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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Axialgebläse, insbesondere ein für Lüfter von Passagierkabinen von Fahrzeugen geeignetes Axialgebläse.
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Axialgebläse enthalten typischerweise ein zylindrisches Gehäuse mit einem Lufteinlass und einem Luftauslass, ein Lüfterrad zum Fördern eines Förderluftstroms in axialer Richtung vom Lufteinlass zum Luftauslass des Axialgebläses, einen Motor zum Drehantrieb des Lüfterrades und ein Motorkühlsystem. Das Motorkühlsystem kühlt den Motor zum Beispiel durch einen den Motor durchströmenden Kühlluftstrom, der beispielsweise aus dem Förderluftstrom oder der Umgebungsluft stammt. Ein Problem bei der Motorkühlung mit einem Kühlluftstrom besteht darin, dass der Kühlluftstrom Schmutz enthält und diese Luftverschmutzung Komponenten des Motors verunreinigen oder verstopfen kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Axialgebläse mit einer verbesserten Motorkühlung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Axialgebläse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Axialgebläse weist auf: ein zylindrisches Gehäuse mit einem ersten offenen Stirnende zum Bilden eines Lufteinlasses und einem zweiten offenen Stirnende zum Bilden eines Luftauslasses sowie einer Längsachse; einen Motor, der innerhalb des Gehäuses koaxial zur Längsachse des Gehäuses angeordnet ist; ein vom Motor angetriebenes Lüfterrad zum Fördern eines Förderluftstroms in axialer Richtung vom Lufteinlass zum Luftauslass des Axialgebläses durch einen ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Motor; und ein im Motor vorgesehenes Motorkühlsystem zum Kühlen des Motors. Das Motorkühlsystem hat wenigstens eine Einströmöffnung im Bereich des Luftauslasses des Axialgebläses, mehrere Ausströmöffnungen in den vom Lüfterrad geförderten Förderluftstrom, mehrere Kühlluftkanäle, die von der wenigstens einen Einströmöffnung zu den mehreren Ausströmöffnungen durch den Motor hindurch verlaufen, und eine Fördervorrichtung zum Ansaugen eines Kühlluftstroms in die wenigstens eine Einströmöffnung und Pumpen des angesaugten Kühlluftstroms durch die mehreren Kühlluftkanäle hindurch zu den mehreren Ausströmöffnungen.
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Das Konzept der Motorkühlung des erfindungsgemäßen Axialgebläses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Kühlluftstrom mittels einer zusätzlichen Fördervorrichtung durch den Motor gepumpt wird, der Kühlluftstrom aus dem Bereich des Luftauslasses des Axialgebläses angesaugt wird, in dem Wirbelströme entstehen und die Schmutzanteile durch den aus dem Axialgebläse austretenden Förderluftstrom mitgerissen werden, und der Kühlluftstrom nach Durchströmen des Motors in den Förderluftstrom abgegeben wird. Durch die spezielle Positionierung der Einströmöffnung kann der Schmutzanteil in dem Kühlluftstrom durch den Motor verringert werden. Durch das Abgeben des Kühlluftstroms in den Förderluftstrom kann eine Abgabe nach außen in die Umgebungsluft entfallen. Außerdem kann die Motorkühlung unabhängig von der Motorleistung und dem Förderluftstrom erfolgen, sodass der Motor insbesondere auch bei geringen Förderluftstromdurchflüssen gekühlt werden kann. Durch die spezielle Positionierung von Einström- und Ausströmöffnungen wird die im Motorkühlsystem erwärmte Kühlluft teilweise wieder in das Motorkühlsystem gesaugt, sodass bei niedrigen Temperaturverhältnissen eine verbesserte Aufwärmung des Motors erzielt werden kann und ein verbessertes Thermomanagement des Axialgebläses mit sanfteren Temperaturanstiegen und dadurch geringere Materialbelastungen erzielt werden können. Durch die zusätzliche Fördervorrichtung für den Kühlluftstrom im Motorkühlsystem wird ein aktives Kühlprinzip erreicht und kann auf eine Leistungserhöhung des Motors für Kühlzwecke verzichtet werden. Das Kühlprinzip kann auch bei Motorkonstruktionen mit thermisch schlecht leitenden Materialien und kleinen Volumenströmen des Förderluftstroms wirksam angewendet werden.
