DE102018128820A1

DE102018128820A1 - Diagonalventilator mit optimiertem Gehäuse

Info

Publication number: DE102018128820A1
Application number: DE102018128820.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Haaf; Daniel GEBERT
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20
Also published as: CN112840129B; CN112840129A; CN209743196U; EP3824187A1; US11428238B2; US20220049714A1; WO2020099183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diagonalventilator (1) umfassend einen Elektromotor (10), ein Gehäuse (11) und ein innerhalb des Gehäuses (11) aufgenommenes und über den Elektromotor (10) antreibbares Diagonallaufrad (12), dessen im Betrieb erzeugte Diagonalströmung in eine axiale Strömungsrichtung umgelenkt wird, wobei das Diagonallaufrad (12) in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln (121) sowie einen Lufteintritt und einen Luftaustritt aufweist, wobei das Gehäuse einen Strömungskanal für eine durch das Diagonallaufrad erzeugte Luftströmung bildet, der einen nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt und einen sich in Strömungsrichtung gesehen axial unmittelbar axial daran anschließenden zylinderförmigen Axialabschnitt aufweist, wobei ein luftaustrittsseitiges radial äußeres Ende des Diagonallaufrads im zylinderförmigen Axialabschnitt des Strömungskanals des Gehäuses angeordnet und zwischen dem radial äußeren Ende und dem Gehäuse ein Luftspalt vorgesehen ist, und wobei der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt des Diagonallaufrads in einem sich an den Luftspalt lufteinlassseitig anschließenden Bereich des Strömungskanals in einer Axialebene mit dem Diagonallaufrad angeordnet ist, so dass der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt das Diagonallaufrad zumindest abschnittsweise umschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Diagonalventilator mit einem bezüglich des Drehmoments des antreibenden Elektromotors optimierten Gehäuse.
Allgemein sind Diagonalventilatoren und deren Einsatz aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2014 210 373 A1 .
Diagonalventilatoren werden in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Luftleistung bei höherem Gegendruck und geringem Einbauplatz eingesetzt, beispielsweise in der Kühltechnik oder bei Dunstabzugshauben. Durch den bei Diagonalventilatoren im Verhältnis zum Bauraum großen Motordurchmesser des axialzentral angeordneten Motors und die radiale Erweiterung der Nabe ist die Ausblasfläche an der Ausblasöffnung verhältnismäßig klein, wodurch es zu hohen Austrittsverlusten bei der Strömung durch hohen dynamischen Druck am Austritt des Diagonalventilators kommt.
Beim Einbau eines Diagonalventilators in ein zylindrisches Gehäuse reduziert sich der Drehmomentbedarf des Ventilators im Vergleich zu einem freilaufenden Laufrad. Dieses Verhalten ist problematisch, wenn das Laufrad von einem Elektromotor, insbesondere von einem Asynchronmotor, angetrieben wird, da der Motor nur auf eine Variante optimal abgestimmt werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe, über eine besondere Gehäusegestaltung des Diagonalventilators die Drehmomentreduktion am Elektromotor abzuschwächen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Diagonalventilator mit einem Elektromotor, einem Gehäuse und einem innerhalb des Gehäuses aufgenommenen und über den Elektromotor antreibbaren Diagonallaufrad vorgeschlagen. Die durch das Diagonallaufrad im Betrieb erzeugte Diagonalströmung wird durch das Gehäuse in eine axiale Strömungsrichtung umgelenkt. Das Diagonallaufrad weist in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln sowie einen Lufteintritt und einen Luftaustritt auf. Das Gehäuse bildet einen Strömungskanal für eine durch das Diagonallaufrad erzeugte Luftströmung, der einen nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt und einen sich in Strömungsrichtung gesehen axial unmittelbar axial daran anschließenden zylinderförmigen Axialabschnitt aufweist. Ein luftaustrittsseitiges radial äußeres Ende des Diagonallaufrads ist im zylinderförmigen Axialabschnitt des Strömungskanals des Gehäuses angeordnet. Zwischen dem radial äußeren Ende und dem Gehäuse ist ein Luftspalt vorgesehen. Der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt des Diagonallaufrads ist in einem sich an den Luftspalt lufteinlassseitig anschließenden Bereich des Strömungskanals in einer Axialebene mit dem Diagonallaufrad angeordnet, so dass der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt des Gehäuses das Diagonallaufrad zumindest abschnittsweise umschließt.
