[0001] Die Erfindung betrifft einen Axialventilator mit einem Motor, der einen Stator und
einen Rotor umfasst, wobei vom Außenumfang des als Ventilatorlaufrad ausgebildeten
Rotors Schaufeln abragen, die ein gasförmiges Medium in einer axial gerichteten Hauptströmungsrichtung
von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite bewegen.
[0002] Bei derartigen Ventilatoren, die in vielfältigen Ausführungen bekannt sind, besteht
ein ständiges Entwicklungsziel darin, den erreichbaren Wirkungsgrad zu maximieren.
Unter dem Wirkungsgrad wird dabei - bezogen nur auf das Ventilatorlaufrad - im engeren
Sinn das Verhältnis der Förderleistung des Ventilators zum Leistungsbedarf der Ventilatorwelle
verstanden. Bei einer vorgegebenen Wellenleistung wird der Wirkungsgrad durch den
geförderten Volumenstrom und die durch den Ventilator bewirkte Totaldruckerhöhung
bestimmt, aus deren Produkt sich die Förderleistung ergibt, wobei entsprechend der
sogenannten Bernoulli-Gleichung unter Totaldruck die Summe aus statischem und dynamischem
Druck verstanden wird.
[0003] Im Zusammenhang mit der Neufassung der sogenannten Ökodesign-Richtlinie bzw. ErP-Richtlinie
(Richtlinie 2009/125/EG der Europäischen Union), die zur Minimierung von schädlichen
Umweltbelastungen nicht nur energiebetriebene Produkte (Energy-using products), sondern
generell energieverbrauchsrelevante Produkte ("
Energy-
related
Products") beinhaltet, hat dieses Entwicklungsziel an Relevanz zugenommen, wobei es
auf jeden Prozentpunkt der Steigerung des Wirkungsgrades ankommt. Dies gilt sowohl
für Ventilatoren, die als "Stand-alone"-Gerät betrieben werden, als auch für Ventilatoren,
die als Komponente in ein Gerät oder in eine Anlage integriert sind. Die ErP-Richtlinie
legt dabei bestimmte Mindestwirkungsgrade fest, wobei hier unter dem Wirkungsgrad
im weiteren Sinne der Wirkungsgrad des gesamten Ventilators, also der Einheit aus
Steuerelektronik (falls vorhanden), des Motors und des Ventilatorlaufrades bewertet
werden.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Axialventilator der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit dem auf konstruktiv wenig aufwändige Weise Verbesserungen des
Betriebsverhaltens hinsichtlich des Wirkungsgrades erzielt werden können. Dabei soll
das Geräuschverhalten nicht beeinträchtigt bzw. vorzugsweise ebenfalls verbessert
werden.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Ausgangsseite mittelbar
oder unmittelbar am Stator konzentrisch zu einer Statornabe ein rotationssymmetrischer
Strömungsleitkörper befestigt ist, der einen Außendurchmesser aufweist, welcher größer
als der Außendurchmesser der Statornabe, größer als der Außendurchmesser des Rotors
und kleiner als der Durchmesser eines Umkreises um die Schaufeln ist.
[0006] Ein solcher erfindungsgemäß vorgesehener Strömungsleitkörper, der in Strömungsrichtung
hinter dem Ventilator angebracht ist, wirkt vorteilhafterweise als eine Versperrungs-
oder Prallplatte für den geförderten Gasstrom, durch die verhindert wird, dass ein
Volumenstrom aus einem Verwirbelungsgebiet hinter dem Motor angesaugt wird. Derartige
Verwirbelungszonen, die nach Ablösung einer Strömung von einem umströmten Körper entstehen,
werden im Falle einer Flüssigkeit als Strömungsmedium auch als "Totwassergebiete"
bezeichnet. Dort gibt es keine laminare Strömung mehr.
