[0001] Die Erfindung betrifft einen Diffusor für eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 sowie eine Wärmepumpe mit einem solchen Diffusor.
[0003] Bei den darin beschriebenen Wärmepumpen ist einem Axialventilator ein Diffusor in
Strömungsrichtung nachgeordnet, welcher den vom Axialventilator erzeugten axialen
Luftstrom zu einem radialen Strömungsauslass umlenkt.
[0004] Bei der
DE 10 2019 203 171 A1 ist der Diffusor als eine kreisförmige Baueinheit ausgebildet, deren Boden kegelförmig
ausgebildet ist und deren umfangsseitige Mantelfläche durch ein Zugriffschutzelement
gebildet ist, welches eine Vielzahl von Luftöffnungen für den Austritt des Luftstroms
aufweist.
[0005] Bei der
KR 2006 0034609 A ist ebenfalls ein Diffusor einem Axialventilator nachgeordnet, wobei dieser ein kegelförmiges,
pyramidenförmiges oder auch dachförmiges Strömungsleitelement aufweist, welches den
Luftstrom umlenkt, sodass dieser über radiale Auslassöffnungen austreten kann.
[0006] Derartige Axialventilatoren werden insbesondere bei Luft/Wasser-Wärmepumpen eingesetzt,
bei denen mithilfe des Axialventilators ein Luftstrom durch einen als Verdampfer arbeitenden
Wärmeübertrager angesaugt und an die Umgebung abgegeben wird.
[0007] Wird der Luftstrom ohne Umlenkung in axialer Richtung abgeleitet, so strahlt der
vom Axialventilator erzeugte Schall direkt in die Umgebung ab.
[0008] Wärmepumpen mit einem radialen Luftauslass weisen daher einen geringeren Schalldruckpegel
auf im Vergleich zu Geräten ohne Umlenkung und mit axialem Austritt. Da sich Wärmepumpen,
speziell Split-Geräte mit Außenaufstellung häufig in der Nähe zu benachbarten Grundstücken
befinden, werden für solche Ausführungsvarianten Wärmepumpen mit radialem Auslass
und geringerer Geräuschemission angestrebt.
[0009] Die Umlenkung der zunächst axialen Luftströmung hin zu einem radialen Luftauslass
führt jedoch zu einem Druckverlust, der sich nachteilig auf die Effizienz der Wärmepumpe
auswirkt.
[0010] Durch die bekannten Diffusoren wird eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit
bewirkt, sodass ein Teil der kinetischen Energie der Luftströmung in Form von statischem
Druck zurückgewonnen wird. Durch diese Maßnahme kann der Druckverlust reduziert werden.
[0011] Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strömungsführung
bei einer Wärmepumpe zu verbessern.
[0012] Die Aufgabe wird gemäß Erfindung gelöst durch einen Diffusor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie durch eine Wärmepumpe mit einem solchen Diffusor. Die im Hinblick
auf den Diffusor angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß
auch auf die Wärmepumpe zu übertragen. Bei der Wärmepumpe handelt es sich insbesondere
um eine Luft/Wasser-Wärmepumpe.
[0013] Der Diffusor weist zunächst ein Gehäuse auf, welches sich entlang einer Mittenachse
in einer Axialrichtung erstreckt und welches an einer axialen Einlassseite eine Eintrittsöffnung
für Luft sowie eine dieser in Axialrichtung gegenüberliegende geschlossene Außenwand
und weiterhin seitlich angeordnete, radiale Auslassöffnungen aufweist.
[0014] Das Gehäuse weist weiterhin eine Strömungsleiteinrichtung auf. Diese ist entweder
im Inneren des Gehäuses angeordnet oder Gehäusewandungen sind derart ausgeformt, dass
sie die Strömungsleiteinrichtung ausbilden. Die Strömungsleiteinrichtung ist allgemein
zur Umlenkung eines im Betrieb über die Eintrittsöffnung einströmenden axialen Luftstroms
zu den radialen Auslassöffnungen ausgebildet. Sie weist einen zentralen Leitkegel
auf, welcher eine Mantelfläche aufweist. Der Leitkegel erstreckt sich entlang der
Mittenachse in Axialrichtung bis zu einem Kegelfuß, welcher in die Außenwand übergeht.
Aufgrund der kegelförmigen Ausgestaltung verbreitert sich dieser in Axialrichtung
und insbesondere nimmt ein Kegeldurchmesser zu. Der Leitkegel weist vorzugsweise eine
kreisrunde Grundfläche auf. Andere Grundflächen sind grundsätzlich möglich.
[0015] Auf der Mantelfläche sind mehrere Leitschaufeln ausgebildet, welche sich von der
Eintrittsöffnung in Axialrichtung bis zum Kegelfuß erstrecken, sodass mehrere voneinander
getrennte Umlenkkanäle ausgebildet sind. Der vom Axialventilator abgegebene Luftstrom
wird daher in mehrere Teilströme aufgeteilt, die durch die Umlenkkanäle zu jeweils
einer radialen Auslassöffnung umgelenkt werden. Ein jeweiliger Umlenkkanal ist insbesondere
als ein geschlossener Kanal ausgeführt. Ein jeweiliger Umlenkkanal verbindet die Eintrittsöffnung
mit jeweils (genau) einer der Auslassöffnungen. Die Leitschaufeln erstrecken sich
daher in Axialrichtung auch jeweils von einer auf der Einlassseite ausgebildeten vorderen
Außenwand entlang der Mantelfläche bis zur rückseitigen Außenwand. In radialer Richtung
erstrecken sie sich von der Mantelfläche jeweils bis zu einer Seitenwand des Gehäuses.
