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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen kompakten Diagonallüfter, nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Diagonallüfter unterscheiden
sich auf den ersten Blick nur wenig von den bekannten Axiallüftern und
werden deshalb häufig
auch als "halbaxiale" Ventilatoren bezeichnet.
Ebenso wie ein Axiallüfter besteht
ein Diagonallüfter
gemäß 3 im
wesentlichen aus einem Gehäuse 100,
einem darin gelagerten Elektromotor 101, dessen Nabe 102 zusammen mit
einer Mehrzahl von daran angeformten Schaufeln 103 das
Laufrad 104 des Lüfters
bildet. Das Laufrad 104 ist um eine Rotationsachse 105 drehbar
gelagert und wird von dem Elektromotor 101 angetrieben.
Der Elektromotor 101 wird mittels im wesentlichen radial nach
außen
verlaufenden Stegen 106 im Gehäuse 100 gehalten.
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Bei
diagonalen und auch axialen Kompaktlüftern sind der Motor 101,
die Kommutierungselektronik (falls vorhanden), das Laufrad 104 und
das Gehäuse 100 in
einer Einheit integriert. Der Motor ist ein Außenläufermotor, bei dem sich der
Rotor um den innen liegenden Stator dreht. Dadurch ergibt sich eine sehr
kompakte Konstruktion, da das Laufrad direkt auf dem außen liegenden
Rotor befestigt werden kann. Der Motor selbst ist üblicherweise
ein Spaltpolmotor oder ein Kondensatormotor für das Wechselstromnetz (letztere
nur für
höhere
Leistungen), beziehungsweise ein Kommutatormotor oder ein bürstenloser
Gleichstrommotor für
Gleichstromeinspeisung.
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Bei
einem diagonalen Lüfter
erfolgt die Ansaugung der Luft axial, die Ausströmung jedoch diagonal. Durch
eine konische Formgebung der Nabe und eine bestimmte Luftführung im
Außengehäuse kann
ein Ausströmwinkel
zwischen 0 und 90 Grad bezüglich
der Rotationsachse erreicht werden. Besonders die für den Druckaufbau
erforderliche Umfangsgeschwindigkeit an der Nabe wird durch den
in Strömungsrichtung
zunehmenden Durchmesser der Nabe erhöht. Infolgedessen kann der
Diagonallüfter bei
gleichen Außenabmessungen
und gleicher Drehzahl größere Druckerhöhungen erzeugen
als der Axiallüfter.
Aus diesem Grund sind Diagonallüfter
für Anwender
sehr interessant und werden insbesondere in der Telekommunikationselektronik
verwendet, da hier der strömungstechnische
Widerstand der Schaltschränke
mit wachsender Integration immer größer wird, was leistungsfähige Lüfter verlangt.
Die diagonale Bauart ist bei Kleinventilatoren bisher nur relativ selten
anzutreffen, was wohl vor allem auf die komplizierte Geometrie des
Laufrades zurückzuführen ist.
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Wie
bereits erwähnt,
wird der Stator des Außenläufermotors
in der Regel mit Stegen am Lüftergehäuse befestigt.
Bei einem Axiallüfter
ist es bekannt, diese Stege entweder an der Lufteintrittsöffnung oder
an der Luftaustrittsöffnung
zu platzieren. Dies hat kaum Auswirkung auf das Laufrad selbst oder
das Betriebsgeräusch
des Lüfters,
da sich der Querschnitt des Strömungskanals – im Gegensatz
zu einem Diagonallüfter,
nicht ändert.
Aus verschiedenen Gründen
werden jedoch die axialen Kompaktlüfter fast immer über Stege
blasend konstruiert.
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Herkömmliche
Diagonallüfter
werden ebenfalls über
Stege blasend konstruiert, das heißt die Stege befinden sich
auf der Luftaustrittöffnung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Diagonallüfter anzugeben,
der im Vergleich zu einem herkömmlichen
Diagonallüfter
bei gleicher Luftleistung und Druckerhöhung ein deutlich geringeres
Betriebsgeräusch
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Patentansprüchen.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stege zur Befestigung
des Motors am Gehäuse
im Bereich der Lufteintrittsöffnung
des Strömungskanals
angeordnet sind. Dadurch kann bei gleichbleibenden Außenabmessungen
des Lüfters ein
größeres Lüfterrad
eingesetzt werden. Ein größeres Lüfterrad
besitzt einen größeren Luftdurchsatz, so
dass der erfindungsgemäße Lüfter mit
einer vergleichsweise geringeren Drehzahl betrieben werden kann,
um den selben Luftdurchsatz wie ein herkömmlicher Lüfter zu erreichen. Ein Betrieb
mit einer geringeren Drehzahl bedeutet jedoch auch eine Verringerung
des Betriebsgeräusches,
was das eigentliche Ziel der Erfindung war.
