1/z. Damit wird der Drehton vorteilhaft meistens in einen Frequenzbereich verlagert, in dem das menschliche Ohr weniger sensibel ist. (Dieser Aspekt findet auch durch die A-Bewertung der Schallleistung Berücksichtigung.)
4 zeigt die Schaufelbelastung 40 an der Nabe 23 und die Schaufelbelastung 42 am Mantelring, aufgetragen über die einzelnen Flügel 30, 32, 34, 26 und 28. Unter dem Mantelring wird der äußere Bereich der Flügel verstanden, in dem die Umfangsgeschwindigkeit und somit auch die Belastung höher ist als an der Nabe. Zur effizienten Reduktion des Drehtons hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Schaufelbelastung pro Flügel sinusförmig in Umfangsrichtung zu verteilen, wie das in 4 für einen Lüfter mit fünf Flügeln dargestellt ist.
Durch die variable Schaufelbelastung können die mit dem Drehton assoziierten Frequenzen auf ein breiteres Spektrum verteilt werden, als dies durch eine variable Winkelteilung der Flügel möglich wäre, bei welcher die Abstände zwischen den Flügeln variiert werden.
Aus 4 wird ersichtlich, dass die maximale Schaufelbelastung an der Schaufel 32 auftritt, und die minimale Belastung an der Schaufel 28.
Einfache Messung der Schaufelbelastung
Die Schaufelbelastung beschreibt, wie viel Energie durch den Lüfter 22 von einer Schaufel auf das geförderte Medium übertragen wird. Ein geometrisches Maß für die Schaufelbelastung ist die Krümmung der betreffenden Schaufel, d. h. eine große Krümmung entspricht einer großen Schaufelbelastung. Eine genaue Vermessung der Krümmung einer Schaufel ist nur mit einem digitalen Koordinatenmessgerät möglich. Für eine schnelle Überprüfung ist dieses Verfahren jedoch ungeeignet.
Ein einfaches Verfahren zur Messung der Krümmung stellt sich folgendermaßen dar: Sofern, wie in 3 dargestellt, alle Flügel im Meridian-Schnitt gleichartig erscheinen und gleiche Eintrittswinkel δ aufweisen, was beides aerodynamisch vorteilhaft ist, kann ein Maß für die Krümmung entweder durch Messung der Flügelsehne (46 in 2) oder durch Messung der Umfangserstreckung der Flügel erfolgen, wie in 1 dargestellt.
2 zeigt die Sehne 46 des Flügels 30. Ihre Länge ist leicht zu messen. 3 zeigt Meridian-Schnitte durch drei Flügel 26, 28, 34 und die Sehnen 27, 29, 35 dieser drei Flügel. Die Sehne 35 des Flügels 34 ist am größten und führt zu einer höheren Schaufelbelastung. Der Eintrittswinkel δ der Luft in einen Flügel ist für alle drei Flügel 26, 28, 34 etwa gleich groß.
Es wird also eine je Schaufel variierende Belastung angestrebt, und diese ist daran erkennbar, dass zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

• Die Differenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung der Flügel, gemessen im Gradmaß, beträgt mindestens 0,0010·D, bevorzugt mindestens 0,0020·D, und besonders bevorzugt mindestens 0,0030·D, wobei D der Durchmesser des Laufrads in mm ist, wie in 1 angegeben, oder
• die Differenz zwischen größter und kleinster Sehnenlänge zweier Flügel, gemessen am äußeren Rand der Flügel, beträgt mindestens 0,0010·D, bevorzugt mindestens 0,0020·D, und besonders bevorzugt mindestens 0,0030·D.

Im vorliegenden Fall ist D = 150 mm, und damit ist 0,0010·D/[mm] = 0,1500. Die Differenz zwischen größter Umfangserstreckung φ32 und kleinster Umfangserstreckung φ26 der Flügel beträgt φ32 – φ26 = 46,41 ° – 46,05 ° = 0,36
Dies ist größer als 0,0020·D = 0,3000.
