EP1276994B1 - Lüfter insbesondere zur belüftung von elektronischen geräten - Google Patents

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EP1276994B1
EP1276994B1 EP01938021A EP01938021A EP1276994B1 EP 1276994 B1 EP1276994 B1 EP 1276994B1 EP 01938021 A EP01938021 A EP 01938021A EP 01938021 A EP01938021 A EP 01938021A EP 1276994 B1 EP1276994 B1 EP 1276994B1
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blade
blower according
guide surface
blower
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Christof Huonker
Andreas Kienzler
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Verax Ventilatoren GmbH
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    • F04D29/281—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for fans or blowers
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    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes

Definitions

  • the invention relates to a fan in particular for ventilation or cooling of electronic devices such as personal computers.
  • radial fans are known, for example, for use in hair dryers, the build up of larger pressure differences a higher flow resistance can overcome. Such fans are however apart from their small delivery volume because of the radial or tangential Air duct for installation in PC case rather unsuitable.
  • Next known are mixed forms in particular as so-called Halbaxial-Lrangeer, the one diagonal flow component in regions overlapping, have inclined blades. Even such fans include Computer Applications Noise Disadvantages.
  • a fan having the features of the preamble of claim 1 is e.g. out DE 41 27 134 known.
  • the invention has the object, a fan indicate that avoids the aforementioned disadvantages and at low Noise is a high efficiency with regard to efficient Ventilation and cooling achieved.
  • the design for installation well suited in computer case and on the typical system characteristics be coordinated.
  • the guide surface should axially steeper than the hub in the blade area. It is further advantageous if the guide surface in the blade area substantially the Shape of a truncated cone with a cone angle between 20 ° and 60 °, preferably 40 °, and when the hub in the blade area substantially the shape of a truncated cone with a cone angle between 80 ° and 110 °, preferably 95 °.
  • the hub is parabolic at least in its apex region. It is also favorable if the entry section of the guide surface over an inlet radius rounded to the outside.
  • a further improvement is achieved in that the free blade end edges while leaving a tolerance gap along the guide surface.
  • Another aerodynamically favorable embodiment provides that the blade leading edge a rounding radius of 1% to 4% and a profile thickness from 2% to 8% of the length of the free blade end edge.
  • the fan shown in the drawing consists essentially of a Housing 10, a rotatably mounted therein about a rotation axis 12, a Hub 14 and molded thereon blades 16 having impeller 18th and a rotary drive 20 for the impeller 18th
  • the housing 10 comprises an inner jacket as a guide surface 22 a Flow channel 24 on the outside, while concentric to the Guide surface 16 arranged hub 14 the flow channel 24 inside limited.
  • the guide surface 22 has the exception of its entry part 26 the shape of a in the flow direction - in Fig. 2 down - widening truncated cone, wherein the cone angle is about 40 °.
  • the inlet section 26 is under limitation of the inlet opening 28 of the Flow channel 24 is rounded over an inlet radius to the outside. This radius should be kept as large as possible to prevent the formation of to avoid turbulence on the inlet side.
  • the guide surface is slightly curved as a truncated paraboloid of revolution is.
  • the hub 14 is frusto-conical in the foot region 30 of the blades 16, wherein the cone angle in the illustrated embodiment is 95 °.
  • the Hub 14 parabolic shaped to avoid turbulence.
  • the hub 14 has the overall shape of a paraboloid, optionally with rounded trailing edge.
  • the guide surface 22 in the blade area ie between the Blade entry edge 34 and the blade outlet edge 36 a larger Slope in the direction of the axis of rotation 12 than the hub 14, so that the Central diameter of the annular flow channel 24 at a constant or slightly decreasing light flow area is steadily extended.
  • the blades 16 are to avoid resonances around the circumference the hub 14 asymmetrically distributed and are as pure radial blades in parallel to the axis of rotation 12 extending, counter to the direction of rotation (Counterclockwise in Fig. 1) backward curved cylindrical surfaces.
  • the blade entry edges 34 extend axially over the apex area 32 of the hub 14 out to the inlet opening 28 and have a radius of curvature from 1% to 4% and a profile thickness of 2% to 8% of the length the free blade end edges 42, which under keeping a tolerance gap along the guide surface 22 extend.
  • the entire fan 18 is preferably as a one-piece injection molding made of plastic. It is favorable in terms of demolding, that the blades 16 do not overlap in the direction of rotation.
  • the rotary drive 20 is formed by an electric motor designed as an external rotor formed, which in a cylindrical recess 44 of the hub 14th is arranged.
