EP3997345B1

EP3997345B1 - Ventilator mit spiralgehäuse

Info

Publication number: EP3997345B1
Application number: EP20743065.3A
Authority: EP
Inventors: Frieder Loercher
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2026-02-11
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: JP2022542343A; JP7593988B2; EP3997345A1; DE102019210077A1; WO2021004589A1; CN114341504B; US11946486B2; CN114341504A; SI3997345T1; US20220290688A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilator mit einem Laufrad mit insbesondere rückwärts gekrümmten Flügeln und mit einem Spiralgehäuse, dessen Strömungskanal durch eine innere Spiralkontur des Gehäuses gebildet ist, wobei der Strömungskanal die vom Laufrad geförderte Luft hin zu einem Auslass führt.
Ventilatoren mit Spiralgehäuse sind insbesondere für vorwärts gekrümmte Radial-und Diagonalventilatoren weit verbreitet. Zunehmend werden Spiralgehäuse auch für rückwärts gekrümmte Ventilatoren eingesetzt. Die Praxis zeigt, dass durch die Verwendung eines Spiralgehäuses eine zusätzliche Druckerhöhung und eine damit einhergehenden Steigerung des statischen Wirkungsgrads erreicht wird. Spiralgehäuse sind geeignet, die abströmende Luft nach dem Ventilatorlaufrad effizient in einen in etwa orthogonal zur Ventilatorachse verlaufenden Strömungskanal zu leiten, beispielsweise in ein im Querschnitt rundes oder viereckiges Rohr.
Bei rückwärts gekrümmten Laufrädern ergibt sich regelmäßig eine eher geringe Wirkungsgradsteigerung, da die Abströmwinkel tendenziell steiler sind (nämlich stärker in Radialrichtung ausgerichtet sind), als bei vorwärts gekrümmten Laufrädern. Insbesondere im Bereich des Strömungskanals mit geringstem Strömungsquerschnitt, d.h. in der Region der Zunge, weist die ausströmende Luft bei rückwärts gekrümmten Ventilatoren einen starken Anstellwinkel zur Gehäusekontur auf, was grundsätzlich schlecht für den statischen Wirkungsgrad und die Lärmarmut ist.
Zum druckschriftlichen Stand der Technik sei lediglich beispielhaft auf die DE 10 2005 012 815 A1 verwiesen. Aus dieser Druckschrift ist ein Radialgebläse in einem Spiralgehäuse bekannt, bei der sich die umfängliche Wand des Gehäuses von der Düsenwand hin zur bodenscheibenseitigen Wand radial aufweitet. Das Gehäuse ist für ein vorwärts gekrümmtes Laufrad ausgelegt.
Etwaige Optimierungen in Bezug auf einen mehr oder weniger steilen Vorlauf der Innenkontur ist aus dieser Druckschrift nicht bekannt.
In der Druckschrift WO 2017/106530 A1 ist ein Ventilator offenbart, der die Merkmale der Präambel des Anspruchs 1 aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsbildenden Ventilator mit Spiralgehäuse derart auszugestalten, dass er sich insbesondere auch für Laufräder mit rückwärts gekrümmten Flügeln eignet. Dabei sollen insbesondere bei Radial- oder Diagonalventilatoren mit rückwärts gekrümmten Laufrädern höhere Wirkungsgrade und eine bessere Akustik erreicht werden.
Des Weiteren soll das Gehäuse kompakt bauen. Außerdem soll das Gehäuse einfach in der Konstruktion und daher kostengünstig zu fertigen sein.
Voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf den Ventilator durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist die Spiralkontur des Spiralgehäuses mit ihren lokalen Steigungswinkeln, d.h. im Verlauf des Strömungskanals, an den Abströmwinkel aus dem Laufrad angepasst, und zwar so, dass ein mittlerer Steigungswinkel der Spiralkontur im Sektorbereich mit einem Azimutwinkel von θ = 0° bis θ = 45° mehr als doppelt so hoch ist wie im Sektorbereich mit einem Azimutwinkel von θ = 45° bis θ = 180°.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der Spiralkontur mit ihren lokalen Steigungswinkeln in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Geräuschentwicklung eine ganz besondere Bedeutung zukommt. So erfolgt erfindungsgemäß eine Anpassung der Spiralkontur an den Abströmwinkel aus dem Laufrad, und dies bei kompakter Bauweise.
Die Entwicklung des erfindungsgemäßen Ventilators bzw. des dort verwendeten Spiralgehäuses bezieht sich auf rückwärts gekrümmte Radial- oder Diagonalventilatoren mit angepasster Innenkontur. Dabei verläuft der lokale Steigungswinkel der Spiralkontur, etwa in Richtung der Rotation des Laufrades gesehen, ab einem engsten Bereich im Strömungskanal, vorzugsweise nahe oder an einer Zunge gelegen, mit einem größeren Wert beginnend als im weiteren Verlauf bis hin zu einem Auslass mit zungenferner Auslasskontur. Der zunächst große Steigungswinkel verringert sich im weiteren Verlauf des Strömungskanals in Umfangsrichtung rasch wieder auf niedrigere Werte, insbesondere auch, um die Kompaktheit des Spiralgehäuses zu gewährleisten.
Typischerweise hat der lokale Steigungswinkel der Innenkontur des Spiralgehäuses, insbesondere über einen Sektorbereich von ca. 24° bis 55°, beginnend vom engsten Bereich des Strömungskanals bzw. von der Zunge, im Mittel deutlich höhere Werte als im weiteren Verlauf des Strömungskanals nach dem Sektorbereich.