Ein jeweiliger geschlossener Umlenkkanal ist daher begrenzt durch die Mantelfläche
des Leitkegels, den Leitschaufeln sowie von Gehäusewandungen.
[0016] Im eingebauten Zustand schließt sich der Diffusor bei der Wärmepumpe insbesondere
unmittelbar an den Axialventilator an. Der Axialventilator weist üblicherweise eine
Ventilatornabe mit daran befestigten Laufrädern auf.
[0017] Der Leitkegel ist bevorzugt als ein Kegelstumpf ausgebildet, d.h. erweist eine abgeflachte
Kegelspitze auf, die eine Kegelstumpffläche ausbildet. Diese abgeflachte Kegelspitze
ist koaxial zur Ventilatornabe orientiert. Bevorzugt ist die Kegelstumpffläche in
Form und Größe an die Ventilatornabe angepasst.
[0018] Die Eintrittsöffnung ist insbesondere kreisrund und speziell - aufgrund des Leitkegels
mit der nabenseitigen Kegelstumpffläche - kreisringförmig ausgebildet. Die Eintrittsöffnung
ist im eingebauten Zustand, wenn also der Diffusor bei der Wärmepumpe verbaut ist,
unmittelbar dem Axialventilator nachgeordnet, wobei der Durchmesser der Eintrittsöffnung
vorzugsweise an den Durchmesser des Axialventilators angepasst ist und zwar insbesondere
derart, dass eine ringförmige Abströmfläche des Axialventilators mit der ringförmigen
Eintrittsöffnung fluchtet. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Strömungsführung
erreicht.
[0019] Durch diese Ausgestaltung mit dem Leitkegel und den darauf angebrachten Leitschaufeln
wird insgesamt eine besonders gleichmäßige und definierte Umlenkung des von dem Axialventilator
abgegebenen Luftstroms zu den radialen Auslassöffnungen erreicht. Durch die gezielte
Führung des Luftstroms in den Umlenkkanälen und entlang der Leitschaufeln werden die
Gefahr einer Strömungsablösung und die Gefahr von Turbulenzen in der Strömung reduziert,
wodurch insgesamt die Druckverluste bei der Strömungsführung reduziert sind.
[0020] Durch die Ausgestaltung als Diffusor wird zudem allgemein auch eine Vergrößerung
des Strömungsquerschnitt erreicht, d. h. eine freie Strömungsfläche der Eintrittsöffnung
ist geringer als die Summe der Austrittsflächen der Auslassöffnungen. Hierdurch wird
die gewünschte Verzögerung der Strömung erreicht und eine Diffusorwirkung erzeugt.
Dies führt dazu, dass kinetische Energie der Strömung in Form von statischem Druck
zurückgewonnen wird.
[0021] Insgesamt wird hierdurch der besondere Vorteil erreicht, dass sich der Arbeitspunkt
des Axialventilators im Kennlinienfeld derart verschiebt, dass ein geringerer Druckaufbau
erforderlich ist, um den gleichen Luftvolumenstrom über den Wärmeübertrager (Wärmetauscher)
zu fördern, welcher dem Axialventilator vorgeschaltet ist.
[0022] Insgesamt ist dadurch eine verbesserte Effizienz des Axialventilators und damit der
gesamten Wärmepumpe erreicht. Speziell kann dadurch eine Ventilatorfrequenz, d. h.
die Rotationsgeschwindigkeit des Axialventilators reduziert werden, wodurch als besonderer
Vorteil Schallemissionen verringert werden. Auch wirkt sich dies positiv auf die elektrische
Leistungsaufnahme des Ventilators aus. Alternativ kann bei gleicher Schallemission
und/oder gleicher elektrischer Leistungsaufnahme der Luftvolumenstrom erhöht werden,
was zu einer Erhöhung der Verdampferleistung, zu einer Verringerung der elektrischen
Leistungsaufnahme eines Verdichters der Wärmepumpe sowie weiterhin - abhängig von
der Lufttemperatur und der Luftfeuchte - zu einer Reduzierung von Reif- und Eisbildung
am Verdampfer der Wärmepumpe führt. Durch Letzteres ist im Betrieb eine geringere
Zahl an Abtauvorgängen erforderlich, wodurch sich die sogenannte Arbeitszahl der Wärmepumpe
verbessert.
[0023] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind genau zwei Leitschaufeln angeordnet, welche
insbesondere um 180 Grad versetzt zueinander angeordnet sind. Es werden daher genau
zwei Umlenkkanäle geschaffen. Vorzugsweise ist für jeden Umlenkraum genau eine radiale
Auslassöffnung vorgesehen. Diese kann beispielsweise mit einem Eingriffschutz ausgestattet
sein, welcher beispielsweise durch ein Gitter gebildet ist.
