[0001] Die Erfindung betrifft ein Laufrad, insbesondere Hochdrucklaufrad, für Radialgebläse
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Im Bereich der Lufthygiene werden Messgeräte zur Bestimmung des Keimgehaltes der
Luft eingesetzt. Bei der Impaktionsmethode wird die Luft in einem schlitzartigen Querschnitt
auf Geschwindigkeiten vom 10 m/sec. bis 70 m/sec. beschleunigt. Die
[0003] Volumenströme liegen bei 28 l/m. bis 100 l/min. Die dabei nötigen Druckdifferenzen
liegen bei 200 bis 5000 Pa. Die erforderlichen Gebläseleistungen betragen 1 bis 9
Watt.
[0004] Ebenso wird die Filtrationsmethode bei der Bestimmung des Keimgehaltes der Luft angewandt.
[0005] Hierbei wird die Luft durch Filter gesaugt und die Keime auf dem Filter abgeschieden.
[0006] Die Volumenströme liegen hier bei 3.5 l/min. bis 150 l/min., die nötigen Druckdifferenzen
bei 300 bis 8000 Pas. Die erforderlichen Gebläseleistungen betragen 1 bis 20 Watt.
[0007] Im Bereich des Arbeitsschutzes werden Staubmessgeräte, Schutzkleidungen mit gefilterter
Atemluft eingesetzt. Gebläseleistungen in diesem Anwendengsbereich liegen ebenfalls
in dem oben angeführtem Bereich.
[0008] In der Chirurgie werden ventilierte Atemluftschutzhauben eingesetzt, mit Gebläseleitungen
wie oben angeführt.
[0009] In der Medizin werden zur Behandlung von schlafbezogenen Atmungsstörungen, und bei
lebenserhaltenden Maßnamen (künstliche Beatmung) Geräte benötigt, die ebenfalls die
oben genannten Gebläseleistungen erfordern.
[0010] Nach umfangreichen Marktrecherchen wurde festgestellt ,daß Kleingebläse mit den zuvor
beschriebenen Leistungsanforderungen nicht angeboten werden. In der Praxis wird daher
mit stark überdimensionierten Radialgebläsen (Leistungsaufnahme bis 350 Watt) oder
auch Vakuumpumpen (Leistungsaufnahme bis 500 Watt ) gearbeitet. Ein wünschenswerter
netzunabhägiger Betrieb (Akku oder Batterie) ist unter diesen Bedingungen nicht möglich.
[0011] Ein bekanntes Radialgebläse, das der geforderten Leistung zumindest nahe kommt, wird
weiter unten erwähnt. Der bei diesem Gebläse eingesetzte Gleichstrommotor hat die
gleichen Daten wie der in der Erfindung verwandte Motor. Einziger Unterschied ist
,daß er nicht so hoch belastet werden kann. Bis zu einer Spannung von 13.2 V sind
abgegebene Leistung und die Drehzahl beider Motoren gleich.
[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Laufrad derart zu
verbessern, daß es eine erhebliche Leistungssteigerung aufweist, und sich insbesondere
als Hochdrucklaufrad für kleine Volumenströme bei einer deutlichen Steigerung des
Wirkungsgrades auszeichnet.
[0013] Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, durch diese Leistungsteigerung eine Miniaturisierung
und damit verbundene Gewichtsreduzierung bei Radialverdichtern zu erreichen, so daß
sich mit diesem neue Anwendungsbereiche erschließen lassen.
[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Laufrad
gelöst.
[0015] Versuche haben überraschenderweise ergeben, daß der Schaufeleintrittswinkel β
1 mmd. 40° und maximal 80° aufweisen sollte.
[0016] Messungen mit Laufrad (Fig.1und Fig.2) nach Anspruch 1 und 2 im Gehäuse mit Leitspirale.