Nun gibt es mehrere Möglichkeiten, konkrete Stellen und Bereiche im Strömungskanal im Lichte der erfindungsgemäßen Merkmale zu definieren. So kann der zungennahe Anfang der Spiralkontur als der Punkt der Innenkontur des Gehäuses definiert werden, der den geringsten Abstand zur Laufradachse hat oder an dem, von der Zunge in Rotationsrichtung des Laufrads sich bewegend, die Krümmung der Innenkontur ihr Vorzeichen ändert. Der Radius des Krümmungskreises ist zu Beginn bzw. am Start der Spiralkontur, nämlich im engsten Bereich des Strömungskanals, klein im Vergleich zum Verlauf des Krümmungskreisradiusses über einen großen Teil des Verlaufs der Spiralkontur. Vorteilhaft ist der Radius des Krümmungskreises der Spiralkontur zum Beginn der Spiralkontur minimal.
In weiter vorteilhafter Weise ist der Radius des Krümmungskreises zu Beginn der Spiralkontur zumindest geringfügig kleiner als der maximale Radius des Laufrads. D.h. der Krümmungskreisradius ist beim Startpunkt kleiner als im Stand der Technik, wobei dort die Spiralkontur regelmäßig eine logarithmische Spirale aufweist. Dadurch ergibt sich für das erfindungsgemäße Spiralgehäuse für rückwärts gekrümmte Laufräder ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine besonders niedrige Schallemission.
Zwischen der Zunge und dem größten Radius des Laufrads oder den Flügeln des Laufrads besteht in weiter vorteilhafter Weise ein Abstand von mindestens 6 % oder 10 % des maximalen Radiusses des Laufrads, was insbesondere für eine geringe Lärmentwicklung vorteilhaft ist.
In Bezug auf eine einfache Konstruktion des Gehäuses ist es von Vorteil, wenn dieses im Wesentlichen aus zwei Gehäusehälften besteht, wobei eine einströmdüsenseitige Gehäusehälfte die Einströmdüse und gegebenenfalls eine der Einströmdüse vorgelagerte Zuströmfläche mit größerem Außenradius als die Einströmdüse umfasst. Eine motorseitige Gehäusehälfte umfasst Befestigungsmittel für den Motor mit Stator. Die beiden Gehäusehälften können in Kunststoff-Spritzguss gefertigt sein.
Im Lichte der voranstehenden Ausführungen wird deutlich, dass die beiden Gehäusehälften nicht nur das Gehäuse selbst, sondern auch funktionale Teile bilden bzw. umfassen, nämlich beispielhaft die integrierte Einströmdüse, durch die im Ventilatorbetrieb die Luft aus der Umgebung in das Laufrad einströmt. Gleiches gilt für die vorgelagerte Zuströmfläche mit größerem Außenradius als die Einströmdüse. In vorteilhafter Weise ist die Zuströmfläche radial außerhalb der Einströmdüse als ebene oder flache Fläche ausgebildet, deren Außenradius beispielsweise 35 % größer sein kann als der größte Radius (Außenradius) der Einströmdüse.
An der motorseitigen Gehäusehälfte sind Befestigungsmittel für den Motor mit Stator vorgesehen, die dort ebenfalls integriert sein können.
Die beiden Gehäusehälften sind vorteilhaft an einem flanschartigen Verbindungsbereich miteinander verbunden, wobei der Flansch mit Bohrungen zur Schraubverbindung ausgestattet sein kann. Auch ist es denkbar, die beiden Gehäusehälften durch Klipsen, Nieten oder Kleben miteinander zu verbinden.
Im Bereich um den Auslass aus dem Spiralgehäuse, durch den die durch den Strömungskanal hindurch geförderte Luft austritt, kann vorzugsweise unmittelbar an den Gehäusehälften ein Befestigungsflansch ausgebildet sein, an dem der gesamte Ventilator beispielsweise an einer umgebenden Struktur, nämlich an einer lufttechnischen Anlage, einem Luftkanal, etc. befestigt wird. Auch dort können Bohrungen vorgesehen sein, so dass die Befestigung durch Verschraubung erfolgen kann.
Da im Betrieb im Innern des Ventilators, insbesondere innerhalb des Strömungskanals, erhebliche Überdrücke im Vergleich zur Umgebung auftreten können, ist es von weiterem Vorteil, die beiden Gehäusehälften mit Versteifungselementen, beispielsweise mit Versteifungsrippen, zu versehen. Dadurch wird eine höhere Formstabilität erreicht, die den hohen Drücken, insbesondere auch etwaigen Druckschwankungen, Stand hält.
Alternativ zu dem zuvor erörterten Gehäuseaufbau ist es denkbar, dass das Spiralgehäuse ein im Wesentlichen flaches oder ebenes motorseitiges Seitenteil, ein im Wesentlichen flaches oder ebenes einströmdüsenseitiges Seitenteil und ein vorzugsweise abwickelbares Umfangsteil umfasst, wobei die Teile in vorteilhafter Weise aus Blech gefertigt sind. Entsprechend handelt es sich bei den Seitenteilen um Seitenbleche. Das Umfangsteil kann entsprechend als abwickelbares Spiralblech ausgeführt sein, welches die Innenkontur des Strömungskanals bildet.