[0007] Der erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsleitkörper bewirkt außerdem, dass eine Rückströmung
des Strömungsmediums erst in einem Durchmesserbereich beginnen kann, der größer als
der Nabendurchmesser ist, wodurch die Rückströmung insgesamt erschwert wird. Dies
ist wiederum dadurch bedingt, dass die Rückströmung entgegen der Fliehkraft erfolgen
muss, welche proportional mit dem Abstand zur Ventilatorachse zunimmt. Ein sich insbesondere
beim Einsatz von Axialventilatoren bei erhöhtem Gegendruck ergebendes Rückstromgebiet
kann erfindungsgemäß vergleichsweise klein gehalten werden. Da sich die Strömung durch
den Lüfter erst bei einem größeren als dem Nabendurchmesser ablöst, kann sie bis zum
Zeitpunkt ihrer Ablösung auch einen vergleichsweise höheren Druck erreichen als ohne
den Strömungsleitkörper. Damit steigt die durch den Ventilator erzielbare Totaldruckerhöhung
an, und der Wirkungsgrad erhöht sich gegenüber einem Ventilator ohne Strömungsleitkörper
um einige Prozentpunkte.
[0008] Der erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsleitkörper kann mit Vorteil zusammen mit
einem am Axialventilator ebenfalls auf der Ausgangsseite am Stator angebrachten Schutzgitter
eingesetzt werden. Er kann dabei als separates Bauteil ausgeführt oder in das Schutzgitter
integriert sein, d. h. insbesondere daran oder darin befestigt sein. Auch eine einteilige
Ausführung mit dem Schutzgitter ist diesbezüglich möglich.
[0009] Der Strömungsleitkörper kann mit Vorteil als anklipsbares, anschraubbares, vernietbares
oder anschweißbares Kunststoff- oder Blechteil, also kraft-, form-und/oder stoffschlüssig
befestigbar, insbesondere in fertigungs- und montagetechnisch wenig aufwändiger Weise
als anklipsbares Kunststoffteil oder in robuster Bauart mit höherer Festigkeit als
anschweißbares Blechteil, ausgeführt sein.
[0010] In bevorzugter Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Strömungsleitkörper mit
konischer, insbesondere kegelstumpfartiger Grundgestalt ausgeführt ist, wobei seine
Mantelfläche im Montagezustand in vom Stator wegweisender Richtung divergiert. Hierbei
kommt in vorteilhafter Weise zum Tragen, dass die Schrägstellung der Mantelfläche
eine Umlenkung der Strömung nach außen und damit ein besseres Leitvermögen des Strömungsleitkörpers
bewirkt.
[0011] Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der
nachfolgenden Beschreibung enthalten. Anhand mehrerer in den beiliegenden Zeichnungsfiguren
dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators in perspektivischer
Darstellung, von der Eingangsseite des Strömungsmediums her gesehen,
- Fig. 2
- eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführung eines erfindungsgemäßen
Axialventilators,
- Fig. 3
- eine Aufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators
von der Ausgangsseite des Strömungsmediums her,
- Fig. 4
- eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators in perspektivischer
Darstellung, von der Eingangsseite des Strömungsmediums her gesehen,
- Fig. 5
- eine Seitenansicht der in Fig. 4 dargestellten Ausführung eines erfindungsgemäßen
Axialventilators,
- Fig. 6
- eine Aufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Ausführung eines erfindungsgemäßen Axialventilators
von der Ausgangsseite des Strömungsmediums her,
- Fig. 7
- in einer Darstellung ähnlich wie in Fig. 1 und 4, eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen
Axialventilators.
[0012] Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht
auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von
beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal
jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit
beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen
eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
[0013] In den Figuren der Zeichnung sind dieselben Teile auch stets mit denselben Bezugszeichen
versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.
[0014] Wie zunächst aus der Darstellung in Fig. 1 bis 3 für die erste Ausführung der Erfindung,
aber auch aus Fig. 4 bis 6 für die zweite Ausführung der Erfindung hervorgeht, umfasst
ein erfindungsgemäßer Ventilator 1, der - wie dargestellt - in axialer Bauart ausgeführt
ist, einen Stator 2 und einen Rotor 3, wobei am Außenumfang U3 des als Ventilatorlaufrad
mit einem Außendurchmesser D3 ausgebildeten Rotors 3 Schaufeln 4 befestigt sind, die
ein gasförmiges Medium in einer axial gerichteten Hauptströmungsrichtung S von einer
Eingangsseite E zu einer Ausgangsseite A bewegen. Die Spitzen der Schaufeln 4 laufen
dabei auf einem Umkreis U4 mit einem Durchmesser D4, der als Maximaldurchmesser des
Ventilatorlaufrades angesehen werden kann.