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Das Gehäuse des Axialgebläses hat eine zylindrische Grundform. Die Querschnittsform ist nicht notwendigerweise kreisförmig und die Querschnittsgröße ist nicht notwendigerweise über die Länge hinweg konstant. Die offenen Stirnenden sind vollständig offen oder zumindest teilweise offen, um einen Durchfluss des Förderluftstroms zu ermöglichen.
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Der Motor ist vorzugsweise ein Elektromotor mit grundsätzlich beliebige Funktionsprinzip. Der Motor weist beispielsweise einen Stator mit ersten Magnetpolen (z.B. Statorspulen) und einen auf einer Welle drehbar gelagerten Rotor mit zweiten Magnetpolen (z.B. Permanentmagnete) auf. Die magnetische Interaktion zwischen den Magnetpolen des Stators und des Rotors treibt den Rotor an, und der Rotor ist mit dem Lüfterrad gekoppelt. Bei dem Motor kann es sich um einen Gleichstrommotor oder einen Wechsel- oder Drehstrommotor (Synchronmaschine oder Asynchronmaschine) handeln. Die Kühlluftkanäle des Motorkühlsystems durchlaufen je nach Aufbau und Funktionsweise des Motors insbesondere die im Betrieb des Motors Wärme erzeugenden Komponenten und Bereiche des Motors, d.h. zum Beispiel den Stator und/oder den Rotor. Der Motor hat vorzugsweise ein zylindrisches Motorgehäuse, das in einem dem Lufteinlass zugewandten Stirnbereich und in einem dem Zwischenraum zugewandten Umfangsbereich im Wesentlichen geschlossen ist, sodass ein Eindringen des Förderluftstroms in den Motor verhindert wird.
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Die Fördervorrichtung des Motorkühlsystems ist bevorzugt in der Art eines Radialgebläses ausgestaltet, um eine effektive Funktionsweise zum Fördern des Kühlluftstroms durch das Motorkühlsystem zu erreichen. Die Fördervorrichtung des Motorkühlsystems kann unabhängig vom Motor betrieben werden oder wahlweise mit dem Motor gekoppelt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Einströmöffnung des Motorkühlsystems in einem dem Luftauslass zugewandten Stirnbereich (des Motors bzw. des Motorgehäuses) vorgesehen, vorzugsweise in der Mitte dieses Stirnbereichs. In diesem Bereich sind die Strömungsverhältnisse chaotisch, sodass Schmutzanteile nicht lange in der Strömung bleiben, sondern vom Förderluftstrom aus dem Luftauslass des Axialgebläses heraus mitgerissen werden, sodass der Schmutzanteil des angesaugten Kühlluftstroms reduziert ist. Die Ausströmöffnungen sind bevorzugt ebenfalls in dem dem Luftauslass zugewandten Stirnbereich vorgesehen, wobei die wenigstens eine Einströmöffnung in radialer Richtung innerhalb der mehreren Ausströmöffnungen positioniert ist. Hierdurch werden die Verwirbelungen in diesem Bereich noch verstärkt, sodass der Schmutzanteil im angesaugten Kühlluftstroms noch weiter reduziert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mehreren Ausströmöffnungen in radialer Richtung innerhalb des ringförmigen Zwischenraums zwischen dem Gehäuse und dem Motor positioniert. Auf diese Weise stabilisiert der aus den Ausströmöffnungen austretende Kühlluftstrom des Förderluftstrom, was eine geringere Lärmemission zur Folge hat und einen breiteren Betriebsbereich ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Motorkühlsystem ferner einen Ansaugkanal auf, der die mehreren Kühlluftkanäle mit der wenigstens einen Einströmöffnung verbindet. Bei dieser Ausgestaltung verläuft der Ansaugkanal vorzugsweise durch die Welle des Motors hindurch. Die Fördervorrichtung des Motorkühlsystems kann wahlweise in diesem Ansaugkanal oder im Bereich der Kühlluftkanäle platziert sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Motorkühlsystem ferner eine Filtervorrichtung zum Entfernen von Schmutz aus dem in die Einströmöffnung gesaugten Kühlluftstrom auf. Diese Filtervorrichtung ist bevorzugt in dem Ansaugkanal angeordnet. Im Fall eines langen Ansaugkanals durch die Motorwelle kann die Filtervorrichtung zum Beispiel eine definierte Engstelle und/oder einen Drallerzeuger aufweisen. Die Filtervorrichtung ist vorzugsweise mit einem Kanal zum Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Motor versehen, um den aus dem Kühlluftstrom entfernten Schmutz vor Durchströmen der Kühlluftkanäle durch den Motor in den Förderluftstrom abzugeben.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zylindrische Gehäuse des Axialgebläses im Bereich des Luftauslasses als Diffusor ausgestaltet. D.h. das Gehäuse hat im Bereich seines zweiten Stirnendes zum Beispiel einen sich erweiternden Querschnitt.
