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Dokumentenidentifikation DE102004023270A1 20.01.2005
Titel Axialschraubengebläse
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP;
Japan Servo Co. Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Iwase, Taku, Tsuchiura, Ibaraki, JP;
Sugimura, Kazuyuki, Ibaraki, JP;
Tanno, Taro, Kiryu, Gunma, JP
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 11.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004023270
Offenlegungstag 20.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.01.2005
IPC-Hauptklasse F04D 29/32
Zusammenfassung Ein Axialschraubengebläse hoher Effizienz und mit niedrigem Geräuschpegel wird angegeben. Das Gebläse weist einen Motor, eine Schraube mit einer Mehrzahl von Blättern (1) um eine Nabe (2) auf, die mit dem Motor verbunden ist und ein Gebläsegehäuse (5) mit einem Lufteinlass auf einer Seite und einem Luftauslass auf der anderen Seite, wobei eine radiale Position mit einem maximalen Einstellwinkel in einem Blattquerschnitt und eine radiale Position mit einer Kontur eines Führungskantenbereichs (A) in der Fluidströmungsrichtung, welche eine vorstehende Spitze in Flussrichtung bildet, angeordnet sind, zwischen 60% und 80% des Außendurchmessers der Schraube.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Axialschraubengebläse, welches als ein Gebläse für elektronische Geräte Verwendung findet, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Aufbau eines hocheffizienten und leisen Axialschraubengebläses.

Axialschraubengebläse werden für verschiedene Arten von Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel als Gebläse zum Kühlen elektronischer Geräte und als Gebläse für eine außerhalb eines Hauses aufgestellte Einheit einer Klimaanlage, und es wurde eine Vielzahl von Technologien entwickelt, um eine hohe Effizienz und einen geringen Geräuschpegel zu erzielen.

Bei einem Gebläsegehäuse wird eine Technik zur Reduzierung des Geräuschpegels angewandt, bei der ein zylinderförmiger Einlass des Gebläsegehäuses ausgebildet wird und eine asymmetrische Ansaugströmung gebildet ist (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).

Was die Form des Gebläses betrifft, wurde eine Technologie vorgeschlagen, nach der hohe Effizienz und ein niedriger Geräuschpegel erzielt wurden durch Ausbilden einer dreieckigen Führungskante an der Blattspitze, indem die Kante in Drehrichtung nach vorne gezogen wurde, das Blatt in Richtung auf die Einlassseite gekippt wurde oder indem der Schlosswinkel oder der Einstellwinkel in einem geeigneten Bereich gewählt wurden, um Spitzenverwirbelungen und Streufluss zu reduzieren (siehe zum Beispiel Patentdokumente 2 bis 5).

Es wurde ferner eine Technik zur Erzielung eines geringen Geräuschpegels vorgeschlagen, bei der die Formen der Blattspitze verbessert wurden (siehe zum Beispiel Patentdokument 6).

Nach einer weiteren Technologie zur Erzielung hoher Effizienz wird die Form der hinteren Kante verbessert (siehe zum Beispiel Patentdokument 7).

Patentdokument 1

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 61-190198 (Seiten 2 und 3, 1 bis 3)

Patentdokument 2

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 61-065096 (Seiten 5 bis 6, 1 und 2)

Patentdokument 3

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 09-049500 (Seiten 13 und 14, 1 bis 7)

Patentdokument 4

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 11-044432 (Seiten 4 bis 6, 1 bis 7)

Patentdokument 5

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 08-303391 (Seite 2, 1 bis 5)

Patentdokument 6

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 06-129397 (Seite 3, 1 bis 3)

Patentdokument 7

ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2002-257088 (Seite 4, 1 und 2)

Dokument 1 außerhalb der Patentliteratur

ist der Aufsatz "Turbo-fan and compressor" von NAMAI, Takefumi und INOUE, Masahiro Corona, veröffentlicht am 25. August 1988, S. 357–418.

Die technische Entwicklung axialer Schraubengebläse schreitet seit einer langen Zeit fort und axiale Schraubengebläse sind ein gut entwickeltes etabliertes mechanisches Element geworden. In dem oben beschriebenen Stand der Technik wurden hinreichende Wirkungen hinsichtlich hoher Effizienz und niedrigem Geräuschpegel erzielt.

Diese Technologien fokussierten auf die Vielseitigkeit, und weitere Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit waren schwer zu erzielen.

Die meisten Gebläse für Kühlgeräte sind Massenprodukte, mit anderen Worten Katalogprodukte und es ist schwer, bestimmte Betriebsbedingungen und Anwendungen festzulegen (Patentdokumente 1 und 5).

So wurde ein Design spezifiziert, wonach die angesaugte Strömung und die abgegebene Strömung parallel zur Rotationsachse verlaufen. Genauer gesagt, wurde Arbeit investiert in den Spitzenbereich eines Blattes bzw. an der Blattspitze. Der Druckgradient wird erzeugt mit einer Strömung mit einem hohen Druck an dem Spitzenbereich des Blattes, die Strömung, die entsteht durch nach außen gerichtete Expansion aufgrund der Zentrifugalkraft der Drehung der Flügel wird unterdrückt und in die axiale Strömungsrichtung gedrängt.

Selbst bei dem Axialschraubengebläse für Klimaanlagen wird die Strömung so angeordnet, dass sie in axialer Flussrichtung fließt, ähnlich wie oben, um zu verhindern, dass das ausgestoßene Fluid wieder zurückgesaugt wird (Patentdokumente 2 bis 4, 6 und 7).