[0015] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Ausgangsseite A mittelbar oder unmittelbar
am Stator 2 konzentrisch zu einer Statornabe 2a ein rotationssymmetrischer Strömungsleitkörper
5 befestigt ist, der einen Außendurchmesser D5 aufweist, welcher größer als der Außendurchmesser
D2 der Statornabe 2a, und größer als der Außendurchmesser D3 des Rotors 3 ist. Seine
maximal mögliche Größe wird theoretisch durch den Durchmesser D4 des Umkreises U4
um die Schaufeln 4 begrenzt, wobei der Außendurchmesser D5 des Strömungsleitkörpers
5 jedoch mindestens 15 % kleiner als Durchmesser D4 des Umkreises U4 sein sollte,
damit ein Förderstrom in die axial gerichteten Hauptströmungsrichtung S gelangt.
[0016] Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile wurden bereits vorstehend aufgezeigt.
Insbesondere zeigt sich, dass die Strömung durch den Axialventilator 1 am Außendurchmesser
D5 des Strömungsleitkörpers 5, wo sie ablöst, einen höheren Druck erreichen kann als
am Außendurchmesser D2 der Statornabe 2a, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erzielt
wird.
[0017] Der Strömungsleitkörper 5 kann als anklipsbares, anschraubbares, vernietbares oder
anschweißbares Kunststoff- oder Blechteil, insbesondere als anklipsbares Kunststoffteil
oder als anschweißbares Blechteil, ausgeführt sein. In den beiden dargestellten Ausführungsformen
ist der Strömungsleitkörper 5 mit dem Stator 2, insbesondere mit dessen Statornabe
2a mittels der Schrauben 6 verschraubt.
[0018] Vorzugsweise ist der Außendurchmesser D5 des Strömungsleitkörpers 5 so bemessen,
dass der Außenumfang U5 des Strömungsleitkörpers 5 auf einem Radius R
opt verläuft, der vom Außenumfang U3 des Rotors 3 um maximal 40 % der Länge L4 der Schaufeln
4 entfernt ist, und vorzugsweise in einem Bereich verläuft, der der vom Außenumfang
U3 des Rotors 3 um etwa 20 % bis 30 % der Länge L4 der Schaufeln 4 entfernt ist. Da
die Schaufeln 4 unterschiedlich - z. B. mit einer Krümmung und/oder mit einer geschwungenen
Außenkante - ausgeführt werden können, wird als maßgebliche Länge L4 der Schaufeln
4 ein Wert angesehen, der sich entsprechend der Formel (1):

ergibt. Der o. g. optimale Verhältnisbereich lässt sich folglich auch durch die nachstehende
Formel (2) bzw. einfacher Formel (3)

ausdrücken. Die optimale Grenzwertbedingung für den Außendurchmesser D5 des Strömungsleitkörpers
5 lautet somit:

[0019] Im Falle einer konischen Ausbildung des Außenumfangs U3 des Rotors 3 wird dabei mit
dem größten Durchmesserwert D3 gerechnet.
[0020] Die entsprechenden Durchmesser- und Längenverhältnisse sind insbesondere durch Fig.
2 und 5 sehr gut veranschaulicht. In dem genannten Verhältnisbereich sind die größten
Zunahmen des Wirkungsgrades zu verzeichnen.
[0021] Um eine verbesserte Leitung der Strömung zu erzielen, kann durch eine Schrägstellung
der durch den Mantel 5a gebildeten Anströmfläche des Strömungsleitkörpers 5 eine Strömungsumlenkung
herbeigeführt werden. Zu diesem Zweck kann - wie dargestellt - erfindungsgemäß bevorzugt
vorgesehen sein, dass der Strömungsleitkörper 5 mit konischer, insbesondere kegelstumpfartiger
Grundgestalt ausgeführt ist, wobei seine Mantelfläche 5a im Montagezustand in vom
Stator 2 wegweisender Richtung divergiert. Wie insbesondere Fig. 2 und 5 veranschaulichen,
kann dabei in besonders bevorzugter Weise vorgesehen sein, dass die Mantelfläche 5a
des Strömungsleitkörpers 5 in einem Winkel p zur Ventilatorlängsachse X-X verläuft,
der nicht kleiner ist als 30° und vorzugsweise im Bereich von 55° bis 65° liegt. In
diesem Winkelbereich sind die größten Zunahmen des Wirkungsgrades zu verzeichnen.
