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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaufelradanordnung,
die für
elektronische Ausrüstungen
und dergleichen zur Anwendung gebracht wird.
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Stand der
Technik
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Aufgrund
der Verbreitung von kleinen elektronischen Einrichtungen, wurden
in den vergangenen Jahren viele Versuche unternommen, eine hochdichte
Anordnung von elektrischen Schaltkreisen zu erreichen. Daher, aufgrund
der Vergrößerung hinsichtlich
der exothermen Dichte der elektronischen Einrichtungen, werden Axial-
oder Mischstromschaufelräder
verwendet, um diese Einrichtungen zu kühlen.
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In
einer herkömmlichen
Schaufelradanordnung ist ein Axialschaufelrad 1 in einer
solchen Weise angeordnet, um einen angemessenen Raum zwischen den
Schaufelspitzen des Schaufelrads und der inneren umfänglichen
Oberfläche
einer ringförmigen Wand 2 aufzuweisen,
wie in 20 gezeigt ist, so dass in einem
Gebläsezustand,
in welchem ein Motorabschnitt 3 angetrieben wird, sich
das Axialschaufelrad 1 um einen Schaft 4 dreht,
um einen Luftstrom 5 von einer Saugseite zu einer Ausstoßseite zu
bewirken. In diesem Gebläsezustand
steigt jedoch die Geschwindigkeit des Luftstroms auf der Saugseite der
Spitzen der Schaufelradschaufeln 8 an, und die Energie
des Luftstroms wird in eine Druckenergie umgewandelt. Infolge dessen
treten Sekundärströme zwischen
den Schaufeln an den hinteren Kanten der Schaufeln in Erscheinung,
um Niedrigenergiebereiche an diesen Kanten zu erzeugen. In diesem
Teil der Schaufelradanordnung tritt wahrscheinlich ein großer Verlust
in Erscheinung, um diesen Strom freizugeben, und in einem solchen
Fall verlässt
der Luftstrom eine ebene Oberfläche
und Wirbel treten in diesem Bereich in Erscheinung. Im Ergebnis
kann das Turbulenzgeräusch
ansteigen, um den Geräuschpegel
und die Eigenschaft des statischen Drucks im Verhältnis zur
Luftmenge (nachstehend wird dies als die „P-Q-Charakteristik" bezeichnet) abzuwerten.
Dieses Phänomen
wird häufig
beobachtet, wenn insbesondere die Ausstoßseite einem Flusswiderstand
(Systemimpedanz) unterliegt, so dass mehrere entweichende Wirbel
an den Schaufelspitzen verursacht werden, wobei das Axialschaufelrad
blockiert wird.
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Um
die Eigenschaften eines solchen Axialschaufelrades zu verbessern,
wurde die Gestalt der ringförmigen
Wand, die um den äußeren Umfang
des Axialschaufelrades ausgebildet ist, in den Schaufelradanordnungen,
die in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 8-174042, der Japanischen
Patentanmeldung Nr. 9-151450 und der Japanischen Patentanmeldung
Nr. 9-260738, die alle dem Anmelder zugeordnet sind, beschrieben
sind, verbessert. Diese Schaufelradanordnungen sind in den 21 bis 23 gezeigt,
wobei ringförmige
Scheiben 7a bis 7e in einem Gehäusekörper 9 als
die ringförmige Wand 2,
welche das Axialschaufelrad 1 umgibt, ausgebildet sind.
Die ringförmigen
Scheiben 7a bis 7e sind über Abstandshalter 13 aufgeschichtet
und ein Schlitz 6 ist zwischen jedem Paar von angrenzenden ringförmigen Scheiben 7a bis 7e ausgebildet.
In einem Gebläsezustand
ermöglicht
diese Konfiguration, dass Luft durch die Schlitze 6, die
zwischen den ringförmigen
Scheiben 7a bis 7e ausgebildet sind, in die ringförmige Wand 2 eingesaugt
wird, um zu unterbinden, dass entweichende Wirbel an den Schaufelspitzen
und ebenso ein Drehungsstillstand in Erscheinung treten, und um
dabei die P-Q-Charakteristik
zu verbessern sowie um ein Geräusch
zu reduzieren. Zusätzlich
beschreiben die nationale Veröffentlichung
der Internationalen Patentanmeldung Nr. 6-508319 und US-Patent Nr. 5,292,088 solche Schaufelradanordnungen,
die eine Vielzahl von Ringkörpern
umfassen, die an dem äußeren Umfang des
Axialschaufelrades in Intervallen angeordnet sind, so dass Luftwirbel,
die durch die Spalten zwischen den Ringkörpern fließen, die Flussrate des Fluides
vergrößern. Alternativ
beschreibt das US-Patent
Nr. 5,407,324 eine Schaufelradanordnung, wobei die inneren umfänglichen
Abschnitte der ringförmigen
Scheiben, welche den äußeren Umfang
des Axialschaufelrades umgeben, entlang der Richtung des Windes
geneigt sind, und wobei diese ringförmigen Scheiben derart angehäuft sind,
um eine Vielzahl von Stufen auszubilden, um zu ermöglichen,
dass Luft zwischen den inneren und äußeren Umfängen der ringförmigen Wand
fließt.
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Wenngleich
diese Erfindungen allesamt die Charakteristiken des Axialschaufelrades
verbessern, indem Luft von dem äußeren Umfang
des Axialschaufelrades eingesaugt wird, beschreiben sie alleine
die Konfiguration der Ringkörper
(ringförmigen Scheiben),
die um den äußeren Umfangsabschnitt des
Axialschaufelrades ausgebildet sind, aber sie beschreiben nicht
im Speziellen die Gestalt des Axialschaufelrades. Daher, um das Beste
aus den Charakteristiken des Axialschaufelrades herauszuholen, muss
die Gestalt des Schaufelrades an die ringförmige Wand angepasst sein.
