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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Axial-Zentrifugalventilator für die Zirkulation eines Gases, mit einer im wesentlichen kegelstumpfförmigen Ummantelung, die einen mit einer Ansaugöffnung versehenen Ansaugtrichter und ein mit einer Auslassöffnung versehenes Auslassgehäuse aufweist, einem mit Schaufeln versehenen Zentrifugallaufrad, das innerhalb des Ansaugtrichters aufgenommen und mit dem Auslass der Ansaugöffnung verbunden ist, einem Motor, der mit dem Laufrad verbunden und in einem Motorgehäuse aufgenommen ist, das zumindest teilweise innerhalb des Auslassgehäuses angeordnet ist, und einem zumindest teilweise ringförmigen axialen Kanal, der sich von der Ansaugöffnung zu der Auslassöffnung erstreckt.
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Stand der Technik
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Sogenannte axiale Zentrifugalventilatoren oder Axial-Zentrifugalventilatoren unterscheiden sich von anderen Ventilatoren dadurch, dass sie ein Zentrifugal-Laufrad haben und dass ihre Ansaugöffnung und Auslassöffnung zu derselben Achse ausgerichtet sind. Sie sind seit langem bekannt und werden insbesondere zur Absaugung verunreinigter und korrosiver Gase in industriellen Umgebungen eingesetzt. Je nach ihrer Leistung werden sie auch in Systemen für kontrollierte Wohnraumlüftung (KWL), Frischluftaufbereitungsanlagen, Rauchabzugsanlagen usw. eingesetzt.
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Die Technik dieser Ventilatoren hat sich seit den Veröffentlichungen
DE 353 786 ,
US 1 778 015 ,
FR 2 337 270 ,
FR 2 474 610 und
FR 2 624 923 wenig verändert. Die Vorschriften entwickeln sich jedoch ständig weiter, um Umweltauflagen sowie den Kohlenstoff-Fußabdruck von Geräten und den Energieverbrauch zu reduzieren. Für Ventilatoren gelten auch Anforderungen bezüglich umweltgerechter Gestaltung, die Mindesteffizienzwerte vorschreiben. Bislang fallen Ventilatoren, die speziell für den Betrieb in toxischen, hochkorrosiven, entflammbaren und/oder abrasiven Atmosphären ausgelegt sind, noch nicht unter diese Vorschriften. Darüber hinaus ermöglicht die Konstruktion dieser Art von Ventilatoren aufgrund der unzureichend kanalisierten Luftströmung nicht das erforderliche Leistungsniveau zu erreichen.
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Die Veröffentlichung
US 2013/0118352 schlägt vor, die Absaugleistung eines Zentrifugalventilators zu verbessern, berücksichtigt jedoch nicht die gesetzlichen Anforderungen.
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Und die Veröffentlichung
WO 2018/235221 betrifft einen Zentrifugalventilators für häusliche Anwendungen wie Staubsauger oder Händetrockner, dessen Konstruktion nicht für industrielle Anwendungen geeignet ist.
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Präsentation der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu überwinden, indem sie eine neue Axial-Zentrifugalventilator-Konstruktion vorschlägt, die es ermöglicht, das von den geltenden Vorschriften geforderte Leistungsniveau zu erreichen, aber auch die Entwicklung der Vorschriften vorwegzunehmen und gleichzeitig einen Ventilator einfacher, zuverlässiger, wirtschaftlicher, langlebiger und wartungsarmer Bauart anzubieten, bei dem der Motor vollständig von dem durch das Laufrad geförderten Gas isoliert und leicht zugänglich bleibt.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Ventilator des in der Präambel angegebenen Typs, dadurch gekennzeichnet, dass er einen peripheren radialen Kanal aufweist, der sich am Auslass des Laufrads erstreckt und so angeordnet ist, dass er die angesaugten Gasströmung unter Druck hält und sie in laminarer Strömung ohne Diskontinuität oder Druckverlust zu dem axialen Kanal leitet, wobei der radiale Kanal eine Querabmessung aufweist, die im Wesentlichen gleich der Höhe der Schaufeln des Laufrads ist, und dass er mindestens einen Deflektor umfasst, der innerhalb des radialen Kanals angeordnet ist, um die angesaugte Gasströmung auszurichten und eine Druckerhöhung zu erzeugen.