[0022] Die beiden dargestellten Ausführungsformen der Erfindung zeigen, dass auf der Ausgangsseite
A am Stator 2 ein Schutzgitter 7 befestigt ist. Die in Fig. 4 bis 6 dargestellte zweite
Ausführung unterscheidet sich dabei von der ersten Ausführung in Fig. 1 bis 3 dadurch,
dass der Strömungsleitkörper 5 in das Schutzgitter 7 integriert ist. In beiden Ausführungen
sind der Strömungsleitkörper 5 und das Schutzgitter 7 mit der Statornabe 2a mittels
der Schrauben 6 verschraubt. Die Schrauben 6 durchgreifen dabei gleichzeitig Befestigungsöffnungen
in radial verlaufenden Befestigungsstreben 7a für das Schutzgitter 7 bzw. für dessen
konzentrisch umfangsgemäß verlaufende Gitterstreben 7b sowie Befestigungsöffnungen
in einem senkrecht zur axial gerichteten Hauptströmungsrichtung S verlaufenden Rand
5b des Strömungsleitkörpers 5.
[0023] Die bei der zweiten Ausführung vorliegende Integration des Strömungsleitkörpers 5
in das Schutzgitter 7 bedeutet, dass die konzentrisch umfangsgemäß verlaufende Gitterstreben
7b des Schutzgitters 7 in materialökonomisch günstiger Weise im Bereich des Strömungsleitkörpers
5 ausgespart sind. Der Mantel 5a des Strömungsleitkörpers 5 fügt sich in die Form
des Schutzgitters 7 ein und übernimmt vorteilhafterweise partiell dessen Schutzfunktion.
[0024] Die erste Ausführung zeigt stattdessen, dass es, um den Wirkungsgrad eines Ventilators
erfindungsgemäß zu erhöhen, nicht notwendig ist, am Rotor 3 eine neue Beschaufelung
vorzunehmen, sondern dass der erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsleitkörper 5 zusammen
mit an sich bekannten Ventilatorbauteilen eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten:
Es müssen zur Erhöhung des Wirkungsgrades keine neuen Ventilatortypen definiert werden,
sondern bestehende Ventilatoren können mit einem erfindungsgemäßen Strömungsleitkörper
5 nachgerüstet werden. Das Geräuschverhalten wird hierdurch nicht verschlechtert,
sondern es konnte sogar eine Verbesserung beobachtet werden.
[0025] Ein erfindungsgemäßer Axialventilator 1 kann beispielsweise zur Montage in einer
Gebäudewand oder in einem Gerät bzw. einer Maschine, vorzugsweise mit freier Ausblasung,
also ohne nachgeschaltetes Rohrsystem, vorgesehen werden, da in diesem Fall der Strömungsleitkörper
5 aufgrund der sich einstellenden Gesamtströmungsverhältnisse seine höchste Effizienz
entfaltet. Wie bereits aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist dabei die
vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen.
So fällt es auch in den Rahmen der Erfindung, wenn die geometrische Gestaltung des
Axiallüfters 1 von der dargestellten abweicht oder wenn anstelle des Schutzgitters
7 oder zusätzlich ein Tragkreuz für eine "Stand-alone"-Ausführung des erfindungsgemäßen
Axialventilators vorhanden ist. Der Strömungsleitkörper 5 kann - wie dargestellt -
unmittelbar am Stator 2 oder mittelbar - beispielsweise über das Schutzgitter 7 -
befestigt werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
[0026] Der Fachmann kann des Weiteren zusätzliche zweckmäßige technische Maßnahmen vorsehen,
ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So zeigt Fig. 7 eine Ausführung
eines erfindungsgemäßen Axialventilators 1, bei der die Schaufeln 4 außenseitig von
einer konisch in Hauptströmungsrichtung S einlaufenden und dann im weiteren Verlauf
hohlzylindrisch ausgebildeten Leitdüse 8 umgeben sind. Eine solche Leitdüse 8 kann
in Abhängigkeit von der Einbausituation mit unterschiedlicher axialer Länge ausgeführt
werden, z. B. als sogenannte Kurzdüse, bei der die Schaufeln 4 auf der Ausgangsseite
A aus dem Düsenkanal 8a herausstehen. Auf diese Weise wird u. a. vermieden, dass die
durch den Strömungsleitkörper 5 geführte Strömung auf die Düsenwandung 8b prallt,
was u. U. zu Wirkungsgradverlusten führen könnte. Die Leitdüse 8 optimiert im Zusammenwirken
mit dem Strömungsleitkörper 5 in synergistischer Weise das Strömungsbild im erfindungsgemäßen
Ventilator 1. In der dargestellten Ausführung ist die runde Leitdüse 8 in zweckmäßiger
Weise in eine sie allseits umfassende, insbesondere quadratische Rahmenstruktur 9
eingebettet, welche Befestigungsöffnungen 9a zur Montage aufweist.
