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Die Erfindung betrifft einen, vorzugsweise elektrisch (elektromotorisch) angetriebenen Kühlerlüfter, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer eine Lüfterradausnehmung aufweisenden Lüfterzarge und mit einem einen Außenring (Mantelring) umfassenden Lüfterrad, welches drehbar in der Lüfterradausnehmung angeordnet oder positioniert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kühlerlüftermodul, insbesondere als vormontierte Baueinheit.
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Moderne Verbrennungsmotoren, insbesondere Viertaktmotoren in Kraftfahrzeugen, werden typischerweise mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt, wozu in der Regel ein Gemisch aus Wasser, Frostschutzmittel und Korrosionsschutzmittel eingesetzt wird. Die Kühlflüssigkeit wird über Schläuche, Rohre und/oder Kanäle durch den Verbrennungsmotor (Zylinderkopf und Motorblock) sowie gegebenenfalls durch thermisch beanspruchte Anbauteile des Verbrennungsmotor, beispielsweise eines Abgasturboladers, eines Generators oder eines Abgasrückführkühlers, gefördert. Hierbei nimmt die Kühlflüssigkeit die verbrennungsmotorisch erzeugte Wärmeenergie auf und führt diese aus den genannten Komponenten ab. Die erwärmte Kühlflüssigkeit durchströmt einen Kühler, welcher frontseitig des Kraftfahrzeuges angebracht ist, und mittels dessen nach dem Wärmetauscherprinzip ein Luftstrom die Wärmeenergie vom Kühlmittel aufnimmt und dieses abkühlt, bevor das abgekühlte Kühlmittel erneut zum Verbrennungsmotor zurückfließt, wodurch der Kühlmittelkreislauf geschlossen ist.
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Ein solches Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, führt hauptsächlich diejenige Wärme ab, welche an die Wände von Brennräumen und Zylindern abgegeben wird. Da überhöhte Temperaturen den Verbrennungsmotor beschädigen würden, beispielsweis durch Abreißen eines Schmierfilms, Verbrennen von Ein- und/oder Auslassventile für das Kraftstoff-LuftGemisch oder dergleichen, muss der Verbrennungsmotor aktiv gekühlt werden. Um die Luft durch den Kühler zu fördern, ist in Strömungsrichtung vor dem Kühler (d.h. stromaufwärts) oder hinter dem Kühler (d.h. stromabwärts) ein Kühlerlüfter vorgesehen, welcher mechanisch über einen Riementrieb oder elektrisch über einen Elektromotor angetrieben ist.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen üblicherweise einen Elektromotor als elektrisches Antriebssystem, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zum Zwecke einer Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor typischerweise mit einer fahrzeuginternen (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher gekoppelt.
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Derartige Elektromotoren als elektrische Antriebsmaschinen erzeugen im Betrieb eine vergleichsweise geringe Abwärme, wodurch im Vergleich zu Verbrennungsmotoren lediglich eine geringe Kühlleistung benötigt wird. Bei elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugen tritt jedoch das zusätzliche Problem auf, dass die Batterie bei einer hohen Batterietemperatur, beispielsweise höher als 45 °C, beginnt zu degenerieren. Dies bedeutet, dass bei derartig erhöhten Temperaturen elektrochemische Reaktionen innerhalb der Batterie auftreten, welche die Batterie beschädigen oder vollständig zerstören.
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Zur Verbesserung der Elektromobilität sind bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen häufig sogenannte Schnellladebetriebe gewünscht, bei welchem die fahrzeuginterne Batterie innerhalb einer möglichst kurzen Zeitdauer aufgeladen wird. Im Zuge einer solchen Schnellladung treten vergleichsweise hohe Stromstärken auf, welche in der Folge während des Ladeprozesses eine Erhöhung der Batterietemperatur bewirken.
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Die Ladung der Batterie erfolgt in der Regel bei einem Fahrzeugstillstand, so dass kein Fahrtwind zur Kühlung vorhanden ist. Um die Kühlleistung im (Schnell- )Ladebetrieb der Batterie zu verbessern ist es beispielsweise möglich, mittels eines Kühlerlüfters einen kühlenden Luftstrom durch einen Wärmetauscher zu erzeugen.
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Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf einen Kühlerlüfter mit einer Lüfterzarge, welche eine Lüfterradausnehmung aufweist, und mit einem Lüfterrad, welches drehbar in der Lüfterradausnehmung angeordnet ist. Die Lüfterzarge weist in der Regel einen die Lüfterradausnehmung einfassenden Zargenring auf, wobei das Lüfterrad typischerweise einen Außenring oder Mantelring aufweist, welcher Blattspitzen der Lüfterradschaufeln umfangsseitig verbindet. Zwischen dem Außenring des Lüfterrads und dem Zargenring der Lüfterzarge ist ein lichter Abstand in Form eines ringförmigen Spaltes oder Zwischenraums, nachfolgend auch als Ringspalt bezeichnet, gebildet.
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Während des Betriebs eines solchen Kühlerlüfters stellt sich aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem rotierendem Lüfterrad und der feststehenden Kühlerlüfterzarge eine sogenannte Rück,- Leckage- oder Spaltströmung ein. Die sich einstellende Spaltströmung setzt sich aus einem Anteil aus der Umgebungsluft und einem Anteil des bereits geförderten Luftstroms zusammen. Die Spaltströmung bezeichnet hierbei insbesondere diejenige (Luft-)Strömung, welche sich im Spaltbereich aufgrund des Unterdruckes ausbildet, und welche wegen der Rotation des Lüfterrades drallbehaftet ist, also zumindest einen gewissen Drehimpuls beziehungsweise eine tangential gerichtete Strömungskomponente aufweist.
