DE60117177T2

DE60117177T2 - Hocheffizienter, zustromangepasster axiallüfter

Info

Publication number: DE60117177T2
Application number: DE60117177T
Authority: DE
Inventors: W. Robert Westwood STAIRS; S. David Lexington GREELEY
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch LLC
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch LLC
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: BR0115186A; CN1299011C; ES2253447T3; US20030026699A1; KR100818407B1; KR20030044076A; WO2002038962A2; CN1473244A; DE60117177D1; EP1337758A2; EP1337758B1; JP4029035B2; AU2002216723A1; JP2004513300A; WO2002038962A3; BR0115186B1; US6579063B2; EP1337758A4

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Lüfter, insbesondere die, die zum Beispiel in Fahrzeugmotor-Kühlanordnungen verwendet werden, um Luft durch Kühler und Wärmetauscher zu bewegen.
Typische Kraftfahrzeug-Kühlanordnungen umfassen einen Lüfter, einen Elektromotor und eine Verkleidung, mit einem Kühler/Kondensator (Wärmeaustauscher), der häufig stromaufwärts des Lüfters angeordnet ist. Der Lüfter weist eine zentral angeordnete Nabe, die durch eine Drehwelle angetrieben wird, mehrere Blätter und einen radial äußeren Ring oder ein Band auf. Jedes Blatt ist durch seinen Fuß an der Nabe befestigt und erstreckt sich im wesentlichen in eine radiale Richtung zu seiner Spitze, wo es am Band befestigt ist. Ferner ist jedes Blatt mit einem Winkel zur Ebene der Lüfterrotation "angestellt", um einen axialen Luftstrom durch die Kühlanordnung zu erzeugen, wenn sich der Lüfter dreht. Die Verkleidung weist eine Sammelkammer auf, die den Luftstrom vom Wärmeaustauscher(n) zum Lüfter leitet und die den Lüfter am sich drehenden Band mit minimalen Freiräumen umgibt, (die mit den Herstellungstoleranzen vereinbar sind) um einen zurückströmende Strömung zu minimieren. Es ist auch bekannt, die Wärmetauscher auf der stromabwärts gelegenen (Hochdruck)-Seite des Lüfters oder sowohl auf der stromaufwärts als auch stromabwärts gelegenen Seite des Lüfters anzuordnen.
Wie die meisten Luftbewegungsvorrichtungen ist der in dieser Anordnung verwendete Axiallüfter hauptsächlich dazu bestimmt, zwei Kriterien zu erfüllen. Erstens muß er effizient arbeiten, wobei er einen großen Luftstrom gegen den Widerstand des Wärmeaustauschers und des Fahrzeugmotorraums liefert, während eine minimale Menge mechanischer/elektrischer Leistung aufnimmt. Zweitens sollte er arbeiten, während er so wenig Geräusche und Schwingungen wie möglich erzeugt. Es werden auch andere Kriterien berücksichtigt. Zum Beispiel muß der Lüfter imstande sein, den aerodynamischen und zentrifugalen Belastungen strukturell standzuhalten, die während des Betriebs auftreten. Ein zusätzliches Problem, dem sich der Designer gegenübersieht, ist das des verfügbaren Raums. Die Kühlanordnung muß in den Begrenzungen des Fahrzeugmotorraums arbeiten, typischerweise mit strengen Einschränkungen der Verkleidungs- und Lüfterabmessungen.
Um diese Kriterien zu erfüllen, muß der Designer mehrere Gestaltungsparameter optimieren. Diese umfassen den Lüfterdurchmesser (der typischerweise durch den zur Verfügung stehenden Raum begrenzt ist), die Drehzahl (die ebenfalls üblicherweise beschränkt ist), den Nabendurchmesser, die Anzahl der Blätter, als auch verschiedene Details der Blattform. Es ist bekannt, daß Lüfterblätter tragflächenförmige Querschnitte mit einer Anstellung, Sehnenlänge, Wölbung und Dicke aufweisen, die gewählt werden, um zu spezifischen Anwendungen zu passen, und daß sie entweder in ihrer Grundrißform völlig radial sind, oder nach hinten oder nach vorn gepfeilt (abgeschrägt) sind. Ferner können die Blätter symmetrisch oder unsymmetrisch um die Nabe beabstandet sein.
FR 2789449 von Valeo Thermique Moteur offenbart einen Axiallüfter, der eine Nabe und mehrere Blätter aufweist. Jedes Blatt erstreckt sich von der Nabe zu einem Blatthaltering und weist eine Anstellung auf, die über einen ersten inneren Teil der radialen Ausdehnung abnimmt und über einen zweiten äußeren Teil der radialen Ausdehnung zunimmt. Es wird eine Ausführungsform beschrieben, in der die Hinterkante der Blattspitze und der Mittelpunkt des Blattfußes auf einer gemeinsamen radialen Linie angeordnet sind. In einer alternativen Anordnung ist ein Mittelpunkt auf der Spitzensehne des Blattes winkelmäßig vor einem Mittelpunkt der Fußsehne angeordnet.