In Experimenten hat es sich gezeigt, dass mit einer Differenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung bzw. Sehnenlänge von mindestens 0,0010·D bereits eine deutliche Reduzierung des Drehtons erzielbar ist, bei einer Differenz von 0,0020·D eine weitere Reduzierung des Drehtons auftritt und bei einer Differenz von 0,0030·D (insbesondere in Bezug auf die Betrachtung der Sehnenlänge) eine noch größere Reduzierung des Drehtons auftreten kann, wobei dies abhängig vom Auslegungspunkt für den Lüfter ist.
Eine zu große Differenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung bzw. Sehnenlänge kann dagegen einen negativen Effekt bewirken. Es wird vermutet, dass es dabei zu einer Behinderung der Aerodynamik zwischen den benachbarten Laufschaufeln kommt, insbesondere dann, wenn eine Laufschaufel, die starken Druck aufbaut, neben einer Laufschaufel, die einen hohen Volumenstrom erzeugt, angeordnet ist. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Laufschaufeln derart anzuordnen, dass eine wellenförmige Schaufelbelastung entsteht, vgl. 4.
Als Obergrenze für die Differenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung bzw. Sehnenlänge hat sich ein entsprechender Wert von 0,0700·D als vorteilhaft erwiesen, wobei die genaue Obergrenze abhängig vom Auslegungspunkt des Lüfters ist.
Optionale Verwendung von Zähnen an der Austrittskante
Wie 1 zeigt, sind bevorzugt an den Austrittskanten nach Art einer Säge verlaufende Zahnreihen vorgesehen. Diese bewirken ebenfalls eine Reduzierung der Schallleistung, da durch diese Zähne verhindert wird, dass die Strömungen von beiden Seiten eines Flügels hart aufeinander prallen. An der Austrittskante eines Flügels treffen nämlich die Luftströme von der Druckseite und von der Saugseite des Flügels aufeinander und können Wirbel und Geräusche erzeugen, wenn sie gegen die Stege des Lüfters stoßen. Durch die Zahnung werden diese Wirbel reduziert.
5 und 6 zeigen die Verwendung eines bevorzugten Luftleitelements (Strömungselements) 60, welches an der radial äußeren Flügelkante des Flügels 26 und der anderen Flügel angebracht ist, und das dem Druckaufbau an der Außenkante des Flügels angepasst ist.
Das bevorzugte Luftleitelement 60 wird unten näher beschrieben.
Gesamtaufbau des Lüfters
7 bis 9 zeigen einen bevorzugten Aufbau des Lüfters 22 mit (beispielhaftem) Antrieb durch einen Außenläufermotor 102.
Auf einer Leiterplatte 104 (dort befinden sich elektronische Bauelemente des Motors 102) ist der Innenstator 106 des Motors 102 angeordnet. Dieser hat in seinem zentralen Bereich ein Lagerrohr 108, in welchem zwei Kugellager 110, 112 angeordnet sind, die zur Lagerung der (in der gewählten Perspektive nicht sichtbaren) Welle eines Außenrotors 114 dienen, der sich im Betrieb um den Innenstator 106 dreht.
Der beispielhafte Außenrotor 114 hat einen topfförmigen ferromagnetischen Rückschluss 116, in dessen Rand 118 ein radial magnetisierter Dauermagnet 120 befestigt ist. Mit 122 ist eine Stelle bezeichnet, an der die (nicht dargestellte) Welle des Rotors auf der Innenseite des Rotortopfs 116 befestigt ist.
Auf dem Rotortopf 116 ist die Nabe 120 des Lüfterrads 22 befestigt. Die Nabe 120 hat auf ihrer Außenseite schräg verlaufende Kanäle 124 mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt. Analog haben die (nur schematisch dargestellten) Flügel 26 eine Bodenplatte 128, die in einen zugeordneten Kanal passt und bei der Montage in diesem befestigt wird.
Dies ermöglicht es, am Umfang der Nabe 120 Flügel 26 unterschiedlichen Typs zu befestigen, z. B. gemäß 1 Flügel 26 bis 36 mit unterschiedlicher Größe, um eine variable Belastung der einzelnen Schaufeln 26 bis 34 zu erreichen und dadurch den Drehton zu reduzieren.