[0017] Antriebsmotor: Nennspannug 9 V, Leerlaufdrehzahl 10000 UPM, Typenleistung 20 Watt
Drehmomentkonstante 7,97 mNm/Amp., Max. Wirkungsgrad 77,1% .
[0018] Im Diagramm (Fig.4) sind die Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Volumenstrom (Drosselkurve),
die Leistungsaufnahme des Motors und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems Gebläseleistung/Motor-Input)
angegeben.
[0019] Aus den errechneten Werten der Motorabgabeleistung (mit den Parametern des Arbeitspunktes
des maximalen Wirkungsgrades des Gesamtsystems) wurde der Wirkungsgrad des Radialverdichters
ermittelt. (Gebläseleistung/Motorabgabeleistung.)
[0020] Erste Messung bei einer konstanten Spannung von 9 V.
[0021] Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 38% bei 1100 Pa und 118 l/min. Gebläsewirkunsgrad
54% bei 1100 Pa und 118 l/min.
[0022] Zweite Messung bei einer konstanten Spannung von 12 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm
(Fig.5).
[0023] Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 38% bei 2150 Pa und 128 l/min. Gebläsewirkungsgrad
53% bei 2150 Pa und 128 l/min.
[0024] Dritte Messung bei einer konstanten Spannung von 13.2 V (Radialgebläse wie oben)
Diagramm (Fig.6).
[0025] Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 38% bei 2800 Pa und 125 l/min. Gebläsewirkungsgrad
52% bei 2800 Pa und 125 l/min.
[0026] Vierte Messung bei einer konstanten Spannung von 15 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm
(Fig.7).
[0027] Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 41% bei 3650 Pa und 141 l/min. Gebläsewirkungsgrad
55.7% bei 3650 Pa und 141 l/min.
[0028] Fünfte Messung bei einer konstanten Spannung von 18 V (Radialgebläse wie oben) Diagramm
(Fig.8).
[0029] Maximaler Wirkungsgrad des Gesamtsystems 40% bei 5460 Pa und 150 l/min. Gebläsewirkungsgrad
50.5% bei 5460 Pa und 150 l/min.
[0030] Insbesondere durch die spezielle Laufradausbildung nach Anspruch 1 und 2 der Erfindung,
mit einem Schaufeleintrittswinkel β
1 = 70.7 Grad (so daß die Eintrittsöffnung des Schaufelkanales auf das Laufradzentrum
gerichtet ist) und einem Schaufelkanal wie er in Fig.3 dargestellt ist, wurde in überraschender
und nicht vorhersehbarer Weise ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt.
[0031] In allen fünf gemessenen Arbeitsbereichen liegt der Gebläsewirkungsgrad zwischen
50.5%-55.7%.
[0032] Ein Vergleich mit dem Radialgebläse U97EM-12KK-3 12VDC des Standes der Technik (Micronel
AG) mit den Messungen der Erfindung bei 12V und 13.2V zeigt im Bereich 50 bis 100
l/min. eine dreifach höhere Gebläseleistung der Erfindung bei gleicher Motorspannung.
[0033] Versuche mit Schaufeleintrittswinkeln β
1 <40 Grad (die nach "Pfleiderer, C.: Die Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase,
Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg (1961) 1-23, 91-248, 352-393" errechneten
Werte für die gemessenen fünf Arbeitsbereiche des Schaufeleintrittswinkels lagen zwischen
36-37 Grad) ergaben eine Reduzierung der Pumpenleistung um die Hälfte. Dabei wurden
die Laufräder mit Winkeln kleiner 40 Grad im gleichem Gehäuse betrieben.
[0034] Versuche mit einem Schaufelkanalquerschnitt, der sich bis zum Ende der Umfangskante
stetig vergrößert (wie in Bohl, Willi: Strömungsmaschinen, Vogel, (Vogel-Fachbuch)
(Kamprath-Reihe) 2. Berechnung und Konstruktion - 5. Aufl.-1995, vorgegeben), brachten
ebenfalls eine Verschlechterung der Gebläseleistung.