Die Gestalt des Axialschaufelrades wurde im Allgemeinen verbessert durch
Schneiden der Schaufeln des Axialschaufelrades an deren zylindrischen
Flächen
konzentrisch zu einer Drehwelle des Axialschaufelrades, Weiterentwickeln
der zylindrischen Flächen,
um sie zu ersetzen durch eine ebene, unbeschränkte Reihe von linearen Schaufeln,
Anwenden der Theorie der linearen Schaufeln in Profilreihen, die
für Flugzeuge
und dergleichen entwickelt wurde, auf diese Schaufelreihen, um die
Leistung vorherzusagen oder um eine dreidimensionale Gestalt festzulegen,
die für
Betriebszustände
geeignet ist.
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Die 24 bis 29 zeigen
die Gestalten von herkömmlichen
Axialschaufelrädern
im Wege von Beispielen. Wie in den 26 und 27 gezeigt
ist, ist ein Querschnitt eines herkömmlichen Axialschaufelrades 1,
der erhalten wird durch Durchschneiden desselben in einer solchen
Art und Weise, um einen mit der Drehwelle konzentrischen Zylinder auszubilden,
in einer solchen Form ausgebildet, dass die flügelförmigen Schaufeln 8 in
der radialen Richtung verbunden sind. Dies begründet sich darauf, dass die
Luftströme
in der radialen Richtung des Axialschaufelrades 1 beim
Entwerten des herkömmlichen
Axialschaufelrades ignoriert werden. Gemäß diesem Entwurf haben die
berechneten und die tatsächlichen
Werte nicht in bedeutender Weise voneinander abgewichen, wenn das
Axialschaufelrad eine ringförmige
Wand aufweist, die verhindert, dass Luft von dem äußeren Umfang
hineinfließt,
und wenn es mit einem relativ geringen Luftflusswiderstand betrieben
wird. Zusätzlich,
um die Charakteristiken des Axialschaufelrades zu verbessern, wenn
der Luftflusswiderstand leicht erhöht ist, wird eine vorgestellte
Schaufel verwendet, wobei die Sehnen-Mittellinie der Schaufel in
einem spezifizierten Winkel in der Drehrichtung geneigt ist, wie
in 28 und 29 gezeigt
ist. In 24 ist eine dünne Linie
h eine Linie mit gleich bleibender Dicke, welche die Dicke der Schaufel
bezeichnet, eine alternierend lang und kurz gestrichelte Linie i
ist eine Sehnenmittellinie, die erhalten wird, wenn die Schaufel
in einer konzentrischen zylindrischen Fläche durchschnitten wird, und eine
gebrochene Linie k bezeichnet die Position der maximalen Dicke,
die erhalten wird, wenn die Schaufel in einer konzentrischen zylindrischen
Fläche
geschnitten wird. Wenn dieses herkömmliche Axialschaufelrad in
Kombination mit dem Gehäuse 9 zur Anwendung
gebracht wird, wobei die Schlitze in der ringförmigen Wand darin ausgebildet
sind, fließen
die Luftströme
an den Schaufeln des Axialschaufelrads in den Richtungen, die durch
die Pfeile in 24 gezeigt werden. 25 zeigt
die Schaufel, welche in dem Querschnitt geschnitten wurde, der durch
die Linie a-a' mit
alternie rend einem langen und zwei kurzen Strichen gezeigt ist,
die sich entlang dieses Luftstroms erstreckt. In 25 ist
die Umgebung der Schaufelspitze s um ein bestimmtes Maß dicker
ausgebildet, so dass die auf diesen Teil strömenden Luftströme auf die
Oberfläche
an der Schaufelspitze aufprallen und die Luftschicht nahe beiden
Kanten t1 der Spitze abgelöst
wird. Zusätzlich
weicht die Verteilung der Schaufeldicke, von welcher die Schaufelleistung in
erheblicher Weise abhängt,
in erheblicher Weise von einer idealen Anordnung einer Schaufelform
ab, so dass nicht erwartet werden kann, dass die Schaufelform dazu
beiträgt,
einen Auftrieb zu bewirken. Die Luftschicht wird wahrscheinlich
an der Hinterkante t2 abgelöst
werden, wobei die Eigenschaften des Axialschaufelrads abgewertet
werden.
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Eine
Erfindung, die keine Luft von dem äußeren Umfang der ringförmigen Wand
ansaugt, sondern versucht, die Eigenschaften des Axialschaufelrads zu
verbessern, indem die Gestalt der Schaufelspitze verbessert wird,
ist das Gebläserad,
das im Japanischen Patent, Laid Open Nummer 6-307396 beschrieben
ist, wobei die aerodynamische Kraft verbessert wird, während das
Geräusch
verringert wird, indem der Querschnitt der äußeren umfänglichen Schaufelspitze so
konfiguriert ist, um eine einseitig gekrümmte Fläche zu umfassen, die an der
führenden
Kante angeordnet ist, und die hervorstehenden Krümmungen nur auf der Seite der
Druckfläche
aufweist; ebenso wie einen Abschnitt mit kreisförmiger Gestalt, angrenzend
an die einseitige gekrümmte Fläche. Zusätzlich beschreibt
das Japanische Patent, Laid Open Nummer 8-121391 ein elektrisches Schaufelrad,
welches das aerodynamische Geräusch
verringert, indem der äußere Umfang
der Schaufel in eine Kurve gekrümmt
wird. Alternativ beschreibt die Japanische Patentanmeldung, Laid Open
Nummer 8-282884 eine Fluidmaschine, wobei die Außenseite der Spitze einer bewegten
Schaufel über
eine spezifizierte Höhe
von dem Spitzenende davon abgetragen ist, um einen dünneren Abschnitt mit
einer spezifizierten Dicke an der Innenseite der Spitze auszubilden,
um das Entweichen eines Fluides durch den Freiraum an der Spitze
zu verringern, um dabei die Effizienz eines Axialschaufelrades zu verbessern.