US 5730583 von Alizadeh offenbart einen Lüfter mit einer Nabe und mehreren Blättern, die sich von der Nabe zu einem Blatthaltering erstrecken. Die Vorderkante und Hinterkante jedes Blattes am Spitzenende liegen in Umfangsrichtung bezüglich der Drehrichtung hinter der Vorderkante und Hinterkante des Blattes an der Nabe, so daß der Lüfter nach hinten abgeschrägt ist. Jedes Blatt weist eine Oberfläche auf, die gekrümmt ist, so daß der Flächenwinkel, der zwischen einer Ebene senkrecht zur Mittelachse des Lüfters und einer Linientangente zur Mittellinie des Blattes gebildet wird, längs einer Spannweite des Blattes bei einer Bewegung von der Nabe zur Spitze über einen Abschnitt der Spannweite von etwa 50% der Gesamtspannweite abnimmt und über den Rest der Spannweite zunimmt.
Durch Steuerung der Blattanstellung als eine Funktion des Radius haben wir eine Lüfterblattgestaltung für einen mit einem Band versehenen Lüfter entdeckt, die an die Strömungsumgebung angepaßt ist, die durch einen Wärmeaustauscher und eine Verkleidung erzeugt wird, und die folglich eine größere Effizienz und reduzierte Geräusche liefert. Die Blattanstellung beeinflußt direkt die Pumpkapazität eines Lüfters. Sie muß beruhend auf der Drehzahl des Lüfters, der Luftströmungsgeschwindigkeit durch den Lüfter und dem gewünschten Druckanstieg ausgewählt werden, der durch den Lüfter erzeugt werden soll. Von besonderem Interesse ist die genaue radiale Variation der Anstellung, die von der Blattabschrägung und außerdem von der radialen Verteilung des Luftstroms durch den Lüfter abhängt.
Eine Pfeilung der Blätter eines Lüfters (die häufig vorgenommen wird, um die Geräusche zu reduzieren) ändert seine aerodynamische Leistung, und folglich muß die Blattanstellung eingestellt werden, um dies auszugleichen. Insbesondere sollte ein Blatt, das relativ zur Drehrichtung nach hinten abgeschrägt ist, im allgemeinen einen reduzierten Anstellungswinkel aufweisen, um in einem gegebenen Betriebszustand dieselbe Förderung wie ein ungepfeiltes Blatt zu erzeugen, das in jeder anderen Hinsicht dasselbe ist. Umgekehrt sollten ein nach vorn abgeschrägtes Lüfterblatt im allgemeinen eine erhöhte Anstellung aufweisen, um dieselbe Leistung bereitzustellen.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Lüfter bereitgestellt mit: einer Nabe, die auf einer Achse drehbar ist; mehreren tragflächenförmigen Blättern, von denen sich jedes von einem Fußbereich, der an der Nabe angebracht ist, zu einem Spitzenbereich radial nach außen erstreckt; einem im allgemeinen kreisförmigen Band, das die Blattspitzenbereiche verbindet; und wobei jedes der Blätter im Bereich zwischen r/R = 0,70 und einer Blattspitze (r/R = 1,00) entweder eine im allgemeinen radiale Grundrißform aufweist oder im allgemeinen weg von der Drehrichtung nach hinten gepfeilt ist; wobei der Lüfter dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der Blätter mit einem Anstellungsverhältnis orientiert ist, das:

A. im allgemeinen von einer ersten radialen Stelle bei r/R = 0,85 zu einer zweiten radialen Stelle zunimmt, wobei die zweite radiale Stelle zwischen r/R = 0,90 und r/R = 0,975 liegt, und
B. im allgemeinen von der zweiten radialen Stelle zur Blattspitze abnimmt.

Die Erfindung stellt in einem zweiten und alternativen Aspekt davon eine Luftstromanordnung bereit, die einen axialen Luftstrom durch mindestens einen Wärmeaustauscher erzeugt, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist: (i) einen Lüfter, wie oben definiert; und (ii) eine Verkleidung, die eine Umfangswand aufweist, die sich vom Lüfter zum Wärmeaustauscher erstreckt, um den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher zu leiten.
In einem dritten Aspekt davon stellt die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer Luftstromanordnung bereit, das die Schritte aufweist: Bereitstellen (i) eines Lüfters, wie oben definiert, und (ii) einer Verkleidung, die eine Umfangswand aufweist, die sich vom Lüfter zum Wärmeaustauscher erstreckt, um den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher zu leiten, wobei die Verkleidung ferner eine trichterförmige Sammelkammerfläche aufweist, um die Rückführung von Luft von der Hochdruckauslaßseite des Lüfters zum Niederdruckbereich unmittelbar stromaufwärts vom Lüfter zu verhindern, mit einer Öffnung mit reduziertem Umfang, die den Lüfter an der Außenkante des Bandes eng umschließt; und Montage des Lüfters und der Verkleidung, um die Luftstromanordnung herzustellen.
