DE10020878C2 - Lüfter insbesondere zur Belüftung von elektronischen Geräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter insbesondere zur Belüftung bzw. Kühlung von elektronischen Geräten wie Personalcomputern.

Zu diesem Zweck werden üblicherweise flach gebaute Axiallüfter eingesetzt, welche einen zylindrischen Ring­ raum als Strömungskanal und schräg angestellte Schaufeln aufweisen. Die Strömung verläuft somit axial durch das Laufrad. Damit kann bei geringen Druckdifferenzen ein hoher Volumenstrom erzielt werden. Im Übergangsbereich zu höheren Druckdifferenzen treten jedoch Unstetigkeiten auf, die zu starken Verwirbelungen und damit einherge­ hend zu ungünstigem Geräuschverhalten führen.

Daneben sind Radiallüfter beispielsweise zum Einsatz in Haartrocknern bekannt, die unter Aufbau größerer Druck­ differenzen einen höheren Strömungswiderstand überwin­ den können. Solche Lüfter sind jedoch abgesehen von ih­ rem geringen Fördervolumen wegen der radialen bzw. tan­ gentialen Luftführung für den Einbau in PC-Gehäuse eher ungeeignet. Weiter bekannt sind Mischformen insbesondere als sogenannte Halbaxial-Lüfter, die eine diagonale Strömungskomponente bei sich bereichsweise überdecken­ den, schräg angestellten Schaufeln aufweisen. Auch sol­ che Lüfter weisen bei Computerapplikationen Geräusch­ nachteile auf.

Aus der DE 29 05 624 A1 ist ein gattungsgemäßer Lüfter bekannt, bei welchem der Strömungsquerschnitt zwischen einer Mantelfläche der Nabe und einer zur Motorachse koaxialen äußeren Ringfläche sich in Strömungsrichtung nicht verengen soll. Die Nabe ist dort eintrittseitig kegelstumpfförmig abgeflacht, während die der Strömung zugewandten Schaufelkanten parallel zu der Ebene der Nabenabflachung verlaufen und gegenüber dieser in Strö­ mungsrichtung zurückversetzt sind.

Die DE 44 03 224 A1 zeigt ein Radialgebläserad insbe­ sondere an einem Staubsauger-Elektromotor, wobei die Luft axial angesaugt und radial ausgestossen wird. Zu diesem Zweck sind auf einer Gebläseradscheibe gekrümmt verlaufende Schaufeln angeformt, wobei jeweils eine saugseitige Schaufelpartie über die sich etwa kegelar­ tig bis zu der Gebläseradscheibe erweiternde Nabe axial hinaus übersteht.

Die DE 41 27 134 A1 offenbart einen Diagonallüfter mit einer kegelstumpfförmigen Nabe des Lüfterrads und einem die Nabe umgebenden kegelstumpfförmigen Luftführungs­ mantel, wobei die Winkel der Kegelstümpfe verhältnismä­ ßig gering bemessen sind, um auf der Ausblasseite noch eine ähnliche Ausblasrichtung wie ein Axialgebläse zu erreichen. Dabei tritt eine radiale Überdeckung zwi­ schen Aus- und Eintrittsquerschnitt des Strömungskanals auf.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Lüfter anzugeben, der die zuvor genannten Nachteile vermeidet und bei geringer Geräuschentwick­ lung einen hohen Wirkungsgrad im Hinblick auf eine ef­ fiziente Belüftung und Kühlung erreicht. Daneben soll die Bauform für den Einbau in Computergehäuse gut ge­ eignet und auf die typischen Systemkennlinien abge­ stimmt sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen Lüfter mit diagonal durchströmtem Radialrad einzusetzen, um einen breiten günstigen Arbeitsbereich zu erreichen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Lüfter mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen:

• - einem einen Strömungskanal außenseitig durch eine Leitfläche begrenzenden Lüftergehäuse,
• - einem in dem Lüftergehäuse um eine Drehachse drehbar gelagerten, mit seiner konzentrisch zu der Leitfläche angeordneten Nabe den Strömungskanal innenseitig be­ grenzenden Laufrad,
• - einem in der Nabe angeordneten Drehantrieb für das Laufrad,
• - die Leitfläche und die Nabe sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintrittskante und Schaufelaus­ trittskante in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strömungskanals konstant bleibt oder sich verringert,
• - die über den Umfang der Nabe vorzugsweise ungleichmä­ ßig verteilten Schaufeln des Laufrads liegen in par­ allel zur Drehachse verlaufenden, entgegen der Dreh­ richtung rückwärts gekrümmten Zylinderflächen,
• - zur weiteren Reduzierung der Geräuschentwicklung ist die Nabe zumindest in ihrem Scheitelbereich parabo­ lisch ausgebildet,
• - zur Erhöhung des Einlaßquerschnitts zwischen den Schaufeln erstrecken sich die Schaufeleintrittskanten axial über die Nabe hinaus zu der Eintrittsöffnung hin,
• - die Ein- und Austrittsöffnung des Strömungskanals be­ sitzen eine gegenseitige radiale Überdeckung.

