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Die
Erfindung betrifft einen Lüfter.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Lüfterrad in einem Lüfter zum
Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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In
Lüftungs-
oder Klimagebläsen
werden häufig
Lüfter
mit halbaxialen Lüfterrädern verwendet, die
gegenüber
rein axialen und rein radialen Lüfterrädern einen
höheren
Wirkungsgrad aufweisen können.
Ein halbaxiales Lüfterrad
stellt eine Kombination aus einem axialen und einem radialen Lüfterrad
dar. Ein axialer Abschnitt des Lüfterrades
saugt die zu fördernde
Luft nach Art eines Propellers aus einer parallel zur Drehachse
liegenden Richtung an. Ein radialer Abschnitt des Lüfterrades
strömt
die bereits angesaugte Luft nach Art einer Zentrifuge in radialer Richtung
ab.
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Um
Luft, welche den axialen Abschnitt eines halbaxialen Lüfterrades
passiert hat, zum radialen Abschnitt umzulenken, ist im Bereich
zwischen den beiden Abschnitten ein Ablenkelement angebracht. Das
Ablenkelement ist gewöhnlich
an einem Lüftermotor
befestigt und kann zum Beispiel kegelige Form haben. Die sich in
radialer Richtung erstreckenden Abströmschaufeln des axialen Teils
des halbaxialen Lüfterrades
liegen an dem feststehenden Ablenkelement nicht an, um Reibungsverluste
und eine Geräuschentwicklung
zu minimieren. Durch den hierdurch bedingten Spalt zwischen den
Enden der Abströmschaufeln
und dem Ablenkelement entweicht ein gewisser Anteil der angesaugten
Luft, statt ausschließlich
zwischen Abströmschaufeln
hindurch das Lüfterrad
in radialer Richtung zu verlassen. Der Wirkungsgrad eines solchen
halbaxialen Lüfterrades
bleibt daher unter einem möglichen
Maximum zurück.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lüfterrad
anzugeben, das diesen Nachteil überwindet
und darüber
hinaus leicht herzustellen ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen Lüfter mit
Lüfterrad
nach Anspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 10. Unteransprüche geben vorteilhafte
bzw. mögliche
zusätzliche
Merkmale an.
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Nach
einem ersten Aspekt umfasst ein Lüfterrad eines Lüfters Saugschaufeln
mit einer Eintrittskante, die einer axialen Einlassrichtung des
Lüfterrades
zugewandt ist, und Abströmschaufeln
mit einer Abströmkante,
die einer radialen Auslassrichtung des Lüfterrades zugewandt ist, sowie
ein Ablenkelement zum Ablenken von Luft von einem Wirkbereich der
Saugschaufeln zu einem Wirkbereich der Abströmschaufeln, wobei das Ablenkelement
mit wenigstens einer Abströmschaufel
form- und/oder kraftschlüssig
verbunden ist.
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Im
Unterschied zu bekannten halbaxialen Lüfterrädern folgt das Ablenkelement
der Drehbewegung des Lüfterrades
bezüglich
eines Lüftermotors. Die
Verbindung des Ablenkelementes mit wenigstens einer Abströmschaufel
erlaubt es, einen Spalt zwischen der Abströmschaufel und dem Ablenkelement zu
eliminieren, und so dafür
zu sorgen, dass die abgeströmte
Luft beim Abströmen
die gewünschte Richtung
und Geschwindigkeit aufgeprägt
erhält.
Insbesondere können
mehrere oder alle Abströmschaufeln
mit dem Ablenkelement verbunden sein, so dass alle abgeströmte Luft
zwischen Abströmschaufeln passieren
muss.
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Wenigstens
eine der Saugschaufeln kann einstückig mit einer Abströmschaufel
ausgebildet sein. In einer Ausführungsform
kann eine kombinierte Saug- und Abströmschaufel einen Saugabschnitt und
einen Abströmabschnitt
aufweisen. Eine der Begrenzungsflächen der kombinierten kombinierte Saug-
und Abströmschaufel
kann teilweise oder auf voller Länge
am Ablenkelement anliegen. Die Zahl der Abströmschaufeln kann auch größer oder
kleiner als die Zahl der Saugschaufeln sein. Beispielsweise können zusätzlich zu
kombinierten Saug- und Abströmschaufeln
weitere diskrete Abströmschaufeln im
Lüfterrad
ausgebildet sein. In einer Ausführungsform
umfasst das Lüfterrad
doppelt so viele Abströmschaufeln wie
kombinierte Luftschaufeln. In entsprechender Weise kann auch die
Zahl der Saugschaufeln die Zahl der Abströmschaufeln übersteigen.
