EP3596341B1

EP3596341B1 - Lüfter

Info

Publication number: EP3596341B1
Application number: EP18746183.5A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Laufer
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2023-04-26
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: EP3596341A1; FI3596341T3; US20200149536A1; CN110637162A; US11221026B2; WO2019030006A1; DE102017007370A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lüfter, insbesondere für den Einbau in einem zu kühlenden Gerät. Wesentliche Anforderungen an einen solchen Lüfter sind eine kompakte Bauform, Energieeffizienz und ein geräuscharmer Betrieb.
Derartige Lüfter haben oft ein quaderförmiges Gehäuse, durch das sich zwischen einer anströmseitigen und einer abströmseitigen Stirnfläche ein Lüfterdurchgang erstreckt, und einen Motor und ein Lüfterrad, die in dem Lüfterdurchgang untergebracht sind. Ein Lüfter dieses Typs ist z.B. in DE 35 28 748 C2 gezeigt. Bei diesem Lüfter sind der Motor und das Lüfterrad durch ein an der abströmseitigen Stirnfläche dieses Lüfters angeordnetes Gitter aus sich in radialer Richtung erstreckenden Streben mit einem den Lüfterdurchgang begrenzenden Wandring verbunden.
Ein solches Gitter kann durch eine Drallreduktion, die es an der hindurchgeblasenen Luft hervorruft, eine statische Druckerhöhung bewirken, die den statischen Wirkungsgrad des Lüfters und die Stärke des Luftstroms verbessern.
In derselben Druckschrift DE 35 28 748 C2 wird auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, ein Gitter an der Anströmseite des Lüfters anzubringen. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass eine solche Anordnung zu starken Betriebsgeräuschen führt. Dies kann ein Grund dafür sein, dass das anströmseitige Gitter des herkömmlichen Lüfters als separates Bauteil ausgeführt ist, so dass seine Anwendung auf Fälle beschränkt werden kann, in denen das Strömungsgeräusch nicht stört.
Weiterer Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet ist aus den Dokumenten JP H06 280566 A , DE 92 06 992 U1 , US 2005/118022 A1 und US 2014/141708 A1 bekannt.
Eine wichtige Ursache für Betriebsgeräusche von Lüftern sind Druckschwankungen an festen Oberflächen der Lüfter. Diese hängen meist mit Schwankungen der Geschwindigkeit zusammen, mit der diese Oberflächen an-und überströmt werden. Ein Punkt, an dem im Betrieb hohe lokale Drücke auftreten, ist die Vorderkante eines Schaufelblatts des Lüfterrads. Wenn diese Vorderkante im Laufe der Umdrehung des Lüfterrades abwechselnd an Streben eines Gitters und an Zwischenräumen zwischen den Streben vorbeistreicht, dann führt dies zu starken Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufelblatt und dementsprechend zu starker Geräuscherzeugung.
Auch die Umgebung, in der ein Lüfter eingebaut ist, kann zur Entstehung von Strömungsgeräuschen beitragen. Wenn ein Lüfter in einem Gerät eingebaut ist, können Asymmetrien der Strömungskanäle des Geräts zu inhomogener Zuströmung auf die Schaufelblätter des Lüfters und damit zu geräuschintensiven Geschwindigkeits- und Druckschwankungen führen. Auch Einbauten wie Blechkanten und schroffe Umlenkungen mit einhergehender Strömungsablösung an Bauteilen in der Zuströmung zum Lüfter verursachen inhomogene Geschwindigkeitsverteilungen des Zuströmfelds, mit welchem die Schaufelblätter interagieren.
Die Aufgabe der Erfindung ist, einen geräuscharmen und gleichzeitig effizienten Lüfter zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Während die herkömmlicherweise in radialer Richtung langgestreckten Zwischenräume zwischen den Streben offenbar genügend Platz bieten, damit in ihnen durch die vorbeistreichenden Schaufelblattkanten Wirbel angeregt werden und diese, wenn sie in den Lüfterdurchgang eingesaugt werden, mit stark schwankenden Geschwindigkeiten auf die nächste vorbeikommende Schaufelblattkante stoßen, können solche Wirbel beim erfindungsgemäßen Lüfter durch die sekundären Streben unterdrückt oder zumindest stark gedämpft werden, wodurch sich das Betriebsgeräusch eines solchen Lüfters im Vergleich zu einem unter gleichen Bedingungen eingesetzten Lüfter ohne sekundäre Streben vermindert .
