EP1013938B1 - Gebläserad mit geringer spezifischer Drehzahl - Google Patents

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EP1013938B1
EP1013938B1 EP98124090A EP98124090A EP1013938B1 EP 1013938 B1 EP1013938 B1 EP 1013938B1 EP 98124090 A EP98124090 A EP 98124090A EP 98124090 A EP98124090 A EP 98124090A EP 1013938 B1 EP1013938 B1 EP 1013938B1
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blade
air
blower
efficiency
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to an impeller, in particular a high-pressure impeller, for radial fans according to the preamble of the claim 1.
  • measuring devices are used for determination of the germ content in the air.
  • the air is in a slit-like cross-section Speeds of 10 m / sec. up to 70 m / sec. accelerates.
  • the Volume flows are 28 l / m. up to 100 l / min.
  • the one there necessary pressure differences are 200 to 5000 Pa.
  • the required fan power is 1 to 9 watts.
  • the filtration method is also used to determine the Germ content of the air applied.
  • the air is sucked through filters and the germs are picked up deposited on the filter.
  • the volume flows here are 3.5 l / min. up to 150 l / min., the necessary pressure differences at 300 to 8000 Pas.
  • the required blower output is 1 up to 20 watts.
  • Ventilated respiratory protection hoods are used in surgery used, with fan lines as mentioned above.
  • a well-known radial blower that delivers the required performance at least comes close is mentioned below.
  • the at DC motor used in this blower has the same Data such as the motor related to the invention. Only one The difference is that he is not so heavily loaded can. Power output is up to a voltage of 13.2 V. and the speed of both motors is the same.
  • the invention has for its object the above Improve the impeller in such a way that it is a significant one Has increased performance, and especially as High-pressure impeller for small volume flows with a clear one Award for increased efficiency.
  • Another object of the invention is to increase this performance miniaturization and related To achieve weight reduction in radial compressors, so that this opens up new areas of application.
  • the blade entry angle ⁇ 1 should be at least 55 ° and at most 80 °.
  • the fan efficiency is in all five measured working areas between 50.5% -55.7%.
  • n q values were between 9.1 and 9.9 min ⁇ 1 , which means that they did not even reach the lower limit.
  • the invention on the other hand, presented in the published patent application on average requires 0.17 watts per mm of water, which is a Performance increase of almost 40% compared to normal house vacuum cleaners means.
  • the invention mentioned is a three-stage one Blower (3 paddle wheels and 2 guide wheels). Also vacuum cleaners usually have a multi-stage blower.
  • the significantly higher efficiency of the new miniature blower (approx. 40%) compared to vacuum cleaners (according to the manufacturer's information 12 to 22%) is an indication that with the impeller (larger diameter) according to claim 1 and / or 2 also blowers this size can be improved.
  • multi-stage blowers can also be used with the new impeller develop.
  • Impeller drive motor DC motor 0.25 watts, nominal voltage 3.5 V, weight 3.5 g. Total weight: impeller, volute casing, Motor: 9.5 g.
  • the blower which was once again greatly reduced in size, was integrated into a cylindrical housing with a diameter of 40 mm and a length of 100 mm, and air was drawn through a filter with a diameter of 37 mm. Particles, germs and fungal spores with a diameter of up to 0.3 ⁇ m are deposited on the filter.
  • the small functional model of a miniature air sampler was operated by a lithium battery with a nominal voltage of 3.6 volts. The power consumed by the motor was 0.054 watts. The operating time with one battery was 150 hours. The volume flow through the filter was 60 liters per hour. The total weight of the functional model is 90 grams.
  • the cover plate of the impeller is shown, the consists of a flat circular disc (1) which in Center also has a circular opening (2).
  • the Disc has on one or more bolt circles (depending of the impeller diameter) holes (3) that the Correspond to the number of blades.
  • the impeller (4) shown in Figure 2 is in one piece milled (or designed as a plastic injection molded part) the bucket height (5) (see cross-sectional view) constant is.
  • the blades (6) are curved backwards.
  • the knobs (7) are with the cover plate (1) ultrasonically welded (for plastic) or riveted (for metal).