[0035] Die Versuche zeigen, daß das nach Anspruch 1 und/oder 2 gestaltete Laufrad die Hauptursache
für die große Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades
ist.
[0036] Der hohe Wirkungsgrad ist um so erstaunlicher, da in der genannten Literatur genau
das Gegenteil angegeben wird. Als wichtigste Größen werden die spezifische Drehzahl
n
q und die Gebläsegröße, ausgedrückt im Volumenstrom, genannt. Für Radiallaufräder soll
die spezifische Drehzahl n
q zwischen 10 und 80 min
-1 liegen.
[0037] Bei den fünf angeführten Versuchen mit dem erfindungsgemäß gestalteten Laufrad lagen
die n
q-Werte bei 9.1 bis 9.9 min
-1, erreichen also nicht einmal den unteren Grenzwert.
[0038] Der Volumenstrom bei dem Gebläse ist so klein, daß er in der letztgenannten Literatur
( Bild 1.31 Seite 35 ) nicht mehr dargestellt wird. Es wird angenommen, daß ein Gebläse
dieser geringen Größe einen so schlechten Wirkungsgrad hat, daß es nicht mehr relevant
ist.
[0039] Das ist jedoch nach den Erkenntnissen des Erfinders nicht der Fall.
[0040] Da hier eine kleine Gebläsegröße mit gutem Wirkunggrad gewollt ist, wäre also nur
die spezifische Drehzahl zu erhöhen. Eine Verdopplung der Motordrehzahl würde den
n
q - Wert auf knapp 20 min
-1 erhöhen, was den Umkehrschluß zuläßt, daß die patentgemäße Gestaltung des Gebläselaufrades
zur Folge hat, daß schon bei relativ kleinen Drehzahlen, im Verhältnis zum Laufraddurchmesser,
gute Ergebnisse erreicht werden.
[0041] Betrachtung des statischen Druckes (Volumenstrom = 0) bzw. an der Saugseite gemessen
auch als Saugkraft bezeichnet.
[0042] In der Offenlegungsschrift DE 3204113 A1 wird für normale Hausstaubsauger pro mm
Wassersäule Saugkraft 0,26 bis 0,29 Watt Leistungsaufnahme angegeben, im Mittel also
0,275 Watt.
[0043] Die dagegen in der Offenlegungschrift vorgestellte Erfindung benötigt im Mittel pro
mm Wassersäule 0,17 Watt, was eine Leistungssteigerung von fast 40% gegenüber normalen
Hausstaubsaugern bedeutet.
[0044] Bei der genannten Erfindung handelt es sich um ein dreistufiges Gebläse (3 Schaufelräder
und 2 Leiträder). Auch Hausstaubsauger haben in der Regel ein mehrstufiges Gebläse.
[0045] Bei den durchgeführten fünf Messungen mit dem erfindungsgemäßem Laufrad wurden pro
Millimeter Wassersäule Saugkraft 0.0225 bis 0.034 Watt benötigt, im Mittel wurden
0,0287 Watt benötigt.
[0046] Daraus ergibt sich eine Leistungssteigerung, gegenüber den Hausstaubsaugern, von
89% und gegenüber der in der Offenlegungsschrift zitierten Erfindung von 83%.
[0047] Der deutlich höhere Wirkungsgrad des neuen Miniaturgebläses (ca.40%) gegenüber Hausstaubsaugern
(nach Herstellerangaben 12 bis 22% ) ist ein Hinweis darauf, daß mit dem Laufrad (größeren
Durchmessers) nach Anspruch 1 und/oder 2 auch Gebläse dieser Größe verbessert werden
können. Selbstverständlich lassen sich mit dem neuen Laufrad auch mehrstufige Gebläse
entwickeln.
