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Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad für einen Radiallüfter, aufweisend eine Anzahl von Schaufelblättern, welche stirnseitig um eine Kreislinie herum mit einer Tragscheibe und mit eine Deckscheibe verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Radiallüfter mit einem solchen Lüfterrad.
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Zur aktiven Kühlung von Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder Fahrzeugbatterien in Kraftfahrzeugen sind beispielsweise Kühlerlüfter vorgesehen, welche einen Luftstrom durch einen Fahrzeugkühler fördern. Derartige Kühlerlüfter sind beispielsweise als Radiallüfter ausgeführt.
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Unter einem Radiallüfter (Radialgebläse, Radialventilator) ist hier und im Folgenden ein Lüfter, beispielsweise ein Kühlerlüfter, zu verstehen, welcher (Kühl-)Luft axial ansaugt und - nach erfolgter Umlenkung (90°-Umlenkung) - radial ausfördert. Dies bedeutet, dass der Radiallüfter in radialer Richtung nach außen fördert (ausbläst). Radiallüfter weisen im Gegensatz zu Axiallüftern eine geringere Geräuschentwicklung auf. Insbesondere erzielen Radiallüfter bei gleicher Luftleistung deutlich geringere Schalldruckpegel.
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Derartige Radiallüfter weisen ein drehbares oder rotierbares Lüfterrad (Laufrad) als Fördermittel auf. Unter einem „Lüfterrad“ ist insbesondere eine rotationssymmetrische Komponente zu verstehen, welche eine (Lüfter-)Nabe und eine Anzahl von daran angebundenen Schaufelblättern (Lüfterschaufel, Lüfterblatt) aufweist.
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Das Lüfterrad eines Radiallüfter ist hierbei beispielsweise als ein Hohlzylinder ausgeführt, in welchem eine Anzahl von Schaufelblättern angeordnet sind, welche stirnseitig um eine Kreislinie herum mit zwei Scheiben verbunden sind. Die Schaufelblätter sind dazu vorgesehen und/oder eingerichtet, einen radial gerichteten Luftvolumenstrom zu erzeugen, sobald das Lüfterrad in eine rotatorische Bewegung versetzt wird. Die einströmseitige oder einlaufseitige Scheibe ist hierbei als eine etwa kreisringförmige Deckscheibe ausgeführt. Die gegenüberliegend angeordnete Scheibe ist als eine Befestigungs- oder Tragscheibe ausgeführt, wobei in der Mitte der Tragscheibe die Nabe als mechanische Schnittstelle zu einem (Lüfter-)Antrieb angeordnet ist.
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Die Schaufelblätter weisen jeweils eine radial innenseitige Vorderkante und eine radial außenseitige Hinterkante auf. Die Vorderkante eines Radiallüfter-Schaufelblatts verläuft hierbei in der Regel entlang der Axialrichtung jeweils entlang eines konstanten radialen Abstands bezüglich der Drehachse des Lüfterrads. Dies bedeutet, dass durch die Vorderkanten ein entlang der Axialrichtung konstanter Eintrittsdurchmesser gebildet ist. Mit anderen Worten weisen alle Punkte entlang der Vorderkante einen konstanten (radialen) Abstand bezüglich der Drehachse auf. Der Eintrittsdurchmesser im Bereich der Deckscheibe ist also gleich dem Eintrittsdurchmesser im Bereich der Tragscheibe, so dass im Wesentlichen ein gerader Kreiszylinder als Eintrittsvolumen oder Eintrittskanal von den Vorderkanten gebildet wird.