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Die drallbehaftete Spaltströmung führt in gewissen Anwendungsfällen zu einer Strömungsablösung an den Schaufelblättern des Lüfterrads. Dadurch wird die gewünschte Luftförderung gestört. Insbesondere wirkt die drallbehaftete Spaltströmung der Hauptströmung entgegen, wodurch das Anströmverhalten des Kühlerlüftermoduls negativ beeinflusst wird. Die Spaltströmung von der dem geförderten Luftstrom abgewandten Druckseite auf die dem geförderten Luftstrom zugwandte Saugseite des Kühlerlüfters wirkt sich erkanntermaßen reduzierend auf den Wirkungsgrad des Kühlerlüfters und negativ auf die Kühlleistung des Kühlsystems aus. Des Weiteren führt diese Spaltströmung mitunter zu einer sehr hohen Geräuschentwicklung, was den Komfort der Passagiere beim Betrieb des Kraftfahrzeuges mindert.
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Der Ringspalt weist hierbei typischerweise eine im Querschnitt etwa L-förmige Spaltgeometrie auf, welche im Wesentlichen als Labyrinth- oder Spaltdichtung wirkt, und somit die Spaltströmung entlang der Axialrichtung reduziert. Zur Drallreduzierung ist beispielsweise eine ringförmigen Rippenstruktur innerhalb der Spaltgeometrie angeordnet, welche die angesaugte drallbehaftete Spaltströmung wieder gleichgerichtet, was zu einer Stabilisierung der Strömung führt. Dadurch wird eine Strömungsablösung vermieden.
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Eine derartige Rippenstruktur ist beispielsweise aus der
US 7,762,769 B2 und der
EP 1 862 675 B1 bekannt. Die bekannte Rippenstruktur wirkt hierbei mit einer Tasche oder Auslassglocke des Zargenrings zusammen, wobei die Rippenstruktur zwischen den Wänden der Tasche angeordnet ist.
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Unter einer „Auslassglocke“ oder einer „(Zargenring-)Tasche“ ist hier und im Folgenden insbesondere ein Bereich des Zargenrings zu verstehen, welcher entlang der Axial- oder Förderrichtung des Kühlerlüfters etwa U-förmig umgebogen ist, also ein Zargenringabschnitt dessen Zargenringendfläche im Wesentlichen entgegen der Förderrichtung orientiert ist. Mit anderen Worten ist im Bereich der Tasche ein in Axial- und Radialrichtung dreiseitig eingefasster Hohlraum ausgebildet, in welchem die Rippenstruktur zumindest teilweise angeordnet ist.
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Derartige Auslassglocken oder (Zargenring-)Taschen benötigen einen verhältnismäßig großen axialen Bauraum, wodurch derartige Kühlerlüfter entlang der Axialrichtung großbauend sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Kühlerlüfter anzugeben. Insbesondere soll ein in Axialrichtung besonders bauraumkompakter Kühlerlüfter angegeben werden, bei welchem eine zuverlässige Reduzierung einer Spaltströmung ermöglicht ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde ein besonders geeignetes Kühlerlüftermodul anzugeben.
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Hinsichtlich des Kühlerlüfters wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kühlerlüftermoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Kühlerlüfter angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Kühlerlüftermodul übertragbar und umgekehrt.
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Der erfindungsgemäße Kühlerlüfter ist insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Der Kühlerlüfter weist eine Lüfterzarge mit einer Zargenoberseite und mit einer Zargenunterseite sowie mit einer Lüfterradausnehmung als Durchführöffnung von Zargenoberseite zur Zargenunterseite auf. In die Lüfterradausnehmung ist ein Lüfterrad mit einem Außenring eingesetzt, welcher die Blattspitzen von Schaufelblättern, welche sich ausgehend von einer (zentralen) Nabe oder einem Nabentopf in Radialrichtung erstrecken, miteinander verbindet. Im Betrieb des Kühlerlüfters rotiert das Lüfterrad und fördert hierbei einen Luftstrom (Hauptluftstrom, Förderluftstrom) von der Zargenoberseite zu der Zargenunterseite. Unter der Zargenoberseite ist somit insbesondere eine Saug- oder Einlassseite, also eine Einströmseite, des Kühlerlüfters zu verstehen. Entsprechend ist unter der Zargenunterseite insbesondere eine Druck- oder Auslassseite, also eine Ausström- oder Abströmseite, des Kühlerlüfters zu verstehen.
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Der Außenring ist auch als Mantelring oder als Außenband beziehungsweise Mantelband bezeichnet. Zwischen dem Außenring des Lüfterrads und einem die Lüfterradausnehmung der Lüfterzarge umgebenden oder begrenzenden Zargenring (Zargenband) ist ein - nachfolgend als Ringspalt bezeichneter - ringförmiger Spalt oder Zwischenraum gebildet, welcher den Außenring umlaufend umgibt.
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In den Ringspalt ist eine Rippenstruktur zur Drallreduzierung einer entgegen der Förderrichtung orientierten Spaltströmung eingebracht. Die Rippenstruktur ist eine Sperr- oder (Luft-)Leitstruktur für die Spaltströmung, und ist als solche im Betrieb des Kühlerlüfters wirksam. Die Rippenstruktur ist hierbei so ausgelegt oder ausgestaltet, dass wenn eine drallbehaftete Spaltströmung durch den Ringspalt strömt, diese zumindest teilweise über die Rippenstruktur geleitet wird, und dadurch ein Drall der Spaltströmung reduziert wird. Mit anderen Worten wird die Spaltströmung bei einem Durchströmen des Ringspalts entdrallt.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich der Zargenring an der Zargenunterseite, also der Druck- oder Auslassseite, mit einem Zargenringabschnitt über den Außenring axial hinaus. Der Zargenringabschnitt ist also derjenige Abschnitt oder Bereich des Zargenrings, welcher dem Außenring axial an der Zargenunterseite überragt. Der Zargenringabschnitt ist hierbei parallel oder unter einem Neigungswinkel radial einwärts gestellt zur Förderrichtung orientiert. Dadurch ist ein besonders geeigneter Kühlerlüfter realisiert. Insbesondere ist somit ein hinsichtlich der axialen Abmessungen besonders flachbauender Kühlerlüfter ermöglicht.