  • the central bore (8) is used for attachment on the drive shaft.
  • FIG. 2a (section from FIG. 2) shows the blade channel, formed by two profiled impeller blades, and the blade entry and exit angles ⁇ 1 and ⁇ 2 according to the present invention.
  • Figure 9 shows the impeller according to claims 1 and 2 of the present Invention, which has a diameter of 26 mm.
  • FIG. 10 shows the blade channel cross section A k as a function of the channel length 1 according to the present invention.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad, insbesondere Hochdrucklaufrad, für Radialgebläse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der US-A-2 767 906 ist ein Radialventilatorlaufrad bekannt, bei dem der Schaufelkanalquerschnitt Ak in Abhängigkeit von der Kanallänge von innen nach außen abnimmt. Auch haben die Schaufeln eine konstante Dicke. Nachteilig macht sich bei dieser vorbekannten Lehre bemerkbar, daß die Schaufeldicke und somit die Schaufelversperrung gering ist, so daß die Fördermenge des Gases kaum eingeschränkt wird. Zwar hat letzteres den Vorteil der Laufruhe, jedoch wird der Wirkungsgrad erheblich eingeschränkt.
Im Bereich der Lufthygiene werden Messgeräte zur Bestimmung des Keimgehaltes der Luft eingesetzt. Bei der Impaktionsmethode wird die Luft in einem schlitzartigen Querschnitt auf Geschwindigkeiten vom 10 m/sec. bis 70 m/sec. beschleunigt.
Die Volumenströme liegen bei 28 l/m. bis 100 l/min. Die dabei nötigen Druckdifferenzen liegen bei 200 bis 5000 Pa. Die erforderlichen Gebläseleistungen betragen 1 bis 9 Watt.
Ebenso wird die Filtrationsmethode bei der Bestimmung des Keimgehaltes der Luft angewandt.
Hierbei wird die Luft durch Filter gesaugt und die Keime auf dem Filter abgeschieden.
Die Volumenströme liegen hier bei 3.5 l/min. bis 150 l/min., die nötigen Druckdifferenzen bei 300 bis 8000 Pas. Die erforderlichen Gebläseleistungen betragen 1 bis 20 Watt.
Im Bereich des Arbeitsschutzes werden Staubmessgeräte, Schutzkleidungen mit gefilterter Atemluft eingesetzt. Gebläseleistungen in diesem Anwendengsbereich liegen ebenfalls in dem oben angeführtem Bereich.
In der Chirurgie werden ventilierte Atemluftschutzhauben eingesetzt, mit Gebläseleitungen wie oben angeführt.
In der Medizin werden zur Behandlung von schlafbezogenen Atmungsstörungen, und bei lebenserhaltenden Maßnamen (künstliche Beatmung) Geräte benötigt, die ebenfalls die oben genannten Gebläseleistungen erfordern.
Nach umfangreichen Marktrecherchen wurde festgestellt ,daß Kleingebläse mit den zuvor beschriebenen Leistungsanforderungen nicht angeboten werden. In der Praxis wird daher mit stark überdimensionierten Radialgebläsen (Leistungsaufnahme bis 350 Watt) oder auch Vakuumpumpen (Leistungsaufnahme bis 500 Watt ) gearbeitet. Ein wünschenswerter netzunabhägiger Betrieb (Akku oder Batterie) ist unter diesen Bedingungen nicht möglich.
Ein bekanntes Radialgebläse, das der geforderten Leistung zumindest nahe kommt, wird weiter unten erwähnt. Der bei diesem Gebläse eingesetzte Gleichstrommotor hat die gleichen Daten wie der in der Erfindung verwandte Motor. Einziger Unterschied ist ,daß er nicht so hoch belastet werden kann. Bis zu einer Spannung von 13.2 V sind abgegebene Leistung und die Drehzahl beider Motoren gleich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Laufrad derart zu verbessern, daß es eine erhebliche Leistungssteigerung aufweist, und sich insbesondere als Hochdrucklaufrad für kleine Volumenströme bei einer deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades auszeichnet.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, durch diese Leistungsteigerung eine Miniaturisierung und damit verbundene Gewichtsreduzierung bei Radialverdichtern zu erreichen, so daß sich mit diesem neue Anwendungsbereiche erschließen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Laufrad gelöst.
