DE102022210555A1

DE102022210555A1 - Ventilator und Kühlstruktur für einen Ventilator

Info

Publication number: DE102022210555A1
Application number: DE102022210555.9A
Authority: DE
Inventors: Frieder Lörcher; Sven Lönne; Matthias Stahl; Daniel Seifried
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2022-10-06
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2024074177A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventilator mit einem Laufrad, und einem Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Stator, einen Rotor und ggf. einen Elektroniktopf umfasst, wobei dass an der Außenwand radial außerhalb des Stators und/oder des Elektroniktopfes eine Kühlstruktur ausgebildet oder vorgesehen ist, die einen Strömungspfad für ein Fluidum, vorzugsweise für Luft, bildet, durch den infolge einer durch den Betrieb des Ventilators erzeugten Druckdifferenz eine Strömung induziert wird, die Wärme vom Elektromotor und/oder vom Stator und/oder vom Elektroniktopf abführt. Außerdem betrifft die Erfindung eine entsprechende Kühlstruktur für einen Ventilator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilator mit besonderer Kühlstruktur sowie eine Kühlstruktur, insbesondere zur verbesserten Kühlung eines Elektromotors infolge einer zwischen Kühlstruktur und Elektromotor induzierten Kühlströmung.
Ventilatoren der gattungsbildenden Art sind hinlänglich aus der Praxis bekannt. Lediglich beispielhaft sei dazu auf die WO 2020/015792 A1 verwiesen.
Ventilatoren werden regelmäßig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, bspw. ≥60°C. Insbesondere in „saugender“ Anordnung, wo bspw. heiße Luft eines Wärmetauschers durch den Ventilator gesaugt wird, machen sich entsprechende Temperaturen nachteilig bemerkbar. Insbesondere die in einer integrierten Elektronik befindlichen Elektronikbauteile (beim EC-Ventilator) sowie andere Komponenten wie Lager, Isoliermaterialien, Wicklungsdrähte, etc. unterliegen gewissen Temperaturgrenzen, die die Leistung und bzw. Drehzahl des Ventilators limitieren. Zu hohe Temperaturen führen zu einer Schädigung der Komponenten.
Im Stand der Technik gibt es bereits Ansätze zur Vermeidung der zuvor genannten Überhitzungsprobleme. So werden bereits EC-Außenläufermotoren mit integrierter Elektronik mit integrierter Kühlung ausgestattet. Dies bedarf einer Neukonstruktion des Motors. Auch gibt es bereits Naben mit Durchbrüchen oder Aussparungen, die Wirkungsgradeinbußen hervorrufen. Eine bessere Umströmung des Motors mit Luft kann dadurch bewirkt werden.
Auch sind aus der Praxis bereits Kühlsysteme mit Durchbrüchen am Statorflansch bekannt, wobei auch dies eine Umkonstruktion der Motoren bzw. der Statoren erfordert. Auch gibt es bereits zusätzliche Bauteile zur Leitung von kühlender Luft an bzw. um den Motor. Dies ist konstruktiv aufwendig und wenig effizient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik auftretenden Probleme zumindest weitgehend zu eliminieren. Mit einfachen Mitteln soll eine hinreichend gute Kühlung des Elektromotors des Ventilators erreicht werden. Auch soll es möglich sein, die zur Kühlung erforderliche Kühlstruktur nachzurüsten, um eine Motorentwärmung zu verbessern und Wirkungsgradeinbußen des Ventilators zu minimieren. Außerdem sollen sich der erfindungsgemäße Ventilator und die erfindungsgemäße Kühlstruktur von wettbewerblichen Produkten unterscheiden.
Voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wonach an der Außenwand radial außerhalb des Stators und/oder des Elektroniktopfes eine Kühlstruktur ausgebildet bzw. vorgesehen ist. Die Kühlstruktur bildet zusammen mit dem Motor einen Strömungspfad für ein Fluidum, im einfachsten Falle für Umgebungsluft. Durch diesen Strömungspfad hindurch wird eine Strömung in Folge des Betriebs des Ventilators per Druckdifferenz induziert. Dadurch wird Wärme vom Elektromotor und/oder vom Stator und/oder vom Elektroniktopf weggeführt. Mit anderen Worten erfolgt durch das Abführen von Wärme eine Kühlung.
Die erfindungsgemäße Kühlstruktur lässt sich auf sehr unterschiedliche Arten realisieren. Wesentlich ist dabei, dass der Strömungspfad nicht durch funktionswesentliche Komponenten des Motors hindurchführt. Ohne die Kühlstruktur ist ein solcher Motor voll funktionsfähig, jedoch mit reduziertem Kühlvermögen. Entsprechend kann die Kühlstruktur nachgerüstet werden. Dazu kann die Kühlstruktur in einem besonderen Bauteil ausgebildet sein.
Auch ist es denkbar, dass die Kühlstruktur in ein vorzugsweise gegossenes Nachleitgehäuse integriert und durch das Nachleitgehäuse bereitgestellt wird. Eine solche Kühlstruktur umfasst einen den Motor mit radialem Abstand umgebenden Topf, der mit Hilfe des vom Ventilator erzeugten Strömungsfeldes gezielt durchströmt wird, so dass eine verbesserte Motorentwärmung stattfindet. Durch diese Maßnahme lassen sich Wirkungsgradeinbußen des Ventilators reduzieren.
Sofern die Kühlstruktur nachgerüstet wird, ist die Vorkehrung eines im Vergleich zur Laufradnabe im Durchmesser vergrößerten Nabentopfes erforderlich, wobei dieser vergrößerte Nabentopf mindestens 105% und maximal 130%, vorzugsweise 115% der Größe (des Durchmessers) des herkömmlichen Nabentopfes haben sollte.
Die Kühlstruktur kann direkt oder indirekt am Stator befestigt werden. Sie weist im zusammengebauten Zustand mit dem Stator, im Inneren der Kühlstruktur, mindestens einen, vorzugsweise drei axiale Durchbrüche bzw. Durchgänge auf. Diese bilden Strömungspfade in Axialrichtung, nämlich von einer Seite der Kühlstruktur zur axial gegenüberliegenden Seite der Kühlstruktur. Der mindestens eine Strömungspfad bzw. die mehreren Strömungspfade zwischen der einen und der anderen Seite der Kühlstruktur sind in vorteilhafter Weise mit Hilfe einer speziellen Leitkontur zur Kühlströmungsführung ausgebildet, die in Zusammenwirken mit der Außenwand des Motors bzw. des Stators bzw. des Elektronikgehäuse die Strömungspfade bilden. Sie verlaufen axial am Motor bzw. Stator bzw. Elektronikgehäuse entlang. Aufgrund des vom Ventilator im Betrieb erzeugten Strömungsfeldes, insbesondere der Druckdifferenz zwischen den beiden axial gegenüberliegenden Seiten der Kühlstruktur, strömt „kalte“ Umgebungsluft mit relativ hoher Geschwindigkeit und hohen Turbulenzgraden durch die Strömungspfade innerhalb der Kühlstruktur hindurch, am Stator und / oder Elektronikgehäuse entlang, und kühlt den Motor sowie die darin befindliche Leistungselektronik hinreichend gut.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Ansprüchen 1 und 12 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventilators anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen einen Ventilator mit einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur integriert in eine tragende Nachleiteinheit mit Gehäuse, Nachleiteinrichtung und Strebenflügeln,
2 in perspektivischer Ansicht von der Zuströmseite her gesehen den Ventilator gemäß 1
3 in ebener axialer Draufsicht von der Zuströmseite her gesehen den Ventilator mit tragender Nachleiteinheit aus 1 und 2,
4 in ebener axialer Draufsicht von der Abströmseite her gesehen den Ventilator mit tragender Nachleiteinheit aus 1 bis 3,
4a eine Detailansicht aus 4 im Bereich der Kühlstruktur, wobei schematisch ein Breitenmaß eingezeichnet ist,
5 in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse den Ventilator mit tragender Nachleiteinheit gemäß 1 bis 4, wobei nur die Hälfte oberhalb der Ventilatorachse dargestellt ist, mit schematisch eingezeichneten Abmessungen,
5a eine Detailansicht aus 5 im Bereich der Kühlstruktur, wobei schematisch weitere Kennmasse eingezeichnet sind,
6a eine Detailansicht ähnlich 5a im Bereich der Kühlstruktur, mit einer weiteren Ausführungsform einer Kühlstruktur mit einem Einlaufbereich der Kühlströmungsführung,
7 in ebener axialer Draufsicht von der Zuströmseite her und in einem Ausschnitt gesehen eine erfindungsgemäße Kühlstruktur mit außen daran integrierten Leitelementen mit eingebautem Elektromotor,
8 in perspektivischer Ansicht von der Statorseite her gesehen eine weitere Ausführungsform einer Kühlstruktur für einen Ventilator mit darin eingebautem Elektromotor, wobei keine Kühlströmungsführung vorgesehen ist,
9 in ebener axialer Draufsicht von der Statorseite her gesehen die Kühlstruktur mit Elektromotor aus 8, wobei schematisch zwei Abmessungen eingezeichnet sind,
10 in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse die Kühlstruktur mit Elektromotor aus 8 und 9,
11 in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen eine weitere Ausführungsform eines Ventilators mit einer Kühlstruktur integriert in eine innere Nachleiteinrichtung, wobei die Tragfunktion von einer metallischen Strebenaufhängung übernommen wird und keine tragende Nachleiteinheit ausgeführt ist,
12 in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen eine weitere Ausführungsform einer Kühlstruktur eines Ventilators radialer Bauart, wobei die Kühlstruktur in eine Motortragplatte eines Tragmoduls integriert ist,
13 in einer Seitenansicht und in einem Teilschnitt in einem Bereich in der Nähe der Kühlstruktur an einer Ebene durch die Achse die Kühlstruktur mit Elektromotor aus 12, und
13a eine Detailansicht von 13 im Bereich der Kühlstruktur, wobei zusätzlich schematisch ein Kennmass eingezeichnet ist.