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Derartige Lüfterräder werden in der Regel als Spritzgussteile aus einem insbesondere thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt. Die Schaufelblätter verbinden hierbei die Deck- mit der Tragscheibe, wobei die Tragscheibe über die Nabe mit dem Antrieb mechanisch (beispielsweise verschraubt oder heiß verstemmt) verbunden ist. Der Radiallüfter wird häufig mit hohen Drehzahlen betrieben, was zu hohen zentrifugalen Fliehkräften führt. Aufgrund der hohen wirkenden Kräfte ergeben sich bei Radiallüfter aus Kunststoff hohe Verformungen, welche zu einem Versagen des Bauteils führen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein besonders geeignetes Lüfterrad für einen Radiallüfter anzugeben. Insbesondere soll die Stabilität des Lüfterrads gegenüber im Lüfterbetrieb auftretenden Fliehkräften verbessert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Radiallüfter anzugeben.
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Hinsichtlich des Lüfterrads wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Radiallüfters mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Lüfterrad angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Radiallüfter übertragbar und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Lüfterrad ist für einen Radiallüfter vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Unter einem „Lüfterrad“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine rotationssymmetrische Komponente zu verstehen, welche eine (Lüfter-)Nabe und eine Anzahl von daran angebundenen Schaufelblättern (Lüfterschaufel, Lüfterblatt) aufweist. Das beispielsweise hohlzylindrische Lüfterrad weist hierbei eine Anzahl von Schaufelblättern (Radiallüfterschaufeln) auf, welche stirnseitig um eine Kreislinie herum mit einer die Nabe aufweisenden Tragscheibe, und mit einer Deckscheibe verbunden sind. Die Deckscheibe ist hierbei einström- oder einlaufseitig angeordnet, und weist beispielsweise eine trichterförmige oder diffusorförmige Deckscheibenkrümmung zur Einleitung und radialen Umlenkung eines einströmenden Luftstroms auf.
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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 und/oder tangentialer Richtung orientiert, und in dieser Ebene beispielsweise 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.
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Jedes Schaufelblatt weist eine radial innenseitige Vorderkante und eine radial außenseitige Hinterkante auf. Die Vorderkante eines Schaufelblatts ist hierbei insbesondere diejenige Kante, welche im Lüfterbetrieb in Rotationsrichtung des Lüfterrads vorauseilt. Die Hinterkante eines Schaufelblatts ist entsprechend insbesondere diejenige Kante, welche im Lüfterbetrieb in Rotationsrichtung nacheilt.
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Die Vorderkanten bilden einen Eintrittsdurchmesser für die in das Lüfterrad einströmende Luft. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Eintrittsdurchmesser entlang der Axialrichtung erfindungsgemäß nicht konstant. Mit anderen Worten weisen die Vorderkanten entlang der Axialrichtung keinen konstanten (radialen) Abstand zu einer Drehachse des Lüfterrads auf. Somit verändert sich der Eintrittsdurchmesser entlang der Axialrichtung. Insbesondere unterscheidet sich der Eintrittsdurchmesser im Bereich der Deckscheibe von dem Eintrittsdurchmesser im Bereich der Tragscheibe. Durch die Vorderkanten wird daher erfindungsgemäß kein gerader Kreiszylinder als Eintrittsvolumen gebildet.
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Durch den sich axial verändernden oder variierenden Eintrittsdurchmesser ist eine Verbesserung der Festigkeit und mechanischen Stabilität des Lüfterrads ermöglicht, welche im Lüfterbetrieb zu einer geringeren (mechanischen) Verformung führt. Insbesondere ist somit eine Wirkungsgradsteigerung bezüglich der Luftleistung im Lüfterbetrieb realisierbar.
