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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radiallüfter mit einem um eine Achse drehbaren Lüfterrad, das eine Grundplatte und von der Grundplatte abstehende Luftschaufeln umfasst.
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Verschiedene Ausgestaltungen eines solchen Radiallüfters sind in
DE 10 2006 057 086 A1 beschrieben. Bei manchen Ausgestaltungen ist auf die von der Grundplatte abgewandten Kanten der Luftschaufeln ein Deckel aufgesetzt, der gemeinsam mit der Grundplatte und den Luftschaufeln rotiert und zusammen mit der Grundplatte einen Strömungskanal begrenzt, durch den durch die Drehung des Lüfterrades Luft gepumpt wird. Eine solche Luftschaufel ist vergleichsweise aufwendig zu fertigen, da sie aus mehreren Teilen zusammengefügt werden muss, und hat ein eher hohes Trägheitsmoment. Bei anderen Ausgestaltungen liegen die Kanten der Luftschaufeln unmittelbar einer Stirnwand gegenüber, die nicht mit dem Lüfterrad verbunden ist und nicht zusammen mit ihm rotiert. Ein solches offenes Lüfterrad ist einfacher und kostengünstiger zu fertigen und hat ein niedrigeres Trägheitsmoment als das Lüfterrad mit Deckel. Um bei einem solchen Lüfterrad nicht einen Kontakt zwischen den Kanten der Luftschaufeln und der ihnen gegenüberliegenden nicht rotierenden Stirnwand auszuschließen, muss zwischen beiden ein Spalt von unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen ausreichender Breite freigehalten werden. In unmittelbarer Nähe der nicht rotierenden Stirnwand ist die Strömungsgeschwindigkeit der Luft gering. Je größer der Abstand zwischen den Luftschaufeln und der Stirnwand, umso breiter ist die Übergangszone zwischen Stirnwand und den Luftschaufeln, in der nur niedrige Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden, was den Wirkungsgrad des Lüfters beeinträchtigt. Im Extremfall kann es unter dem Einfluss eines Gegendrucks sogar zu einer Umkehrung der Strömungsrichtung in der Übergangszone kommen, was zu weiteren Wirkungsgradeinbußen führt.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Radiallüfter zu schaffen, der einfach und günstig zu fertigen und dennoch hoch effizient ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Radiallüfter mit einem um eine Achse drehbaren Lüfterrad, das eine Grundplatte und von der Grundplatte abstehende Luftschaufeln umfasst, wobei die Luftschaufeln jeweils eine stromaufwärtige Kante in einem ersten Abstand von der Achse und eine stromabwärtige Kante in einem zweiten Abstand von der Achse aufweisen, und einer Stirnwand, die zusammen mit der Grundplatte einen Strömungskanal begrenzt, in den die Luftschaufeln eingreifen, die Querschnittsfläche des Strömungskanals zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Kante in einem dritten Abstand von der Achse ein Maximum durchläuft und die Differenz zwischen einem vierten und einem fünften Abstand, an denen die Querschnittsfläche jeweils zu dem Maximum nächstbenachbarte Minima annimmt, wenigstens die Hälfte der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand beträgt.
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Wenn man die verzögernde Wirkung der stationären Stirnwand auf den von dem rotierenden Lüfterrad angetriebenen Luftstrom unberücksichtigt lässt, müsste man annehmen, dass eine ideale Effizienz des Lüfterrades eigentlich dann zu erreichen sein müsste, wenn der freie Querschnitt eines Weges, auf dem die Luft durch den Lüfter strömt, über die gesamte Länge des Weges hinweg gleich bliebe, so dass die Luft den ganzen Weg mit gleichbleibender Geschwindigkeit ohne Stauverluste zurücklegen kann. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dies bei einem Radiallüfter, in dem der Strömungskanal durch eine stationäre Stirnwand begrenzt ist, nicht der Fall ist, und dass ein besserer Wirkungsgrad erreichbar ist, wenn der freie Querschnitt des Weges wie oben definiert zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Kanten der Luftschaufeln ein Maximum durchläuft und der Abstand zwischen dieses Maximum in Strömungsrichtung der Luft beiderseits umgebenden Minima der Querschnittsfläche groß genug ist, damit zwischen dem Ort des Maximums und den Kanten der Luftschaufeln Platz für eine allmähliche, von turbulenzfördernden Stufen freie Querschnittsveränderung ist.