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In einer vorteilhaften Form der Erfindung kann der radiale Kanal zwischen einer ringförmigen Platte stromabwärts der Ansaugöffnung und einer unteren Platte des Motorgehäuses gebildet werden. Vorzugsweise ist der größte Durchmesser der ringförmigen Platte größer als der größte Durchmesser der unteren Platte des Motorgehäuses, die ihrerseits größer als der größte Durchmesser des Laufrads ist.
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In der bevorzugten Form der Erfindung erstreckt sich der mindestens eine Deflektor vorteilhaft zwischen der besagten ringförmigen Platte und der besagten unteren Platte des Motorgehäuses.
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Der mindestens eine Deflektor kann durch eine gekrümmte Wand gebildet werden, die sich über einen definierten Winkelsektor und exzentrisch in Bezug auf die Drehachse des Laufrads erstreckt, so dass die Anströmkante des mindestens einen Deflektors näher an der Drehachse liegt als seine Abströmkante. Der definierte Winkelsektor kann sich über einen Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 80° und 100°, erstrecken.
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In einer bevorzugten Form der Erfindung hat dieser Ventilator nur einen Deflektor.
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Der Ventilator weist vorzugsweise Abstandhalter auf, die in dem axialen Kanal angeordnet sind, um das Motorgehäuse mit der Ummantelung zu verbinden, wobei die Abstandhalter profiliert sind, um die Strömung des angesaugten Gases in Richtung der Auslassöffnung zu begradigen und ein Minimum an Turbulenzen zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist mindestens einer der Abstandshalter am Auslass des radialen Kanals am Übergang zwischen dem radialen Kanal und dem axialen Kanal angeordnet.
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Der axiale Kanal kann zwischen einer Wand des Motorgehäuses und einer Wand der Ummantelung gebildet werden, wobei die Wände überwiegend parallel zueinander sind, um eine laminare Gasströmung zu fördern. Die Querabmessung des axialen Kanals kann im Wesentlichen gleich oder größer als die Querabmessung des radialen Kanals sein.
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Darüber hinaus ist der Durchmesser der Auslassöffnung vorzugsweise größer als der Durchmesser der Ansaugöffnung in einem Verhältnis von 30 % bis 50 %, vorzugsweise 40 %.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile lassen sich am besten anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels veranschaulichen, die als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen
- - 1 eine Aufrissansicht eines Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilatoranordnung ist,
- - 2 eine explodierte Schnitt- und Seitenansicht des Ventilators nach der Erfindung ist,
- - 3 eine Schnitt- und Seitenansicht des Ventilators in 2 nach der Montage ist,
- - 4 eine Schnitt- und Frontansicht des Ventilators in 3 ist,
- - 5 eine der 4 ähnliche Ansicht ist, die den Weg der Gasströmung durch das Laufrad zeigt,
- - 6 eine Ansicht ähnlich der 5 eines Ventilators gemäß dem Stand der Technik ist, die vergleichsweise den Weg der von dem Laufrad geförderten Gasströmung zeigt,
- - 7 ist eine Draufsicht der 3, die den Weg der Gasströmung im Ansaugtrichter zeigt, der durch den auslassseitigen Deflektor umgelenkt wird, und
- - 8 ist eine Unteransicht von 3, die den Weg der Gasströmung auf der Saugseite zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist der erfindungsgemäße Axial-Zentrifugalventilator 1 dazu bestimmt, eine im Allgemeinen korrosiven und aggressiven Gasströmung, wie z.B. Luft, abzusaugen, um die Umgebungsluft rein zu halten oder zu einem industriellen Prozessbeizutragen. Der erfindungsgemäße Ventilator 1 hat den Vorteil, dass er aus thermoplastischen Materialien wie Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE) oder ähnlichen besteht, die sich besonders für Laboratorien, Forschungszentren, die chemische Industrie und ganz allgemein für alle Sektoren eignen, die mit dem Problem der Förderung gefährlicher, korrosiver und/oder schädlicher Gasströme konfrontiert sind. Diese Art von Ventilatoren ist perfekt beständig gegen Korrosion und aggressive Mittel, und ihre breite Modellpalette ermöglicht es, alle Arten von Anforderungen und Leistungen mit statischen Drücken bis zu 2000 Pascal und Luftdurchsätzen bis zu 20.000 m3/h gerecht zu werden, ohne dass diese Werte als Grenzwerte gelten.