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Durch
die Anordnung der Stege im Bereich der Lufteintrittsöffnung ist
es möglich,
die Schaufeln des Laufrades nahe an der Austrittsöffnung des
Strömungskanals
und damit im Bereich des größten Durchmessers
der Nabe zu befestigen, so dass sich der Durchmesser des Lüfterrades
insgesamt vergrößert.
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Der
Querschnitt des Strömungskanals
verläuft
in Bezug auf die Rotationsachse des Laufrades in einem spitzen Winkel
radial nach außen,
so dass die den Lüfter
durchströmende
Luft diagonal zur Rotationsachse ausgestoßen wird.
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Eine
im Vergleich zu Axiallüftern
verbesserte Erhöhung
des Druckes wird unter anderem dadurch erreicht, dass sich der Querschnitt
des Strömungskanals
in Richtung zur Luftaustrittsöffnung
verringert.
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Zur
weiteren Verringerung der Lüftergeräusche ist
vorgesehen, dass die profilierte Fläche des Luftführungsmantels
an der Lufteintrittsöffnung
radial nach außen
abgerundet ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor
ein Außenläufermotor, dessen
feststehender Teil durch die Stege am Gehäuse gehalten ist und dessen
Rotor die Nabe mit dem Laufrad ausbildet.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen in
schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Axialschnitt eines Diagonallüfters gemäß der Erfindung;
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung des Lüfters gemäß 1;
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3 zeigt
einen Axialschnitt eines Diagonallüfters nach dem Stand der Technik.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Lüfter besteht
im wesentlichen aus einem Gehäuse 10, einem
darin gelagerten Elektromotor 11, dessen Nabe 12 zusammen
mit einer Mehrzahl von daran angeformten Schaufeln 13 das
Laufrad 14 des Lüfters
bildet. Das Laufrad 14 ist um eine Rotationsachse 15 drehbar
gelagert und wird von dem Elektromotor 11 angetrieben.
Der Elektromotor 11 wird mittels im wesentlichen radial
nach außen
verlaufenden Stegen 16 im Gehäuse 10 gehalten.
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Das
Gehäuse 10 umfasst
einen an den Durchmesser des Laufrades 14 angepassten Luftführungsmantel 17.
Die Nabe begrenzt zusammen mit dem das Laufrad umgebenden Luftführungsmantel 17 einen
im wesentlichen ringförmigen
Strömungskanal 18,
der eine Lufteintrittöffnung 19 und eine
Luftaustrittsöffnung 20 aufweist.
Die Luft wird an der Lufteintrittsöffnung 19 angesaugt,
durchsetzt den Lüfter
in Strömungsrichtung 22 und
wird an der Luftaustrittsöffnung 20 wieder
ausgestoßen.
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Die
Nabe 12 ist im wesentlichen als Kegelstumpf ausgebildet,
der sich in Richtung zur Luftaustrittöffnung 20 verbreitert.
Ebenso ist der Luftführungsmantel 17 im
wesentlichen profiliert ausgebildet, wobei sich dessen Durchmesser
zur Luftaustrittöffnung 20 hin
aufweitet. Die Eintrittsöffnung 19 des Luftführungsmantels 17 ist
unter Begrenzung der Lufteintrittsöffnung des Strömungskanals 18 über einen
Einlaufradius 21 nach außen abgerundet, um das Entstehen
von eintrittsseitigen Turbulenzen zu vermeiden.
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Vorzugsweise
weist die Oberfläche
des Luftführungsmantels 17 in
Richtung der Luftaustrittsöffnung 20 einen
kleineren Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 15 auf
als die Oberfläche
der Nabe 12, so dass sich der Durchmesser des kreisringförmigen Strömungskanals 18 insbesondere
im Bereich des Laufrades 14 in Richtung der Luftaustrittsöffnung 20 verringert.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass im Falle eines Diagonallüfters, anders als bei, einem Axiallüfter, strömungstechnisch
günstiger
ist, die Stege 16 zur Halterung des Elektromotors 11 an
der Lufteintrittsseite 19 zu platzieren.
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Dies
wird anhand der 1 und 3 erläutert.
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3 zeigt
einen herkömmlichen
diagonalen Kompaktlüfter,
dessen Stege 106 an der Luftaustrittsseite angeordnet sind.
Der von den Stegen 106 gehaltene feststehende Teil des
Motors 101 ist somit an der Luftaustrittsseite angeordnet,
während
das Lüfterrad 104 mit
Nabe 102 in Richtung der Lufteintrittsöffnung verlagert ist. Die Schaufeln 103 sind
an der Seite der Nabe 102 mit dem kleineren Durchmesser
befestigt.