Naturgemäß ist es auch möglich, die Nabe 120 und die ihr zugeordneten Flügel z.B. als einheitliches Spritzgussteil herzustellen, doch hat die Verwendung von einzelnen Flügeln mit variierenden Eigenschaften den Vorteil, dass diese Flügel besonders präzise hergestellt und ggf. auch nachgearbeitet werden können, während bei einem einheitlichen Bauteil durch kleine Unterschiede bei der Fertigung (Lunker im Kunststoff, unterschiedliche Materialstärken durch Schrumpfung etc.) die gewünschte Präzision leiden kann, so dass es schwieriger wird, die gewünschten verbesserten Eigenschaften eines solchen Lüfters zum in die Praxis umzusetzen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei 9 nur drei der fünf Laufschaufeln 26 dargestellt sind.
Verwendung speziell ausgebildeter Luftleitelemente am Rand der Flügel
10 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Lüfters (Axiallüfters) 22, und 11 zeigt Teile eines solchen Lüfters in einer schematischen Explosionsdarstellung, um das Verständnis zu erleichtern. Die Ausführungsform gemäß 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform von 1 insbesondere durch eine unterschiedliche Anzahl an Laufschaufeln. Der Lüfter 22 aus 10 hat neun Laufschaufeln 58, und der Lüfter 22 aus 1 hat fünf Laufschaufeln 26, 28, 30, 32, 34.
Der Lüfter 22 hat ein Gehäuse 42, in welchem ein Laufrad 20 angeordnet ist, das auch als Lüfterrotor bezeichnet wird. Das Gehäuse 42 hat bevorzugt auf seiner Innenseite eine Venturiform. Seine Saugseite ist mit 44, seine Druckseite mit 45 bezeichnet. Unten am Gehäuse 42 befindet sich eine elektrische Anschlussleitung 51.
Das Laufrad 20 hat eine Nabe 48, an der bei diesem Beispiel neun überlappende Laufschaufeln 58 angeordnet sind. Diese können unterschiedliche Winkelabstände und unterschiedliche Krümmungen haben, wie das oben beschrieben wurde. An ihrer äußeren Peripherie haben diese Flügel 58 spezielle Luftleitelemente 60 mit einer besonderen Form, die bei den nachfolgenden Figuren näher beschrieben wird. Die Luftleitelemente 60 können auf Grund ihrer Form auch als Überschwung-Strömungselemente bezeichnet werden. Die Luftleitelemente 60 reduzieren die Geräusche, die vom Lüfter 22 im Betrieb erzeugt werden und erhöhen auch den vom Lüfter 22 erzeugten Druck. Die Innenwand des Luftkanals 50 wird gebildet von der etwa zylindrischen Außenseite 47 der Nabe 48 (11), und seine Außenwand wird gebildet von der Innenwand 49 des Gehäuses 42.
An der Außenseite 47 der Nabe 48 sind die Laufschaufeln 58 befestigt. Diese drehen sich in Richtung eines Pfeiles 24, also im Uhrzeigersinn. Die Strömungsrichtung der Luft ist durch einen Pfeil 63 angedeutet, geht also in 10 von oben nach unten, nämlich von der Saugseite 44 zur Druckseite 45.
12 zeigt oben die Nabe 48 des Lüfters 22 und einen an ihr vorgesehenen Laufschaufeln 58 mit Schnittlinien A-A bis G-G, und unten sind die entsprechenden achsnormalen Schnitte A-A bis G-G durch den Flügel 58 dargestellt. Achsnormale Schnitte sind Schnitte, die senkrecht zur Drehachse des Rotors verlaufen.
Die Flügel 58 sind an ihrer Peripherie jeweils als Luftleitelement 60 ausgebildet bzw. weisen ein solches auf. Die Nabe 48 dreht sich im Betrieb in Richtung des Pfeiles 24, und deshalb ist die vordere Flügelkante die Lufteintrittskante 68, und die hintere Flügelkante ist die Luftaustrittskante 72.
Im Bereich der Eintrittskante 68 ist das Luftleitelement 60 unter einem Winkel α (alpha) zur Saugseite 44 hin gebogen, vgl. den Schnitt A-A. Diese Biegung zur Saugseite 44 hin ist auch an den Schnitten B-B und C-C klar zu erkennen.