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Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Drehachse des Lüfterrads, also senkrecht zu den Stirnseiten des Kühlerlüfters beziehungsweise der Lüfterzarge verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Drehachse des Lüfterrads orientierte Richtung entlang eines Radius des Lüfterrads beziehungsweise des Zargenrings verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Lüfterrads oder des Zargenrings (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
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Der erfindungsgemäße Kühlerlüfter ist vorzugsweise als ein Axiallüfter ausgeführt. Unter einem Axiallüfter ist hier und im Folgenden ein Kühlerlüfter zu verstehen, welcher Kühlluft axial ansaugt und axial ausfördert. Dies bedeutet, dass der Axiallüfter in axialer Richtung nach außen fördert (ausbläst). Die Förderrichtung, also die Richtung des durch die Rotation des Lüfterrads erzeugte Luft- oder Volumenstroms, ist somit im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung orientiert.
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Unter einem „Lüfterrad“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine rotationssymmetrische Komponente, welche eine Nabe, insbesondere in Form eines Nabentopfes, und eine Anzahl von daran angebundenen Schaufelblättern aufweist. Bei einem elektromotorisch angetriebenen Lüfterrad stellt die Nabe die Verbindung zum Elektromotor, insbesondere über eine aus diesem herausragende Welle, dar, so dass ein von diesem erzeugtes Drehmoment auf das Lüfterrad übertragen wird. Die Schaufelblätter sind dazu vorgesehen und/oder eingerichtet, einen Luftvolumenstrom zu erzeugen, sobald das Lüfterrad in eine rotatorische Bewegung versetzt wird.
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Ein „Nabentopf“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein zentraler Teil des Lüfterrades, welcher sich nach Art eines klassischen Topfes aus einer Basisfläche und einer sich daran anschließende Zylinderfläche zusammensetzt. Insbesondere sind an dieser zylinderförmigen Außenwand die Schaufelblätter angeordnet, insbesondere angeformt. Der Nabentopf ist in der Mitte des Lüfterrades angeordnet und stellt eine Verbindung mit einem Antrieb, insbesondere mit einem Elektromotor, bereit, wenn es sich um ein elektromotorisch angetriebenes Lüfterrad handelt. In diesem Fall deckt der Nabentopf diesen Antrieb zumindest teilweise ab.
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Ein „Schaufelblatt“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein flacher Körper, welcher in einer Ebene, auf welcher die Rotationsachse senkrecht steht, in radialer Richtung orientiert und in dieser Ebene sichelförmig gebogen und/oder gegenüber dieser Ebene geneigt ist. Unter einem Schaufelblatt wird im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein Flügel (Lüfterflügel) oder ein Rotorblatt verstanden. Das Schaufelblatt ist an dem Nabentopf angeordnet und dafür vorgesehen, insbesondere eingerichtet, einen Luftvolumenstrom zu erzeugen, sobald das Lüfterrad in eine rotatorische Bewegung versetzt wird.
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In einer geeigneten Ausführung ist der axial überstehende Zargenringabschnitt taschenfrei ausgeführt. Mit anderen Worten weist der Zargenring keine (Zargenring-)Tasche beziehungsweise keine Auslassglocke, also keinen dreiseitig eingefassten Hohlraum, auf. Dies bedeutet, dass der Zargenringabschnitt parallel oder unter einem spitzen Neigungswinkel radial einwärts gestellt zur Förderrichtung orientiert ist. Unter einem „spitzen Neigungswinkel“ oder einem „spitzen Winkel“ ist ein Winkel kleiner oder gleich 90°, also ein Winkelbereich zwischen 0° und 90°, zu verstehen.
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Die Ausführung geht von der Erkenntnis aus, dass durch eine geeignete geometrische Ausgestaltung des Ringspalts beziehungsweise des Zargenringabschnitts eine positive Strömungsbeeinflussung der Spaltströmung ermöglicht ist, welche vergleichbar zu einer Tasche oder Auslassglocke ist. Der Zargenringabschnitt ist hierbei besonders einfach fertigbar und benötigt vorzugsweise weniger axialen Bauraum als eine gleichwirkende Tasche.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine (gedachte) Verbindungslinie von einer zargenunterseitigen Außenringendfläche, also die stirnseitige Endfläche des Außenrings, welche der Zargenunterseite zugewandt ist, zu einer Zargenringendfläche des Zargenringabschnitts unter einem spitzen Winkel gegenüber der Förderrichtung geneigt. Die Verbindungslinie ist hierbei innerhalb einer axialen und radialen Schnittebene orientiert. Die Verbindungslinie entspricht im Wesentlichen der Spaltöffnung zwischen dem Außenring und dem Zargenringabschnitt, durch welche die Spaltströmung einströmt. Durch den möglichst spitzen oder flachen Winkel wird sichergestellt, dass eine vergleichsweise große Eintrittsfläche realisiert ist, so dass die Spaltströmung zuverlässig über die Rippenstruktur führbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein axialer Abstand zwischen der Außenringendfläche und der Zargenringendfläche größer oder gleich einem radialen Abstand zwischen der Außenringendfläche und der Zargenringendfläche. Unter dem axialen Abstand wird hierbei insbesondere eine axiale Beabstandung zwischen den entlang der Förderrichtung am tiefsten orientierten Punkten der Endflächen verstanden, also denjenigen Punkten welche der Zargenunterseite am meisten zugewandt sind. Der Zargenringabschnitt ist hierbei derjenige Bereich des Zargenrings welcher sich entlang des axialen Abstands erstreckt, also der Bereich zwischen der Außenringendfläche und der Zargenringendfläche. Unter dem radialen Abstand ist hierbei insbesondere eine radiale Beabstandung der radial äußersten Punkte der Außenringendfläche und den radial innersten Punkten des Zargenringendfläche zu verstehen.