1 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen einen Ventilator 57 axialer Bauart mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur 40, welche hier einstückig in einer tragenden Nachleiteinheit 1 integriert ist. Die Nachleiteinheit 1 besteht insbesondere aus einem Gehäuse 2, einem Zwischenring 5, einem Nabenring 4, zwischen Nabenring 4 und Zwischenring 5 sich erstreckenden inneren Leitflügeln 11 und zwischen Zwischenring 5 und Gehäuse 2 bzw. dessen Diffusorbereich 10 sich erstreckenden Strebenflügeln 3. Die Nachleiteinheit 1 ist vorteilhaft einstückig in einem Gussverfahren, vorteilhaft KunststoffSpritzguss, hergestellt.
Das Gehäuse 2 definiert die äußere Begrenzung einer innerhalb des Gehäuses 2 verlaufenden Ventilatordurchströmung. Das Gehäuse 2 besteht aus verschiedenen Bereichen, in Durchströmrichtung gesehen zunächst aus einer Einlaufdüse 9, dann einem vorteilhaft zylindrischen Bereich 29, innerhalb dessen das Laufrad 19 mit seinen Flügeln 22 angeordnet ist, und einem Diffusorbereich 10, an dem die Strebenflügel 3 befestigt sind. Stromab des Laufrades 19 innerhalb des Gehäuses 2 ist eine innere Nachleiteinrichtung bestehend insbesondere aus strömungstechnisch wirksamen inneren Nachleitfügeln 11, die sich zwischen Nabenring 4 und Zwischenring 5 erstrecken, angeordnet. Infolge der strömungstechnischen Wirkung der inneren Nachleitflügel 11 im Zusammenspiel mit Zwischenring 5 und dem Nabenring 4, sind der statische Wirkungsgrad und die Luftleistung, speziell die statische Druckerhöhung bei einem bestimmten Fördervolumenstrom, des Ventilators 57 besonders hoch. Am Nabenring 4 ist radial innerhalb dessen im statorseitigen Aufnahmebereich 8, auch als Nabentopf 8 bezeichnet, der Motor 34 mit seinem Stator 36 an einem Flansch 54 der Kühlstruktur 40, der hier auch als Motorbefestigungsflansch 59 dient, befestigt, sodass die inneren Nachleitflügel 11 und der Zwischenring 5 auch eine tragende Funktion für den Motor 36 und letztendlich auch das Laufrad 19 innehaben.
Um den Motor 34 mit dem Laufrad 19 und die innere Nachleiteinrichtung am äußeren Gehäuse 2 zu halten, sind die äußeren Strebenflügel 3 vorgesehen. Diese haben allenfalls eine untergeordnete strömungstechnische Funktion und dienen überwiegend der Befestigung der inneren Nachleiteinrichtung und somit des Motors 34 und dem Laufrad 19 am äußeren Gehäuse 2. Sie sind lärmgünstig ausgeführt, sodass infolge ihrer Präsenz im Betrieb des Ventilators 57 kein oder nur wenig zusätzlicher Lärm erzeugt wird. Insgesamt sind innerhalb des Gehäuses 2 im axialen Bereich des Diffusors 10 in Spannweitenrichtung gesehen (von Nabenring 4 zu Diffusor 10 gesehen) zwei unterschiedliche Durchströmbereiche, ein äußerer Durchströmbereich 6 zwischen dem Zwischenring 5 und der Diffursorwand 10 des Gehäuses 2 und ein innerer Durchströmbereich 7 zwischen Nabenring 4 und Zwischenring 5 ausgebildet.
Der innere Durchströmbereich 7 hat die tragenden inneren Leitelemente 11, die strömungstechnische Funktion haben und beispielsweise Strömungsdrall reduzieren, einen Aufbau von statischem Druck bewirken, Nabenrückströmung vermeiden oder reduzieren und die aufgrund ihrer radial inneren Lage nur wenig Lärm erzeugen.
Der äußere Durchströmbereich 6 hat die ebenfalls tragenden Strebenflügel 3, im Ausführungsbeispiel 6 Stück, vorteilhaft 4-8 Stück, über dem Umfang verteilt, die lärmoptimiert ausgeführt sind. An der tragenden Nachleiteinheit 1 sind, an den Randbereichen des Gehäuses 2 zuström- und abströmseiteig Flansche integral ausgeführt, die vorteilhaft verschiedene Befestigungsvorkehrungen aufweisen.
Am zuströmseitigen Flansch sind Befestigungsvorkehrungen 20 zur Befestigung der Nachleiteinheit 1 und somit des Ventilators 57 an einem übergeordneten Gerät oder System vorhanden, ebenso wie am abströmseitigen Flansch Befestigungsvorkehrungen 21 zur Befestigung der Nachleiteinheit 1 an einem übergeordneten Gerät oder System ausgeführt sind.
Des Weiteren sind am abströmseitigen Flansch Befestigungsvorkehrungen 25 für ein Berührschutzgitter vorgesehen, welche ähnlich auch am zuströmseitigen Flansch vorgesehen sein können. Die Berührschutzgitter können am Bereich 25 so versenkt angeschraubt werden, dass sie axial nicht über die Nachleiteinheit 1 überstehen, was zu einer guten Handhabbarkeit und zu einer guten Stapelbarkeit der Ventilatoren 57 führt.
Der Zwischenring 5 ist an seinem abströmseitigen Rand 12 wellig ausgeführt und kann auch gezackt oder geschlitzt ausgeführt sein. Er kann aber auch kreisrund ohne Welligkeit ausgeführt sein.
Innerhalb des Nabenrings 4 im statorseitigen Aufnahmebereich 8 wird der Motor an der tragenden Nachleiteinrichtung 1 an einem integral einstückig angebrachten Motortragflansch 59 befestigt, der hier gleichzeitig der Flansch 54 der Kühlstruktur ist. Zur Versteifung und Stabilisierung der Verbindung mit dem Motor sind noch Versteifungsrippen 58 innerhalb des statorseitigen Aufnahmebereichs 8 angebracht. Insbesondere sind im statorseitigen Aufnahmebereich 8 Vorkehrungen zur Verbesserung der Motorentwärmung vorgesehen, beispielsweise hier erkennbare Kühlströmungsführungen 14.
