DE102023201900A1

DE102023201900A1 - Vorrichtung zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators mit Luft, Ventilator und Verfahren zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators

Info

Publication number: DE102023201900A1
Application number: DE102023201900.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Maurer; Frieder Lörcher; Daniel Seifried
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2023-03-02
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2024-09-05
Also published as: WO2024179648A1; EP4483063A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators mit Luft, wobei der Ventilator im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen Anströmseite sowie Elektromotor und Abströmseite erzeugt, und wobei die Druckdifferenz genutzt wird, um kühlere Umgebungsluft von der Abströmseite zum Elektromotor zu leiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators mit Luft, einen Ventilator mit einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung des Elektromotors eines entsprechenden Ventilators.
Ventilatoren der gattungsbildenden Art sind hinlänglich aus der Praxis bekannt. Lediglich beispielhaft sei dazu auf die WO 2020/015792 A1 verwiesen.
Häufig werden Ventilatoren bei hohen thermischen Belastungen, beispielsweise bei Temperaturen ≥ 60° C, betrieben. Insbesondere in „saugender“ Anordnung, wonach beispielsweise heiße Luft eines Wärmetauschers durch einen Ventilator gesogen wird, treten Probleme in Bezug auf Komponenten des Ventilators auf. Insbesondere EC-Ventilatoren verfügen über eine integrierte Elektronik mit temperaturempfindlichen Elektronikbauteilen. Auch andere Komponenten des Ventilators, beispielsweise Lager, Isoliermaterialien, Wicklungsdrähte, etc. unterliegen gewissen Temperaturobergrenzen, welche die Leistung bzw. Drehzahl limitieren. Nicht selten wird die Kühlung des Motors mit der vom Wärmetauscher erwärmten bzw. erhitzten Luft durchgeführt, da der Elektromotor im Fördermittelstrom der Ventilatorhauptströmung steht. Dies gilt auch dann, wenn der Motor bzw. sein Gehäuse von kühlerer Umgebungsluft umgeben ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik auftretenden Nachteile zu eliminieren, zumindest aber zu reduzieren. Dazu soll eine besondere Vorrichtung zur Kühlung des Elektromotors angegeben werden, bei der mit einfachen Mitteln eine hinreichend gute Kühlung realisierbar ist. Eine solche Kühlung soll unter Nutzung der dem Ventilator eigenen strömungstechnischen Gegebenheiten und Funktionen realisiert werden. Außerdem soll sich die erfindungsgemäße Vorrichtung von wettbewerblichen Vorrichtungen unterscheiden. Gleiches gilt für den erfindungsgemäßen Ventilator und das erfindungsgemäße Verfahren.
Voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wonach der Ventilator im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen Anströmseite bzw. Elektromotor und Abströmseite erzeugt und wobei die Druckdifferenz genutzt wird, kühlere Luft aus der abströmseitigen Umgebung zum warmen Elektromotor zu leiten. Dort findet durch die kühlere Luft eine Kühlung statt. Erfindungsgemäß ist somit eine Methode zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators realisiert, wobei der Ventilator wärmeres Strömungsmedium fördert. Die Kühlung erfolgt mit kühlerer Luft, die in der Umgebung des Ventilators abströmseitig vorhanden ist. Erfindungsgemäß wird somit der eigene Strömungsantrieb des Ventilators genutzt.
Mit anderen Worten wird der Elektromotor zumindest teilweise mit kühler Umgebungsluft gekühlt, die den Ventilator in einem der Abströmseite (Ventilatordruckseite) zugeordneten Bereich auf höherem Druckniveau umgibt. Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zunutze, dass im Bereich des Motors regelmäßig ein Unterdruck herrscht, d.h. ein geringerer statischer Druck verglichen mit der Abströmseite und der dort druckseitigen Umgebung. Die Erfindung nutzt eine Vorrichtung, die kühlere Umgebungsluft zielgerichtet und aufgrund der zuvor erörterten Druckdifferenz zum Motor leitet, wo sie zur Kühlung verwendet wird. Danach gelangt die Luft gemeinsam mit dem Ventilatorhauptförderstrom wieder zur Abströmseite.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass die Kühlung in ihrer strömungstechnischen Funktion ausschließlich auf dem vom Ventilator erzeugten Strömungs-/Druckfeld beruht, unter ausschließlicher Nutzung des dem Ventilator eigenen Strömungsantriebs. Besondere bauliche Maßnahmen oder Umkonstruktionen des Ventilators sind daher grundsätzlich nicht erforderlich.
Es kann ein den Elektromotor bzw. dessen Stator und/oder dessen Elektronikgehäuse umgebener Kühltopf vorgesehen sein, der sich mühelos in die Anordnung des Ventilators integrieren lässt. Dieser Kühltopf kann einen zumindest zur Strömungsseite hin und radial nach außen weitgehend abgeschlossenen Bereich aufweisen, der eine mit Kühlluft gefüllte Umgebung definiert, die ein niedrigeres Temperaturniveau als die Ventilatorhauptströmung hat. Dieser abgeschlossene Bereich ist vorzugsweise in einem achsnahen Bereich der Ventilatoranordnung vorgesehen.
Als weiteres zusätzliches Bauteil kann eine Saugleitung vorgesehen sein, die das Innere des Kühltopfs mit einer druckseitigen bzw. abströmseitigen Umgebung des Ventilators verbindet. Die Saugleitung kann in Form eines Saugrohrs ausgeführt sein. In der abströmseitigen Umgebung herrscht ein höheres Druckniveau sowie ein niedrigeres Temperaturniveau als dies bei der durch die Einlaufdüse des Ventilators angesaugten Ventilatorhauptströmung der Fall ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass an der Einströmstelle in die Sauleitung zumindest teilweise Luft einer freien Umgebung mit niedrigerem Temperaturniveau als im Bereich des Motors vorhanden ist, bspw. aus einer atmosphärischen Umgebung oder aus einem freien, moderat temperierten Raum. Entsprechend der Vorkehrung der Sauleitung bzw. des Saugrohrs strömt unter Zugrundelegung der Druckdifferenz die kühlere Luft durch die Saugleitung in den Kühltopf, sofern ein solcher vorgesehen ist, zumindest aber zum Motor und dessen Komponenten.
Es ist von weiterem Vorteil, wenn der Kühltopf zur Zuströmseite des Ventilators hin bzw. hin zum Laufrad bzw. dessen Nabe Öffnungen aufweist, durch die Kühlluft aus dem Kühltopf in Richtung Laufradnabe ausströmen kann. Die aus dem Kühltopf ausströmende Kühlströmung kann so geführt sein, dass sie in ein Hauptkühlsystem des Elektromotors einströmt, wobei beispielsweise an einem Flansch des Stators des Elektromotors wärmeabgebende Kühlrippen ausgebildet sein können. Auch andere zum Wärmetausch geeignete Maßnahmen können alternativ oder ergänzend vorgesehen sein.
Auch ist es denkbar, dass der Kühltopf achsnah bzw. nabennah in einem Bereich stromab des Laufrads angeordnet ist, wobei dort die Ventilatorhauptströmung signifikante Umfangsgeschwindigkeiten hat. Daraus resultiert ein Druckfeld, das radial innen, d.h. achsnah, ein deutlich geringeres statisches Druckniveau aufweist, als dies radial weiter nach außen der Fall ist. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einem Außenbereich am Gehäuse. So strömt Kühlluft durch die Saugleitung in Richtung Kühltopf bzw. in den Kühltopf und anschließend durch Öffnungen am Kühltopf nach außen bzw. hin zur Zuströmseite des Ventilators, vorzugsweise in ein motorintegriertes Kühlsystem. Im weiteren Verlauf vermischt sich die Kühlluft mit der Ventilatorhauptströmung.
In konstruktiver Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der Kühltopf und/oder die Saugleitung einteilig in eine Tragstruktur für den Motor und das Laufrad eingebunden ist/sind. Die Einbindung kann in vorteilhafter Weise in eine tragende Nachleiteinheit des Ventilators realisiert sein.
Außerdem ist es denkbar, dass im Kühltopf Strömungsführungen vorgesehen sind, die die Kühlluft mit relativ hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Turbulenz in die Nähe einer zu kühlenden Wandoberfläche des Elektronikgehäuses oder des Stators führen. Dadurch wird der Effekt der Kühlung begünstigt.
Der erfindungsgemäße Ventilator löst die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 12, wobei dieser Ventilator eine erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend den voranstehenden Ausführungen umfasst.
Dabei ist es denkbar, dass der Ventilator an seiner Einströmseite Luft ansaugt, die zuvor einen Wärmetauscher durchströmt hat. Dadurch hat die Luft eine erhöhte Temperatur.