Damit wird bei kompakter axialer Bauform ein radiales Arbeitsprinzip erreicht. Gegenüber Axiallüftern wird die Ausblasrichtung nur geringfügig verändert, während bei vergleichbarem Volumenstrom eine deutliche Drucker­ höhung erreicht wird. Die besondere Führung des Strö­ mungskanals diagonal durch das Laufrad führt zu einer stetigen Drosselkurve und ermöglicht damit eine Opti­ mierung des Arbeitspunktes über einen weiten Bereich. Insbesondere treten aufgrund der geringen Umfangsge­ schwindigkeitsunterschiede geräuscherzeugende Störungen der Strömung bzw. ein Strömungsabriß erst bei hohen Drücken im oberen Bereich der Drosselkurve ein. Die Sy­ stemkennlinien von PC's liegen üblicherweise nicht in diesem Bereich. In diesem Sinne wirkt sich auch der längere Strömungsweg positiv aus.

Um den Strömungsquerschnitt etwa konstant zu halten, sollte die Leitfläche im Schaufelbereich axial steiler als die Nabe verlaufen. Dabei ist es weiter von Vor­ teil, wenn die Leitfläche im Schaufelbereich im wesent­ lichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwin­ kel zwischen 20° und 60°, vorzugsweise 40° aufweist, und wenn die Nabe im Schaufelbereich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwi­ schen 80° und 110°, vorzugsweise 95° aufweist.

Günstig ist es auch, wenn die Eintrittspartie der Leit­ fläche über einen Einlaufradius nach außen abgerundet ist.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung sind die Schaufelaustrittskante zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöff­ nung des Strömungskanals unter einem spitzen Anstell­ winkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt. Da­ bei sollte gewährleistet sein, daß der Anstellwinkel zwischen 10° und 20°, vorzugsweise 15° beträgt. Damit wird erreicht, daß abströmseitige Verwirbelungen und entsprechend auch die Geräuschentwicklung minimiert werden.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die freien Schaufelendkanten unter Freihaltung eines Tole­ ranzspalts entlang der Leitfläche verlaufen.

Eine weitere aerodynamisch günstige Ausführung sieht vor, daß die Schaufeleintrittskante einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkante aufweist.

Zum Drehantrieb des Laufrads wird vorteilhafterweise ein als Außenläufer ausgebildeter, in einer Ausnehmung der Nabe angeordneter Elektromotor eingesetzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Lüfter für PC-Geräte in einströmseitiger Draufsicht;

Fig. 2 den Lüfter nach Fig. 1 mit vereinfacht kontu­ riert dargestellter Beschaufelung im Axial­ schnitt.

Der in der Zeichnung dargestellte Lüfter besteht im we­ sentlichen aus einem Gehäuse 10, einem darin um eine Drehachse 12 drehbar gelagerten, eine Nabe 14 sowie daran angeformte Schaufeln 16 aufweisenden Laufrad 18 und einem Drehantrieb 20 für das Laufrad 18.

Das Gehäuse 10 umfaßt mit einem Innenmantel als Leit­ fläche 22 einen Strömungskanal 24 an dessen Außenseite, während die konzentrisch zu der Leitfläche 16 angeord­ nete Nabe 14 den Strömungskanal 24 innenseitig be­ grenzt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist die Leitfläche 22 mit Ausnahme ihrer Eintrittspartie 26 die Form eines sich in Durchströmrichtung - in Fig. 2 nach unten - erwei­ ternden Kegelstumpfes auf, wobei der Kegelwinkel etwa 40° beträgt. Die Eintrittspartie 26 ist unter Begren­ zung der Eintrittsöffnung 28 des Strömungskanals 24 über einen Einlaufradius nach außen abgerundet ist. Dieser Radius sollte möglichst groß gehalten werden, um das Entstehen von eintrittsseitigen Turbulenzen zu ver­ meiden. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Leitfläche als abgestumpftes Rotationsparaboloid schwach gekrümmt ist.

Die Nabe 14 ist im Fußbereich 30 der Schaufeln 16 ke­ gelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Kegelwinkel in der gezeigten Ausführungsform 95° beträgt. In ihrem der Eintrittsöffnung 28 zugewandten Scheitelbereich 32 ist die Nabe 14 parabolisch geformt, um Turbulenzen zu ver­ meiden. Denkbar ist es auch, daß die Nabe 14 insgesamt die Form eines Paraboloids aufweist, gegebenenfalls mit abgerundeter Abströmkante. In jedem Fall sollte gewähr­ leistet sein, daß die Leitfläche 22 im Schaufelbereich, also zwischen der Schaufeleintrittskante 34 und der Schaufelaustrittskante 36 eine größere Steigung in Richtung der Drehachse 12 aufweist als die Nabe 14, so daß der Mitteldurchmesser des dort kreisringförmigen Strömungskanals 24 bei konstanter oder geringfügig ab­ nehmender lichter Durchströmfläche sich stetig erwei­ tert. Dabei besteht zwischen Eintrittsöffnung 28 und Austrittsöffnung 38 des Strömungskanals 24 eine radiale Überdeckung, so daß ein Ringbereich 40 axial durchgän­ gig offen ist.