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Der spitze Winkel zwischen der Förderrichtung und der Verbindungslinie entspricht dem Arkustangens (Arctan) des Verhältnisses von radialem Abstand zu axialen Abstand der Endflächen. Dadurch, dass der axiale Abstand größer oder gleich dem radialen Abstand beziehungsweise der radiale Abstand kleiner oder gleich dem axialen Abstand ist, ist der spitze Winkel zwischen der Förderrichtung und der Verbindungslinie in dieser Ausgestaltung stets kleiner oder gleich 45, also in einem Winkelbereich zwischen 0° und 45°.Vorzugsweise ist der Winkel beispielsweise zwischen 15° und 45°, vorzugsweise zwischen 20° und 40°, insbesondere auf etwa 25°, dimensioniert. Dadurch ist eine besonders geeignete Öffnung des Ringspalts realisiert.
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In einer denkbaren Ausbildung weist der Außenring eine Radiallippe auf, welche im Bereich der Zargenoberseite in Radialrichtung bündig mit dem Ringspalt fluchtet. Mit anderen Worten fluchtet die Radiallippe mit der Spaltöffnung an der Zargenoberseite. Die Radiallippe steht dem Außenumfang des Außenrings radial über. Die Radiallippe übergreift hierbei zumindest abschnittsweise die Rippenstruktur.
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Der Zargenring weist an der Zargenoberseite im Bereich der Spaltöffnung geeigneterweise einen etwa radial gerichteten Stufenversatz auf, also einen radialen Zwischenbereich welcher zwei etwa axial gerichtete Bereiche des Zargenrings verbindet. Die Radiallippe ist hierbei radial fluchtend zu dem Stufenversatz angeordnet. Die Spaltöffnung an der Zargenoberseite ist somit zwischen der Radiallippe und dem Stufenversatz gebildet. Dadurch wird die lichte Weite zwischen dem Außenring und dem Zargenring beziehungsweise zwischen der Radiallippe und dem Stufenversatz reduziert, so dass an der Zargenoberseite eine besonders schmale Spaltöffnung gebildet ist. Durch die Radiallippe wird somit der Ringspalt in Richtung des Zargenrings reduziert, so dass die Radiallippe und der Zargenring nach Art einer Labyrinthdichtung zusammenwirken. Dadurch ist eine besonders zuverlässige Entdrallung der Spaltströmung gewährleistet.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Rippenstruktur eine Anzahl von umfangsseitig verteilt angeordneten Rippen aufweist, welche zumindest abschnittsweise radial in den Ringspalt hineinragen. Vorzugsweise ist die Rippenstruktur hierbei mit örtlich periodischen, dies bedeutet regelmäßig wiederholenden, vorzugsweise gleichartigen, Rippen oder Rippenelementen ausgeführt (ausgebildet), wobei weiter vorteilhaft die Rippen in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind. Beispielsweise sind die Rippen in einem Winkelversatz von etwa 10° entlang der Umfangs- oder Tangentialrichtung angeordnet. Mit anderen Worten ist die Rippenstruktur beispielsweise durch 36 umlaufend am Innenumfang des Zargenrings angeordnete Rippen gebildet.
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Die Rippen oder Rippenelemente weisen hierbei beispielsweise eine radial zentrisch zulaufende oder exzentrisch geneigte Rippenneigung auf. In einer senkrecht zur Axialrichtung orientierten Schnittebene weisen die Rippen beispielsweise eine dreieckförmige Querschnittsform auf. Alternativ sind die Rippen beispielsweise als dünne, im Wesentlichen freistehende Wände des Rippenspalts ausgebildet. In einer weiteren alternativen Ausführung ist die Rippenstruktur beispielsweise als eine Anzahl von radialen Taschen mit Rippeneffekt ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Rippenstruktur einstückig, also einteilig oder monolithisch, an einem dem Außenring zugewandten Innenumfang des Zargenrings angeformt. Dies bedeutet, dass sowohl die Spaltgeometrie des Ringspalts, als auch die Rippenstruktur von der geometrischen Gestaltung oder Ausführung des Zargenrings abhängig ist. Dadurch weist der Zargenring eine vorteilhafte Funktionsintegration auf, so dass eine besonders einfache und flexible Anpassung des Ringspalts beziehungsweise der Rippenstruktur an eine jeweilige Anwendung ermöglicht ist. Zweckmäßigerweise ist der Zargenring hierbei als ein Spritzgussteil ausgebildet.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Zargenringabschnitt unter einem Neigungswinkel, insbesondere einem spitzen Neigungswinkel, radial einwärts gestellt zur Förderrichtung orientiert. Der Zargenringabschnitt hintergreift hierbei den Außenring zumindest abschnittsweise in Radialrichtung. Vorzugsweise wird hierbei die Radiallippe des Außenrings radial von dem Zargenringabschnitt hintergriffen. Dadurch ist zwischen der Spaltöffnung an der Zargenoberseite, welche insbesondere zwischen der Radiallippe und dem Stufenversatz des Zargenrings ausgebildet ist, und zwischen der Spaltöffnung an der Zargenunterseite, welche insbesondere zwischen der Außenringendfläche und der Zargenringendfläche ausgebildet ist, zumindest ein gewisser radialer Versatz realisiert. Mit anderen Worten ist die zargenoberseitige Spaltöffnung radial nach außen, und die zargenunterseitige Spaltöffnung radial nach innen versetzt angeordnet. Dadurch wird die Wirkung des Ringspalts als Labyrinthdichtung weiter verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausbildung weist der Zargenring im Bereich des Ringspalts eine umlaufende Kontur auf, welche die lichte Weite zwischen dem Zargenring und dem Außenring im Spaltbereich zumindest abschnittsweise reduziert. Die Kontur bewirkt hierbei insbesondere eine radiale Verengung des Ringspalts entlang der Axialrichtung. Die Kontur ist beispielsweise als ein radial nach innen gerichteter Stufenversatz und/oder als eine radial gerichtete Radiallippe oder Ringwand des Zargenrings ausgebildet. Die Kontur ist hierbei vorzugsweise geschlossen umlaufend, also entlang des gesamten Innenumfangs des Zargenrings angeordnet, wobei zusätzlich die Rippenstruktur, insbesondere die periodisch angeordneten Rippen, vorgesehen sind. Dadurch ist eine besonders zuverlässige und konstruktiv einfache Entdrallung der Spaltströmung realisiert.