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Eine sichere hydrodynamische Erklärung für diese Beobachtung steht derzeit noch aus. Versuchsweise kann die Beobachtung folgendermaßen erklärt werden:
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In einem Strömungskanal mit gleichbleibendem Querschnitt verläuft der Druckgradient entgegen der Strömungsrichtung. Luft, die nah an der stationären Stirnwand nicht ausreichend von den Luftschaufeln angetrieben wird, neigt daher dazu, einen Kurzschlussstrom zu bilden, der an der Stirnwand entlang dem Druckgradienten folgend zum Einlass des Lüfters verläuft. Am Ort des Querschnittsmaximums steht gewissermaßen mehr Luftschaufelfläche zum Antreiben des Luftstroms zur Verfügung als davor oder dahinter im Strömungskanal. Da sie somit besonders schnell vom Ort des Maximums weggepumpt wird, ist der Druck dort relativ niedrig, und der Druckgradient verläuft nicht tangential zur Stirnwand, sondern weist schräg zur Stirnwand in den Strömungskanal hinein. Anstatt zum Eingang zu strömen, wird die von den Luftschaufeln nicht ausreichen erfasste Luft durch den Druckgradienten von der Stirnwand fort und in Reichweite der Luftschaufeln abgelenkt und so der Kurzschlussstrom unterbrochen bzw. unterdrückt. Insbesondere bei Kleinlüftern, bei denen aufgrund unvermeidlicher Fertigungstoleranzen der Abstand zwischen der Stirnwand und gegenüberliegenden Kanten der Luftschaufeln ein relativ großer Bruchteil der axialen Ausdehnung des Strömungskanals ist, sind so massive Verbesserungen des Wirkungsgrads erreichbar.
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Die Differenz zwischen dem vierten Abstand und dem zweiten Abstand sollte kleiner sein als die Differenz zwischen dem dritten Abstand und dem vierten Abstand. Im Extremfall kann die erstgenannte Differenz Null sein, d.h. das Minimum kann mit den stromabwärtigen Kanten der Luftschaufeln zusammenfallen.
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Der Unterschied zwischen den Querschnittsflächen muss nicht groß sein, um einen deutlichen Effekt zu beobachten, genügt es, wenn die Querschnittsfläche am vierten Abstand um 4% kleiner ist als am dritten Abstand. Ein Unterschied von 10% oder mehr kann zu einer störenden Beeinträchtigung des Volumenstroms führen.
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Genauso wie die Querschnittsfläche stromabwärts vom Maximum allmählich abnehmen sollte, um Turbulenz zu vermeiden, nimmt sie vorzugsweise vor dem Maximum allmählich zu. Deswegen sollte auch die Differenz zwischen dem dritten Abstand und dem fünften Abstand, der kleiner als der dritte Abstand ist, wenigstens ein Viertel der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand betragen.
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Die Querschnittsfläche am fünften Abstand kann kleiner sein als am vierten Abstand; sie kann von der des dritten Abstands um mehr als 8% abweichen.
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Um turbulenzfördernde abrupte Querschnittsänderungen auszuschließen ist, der Krümmungsradius der Stirnwand im radialen Schnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand vorzugsweise nirgends kleiner als ein Viertel des ersten Abstands.
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Das Maximum der Querschnittsfläche kann durch einen im radialen Schnitt konkaven Oberflächenbereich der Stirnwand im dritten Abstand von der Achse gebildet sein.
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Der minimale Krümmungsradius dieses konkaven Oberflächenbereichs ist vorzugsweise größer als der der gesamten Stirnwand, er kann insbesondere mindestens gleich dem ersten Abstand gewählt sein.
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Um den Kurzschlussstrom wirksam zu unterbrechen, können die Luftschaufeln im dritten Abstand von der Achse jeweils einen in den konkaven Oberflächenbereich eingreifenden Vorsprung aufweisen.
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Die Querschnittsfläche kann auf unterschiedliche Weise definiert und berechnet werden; eine bequem handhabbare Definition ist hier das Produkt aus einem Abstand von der Achse und der in diesem Abstand gemessenen axialen Entfernung zwischen Stirnwand und Grundplatte.
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Das Lüfterrad kann kostengünstig durch einteiliges Abformen, insbesondere durch Spritzguss, gefertigt werden.
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Die Stirnwand kann Teil eines Gehäuses sein, das eine das Lüfterrad umschließende Radkammer bildet. Die Radkammer kann ferner einen sich rund um das Lüfterrad erstreckenden Blasluftkanal umfassen, in dem sich die vom Lüfterrad geförderte Luft stauen kann.
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Ein Überdruck im Blasluftkanal kann zum Kühlen eines Motors genutzt werden, indem ein Kühlluftkanal von dem Blasluftkanal ausgeht.
