EP4015836B1

EP4015836B1 - Lüfterrad mit verstärkungsring

Info

Publication number: EP4015836B1
Application number: EP21207483.5A
Authority: EP
Inventors: Martin Baer; Walter Hofmann; Michael Strehle; Christoph CARLE
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2026-04-22
Anticipated expiration: 2041-11-10
Also published as: EP4015836A1; DE102020133825A1; CN114635873A

Description

Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad eines Gebläses mit einem Verstärkungsring.
Gattungsbildende Lüfterräder für Gebläse bzw. Ventilatoren sind aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Varianten bekannt, beispielsweise als Axial-, Radial- oder Diagonallaufräder mit einer Bodenscheibe, an der eine Mehrzahl von Lüfterradschaufeln angeordnet ist, und wahlweise einer die Lüfterradschaufeln überdeckenden Deckscheibe.
Druckschriftlicher Stand der Technik aus dem vorliegenden technischen Gebiet ist beispielsweise offenbart in den Dokumenten US2005/106024 A1 , US 4,762,465 A und WO 2020/143241 A1 .
Aufgrund der hohen Drehzahl im Betrieb ist für Lüfterräder der vorliegenden Art die Festigkeit von entscheidender Bedeutung. Insbesondere kritisch ist bei starker Belastung der Bereich des Übergangs von der Bodenscheibe zu den Lüfterradschaufeln.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Lüfterrad mit erhöhter Festigkeit, insbesondere in diesem kritischen Bereich bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Lüfterrad mit zumindest einer Bodenscheibe und einer Mehrzahl von um eine Rotationsachse des Lüfterrads ausgebildeten Lüfterradschaufeln vorgeschlagen, die sich ausgehend von der Bodenscheibe in axialer Richtung erstrecken und jeweils zwischen sich zusammen mit der Bodenscheibe einen Strömungskanal bilden. Innerhalb der Bodenscheibe ist ein Verstärkungsring angeordnet, der eine Mehrzahl von Axialvorsprüngen aufweist, die sich in axialer Richtung in die Lüfterradschaufeln hinein erstrecken und dabei sowohl die Bodenscheibe als auch die Lüfterradschaufeln verstärkt. Die Axialvorsprünge des Verstärkungsrings weisen mindestens einen gegenüber Innen- und Außenwandflächen des jeweiligen Axialvorsprungs vorspringenden Nippel auf, welcher mit dem Lüfterradkörper der Lüfterradschaufeln in Eingriff steht.
Der speziell mit den Axialvorsprüngen ausgestaltete Verstärkungsring ist in dem Scheibenkörper der Bodenscheibe aufgenommen, wobei sich die Axialvorsprünge genau an der Stelle axial parallel zur Rotationsachse des Lüfterrads erstrecken, so dass die Lüfterradschaufeln die Axialvorsprünge umschließen. Dies erhöht lokal, aber auch insgesamt die Lüfterradfestigkeit und ermöglicht höhere Belastungen. Zudem ist die Werkstoffauswahl für das Lüfterrad variabler. Es können durch die Nutzung des Verstärkungsringes auch kostengünstigere Werkstoffe für den Lüfterradkörper eingesetzt werden, die durch den Einsatz des Verstärkungsringes gleichwohl die technischen Anforderungen erfüllen. Auch erhöht sich die Gestaltungsfreiheit bezüglich des Designs an kritischen Bereichen, wie der Laufradschaufelgestaltung und dem Übergang zwischen der Bodenscheibe und den Lüfterradschaufeln. Die geometrische Ausgestaltung des Verstärkungsringes ist ebenfalls variabel und kann an die unterschiedliche Beanspruchung im jeweiligen Betrieb angepasst werden. So kann beispielsweise aus einem Set von Verstärkungsringen der jeweils für das jeweilige Lüfterrad benötige Verstärkungsring ausgewählt werden.