[0027] Die Erfindung ist nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt,
sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen
aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich
praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein
an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern
ist die Anspruchsfassung lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung
zu verstehen.
Bezugszeichenliste
[0028]
- 1
- Axialventilator
- 2
- Stator von 1
- 2a
- Statornabe von 1
- 3
- Rotor von 1
- 4
- Schaufeln an 3
- 5
- Strömungsleitkörper
- 5a
- Mantelfläche von 5
- 5b
- Rand von 5
- 6
- Schraube
- 7
- Schutzgitter
- 7a
- radiale Befestigungsstrebe von 7
- 7b
- umfangsgemäße Gitterstrebe von 7
- 8
- Leitdüse
- 8a
- Düsenkanal von 8
- 8b
- Düsenwandung von 8
- 9
- Rahmenstruktur für 8
- 9a
- Befestigungsöffnungen in 9
- A
- Ausgangsseite
- D2
- Außendurchmesser von 2a
- D3
- Außendurchmesser von 3
- D4
- Außendurchmesser von 4
- D5
- Außendurchmesser von 5
- E
- Eingangsseite
- S
- Hauptströmungsrichtung
- U3
- Umfang von 3 (Durchmesser D3)
- U4
- Umkreis um 4 (Kreisumfang, Durchmesser D4)
- U5
- Umfang von 5 (Durchmesser D5)
- X-X
- Längsachse von 1
- µ
- Winkel zwischen 5a und X-X
1. Axialventilator (1) mit einem Motor, der einen Stator (2) und einen Rotor (3) umfasst,
wobei vom Außenumfang (U3) des als Ventilatorlaufrad ausgebildeten Rotors (3) Schaufeln
(4) abragen, die ein gasförmiges Medium in einer axial gerichteten Hauptströmungsrichtung
(S) von einer Eingangsseite (E) zu einer Ausgangsseite (A) bewegen,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausgangsseite (A) mittelbar oder unmittelbar am Stator (2) konzentrisch zu
einer Statornabe (2a) ein rotationssymmetrischer Strömungsleitkörper (5) befestigt
ist, der einen Außendurchmesser (D5) aufweist, welcher größer als der Außendurchmesser
(D2) der Statornabe (2a), größer als der Außendurchmesser (D3) des Rotors (3) und
kleiner als der Durchmesser (D4) eines Umkreises (U4) um die Schaufeln (4) ist.
2. Ventilator (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausgangsseite (A) am Stator (2) ein Schutzgitter oder ein Tragkreuz befestigt
ist.
3. Ventilator (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkörper (5) in das Schutzgitter oder das Tragkreuz integriert ist.
4. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkörper (5) als anklipsbares, anschraubbares, vernietbares oder anschweißbares
Kunststoff-oder Blechteil, insbesondere als anklipsbares Kunststoffteil oder als anschweißbares
Blechteil, ausgeführt ist.
5. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D5) des Strömungsleitkörpers (5) nach der Formel D5 < D3 +
0,4 * (D4 ― D3), vorzugsweise nach der Formel D5 = D3 + (0,2 ... 0,3) (D4 ― D3), bemessen
ist.
6. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleitkörper (5) mit konischer, insbesondere kegelstumpfartiger Grundgestalt
ausgeführt ist, wobei seine Mantelfläche (5a) im Montagezustand in vom Stator (2)
wegweisender Richtung divergiert.
7. Ventilator (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (5a) des Strömungsleitkörpers (5) in einem Winkel (µ) zur Ventilatorlängsachse
verläuft, der nicht kleiner ist als 30° und vorzugsweise im Bereich von 55° bis 65°
liegt.
8. Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) außenseitig von einer konisch in Hauptströmungsrichtung (S) einlaufenden
und im weiteren Verlauf insbesondere hohlzylindrisch ausgebildeten Leitdüse (8) umgeben
sind.