Die Erfindung erstreckt sich in einem weiteren Aspekt davon auf ein Verfahren zum Montage eine Kühlanordnung, das die Schritte aufweist: (i) Bereitstellen einer Luftstromanordnung, wie oben definiert, und eines Wärmeaustauschers; und (ii) Montage der Luftstromanordnung am Wärmeaustauscher.
Ausführungsformen der Erfindung, die im folgenden beschrieben werden, berücksichtigen die Faktoren der Abschrägung und Anstellung, die oben erläutert werden. Zusätzlich berücksichtigen sie auch die radiale Variation der Luftzustromgeschwindigkeit.
Im Fall der in 1 gezeigten Anordnung geht die ankommende Luft durch den Kühler und wird dann durch die Verkleidungssammelkammer gezwungen, schnell von der großen Stromquerschnittfläche des Kühlers zur kleineren Stromfläche der Lüfteröffnung in der Verkleidung zu konvergieren. Dies führt zu einem Strömungsfeld am Lüfter, das radial stark ungleichmäßig ist.
Die Details einer Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung angegeben. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen deutlich werden.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht mit aufgelösten Einzelteilen eines Lüfters, eines Elektromotors und einer Verkleidung. Ein Wärmeaustauscher wird schematisch stromaufwärts des Lüfters gezeigt.
2 eine perspektivische Ansicht eines Lüfters mit den Eigenschaften, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
3 eine Draufsicht des Lüfters von der Ausstoß- (stromabwärts gelegenen) Seite.
4 einen Blattabschrägungswinkel, der als der Winkel zwischen einer radialen Linie, die die Blattmittelsehnenlinie an einem gegebenen Radius schneidet, und einer radialen Linie definiert ist, die die Blattmittelsehnenlinie am Blattfuß schneidet. Ein Blattpfeilungswinkel wird ebenfalls dargestellt.
5 eine typische Lüfter-Bandgeometrie im Querschnitt.
6 einen detaillierten Querschnitt einer Kraftfahrzeugkühlanordnung, die einen Wärmeaustauscher, eine Verkleidung mit einer Sammelkammer, eine Lecksteuervorrichtung, eine Austrittstrompetenform, eine Motorbefestigung und Haltestatoren, einen Elektromotor, und einen mit einem Band versehenen Lüfter aufweist.
7 einen Aufriß eines Lüfters, der die Eigenschaften aufweist, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, zusammen mit einer Verkleidung, die in einer typischen Kraftfahrzeugkühlanordnung verwendet wird.
8 radiale Verteilungen der in Umfangsrichtung gemittelten Axialgeschwindigkeit für Lüfter, die in Verkleidungen mit verschiedenen Flächenverhältnissen arbeiten.
9A einen vereinfachten Querschnitt der Kühlanordnung, die einen Wärmeaustauscher, eine Verkleidung, einen Motor und einen Lüfter einschließlich einer Nabe umfaßt. Stromwege zeigen den Luftstrom durch die Anordnung an.
9B Konturen der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Rotationsachse, die die Konzentration der Strömung demonstrieren, die nahe der Spitze der Lüfterblätter auftritt.
10 einen typischen Blattquerschnitt mit Zustromgeschwindigkeitsvektoren.
11 radiale Verteilungen des Anstellungsverhältnisses für Lüfter, die in Verkleidungen mit verschiedenen Flächenverhältnissen arbeiten.
12 eine perspektivische Ansicht mit aufgelösten Einzelteilen einer Luftstromanordnung mit einem Lüfter, einem Elektromotor, einer Verkleidung und einem Wärmetauscher sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Lüfters.
13A einen vereinfachten Querschnitt einer Luftstromanordnung mit einer Verkleidung, einem Motor, einem Lüfter einschließlich einer Nabe und einem Wärmeaustauscher sowohl auf der stromaufwärts als auch auf der stromabwärts gelegenen Seite des Lüfters. Strömungswege zeigen den Luftstrom durch die Anordnung.
13B Konturen der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Rotationsachse, die die Konzentration der Strömung demonstrieren, die nahe der Spitze der Lüfterblätter auftritt.
14 eine perspektivische Ansicht eines Lüfters mit den Eigenschaften, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen geben gleiche Elemente an.
1 zeigt die allgemeinen Elemente einer Kühlanordnung, die einen Lüfter, einen Motor, eine Verkleidung und einen Wärmeaustauscher stromaufwärts des Lüfters umfaßt. Entsprechend zeigt 12 die allgemeinen Elemente einer Kühlanordnung, in der sich der Wärmeaustauscher stromabwärts des Lüfters befindet.