  • the rotor 46 is firmly connected to the hub 14 while via roller bearing 48 on the rotor shaft 50 seated stator 52 means Ring flange 54 and radially projecting frame webs 56 exit side fixed to the housing.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter insbesondere zur Belüftung bzw. Kühlung von elektronischen Geräten wie Personalcomputern.
Zu diesem Zweck werden üblicherweise flach gebaute Axiallüfter eingesetzt, welche einen zylindrischen Ringraum als Strömungskanal und schräg angestellte Schaufeln aufweisen. Die Strömung verläuft somit axial durch das Laufrad. Damit kann bei geringen Druckdifferenzen ein hoher Volumenstrom erzielt werden. Im Übergangsbereich zu höheren Druckdifferenzen treten jedoch Unstetigkeiten auf, die zu starken Verwirbelungen und damit einhergehend zu ungünstigem Geräuschverhalten führen.
Daneben sind Radiallüfter beispielsweise zum Einsatz in Haartrocknern bekannt, die unter Aufbau größerer Druckdifferenzen einen höheren Strömungswiderstand überwinden können. Solche Lüfter sind jedoch abgesehen von ihrem geringen Fördervolumen wegen der radialen bzw. tangentialen Luftführung für den Einbau in PC-Gehäuse eher ungeeignet. Weiter bekannt sind Mischformen insbesondere als sogenannte Halbaxial-Lüfter, die eine diagonale Strömungskomponente bei sich bereichsweise überdeckenden, schräg angestellten Schaufeln aufweisen. Auch solche Lüfter weisen bei Computerapplikationen Geräuschnachteile auf.
Ein Lüfter mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist z.B. aus der DE 41 27 134 bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Lüfter anzugeben, der die zuvor genannten Nachteile vermeidet und bei geringer Geräuschentwicklung einen hohen Wirkungsgrad im Hinblick auf eine effiziente Belüftung und Kühlung erreicht. Daneben soll die Bauform für den Einbau in Computergehäuse gut geeignet und auf die typischen Systemkennlinien abgestimmt sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen Lüfter mit diagonal durchströmtem Radialrad einzusetzen, um einen breiten günstigen Arbeitsbereich zu erreichen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Lüfter mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen:
  • einem einen Strömungskanal außenseitig durch eine Leitfläche begrenzenden Lüftergehäuse,
  • einem in dem Lüftergehäuse um eine Drehachse drehbar gelagerten, mit seiner konzentrisch zu der Leitfläche angeordneten Nabe den Strömungskanal innenseitig begrenzenden Laufrad,
  • einem in der Nabe angeordneten Drehantrieb für das Laufrad,
  • die über den Umfang der Nabe vorzugsweise ungleichmäßig verteilten Schaufeln des Laufrads liegen in parallel zur Drehachse verlaufenden, entgegen der Drehrichtung rückwärts gekrümmten Zylinderflächen,
  • die Leitfläche und die Nabe sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskante und Schaufelaustrittskante in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strömungskanals konstant bleibt oder sich verringert.
Damit wird bei kompakter axialer Bauform ein radiales Arbeitsprinzip erreicht. Gegenüber Axiallüftern wird die Ausblasrichtung nur geringfügig verändert, während bei vergleichbarem Volumenstrom eine deutliche Druckerhöhung erreicht wird. Die besondere Führung des Strömungskanals diagonal durch das Laufrad führt zu einer stetigen Drosselkurve und ermöglicht damit eine Optimierung des Arbeitspunktes über einen weiten Bereich. Insbesondere treten aufgrund der geringen Umfangsgeschwindigkeitsunterschiede geräuscherzeugende Störungen der Strömung bzw. ein Strömungsabriß erst bei hohen Drücken im oberen Bereich der Drosselkurve ein. Die Systemkennlinien von PC's liegen üblicherweise nicht in diesem Bereich. In diesem Sinne wirkt sich auch der längere Strömungsweg positiv aus.
Um den Strömungsquerschnitt etwa konstant zu halten, sollte die Leitfläche im Schaufelbereich axial steiler als die Nabe verlaufen. Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn die Leitfläche im Schaufelbereich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 20° und 60°, vorzugsweise 40° aufweist, und wenn die Nabe im Schaufelbereich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 80° und 110°, vorzugsweise 95° aufweist.
Zur weiteren Reduzierung der Geräuschentwicklung ist es von Vorteil, wenn die Nabe zumindest in ihrem Scheitelbereich parabolisch ausgebildet ist. Günstig ist es auch, wenn die Eintrittspartie der Leitfläche über einen Einlaufradius nach außen abgerundet ist.
