EP0912832B1

EP0912832B1 - Radialventilator

Info

Publication number: EP0912832B1
Application number: EP98919173A
Authority: EP
Inventors: Michael Ehlers; Bernhard Stephan
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: DE59809554D1; WO1998045600A1; ES2206921T3; JP2000513067A; DE19713712C1; EP0912832A1; US6164909A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Radialventilator, insbesondere als Lüfter für die Kühlanlage eines Kraftfahrzeuges, umfassend ein Laufrad mit Radialschaufeln, eine düsenartig geformte Deckscheibe, einen daran befestigten Luftleitring, einen Laufradboden sowie eine stationäre Einlaufdüse.

Stand der Technik

Mit diesen Merkmalen versehene Radialventilatoren sind aus den DE 44 31 839 A1 und DE 44 31 840 A1 bekannt. Bei Radiallaufrädern aus Kunststoff ist die Ausformbarkeit des gekrümmten Deckscheibeneintritts aus dem Spritzgußwerkzeug schwierig oder unmöglich. Die Krümmung des Deckscheibeneintritts an die ebenfalls gekrümmte Einlaufdüse ist zur Reduzierung der Spaltverluste, die durch Abriß der Luftströmung entstehen, aber erforderlich. Deshalb ist in diesen beiden Dokumenten vorgesehen, separate Luftleitringe herzustellen, die an der Deckscheibe anliegend befestigt sind. Diese Luftleitringe sind jedoch ausschließlich aus fertigungstechnischen Gründen notwendig, wie oben erläutert. Um die durch den Luftspalt zwischen stationärer Einlaufdüse und rotierendem Laufrad auftretenden Leistungsverluste zu reduzieren, sind an der Deckscheibe des Laufrades in einem Fall Schaufelfortsätze vorgesehen und in dem anderen Fall einzelne Hilfsschaufeln am Deckscheibeneintritt angeordnet. Diese Teile können zu einer Wirkungsgradverbesserung führen. Wenn für den Antrieb des Radialventilators die energieökonomisch günstige Variante - direkt vom Motor des Fahrzeuges - gewählt wird, treten Probleme auf, die darin bestehen, daß der Motor und somit auch das Laufrad und die übrigen daran befestigten rotierenden Teile gegenüber der stationären Einlaufdüse Bewegungen in axialer und radialer Richtung ausführen, die größer als 10mm sein können. Deshalb muß der Luftspalt so groß gewählt werden, daß diese Toleranzen ausgeglichen werden können, bzw. die Berührung zwischen den Teilen mit Sicherheit verhindert wird. Dies wiederum beeinträchtigt deutlich den Wirkungsgrad des Ventilators, weil die durch den zu großen Spalt verursachten Leistungsverluste enorm sind. Hier können die oben genannten Hilfsschaufeln und Schaufelfortsätze keine ausreichende Abhilfe schaffen, weil mit größerem Abstand bzw. Spalt auch der Abstand der Hilfsschaufeln größer wird, was deren Wirkung deutlich reduziert. Man hilft sich hier eher mit elastischen Abdeckungen, die die Verluste durch den größeren Luftspalt vermindem können - die aber trotzdem enorm groß bleiben.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Radialventilator, insbesondere als Lüfter für die Kühlanlage eines Fahrzeuges vorzuschlagen, der deutlich größere Toleranzen zwischen rotierendem Laufrad und stationärer Einlaufdüse zuläßt, ohne den Wirkungsgrad des Ventilators wesentlich zu verschlechtern.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß der die Spaltströmung bewirkende Luftspalt zwischen der Deckscheibe und einem mitrotierenden Luftleitring ausgebildet ist. Der Luftspalt sollte über den gesamten Umfang gleichmäßig dimensioniert sein. Der Luftleitring einer ersten Variante besitzt im Querschnitt gesehen einen zur Deckscheibe weisenden unteren teilkreisförmigen Abschnitt und einen zwischen der Deckscheibe und der stationären Einlaufdüse positionierten etwa vertikalen Abschnitt. Der Luftleitring einer zweiten Variante besitzt zusätzlich einen oben an den vertikalen Abschnitt anschließenden zur Einlaufdüse weisenden etwa horizontalen Abschnitt.
