EP2748467A2 - Schaufelrad für eine fluidfördereinrichtung sowie haushaltsgerät mit einem solchen - Google Patents

Description

Schaufelrad für eine Fluidfördereinrichtung sowie Haushaltsgerät mit einem solchen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad, oder auch Flügelrad genannt, für eine Einrichtung zum Fördern von Fluiden. Die Fluide können dabei gasförmig (z.B. Luft) oder flüssig (beispielsweise Wasser) sein. Entsprechende Fördereinrichtungen werden demgemäß auch als Schaufelrad- oder Flügelradpumpen bezeichnet und sind an sich beispielsweise als Wasserpumpen für Waschmaschinen aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 37 944 A1 oder der Deutschen Patentschrift DE 10 2008 054 998 B3 bekannt.

Bei diesen bekannten Schaufelradpumpen sind die Schaufeln bzw. Flügel des Schaufelrades bzw. Flügelrades bezüglich ihrer Vertikalachse häufig symmetrisch ausgebildet. Damit haben diese Schaufelräder zwar in beiden Drehrichtungen eine gleich große Leistungsfähigkeit und können entsprechend drehrichtungsunabhängig den gleichen Volumenstrom fördern. Die Schaufelkontur und damit die Förderleistung sind strömungstechnisch insoweit aber nicht optimiert.

Es sind auch Schaufelräder bekannt, die durch eine gebogene oder gekrümmte Schaufelform in der damit definierten Hauptdrehrichtung einen erhöhten Volumenstrom fördern können und damit entsprechend leistungsfähiger sind.

Aus der EP 2 143 954 A1 ist ein Laufrad einer Pumpe bekannt. Um Abnutzungserscheinungen des strömungsführenden Teils des Laufrades entgegenzuwirken, sind dessen strömungsführenden Laufradoberflächen mit einem Elastomer beschichtet. Der strömungsführende Teil ist dabei als Mehrkomponenten- Spritzgussteil ausgebildet mit einer Grundstruktur aus einem starren, vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff als erster und mit dem Elastomer als zweiter Komponente. Die gekrümmt bzw. schaufeiförmig ausgebildeten Schaufeln des Laufrades sind durch die Grundstruktur starr ausgestaltet.

Aus dem US-Patent 4,732,541 ist ein Flügelrad mit bogenförmig gestalteten Flügelradschaufeln bekannt, die mittels einer Spritzgussform mit mindestens drei Formkernen hergestellt werden. Um die Leistungsfähigkeit und die Fluidbeständigkeit zu erhöhen wird in die Spritzgussform ein inneres, starres Stahlgerüst eingelegt, das mit einem Elastomer umspritzt wird, so dass auch hier die Schaufelräder formstabil und starr ausgeführt sind. Allerdings gibt es viele Anwendungsfälle, in denen auch in der der Hauptdrehrichtung entgegengesetzten Nebendrehrichtung ein zumindest annähernd gleicher Volumenstrom erforderlich bzw. gewünscht ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Schaufelrad beispielsweise in einem Wäschetrockner Verwendung findet, bei dem der Antrieb des Schaufelrades mit der Drehrichtung der Wäschetrommel gekoppelt ist. Da diese Haushaltsgeräte üblicherweise im sog. Reversierbetrieb arbeiten, d. h. die Trommeldrehrichtung alternierend wechselt, sind die Schaufelräder der letztgenannten Art in diesen Anwendungsfällen nicht optimal. Beispielsweise bei Waschtrocknern muss dann aus Sicherheitsgründen, z.B. wegen drohender Überhitzung des Prozessluftstroms bzw. des Kältekreislaufs, in der Nebendrehrichtung entweder die Heizleistung und damit die Trocknereffizienz reduziert werden oder bei energierückgewinnenden Wäschepflegetrocknern der Kompressor der Wärmepumpe kurzzeitig ausgeschaltet werden. Dies führt zu unerwünscht längeren Wäschebehandlungs- bzw. Trocknungszeiten und einem erhöhten Energieverbrauch. Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Schaufelrad für eine Fluidfördereinrichtung und ein Haushaltsgerät mit einer Fluidfördereinrichtung anzugeben, das sich durch eine erhöhte Fördereffizienz, insbesondere bei einem Förderbetrieb in alternierenden Förderrichtungen, auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schaufelrad und durch ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstände entsprechender abhängiger Patentansprüche, wobei bevorzugten Ausführungsformen des Schaufelrades bevorzugte Ausführungsformen des Haushaltsgeräts entsprechen und umgekehrt, und dies auch dann, wenn darauf hierin nicht explizit hingewiesen ist.

