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Die
Erfindung betrifft ein Gebläse
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren
zur Verhinderung einer Rezirkulationsströmung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 13.
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Axialgebläse werden
als Kühlgebläse zur Kühlung der
Brennkraftmaschine bei Kraftfahrzeugen verwendet. Sie bestehen aus
einem Laufrad mit Axialbeschaufelung, welches von einem Elektromotor
oder der Brennkraftmaschine angetrieben wird, und einer Luftleiteinrichtung,
einer so genannten Lüfterhaube
oder Lüfterzarge,
welche einen Zargenring aufweist, in welchem der Axiallüfter umläuft. Heutige Axiallüfter sind
vielfach als Mantellüfter
ausgebildet, d. h. sie weisen einen an den Schaufelspitzen befestigten
Mantel auf, welcher in dem Zargenring der Lüfterzarge umläuft, wobei
zwischen Mantel und Zargenring ein Ring- bzw. Radialspalt gebildet
wird. Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem besteht in der
Rezirkulation der aus dem Lüfter
austretenden Luft, welche ein höheres
Druckniveau als die in den Lüfter
eintretende Luft aufweist. Daher strömt ein Teil der austretenden
Luft infolge des Druckgefälles durch
den Radialspalt zurück
in den Ansaugbereich. Aufgrund dieser Verlustleistung wird die Lüfter- und die
Kühlleistung
reduziert.
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Durch
die
EP 0 746 689 B1 wurde
ein Axialgebläse,
bestehend aus einem Mantellüfter
und einer Lüfterzarge
mit Zargenring, bekannt, wobei auf der Innenseite des Zargenringes
feste Schaufeln angeordnet sind, welche sich in axialer und radialer
Richtung erstrecken. Die Schaufeln sind einerseits im Bereich des
Lüftermantels
am Zargenring angeordnet, andererseits auch in Strömungsrichtung
vor oder hinter dem Lüftermantel.
Durch die Schaufeln soll erreicht werden, dass der Drall (Umfangskomponente) in
der Rezirkulationsströmung
beseitigt bzw. reduziert wird. Insofern wirken die bekannten Schaufeln als
axialer „Gleichrichter" für die Rezirkulationsströmung. Die
axiale Komponente der Rezirkulationsströmung wird damit nicht unterbunden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Axialgebläse der eingangs
genannten Art hinsichtlich seines Wirkungsgrades zu verbessern,
insbesondere eine Rezirkulation zu vermeiden oder zumindest deutlich
zu verringern.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß weist
der Leitring der Luftleiteinrichtung ein in den Radialspalt hineinragendes Innenprofil
auf, welches durch abwechselnd auf dem Umfang angeordnete Zähne und
Taschen (Zahnlücken)
gebildet wird. Das erfindungsgemäße Innenprofil
bildet mit der glatten Außenfläche des
Lüftermantels
einen umlaufenden Spalt, in welchen rezirkulierende Luft, d. h.
ein Teil der aus dem Lüfter
austretenden Luftströmung
eintritt. Dabei werden infolge der Relativbewegung zwischen Mantel
und ortsfestem Zargenring in den Taschen Wirbel gebildet, welche
die Rezirkulationsströmung
in axialer Richtung verzögern
bzw. abbremsen. Eine Durchströmung
des Spaltes zwischen Mantel und Zargenring wird dadurch unterbunden
bzw. stark reduziert. Daraus ergibt sich ein höherer Lüfterwirkungsgrad und bei Verwendung
als Kühlgebläse – eine höhere Kühlleistung.
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Das
Profil der Zähne
und Taschen kann unterschiedlich ausgebildet sein: eine bevorzugte
Ausführungsform
sieht ein Sägezahnprofil
für die
Zähne bzw.
Taschen vor, wobei der Sägezahn
durch eine steile, etwa in radialer Richtung verlaufende Flanke und
eine flache, mehr in tangentialer Richtung verlaufende Flanke gekennzeichnet
ist. Vor der steilen Flanke staut sich die Luft, welche von der
Oberfläche des
rotierenden Mantels mitgerissen wird. Dadurch entsteht eine Rotationsbewegung,
welche zur Ausbildung eines oder mehrerer Wirbel in der benachbarten
Tasche (Zahnlücke)
führt.
Die Wirbel „verstopfen" somit den axialen
Durchgang des Spaltes, sie wirken als Dichtung gegen einen Leckagestrom.