Bei einem allgemeinen Aufbau dieser Axialschraubengebläse wird ein adäquates Spitzenspiel zwischen der Spitze und dem Gebläsegehäuse sichergestellt. Wenn sich die Schraube dreht, treten Verwirbelungen und ein Streufluss an dem Spitzenspiel aufgrund der Druckunterschiede zwischen der Druckoberfläche und der Saugoberfläche des Blattes und aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Saugende und dem Auslassende auf und bewirken Verluste und Lärm.

Zusätzlich wird eine Randschicht des Gebläsegehäuses durch das Strömungsfeld verbogen, welches zwischen einer festen Gebläsegehäusewandoberfläche und der rotierenden Schraube existiert, die Strömung wird durch Spitzenverwirbelung, Streufluss und Ähnlichem am Spitzenspiel beeinflusst und die Strömung wird sehr komplex.

Trotzdem ist die Tangentialgeschwindigkeit am größten und der Durchsatz ist im Bereich der Spitze am höchsten. Daher wurden die meisten der bekannten Axialschraubengebläse so konstruiert, dass der meiste Durchsatz durch komplexe Strömungen im Spitzenbereich erzielt wird.

Wie oben beschrieben, heißt mehr Durchsatz bzw. Leistung, dass der Absolutwert der Verluste groß ist, selbst wenn angenommen wird, dass das Verhältnis der entnommenen Energie zu der eingeführten Energie unverändert bleibt.

Mit anderen Worten, es muss ein Kompromiss gemacht werden zwischen dem Lenken der Strömung in Axialrichtung und der Verringerung von Verlusten und Geräusch im Spitzenbereich, wobei ein Problem auftritt, wenn eine höhere Effizienz und ein niedrigerer Geräuschpegel erzielt werden sollen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Axialschraubengebläse anzugeben mit einer Schraubenform, die Spitzenverwirbelungen, Streufluss oder ähnliches im Bereich der Blattspitze verringert, die zu Verlusten und Geräuschen führen, sowie ein Verfahren zur Verwendung des Axialschraubengebläses und eine Kühlvorrichtung mit dem Axialschraubengebläse.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ein Axialschraubengebläse angegeben mit einem Motor, einer Schraube mit einer Mehrzahl von Blättern, die um eine Nabe herum angeordnet sind, die an dem Motor angeschlossen ist und mit einem Gebläsegehäuse mit einem Lufteinlass auf einer Seite und einem Luftauslass auf der anderen Seite, bei dem die radiale Lage des maximalen Einstellwinkels &xgr; im Blattquerschnitt und die radiale Lage Aa des Umfangs des Führungskantenbereichs in Fluidflussrichtung eine in Strömungsrichtung gerichtete Spitze bilden und angeordnet sind zwischen 60 und 80 % des Außendurchmessers der Schraube.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Axialschraubengebläse angegeben mit einer Motor, einer Schraube mit einer Mehrzahl von Blättern um eine Nabe, die an dem Motor angebracht ist und mit einem Gebläsegehäuse mit einem Lufteinlass auf der einen Seite und einem Luftauslass auf der anderen Seite, bei der eine radiale Lage mit einem maximalen Einstellwinkel &xgr; in dem Blattquerschnitt und eine radiale Position mit einem maximalen Blatttiefenverhältnis &sgr;, definiert als &sgr; = L/T, wobei L die Länge der Bogensehne ist, die die Führungskante mit einem hinteren Ende des Blattes verbindet und T eine umfängliche Länge bei einem Radius R, dividiert durch die Blattzahl Z ist, zwischen 60 % und 80 % des Außendurchmessers des Blattes angeordnet sind.

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Axialschraubengebläse angegeben mit einem Motor, einer Schraube mit einer Mehrzahl von Blättern um eine Nabe, die an dem Motor angebracht ist und einem Gebläsegehäuse mit einem Lufteinlass auf der einen Seite und einem Luftauslass auf der anderen Seite, indem eine radiale Stelle mit einem maximalen Einstellwinkel &xgr; in einem Blattbereich, eine radiale Stelle Aa mit einem Umfang eines Führungskantenbereichs in einer Fluidflussrichtung, die eine vorstehende Spitze in Fließrichtung bildet, und eine radiale Stelle mit einem maximalen Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr;, wobei das Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr; definiert ist als &sgr; = L/T, wobei L eine Länge der Bogensehnenlinie ist, die die Führungskante mit der Rückkante des Blattes verbindet, und T eine Umfangslänge bei einem Radius R, dividiert durch die Blattzahl Z ist, zwischen 60 % und 80 % des Außendurchmessers der Schraube angeordnet sind. Ein Luftauslass des Gebläsegehäuses hat vorzugsweise eine innere Oberfläche, die in sich ausdehnender Weise mit einem Öffnungsende in Verbindung steht.

Die maximale Blattdicke tt des Spitzenbereichs ist größer als die maximale Blattstärke ta im Nabenbereich, wenn das Blatt aus einer Zylinderebene mit dem Radius R geschnitten ist und der Querschnitt weitet sich in eine zweidimensionale Ebene.

Wenn das zu kühlende Objekt an der Auslassseite des Axialschraubengebläses angeordnet ist, wird es vorzugsweise an einer Stelle des Radius vorgesehen, der größer ist als der Spitzenbereichradius Rt auf der Luftauslassseite des Axialschraubengebläses.