Am gezeigten Ventilator ist eine Kühlstruktur 40 ausgebildet, die im Ausführungsbeispiel einstückig in die tragende Nachleiteinheit 1 integriert ist. Die Kühlstruktur 40 wird im Betrieb des Ventilator 57 von einer Kühlströmung durchströmt, der einen zusätzlichen Wärmestrom vom Motor 34 bzw. vom Stator 36 bzw. vom Elektroniktopf 13 abführt. Sie besteht im Ausführungsbeispiel aus dem Nabenring 4 und den radial innerhalb darin einstückig angebrachten Elementen, insbesondere dem Kühlstrukturflansch 54, hier auch als Motortragflansch 59 ausgeführt, mit in einer speziellen Gestaltung, die anhand weiterer Darstellungen noch genauer beschrieben wird, und vorteilhafter Weise, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, des Weiteren aus den Kühlströmungsführungen 14.
Es ist denkbar, beim Formwerkzeug zur Fertigung der tragenden Nachleiteinheit 1 Wechseleinsätze im Bereich innerhalb des Nabenrings 4, also im statorseitigen Aufnahmebereich 8, vorzusehen, um verschiedene Schnittstellen zu verschiedenen Motoren und/oder verschiedene Ausführungsformen der hier integral mit der tragenden Nachleiteinrichtung 1 angefertigten Kühlstruktur 40 zu realisieren. Dabei kann, neben dem Lochkreis zur Befestigung der Motoren, beispielsweise auch die axiale Anschraubebene für den Motor, also die axiale Position des Kühlstrukturflansches / Motortragflansches 54, 59, innerhalb des Aufnahmebereichs 8 variieren. Auch das Vorhandensein oder die Gestaltung der Kühlströmungsführungen 14 kann variieren.
Vom Motor 34, der hier ein Außenläufermotor ist und der weiter vorteilhaft als EC-Motor, vorteilhaft mit integrierter Motorelektronik, ausgeführt ist, ist der Stator 36 zu erkennen. Im Stator 36 ist eine Motorelektronik in einem integrierten Elektroniktopf / Elektronikgehäuse 13 ausgebildet. Ein Elektroniktopf / Elektronikgehäuse kann auch als separates Bauteil an einem Stator befestigt sein. Die Kühlstruktur 40 fördert in ihrer Wirkweise die Wärmeabfuhr von Abwärme am Stator 36 des Motors 34 und im Ausführungsbeispiel insbesondere von dessen Elektroniktopf 13. Dadurch werden Elektronikkomponenten besser gekühlt, und der Motor kann bei gleicher Umgebungs- bzw. Fördermitteltemperatur höhere Drehmomente und somit höhere Leistungen erbringen.
Zwischen Außenkontur des Stators 36 bzw. des Elektroniktopfes 13 ist infolge der Gestaltung der Kühlstruktur 40 mit dem Nabenring 4 im Nabentopf 8 am statorseitigen Ende in Radialrichtung hinreichend Platz vorhanden. Insbesondere ist der Außendurchmesser des Nabenrings 4 bzw. der Kühlstruktur D_N 27 (siehe 4a oder 5) um mindestens 15%, vorteilhaft 30%, größer als der Außendurchmesser D_E 63. des Elektroniktopfs 13 (siehe 5) im Bereich der Kabelanschlüsse 53 (siehe auch 4a). Dies ist vorteilhaft und ermöglicht in der Montage ein einfaches Anschließen der benötigten elektrischen Kabel an den Stator 36 bzw. den Elektroniktopf 13 des Motors 34..
2 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Zuströmseite her gesehen den Ventilator 57 gemäß 1. Zusätzlich und ergänzend zu 1 ist das Laufrad 19 mit seinen an einer Nabe 31 einstückig befestigten Flügeln 22 besser zu erkennen. An der Nabe 31 des Laufrads 22 ist eine Nabenhaube 37 befestigt, vorteilhaft mit Rasthaken eingerastet. Die Nabenhaube 37 stellt im Nabenbereich des Laufrads 19, im Zusammenspiel mit der Nabe 37, eine strömungsgünstige Kontur sicher, welche vorteilhaft für hohen Wirkungsgrad und niedrige Schallwerte ist. Innerhalb der Nabenhaube 37, die in einem radial inneren Bereich eine große Öffnung aufweist, ist der Rotor 35 des Motors 34 zu erkennen. Durch diese Gestaltung der Nabenhaube 37 mit einer inneren Öffnung ist eine gute Kühlung des Rotors 35 des Motors 34 gewährleistet. Im Betrieb des Ventilators 57 rotiert das Laufrad 19, angetrieben vom Rotor 35 des Motors 34, an dem es befestigt ist, in Drehrichtung 32, hier etwa im Uhrzeigersinn. Dadurch wird vom Ventilator 57 ein Fördermedium, häufig Luft, von der hier sichtbaren Zuströmseite in Durchströmrichtung durch die axialen Bereiche Einlaufdüse 9, Laufradbereich 29 und Diffusor 10 zu der axial der Zuströmseite gegenüberliegenden Abströmseite gefördert. Insbesondere wird auf den so geförderten Fördermedienstrom Energie übertragen, der in Form einer Druckerhöhung, insbesondere einer Totaldruckerhöhung und/oder einer Erhöhung des statischen Druckes, messbar ist. Der Fördermedienstrom teilt sich hier stromab des Laufrads in zwei Hauptanteile auf, einen Anteil, der durch den äußeren Durchströmbereich 6 strömt und einen zweiten, der durch den inneren Durchströmbereich 7 strömt.
3 zeigt in ebener axialer Draufsicht von der Zuströmseite her gesehen den Ventilator 57 mit tragender Nachleiteinheit 1 aus 1 und 2. Ergänzend zu den Beschreibungen zu 1 und 2 kann man hier erkennen, dass die Nabe 4 der Nachleiteinheit 1 und somit ganz insbesondere die Kühlstruktur 40 radial über die Nabe 37 des Laufrads 19 überstehen. Dies ist vorteilhaft für die Wirkweise der Kühlstruktur 40 zur Kühlung des Motors 34 bzw. dessen Stators 36 bzw. dessen Elektroniktopfs 13. Beispielsweise kann die vom Laufrad 19 geförderte Strömung stromab des Laufrads 19 in dem Radialbereich zwischen Außenradius der Laufradnabe 37 und Innenradius der Nabe 4, die den äußeren Rand der Kühlstruktur 40 bildet, in die Kühlstruktur 40 einströmen und die Motorkühlung verbessern.
4 zeigt in axialer Draufsicht und von der Abströmseite her gesehen den Ventilator 57 mit der Kühlstruktur 40, die hier in eine tragenden Nachleiteinheit 1 integriert ist, gemäß 1 bis 3. Es sind, ergänzend zu den Ausführungen zu 1 bis 3, gut der äußere Durchströmbereich 6, der von den Strebenflügeln 3 durchzogen ist, und der innere Durchströmbereich 7 mit den inneren Leitflügeln 11 zu erkennen. Im Betrieb des Ventilators 57 rotiert das Laufrad 22 mit den Flügeln 19 in Drehrichtung 32 in der Ansicht gegen den Uhrzeigersinn um die Ventilatorachse. Der Motor 34 ist in der Kühlstruktur 40 im statorseitigen Aufnahmebereich 8, auch als Nabentopf 8 bezeichnet, an einem hier auch als Motortragflansch 59 fungierenden Flansch 54 der Kühlstruktur 40 mittels Befestigungsvorkehrungen 18, vorteilhaft Schrauben, angebracht. Die Kühlstruktur 40 erhöht im Betrieb des Ventilators 57 die Wärmeabfuhr vom Motor 36, insbesondere dessen Stator 36 und weiter insbesondere dessen Elektroniktopf 13, und wirkt in dieser Weise in Kombination mit dem Elektromotor 34 bzw. dem Stator 26 bzw. dem Elektroniktopf 13 bezüglich der Motorkühlung als Funktionseinheit zusammen.