Der horizontale Abschnitt des Luftleitringes und der gesamte Luftleitring haben einen deutlichen Abstand von der stationären Einlaufdüse, so daß hierdurch der Toleranzausgleich zwischen den rotierenden und feststehenden Teilen des Radialventilators möglich ist, ohne den Wirkungsgrad des Ventilators merklich zu verschlechtern. Dieser Spalt oder Abstand des Luftleitringes von der Einlaufdüse ist mit geeigneten Abdeckungen versehen, die in den Ansprüchen 9 bis 11 angegeben sind. Die verschiedenen Ausführungen der Abdeckung richten sich danach, welche Ausführungsform des Luftleitringes ausgewählt wird. Bei der Ausführungsform des Luftleitringes ohne oberen horizontalen Abschnitt, sind elastische Elemente, beispielsweise Bürsten, Gummielemente oder dgl. entweder an der Einströmdüse oder an dem vertikalen Abschnitt des Luftleitringes angeordnet. Die andere Ausführungsform besitzt ein um die Einströmdüse angeordnetes kreisringförmiges Teil.
In zahlreichen Versuche wurde nachgewiesen, daß der Wirkungsgrad dem Vergleich mit anderen Radialventilatoren, die die Möglichkeiten des größeren Toleranzausgleiches nicht besitzen, standhatten kann.
Wesentlich ist, daß somit der energieökonomisch günstigste Antrieb von der Kurbelwelle des Motors ausgewählt werden kann, was sich auf die Gesamtenergiebilanz des Fahrzeuges oder der Anlage positiv auswirkt.
Der die Spaltströmung bewirkende minimale Luftspalt zwischen der Deckscheibe und dem mitlaufenden Luftleitring bleibt trotz möglicher Bewegungen zwischen den feststehenden und den rotierenden Teilen immer konstant und kann deshalb auch seine positiven Wirkungen, die darin bestehen, daß der Abriß der Oberflächenströmung an der Deckscheibe verhindert wird, ständig entfalten. Günstig ist ferner, wenn dieser Spalt zwischen Deckscheibe und Luftleitring sich zum Laufrad hin verengt, weil dies zu einer Düsenwirkung führt, was die zuvor beschriebene Wirkung verbessert. An der engsten Stelle, am Ende des Spaltes, kann die Spaltbreite vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm betragen.
Die Verbindung zwischen der Deckscheibe und dem mitrotierenden Luftleitring kann eine lösbare Verbindung, beispielsweise Schraubverbindung, sein oder auch eine unlösbare, beispielsweise eine Schweißverbindung oder Klebeverbindung. Am Umfang verteilt sind entsprechnende Verbindungsstege vorgesehen.
Der gute Wirkungsgrad des Radialventilators wird ferner dadurch unterstutzt, daß das kragenförmige Ende der Einlaufdüse, das die Luft von der Saugseite zur Druckseite leitet, im Querschnitt viertelkreisförmig oder etwas geringer als der Viertelkreis ausgebildet ist. Die Tangente des Viertelkreises strakt wiederum mit dem teilkreisförmigen unteren Abschnitt des Luftleitringes. Ferner strakt die Tangente des teilkreisförmigen Abschnittes des Luftleitringes mit dem teilkreisförmigen Abschnitt der Deckscheibe. Gerade diese zuletztgenannte Ausbildung dient ebenfalls der optimalen Spaltströmung, d.h. sie bewirkt, daß die Luftströmung nicht von der Deckscheibe abgelöst wird und schädliche Verwirbelungen erzeugt.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen. Ferner ergeben sich Merkmale und Wirkungen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, die Bezug nimmt auf die beiliegenden Zeichnungen. Die für die vorliegende Erfindung wichtigen Einzelheiten sind nachfolgend mit den Bezugsziffern 1 bis 21 versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Es zeigen:

Fig. 1 Seitenansicht eines Radialventilators in der Kühlanlage eines Kraftfahrzeuges
Fig. 2 Kühlanlage mit Radialventilator von hinten gesehen
Fig. 3 Einzelheit "X" aus Fig.1 in einer 1. Variante
Fig. 4 wie Fig. 3 - mit einer Spaltabdeckung
Fig. 5 Einzelheit "X" aus Fig. 1 in einer 2. Variante - mit Spaltabdeckung
Fig. 6 Ähnlich der Fig. 4 - mit einer anderen Spaltabdeckung

Die Fig. 1 und 2 sind schematisiert dargestellt und zeigen eine kastenartig aufgebaute Kühlanlage 2, in der sich der Radialventilator 1 befindet, dessen Laufrad 3 um die Achse 29 rotiert. Dabei wird die Luft axial angesaugt und radial auf die Kühler 23;24;25;26 der Kühlanlage 2 umgelenkt. Die kastenartige Kühlanlage 2 besteht hier beispielsweise aus einem oberen Ladeluftkühler 23, aus rechts und links angeordneten Kühlmittelkühlern 24 und unten angeordnetem Ölkühler 25 und Kondensator 26, die in Luftströmungsrichtung hintereinander liegend angeordnet sind. Solche Kühlanlagen sind häufig in größeren Kraftfahrzeugen anzutreffen.
Der Antrieb des Radialventilators 1 erfolgt vom Motor 27 des Kraftfahrzeuges. Vorliegend erfolgt die Übertragung des Drehmomentes auf den Radialventilator 1 über einen Keilriementrieb 28. In anderen Anwendungsfällen kann der Radialventilator 1 direkt über eine Kupplung mit der Kurbelwelle des Motors 27 verbunden sein. Der direkte Antrieb vom Motor 27 auf den Radialventilator 1 ist energieökonomisch die günstigste Variante. Allerdings benötigt diese Variante einen größeren Abstand (Spalt 18) zwischen stationären und rotierenden Teilen, weil durch Temperaturschwankungen und durch den Lauf des Motors verursachte Schwingungen zu Lageveränderungen führen, die ausgeglichen werden müssen. Dabei darf es logischerweise nicht zu Berührungen der Teile kommen und auch die Leistung des Radialventilators 1 darf darunter nicht wesentlich leiden, weil ansonsten nicht sichergestellt wäre, daß die projektierte Kühlleistung in Phasen größten Kühlbedarfes auch erreicht werden würde. Alldem trägt die folgende Ausführung Rechnung.
Hier ist der in Fig. 1 mit "X" gekennzeichnete Bereich von großer Bedeutung und in den Fig. 3 bis 6 als Schnittdarstellung in zwei Varianten abgebildet. Unterhalb der einzelnen Fig. 3 bis 6 verläuft jeweils horizontal die gedachte Laufradachse 29. Mit dem Bezugszeichen 18 ist der Spalt bezeichnet, der jetzt einen deutlich größeren Toleranzausgleich zwischen der stationären Einströmdüse 8 und dem Laufrad 3 mit dem mitrotierenden Leitring 6 gestattet, als das beim Stand der Technik der Fall ist. Dies ist in den Fig. 3 bis 6 erkennbar aus den Kreisen mit gestrichelter Linienführung. In den Fig. 3 bis 6 haben gleiche Teile gleiche Bezugszeichen, die der besseren Übersichtlichkeit halber nur in der Fig. 3 vollständig angegeben worden sind.
In den Fig. 3 ; 4 und 6 besteht der Luftleitring 6 aus dem unteren kreisförmigen Abschnitt 11, dem vertikalen Abschnitt 13 und dem oberen horizontalen Abschnitt 14.