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Der Ventilator 1 weist eine Ummantelung 2 mit einer Achse A und im wesentlichen kegelstumpfförmiger Form auf, die an ihrem unteren verbreiterten Abschnitt einen mit einer Ansaugöffnung 4 versehenen Ansaugtrichter 3 und an ihrem oberen konischen Abschnitt ein mit einer Auslassöffnung 6 versehenes Auslassgehäuse 5 aufweist. Das Auslassgehäuse ist durch eine zylindrische Einfassung 7 mit dem Ansaugtrichter verbunden, und die Ansaugöffnung 4 und die Auslassöffnung 6 sind im Wesentlichen zur Achse A ausgerichtet. Unter Bezugnahme auf 1 kann der Ventilator 1 über eine Halterung 10 auf einer Bedachung 8 oberhalb einer Öffnung 9 montiert werden, wobei die Ansaugöffnung 4 über eine Ansaugleitung 12 mit einem Saugkanal 11 verbunden ist. Natürlich ist die dargestellte Anordnung nur ein nicht einschränkendes Beispiel und erstreckt sich auf jede andere Anordnung, je nach der betrachteten Anwendung und dem Trägerelement, das den besagten Ventilator aufnimmt, wobei diese Anordnung sowohl außerhalb als auch innerhalb eines Gebäudes oder eines Raumes sein kann.
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Bekanntlich weist der Ventilator 1 unter besonderer Bezugnahme auf die 2 bis 4 ein Zentrifugal-Laufrad 13 in Form eines Laufrades mit Schaufeln 14 und einer zentralen Nabe 15 auf sowie einen Motor 16, der über die zentrale Nabe 15 direkt mit dem Laufrad 13 verbunden ist. Das Laufrad 13 ist in dem von dem Ansaugtrichter 3 und der Einfassung 7 begrenzten Volumen aufgenommen und mit der Ansaugöffnung 4 verbunden. Der Motor 16 ist in einem Motorgehäuse 17 aufgenommen, das im Volumen des Auslassgehäuses 5 angeordnet und durch eine seitliche Öffnung 18 in der Wand des genannten Auslassgehäuses zugänglich ist. Diese Öffnung 18 wird durch eine Tür 19 verschlossen, die einen schnellen und einfachen Zugang zum Motor 16 ohne Demontage des Ventilators 1 ermöglicht. Selbstverständlich kann jede andere Anordnung des Motors 16 vorgesehen werden. In dem gezeigten Beispiel hat das Motorgehäuse 17 eine untere Platte 20, eine obere Platte 21 und eine Umfangswand 22, die die untere Platte 20 und die obere Platte 21 verbindet. Das Motorgehäuse 17 erlaubt es, den Motor16 vollständig von dem durch den Ventilator 1 strömenden Gas zu isolieren. Zu diesem Zweck ist der Motor 16 über ein Dichtelement (nicht dargestellt) mit der unteren Platte 20 des Motorgehäuses 17 verschraubt, und die Motorwelle (nicht dargestellt) durchragt die untere Platte 20 zur Verbindung mit der zentralen Nabe 15 des Laufrades 13. Darüber hinaus ist das Motorgehäuse 17 über Abstandhalter 23 mechanisch mit dem Auslassgehäuse 5 verbunden (2 und 8). Der freie Raum zwischen der Wand des Auslassgehäuses 5 und der Wand des Motorgehäuses 17 begrenzt einen zumindest teilweise ringförmigen axialen Kanal 24, der sich von der Ansaugöffnung 4 bis zur Auslassöffnung 6 erstreckt.
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Der erfindungsgemäße Ventilator 1 ist insofern bemerkenswert, als dass bestimmte konstruktive Merkmale modifiziert wurden, um das Durchflussrate-Druck-Paar des angesaugten und abgeführten Gases zu begünstigen und so die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Diese Modifikationen sind das Ergebnis von Luftströmungsstudien und Versuchsreihen, die es ermöglichten, das lufttechnische Verhalten des Ventilators zu analysieren und den Gasströmungsweg zu optimieren, um eine laminare Strömung ohne Druckverlust und mit möglichst wenig Turbulenzen zu erzeugen.