Im motorseitigen Seitenteil kann eine Revisionsöffnung mit schließbarem Deckel vorgesehen sein, der den Zugang zum Motor und zum Laufrad erleichtert. Am düsenseitigen Seitenteil kann eine Einströmdüse integriert sein, wobei eine einstückige Ausführung oder eine Ausführung der Einströmdüse als separates Blech-oder Kunststoffteil denkbar ist. Ein beispielsweise viereckiger oder quadratischer Luftauslass kann durch die Seitenteile gebildet sein. Zur zusätzlichen Verstärkung ist es denkbar, ein weiteres verstärkendes Blechteil mit der Funktion eines Befestigungsflansches vorzusehen und ausströmseitig an den Seitenteilen zu befestigen. Der Befestigungsflansch dient wie bei dem zuvor erörterten Ausführungsbeispiel zur Befestigung des Ventilators an einem übergeordneten System, beispielsweise einer lufttechnischen Anlage oder einem äußeren Strömungskanal.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventilators anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: in einer Ansicht in Richtung der Laufradachse und in einem Schnitt an einer Ebene quer zur Laufradachse einen Ventilator mit einem Spiralgehäuse,
Fig. 2: in einer perspektivischen Ansicht auf die Einströmdüse und den Auslass den Ventilator mit Spiralgehäuse gemäß Fig. 1,
Fig. 3: in einer schematischen Darstellung mit einer Blickrichtung entsprechend der aus Fig. 1 den Verlauf der Innenkontur des Spiralgehäuses aus Fig. 1 und Fig. 2 an einem Schnitt quer zur Laufradachse gesehen,
Fig. 4: die Darstellung gemäß Fig. 3, wobei zusätzlich der größte zum Laufrad koaxiale Innenkreis sowie der Krümmungskreis am zungennahen Anfang der Spiralkontur eingezeichnet sind,
Fig. 5: die Darstellung gemäß Fig. 3, wobei zusätzlich schematisch ein Schnitt durch das Laufrad sowie der Krümmungskreis am zungennahen Anfang der Spiralkontur eingezeichnet sind,
Fig. 6: die Darstellung gemäß Fig. 3, wobei zusätzlich der Azimutwinkel θ eines Punktes auf der Innenkontur sowie die Bestimmung des zugehörigen lokalen Steigungswinkels α der Innenkontur dargestellt sind,
Fig. 7: in perspektivischer Ansicht einen Ventilator mit einer weiteren Ausführungsform eines Spiralgehäuses, das im Wesentlichen aus Blech gefertigt ist,
Fig. 8: in einer Ansicht in Richtung der Laufradachse und in einem Schnitt an einer Ebene quer zur Laufradachse den Ventilator mit Spiralgehäuse gemäß Fig. 7,
Fig. 9: in einer schematischen Darstellung mit einer Blickrichtung entsprechend der aus Fig. 8 den Verlauf der Spiralkontur des Spiralgehäuses aus Fig. 7 und Fig. 8 an einem Schnitt quer zur Laufradachse gesehen,
Fig. 10: die Darstellung gemäß Fig. 9, wobei zusätzlich der größte zum Laufrad koaxiale Innenkreis und die azimutale Position des Anfangs der Spiralkontur an der Zunge dargestellt sind,
Fig. 11: in einem Diagramm eingezeichnet zwei typische Verläufe der Entfernung der Spiralkontur von der Laufradachse von Spiralgehäusen,
Fig. 12: in einem Diagramm eingezeichnet zwei typische Verläufe des Steigungswinkels α der Spiralkontur von Spiralgehäusen,
Fig. 13: in einem Diagramm eingezeichnet zwei typische Verläufe der Krümmung κ der Spiralkontur von Spiralgehäusen.

In Fig. 1 ist in einer Ansicht in Blickrichtung der Laufradachse und in einem Schnitt an einer Ebene quer zur Laufradachse ein Ventilator 1 mit einem Spiralgehäuse 2 dargestellt. Das Spiralgehäuse 2 im Ausführungsbeispiel ist aus 2 Hälften aufgebaut (siehe auch Fig. 2), wobei der hier dargestellte Schnitt genau durch die in diesem Fall ebene Trennfläche der beiden Hälften verläuft. Der ebene, senkrecht zur Ventilatorachse verlaufende Schnitt verläuft an der Position, in Richtung der Achse gesehen, an der die Fläche, die von der Innenkontur 4 des Spiralgehäuses 2 und dem Auslass 5 umschlossen ist, etwa maximal ist.
Neben dem Spiralgehäuse 2 besteht der Ventilator insbesondere noch aus einem Motor 10 mit Rotor 11 und Stator 12, welche im Schnitt nur schematisch dargestellt sind. Des Weiteren umfasst der Ventilator ein Laufrad 3 bestehend aus einer Bodenscheibe 7, einer aufgrund des Schnittes nicht dargestellten Deckscheibe sowie dazwischen sich erstreckenden Flügeln 8. Das Laufrad 3, das vorteilhaft in Kunststoff-Spritzguss gefertigt ist, ist im Ausführungsbeispiel an seiner Bodenscheibe 7 mittels einer Blechronde 13 am Rotor 11 des Antriebsmotors 10 befestigt. Das Laufrad 3 dreht sich im Betrieb, in dieser Ansicht gesehen, im Uhrzeigersinn. Es handelt sich entsprechend um ein rückwärts gekrümmtes Laufrad 3, also ein Laufrad 3 mit rückwärts gekrümmten Flügeln 8. Bei rückwärts gekrümmten Laufrädern 3 ist die Flügeldruckseite 44 eines Flügels 8, die der Flügelsaugseite 43 desselben Flügels 8 in Rotationsrichtung des Laufrades 3 im Betrieb vorauseilt, konvex, während die Flügelsaugseite 43 konkav ist. Die Flügel 8 sind entgegen der Rotationsrichtung gekrümmt, insbesondere wenn man den Verlauf der Flügel 8 von radial innen (von der Vorderkante aus) nach radial außen (hin zur Hinterkante) betrachtet.