Der Diffusorbereich 10 weitet sich vom Bereich 29 für das Laufrad 19 (siehe auch 1) hin zum ausströmseitigen Rand des Gehäuses 2 auf. Auch der Zwischenring 5 weitet sich vom Laufrad 19 beginnend hin zu seinem abströmseitigen Rand 12 leicht auf (5). Dadurch sind im Ausführungsbeispiel sowohl der innere Durchströmbereich 7 als auch der äußere Durchströmbereich 6 diffusorartig, d.h. sich in Durchströmrichtung erweiternd, ausgebildet. Dies ist vorteilhaft für einen hohen Druckrückgewinn stromab des Laufrads 19 und somit für einen hohen statischen Wirkungsgrad des Ventilators 57. Besonders vorteilhaft ist die statische Druckerhöhung im Strömungspfad zwischen Laufrad 19 und Austritt aus dem Ventilator 57 insbesondere auch für eine mögliche, vorteilhafte Wirkweise der Kühlstruktur 40 zur Kühlung des Motors 34 bzw. Stators 36 bzw. Elektroniktopfs 13.
Innerhalb der Kühlstruktur 40 im statorseitigen inneren Aufnahmebereich 8 wird nämlich durch die Druckdifferenz, also den dann höheren statischen Druck am abströmseitigen Ende (bezüglich der Ventilatorhauptströmung) der Kühlstruktur 40 im Vergleich zu deren zuströmseitigen Ende (bezüglich der Ventilatorhauptströmung), eine Kühlströmung entgegen der Hauptströmungsrichtung induziert. Diese Kühlströmung kühlt den Motors 34 bzw. Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 zusätzlich, indem sie daran vorbeiströmt. Sie kann zwischen Motor 34 und der Kühlstruktur 40, hier zusätzlich geleitet durch die Kühlströmungsführungen 14, durch Durchlässe im Bereich des Kühlstrukturflanschs 54 bis auf die gegenüberliegende Seite des Kühlstrukturflanschs 54 Richtung Zuströmseite strömen (siehe insbesondere 5, 5a)
4a ist eine Detailansicht aus 4 im Bereich der Kühlstruktur 40, wobei schematisch das Breitenmaß B 16 eingezeichnet ist. B 16 bezeichnet hier die Breite einer Kühlströmungsführung 14, also ihre Erstreckung in eine Richtung etwa quer zur Ventilatorachse, also in etwa in Umfangsrichtung. Da zur Kühlströmungsführung 16 ein hier nicht sichtbarer Kühldurchlass 42 durch den Kühlstrukturflansch 54 mit ähnlicher Erstreckung in Umfangsrichtung korrespondiert (siehe insbesondere 5a, 7), kann B insbesondere auch als Breite des Kühldurchlasses 42 interpretiert werden. Im Ausführungsbeispiel sind über den Umfang verteilt drei Kühldurchlässe (42) mit zugeordneten Kühlströmungsführungen 14 vorgesehen. Infolge dieser Konfiguration werden die drei den Kühlströmungsführungen 14 radial direkt gegenüberliegenden Bereiche an der radial nach außen gerichteten Oberfläche des Elektroniktopfes 13 des Motors 34 besonders gut gekühlt, da infolge der Kühlströmungsführungen 14 und der Kühldurchlässe 42 kühlendes Strömungsmedium mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsturbulenz nah an den entsprechenden Oberflächen vorbeigeleitet werden. Vorteilhaft sind dies Bereiche, an denen eine gute Kühlung besonders wichtig ist, beispielsweise genau gegenüber innen im Elektroniktopf angeordneten leistungselektronischen Komponenten, die besonders viel Wärme erzeugen, wie beispielsweise eine Ausgangsstufe (IGBT) oder eine Eingangsstufe, oder auch gegenüber besonders temperaturempfindlichen Bauteilen. Bei Verwendung von Kühlströmungsführungen 14 ist ihre Breite B 16 bzw. die Breite B 16 der Kühldurchlässe 42 vorteilhaft in einem Bereich von 10% - 45% des Durchmessers D_N 27 des statorseitigen Aufnahmebereiches 8 der Kühlstruktur 40.
In 5 ist in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse der Ventilator 57 mit tragender Nachleiteinheit 1 gemäß 1 bis 4 mit schematisch eingezeichneten Abmessungen im Bereich der Kühlstruktur 40, der Laufradnabe 31 und der Einlaufdüse 9 dargestellt. Ergänzend zu den betreffenden Figuren kann hier sehr gut die Kontur der aerodynamisch günstig, gerundet und tangentenstetig an die Nabe 31 des Laufrads 19 übergehend gestaltete Nabenhaube 37, die im Bereich der Nabe des Laufrads 19 angebracht ist, erkannt werden.
Der Motor 34, bestehend aus Stator 36 und Rotor 35, ist nicht geschnitten dargestellt. Der Stator 36, umfassend hier auch den Elektroniktopf 13, ist auch als Motorbefestigungsflansch 59 fungierenden Kühlstrukturflansch 54 im Inneren des statorseitigen Aufnahmebereiches 8 der hier in eine tragende Nachleiteinheit 1 integrierten Kühlstruktur 40 befestigt. Am Rotor 35 des Motors 34 ist das Laufrad 19 mit seiner Nabe 31 und Flügeln 22, deren radial äußeren Enden vorteilhaft eine spezielle Kontur, sog. Winglets 38, aufweisen, befestigt, wobei zwischen den Laufradflügeln 22 mit den Winglets 38 und dem Laufradbereich 29 des Gehäuses 2 ein kleiner radialer Abstand ausgebildet ist und ein Strömungsspalt vorhanden ist.
Der Ventilator 57 ist radial besonders kompakt gestaltet. Das bedeutet, dass der Eintrittsdurchmesser Da 45 der Einlaufdüse 9 im Verhältnis zum Innendurchmesser Di 44 relativ klein ist, vorteilhaft ist Da/Di < 1,1. Dadurch wird auch eine relativ kleine Erstreckung e 43 der Nachleiteinheit quer zur Ventilatorachse ermöglicht (die Erstreckung e 43 kann insbesondere die Seitenlänge einer sich quer zur Ventilatorachse erstreckenden quadratischen Kontur sein, innerhalb welcher die tragende Nachleiteinheit 1 und somit der Ventilator 57 eingefügt werden kann). Vorteilhaft ist e/Di < 1,2. Dadurch nimmt der Ventilator 57 in Bezug auf seinen Innendurchmesser Di 44 und somit auch in Bezug auf den Durchmesser seines Laufrads 19, quer zu seiner Achse gesehen, relativ besonders niedrigen Bauraum ein. Umgekehrt kann bei vorgegebenem Bauraum ein Ventilator 57 mit besonders großem Innendurchmesser Di 44 und somit besonders großem Außendurchmesser des Laufrads 19 eingesetzt werden, was bei einem vorgegebenen Betriebspunkt akustisch vorteilhaft sein kann.
Durch den relativ zu der äußeren Erstreckung e 43, die den radialen Einbauraum definiert, großen Innendurchmesser D_i steht grundsätzlich ein großer Durchströmquerschnitt zur Verfügung, was bei gegebenem Betriebspunkt sehr vorteilhaft für niedrige Akustik und hohen statischen Wirkungsgrad des Ventilators 57 ist. Dadurch, also durch das Vorhandensein eines relativ großen Durchströmquerschnitts des Ventilators innerhalb des Gahäuses 2, wird auch ohne zu große Beeinträchtigungen infolge der Versperrungswirkung begünstigt, einen größeren Durchmesser D_N 27 der Kühlstruktur 40 im Vergleich zum Durchmesser D_L 28 der Nabe 31 des Laufrads 19 zu realisieren, was vorteilhaft für die Wirkweise der Kühlstruktur 40 ist, wie bereits anhand 3 beschrieben. Vorteilhaft liegt D_N / D_L in einem Bereich von 115% bis 135 %, besonders vorteilhaft bei etwa 115%. Eine für die Kühlung wirkende Teilströmung kann, je nach Betriebszustand des Ventilators 57, im radialen Bereich zwischen Laufradnabe 31 und Kühlstruktur 40 von der Zuströmseite her in die Kühlstruktur 40 einströmen, oder umgekehrt zwischen Laufradnabe 31 und Kühlstruktur entgegen der Ventilatorhauptströmungsrichtung hin zum Laufrad 19 austreten.