Nach der vorliegenden Erfindung wird ebenso ein Kühlgerät mit einem axialen Schraubengebläse angegeben mit einem der oben beschriebenen Axialschraubengebläsen sowie ein Kühlgerät, welches an der Auslassseite des Axialschraubengebläses an einer Stelle angeordnet ist, die von dem Spitzenbereichradius Rt ausgeht.

Somit kann mit der vorliegenden Erfindung ein Axialschraubengebläse mit einer Schraubenform, die Spitzenverwirbelung und/oder Streufluss im Blattspitzenbereich, welche Verluste und Geräusche erzeugen, erhalten werden.

Ferner können Geräte mit hoher Effizienz und einem geringen Geräuschpegel hergestellt werden, wenn das Axialschraubengebläse nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Außerdem wird bei der Kühlvorrichtung mit dem Axialschraubengebläse ein hoher Kühlungseffekt erzielt werden, indem die Anordnung des Axialschraubengebläses und/oder des sich aufheizenden Körpers verbessert wird, selbst wenn das zu kühlende Objekt an der Gebläseauslassseite angeordnet ist und Geräte mit hoher Effizienz und niedrigem Geräuschpegel können zusammen mit dem Axialschraubengebläse hergestellt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine Projektion eines Axialschraubengebläses nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse;

2 zeigt einen Entwicklungsplan, erhalten durch Schneiden eines Blattes mit einer zylinderförmigen Ebene eines beliebigen Radius und Expandieren des Schnittes in eine zweidimensionale Ebene sowie Schnittansichten im Nabenbereich bei einem Radius Ra mit einem maximalen Einstellwinkel &xgr; im Spitzenbereich;

3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schraube des Axialschraubengebläses mit einem Gebläsegehäuse nach der erste Ausführungsform;

4 zeigt eine schräge perspektivische Ansicht der sich drehenden Schraube des Axialschraubengebläses nach der ersten Ausführungsform der Erfindung vom oberen Bereich einer Ansaugseite, um den Effekt der Unterdrückung eines Strömungsabrisses zu illustrieren;

5 zeigt einen Vergleich der Eigenschaften der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialschraubengebläses mit den Eigenschaften eines herkömmlichen Axialschraubengebläses;

6 zeigt den Luftstrom beim Betrieb des Axialschraubengebläses nach der ersten Ausführungsform der Erfindung;

7 zeigt eine Projektion einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialschraubengebläses auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse;

8 zeigt eine Projektion einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialschraubengebläses auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse und illustriert ein Beispiel eines Verfahrens zur Definition des Verlaufs einer Führungskantenkontur 3;

9 zeigt einen Vergleich von Radialverteilungen des Führungskantenkippwinkels &thgr;1 des Bogensehnenabstandsverhältnisses &sgr; und der Tangente des Einstellwinkels &xgr; zwischen der dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialschraubengebläses und einem Axialschraubengebläse herkömmlicher Art;

10 zeigt einen Vergleich zwischen der Effizienz der dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialschraubengebläses mit der Effizienz eines Axialschraubengebläses herkömmlicher Art;

11 zeigt den Geräuschreduktionseffekt der dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialschraubengebläses verglichen mit einem Axialschraubengebläse herkömmlicher Art;

12 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau eines Axialschraubengebläsegehäuses;

13 zeigt einen Schnitt durch ein Axialschraubengebläse nach einer fünften Ausführungsform, geschnitten durch eine Ebene senkrecht zur Drehachse;

14 zeigt einen Vergleich zwischen der maximalen Blattdicke t des Axialschraubengebläses nach der fünften Ausführungsform mit der maximalen Blattdicke t eines Axialschraubengebläses herkömmlicher Art;

15 zeigt die Innenseite eines Vorrichtungsgehäuses mit dem Axialschraubengebläse nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5, welches mit der Vorrichtung zusammen angeordnet ist;

16 zeigt eine räumliche Anordnung eines Axialschraubengebläses nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5 im Verhältnis zu einem sich aufheizenden Körper, der an der Auslassseite des Gebläses angeordnet ist; und

17 zeigt den Aufbau einer Kühlvorrichtung mit einem Gebläse zum direkten Kühlen des Hochtemperaturelements durch Zusammenbau der Kühlvorrichtung mit dem Gebläse.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Folgenden wird das Axialschraubengebläse nach der vorliegenden Erfindung und Ausführungsformen eines Verfahrens zur Verwendung des axialen Schraubengebläses mit Bezug auf die 1 bis 17 beschrieben.

Erste Ausführungsform

1 ist eine Projektion eines Axialschraubengebläses nach einer ersten Ausführungsform projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse.

Bei dem Axialschraubengebläse nach der ersten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Blättern 1 auf der Nabe 2 befestigt. Die Form des Blattes 1 ist bestimmt durch eine Führungskantenkontur 3a, eine Hinterkantenkontur 4a, einer Spitzenkontur 11 und einer Nabenkontur 12. Das Axialschraubengebläse wird in Richtung des Pfeils 13 gedreht. Eine Saugoberfläche 6 liegt auf der Rückseite der Ebene der Figur und eine Druckoberfläche 7 liegt auf der oberen Seite der Ebene der Figur.