Im Ventilatorbetrieb tritt die geförderte Luft radial außen aus dem Laufrad 3 aus in den Strömungskanal 45 des Spiralgehäuses 2, der bezüglich der Laufradachse im Wesentlichen in Umfangsrichtung verläuft. Von einer engsten Stelle im Bereich der Zunge 9 verbreitert sich der Strömungskanal 45 in seinem Verlauf in Umfangsrichtung, um den in Umfangsrichtung zunehmenden Luftstrom aufzunehmen, hin zu einem Auslass 5 aus dem Spiralgehäuse 2. Erfindungswesentlich ist die Ausgestaltung und der Verlauf der Innenkontur 4, die den Wirkungsgrad und die Akustik des Ventilators maßgeblich beeinflusst. Dieser Verlauf bzw. dessen maßgebliche Merkmale sind für das gezeigte Ausführungsbeispiel in Fig. 5 bis Fig. 8 weiter beschrieben.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Einströmdüse 14 und den Auslass 5 des Ventilators 1 mit Spiralgehäuse 2 gemäß Fig. 1. Der Aufbau des Spiralgehäuses 2 dieser Ausführungsform, umfassend im Wesentlichen zwei Hälften 2a und 2b, ist gut zu erkennen. Diese Hälften 2a, 2b sind vorteilhaft in Kunststoff-Spritzguss gefertigt. In der düsenseitigen Hälfte 2a ist die Einströmdüse 14 integriert, durch die im Ventilatorbetrieb die Luft aus der Umgebung in das Laufrad 3 einströmt. Durch die Einströmdüse 14 sind in der gezeigten Darstellung Teile des Laufrades 3 (Flügel 8 und Bodenscheibe 7) sowie der Rotor 11 des Motors 10 zu erkennen, auf dem das Laufrad 3 befestigt ist. Vorteilhaft ist radial außerhalb der Einströmdüse 14 zuströmseitig noch eine ebene oder flache Zuströmfläche 24 ausgebildet, deren Außenradius mindestens 35% größer ist als der größte Radius der Einströmdüse 14 bezüglich der Ventilatorachse.
An der motorseitigen Hälfte 2b ist der Motor 10 mit seinem Stator 12 an entsprechenden Befestigungsvorrichtungen, die an der motorseitigen Hälfte 2b integriert sind, befestigt. Die beiden Hälften 2a und 2b sind an einem Verbindungsbereich 16 miteinander verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist eine Art Flansch mit Bohrungen 17b dargestellt, an denen die Hälften 2a und 2b durch Schrauben miteinander verbunden werden können. Auch andere Verbindungsarten sind denkbar, beispielsweise vorteilhaft durch Klipsen, Nieten und/oder Kleben.
Im Bereich um den Auslass 5 aus dem Spiralgehäuse 2, durch welchen die Luft austritt und vorteilhaft in einen entsprechend geformten Kanal einströmt, ist ein Befestigungsflansch 15 ausgebildet. An diesem wird der gesamte Ventilator 1 an einer umgebenden Struktur, beispielsweise einer lufttechnischen Anlage oder einem Luftkanal, befestigt. Hierzu dienen im Ausführungsbeispiel die Bohrungen 17a, an denen Schrauben angebracht werden können. Da im Betrieb im Inneren des Spiralgehäuses 2, in dessen Strömungskanal 45, erhebliche Überdrücke im Vergleich zur äußeren Umgebung auftreten können, sind die beiden Hälften 2a und 2b zur besseren Formstabilität mit Versteifungselementen 18, hier Versteifungsrippen 18, versehen.
In Fig. 3 ist in einer schematischen Darstellung mit einer Blickrichtung entsprechend derjenigen aus Fig. 1 der Verlauf der Innenkontur 4 des Spiralgehäuses 2 aus Fig. 1 und Fig. 2 an einem Schnitt quer zur Laufradachse gesehen dargestellt. Es ist ein repräsentativer Schnitt senkrecht zur Laufradachse 25 zu betrachten, beispielsweise an der Stelle, in Achsrichtung gesehen, an der die von der Innenkontur 4 und dem Auslass 5 umschlossenen Fläche maximal ist, oder in Höhe der Mitte des Laufradaustritts oder etwa in der Mitte des Strömungskanals 45. In der gezeigten schematischen Darstellung ist insbesondere die Innenkontur 4 zu erkennen, die einen Austritt 5 umschließt, an dem die Innenkontur 4 offen ist. Sie lässt sich unterteilen in eine zungenseitige Auslasskontur 27, eine Zunge 9, eine sich etwa um die Laufradachse 25 erstreckende Spiralkontur 26 sowie eine zungenferne Auslasskontur 28.