Durch die besondere Gehäusegestaltung mit zylinderförmigem Axialabschnitt und nicht-rotationssymmetrischem Bereich im Ansaugbereich des Diagonallaufrads kann die Drehmomentreduktion des Gehäuses abgeschwächt werden. Der Elektromotor weist einen geringeren Drehmomentbedarf auf und kann besser auf die verschiedenen Einbausituationen eingestellt und abgestimmt werden, so dass er stets im Bereich der besten Effizienz arbeitet und keine übermäßige Wärmeentwicklung zu verzeichnen ist.
In einer Weiterbildung ist bei dem Diagonalventilator vorgesehen, dass der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt in einer Axialebene des Lufteintritts des Diagonallaufrads angeordnet ist. Somit ist sichergestellt, dass in jedem Fall auf der axialen Höhe des Lufteintritts des Diagonallaufrads die nicht-rotationssymmetrische Geometrie des Strömungskanals, d.h. der Gehäuseinnenwand vorgesehen ist.
Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der das Gehäuse im nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt gegenüber dem zylinderförmigen Axialabschnitt des Strömungskanals zumindest eine Radialerweiterung aufweist, welche einen Hohlraum ausbildet. Der Hohlraum vergrößert den Strömungskanal im Bereich der Luftansaugung des Diagonallaufrads und beruhigt die Strömung. Das Diagonallaufrad saugt somit neben der axialen Hauptströmung auch drallfreie oder im Wesentlichen drallfreie Luft als Nebenströmung aus dem Hohlraum an, die als axiale Rückströmung radial außenseitig an dem Diagonallaufrad vorbeiströmt.
Noch verbessert wird die Drallreduktion bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem in dem Hohlraum mindestens eine Rippe angeordnet ist, welche sich von einer Gehäuseinnenwand in radialer Richtung zu dem Diagonallaufrad erstreckt. Insbesondere wird eine Vielzahl von derartigen Rippen im Hohlraum angeordnet, die an der Gehäuseinnenwand ausgebildet sind und sich über eine vorbestimmte Axiallänge auf axialer Höhe des Diagonallaufrads erstrecken. Durch das Entlangströmen an den Rippen reduziert sich der Drall in der Strömung vergleichsweise stärker.
Ferner ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der bei dem Diagonalventilator in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt mehrere Radialerweiterungen vorgesehen sind. Insbesondere werden die Radialerweiterungen identische ausgebildet und jeweils mit den Rippen versehen. Die Drallreduktion erfolgt somit über den gesamten Umfang verteilt gleichmäßig.
Der Diagonalventilator sieht in einer Weiterbildung vor, dass das Diagonallaufrad einen die Laufradschaufeln radial außenseitig umschließenden Schleuderring aufweist, der das luftaustrittsseitige radial äußere Ende des Diagonallaufrads bestimmt.
Ferner wird in einer Variante des Diagonalventilators an dem Gehäuse ansaugseitig eine Einlaufdüse angeordnet, durch welche eine Hauptströmung des Diagonalventilators angesaugt wird. Die Einlaufdüse erstreckt sich im Radialschnitt gesehen zu dem Schleuderring zumindest abschnittsweise überlappend und bildet dabei mit dem Schleuderring einen Düsenspalt am Lufteintritt des Diagonallaufrads. Die positive Wirkung der Erfindung wird in dieser Ausführungsvariante besonders verstärkt, indem der Drall der dem Düsenspalt zugeführten Strömung reduziert wird. Die drallbehaftete Strömung am Luftaustritt des Diagonallaufrads strömt über den Luftspalt in zylinderförmigen Axialabschnitt des Strömungskanals in axialer Richtung zurück in Richtung des Lufteintritts. Hier weist der Strömungskanal den nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt auf, so dass sich der Drall deutlich reduziert. Diese Wirkung wird durch die Verwendung des Hohlraums und der Rippen noch verstärkt. Die dem Düsenspalt zwischen dem Diagonallaufrad und der Einlassdüse zugeführte im Wesentlichen drallfreie Strömung entsprich derjenigen eines freilaufenden Diagonallaufrads, so dass der Drehmomentbedarf des Elektromotors reduziert wird.
In einer Ausführungsvariante wird die Einlaufdüse einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet, um die Teilezahl möglichst gering zu halten.