2–3 zeigt einen Lüfter 2 der vorliegenden Erfindung. Dazu bestimmt, den Luftstrom durch einen Kraftfahrzeug-Wärmeaustauscher zu bewirken, weist der Lüfter eine zentral angeordnete Nabe 6 und mehrere Blätter 8 auf, die sich zu einem Außenband 9 radial nach außen erstrecken. Der Lüfter besteht aus geformten Kunststoff.
Die Nabe ist im allgemeinen zylindrisch und weist an einem Ende eine glatte Fläche auf. Eine Öffnung 20 in der Mitte der Fläche ermöglicht das Einsetzen einer motorbetriebenen Welle zur Rotation um die Lüftermittelachse 90 (die in 4 gezeigt wird). Das gegenüberliegende Ende der Nabe ist hohl, um einen (nicht gezeigten) Motor unterzubringen und umfaßt zur zusätzlichen Festigkeit mehrere Rippen 30.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Blätter 8 im Spitzenbereich nach hinten oder entgegengesetzt zur Drehrichtung 12 gepfeilt. Eine Blattabschrägung und eine Blattpfeilung sind wie folgt definiert. Der Abschrägungswinkel 40 ist der Winkel zwischen einer radialen Bezugslinie 41, die die Blattmittelsehnenlinie 42 am Blattfuß schneidet, und einer zweiten radialen Linie, die durch die Grundrißformmittelsehne an einem gegebenen Radius 45 (4) geht. Ein positiver Abschrägungswinkel 40 zeigt eine Abschrägung in die Drehrichtung an. Ein Nullabschrägungswinkel 40 oder ein Abschrägungswinkel 40, der mit dem Radius konstant ist, zeigt ein Blatt mit einer geraden Grundrißform (radiales Blatt) an. Der Blattpfeilungswinkel 47 ist der Winkel zwischen einer radialen Linie, die durch die Grundrißformmittelsehne an einem gegebenen Radius geht, und einer Linientangente zur axialen Projektion der Mittelsehne am selben Radius (4). Folglich bedeutet, wenn man dieser Konvention folgt, eine Rückwärtspfeilung einen lokal abnehmenden Abschrägungswinkel. Verglichen mit einem Lüfter mit radialen Blättern wird ein Lüfter mit Blättern, die im Spitzenbereich nach hinten gepfeilt sind, im allgemeinen weniger Luftschall erzeugen und wird außerdem weniger axialen Raum einnehmen, da die Blätter im Spitzenbereich eine niedrigere Anstellung aufweisen.
Ein Außenband 9 (5) vermehrt die strukturelle Festigkeit des Lüfters 2, indem es die Blätter 8 an ihren Spitzen 46 hält, und verbessert die aerodynamische Effizienz, indem es die Luftmenge reduziert, die von der Hochdruckseite der Blätter zur Niederdruckseite um die Spitzen der Blätter zurückströmt. Wo die Spitzen der Blätter am Band angebracht sind, muß das Band nahezu zylindrisch sein, um eine Herstellung durch Formen zu ermöglichen. Vor den oder stromaufwärts der Blätter besteht das Band aus einem radialen oder nahezu radialen Abschnitt (Schnauze) 50 und einem Trompetenformradius 51, der als ein Übergang zwischen den zylindrischen 52 und radialen Abschnitten 50 des Bandes dient.
Aerodynamisch dient die Trompetenform 51 als eine Düse, um den Strom in den Lüfter zu leiten, und ist mit einem so großen Radius wie möglich versehen, um einen reibungslosen Strom durch die Lüfterblattreihe zu erzeugen. Jedoch begrenzen Größeneinschränkungen im allgemeinen den Radius auf eine Länge von weniger als 10–15 mm.
6 zeigt einen Querschnitt des Lüfters 2 zusammen mit verschiedenen Komponenten einer typischen Kraftfahrzeugkühlanordnung 1, die einen Wärmeaustauscher 5, eine Verkleidung 4 mit einer Sammelkammer 10, eine Lecksteuervorrichtung 60, eine Austrittstrompetenform 61, eine Motorbefestigung 62 und Haltestatoren 63 und einen Elektromotor 3 umfaßt. 7 zeigt einen Aufriß desselben Lüfters und derselben Verkleidung, wobei die Abmessungen des Durchmessers des Lüfters und der Verkleidungssammelkammer 10 angegeben sind. Die Verkleidungssammelkammer kann mit den Abmessungen des Fahrzeugkühlers übereinstimmen oder nicht, und ist im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise im Querschnitt rechteckig. Der Hauptgrund der Sammelkammer ist es, als ein Trichter zu dienen, der bewirkt, daß der Lüfter Luft von einer großen Querschnittsfläche des Wärmetauschers ansaugt, wodurch die Kühlwirkung des Luftstroms maximiert wird. Die Verkleidung verhindert außerdem die Rückführung von Luft von der Hochdruckauslaßseite des Lüfters zum Niederdruckbereich unmittelbar stromaufwärts des Lüfters.