Die Abströmung der Luft hat hohe Geschwindigkeiten, sodass die warme Luft der Ventilatorhauptströmung stromab des Ventilators weg vom Ventilator geschleudert wird, sodass diese warme Luft nicht in den Einlassbereich der Saugleitung gelangt und entsprechend dort auch nicht eingesaugt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des weiter nebengeordneten Anspruchs 15, wobei das Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder einen erfindungsgemäßen Ventilator nutzt.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 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

1 in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen einen Ventilator mit tragender Nachleiteinheit mit Gehäuse und Nachleitflügeln und mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
2 in perspektivischer Ansicht von der Zuströmseite her gesehen den Ventilator mit Kühlvorrichtung gemäß 1
3 in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse den Ventilator mit Kühlvorrichtung gemäß 1 und 2,
3a eine Detailansicht aus 3 im Bereich des Kühltopfes der Kühlvorrichtung,
4 in ebener axialer Draufsicht von der Abströmseite her gesehen den Ventilator mit Kühlvorrichtung aus 1 bis 3,
4a in ebener axialer Draufsicht von der Abströmseite her gesehen den Ventilator mit Kühlvorrichtung aus 1 bis 4, wobei hier im Unterschied zu 4 der abströmseitige Deckel des Kühltopfes nicht dargestellt ist, wodurch Elemente im Kühltopf sichtbar werden,
5 in einer perspektivischen Ansicht eine einteilige Komponente einer Kühlvorrichtung, die die Elemente der Abdeckung des Kühltopfes zur Druckseite hin und der Saugleitung umfasst,
5a in einer perspektivischen Ansicht eine einteilige Komponente einer Kühlvorrichtung, die die Elemente der Abdeckung des Kühltopfes zur Druckseite hin und eines Anschlusses einer Saugleitung umfasst,
6 in perspektivischer Ansicht von der Ausströmseite der Ventilatoren her gesehen ein lufttechnisches Gerät mit zwei über Wärmetauscher ansaugenden Ventilatoren jeweils mit tragender Nachleiteinheit und Kühlvorrichtung,
7 in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen einen Ventilator mit tragender Nachleiteinheit mit Gehäuse und Nachleitflügeln und mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit axial gerichtetem Saugrohr,
8 in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse den Ventilator mit Kühlvorrichtung gemäß 7,
9 in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse einen Ventilator mit tragender Nachleiteinheit mit Gehäuse und Nachleitflügeln und mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit axial gerichtetem Saugrohr mit variablem äquivalenten Strömungsquerschnitt, und
10 ein Diagramm, das exemplarisch die in einem Versuchsaufbau experimentell erzielte relative Verbesserung zeigt, d.h. die Reduktion der Temperatur eines thermisch kritischen elektronischen Bauteils als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Ventilatorhauptströmung und der druckseitigen Umgebung für zwei verschiedene Durchmesser einer Saugleitung.

1 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Abströmseite her gesehen einen Ventilator 57 axialer Bauart mit tragender Nachleiteinheit 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 40, welche insbesondere einen Kühltopf 8, eine Saugleitung 12 und einen Kühltopfdeckel 43 aufweist. Die Nachleiteinheit 1 besteht insbesondere aus einem Gehäuse 2, einem Zwischenring 5, einem Nabenring 4, zwischen Nabenring 4 und Zwischenring 5 sich erstreckenden inneren Leitflügeln 11 und zwischen Zwischenring 5 und Gehäuse 2 bzw. dessen Diffusorbereich 10 sich erstreckenden Strebenflügeln 3. Die Nachleiteinheit 1 ist vorteilhaft einstückig in einem Gussverfahren, vorteilhaft per Kunststoff-Spritzguss, hergestellt. Der Nabenring 4 bildet auch den äußeren Ring, die äußere Wand, des Kühltopfes 8.
Das Gehäuse 2 definiert die äußere Begrenzung einer innerhalb des Gehäuses 2 verlaufenden Ventilatordurchströmung, auch als Ventilatorhauptströmung bezeichnet. Das Gehäuse 2 besteht aus verschiedenen Bereichen, in Durchströmrichtung der Ventilatorhauptströmung gesehen zunächst aus einer Einlaufdüse 9, dann einem vorteilhaft zylindrischen Bereich 29, innerhalb dessen das Laufrad 19 mit seinen Flügeln 22 angeordnet ist, und einem Diffusorbereich 10, an dem Strebenflügel 3 befestigt sind.
Stromab des Laufrades 19 innerhalb des Gehäuses 2 ist eine innere Nachleiteinrichtung bestehend insbesondere aus strömungstechnisch wirksamen inneren Nachleitfügeln 11, die sich zwischen Nabenring 4 und Zwischenring 5 erstrecken, angeordnet. Infolge der strömungstechnischen Wirkung der inneren Nachleitflügel 11 im Zusammenspiel mit dem Zwischenring 5 und dem Nabenring 4 sind der statische Wirkungsgrad und die Luftleistung, speziell die statische Druckerhöhung bei einem bestimmten Fördervolumenstrom, also dem vom Ventilator 57 durch dessen Einlaufdüse 9 angesaugten Volumenstrom der Ventilatorhauptströmung, des Ventilators 57 besonders hoch.
Der Nabenring 4 ergänzt die radial äußere Wand eines Kühltopfes 8 der Kühlvorrichtung 40. Der Deckel 43 schließt den Kühltopf 8 gegenüber der Ventilatorhauptströmung weitgehend ab, sodass der Kühltopf 8 nur noch auf seiner hier nicht sichtbaren, dem Laufrad 19 bzw. der Einströmdüse 9 zugewandten Vorderseite Öffnungen bzw. Strömungsverbindungen zur Ventilatorhauptströmung aufweist (siehe auch 3, 3a). An den Kühltopf 8 angeschlossen ist die Kühlluftleitung 12 oder Saugleitung 12. Diese verläuft etwa quer zur Ventilatorhauptströmung und schirmt eine innere Durchströmung mit Kühlluft gegenüber der Ventilatorhauptströmung ab. Sie verbindet hinsichtlich einer Durchströmung mit Kühlluft das Innere des Kühltopfes 8 mit einem der Ventilatordruckseite zugeordneten Bereich (siehe auch 6) radial außerhalb des Ventilators 57 bzw. der Nachleiteinrichtung 1 bzw. dessen Gehäuses 2, zu welchem Zweck die Saugleitung 12 die Wand des Gehäuses 2 durchquert.
Es ist auch denkbar, dass sie auf der Abströmseite am abströmseitigen Ende des Gehäuses 2 vorbeigeführt ist. Im Betrieb des Ventilators 57, der den Totaldruck bzw. den statischen Druck der von ihm geförderten Ventilatorhauptströmung von der der Einlaufdüse 9 zugeordneten Saugseite hin zur der dem ausströmseitigen Ende des Diffusors 10 zugeordneten Druckseite erhöht, strömt nun infolge der durch den Ventilator 57 erzeugten Druckgefälle Luft radial außen in die Kühlvorrichtung 40 bzw. dessen Saugleitung 12 ein und somit durch die Saugleitung 12 in den Kühltopf 8, in dem ein zu kühlender Elektromotor angeordnet ist. Im weiteren Verlauf strömt diese Luft dann aus dem Kühltopf 8 durch Öffnungen hin zum Laufrad 19 des Ventilators 57 aus und vermischt sich mit der Ventilatorhauptströmung. In vielen typischen Anlagen (siehe auch beispielhaft 6) ist das Temperaturniveau der Ventilatorhauptströmung, die durch die Einlaufdüse 9 angesaugt wird, erheblich höher als das Temperaturniveau der den Ventilator außerhalb seines Gehäuses 2 auf seiner Abström- oder Druckseite umgebenden Umgebungsluft, die häufig der freien athmosphärischen Umgebung oder einem großen, moderat temperierten Raum entspricht, in die der Ventilator die Ventilatorhauptströmung ausbläst. Das bedeutet, dass die von der Saugleitung 12 angesogene und anschließend in den Kühltopf 8 einströmende Kühlluft erheblich niedrigeres Temperaturniveau aufweist als die Ventilatorhauptströmung. Der innerhalb des Kühltopfes 8 angeordnete Elektromotor befindet sich somit zumindest teilweise in einer Umgebung mit niedrigerer Temperatur als beispielsweise das Laufrad 19 des Ventilators 57 mit seinen Flügeln 22, die dem hohen Temperaturniveau der Ventilatorhauptströmung ausgesetzt sind. Dadurch kann die Kühlung dieses Elektromotors maßgeblich erleichtert bzw. verbessert werden.
Um den Motor 34 entsprechend der Darstellung in 3 mit dem Laufrad 19 sowie die innere Nachleiteinrichtung am äußeren Gehäuse 2 zu halten, sind die äußeren Strebenflügel 3 vorgesehen. Diese haben allenfalls eine untergeordnete strömungstechnische Funktion und dienen überwiegend der Befestigung der inneren Nachleiteinrichtung und somit des Motors 34 und dem Laufrad 19 am äußeren Gehäuse 2. Sie sind lärmgünstig ausgeführt, sodass infolge ihrer Präsenz im Betrieb des Ventilators 57 kein oder nur wenig zusätzlicher Lärm erzeugt wird. Insgesamt sind innerhalb des Gehäuses 2 im axialen Bereich des Diffusors 10 in Spannweitenrichtung gesehen (vom Nabenring 4 zum Diffusor 10 gesehen) zwei unterschiedliche Durchströmbereiche, ein äußerer Durchströmbereich 6 zwischen dem Zwischenring 5 und der Diffusorwand 10 des Gehäuses 2 und ein innerer Durchströmbereich 7 zwischen Nabenring 4 und Zwischenring 5 ausgebildet.