Fig. 4 zeigt die Darstellung gemäß Fig. 3, wobei zusätzlich der größte zum Laufrad koaxiale Innenkreis 29 sowie der Krümmungskreis 32 der Spiralkontur 26 am zungennahen Anfang 30 eingezeichnet sind. Der zungennahe Anfang 30 der Spiralkontur 26 kann als der Punkt der Innenkontur definiert sein, der den geringsten Abstand zur Laufradachse 25 aufweist, oder als der Punkt, an dem, von der Zunge 9 in Rotationsrichtung des Laufrades 3 sich bewegend, die Krümmung der Innenkontur 4 ihr Vorzeichen ändert. Der Radius des Krümmungskreises 32 am Start der Spiralkontur 26 ist vorteilhaft klein im Vergleich zum Verlauf des Krümmungskreisradiusses über einen großen Teil des Verlaufs der Spiralkontur 26, vorteilhaft ist der Radius des Krümmungskreises der Spiralkontur 26 am Startpunkt 30 minimal.
Fig. 5 zeigt ähnlich wie Fig. 4 die Darstellung gemäß Fig. 3, wobei zusätzlich schematisch ein Schnitt durch das Laufrad 3 sowie der Krümmungskreis 32 der Spiralkontur 26 am zungennahen Anfang 30 eingezeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel ist der Radius des Krümmungskreises 32 am Start der Spiralkontur 26 kleiner als der maximale Radius 33 des Laufrades 3, d.h. dieser Krümmungsradius 32 beim Startpunkt 30 ist kleiner als beim bekannten Stand der Technik mit einer Spiralkontur beispielsweise einer logarithmische Spirale. Dadurch ergibt sich für das Spiralgehäuse 2 für rückwärts gekrümmte Laufräder ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine besonders niedrige Schallemission. Zwischen Zunge 9 und dem größten Radius 33 des Laufrades 3 bzw. den Flügeln 8 des Laufrades 3 besteht ein Abstand von wenigstens 6% bzw. 10% des maximalen Radiusses 33 des Laufrades 3, was insbesondere vorteilhaft für niedrige Lärmentstehung ist.
Fig. 6 zeigt, ähnlich wie Fig. 4 und Fig. 5, die Darstellung gemäß Fig. 3, wobei zusätzlich der Azimutwinkel θ (36) eines Punktes P (35) auf der Spiralkontur 26 sowie die Bestimmung des zugehörigen lokalen Steigungswinkels α (37) der Spiralkontur 26 dargestellt sind. Die Position eines Punktes P (35) auf einer Spiralkontur 26 ist durch den Azimutwinkel θ (36) bestimmt. Dies ist der Winkel zwischen der Strecke von der Laufradachse 25 zum Punkt P (35) und dem Referenzstrahl 31, der die Laufradachse 25 mit dem Startpunkt 30 der Spiralkontur 26 verbindet. An jedem Punkt P (35) kann der Winkel α (37) zwischen der Umfangsrichtung (der Tangente an einen Kreis 34 koaxial zum Laufrad durch P (35)) und der Spiralkontur 26 bzw. deren lokaler Tangente an P (35) definiert werden. Der Verlauf dieses Winkels α (37) ist maßgeblich für die Erreichung eines hohen Wirkungsgrades und niedriger Lärmpegel. Insbesondere soll er in einem Bereich für θ (36) von 0° bis 180° betrachtet werden, wobei vor allem der Verlauf nahe der Zunge 9 maßgeblich ist. Neben dem Verlauf von α (37) im Bereich für θ (36) von 0° bis 180° kann in dem Bereich auch der Verlauf des Abstandes r der Spiralkontur 26 von der Laufradachse 25 betrachtet werden, oder der Verlauf der Krümmung κ, wobei κ der Kehrwert des lokalen Krümmungskreisradiusses an einem Punkt P (35) bei einem bestimmten θ (36) ist. Mit diesen Verläufen kann die Spiralkontur 26 charakterisiert werden, und die Fig. 11 bis 13 zeigen für erfindungsgemäße Spiralgehäuse typische Verläufe.
Fig. 11 zeigt in einem Diagramm zwei typische Verläufe der Entfernung r einer Spiralkontur 26 von der Laufradachse 25 von erfindungsgemäßen Spiralgehäusen. Der Abstand r hat, für beide gezeigten Verläufe, beim Startpunkt 30 der Spiralkontur 26 an der Zunge 9 den kleinsten Wert und nimmt im Verlauf der Spiralkontur 26 zumindest bis θ=180° im Wesentlichen monoton zu. Entscheidend ist, dass er im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° verhältnismäßig stark ansteigt. Beispielsweise steigt er bei der Kontur, die von der Kurve mit den Dreieckssymbolen repräsentiert wird, von θ=0° bis θ=45° um 61 mm von 163 mm auf 224 mm an, was einer in diesem Bereich gemittelten Anstiegsrate von 1,36 mm/1° bedeutet, während er von θ=45° bis 8=180° um 54 mm von 224 mm auf 278 mm steigt, was einer in diesem Bereich gemittelten Anstiegsrate von 0.4 mm/1° entspricht. Das heißt, die mittlere Anstiegsrate des Radiusses in Bezug auf den Azimutwinkel θ ist im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° mehr als dreimal so hoch wie im Bereich von θ=45° bis θ=180°.
