EP0459497A2 - Axiallüfter mit zylindrischem Aussengehäuse - Google Patents

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EP0459497A2
EP0459497A2 EP91108890A EP91108890A EP0459497A2 EP 0459497 A2 EP0459497 A2 EP 0459497A2 EP 91108890 A EP91108890 A EP 91108890A EP 91108890 A EP91108890 A EP 91108890A EP 0459497 A2 EP0459497 A2 EP 0459497A2
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    • F04D25/00—Pumping installations or systems
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    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D25/0606—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38—Blades
    • F04D29/384—Blades characterised by form
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/02—Formulas of curves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/05—Variable camber or chord length

Definitions

  • the invention relates to an axial fan with a substantially cylindrical outer housing and a fan wheel revolving therein, the hub of which is seated on the rotor of a centrally arranged electric drive motor, the stator of which is held by webs which extend on the pressure side to the outer housing, and the radially twisted blades of which have a forward curvature with a curvature that changes from the cross section to the outer cross section.
  • Such fans are installed to generate a cooling air flow, for example in personal computers and other electronic devices. Since such devices are often operated at desks and comparable workplaces, the noise development, which is associated with the generation of the cooling air flow plays a significant role. For fans of the type described at the outset, the task is therefore not only to generate a sufficient volume flow at such a pressure increase which is sufficient to overcome the flow resistance specified by the device construction, but also to cause as little working noise as possible. Furthermore, the need to reduce manufacturing costs has led to the manufacture of both the outer housing and the fan wheel from injection-molded plastic, whereas in the past the outer housing was die-cast from metal and the fan wheel was welded from sheet metal; this in turn has consequences for the design of the fan.
  • the fan wheel of the known fan described at the outset has seven blades, the cross-section of which is designed in every circumferential plane from the hub to the outer edge for the same characteristic point - that is, the same volume flow at a certain pressure increase.
  • the wing cross-section in the hub area has a strong curvature and at the same time a large setting angle (against the axis perpendicular); towards the outside, both the curvature and the setting angle decrease.
  • the cross section lengthens in accordance with the increasing scope.
  • this fan was only able to meet the expectations placed on it to a limited extent.
  • the volume flow with free-blowing operation seemed to indicate the generation of sufficient air circulation, the practical use showed realistic Conditions that the pressure increase was not sufficient to maintain the required volume flow even against the resistance at the place of use.
  • the aim of the invention was therefore to design an axial fan of the present type in such a way that, with the greatest possible reduction in operating noise, an increase in pressure is achieved which maintains the required volume flow of air even under installation conditions.
  • vanes in the hub area have a cross section designed for small volume flow and small pressure increase, in the outer area, on the other hand, a cross section designed for higher volume flow and pressure increase values, while the cross-sectional design in the area in between changes continuously and the vanes relatively small change in curvature are also slightly twisted overall.
  • the front edges starting from the hub, initially curve radially and further outward with the direction of rotation, while preferably the rear edges are inclined forwardly against the hub and are curved outward of the central section against the direction of rotation.
  • the wings are particularly preferably arranged in an odd number on the handle because this eliminates noises which otherwise occur in even-numbered wings due to the even-numbered division of the circumference.
  • the stator of the electric drive motor is also particularly preferably held by an even number of webs on the outer housing, as a result of which the undesired noises can be further reduced.
  • the forward curvature of the vanes particularly preferably decreases with increasing distance from the hub, within a cross-section of the vanes, that is to say at a constant one Distance from the hub, preferably the forward curvature increases towards the rear edge of the wings. It has been shown that such a shape particularly advantageously realizes the radial dependence of the volume flow and the pressure increase according to the invention.
  • the outer housing 1 of the axial fan consists of one piece and has a cylindrical section 2, which is delimited on the end face by molded-on, mutually aligned flange sections 3. In the corner areas of the pressure side, the cylindrical section 2 merges into extensions 4. In these, for example, there are four webs 5 which - parallel to the circumference - run parallel to the radius and open into a central plate 6 which carries the stator (not shown) of the (electric) drive motor. Holes 7 in the corners of the flanges 3 are used to fasten the fan, for example in a monitor housing.