In dem bezogen auf den Umfang mittleren Abschnitt des Flügels 58, also im Bereich der Schnitte D-D und E-E, folgt das Luftleitelement 66 im Wesentlichen der Form des Flügels 58, wirkt also wie eine Fortsetzung des Flügels 58 nach außen, wie sich aus den Schnitten D-D und E-E anschaulich ergibt.
Im Bereich der Austrittskante 72, also bei den Schnitten F-F und G-G, ist das Luftleitelement 60 unter einem Winkel β (beta) in Richtung zur Druckseite 45 gebogen. Der Querschnitt des Flügels 58 sieht also am Einlass 58 anders aus als am Auslass 72.
Der Winkel alpha liegt bevorzugt im Bereich zwischen 105° und 130°, weiter bevorzugt im Bereich zwischen 115° und 125°, besonders bevorzugt beträgt er 120°. Der Winkel beta liegt bevorzugt im Bereich zwischen 65° und 95°, weiter bevorzugt im Bereich zwischen 70° und 90°, und besonders bevorzugt beträgt er 80°. Die Winkelangaben sind im Gradmaß angegeben.
Anders ausgedrückt unterscheidet sich der Krümmungsradius des Luftleitelements 60 an der Eintrittskante 68 stark vom Krümmungsradius an der Austrittskante 72.
Es hat sich dabei als positiv für die Leistung und in Bezug auf Geräusche herausgestellt, wenn der maximale Winkel alpha größer ist als der maximale Winkel beta.
Das Luftleitelement 60 kann auch als „Konus-Strömungselement“ bezeichnet werden. Dieser Begriff ergibt sich daraus, dass beim Schnitt eines (Doppel-)Kegels entlang verschiedener paralleler Ebenen sich entsprechende Kurven mit unterschiedlichen Radien ergeben.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der Bereich des Luftleitelements 60 etwa die Form eines „Randstreifens“ am äußeren Rand des Flügels 58 hat, wie das 12 zeigt.
13 zeigt raumbildlich den Verlauf dieses Randstreifens. Sein Verlauf kann simuliert werden, indem man aus starkem Papier einen schmalen Streifen schneidet und diesen dann an beiden Längsenden greift und durch gegenseitiges Drehen verdrillt. Das Luftleitelement kann allerdings auch ohne diese Verdrehung bzw. nur auf eine Seite ausgerichtet zum Einsatz kommen.
Zudem zeigt 13 beispielhaft die Schnittebenen C und F zu den Schnitten C-C und F-F.
16 bis 19 zeigen diese Form perspektivisch aus unterschiedlichen Blickwinkeln.
20 zeigt die Laufschaufel 58 und Schnitte A-A bis E-E durch diese, wobei die Schnitte annähernd senkrecht zur Oberfläche der Laufschaufel 58 sind. Die Schnitte werden jeweils von oben betrachtet, wie dies durch die Pfeile an den Schnittlinien angedeutet ist. Dabei sind die rechten bzw. radial äußeren Bereiche der Laufschaufel 58 auch in den Schnitten rechts dargestellt, so dass zu sehen ist, dass in den vorderen Schnitten A-A, B-B und C-C das Luftleitelement 60 zur Saugseite hin gebogen ist, und dass es in den hinteren Schnitten D-D und E-E zur Druckseite hin gebogen ist. Zudem sieht man im Schnitt E-E, dass das Luftleitelement im hinteren Bereich zur Druckseite hin verläuft und zum vorderen Bereich hin zur Saugseite verläuft, dass es also gewunden ausgebildet ist.
Wirkung der Luftleitelemente
14 zeigt ein Lüfterrad 20’ ohne Luftleitelemente 60. Im Betrieb wird in einem Axial- oder Diagonalventilator entlang der Schaufellänge kontinuierlich Druck aufgebaut.
Konventionelle Bauweisen der Luftleitelemente sind hieran nicht angepasst, denn sie weisen einen gleichförmigen Querschnitt der Strömungselemente über die gesamte Schaufellänge auf. Insbesondere war es bisher üblich, den Krümmungsradius der Strömungselemente über den gesamten Verlauf gleich zu wählen. Wie 14 zeigt, nimmt hierdurch die Intensität des Kopfspaltwirbels in Richtung zur Austrittskante zu, d. h. die Schallproduktion nimmt zu, was unerwünscht ist.