Der innere Durchströmbereich 7 hat die tragenden inneren Leitelemente 11, die strömungstechnische Funktion haben und beispielsweise Strömungsdrall reduzieren, einen Aufbau von statischem Druck bewirken, Nabenrückströmung vermeiden oder reduzieren und die aufgrund ihrer radial inneren Lage nur wenig Lärm erzeugen.
Der äußere Durchströmbereich 6 hat die ebenfalls tragenden Strebenflügel 3, im Ausführungsbeispiel 6 Stück, vorteilhaft 4-8 Stück, über dem Umfang verteilt, die lärmoptimiert ausgeführt sind. An der tragenden Nachleiteinheit 1 sind, an den Randbereichen des Gehäuses 2 zuström- und abströmseiteig Flansche integral ausgeführt, die vorteilhaft verschiedene Befestigungsvorkehrungen aufweisen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen auch in Ventilatoren mit Nachleiträdern ohne Zwischenring nutzbar sind, bei denen Nachleitflügel von einem Nabenring, der vorteilhaft auch die Außenwand des Kühltopfes ist, durchgängig bis hin zum Gehäuse verlaufen. Insbesondere bei solchen Ausführungsformen kann das Saugrohr 12 vorteilhaft auch einem Nachleitflügel folgend verlaufen, oder in einen Nachleitflügel ganz oder teilweise integriert verlaufen oder zumindest teilweise den betreffenden Nachleitflügel als Wandung nutzen oder an diesem befestigt sein. Es können auch mehrere Saugrohre genutzt werden, beispielsweise bei mehreren Nachleitflügeln.
Auch bei Ventilatoren ohne Nachleitflügel können erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen verwendet werden, wobei dann Aufhängungsstreben für die Anbindung des Motors ans Gehäuse vorgesehen sein müssen, die für die Befestigung des oder der Saugrohre verwendet werden können, noch weiter vorteilhaft kann das oder die Saugrohre in Aufhängungsstreben integriert sein. Wesentlich ist nur, dass kühlere Luft von der druckseitigen Umgebung hin in einen Kühltopf geleitet wird, ohne sich mit der Ventilatorhauptströmung zu vermischen, oder allenfalls sehr geringfügig. Bei anderen Ausführungsformen können Saugrohre einfach als Schlauch, Rohr, biegsame Rohrleitung oder dergleichen ausgeführt sein, beispielsweise auch in Form markterhältlicher Standardware. Maßgeblich ist, dass der innere Durchmesser der Saugleitung ausreichend groß ist, um genügend Kühlluft in den Kühltopf zu fördern.
Beispielsweise kann der innere Durchmesser (bei nicht kreisrunden Querschnitten der äquivalente hydraulische Durchmesser) größer als 5 %, vorteilhaft größer als 10% des Durchmessers des Laufrades des Ventilators sein, wobei bei Verwendung mehrerer Saugrohre der äquivalente hydraulische Durchmesser des Gesamtquerschnitts aller Saugrohre Bemessungsgrundlage ist. Andererseits soll das Saugrohr keine zu große Behinderung für die Ventilatorhauptströmung, zu der es quer verläuft, darstellen. Deshalb können integrierte oder kombinierte Bauweisen mit Nachleitflügeln oder Aufhängungsstreben besonders vorteilhaft sein, oder längliche, nicht-runde Querschnittsformen, oder die Verwendung mehrerer schlanker Saugrohre.
Am zuströmseitigen Flansch sind Befestigungsvorkehrungen 20 zur Befestigung der Nachleiteinheit 1 und somit des Ventilators 57 an einem übergeordneten Gerät oder System vorhanden, ebenso wie am abströmseitigen Flansch Befestigungsvorkehrungen 21 zur Befestigung der Nachleiteinheit 1 an einem übergeordneten Gerät oder System, wie beispielsweise einem Kühlgerät (Chiller) oder einer Wärmepumpe, ausgeführt sind.
Des Weiteren sind am abströmseitigen Flansch Befestigungsvorkehrungen 25 für ein Berührschutzgitter vorgesehen, welche ähnlich auch am zuströmseitigen Flansch vorgesehen sein können. Die Berührschutzgitter können am Bereich 25 so versenkt angeschraubt werden, dass sie axial nicht über die Nachleiteinheit 1 überstehen, was zu einer guten Handhabbarkeit und zu einer guten Stapelbarkeit der Ventilatoren 57 führt. Zu diesem Zweck liegt auch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 40, umfassend insbesondere die Saugleitung 12, den Kühltopf 8 mit Kühltopfdeckel 43, in ihrer Gesamtheit axial zwischen dem zuströmseitigen und dem abströmseitigen Flansch der Nachleiteinheit 1 des Ventilators 57.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Zuströmseite her gesehen den Ventilator 57 mit Kühlvorrichtung 40 gemäß 1. Zusätzlich und ergänzend zu der Darstellung nach 1 ist das Laufrad 19 mit seinen an einer Nabe 31 einstückig befestigten Flügeln 22 besser zu erkennen. An der Nabe 31 des Laufrads 22 ist eine Nabenhaube 37 befestigt, vorteilhaft mit Rasthaken eingerastet. Die Nabenhaube 37 stellt im Nabenbereich des Laufrads 19, im Zusammenspiel mit der Nabe 37, eine strömungsgünstige Kontur sicher, welche vorteilhaft für hohen Wirkungsgrad und niedrige Schallwerte ist. Innerhalb der Nabenhaube 37, die in einem radial inneren Bereich eine große Öffnung aufweist, ist der Rotor 35 des Motors 34, hier vorteilhaft ein elektrischer Außenläufermotor, zu erkennen. Durch diese Gestaltung der Nabenhaube 37 mit einer inneren Öffnung ist eine gute Kühlung des Rotors 35 des Motors 34, zumindest mit der Luft der Ventilatorhauptströmung, gewährleistet. Es ist auch denkbar, zur Zuströmseite hin geschlossene Laufradnaben auszuführen, um innerhalb darin eine Umströmung des Rotors 35 ganz oder teilweise mit der kühleren Luft der Kühlvorrichtung 40, die durch eine Saugleitung 12 einströmt, zu erreichen.
Im Betrieb des Ventilators 57 rotiert das Laufrad 19, angetrieben vom Rotor 35 des Motors 34, an dem es befestigt ist, in Drehrichtung 32, hier etwa im Uhrzeigersinn. Dadurch wird vom Ventilator 57 ein Fördermedium, häufig Luft, in Form der Ventilatorhauptströmung von der hier im Vordergrund sichtbaren Zuströmseite in Durchströmrichtung durch die axialen Bereiche Einlaufdüse 9, Laufradbereich 29 und Diffusor 10 zu der axial der Zuströmseite gegenüberliegenden Abströmseite gefördert. Insbesondere wird auf den so geförderten Fördermedienstrom Energie übertragen, der in Form einer Druckerhöhung, insbesondere einer Totaldruckerhöhung und/oder einer Erhöhung des statischen Druckes, messbar ist. Der Fördermedienstrom teilt sich hier stromab des Laufrads in zwei Hauptanteile auf, einen Anteil, der durch den äußeren Durchströmbereich 6 strömt und einen zweiten, der durch den inneren Durchströmbereich 7 strömt.
Das Laufrad 19 mit seinen Flügeln 22 prägt der Ventilatorhauptströmung eine signifikante Umfangskomponente in der Strömungsgeschwindigkeit auf, die zumindest unmittelbar nach Durchtritt der Ventilatorhauptströmung durch das Laufrad 19 vorliegt. Durch diese Umfangsgeschwindigkeiten entsteht zwangsweise in achsnahen Bereichen ein statischer Unterdruck im Vergleich zu den achsfernen Bereichen und insbesondere zu dem Bereich am Gehäuse 2. Der statische Druck am Gehäuse 2 entspricht, am Austritt der Ventilatorhauptströmung aus dem Diffusor 10 bzw. am abströmseitigen Ende des Gehäuses 2, in etwa dem Umgebungsdruck der druckseitigen Umgebung, in die das äußere Ende des Saugrohrs 12 (1) mündet. Das bedeutet, dass das Druckniveau am äußeren Ende des Saugrohrs 12 höher ist als das Druckniveau im Kühltopf 8, der achsnah angeordnet ist und mit der Ventilatorhauptströmung strömungsverbunden ist, was zwangsweise dazu führt, dass Luft von außen nach innen durch das Saugrohr 12 in den Kühltopf 8 strömt. Diese Luft hat in vielen Anwendungen ein niedrigeres Temperaturniveau als die Ventilatorhauptströmung, weshalb ihre Verwendung zur Kühlung beispielsweise des Elektromotors 34 innerhalb des Kühltopfes 8 besonders vorteilhaft ist. Im Ausführungsbeispiel strömt die Kühlluft nach Durchströmen des Kühltopfes 8 in einem Bereich zwischen Kühltopf 8 und Nabe 31 des Laufrades 19 aus dem Kühltopf 8 aus, wobei sie zunächst noch ins Hauptkühlsystem des Elektromotors 34 mit seinen am Stator 36 integrierten Statorkühlrippen 50 vorbeiströmt und dort maßgeblich zu einer verbesserten Kühlung des Elektromotors 34 beiträgt.