  • the fan wheel designated as a whole by 10, has a hub 11, the diameter of which is substantially equal to the diameter of the plate 6, and which cup-shaped engages over the stator of the electric motor fastened on the plate 6 and is in operative connection with its rotor part.
  • the fan blades 12 with the hub 11 are made in one piece, which is produced in a plastic injection molding process.
  • FIG. 3 illustrates the different cross-sectional configuration of the blades in radially different circumferential planes (in the opposite direction of rotation; cf. direction of rotation arrow 8) more clearly than the top view of the middle blade 12 in FIG. 2.
  • the wing 12 attaches to the hub 11 in the hub region.
  • the middle profile shows the cross section 14, and the cross section 15 strongly outlined in FIG. 3 illustrates the wing profile on the outer circumference of the fan wheel. It shows that both the curvature, namely the greatest distance of the wing inner profile from the edge connecting 16 and the setting angle of this edge connecting relative to the perpendicular 17 to the axis 18, changes only slightly in the three cross-sectional (circumferential) planes.
  • the curvature has the shape of a forward curvature, which decreases with increasing distance from the hub 11.
  • the forward curvature - viewed in cross section of a wing - increases steadily from the front edge 20 to the rear edge 21.
  • This configuration of the vane 12 results if the radially inner vane profile (in the hub area) is given smaller values for volume flow and pressure increase than the configuration determination of the cross-section on the outer diameter when designing the profile; a suitable interpolation takes place in between.
  • FIG. 4 shows the corresponding cross-sectional configurations 13a, 14a and 15a of a wing which has been given the same characteristic values over its entire radial extent.
  • the top view of the impeller 10 in FIG. 1 illustrates the crescent shape of the leading edges 20 and the trailing edges 21 of each wing 12.
  • the leading edges 20 initially run radially outward and then are curved against the direction of rotation, while the trailing edges 21 start tilted backwards on the hub 11 and run outward of the wing center section with the direction of rotation curved.
  • the wing cross section 14 has the greatest length in the central section (FIG. 3).

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Axiallüfter mit einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse (1) und einem darin umlaufenden Lüfterrad (10), dessen Nabe (11) auf dem Rotor eines elektrischen Antriebsmotors sitzt, wobei der Stator des Antriebsmotors von Stegen (5) gehalten ist, die sich auf der Druckseite zum Außengehäuse (1) erstrecken. Die Flügel (12) des Axiallüfters sind radial verwunden und besitzen eine Vorwärtskrümmung mit einer sich vom Naben- zum Außenquerschnitt verändernden Wölbung. Um eine Druckerhöhung bei gleichzeitiger Reduzierung des Betriebsgeräusches zu erzielen, besitzen die Flügel im Nabenbereich einen für kleinen Volumenstrom und kleine Druckerhöhung ausgelegten Querschnitt (13) und im Außenbereich hingegen einen für höhere Volumenstrom- und Druckerhöhungswerte ausgelegten Querschnitt (15). <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Axiallüfter mit einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse und einem darin umlaufenden Lüfterrad, dessen Nabe an dem Rotor eines zentrisch angeordneten elektrischen Antriebsmotors sitzt, dessen Stator von Stegen gehalten ist, die sich auf der Druckseite zum Außengehäuse erstrecken, und dessen radial verwundene Flügel eine Vorwärtskrümmung mit einer sich vom Haben- zum Außenquerschnitt ändernden Wölbung haben.
  • Derartige Lüfter werden zur Erzeugung eines Kühlluftstromes beispielsweise in Personalcomputer und andere elektronische Geräte eingebaut. Da solche Geräte vielfach an Schreibtischen und vergleichbaren Arbeitsplätzen betrieben werden, spielt die Geräuschentwicklung, welche mit der Erzeugung des Kühlluftstromes verbunden ist, eine beträchtliche Rolle. An Lüfter der eingangs geschilderten Art wird daher nicht nur die Aufgabe gestellt, einen ausreichenden Volumenstrom bei einer solchen Druckerhöhung zu erzeugen, welche zur Überwindung des von der Gerätekonstruktion vorgegebenen Strömungswiderstandes ausreicht, sondern dabei zugleich auch möglichst geringe Arbeitsgeräusche zu verursachen. Ferner hat die Notwendigkeit, Herstellkosten zu reduzieren, zur Fertigung sowohl des Außengehäuses als auch des Lüfterrades aus gespritztem Kunststoff geführt, während früher das Außengehäuse im Druckgußverfahren aus Metall hergestellt und das Lüfterrad aus Blech geschweißt wurde; dies hat wiederum Konsequenzen für die konstruktive Auslegung des Lüfters.