Insbesondere bei Lüfterrädern aus Kunststoff wird die bedarfsgerecht benötige Festigkeit erreicht. Dabei wird werkstoffbedingt gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit des Lüfterrads erzielt. Es ist deshalb in einer günstigen Ausgestaltung des Lüfterrads vorgesehen, dass der Verstärkungsring aus einem Material gebildet ist, dessen Festigkeit höher ist als diejenige des Materials des Lüfterradkörpers. Als Materialkombination wird vorzugsweise Kunststoff für das Lüfterrad und Metall für den Verstärkungsring gewählt.
Vorteilhaft ist ferner ein Ausführungsbeispiel des Lüfterrads, bei dem eine geometrische Form der Axialvorsprünge einer geometrischen Form der Lüfterradschaufeln entspricht, wobei die Lüfterradschaufeln die Axialvorsprünge vollständig einschließen. Die Lüfterradschaufeln können verschiedene Ausbildungen aufweisen, beispielsweise geradlinig, vorwärtsgekrümmt oder rückwärtsgekrümmt verlaufend. Die Axialvorsprünge werden vorzugsweise in derselben Form ausgebildet und verstärken die Lüfterradschaufeln nicht nur punktuell, sondern zumindest abschnittsweise entlang ihrer Erstreckung.
Günstig ist dabei eine Ausgestaltung der Lüfterräder, bei der sich die Axialvorsprünge innerhalb der Lüfterradschaufeln über mindestens 30%, weiter bevorzugt über mindestens 50%, weiter bevorzugt über mindestens 70% einer Gesamterstreckung der Lüfterradschaufeln von einer radialen Innenseite zu einer radialen Außenseite des Lüfterrads erstrecken. Die Verstärkungswirkung steigt, je länger sich die Lüfterradschaufeln und die Axialvorsprünge in ihrer jeweiligen Erstreckung überdecken.
Grundsätzlich ist dabei günstig, wenn die Axialvorsprünge eine Mitte der Gesamterstreckung der Lüfterradschaufeln von der radialen Innenseite zu der radialen Außenseite des Lüfterrads überstrecken.
Ferner sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Lüfterrads vor, dass sich die Axialvorsprünge innerhalb der Lüfterradschaufeln über mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 20%, %, weiter bevorzugt mindestens 30% einer axialen Gesamterstreckung der Lüfterradschaufeln ausgehend von der Bodenscheibe erstrecken. Die axiale Erstreckung verläuft parallel zur Rotationsachse. Bereits eine geringe Erstreckung in Axialrichtung hat einen positiven Einfluss, da der kritische Übergangsbereich von der Bodenscheibe zu den Lüfterradschaufeln durch den Verstärkungsring jeweils verstärkt ist. Eine längere Axialerstreckung der Axialvorsprünge verstärkt insbesondere die Lüfterradschaufeln und mithin das gesamte Lüfterrad.
Das Lüfterrad ist in einer Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring als einteiliger geschlossener Ring ausgebildet ist. Somit wird die gesamte Bodenscheibe über ihren gesamten Umfang verstärkt.
Eine günstige Ausgestaltung sieht zudem vor, dass der Verstärkungsring eine Vielzahl von Löchern in einem Lochmuster aufweist. Die Löcher reduzieren den Materialaufwand und somit das Gewicht des Verstärkungsringes. Dies wiederum verringert die Masse des Lüfterrads und die im Betrieb wirkenden Kräfte. Zudem verbessern die Löcher die Anbindung an den Lüfterradkörper.
Eine Weiterbildung des Lüfterrads ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lochmuster derart ausgebildet ist, dass jeweils radial benachbarte Löcher in Umfangsrichtung zueinander versetzt positioniert sind. Bei runden Löchern können diese enger aneinander angeordnet werden. Zudem überlagert sich die durch das jeweilige Loch erzeugte Materialschwächung sich nicht. Der Verstärkungsring als Ganzes bleibt trotz einer Vielzahl von Löchern bei einem derartigen Lochmuster stabil. Eine Lochgesamtquerschnittsfläche im Verstärkungsring liegt vorzugsweise bei über 50%, insbesondere bei über 75% der Fläche des Verstärkungsringes. Eine alternative Lochform ist gekennzeichnet durch Sechsecke und das Lochmuster insbesondere durch ein Wabenmuster.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Lüfterrads sieht vor, dass der Verstärkungsring lokal in Umfangsrichtung beschränkt ausgebildete Radialerweiterungen aufweist. Derartige Radialerweiterungen stehen lokal beschränkt gegenüber dem ringförmigen Verlauf der Außenumfangskante des Lüfterrads hervor und erhöhen lokal die Ringfläche durch eine radiale Vergrößerung der Erstreckung des Verstärkungsringes.