Da die primären Streben über die Nabe auch das Lüfterrad und ggf. dessen Motor tragen können, können herkömmlicherweise diesem Zweck dienende Streben an der abströmseitigen Stirnfläche entfallen, was eine kompakte Bauform des Lüfters ermöglicht.
Die sekundären Streben können wenigstens einen um die Achse des Lüfters umlaufenden, vorzugsweise zur Ache konzentrischen Ring bilden.
Um die oben erwähnten Wirbel wirksam zu unterdrücken, sollten die Abmessungen von durch die primären und sekundären Streben in der anströmseitigen Stirnfläche begrenzten Öffnungen vorzugsweise in radialer Richtung kleiner sein als in Umfangsrichtung.
Um einen Wirbel wirksam zu dämpfen, dessen Achse auf der Oberfläche einer primären Strebe senkrecht steht, sollten die primären und sekundären Streben einander vorzugsweise rechtwinklig kreuzen.
Um Luft, die aus von der Achse abweichenden Richtungen der anströmseitigen Stirnfläche des Lüfters zustrebt, mit geringem Druckabfall. in den Lüfterdurchgang einzuleiten, können die sekundären Streben als Kegelmantelausschnitte mit dem Lüfterrad zugewandter kleiner Grundfläche geformt sein.
Zur Minimierung des ansaugseitigen Druckabfalls trägt es auch bei_; wenn der Öffnungswinkel der Kegelmantelausschnitte mit der Entfernung der sekundären Streben von der Achse zunimmt.
Die primären Streben können einen in Richtung der Achse geradlinig langgestreckten Querschnitt aufweisen. Dies vereinfacht das einteilige Abformen des Gitters insbesondere dann, wenn die sekundären Stege, wie bei den oben erwähnten Kegelmantelausschnitten der Fall, schräg zur Achse orientiert sind.
in Fällen, in denen die Zuströmsituation im Gerät dies erfordert, kann es vorteilhaft sein, die sekundären Streben mit gekrümmtem Querschnitt, d.h. als Kegelmantelausschnitte mit sich über ihre axiale Ausdehnung hinweg veränderndem Öffnungswinkel zu formen.
Ein das Lüfterrad antreibender Motor ist an der Nabe montiert.
Um den Querschnitt der Streben des Gitters zu minimieren, ist eine das Versorgungskabel führende Strebe getrennt vom Gitter ausgebildet und dem Gitter anströmseitig vorgelagert.
Um die Fertigung des Lüfters zu vereinfachen, kann das Gitter mit dem Wandring des Gehäuses einteilig geformt sein.
Um periodische Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen der Luftströmung im hörbaren Frequenzbereich aufgrund des Vorbeistreichens der Schaufelräder an den primären Streben zu minimieren, sollten die Zahl der primären Streben des Gitters und die Zahl von Schaufeln des Schaufelrades teilerfremd sein.
Um abrupte, kurzzeitige Wechselwirkungen zwischen den Schaufelblättern und den primären Streben des Gitters zu vermeiden, sollten die anströmseitigen Kanten von Schaufelblättern des Lüfterrades die primären Streben kreuzen.
Insbesondere wenn die Ausdehnung der anströmseitigen Kanten in Umfangsrichtung wenigstens dem Abstand der primären Streben voneinander entspricht, kreuzt jede anströmseitige Kante in jeder Phase der Drehung des Schaufelrads wenigstens eine primäre Strebe und ist somit den am Kreuzungspunkt von Kante und Strebe auftretenden Kräften kontinuierlich ausgesetzt.
Das Gitter kann als elektromagnetische Abschirmung des Motors fungieren, wenn wenigstens einige der primären oder sekundären Streben elektrisch leitend sind. Die Leitfähigkeit kann bei einem aus Kunststoff geformten Gitter auf einen leitfähigen Zuschlag im Kunststoff oder auf eine leitfähige Oberflächenbeschichtung zurückzuführen sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht in axialer Richtung auf einen erfindungsgemäßen Lüfter;