[0048] Versuche mit einem nochmals stark verkleinertem Laufrad (Fig.10) nach Anspruch 1
und/oder 2 Laufraddurchmesser 26 mm, Schaufelhöhe 2,5 mm, geschlossenes Laufrad.
[0049] Antriebsmotor des Laufrades: DC Motor 0.25 Watt, Nennspannung 3.5 V, Gewicht 3,5
g. Gesamtgewicht: Laufrad, Spiralgehäuse, Motor: 9.5 g.
[0050] Das nochmals stark verkleinerte Gebläse wurde in ein zylindrisches Gehäuse mit einem
Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 100 mm Länge integriert und Luft durch einen
Filter von 37 mm Durchmesser gesaugt. Auf dem Filter werden Partikel, Keime, und Pilzsporen
bis zu einem Durchmesser von 0.3 µm abgeschieden. Das kleine Funktionsmodell eines
Miniatur-Luftkeimsammlers wurde von einer Lithiumbatterie mit einer Nennspannung von
3,6 Volt betrieben. Die vom Motor aufgenommene Leistung betrug 0.054 Watt. Die Betriebszeit
mit einer Batterie betrug 150 stunden. Der Volumenstrom durch den Filter lag bei 60
Liter pro Stunde. Das Gesamtgewicht des Funktionmodells beträgt 90 Gramm.
[0051] Mit diesem batteriebetriebenen Miniatur-Luftkeimsammler können erstmals Langzeitmessungen
durchgeführt werden. Sein geringes Gewicht (90g) läßt auch personenbezogene Messungen
zu, da er problemlos am Körper getragen werden kann.
[0052] Die vorliegende Erfindung wird beispielsweise mittels der beiliegenden Figuren 1
bis 11 näher erläutert.
[0053] In Figur 1 und 2 ist das Radiallaufrad gemäß der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht
dargestellt.
[0054] In Figur 1 wird die Deckscheibe des Laufrades gezeigt, die aus einer flachen kreisrunden
Scheibe (1) besteht, die im Zentrum eine ebenfalls kreisrunde Öffnung (2) hat. Die
Scheibe hat auf einem oder mehreren Lochkreisen ( in Abhängigkeit vom Laufraddurchmesser)
Bohrungen (3), die der Schaufelanzahl entsprechen.
[0055] Das in Figur 2 dargestellte Laufrad (4) ist aus einem Stück gefräst (oder als Kunststoffspritzgussteil
ausgebildet ) wobei die Schaufelhöhe (5) (siehe Querschnittdarstellung) konstant ist.
Die Schaufeln (6)sind rückwärts gekrümmt. Auf den Schaufeln (6), auf einem oder mehreren
Lochkreisen angeordnet, befinden sich zylindrische Noppen (7) zur Aufname der Deckscheibe
(1). Die Noppen (7) werden mit der Deckscheibe (1) ultraschallverschweißt (bei Kunststoff)
oder vernietet (bei Metall). Die zentrische Bohrung (8) dient zur Befestigung an der
Antriebswelle.
[0056] In Figur 2a (Ausschnitt aus Figur 2) ist der Schaufelkanal, gebildet von zwei profilierten
Laufradschaufeln, sowie der Schaufeleintrittswinkel β
1 und β
2 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
[0057] In Figur 3 ist das kommplette Radialgebläse dargestellt.
[0058] In Figur 4, 5, 6, 7, und 8 ist die Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Volumenstrom,
die Leistungaufnahme des Motors und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems des Radialverdichters
gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
[0059] In Figur 9 zeigt das Laufrad nach Anspruch 1 und 2 der vorliegenden Erfindung, das
einen Durchmesser von 26 mm aufweist.
[0060] In Figur 10 ist der Schaufelkanalquerschnitt A
k in Abhängigkeit von der Kanallänge l gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
[0061] Andere Abmessungen und Gewichte für das erfindungsgemäße Laufrad sind für den Fachmann
ohne weiteres denkbar.