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1 zeigt
den erfindungsgemäßen Diagonallüfter, bei
dem die Stege 16 an der Lufteintrittseite 19 angeordnet
sind. Im Vergleich zum Lüfter
gemäß 3 erkennt
man, dass sich bedingt durch die schrägen Wände der Nabe 12 und
des Luftführungsmantels 17 ein
Laufrad 14 mit größerem Durchmesser
an der Luftaustrittsseite 20 ergibt, da nun die Schaufeln 13 des
Laufrades 14 an der Seite der Nabe 12 befestigt
sind, die den größeren Durchmesser
aufweist. Im gezeigten Fall ist der Durchmesser des Laufrades 14 gemäß 1 an
der Luftaustrittsseite etwa 10% größer als der Durchmesser des Laufrades 104 gemäß 3.
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Diese
Vergrößerung des
Durchmessers des Laufrades 14 hat mehrere Auswirkungen
auf den Betrieb des Lüfters.
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Die
Luftleistung, das heißt
der Volumenstrom, eines Lüfters
ist unter anderem von der Drehzahl und vom Durchmesser D des Laufrades 14 abhängig. Mit
wachsendem Laufraddurchmesser wächst
die Luftleistung und zwar mit der fünften Potenz. Das bedeutet,
dass zum Beispiel ein Laufrad mit einem um 10% größerem Durchmesser
(Faktor 1,10) bei gleicher Drehzahl eine um 61 % höhere Luftleistung
erreicht, da 1,105 =
1,61
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Die
Luftleistung ist außerdem
von der Drehzahl des Laufrades abhängig und ändert sich mit der dritten
Potenz der Drehzahl. Das heißt,
dass man im oben genannten Beispiel eines Lüfters mit 10% größerem Laufraddurchmesser
die Drehzahl um 15% reduzieren kann, um dieselbe Luftleistung eines
Lüfters
mit 100% Laufraddurchmesser zu erreichen, da (1/1,61)–3 =
0,85 = 1,0 – 0,15
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Bei
sonst gleichen Betriebsbedingungen bedeutet eine Verringerung der
Drehzahl auch eine Verringerung des Betriebsgeräusches. In der Praxis kann
man mit der folgenden empirischen Gleichung rechnen: LW = A log (N1/N2),wobei
LW =
Geräuschpegel
in dB
A = 50 bis 55 (empirisch ermittelte Werte)
N1 = Nenndrehzahl
N2 =
reduzierte Drehzahl
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Das
heißt
eine Reduktion der Drehzahl um 15% ermöglicht eine Reduktion des Geräusches des Lüfters von LW = 50 (bzw. 55) log
(1,0/0,85) = 3,5 dB ( bzw. 3.9 dB)
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Eine
Reduktion um 3,5 bis 3.9 dB entspricht mehr als einer Halbierung
des ursprünglichen
Geräuschpegels.
Deshalb ist es sehr günstig,
wenn mit dem erfindungsgemäßen Diagonallüfter die
gleiche Luftleistung mit kleinerer Drehzahl erreicht werden kann.
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Bei
dem Geräusch
spielen jedoch auch viele andere Faktoren eine Rolle. So auch der
Durchmesser D des Laufrades selbst. Trotzdem kann man generell sagen,
dass es bezogen auf den Geräuschpegel
günstiger
ist, den Durchmesser D des Laufrades 14 zu vergrößern und
dafür die
Drehzahl zu reduzieren. Das kann man dadurch erklären, dass
die tangentiale Geschwindigkeit des Laufrades linear proportional
sowohl zu dessen Radius als auch zur Drehzahl ist.
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Mit
dem obigen Beispiel gerechnet (110% Durchmesser, 85% Drehzahl) ist
die maximale tangentiale Geschwindigkeit des Laufrades 14 im
Vergleich zu dem Originallaufrad 104 (100% Durchmesser,
100% Drehzahl) um 6,5% niedriger: 1,10 × 0,85 =
0,935 = 1 – 0,065
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Zusammengefasst
kann man sagen, dass die erfindungsgemäße Konstruktion eines Diagonallüfters nach 1 und 2,
der die selben Außenabmessungen
und den selben strömungstechnischen
Arbeitspunkt (Luftvolumen und Druckerhöhung) aufweist wie ein herkömmlicher
Diagonallüfter, mit
einer geringeren Drehzahl und damit mit einem geringeren Betriebsgeräusch betrieben
werden kann.
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Elektromotor
- 12
- Nabe
- 13
- Schaufeln
- 14
- Laufrad
- 15
- Rotationsachse
- 16
- Stege
- 17
- Luftführungsmantel
- 18
- Strömungskanal
- 19
- Lufteintrittsöffnung
- 20
- Luftaustrittsöffnung
- 21
- Einlaufradius
- 22
- Strömungsrichtung
- 100
- Gehäuse
- 101
- Elektromotor
- 102
- Nabe
- 103
- Schaufeln
- 104
- Laufrad
- 105
- Rotationsachse
- 106
- Stege