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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radiallüfter mit einem Gehäuse und einem in einer Radkammer des Gehäuses untergebrachten, um eine Achse drehbaren Lüfterrad.
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Verschiedene Ausgestaltungen eines solchen Radiallüfters sind in
DE 10 2006 057 086 A1 beschrieben. Allen diesen Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass das Lüfterrad eine Grundplatte und von der Grundplatte abstehende Luftschaufeln trägt; bei manchen Ausgestaltungen liegen die von der Grundplatte abgewandten Kanten der Luftschaufeln unmittelbar einer Stirnwand des Gehäuses gegenüber, in anderen Fällen ist auf diese Kanten ein Deckel aufgesetzt. Die Ausgestaltungen mit und ohne Deckel werden als strömungstechnisch in etwa gleichwertig angesehen. Bei einem Lüfterrad ohne Deckel ist jeder zwischen zwei Luftschaufeln des Schaufelrades hindurch verlaufende Strömungskanal auf einer Seite durch das Gehäuse begrenzt, und da dieses nicht mitrotiert, begünstigt es Wirbelbildung in dem Strömungskanal und vermindert dadurch die Effizienz. Da bei einem Lüfterrad mit Deckel der Deckel mitrotiert, fehlt zwar der Anlass zur Wirbelbildung, gleichzeitig wird aber zwischen dem Deckel und dem gegenüberliegenden Gehäuse ein Spalt gebildet, über den Luft zum Einlass des Lüfters zurückfließen kann, was ebenfalls die Effizienz beeinträchtigt. Um diesen Rückfluss zu begrenzen, wird in
DE 10 2006 057 086 A1 vorgeschlagen, eine Labyrinthdichtung zwischen dem Deckel und der dem Deckel gegenüberliegenden Gehäusewand vorzusehen.
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Das Lüfterrad mit Deckel ist deutlich aufwendiger als eines ohne Deckel, da der Deckel getrennt vom übrigen Lüfterrad gefertigt und an die Luftschaufeln angefügt werden muss.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Radiallüfter zu schaffen, der einfach und günstig zu fertigen und dennoch hoch effizient ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Radiallüfter mit einem Gehäuse, einem in einer Radkammer des Gehäuses untergebrachten, um eine Achse drehbaren Lüfterrad, wobei das Lüfterrad eine Grundplatte und von der Grundplatte abstehende Luftschaufeln umfasst und von der Grundplatte abgewandte Kanten der Luftschaufeln einer Stirnwand des Gehäuses gegenüberliegen, die Stirnwand eine sich konzentrisch um die Achse erstreckende Struktur aufweist, die mit komplementären Strukturen an den Kanten der Luftschaufeln eine Labyrinthdichtung bildet.
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Obwohl bei einem Radiallüfter mit deckellosem Lüfterrad im Spalt zwischen den Kanten der Luftschaufeln und der Stirnwand des Gehäuses eine vom Einlass zum Auslass des Lüfters gerichtete Strömung zu erwarten wäre und deren Drosselung durch eine Labyrinthdichtung eher eine Einbuße an Effizienz erwarten ließe, zeigen Messungen der Erfinder, dass eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades um mehrere Prozentpunkte in einem breiten Volumenstrombereich zu erreichen ist.
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Während die Struktur der Stirnwand in Umfangsrichtung kontinuierlich ist, ist dies bei den Strukturen der Luftschaufeln nicht nötig. Diese Strukturen sollten untereinander vorzugsweise unverbunden sein, um eine einfache Fertigung des Lüfterrades zu ermöglichen.
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Die Struktur der Stirnwand kann im radialen Schnitt wenigstens eine Stufe aufweisen, der komplementäre Stufen der Kanten der Luftschaufeln gegenüberliegen. Eine laminare Rückströmung zum Einlass des Radiallüfters entlang der Stirnwand kann sich so nicht ausbilden, da die Stufen des Schaufelrades in den Weg, den eine solche laminare Strömung nehmen müsste, eingreifen und durch ihre Bewegung die Ausbildung einer solchen Strömung behindern.
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Um wirksam zu sein, sollte die Höhe der Stufe vorzugsweise wenigstens gleich der Breite eines Spalts zwischen den Kanten der Luftschaufeln und der Stirnwand sein.
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Da die Kanten der Luftschaufeln und die Stirnwand einander nicht berühren dürfen, bleibt notwendigerweise zwischen ihnen ein Weg frei. Um der Luft ein Passieren dieses Weges in Richtung des Einlasses möglichst schwierig zu machen, sollte dieser abrupte Richtungswechsel aufweisen. Deshalb ist bevorzugt, dass die Stufe der Stirnwand mit an sie angrenzenden Bereichen der Stirnwand im radialen Schnitt einen Winkel zwischen 45 und 135° aufspannt, bzw. dass die Stufe der Kante einer Luftschaufel mit an sie angrenzenden Bereichen der Kante im radialen Schnitt einen Winkel zwischen 45 und 135° aufspannt.