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Um den Luftdurchsatz im Kühlluftkanal möglichst unabhängig vom Überdruck im Blasluftkanal zu machen, wird die zum Kühlen des Motors genutzte Luft zweckmäßigerweise in die Radkammer zurückgespeist.
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Um ein ausreichendes Druckgefälle im Kühlluftkanal sicherzustellen, kann eine Einmündung des Kühlluftkanals in die Radkammer gegenüber der Grundplatte des Schaufelrades angeordnet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 einen radialen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Radiallüfter;
- 2 einen axialen Schnitt durch eine Radkammer des Radiallüfters aus 1;
- 3 einen vergrößerten radialen Schnitt durch ein Lüfterrad und eine Stirnwand des Radiallüfters aus 1;
- 4 Messkurven der Druckerhöhung und des Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen und eines herkömmlichen Radiallüfters.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Radiallüfter im Schnitt entlang einer Drehachse 1 seines Lüfterrades 2. Man erkennt Welle 3, Rotor 4 und Stator 5 eines Elektromotors 6 sowie eine Leiterplatte 7, die einen Wechselrichter zur Versorgung des Motors 6 trägt, eingeschlossen in ein inneres Gehäuse 8. Das innere Gehäuse 8 umfasst einen Becher 9, der den Motor 6 und die die Leiterplatte 7 aufnimmt, und einen Deckel 10, der den Becher 9 verschließt und durch dessen zentrale Öffnung die Welle 3 vorspringt.
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Ein äußeres Gehäuse 11 umfasst eine Bodenplatte 12, eine Außenwand 13, eine ringförmige Zwischenwand 14 und eine Stirnwand 15. Die Bodenplatte 12 ist mit der Außenwand 13 über einen elastischen Pufferring 16 zu einem zweiten, äußeren Becher verbunden, der den inneren Becher 9 unter Ausbildung eines sich ringförmig um den inneren Becher 9 und den Motor 6 erstreckenden Kühlluftkanals 17 aufnimmt.
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Die Außenwand 13 weist an ihrer Innenseite zwei Schultern 18, 19 auf, an der sich ihr Durchmesser jeweils zur Bodenplatte 12 hin vermindert. Die Zwischenwand 14 ist in den von der Außenwand 13 umgebenen Hohlraum so eingeschoben, dass eine Kante der Zwischenwand 14 auf der bodennahen Schulter 18 aufliegt. In dieser Stellung begrenzen die Außenwand 13 und die Zwischenwand 14 gemeinsam einen Blasluftkanal 20, dessen Boden die Schulter 19 bildet.
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Wie in 2 zu erkennen, die einen Schnitt durch den Radiallüfter entlang einer in 1 mit II-II bezeichneten Schnittebene zeigt, erstreckt sich der Blasluftkanal 20 mit allmählich zunehmendem Querschnitt um die Welle 1 und geht nach einem Umlauf um die Achse 1 in einen tangential abzweigenden Auslasskanal 21 über. Am Übergang vom Blasluftkanal 20 zum Auslasskanal 21 ist am Boden des Blasluftkanals 20 zwischen der Außenwand 13 und der Zwischenwand 14 ein Durchgang 22 ausgespart, der den Blasluftkanal 20 mit dem Kühlluftkanal 17 verbindet.
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Wie wiederum in 1 gezeigt, greift der Deckel 10 des inneren Gehäuses 8 in eine zentrale Öffnung der Zwischenwand 14 ein. Zwischen dem Deckel 10 und der Zwischenwand 14 erstreckt sich ein weiterer elastischer Pufferring 23. Das innere Gehäuse 8 ist durch die Pufferringe 16, 23 gegenüber der Außenwand 13 schwingungsgedämpft, so dass Schwingungen des Motors 6 nur in geringem Umfang als Körperschall an die Umgebung weitergegeben werden.
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Am von der Bodenplatte 12 abgewandten Rand der Außenwand 13 ist die Stirnwand 15 auf die Außenwand 13 mit Hilfe von Klauen 24 (s. 2, 3) aufgerastet, die Vorsprünge der Außenwand 13 umgreifen. Die Stirnwand 15 begrenzt zusammen mit der Außenwand 13, der Zwischenwand 14 und dem Deckel 10 eine Radkammer 25. Die Radkammer 25 beherbergt das auf ein Ende der Welle 3 aufgesteckte Lüfterrad 2. Durch dessen Drehung wird in an sich bekannter Weise Luft über eine zentrale Einlassöffnung 26 der Stirnwand 15 in die Radkammer 25 eingesaugt, radial nach außen in den Blasluftkanal 20 getrieben und über dessen Auslasskanal 21 wieder ins Freie abgegeben.