5a ist eine Detailansicht aus 5 im Bereich der Kühlstruktur 40, wobei schematisch weitere Kennmasse eingezeichnet sind. In dieser Detaildarstellung ist der Strömungspfad innerhalb der Kühlstruktur 40 gut zu erkennen. Dabei weist die Kühlstruktur 40 im Ausführungsbeispiel innerhalb des Nabenrings 4 hier einen rotorseitigen Aufnahmebereich 46 sowie einen statorseitigen Aufnahmebereich 8 auf. In einem ersten Betriebszustand kann Strömung gleichsinnig zur Ventilatorhauptströmung von der Rotorseite zur Statorseite durch die Kühlstruktur 40 strömen.
In einem zweiten Betriebszustand kann Strömung gegensinnig zur Ventilatorhauptströmung von der Statorseite zur Rotorseite durch die Kühlstruktur 40 strömen. Der zweite Betriebszustand ist insbesondere dann gegeben, wenn die Ventilatorhauptströmung beim Überströmen der Kühlstruktur 40, hier also insbesondere beim Durchströmen des Nachleitrades mit den inneren Nachleitflügeln 11 bzw. beim Durchströmen der diffusorartig sich in Strömungsrichtung erweiternden inneren und äußeren Durchströmbereiche 7 bzw. 6 (siehe 4), eine signifikante Erhöhung des statischen Druckes erfährt. Durch die so entstehende Druckdifferenz wird dann eine Strömung durch die Kühlstruktur 40 am Motor 34 bzw. Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 entlang entgegen der Ventilatorhauptströmung hier vom Stator 36 in Richtung Rotor 35 verursacht. Insbesondere im Betriebszustand 2 kann so eine sehr effiziente zusätzliche Kühlung des Motors 34 bzw. Stators 36 bzw. Elektroniktopf 13 erreicht werden.
Der Strömungspfad durch die Kühlstruktur verläuft hier (in dieser oder umgekehrter Reihenfolge) von der abströmenden Ventilatorhauptströmung durch den statorseitigen Aufnahmebereich 8, dann zwischen dem Elektroniktopf 13 und einer Kühlströmungsführung 14 entlang eines hier von der Kühlströmungsführung 14 begrenzten Kühlstromkanals 41 zu einem Kühldurchlass 42 im Bereich des Kühlstrukturflansches 54 in den rotorseitigen Aufnahmebereich 46 um von dort letztlich aus der Kühlstruktur 40 auszutreten und sich mit der Ventilatorhauptströmung zu vermischen. Nach dem Durchtritt durch die Kühldurchlässe 42 kann das Fluidum ggf. auch noch durch ein in den Motor 34 integriertes Kühlsystem strömen, beispielsweise wie hier im Ausführungsbeispiel, wo das integrierte Motorkühlsystem insbesondere Statorkühlrippen 50 und ein Rotorkühllüfterrad 51 umfasst. Die Ausführung einer Kühlstromführung 14 integriert in der Kühlstruktur 40 und somit die Ausbildung der entsprechenden Form des Kühlstromkanals 41 zwischen Kühlströmungsführung 14 und Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 ist besonders vorteilhaft für die Wärmeabfuhr, da gezielt eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Turbulenz nahe an der zu kühlenden Oberfläche des Motors vorbeigeleitet wird. Dazu ist vorteilhaft im zusammengebauten Zustand zumindest ein Bereich mit einem kleinen Spalt entlang des Kühlstromkanals 41, also einem geringen Abstand t 26 zwischen Kühlströmungsführung 14 und dem Stator 36 bzw. dem Elektroniktopf 13 ausgeführt. Vorteilhaft beträgt diese Spaltweite bzw. dieser kleinste Abstand t 26 zwischen 2 mm und 15 mm, besonders vorteilhaft etwa 5 mm.
Die Überdeckungslänge L 24 der Kühlströmungsführung 14 mit dem Stator 36 bzw. dem Elektroniktopf 13, anders ausgedrückt die axiale Länge L 24 der Kühlströmungsführung 14, ist vorteilhaft ausreichend groß, beispielsweise beträgt sie mindestens 50 % der axialen Länge Ls 17 des Elektroniktopfs 13, hier gemessen von der Anbindungsebene des Statorflansches 49 aus, bis zu einem Elektronikdeckel, falls vorhanden.
Es sei angemerkt, dass auch Ausführungsformen ohne Kühlströmungsführung 14 denkbar sind, siehe z.B. 8 bis 10. Die Ausbildung einer Kühlströmungsführung 14 und somit eines Kühlströmungskanals 41 mit, was dessen Mittellinie im Schnitt gesehen betrifft, zumindest bereichsweise sehr geringem Abstand zur Außenbewandung des Stators 36 bzw. des Elektroniktopfs 13 ist aber besonders vorteilhaft. Maßgeblich ist jedoch zumindest die Ausführung eines Kühldurchlasses 42 im axialen Bereich des Kühlstrukturflansches 54, um die beschriebene Durchströmung der Kühlstruktur 40 im Zusammenspiel mit dem Elektromotor 34 im Betrieb des Ventilators zur erreichen.
Die Kühlstruktur 40 ist im Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass sie in ihrer Integralität inklusive Kühlströmungsführung 14 einstückig hinterschneidungsfrei aus einem Gusswerkzeug, insbesondere aus einem Kunststoffspritzgusswerkzeug, entformt werden kann, und zwar mit zwei formgebenden Werkzeugteilen, die in Axialrichtung zum Bauteil aus dem Bauteil entformt werden, einer davon nach rechts in der Ansicht in Richtung Ventilatorzuströmseite und einer nach links in der Ansicht in Richtung Ventilatorabströmseite. Dadurch befindet sich die engste Stelle zwischen Kühlströmungsführung 14 und Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 etwa am dem Statorflansch 49 abgewandten Rand der Kühlströmungsführung 14. Dies ist für die eine wirtschaftliche Herstellung des entsprechenden Werkzeugs und für eine wirtschaftliche Fertigung der Bauteile (Kühlstrukturen 40) in einer Massenproduktion besonders vorteilhaft.
6a ist eine Detailansicht ähnlich 5a im Bereich einer Kühlstruktur 40 einer anderen Ausführungsform einer Kühlstruktur 40. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 5a ist die Kühlströmungsführung 14 anders gestaltet. Die engste Stelle zwischen Kühlströmungsführung 14 und Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 befindet sich nicht mehr am dem Statorflansch 49 abgewandten Rand der Kühlströmungsführung 14, sondern weiter Richtung Statorflansch 49 verschoben.
Für den Betriebszustand 2, bei dem die Kühlströmung innerhalb der Kühlstruktur 40 von der Ventilatorabströmseite zur Verntilatorzuströmseite (in der Ansicht von links nach rechts) strömt, ist ein spezieller Einströmbereich 47 in dem von der Kühlströmungsführung 14 gebildeten Kühlstromkanal 41 ausgebildet, sodass der Kühlströmkanal 41 vom statorseitigen Rand der Kühlstromführung 14 aus hin zum Statorflansch 49 zunächst konvergent bis zu einer engsten Stelle verläuft, ehe er im weiteren Verlauf Richtung Staotflansch 49 wieder divergent wird. Dies kann für die Strömungsgeschwindigkeiten und/oder die Turbulenz im Kühlströmungskanal 41 und somit für die Kühlung des Stators 36 bzw. des Elektroniktopfs 13 besonders vorteilhaft sein. Eine solche Ausführungsform erfordert aber, falls die Kühlströmungsführung 14 integral einstückig mit der Kühlstruktur 40 gefertigt wird, eine aufwendigere Entformung aus einem Gusswerkzeug, insbesondere wenn sie nicht mehr hinterschneidungsfrei bezüglich der Ventilatorachsrichtung ist wie in der gezeigten Ausführungsform.