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Das Axialgebläse der Erfindung kann in vorteilhafter Weise in Lüftern für Passagierkabinen von Fahrzeugen, insbesondere Flugzeugen, eingesetzt werden.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigt die einzige 1 zum Teil schematisch eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Axialgebläses.
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In 1 ist beispielhaft der Aufbau eines erfindungsgemäßen Axialgebläses dargestellt, das zum Beispiel für einen Lüfter einer Passagierkabine eines Flugzeuges eingesetzt werden kann.
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Das Axialgebläse 10 hat ein grundsätzlich zylindrisches Gehäuse 12 mit einer Längsachse 13 und einem ersten offenen Stirnende (links in 1) und einem zweiten offenen Stirnende (rechts in 1). Das erste offene Stirnende dient als Lufteinlass 14 des Axialgebläses 10 und das zweite offene Stirnende dient als Luftauslass 14 des Axialgebläses 10. Im Bereich des Luftauslasses 15 hat das Gehäuse 12 einen sich erweiternden Querschnitt, um einen Diffusor zu bilden.
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Im Innern des Gehäuses 12 ist koaxial zur Längsachse 13 ein Motor 16 (bzw. Motorblock) platziert. Die Komponenten des Motors 16 sind in 1 nur beispielhaft und grob schematisiert dargestellt und positioniert.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 ist der Motor 16 ein Elektromotor mit einer zentralen Welle 17, einem Stator 18 und einem auf der Welle 17 drehbar gelagerten Rotor 19. Diese Komponenten 17-19 des Motors 16 sind in einem im Wesentlichen zylindrischen Motorgehäuse 20 angeordnet. Der Rotor 19 des Motors 16 ist mit einem aerodynamischen Lüfterrad 22 gekoppelt, um dieses zu rotieren. Das rotierende Lüfterrad 22 fördert einen Förderluftstrom 23 durch einen ringförmigen Zwischenraum 24 zwischen dem Motor 16 und dem Gehäuse 12 in axialer Richtung vom Lufteinlass 14 zum Luftauslass 15.
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Das Motorgehäuse 20 ist im Wesentlichen geschlossen ausgebildet, insbesondere in seinem dem Lufteinlass 14 zugewandten Stirnbereich (links in 1) und in einem dem Zwischenraum 24 zugewandten Umfangsbereich (oben und unten in 1). Hierdurch gelangt der Förderluftstrom 23 nicht ins Innere des Motorgehäuses 20, sodass er auch keinen Schmutz in den Motor 16 bringen kann.
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Zur Kühlung des Motors 16 bzw. seiner sich im Motorbetrieb erwärmenden Komponenten wir insbesondere Stator 18 und Rotor 19 ist ein spezielles Motorkühlsystem 26 im Motor 16 vorgesehen.
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Das Motorkühlsystem 26 hat eine Einströmöffnung 27 in der Mitte des dem Luftauslass 15 zugewandten Stirnbereichs 21 (rechts in 1) des Motorgehäuses 20. Von dieser Einströmöffnung 27 erstreckt sich ein langer Ansaugkanal 28 durch die Motorwelle 17. Mit diesem Ansaugkanal 28 sind mehrere Kühlluftkanäle 29 verbunden, die durch die zu kühlenden Motorkomponenten 18, 19 verlaufen und schließlich in Ausströmöffnungen 30 enden. Die Ausströmöffnungen 30 sind ebenfalls in dem dem Luftauslass 15 zugewandten Stirnbereich 21 des Motorgehäuses 20 platziert, wobei die Ausströmöffnungen 30 um die mittige Einströmöffnung 27 herum positioniert sind und in radialer Richtung innerhalb des Zwischenraums 24 für den Förderluftstrom 23 platziert sind.