Es wird jedoch vorausgesetzt, dass diese herkömmlichen Techniken für die Gestalt
des Axialschaufelrads erfordern, eine ringförmige Wand bereitzustellen,
die einen Luftstrom unterbinden, der von dem äußeren Umfang davon hineinfließt, so dass ausreichende
Eigenschaften nicht erhalten werden können, indem solche Schaufelformen
bei einer Konfiguration zur Anwendung gebracht werden, die Luft von
dem äußeren Umfang
der ringförmigen
Wand einsaugt, wie oben beschrieben wurde.
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Eine
Erfindung, die eine Lufteinströmung durch
Schlitze, die in dem äußeren Umfang
des Axialschaufelrades ausgebildet sind, erfordert, um die Gestalt
des Axialschaufelrades zu optimieren, ist die Schaufelradanordnung
in der Japanischen Patentanmeldung Nummer 9-260738, die dem Anmelder
zugeordnet ist, und die in den 29 bis 33 gezeigt
ist. In 30 ist eine dünne Linie
h eine Linie mit gleichbleibender Dicke, welche die Dicke einer Schaufel
bezeichnet, eine alternierend lang und kurz gestrichelte Linie ist
eine Sehnenmittellinie, die erhalten wird, wenn die Schaufel in
einer konzentrischen zylindrischen Fläche geschnitten wird, und eine
unterbrochene Linie k bezeichnet die Position der maximalen Dicke
in einem Querschnitt, der erhalten wird, indem die Schaufel in einer
konzentrischen zylindrischen Fläche
geschnitten wird. 31 zeigt die Schaufel, welche
in dem Querschnitt geschnitten wurde, der durch eine Linie a-a' mit alternierend
einer langen und zwei kurzen Strichen gezeigt wird, die sich entlang
des Luftstroms erstreckt. Wie in 29 gezeigt
ist, ist unter den vorwärts
gepfeilte Winkeln θ1
bis θ3,
der vorwärts
gepfeilte Winkel θ3
an der Schaufelspitze größer als
die anderen zwei ausgebildet. In anderen Worten ist die Schaufel
durch Krümmen
der Schaufelspitze s in der Drehrichtung ausgebildet. Diese Konfiguration
ermöglicht,
dass Luftströme,
die durch die Schlitze einfließen,
problemlos einbezogen werden können,
um die P-Q-Charakteristik der Schaufelradanordnung zu verbessern.
Ferner ist die Schaufel in einer solchen Weise gestaltet, dass, wenn
sich die Schaufelspitze annähert,
die Position der maximalen Dicke in einem Querschnitt, der durch Schneiden
der Schaufel in einer konzentrischen zylindrischen Fläche erhalten
wird, sich schrittweise in Richtung der hinteren Kante der Schaufel
nach hinten bewegt. Insbesondere sind die Querschnitte der Schaufel
entlang der Linien l1-l1', l2-l2', l3-l3',
m-m' und n-n', die in 32 gezeigt
sind, jeweils so geformt, wie in den 33(a) bis
(e) gezeigt ist. Das Bezugszeichen F bezeichnet die Position der
maximalen Dicke. Wie in 31 gezeigt
ist, maximiert diese Gestalt den Effekt der Schaufelgestalt auch
bei Luftströmen,
die von dem äußeren Umfang
der ringförmigen Wand
einfließen,
und ermöglicht,
dass Luft, die durch die Schlitze einfließt, problemlos an der Schaufelspitze
fließt.
Ferner, gemäß dieser
Gestalt, dient der Effekt der Schaufelgestalt ebenso dazu, einen
Auftrieb zu bewirken, der auf die Luftströme wirkt, die von der Schaufelspitze
einfließen
oder die Luftschicht wird davon abgehalten, sich an der Hinterkante
abzulösen,
um zu ermöglichen,
dass die durch die Schlitze einfließenden Luftströme effektiv
in eine Luftkapazität
umgewandelt werden, um dabei weiter die P-Q-Charakteristik der Schaufelradanordnung
zu verbessern.
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US-A-5,407
offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades und ein
Schaufelrad, wobei das Schaufelrad ein rechteckiges Gehäuse umfasst,
das teilweise aus einer Vielzahl von rechteckigen Scheibenelementen
ausgebildet ist, wobei alle kreisförmige Luftöffnungen aufweisen und mit Abstandshaltern
dazwischen aneinander montiert sind, um Schlitzöffnungen an deren Seiten zu
bilden. Diese Schlitze erlauben, dass Luft von den Schaufeln des
Schaufelrades angesaugt wird.
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US-A-5,616,004
offenbart ein Axialstromschaufelrad, das z.B. für Fahrzeugkühlsysteme ausgelegt ist. Die
Schaufeln sind an einem Nabenabschnitt gesichert und weisen vordere
und hintere Kanten auf. Die vordere Kante des Spitzenbereichs der
Schaufeln ist relativ zu der hinteren Ebene vorwärts gepfeilt und die hintere
Kante des Spitzenbereichs ist in der entgegen gesetzten Richtung
gepfeilt.
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DE 196 04 638 A offenbart
ein Schaufelrad, bestehend aus Schaufeln, die an einer Nabe gesichert
sind, welche sich im Wesentlichen radial von der Nabe erstrecken.