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Eine der wichtigsten Änderungen bestand in der Schaffung eines peripheren radialen Kanals 25, der sich am Auslass des Laufrads 13 und entlang seines gesamten Umfangs erstreckt, um die Strömung des angesaugten Gases unter Druck zu halten und ihn ohne Unterbrechung oder Druckverlust zum axialen Kanal 24 zu leiten. Diese Modifikation hat es ermöglicht, die angesaugte Gasströmung G der frei um die Turbine 13 zirkulieren kann, so weit wie möglich zu fluidisieren bevor sie die Richtung vom radialen Kanal 25 zum axialen Kanal 24 wechselt. Dieser radiale Kanal 25 hat eine Querabmessung H, die im Wesentlichen oder vollständig gleich der Höhe der Schaufeln 14 des Laufrads 13 ist, um die Gasströmung G zu kanalisieren. Er wird zwischen zwei parallelen Flächen gebildet, von denen die eine zu einer ringförmigen Platte 26 stromabwärts von der Ansaugöffnung 4 und die andere zu der unteren Platte 20 des Motorgehäuses 17 gehört. Die ringförmige Platte 26 wird an den Ansaugtrichter 3 angebaut und mit der Einfassung 7 durch ein geeignetes Mittel verbunden. Im gezeigten Beispiel wird er zwischen zwei Halteringen 27, 27' in Position gehalten, die in Nuten 28 aufgenommen sind, die zu diesem Zweck in der Einfassung 7 vorgesehen sind. Ein Haltering 27 kann fest und der andere Haltering 27' kann abnehmbar sein und z.B. aus einem Sprengring o.ä. bestehen. Die untere Platte 20 des Motorgehäuses 17 hat eine Aufnahme 29 zur Aufnahme des oberen Teils des Laufrads 13, so dass die Oberseite der Schaufeln 14 im Wesentlichen in der Verlängerung der entsprechenden Fläche der unteren Platte 20 ausgerichtet ist. Der größte Durchmesser der ringförmigen Platte 26 ist daher größer als der größte Durchmesser der unteren Platte 20 des Motorgehäuses 17, der seinerseits größer als der größte Durchmesser des Laufrads 13 ist. So ist die Kontinuität zwischen dem radialen Kanal 25 und dem axialen Kanal 24 sichergestellt.
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Die durch diesen radialen Kanal 25 bewirkte Verbesserung der Kanalisierung der Gasströmung G geht deutlich aus den 5 und 6 hervor, die einerseits den erfindungsgemäßen Ventilator 1 und andererseits einen Ventilator 1' des Standes der Technik ohne radialen Kanal 25 darstellen. Beim Ventilator 1' des Standes der Technik ist zu sehen, dass sich am Auslass des Laufrads 13 die angesaugte Gasströmung G im Volumen des Ansaugtrichters 3 ausdehnt und ein Teil G' dieser Gasströmung Turbulenzen erzeugt, welche die Gasströmung stören und die lufttechnische Leistung des Ventilators beeinträchtigen. Dagegen ist beim Ventilator 1 der Erfindung zu erkennen, dass am Auslass des Laufrads 13 die angesaugte Gasströmung G perfekt über den gesamten Umfang des Laufrads 13 kanalisiert wird. Es entsteht kein Druckverlust und keine Turbulenz, und die Gasströmung G strömt stetig und laminar.