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Vorzugsweise weisen die Kanten und die Stirnwand je zwei Stufen auf.
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Diese können entgegensetzt zueinander orientiert sein, um zu zweit jeweils eine Vertiefung oder einen Vorsprung zu bilden. Unter dem Gesichtspunkt der effizienten Platzausnutzung ist bevorzugt, dass die Stufen der Kanten jeweils einen Vorsprung und die Stufen der Stirnwand eine Vertiefung begrenzen.
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Das Lüfterrad kann kostengünstig durch einteiliges Abformen, insbesondere durch Spritzguss, gefertigt werden.
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Die Labyrinthdichtung ist besonders nützlich, wenn die Radkammer einen sich rund um das Lüfterrad erstreckenden Blasluftkanal umfasst, in dem sich die vom Lüfterrad geförderte Luft stauen kann.
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Ein Überdruck im Blasluftkanal kann zum Kühlen eines Motors genutzt werden, indem ein Kühlluftkanal von dem Blasluftkanal ausgeht.
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Um den Luftdurchsatz im Kühlluftkanal möglichst unabhängig vom Überdruck im Blasluftkanal zu machen, wird die zum Kühlen des Motors genutzte Luft zweckmäßigerweise in die Radkammer zurückgespeist.
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Um ein ausreichendes Druckgefälle im Kühlluftkanal sicherzustellen, kann eine Einmündung des Kühlluftkanals in die Radkammer gegenüber der Grundplatte des Schaufelrades angeordnet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen axialen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Radiallüfter;
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2 eine Draufsicht auf den Radiallüfter aus Richtung seiner Drehachse;
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3 ein vergrößertes Detail des Radiallüfters aus 1;
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4 eine erste Variante des Details der 3;
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5 eine zweite Variante des Details; und
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6 eine dritte Variante des Details.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Radiallüfter im Schnitt entlang einer Drehachse 1 seines Lüfterrades 2. Das Lüfterrad 2 ist einteilig aus Kunststoff spritzgeformt und umfasst eine Grundplatte 3 und eine Vielzahl von Luftschaufeln 4, die von einer Oberseite 5 der Grundplatte 3 in Richtung der Drehachse 1 abstehen. Die Oberseite 5 hat die Form eines vom Rand zur Drehachse 1 hin steiler werdenden Kegels. Die Luftschaufeln 4 sind als Platten geformt, die sich mit der besseren Entformbarkeit wegen nach oben leicht abnehmender Wandstärke in axialer Richtung und, wie insbesondere in der Draufsicht der 2 zu erkennen, spiralig gekrümmt mit gleichbleibender Wandstärke in radialer Richtung erstrecken.
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Ein Gehäuse 6, in dem das Lüfterrad 2 und ein es antreibender Motor 7 untergebracht sind, ist aus drei Teilen zusammengesetzt, einem Oberteil 8, einem Unterteil 9 und einer Zwischenwand 10. Das Unterteil 8 hat eine becherähnliche Gestalt, mit einer Bodenplatte 11 und einer sich um die Bodenplatte 11 herum erstreckenden Außenwand 12, die eine den Motor 7 aufnehmende Motorkammer 13 begrenzen. Die Zwischenwand 10 liegt auf einer Schulter 14 an der Innenseite der Außenwand 12 auf und trennt die Motorkammer 13 von einer Radkammer 15, in der das Lüfterrad 2 untergebracht ist. Sie liegt einer Unterseite der Grundplatte 3 gegenüber.
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Ein Blasluftkanal 16 erstreckt sich in der Radkammer 15 rings um das Lüfterrad 2. Wie in 2 anhand des Umrisses des Oberteils 8 zu erkennen, nimmt der Querschnitt des Blasluftkanals 16 ausgehend von einem in 2 mit 17 bezeichneten Anfangspunkt in Drehrichtung des Lüfterrads 2 kontinuierlich zu, bis der Blasluftkanal 16 nach einem nahezu vollständigen Umlauf um das Lüfterrad 2 einen Luftauslass 18 erreicht.
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Der Blasluftkanal 16 ist von der Umgebung teils durch die Außenwand 12 des Unterteils 9, teils durch das Oberteil 8 abgegrenzt. Um ein Entweichen von Luft aus dem Blasluftkanal 16 abseits des Luftauslasses 18 zu verhindern, sind beide dicht miteinander verbunden, z. B. durch eine Nut-Feder-Verbindung oder, wie in 1 gezeigt, durch ein Dichtband 19, das in einander gegenüberliegende Nuten der Außenwand 12 und des Oberteils 8 eingreift.