Jede Schaufel besteht aus mehreren flügelförmigen Teilen, die an deren
Spitzen verbunden sind. Die Schaufeln können vorzugsweise sichelförmig ausgebildet
sein.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Schaufelform der Schaufelradanordnung,
welche Luft in die ringförmige
Wand durch die in diesen Wänden
ausgebildeten Schlitze einsaugt, wie in der Japanischen Patentanmeldung
Nummer 9-260738, weiter zu verbessern, um dabei die aerodynamische
Leistung oder Energieeffizienz zu verbessern.
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Offenbarung
der Erfindung
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Dieses
Ziel wird erreicht durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele werden
in den Unteransprüchen
behandelt.
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Die
beanspruchten Anordnungen ermöglichen,
dass Luft, die durch die Schlitze einfließt, problemlos eingezogen werden
kann, um dabei die P-Q-Charakteristik der Schaufelradanordnung zu verbessern
und um ein Geräusch
der Schaufelradanordnung zu reduzieren. Zusätzlich, wenn die obige Schaufelradanordnung
in einer elektronischen Ausrüstung
wie einem Personal Computer bereitgestellt ist, kann ein Geräusch von
der elektronischen Ausrüstung
reduziert werden und die Kühlung
und Energieeffizienz kann verbessert werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Vorderansicht der Darstellung einer Axialschaufelradanordnung
gemäß einiger Ausführungsbeispiele,
die zum Verständnis
der vorliegenden Erfindung nützlich
sind;
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2 ist
eine Seitenansicht zur Darstellung der Axialschaufelradanordnung;
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3 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung der Axialschaufelradanordnung;
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4 ist
eine Vorderansicht eines Axialschaufelrades einer im Allgemeinen
vorwärts
geneigten Schaufelsorte;
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5 ist
eine Vorderansicht eines Axialschaufelrades von einer im Allgemeinen
radialen Schaufelsorte;
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6 ist
eine Vorderansicht eines Axialschaufelrades von einer im Allgemeinen
rückwärts geneigten
Schaufelsorte;
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7 ist
ein Schaubild zur Darstellung der gleichbleibenden Dicke der Schaufel
eines Axialschaufelrades im Einklang mit einem Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung;
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8 ist
eine Schnittansicht des Axialschaufelrades gemäß dem Ausführungsbeispiel;
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9 ist
eine Vorderansicht des Axialschaufelrades gemäß dem Ausführungsbeispiel;
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10(a) bis (e) sind Schnittansichten zur Darstellung
der Dicke jedes Abschnitts einer Schaufel des Axialschaufelrades
in 9;
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11 ist
eine Vorderansicht eines Axialschaufelrades zur Darstellung eines
anderen Beispiels;
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12 ist
eine Vorderansicht einer Schaufelradanordnung im Einklang mit einem
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung;
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13 ist
eine Schnittansicht jeder Schaufelsehne der Schaufelradanordnung
im Einklang mit dem Ausführungsbeispiel
in 12;
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14 ist
eine Vorderansicht einer Schaufelradanordnung gemäß eines
anderen Beispiels des Ausführungsbeispiels
in 12;
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15(a) bis (c) sind Schnittansichten, die durch
Schneiden der Schaufelradanordnung in 14 durch
jede Schaufelsehnenmittellinie in der axialen Längsrichtung erhalten werden;
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16 ist
eine erläuternde
Zeichnung zur Beschreibung einer Schaufeltheorie;
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17 ist
eine erläuternde
Zeichnung zur Beschreibung der Schaufeltheorie;
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18 ist
eine Vorderansicht einer herkömmlichen
Schaufelradanordnung;
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19(a) bis (c) sind Schnittansichten jeder Schaufelsehne
der Schaufelradanordnung in 18;
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20 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung einer herkömmlichen Schaufelradanordnung;
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21 ist
eine Vorderansicht zur Darstellung einer mit Schlitzen versehenen
Schaufelradanordnung gemäß dem Stand
der Technik;
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22 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung einer mit Schlitzen versehenen
Schaufelradanordnung gemäß dem Stand
der Technik;
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23 ist
eine Schnittansicht zur Darstellung der mit Schlitzen versehenen
Schaufelradanordnung gemäß dem Stand
der Technik;
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24 ist
ein Schaubild zur Darstellung der Dicke einer Schaufel eines herkömmlichen
Axialschaufelrades;
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25 ist
eine Schnittansicht des herkömmlichen
Schaufelrades;
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26 ist
eine Vorderansicht des herkömmlichen
Schaufelrades;
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27(a) bis (c) sind Schnittansichten zur Darstellung
der Dicke jedes Abschnitts einer Schaufel des herkömmlichen
Axialschaufelrades;
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28 eine
erläuternde
Darstellung einer herkömmlichen
Schaufelform;
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29 ist
eine erläuternde
Darstellung einer Schaufelform gemäß dem Stand der Technik;
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30 ist
ein Schaubild zur Darstellung der Dicke einer Schaufel eines Axialschaufelrades
gemäß dem Stand
der Technik;
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31 ist
eine Schnittansicht des Axialschaufelrades gemäß dem Stand der Technik;
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32 ist
eine Vorderansicht des Axialschaufelrades gemäß dem Stand der Technik; und
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33(a) bis (e) sind Schnittansichten zur Darstellung
der Dicke jedes Abschnitts einer Schaufel des Axialschaufelrades
gemäß dem Stand
der Technik.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben. 1 bis 3 zeigen
eine Schaufelradanordnung gemäß diesen
Ausführungsbeispielen.