Fig. 2: einen axialen Schnitt durch den Lüfter entlang der Ebene II-II der Fig. 1;
Fig. 3: einen axialen Schnitt durch den Lüfter entlang der Ebene III-III der Fig. 1; und
Fig. 4: einen Schnitt durch den Lüfter entlang der gegen die Achse versetzten Ebene IV-IV der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine anströmseitige Stirnfläche 2 eines Lüfters 1. Die Stirnfläche 2 ist im Umriss quadratisch. Ein kreisrunder zentraler Bereich der Stirnfläche 2 ist durch ein Gitter 3 ausgefüllt. Das Gitter 3 umfasst zahlreiche geradlinig auf einen gemeinsamen Mittelpunkt 5 zulaufende primäre Streben 4 und sich konzentrisch um den Mittelpunkt 5 erstreckende sekundäre Streben 6. Die primären Streben 4 sind an ihren Enden jeweils einteilig mit einem das Gitter 3 umgebenden Rahmen 7 bzw. einer kreisrunden, die Mitte des Gitters 3 belegenden Nabe 8 verbunden.
Die einander jeweils rechtwinklig kreuzenden primären und sekundären Streben 4, 6 begrenzen eine Vielzahl von Öffnungen 9.
Durch die Öffnungen 9 hindurch zeichnen sich die Kanten von Schaufelblättern 11 eines hinter der Stirnfläche 2 liegenden Lüfterrades 10 (s. Fig. 2, 3) ab. Eine Drehachse 12 des Lüfterrades erstreckt sich senkrecht zur Papierebene der Fig. 1 durch den Mittelpunkt 5.
Die Zahl der primären Streben 4 ist erheblich größer als die der Schaufelblätter 11; im hier gezeigten Beispiel kommen 24 primäre Streben 4 auf fünf Schaufelblätter 11. Daher genügt eine geringe Schrägstellung von anströmseitigen, dem Gitter 3 zugewandten Kanten 13 der Schaufelblätter 11, damit jede anströmseitige Kante 13 in jeder Stellung, die das Lüfterrad 10 im Laufe einer Umdrehung um die Achse 12 einnehmen kann, wenigstens eine der primären Streben 4 kreuzt. Aerodynamische Kräfte, die infolge von im Kreuzungsbereich der Kanten 13 mit den Streben 4 auftretenden Druckfluktuationen auf das Lüfterrad 10 einwirken, schwanken daher im Laufe von dessen Umdrehung nur wenig und erzeugen dementsprechend auch nur wenig Geräusch.
Die Schnittebene II-II der Fig. 2 verläuft entlang der Achse 12 und kreuzt die Öffnungen 9 jeweils mittig zwischen zwei primären Streben 4, so dass die sekundären Streben 6 im Schnitt zu sehen sind. Die sekundären Streben 6 haben bilden jeweils einen Ausschnitt eines Kegelmantels, wobei bei der Mehrheit der Streben 6 dieser Kegelmantel in Strömungsrichtung der Luft konvergiert, d.h. strichpunktierte Linien, die in axialer Verlängerung der Streben 6 den Verlauf des Kegelmantels verdeutlichen, kreuzen die Achse 12 stromabwärts vom Lüftergehäuse 14. Der Öffnungswinkel der Kegelmäntel wird mit zunehmendem Abstand der Streben 6 von der Achse 12 größer. Die solcherart gefächerte Anordnung der Streben 6 begünstigt die Ansaugung von Luft aus von der Achse 12 abweichenden Richtungen.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Gitter 3 entlang einer außermittig parallel zur Achse 12 verlaufenden, in Fig. 1 mit IV-IV bezeichneten Schnittebene. Wie in dieser Fig. zu erkennen, haben die primären Streben 4 einen axial langgestreckten Querschnitt mit Flanken 14, die sich in einer zur Achse 12 parallelen Richtung erstrecken. So wird vermieden, dass an den Kreuzungen der primären und sekundären Streben 4, 6 in Richtung der Achse 12 aus beiden Richtungen unzugängliche Hinterschneidungen entstehen; deshalb kann das Gitter 3 unter Verwendung von nur zwei in Richtung der Achse 12 gegeneinander beweglichen Formwerkzeugteilen spritzgeformt werden.