[0024] Die Leitschaufeln sind bevorzugt bezüglich der Mittenachse drehsymmetrisch ausgebildet
und angeordnet. Dabei ist insbesondere eine n-zählige Drehsymmetrie ausgebildet, wobei
die Anzahl der Leitschaufeln n ist. Bei der hier bevorzugten Variante mit zwei Leitschaufeln
ist daher n=2. Durch die Drehsymmetrie kommen die Leitschaufeln nach einer Drehung
um 360 Grad /n identisch zum Übereinanderliegen, d. h. nach einer solchen Drehung
nimmt eine nachfolgende Leitschaufel exakt die gleiche Position und Kontur ein wie
die vorlaufende Leitschaufel.
[0025] Im Hinblick auf eine besonders gleichmäßige Strömungsführung ist die Mantelfläche
vorzugsweise konkav gewölbt ausgebildet. Hierunter wird verstanden, dass die Mantelfläche
- in einer Schnittebene parallel zur Axialrichtung (Axialschnitt) und entlang der
Mittenachse betrachtet - nicht geradlinig sondern gebogen verläuft und zwar konkav
gebogen, sodass die Mantelfläche möglichst gleichmä-βig und bevorzugt absatzfrei oder
weitgehend absatzfrei in der Außenwand übergeht. Der Kegelfuß kann dabei insgesamt
auch als ein Teilstück der Außenwand betrachtet werden.
[0026] Eine jeweilige Leitschaufel weist insgesamt eine gebogene Kontur auf. Sie weist bevorzugt
eine Anströmseite auf, welche zumindest im Bereich des Kegelfußes gekrümmt und insbesondere
konkav gekrümmt ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird eine besonders sanfte Strömungsführung
erreicht und der Luftstrom wird speziell im Bereich des Kegelfußes von der Leitschaufeln
möglichst gleichmä-βig und damit möglichst turbulenzfrei umgelenkt und beispielsweise
auf die Mantelfläche des Kegelfußes geleitet.
[0027] Der Übergang der Leitschaufel in Axialrichtung in den Kegelfuß bzw. in die rückseitige
Außenwand ist bevorzugt zumindest weitgehend absatz- und kantenfrei und/oder erfolgt
vorzugsweise unter einem stumpfen Winkel von beispielsweise zumindest 110 Grad oder
auch mehr.
[0028] Beim Betrieb des Axialventilators wird üblicherweise eine Luftströmung erzeugt, die
neben einer axialen Komponente auch eine radiale Komponente aufweist. Der Luftstrom
verlässt daher den Axialventilator nicht achsparallel zur Axialrichtung, sondern unter
einem definierten Abströmwinkel zur Axialrichtung.
[0029] Die Anströmseite der Leitschaufeln ist allgemein eine radial ausgerichtete Fläche,
die dem von dem Axialventilator kommenden Luftstrom und insbesondere dessen radialer
Komponente zugewandt ist.
[0030] In Umfangsrichtung gegenüberliegend zu der Anströmseite weist eine jeweilige Leitschaufel
eine Rückseite auf, welche vorzugsweise allgemein unterschiedlich zu der Anströmseite
geformt ist. Die beiden Seiten sind daher unsymmetrisch zueinander ausgebildet. Die
Rückseite ist allgemein eine dem Luftstrom (seiner radialen Komponente) abgewandte
Seite. Speziell ist beispielsweise vorgesehen, dass ein in einem Übergangsbereich
zwischen der Rückseite und dem Kegelfuß ein Übergangswinkel ausgebildet ist, welcher
geringer und damit spitzer ist als der stumpfe Winkel im Übergangsbereich der Anströmseite
zum Kegelfuß.
[0031] Die jeweilige Leitschaufel ist mit ihrer Anströmseite im Bereich der Eintrittsöffnung
vorzugsweise unter einem Anstellwinkel bezüglich einer Horizontalebene (Ebene senkrecht
zur Axialrichtung) orientiert. Dabei wird ein axialer Schnitt betrachtet, welcher
parallel zur Axialrichtung und senkrecht zu einer Radialrichtung orientiert ist. Der
Anstellwinkel wird dabei gemessen als der Winkel, den die Anströmseite rückseitig
(also der Rückseite zugewandt) mit der Horizontalebene einschließt.
[0032] Der Anstellwinkel wird im axialen Endbereich der Leitschaufeln gemessen, welcher
zur Eintrittsöffnung orientiert ist. In diesem Endbereich weist die Leitschaufel vorzugsweise
einen geradlinig verlaufenden Teilabschnitt auf. Im weiteren Verlauf in Axialrichtung
verläuft die Anströmseite gekrümmt, insbesondere konkav gekrümmt, so dass sie wie
zuvor beschrieben in den Kegelfuß übergeht.
[0033] In bevorzugter Ausgestaltung verändert sich der Anstellwinkel in radialer Richtung.
D.h. der Anstellwinkel weist in einem radial inneren, nabenseitigen und damit zur
Mittenachse orientierten Bereich einen anderen Wert, als in einem radial äußeren,
der Ventilatornabe und damit der Mittenachse abgewandten Bereich, auf.
[0034] Speziell nimmt der Anstellwinkel in radialer Richtung nach außen ausgehend von der
Mittenachse ab. Bevorzugt nimmt der Anstellwinkel dabei kontinuierlich ab.
[0035] In bevorzugter Ausgestaltung entspricht der Anstellwinkel einem definierten, vorgegebenen
Abströmwinkel α
I des dem Diffusor vorgeschalteten Axialventilators. Wie zuvor bereits erläutert, weist
die vom Axialventilator abgegebene Luftströmung auch eine Radialkomponente auf. Diese
Radialkomponente definiert daher einen Strömungswinkel bezüglich der Axialrichtung.