2 umfasst einen Expansionsplan, der erhalten wird durch Schneiden eines Blattes mit einer Zylinderfläche beliebigen Radius und Expandieren des Schnittes in eine zweidimensionale Ebene sowie Schnittansichten, die Schnitte im Narbenbereich zeigen, den Radius Ra mit dem maximalen Einstellwinkel und den Spitzenbereich.

Die Führungskante A ist ein Schnittpunkt zwischen der Führungskantenkontur 3 mit der Zylinderoberfläche in 1 und die rückwärtige Kante B ist ein Schnittpunkt zwischen der rückwärtigen Kantenkontur 4 mit der Zylinderoberfläche. Der zylindrische Expansionsplan nach 2 zeigt eine Saugoberfläche 6, eine Druckoberfläche 7, Bogensehnenlinie 8, um die Führungskante A mit der rückwärtigen Kante B zu verbinden, und eine gekrümmte Linie 9. Die Länge der Bogensehnenlinie 8 ist definiert als L und der Winkel zwischen der Bogensehnenlinie 8 und einer Linie, die durch die rückwärtige Kante B auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse verläuft, ist definiert als der Einstellwinkel &xgr;.

2 zeigt die gekrümmte Linie 9 und die Bogensehnenlinie 9 bei einem f-f-Schnitt (in der Nähe des Spitzenbereichs), gezeigt in 1, einen g-g-Schnitt (auf der Höhe des Radius mit dem maximalen Einstellwinkel), und einen h-h-Schnitt (in der Nähe des Nabenbereichs). Indizes t, h und max bezeichnen den Spitzenbereich, den Nabenbereich und den Bereich mit maximalem Einstellwinkel.

Die Entwicklung nach 2 zeigt ein sog. Blattprofil. Allgemein gesagt, hat das Blattprofil den Effekt, dass Luft in Richtung eines Pfeils 600 strömt und ein Angriffswinkel &agr;A wird durch die Bogensehnenlinie 8 gebildet, so dass ein Ansteigen erhalten wird. Das Ansteigen, welches durch das Blattprofil erhalten wird, wird im Wesentlichen direkt korreliert mit dem Angriffswinkel &agr;A erhöht und sinkt schnell, wenn der Angriffswinkel einen spezifischen Wert erreicht. Der Angriffswinkel wird in diesem Fall als ein Abrisswinkel bezeichnet.

Der Abrisswinkel und die Charakteristik des erhaltenen Aufsteigens hängt von der Art des Blattprofils ab, mit anderen Worten der Verteilung der Blattdicke, der Krümmungslinie und Ähnlichem. Die Form des axialen Schraubengebläses, das dieses Blattprofil verwendet, muss konstruiert sein innerhalb eines effektiven Angriffswinkels &agr;A unter Berücksichtigung des Abrisswinkels und detaillierte Daten und Konstruktionsmethoden sind bereits vorgeschlagen worden (siehe das Nicht-Patentdokument 1).

3 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung einer Schraube des Axialschraubengebläses mit einem Gebläsegehäuse nach dem ersten Ausführungsbeispiel.

In 3 ist die Nabe 2 auf einem Motor befestigt, der in einem Motorgehäuse 15 angeordnet ist. Das Motorgehäuse 15 ist an dem Gebläsegehäuse 5 durch Speichen 14 befestigt. Der Durchmesser der Nabe beträgt ungefähr 50 % des Außendurchmessers der Schraube.

3 zeigt drei Speichen und fünf Blätter 1. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Das Gebläsegehäuse 5 ist zylinderförmig und Flanken und/oder Rippen können hinzugefügt werden, so dass das Gebläse an einer Vorrichtung angebaut werden kann.

In der ersten Ausführungsform haben der Radius an der Spitze Aa mit der Führungskantenkontur 3a, die in Einströmrichtung vorsteht, und der Radius mit dem maximalen Einstellwinkel &xgr; den gleichen Wert Ra.

Wie im Stand der Technik beschrieben, sind Axialschraubengebläse konstruiert worden mit einem Schema, bei dem mehr Förderleistung im Spitzenbereich erfolgt.

Auf der anderen Seite wird nach der vorliegenden Erfindung mehr Leistung durch einen Mittelbereich des Blattes bewirkt, während die Leistung im Spitzenbereich reduziert ist.

Nachdem der Mittenbereich des Blattes kaum durch die Nabe, das Spitzenspiel, das Gebläsegehäuse oder Ähnliches beeinflusst wird, ist der absolute Verlust durch den Spitzenbereich reduziert, verglichen mit dem bekannter Konstruktionsschemen, bei denen mehr Förderleistung durch den Spitzenbereich bewirkt wird.

Um eine hohe Effizienz zu erzielen ist, wie in 2 gezeigt, der Einstellwinkel &xgr; bei einem Radius von 60–80 % des Außendurchmessers der Schraube maximiert, um eine große Leistung auszuhalten, das heißt, eine große Durchsatzhöhe.

Dass der Einstellwinkel &xgr; groß ist, bedeutet, dass der Angriffswinkel &agr;A groß ist, wenn die Flussrate gering ist. Obwohl eine große Durchsatzhöhe erzielt werden kann, ist der Angriffswinkel nahe dem obigen Abrisswinkel gebracht und der Fluss kann separiert werden.

Daher ist bei der vorliegenden Erfindung, wie in den 1 und 2 gezeigt, der Abriss unterdrückt, indem der Radius auf der Höhe der vorstehenden Spitze Aa und der Radius bei dem maximalen Einstellwinkel im Wesentlichen den gleichen Wert Ra aufweisen.