Die Schaufeln 16 sind zur Vermeidung von Resonanzen über den Umfang der Nabe 14 asymmetrisch verteilt und liegen als reine Radialschaufeln in parallel zur Dreh­ achse 12 verlaufenden, entgegen der Drehrichtung (Gegenuhrzeigersinn in Fig. 1) rückwärts gekrümmten Zy­ linderflächen.

Die Schaufeleintrittskanten 34 erstrecken sich axial über den Scheitelbereich 32 der Nabe 14 hinaus zu der Eintrittsöffnung 28 und besitzen einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkanten 42, welche unter Freihaltung eines Toleranzspalts entlang der Leitfläche 22 verlaufen. Zur Geräuschminderung sind die Schaufel­ austrittskanten 36 zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung 38 unter einem spitzen An­ stellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt, wobei der Anstellwinkel in der gezeigten Ausführungs­ form etwa 15° beträgt.

Das gesamte Lüfterrad 18 ist vorzugsweise als einstüc­ kiges Spritzgußformteil aus Kunststoff hergestellt. Da­ bei ist es hinsichtlich der Entformung günstig, daß die Schaufeln 16 in Drehrichtung nicht überlappen.

Der Drehantrieb 20 ist durch einen als Außenläufer aus­ gebildeten Elektromotor gebildet, welcher in einer zy­ lindrischen Ausnehmung 44 der Nabe 14 angeordnet ist. Der Rotor 46 ist dabei fest mit der Nabe 14 verbunden, während über Wälzlager 48 auf der Rotorwelle 50 sitzen­ de Stator 52 mittels Ringflansch 54 und davon radial abstehenden Rahmenstegen 56 austrittsseitig gehäusefest befestigt ist.

Claims (10)

1. Lüfter insbesondere zur Belüftung von elektroni­ schen Geräten wie Personalcomputern mit folgenden Merkmalen:

• a) einem einen Strömungskanal (24) außenseitig durch eine Leitfläche (22) begrenzenden Lüf­ tergehäuse (10),
• b) einem in dem Lüftergehäuse (10) um eine Dreh­ achse (12) drehbar gelagerten, mit seiner konzentrisch zu der Leitfläche (22) angeord­ neten Nabe (14) den Strömungskanal (24) in­ nenseitig begrenzenden Laufrad (18),
• c) einem in der Nabe (14) angeordneten Drehan­ trieb (20) für das Laufrad (18),
• d) die Leitfläche (22) und die Nabe (14) sind im Schaufelbereich zwischen Schaufeleintritts­ kante (34) und Schaufelaustrittskante (36) in Durchströmrichtung gesehen konisch oder schwach gekrümmt sich erweiternd ausgebildet, wobei die lichte Durchströmfläche des Strö­ mungskanals (24) konstant bleibt oder sich verringert,
• e) die über den Umfang der Nabe (14) vorzugswei­ se ungleichmäßig verteilten Schaufeln (16) des Laufrads (18) liegen in parallel zur Drehachse (12) verlaufenden, entgegen der Drehrichtung rückwärts gekrümmten Zylinder­ flächen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Nabe (14) zumindest in ihrem Scheitelbe­ reich (32) parabolisch ausgebildet ist,
• b) die Schaufeleintrittskanten (34) sich axial über die Nabe (14) hinaus zu der Eintritts­ öffnung (28) hin erstrecken, und
• c) die Ein- und Austrittsöffnung (28, 38) des Strömungskanals (24) eine gegenseitige radia­ le Überdeckung (40) besitzen.

2. Lüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (22) im Schaufelbereich axial steiler als die Nabe (14) verläuft.

3. Lüfter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitfläche (22) im Schaufelbe­ reich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 20° und 60°, vor­ zugsweise 40° aufweist.

4. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (14) im Schaufelbe­ reich im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel zwischen 80° und 110°, vor­ zugsweise 95° aufweist.

5. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittspartie (26) der Leitfläche (22) über einen Einlaufradius nach au­ ßen abgerundet ist.

6. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelaustrittskanten (36) zum Schaufelende hin gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung (38) des Strömungskanals (24) un­ ter einem spitzen Anstellwinkel entgegen der Durchströmrichtung angestellt sind.

7. Lüfter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel zwischen 10° und 20°, vor­ zugsweise 15° beträgt.

8. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Schaufelendkanten (42) unter Freihaltung eines Toleranzspalts ent­ lang der Leitfläche (22) verlaufen.

9. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeleintrittskanten (34) einen Rundungsradius von 1% bis 4% sowie eine Profildicke von 2% bis 8% der Länge der freien Schaufelendkanten (42) aufweisen.

10. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (20) durch ei­ nen als Außenläufer ausgebildeten, in einer Aus­ nehmung (44) der Nabe (14) angeordneten Elektromo­ tor gebildet ist.