Elemente, die ähnlich
zu den oben gezeigten sind, weisen dieselben Bezugszeichen auf und
deren Beschreibung wird weggelassen. Wie in 2 gezeigt
ist, ist die Breite W der aufgeschichteten ringförmigen Scheiben 7a bis 7e auf
denselben Wert festgelegt wie die axiale Breite eines axialen Schaufelrades 21,
oder auf fast denselben Wert wie die axiale Breite eines axialen
Schaufelrades 1. Zusätzlich
ist die Breite des Spalts zwischen den Schlitzen 6 kontinuierlich variiert,
um den Einströmungswiderstand
jedes Abschnitts nahezu auszugleichen. Wenn das Axialschaufelrad 1 in
sich drehender Art und Weise angetrieben wird, wird ein negativer
Druck auf der Saugseite der Spitzen der Schaufeln 28 erzeugt,
und aufgrund eines Unterschieds zwischen diesem Druck und dem atmosphärischen
Druck außerhalb
der Schlitze 6, fließen
Luftströme 5s in
Richtung des Inneren davon durch die Schlitze 6. Wenn die
Breite w des Spalts zwischen den Schlitzen 6 auf einen
geeigneten Wert festgelegt ist, werden die durch die Schlitze 6 fließenden Luftströme 5s zu
Schichtströmen,
um abgehende Wirbel zu unterbinden, die an den Schaufelspitzen erzeugt
werden und von einer positiven Druckseite auf eine Saugseite fließen. Diese
Konfiguration verhindert, dass die Luftströme die Saugfläche verlassen,
um die P-Q-Charakteristik zu verbessern, während ein Geräusch verringert
wird.
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Wenngleich
das Axialschaufelrad im Allgemeinen durch Kunststoff-Spritzguss
geformt wird, beschränkt
das Spritzgießen
die Gestalt des Axialschaufelrades aufgrund der Konfiguration der
Formen, und Axialschaufelräder
in einer Bauart mit vorgestellter Schaufel, die im Spritzgussverfahren
hergestellt wurden, haben in nachteiliger Weise eine kleine axiale
Schaufelprojektionsfläche. 4 zeigt ein
axiales Schaufelrad einer Schaufelsorte mit einem vorwärts geneigten
Winkel, in welcher die sehnenartige Mittelposition der Schaufel
in der Drehrichtung geneigt ist (der vorwärts gepfeilte Winkel umfasst
einen positiven Wert), 5 zeigt ein axiales Schaufelrad
von einer radialen Schaufelsorte, in welcher sich die sehnenartige
Mittelposition der Schaufel auf dem Radius befindet (wobei der vorwärts gepfeilte
Winkel davon gleich Null ist), und 6 zeigt ein
axiales Schaufelrad von einer Schaufelsorte mit einem rückwärts gepfeilten
Winkel, in welchem die sehnenartige Mittelposition der Schaufel
in der Richtung entgegen gesetzt zu der Drehrichtung geneigt ist
(der vorwärts
gepfeilte Winkel umfasst einen negativen Wert). In allen Fällen ist
der Außendurchmesser
der Schaufel derselbe. Die Größe c der
Spalte zwischen den benachbarten Schaufeln ist durch die Struktur
der Form beschränkt
und muss für
jede Form konstant sein. Wie in den 4 bis 6 gezeigt
wird, wenn die Größen c der
Spalten zwischen den benachbarten Schaufeln gleichgesetzt sind,
haben die Axialschaufelräder
von solchen Schaufelformen mit einem vorwärts geneigtem Winkel und einem
rückwärts vorstehenden
Winkel eine kleinere axiale Schaufelprojektionsfläche als
das Axialschaufelrad von einer radialen Schaufelsorte, und versagen
darin, dieselbe Leistung bereitzustellen wie die radiale Schaufelsorte,
wenn nicht die Auslastung der Schaufel pro Fläche vergrößert wird. Der Vergrößern der
Auslastung der Schaufel erfordert, dass der Schaufelwinkel (der
Torsions-Winkel der Schaufel um den radialen Schaft) vergrößert wird,
aber das Vergrößern des
Schaufelwinkels kann den Luftwiderstand der Schaufel und daher die
Antriebskraft des Axialschaufelrades vergrößern und kann die Grenzschicht
auf der Schaufel-Saugseite früher
zur Ablösung
bringen, was häufig
zu einem Stillstand führt.
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Daher
optimiert dieses Ausführungsbeispiel die
Gestalt der Schaufelspitze basierend auf dem Axialschaufelrad von
radialen Schaufelsorte mit der geringsten Auslastung der Schaufel
pro Fläche,
d.h., mit der kleinsten Schaufellast. Die 7 bis 10 zeigen
ein Axialschaufelrad 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
In den 7 bis 10 ist die Gestalt der Spitze
einer Schaufel 28 fast dieselbe wie die des Axialschaufelrades
in der Japanischen Patentanmeldung Nummer 9-260738, die in 29 bis 33 gezeigt
ist, aber diese Schaufel unterscheidet sich von derjenigen in der
Japanischen Patentanmeldung Nummer 9-260738 darin, dass die Schaufel
mit Ausnahme der Spitze wie eine radiale Schaufel geformt ist, mit
einem vorwärts
gepfeilten Winkel gleich Null um eine größere axiale Schaufelprojektsfläche bereitzustellen,
trotz derselben Größe des axialen Schaufelrades.