Vorteilhafterweise besitzen die Ein- und Austrittsöffnung des Strömungskanals eine gegenseitige radiale Überdeckung.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaufelaustrittskante zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung des Strömungskanals unter einem spitzen Anstellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt. Dabei sollte gewährleistet sein, daß der Anstellwinkel zwischen 10° und 20°, vorzugsweise 15° beträgt. Damit wird erreicht, daß abströmseitige Verwirbelungen und entsprechend auch die Geräuschentwicklung minimiert werden.
Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die freien Schaufelendkanten unter Freihaltung eines Toleranzspalts entlang der Leitfläche verlaufen.
Zur Erhöhung des Einlaßquerschnitts zwischen den Schaufeln ist es vorteilhaft, wenn die Schaufeleintrittskanten sich axial über die Nabe hinaus zu der Eintrittsöffnung hin erstrecken.
Eine weitere aerodynamisch günstige Ausführung sieht vor, daß die Schaufeleintrittskante einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkante aufweist.
Zum Drehantrieb des Laufrads wird vorteilhafterweise ein als Außenläufer ausgebildeter, in einer Ausnehmung der Nabe angeordneter Elektromotor eingesetzt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
einen Lüfter für PC-Geräte in einströmseitiger Draufsicht;
Fig. 2
den Lüfter nach Fig. 1 mit vereinfacht konturiert dargestellter Beschaufelung im Axialschnitt.
Der in der Zeichnung dargestellte Lüfter besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 10, einem darin um eine Drehachse 12 drehbar gelagerten, eine Nabe 14 sowie daran angeformte Schaufeln 16 aufweisenden Laufrad 18 und einem Drehantrieb 20 für das Laufrad 18.
Das Gehäuse 10 umfaßt mit einem Innenmantel als Leitfläche 22 einen Strömungskanal 24 an dessen Außenseite, während die konzentrisch zu der Leitfläche 16 angeordnete Nabe 14 den Strömungskanal 24 innenseitig begrenzt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist die Leitfläche 22 mit Ausnahme ihrer Eintrittspartie 26 die Form eines sich in Durchströmrichtung - in Fig. 2 nach unten - erweiternden Kegelstumpfes auf, wobei der Kegelwinkel etwa 40° beträgt. Die Eintrittspartie 26 ist unter Begrenzung der Eintrittsöffnung 28 des Strömungskanals 24 über einen Einlaufradius nach außen abgerundet ist. Dieser Radius sollte möglichst groß gehalten werden, um das Entstehen von eintrittsseitigen Turbulenzen zu vermeiden. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Leitfläche als abgestumpftes Rotationsparaboloid schwach gekrümmt ist.
Die Nabe 14 ist im Fußbereich 30 der Schaufeln 16 kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Kegelwinkel in der gezeigten Ausführungsform 95° beträgt. In ihrem der Eintrittsöffnung 28 zugewandten Scheitelbereich 32 ist die Nabe 14 parabolisch geformt, um Turbulenzen zu vermeiden. Denkbar ist es auch, daß die Nabe 14 insgesamt die Form eines Paraboloids aufweist, gegebenenfalls mit abgerundeter Abströmkante. In jedem Fall sollte gewährleistet sein, daß die Leitfläche 22 im Schaufelbereich, also zwischen der Schaufeleintrittskante 34 und der Schaufelaustrittskante 36 eine größere Steigung in Richtung der Drehachse 12 aufweist als die Nabe 14, so daß der Mitteldurchmesser des dort kreisringförmigen Strömungskanals 24 bei konstanter oder geringfügig abnehmender lichter Durchströmfläche sich stetig erweitert. Dabei besteht zwischen Eintrittsöffnung 28 und Austrittsöffnung 38 des Strömungskanals 24 eine radiale Überdeckung, so daß ein Ringbereich 40 axial durchgängig offen ist.
Die Schaufeln 16 sind zur Vermeidung von Resonanzen über den Umfang der Nabe 14 asymmetrisch verteilt und liegen als reine Radialschaufeln in parallel zur Drehachse 12 verlaufenden, entgegen der Drehrichtung (Gegenuhrzeigersinn in Fig. 1) rückwärts gekrümmten Zylinderflächen.
Die Schaufeleintrittskanten 34 erstrecken sich axial über den Scheitelbereich 32 der Nabe 14 hinaus zu der Eintrittsöffnung 28 und besitzen einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkanten 42, welche unter Freihaltung eines Toleranzspalts entlang der Leitfläche 22 verlaufen. Zur Geräuschminderung sind die Schaufelaustrittskanten 36 zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung 38 unter einem spitzen Anstellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt, wobei der Anstellwinkel in der gezeigten Ausführungsform etwa 15° beträgt.