Dieser Strömungswinkel wird als der Abströmwinkel α
I bezeichnet. Durch die Anpassung des Anstellwinkels an den Abströmwinkel α
I wird eine möglichst turbulenzfreie und gleichmäßige Führung und Umlenkung der Luftströmung
bewirkt.
[0036] Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, hängt der Abströmwinkel α
I von der radialen Position ab, variiert daher in radialer Richtung. Entsprechend variiert
auch der Anstellwinkel wie zuvor beschrieben in radialer Richtung.
[0037] Alternativ hierzu wird als Anstellwinkel ein konstanter Winkel in Abhängigkeit des
Abströmwinkels α
I gewählt, wobei beispielsweise der gemittelte Wert des in radialer Richtung variablen
Abströmwinkels α
I als Wert für den Anstellwinkel herangezogen wird.
[0038] Der (in radialer Richtung variable) Abströmwinkel α
I ist eine vorgegebene Größe, die als eine gerätespezifische Größe angesehen werden
kann. Sie hängt maßgeblich von der konstruktiven Auslegung des Axialventilators und
einer Nenndrehzahl ab, mit der der Axialventilator im Betrieb betrieben wird. Sofern
der Axialventilator mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar ist, so wird für die
Ermittlung des Abströmwinkels α
I eine Nenndrehzahl herangezogen, für die der Axialventilator ausgelegt ist.
[0039] Bevorzugt wird der Abströmwinkel für einen vorgegebenen Betriebspunkt der Wärmepumpe
oder aus den Abströmwinkeln für mehrere charakteristische Betriebspunkte abgeleitet,
beispielsweise durch eine Mittelwertbildung. Häufig wird die Gesamteffizienz der Wärmepumpe
durch die (gewichtete) Effizienz einiger charakteristischer Betriebspunkte gebildet.
Speziell die Betriebspunkte A2/W35 und A7/W35 haben hierbei den größten Einfluss haben.
Die Ziffer nachfolgend zum Buchstaben A bedeutet die Lufttemperatur in Grad Celsius
beim Lufteintritt und die Ziffer nachfolgend dem W bedeutet die Heizungswasservorlauftemperatur
in Grad Celsius Bei diesen beiden Punkten wird der Ventilator üblicherweise mit einem
mittleren Volumenstrom betrieben. Der Abströmwinkel wird daher insbesondere auf Basis
der Strömungsverhältnisse bei ausgewählten Betriebspunkten, speziell auf Basis der
beiden genannten Betriebspunkte bestimmt. Für die Strömungsverhältnisse wird insbesondere
die Umfangsgeschwindigkeit des Axialventilators herangezogen. Somit werden nicht nur
die Verluste über den gesamten Betriebsbereich des Ventilators so gering wie möglich
gehalten, sondern gleichzeitig auch die Gesamteffizienz der Wärmepumpe optimiert.
[0040] Die Bestimmung des in radialer Richtung variablen Abströmwinkels α
I und damit des in radialer Richtung variablen Anstellwinkels ist wie folgt:
[0041] Maßgebend für den Anstellwinkel αII der Leitschaufel ist der Vektor einer Strömungsgeschwindigkeit
c
2 an einer Hinterkante eines Laufrades des Axialventilators. Der Anstellwinkel wird
durch das sogenannte Strömungsdreieck beschrieben und richtet sich sowohl nach der
Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades u
2 im jeweiligen Radialschnitt als auch nach dem Geschwindigkeitsvektor v
2 der Abströmung.

[0042] Für den radial innenliegenden, nabenseitigen Bereich gilt aufgrund des kleineren
nabenseitigen Radius
rN , dass auch die Umfangsgeschwindigkeit
u2N des Axialventilators geringer ist. Umgekehrt ist radial außen am Gehäuse aufgrund
des grö-βeren Radius
rG auch die Umfangsgeschwindigkeit
u2G des Axialventilators größer. Dementsprechend stellt sich an der radial äußeren Gehäuseseite
ein kleinerer Wert für den Winkel Anstellwinkel α
II,G ein im Vergleich zu dem radial innen, der Mittenachse zugewandten, nabenseitigem
Winkel α
II,N.
[0043] Zur Bestimmung des Abströmwinkels und damit auch des Anstellwinkels wird daher insbesondere
die Umfangsgeschwindigkeit bei zumindest einem ausgewählten Betriebspunkt herangezogen.
Werden mehrere Betriebspunkte herangezogen, so wird beispielsweise eine gemittelte
Umfangsgeschwindigkeit dieser Betriebspunkte für die Ermittlung des Anstellwinkels
herangezogen oder es werden zu diesen Betriebspunkten jeweils die Abströmwinkel bestimmt
und diese gemittelt.
[0044] Bevorzugt wird bei einer jeweiligen Mittelwertbildung ein gewichteter Mittelwert
bestimmt, bei dem ein Wichtungsfaktor berücksichtigt wird, der beispielsweise die
Effizienz der Wärmepumpe bei dem jeweiligen Betriebspunkt betrifft. Je höher die Effizienz,
desto höher ist der Wichtungsfaktor.