Versuche haben überraschenderweise ergeben, daß der Schaufeleintrittswinkel β1 mind. 55° und maximal 80° aufweisen sollte.
Messungen mit Laufrad (Fig.lund Fig.2) nach Anspruch 1 und 2 im Gehäuse mit Leitspirale.
Antriebsmotor: Nennspannug 9 V, Leerlaufdrehzahl 10000 UPM, Typenleistung 20 Watt Drehmomentkonstante 7,97 mNm/Amp., Max. Wirkungsgrad 77,1% .
Im Diagramm (Fig.4) sind die Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Volumenstrom (Drosselkurve), die Leistungsaufnahme des Motors und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems Gebläseleistung/Motor-Input) angegeben.
Aus den errechneten Werten der Motorabgabeleistung (mit den Parametern des Arbeitspunktes des maximalen Wirkungsgrades des Gesamtsystems) wurde der Wirkungsgrad des Radialverdichters ermittelt. (Gebläseleistung/Motorabgabeleistung.)
Erste Messung bei einer konstanten Spannung von 9 V.
Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 38% bei 1100 Pa und 118 l/min. Gebläsewirkunsgrad 54% bei 1100 Pa und 118 l/min.
Zweite Messung bei einer konstanten Spannung von 12 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm (Fig.5).
Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 38% bei 2150 Pa und 128 l/min. Gebläsewirkungsgrad 53% bei 2150 Pa und 128 l/min.
Dritte Messung bei einer konstanten Spannung von 13.2 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm (Fig.6).
Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 38% bei 2800 Pa und 125 l/min. Gebläsewirkungsgrad 52% bei 2800 Pa und 125 l/min.
Vierte Messung bei einer konstanten Spannung von 15 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm (Fig.7).
Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 41% bei 3650 Pa und 141 l/min. Gebläsewirkungsgrad 55.7% bei 3650 Pa und 141 l/min.
Fünfte Messung bei einer konstanten Spannung von 18 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm (Fig.8).
Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 40% bei 5460 Pa und 150 l/min. Gebläsewirkungsgrad 50.5% bei 5460 Pa und 150 1/min.
Insbesondere durch die spezielle Laufradausbildung nach Anspruch 1 und 2 der Erfindung, mit einem Schaufeleintrittswinkel β1 = 70.7 Grad (so daß die Eintrittsöffnung des Schaufelkanales auf das Laufradzentrum gerichtet ist) und einem Schaufelkanal wie er in Fig.3 dargestellt ist, wurde in überraschender und nicht vorhersehbarer Weise ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt.
In allen fünf gemessenen Arbeitsbereichen liegt der Gebläsewirkungsgrad zwischen 50.5%-55.7%.
Ein Vergleich mit dem Radialgebläse U97EM-12KK-3 12VDC des Standes der Technik (Micronel AG) mit den Messungen der Erfindung bei 12V und 13.2V zeigt im Bereich 50 bis 100 l/min. eine dreifach höhere Gebläseleistung der Erfindung bei gleicher Motorspannung.
Versuche mit Schaufeleintrittswinkeln β1 <40 Grad (die nach "Pfleiderer, C.: Die Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase, Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg (1961) 1-23, 91-248, 352-393" errechneten Werte für die gemessenen fünf Arbeitsbereiche des Schaufeleintrittswinkels lagen zwischen 36-37 Grad) ergaben eine Reduzierung der Pumpenleistung um die Hälfte. Dabei wurden die Laufräder mit Winkeln kleiner 40 Grad im gleichem Gehäuse betrieben.
Versuche mit einem Schaufelkanalquerschnitt, der sich bis zum Ende der Umfangskante stetig vergrößert (wie in Bohl, Willi: Strömungsmaschinen, Vogel, (Vogel-Fachbuch) (Kamprath-Reihe) 2. Berechnung und Konstruktion - 5. Aufl.-1995, vorgegeben), brachten ebenfalls eine Verschlechterung der Gebläseleistung.
Die Versuche zeigen, daß das nach Anspruch 1 und/oder 2 gestaltete Laufrad die Hauptursache für die große Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades ist.