  • Das Lüfterrad des eingangs geschilderten, bekannten Lüfters besitzt sieben Flügel, deren Querschnitt in jeder Umfangsebene von der Nabe bis zum Außenrand auf denselben Kennlinienpunkt - also denselben Volumenstrom bei einer bestimmten Druckerhöhung - hin ausgelegt ist. Demzufolge hat der Flügelquerschnitt im Nabenbereich eine starke Wölbung und zugleich einen großen Einstellwinkel (gegen die Achssenkrechte); nach außen hin nehmen sowohl die Wölbung als auch der Einstellwinkel ab. Zugleich verlängert sich der Querschnitt entsprechend dem größer werdenden Umfang.
  • Im Betrieb hat dieser Lüfter die in ihn gesetzten Erwartungen nur bedingt erfüllen können. Obgleich der Volumenstrom bei freiblasendem Betrieb auf die Erzeugung einer ausreichenden Luftumwälzung hinzudeuten schien, zeigte der praktische Einsatz unter realistischen Bedingungen, daß die Druckerhöhung nicht ausreichte, den erforderlichen Volumenstrom auch gegen den Widerstand am Einsatzort beizubehalten.
  • Ziel der Erfindung war es daher, einen Axiallüfter der vorliegenden Art so auszubilden, daß bei tunlichster Reduzierung des Betriebsgeräusches eine Druckerhöhung erzielt wird, welche auch unter Einbaubedingungen den erforderlichen Volumenstrom an Luft aufrechterhält.
  • Dieses Ziel ist dadurch erreicht worden, daß die Flügel im Nabenbereich einen für kleinen Volumenstrom und kleine Druckerhöhung ausgelegten Querschnitt, im Außenbereich hingegen einen für höhere Volumenstrom- und Druckerhöhungswerte ausgelegten Querschnitt aufweisen, während sich die Querschnittsauslegung in dem dazwischenliegenden Bereich kontinuierlich ändert und die Flügel bei relativ geringer Wölbungsänderung insgesamt auch gering verwunden sind. Eine nur mäßige Verdichtungs/Volumenstrom-Leistung (Förderleistung) im nabennahen Bereich der Flügel, also dem geringerer Umfangsgeschwindigkeit, wird auf diese Weise im Außenbereich bei höherer Umfangsgeschwindigkeit gewissermaßen überkompensiert. Es hat sich gezeigt, daß ein solches Lüfterrad in einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse, welches so gut wie keine Druckerhöhung infolge radial gerichteter Beschleunigungskomponenten zuläßt, ein deutlich steiferes Volumenstrom/Druckverhalten zeigt als der oben erörterte bekannte Asiallüfter, also die Abnahme des Volumenstroms mit steigendem Gegendruck und entsprechender Druckerhöhung geringer ausfällt.
  • Eine weitere Verminderung des Geräusches, insbesondere der unangenehmen Frequenzanteile ergibt sich, wenn in Weiterbildung der Erfindung die Vorder- und Hinterkanten der Flügel sichelförmig verlaufen, wobei bevorzugt der Mittelquerschnitt die größte Länge hat. Dieser Effekt ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die geometrischen Gegebenheiten weder der Flügel selbst noch deren Beziehung zu den Stegen die Ausbildung von Luftschwingungen definierter Frequenzen oder von Schwebungen begünstigt.
  • Bevorzugt verlaufen die Vorderkanten von der Nabe ausgehend zunächst radial und weiter auswärts mit der Drehrichtung gekrümmt, während bevorzugt die Hinterkanten vorwärts geneigt an der Nabe ansetzen und auswärts des Mittelabschnitts gegen die Drehrichtung gekrümmt verlaufen.