Wie insbesondere in Fig. 2 und 3 zu erkennen, geht vom inneren Rand des Rahmens 7 ein sich konzentrisch zur Achse erstreckender Wandring 15 aus, und ein zweiter Rahmen, der sich um das von der anströmseitigen Stirnfläche 2 abgewandte Ende des Wandrings 15 erstreckt, bildet eine abströmseitige Stirnfläche 16 des Lüfters 1. Die Stirnflächen 2, 16 und der Wandring 15 hängen einteilig zusammen und bilden ein Lüftergehäuse 17. Um dieses Lüftergehäuse 17 zu formen, genügen vier Formwerkzeugteile, nämlich die zwei oben erwähnten, an der Formung des Gitters 3 beteiligten, von denen eines auch in den Wandring 15 eingreift, um dessen Innenseite 18 sowie eine Außenseite 19 der abströmseitigen Stirnfläche 16 zu formen, sowie zwei radial zur Achse 12 bewegliche Werkzeugteile, die jeweils eine Hälfte einer Außenseite 20 des Wandrings 15 sowie von einander zugewandten Innenseiten 21 der beiden Stirnflächen 2, 16 formen.
Der zum Formen des Lüftergehäuses 17 verwendete Kunststoff kann durch einen Zusatz an Graphit oder Metallpulver elektrisch leitend gemacht sein; dann kann das Gitter 3 als elektromagnetische Abschirmung dienen, die eine Störung empfindlicher Elektronik durch elektromagnetische Emission des Motors 25 vermeiden hilft.
An der Nabe 8 ist eine zur Achse 12 konzentrische Hülse 22 geformt. Um die Hülse 22 herum ist ein Stator 23 eines Elektromotors 25 montiert. Ein zugehöriger Rotor 24 ist in einem über die Hülse 22 gestülpten, zur Nabe 8 hin offenen Becher 26 aufgenommen. Vom Boden des Bechers 26 geht eine Welle 27 aus, die im Innern der Hülse 22 über Wälzlager 28 drehbar gelagert ist. Die Schaufelblätter 11 stehen vom Umfang des Bechers 26 ab.
Zwischen der Nabe 8 und einem ihr zugewandten Rand 29 des Bechers 26 erstreckt sich ein Luftspalt 30. In diesem Luftspalt 30 ist, durch den vom Lüfter 1 angetriebenen Luftstrom gekühlt, eine Leiterplatte 31 mit Steuerelektronik des Elektromotors 25 angeordnet.
Ein Versorgungskabel 32 erstreckt sich zwischen dem Motor 25 und dem Rahmen 7. Das Versorgungskabel könnte an einer der radial orientierten primären Streben 4 angebracht sein. Eine solche primäre Strebe wäre durch das Versorgungskabel jedoch unvermeidlicherweise breiter als die übrigen primären Streben, und da im Laufe einer Drehung des Lüfterrads 10 jeweils nur zeitweise eine anströmseitige Kante 13 die Strebe kreuzt, würde ein beim Vorbeistreichen der Kanten 13 an der Strebe entstehendes Strömungsgeräusch pulsieren und wäre dadurch auch bei objektiv geringer Lautstärke deutlich als Betriebsgeräusch wahrnehmbar. Um ein solches Geräusch zu minimieren, ist das Gitter 3 in axialer Richtung zwischen der das Versorgungskabel 32 führenden Strebe und dem Lüfterrad angeordnet, so dass die Strömungsverhältnisse (und damit die Geräuschentwicklung) am Lüfterrad 10 im Wesentlichen durch das Gitter 3 bestimmt ist. Erfindungsgemäß ist die das Versorgungskabel 32 führende Strebe dem Gitter 3 in axialer Richtung vorgelagert. Kompakter ist jedoch die in Fig. 1 gezeigte Platzierung des Versorgungskabels 32 in einer Strebe 33, die an die anströmseitige Stirnfläche 2 angrenzt und deren axiale Ausdehnung kleiner ist als die der Streben 4, 6, so dass letztere zum Lüfterrad 10 hin über die Strebe 33 hinaus vorstehen und Einflüsse der Strebe 33 auf die Strömungsverhältnisse am Lüfterrad 10 dämpfen.
Eine Ausbildung der Strebe 33 als eine zur Stirnfläche 2 offene Rinne hat hier dem Vorteil, dass ihre Abmessung in axialer Richtung klein gehalten werden kann und zwischen der Strebe 33 und dem Lüfterrad 10 somit viel Platz für über die Strebe 33 zum Lüfterrad 10 hin vorspringende, den Einfluss der Strebe 32 dämpfende Streben 4, 6 des Gitters 3 ist.
Die Rinnenform der Strebe 33 erleichtert ferner die Anbringung des Versorgungskabels 32 am Lüfter, da nach Zusammenfügen des Motors 25 das Versorgungskabel 32 in die Rinne der Strebe 33 eingelegt, an einem Ende mit an der anströmseitigen Oberfläche der Nabe 8 freiliegenden Anschlüssen des Motors 25 kontaktiert werden und anschließend die Anschlüsse durch Aufkleben eines Schildes 34 (s. Fig. 2, 3) auf die Nabe 8 verborgen werden können.