4 zeigt eine schräge perspektivische Ansicht der Schraube des Axialschraubengebläses nach der ersten Ausführungsform der Erfindung in drehendem Zustand von dem oberen Bereich der Ansaugseite aus gesehen, um den Effekt des Vermeidens eines Abrisses zu erläutern.

Das Blatt 1 wird in Richtung des Pfeils 18 gedreht, wobei die Spitze Aa von vorderster stromauf gelegener Stelle in der Einströmrichtung liegt.

Die Führungskantenkontur 3 hat die Form eines Dreiecksflügels, wenn man sie in eine Spitzenseitenkontur 3c und eine Nabenseitenkontur 3d aufteilt, wobei der Punkt Aa eine Spitze ist. Mit anderen Worten, das Blatt 1 befindet sich in einem ähnlichem Zustand zu dem, in dem ein Dreiecksflügel in einem gleichförmigen Strom angeordnet ist.

Bei geringer Flussrate ist der Angriffswinkel &agr;A ferner am Radius Ra vergrößert und erreicht den Abrisswinkel. Der Fluss wird dennoch durch die Führungskante verdreht und erreicht die Ansaugoberfläche 6 über eine Spirale 17, die an der Spitzenseitenkontur 3c und an der Nabenseitenkontur 3d erzeugt wird.

Dieses Phänomen ist ein Effekt ähnlich dem, der bei einem Deltaflügel-Flugzeug auftritt, welches stabil mit einem großen Angriffswinkel bei geringer Geschwindigkeit fliegen kann. Dementsprechend erfolgt die größte Leistung am Radius Ra ohne jeden Abriss und eine hohe Effizienz und ein niedriger Geräuschpegel können effektiv in dem Niedrigströmungsgebiet realisiert werden.

Bei dem bekannten Axialschraubengebläse ist der Angriffswinkel &agr;A exzessiv groß im Niedrigströmungsratenbereich und der Angriffswinkel erreicht den Abrisswinkel, so dass die Durchsatzhöhe reduziert ist und der Druck abfällt, was zu unstabilen Eigenschaften führt.

Bei der ersten Ausführungsform ist der Abriss durch den Effekt des Dreiecksflügels unterdrückt und unstabile Eigenschaften können reduziert werden.

5 zeigt einen Vergleich der Eigenschaften des Axialschraubengebläses nach der ersten Ausführungsform mit den Eigenschaften eines bekannten Axialschraubengebläses. Das Axialschraubengebläse nach der ersten Ausführungsform kann einen Druckabfall verhindern, der in dem Zustand niedriger Strömung 500 auftritt.

6 zeigt den Strömungsfluss, wenn der axiale Strömungsfluss nach der ersten Ausführungsform erfolgt.

Bei einem Axialschraubengebläse, das so konstruiert ist, dass eine große Förderleistung durch den Mittenbereich des Blattes erzeugt wird, wie in der ersten Ausführungsform gezeigt, wird die angesaugte Strömung leicht nach außen in Radialrichtung umgelenkt. Wenn der Aufbau nach der ersten Ausführungsform verwendet wird, ist die Förderleistung (der Druck) im Spitzenbereich reduziert und es tritt ein Druckgradient 300 auf.

Die Strömung 100 strömt auf der Ansaugseite parallel zur Rotationsachse 16 ein und wird durch die Drehung der Blätter 1 innerhalb des Gebläsegehäuses 5 verstärkt und nach außen in Radialrichtung durch den Druckgradienten 300 umgelenkt und fließt auf der Ausgangsseite in Richtung einer Strömung 200.

Daher verbleibt Luft in dem Bereich 400 auf der Auslassseite.

Der Radius Ra ist vorzugsweise identisch dem der ersten Ausführungsform. Er kann jedoch leicht davon abweichen aus Konstruktionsgründen und Fertigungstoleranzen. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung tritt auf, solange der Radius Ra zwischen 60 und 80 % des Außendurchmessers der Schraube beträgt.

Zweite Ausführungsform

7 ist eine Projektion eines Axialschraubengebläses nach einer zweiten Ausführungsform, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse. Das Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr;, welches das Verhältnis der Bogensehnenlänge L am Radius R, wie in 2 gezeigt, zu dem Abstand T des Umfangs am Radius R, dividiert durch die Anzahl der Blätter Z (= 2&pgr;R/Z) ist definiert als &sgr; = L/T.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel haben der Radius, bei dem das Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr; in 7 maximal ist, und der Radius, bei dem der Einstellwinkel in 2 maximal ist, im Wesentlichen den gleichen Wert Rb.

Allgemein wird der Bereich des Angriffswinkels &agr;A, den das Blattprofil annehmen kann, groß, wenn das Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr; groß ist (siehe zum Beispiel das Nichtpatent-Literaturdokument 1, S. 379). Daher ergibt sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein effizienter Betrieb des Axialschraubengebläses, wenn der Angriffswinkel &agr;A groß ist.

Ferner ist der Radius Rb vorzugsweise identisch mit dem der zweiten Ausführungsform. Er kann jedoch leicht abweichen aus konstruktiven Gründen oder Herstellungstoleranzen. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung tritt ein, solange der Radius Rb zwischen 60 % und 80 % des Außendurchmessers der Schraube beträgt.

Dritte Ausführungsform

8 ist eine Projektion eines Axialschraubengebläses nach eine dritten Ausführungsform, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse und erläutert ein Beispiel für ein Verfahren zur Bestimmung der Form der Kontur der Führungskante 3.