Erfindungsgemäß sind die über den Radumfang des Schaufelrades verteilten Schaufeln mit jeweils zu ihrer Schaufelspitze hin zulaufenden Schaufelwänden aus einem elastischen Material gefertigt, das bei betriebsgemäßer Belastung bzw. Druckbeaufschlagung eine elastische Verformung (Krümmung) der Schaufel ermöglicht. Um diese Krümmung strömungstechnisch optimiert und damit zur erheblichen Steigerung des Fördervermögens zu gestalten, sind die einander zugewandten Innenseiten der Schaufelwände jeweils mit mindestens einem kraftübertragenden Element (Verbindungssteg) verbunden. Dieser Verbindungssteg ist derart ausgerichtet und angelenkt, dass sich die elastischen Schaufelwände bei betriebsgemäßer Druckbeaufschlagung einer ihrer Außenseiten durch den Verbindungssteg kraftgekoppelt so bewegen, dass sich eine (gegebenenfalls zunehmende) Krümmung des Schaufelprofils zur Seite der Belastung bzw. Druckbeaufschlagung hin einstellt.

Die Schaufeln des erfindungsgemäßen Schaufelrades zeigen damit ein Verhalten, das dem sog. „Fin Ray (Flossen-Strahl)-Effekf entspricht. Dieses grundsätzlich aus der Bionik bekannte Prinzip hat bisher in der Technik Anwendungen gefunden, bei denen es um die möglichst optimierte Anpassung eines Körpers oder einer Begrenzungswand an einen anderen Körper - wie beispielsweise der Aufsitzfläche eines Schleppliftes an die Körperkonturen des Benutzers (DE 20 2009 010 377 U1 ) oder die Formoptimierung eines Auswringtrichters für einen Wischmopp (DE 10 2006 045 615 B3) - geht. Zudem ist aus einem Projektblatt„Finrayeffect.pdf auf der Internetseite www.bionische-innovationen.de die Verwendung dieses Effekts für formangepasste Fugenausfüllungen bekannt.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Schaufelrades ist dagegen eine betriebsangepasste Optimierung der Schaufelform sowohl hinsichtlich stufenweiser oder kontinuierlich zunehmender Belastung als auch insbesondere bei einer Drehrichtungsumkehr des Schaufelrades realisiert. Mit anderen Worten: Hier ist ein an die spezifische Belastung und insbesondere an die alternierende Drehrichtung bzw. Förderrichtung des Fluids angepasste optimierte Schaufelform realisiert. In beiden Drehrichtungen ist damit eine äußerst leistungsstarke Schaufelradgestalt sichergestellt, die zu einem deutlich verminderten Energieverbrauch führt und die eine geringere Dimensionierung des Schaufelradantriebs erlaubt. Beispielsweise beim Einsatz in einem Wäschetrockner können damit die Behandlungszeiten deutlich verringert werden. Diese Aspekte erlangen im Zeitalter der „Green Technologie" nicht zuletzt auch für das Marketing zunehmende Bedeutung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung sowie aus den Unteransprüchen, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Verbindungssteg in seiner Elastizität so bemessen, dass er bei einer betriebsgemäßen Druckbeaufschlagung elastisch in Form eines Knickstabs ausweicht. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders kontinuierliche Formoptimierung des Schaufelprofils und eine besonders materialschonende und zuverlässige Rückkehr der Schaufel in ihre Ausgangsgeometrie, wenn die Druckbeaufschlagung nachlässt oder endet.

Nach einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist der mindestens eine Verbindungssteg mit seinen Enden über je mindestens ein Filmscharnier mit der jeweiligen Innenseite drehbeweglich verbunden. Diese Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich durch eine besonders einfach zu fertigende Verbindung des Verbindungssteges mit der jeweiligen Innenseite aus und verleiht der Schaufel bei nur einem Freiheitsgrad in der Bewegung des Verbindungssteges eine besonders hohe Stabilität.

Aufgrund der so realisierten Hohlkonstruktion der Schaufel kann diese und damit das Schaufelrad besonders gewichtsarm realisiert werden, wodurch die Fliehkräfte und die zu beschleunigenden Massen des Schaufelrades unter Verminderung des Verschleißes und des Energiebedarfs reduziert sind.