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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 Lüfterrads 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 der Deck- und Tragscheiben verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Lüfterrads oder der Deck- und Tragscheiben (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
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Die Vorderkante kann bauchig oder parabelförmig radial nach innen und außen gewölbt sein. In einer vorteilhaften Ausführung verjüngt sich jedoch der Eintrittsdurchmesser von der Deckscheibe zur Tragscheibe hin. Dies bedeutet, dass der Eintrittsdurchmesser von der Deckscheibe zur Tragscheibe reduziert wird. Vorzugsweise verjüngt oder reduziert sich der Eintrittsdurchmesser hierbei stetig. Durch die Reduzierung des Eintrittsdurchmessers zur Tragscheibe wird effektiv die Anbindungsfläche des Schaufelblatts zur Tragscheibe und somit die Stabilität zur Tragscheibe erhöht, wodurch die Verbindung von Deck- und Tragscheibe verbessert wird. Insbesondere verläuft die Kraftübertragung zur Tragscheibe radial nach innen, so dass ein gerader oder geradliniger „Kraftfluss“ von der Drehachse an der Tragscheibe zur Deckscheibe realisiert ist. Ohne schräge Vorderkante würde es beim Kraftfluss einen nicht optimalen 90°-Winkel zwischen den Schaufelblättern und Tragscheibe geben. Dadurch wird eine zu starke Verformung des Lüfterrads im Lüfterbetrieb verhindert.
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Die Anbindung der Schaufelblätter zur Nabe des Lüfterrads ist hierbei im Wesentlichen abhängig vom Durchmesser des Lüfterrads. Bei kleineren Lüfterrädern besteht die Möglichkeit, dass die Vorderkante mit einer der Tragscheibe emporstehenden kalottenartigen Lüfternabe verbunden ist. Bei größeren Lüfterrädern verläuft die Vorderkante vorzugsweise in die Tragscheibe.
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In einer denkbaren Weiterbildung verjüngt oder reduziert sich der Eintrittsdurchmesser insbesondere auf einen minimalen Eintrittsdurchmesser. Dies bedeutet, dass sich der Drehachsenabstand der Punkte entlang der Vorderkante vom Einlassdurchmesser an der Deckscheibe hin zu dem minimalen Eintrittsdurchmesser an der Tragscheibe verändert. Der minimale Eintrittsdurchmesser ist hierbei grö-ßer als Null und beispielsweise kleiner oder gleich dem halben Eintrittsdurchmesser im Bereich der Deckscheibe. Der minimale Eintrittsdurchmesser entspricht vorzugsweise im Wesentlichen dem Durchmesser eines mit dem Lüfterrad koppelbaren Lüfterantriebs.
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Die Änderung des Eintrittsdurchmessers von der Deckscheibe zur Tragscheibe weist beispielsweise einen nichtlinearen Verlauf auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung verändert sich der Eintrittsdurchmesser entlang der Axialrichtung jedoch insbesondere linear. Dadurch sind eine „schräge“ Vorderkanten gebildet, welche jeweils einen nicht konstanten Abstand bezüglich der Drehachse entlang der Axialrichtung aufweisen.
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Der Verlauf des Eintrittsdurchmessers ist somit unter einem Neigungswinkel gegenüber der Axialrichtung orientiert. In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Verlauf hierbei insbesondere einen spitzen Neigungswinkel, insbesondere einen Neigungswinkel kleiner 30°, beispielsweise zwischen 25° und 10°, vorzugsweise zwischen 20° und 10°, zum Beispiel etwa 15°, auf.
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In einer konstruktiv einfachen Ausführung ist das Lüfterrad als ein einstückiges, also einteiliges oder monolithisches, Spritzgussteil ausgeführt. Insbesondere ist das Lüfterrad hierbei aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit des Lüfterrads gewährleistet.
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In einer denkbaren Ausgestaltung sind die Schaufelblätter als einfach gekrümmte Kreisbogenschaufeln ausgeführt.
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Der erfindungsgemäße Radiallüfter ist insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Der Radiallüfter weist hierbei ein vorstehend beschriebenes Lüfterrad auf, welches antriebstechnisch mit einem elektromotorischen Antrieb gekoppelt ist. Durch das erfindungsgemäße Lüfterrad ist ein besonders geeigneter Radiallüfter realisiert. Insbesondere treten im Lüfterbetrieb geringere Verformungen des mechanisch stabileren Lüfterrads auf, so dass der Wirkungsgrad des Radiallüfters hinsichtlich der Luftleistung verbessert wird.