Der hohe Wirkungsgrad ist um so erstaunlicher, da in der genannten Literatur genau das Gegenteil angegeben wird. Als wichtigste Größen werden die spezifische Drehzahl nq und die Gebläsegröße, ausgedrückt im Volumenstrom, genannt. Für Radiallaufräder soll die spezifische Drehzahl nq zwischen 10 und 80 min-1 liegen.
Bei den fünf angeführten Versuchen mit dem erfindungsgemäß gestalteten Laufrad lagen die nq-Werte bei 9.1 bis 9.9 min-1, erreichen also nicht einmal den unteren Grenzwert.
Der Volumenstrom bei dem Gebläse ist so klein, daß er in der letztgenannten Literatur ( Bild 1.31 Seite 35 ) nicht mehr dargestellt wird. Es wird angenommen, daß ein Gebläse dieser geringen Größe einen so schlechten Wirkungsgrad hat, daß es nicht mehr relevant ist.
Das ist jedoch nach den Erkenntnissen des Erfinders nicht der Fall.
Da hier eine kleine Gebläsegröße mit gutem Wirkunggrad gewollt ist, wäre also nur die spezifische Drehzahl zu erhöhen. Eine Verdopplung der Motordrehzahl würde den nq - Wert auf knapp 20 min-1 erhöhen, was den Umkehrschluß zuläßt, daß die patentgemäße Gestaltung des Gebläselaufrades zur Folge hat, daß schon bei relativ kleinen Drehzahlen, im Verhältnis zum Laufraddurchmesser, gute Ergebnisse erreicht werden.
Betrachtung des statischen Druckes (Volumenstrom = 0) bzw. an der Saugseite gemessen auch als Saugkraft bezeichnet.
In der Offenlegungsschrift DE 3204113 A1 wird für normale Hausstaubsauger pro mm Wassersäule Saugkraft 0,26 bis 0,29 Watt Leistungsaufnahme angegeben, im Mittel also 0,275 Watt.
Die dagegen in der Offenlegungschrift vorgestellte Erfindung benötigt im Mittel pro mm Wassersäule 0,17 Watt, was eine Leistungssteigerung von fast 40% gegenüber normalen Hausstaubsaugern bedeutet.
Bei der genannten Erfindung handelt es sich um ein dreistufiges Gebläse (3 Schaufelräder und 2 Leiträder). Auch Hausstaubsauger haben in der Regel ein mehrstufiges Gebläse.
Bei den durchgeführten fünf Messungen mit dem erfindungsgemäßem Laufrad wurden pro Millimeter Wassersäule Saugkraft 0.0225 bis 0.034 Watt benötigt, im Mittel wurden 0,0287 Watt benötigt.
Daraus ergibt sich eine Leistungssteigerung, gegenüber den Hausstaubsaugern, von 89% und gegenüber der in der Offenlegungsschrift zitierten Erfindung von 83%.
Der deutlich höhere Wirkungsgrad des neuen Miniaturgebläses (ca.40%) gegenüber Hausstaubsaugern (nach Herstellerangaben 12 bis 22% ) ist ein Hinweis darauf, daß mit dem Laufrad (größeren Durchmessers) nach Anspruch 1 und/oder 2 auch Gebläse dieser Größe verbessert werden können. Selbstverständlich lassen sich mit dem neuen Laufrad auch mehrstufige Gebläse entwickeln.
Versuche mit einem nochmals stark verkleinertem Laufrad (Fig.10) nach Anspruch 1 und/oder 2 Laufraddurchmesser 26 mm, Schaufelhöhe 2,5 mm, geschlossenes Laufrad.
Antriebsmotor des Laufrades: DC Motor 0.25 Watt, Nennspannung 3.5 V, Gewicht 3,5 g. Gesamtgewicht: Laufrad, Spiralgehäuse, Motor: 9.5 g.