Beim zweiten Beispiel steigt der Radius bei der Kontur, die von der Kurve mit den Quadratsymbolen repräsentiert wird, von θ=0° bis θ=45° um 19 mm von 103 mm auf 122 mm an, was einer in diesem Bereich gemittelten Anstiegsrate von 0,42 mm/° bedeutet, während er von θ=45° bis 8=180° um 20 mm von 122 mm auf 152 mm steigt, was einer in diesem Bereich gemittelten Anstiegsrate von 0.22 mm/° entspricht. Das heißt, die mittlere Anstiegsrate des Radius in Bezug auf den Azimutwinkel θ ist im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° mehr als 1,5-fach so hoch wie im Bereich von θ=45° bis θ=180°.
Fig. 12 zeigt in einem Diagramm eingezeichnet zwei typische Verläufe des Steigungswinkels α der Spiralkontur 26 von erfindungsgemäßen Spiralgehäusen. Beide Verläufe haben in einem Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° verhältnismäßig hohe Steigungswinkel α. Beispielsweise hat der Steigungswinkel α bei der Spiralkontur, die von der Kurve mit den Dreieckssymbolen repräsentiert wird, im Intervall von θ=0° bis θ=45° einen Mittelwert von etwa 21°, während er im Intervall von θ=45° bis θ=180° einen Mittelwert von etwa 5,5° hat. Das heißt, der mittlere Steigungswinkel α der Spiralkontur 26 ist im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° mehr als dreimal so hoch wie im Bereich von θ=45° bis θ=180°.
Beim zweiten Beispiel hat der Steigungswinkel α bei der Spiralkontur, die von der Kurve mit den Quadratsymbolen repräsentiert wird, im Intervall von θ=0° bis θ=45° einen Mittelwert von etwa 12°, während er im Intervall von θ=45° bis θ=180° einen Mittelwert von etwa 5,5° hat. Das heißt, der mittlere Steigungswinkel α der Spiralkontur 26 ist im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° mehr als doppelt so hoch wie im Bereich von θ=45° bis θ=180°.
Fig. 13 zeigt in einem Diagramm eingezeichnet zwei typische Verläufe der Krümmung κ einer Spiralkontur 26 von erfindungsgemäßen Spiralgehäusen. Beide Verläufe haben in einem Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° verhältnismäßig hohe Krümmungen κ. Beispielsweise hat die Krümmung κ bei der Kontur, die von der Kurve mit den Dreieckssymbolen repräsentiert wird, im Intervall von θ=0° bis θ=45° einen Mittelwert von etwa 0.0062 1/mm, während sie im Intervall von θ=45° bis θ=180° einen Mittelwert von etwa 0.0042 1/mm hat. Das heißt, die mittlere Krümmung κ der Spiralkontur 26 ist im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° um mehr als 35% höher im Vergleich zum Bereich von θ=45° bis θ=180°.
Beim zweiten Beispiel hat die Krümmung κ bei der Kontur, die von der Kurve mit den Quadratsymbolen repräsentiert wird, im Intervall von θ=0° bis θ=45° einen Mittelwert von etwa 0.01 1/mm, während sie im Intervall von θ=45° bis θ=180° einen Mittelwert von etwa 0,0074 1/mm hat. Das heißt, die mittlere Krümmung κ der Spiralkontur 26 ist im Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° um mehr als 30% höher im Vergleich zum Bereich von θ=45° bis θ=180°.
Es sei noch angemerkt, dass bei den vorangegangenen Beschreibungen zu den Figuren 11 bis 13 beispielhaft immer ein Sektorbereich von θ=0° bis θ=45° gewählt wurde. Ebenso kann insbesondere bei anderen Ausführungsformen auch ein anderer Sektorbereich gewählt werden, zwischen den Sektorbereichen von θ=0° bis θ=24° bis von θ=0° bis θ=55°.
In Fig. 7 ist in perspektivischer Ansicht ein Ventilator 1 mit einer weiteren Ausführungsform eines Spiralgehäuses 2 dargestellt, das im Wesentlichen aus Blech gefertigt ist. Die Hauptkomponenten des Spiralgehäuses 2 im Ausführungsbeispiel sind ein im Wesentlichen ebenes motorseitiges Seitenblech 39, ein im Wesentlichen ebenes düsenseitiges Seitenblech 40 und ein im Wesentlichen abwickelbares umfängliches Seitenblech 41, auch als Spiralblech 41 bezeichnet, welches in einem Schnitt an einer Ebene senkrecht zur Laufradachse im Wesentlichen die Innenkontur 4 (siehe Fig. 9) aufweist. Am motorseitigen Seitenblech 39 ist im Ausführungsbeispiel noch ein Wartungsdeckel 38 angebracht, der den Zugang zum Motor bzw. zum Laufrad erleichtert. Am düsenseitigen Seitenblech 40 ist eine Einströmdüse (nicht dargestellt) integriert, entweder einstückig oder als separates Blech- oder Kunststoffteil befestigt. Der im Ausführungsbeispiel viereckige Luftauslass 5 wird von den Seitenblechen 39 bis 41 gebildet, wobei zur zusätzlichen Verstärkung ein weiteres Blechteil in der Funktion eines Befestigungsflansches 15 angebracht ist, an dem Bohrungen 17a eingebracht sind, die das Befestigen des Spiralgehäuses 2 bzw. des Ventilators 1 an einem übergeordneten System wie beispielsweise einer lufttechnischen Anlage oder einem Strömungskanal vereinfachen sollen.