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Das
Ablenkelement kann mittels einer Passverbindung mit der Abströmschaufel
verbunden sein. Dies ist vor allem bei einer Fertigung von Lüfterrädern in
großen
Stückzahlen
vorteilhaft, wo durch einen einfachen Arbeitsschritt eine form-
bzw. kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Ablenkelement und den Abströmschaufeln
geschaffen werden soll. Die Passverbindung kann beispielsweise Zapfen
und zu diesen korrespondierende Aussparungen aufweisen. Alternativ
dazu kann beispielsweise das Ablenkelement eine umlaufende Kante
aufweisen, in die mehrere Abströmschaufeln
eingreifen. Es sind auch andere form- bzw. kraftschlüssige Verbindungen
zwischen dem Ablenkelement und den Abströmschaufeln möglich, beispielsweise
Einrasten, Verkleben, Vernieten, Verschrauben, Verschweißen, Verlöten, Verkeilen
oder Verstemmen.
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Die
Saugschaufeln und die Abströmschaufeln
können
ein einstückiges
Element des Lüfterrads bilden.
Ein solches einstückiges
Element kann zusätzlich
eine Nabe und/oder Versteifungselemente aufweisen, die einem Umfang
oder einer Umfangskontur des Lüfterrades
folgen. In einer Ausführungsform
umfasst das Versteifungselement einen hohlzylindrischen Abschnitt,
der die Saugschaufeln in radialer Richtung nach außen begrenzt.
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Das
einstückige
Element kann bezüglich
einer zur Drehachse radialsymmetrischen Teilungsfläche hinterschneidungsfrei
sein. Beispielsweise kann das einstückige Element in einem Guss-
oder Spritzgussverfahren in einer Dauerform herstellbar sein, die
entlang der Teilungsfläche
teilbar ist, so dass das einstückige
Element aus der Dauerform entformbar ist. Die Teilungsfläche kann
ein Abschnitt einer senkrecht auf der Drehachse stehenden Ebene
sein. Durch die Wahl einer zur Drehachse radialsymmetrischen Teilungsfläche kann
das einstöckige
Element vorteilhaft so ausgebildet sein, dass weder Saugschaufeln
noch Abströmschaufeln
beim Entformen aus der Dauerform hinderlich sind. Auch eventuelle, das
Lüfterrad
versteifende Strukturen, wie beispielsweise die Nabe oder die Versteifungsfläche, sind
so ausgeformt, dass sie das Entformen nicht behindern. Dadurch lässt sich
zur Produktion hoher Stückzahlen von
Lüfterrädern eine
Dauerform verwenden, die lediglich zwei Teile und keine Schieber
umfasst.
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Der
Lüfter
kann ferner einen Lüftermotor
mit einer das Lüfterrad
lagernden Achse umfassen, wobei ein Antriebsmoment mittels des Ablenkelements vom
Lüftermotor
an das Lüfterrad übertragen
wird. Das Lüfterrad
kann beispielsweise an die Achse oder eine nabenseitige Aufnahme
der Achse angespritzt sein. Die Achse kann mit einem Stator oder
einem Rotor des Lüftermotors
verbunden sein, wobei die Achse einseitig oder zweiseitig drehbar
gelagert sein kann. Insbesondere kann die Achse dazu eingerichtet
sein, Scher-, Biege-, Zug- und/oder Schubkräfte zwischen dem Lüfterrad
und dem Stator oder Rotor des Lüftermotors
zu übertragen,
ohne an einer Übertragung
des Antriebsmoments vom Lüftermotor
zum Lüfterrad
beteiligt zu sein. Durch Einleiten des Antriebsmoments in das Lüfterrad
mittels des Ablenkelements muss das Antriebsmoment nicht mittels
der Saugschaufeln an die Abströmschaufeln übertragen werden,
weshalb die Saugschaufeln auf Strömungsgünstigkeit optimiert geformt
sein können,
ohne durch Festigkeitserfordernisse beeinflusst zu sein.
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Der
Lüftermotor
kann einen mit dem Ablenkelement kraftschlüssig verbundenen Außenrotor
(Außenläufer) umfassen.
Durch die Bauform des Außenläufers kann
das Antriebsmoment in relativ großem radialen Abstand von der
Drehachse in das Ablenkelement eingebracht werden, wo die Hebelkräfte gering
sind, wodurch eine strukturelle Belastung für das Ablenkelement gering
gehalten ist. Zusätzlich
kann ein vom Außenrotor
umschlossener Stator des Lüftermotors
einen Raum auf der dem Lüfterrad
abgewandten Seite des Ablenkelements optimal ausfüllen, so
dass der Lüfter
besonders kompakt aufgebaut sein kann.