[0045] Bevorzugt geht zumindest eine der Seiten ausgewählt aus Anströmseite sowie gegenüberliegender
Rückseite einer jeweiligen Leitschaufel, insbesondere die Anströmseite, an ihrem radialen
Ende kontinuierlich und insbesondere absatzfrei in eine Seitenwand des Gehäuses über
bzw. bildet die Seitenwand (mit) aus. Durch diesen homogenen Übergang ist eine gleichmäßige
Strömungsumlenkung hin zu den radialen Auslassöffnungen erreicht.
[0046] Das Gehäuse ist in bevorzugter Ausgestaltung quaderförmig mit zumindest zwei rechteckseitigen
radialen Auslassöffnungen ausgebildet. Bevorzugt sind genau zwei solcher rechteckseitiger
radialen Auslassöffnungen vorgesehen, die an gegenüberliegenden Seitenflächen ausgebildet
sind. Bis auf die Eintrittsöffnung und die beiden Auslassöffnungen ist das Gehäuse
vollständig geschlossen.
[0047] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Diese zeigen in teilweise vereinfachten Darstellungen:
- FIG 1
- eine perspektivische erste Ansicht eines Diffusors,
- FIG 2
- eine perspektivische zweite Ansicht des Diffusors gemäß FIG 1,
- FIG 3
- eine stark vereinfachte Darstellung eines Außengerätes einer Wärmepumpe mit Diffusor,
- FIG 4A, 4B
- eine Vorderansicht sowie eine Seitenansicht des Diffusors mit eingezeichneten Schnittebenen,
nämlich axiale Schnittebenen (FIG 4A) sowie horizontale Schnittebenen (FIG 4B)
- FIG 5A, 5B
- eine Schnittansicht entlang der axialen Schnittlinie A - A (FIG 4A) sowie eine perspektivische
Darstellung des an dieser Schnittlinie geschnittenen Diffusors in einer perspektivischen
Darstellung gemäß FIG 1,
- FIG 6A, 6B
- eine Schnittansicht entlang der axialen Schnittlinie B - B (FIG 4A) sowie eine perspektivische
Darstellung des an dieser Schnittlinie geschnittenen Diffusors in einer perspektivischen
Darstellung gemäß FIG 1,
- FIG 7A, 7B
- eine Schnittansicht entlang der axialen Schnittlinie C - C (FIG 4A) sowie eine perspektivische
Darstellung des an dieser Schnittlinie geschnittenen Diffusors in einer perspektivischen
Darstellung gemäß FIG 1,
- FIG 8A, 8B
- eine Schnittansicht entlang der horizontalen Schnittlinie D - D (FIG 4B) sowie eine
perspektivische Darstellung des an dieser Schnittlinie geschnittenen Diffusors in
einer perspektivischen Darstellung ähnlich FIG 1,
- FIG 9A, 9B
- eine Schnittansicht entlang der horizontalen Schnittlinie E - E (FIG 4B) sowie eine
perspektivische Darstellung des an dieser Schnittlinie geschnittenen Diffusors in
einer perspektivischen Darstellung ähnlich FIG 1, sowie
- FIG 10A, 10B
- eine Schnittansicht entlang der horizontalen Schnittlinie F - F (FIG 4B) sowie eine
perspektivische Darstellung des an dieser Schnittlinie geschnittenen Diffusors in
einer perspektivischen Darstellung ähnlich FIG 1.
[0048] Ein in FIG 1 sowie FIG 2 dargestellter Diffusor 2 weist ein quaderförmiges Gehäuse
4 auf, welches sich in einer Axialrichtung 6 erstreckt. Das Gehäuse 4 weist eine vordere,
axiale Einlassseite 8, eine dieser in Axialrichtung 4 gegenüberliegende Außenwand
10, zwei gegenüberliegende, geschlossene Seitenwände 12 (oben und unten) sowie zwei
weitere gegenüberliegende offene (seitliche) Seitenwände auf, an denen jeweils eine
vorzugsweise rechteckförmige Auslassöffnung 14 ausgebildet ist. Diese erstrecken sich
insbesondere jeweils über die gesamte Fläche der jeweiligen Seitenwand, werden also
lediglich durch die beiden angrenzenden Seitenwände 12 sowie nach hinten durch die
Außenmantel 10 und nach vorne durch die Wand der Einlassseite 8 begrenzt.
[0049] Das Gehäuse 4 weist in Axialrichtung 6 eine Tiefe auf, die deutlich (mehr als Faktor
2) kleiner ist als eine Breite und eine Höhe senkrecht zur Axialrichtung 6. Die Einlassseite
8 sowie die Außenwand 10 weisen im Ausführungsbeispiel eine quadratische Grundfläche
auf.
[0050] An der Einlassseite 8 ist eine kreisringförmige Eintrittsöffnung 16 ausgebildet.
Im Inneren des Gehäuses 4 ist eine Strömungsleiteinrichtung 18 ausgebildet. Diese
weist einen zentralen Leitkegel 20 auf, welcher sich in Axialrichtung verbreitert.