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Die
Gestalt des axialen Schaufelrades 21 wird nachstehend im
Detail beschrieben und klargestellt. In 7 ist die
Schaufelspitze s des Axialschaufelrades 21 ausgebildet,
indem sie in der Drehrichtung gekrümmt ist. Luftströme, die
durch die Schlitze 6 einfließen, bilden Ströme v, die
in einer fast radialen Richtung fortschreiten, und die Schaufelspitze
wird mit einer Umfangsgeschwindigkeit u gedreht. Daher fließen relative
Luftströme
aus einer Richtung w, bei einer Betrachtung ausgehend von der Schaufel 28,
ein. Das Krümmen
der Schaufelspitze in der Drehrichtung besänftigt diese Luftströme. Um diesen Windstrom
mit dem vorwärts
gepfeilten Winkel der Schaufelspitze des Axialschaufelrands auszugleichen,
ist der vorwärts
gepfeilte Winkel θ3
an der Schaufelspitze vorzugsweise derart festgelegt, um die folgende
Bedingung zu erfüllen. θ =
tan–1(u/v)
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Diese
Einstellung ermöglicht,
dass der Wind äußerst problemlos
einfließt
und bietet vorteilhafte Bedingungen im Hinblick auf sowohl die P-Q-Charakteristik
und die Geräuschentwicklung.
Zusätzlich,
in 7, ist die dünne
Linie h eine Linie zum Anzeigen einer gleichbleibenden Dicke, welche
die Dicke der Schaufel 28 anzeigt, die alternierend lang
und kurz gestrichelte Linie ist eine Sehnenmittellinie in einem Querschnitt,
der erhalten wird, wenn die Schaufel 28 in einer konzentrischen
zylindrischen Fläche
geschnitten wird, und die unterbrochene Linie k bezeichnet die Position
der maximalen Dicke im Querschnitt, der erhalten wird, wenn die
Schaufel 28 in einer konzentrischen zylindrischen Fläche geschnitten wird.
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8 zeigt
die Schaufel 28, welche in dem Querschnitt geschnitten
wurde, der durch die Linie a-a' mit
alternierend einem langen und zwei kurzen Strichen gezeigt ist,
die sich entlang des Luftstroms erstreckt. Ferner sind die Querschnitte
der Schaufel 28 entlang der Linien l1-l1',
l2-l2', l3-l3',
m-m' und n-n', die in 9 gezeigt
sind, jeweils geformt, wie in den 10(a) bis
(e) gezeigt ist. Das Bezugszeichen F bezeichnet die Position der
maximalen Dicke. Wie in 10 gezeigt
ist, ist die Schaufel in einer solchen Art und Weise geformt, dass
wenn sich die Schaufelspitze nähert,
die Dicke der Schaufel abnimmt, während die Position F der maximalen
Dicke sich im Allgemeinen in Richtung der Hinterkante der Schaufel bewegt.
Wie in 8 gezeigt ist, maximiert diese Gestalt den Effekt
der Schaufelform auch bei Luftströmen, die von dem äußeren Umfang
der ringförmigen Wand
einfließen,
und ermöglicht,
dass die durch die Schlitze 6 einflie ßende Luft problemlos an den Schaufelspitzen
fließt.
Ferner, gemäß dieser
Gestalt, dient der Effekt der Schaufelform ebenso dazu, einen Auftrieb
zu bewirken, der auf von der Schaufelspitze einfließende Luftströme wirkt,
oder die Luftschicht wird davon abgehalten, an der hinteren Kante
abgelöst
zu werden, um zu ermöglichen,
dass die durch die Schlitze 6 einfließenden Luftströme effektiv
in eine Luftkapazität
umgewandelt werden, um dabei die P-Q-Charakteristik der Schaufelradanordnung weiter
zu verbessern.
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Ferner,
in dem Axialschaufelrad 21 gemäß dieser Erfindung, ist die
Schaufel mit Ausnahme der Spitze davon wie eine Bauart einer Radialschaufel geformt,
so dass sie eine große
axiale Projektionsfläche
der Schaufel 28 und eine ebenso hohe Leistung aufweist,
wie der Stand der Technik bereitstellt, trotz der geringen Auslastung
der Schaufel 28 pro Fläche. Nebenbei,
aufgrund der Fähigkeit
davon, den Schaufelwinkel der Schaufel 28 zu verringern,
kann diese Erfindung eine Schaufelradanordnung bereitstellen, die
die für
die Schaufeln 28 erforderliche Antriebskraft verringert,
während
ein Stillstand, bewirkt durch das frühe Ablösen der Grenzschicht auf der
Saugseite der Schaufel, verhindert wird, und welche daher eine hohe
Gebläsefähigkeit
aufweist im Vergleich zu der erforderlichen Antriebskraft, oder
in anderen Worten, eine hohe Energieeffizienz aufweist. Zusätzlich,
wenn das Axialschaufelrad 21 von einem Motor angetrieben
wird, können
sowohl der Stromverbrauch als auch die Aufheizung des Motors eingeschränkt werden,
um die Kühleffizienz
der dieser Schaufelradanordnung umfassenden Ausrüstung zu verbessern.
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Wenn
die Gestalt der Schaufelspitzen des Axialschaufelrades der Schaufelsorte
mit einem nach hinten vorstehenden Winkel optimiert wird unter Verwendung
derselben Bedingungen, die oben beschrieben wurden, wie in 11 gezeigt
ist, und wenn die Schaufelradanordnung unter einem gewissen Gebläsewiderstand
betrieben wird, bewirkt die Druckverteilung auf der Schaufelradoberfläche, dass die
Luftströme
auf der Saugfläche
des Schaufelrades in Richtungen fließen, die geringfügig zum
inneren Umfang geneigt sind, wie durch die Pfeile in der Figur angezeigt.