Nach einer in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaufelwände und der mindestens eine Verbindungssteg einstückig aus einem Kunststoff gefertigt.

Um eine besonders belastungsdosierte und vorherbestimmte Formänderung und Formoptimierung der Schaufel zur weiteren Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen Schaufelrades zu realisieren, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die einander zugewandten Innenseiten der Schaufelwände einer Schaufel über mehrere Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Haushaltsgerät zur Wäschebehandlung mit einer Fluidfördereinrichtung ausgestattet, die ein Schaufelrad der vorbeschriebenen Art aufweist. Damit lässt sich die Energieeffizienz eines eine derartige Fluidfördereinrichtung umfassenden Haushaltsgeräts weiter steigern. Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall ist ein Haushaltsgerät in Form eines Wäschetrockners, bei dem das erfindungsgemäße Schaufelrad zum Fördern eines Prozessluftstroms und/oder eines Kühlluftstroms dient. Die eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Restriktionen bei einem im Reversierbetrieb betriebenen Wäschetrockner sind mit dem erfindungsgemäßen Schaufelrad vermieden. Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der beigefügten Zeichnung figürlich dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine Fluidfördereinrichtung mit einem Schaufelrad und

Fig. 2: eine einzelne Schaufel des Schaufelrades nach Figur 1 in Querschnitt.

Figur 1 zeigt eine Fluidfördereinrichtung 1 in Form eines Schaufelradlüfters für die Förderung eines nur andeutungsweise dargestellten Prozessluftstromes 2 in einem nicht näher dargestellten Wäschetrockner 3. Die Fluidfördereinrichtung kann dabei einen autarken Antrieb, beispielsweise in Form eines Elektromotors 4 haben oder aber über einen Keilriemen 5 und eine entsprechende Keilriemenscheibe 6 über eine Achse 7 ein Schaufelrad 8 zur Förderung des Prozessluftstromes 2 antreiben.

Das Schaufelrad 8 enthält mehrere, über seinen Umfang 9 gleichmäßig verteilte Schaufeln, von denen in der Ansicht nach Figur 1 beispielhaft nur zwei Schaufeln 14, 15 bezeichnet sind. Die Schaufeln sind - wie noch näher im Zusammenhang mit Figur 2 erläutert - als Hohlprofile ausgestaltet und enden mit ihrem jeweiligen Fußbereich 14a, 15a in an sich bekannter Weise an einer Schaufelradnabe 18. Radial nach außen gesehen enden die Schaufeln an ihrer jeweiligen Schaufelspitze 14b, 15b. Wie die stellvertretend in Figur 2 im Querschnitt gezeigte Schaufel 14 verdeutlicht, besteht jede Schaufel aus zwei Schaufelwänden 20, 21 , die zur jeweiligen Schaufelspitze 14b unter Bildung eines spitzen Winkels 23 aufeinander zulaufen. Die Schaufelwände 20, 21 weisen jeweils eine Innenseite 20a, 21 a und eine Außenseite 20b, 21 b auf. Zwischen den einander zugewandten Innenseiten 20a, 21 a verlaufen annähernd horizontal oder konzentrisch zu der Schaufelradnabe 18 mehrere Verbindungsstege 24, 25 und 26. Die Enden der Verbindungsstege (siehe beispielsweise die Enden 24a, 24b) sind jeweils über ein Scharniergelenk 28, 29 mit den Schaufelwänden 20, 21 drehbeweglich verbunden. Die Verbindungsstege sind dabei so dimensioniert und bestehen aus einem solchen elastischen Material, dass sie, wie nachfolgend noch beschrieben, bei Druckbelastung einer der Schaufelwände bogenförmig elastisch ausknicken. Die in Figur 2 gezeigten Elemente sind einstückig und aus einem elastischen Kunststoff gefertigt.

Wie in Figur 2 durch gestrichelte Linien angedeutet, verändert die Schaufel 14 bei einer Kraft- oder Druckbeaufschlagung einer der Außenseiten ihre Geometrie bzw. ihr Profil. In Figur 2 ist aufgrund einer durch den Pfeil 30 angedeuteten Drehbewegung des Schaufelrades bzw. der Schaufel 14 ein Strömungsdruck 31 vorhanden, der zu einer betriebsgemäßen Druckbeaufschlagung 32 führt. Dabei krümmen sich die elastischen Schaufelwände 20, 21 in die in Figur 2 gestrichelt dargestellte Form, wobei sich die Schaufelspitze 14a nach links und damit auf die Seite 33 der Druckbeaufschlagung 32 bewegt. Wie angedeutet, knicken dazu die Verbindungsstege 24, 25, 26 aus und nehmen die gestrichelt angedeutete Form ein.