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Das Motorkühlsystem 26 enthält ferner eine Fördervorrichtung 31, die vorzugsweise in der Art eines effektiven Radialgebläses ausgestaltet ist. Die Fördervorrichtung 31 ist im Bereich der Kühlluftkanäle 29 vorgesehen. Sie saugt einen Kühlluftstrom 33 in die Einströmöffnung 27 und durch den Ansaugkanal 28 in die Kühlluftkanäle 29 und pumpt den Kühlluftstrom 33 dann durch die Kühlluftkanäle 29 zu den Ausströmöffnungen 30 und aus diesen heraus in den Förderluftstrom 23. Die zusätzliche Fördervorrichtung 31 im Motorkühlsystem 26 ermöglicht ein aktives Kühlprinzip. Die Fördervorrichtung 31 ist wahlweise unabhängig vom Motor 16 betreibbar oder mit diesem gekoppelt.
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Im Bereich zwischen dem Stirnbereich 21 des Motorgehäuses 20 und dem Luftauslass 15 des Axialgebläses 10 sind die Strömungsverhältnisse des Förderluftstroms etwas chaotisch. Hierdurch entsteht ein Ablösegebiet, in dem Schmutzanteile des Förderluftstroms 23 nicht lange verbleiben, sondern von dem Förderluftstrom 23 aus dem Luftauslass 15 heraus mitgerissen werden. Als Folge davon hat der in die Einströmöffnung 27 gesaugte Kühlluftstrom 33 allenfalls einen geringen Schmutzanteil. Um auch diesen geringen Schmutzanteil noch aus dem Kühlluftstrom 33 zu entfernen, enthält das Motorkühlsystem 26 optional eine Filtervorrichtung 32. Diese Filtervorrichtung 32 ist im Ansaugkanal 28 in der Motorwelle 17 angeordnet und wird zum Beispiel durch eine definierte Engstelle oder einen Drallerzeuger gebildet, der den Schmutz durch Löcher im Ansaugkanal 28 durch einen Kanal in den Zwischenraum 24 abscheidet, wo er von dem Förderluftstrom 23 mitgerissen wird.
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Die Anordnung der Ausströmöffnungen 30 um die Einströmöffnung 27 herum regt die Verwirbelungen im Beriech hinter dem Stirnbereich 21 zusätzlich an, wodurch der Schmutzanteil im Kühlluftstrom 33 weiter reduziert wird. Die Anordnung der Ausströmöffnungen 30 radial innerhalb des Zwischenraums 24 stabilisiert außerdem den aus dem Luftauslass 15 austretenden Förderluftstrom 23. Dies führt zu geringeren Lärmemissionen und ermöglicht einen breiteren Betriebsbereich (d.h. auch niedrigere Volumenströme des Förderluftstroms 23). Durch das Einleiten des aus dem Motorkühlsystem 26 austretenden Kühlluftstroms 33 in den Förderluftstrom 23 kann auf ein zusätzliches Ableiten von Luftströmen in die Umgebung verzichtet werden.
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Die Einströmöffnung 27 befindet sich in der Nähe der Ausströmöffnungen30. Hierdurch wird ein Teil des durch den Kühlprozess erwärmten und aus dem Motorgehäuse 20 ausgegebenen Kühlluftstroms 33 durch die Einströmöffnung 27 wieder in das Motorkühlsystem 26 eingesaugt. Auf diese Weise kann zum Beispiel bei kalten Temperaturverhältnissen eine schnellere Aufwärmung des Motors 16 erzielt werden. Außerdem können ein verbessertes Thermomanagement des Axialgebläses mit sanfteren Temperaturanstiegen und dadurch geringere Materialbelastungen erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Axialgebläse
- 12
- zylindrisches Gehäuse
- 13
- Längsachse
- 14
- Lufteinlass
- 15
- Luftauslass
- 16
- Motor(block)
- 17
- Welle
- 18
- Stator
- 19
- Rotor
- 20
- Motorgehäuse
- 21
- Stirnbereich
- 22
- Lüfterrad
- 23
- Förderluftstrom
- 24
- ringförmiger Zwischenraum zwischen Gehäuse und Motor
- 26
- Motorkühlsystem
- 27
- Einströmöffnung
- 28
- Ansaugkanal
- 29
- Kühlluftkanäle
- 30
- Ausströmöffnungen
- 31
- Fördervorrichtung
- 32
- Filtervorrichtung
- 33
- Kühlluftstrom