Es ist festgestellt worden, daß die relative Querschnittsfläche der Verkleidung und des Lüfters ein wichtiger Faktor sind, der den Zustrom zum Lüfter beeinflußt. Dieser Faktor oder Parameter, der im folgenden als das „Flächenverhältnis" bezeichnet wird, wird für eine rechteckige Verkleidung wie folgt berechnet:
wobei L_Verkleidung die Länge der Verkleidungsöffnung ist, wo die Verkleidung am Kühler angebracht ist, H_Verkleidung die Höhe der Verkleidungsöffnung ist, wo die Verkleidung am Kühler angebracht ist, und D_Lüfter der Lüfterdurchmesser ist.
8 zeigt axiale Geschwindigkeitsverteilungen des Lüfterzustroms (in Umfangsrichtung gemittelt) als eine Funktion des radialen Ortes des Blattes für verschiedene Flächenverhältnisse. Man beachte, daß das theoretische minimale Flächenverhältnis für einen Lüfter, der in einer quadratischen Verkleidung arbeitet, 4/p oder annährend 1,27 beträgt. Wohingegen ein maßvolles Flächenverhältnis von 1,40 zu fast keiner radialen Variation der axialen Zustromgeschwindigkeit führt, erzeugen größere Flächenverhältnisse bedeutend höhere axiale Zustromgeschwindigkeiten in einem Bereich nahe der Blattspitze.
9A zeigt einen Strömungsquerschnitt (1/2 Ebene) durch die Lüfterrotationsachse 90 eines Kühlers 5, die Verkleidung 4 und den Lüfter 2. Das Flächenverhältnis dieser Verkleidungs-Lüfterkombination beträgt 1,78. Es werden Stromlinien gezeigt, um die Art und Weise anzuzeigen, in der die Strömung durch den Kühler 5 und den Lüfter 2 geht. Die Luft wird durch die Kühlrippen des Kühler 5 gezwungen, in eine Richtung parallel zur Lüfterrotationsachse 90 (Axialrichtung) zu strömen, bevor sie schnell konvergiert, um durch den Lüfter 2 zu gehen. 9B zeigt denselben Strömungsquerschnitt mit Konturen der Axialgeschwindigkeit. Es ist deutlich ein Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten nahe der Spitze 46 des Lüfters sichtbar.
Dieses Merkmal des Zustromgeschwindigkeitsprofils hat mehrere Gründe. Erstens verhindert der Strömungsrichteffekt der Wärmeaustauscherkühlrippen, daß der ankommende Luftstrom an den äußeren Ecken der Verkleidung an der Lüfteröffnung konvergiert, bevor er durch den Wärmeaustauscher gegangen ist. Folglich wird die Strömung gezwungen, in dem verhältnismäßig kurzen axialen Raum schnell zu konvergieren, der zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Lüfter zur Verfügung steht. Dieses Strömungsmerkmal wird durch den aerodynamischen Widerstand (Druckabfall) des Kühlers gesteigert, der eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit direkt vor dem Lüfter beeinträchtigt und eine relative Zunahme der Luftmenge erzeugt, die an den äußeren Ecken durch den Kühler strömt. Der Strom, der von diesen äußeren Ecken konvergiert, muß sich dann abrupt am Lüfterband drehen, bevor er durch den Lüfter geht. Wie vorher erwähnt, ist der Trompetenformradius am Lüfterband im allgemeinen auf Abmessungen von weniger als 10–15 mm beschränkt, so daß sich ein konzentrierter Strahl von sich schneller bewegender Luft an der Schnauze der Verkleidungs-/Lüfteröffnung entwickelt. Ein wichtiger zusätzlicher Faktor, der zu den höheren Geschwindigkeiten am Lüfterspitzenbereich beiträgt, ist die Variation des Druckverlustes durch den Wärmeaustauscher mit dem radialen Ort. Die sich langsamer bewegende Luft an den äußeren Ecken verliert weniger Druckhöhe, wenn sie durch den Kühler geht. Die größere Restenergie, die im Strom an den Außenradien gelassen wird, führt zu höheren Geschwindigkeiten nahe der Spitze des Lüfters.
Ebenfalls ist in 8 und 9B eine plötzliche Abnahme der Axialgeschwindigkeit am radial äußersten Endabschnitt des Lüfterblatts deutlich. Dies ist auf die Reibung an den Wänden und auf die schnelle Druckrückgewinnung stromabwärts des „Strahl"-Stroms an der Trompetenform 51 des Bandes zurückzuführen. Dieser Strahleinschnürungseffekt bewirkt, daß der Großteil der Strömung nahe der Spitze 46 des Blattes sich radial nach innen bewegt, wenn er durch den Lüfter geht, wobei er einen Bereich von sich langsamer bewegender Luft an der äußersten Spitze 46 des Blattes erzeugt.