In 7 ist in ebener axialer Draufsicht von der Zuströmseite her und in einem Ausschnitt gesehen eine erfindungsgemäßen Kühlstruktur 40 mit außen daran integrierten Leitelementen 11 mit eingebautem Elektromotor 34 gezeigt, beispielsweise gemäß Ausführungsformen nach 1 bis 5. Das Laufrad ist dabei nicht dargestellt. Man sieht von der Ventilatorzuströmseite her in den rotorseitigen Aufnahmebereich 46 der Kühlstruktur 40 hinein. Der Rotor 35 des Motors 34 ist zu erkennen, der Befestigungsvorkehrungen 30 zur Befestigung eines Laufrads aufweist. Radial außerhalb des Rotors 35, noch innerhalb der Kühlstruktur 40 und des ihn außen begrenzenden Nabenrings 4 sind 3 Kühldurchlässe 42 sowie die dahinter verlaufenden und in der Kühlstruktur 40 integrierten Kühlströmungsführungen 14 zu erkennen. Die Kühldurchlässe 42 haben, wie bereits anhand 4a beschrieben, eine charakteristische Breite B 16 etwa in Umfangsrichtung bzw. quer zur Ventilatorachse gemessen. Auch im rotorseitigen Aufnahmebereich 46 sind zur Verstärkung der Verbindung zwischen Nabenring 4 und Motortragflansch 49 Versteifungsrippen, hier die rotorseitigen Versteifungsrippen 48 ausgebildet, die wie der als Motortragflansch 59 ausgeführte Kühlstrukturflansch 54 vorteilhaft einstückig an der Kühlstruktur 40 integriert sind.
8 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen eine weitere Ausführungsform einer Kühlstruktur 40 für einen Ventilator mit darin eingebautem Elektromotor 34, von dem der Stator 36 bzw. der Elektroniktopf 13 sichtbar sind. Die Kühlstruktur 40 hat den Nabenring 4, der sie nach radial außen begrenzt und einen Flansch 54, mit dem sie mit dem Flansch 49 des Stators 36 verbunden ist. Diese Ausführungsform einer Kühlstruktur 40 ist in keine weiteren Ventilatorbauteile integriert und kann insbesondere auch nicht tragend eingesetzt werden, d.h. im zusammengebauten Zustand müssten andere Bauteile, beispielsweise Tragstreben, die Anbindung des Motors an ein Gehäuse oder ein Gerät oder Ähnliches übernehmen. Solche Tragstreben oder Ähnliches können wie die Kühlstruktur 40 am Flansch 49 des Stators befestigt werden, entweder an in Umfangsrichtung zu den Anbindungsstellen des Kühlstrukturflansches 54 versetzten Anbindungsstellen oder axial zwischen Kühlstruktur 40 bzw. deren Flansch 54 und dem Statorflansch 49, mit Hilfe von Befestigungsvorkehrungen 18, insbesondere Schraubverbindungen.
Maßgeblich ist, dass im zusammengebauten Zustand, auch mit der Aufhängung, Kühldurchlässe 42 ausgebildet sind, die ein Durchströmen der Kühlstruktur 40 in Axialrichtung von einer Rotorseite zu einer Statorseite oder umgekehrt ermöglichen. Eine solche Kühlströmung fördert die Entwärmung des Motors 34 bzw. seines Stators 36 bzw. dessen Elektroniktopfes 13. Im Ausführungsbeispiel sind keine weiteren Kühlströmungsführungen vorgesehen, die eine Kühlströmung besonders nah am Stator 36 vorbeiführen. Dies ist selbstverständlich auch bei nicht tragenden bzw. nicht in weitere Ventilatorkomponenten integrierte Kühlstrukturen 40 vorteilhaft denkbar.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass insbesondere im Betriebszustand 2, wenn die Kühlströmung innerhalb der Kühlstruktur 40 entgegen der Ventilatorhauptströmung gerichtet ist, dadurch der effektive Fördervolumenstrom des Ventilators um die rückströmende Kühlströmung reduziert wird und der Gesamtwirkungsgrad des Ventilators zurückgeht. Deshalb wird vorteilhaft die Größe bzw. der Querschnitt der Kühldurchlässe 42 sorgfältig gewählt, damit eine gute Kühlwirkung erzielt wird und gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad des Ventilators nicht zu stark beeinträchtigt wird. Bei der Ausbildung einer Kühlströmungsführung 14, wie beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß 1-5, kann die Größe der Kühlströmung auch gut über die Kühlströmungsführung 14 und den geringsten Abstand derselben zum Stator 36 bzw. des Elektroniktopfes 13 des Motors 34 kontrolliert werden.
Bei einer Ausführungsform ohne Kühlströmungsführung wie gemäß 8 muss dies über sorgfältige Wahl des offenen Querschnitts der Kühldurchlässe 42 im mit dem Motor 34 zusammengebauten Zustand gesteuert werden. Vorteilhaft ist in der Konfiguration ohne Kühlströmungsführungen ein offener Gesamtquerschnitt im Bereich der Durchlässe 42 von nicht mehr als 10% des Referenzquerschnittes des Elektronikgehäuses 13, definierbar über dessen Außendurchmesser D_E 63 zu π/4*D_E*D_E. Dieser Wert gilt ganz generell, auch mit ausgeführten Kühlströmungsführungen 14, wenn man für den offenen Gesamtquerschnitt den engsten Querschnitt im Strömungspfad bzw. im Kühlströmungskanal 41 der Kühlströmung durch die Kühlstruktur 40, im mit dem Motor 34 zusammengebauten Zustand einsetzt, der bei Ausführungsformen mit Kühlströmungsführungen 14 wie beispielsweise bei 1 bis 7 regelmäßig im Bereich des geringsten Abstands der Kühlströmungsführungen 14 zum Stator 36 des Motors 34 bzw. zum Elektroniktopf 13 gegeben ist.
In 9 ist in ebener axialer Draufsicht von der Abströmseite her gesehen die Kühlstruktur 40 mit Motor 34 gemäß 8 dargestellt. Ergänzend zu 8 ist hier, ähnlich wie in 7, die Breite B 16 etwa in Umfangsrichtung eines Kühldurchlasses 42 im mit dem Motor 34 zusammengebauten Zustand eingezeichnet. Insbesondere bei Ausführungsformen ohne Kühlströmungsführungen 14 ist es auch denkbar, eine deutlich größere Zahl an Kühldurchlässen 42 mit dafür kleinerer Breite B auszuführen, beispielsweise bis zu 60 Kühldurchlässe. Die Kühldurchlässe 42 haben auch die offene Höhe h 15 in Radialrichtung, die zusammen mit der Breite B die offene Querschnittsfläche eines einzelnen Kühldurchlasses 42 charakterisiert, und der offene Gesamtquerschnitt ist dann die Summe aller offenen Querschnittsflächen aller Kühldurchlässe 42.
In 10 ist in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse die Kühlstruktur 40 mit Motor 34 gemäß 8 und 9 dargestellt. Der Pfad einer möglichen Kühlströmung innerhalb der Kühlstruktur 40 bzw. deren Nabenring 4 durch einen Kühlströmungskanal 41 kann gut nachvollzogen werden. Es sind auch hier ein statorseitiger Aufnahmebereich 8 und ein rotorseitiger Aufnahmebereich 46 innerhalb der Kühlstruktur 40 ausgebildet, einerseits getrennt in Axialrichtung durch den Kühlstrukturflansch 54, wobei die Kühldurchlässe 42 eine Strömungsverbindung herstellen. So kann Kühlmedium innerhalb der Kühlstruktur 40 entweder vom Stator 36 Richtung Rotor 35 bzw. vom statorseitigen Aufnahmebereich 8 durch die Kühldurchlässe 42 zum rotorseitigen Aufnahmebereich 46 strömen oder umgekehrt, je nachdem wie die außen anliegenden Strömungs- bzw. Druckverhältnisse sind.
Dabei kann auch ein am Motor 34 integriertes konvektives Kühlsystem eine Rolle spielen. Der gezeigte Motor hat, wie auch die Motoren in den Ausführungsformen gemäß 1-7, ein eigenes integriertes Kühlsystem mit einem rotierenden Kühllüfterrad 51, das am Rotor 35 befestigt ist, und Wärme abführenden Kühlrippen 50 am Stator 36 bzw. dessen Flansch 49. Dieses Kühlsystem stellt eine Grundwärmeabfuhr am Motor 34 sicher, die jedoch durch die Wirkung der Kühlstruktur 40 maßgeblich erhöht werden kann. Die kühlwirkende Strömung innerhalb der Kühlstruktur 40 kann jedenfalls auch vom Kühlrad 51 des im Motor 34 integrierten Grundkühlsystems verursacht oder begünstigt werden. Besonders vorteilhaft wird die kühlwirkende Strömung allerdings direkt oder indirekt von einem Laufrad und / oder einem Leitrad und / oder einem Diffusor eines Ventilators verursacht oder verstärkt.