In 3 ist in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse der Ventilator 57 mit Kühlvorrichtung 40 gemäß 1 und 2 dargestellt, wobei der Motor 34 und das Laufrad 19 nicht geschnitten dargestellt sind. 3a ist eine Detaildarstellung im Bereich des vom Nabenring 4 radial außen begrenzten Kühltopfes 8, der Teil der Kühlvorrichtung 40 ist. Ergänzend zu den betreffenden Figuren kann hier auch sehr gut die Kontur der aerodynamisch günstig, gerundet und tangentenstetig an die Nabe 31 des Laufrads 19 übergehend gestaltete Nabenhaube 37, die im Bereich der Nabe des Laufrads 19 angebracht ist, erkannt werden. Am Rotor 35 (siehe 2) des Motors 34 ist das Laufrad 19 mit seiner Nabe 31 und Flügeln 22, befestigt, wobei zwischen den Laufradflügeln 22 mit den Winglets 38 und dem Laufradbereich 29 des Gehäuses 2, in dem das Laufrad 19 in Achsrichtung gesehen etwa angeordnet ist, ein kleiner radialer Abstand ausgebildet ist und ein Strömungsspalt vorhanden ist.
Der Motor 34, bestehend aus Stator 36 und Rotor 35, ist mit seinem Stator 36 innerhalb des Kühltopfes 8 angeordnet. Der Stator 36, mit dem hier daran integrierten Elektroniktopf 13, ist am auch als Motorbefestigungsflansch 59 dienenden vorderen Flansch 54 des Kühltopfes 8 befestigt. Der Motor 34 begrenzt also im Zusammenspiel mit dem vorderen Flansch 54 den Kühltopf 8 hin zur Rotorseite des Motors 34 bzw. hin zur Einströmseite der Ventilatorhauptströmung, die in der gezeigten Darstellung rechts liegt. Allerdings ist der Kühltopf 8 zu dieser Seite hin nicht komplett abgedichtet, sondern Kühlluft kann zu dieser Rotorseite hin durch Kühldurchlässe 42 ausströmen. Zur Abströmseite der Ventilatorhauptströmung hin, welche in dieser Darstellung links liegt, ist der Kühltopf 8 durch den Kühltopfdeckel 43, weitestgehend abgedichtet. Die Saugleitung 12, welche außerhalb des Gehäuses 2 im druckseitigen Anschlussraum des Ventilators 57 einen Einlass 23 hat, der gegebenenfalls auch ein Anschluss an eine andere Kühlströmungsleitung sein kann, mündet innen in den Kühltopf 8.
Infolge des vom Ventilator 57 in dessen Betrieb erzeugten Druckfeldes strömt nun Luft aus dem druckseitigen Anschlussraum quer zur Ventilatorhauptströmung in den Kühltopf 8 ein, anschließend durch die Kühldurchlässe 42 hin zur Rotorseite aus und vermischt sich letzten Endes mit der Ventilatorhauptströmung, mit der sie mitgerissen wird und zur Ventilatoraustrittsseite gefördert wird. Auf ihrem Strömungspfad kann diese Kühlluftströmung nun in verschiedener Art und Weise besonders vorteilhaft zur Kühlung des Elektromotors 34, hier vorteilhaft ausgeführt als Außenläufermotor mit integrierter Steuerelektronik, beitragen. Zunächst wird der Stator 36 bzw. das daran befestigte oder integrierte Elektronikgehäuse 13 innerhalb des Kühltopfes 8 an seinen Außenwänden infolge des niedrigeren Temperaturniveaus im Kühlopf 8 gekühlt, d.h. Wärme kann effektiv auf die relativ (im Vergleich zur Ventilatorhauptströmung) kühle Kühlluft abgegeben werden.
Besonders vorteilhaft ist im Ausführungsbeispiel auch, dass die Kühlluft durch von Kühlströmungsführungen 14 begrenzte Kühlströmungskanäle 41 mit eher hoher Strömungsgeschwindigkeit nahe an der zu kühlenden Außenwand des Elektronikgehäuses 13 vorbeigeleitet wird, vorteilhaft insbesondere in besonders gut zu kühlenden Bereichen in der Nähe von stark Wärme abgebenden Leistungselektronikbauteilen im inneren des Elektroniktopfes 13 wie beispielsweise einer Ausgangsstufe (IGBT), einer Eingangsstufe, oder auch gegenüber von besonders temperaturempfindlichen Bauteilen. Dies führt zu einer besonders effizienten Kühlung dieser Bereiche. Im weiteren Verlauf der Kühlströmung strömt Kühlluft durch einen oder mehrere Kühldurchlässe 42 aus dem Kühltopf 8 hin zur Rotorseite aus.
Im Ausführungsbeispiel ist noch ein rotorseitiger Aufnahmebereich 46 ausgeführt, der einen Bereich darstellt, der radial nach außen ebenfalls vom Nabenring 4 begrenzt ist und innerhalb dessen der Flansch 49 des Stators angeordnet und am Motortragflansch 59 bzw. Flansch 54 des Kühltopfes 8 befestigt ist. Am Statorflansch 49 sind vorteilhaft die Statorkühlrippen 50 angefertigt, die ein maßgebliches, Wärme abführendes Element des Hauptkühlsystems des Motors 34 darstellen. Das am Rotor 35 angebrachte Kühllüfterrad 51 saugt an seinem radial innen liegenden Einströmbereich Kühlluft, die zuvor über die Kühlrippen 50 des Stators 36 strömt, ein und schleudert diese Kühlluft, die an den Statorkühlrippen 50 bereits Abwärme aufgenommen hat, radial nach außen ab, wo sie sich mit der Ventilatorhauptströmung vermischt und mit dieser zur Abströmseite des Ventilators 57 weitergefördert wird. Jedenfalls wird nun, in Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 40, die aus dem Kühltopf 8 strömende Kühlluft nach Durchtritt durch den mindestens einen Kühldurchlass 42 infolge der Wirkweise des Hauptkühlsystems des Motors 34 in das Hauptkühlsystem des Motors 34 eingebracht und an den Kühlrippen 50 vorbeigeleitet, wo sie aufgrund ihres immer noch relativ niedrigen Temperaturniveaus besonders effektiv Wärme aufnehmen kann. Insofern nutzt die Kühlvorrichtung 40 unter anderem das bereits vorgesehene Hauptkühlsystem des Motors 34, in dem es dort besonders kühle Luft einleitet und den Effekt des Hauptkühlsystems entscheidend erhöht, ohne hier eine zusätzliche Aufnahmeleistung, Schallerzeugung oder ähnliches zu verursachen.
Zur Versteifung und Stabilisierung der Verbindung des Motors 34 mit der tragenden Nachleiteinheit 1, in die der Kühltopf 8 hier vorteilhaft einstückig integriert ist, sind noch Versteifungsrippen 58 innerhalb des Kühltopfes 8 angebracht. Diese verstärken die Verbindung des Nabenrings 4 der tragenden Nachleiteinheit 1 mit dem Befestigungsflansch 59 für den Motor 34, der auch den Flansch des Kühltopfes 8 bzw. dessen rotorseitige Begrenzung darstellt.
Es ist denkbar, beim Formwerkzeug zur Fertigung der tragenden Nachleiteinheit 1 mit dem daran integrierten Kühltopf 8 der Kühlvorrichtung 40 Wechseleinsätze im Bereich innerhalb des Nabenrings 4, also Kühltopf 8, vorzusehen, um verschiedene Schnittstellen zu verschiedenen Motoren und/oder verschiedene Ausführungsformen der hier integral mit der tragenden Nachleiteinrichtung 1 angefertigten Kühlvorrichtung 40 zu realisieren. Dabei kann, neben dem Lochkreis zur Befestigung der Motoren, beispielsweise auch die axiale Anschraubebene für den Motor 34, also die axiale Position des Kühlvorrichtungsflansches / Motortragflansches 54, 59, innerhalb des Kühltopfes 8 variieren. Auch das Vorhandensein oder die Gestaltung der Kühlströmungsführungen 14 kann variieren und an den jeweils vorgesehenen Motor angepasst sein.