Sobald allerdings der Strömungsdruck 31 nachlässt bzw. verschwindet, bewegt sich die Schaufelspitze 14a in entgegengesetzter Richtung bis schließlich in ihre Ausgangsposition zurück, indem sich die elastische Krümmung der Schaufelwände zurückbildet und dieser Vorgang durch die kraftübertragenden Verbindungsstege, die ebenfalls elastisch in ihre Ursprungsform zurückkehren, unterstützt wird. Der Vorteil ist dabei, dass sich der Grad der Krümmung und damit die Profilanpassung der Schaufel optimal auf die jeweilige Belastungssituation einstellen lässt. Dazu können insbesondere die Materialwahl, die Anordnung und die Dimensionierung der Verbindungsstege dienen. Bei einer Drehrichtungsumkehr in die der Drehrichtung 30 entgegengesetzte Richtung würde die Bewegung und Verformung der Schaufel 14 in entgegengesetzter, spiegelsymmetrischer Weise erfolgen. Bezugszeichen

1 Fluidfördereinrichtung

2 Prozessluftstrom

3 Wäschetrockner

4 Elektromotor

5 Keilriemen

6 Keilriemenscheibe

7 Achse

8 Schaufelrad

9 Umfang

14, 15 Schaufel

14a, 15a Fußbereich

14b, 15b Schaufelspitze

18 Schaufelradnabe

20, 21 Schaufelwände

20a, 21 a Innenseite

20b, 21 b Außenseite

23 Winkel

24, 25 Verbindungsstege

26 Verbindungssteg

24a, 24b Enden

28, 29 Scharniergelenk

30 Pfeil

31 Strömungsdruck

32 Druckbeaufschlagung

33 Seite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Schaufelrad (8) für eine Fluidfördereinrichtung (1 )

mit mehreren über den Radumfang (9) verteilten Schaufeln (14, 15), die jeweils zur Schaufelspitze (14b, 15b) hin zulaufende Schaufelwände (20, 21 ) aufweisen,

wobei mindestens ein kraftübertragender Verbindungssteg (24, 25, 26) an den einander zugewandten Innenseiten (20a, 21 a) der Schaufelwände (20, 21 ) derart angelenkt ist und wobei die Elastizität der Schaufelwände (20, 21 ) derart bemessen ist, dass sich bei einer betriebsgemäßen Druckbeaufschlagung (32) einer Außenseite (20b) einer Schaufelwand (20b, 21 b) die Schaufelspitze (14b, 15b) unter elastischer Verkrümmung der Schaufel (14, 15 ) zur Seite (33) der Druckbeaufschlagung (32) hin bewegt.

Schaufelrad nach Anspruch 1 ,

wobei der mindestens eine Verbindungssteg (24, 25, 26) in seiner Elastizität so bemessen ist, dass er bei einer betriebsgemäßen Druckbeaufschlagung (32) elastisch in Form eines Knickstabs ausweicht.

Schaufelrad nach Anspruch 1 oder 2,

wobei der mindestens eine Verbindungssteg (24, 25, 26) mit seinen Enden (24a, 24b) über je mindestens ein Filmscharnier (28, 29) mit der jeweiligen Innenseite (20a ,21 a) drehbeweglich verbunden ist.

Schaufelrad nach wenigstens einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3,

wobei die Schaufelwände (20, 21 ) und der mindestens eine Verbindungssteg (24, 25, 26) einstückig aus einem Kunststoff gefertigt sind.

5. Schaufelrad nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die einander zugewandten Innenseiten (20a, 21 a) der Schaufelwände (20, 21 ) einer Schaufel (14, 15) über mehrere Verbindungsstege (24, 25, 26) miteinander verbunden sind.

6. Haushaltsgerät zur Wäschebehandlung

mit einer Fluidfördereinrichtung (1 ), die ein Schaufelrad (8) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche enthält.

7. Haushaltsgerät nach Anspruch 6,

das ein Wäschetrockner ist, bei dem das Schaufelrad (8) zum Fördern eines Prozessluftstroms und/oder eines Kühlluftstroms dient.