Er weist eine kreisrunde Kegel-Grundfläche auf, welche konzentrisch zu einer Mittenachse
22 angeordnet ist. Der Leitkegel 20 ist als ein Kegelstumpf ausgebildet, welcher an
seinem vorderen, zur Einlassseite 8 orientiertem Ende eine (plane) Kegelstumpffläche
24 ausbildet. Der Leitkegel 20 weist eine konkav gekrümmte Mantelfläche 26 auf. Diese
erstreckt sich ausgehend von der Kegelstumpffläche 24 bis zu einem Kegelfuß 25, welcher
bis zur Außenwand 10 reicht und in diese übergeht. Der Kegelfuß 25 und mit ihm die
Mantelfläche 26 gehen vorzugsweise absatzfrei in Außenwand 10 über. Die Mantelfläche
26 ist rotationssymmetrisch.
[0051] Auf der Mantelfläche 26 sind im Ausführungsbeispiel genau zwei gegenüber liegende
Leitschaufeln 28 angeordnet. Diese beginnen im Ausführungsbeispiel unmittelbar an
der Eintrittsöffnung 16 und ragen daher insbesondere in diese hinein, d. h. sie ragen
in den die Eintrittsöffnung 16 umlaufenden Wandungsbereich der axialen Einlassseite
8 ein. Im Ausführungsbeispiel erstrecken sie sich nicht bis zu einer vorderen Stirnfläche
der axialen Einlassseite 8, sondern sind etwas von dieser beabstandet. Dies ist jedoch
nicht zwingend erforderlich.
[0052] Die Leitschaufeln 28 beginnen im Ausführungsbeispiel in Axialrichtung 6 etwas versetzt
zu der Kegelstumpffläche 24. Sie können jedoch auch mit dieser fluchten.
[0053] Die Leitschaufeln 28 erstrecken sich über die gesamte Tiefe des Gehäuses 4 und reichen
bis zu der Innenseite der Außenwand 10. Dadurch dass sich die beiden Leitschaufeln
28 über die gesamte Tiefe des Gehäuses 4 in Axialrichtung 6 erstrecken, werden zwei
voneinander getrennte Umlenkkanäle 29 ausgebildet, über die jeweils ein Teilstrom
des Luftstroms umgelenkt und zu jeweils einer der beiden Auslassöffnungen 14 umgelenkt
wird.
[0054] Ein derartiger Diffusor 2 wird bei einer Wärmepumpe 30 eingesetzt, wie sie stark
vereinfacht und ausschnittsweise in der FIG 3 dargestellt ist. In der FIG 3 ist dabei
insbesondere ein Außengerät einer Split-Wärmepumpe 30 dargestellt, welches mit dem
Diffusor 2 ausgestattet ist. Die Wärmepumpe 30, speziell das Außengerät weist dabei
typischerweise einen hier nicht dargestellten Wärmeübertrager auf, welcher üblicherweise
als Lamellen-Wärmetauscher ausgebildet ist. Dieser wird von einem Kältemittel eines
Kältekreislaufes durchströmt. Mithilfe eines Axialventilators 32 (gestrichelt dargestellt)
wird Luft in Axialrichtung 6 durch den Wärmeübertrager angesaugt und hindurchgeführt
und schließlich in Axialrichtung wieder ausgegeben. Hierbei wird Wärme aus der Luft
an das Kältemittel übertragen.
[0055] Der über den Axialventilator 32 in Axialrichtung 6 abgegebene Luftstrom strömt über
die ringförmige Eintrittsöffnung 16 in den Diffusor 2 ein, wird dort mittels der Strömungsleiteinrichtung
18 umgelenkt und verlässt den Diffusor 2 in radialer Richtung über die beiden Auslassöffnungen
14. Der Diffusor 2 ist unmittelbar vor dem Axialventilator 32 angeordnet und beispielsweise
außen an einer Außenwand eines Gehäuses der Wärmepumpe 30 aufgesetzt.
[0056] Der Axialventilator 32 weist mehrere, typischerweise drei Laufradschaufeln 34 auf,
die an einer Ventilatornabe 36 angebracht sind. Durch den Axialventilator 32 ist eine
kreisringförmige Abströmfläche definiert, die dem gestrichelten Kreis abzüglich der
Fläche für die Ventilatornabe 36 entspricht.
[0057] Die Eintrittsöffnung 16 ist korrespondierend hierzu ausgebildet, weist vorzugsweise
die identische Ringfläche auf und fluchtet insbesondere mit der Abströmfläche.
[0058] Die spezielle Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtung 18 ergibt sich insbesondere
anhand der verschiedenen Schnittdarstellungen der Figuren 4A, 4B bis FIG 10A, 10B.
[0059] In den verschiedenen perspektivischen Schnitt-Darstellungen gemäß den "B-Figuren"
(FIG 5B, FIG 6B ... FIG 10B) ist sehr gut der Leitkegel 20 mit seiner kreisförmigen
Grundfläche und seiner konkav gekrümmten Mantelfläche 26 zu erkennen (vgl. insbesondere
FIG 6B). Insbesondere ist erkennbar, dass die Mantelfläche 26 im Bereich des Kegelfußes
25 absatzfrei und kantenfrei und damit homogen in die Innenseite der Außenwand 10
übergeht.