Die steile Flanke des Sägezahnes
kann der Drehrichtung des Mantels zu- oder abgewandt sein. Daraus
ergeben sich unterschiedlich stark ausgeprägte Wirbel bzw. eine unterschiedliche
Bremswirkung für
die Rezirkulationsströmung
in axialer Richtung.
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Während das
Sägezahnprofil
ein asymmetrisches Profil darstellt (bezogen auf eine Radialebene),
sind erfindungsgemäß auch symmetrische Zahnprofile,
z. B. Dreiecksprofile (gleichschenkliges Dreieck) vorteilhaft, wobei
die Taschen zwischen den Dreiecksprofilen trapezförmig oder
rund ausgebildet sein können.
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Ferner
kann der Kopf der Zahnprofile, der so genannte Zahnkopf, spitz oder
abgeflacht ausgebildet sein, z. B. trapezförmig oder parallelogrammförmig.
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Eine
bevorzugte symmetrische, abgeflachte Zahnform ist durch ein Schwalbenschwanzprofil
gekennzeichnet: in diesem Falle sind die entstehenden Wirbel in
einer Tasche mit schwalbenschwanzförmigen Profil gefangen.
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Das
erfindungsgemäße Zahnprofil
am Zargenring lässt
sich relativ einfach herstellen, insbesondere als Kunststoffspritzteil,
welches leicht in axialer Richtung entformbar ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruches 13 gelöst.
Erfindungsgemäß werden
in dem Ringspalt zwischen rotierendem Mantel und festem Leit- bzw.
Zargenring Wirbel erzeugt, deren Drehrichtung senkrecht zu einer
axial gerichteten Rezirkulationsströmung verläuft. Dadurch wird in dem Ringspalt eine
Dichtwirkung erzeugt, welche die Rezirkulationsströmung verhindert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
Teilschnitt durch einen Mantellüfter
und eine Lüfterzarge,
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2 eine
Spaltgeometrie als Teilschnitt in der Ebene X-X in 1,
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3 die
Spaltgeometrie zwischen Lüfterzarge
und Mantel mit Wirbeln,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem abgewandelten Sägezahnprofil,
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5 eine
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Dreiecksprofil,
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6 ein
abgewandeltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem weiteren Sägezahnprofil,
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7 eine
Darstellung der Wirbel bei einem Sägezahnprofil gemäß 4,
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8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Trapezprofil,
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9 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Parallelogrammprofil,
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10 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem abgeflachten Zahnprofil und runden Taschen,
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11 die
Darstellung der Wirbelbildung bei einem Trapezprofil gemäß 8,
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12 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
ein abgewandeltes Sägezahnprofil
und
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13 eine
weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Schwalbenschwanzprofil.
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1 zeigt
einen halben Axialschnitt durch eine als Lüfterzarge 1 ausgebildete
Luftleiteinrichtung mit einem zylindrisch ausgebildeten Zargenring 2.
Innerhalb der Lüfterzarge 1,
insbesondere innerhalb des Zargenringes 2 ist ein als Mantellüfter 3 ausgebildeter
Axiallüfter
angeordnet, welcher von einem nicht dargestellten Motor, z. B. einem
Elektromotor angetrieben wird und im Zargenring 2 umläuft. Der Axiallüfter 3 weist
eine Axialbeschaufelung 4 und einen ringförmigen Mantel 5 auf,
welcher mit den Spitzen der Axialschaufeln 4 einstückig verbunden
ist, d. h. der Axiallüfter 3 ist
als Kunststoffspritzteil ausgebildet. Der Mantel 5 weist
einen zylindrischen Teil 5a auf, welcher in dem zylindrischen
Zargenring 2 umläuft,
und einen glockenförmig
ausgebildeten Einlaufbereich 5b. Die Luft strömt in Richtung
eines Pfeils L in den Axiallüfter 3.
An den zylindrischen Zargenring 2 schließt sich
ein zylindri scher Ring 6 geringeren Durchmessers an, über welchen
die durch den Lüfter 3 geförderte Luft
aus der Zarge 1 austritt. Der Lüfter 3, die Zarge 1 und
der nicht dargestellte Antrieb bilden ein Axialgebläse, welches
z. B. als Kühlgebläse bei Kraftfahrzeugen
zur Kühlung
eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann. Das Gebläse befindet
sich dann hinter einem oder mehreren Wärmeübertragern, einem so genannten
Kühlmodul,
und zieht Kühlluft
durch die Wärmeübertrager.