In den Fig. 4 bis 6 sind nur die dort wesentlichen Teile mit Bezugszeichen versehen worden. Aus den Abbildungen geht hervor, daß zwischen der Deckscheibe 5 und dem Luftleitring 6 Verbindungsstege 21 angeordnet sind. Von solchen Verbindungsstegen 21 sind mehrere gleichmäßig am Umfang verteilt vorgesehen. In den Schnittdarstellungen ist jeweils nur ein Verbindungssteg 21 dargestellt. Es versteht sich, daß der nicht gezeigte Querschnitt der Verbindungsstege 21 eine strömungsgünstige Form besitzt. Erkennbar ist der sich verengende Luftspalt 10 zwischen dem Luftleitring 6 und der Deckscheibe 5. Am zum Laufrad 3 weisenden Ende 9 des Luftspaltes 10 soll die Breite des Luftspaltes 3 mm betragen. Dadurch wird eine gute Sogwirkung für den von oben aus dem Laufrad 3 abströmenden Teilluftstrom erzielt. Der Teilluftstrom, der eigentlich als Leistungsverlust zu werten ist und bei allen Radialventilatoren auftritt, wird über den Luftspalt 10 in die Hauptströmung zurückgeführt. Die Zurückführung erfolgt so, daß der Teilluftstrom entlang der inneren Oberfläche der Deckscheibe 5 geleitet wird. Dadurch werden Verwirbelungen des Luftstromes weitestgehend vermieden. Um diese Wirkung zu unterstützen, liegt die Tangente 16 des teilkreisförmigen Kragens 15 der Einströmdüse 8 in einer Flucht mit dem teilkreisförmigen Abschnitt 11 des Luftleitringes 6. Die Tangente 17 des teilkreisförmigen Abschnittes 11 fluchtet etwa mit dem Teilkreis 12 der Deckscheibe 5. Die zuvor beschriebene Sogwirkung zieht den größten Teil des Teilluftstromes ab, so daß der relativ große Spalt 18, der den gewünschten Toleranzausgleich ermöglicht, keine wesentliche schädliche Wirkung hinsichtlich Leistungsverlust entfalten kann. Um diese schädlichen Wirkungen weiter zu reduzieren, sind in den Fig. 4 bis 6 verschiedene Möglichkeiten für Spaltabdeckungen eingezeichnet worden. In Fig. 4 ist als Spaltabdeckung das kreisringartige Teil 19 vorgesehen, daß um den Kragen 15 der Einströmdüse 8 angeordnet ist. Das kreisringartige Teil 19 kann ein nachgiebiger Kunststoff sein. Im Unterschied dazu zeigt die Fig. 6 eine elastische Spaltabdeckung 20. Es handelt sich hier um einen Ring aus Gummi. Dieser Ring hat einen etwas größeren Durchmesser als der von dem oberen horizontalen Abschnitt 14 des Laufringes 6 gebildete Durchmesser. Der Ring ist an der Einströmdüse 8 befestigt und erstreckt sich in axialer Richtung bis über das Ende des horizontalen Abschnittes 14.
Die Fig.5 zeigt die vorteilhafte Variante, bei der der Luftleitring 6 nur aus dem vertikalen Abschnitt 13 und dem unteren teilkreisförmigen Abschnitt 11 besteht. Dieser Luftleitring 6 hat bei vergleichbar guten Wirkungen geringere Fertigungskosten. Zur Abdeckung des Spaltes 18 ist hier eine aus bürstenartigen Teilen bestehende elastische Abdeckung 20 vorgesehen, die ringförmig angeordnet ist. Diese Abdeckung 20 ist ebenfalls an der Einströmdüse 8 befestigt und erstreckt sich in axialer Richtung bis dicht an den vertikalen Abschnitt 13 des Luftleitringes 6.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1: Radialventilator
2: Kühlanlage
3: Laufrad
4: Radialschaufeln
5: Deckscheibe
6: Luftleitring (LR)
7: Laufradboden
8: Einströmdüse
9: Ende des Luftspaltes
10: Luftspalt zwischen Leitring und Deckschelbe
11: Teilkreis am Leitring
12: Teilkreis an Deckscheibe
13: vertikaler Abschnitt am LR
14: horizontaler Abschnitt am LR
15: kragenförmiges Ende an Einströmdüse
16: Tangente zwischen Viertelkreis und teilkreisförmigern Abschnitt LR
17: Tangente vom Abschnitt LR zum Teilkreis Deckscheibe
18: Spalt zwischen LR und Einströmdüse
19: kreisringförmiges Teil
20: elastische Spaltabdeckung
21: Verbindungsstege LR-Deckscheibe
22: Strömungspfeile
23: Ladeluftkühler
24: Kühlmittelkühler
25: Ölkühler
26: Kondensator
27: Motor
28: Keilriemen
29: Achse des Laufrades