15 zeigt das Lüfterrad 20 mit Luftleitelementen 60. Durch den gezeigten Aufbau der Luftleitelemente 60 erreicht man, dass der Druck entlang des Luftleitelements 60 gleichmäßig ansteigt. Dadurch kann der sogenannte Kopfspaltwirbel 70, also der Wirbel, der sich im Spalt 69 (10) zwischen der äußeren Kante 76 eines Flügels 58 (14) und der Innenseite 49 des Gehäuses 42 ergibt, und der in 14 für einen Flügel 58’ ohne Luftleitelement dargestellt ist, reduziert werden. Bei einem Lüfter gemäß 14, dessen Flügel 58’ ohne Luftleitelement dargestellt sind, ergibt sich ein starker Kopfspaltwirbel 70, was eine entsprechende Schallproduktion bewirkt. Außerdem trifft ein stark ausgeprägter Kopfspaltwirbel 70 auch auf den nachfolgenden Flügel und regt auch diesen zu Schwingungen an. Die gezeigten Luftleitelemente 60 sind somit dem Druckaufbau an der Außenkante des zugeordneten Flügels 58 angepasst.
Bei einem praktischen Versuch erhielt man – gegenüber einem gleichgroßen Lüfter ohne Luftleitelemente 60 – bei einem Lüfter 22, dessen Lüfterrad 20 einen Durchmesser von 150 mm hat, einen Druckgewinn von etwa 15 %, d.h. der neue Lüfter erzeugte einen höheren Druck, und man erhielt eine Reduzierung der Schallleistung um etwa 1,5 dB(A), d.h. der Lüfter lief trotz des höheren Drucks ruhiger. Dies sind für die Praxis wertvolle Verbesserungen.
Durch die beschriebene Ausbildung des Luftleitelements 60 ergibt sich also ein kleinerer Kopfspaltwirbel 70’, wie er in 15 schematisch dargestellt ist.
Außerdem beeinflusst eine Veränderung der Krümmung des Luftleitelements 60 die Deformationseigenschaften des Flügels 58 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft, also im Betrieb. Dadurch verformt sich der Flügel 58 im Bereich seiner Austrittskante 72, wo ein hoher Druck herrscht, stärker als im Bereich der Eintrittskante 68. Dadurch erhält man dort eine optimierte Abdichtung hinsichtlich der Umströmung des Flügels 58 durch den Kopfspalt 69, und einen entsprechend höheren Wirkungsgrad.
Anders ausgedrückt können die Luftleitelemente insbesondere folgende Wirkung haben:

• Durch Veränderung der Krümmung des Strömungselements wird die Strömung im Kopfspalt, die in 15 dargestellt ist und als Kopfspaltwirbel bezeichnet wird, vorteilhaft beeinflusst. 14 zeigt den Kopfspaltwirbel ohne Verwendung eines Strömungselements. 15 zeigt den Kopfspaltwirbel 70’ bei der Verwendung des Luftleitelements 60. Ein stark ausgeprägter Kopfspaltwirbel 70 wirkt sich negativ auf die akustischen Eigenschaften des Lüfters aus, denn dieser Wirbel 70 trifft auf die nachfolgende Schaufel und regt diese zu Schwingungen an.
• Die Veränderung der Krümmung des Strömungselements beeinflusst die Verformungseigenschaften der Laufschaufeln 58 unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft. Die Laufschaufel 58 verformt sich dadurch im Bereich der Austrittskante 72, wo ein hoher Druck herrscht, mehr als im Bereich der Eintrittskante. Dies bedeutet eine optimierte Abdichtung gegen eine Umströmung durch den Kopfspalt. Insbesondere bei leistungsstarken Lüftern hat dies einen sehr positiven Effekt.

Beide Effekte haben zu der deutlichen Verbesserung der Leistung und zur Reduzierung der Geräusche geführt.