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Eine weitere wichtige Modifikation liegt in der Hinzufügung eines Deflektors 30 innerhalb des radialen Kanals 25, um den Druck der angesaugten Gasströmung G zu erhöhen (2, 3 und 7). Er wird durch eine gekrümmte Wand gebildet, die zwischen der ringförmigen Platte 26 und der unteren Platte 20 sich parallel zur Achse A erstreckt, sowie über einen definierten Winkelsektor, der in Bezug auf die Drehachse des Laufrads 13, die der genannten Achse A entspricht, exzentrisch ist. Der definierte Winkelsektor kann sich über einen Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 80° und 100° und vorzugsweise gleich 90° erstrecken, ohne dass diese Werte eine Begrenzung darstellen. Die Mitte B des Deflektors 30 ist in Strömungsrichtung der Gasströmung G versetzt, so dass die Anströmkante 31 des Deflektors 30 näher an der Achse A liegt als seine Abströmkante 32 (7). Der Deflektor 30 ist in der Gasströmung G, der im radialen Kanal 25 strömt, so positioniert, dass er keine Turbulenzen erzeugt, da seine Anströmkante 31 und seine Abströmkante 32 in Strömungsrichtung der Gasströmung G Kanten bilden, die frei und in einem Abstand von den Seitenwänden der Ummantelung 2 des Ventilators 1 liegen. Das Zentrifugal-Laufrad 13 prägt der angesaugten Gasströmung G einen Zentrifugaleffekt auf, wie durch die Pfeile in den 7 und 8 dargestellt, und der in den Strömungspfad eingefügte Deflektor 30 bewirkt eine sehr leichte Ausrichtung dieser Strömung, vor allem aber eine zusätzliche Drucksteigerung, die den Wirkungsgrad des Ventilators 1 weiter verbessert.
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Wie zuvor gesehen, werden Abstandshalter 23 im axialen Kanal 24 positioniert, um das Motorgehäuse 17 mit dem Auslassgehäuse 5 der Ummantelung 2 zu verbinden. Diese Abstandhalter 23 sind profiliert und in dem axialen Kanal 24 ausgerichtet, um die angesaugte Gasströmung G zur Auslassöffnung 6 hin zu begradigen und ein Minimum an Turbulenzen zu erzeugen. Unter Bezugnahme auf 8 sind vorzugsweise ein erster Abstandhalter 23 aber auch alle oder einige der Abstandhalter 23, von denen zwei oder mehr vorgesehen sein können, am Auslass des radialen Kanals 25 am Übergang zum axialen Kanal 24 positioniert, um auf die angesaugte Gasströmung G zu treffen, wenn sie die Richtung zwischen dem radialen Kanal 25 und dem axialen Kanal 24 ändert. Die Position und Ausrichtung dieser Abstandhalter 23 ermöglichen eine drastische Verringerung der Turbulenzen, die als „Ablösungserscheinungen“ bezeichnet werden, die gleichbedeutend mit Effizienzverlusten sind und große Druckverbraucher darstellen.
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Die Geometrie der Ummantelung 2 und die Geometrie des Motorgehäuses 17 wurden ebenfalls modifiziert, so dass der axiale Kanal 24 eine möglichst konstantes Querabmessung D aufweist. Die Parallelität zwischen der Umfangswand 22 des Motorgehäuses 17 und der Wand des Auslassgehäuses 5 wurde verbessert, was zu einer Vergrö-ßerung der Höhe des axialen Kanals 24 geführt hat. Darüber hinaus wurde der Durchmesser der Auslassöffnung 6 so vergrößert, dass er im Verhältnis von ca. 30% zu 50%, vorzugsweise 40%, größer ist als der Durchmesser der Ansaugöffnung 4, ohne dass diese Werte eine Begrenzung darstellen. Der technische Effekt dieser Modifikationen ist die Erzeugung eines nahezu konstanten Gasflusses zwischen Ansaugöffnung 4 und Auslassöffnung 6, wodurch auch die Druckverluste reduziert werden.
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Die auf der Erfindung beruhenden Verbesserungen des Ventilators 1 bewirken, dass entweder das Durchfluss-Druck-Paar des abgesaugten Gases erhöht wird, ohne die Leistung des Motors zu erhöhen, oder dass das Durchfluss-Druck-Paar des Abgases beibehalten und die Leistung des Motors verringert wird. In beiden Fällen wird der Wirkungsgrad des Ventilators erhöht und der Energieverbrauch gesenkt.
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Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern erstreckt sich auf jede Modifikation und Variante, die für einen Fachmann auf diesem Gebiet naheliegend ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 353786 [0003]
- US 1778015 [0003]
- FR 2337270 [0003]
- FR 2474610 [0003]
- FR 2624923 [0003]
- US 2013/0118352 [0004]
- WO 2018/235221 [0005]