  • Besonders bevorzugt sind die Flügel in einer ungeradzahligen Anzahl an der Habe angeordnet, weil dadurch Geräusche eliminiert werden können, welche ansonsten bei geradzahligen Flügeln aufgrund der geradzahligen Umfangsteilung auftreten.
  • Besonders bevorzugt ist der Stator des elektrischen Antriebsmotors außerdem von einer geradzahligen Anzahl an Stegen am Außengehäuse gehalten, wodurch die unerwünschten Geräusche weiter vermindert werden können.
  • Besonders bevorzugt nimmt die Vorwärtskrümmung der Flügel mit zunehmendem Abstand von der Nabe ab, innerhalb eines Flügelquerschnitts, also bei konstantem Abstand von der Nabe, nimmt bevorzugt die Vorwärtskrümmung zur Hinterkante der Flügel hin zu. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Formgebung die erfindungsgemäße radiale Abhängigkeit des Volumenstroms und der Druckerhöhung besonders vorteilhaft verwirklicht.
  • Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel, und zwar zeigt:
    • Fig. 1
    eine Draufsicht auf die Druckseite des erfindungsgemäßen Axiallüfters;
    Fig. 2
    eine Radialansicht des Lüfterrades in vergrößertem Maßstab;
    Fig. 3
    die Naben-, Mittel- und Außenquerschnitte eines Lüfterrad-Flügels in ihrer Relativlage; und - zum Vergleich -
    Fig. 4
    die Form und Relativlage entsprechender Querschnitte beim gattungsbildenden Stand der Technik.
  • Das Außengehäuse 1 des Axiallüfters besteht aus einem Stück und hat einen zylindrischen Abschnitt 2, der stirnseitig von angeformten, miteinander fluchtenden Flanschabschnitten 3 begrenzt ist. In den Eckbereichen der Druckseite geht der zylindrische Abschnitt 2 in Erweiterungen 4 über. In diesen setzen zum Beispiel vier Stege 5 an, die - gleichmäßig über den Umfang verteilt - radiusparallel verlaufen und in eine zentrische Platte 6 münden, welche den nicht dargestellten Stator des (elektrischen) Antriebsmotors trägt. Bohrungen 7 in den Ecken der Flanschen 3 dienen zur Befestigung des Lüfters beispielsweise in einem Bildschirmgehäuse.
  • Das im ganzen mit 10 bezeichnete Lüfterrad hat eine Nabe 11, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Platte 6 ist, und die topfförmig den auf der Platte 6 befestigten Stator des Elektromotors übergreift sowie mit dessen Rotorteil in Wirkverbindung steht. Am Umfang der Nabe 11 - in bekannter Weise nicht ganz gleichmäßig verteilt - sind zum Beispiel fünf Lüfterflügel 12 befestigt, welche die erfindungsgemäße Konfiguration aufweisen. Dabei bestehen die Lüfterflügel 12 mit der Nabe 11 aus einem Stück, welches im Kunststoff-Spritzverfahren hergestellt ist.
  • Fig. 3 veranschaulicht deutlicher als die Draufsicht auf die in Fig. 2 mittlere Schaufel 12 die unterschiedliche Querschnittsausbildung der Flügel in radial unterschiedlichen Umfangsebenen (bei entgegengesetzter Drehrichtung; vgl. Drehrichtungspfeil 8). Mit dem in Fig. 3 schraffierten Querschnitt 13 setzt der Flügel 12 im Nabenbereich an der Nabe 11 an. Das mittlere Profil zeigt der Querschnitt 14, und der in Fig. 3 stark umrandete Querschnitt 15 veranschaulicht das Flügelprofil am Außenumfang des Lüfterrades. Es zeigt sich, daß sich sowohl die Wölbung, nämlich der größte Abstand des Flügel-Innenprofils von der Randverbindenden 16 als auch der Einstellwinkel dieser Randverbindenden gegenüber der Senkrechten 17 zur Achse 18, in den drei Querschnitts-(Umfangs-)Ebenen nur wenig ändert.
  • Die Wölbung besitzt die Form einer Vorwärtskrümmung, welche mit zunehmendem Abstand von der Nabe 11 abnimmt. Dabei nimmt die Vorwärtskrümmung - im Querschnitt eines Flügels betrachtet - von der Vorderkante 20 zur Hinterkante 21 hin stetig zu.