In Fig. 8 ist in einer Ansicht in Richtung der Laufradachse und in einem Schnitt an einer Ebene quer zur Laufradachse ein Ventilator 1 mit dem Spiralgehäuse 2 gemäß Fig. 7 dargestellt. Man erkennt im Schnitt das umfängliche Seitenblech 41, das auf der inneren Seite am Rand des Strömungskanals 45 die Innenkontur 4 aufweist. Das Laufrad 3, welches im Inneren eingebaut ist, ist ein rückwärts gekrümmtes Laufrad mit Flügeln 8, einer Bodenscheibe 7 und einer (nicht dargestellten) Deckscheibe, dessen Rotationsrichtung im Betrieb in der gezeigten Darstellung im Uhrzeigersinn verläuft. Es wird angetrieben von einem Motor 10, dessen Rotor 11, an dem das Laufrad 3 befestigt ist, im Inneren des Laufrades 3 sichtbar ist. Der Auslass 5 ist von einem Befestigungsflansch 15 umgeben, welcher als separates Blechteil ausgeführt ist. In der Ausführungsform wird hier eine Besonderheit sichtbar, die im Zusammenhang mit der speziellen Gestaltung der Innenkontur 4 steht. So wird nicht die komplette Innenkontur 4, die in der Nähe der Zunge 9 einen speziellen Verlauf mit großen Krümmungen hat, vom umfänglichen Seitenblech 41 abgebildet. Ein Teil der Innenkontur 4 wird von einem zusätzlichen inneren Zungenblech 42 abgebildet, das beispielsweise in dünnerer Blechstärke ausgeführt sein kann. Weiterhin kann das innere Zungenblech 42 dem Spiralgehäuse 2 im Zusammenspiel mit den Seitenblechen 39 bis 41 zusätzliche Stabilität geben.
In Fig. 9 ist in einer schematischen Darstellung mit einer Blickrichtung entsprechend derjenigen aus Fig. 8 der Verlauf der Innenkontur 4 des Spiralgehäuses 2 aus Fig. 7 und Fig. 8 an einem Schnitt quer zur Laufradachse gesehen dargestellt. Es ist ein repräsentativer Schnitt senkrecht zur Laufradachse 25 zu betrachten, beispielsweise an der Stelle, in Achsrichtung gesehen, an der die von der Innenkontur 4 und dem Auslass 5 umschlossenen Fläche maximal ist, oder in Höhe der Mitte des Laufradaustritts oder etwa in der Mitte des Strömungskanals 45. In der gezeigten schematischen Darstellung ist insbesondere die Innenkontur 4 zu erkennen, die einen Austritt 5 umschließt, an dem die Innenkontur 4 offen ist. Sie lässt sich unterteilen in eine zungenseitige Auslasskontur 27, eine Zunge 9, eine sich etwa um die Laufradachse 25 erstreckende Spiralkontur 26, eine zungenferne Auslasskontur 28 sowie eine distinkte Übergangskontur 46 zwischen Zunge 9 und Auslasskontur 27. Im Übrigen sei, sofern nötig, auf die Ausführungen zu Fig. 3 bis 6 verwiesen, die hier sinngemäß auch zutreffen.
In Fig. 10 ist die Darstellung gemäß Fig. 9 gezeigt, wobei zusätzlich der größte zum Laufrad koaxiale Innenkreis 29 und die azimutale Position des Anfangs 30 der Spiralkontur 26 an der Zunge 9 dargestellt sind. Auch hier sei noch auf die die Ausführungen zu Fig. 3 bis 6 verwiesen, die hier sinngemäß auch zutreffend sind.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Der Schutzumfang der Erfindung ist durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegt.

Bezugszeichenliste

1: Ventilator
2: Spiralgehäuse, Gehäuse
2a: düsenseitige Hälfte des Spiralgehäuses/Gehäuses
2b: motorseitige Hälfte des Spiralgehäuses/Gehäuses
3: Laufrad
4: Innenkontur/Spiralkontur
5: Auslass
6: Übergangsbereich
7: Bodenscheibe des Laufrades
8: Flügel des Laufrades
9: Zunge
10: Motor
11: Rotor des Motors
12: Stator des Motors
13: Blechronde
14: Einströmdüse
15: Befestigungsflansch
16: Verbindungsbereich
17a: Bohrungen
17b: Bohrungen
18: Versteifungselement, Versteifungsrippe
19: Rotor eines Motors
20: Stator eines Motors
21: nicht belegt
22: nicht belegt
23: Verbindungsbereich zwischen Teilgehäusen
24: Zuströmfläche
25: Laufradachse
26: Spiralkontur, Kontur
27: zungenseitige Auslasskontur
28: zungenferne Auslasskontur
29: größter zum Laufrad koaxialer Innenkreis
30: Startpunkt der Spiralkontur
31: 0°-Strahl, Referenzstrahl für Azimutwinkelbestimmung
32: kleinster Krümmungskreis der Spiralkontur, Krümmungskreis am Start der Spiralkontur
33: maximaler Radius des Laufrades
34: Kreis koaxial zum Laufrad und durch einen Punkt P der Innenkontur
35: Punkt P auf der Innenkontur
36: Azimutwinkel θ der Innenkontur
37: Steigungswinkel α der Innenkontur an einem Punkt P
38: Wartungsdeckel, Revisionsöffnung
39: motorseitiges Seitenblech
40: düsenseitiges Seitenblech
41: umfängliches Seitenblech, Spiralblech
42: inneres Zungenblech
43: Flügelsaugseite
44: Flügeldruckseite
45: Strömungskanal im Spiralgehäuse
46: Übergangskontur

Claims

Ventilator (1) mit einem Laufrad (3) mit rückwärts gekrümmten Flügeln (8) und mit einem Spiralgehäuse (2), dessen Strömungskanal (45) durch eine Innenkontur (4) des Gehäuses (2), beinhaltend eine Spiralkontur (26), gebildet ist, wobei der Strömungskanal (45) die vom Laufrad (3) geförderte Luft hin zu einem Auslass (5) führt, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Steigungswinkel (37) der Spiralkontur (26) im Sektorbereich mit einem Azimutwinkel (36) von θ= 0° bis θ= 45° mehr als doppelt so hoch ist wie im Sektorbereich mit einem Azimutwinkel (36) von θ= 45° bis θ= 180°, so dass die Spiralkontur (26) mit ihren lokalen Steigungswinkeln (37) an den Abströmwinkel aus dem Laufrad (3) angepasst ist,
wobei der Azimutwinkel θ der Winkel zwischen einer Strecke von einer Laufradachse (25) zu einem Punkt P (35) auf einer Spiralkontur (26) und einem Referenzstrahl (31) ist, der die Laufradachse (25) mit einem Startpunkt (30) der Spiralkontur (26) verbindet, und

wobei an jedem Punkt P (35) der Steigungswinkel α (37) zwischen einer Umfangsrichtung, d.h. einer Tangente an einem Kreis (34) koaxial zu einem Laufrad durch P (35), und der Spiralkontur (26) und/oder deren lokaler Tangente an P (35) definiert ist.