[0060] Weiterhin ist anhand dieser "B-Figuren" die Anordnung der Leitschaufeln 28 auf der
Mantelfläche 26 zu erkennen. Die Leitschaufeln 28 weisen allgemein zwei gegenüberliegende
Seiten auf, die als Anströmseite 38 sowie als Rückseite 40 bezeichnet werden. Die
Leitschaufeln 28 erstrecken sich von einem vorderen, zur Einlassseite 8 hin orientierten
Bereich durchgehend in Axialrichtung 6 bis zur Außenwand 10 (FIG 5B - FIG 7B). Gleichzeitig
erstrecken sie sich in radialer Richtung ausgehend vom Leitkegel 26 bis zu jeweils
der geschlossenen Seitenwand 12 (FIG 8B - FIG 10 B). Durch die beiden Leitschaufeln
28 sind daher die beiden getrennten und geschlossenen Umlenkkanäle 29 (FIG 6A, 6B)
ausgebildet.
[0061] Die Leitschaufeln 28 sind an der Mantelfläche 26 dabei vorzugsweise senkrecht angebracht.
Die beiden Leitschaufeln 28 sind um 180 Grad versetzt bezüglich der Mittenachse 22
angeordnet. Sie sind insbesondere drehsymmetrisch ausgebildet bezüglich einer 180
Grad Drehung um die Mittenachse 22.
[0062] Die Leitschaufeln 28 sind an ihrem vorderen, zur Einlassseite 8 orientierten Ende
geradlinig und in radialer Richtung verlaufend ausgebildet. Sie verbreitern sich vorzugsweise
sowohl in Axialrichtung 6 in Richtung zur Außenwand 10 als auch in radialer Richtung
und damit in Richtung zu den Seitenwänden 12.
[0063] In den Horizontalschnitten gemäß FIG 9B und FIG 10B ist gut zu erkennen, dass eine
jeweilige Leitschaufel 28 in einem solchen Horizontalschnitt ein in etwa T-förmiges
Querschnittsprofil aufweist, wobei die beiden gegenüberliegenden Seiten (Anströmseite
38 und Rückseite 40) jeweils konkav gewölbt ausgebildet sind. Die Ausgestaltung ist
dabei vorzugsweise derart, dass zumindest eine dieser Seiten, speziell die Anströmseite
38 und vorzugsweise beide Seiten kontinuierlich und absatzfrei in die Seitenwände
12 übergehen, bzw. diese mit ausbilden. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Strömungsumlenkung
erreicht.
[0064] Im Zusammenhang mit den "A-Figuren", insbesondere im Zusammenhang mit der FIG 5A
sowie der FIG 7A wird nachfolgend noch ein besonderes Element im Hinblick auf die
Orientierung der jeweilige Leitschaufeln 28, speziell ihrer Anströmseite 38 erläutert:
Die Anströmseite 38 ist in ihrem Endbereich, welcher der Einlassseite 8 zugewandt
ist, unter einem Anstellwinkel αII bezüglich einer horizontalen Ebene H (Ebene senkrecht
zur Axialrichtung 6) orientiert. Der Anstellwinkel αII wird dabei definiert durch
eine Gerade, die durch den bevorzugt geradlinig verlaufenden Endbereich an der Anströmseite
38 gelegt wird, und der Horizontalebene H und zwar der rückseitige Winkel, also der
Winkel gemessen von der Horizontalebene H in Richtung der Rückseite 40 bis zu der
zuvor definierten Geraden (vergleiche hierzu Figur 5A). Dieser Anstellwinkel αII ist
insbesondere durch einen Abströmwinkel αI des Axialventilators 32 festgelegt, wie
dies eingangs erläutert wurde. Der Anstellwinkel αII ist dabei abhängig von der radialen
Position, verändert sich daher in radialer Richtung. Wie insbesondere durch Vergleich
der FIG 5A mit FIG 7A zu erkennen ist, nimmt der Anstellwinkel αII ausgehend von einem
radial inneren, nabenseitigen Anstellwinkel αII
N insbesondere kontinuierlich ab bis zu einem radial äußeren, gehäuseseitigen Anstellwinkel
αII
G. Der Anstellwinkel αII variiert dabei in Abhängigkeit von der radialen Position beispielsweise
zwischen 95 Grad und 60 Grad und insbesondere zwischen 90 Grad und 70 Grad.
[0065] Anhand der Vertikalschnitte gemäß dem "A-Figuren" ist weiterhin zu erkennen, dass
eine jeweilige Leitschaufel 28 zumindest in den radial äußeren Bereichen (FIG 5A,
FIG 6A) unter einem stumpfen Winkel β an ihrem in Axialrichtung 6 betrachtet hinteren
Ende in die Außenwand 10 übergeht. Dies ist besonders ausgeprägt in den radial äußeren
Bereichen, d. h. dieser stumpfe Winkel β nimmt in Axialrichtung 6 insbesondere kontinuierlich
zu.
[0066] Insgesamt ist die Krümmung und damit die konkave Wölbung der Anströmseite 38 radial
außen ausgeprägter, d. h. die konkave Krümmung nimmt in Axialrichtung 6 zu.
[0067] Insgesamt ist mit dem hier beschriebenen Diffusor 2, speziell durch die Strömungsleiteinrichtung
18 eine möglichst homogene Umlenkung des Luftstroms von der Eintrittsöffnung 16 hin
zu den radialen Auslassöffnungen 14 erreicht, und zwar ist durch die spezielle Ausgestaltung
der Leitschaufeln 28 insbesondere in Verbindung mit dem Leitkegel 20 eine besonders
turbulenzfreie Umlenkung erreicht.