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Das erfindungsgemäße Kühlerlüftermodul ist vorzugsweise als eine vormontierte Baueinheit ausgestaltet, welche sich aus dem vorstehend beschriebenen Kühlerlüfter und einem vorzugsweise als Innenläufer ausgeführten Elektromotor zusammensetzt, welcher mittels radial orientierter Streben in der Lüfterradausnehmung der Lüfterzarge gehalten ist. Dabei ist der Rotor des Innenläufers in der Nabe des Lüfterrades drehfest angeordnet, während der Stator mittels der Streben zargenfest gehalten ist.
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Unter „Kühlerlüftermodul“ wird im Sinne der Erfindung daher ein solcher Kühlerlüfter verstanden, der elektrisch bzw. elektromotorisch angetrieben (betrieben) und zusammen mit dem Elektromotor als vormontiertes Bauteil (Modul) bereitgestellt ist. Die Halterung des Lüfterrades erfolgt hierbei vorzugsweise mittels (radial orientierten) Streben, welche den feststehenden Teil eines Antriebs, insbesondere den Stator eines Elektromotor, mit der Kühlerzarge verbinden, während der rotierende Teil des Antriebs, insbesondere der Rotor des Elektromotors, mit dem zentralen Nabentopf drehfest verbunden ist, an welchem die radial orientierten Schaufelblätter des Lüfterrades angebunden, insbesondere einteilig (einstückig, monolithisch) angeformt, sind.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in Perspektive ein Kühlerlüftermodul mit einer Lüfterzarge und mit einem in einer zargenseitigen Ausnehmung drehbar angeordneten Lüfterrad, das einen Nabentopf zur Aufnahme eines Elektromotors und eine Anzahl von Schaufelblättern aufweist, deren Blattspitzen mit einem Außenring verbunden sind,
- 2 in Draufsicht das Kühlerlüftermodul mit Blick auf eine Zargenoberseite,
- 3 in Draufsicht das Kühlerlüftermodul mit Blick auf eine Zargenunterseite,
- 4 in Draufsicht ausschnittsweise eine Rippe einer Rippenstruktur gem. 2,
- 5 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie V-V gemäß 3 den Bereich eines Ringspaltes zwischen dem Außenring des Lüfterrades und einem die zargenseitige Ausnehmung begrenzenden Zargenring,
- 6 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie VI-VI gemäß 3 den Bereich einer Rippe des Ringspaltes zwischen dem Außenring des Lüfterrades und einem die zargenseitige Ausnehmung begrenzenden Zargenring,
- 7 in schematischer Darstellung der Ringspalt gemäß 5 und 6, und
- 8 bis 15 in schematischen Darstellungen unterschiedliche Ausführungsformen des Ringspalts.
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Einander entsprechende Teile und Richtungsangaben sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Kühlerlüftermodul 2 mit einem Kühlerlüfter 4. Der Kühlerlüfter 4 weist eine Lüfterzarge 6 und ein Lüfterrad 8 auf.
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In der Lüfterzarge 6 ist eine Lüfterradausnehmung 10 ausgebildet, welche durch einen Zargenring 12 begrenzt wird beziehungsweise begrenzt ist. Das Lüfterrad 8 weist einen zentralen Nabentopf 14 auf, an den außenseitig eine Anzahl von Schaufelblättern (Lüfterflügel) 16 angeformt sind, welche in Radialrichtung R orientiert sind. Wie insbesondere in der 2 ersichtlich ist, weist das Lüfterrad 8 in diesem Ausführungsbeispiel neun Schaufelblätter 16 auf. Die Schaufelblätter 16 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Ein mit dem Nabentopf 14 gekoppelter Motorhalter oder Haltering 18 ist zentral innerhalb der Lüfterradausnehmung 10 angeordnet, und über Streben 20 mit der Lüfterzarge 6 mechanisch verbunden. Wie insbesondere in der 3 ersichtlich ist, ist der Motorhalter 18 hierbei mittels zehn Streben 20 innerhalb der Lüfterradausnehmung 10 gehalten. Die Streben 20 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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In dem Motorhalter 18 ist ein nicht näher gezeigter Elektromotor gehalten, dessen Rotor vom Stator umgeben ist. Mit anderen Worten ist der Elektromotor insbesondere als ein Innenläufer ausgebildet. Eine Motorelektronik 22 (3) ist mittels an den Streben 20 geführten Leitungen an eine elektrische Energieversorgung, beispielsweise an ein Kraftfahrzeugbordnetz angeschlossen oder anschließbar. Das Kühlerlüftermodul 2 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, in ein Kraftfahrzeug frontseitig eingebaut zu werden. Der Kühlerlüfter 4 ist hierbei insbesondere als ein Axiallüfter ausgeführt.