Es sollte beachtet werden, daß diese Strömungseigenschaften auch in dem Fall vorhanden sind, wo sowohl auf der stromaufwärts als auch auf der stromabwärts gelegenen Seite des Lüfters (12) ein Wärmeaustauscher angeordnet ist. Wo nur auf der stromabwärts gelegenen Seite des Lüfters ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, wird immer noch ein Strahl einer beschleunigten Strömung am Band auftreten. Jedoch wird die Stärke des Strahls reduziert sein.
Während eine Reduzierung dieser radialen Variationen der Zustromgeschwindigkeit mit einem gut gestalteten Lüfter möglich ist, ist es schwierig, sie völlig zu beseitigen, insbesondere für Luftstromanordnungen mit großen Flächenverhältnissen. Es kann auch genau das Gegenteil bewirken, da eine Änderung des Geschwindigkeitsfeldes am Lüfter, um die Lüftereffizienz zu erhöhen, die Strömung am Wärmeaustauscher in einer solchen Weise beeinflussen kann, daß der Widerstand des Wärmeaustauschers erhöht wird, wodurch sich ein Nettogewinn von null in der Gesamtsystemeffizienz ergibt. Folglich sollte der Lüfterkonstrukteur eine Umgebung mit ungleichmäßiger Strömung erwarten, wenn er eine Blattgestaltung (insbesondere die Blattanstellungsverteilung) für eine ruhige und effiziente Betriebsleistung mit einer Verkleidung und Wärmeaustauscher(n) entwirft.
10 zeigt den Zustromgeschwindigkeitsvektor V_TOT im Verhältnis zum sich drehenden Lüfterblatt bei einem Blattquerschnitt mit konstantem Radius bei einem kleinen Abstand stromaufwärts des Lüfters. Der Zustromvektor weist infolge der Lüfterrotation eine Rotationskomponente V_ROT (die stromabwärts infolge der Wirbelströmung reduziert wird, die durch den Lüfter erzeugt wird) und eine axiale Komponente V_x infolge des allgemeinen Luftstroms durch den Lüfter auf. Man kann aus 10 leicht entnehmen, daß in Bereichen mit höherer Axialgeschwindigkeit V_x der Anstellungswinkel b erhöht werden sollte, um den erwünschten Angriffswinkel a aufrechtzuerhalten. Umgekehrt erfordern Bereiche mit reduzierter Axialgeschwindigkeit eine reduzierte Blattanstellung.
11 zeigt dimensionslose Blattanstellungsverhältnisverteilungen, die den Zustromgeschwindigkeitsverteilungen entsprechen, die in 8 gezeigt werden. Das Anstellungsverhältnis ist als das Verhältnis der Blattanstellung zum Lüfterdurchmesser definiert, wobei die Anstellung der axiale Abstand ist, der theoretisch durch den Blattquerschnitt während einer Wellenumdrehung bei einer Rotation in einem festen Medium für eine mechanische Schraube durchquert wird. Es kann aus dem Blattanstellungswinkel b (d.h. dem Winkel zwischen dem Blattquerschnitt und der Rotationsebene) als p × r/R × tanb berechnet werden, ist jedoch ein anschaulicherer Parameter als der Anstellungswinkel. Wenn zum Beispiel Abschrägungs- und Wirbel-(Abwind)-Effekte ignoriert werden, wird ein Lüfter, der in einem perfekt gleichmäßigen Zustrom arbeitet, ein konstantes Anstellungsverhältnis über die Blattspannweite aufweisen. Der Anstellungswinkel wird jedoch mit dem Radius abnehmen. Folglich ist das Anstellungsverhältnis ein direkterer Indikator der Auswirkungen der Abschrägung, des Wirbels und der ungleichmäßigen Zustromgeschwindigkeiten auf die Blattgestaltung.
Alle Blattgestaltungen in 11 sind rückwärts abgeschrägt, mit zum Lüfter, der in 1–3 gezeigt wird, ähnlichen oder identischen Abschrägungsverteilungen. In einigen Fällen unterscheiden sich die Anzahl der Blätter, die Blattsehnenlänge, die Dicke und die Wölbung. Für das verhältnismäßig niedrige Flächenverhältnis von 1,4 ist der Zustrom mehr oder weniger gleichmäßig (8), und daher dominieren Abschrägungseffekte die Auswahl der Anstellungsverteilung. Wie aus früheren Patenten einschließlich der US.-Patents Nr. 4,569,632 erwartet wird, nimmt das Anstellungsverhältnis für den rückwärts abgeschrägten Lüfter kontinuierlich mit dem Radius ab, insbesondere im radial äußeren Abschnitt des Blattes. Jedoch wird für größere Flächenverhältnisse der Einfluß der Zustromgeschwindigkeitsverteilung wichtig. Die sich ergebenden optimalen Blattanstellungsverteilungen zeigen eine Zunahme des Anstellungsverhältnisses im radialen Bereich, wo die axialen Zustromgeschwindigkeiten zunehmen, dem sich eine Abnahme des Anstellungsverhältnisses im äußersten Abschnitt des Blattes anschließt. Dies weicht von den Anstellungsverteilungen für radiale und rückwärts abgeschrägte Lüfter ab, die in der früheren Literatur beschrieben werden.