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Der
Außenrotor
kann einen oder mehrere Permanentmagneten umfassen. Durch die relativ große Masse
des Permanentmagneten in einem relativ großen Abstand zur Drehachse des
Lüfterrades ist
die Rotationsträgheit
des Lüfterrades
hoch, wodurch die Rotation des Lüfterrades
beim Antrieb durch den Lüftermotor
gedämpft
und dadurch gleichförmiger
wird. So können
Geräuschentwicklungen beim
Antrieb des Lüfterrades
durch alternierend aktivierte Wicklungen des Stators minimiert werden.
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Nach
einem zweiten Aspekt umfasst ein Kraftfahrzeug einen Lüfter mit
dem oben beschriebenen Lüfterrad.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Lüfteranlage
in einem Kraftfahrzeug;
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2 eine
seitliche Schnittansicht durch einen Lüfter mit Lüfterrad zum Einsatz in der
Lüfteranlage
aus 1, und
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3 eine
isometrische Ansicht eines Teils des Lüfterrades aus 2
darstellt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Lüfteranlage 100.
Ein Kraftfahrzeug 110 umfasst einen Ansaugtrakt 120,
einen Lüfter 130 und
einen Verteiltrakt 140. Der Lüfter 130 umfasst ein
Lüfterrad 150 und
einen Lüftermotor 160.
In der Darstellung von 1 nicht enthalten sind optionale
Elemente der Kraftfahrzeug-Lüfteranlage 100, wie
Filter, Klappen, Ventile, Wärmetauscher,
Kondensatoren und weitere Elemente, die hier nicht weiter von Bedeutung
sind. Der Lüftermotor 160 versetzt das
Lüfterrad 150 in
Drehung, so dass Luft von einer Außenseite des Kraftfahrzeugs 110 durch
den Ansaugtrakt 120 in das Lüfterrad 150 eingesogen
und anschließend
durch den Verteiltrakt 140 auf die Innenseite des Kraftfahrzeugs 140 gefördert wird.
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Häufig sind
der Ansaugtrakt 120 und der Verteiltrakt 140 in
einem gemeinsamen Trakt integriert ausgeführt. Der Lüfter 130 kann nach
Art einer Kartusche in den Ansaugtrakt 120, den Verteiltrakt 140 oder
den gemeinsamen Trakt einsetzbar sein. In der Umgebung des Lüfters 130 kann
der Trakt ein Element aufweisen, das eine radiale Strömungsrichtung von
aus dem Lüfterrad 150 abgeströmter Luft
in eine lineare Strömungsrichtung
umsetzen, beispielsweise eine Druckerhöhungsspirale, die zudem die
abgeströmte
Luft verdichtet.
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2 zeigt
den Lüfter 130 aus 1 in
einer seitlichen Schnittansicht. Der Lüfter 130 umfasst das Lüfterrad 150 und
den Lüftermotor 160,
die mittels einer Achse 300 miteinander verbunden sind.
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Das
Lüfterrad 150 umfasst
Saugschaufeln 210 mit Eintrittskanten 220 und
Abströmschaufeln 230 mit
Abströmkanten 240.
Die Saugschaufeln 210 erstrecken sich von einer Nabe 250 des
Lüfterrads radial
nach außen
zu einer Versteifungsfläche 260 des
Lüfterrads 150,
die einem Teil der Umfangskontur des Lüfterrads 150 folgt.
Die Saugschaufeln 210 sind derart ausgeformt, dass bei
Rotation des Lüfterrades 150 Luft
in axialer Richtung von unten eingesaugt wird. Die Saugschaufeln 210 gehen
in Abströmschaufeln 230 über, die
entlang der Versteifungsfläche 260 in
Rotationsrichtung angeordnet sind. Die Abströmschaufeln 230 beschleunigen, wenn
das Lüfterrad 150 in
Drehung versetzt ist, Luft, die die Saugschaufeln 210 in
axialer Richtung passiert hat, in Umfangsrichtung, so dass die beschleunigte
Luft aufgrund einer Zentrifugalwirkung in radialer Richtung an den
Abströmkanten 240 abgeströmt wird.
Im Bereich der Abströmkanten 240 können die Abströmschaufeln 230 zum
verbesserten Abströmen sichelförmig gebogen
sein.
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Die
integriert ausgebildeten Saug-/Abströmschaufeln 210, 230 grenzen
oben an ein Ablenkelement 270. Das Ablenkelement 270 ist
im Bereich der Nabe 250 ringförmig ausgebildet und mittels
einer Passverbindung mit den Schaufeln 210, 230 bzw.
mit der Nabe 250 verbunden. Zusätzlich tragen die zwei in dieser
Ansicht sichtbaren Abströmschaufeln 230 im
Bereich ihrer Abströmkanten 240 Langlöcher 290, in
die korrespondierenden Zapfen 280 der Ablenkeinrichtung 270 eingepasst,
wodurch eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Ablenkelement 270 und den Abströmschaufeln 280 hergestellt
ist.