  • Diese Konfiguration des Flügels 12 ergibt sich, wenn man bei der Profilgestaltung dem radial inneren Flügelprofil (im Nabenbereich) kleinere Werte für Volumenstrom und Druckerhöhung vorgibt als der Konfigurationsermittlung des Querschnitts am Außendurchmesser; dazwischen erfolgt eine geeignete Interpolation.
  • Zum Vergleich zeigt Fig. 4 die entsprechenden Querschnittsausbildungen 13a, 14a und 15a eines Flügels, dem über seine ganze radiale Erstreckung dieselben Kennlinienwerte vorgegeben wurden.
  • Die Draufsicht auf das Flügelrad 10 in Fig. 1 veranschaulicht den sichelförmigen Verlauf der Vorderkanten 20 und der Hinterkanten 21 jedes Flügels 12. Die Vorderkanten 20 verlaufen, von der Nabe 11 ausgehend, zunächst radial auswärts und sodann gegen die Drehrichtung gekrümmt, während die Hinterkanten 21 rückwärts geneigt an der Nabe 11 ansetzen und auswärts des Flügel-Mittelabschnitts mit der Drehrichtung gekrümmt verlaufen. Daraus folgt, daß der Flügelquerschnitt 14 im mittleren Abschnitt die größte Länge hat (Fig. 3).
  • Anstelle der dargestellten fünf Lüfterflügel kann auch eine andere ungeradzahlige oder geradzahlige Anzahl von Lüfterflügeln 12 vorgesehen werden. Außerdem lassen sich statt der vier dargestellten Stege 5, welche den Stator des elektrischen Antriebsmotors festhalten, auch eine andere geradzahlige oder ungeradzahlige Anzahl an Stegen 5 verwirklichen.

Claims (11)

  1. Axiallüfter mit einem im wesentlichen zylindrischen Außengehäuse (1) und einem darin umlaufenden Lüfterrad (10), dessen Nabe (11) auf dem Rotor eines elektrischen Antriebsmotors sitzt, dessen Stator von Stegen (5) gehalten ist, die sich auf der Druckseite zum Außengehäuse (1) erstrecken, und dessen radial verwundene Flügel (12) eine Vorwärtskrümmung mit einer sich vom Naben- zum Außenquerschnitt ändernden Wölbung haben,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (12) im Nabenbereich einen für kleinen Volumenstrom und kleine Druckerhöhung ausgelegten Querschnitt (13), im Außenbereich hingegen einen für höhere Volumenstrom- und Druckerhöhungswerte ausgelegten Querschnitt (15) aufweisen, während sich die Querschnittsauslegung in dem dazwischenliegenden Bereich kontinuierlich ändert und die Flügel (12) bei relativ geringer Wölbungsänderung insgesamt auch gering verwunden sind.
  2. Axiallüfter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine ungeradzahlige Anzahl an Flügeln (12) vorgesehen sind.
  3. Axiallüfter nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß fünf Flügel (12) vorgesehen sind.
  4. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator des elektrischen Antriebsmotors von einer geradzahligen Anzahl an Stegen (5) gehalten ist.
  5. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorder- und Hinterkanten (20, 21) der Flügel (12) sichelförmig verlaufen.
  6. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelquerschnitt (14) die größte Länge hat.
  7. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärtskrümmung der Flügel (12) mit zunehmendem Abstand von der Nabe (11) abnimmt.
  8. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärtskrümmung der Flügel (12) zur Hinterkante (21) der Flügel (12) hin krümmt.
  9. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten (20) der Flügel (12) von der Nabe (11) ausgehend zunächst radial und weiter auswärts gegen die Drehrichtung (8) gekrümmt verlaufen.
  10. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkanten (21) der Flügel (12) rückwärts geneigt an der Nabe (11) ansetzen und auswärts des Mittelabschnitts mit der Drehrichtung gekrümmt verlaufen.
  11. Axiallüfter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (11) den Stator des elektrischen Antriebsmotors umgibt.
EP91108890A 1990-05-31 1991-05-31 Axiallüfter mit zylindrischem Aussengehäuse Expired - Lifetime EP0459497B1 (de)

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