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Die Zwischenwand 14 hat eine oder mehrere zum vom Auslasskanal 21 abgewandten Ende des Blasluftkanals 20 benachbarte, mit dem Kühlluftkanal 17 kommunizierende Öffnungen 27. Diese Öffnungen 27 sind in der Darstellung der 2 durch das Lüfterrad 2 verdeckt und deshalb mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Drehung des Lüfterrades 2 erzeugt vor dem Durchgang 22 einen höheren Druck als an den Öffnungen 27, so dass Luft über den Durchgang 22 in den Kühlluftkanal 17 eintritt, dort Abwärme des Motors 6 aufnimmt und dann über die Öffnungen 27 in die Radkammer 25 zurückkehrt. Eine radiale Wand 28 zwischen dem Becher 9 und der Außenwand 13 durchteilt den Kühlluftkanal 17 und zwingt die angesaugte Luft, auf dem Weg vom Durchgang 22 zu den Öffnungen 27 den Becher 9 nahezu vollständig zu umrunden.
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Das Lüfterrad 2 umfasst eine Grundplatte 29, die zusammen mit der Stirnwand 15 einen Strömungskanal 30 begrenzt, in dem die Luft durch die Drehung des Lüfterrades 2 radial nach außen getrieben wird, und eine Vielzahl von Luftschaufeln 31, die von einer der Stirnwand 15 zugewandten Oberfläche der Grundplatte 29 in den Strömungskanal 30 hinein abstehen. Die Luftschaufeln 31 haben die Form von Rippen, die sich im Wesentlichen in radialer Richtung jeweils von einer radial inneren, stromaufwärtigen Kante 32 zu einer stromabwärtigen Kante 33 erstrecken und eine der Stirnwand 15 in geringer Entfernung gegenüberliegende langgestreckte Scheitelkante 34 aufweisen. Die stromaufwärtigen Kanten 32 und stromabwärtigen Kanten 33 der Luftschaufeln 31 liegen auf Kreisen um die Achse 1 mit Radien r1, r2. Die Oberfläche der Grundplatte 29 hat in einem ringförmigen Bereich 35 zwischen den zwei Kreisen in etwa die Gestalt eines auf die Achse 1 zentrierten Rotationshyperboloids.
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Wenn diesem Bereich 35 die von der Luft durchströmte Querschnittsfläche des Strömungskanals 30, konstant wäre, dann könnte die Luft in diesem Strömungskanal 30 mit konstanter Geschwindigkeit radial nach außen fließen. Genau genommen müsste man als Querschnittsfläche eine Fläche wählen, auf der die Strömungsrichtung der Luft an allen Punkten senkrecht steht. Eine solche Fläche zu finden, erfordert aufwendige Simulationen. Näherungsweise könnte man sie durch eine Kegelfläche ersetzen, die die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Grundplatte 29 und der Stirnwand 15 unter dem gleichen Winkel schneidet. Da sich im hier betrachteten Fall der Öffnungswinkel eines solchen Kegels zwischen r1 und r2 nicht wesentlich ändert und es nicht auf absolute Querschnittsflächen sondern nur auf deren Verhältnis zueinander ankommt, kann eine weitere Vereinfachung vorgenommen und die Kegel- durch eine Zylinderfläche ersetzt werden, d.h. als Maß für die Querschnittsfläche wird das Produkt aus in Richtung der Achse 1 gemessener Entfernung zwischen der Grundplatte 29 und der Stirnwand 15 und Abstand r des Orts der Messung von der Achse 1 genommen.
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Ein Verlauf der Stirnwand 15, der die Anforderung nach gleichbleibender Querschnittsfläche erfüllen würde, ist in dem vergrößerten Schnitt der 3 als gestrichelte Kontur 36 eingezeichnet. Wie man sieht, löst sich diese Kontur 36 tangential von der realen Oberfläche der Stirnwand 15 an einem Punkt 37, um zunächst bis zu einem Punkt 38 durch das Material der Stirnwand 15 zu verlaufen; ab dem Punkt 38 verläuft sie durch den Strömungskanal 30, bis sie an einem Punkt 39 wieder auf die Oberfläche der Stirnwand 15 trifft. Dementsprechend ist die Querschnittsfläche des Strömungskanals 30 zwischen den Punkten 37 und 38 kleiner und zwischen den Punkten 38, 39 größer als an den Punkten 37, 38, 39.