Vom Motor 34, der hier ein Außenläufermotor ist und der weiter vorteilhaft als EC-Motor, vorteilhaft mit integriertem Motorelektronikgehäuse 13, ausgeführt ist, ist der Stator 36 zu erkennen. Am Stator 36 ist ein daran integrierter Elektroniktopf / Elektronikgehäuse 13 ausgebildet. Ein Elektroniktopf / Elektronikgehäuse kann auch als separates Bauteil an einem Stator befestigt sein. Die Kühlvorrichtung 40 fördert in ihrer Wirkweise die Wärmeabfuhr von Abwärme am Stator 36 des Motors 34 und im Ausführungsbeispiel insbesondere von dessen Elektroniktopf 13, insbesondere in dem es über die Saugleitung 12 Kühlluft, die kühler als die Ventilatorhauptströmung ist, zu Kühlzwecken in den Bereich des Motors 34 im Kühltopf 8 fördert, aber auch durch die spezielle strömungstechnische Gestaltung insbesondere des Inneren des Kühltopfes 8. Dadurch werden elektromagnetisch wirksame Komponenten und Elektronikkomponenten besser gekühlt, und der Motor 34 kann bei gleicher Umgebungs- bzw. Fördermitteltemperatur höhere Drehmomente und somit höhere Leistungen erbringen.
Der Kühltopf 8 ist im Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass er, ohne den Deckel 43, in seiner Integralität inklusive Kühlströmungsführung 14 einstückig hinterschneidungsfrei aus einem Gusswerkzeug, insbesondere aus einem Kunststoffspritzgusswerkzeug, entformt werden kann, und zwar mit zwei formgebenden Werkzeugteilen, die in Axialrichtung zum Bauteil aus dem Bauteil entformt werden, einer davon nach rechts in der Ansicht in Richtung Ventilatorzuströmseite und einer nach links in der Ansicht in Richtung Ventilatorabströmseite. Dadurch befindet sich die engste Stelle zwischen Kühlströmungsführung 14 und Stator 36 bzw. Elektroniktopf 13 etwa am dem Statorflansch 49 abgewandten Rand der Kühlströmungsführung 14. Dies ist für die eine wirtschaftliche Herstellung des entsprechenden Werkzeugs und für eine wirtschaftliche Fertigung der Bauteile (Kühlvorrichtungen 40) in einer Massenproduktion besonders vorteilhaft.
4 zeigt in axialer Draufsicht und von der Abströmseite her gesehen den Ventilator 57 mit der Kühlvorrichtung 40 mit Kühltopf 8, der hier in eine tragenden Nachleiteinheit 1 integriert ist, gemäß den 1 bis 3. Es sind, ergänzend zu den Ausführungen zu 1 bis 3, gut der Verlauf der Saugleitung 12 quer zur Ventilatorhauptströmung den inneren Durchströmbereich 7 und den äußeren Durchströmbereich 6 durchquerend zu erkennen. Die Saugleitung 12 folgt in ihrem Verlauf etwa dem Verlauf eines inneren Nachleitflügels 11 und eines Strebenflügels 3, um die Versperrungswirkung bezüglich der Ventilatorhauptströmung zu minimieren.
Saugleitungen 12 können auch an Nachleitflügeln, Streben oder dergleichen befestigt werden, oder sogar komplett oder teilweise integral mit diesen gefertigt werden, beispielsweise in Form von innen hohlen Nachleitflügeln. Es sind weiter die Kabelanschlüsse 44 am Kühltopf 8 zu erkennen. Denn es müssen Stromversorgungskabel und ggf. elektrische Steuerleitungen von außen, von außerhalb des Ventilators 57 und dessen Gehäuse 2, in den Kühltopf 8 zum Elektromotor 34 bzw. dessen Stator 36 geführt werden. Es ist auch denkbar, diese elektrischen Leitungen innerhalb einer Saugleitung 12 zu verlegen, um sich Anschlüsse 44 und weitere separate Durchbrüche am äußeren Gehäuse 2 für die Kabel sparen zu können. Bei einer solchen vorteilhaften Gestaltung sind die elektrischen Leitungen auch nicht den höheren Temperaturen der Ventilatorhauptströmung ausgesetzt.
4a zeigt in ebener axialer Draufsicht von der Abströmseite her gesehen den Ventilator 57 mit Kühlvorrichtung 40 aus 1 bis 4, wobei hier im Unterschied zu 4 der abströmseitige Deckel 43 des Kühltopfes 8 nicht dargestellt ist, wodurch Elemente im Kühltopf 8 und auch der Stator 36 bzw. das Elektronikgehäuse 13 des Motors 34 sichtbar sind. Die Kühlströmungsführungen 14 sind gut zu erkennen, die die Kühlluft mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit nahe an zu kühlenden Außenwänden des Elektronikgehäuses 13 vorbeitleiten, um dort Abwärme effektiv aufnehmen zu können, ehe sie durch die dahinter liegenden Kühlluftdurchlässe 42 in Richtung Rotor bzw. Laufrad 19 aus dem Kühltopf 8 austritt. Der Motor 34 wird mit seinem Stator 36 am Motortragflansch 59, der auch die rotorseitige Begrenzung des Kühltopfes 8 ist, mittels Befestigungsvorkehrungen 18, vorzugsweise Schrauben, befestigt.
Es sei angemerkt, dass auch Ausführungsformen ohne Kühlströmungsführung 14 denkbar sind. Die Ausbildung einer Kühlströmungsführung 14 und somit eines Kühlströmungskanals 41 (3a) mit, was dessen Mittellinie im Schnitt gesehen betrifft, zumindest bereichsweise sehr geringem Abstand zur Außenbewandung des Stators 36 bzw. des Elektroniktopfs 13, ist aber besonders vorteilhaft. Maßgeblich ist jedoch zumindest die Ausführung eines Kühldurchlasses 42 im axialen Bereich des Kühltopfflansches 54, um die beschriebene Durchströmung des Kühltopfes 8 im Zusammenspiel mit dem Elektromotor 34 im Betrieb des Ventilators 57 zur erreichen.
5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer einteiligen Komponente einer Kühlvorrichtung, die die Elemente der Abdeckung 43 eines Kühltopfes zur Abströmseite eines Ventilators hin (vgl. 1-4) und einer Saugleitung 12 umfasst. Der Deckel 43 besteht im Wesentlichen aus einem hier eher ebenen, axial abschließenden Bereich 45 und einem Seitenbereich 47, an dem das Saugrohr 12 angebracht ist. Der Seitenbereich 47 ist vorteilhaft komplementär zu einer entsprechenden Aussparung an einem Nabenring eines Kühltopfs ausgebildet, sodass insgesamt, im zusammengebauten Zustand, der Kühltopf einen zur Abströmseite des Ventilators hin abgeschlossenen Bereich bildet (mit Ausnahme des Saugrohrs 12). Die dargestellte Komponente kann vorteilhaft in Kunststoffspritzguss gefertigt sein, wobei der Innenbereich des Saugrohrs 12 dann mit einem Wasser- oder Luftverdrängungsverfahren im Spritzgussprozess geformt werden kann.
5a zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine einteilige Komponente einer Kühlvorrichtung, die die Elemente der Abdeckung 43 des Kühltopfes zur zur Abströmseite eines Ventilators hin (vgl. 1-4) und eines Anschlusses 63 einer Saugleitung umfasst. Bei der dargestellten Komponente ist kein Saugrohr integriert, sondern ein Anschlussstutzen 63 für eine Saugleitung, beispielsweise einen Saugschlauch, integriert. Angeschlossen werden können beispielsweise flexible Schläuche aller möglichen Arten, wie sie im Handel erhältlich sind, insbesondere auch Kabelleerrohre, die beispielsweise bei der Verlegung von Kabeln in Fußböden oder im Erdreich verwendet werden. Wichtig ist es, einen ausreichenden Durchströmdurchmesser des Saugrohres und somit auch des Stutzens 63 zu wählen. So soll der engste effektive Querschnitt für die Kühlströmung im Bereich der Saugleitungen (bei mehreren in Summe über alle Saugleitungen) vorteilhaft nicht wesentlich kleiner sein als der engste effektive Durchströmquerschnitt im weiteren Strömungspfad bis hin zum Austritt aus dem Kühltopf (vgl. 3, 3a).