11 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen eine weitere Ausführungsform eines Ventilators 57 mit einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur 40 integriert in eine innere Nachleiteinrichtung bestehend insbesondere aus einem Zwischenring 5, einem Nabenring 4 und Leitelementen 11, wobei die Tragfunktion von einer metallischen Strebenaufhängung 52 übernommen wird. Somit ist keine tragende Nachleiteinheit ausgeführt, und auch die Kühlstruktur 40 hat nur teilweise tragende Funktion, nämlich für die innere Nachleiteinrichtung. Das Gehäuse 2, ähnlich gestaltet wie das Gehäuse bei der Ausführungsform gemäß 1 bis 7, allerdings als separates Bauteil, ist über die vorteilhaft metallische Strebeneinrichtung 52 mit dem Motor 34 bzw. dessen Stator 36 verbunden. Zum Aufbau der Kühlstrukur 40 und die zugehörige Beschreibung der Funktionsweise kann auf die vorherigen 1 bis 7 nebst Beschreibung verwiesen werden. Kühldurchlässe 42 haben nur den effektiven Querschnitt, der im zusammengebauten Zustand eine Durchströmung des Kühlstrukturflansches 54 innerhalb der Kühlstruktur 40 von der Statorseitee zur Rotorseite bzw. umgekehrt ermöglicht. Deshalb ist eine mögliche Abdeckungswirkung der Strebenaufhängung 52 bezüglich der Kühldurchlässe 42 zu berücksichtigen, welche im zusammengebauten Zustand den effektiven Querschnitt der Kühldurchlässe 42 reduzieren kann.
Ähnliche Ausführungsformen mit tragenden metallischen Strebeneinrichtungen 52 sind auch ohne inneres Nachleitrad denkbar, ähnlich der Kühlstrukturen gemäß den 8 bis 10. Auch ist es gut und sehr vorteilhaft denkbar, Ausführungsformen mit tragenden metallischen Strebeneinrichtungen 52 und Kühlströmungsführungen ähnlich der Kühlströmungsführungen 14 gemäß der Ausführungsform nach 1 bis 7 umzusetzen, die mit dem Stator 36 des Motors 34 bzw. dem Elektroniktopf 13 einen Kühlströmungskanal 41 mit engem Durchströmquerschnitt zwischen Kühlströmungsführungsn 14 und Außenwand des Stators 36 bzw. des Elektroniktopfs 13 innerhalb der Kühlstruktur 40 definieren.
In 12 ist in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen eine weitere Ausführungsform einer Kühlstruktur 40 integriert an einem Ventilator 57 radialer Bauart dargestellt. Der Ventilator 57 hat ein Laufrad 19 radialer Bauart, das im Wesentlichen aus einer Bodenscheibe 62, einer Deckscheibe 61 und dazwischen sich erstreckenden Flügeln 22 besteht. Die Deckscheibe 61 hat eine zentrale Öffnung, in die die Einlaufdüse 9 hineinragt. Die Einlaufdüse 9 ist an einer Düsenplatte 56 befestigt. Das Laufrad 19 wiederum ist am Rotor 35 eines Motors 36 befestigt (siehe auch 13), dessen Stator 36 an einer Motortragplatte 55 angebracht ist. Tragstreben 60 halten die Motortragplatte 55 an der Düsenplatte 56. Als Tragmodul des Ventilators 57 wird im Wesentlichen die Gesamtheit aus Düsenplatte 56, Tragstreben 60 und Motortragplatte 55 bezeichnet. Der Ventilator 57 kann an seiner Düsenplatte 56 an einem übergeordneten Gerät oder einem lufttechnischen System befestigt und so getragen und betrieben werden.
Im Betrieb des Ventilators 57 treibt der Motor 34 über seinen Rotor 35 das Laufrad 19 an, infolge dessen Rotationsbewegung ein Fördermedienstrom erzeugt wird. Der Fördermedienstrom tritt durch die Einlaufdüse 9 in das Laufrad 19 ein, strömt radial nach außen aus und strömt an den Tragstreben 60 vorbei aus dem Ventilator 57 aus. Auf den Fördermedienstrom wird beim Durchströmen des Ventilators 57 Energie übertragen, was sich in einer Erhöhung des Totaldrucks und/oder des statischen Drucks bemerkbar macht. Im Ausführungsbeispiel sind die Tragstreben 60 aerodynamisch günstig gestaltet, um einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Lärmwerte zu erreichen, insbesondere sind sie im Querschnitt ähnlich des Querschnitts eines Tragflügels gestaltet, also eher länglich in Durchströmrichtung, mit einer gerundeten Zuströmkante und einer eher dünnen Hinterkante.
Die Motortragplatte 55 ragt in Radialrichtung gesehen, also quer zur Achse gesehen, über das Laufrad 19 hinaus, was vorteilhaft für den statischen Wirkungsgrad des Ventilators 57 ist. Dadurch entsteht in einem inneren Bereich nahe der Achse und nahe des Motors 34 ein Unterdruck gegenüber dem statischen Druckniveau am Auslass des Ventilators 57 abströmseitig der Tragstreben 60. Folglich ist der statische Druck innerhalb, auf der Laufradseite, der Motortragplatte 55 signifikant niedriger als auf der gegenüberliegenden Außenseite der Motortragplatte 55, außerhalb des Ventilators 57 bzw. des Tragmoduls.
Nun ist die Kühlstruktur 40 an der Motortragplatte 40 im Bereich des Stators 36 des Motors 34 angebracht bzw. integriert. Der Außendurchmesser der Kühlstruktur 40 kann hier durch den Außendurchmesser von Kühldurchlässen 42 bzw. von Kühlströmungsführunten 14 definiert werden (siehe 13a). Durch die beschriebene Druckdifferenz strömt eine Kühlströmung von außerhalb des Tragmoduls zwischen dem Stator 36 bzw. dem Elektroniktopf 13 geleitet von den Kühlströmungsführungen 14 in Axialrichtung durch die Motortragplatte 55 mit dem integrierten Kühlstrukturflansch 54 bzw. dem Motorbefestigungsflansch 59 in den Innenbereich des Tragmoduls. Dabei wird zusätzliche Wärme vom Motor 34 bzw. vom Stator 36 bzw. vom Elektroniktopf 13 abgeführt und somit die Kühlung des Motors 34 verbessert.
13 zeigt in einer Seitenansicht und in einem Teilschnitt in einem Bereich in der Nähe der Kühlstruktur 40 an einer Ebene durch die Achse den Ventilator 57 mit Kühlstruktur 40 aus 12. 13a ist eine Detailansicht von 13 im Bereich der Kühlstruktur 40, wobei zusätzlich schematisch ein Kennmaß eingezeichnet ist. Die Kühlstruktur 40 kann insgesamt integral einstückig an der Motortragplatte 59 angefertigt sein, insbesondere wenn die Motortragplatte 56 als Gussteil, vorteilhaft in Kunststoffspritzguss, gefertigt ist. An der Motortragplatte 56 ist auch der Kühlstrukturflansch 54, ausgeführt als Befestigungsflansch 59 zur Befestigung des Motors 34, einstückig integriert oder als separates Bauteil angebracht. Ist der Kühlstrukturflansch 54 bzw. der Befestigungsflansch 59 an einem separaten Bauteil gegenüber der Motortragplatte 56 ausgeführt, unter Umständen unter Realisierung eines axialen Versatzes zwischen Motortragplatte 56 und der Anschraubebene am Statorflansch 49, kann die Kühlstruktur 40 auch an diesem separaten Teil integriert sein.
Die Kühlstruktur 40 kann auch in Form von mehreren separaten Bauteilen, die beispielsweise die Kühlströmungsführungen 14 darstellen, an einer Motortragplatte 56 befestigt sein. Wie insbesondere bei 13a erkennbar ist, gibt es mindestens einen Kühldurchlass 42, der eine Strömungsverbindung zwischen einer Statorseite außerhalb des Kühlstrukturflansches 54 bzw. des Befestigungsflansches 59 bzgl. des Tragmoduls und einer Rotorseite innerhalb des Kühlstrukturflansches 54 bzw. des Befestigungsflansches 59 bzgl. des Tragmoduls angeordnet ist, herstellt.