Ventilator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Steigungswinkel (37) der Spiralkontur (26) ab einem engsten Bereich im Strömungskanal (45) nahe oder an einer Zunge (9) etwa in Richtung der Rotation des Laufrads (3) mit einem größeren Wert beginnt als im weiteren Verlauf bis hin zu einem Auslass (5) mit zungenferner Auslasskontur (28).
Ventilator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Steigungswinkel (37) über einen Sektorbereich mit einem Azimutwinkel (36) von θ = 24° bis θ = 55°, beginnend am engsten Bereich oder an der Zunge (9), im Mittel deutlich höhere Werte als im weiteren Verlauf hat.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zungennahe Anfang der Spiralkontur (26) als der Punkt (35) der Innenkontur (4) des Gehäuses (2) definiert ist, der den geringsten Abstand zur Laufradachse (25) hat oder an dem, von der Zunge (9) in Rotationsrichtung des Laufrads (3) sich bewegend, die Krümmung der Innenkontur (4) ihr Vorzeichen ändert.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Krümmungskreises (32) zu Beginn der Spiralkontur (26), d.h. im engsten Bereich des Strömungskanals (45) bzw. an der Zunge (9), klein im Vergleich zum Verlauf des Krümmungskreisradius über einen großen Teil des Verlaufs der Spiralkontur (26) ist, wobei der Radius des Krümmungskreises (32) der Spiralkontur (26) zu Beginn der Spiralkontur (26) vorteilhaft minimal ist.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Krümmungskreises (32) zu Beginn der Spiralkontur (26) kleiner als der maximale Radius (33) des Laufrads (3) ist.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zunge (9) und dem größten Radius des Laufrades (3) oder den Flügeln (8) des Laufrades (3) ein Abstand von mindestens 6% oder 10% des maximalen Radius (33) des Laufrads (3) besteht.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (2) im Wesentlichen aus zwei Gehäusehälften (2a, 2b) besteht, wobei eine einströmdüsenseitige Gehäusehälfte (2a, 2b) die Einströmdüse (14) und ggf. eine der Einströmdüse (14) vorgelagerte Zuströmfläche (24) mit größerem Außenradius als die Einströmdüse (14) umfasst und wobei eine motorseitige Gehäusehälfte (2b) Befestigungsmittel für den Motor (10) mit Stator (12) umfasst.
Ventilator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gehäusehälften (2a, 2b) einen vorzugsweise flanschartigen Verbindungsbereich (23) als äußeren Randbereich haben, an oder in dem die Gehäusehälften (2a, 2b) mittels Schrauben, Klipse, Nieten oder klebetechnisch miteinander verbunden sind.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass das Spiralgehäuse (2) ein im Wesentlichen ebenes motorseitiges Seitenteil, ein im Wesentlichen ebenes einströmdüsenseitiges Seitenteil und ein vorzugsweise abwickelbares Umfangsteil umfasst.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die motorseitige Gehäusehälfte (2b) oder das motorseitige Seitenteil eine Revisionsöffnung (38) mit Deckel hat.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehälften (2a, 2b) oder die Gehäuseteile in Kunststoff-Spritzguss oder aus Blech gefertigt sind.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (2) im Bereich des Auslasses (5) einen Befestigungsflansch (15) hat, der zur Befestigung des Ventilators an einer beliebigen Struktur dient, wobei der Befestigungsflansch (15) Bestandteil einer Gehäusehälfte (2a, 2b) oder eines separaten Gehäuseteils ist.
Ventilator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand r der Spiralkontur (26) von einer Laufradachse (25) an einem Startpunkt (30) der Spiralkontur (26) an einer Zunge (9) den kleinsten Wert aufweist und im Verlauf der Spiralkontur (26) bis zu einem Azimutwinkel θ= 180° im Wesentlichen monoton zunimmt.