Der Zargenring 2 bildet mit dem Lüftermantel 5 einen
Ringspalt s, in welchem sich aufgrund des Druckgefälles zwischen
Lüfteraustritts-
und Lüftereintrittsseite
eine Rezirkulationsströmung
ausbilden kann. Auf dem Innenumfang des Zargenringes 2 ist
ein als Zahnprofil ausgebildetes Innenprofil 7 angeordnet,
welches im Folgenden anhand von Schnitten in der Ebene X-X näher dargestellt
und erläutert
wird.
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2 zeigt
einen Teilschnitt in der Ebene X-X in 1, d. h.
die Ausbildung des Ringspaltes s, welcher einerseits durch eine
glatte zylindrische Außenfläche 5c des
Mantels 5 und andererseits durch das sägezahnförmig ausgebildete Innenprofil 7 auf dem
Innenumfang des Zargenringes 2 gebildet wird. Die Drehrichtung
des Lüfterrades 3 ist
durch einen Pfeil D dargestellt, der Zargenring 2 ist ortsfest,
beispielsweise in einem Kraftfahrzeug fahrzeug- oder motorseitig befestigt.
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3 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
der Spaltgeometrie gemäß 2,
d. h. mit dem Innenprofil 7, welches durch einen Sägezahn 8 gekennzeichnet
ist. Das Profil des Sägezahnes 8 weist
eine steile Flanke 8a auf, welche etwa in einer Radialebene
E liegt, sowie eine flache Flanke 8b, welche sich im Wesentlichen
in tangentialer Richtung erstreckt. Die Spitzen der Sägezähne 8 liegen
auf einem Zahnkopfdurchmesser Dz, welcher
strichpunktiert eingezeichnet ist. Der Außendurchmesser des Mantels 5, d.
h. dessen Umfanges 5c ist mit Da gekennzeichnet. Zwischen
dem Zahnkopfdurchmesser Dz und dem Außendurchmesser
Da verbleibt somit ein Minimalspalt s0, der im Wesentlichen fertigungsbedingt
ist. Durch die Geometrie und Anordnung der Sägezähne 8 werden Taschen 9 gebildet,
in welchen sich Luftwirbel 10, 11, dargestellt
durch kreisförmige
Pfeile ausbilden. Der Mantel 5 des Lüfters dreht in Richtung des
Pfeiles D und reißt
mit seiner Oberfläche 5c durch
den Spalt s strömende
Luft in Drehrichtung D mit. Diese Luft wird an der steilen Flanke 8a des
Sägezahnprofils 8 gestaut
und somit in eine Rotationsbewegung versetzt, welche zur Ausbildung
der Wirbel 10, 11 führt. Aufgrund der ständigen Energiezufuhr
durch den rotierenden Mantel 5 bilden sich stehende Wirbel 10, 11 in
den Taschen 9 aus, die ähnlich
wie eine Dichtung wirken und somit eine axial (senkrecht zur Zeichenebene)
gerichtete Rezirkulationsströmung
unterbinden.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
das Innenprofil 7, welches hier als modifizierter Sägezahn 12 ausgebildet
ist. Das Profil des Sägezahnes 12 ist
durch eine steile Flanke 12a, etwa in einer Radialebene
verlaufend, und durch eine geneigte Flanke 12b gekennzeichnet,
welche in einen etwa in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt,
einen Nutgrund 12c, übergeht.
Durch die Flächen 12a, 12b, 12c wird
eine Tasche 13 gebildet, in welcher sich – wie in 7 dargestellt – Wirbel
ausbilden. Die Taschen 13 bilden in Axialrichtung durchgehende
Nuten.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
das Innenprofil 7, welches durch ein symmetrisches Zahnprofil 14 in
Verbindung mit in Axialrichtung durchgehenden Taschen 15 gebildet wird.
Das Zahnprofil 14 weist ein Dreiecksprofil mit symmetrisch
angeordneten Flanken 14a, 14b auf, welche jeweils
in einen etwa in Umfangsrichtung verlaufenden Bereich, einen Nutgrund 14c, übergehen. Dieses
symmetrische Profil 14 ist somit drehrichtungsunabhängig, die
Stauwirkung der Luft ist hier weniger stark ausgebildet.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
das Innenprofil 7 in Form eines abgeflachten Sägezahnprofils 16.
Das Profil 16 weist einen abgeflachten Zahnkopf 16a,
eine steile Flanke 16b und eine flache Flanke 16c auf,
welche in einen Nutgrund 16d übergeht. Somit werden Taschen 17 gebildet.