Das nochmals stark verkleinerte Gebläse wurde in ein zylindrisches Gehäuse mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 100 mm Länge integriert und Luft durch einen Filter von 37 mm Durchmesser gesaugt. Auf dem Filter werden Partikel, Keime, und Pilzsporen bis zu einem Durchmesser von 0.3 µm abgeschieden. Das kleine Funktionsmodell eines Miniatur-Luftkeimsammlers wurde von einer Lithiumbatterie mit einer Nennspannung von 3,6 Volt betrieben. Die vom Motor aufgenommene Leistung betrug 0.054 Watt. Die Betriebszeit mit einer Batterie betrug 150 Stunden. Der Volumenstrom durch den Filter lag bei 60 Liter pro Stunde. Das Gesamtgewicht des Funktionmodells beträgt 90 Gramm.
Mit diesem batteriebetriebenen Miniatur-Luftkeimsammler können erstmals Langzeitmessungen durchgeführt werden. Sein geringes Gewicht (90g) läßt auch personenbezogene Messungen zu, da er problemlos am Körper getragen werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird beispielsweise mittels der beiliegenden Figuren 1 bis 11 näher erläutert.
In Figur 1 und 2 ist das Radiallaufrad gemäß der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht dargestellt.
In Figur 1 wird die Deckscheibe des Laufrades gezeigt, die aus einer flachen kreisrunden Scheibe (1) besteht, die im Zentrum eine ebenfalls kreisrunde Öffnung (2) hat. Die Scheibe hat auf einem oder mehreren Lochkreisen ( in Abhängigkeit vom Laufraddurchmesser) Bohrungen (3), die der Schaufelanzahl entsprechen.
Das in Figur 2 dargestellte Laufrad (4) ist aus einem Stück gefräst (oder als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet ) wobei die Schaufelhöhe (5) (siehe Querschnittdarstellung) konstant ist. Die Schaufeln (6)sind rückwärts gekrümmt. Auf den Schaufeln (6), auf einem oder mehreren Lochkreisen angeordnet, befinden sich zylindrische Noppen (7) zur Aufname der Deckscheibe (1). Die Noppen (7) werden mit der Deckscheibe (1) ultraschallverschweißt (bei Kunststoff) oder vernietet (bei Metall). Die zentrische Bohrung (8) dient zur Befestigung an der Antriebswelle.
In Figur 2a (Ausschnitt aus Figur 2) ist der Schaufelkanal, gebildet von zwei profilierten Laufradschaufeln, sowie der Schaufeleintritts- bzw. Austrittswinkel β1 und β2 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In Figur 3 ist das kommplette Radialgebläse dargestellt.
In Figur 4, 5, 6, 7, und 8 ist die Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Volumenstrom, die Leistungaufnahme des Motors und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems des Radialverdichters gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In Figur 9 zeigt das Laufrad nach Anspruch 1 und 2 der vorliegenden Erfindung, das einen Durchmesser von 26 mm aufweist.
In Figur 10 ist der Schaufelkanalquerschnitt Ak in Abhängigkeit von der Kanallänge 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Claims (3)

  1. Laufrad für Radialgebläse, umfassend eine Deckscheibe, eine zentrische Bohrung zur Befestigung an einer Antriebswelle, eine Vielzahl teilspriralförmig von außen zur Bohrung verlaufender Laufradschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt Ak des Laufradschaufelkanals von Anfang bis zu 2 Drittel seiner Länge ansteigt und in seinem letzten Drittel zur Umfangskante hin kleiner wird oder konstant bleibt, in dem die Dicke der Laufradschaufel derart profilartig gestaltet ist, daß sie am Lufteintritt eine bestimmte Dicke aufweist, die bis zu einem Mehrfachen ansteigt und zum Luftaustritt hin auf den Anfangswert zurückgeht, wobei der Schaufeleintrittswinkel β1 einen Wert von 55-80° aufweist.
  2. Laufrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gesamtgewicht einschließlich Motor von < 10g bei einer Leistungsaufnahme von 0,054 Watt.
  3. Verwendung eines Radial gebläses mit einem Laufrad nach Anspruch 1 und 2,
    a) im Bereich des Arbeitsschutzes zur Staubsammlung und - messung und Atemluftfilterung oder
    b) im Bereich der Medizin bei Beatmungsgeräten und/oder ventilierten Atemschutzhauben.
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