11 zeigt (zum besseren Verständnis) den Lüfter 22 in Explosionsdarstellung. Der Aufbau entspricht grundlegend dem Aufbau des Ausführungsbeispiel aus 9, und es wird im Folgenden auf die zusätzlich dargestellten Elemente eingegangen. Unten in 11 sieht man das Lüftergehäuse 42, in welchem mittels Speichen 84 ein Tragflansch 86 befestigt ist, in dessen Mitte ein Lagerrohr 108 angebracht ist, das gewöhnlich einstückig mit dem Tragflansch 86 ausgebildet ist. Letzterer hat einen umlaufenden, nach oben ragenden Rand 90.
Oberhalb des Tragflanschs 86 ist die Leiterplatte 104 dargestellt, auf der (nicht dargestellte) elektronische Bauteile des Lüfters 22 angeordnet sein können. Auf der Oberseite der Leiterplatte 104 ist der Innenstator 106 des Außenläufermotors 102 befestigt, der bei diesem Beispiel neun ausgeprägte Pole 98 hat, die mit einer dreiphasigen Wicklung bewickelt sind, deren Spulen mit 100 bezeichnet sind.
Im Rahmen der Erfindung ist die Bauart des Motors 102 von nebensächlicher Bedeutung. Ein Drehstrommotor mit Betrieb an 50 oder 60 Hz wäre in manchen Fällen zu langsam, weshalb ein einphasiger oder dreiphasiger ECM (elektronisch kommutierter Motor) meist die bessere Lösung ist, da bei diesem auch höhere Drehzahlen möglich sind und die Drehzahl einstellbar oder sogar regelbar ist.
Kombination der lufttechnischen Maßnahmen
Es wurden Versuche durchgeführt, bei denen sowohl eine variable Winkelteilung als auch die beschriebenen Luftleitelemente 60 verwendet wurden. Die Kombination hat zu einem besonders leisen und leistungsstarken Lüfter geführt, der in diesen Punkten besser war als die bekannten Lüfter der gleichen Baugröße. Die Verwendung der Zähne an der Luftaustrittskante hat zu einer weiteren Verbesserung geführt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.

Claims

Lüfter, insbesondere Axial- oder Diagonallüfter, mit einem Laufrad (20), das mit einer Mehrzahl von profilierten Laufschaufeln (26, 28, 30, 32, 34; 58) versehen ist und sich im Betrieb um eine Drehachse dreht, und mit einem das Laufrad (120) auf seiner Außenseite mit Abstand umgebenden Lüftergehäuse (42), wobei die Laufschaufeln (26, 28, 30, 32, 34; 58) so ausgebildet sind, dass im Betrieb die Schaufelbelastung der einzelnen Laufschaufeln differiert.
Lüfter nach Anspruch 1, bei welchem die den einzelnen Laufschaufeln zugeordnete Belastung in Umfangsrichtung sinusförmig verteilt ist.
Lüfter nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Winkeldifferenz Δφ zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung zweier Laufschaufeln mindestens 0,0010·D beträgt, bevorzugt mindestens 0,0020·D. besonders bevorzugt mindestens 0,0030·D, wobei gilt D = Durchmesser des Laufrads, gemessen in mm Δφ = Winkeldifferenz zwischen größter und kleinster Umfangserstreckung zweier Laufschaufeln, gemessen im Gradmaß.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Differenz zwischen größter und kleinster Sehnenlänge (27, 29, 35) der Laufschaufeln, jeweils gemessen an deren äußerem Rand, mindestens 0,0010·D beträgt, bevorzugt mindestens 0,0020·D, besonders bevorzugt mindestens 0,0030·D, wobei gilt D = Durchmesser des Laufrads, gemessen in mm, und Sehnenlänge gemessen in mm.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Laufschaufeln (58; 26, 28, 30, 32, 34) an ihrem dem Lüftergehäuse (42) zugewandten Ende jeweils mit einem Luftleitelement (60) versehen sind, wobei zwischen dem Luftleitelement (60) und dem Lüftergehäuse (42) ein Kopfspalt (69) vorgesehen ist.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Luftleitelemente (60) gewunden ausgebildet sind.
Lüfter nach Anspruch 6, bei welchem ein gewundenes Luftleitelement (60) auf der Zuströmseite der betreffenden Laufschaufel in Richtung zur Saugseite (44) und auf der Abströmseite der betreffenden Laufschaufel in Richtung zur Druckseite (45) gewunden ist.