Durch die vom Ventilator 57 im Betrieb induzierte Druckdifferenz strömt eine Kühlströmung innerhalb der Kühlstruktur 40 zwischen der Kühlströmungsführung 14 und dem Stator 36 des Motors 34 bzw. dem Elektroniktopf 13 mit eher hoher Strömungsgeschwindigkeit durch und nimmt Abwärme vom Motor 34 bzw. dessen Stator 36 bzw. dem Elektroniktopf 13 mit. Anschließend strömt die Kühlströmung durch die Kühldurchlässe 42 ins Innere des Tragmoduls, wo sie nach radial außen weggeschleudert wird.
Ähnlich wie bei 5a ist der minimale Abstand t der Kühlströmungsführung 14 zur Außenwand des Stators 36 bzw. des Elektroniktopfs 13 dargestellt. Günstige Werte für t sind gemäß Figurenbeschreibung 5a bereits angegeben. Der durch die Kühlstruktur 40 bzw. die Kühlströmungsführung 14 gebildete Kühlströmungskanal 41 kann charakterisiert werden durch eine gedachte Mittellinie, im gezeigten Schnitt gesehen. Bewegt man sich vom Statorflansch 49 weg in Richtung Statorseite bzw. Elektronikgehäuseseite, also hier nach rechts, hat diese Mittellinie einen Verlauf hin zur Ventilatorachse, also von größeren Radien bzgl. der Ventilatorachse zu kleineren. Einen solchen Verlauf hat, startend vom Statorflansch, insbesondere auch die Kühlströmungsführung 14. Die Gestaltung einer Kühlstruktur 40 mit einer solchen Kühlströmungsführung 14 ist generell vorteilhaft. Die Kühlströmung wird radial au-ßen am Statorflansch 49 vorbeigeführt, ohne dass die Schaffung eines Durchlasses am Statorflansch 49 nötig ist, allerdings wird insbesondere die radial weiter innen liegende Außenwand von Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 gekühlt.
Bezugszeichenliste

1: Tragende Nachleiteinheit
2: Gehäuse der Nachleiteinheit
3: Strebenflügel
4: Nabenring, äußerer Ring der Kühlstruktur
5: Zwischenring der Nachleiteinheit bzw. des Diffusors
6: äußerer Durchströmbereich
7: innerer Durchströmbereich
8: Statorseitiger Aufnahmebereich innerhalb des Nabenrings, Nabentopf
9: Einlaufdüse
10: äußere Diffusorwand
11: inneres Leitelement, Leitflügel
12: Abströmkante des Zwischenrings
13: Statortopf, Elektronikgehäuse
14: Kühlströmungsführung
15: Höhe h des Kühlstromdurchbruchs
16: Breite B der Kühlströmungsführung / des Kühldurchlasses
17: Länge Ls des Elektroniktopfs
18: Befestigungsvorkehrung im Aufnahmebereich
19: Laufrad
20: Zuströmseitige Befestigungsvorkehrung der Nachleiteinheit an übergeordnetem System
21: Abströmseitige Befestigungsvorkehrung der Nachleiteinheit an übergeordnetem System
22: Flügel des Laufrads
23: zuströmseitiger Rand des Zwischenrings der Nachleiteinheit
24: Überdeckungslänge L Kühlströmungsführung - Statortopf
25: Befestigungsvorkehrung für Schutzgitter abströmseitig
26: Abstand t Kühlströmungsführung in Radialrichtung zum Stator (Spalthöhe)
27: Durchmesser D_N des Aufnahmebereichs in der Nabe / des Nabentopfs
28: Durchmesser D_L der Laufradnabe
29: Bereich für ein Laufrad
30: Befestigungsvorkehrung für Motor am Laufrad
31: Nabe des Laufrads
32: Drehrichtung des Laufrads
33: Befestigung der Aufhängung am Gehäuse
34: Motor
35: Rotor des Motors
36: Stator des Motors
37: Nabenhaube
38: Winglets der Laufradflügel
39: nicht vergeben
40: Kühlstruktur
41: Kühlströmungskanal
42: Kühldurchlass im Bereich Befestigungsflansch
43: Erstreckung e der Nachleiteinheit quer zur Ventilatorachse
44: Innerer Durchmesser Di des Gehäuses der Nachleiteinrichtung im Bereich des Laufrads
45: Äußerer Durchmesser Da am äußeren Beginn der Krümmung der Einlaufdüse 9
46: Rotorseitiger Aufnahmebereich innerhalb des Nabenrings
47: Einströmbereich der Kühlstromführung
48: Versteifungsrippen im rotorseitigen Aufnahmebereich
49: Flansch des Stators
50: Kühlrippen am Stator
51: Kühllüfterrad am Rotor
52: Aufhängung
53: Kabelanschlüsse am Stator bzw. Elektronikgehäuse des Motors
54: Flansch der Kühlstruktur
55: Tragplatte
56: Düsenplatte
57: Ventilator, Axialventilator
58: Versteifungsrippen im Aufnahmebereich für den Motor
59: Befestigungsflansch für Motor
60: Tragstreben
61: Deckscheibe
62: Bodenscheibe
63: Außendurchmesser D_E des Elektronikgehäuses

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020015792 A1 [0002]

Claims

Ventilator mit einem Laufrad, und einem Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Stator, einen Rotor und ggf. einen Elektroniktopf umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass radial außerhalb der Außenwand des Stators und/oder des Elektroniktopfes eine Kühlstruktur ausgebildet oder vorgesehen ist, die einen Strömungspfad für ein Fluidum, vorzugsweise für Luft, bildet, durch den infolge einer durch den Betrieb des Ventilators erzeugten Druckdifferenz eine Strömung induziert wird, die Wärme vom Elektromotor und/oder vom Stator und/oder vom Elektroniktopf abführt.
Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur nicht durch funktionswesentliche Komponenten des Motors gebildet ist und nicht durch diese hindurchführt.
Ventilator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur durch eine gesonderte Kühleinheit gebildet ist, die am Statorflansch (Flansch zur Befestigung des Stators) angeordnet oder befestigt ist.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesonderte Kühleinheit, ggf. unter Anpassung der räumlichen Gegebenheiten, beispielsweise unter Verwendung eines vergrößerten Nabentopfes, nachrüstbar ist.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur an oder in der Motortrageplatte eines radial- oder Diagonalventilators angebracht oder in die montageplatte integriert ist.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Nachleiteinrichtung mit Nachleitrad vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur dem Nachleitrad zugeordnet, vorzugsweise einstückig in das Nachleitrad integriert ist.
Ventilator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachleiteinrichtung eine Tragefunktion für den Motor hat.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im mit dem Motor zusammengebauten Zustand ein Strömungspfad für die innerhalb der Kühlstruktur verlaufende Kühlströmung von der Rotorseite zur Statorseite (oder umgekehrt) durch Kühldurchlässe durch einen Kühlstrukturflansch im Bereich einer Motoraufhängungsebene am Stator des Motors gebildet ist.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad radial außerhalb eines Statorflansches (Flansch zur Befestigung des Stators) vorbeiführt.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kühlströmung im Strömungspfad ein engster Durchströmbereich zwischen der Außenwand des Stators des Motors bzw. des Elektroniktopfs und der Kühlstruktur bzw. einer Kühlströmungsführung ausbgebildet ist, durch den die Kühlströmung mit hoher Geschwindigkeit nahe an der Außenwand des Stators bzw. des Elektroniktopfs vorbei geleitet wird.
Ventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad bzw. dessen Mittellinie für die Kühlströmung bzw. die Kühlströmungsführung vom Statorflansch her in Richtung Statorseite bzw. Elektronikgehäuseseite hin zur Ventilatorachse, also von größeren zu kleineren radialen Positionen, verläuft, um Kühlströmung nah an einer Wand des Stators bzw. des Elektroniktopfes vorbeizuführen.
Kühlstruktur für einen Ventilator mit einer Ventilatornabe und einem Elektromotor mit Stator, insbesondere mit den die Kühlstruktur betreffenden Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kühlstruktur zwischen der Ventilatornabe und dem Stator angeordnet ist.