Ein erfindungsgemäßer Lüfter zeichnet sich durch eine radiale Anstellungsverteilung aus, die eine verbesserte Effizienz und reduzierte Geräusche liefert, wenn der Lüfter in einer Verkleidung im ungleichmäßigen Strömungsfeld betrieben wird, das durch einen oder mehrere Wärmetauscher erzeugt wird. Die Lüfterblätter sind in ihrer Grundrißform radial oder im Bereich zwischen der radialen Stelle r/R = 0,70 und der Spitze (r/R = 1,00) nach hinten gepfeilt. Die Blätter weisen ein zunehmendes Anstellungsverhältnis von der radialen Stelle r/R = 0,85 zu einer radialen Stelle zwischen r/R = 0,90 und r/R = 0,975 auf. Von dieser Stelle des lokalen maximalen Anstellungsverhältnisses nimmt das Anstellungsverhältnis zur Blattspitze (r/R = 1,00) hin ab.
In einer bevorzugteren Ausführungsform (14) ist das lokale maximale Anstellungsverhältnis im Bereich zwischen r/R = 0,90 und r/R = 0,975 um einen Betrag, der gleich oder größer als 5% des minimalen Anstellungsverhältnisses ist, größer als das minimale Anstellungsverhältniswert im Bereich zwischen r/R = 0,75 und r/R = 0,85.
In einer noch bevorzugteren Ausführungsform (14) weisen die Lüfterblätter ein zunehmendes Anstellungsverhältnis von der radialen Stelle r/R = 0,825 zu einer radialen Stelle zwischen r/R = 0,90 und r/R = 0,95 auf. Von dieser Stelle des lokalen maximalen Anstellungsverhältnisses nimmt das Anstellungsverhältnis zur Blattspitze (r/R = 1,00) ab. Ferner ist das lokale maximale Anstellungsverhältnis im Bereich zwischen r/R = 0,90 und r/R = 0,95 um einen Betrag, der gleich oder größer als 20% des minimalen Anstellungsverhältnisses ist, größer als das minimale Anstellungsverhältniswert im Bereich zwischen r/R = 0,775 und r/R = 0,825.
In einer bevorzugtesten Ausführungsform (14) weisen die Lüfterblätter ein zunehmendes Anstellungsverhältnis von der radialen Stelle r/R = 0,775 zur radialen Stelle r/R = 0,925 auf. Von der Stelle r/R = 0,925 nimmt das Anstellungsverhältnis zur Blattspitze (r/R = 1.00) ab. Ferner ist das Anstellungsverhältnis bei r/R = 0,925 um einen Betrag, der gleich oder größer als 20% des minimalen Anstellungsverhältnisses ist, größer als das Anstellungsverhältnis bei r/R = 0,775.
Wenn eine Blattanstellungsverteilung mit den obenerwähnten bevorzugten Eigenschaften aufrechterhalten wird, sorgt dies für eine größere Effizienz und reduzierte Geräusche für Lüfter, die in Verkleidungen in der Nähe von Wärmetauschern wie Automobil-Kondensatoren und -Kühlern arbeiten.
Es sind eine Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden. Nichtsdestoweniger wird verstanden werden, daß verschiedene Modifikationen möglich sind. So hängt die genaue Beschaffenheit der Ungleichmäßigkeit von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Kühler- und Verkleidungsgeometrie, und kann außerdem durch Gegenstände stromabwärts des Lüfters beeinflußt werden, wie eine Blockierung oder zusätzliche Wärmetauscher. Eine optimale radiale Verteilung der Blattanstellung für einen ruhigen und effizienten Betrieb wird auch von diesen Faktoren abhängen und wird sich im allgemeinen zwischen Kühlanordnungen mit unterschiedlicher Gestaltung unterscheiden.

Claims

Lüfter mit: einer Nabe (6), die auf einer Achse drehbar ist; mehreren tragflächenförmigen Blättern (8), von denen sich jedes von einem Fußbereich, der an der Nabe angebracht ist, zu einem Spitzenbereich radial nach außen erstreckt; einem im allgemeinen kreisförmigen Band (9), das die Blattspitzenbereiche verbindet; und wobei jedes der Blätter im Bereich zwischen r/R = 0,70 und einer Blattspitze (r/R = 1,00) entweder eine im allgemeinen radiale Grundrißform aufweist oder im allgemeinen weg von der Drehrichtung nach hinten gepfeilt ist; wobei der Lüfter dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der Blätter mit einem Anstellungsverhältnis orientiert ist, das: A. im allgemeinen von einer ersten radialen Stelle bei r/R = 0,85 zu einer zweiten radialen Stelle zunimmt, wobei die zweite radiale Stelle zwischen r/R = 0,90 und r/R = 0,975 liegt, und B. im allgemeinen von der zweiten radialen Stelle zur Blattspitze abnimmt.