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Die Streben 20 sind in Förderrichtung F der vom Kühlerlüftermodul 2 in dessen Betrieb erzeugten Luftströmung gesehen, dies bedeutet in Axialrichtung A hinter dem Lüfterrad 8 angeordnet. Die Förderrichtung F ist hierbei von einer in 2 gezeigten Zargenoberseite oder Zargenfrontseite O zu einer in 3 gezeigten Zargenunterseite oder Zargenrückseite U orientiert. Der Stator ist somit auf der Rückseite des Lüfterrads 8 direkt oder über den Motorhalter 18 indirekt an die Streben 20 angebunden, welche wiederum mit der Lüfterzarge 6 verbunden sind. Der Stator des Elektromotors ist somit starr mit der Lüfterzarge 6 verbunden, und der Rotor des Elektromotors ist zusammen mit dem Lüfterrad 8 drehbeweglich in der Lüfterradausnehmung 10 der Lüfterzarge 6 gehalten.
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Das in der Lüfterradausnehmung 10 angeordnete Lüfterrad 6 wird im Betrieb des Kühlerlüftermoduls 2 von dem Elektromotor rotatorisch in die in den Figuren durch den Pfeil D symbolisierte Drehrichtung angetrieben. Die Drehrichtung D ist hierbei parallel zu einer Tangential- oder Umfangsrichtung der Lüfterradausnehmung 10 beziehungsweise des Zargenrings 12. Die Schaufelblätter 16 sind in dieser Drehrichtung D an deren Vorderkanten 16a konkav und an deren Hinterkanten 16b im Wesentlichen konvex und vorzugsweise wellig ausgestaltet.
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Die Schaufelblätter 16 sind an deren Blattspitzen 16c mittels eines umlaufenden Außenrings 24 miteinander verbunden beziehungsweise mechanisch gekoppelt. Der Außenring 24 dient unter anderem der Stabilisation der Schaufelblätter 16 während der Rotationsbewegung des Lüfterrades 8. Mittels des Außenrings 24 wird zudem der Luftstrom geleitet, und die aerodynamischen Eigenschaften des Lüfterrads 6 werden verbessert. Zwischen dem (lüfterradseitigen) Außenring 24 und dem (ausnehmungsseitigen) Zargenring 12 ist ein umlaufender Ringspalt 26 gebildet.
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Das Kühlerlüftermodul 2 ist vorzugsweise als eine (vor-)montierte Baueinheit bereitgestellt, und weist somit einen von der Lüfterzarge 6 und dem Lüfterrad 8 gebildeten Kühlerlüfter 4 sowie den Elektromotor auf, dessen Rotor im Nabentopf (in der Lüfternabe) 14 des Lüfterrades 8 drehfest angeordnet ist, und dessen Stator mittels der in Radialrichtung R (radial) orientierten Streben 20 in der Lüfterradausnehmung 10 der Lüfterzarge 6 zargenfest gehalten ist.
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In den Ringspalt 26 ist eine Rippenstruktur 28 zur Drallreduzierung einer entgegen der Förderrichtung F orientierten Spaltströmung eingebracht. Die Rippenstruktur 28 ist eine (Luft-)Leitstruktur für eine Entdrallung der Spaltströmung, und ist als solche im Betrieb des Kühlerlüfters 4 wirksam. Der Ringspalt 26 ist somit als ein Rippenspalt ausgeführt.
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Die Rippenstruktur 28 weist in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise sechsunddreißig (36) umfangsseitig verteilt angeordnete Rippen oder Rippenelemente 30 auf, welche zumindest abschnittsweise radial in den Ringspalt 26 hineinragen. Die Rippen 30 sind in Umfangsrichtung äquidistant, also in einem Winkelversatz von etwa 10°, entlang der Umfangs- oder Tangentialrichtung angeordnet.
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Die Rippen 30 oder Rippenelemente sind als im Wesentlichen freistehende Wände des Rippenspalts 26 einstückig, also einteilig oder monolithisch, an einem dem Außenring 24 zugewandten Innenumfang 32 des Zargenrings 12 angeformt. Wie beispielsweise in der 4 ersichtlich ist, weisen die Rippen 30 eine radial zentrisch zulaufende Rippenneigung auf. Die Rippen 30 der Rippenstruktur 26 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Die Spaltgeometrie, also die geometrische Querschnittsform des Ringspalts 26 ist anhand der Schnittdarstellungen der 5 und 6 näher dargestellt. Die Schnittdarstellungen sind hierbei entlang der Schnittlinien V-V und VI-VI der 3 orientiert, und zeigen jeweils einen Blick auf eine axial-radiale Schnittebene, also eine Schnittebene, welche von der Axialrichtung A und der Radialrichtung R aufgespannt ist. Die Schnittlinie V-V verläuft hierbei durch einen rippenfreien Bereich des Ringspalts 26, wobei die Schnittlinie durch eine Rippe 30 hindurch verläuft.
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Wie in den Schnittansichten der 5 und der 6 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist der Zargenring 12 an der Zargenoberseite O einen radialen Stufenversatz 34 auf. Der Stufenversatz 34 fluchtet hierbei entlang der Radialrichtung R mit einer zargenoberseitigen Radiallippe 36 des Außenrings 24. Der Außenring 24 weist mit der Radiallippe 36 eine etwa L-förmige Querschnittsform in den gezeigten Schnittebenen auf, wobei sich die Radiallippe 36 als horizontaler L-Schenkel in radialer Richtung über den Außenumfang des Außenrings 24 erstreckt. Die Radiallippe 36 übergreift hierbei die Rippenstruktur 28 beziehungsweise deren Rippen 30 entlang der Radialrichtung R zumindest abschnittsweise. Zwischen dem Stufenversatz 34 des Zargenrings 12 und der Radiallippe 36 des Außenrings 24 ist eine zargenoberseitige Spaltöffnung 38 des Ringspalts 26 als Auströmöffnung oder Auslassöffnung für die Spaltströmung vorgesehen.