6 zeigt in perspektivischer Ansicht von der Ausströmseite der beiden Ventilatoren 57 her gesehen ein lufttechnisches Gerät 64 mit zwei über Wärmetauscher 65 ansaugenden Ventilatoren 57 jeweils mit tragender Nachleiteinheit 1 und Kühlvorrichtung 40. Im Ausführungsbeispiel ist ein Gerät mit V-förmigen Wärmetauschern 65 und zwei Ventilatoren 57 jeweils mit Kühlvorrichtung 40 dargestellt. Im Betrieb saugen die Ventilatoren 57 Umgebungsluft durch die Wärmetauscher 65 in einen durch Gerätewände 66 und die Düsenplatte 56 gebildeten Innenraum des Gerätes 64, wodurch diese Luft erwärmt oder erhitzt wird und gleichzeitig Wärme von den Wärmetauschern 65 bzw. einem darin zirkulierenden Kältemittel entzogen wird. Die Wärme kommt durch einen Kühlmittelkreislauf mit Verteilerrohren 68 und Anschlüssen 67 auf den Wärmetauscher und somit anschließend auf die durch die Ventilatoren 57 über den Innenraum des Gerätes eingesogene Umgebungsluft. Also ist die Hauptströmung durch die Ventilatoren 57, die die warme oder heiße Luft aus dem Innenraum des Gerätes 64 ansaugen, von hohen Fördermitteltemperaturen geprägt. Infolge der Funktionsweise der Kühlvorrichtungen 40 wird nun der Elektromotor der Ventilatoren allerdings zumindest teilweise mit der kühleren Luft der Umgebung gekühlt. Diese kühlere Umgebungsluft wird, ohne von den Wärmetauschern erwärmt zu werden, durch die Einlässe 23 in die Saugleitungen 12 eingesaugt und gelangt anschließend in die Kühltöpfe 8 der Kühlvorrichtungen 40. Dort wirkt sie wie anhand des Ausführungsbeispiels gemäß 1-4 beschrieben und verbessert die Kühlung der eingebauten Elektromotoren erheblich. Auf verblüffende und einfach erscheinende Art und Weise können dadurch die Motoren bzw. die Ventilatoren 57 bei sehr hohen Fördermitteltemperaturen betrieben werden, ohne dass die Motoren überhitzen und dadurch eine reduzierte Lebensdauer haben müssten. Dies ermöglicht eine besonders hohe Kühlleistung bzw. Kühlleistungsdichte derartiger lufttechnischer Geräte (beispielsweise Kühlgeräte).
Es ist vorteilhaft, wenn die aus den Ventilatoren 57 an deren Austritt austretende Luft der Ventilatorhauptströmung, die eher hohes Temperaturniveau aufweist, eher hohe Geschwindigkeiten hat, sodass sie von den Ventilatoren 57 weggeschleudert wird, beispielsweise in einer Art Strahl, der von den Ventilatoren 57 wegströmt. Dadurch wird vermieden, dass bereits erwärmte Luft in die Einlässe 23 der Saugleitungen 12 und somit in die Kühlvorrichtungen 40 gelangt, wodurch die Wirkung der Kühlvorrichtungen 40 stark beeinträchtigt würde. Zu dieser Art von günstigem Abströmverhalten, d.h. der Vermeidung eines sogenannten thermischen Kurzschlusses, können bei den Ventilatoren Nachleiteinrichtungen mit Nachleitflügeln wie beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß der 1 bis 4 beitragen. Im Übrigen ist die Vermeidung eines thermischen Kurzschlusses auch bezüglich der Wirkung der Wärmetauscher 65 von Interesse. Es ist auch denkbar, an die Saugleitungen 12 an den Einlässen 23, die dann als Anschlüsse verwendet würden, weitere Leitungen angeschlossen werden, welche die Luft an Stellen einsaugen, an welchen mit Sicherheit ausreichend kühle Luft vorhanden ist.
7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von der Abströmseite her gesehen einen Ventilator 57 mit tragender Nachleiteinheit 1 mit Gehäuse 2 und Nachleit- bzw. Strebenflügeln 3, 11 und mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 40 mit axial ausgerichtetem Saugrohr 12. Der Aufbau des Ventilators 57 mit Laufrad 19, Motor 34 und tragender Nachleiteinheit 1 inklusive Kühltopf 8 und dessen Gestaltung in seinem inneren Bereich ist vergleichbar mit dem Ventilator gemäß der 1 bis 4, weshalb in Bezug auf die Beschreibung der entsprechenden Merkmale auf die entsprechende Figurenbeschreibungen hingewiesen werden kann.
Das Kühlsystem 40 weist allerdings eine modifizierte Ausgestaltung auf. So ist kein Deckel auf dem Kühltopf 8 vorgesehen (siehe auch 8), sondern der Kühltopf 8 ist hin zur druckseitigen Ausströmumgebung bezüglich der Ventilatorhauptströmung offen. Das Saugrohr 12 schließt axial über den gesamten offenen Querschnitt des Kühltopfes 8 an den Kühltopf 8 an und ragt axial über die tragende Nachleiteinheit 1 bzw. das Gehäuse 2 des Ventilators 57 hinaus, in die druckseitige Umgebung des Ventilators hinein. Dabei entspricht der Innendurchmesser des Saugrohrs 12 in etwa dem Innendurchmesser des Kühltopfes 8.
Es ist von Bedeutung, dass sich das Saugrohr 12 ohne große Leckagen dicht an den Kühltopf 8 anschließt, was auch eine Abdichtung derjenigen Bereiche erfordert, an denen die elektrischen Kabelführungen bzw. die elektrischen Anschlüsse 44 für die Motorkabel vom Kühltopf 8 her radial nach außen geführt werden. Entsprechende Gestaltungen zur Abdichtung können beispielsweise am Saugrohr 12 integriert sein. Das Saugrohr 12 verläuft bei dieser Ausführungsform nicht quer zur Ventilatorhauptströmung, sondern etwa parallel zur axialen Hauptförderrichtung der Ventilatorhauptströmung durch den Ventilator 57.
Es kann am offenen Ende des Saugrohrs 12 kühlere Luft der druckseitigen Umgebung in das Saugrohr 12 einströmen und in bekannter Weise in den Kühltopf 8 einströmen und dort ihre besser kühlende Wirkung entfalten. Es kann sich in Bereichen druckseitig eines Axialventilators und nahe der gedachten Verlängerung der Ventilatorachse regelmäßig eine Rückströmung einstellen, zumindest wenn man die Strömungsverhältnisse ein Stück stromab druckseitig des Ventilators betrachtet. Dies steht im Zusammenhang damit, dass die Ventilatorhauptströmung nach dem Austritt aus dem Gehäuse 2 eine radiale Komponente nach außen hat und gewissermaßen aufplatzt, wodurch ein Wirbelsystem entsteht, das in einem inneren achsnahen Bereich stromab des Ventilators 57 rückströmendes Fluid induziert. Solche Rückströmgebiete bewirken, dass kühlere Luft aus der druckseitigen Umgebung in einem achsnahen Bereich nahe an den Ventilator 57 heranströmt. Durch die gezeigte Ausbildung des Saugrohrs 12 wird diese kühlere Luft vom Saugrohr angesaugt und darin hin zum Kühltopf 8 und dessen vorderen Kühldurchlässen 42 (siehe 8) geleitet, und zwar infolge der vom Ventilator aufgebauten Druckdifferenzen.
8 zeigt in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse den Ventilator 57 mit Kühlvorrichtung 40 gemäß 7. Ergänzend zu 7 ist der Anschlussbereich 30 das Saugrohrs 12 an den Kühltopf 8 besser zu erkennen. Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie die Verbindung ausgeführt wird, beispielsweise durch Schrauben mit entsprechend vorgesehenen Vorkehrungen an Kühltopf 8 und/oder Saugrohr 12. Verklemmen oder eine Verbindung mit Rasthaken oder ähnlichem sind auch denkbar, ebenso wie Klebeverbindungen oder ein Anschließen mit einer Methode ähnlich der einer Bajonettverbindung.
Ausdrücklich genannt sei auch die Möglichkeit, dass das Saugrohr 12 integral und einteilig mit dem Kühltopf 8 gefertigt ist. Wesentlich ist, dass ein Saugrohr 12, das nicht quer zur Ventilatorhauptströmung verläuft, sondern in einem achsnahen Bereich etwa parallel zur Hauptförderrichtung, axial über den Strömungsauslass der Ventilatorhauptströmung, gebildet insbesondere vom Auslass aus dem Gehäuse 2, hinausragt, und zwar wenigstens um 5% des Durchmessers des Laufrades 19 des Ventilators 57, vorteilhaft um wenigstens 20%. Bei besonders langen Saugrohren einer ähnlichen Ausführungsform kann es bei horizontalem Aufbau (das bedeutet hier, die Förderrichtung liegt horizontal) vorteilhaft sein, das Saugrohr mit einer Vorkehrung zusätzlich am direkt am äußeren Gehäuse 2 in der Nähe des Strömungsaustrittes zu befestigen, beispielsweise mit mindestens einem Draht, Schnur, Seil oder ähnlichem.
Bei solchen Ventilatoren ist es häufig notwendig, einen Eingriffsschutz (Schutzgitter) anzubringen, der gegenüber einem möglichen Eingriff von der Druckseite des Ventilators her schützt. Dafür geeignete Berührschutzgitter werden bei Ventilatoren oft an der tragenden Nachleiteinheit 1 bzw. an einem Gehäuse 2 austrittsseitig angebracht. Vorteilhaft weist ein Berührschutzgitter innen eine Öffnung auf, durch die das Saugrohr axial hindurchragt, denn radial innerhalb des Saugrohrs 12 besteht keine Gefahr infolge eines Eingreifens, da kein offener Zugang zu rotierenden Komponenten gegeben ist. Besonders vorteilhaft kann ein Saugrohr 12 einer ähnlichen Ausbildungsform auch einteilig in ein Berührschutzgitter integriert sein, beispielsweise als Schweißkonstruktion oder auch als spritzgegossene einteilige Komponente.