Dabei ist eine besonders vorteilhafte Ausführung des Lüfterrads dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Radialerweiterungen in einem Bereich des Verstärkungsrings vorgesehen sind, in dem die Axialvorsprünge ausgebildet sind. In anderen Worten liegen die Radialerweiterungen und die Axialvorsprünge in einer durch die Rotationsachse des Lüfterrads gelegten Radialebene. Der Verstärkungsring weist mithin zur Erhöhung der Festigkeit eine erhöhte Fläche und Materialansammlung genau in dem Bereich auf, in welchem auch die Axialvorsprünge ausgebildet sind.
Bei einer besonderen Ausgestaltung des Lüfterrads sind die Axialvorsprünge in Umfangsrichtung gesehen außermittig gegenüber den Radialerweiterung ausgebildet. Durch die Rotation des Lüfterrads im Betrieb verlaufen ist die Belastung an der Schaufelvorderkante und der Schaufelhinterkante der Lüfterradschaufeln unterschiedlich. Somit ergeben sich auch unterschiedliche Belastungen im kritischen Bereich des Übergangs zur Bodenscheibe. Die außermittige Positionierung trägt dem Sachverhalt Rechnung und ermöglicht eine besonders starke Festigkeitserhöhung, die sich positiv auf den Betrieb, d.h. die Rotation des Lüfterrads auswirkt.
In einer Weiterbildung weisen die Radialerweiterungen jeweils zwei speziell gestaltete Umfangsrandabschnitte auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Umfangsrandabschnitte jeweils gegenüber an einer am Außenrand des Verstärkungsrings angelegten Tangente unterschiedliche Winkel aufweisen. Die unterschiedlichen Winkel tragen ebenfalls der Tatsache Rechnung, dass die Belastung abhängig von der Rotationsrichtung des Lüfterrads unterschiedlich ist. Besonders günstig ist eine Ausgestaltung des Lüfterrads, bei dem die Winkel angepasst sind an Neigungswinkel der Lüfterradschaufeln gegenüber der Rotationsachse. So wird beispielsweise bei rückwärtsgekrümmten Lüfterradschaufeln der Neigungswinkel in dieselbe Rückwärtsrichtung angepasst, so dass einer der Umfangsrandabschnitte und die Lüfterradschaufeln aufeinander abgestimmt, insbesondere parallel oder im Wesentlichen parallel nach radial außen auslaufen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: eine erste Schnittansicht eines Teilabschnitts eines erfindungsgemäßen Lüfterrads;
Fig. 2: eine zweite Schnittansicht des Lüfterrads aus Figur 1,
Fig. 3: eine perspektivische Darstellung des Verstärkungsringes des Lüfterrads aus Figur 1.

Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft ein Ausführungsbeispiel eines Lüfterrads 1 in Schnittansichten, wobei in Figur 1 zum besseren Verständnis der Erfindung auch die verdeckten Kanten dargestellt sind. Das Lüfterrad 1 ist gebildet aus einer Bodenscheibe 2, einer Deckscheibe 3 und mehreren um die Rotationsachse RA ausgebildeten Lüfterradschaufeln 4, die sich zwischen der Bodenscheibe 2 und der Deckscheibe 3 in axialer Richtung erstrecken und jeweils zwischen sich einen Strömungskanal bilden. Die Lüfterradschaufeln 4 sind gekrümmt dargestellt, können jedoch auch beispielsweise geradlinig geformt sein. Die Bodenscheibe 2 geht auf ihrer radialen, zur Rotationsachse RA weisenden Innenseite in eine Aufnahme 5 zum Anschluss eines Antriebs für das Lüfterrad 1 über. Die Deckscheibe 3, die Bodenscheibe 2 und die Lüfterradschaufeln 4 bilden den Lüfterradkörper und sind aus Kunststoff einstückig im Gussverfahren, insbesondere Spritzgussverfahren hergestellt. Innerhalb der Bodenscheibe 2 eingeschlossen ist der Verstärkungsring 6 angeordnet, der vorzugsweise aus Metall gebildet und im Gussverfahren, insbesondere Spritzgussverfahren mit eingebracht ist.