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Der Zargenring 12 erstreckt sich im Bereich der Zargenunterseite U, also der Druck- oder Auslassseite der Lüfterradausnehmung 10, mit einem Zargenringabschnitt oder (Zargen-)Ringverlängerung 40 über den Außenring 24 axial hinaus. In dem in 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zargenringabschnitt 40 hierbei zur Förderrichtung unter einem Neigungswinkel NW radial einwärts gestellt orientiert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Neigungswinkel NW etwa 45°. Mit anderen Worten ist der Zargenringabschnitt 40 radial einwärts gebogen oder geknickt. Der Zargenringabschnitt 40 hintergreift somit die Radiallippe 36 des Außenrings 24 zumindest abschnittsweise in Radialrichtung R. Der Zargenringabschnitt 40 ist taschenfrei, also ohne eine Zargenringtasche oder Auslassglocke ausgebildet.
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Zur Zargenunterseite U hin weist der Außenring 24 eine axial stirnseitige Außenringendfläche 42, und der Zargenringabschnitt 40 eine axial stirnseitige Zargenringendfläche 44 auf. Zwischen der Außenringendfläche 42 und der Zargenringendfläche 44 besteht ein radialer Abstand dR und ein axialer Abstand dA. Der axiale Abstand dA bezeichnet hierbei die axiale Beabstandung zwischen den etwa radial orientierten Endflächen 42, 44, wobei der radiale Abstand dR die radiale Beabstandung zwischen der radial äußersten Kante der Außenringendfläche 42 und der radial innersten Kante der Zargenringendfläche 44 bezeichnet.
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In dem Ausführungsbeispiel der 5 und 6 ist der axiale Abstand dA größer als der radiale Abstand dR dimensioniert. Insbesondere ist der axiale Abstand dA etwa doppelt so groß wie der radiale Abstand dR dimensioniert. Eine in den Figuren strichpunktiert eingezeichnete Verbindungslinie V zwischen den Endflächen 42, 44, welche beispielhaft von der radial außenseitigen Unterkante der Außenringendfläche 42 zur radial innenseitigen Unterkante der Zargenringendfläche 44 gezeigt ist, weißt hierbei gegenüber der Förderrichtung F einen spitzen Winkel W auf, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa auf 25° dimensioniert ist. Die Verbindungslinie V entspricht hierbei im Wesentlichen einer der Zargenunterseite U zugewandten Spaltöffnung 46, durch welche die Spaltströmung einströmen kann.
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Wie insbesondere in der 6 ersichtlich ist, ist die Rippe 30 als einstückig angeformte (radiale) Materialverdickung des Zargenrings 12 ausgeführt. Der Ringspalt 26 weist im Bereich der Rippen 30 eine etwa L-förmige Querschnittsform auf, welche hinsichtlich der Spaltströmung als eine Labyrinthdichtung wirkt.
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In den 7 bis 15 sind unterschiedliche Spaltgeometrien und Rippenstrukturen 28 in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen gezeigt.
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Der Begriff „etwa“ bezeichnet bei einer Winkelangabe nachfolgend insbesondere einen gewissen Winkelbereich um den angegeben Winkelwert, beispielsweise ± 5°. Beispielsweise ist ein Winkel von etwa 45° als (45 ± 5)°, also als ein Winkelbereich zwischen 40° bis 50°, zu verstehen. Im Hinblick auf Längenangaben oder Verhältnisse, beispielsweise im Hinblick auf den radialen Abstand dR und den axialen Abstand dA, ist der Begriff „etwa“ als ein Wertebereich zu verstehen, dessen Grenzen sich insbesondere anhand geometrischer Beziehungen aus damit in Zusammenhang stehenden Winkelangaben ableiten lassen. Beispielsweise sind der radiale Abstand dR und der axiale Abstand dA bei einem Winkel W von etwa 45° etwa gleich groß dimensioniert, insbesondere ist das Verhältnis der Abstände (dR/dA) zwischen 0,839 (Arctan(40°)) und 1,192 (Arctan(45°)).
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Das Ausführungsbeispiel der 7 entspricht im Wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der 5 und der 6, wobei der Neigungswinkel NW und der Winkel W jeweils auf etwa 35° dimensioniert sind.
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In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zargenringabschnitt oder die Ringverlängerung 40 parallel zur Förderrichtung F oder Axialrichtung A orientiert. Mit anderen Worten ist der Neigungswinkel NW gleich 0°. Der radiale Abstand oder Radialabstand dR ist hierbei größer als der axiale Abstand oder Axialabstand dA dimensioniert, so dass der Winkel W größer als 45°, beispielsweise etwa 50° ist.
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Der Zargenring 12 weist im Bereich des Ringspalts 26, also im Bereich zwischen den Spaltöffnungen 38 und 46, eine stufenförmige Kontur 48 auf. Die nachfolgend auch als Stufenkontur 48 bezeichnete Kontur 48 ist umlaufend an dem Innenumfang 32 angeformt, und bewirkt eine radiale Verengung des Ringspalts 26. In der Ausführungsform der 8 weist die Stufenkontur 48 hierbei einen Stufenversatz auf, welcher unter einem Winkel gegenüber der Förderrichtung geneigt oder geknickt verläuft. Mit anderen Worten ist der Zargenring 12 im Bereich der Stufenkontur 48 unter einem nicht näher bezeichneten spitzen Winkel kleiner 90° radial einwärts gestellt.
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Das Ausführungsbeispiel der 9 zeigt eine Spaltgeometrie, welche etwa der Ausführungsform der 8 entspricht, wobei die Stufenkontur 48' einen radial gerichteten Stufenversatz aufweist, welcher den Zargenring 12 im Bereich des Ringspalts 26 unter einem Winkel von etwa 90° radial einwärts stellt.