Der weitgehend leckagefreie Anschluss des Saugrohrs 12 an den Kühltopf 8 an der Anschlusstelle 30 ist von Bedeutung. In 8 sieht man im Bereich der Kabelanschlüsse 44, dass ggf. dort eine besondere Herausforderung diesbezüglich gegeben sein kann. Ggf. müssen besondere Bauteile zur Abdichtung in diesem Bereich angebracht werden, sofern nicht vorteilhaft ins Saugrohr 12 oder den Kühltopf 8 integrierbar. Generell ist es denkbar, eine abdichtende Komponente an der Schnittstelle 30 zwischen Saugrohr 12 und Kühltopf 8 vorzusehen, beispielsweise eine Gummidichtung oder dergleichen. Bei einer Ausführungsform gemäß den 7 und 8 bzw. auch 9 ist es denkbar, dass am offenen Ende der Saugleitung 12 zumindest teilweise auch Luft der Ventilatorhauptströmung angesaugt wird, also ein Gemisch aus der kühleren Luft der druckseitigen Umgebung und der Ventilatorhauptströmung.
Je größer der Anteil der Luft der Ventilatorhauptströmung mit dem höheren Temperaturniveau ist, desto ungünstiger wirkt sich dies für die Kühlung infolge des erfindungsgemäßen Kühlsystems aus. Um dem entgegenzuwirken und möglichst hohe Anteile an kühler Luft der druckseitigen Umgebung anzusaugen, kann das Saugrohr möglichst weit in den druckseitigen Bereich hineinragend gestaltet sein, zum Beispiel axial um mindestens 20% des Laufraddurchmessers über den Austritt aus dem Gehäuse hinaus.
In 9 ist in einer Seitenansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Achse ein Ventilator 57 mit tragender Nachleiteinheit 1 mit Gehäuse 2 und Nachleit- bzw. Strebenflügeln 11, 3 und mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 40 dargestellt. Auch diese Ausführungsform des Kühlsystems 40 weist, ähnlich wie die Ausführungsform gemäß 7 und 8, ein axial gerichtetes Saugrohr 12 auf, das an einer Anschlusstelle 30 axial direkt am Kühltopf 8 anschließt, der hier zur axial druckseitigen Richtung geöffnet ist, und axial über das Gehäuse 2 hinaus in die druckseitige Umgebung hineinragt.
Das Saugrohr 12 hat hier über seine Lauflänge gesehen einen variablen äquivalenten Strömungsquerschnitt, insbesondere ist der Durchmesser D1 am Eintritt 40 in das Saugrohr 12, an dessen freiem, in die druckseitige Umgebung hineinragenden Ende, bei dieser Ausführungsform kleiner als der Durchmesser D2 an der Anschlussstelle 30 zum Kühltopf 8 hin. Der Strömungsquerschnitt des Saugrohrs 12 entspricht hier etwa einem Kreisquerschnitt mit variablem Durchmesser, kann aber beispielsweise zum offenen Ende 40 hin auch andere, von der Kreisform abweichende Querschnittsformen aufweisen, weshalb dann als Durchmesser D1, D2 die hydraulisch äquivalenten Durchmesser zur Bemessung herangezogen werden.
Bei anderen Ausführungsformen kann auch der Durchmesser D1 am Eintritt 40 in das Saugrohr 12 größer sein als der Durchmesser D2 am Anschluss 30 an den Kühltopf 8. Vorteilhafterweise ist der Querschnittsverlauf und das Verhältnis der Durchmesser D2 und D1 so zu gestalten, dass der Anteil der Luft der wärmeren Ventilatorhauptströmung, die ins Saugrohr 12 eingesaugt wird, möglichst klein ist und der Anteil der Luft der kühleren druckseitigen Umgebung, die ins Saugrohr 12 eingesaugt wird, möglichst groß ist, um eine möglichst gute Kühlwirkung des erfindungsgemäßen Kühlsystems zu bewirken. Dabei können diese Anteile je nach Ventilatorbetriebspunkt variieren, da das Strömungsbild der Ventilatorhauptströmung betriebspunktabhängig ist. Je nach Betriebspunkt, auf den das System hauptsächlich ausgelegt werden soll, können die idealen Verhältnisse unterschiedlich sein.
Vorteilhaft kann ein Saugrohr 12 einer Ausführungsform mit axial ausgerichtetem Saugrohr 12 ähnlich einer Ausführungsform der 7-9 so gestaltet sein, dass sich Wirkungsgrad und Druckstabilität des Ventilators infolge des Saugrohrs 12 erhöhen, insbesondere wenn der äquivalente Durchmesser D1 am Eintritt 40 ins Saugrohr 12 größer als der Durchmesser D2 am Anschluss 30 zum Kühltopf 8 ist, vorteilhaft um einen Faktor um mindestens 2, und die Außenwand des Saugrohrs 12 aerodynamisch vorteilhaft für die Ventilatorhauptströmung gestaltet ist.
Ein vorteilhafter Durchmesser D2 für das Saugrohr 12 am Anschluss zum Kühltopf 8 einer Ausführungsform mit axial ausgerichtetem Saugrohr 12 ähnlich einer Ausführungsform der 7-9 beträgt etwa 20%-45% des äußeren Durchmessers D des Ventilatorlaufrades.
10 zeigt ein Diagramm, das exemplarisch die in einem Versuchsaufbau experimentell gemessene relative Verbesserung, also Reduktion, der Temperatur eines thermisch kritischen elektronischen Bauteils als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Ventilatorhauptströmung und der druckseitigen Umgebung für zwei verschiedene Durchmesser einer Saugleitung darstellt. Der experimentelle Aufbau ist mit einer Ausführungsform ähnlich der 1-4 durchgeführt worden, bei der eine Saugleitung quer zur Ventilatorhauptströmung die kühlere Luft der druckseitigen Umgebung in einen Kühltopf leitet. Es sind verschiedene Temperaturdifferenzen ΔT zwischen der Ventilatorhauptströmung und der druckseitigen Umgebung an einem Prüfstand eingestellt worden (ΔT=Temperatur(Ventilatorhauptströmung)-Temperatur(druckseitige Umgebung)). Zusätzlich ist jeweils eine Referenzmessung mit dem gleichen Ventilator bei gleichem Betriebszustand ohne das erfindungsgemäße Kühlsystem, genauer ohne die Saugleitung und ohne den Deckel auf dem Kühltopf, durchgeführt worden.
Die Drehzahl sowie der Betriebspunkt des Ventilators (Fördervolumenstrom der Ventilatorhauptströmung) sind für alle Versuche konstant eingestellt worden. Als Ergebnis der Versuche ist jeweils die Beharrungstemperatur T_elCool (stationäre Temperatur nach ausreichend langer konstanter Betriebsdauer mit erfindungsgemäßem Kühlsystem) an einem bestimmten, thermisch kritischen elektronischen Bauteil, hier des IG-BTs bzw. der Ausgangsstufe der im Motor integrierten Leistungselektronik, gemessen worden. Da die entsprechende Beharrungstemperatur auch für den Referenzversuch ohne erfindungsgemäßes Kühlsystem erhoben worden sind (bezeichnet als T_elRef), kann eine Verbesserung infolge der Anwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems zu T_elRef - T_elCool evaluiert werden.
Noch weiter gehend kann, wenn diese Verbesserung auf die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Ventilatorhauptströmung und der druckseitigen Umgebung bezogen wird, ein thermischer Wirkungsgrad η_τ eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, welches zu kühlende Komponenten eines Ventilators bzw. dessen Motors bzw. dessen Steuerelektronik, welcher Ventilator eine Ventilatorhauptströmung mit höherem Temperaturniveau als die druckseitige Umgebung aufweist, mittels Nutzung der kühleren Luft der druckseitigen Umgebung kühlt, definiert werden zu: η_τ=(T_elRef - T_elCool)/ ΔT. Dieser Wirkungsgrad η_τ beschreibt, wie „effizient“ das Temperaturniveau der kühleren Luft auf der druckseitigen Umgebung bei einer durch die Einströmdüse des Ventilators angesaugten Hauptströmung mit höherem Temperaturniveau, zur Kühlung beispielsweise von Motorkomponenten oder Elektronikkomponenten genutzt wird. Ein solcher Wirkungsgrad kann äquivalent für verschiedene Stellen oder Bauteile des Ventilators, des Motors oder der Steuerelektronik, an denen die Temperatur gemessen wird, erhoben und betrachtet werden, und er variiert bei gleichem Aufbau je nach Bauteil bzw. Stelle.