Das Axialschraubengebläse nach der dritten Ausführungsform ist eine Kombination aus der ersten Ausführungsform mit der zweiten Ausführungsform.

In 8 ist der Vorwärtspfeilungswinkel &thgr;1 der Führungskante definiert als ein Winkel, der gebildet wird aus der Linie Xc, die den Mittelpunkt Ch des Nabenumfangs 12 in dem Schnittpunkt des Hubbereichs durch die Zylinderoberfläche mit dem Radius Rh bis zum Ursprung 0 und der Linie X1, die die Führungskante A an einem Zylinderbereich bei einem beliebigen Radius R mit dem Ursprung 0 verbindet.

9 zeigt einen Vergleich der Radialverteilung der Führungskanten der Vorwärtspfeilungswinkel &thgr;1, des Bogensehnenabstandsverhältnisses &sgr; und der Tangente des Einstellwinkels &xgr; zwischen dem axialen Schraubengebläse nach dem dritten Ausführungsbeispiel und einem Axialschraubengebläse bekannter Art. Der Index t bezeichnet den Spitzenbereich und in 9 sind diese Werte unskaliert im Spitzenbereich gezeigt.

In 9 sind der Radius mit einem Maximum &thgr;1, &sgr; und Tangens &xgr; im dritten Ausführungsbeispiel in dem Bereich 23 im Wesentlichen gleich, während der Radius bei einem bekannten Axialschraubengebläse monoton ansteigt oder monoton absinkt.

Der kleinere Bereich 23 wird bevorzugt. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung kann ausreichend erhalten werden, wenn der Bereich der dritten Ausführungsform verfügbar ist. Der ideale Bereich 23 ist jedoch 60–80 % des Außendurchmessers der Schraube.

10 zeigt einen Vergleich der Effizienz des Axialschraubengebläses nach der dritten Ausführungsform mit der Effizienz eines Axialschraubengebläses bekannter Konstruktion.

10 zeigt eine Mehrzahl von Beispielen 1 bis 3, bei denen diese Ausführungsform verwendet wurde und die ausgedrückt sind durch das Verhältnis der höchsten statischen Druckeffizienz bei experimentell erhaltenen Anwendungen nach der vorliegenden Erfindung und der höchsten statischen Druckeffizienz bei einem bekannten Axialschraubengebläse. Die Effizienz bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt höher als die bei Axialschraubengebläsen nach dem Stand der Technik.

11 zeigt den Geräuschreduktionseffekt des Axialschraubengebläses nach der dritten Ausführungsform, verglichen mit einem Axialschraubengebläse bekannten Designs. 11 zeigt die Differenz zwischen dem experimental erhaltenen Geräuschpegel eines Beispiels eines Axialschraubengebläses nach dem Stand der Technik und dem bei einem erfindungsgemäßen Axialschraubengebläse. Der Geräuschpegel ist ein experimenteller Wert am höchsten statischen Druckeffizienzpunkt und wurde berechnet nach Umwandlung in den spezifischen Geräuschpegel. Wie in 11 gezeigt, ist der Geräuschpegel bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik reduziert.

Vierte Ausführungsform

12 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau eines Axialschraubengebläsegehäuses, geschnitten durch die Ebene, die die Rotationsachse einschließt. In 12 ist ein Luftauslass auf der Auslassseite des Gebläsegehäuses 5 gebildet aus einer konischen Oberfläche 10, die mit einem sich aufweitenden Öffnungsende in Verbindung steht. Die konische Oberfläche 10 ist bei einem Winkel &thgr;0 bezüglich einer Linie parallel zur Rotationsachse ausgeformt.

In 6, welche die erste Ausführungsform zeigt, ist der Fluss auf der Auslassseite in Radialrichtung nach außen gebogen durch die Balance zwischen dem Druckgradienten und dem Fluss. Bei der vierten Ausführungsform ist die konische Oberfläche 10 entlang des gebogenen Flusses geformt.

Die Strömung 700 in 12 fließt unter einem Winkel &thgr;0 entlang der konischen Oberfläche 10 aus, ohne mit dem Gebläsegehäuse zu kollidieren. Als ein Ergebnis werden Verluste aufgrund der Kollision der Strömung 700 mit dem Gebläsegehäuse reduziert. Ferner ist der Innendurchmesser des Gebläsegehäuses von DV1 auf DV2 vergrößert und die Komponente der axialen Strömungsgeschwindigkeit parallel zur Rotationsachse ist reduziert.

Allgemein gesagt ist der Verlust der abgeführten Luftmenge am Öffnungsende in einen freien Raum (der sog. Austrittsverlust) proportional zum Quadrat von Cm. Daher hat die vierte Ausführungsform den Effekt, Austrittsverluste zu reduzieren.

Hier ist der Luftaustritt gebildet durch die konische Oberfläche 10. Es besteht jedoch keine Beschränkung auf die konische Oberfläche, solange, wie die Oberfläche die Strömung 700 nicht verwirbelt.

Fünfte Ausführungsform

13 zeigt einen Querschnitt eines Axialschraubengebläses nach einer fünften Ausführungsform, geschnitten in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse. Nachdem die Blätter 1 in einer Richtung eines Pfeils 24 gedreht sind, bildet die rechte Seite der Figurenebene die Druckoberfläche 7 und die linke Seite zeigt die Ansaugoberfläche 6.