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Das Lüfterrad beziehungsweise die Lüfternabe der Tragscheibe ist beispielsweise drehfest mechanisch mit dem Antrieb verbunden. Beispielsweise ist die Lüfternabe mit dem Antrieb schraubbefestigt oder heiß verstemmt. Bei einem elektromotorisch angetriebenen Lüfterrad stellt die Nabe die Verbindung zum Elektromotor, insbesondere zum Rotor, dar, so dass ein von diesem erzeugtes Drehmoment auf das Lüfterrad übertragen wird.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in perspektivischer Darstellung für einen Radiallüfter mit einem Lüfterrad,
- 2 in Draufsicht den Radiallüfter,
- 3 in einer Schnittdarstellung den Radiallüfter, und
- 4 in einer schematischen Schnittdarstellung das Lüfterrad.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in den 1 bis 4 gezeigte Radiallüfter 2 weist ein Lüfterrad (Laufrad) 4 sowie einen damit gekoppelten elektromotorischen Antrieb 6 auf. Im Betrieb wird das Lüfterrad 4 entlang einer Drehrichtung DR mittels des Antriebs 6 angetrieben. In den Figuren sind eine Axialrichtung A und eine Radialrichtung R gezeigt.
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Das als einstückiges Spritzgussteil ausgeführte Lüfterrad 4 ist im Wesentlichen als ein Hohlzylinder ausgeführt, in welchem eine Anzahl von Schaufelblättern 8 ( 2) angeordnet sind, welche stirnseitig um eine Kreislinie herum mit zwei Scheiben verbunden sind. Die Schaufelblätter 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel als einfach gekrümmte Kreisbogenschaufeln ausgeführt.
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Die einströmseitige Scheibe ist hierbei als eine etwa kreisringförmige Deckscheibe 10 ausgeführt. Die Deckscheibe 10 weist eine trichterförmige oder diffusorförmige, konvex gekrümmte, Deckscheibenkrümmung 12 auf. Die gegenüberliegend angeordnete, antriebsseitige, Scheibe ist als eine Befestigungs- oder Tragscheibe 14 ausgeführt, wobei in der Mitte der Tragscheibe 14 eine Lüfternabe 16 als mechanische Schnittstelle zum Antrieb 8 angeordnet ist.
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Die Lüfternabe 16 ist hierbei insbesondere als ein dem Rest der Tragscheibe 14 axial emporstehender, kalottenförmiger, Nabentopf ausgeführt, wobei der Antrieb 6 zumindest teilweise innerhalb des Nabentopfs angeordnet ist.
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Der Antrieb 6 weist einen bürstenlosen Elektromotor 18 und einen Motorträger 20 auf. Der Elektromotor 18 ist von dem Motorträger 20 gehalten, wobei der Motorträger 20 zur Montage und Befestigung des Antriebs 6 beziehungsweise des Radiallüfters 2 an einer gewünschten Einbaustelle ausgeführt ist. Hierzu weist der Motorträger 20 beispielsweise drei umfangsseitig emporstehende Schraublaschen 22 auf.
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Der Elektromotor 18 ist an der dem Lüfterrad 4 zugewandten Stirnseite des Motorträgers 20 angeordnet. Auf der hierzu gegenüberliegenden Stirnseite ist ein Elektronikfach 24 zur Aufnahme einer nicht näher gezeigten Motorelektronik oder eines Motorsteuergeräts in den Motorträger 20 eingebracht. Das Elektronikfach 24 ist mit einer Deckel- oder Abdeckplatte (Elektronikdeckel) 26 verschlossen.
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In den Motorträger 20 ist eine axiale Motorachse 28 eingebracht, welche die Drehachse DA für die Drehbewegung des Lüfterrads 4 bildet. Der Elektromotor 18 ist als ein Innenläufer mit einem bewickelten Stator 30 und mit einem permanenterregten Rotor 32 ausgeführt. Der Rotor 32 ist mittels eines Wälzlagers 34 rotierbar an der Motorachse 28 gelagert.