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Ober- und Unterteil 8, 9 des Gehäuses sind durch Verrastung zusammengehalten, hier mithilfe von elastischen biegsamen Rasthaken 20 des Oberteils 8, die, wie in 2 zu erkennen, auf Rastnasen 21 des Gehäuseunterteils 9 aufgeschoben sind.
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Das Oberteil 8 bildet ferner eine Stirnwand 22 der Radkammer 15, die den von der Grundplatte 3 abgewandten Kanten der Luftschaufeln 4, hier der Einfachheit halber mit Bezug auf die Darstellung der 1 als obere Kanten 23 bezeichnet, gegenüberliegt und in deren Mitte ein Lufteinlass 24 ausgespart ist. Wie die Oberseite 5 der Grundplatte 3 hat die Stirnwand 22 die Form eines zum Lufteinlass 24 hin steiler werdenden Kegels.
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An der Unterseite der Stirnwand 22 ist diese Kegelform moduliert durch zwei Stufen 25, 26, die hier eine flache, nach unten offene Nut 27 begrenzen. Den Stufen 25, 26 der Stirnwand 22 liegen jeweils Stufen 28, 29 gegenüber, die an den oberen Kanten 23 der Luftschaufeln 4 einen Vorsprung 30 begrenzen.
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Die genaue Lage der Nut 27 und der Vorsprünge 30 zueinander ist in 1 nur schwer zu erkennen, da die Oberkanten 23, soweit sie in 1 sichtbar sind, nicht in der Schnittebene verlaufen. Deshalb ist in 3 ein vergrößerter Ausschnitt des Lüfterrades 2 und der Stirnwand 22 gezeigt, in dem eine Rotationsfläche 33, auf der sich die Oberkanten 23 sowie einlass- und auslassseitige Kanten 31, 32 der Luftschaufeln 4 bei der Drehung des Lüfterrades 2 um die Drehachse 1 bewegen, als lang gestrichelte Linie eingezeichnet ist.
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An die Stufe 26, einen zu ihr benachbarten Bereich der Nut 27 und einen auf der entgegengesetzten Seite der Stufe 26 liegenden Bereich der Stirnwand 22 sind in 3 Tangenten angezeichnet. Die Tangente der Stufe 26 kreuzt die Tangenten der benachbarten Bereiche unter einem Winkel α bzw. α' von knapp über 90°. Der Abstand d zwischen den angenähert parallelen Tangenten der zur Stufe 26 benachbarten Bereiche kann als Tiefe der Nut 27 definiert werden.
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Auch die Stufe 28 hat eine Tangente, die Tangenten von beiderseits an die Stufe 28 angrenzenden Bereichen der oberen Kante 23 unter nahezu rechten Winkeln β, β' kreuzt, und der Abstand zwischen Tangenten der angrenzenden Bereiche kann als Höhe h des Vorsprungs 30 aufgefasst werden.
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Der Eingriff des Vorsprungs 30 in die Nut 27 ist zwar nicht tief; der Abstand zwischen der Rotationsfläche 33 und dem Boden der Nut 23 ist klein im Vergleich zur Tiefe d der Nut 23; aber er genügt, damit kein gerader oder nur schwach gekrümmter Weg durch den von Stirnwand 22 und Rotationsfläche 33 begrenzten Spalt 34 existiert, auf der Luft von dem Blasluftkanal 16 zurück zum Lufteinlass 24 gelangen könnte. Würde sich ein solcher Luftstrom in einem bezogen auf die Drehachse 1 radial äußeren Bereich des Spalts 34, zwischen der auslassseitigen Kante 32 und der Stufe 29, bilden, so würde er an der Stufe 29 größtenteils von den Luftschaufeln 4 erfasst und zurück zum Blasluftkanal 16 befördert. Ein Luftstrom, der sich im radial mittleren Bereich des Spalts 34, zwischen den Stufen 26 und 25 bildet, würde bei Erreichen der Stufe 25 von dieser zu den Luftschaufeln 4 abgelenkt und von letzteren erfasst. Es ist daher zum Erreichen einer Labyrinth-Dichtwirkung gar nicht notwendig, dass sich geschlossene Oberflächen mit zueinander komplementären Konturen gegenüberliegen; aufgrund der Pumpwirkung, die die Luftschaufeln 4 ausüben, ist es genauso effektiv, dass eine der den Spalt 34 begrenzenden Flächen eine von deren Kanten aufgespannte Rotationsfläche ist.