Ferner ist strömungstechnisch vorteilhaft, dass bei dem Diagonalventilator der Schleuderring und die Einlaufdüse im Bereich des Düsenspalts zumindest abschnittsweise parallel verlaufen. Insbesondere wird bevorzugt vorgesehen, dass der Schleuderring koaxial radial außerhalb der Einlaufdüse verläuft, so dass der Düsenspalt radial außenseitig der Einlaufdüse gebildet ist.
In einer Weiterbildung des Diagonalventilators erstreckt sich der Schleuderring im Düsenabschnitt parallel zu einer sich in axialer Richtung des Diagonalventilators erstreckenden Rotationsachse des Diagonallaufrads, d.h. im Überlappungsabschnitt verlaufen der Schleuderring und die Einlaufdüse parallel zur axial angesaugten Strömungsrichtung.
Zur Erzeugung einer Ausströmung nach schräg radial außen und gewinkelt zur Rotationsachse des Diagonallaufrads weist der Schleuderring einen sich in axialer Strömungsrichtung nach radial außen aufweitenden, zu einer Innenwand des Gehäuses gerichteten Strömungsquerschnitt auf.
Bei dem Diagonalventilator ist in einer weiteren Ausführungsform in axialer Strömungsrichtung gesehen dem Diagonallaufrad anschließend eine Nachleiteinrichtung mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Leitschaufeln angeordnet, welche eine von dem Diagonallaufrad erzeugte Luftströmung vergleichmäßigt.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht bei dem Diagonalventilator vor, dass die Nachleiteinrichtung einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet ist. Die Teilezahl und Montageschritte können somit reduziert werden. Auch kann auf eine Abdichtung zwischen den Bauteilen verzichtet werden.
Die Nachleiteinrichtung weist in einer Weiterbildung ein einen Ausblasabschnitt des Diagonalventilators überstreckendes Schutzgitter auf.
Günstig ist ferner eine Ausführungsvariante des Diagonalventilators, bei der die Nachleiteinrichtung, das Gehäuse und das Schutzgitter einteilig ausgebildet sind.
Ferner ist eine Weiterbildung des Diagonalventilators bezüglich eines kompakten Aufbaus vorteilhaft, bei dem die Nachleiteinrichtung im Nabenbereich eine Motoraufnahme für den Elektromotor aufweist. Die Befestigung des Elektromotors kann somit durch die Nachleiteinrichtung übernommen werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Diagonalventilators;
2 eine Radialschnittansicht des Diagonalventilators aus 1;
3 ein Diagramm zum Vergleich von Drehmomentverläufen.

Der Diagonalventilator 1 gemäß der 1 und 2 umfasst ein Gehäuse 11, in dem der Elektromotor 10 ausgebildet als Außenläufermotor aufgenommen und mit dem Diagonallaufrad 12 verbunden ist, um letzteres im Betrieb um die Rotationsachse RA zu rotieren. Das Diagonallaufrad 12 ist mit seiner Nabe 119 an dem Elektromotor 10 befestigt. Von der Nabe 119 aus erstrecken sich nach radial außen mehrere in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln 121, deren radial außen liegendes Ende von dem Schleuderring 122 geschlossen ist. Die Lüfterradschaufeln 121 weisen eine Schaufelvorderkante 117 und eine Schaufelhinterkante 118 auf, die jeweils gegenüber einer vertikalen Senkrechten zur Rotationsachse von radial innen nach radial außen gesehen zur Einlassseite des Diagonalventilators 1 geneigt sind, wobei der Winkel an der Schaufelhinterkante 118 größer ist als an der Schaufelvorderkante 117.
Ansaugseitig ist die einstückig an dem Gehäuse 11 ausgebildete Einlaufdüse 6 vorgesehen, durch welche das Diagonallaufrad 12 im Betrieb die Hauptströmung HS ansaugt. Die Einlaufdüse 6 weist einen sich in Axialrichtung verringerten Durchströmungsquerschnitt auf, der am axialen freien Endabschnitt 7 am geringsten ist. Dieser freie Endabschnitt 7 verläuft parallel zur Rotationsachse RA und überlappt sich im Überlappungsbereich 30 mit dem vorderen Abschnitt 123 des Schleuderrings 122, der sich ebenfalls parallel zur Rotationsachse RA erstreckt. Durch den Schleuderring 122 und die Einlaufdüse 6 wird der Düsenspalt 19 gebildet. An den achsparallelen Vorderabschnitt 123 schließt sich bei dem Schleuderring 122 unmittelbar der sich schräg nach außen und gegenüber der Rotationsachse gewinkelt verlaufende Hinterabschnitt 124 an, der den sich in axialer Strömungsrichtung nach radial außen aufweitenden, zu einer Innenwand 111 des Gehäuses 11 gerichteten Strömungsquerschnitt bestimmt.