Lüfter nach Anspruch 7, bei welchem der in Richtung zur Druckseite (45) gewundene Bereich des Luftleitelements (60) elastisch ausgebildet ist, um im Betrieb eine elastische Verformung dieses Bereichs in Richtung zum Lüftergehäuse (42) zu ermöglichen und der Umströmung des Luftleitelements (60) durch den Kopfspalt (69) entgegen zu wirken.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Luftleitelemente (60) so ausgebildet sind, dass im Kopfspalt (69) zwischen dem Luftleitelement (60) und dem Lüftergehäuse (42) ein kontinuierlicher Druckaufbau in Richtung von der Zuströmseite zur Abströmseite der betreffenden Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) erfolgt.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem alle Laufschaufeln (58; 26, 28, 30, 32, 34) an der Lufteintrittskante (68) den gleichen Eintrittswinkel (δ) aufweisen.
Lüfter nach Art eines Axial- oder Diagonalventilators, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Laufrad (20), das mit einer Mehrzahl von profilierten Laufschaufeln (26, 28, 30, 32, 34; 58) versehen ist, und dem eine Drehachse (11) zugeordnet ist, um die es sich im Betrieb dreht, um ein gasförmiges Medium, insbesondere Luft, von einer Saugseite (44) zu eine Druckseite (45) zu fördern, und mit einem das Laufrad (20) auf seiner Außenseite mit Abstand umgebenden Lüftergehäuse (42), wobei am Kopf der Laufschaufeln (26, 28, 30, 32, 34; 58) Luftleitelemente (60) vorgesehen sind, welche auf der Zuströmseite der betreffenden Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) einen in Richtung zur Saugseite (44) verlaufenden ersten Bereich und auf der Abströmseite der betreffenden Laufschaufel einen in Richtung zur Druckseite (45) verlaufenden zweiten Bereich, sowie zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich einen Übergangsbereich bilden, welche Bereiche jeweils durch einen Kopfspalt (69) vom Lüftergehäuse (42) getrennt sind.
Lüfter nach Anspruch 11, bei welchem das Luftleitelement (60) jeweils nach Art eines Randstreifens für den radial äußeren Rand der zugeordneten Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) ausgebildet ist.
Lüfter nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Luftleitelemente (60) eine Krümmung aufweisen, die an einem Ende des Luftleitelements verschieden ist von der Krümmung am anderen Ende des Luftleitelements.
Lüfter nach Anspruch 13, bei welchem das Luftleitelement auf der Abströmseite der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) elastisch in der Weise ausgebildet ist, dass sich die Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) in der Weise verformt, dass sie dort eine Umströmung der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) durch den Kopfspalt (69) reduziert.
Lüfter nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei welchem auf der Zuströmseite der betreffenden Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) der Winkel (α) zwischen dem radialen Verlauf der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) und dem Verlauf des zugeordneten Strömungselements (60) im Bereich zwischen 105° und 130° liegt.
Lüfter nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei welchem auf der Abströmseite der betreffenden Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) der Winkel (β) zwischen dem radialen Verlauf der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) und dem Verlauf des zugeordneten Strömungselements (60) im Bereich zwischen 65° und 95° liegt.
Lüfter nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welchem auf der Zuströmseite der betreffenden Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) ein maximaler erster Winkel (α) zwischen dem radialen Verlauf der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) und dem Verlauf des zugeordneten Strömungselements (60) vorgesehen ist, bei welchem auf der Abströmseite der betreffenden Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) ein maximaler zweiter Winkel (β) zwischen dem radialen Verlauf der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) und dem Verlauf des zugeordneten Strömungselements (60) vorgesehen ist, und bei welchem der maximale erste Winkel (α) größer ist als der maximale zweite Winkel (β).
Lüfter nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei welchem die Laufschaufeln an der zugeordneten Austrittskante eine Zahnreihe nach Art einer Säge aufweist.
Lüfter nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei welchem der erste Bereich sowohl auf der Druckseite (45) als auch auf der Saugseite (44) der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) in Richtung zur Saugseite (44) verläuft, und bei welchem der zweite Bereich sowohl auf der Druckseite (45) als auch auf der Saugseite (44) der Laufschaufel (26, 28, 30, 32, 34; 58) in Richtung zur Druckseite (44) verläuft.