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Der Rotor 32 weist hierbei eine Kunststoffumspritzung 36, also einen als Umspritzung ausgeführten Kunststoffmantel, auf. Der Rotor 32 ist mittels der Kunststoffumspritzung 36 drehfest mit der Lüfternabe 16 gekoppelt. Beispielsweise ist der Rotor 32 an der Lüfternabe 16 schraubbefestigt oder mit dieser heißverstemmt.
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In der schematischen und vereinfachten Darstellung der 4 ist das Lüfterrad 4 gezeigt.
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Wie in der 4 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weist eine radial innenseitige Vorderkante 38 des Schaufelblatts 8 eine Eintrittsbreite b1 auf, welche größer dimensioniert ist als eine Austrittsbreite b2 einer radial außenseitigen Hinterkante 40.
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Der radiale Abstand der Hinterkante 40 des Schaufelblatts 8 zur Drehachse DA, welcher nachfolgend als Außenradius R2 bezeichnet ist, entspricht der Hälfte des Außendurchmessers des Lüfterrads 4. Die Hinterkante 40 weist hierbei einen geraden oder axial orientierten Verlauf auf. Der radiale Abstand der Vorderkante 38 zur Drehachse DA, welcher nachfolgend als Eintritts- oder Saugradius bezeichnet ist, entspricht der Hälfte des korrespondierenden Eintrittsdurchmessers. Wie in der 2 ersichtlich ist weist die Vorderkante 38 entlang der axialen Eintrittsbreite b1 einen gegenüber der Drehachse DA schrägen oder geneigten linearen Verlauf auf. Der Eintrittsdurchmesser beziehungsweise der Eintrittsradius verjüng sich somit entlang einer Axialrichtung A.
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Die Vorderkante 38 weist hierbei im Bereich der Deckscheibe 10 einen Durchmesser oder Eintrittsradius R1 auf, welcher im Wesentlichen dem Eintrittsradius des durch die Deckscheibenkrümmung 12 gebildeten Saugmunds entspricht. Im Bereich der Tragscheibe 14 weist die Vorderkante 38 einen gegenüber dem Eintrittsradius R1 reduzierten minimalen Eintrittsradius R1min auf. Der Eintrittsradius R1 min ist vorzugsweise größer Null und kleiner oder gleich der Hälfte des Eintrittsradius R1. Insbesondere entspricht der Eintrittsradius R1 min im Wesentlichen dem Radius der Lüfternabe 16 beziehungsweise des Antriebs 6. Dadurch verjüngt oder reduziert sich der Eintrittsdurchmesser von der Deckscheibe 10 zur Tragscheibe 14 hin stetig und linear.
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Durch den linearen Verlauf der „schrägen“ Vorderkante 38 ist diese unter einem spitzen Neigungswinkel W gegenüber der Axialrichtung A beziehungsweise gegenüber der Drehachse DA orientiert. Der Neigungswinkel W ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 beispielsweise auf etwa 15° dimensioniert.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Radiallüfter
- 4
- Lüfterrad
- 6
- Antrieb
- 8
- Schaufelblatt
- 10
- Deckscheibe
- 12
- Deckscheibenkrümmung
- 14
- Tragscheibe
- 16
- Lüfternabe
- 18
- Elektromotor
- 20
- Motorträger
- 22
- Schraublasche
- 24
- Elektronikfach
- 26
- Deckelplatte
- 28
- Motorachse
- 30
- Stator
- 32
- Rotor
- 34
- Wälzlager
- 36
- Kunststoffumspritzung
- 38
- Vorderkante
- 40
- Hinterkante
- DR
- Drehrichtung
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- DA
- Drehachse
- b1
- Eintrittsbreite
- b2
- Austrittsbreite
- R1
- Eintrittsradius
- R1min
- Eintrittsradius
- W
- Neigungswinkel