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Es genügt daher eine geringe Leistung des Motors 7, um einen beträchtlichen Druckunterschied zwischen dem Lufteinlass 24 und dem Blasluftkanal 16 aufrecht zu erhalten. Diese Druckdifferenz kann zur Kühlung des Motors 7 genutzt werden, indem zwischen der Außenwand 12 des Unterteils 9 und der Zwischenwand ein Durchgang 35 (s. 1) ausgespart ist, durch den Luft aus dem Blasluftkanal 16 in die Motorkammer 13 eindringen kann. Ein Kühlluftkanal 36 erstreckt sich, ausgehend von dem Durchgang 35, entlang der Außenwand rings um den Motor 7 mündet in einen Spalt 37 der Radkammer 15, der von der Zwischenwand 10 und der Bodenplatte 3 begrenzt ist. Die Einmündung kann z. B. durch eine Unterbrechung in einem sich zwischen der Zwischenwand 10 und dem Motor 7 um die Achse 1 erstreckenden Dichtring 38 gebildet sein. Die Drehung des Lüfterrades 2 erzeugt in dem Spalt 37 einen Unterdruck, der die Zirkulation der Luft durch den Kühlluftkanal 36 und damit die Kühlung des Motors 7 fördert.
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4 bis 6 zeigen Abwandlungen von Labyrinthdichtungen zwischen dem Lüfterrad 2 und der Stirnwand 22. In 4 ist die Orientierung der Stufen von Stirnwand 22 und Luftschaufeln 4 gegenüber der Ausgestaltung von 3 vertauscht, so dass die Stufen 28', 29' der Luftschaufeln 4 jeweils eine Kerbe 39 in der Kante 23 bzw. der Rotationsfläche 33 bilden, in die ein von den Stufen 25', 26' der Stirnwand 22 begrenzter Vorsprung, hier in Form einer sich rings um die Achse 1 erstreckenden Rippe 40, eingreift. Auch hier ist kein tiefer Eingriff der Rippe 40 in die Kerbe 39 erforderlich; es genügt, wenn der Überstand der Rippe 40 über die an sie angrenzenden Bereiche der Stirnwand 22 etwas größer als die Breite des Spalts 34 zwischen der Rotationsfläche 33 und der Stirnwand 22 ist, um einen Luftstrom vom Blasluftkanal 16 durch den Spalt 34 zum Lufteinlass 22 zu blockieren.
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In der Ausgestaltung der 5 sind an der Stirnwand 22 und den Kanten 23 der Luftschaufeln 4 je zwei Paare von Stufen 25, 26 bzw. 28, 29 gebildet, um einen Rückfluss von Luft zum Lufteinlass 24 noch wirksamer zu unterbinden.
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In der Ausgestaltung der 6 bilden Stufen 41, 42 der Stirnwand 22 und 43, 44 der Rotationsfläche 33 im radialen Schnitt ineinandergreifende Sägezahnprofile. Auch hier gibt es keinen geraden oder gleichmäßig schwach gekrümmten Weg, auf dem Luft durch den Spalt 34 zurück zum Lufteinlass 24 gelangen könnte. Die Dichtwirkung ist hier zusätzlich unterstützt durch einen Überdruck, der vor den sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckenden Stufen 42 bildet, indem sich von den Luftschaufeln 4 radial nach außen getriebene Luft davor staut.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehachse
- 2
- Lüfterrad
- 3
- Grundplatte
- 4
- Luftschaufel
- 5
- Oberseite
- 6
- Gehäuse
- 7
- Motor
- 8
- Oberteil
- 9
- Unterteil
- 10
- Zwischenwand
- 11
- Bodenplatte
- 12
- Außenwand
- 13
- Motorkammer
- 14
- Schulter
- 15
- Radkammer
- 16
- Blasluftkanal
- 17
- Anfangspunkt
- 18
- Luftauslass
- 19
- Dichtband
- 20
- Rasthaken
- 21
- Rastnase
- 22
- Stirnwand
- 23
- obere Kante
- 24
- Lufteinlass
- 25
- Stufe
- 26
- Stufe
- 27
- Nut
- 28
- Stufe
- 29
- Stufe
- 30
- Vorsprung
- 31
- einlassseitige Kante
- 32
- auslassseitige Kante
- 33
- Rotationsfläche
- 34
- Spalt
- 35
- Durchgang
- 36
- Kühlluftkanal
- 37
- Spalt
- 38
- Dichtring
- 39
- Kerbe
- 40
- Rippe
- 41
- Stufe
- 42
- Stufe
- 43
- Stufe
- 44
- Stufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057086 A1 [0002, 0002]