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7 zeigt
die Wirbelbildung für
das in 4 dargestellte Sägezahnprofil 12, bei
dem sich in den Taschen 13 Wirbel 17, 18 unterschiedlicher
Größe ausbilden,
welche als kreisförmige
Pfeile dargestellt sind. Die Rotationsbewegung der Wirbel 17, 18 verläuft im Uhrzeigersinn,
während
die Drehrich tung des Mantels 5 entsprechend dem Richtungspfeil
D linksdrehend ist (mit Blick auf die Zeichenebene). Die Rotationsbewegung
der Wirbel 17, 18 ist somit senkrecht zu einer
axial gerichteten Rezirkulationsströmung gerichtet, woraus sich
die oben erwähnte Dicht-
bzw. Bremswirkung ergibt.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
das Innenprofil 7 mit einem trapezförmig ausgebildeten Zahnprofil 19,
zwischen welchen Taschen 20 (Zahnlücken) angeordnet sind. Das Trapezprofil 19 ist
hier symmetrisch ausgebildet und weist einen flachen Zahnkopf 19a sowie
zwei symmetrische Flanken 19b, 19c auf. Die Taschen 20 werden
nach außen
durch einen Nutgrund 19d zwischen den Flanken 19b, 19c begrenzt.
Die Ausbildung der Wirbel für
das Trapezprofil 19 ist in 11 dargestellt.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
das Innenprofil 7 in Form eines Zahnprofils 21,
welches als Parallelogramm ausgebildet und somit asymmetrisch in
Bezug auf eine Radialebene ist. Zwischen den Zahnprofilen 21 sind
Taschen 22 gebildet. Das Parallelogrammprofil 21 weist einen
abgeflachten Zahnkopf 21a und zwei parallel zueinander
angeordnete Flanken 21b, 21c auf, zwischen welchen
sich ein Nutgrund 21d erstreckt.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
das Innenprofil 7 mit einem abgeflachten Zahnprofil 23 und
gerundeten, d. h. etwa halbkreisförmig ausgebildeten Taschen 24.
Von einem abgeflachten Zahnkopf 23a gehen jeweils kreisförmig konkav
ausgebildete Flanken 23a, 23b ab, welche die halbkreisförmigen Taschen 24 bilden.
In der Tasche 24 kann sich ein stehender Wirbel ausbilden.
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11 zeigt
eine Darstellung der Wirbelbildung für das Innenprofil 7 gemäß 8,
d. h. mit trapezförmig
ausgebildetem Zahnprofil 19 und entsprechenden Taschen 20.
Aufgrund der symmetrischen Geometrien des Zahnprofils 19 und
der Taschen 20 bilden sich zwei gleiche rechts drehende
Wirbel 25, 26 in der Tasche 20 aus.
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12 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
das Innenprofil 7 in Form eines abgewandelten Sägezahnprofils 27 mit
Taschen 28.
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Das
Sägezahnprofil 27 ist
asymmetrisch ausgebildet und weist einen leicht abgeflachten Zahnkopf 27a sowie
eine kurze, relativ steile Flanke 27b und eine längere, weniger
steile Flanke 27c auf. An beide Flanken 27b, 27c schließt sich
ein in Umfangsrichtung verlaufender Nutgrund 27d an.
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13 zeigt
ein letztes Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
das Innenprofil 7 in Form eines Schwalbenschwanzprofils 29 mit
entsprechenden Taschen 30. Das Schwalbenschwanzprofil 29 und auch
die Taschen 30 sind symmetrisch ausgebildet. An einen flachen
Zahnkopf 29a schließen
sich zwei aufeinander zulaufende Flanken 29b, 29c an,
welche auf einen Nutgrund 29d treffen.
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Weitere
Ausführungsformen,
welche ebenfalls die erfindungsgemäße Wirbelbildung bewirken, sind
möglich.
Wesentliches, allen vorgenannten Ausführungsformen gemeinsames Merkmal
ist eine relativ scharfe Kante im Bereich des Zahnkopfes, welche eine
Teilung der tangential gerichteten Strömung bewirkt. Die Taschen verlaufen
wie die Zahnprofile in Längsrichtung
(achsparallel) und bilden somit Längsnuten, in welchen sich die
Wirbel ausbilden. Das erfindungsgemäße Innenprofil des Zargenringes
stellt somit quasi eine Innenverzahnung dar, wobei weitere Zahn-
und Taschenformen denkbar sind.