In diesem Fall fließen
die Luftströme
auf der Saugfläche
der Schaufel über
die kürzeste
Distanz, um die Flussgeschwindigkeit auf der Saugfläche zu reduzieren,
wo die Grenzschicht wahrscheinlich abgelöst wird, so dass der Schaufelwinkel
entsprechend erhöht
werden kann, ohne zu bewirken, dass die Grenzschicht abgelöst wird,
wobei der Schaufelwinkel von der Schaufelspitze zu einem Ansatzabschnitt
vergrößert wird,
um zuzulassen, dass auch eine Schaufelform in der Nähe des Ansatzes Wirkung
zeigt, während
die Schaufelform nach herkömmlicher
Art und Weise in eine geringe Belastung einbezogen wird.
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In
Folge dessen, wenngleich der Effekt der Verbesserung der Energieeffizienz
nicht erwartet werden kann, kann dieses Ausführungsbeispiel eine Schaufelanordnung
mit einer großen
Luftkapazität bereitstellen.
In einer alternativen Ausführung,
kann eine kleine Schaufelradanordnung mit einer großen Luftkapazität bereitgestellt
werden, welche die Grenzschicht davon abhält, abgelöst zu werden, um zu ermöglichen,
dass das Axialschaufelrad sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht,
sogar unter Betriebszuständen
wie der schnellen Drehung des Axialschaufelrades, wobei es wahrscheinlich
ist, dass die Ablösung
der Grenzschicht bewirkt wird.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung erläutert. Ähnliche
Elemente wie die obigen haben dieselben Bezugszeichen, und ihre Beschreibung
wird weggelassen. Wenngleich die oben zum Verständnis des technischen Hintergrunds beschriebenen
Ausführungsbeispiele
die Gestalt des axialen Schaufelrades optimieren, indem sie sich hauptsächlich auf
die Projektion des axialen Schaufelrades in der axialen Richtung
konzentrieren, richten sich die Ausführungsbeispiele der Erfindung
auf die Querschnittsformen, die durch Schneiden des axialen Schaufelrades
entlang jeder Sehne erhalten werden.
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Die 18 und 19 zeigen
die Schaufelradanordnungen in der Japanischen Patentveröffentlichung
Nummer 9-260738, die in 29 bis 33 gezeigt
sind. In der Querschnittsform, die durch Schneiden des Axialschaufelrades
von dieser Schaufelradanordnung entlang jeder Sehne erhalten wird,
erstrecken sich die führende
Kante, die mittlere und die hintere Kante der Schaufel allesamt
nahezu senkrecht zum Schaft, und der sich nach vorne neigende Winkel
der Schaufelspitze ist gleichgesetzt zu dem Schlitzwinkel, wie in
den 19(a), (b) und (c) gezeigt ist.
Diese Konfiguration ermöglicht,
dass Komponenten des Windes, der entlang dieser Schnittrichtung
fließt,
problemlos eingeleitet werden, wobei ausgeschlossen wird, dass das
Axialschaufelrad für
diese Komponenten arbeitet.
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12 zeigt
eine Schaufelradanordnung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel.
Die Querschnittsformen, die durch Schneiden eines Axialschaufelrades 31 von
dieser Schaufelradanordnung entlang jeder Sehne erhalten werden,
unterscheiden sich von denjenigen in dem obigen Ausführungsbeispiel
dadurch, dass eine Schaufel 38 eine nach vorne geneigte
Schaufel bildet, in welcher die Richtung der Schaufelspitze in Richtung
der Windsaugseite geneigt ist, und in welcher die Schaufelspitze
gegenüber
dem Winkel des Schlitzes 6 geringfügig nach vorne in Richtung
der Windsaugseite geneigt ist, wie in den 13(a),
(b) und (c) gezeigt ist. Der sich nach vorne neigende Winkel der
Schaufelspitze ist kleiner als derjenige der anderen Abschnitte,
so dass die Schaufelspitze in der Windausblasrichtung gebogen ist.
Der Grund für
die Verwendung des unterschiedlichen, sich nach vorne neigenden
Winkels für
die Schaufel 38 wird im Licht der Schaufeltheorie beschrieben. 16 zeigt
eine zweidimensionale Schaufel, die gewölbt ist. In 16 wird
der Winkel j als ein Einfallswinkel bezeichnet, der durch die Wölbungslinie
an der vorderen Schaufelkante und der Windzulaufrichtung gebildet
wird. 17 zeigt das Verhältnis zwischen
dem Auftrieb und dem Widerstand, der erzeugt wird, wenn sich der
Wind-Einfallswinkel j dieser Schaufel verändert. Die Schaufelleistung
wird verbessert, wenn der Auftrieb ansteigt oder der Widerstand
abfällt,
aber der Einfallswinkel, der den auf die Schaufel wirkenden Auftrieb
maximiert, unterscheidet sich von dem Einfallswinkel, der den auf
die Schaufel wirkenden Widerstand (Luftwiderstand) minimiert, wie
in 17 gezeigt wird. Im Allgemeinen, trotz der Abhängigkeit
von der Gestalt der Schaufel, ist die Bedingung für die Maximierung
des Auftriebs ein positiver Einfallswinkel zwischen 5 und 15° und die
Bedingung zum Minimieren des Widerstands ist ein Einfallswinkel
nahe bei Null, das heißt, zwischen –5 und 5°.