Lüfter nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß X den größten Anstellungsverhältniswert im Bereich zwischen jeweils einschließlich r/R = 0,90 und r/R = 0,975 repräsentiert und Y den kleinsten Anstellungsverhältniswert im Bereich zwischen jeweils einschließlich r/R = 0,75 und r/R = 0,85 repräsentiert, und X ≥ 1,05Y.
Lüfter nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß (i) das Anstellungsverhältnis im allgemeinen von r/R = 0,825 auf r/R = 0,85 zunimmt, (ii) die zweite radiale Stelle zwischen r/R = 0,9 und r/R = 0,95 liegt, und (iii) Q den größten Anstellungsverhältniswert im Bereich zwischen jeweils einschließlich r/R = 0,90 und r/R = 0,95 repräsentiert, und Z den kleinsten Anstellungsverhältniswert im Bereich zwischen jeweils einschließlich r/R = 0,775 und r/R = 0,825 repräsentiert, und Q ≥ 1,2 Z.
Lüfter nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Anstellungsverhältnis im allgemeinen von r/R = 0,775 auf r/R = 0,85 zunimmt, und die zweite radiale Stelle mindestens r/R = 0,925 beträgt.
Lüfter nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfter als eine integrale Struktur ausgebildet ist.
Lüfter nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Struktur aus einem geformten Kunststoffmaterial besteht.
Luftstromanordnung, die einen axialen Luftstrom durch mindestens einen Wärmeaustauscher erzeugt, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist: (i) einen Lüfter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und (ii) eine Verkleidung (4), die eine Umfangswand aufweist, die sich vom Lüfter zum Wärmeaustauscher (5) erstreckt, um den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher zu leiten.
Luftstromanordnung nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Verbindung mit einem Wärmeaustauscher angepaßt ist, der stromaufwärts vom Lüfter angeordnet ist, und sich die Umfangswand stromaufwärts vom Lüfter erstreckt, um einen Einlaß für Luft bereitzustellen, die aus dem Wärmeaustauscher strömt, wobei die Öffnung eine Ablaßöffnung ist.
Luftstromanordnung nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen axialen Luftstrom durch mindestens einen zusätzlichen Wärmeaustauscher (5) erzeugt, der stromabwärts der Anordnung angeordnet ist, und daß die Verkleidung (4) eine Umfangswand aufweist, die sich stromabwärts vom Lüfter erstreckt, um einen Ablaß für Luft bereitzustellen, die durch den zusätzlichen Wärmeaustauscher strömt.
Luftstromanordnung nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Verbindung mit einem Wärmeaustauscher angepaßt ist, der stromabwärts vom Lüfter angeordnet ist, und sich die Umfangswand stromabwärts des Lüfters erstreckt, um einen Ablaß für Luft bereitzustellen, die durch den Wärmeaustauscher strömt.
Luftstromanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung ferner eine Sammelkammertläche (10) aufweist, um die Rückführung von Luft von der Hochdruckauslaßseite des Lüfters zum Niederdruckbereich unmittelbar stromaufwärts vom Lüfter zu verhindern, mit einer Öffnung mit reduziertem Umfang, die den Lüfter an der Außenkante des Bandes (9) eng umschließt.
Luftstromanordnung nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Verwendung mit einem Kraftfahrzeugmotor-Kühlwärmeaustauscher angepaßt ist.
Luftstromanordnung nach Anspruch 11, die ferner den Wärmeaustauscher aufweist.
Verfahren zur Montage einer Luftstromanordnung, das die Schritte aufweist: Bereitstellen (i) eines Lüfters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und (ii) einer Verkleidung, die eine Umfangswand aufweist, die sich vom Lüfter zum Wärmeaustauscher erstreckt, um den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher zu leiten, wobei die Verkleidung ferner eine trichterförmige Sammelkammerfläche aufweist, um die Rückführung von Luft von der Hochdruckauslaßseite des Lüfters zum Niederdruckbereich unmittelbar stromaufwärts vom Lüfter zu verhindern, mit einer Öffnung mit reduziertem Umfang, die den Lüfter an der Außenkante des Bandes eng umschließt; und Montage des Lüfters und der Verkleidung, um die Luftstromanordnung herzustellen.
Verfahren zum Montage eine Kühlanordnung, das die Schritte aufweist: (i) Bereitstellen einer Luftstromanordnung nach Anspruch 7 und eines Wärmeaustauschers; und (ii) Montage der Luftstromanordnung am Wärmeaustauscher.