Das Gehäuse 11 bildet mit seiner Innenwand 111 den Strömungskanal 52 für die durch das Diagonallaufrad 12 erzeugte Luftströmung und weist den nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt 90 sowie den sich in Strömungsrichtung gesehen axial unmittelbar daran anschließenden zylinderförmigen Axialabschnitt 91 auf. Der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt 90 umfasst über den Umfang gleichmäßig verteilt mehrere Hohlräume 80 auf, welche durch Radialerweiterungen 79 des Gehäuses 11, auch im Bereich der Einlaufdüse 6, gegenüber dem zylinderförmigen Axialabschnitt 91 gebildet sind. In jedem der Hohlräume 80 sind mehrere über den Umfang verteilte, sich in axialer Richtung erstreckende und radial einwärts von der Gehäuseinnenwand 112 vorstehende Rippen 95 angeordnet, welche in einer Axialebene mit dem Diagonallaufrad 12 verlaufen.
Die Anordnung des nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitts 90 liegt im lufteinlassseitigen Bereich stromaufwärts gegenüber dem Luftspalt S, der zwischen dem durch das luftaustrittsseitige radial äußere Ende 99 des Diagonallaufrads 12 und der Gehäuseinnenwand 111 im zylinderförmigen Axialabschnitt 91 des Strömungskanals 52 gebildet ist. Dabei überstreckt sich der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt 90 bis zur Einlassdüse 6 und umschließt das Diagonallaufrad 12 in Umfangsrichtung deutlich über die Hälfte seiner Axialerstreckung. Insbesondere ist der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt 90 auch im Bereich, d.h. in der Axialebene des Düsenspalts 19 zwischen der Einlaufdüse 6 und dem Schleuderring 122 und mithin im Bereich des Lufteintritts in das Diagonallaufrad 12 vorgesehen. Die axial angesaugte Hauptströmung HS wird nach dem diagonal schräg nach außen gerichteten Austritt aus dem Diagonallaufrad 12 von der Gehäuseinnenwand 111 zurück in axiale Richtung umgelenkt. Ein Teil der am Austritt drallbehafteten Strömung strömt durch den Luftspalt S als Nebenströmung NS zurück über den nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt 90 mit den Radialerweiterungen 79, den Hohlräumen 80 und Rippen 95, wo der Drall der Nebenströmung NS reduziert wird, bevor sie über den Düsenspalt 19 wieder in das Diagonallaufrad 12 eintritt.
Die vorteilhafte technische Wirkung ist in dem Diagramm der 3 gezeigt, wo Kennlinien des Drehmomentverlaufs DM des Elektromotors 10 gegenüber dem Volumenstrom VS für einen freilaufenden Diagonalventilator (Kennlinie 300), einen Diagonalventilator mit einem ausschließlichen zylindrischen Gehäuse (Kennlinie 301 - Stand der Technik) und dem Diagonalventilator 1 mit dem Gehäuse gemäß der Ausführung nach 2 (Kennlinie 302). Insbesondere bei höheren Volumenströmen entspricht der Verlauf des erfindungsgemäßen Diagonalventilators 1 im Wesentlichen demjenigen eines freilaufenden Diagonalventilators.