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Ein Diagramm in der unteren rechten Ecke von 3 zeigt quantitativ die Querschnittsfläche A des Strömungskanals 30 als Funktion des Abstands r von der Achse 1, wobei die Querschnittsfläche beim Abstand r2 der stromabwärtigen Kanten 33 willkürlich gleich 1 gesetzt ist. Ausgehend von einem Anfangswert nahe 1 bei kleinen Abständen nahe r1 nimmt die Fläche A zunächst ab bis zu einem Minimum bei r5, um anschließend bei r3 ein Maximum zu erreichen und von dort aus wieder einem Minimum zuzustreben, dessen Abstand r4 hier mit dem Abstand r2 der stromabwärtigen Kanten 33 übereinstimmt. Der Abstand r4-r5 zwischen den beiden Minima entspricht hier etwa zwei Dritteln des Abstands r2-r1 zwischen den Kanten 33, 32. Die Querschnittsabnahme von r3 nach r4 ist erheblich langsamer als die Zunahme von r5 bis r3, so dass, obwohl die Differenz der Querschnittsflächen zwischen r5 und r3 größer ist als zwischen r3 und r4, der Abstand r3-r5 deutlich kleiner ist als r4-r3.
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In Höhe des Maximums der Querschnittsfläche bei r3 weist die Stirnwand 24 zwischen im radialen Schnitt konvex gekrümmten Oberflächenbereichen 40, 42 einen konkav gekrümmten Oberflächenbereich 41 auf. Der Krümmungsradius der gesamten Stirnwand 24 soll nicht zu klein sein, um eine abrupte Umlenkung der Luft und Wirbelbildung zu vermeiden. Der kleinste Wert R1 des Krümmungsradius wird hier beim Abstand r5 erreicht, es gilt R1 > 0,5 r1. Der minimale Krümmungsradius R2 des konkaven Bereichs 41 ist noch größer, für ihn gilt R2 > r1. Dem Oberflächenbereich 41 liegen Vorsprünge 43 der Luftschaufeln 31 gegenüber, so dass die Breite eines Spalts zwischen den Scheitelkanten 34 der Luftschaufeln 31 und der Stirnwand 24 über die gesamte Länge der Scheitelkanten 34 hinweg im Wesentlichen konstant bleibt.
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4 zeigt Messkurven Δp, Δp' der Druckerhöhung und η, η' des Wirkungsgrads als Funktion des Volumenstroms für einen erfindungsgemäßen Radiallüfter, dessen Stirnwand 15 wie in 3 gezeigt unterschiedlich gekrümmten Oberflächenbereiche 40, 41, 42 aufweist, und für einen gleich dimensionierten Radiallüfter mit hyperboloidförmiger Stirnwand und gleichbleibendem Querschnitt des Strömungskanals. Der herkömmliche Radiallüfter erreicht gemäß der Kurve η' seinen optimalen Wirkungsgrad von ca. 21% bei einem Volumenstrom von ca. 270 l/min. Beim gleichen Volumenstrom beträgt der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Lüfters gemäß Kurve η über 30%, und damit ist das Maximum des Wirkungsgrads noch nicht erreicht. Bei niedrigen Volumenströmen bis einschließlich des Wirkungsgradoptimums sind mit dem erfindungsgemäßen Lüfter auch deutlich stärkere Druckerhöhungen erreichbar, wie an den Kurven Δp, Δp' zu sehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehachse
- 2
- Lüfterrad
- 3
- Welle
- 4
- Rotor
- 5
- Stator
- 6
- Elektromotor
- 7
- Leiterplatte
- 8
- inneres Gehäuse
- 9
- Becher
- 10
- Deckel
- 11
- äußeres Gehäuse
- 12
- Bodenplatte
- 13
- Außenwand
- 14
- Zwischenwand
- 15
- Stirnwand
- 16
- Pufferring
- 17
- Kühlluftkanal
- 18
- Schulter
- 19
- Schulter
- 20
- Blasluftkanal
- 21
- Auslasskanal
- 22
- Durchgang
- 23
- Pufferring
- 24
- Klaue
- 25
- Radkammer
- 26
- Einlassöffnung
- 27
- Öffnung
- 28
- radiale Wand
- 29
- Grundplatte
- 30
- Strömungskanal
- 31
- Luftschaufel
- 32
- stromaufwärtige Kante
- 33
- stromabwärtige Kante
- 34
- Scheitelkante
- 35
- Bereich
- 36
- Kontur
- 37
- Punkt
- 38
- Punkt
- 39
- Punkt
- 40
- Oberflächenbereich
- 41
- Oberflächenbereich
- 42
- Oberflächenbereich
- 43
- Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057086 A1 [0002]