Ein adäquates Spitzenspiel h ist zwischen der Blattendfläche 27 des Blattes 1 und der inneren Oberfläche 28 des Gebläsegehäuses 5 sichergestellt, so dass die Blätter 1 gedreht werden können.

14 zeigt einen Vergleich zwischen der maximalen Blattdicke t (siehe 2) des axialen Schraubengebläses nach der fünften Ausführungsform mit einer maximalen Blattdicke t eines Axialschraubengebläses bekannten Designs.

Die Dicke t des bekannten Axialschraubengebläses war konstant. Demgegenüber ist in der fünften Ausführungsform die Dicke tt vom Radius des Spitzenbereichs Rt größer als die Dicke th am Radius Rh im Nabenbereich.

Wenn die Blätter 1 gedreht werden, stellt sich eine Druckdifferenz ein zwischen der Druckoberfläche 7 und der Saugoberfläche 6 und die mit dem Pfeil 25 dargestellte Strömung wird in dem Spitzenspiel h gebildet.

Allgemein gesagt ist bei bekannten Konstruktionen das Verhältnis der Überdeckungsrate des Strömungsdurchgangs durch die Blätter kleiner und der Anstieg in der Strömungsgeschwindigkeit ist kleiner, da die maximale Blattdicke t kleiner ist. Dies wurde berücksichtigt, so dass der Strömungsdurchgangsverlust klein ist und die Effizienz erhöht wird.

Andererseits ist bei der vorliegenden Erfindung die Dicke tt am Radius Rt vergrößert und die durch den Pfeil 25 angezeigte Strömung ist reduziert.

Ein Teil der Verluste und des Geräuschs, welche im Spitzenbereich auftreten, sind durch die Strömung hervorgerufen, die mit dem Pfeil 25 gekennzeichnet ist und eine Reduzierung dieser Werte trägt zur hohen Effizienz und zu einem geringen Geräuschpegel bei.

Sechste Ausführungsform

15 zeigt das Innere eines Vorrichtungsgehäuses mit dem Axialschraubengebläse nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5, welches mit dem Gerät verbaut ist.

Ein Axialschraubengebläse 31 ist auf einer Oberfläche des Gehäuses 30 installiert und ein Einlass 32 ist in der Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet. Das Axialschraubengebläse 31 ist so installiert, dass ein Gebläseeinlass 36 innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet ist und ein Gebläseauslass 35 außerhalb des Gehäuses 30 angeordnet ist. Ein sich aufheizender Körper 29, wie eine Schaltkreisplatine ist innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet.

Bei dieser sechsten Ausführungsform wird das Axialschraubengebläse 31 dazu verwendet, den sich aufheizenden Körper 29 abzukühlen. Luft wird in das Gehäuse 30 eingeführt, wie durch den Pfeil 37 angezeigt, ausgehend von dem Einlass 32 und durch den sich aufheizenden Körper 29 geführt, wie mit dem Pfeil 34 gezeigt, um den sich aufheizenden Körper 29 zu kühlen.

Die Luft wird nach dem Abkühlen des sich aufheizenden Körpers 29 von dem Gebläseeinlass 36 in das axiale Schraubengebläse 31 gesaugt und durch eine Schraube (nicht gezeigt) beschleunigt und von dem Gebläseauslass 35 in die Atmosphäre abgeführt.

Strömungsdurchgangsverluste treten auf, wenn Luft durch den Einlass 32 und den sich aufheizenden Körper 29 in dem Gehäuse 30 passiert. Das Axialschraubengebläse 31 wird mit einer Durchflussrate betrieben, die einen Druck erzeugt, der die Strömungsdurchgangsverluste überwindet.

Wie in 6 des ersten Ausführungsbeispiels und 12 der dritten Ausführungsform gezeigt, ist der von dem Axialschraubengebläse nach der vorliegenden Erfindung ausgestoßene Luftstrom leicht in Zentrifugalrichtung, wie mit dem Pfeil 33 gezeigt, umgelenkt. Der Fluss am Gebläseeinlass 36 ist jedoch im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse.

Daher wird, wie in der sechsten Ausführungsform gezeigt, wenn ein zu kühlendes Objekt auf der Gebläseeinlassseite 36 platziert ist, ein hoher Kühleffekt erreicht und es kann ein Gerät mit hoher Effizienz und niedrigem Geräuschpegel mit dem Axialschraubengebläse, welches mit dem Gerät verbaut ist, erreicht werden.

Siebte Ausführungsform

16 zeigt die räumlichen Verhältnisse zwischen dem Axialschraubengebläse nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5 und dem sich aufheizenden Körper, angeordnet auf der Auslassseite des Gebläses.

Ein Axialschraubengebläse 38 ist an der Wand 39 des Gehäuses befestigt. Ein sich aufheizender Körper 40 liegt vor dem Spitzenbereichradius Rt des Axialschraubengebläses 38.

Wie in 6 des ersten Ausführungsbeispiels und in 12 des dritten Ausführungsbeispiels gezeigt, ist der von dem Axialschraubengebläse nach der vorliegenden Erfindung abgegebene Fluss leicht in Zentrifugalrichtung umgelenkt, wie mit einem Pfeil 43 gezeigt. Daher strömen die Flüsse 41 und 42 sanft auf den sich aufheizenden Körper 40 zu und um ihn herum, wenn man den sich aufheizenden Körper 40 wie in 16 anordnet, und ein ausreichender Kühlungseffekt kann erhalten werden.