Claims

Radialventilator (1), insbesondere als Lüfter für die Kühlanlage (2) eines Kraftfahrzeuges, umfassend ein Laufrad (3) mit Radialschaufeln (4), eine düsenartig geformte Deckscheibe (5), einen daran befestigten Luftleitring (6), einen Laufradboden (7) sowie eine stationäre Einströmdüse (8), dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Deckscheibe (5) und dem mitrotierenden Luftleitring (6) ein radialer Luftspalt (10) ausgebildet ist.
Radialventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Luftspalt (10) durch die Überdeckung zwischen Deckschelbe (5) und Luftleitring (6) gebildet ist und vorzugsweise düsenartig, zum Laufrad (3) hin konisch verläuft sowie am Ende (9) eine Breite zwischen 2 und 5 mm aufweist, die am gesamten Umfang vorzugsweise konstant ist.
Radialventilator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verbindungsstege (21) am Umfang verteilt zwischen Luftleitring (6) und Deckscheibe (5) angeordnet sind.
Radialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Luftleitring (6), im Querschnitt gesehen, einen zur Deckscheibe (5) weisenden unteren etwa teilkreisförmigen Abschnitt (11), einen zwischen dem Auslauf der Deckscheibe (5) und der stationären Einströmdüse (8) positionierten etwa vertikalen Abschnitt (13) und einen oberen zur Einlaufdüse (8) weisenden etwa horizontalen Abschnitt (14) besitzt.
Radialventilator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Überdeckung zwischen dem Ende des teilkreisförmigen Abschnittes (15) der stationären Einströmdüse (8) und dem oberen horizontalen Abschnitt (14) des Luftleitringes (6) vorgesehen ist.
Radialventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftleitring (6) im Querschnitt gesehen, einen zur Deckscheibe (5) weisenden unteren etwa teilkreisförmigen Abschnitt (11) und einen zwischen dem Auslauf der Deckscheibe (5) und der stationären Einströmdüse (8) positionierten etwa vertikalen Abschnitt (13) aufweist.
Radialventilator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das kragenförmige Ende (15) der stationären Einströmdüse (8) im Querschnitt viertelkreisförmig oder etwas geringer als der Viertelkreis ausgebildet ist.
Radialventilator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Tangente (16) des Viertelkreises mit dem teilkreisförmigen unteren Abschnitt (11) des Luftleitringes (6) strakt und dessen Tangente (17) mit dem teilkreisförmigen Abschnitt (12) der Deckscheibe (5) fluchtet.
Radialventilator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt (18) zwischen der stationären Einströmdüse (8) und dem mitrotierenden Leitring (6) elastische und/oder starre Mittel zur Abdeckung (19;20) des Spaltes (18) vorgesehen sind.
Radialventilator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß um das Ende (15) der stationären Einströmdüse (8) ein kreisringförmiges Teil (19) angeordnet ist.
Radialventilator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einströmdüse (8) oder an dem mitrotierenden Leitring (6) den gesamten Umfang umfassende elastische Spaltabdeckung (20) angeordnet ist.