Bezugszeichen

1: Lüfter
2: Stirnfläche
3: Gitter
4: primäre Strebe
5: Mittelpunkt
6: sekundäre Strebe
7: Rahmen
8: Nabe
9: Öffnung
10: Lüfterrad
11: Schaufelblatt
12: Drehachse
13: Kante
14: Flanke
15: Wandring
16: Stirnfläche
17: Lüftergehäuse
18: Innenseite
19: Außenseite
20: Außenseite
21: Innenseite
22: Hülse
23: Stator
24: Rotor
25: Elektromotor
26: Becher
27: Welle
28: Wälzlager
29: Rand
30: Luftspalt
31: Leiterplatte
32: Versorgungskabel
33: Strebe
34: Schild

Claims

Lüfter mit einem Gehäuse (17), das
- eine anströmseitige Stirnfläche (2),

- eine abströmseitige Stirnfläche (16), und

- einen sich in Richtung einer Achse (12) von einer der Stirnflächen (2) zur anderen (16) erstreckenden, einen Lüfterdurchgang begrenzenden Wandring (15) aufweist,

- einem Lüfterrad (10), das in dem Lüfterdurchgang angeordnet ist, und einem an der anströmseitigen Stirnfläche (2) angeordneten Gitter (3), das eine zentral im Lüfterdurchgang positionierte Nabe (8) und in radialer Richtung zwischen der Nabe (8) und dem Rand des Lüfterdurchgangs ausgedehnte primäre Streben (4) aufweist, wobei das Gitter (3) ferner sekundäre Streben (6) aufweist, die die primären Streben (4) kreuzen, wobei ein das Lüfterrad (10) antreibender Motor (25) an der Nabe (8) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versorgungskabel des Motors (25) an einer Strebe (33) des Gitters (3) geführt ist und die das Versorgungskabel führende Strebe dem Gitter anströmseitig vorgelagert ist.
Lüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Streben (8) wenigstens einen um die Achse (12) umlaufenden Ring bilden.
Lüfter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die primären und sekundären Streben (4, 6) in der anströmseitigen Stirnfläche (2) Öffnungen (9) begrenzen, deren Abmessungen in radialer Richtung kleiner als in Umfangsrichtung sind.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primären und sekundären Streben (4, 6) einander rechtwinklig kreuzen.
Lüfter nach Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Streben (6) als Kegelmantelausschnitte mit dem Lüfterrad (10) zugewandter kleiner Grundfläche geformt sind.
Lüfter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der Kegelmantelausschnitte mit der Entfernung der sekundären Streben (6) von der Achse (12) zunimmt.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primären Streben (4) einen in Richtung der Achse (12) geradlinig langgestreckten Querschnitt aufweisen.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Versorgungskabel (32) aufnehmende Strebe (33) als zur anströmseitigen Stirnfläche (2) offene Rinne geformt ist.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass das Gitter (3) mit dem Wandring (15) einteilig geformt ist.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Zahl der primären Streben (4) des Gitters (3) und die Zahl von Schaufeln (11) des Schaufelrades (10) teilerfremd sind.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anströmseitige Kanten (13) von Schaufeln (11) des Lüfterrades (10) die primären Streben (4) kreuzen.
Lüfter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der anströmseitigen Kanten (13) in Umfangsrichtung wenigstens den Abstand der primären Streben (4) voneinander entspricht.
Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der primären oder sekundären Streben (4, 6) elektrisch leitend sind.