Bezugszeichenliste
[0068]
- 2
- Diffusor
- 4
- Gehäuse
- 6
- Axialrichtung
- 8
- Einlassseite
- 10
- Außenwand
- 12
- geschlossene Seitenwand
- 14
- Auslassöffnung
- 16
- Eintrittsöffnung
- 18
- Strömungsleiteinrichtung
- 20
- Leitkegel
- 22
- Mittenachse
- 24
- Kegelstumpffläche
- 25
- Kegelfuß
- 26
- Mantelfläche
- 28
- Leitschaufeln
- 29
- Umlenkkanal
- 30
- Wärmepumpe
- 32
- Axialventilator
- 34
- Laufradschaufeln
- 36
- Ventilatornabe
- 38
- Anströmseite
- 40
- Rückseite
- αI
- Abströmwinkel des Ventilators
- αI,G
- gehäuseseitiger (radial äußerer) Abströmwinkel des Ventilators
- αI,N
- nabenseitiger (radial innerer) Abströmwinkel des Ventilators
- αII
- Anstellwinkel der Leitschaufel
- αII,G
- gehäuseseitiger (radial äußerer) Anstellwinkel der Leitschaufel
- αII,N
- nabenseitiger (radial innerer) Anstellwinkel der Leitschaufel
- β
- Winkel
1. Diffusor (2) für eine Wärmepumpe (30) mit
- einem Gehäuse (4), welches sich entlang einer Mittenachse (22) in einer Axialrichtung
(6) erstreckt und an einer Einlassseite (8) eine insbesondere kreisrunde oder kreisringförmige
Eintrittsöffnung (16) für Luft, eine in Axialrichtung (6) gegenüberliegende geschlossene
Außenwand (10) sowie seitlich angeordnete, radiale Auslassöffnungen (14) aufweist,
wobei
- das Gehäuse (4) weiterhin eine Strömungsleiteinrichtung (18) aufweist zur Umlenkung
eines im Betrieb über die Eintrittsöffnung (16) einströmenden Luftstroms zu den radialen
Auslassöffnungen (14), wobei
- die Strömungsleiteinrichtung (18) einen zentralen Leitkegel (20) mit einer Mantelfläche
(26) aufweist, wobei sich der Leitkegel (20) entlang der Mittenachse (22) in Axialrichtung
(6) verbreitert und sich bis zu einem Kegelfuß (25) erstreckt, welcher in die Außenwand
(10) übergeht, dadurch gekennzeichnet,
- auf der Mantelfläche (26) Leitschaufeln (28) ausgebildet sind, welche sich von der
Eintrittsöffnung (16) in Axialrichtung (6) bis zum Kegelfuß (25) erstrecken, so dass
mehrere voneinander getrennte Umlenkkanäle (29) ausgebildet sind.
2. Diffusor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Leitschaufeln (28) angeordnet sind, welche insbesondere um 180 Grad versetzt
zueinander angeordnet sind.
3. Diffusor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (28) bezüglich der Mittenachse (22) drehsymmetrisch ausgebildet
sind.
4. Diffusor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (26) konkav gewölbt ausgebildet ist.
5. Diffusor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Leitschaufel (28) eine Anströmseite (38) aufweist, welche zumindest
im Bereich des Kegelfußes (25) gekrümmt, insbesondere konkav gekrümmt ist.
6. Diffusor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Leitschaufel (28) eine der Anströmseite (38) gegenüberliegende Rückseite
(40) aufweist, welche verschieden zu der Anströmseite (38) geformt ist.
7. Diffusor (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmseite (38) sich in Axialrichtung (6) von der Eintrittsöffnung (16) bis
zur Außenwand (10) erstreckt und - in einem Axialschnitt parallel zur Axialrichtung
(6) und senkrecht zu einer Radialen betrachtet - im Bereich der Eintrittsöffnung (16)
unter einem Anstellwinkel (αII) bezüglich einer Horizontalebene (H) orientiert ist,
wobei sich der Anstellwinkel (αII) in radialer Richtung verändert.
8. Diffusor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (αII) in Richtung ausgehend von der Mittenachse (22) abnimmt.
9. Diffusor (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmseite (38) sich in Axialrichtung (6) von der Eintrittsöffnung (16) bis
zur Außenwand (10) erstreckt und - in einem Axialschnitt parallel zur Axialrichtung
(6) und senkrecht zu einer Radialen betrachtet - im Bereich der Eintrittsöffnung (16)
unter einem Anstellwinkel (αII) bezüglich einer Horizontalebene (H) orientiert ist
und der Anstellwinkel (αII) einem definierten Abströmwinkel (αI) eines dem Diffusor
(2) vorgeschalteten Axialventilators (32) entspricht.
10. Diffusor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Leitschaufel (28) eine Anströmseite (38) sowie eine gegenüberliegende
Rückseite (40) aufweist und dass zumindest eine dieser Seiten, insbesondere die Anströmseite
(38) an ihrem radialen Ende kontinuierlich und insbesondere absatzfrei in eine Seitenwand
(12) des Gehäuses (30) übergeht oder diese ausbildet.
11. Diffusor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) quaderförmig ist mit zumindest und vorzugsweise genau zwei rechteckseitigen
radialen Auslassöffnungen (14).
12. Wärmepumpe (30) mit einem Axialventilator und einem diesem in Axialrichtung (6) nachgeordnetem
Diffusor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.