WO2019030006A1

WO2019030006A1 - Lüfter

Info

Publication number: WO2019030006A1
Application number: PCT/EP2018/070283
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Laufer
Original assignee: Ebm-Papst St. Georgen Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2019-02-14
Also published as: EP3596341A1; DE102017007370A1; FI3596341T3; US20200149536A1; EP3596341B1; CN110637162A; US11221026B2

Abstract

Das Gehäuse (17) eines Lüfters (1) umfasst 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). In dem Lüfterdurchgang ist ein Lüfterrad (10) angeordnet. An der anströmseitigen Stirnfläche (2) ist ein Gitter (3) angeordnet, das eine zentral im Lüfterdurchgang positionierte Nabe (8), in radialer Richtung zwischen der Nabe (8) und dem Rand des Lüfterdurchgangs ausgedehnte primäre Streben (4) und sekundäre Streben (6) aufweist, die die primären Streben (4) kreuzen.

Description

Lüfter 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 anströmseiti- gen 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 Anord- nung 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 Strömungsge- räusch nicht stört.

Eine wichtige Ursache für Betriebsgeräusche von Lüftern sind Druckschwankungen an festen Oberflächen der Lüfter. Diese hängen meist mit Schwankun- gen 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 Schaufel- blattund dementsprechend zu starker Geräuscherzeu- gung .

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 Ge- schwindigkeits- und Druckschwankungen führen. Auch Einbauten wie Blechkanten und schroffe Umlenkungen mit einhergehender Strömungsablösung an Bauteilen in der Zustromung 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 gelöst, indem bei einem Lüfter mit einem Gehäuse, das

eine anströmseitige Stirnfläche,

eine abströmseitige Stirnfläche, und

einen sich in Richtung einer Achse von einer der Stirnflächen zur anderen erstreckenden, einen Lüfterdurchgang begrenzenden Wandring aufweist,

einem Lüfterrad, das in dem Lüfterdurchgang angeordnet ist, und

einem an der anströmseitigen Stirnfläche angeordneten Gitter, das eine zentral im Lüfterdurchgang po- sitionierte Nabe und in radialer Richtung zwischen der Nabe und dem Rand des Lüfterdurchgangs ausgedehnte primäre Streben aufweist,

das Gitter ferner sekundäre Streben aufweist, die die primären Streben kreuzen.

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 se- kundäre 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 Umfangsrich- tung .

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 Rich- tungen 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 sekun- dären 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 kann an der Nabe montiert sein. Wenigstens eine der die Nabe tragenden Streben des Gitters kann dann auch vorgesehen sein, um an ihr ein Versorgungskabel des Motors zu führen.

Alternativ kann, um den Querschnitt der Streben des Gitters zu minimieren, eine das Versorgungskabel führende Strebe getrennt vom Gitter ausgebildet und dem Gitter anströmseitig vorgelagert sein. 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 Ab- stand der primären Streben voneinander entspricht, kreuzt jede anstromseitige 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 Ober- flächenbeschichtung 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 anströmseiti- ge 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 grö- ßer 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 Strömungs- richtung der Luft konvergiert, d.h. strichpunktierte Linien, die in axialer Verlängerung der Streben 6 den Verlauf des Kegelmantels verdeutlichen, kreu- zen 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 Stre- ben 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 ver- laufenden, 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 Hinterschnei- düngen 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 konzent- risch zur Achse erstreckender Wandring 15 aus, und ein zweiter Rahmen, der sich um das von der an- strömseitigen 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 zu- gehöriger 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 Vorbei- streichen der Kanten 13 an der Strebe entstehendes Strömungsgeräusch pulsieren und wäre dadurch auch bei objektiv geringer Lautstärke deutlich als Betriebsgeräusch wahrnehmbar, üm 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. Zu diesem Zweck könnte die das Versorgungskabel 32 führende Strebe dem Gitter 3 in axialer Richtung vorgelagert sein. 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 Lüf- terrad 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 ei- nem 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 35 30 Luftspalt

2 Stirnfläche 31 Leiterplatte

3 Gitter 32 Versorgungskabel

4 primäre Strebe 33 Strebe

10 5 Mittelpunkt 34 Schild

6 sekundäre Strebe 40

7 Rahmen

8 Nabe

9 Öffnung

15 10 Lüfterrad

11 Schaufelblatt 45

12 Drehachse

13 Kante

14 Flanke

20 15 Wandring

16 Stirnfläche 50

17 Lüftergehäuse

18 Innenseite

19 Außenseite

25 20 Außenseite

21 Innenseite 55

22 Hülse

23 Stator

24 Rotor

30 25 Elektromotor

26 Becher

27 Welle

28 Wälzlager

29 Rand

Claims

Patentansprüche

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 Lüf erdurchgang positionierte Nabe (8) und in radialer Richtung zwischen der Nabe (8) und dem Rand des Lüfterdurchgangs ausgedehnte primäre Streben (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (3) ferner sekundäre Streben (6) aufweist, die die primären Streben (4) kreuzen

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 ein das Lüfterrad (10) antreibender Motor (25) an der Nabe (8) montiert ist.

Lüfter nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Versorgungskabel des Motors (25) an einer Strebe (33) des Gitters (3) geführt ist. Lüfter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die das Versorgungskabel (32) aufnehmende Strebe (33) als zur an- strömseitigen Stirnfläche (2) offene Rinne geformt ist.

Lüfter nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass eine das Versorgungskabel führende Strebe dem Gitter anströmseitig vorgelagert 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 an- strömseitige Kanten (13) von Schaufeln (11) des Lüfterrades (10) die primären Streben (4) kreuzen.

Lüfter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der anström- seitigen Kanten (13) in ümfangsrichtung wenigstens dem Abstand der primären Streben (4) voneinander entspricht. Lüfter nach einem der vorhergehenden An Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass we nigstens einige der primären oder Sekunda ren Streben (4, 6) elektrisch leitend sind.