Der Verstärkungsring 6 ist einzeln in Figur 3 gezeigt. Er ist ausgebildet als einteiliger geschlossener Ring mit einem flachen Ringkörper 77, der in Umfangsrichtung verteilt mehrere jeweils gleich geformte Radialerweiterungen 8 aufweist. Im Bereich der Radialerweiterungen 8 ist die Fläche des Ringkörpers 77 lokal vergrößert. Jede der Radialerweiterungen 8 bildet zwei Umfangsrandabschnitte 9, 9', bei denen sich der Gesamtradius des Verstärkungsrings 6 vergrößert. Die Umfangsrandabschnitte 9, 9' weisen in der gezeigten Ausführungsvariante jeweils gegenüber an einer am Außenrand des Verstärkungsrings 6 angelegten Tangente unterschiedliche Winkel α und β auf, wobei gilt α<β. Die Winkel α und β sind an den jeweiligen Neigungswinkel der Lüfterradschaufeln 4 gegenüber der Rotationsachse RA angepasst, d.h. dass die Winkel anders sein können, wenn sich die Krümmung der Laufradschaufeln 4 ändert. Der Verlauf der Radialerweiterungen 8 zwischen den beiden Umfangsrandabschnitten 9, 9' entspricht demjenigen des übrigen Ringkörpers 77 zwischen den Radialerweiterungen 8.
Zudem erstrecken sich von der Oberfläche des Ringkörpers 77 in axialer Richtung mehrere Axialvorsprünge 7. Die Axialvorsprünge 7 sind in Umfangsrichtung in gleicher Weise gekrümmt wie die Lüfterradschaufeln 4. Wie in Figur 1 gut zu erkennen erstrecken sich die Axialvorsprünge 7 in axialer Richtung in die Lüfterradschaufeln 4 hinein. Figur 2 zeigt, dass die geometrische Form der Axialvorsprünge 7 der geometrischen Form der Lüfterradschaufeln 4 entspricht und die Lüfterradschaufeln 4 die Axialvorsprünge 7 vollständig einschließen. Auf dem Ringkörper 77 des Verstärkungsrings 7 sind die Axialvorsprünge 7 und die Radialerweiterungen 8 im jeweils gleichen Umfangsabschnitt vorgesehen. Dabei überlappt in Projektion gesehen der jeweilige Axialvorsprung 7 den jeweiligen Umfangsrandabschnitt 9'. Die Axialvorsprünge 7 sind mithin in Umfangsrichtung gesehen außermittig gegenüber den Radialerweiterungen 8 ausgebildet. Jeder der Axialvorsprünge 7 weist erfindungsgemäß mindestens einen gegenüber den Innen- und Außenwandflächen des jeweiligen Axialvorsprungs 7 vorspringenden Nippel 21 auf, welcher mit dem Lüfterradkörper der Lüfterradschaufeln 4 in Eingriff steht.
Der Ringkörper 77 des Verstärkungsringes 6 weist über den gesamten Umfang verteilt eine Vielzahl von sechseckigen Löchern 10 auf, die in einem Lochmuster so zueinander positioniert sind, dass jeweils radial benachbarte Löcher 10 bezüglich ihrer jeweiligen Mitte in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind. Hieraus ergibt sich eine Wabenstruktur der Löcher 10. Auch ist möglich und von der Offenbarung umfasst, dass die Löcher 10 in radialer Projektion gesehen zueinander teilweise überlappend auf dem Ringkörper 77 angeordnet sind. Die Radialerweiterungen 8 sind frei von Löchern 10.
Bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 ist zudem die Größe der Axialvorsprünge 7 im Verhältnis zu den Laufradschaufeln 4 dargestellt. Bei der gezeigten Ausführung erstrecken sich die Axialvorsprünge 7 innerhalb der Lüfterradschaufeln 4 über eine Länge L von 60% der Gesamterstreckung S der Lüfterradschaufeln 4 von der radialen Innenseite zu einer radialen Außenseite des Lüfterrads 1. Dabei sind die die Axialvorsprünge 7 mittig innerhalb der Lüfterradschaufeln 4 positioniert und überstrecken mithin auch die Mitte deren Gesamterstreckung, siehe insbesondere Figur 2. In axialer Richtung erstrecken sich die Axialvorsprünge 7 entlang der Rotationsachse RA innerhalb der Lüfterradschaufeln 4 über mindestens 15% der axialen Gesamterstreckung H der Lüfterradschaufeln 4, siehe Figur 1.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten umfasst. Der Schutzumfang der Erfindung wird jedoch nur durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Lüfterrad (1) mit zumindest einer Bodenscheibe (2) und einer Mehrzahl von um eine Rotationsachse (RA) des Lüfterrads (1) ausgebildeten Lüfterradschaufeln (4), die sich ausgehend von der Bodenscheibe (2) in axialer Richtung erstrecken und jeweils zwischen sich zusammen mit der Bodenscheibe (2) einen Strömungskanal bilden, wobei innerhalb der Bodenscheibe (2) ein Verstärkungsring (6) angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Axialvorsprüngen (7) aufweist, die sich in axialer Richtung in die Lüfterradschaufeln (4) hinein erstrecken und somit sowohl die Bodenscheibe (2) als auch die Lüfterradschaufeln (4) verstärkt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Axialvorsprünge (7) des Verstärkungsrings (6) mindestens einen gegenüber Innen- und Außenwandflächen des jeweiligen Axialvorsprungs (7) vorspringenden Nippel (21) aufweisen, welcher mit dem Lüfterradkörper der Lüfterradschaufeln (4) in Eingriff steht.
Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring (6) aus einem Material gebildet ist, dessen Festigkeit höher ist als diejenige des Materials des das Lüfterrad (1) bestimmenden Lüfterradkörpers.
Lüfterrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine geometrische Form der Axialvorsprünge (7) einer geometrischen Form der Lüfterradschaufeln (4) entspricht, wobei die Lüfterradschaufeln (4) die Axialvorsprünge (7) vollständig einschließen.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Axialvorsprünge (7) innerhalb der Lüfterradschaufeln (4) über mindestens 50% einer Gesamterstreckung der Lüfterradschaufeln (4) von einer radialen Innenseite zu einer radialen Außenseite des Lüfterrads (1) erstrecken.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialvorsprünge (7) eine Mitte der Gesamterstreckung der Lüfterradschaufeln (4) überstrecken.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Axialvorsprünge (7) innerhalb der Lüfterradschaufeln (4) über mindestens 10% einer axialen Gesamterstreckung der Lüfterradschaufeln (4) erstrecken.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring (6) als einteiliger geschlossener Ring ausgebildet ist.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring (6) eine Vielzahl von Löchern (10) in einem Lochmuster aufweist.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochmuster derart ausgebildet ist, dass jeweils radial benachbarte Löcher (10) bezüglich ihrer jeweiligen Mitte in Umfangsrichtung zueinander versetzt positioniert sind.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring (6) lokal in Umfangsrichtung beschränkt ausgebildete Radialerweiterungen (8) aufweist.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialerweiterungen (8) in einem Bereich des Verstärkungsrings (6) vorgesehen sind, in dem die Axialvorsprünge (7) ausgebildet sind.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialvorsprünge (7) in Umfangsrichtung gesehen außermittig gegenüber den Radialerweiterungen (8) ausgebildet sind.
Lüfterrad nach einem der vorigen Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialerweiterungen (8) jeweils zwei Umfangsrandabschnitte (9, 9') aufweisen, die jeweils gegenüber an einer am Außenrand des Verstärkungsrings (6) angelegten Tangente unterschiedliche Winkel (α, β) aufweisen.
Lüfterrad nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel angepasst sind an Neigungswinkel der Lüfterradschaufeln (4) gegenüber der Rotationsachse (RA).