Das gesamte Lüfterrad 18 ist vorzugsweise als einstückiges Spritzgußformteil aus Kunststoff hergestellt. Dabei ist es hinsichtlich der Entformung günstig, daß die Schaufeln 16 in Drehrichtung nicht überlappen.
Der Drehantrieb 20 ist durch einen als Außenläufer ausgebildeten Elektromotor gebildet, welcher in einer zylindrischen Ausnehmung 44 der Nabe 14 angeordnet ist. Der Rotor 46 ist dabei fest mit der Nabe 14 verbunden, während über Wälzlager 48 auf der Rotorwelle 50 sitzende Stator 52 mittels Ringflansch 54 und davon radial abstehenden Rahmenstegen 56 austrittsseitig gehäusefest befestigt ist.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft einen Lüfter insbesondere für Personalcomputer, bei dem zur Geräuschminimierung folgende Merkmalskombination vorgeschlagen wird:
  • einem einen Strömungskanal (24) außenseitig durch eine Leitfläche (22) begrenzenden Lüftergehäuse (10),
  • einem in dem Lüftergehäuse (10) um eine Drehachse (12) drehbar gelagerten, mit seiner Nabe (14) den Strömungskanal (24) innenseitig begrenzenden Laufrad (18),
  • einem in der Nabe (14) angeordneten Drehantrieb (20) für das Laufrad (18),
  • die über den Umfang der Nabe (14) asymmetrisch verteilten Schaufeln (16) des Laufrads (18) sind als Radialschaufeln ausgebildet,
  • die Leitfläche 22 und die Nabe 14 sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskante 34 und Schaufelaustrittskante 36 in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strömungskanals 24 konstant bleibt oder sich verringert.

Claims (13)

  1. Lüfter insbesondere zur Belüftung von elektronischen Geräten wie Personalcomputern mit folgenden Merkmalen:
    a) einem einen Strömungskanal (24) außenseitig durch eine Leitfläche (22) begrenzenden Lüftergehäuse (10),
    b) einem in dem Lüftergehäuse (10) um eine Drehachse (12) drehbar gelagerten, mit seiner konzentrisch zu der Leitfläche (22) angeordneten mit Schaufeln (16) versehenen Nabe (14) den Strömungskanal (24) innenseitig begrenzenden Laufrad (18),
    c) einem in der Nabe (14) angeordneten Drehantrieb (20) für das Laufrad (18),
    d) die Leitfläche (22) und die Nabe (14) sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskante (34) und Schaufelaustrittskante (36) in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strömungskanals (24) konstant bleibt oder sich verringert,
    dadurch gekennzeichnet, dass die über den Umfang der Nabe (14) vorzugsweise ungleichmäßig verteilten Schaufeln (16) des Laufrads (18) in parallel zur Drehachse (12) verlaufenden, entgegen der Drehrichtung rückwärts gekrümmten Zylinderflächen liegen.
  2. Lüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (22) im Schaufelbereich axial steiler als die Nabe (14) verläuft.
  3. Lüfter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (22) im Schaufelbereich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 20° und 60°, vorzugsweise 40° aufweist.
  4. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (14) im Schaufelbereich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 80° und 110°, vorzugsweise 95° aufweist.
  5. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (14) zumindest in ihrem Scheitelbereich (32) parabolisch ausgebildet ist.
  6. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittspartie (26) der Leitfläche (22) über einen Einlaufradius nach außen abgerundet ist.
  7. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Austrittsöffnung (28,38) des Strömungskanals (24) eine gegenseitige radiale Überdeckung (40) besitzen.
  8. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelaustrittskanten (36) zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung (38) des Strömungskanals (24) unter einem spitzen Anstellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt sind.
  9. Lüfter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel zwischen 10° und 20°, vorzugsweise 15° beträgt.
  10. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Schaufelendkanten (42) unter Freihaltung eines Toleranzspalts entlang der Leitfläche (22) verlaufen.
  11. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeleintrittskanten (34) sich axial über die Nabe (14) hinaus zu der Eintrittsöffnung (28) hin erstrecken.
  12. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeleintrittskanten (34) einen Rundungsradius von 1 % bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkanten (42) aufweisen.
  13. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (20) durch einen als Außenläufer ausgebildeten, in einer Ausnehmung (44) der Nabe (14) angeordneten Elektromotor gebildet ist.
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