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Die 10 zeigt eine Ausführungsform der Spaltgeometrie, bei welcher der Zargenringabschnitt 40 radial einwärts gekrümmt ist. Der Zargenringabschnitt 40 ist hierbei um einen Neigungswinkel von etwa 90° radial einwärts gebogen, so dass die Endflächen 42, 44 etwa senkrecht zueinander orientiert sind. Mit anderen Worten ist die Zargenringendfläche 44 etwa axial orientiert. Der Axialabstand dA ist hierbei größer als der Radialabstand dR dimensioniert, wobei der Winkel W der Verbindungslinie V etwa 35° ist.
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Die 11 zeigt eine Spaltgeometrie mit einem parallel zur Förderrichtung F orientierten Zargenringabschnitt 40, und einer Stufenkontur 48' mit einem radialen Stufenversatz. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 9 ist die Stufenkontur 48' nicht im Bereich der Spaltöffnung 38 sondern im Bereich der axial gegenüberliegenden Spaltöffnung 46 angeordnet. Insbesondere ist der Stufenversatz der Stufenkontur 48' etwa auf der axialen Höhe der Außenringendfläche 42 angeordnet. Die Rippen 30 erstrecken sich hierbei ausgehend von dem Stufenversatz entgegen der Förderrichtung F. Der Axialabstand dA und der Radialabstand dR sind etwa gleich dimensioniert, so dass der Winkel W der Verbindungslinie V etwa 45° ist.
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Die 12 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Stufenkontur 48 im Bereich des axial überstehenden Zargenringabschnitts 40, also in Förderrichtung F axial unterhalb der Außenringendfläche 42, angeordnet ist. Die Rippen 30 erstrecken sich hierbei ausgehend von dem Stufenversatz entgegen der Förderrichtung F. Mit anderen Worten erstrecken sich die Rippen 30 zumindest teilweise über den Zargenringabschnitt 40. Der zargenunterseitige, axial gerichtete Bereich des Zargenringabschnitts 40 verläuft hierbei parallel zur Förderrichtung F, also parallel zur Axialrichtung A beziehungsweise der Längsrichtung des Außenrings 24. Der Axialabstand dA ist größer als der Radialabstand dR dimensioniert, wobei der Winkel W der Verbindungslinie V etwa 30° ist.
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In der 13 ist ein Ausführungsbeispiel der Spaltgeometrie gezeigt, bei welcher der Zargenringabschnitt 40 parallel zur Förderrichtung F ausgerichtet ist. Der Radialabstand dR ist hierbei etwa doppelt so groß wie der Axialabstand dA dimensioniert. Der Winkel W der Verbindungslinie V ist hierbei etwa 65°.
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In der 14 ist eine Ausführungsform der Spaltgeometrie dargestellt, bei welcher der radiale Stufenversatz der Stufenkontur 48' etwa auf halber axialer Höhe des Außenrings 24 angeordnet ist. Die Rippen 30 sind erstrecken sich hierbei ausgehend von dem Stufenversatz entgegen der Förderrichtung F. Der Zargenringabschnitt 40 ist parallel zu Förderrichtung F orientiert, wobei der Radialabstand dR kleiner als der Axialabstand dA dimensioniert ist, und wobei der Winkel W der Verbindungslinie V etwa 35° beträgt.
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Die 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Zargenringabschnitt 40 parallel zur Förderrichtung F ausgebildet ist. Der Radialabstand dR ist hierbei wie im Ausführungsbeispiel der 13 etwa doppelt so groß wie der Axialabstand dA dimensioniert. Der Winkel W der Verbindungslinie V ist hierbei etwa 65°. In dieser Ausführungsform ist der Zargenring 12 mit einer umlaufenden Kontur 50 versehen. Die nachfolgend auch als Radiallippe bezeichnete Kontur 50 ist hierbei als eine freistehende, radial verlaufende Ringwand ausgebildet, welche etwa auf halber axialer Höhe des Außenrings 24 angeordnet ist. Bezogen auf die Axialrichtung A oder die Förderrichtung F erstrecken sich die Rippen 30 hierbei oberhalb und unterhalb der Radiallippe 50.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Insbesondere ist eine derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lüfterzarge 6 auch geeignet, Abwärme aus Komponenten eines rein elektrisch betriebenen Fahrzeugs abzuführen. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie sich dieser aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kühlerlüftermodul
- 4
- Kühlerlüfter
- 6
- Lüfterzarge
- 8
- Lüfterrad
- 10
- Lüfterradausnehmung
- 12
- Zargenring
- 14
- Nabentopf
- 16
- Schaufelblatt
- 16a
- Vorderkante
- 16b
- Hinterkante
- 16c
- Blattspitze
- 18
- Motorhalter
- 20
- Strebe
- 22
- Motorelektronik
- 24
- Außenring
- 26
- Ringspalt
- 28
- Rippenstruktur
- 30
- Rippe
- 32
- Innenumfang
- 34
- Stufenversatz
- 36
- Radialrippe
- 38
- Spaltöffnung
- 40
- Zargenringabschnitt
- 42
- Außenringendfläche
- 44
- Zargenringendfläche
- 46
- Spaltöffnung
- 48, 48'
- Kontur/Stufenkontur
- 50
- Kontur/Radialrippe
- R
- Radialrichtung
- A
- Axialrichtung
- F
- Förderrichtung
- O
- Zargenoberseite
- U
- Zargenunterseite
- D
- Drehrichtung
- NW
- Neigungswinkel
- dA
- Abstand/Axialabstand
- dR
- Abstand/Radialabstand
- V
- Verbindungslinie
- W
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7762769 B2 [0012]
- EP 1862675 B1 [0012]