Bezugnehmend auf 2 umfasst der Diagonalventilator 1 zudem eine Nachleiteinrichtung 90 am Ausblasabschnitt 27, welche die von dem Diagonallaufrad 12 gewinkelt ausgeblasene Diagonalströmung und von der Innenwand 11 zurück in die axiale Richtung umgelenkte Strömung anschließend vergleichmäßigt. Die Nachleiteinrichtung 90 umfasst optional eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Leitschaufeln und ein Schutzgitter (nicht gezeigt), welches dann den Ausblasabschnitt 27 des Diagonalventilators 1 überstreckt. Zudem bestimmt die Nachleiteinrichtung 90 im achszentralen Bereich die Motoraufnahme 89 für den Elektromotor 10.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014210373 A1 [0002]

Claims

Diagonalventilator (1) umfassend einen Elektromotor (10), ein Gehäuse (11) und ein innerhalb des Gehäuses (11) aufgenommenes und über den Elektromotor (10) antreibbares Diagonallaufrad (12), dessen im Betrieb erzeugte Diagonalströmung in eine axiale Strömungsrichtung umgelenkt wird, wobei das Diagonallaufrad (12) in Umfangsrichtung verteilte Laufradschaufeln (121) sowie einen Lufteintritt und einen Luftaustritt aufweist, wobei das Gehäuse (11) einen Strömungskanal (52) für eine durch das Diagonallaufrad (12) erzeugte Luftströmung bildet, der einen nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt (90) und einen sich in Strömungsrichtung gesehen axial unmittelbar axial daran anschließenden zylinderförmigen Axialabschnitt (91) aufweist, wobei ein luftaustrittsseitiges radial äußeres Ende (99) des Diagonallaufrads (12) im zylinderförmigen Axialabschnitt (91) des Strömungskanals (52) des Gehäuses (11) angeordnet und zwischen dem radial äußeren Ende (99) und dem Gehäuse (11) ein Luftspalt (S) vorgesehen ist, und wobei der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt (90) des Diagonallaufrads (12) in einem sich an den Luftspalt (S) lufteinlassseitig anschließenden Bereich des Strömungskanals (52) in einer Axialebene mit dem Diagonallaufrad (12) angeordnet ist, so dass der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt (90) das Diagonallaufrad (12) zumindest abschnittsweise umschließt.
Diagonalventilator nach Anspruch 1, wobei der nicht-rotationssymmetrische Axialabschnitt (90) in einer Axialebene des Lufteintritts des Diagonallaufrads (12) angeordnet ist.
Diagonalventilator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (11) im nicht-rotationssymmetrischen Axialabschnitt (90) gegenüber dem zylinderförmigen Axialabschnitt (91) des Strömungskanals (52) zumindest eine Radialerweiterung (79) aufweist, welche einen Hohlraum (80) ausbildet.
Diagonalventilator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Hohlraum (80) mindestens eine Rippe (95) angeordnet ist, welche sich von einer Gehäuseinnenwand (112) in radialer Richtung zu dem Diagonallaufrad (12) erstreckt.
Diagonalventilator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei dass die mindestens eine Rippe (90) sich in axialer Richtung gesehen zwischen dem Lufteintritt und dem Luftaustritt des Diagonallaufrads (12) erstreckt.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-5, wobei das in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt mehrere Radialerweiterungen (79) vorgesehen sind.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Diagonallaufrad (12) einen die Laufradschaufeln (121) radial außenseitig umschließenden Schleuderring (122) aufweist, der das luftaustrittsseitige radial äußere Ende (99) des Diagonallaufrads (12) bestimmt.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das an dem Gehäuse ansaugseitig eine Einlaufdüse angeordnet ist, durch welche eine Hauptströmung (HS) des Diagonalventilators (1) angesaugt wird, wobei die Einlaufdüse (6) sich im Radialschnitt gesehen zu dem Schleuderring (122) zumindest abschnittsweise überlappend erstreckt und dabei mit dem Schleuderring (122) einen Düsenspalt (19) bildet.
Diagonalventilator nach dem vorigen Anspruch, wobei die Einlaufdüse (6) einstückig mit dem Gehäuse (11) ausgebildet ist.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-9, wobei der Schleuderring (122) und die Einlaufdüse (6) im Bereich des Düsenspalts (19) zumindest abschnittsweise parallel verlaufen.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-10, wobei der Schleuderring (122) koaxial radial außerhalb der Einlaufdüse (6) verläuft.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7-11, wobei der Schleuderring (122) sich im Bereich des Düsenspalts (19) parallel zu einer sich in axialer Richtung des Diagonalventilators (1) erstreckenden Rotationsachse des Diagonallaufrads (12) erstreckt.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7-12, wobei der Schleuderring (122) einen sich in axialer Strömungsrichtung nach radial außen aufweitenden, zu einer Innenwand (111) des Gehäuses (11) gerichteten Strömungsquerschnitt aufweist.
Diagonalventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Strömungsrichtung gesehen dem Diagonallaufrad (12) anschließend eine Nachleiteinrichtung (90) mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Leitschaufeln angeordnet ist, welche eine von dem Diagonallaufrad (12) erzeugte Luftströmung vergleichmäßigt.
Diagonalventilator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachleiteinrichtung (90) im achszentralen Bereich eine Motoraufnahme (89) für den Elektromotor (10) aufweist.