Achte Ausführungsform

17 zeigt den Aufbau einer Kühlvorrichtung mit einem Gebläse, um unmittelbar ein Hochtemperaturheizelement zu kühlen durch Integration des Gebläses in der Kühlvorrichtung.

Ein Heizelement 47 ist an einer gedruckten Schaltungsplatine 48 befestigt. Eine Kühlvorrichtung 45 ist in Kontakt mit dem Heizelement 47 über ein Wärmeverbindungsglied 46. Ein Axialschraubengebläse 44 nach der vorliegenden Erfindung ist auf der Kühlvorrichtung 45 angeordnet. Die Hitze von dem Heizelement 47 wird auf das Hitzeverbindungsglied 46 übertragen und erreicht die Kühlvorrichtung 45. Die Kühlvorrichtung 45 ist vor dem Spitzenradius Rt an der Auslassseite des Axialschraubengebläses 44 angeordnet. Eine Mehrzahl von Kühlvorrichtungen 45 können mit einem Abstand zwischen ihnen oder einzeln integriert in die Kühlvorrichtung vorgesehen sein.

Wie in 6 des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt und in 12 des dritten Ausführungsbeispiels ist die Strömung, die von dem Axialschraubengebläse nach der vorliegenden Erfindung ausgelassen wird, leicht in Zentrifugalrichtung, wie durch den Pfeil 49 gezeigt, umgelenkt. Indem das Hochtemperaturheizelement, wie in 17 gezeigt ist, angeordnet wird, ist die Strömung ausreichend in der Kühlvorrichtung 45 verteilt, um die Hitze aufzunehmen.

Ein hoher Heizeffekt kann erhalten werden durch Verbesserung der Anordnung des Axialschraubengebläses und/oder des sich aufheizenden Körpers, selbst wenn ein zu kühlendes Objekt auf der Gebläseauslassseite angeordnet ist, wie die Kühlvorrichtung mit Axialschraubengebläse nach der achten Ausführungsform, und Vorrichtungen hoher Effizienz und geringen Geräuschpegels mit dem Axialschraubengebläse zusammen verbaut, können realisiert werden.


Anspruch[de]
  1. Axialschraubengebläse mit einem Motor, einer Schraube mit einer Mehrzahl von Blättern (1) um eine Nabe (2), welche mit dem Motor verbunden ist, und einem Gebläsegehäuse (5) mit einem Lufteinlass auf einer Seite und einem Luftauslass auf der anderen Seite, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Lage mit einem maximalen Einstellwinkel &xgr; in einem Blattquerschnitt und eine radiale Lage Aa mit einer Kontur (3a) des Führungskantenbereichs (A), die in Fluidströmungsrichtung eine vorstehende Spitze in Strömungsrichtung bilden, auf einer Höhe zwischen 60 % und 80 % des Außendurchmessers der Schraube angeordnet sind.
  2. Axialschraubengebläse mit einem Motor, einer Schraube mit einer Mehrzahl von Blättern (1) um eine Nabe (2) herum, die mit dem Motor verbunden ist, und einem Gebläsegehäuse (5) mit einem Lufteinlass auf einer Seite und einem Luftauslass auf der anderen Seite, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Position mit einem maximalen Einstellwinkel &xgr; in einem Blattquerschnitt und eine radiale Position mit einem maximalen Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr;, wobei Bogensehnenabstandsverhältnis definiert ist als &sgr; = L/T, wobei L die Länge der Bogensehnenlinie (8) ist, die eine Führungskante (A) mit der rückwärtigen Kante (B) des Blattes (1) verbindet und T der Abstand einer Umfangslänge bei einem Radius R, dividiert durch die Anzahl der Blätter Z, ist, zwischen 60 % und 80 % des Außendurchmessers der Schraube angeordnet ist.
  3. Axialschraubengebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine radiale Position mit einem maximalen Bogensehnenabstandsverhältnis &sgr;, definiert als &sgr; = L/T, wobei L die Länge der Bogensehnenlinie (8) ist, die die Führungskante (A) mit der rückwärtigen Kante (B) des Blattes (1) verbindet, und T ein Abstand einer Umfangslänge am Radius R, dividiert durch die Blattanzahl Z, ist, zwischen 60 % und 80 % des Außendurchmessers der Schraube angeordnet ist.
  4. Axialschraubengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftauslass des Gebläsegehäuses (5) eine innere Oberfläche aufweist, die mit einem Öffnungsende in sich aufweitender Weise in Verbindung steht.
  5. Axialschraubengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Blattdicke tt eines Spitzenbereichs größer ist als eine maximale Blattdicke th eines Nabenbereichs, wenn das Blatt (1) durch eine Zylinderebene mit dem Radius R geschnitten ist und der Schnitt in eine zweidimensionale Ebene expandiert ist.
  6. Verfahren zur Verwendung eines Axialschraubengebläses nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu kühlendes Objekt an einer Stelle des Radius angeordnet ist, der größer ist als der Spitzenbereichsradius Rt auf der Luftauslassseite des Axialschraubengebläses.
  7. Kühlvorrichtung mit einem Axialschraubengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung an einer Auslassseite des Axialschraubengebläses an einer Stelle positioniert ist, die an der Projektion des Spitzenbereichsradius Rt liegt.
Es folgen 14 Blatt Zeichnungen






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