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Wenn
die obige Schaufeltheorie bei den Flüssen entlang der Querschnitte
des Axialschaufelrades 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel,
die durch Schneiden des Schaufelrades 31 entlang jeder Sehne
erhalten werden, zur Anwendung gebracht wird, kann der Einfallswinkel
als der Winkel j (gezeigt in 13) angenommen
werden, der durch den Winkel des Schlitzes 6 und den sich
nach vorne neigenden Winkel der Schaufelspitze gebildet wird. Wenn die
Schaufelspitze einen gewissen Einfallswinkel aufweist, und die Bedingung
zur Erhöhung
des Auftriebs eingerichtet ist, d.h., die Schaufel geformt ist,
um einen sich nach vorne neigenden Winkel aufzuweisen, können diese
Komponenten des in die Schlitze 6 eingesaugten Windes,
welche in der Schnittrichtung fließen, effektiv in eine Luftkapazität umgewandelt
werden, um die vorhandene Luftkapazität zu vergrößern. Zusätzlich, durch Festlegen des
Winkels, der durch den sich nach vorne neigenden Winkel und den Schlitz 6 gebildet
wird, auf einen Wert nahe bei Null, um den auf die Schaufelspitze
wirkenden Widerstand zu verringern, kann der Energieverlust in diesem
Abschnitt verhindert werden, um die Energieeffizienz des gesamten
Axialschaufelrades zu vergrößern. Die Schaufel
gemäß dem Ausführungsbeispiel
konzentriert sich auf die Luftkapazität, indem ein gewisser Winkel
zwischen dem sich nach vorne neigenden Winkel der Schaufelspitze
und dem Schlitz 6 bereitgestellt wird. Im Allgemeinen,
um eine solche Charakteristik bereitzustellen, muss der Winkel zwischen dem
sich nach vorne neigenden Winkel der Schaufelspitze und dem Schlitz 6 zwischen –5 und 15° liegen und
die Spitze muss in der Windausblasrichtung gebogen sein. Mit einem
zu großen
Winkel zwischen dem sich nach vorne neigenden Winkel der Schaufelspitze
und dem Winkel des Schlitzes 6, kann die Grenzschicht auf
der Saugseite der Schaufel 38 abgelöst werden, um die Effizienz
und die Luftkapazität zu
verringern. Mit einem zu kleinen Winkel wird die Auftriebserzeugung
verhindert, um die Luftkapazität zu
verringern, um dabei die Grenzschicht auf der positiven Druckseite
der Schaufel 38 abzulösen,
wobei die Effizienz reduziert wird. Zusätzlich, wenn die Spitze der
Schaufel 38 in der Windansaugrichtung gebogen ist, weist
die Schaufelspitze die entgegen gesetzte Wölbungsrichtung auf, um einen
Auftrieb zu bewirken, der in der entgegen gesetzten Wirkung wirkt,
wobei die Luftkapazität
verringert wird. Zusätzlich,
wenngleich in diesem Ausführungsbeispiel
der sich nach vorne neigende Winkel der Schaufel mit Ausnahme der
Schaufelspitze nahezu konstant ist, erhöht diese Konfiguration die
axiale Länge
des Axialschaufelrades 31 und daher die Größe der Schaufelradanordnung
in der Richtung der Schaufelradwelle. Daher ist die Umgebung der
Spitze einer Schaufel 48 des Axialschaufelrades 41 in
der Windausblasrichtung gebogen, wohin gegen die Wurzel der Schaufel
in der Windansaugrichtung gebogen ist, so dass der Querschnitt der
Schaufel 48 S-förmig
ausgebildet ist, wie in 14 und 15 gezeigt
ist. Dabei fließen
Luftströme,
die von der Spitze der Schaufel 48 einfließen, von
der Schaufelhinterkante ab, bevor sie die Schaufelwurzel erreichen,
wie in 11 gezeigt ist, so dass sich
die Luftströme
in der Nähe der
Schaufelwurzel nahezu entlang des Umfangs bewegen. In entsprechender
Art und Weise kann eine Schaufelradanordnung, welche die maximale P-Q-Charakteristik
aufweist, bereitgestellt werden, indem die Schaufelspitze in der
Windausblasrichtung gebogen ist, wobei die Umgebung der Wurzel der Schaufel 48 in
der Windansaugrichtung gebogen ist, die nicht in bedeutender Weise
von radialen Strömen beeinträchtigt wird,
um die Länge
des Axialschaufelrades 41 in der Richtung der Schaufelradwelle
und daher die Größe der Schaufelradanordnung,
insbesondere die axiale Größe davon,
zu verringern.
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Wenngleich
in diesem Ausführungsbeispiel die
Schaufelsorte mit einem sich nach vorne neigenden Winkel als Form
des Axialschaufelrades dargestellt wurde, können ähnliche Effekte erzielt werden, indem
dieses Ausführungsbeispiel
bei dem Axialschaufelrad der Radialbauart oder Schaufelbauart mit
einem nach hinten vorstehenden Winkel zur Anwendung gebracht wird,
wie in den obigen Ausführungsbeispielen
gezeigt ist. Aufgrund des synergetischen Effekts davon, kann diese
Kombination die Energieeffizienz verbessern oder die P-Q-Charakteristik weiter
verbessern. Wenn die obige Schaufelradan ordnung in einer elektronischen
Einrichtung bereitgestellt wird, z.B. in einem Personal Computer,
kann ein Geräusch
von der elektronischen Einrichtung verringert werden und die Kühlung und
Energieeffizienz kann verbessert werden.
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Wie
oben beschrieben wurde, bildet die Erfindung die Vielzahl von Schlitzen,
welche die inneren und äußeren umfänglichen
Abschnitte der ringförmigen
Wand miteinander in Kommunikation bringt, und biegt die Spitzen
der Schaufeln des Schaufelrades in der Drehrichtung. Diese Konfiguration
ermöglicht,
dass Luftströme,
die durch die Schlitze einfließen,
problemlos aufgenommen werden, um dabei die P-Q-Charakteristik der
Schaufelradanordnung zu verbessern und um ein Geräusch der
Schaufelradanordnung zu verringern. Ferner kann dies die Energieeffizienz
der Schaufelradanordnung verbessern.