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Der
Lüftermotor 160 umfasst
einen Stator 310 und einen Außenrotor 320 mit einem
Permanentmagnet 330. Der Außenrotor 320 ist einstückig mit dem
Ablenkelement 270 ausgebildet und nimmt den Permanentmagnet 330 auf.
Der Permanentmagnet 330 kann in den Außenrotor 320 eingepasst,
eingepresst und/oder eingeklebt sein. Ein zwischen dem Stator 310 und
dem Permanentmagnet 330 bestehendes Drehmoment wird mittels
des Außenrotors 320 unmittelbar
an das Ablenkelement 270 und von dort in die Abströmschaufeln 230 eingeleitet,
so dass das Lüfterrad 150 um
den Stator 160 angetrieben wird. Der Stator 310 ist
drehstabil mit einer umgebenden Struktur verbindbar, um den Lüfter 130 beispielsweise
im Ansaugtrakt 120 und/oder im Verteiltrakt 140 zu
befestigen.
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Die
Achse 300 ist drehfest mit der Nabe 250 und mit
dem Ablenkelement 270 verbunden. Diese Verbindung kann
beispielsweise durch Schweißen, Kleben,
Pressen, Rasten oder durch eine Passverbindung hergestellt sein;
die Nabe 250 kann an die Achse 300 auch angespritzt
oder angegossen sein. An ihrer oberen Seite ist die Achse 300 am
Stator 310 des Lüftermotors 160 drehbar
gelagert. Die Achse 300 stellt eine Fixierung des Lüftermotors 160 bezüglich des
Lüfterrades 150 in
axialer Richtung sicher. Zusätzlich überträgt die Achse 300 Kipp-,
Biege- und Scherkräfte
zwischen dem Lüfterrad 150 und
dem Stator 310 des Lüftermotors 160.
Durch die drehbare Lagerung im Stator 310 überträgt die Achse 300 jedoch
kein Drehmoment und insbesondere kein Antriebsmoment vom Lüftermotor 160 zum
Lüfterrad 150.
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3 zeigt
ein einstückiges
Element 340 als Bestandteil des Lüfterrades 150 aus 2.
Das Element 340 umfasst die Nabe 250, die Versteifungsfläche 260,
sowie eine Anzahl von Abströmschaufeln 230 und
eine Anzahl von Saugschaufeln 210, wobei von letzteren
in der gewählten
Darstellung nur ein Abschnitt sichtbar ist. Die Saugschaufeln 210 gehen in
einen Teil der Abströmschaufeln 230 über; die
integrierten Saug-/Abströmschaufeln 210/230 erstrecken sich
zwischen der Nabe 250 und der Versteifungsfläche 260.
Zwischen je zwei mit Saugschaufeln 210 integrierten Abströmschaufeln 230 ist
eine weitere Abströmschaufel 230 ausgebildet,
die sich in radialer Richtung nicht bis zur Nabe 250 erstreckt.
Diejenigen Abströmschaufeln 230,
die integriert mit Saugschaufeln 210 ausgebildet sind,
tragen Langlöcher 290 zur Aufnahme
von Zapfen 280, die am Ablenkelement 270 aus 2 ausgebildet
sind, zur Herstellung einer Passverbindung zwischen dem Ablenkelement 270 und
den Abströmschaufeln 230 Das
einstückige
Element 340 ist derart aufgebaut, dass es leicht in einem Guss- oder Spritzgussverfahren
hergestellt und anschließend
unproblematisch aus der Gussform bzw. Spritzgussform entformt werden
kann. Eine Dauerform zur Herstellung des integrierten Formteils 240 kann
einen oberen und einen unteren Abschnitt umfassen, wobei eine Trennungsfläche zwischen
den Abschnitten in einer radialen Ebene des Elements 340 verlaufen
oder wenigstens abschnittsweise der oberen Kontur der Schaufeln 210/230 folgen
kann.
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Zur
Herstellung des Lüfterrades 150 kann das
Ablenkelement 270 aus 2 in einem
einfachen Arbeitsgang mit dem einstückigen Element 340 verbunden
werden. Durch die Passverbindung im Bereich der Zapfen 280 und
Langlöcher 290 bzw.
im Bereich der Nabe 250 kann das Ablenkelement 270 mit
dem einstückigen
Element 340 schnell und dauerhaft verbunden werden.