Im hier aufgezeigten Versuch ist er für die häufig kritische Temperatur der Ausgangsstufe der Leistungselektronik bestimmt worden, und zwar in Abhängigkeit von ΔT und dem Durchmesser einer Saugleitung mit konstantem Querschnitt D₁, hier aufgeführt in dimensionsloser Form δ_S=D₁/D, bezogen auf den Ventilatorlaufraddurchmesser D. An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei quantitativen Angaben zu D₁ oder δ_S bei nicht kreisrunden Querschnitten einer Saugleitung oder bei Verwendung von mehreren parallel verlaufenden Saugleitungen der hyraulisch äquivalente Durchmesser des gesamten durchströmten Querschnitts der Saugleitung(en) anzusetzen ist.
Im Diagramm ist gut zu erkennen, dass für einen relativen Durchmesser δ_S der Saugleitung von δ_S = 12% (bezogen auf den Laufraddurchmesser D) eine relativ konstante thermische Effizienz des erfindungsgemäßen Kühlsystems von η_τ ≈ 50% erreicht werden kann (durchgezogene Linie). Beispielhaft kann dies bedeuten, dass, wenn die druckseitige Umgebungstemperatur 30 K niedriger liegt als die der Ventilatorhauptströmung, die Ausgangsstufe durch Verwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems um etwa 15 K kühler ist, was eine signifikative Verbesserung darstellt.
Im Diagramm ist weiterhin das Ergebnis, das mit einer Saugleitung mit relativem Durchmesser von δ_S = 8% erzielt worden ist, mit gestrichelter Linie eingezeichnet. Da weniger kühle Luft pro Zeiteinheit durch die Saugleitung mit dem geringeren durchströmten Querschnitt hin zum Kühltopf strömen kann und / oder diese beim Durchströmen der Saugleitung schon stärker vorerwärmt wird, ist in dem Fall auch die thermische Effizienz niedriger. Für die Saugleitung mit relativem Durchmesser von δ_S = 8% liegt die thermische Effizienz η_τ bei etwa η_τ ≈ 35%, wobei diese leicht variiert, je nach Temperaturdifferenz ΔT, und zwar von etwa η_τ = 31 % bei ΔT = 10K hin zu etwa η_τ = 38% bei ΔT = 40K, wobei hier auch diverse Messungenauigkeiten, inklusive veränderter Wärmeleistungen der Motorkomponenten und der variablen Luftdichten, das Ergebnis beeinflussen können.
Die Wahl des durchströmten Gesamtquerschnitts der einen oder mehreren parallel verlaufenden Saugleitungen hängt nicht nur von der zu erreichenden thermischen Effizienz des Kühlsystems ab. So können Saugleitungen mit größeren durchströmten Querschnitten aufwendiger zu fertigen sein, beispielsweise weil mehrere parallel verwendet werden. Wird eine Saugleitung mit großem Querschnitt verwendet, behindert diese Saugleitung, zumindest wenn sie quer zur Hauptströmung verläuft, die Hauptströmung des Ventilators, was beispielsweise zu Wirkungsgradeinbußen führen kann. Dieses Problem ist bei den axialen Saugleitungen, die etwa parallel zur Hauptströmung in axialer Verlängerung des Kühltopfes verlaufen, beispielsweise ähnlich der Ausführungsformen gemäß 7-9, nicht oder nur minimal vorhanden, was ein Vorteil von derart ausgeführten Kühlsystemen ist.
Bei Saugleitungen, die quer zur Ventilatorhauptströmung verlaufen, hat sich eine Wahl des relativen hydraulisch äquivalenten durchströmten Gesamtdurchmessers der Saugleitung(en) in einem Bereich von etwa δ_S=5% bis δ_S=20% als brauchbar und vorteilhaft erwiesen. Angesichts der Möglichkeit von Wirkungsgradeinbußen infolge der Versperrungswirkung von quer verlaufenden Saugleitungen auf die Ventilatorhauptströmung ist auch eine Integration von Saugleitungen in Tragstreben oder Nachleitflügel eine besonders vorteilhafte Option.
Ein weiterer Aspekt ist, dass Saugleitungen vorteilhaft thermisch möglichst gut gegenüber der Ventilatorhauptströmung isoliert sind, damit sich die Kühlluft beim Durchströmen der Saugleitung möglichst wenig vorerwärmt. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Wände von Saugleitungen aus Kunststoff sind und eine Dicke von mindestens etwa 2 mm, vorteilhaft 3 mm, aufweisen.
Es sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass ein erfindungsgemäßes Kühlsystem für ganz diverse Geräte geeignet ist, als auch für diverse Ventilatoren mit diversen Bauarten, bspw. Axialventilatoren mit oder ohne Nachleitrad, Radial- oder Diagonalventilatoren mit einem Spiralgehäuse oder einem axial weiterleitenden Gehäuse (Kanal). Wesentlich ist, dass infolge des vom Ventilator aufgebauten Druckfeldes kühlere Umgebungsluft von einer der Ventilatordruckseite zugeordneten Umgebung vorteilhaft durch eine Saugleitung quer zur Ventilatorhauptströmung hin zu einem Kühltopf geleitet wird, in dem ein Elektromotor ganz oder teilweise angeordnet ist, und wo sie gezielt zur Kühlung des Elektromotors genutzt wird.
Ausdrücklich wird die vorgestellte Technologie auch für den von der Temperaturverteilung her umgekehrten Fall beansprucht, dass das Temperaturniveau der Ventilatorhauptströmung sehr tiefe Temperaturen aufweist und der Motor in eine Umgebung in einem „Kühltopf“ eingebaut ist, der höhere Umgebungstemperaturniveaus aufweist.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Tragende Nachleiteinheit
2: Gehäuse der Nachleiteinheit
3: Strebenflügel
4: Nabenring, äußerer Ring des Topfes der Kühlvorrichtung
5: Zwischenring der Nachleiteinheit bzw. des Diffusors
6: äußerer Durchströmbereich
7: innerer Durchströmbereich
8: Topf der Kühlvorrichtung
9: Einlaufdüse
10: äußere Diffusorwand
11: inneres Leitelement, Leitflügel
12: Saugrohr, Saugleitung der Kühlvorrichtung
13: Statortopf, Elektronikgehäuse
14: Kühlströmungsführung
18: Befestigungsvorkehrung für Motor am Befestigungsflansch
19: Laufrad
20: Zuströmseitige Befestigungsvorkehrung der Nachleiteinheit an übergeordnetem System
21: Abströmseitige Befestigungsvorkehrung der Nachleiteinheit an übergeordnetem System
22: Flügel des Laufrads
23: Einlass oder Anschluss des Saugrohrs, der Saugleitung
25: Befestigungsvorkehrung für Schutzgitter abströmseitig
27: Durchmesser D_N des Topfes der Kühlvorrichtung
29: Bereich für ein Laufrad
30: Anschluss des Saugrohrs am Kühltopf
31: Nabe des Laufrads
32: Drehrichtung des Laufrads
34: Motor
35: Rotor des Motors
36: Stator des Motors
37: Nabenhaube
38: Winglets der Laufradflügel
40: Kühlvorrichtung
41: Kühlströmungskanal
42: Kühldurchlass im Bereich Befestigungsflansch
43: Deckel des Topfes der Kühlvorrichtung
44: Kabelanschlüsse am Topf der Kühlvorrichtung
45: Axial abschließender Bereich des Deckels
46: Rotorseitiger Aufnahmebereich innerhalb des Nabenrings
47: seitlicher Bereich des Deckels zum Anschließen des Saugrohrs
49: Flansch des Stators
50: Kühlrippen am Stator
51: Kühllüfterrad am Rotor
53: Kabelanschlüsse am Stator bzw. Elektronikgehäuse des Motors
54: Vorderer Flansch oder vordere Wand des Kühltopfes
56: Düsenplatte
57: Ventilator, Axialventilator
58: Versteifungsrippen im Aufnahmebereich für den Motor
59: Befestigungsflansch für Motor
63: Anschlussstutzen für Saugrohr am Deckel
64: Lufttechnisches Gerät
65: Wärmetauscher
66: Gerätewand
67: Anschlüsse für Kühlmittelkreislauf
68: Kühlmittelverteilerrohre
69: Äquivalenter Einströmdurchmesser D1 des Saugrohrs
70: Äquivalenter Durchmesser D2 des Kühltopfes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020015792 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators mit Luft, wobei der Ventilator im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen Anströmseite sowie Elektromotor und Abströmseite erzeugt, und wobei die Druckdifferenz genutzt wird, um kühlere Umgebungsluft von der Abströmseite zum Elektromotor zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung in ihrer strömungstechnischen Funktion ausschließlich auf dem vom Ventilator erzeugten Strömungs-/Druckfeld beruht, unter ausschließlicher Nutzung des dem Ventilator eigenen Strömungsantriebs.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Elektromotor bzw. dessen Stator und/oder dessen Elektronikgehäuse umgebener Kühltopf vorgesehen ist, der einen zumindest zur Zuströmseite hin und radial nach außen weitgehend abgeschlossenen Bereich für eine mit Kühlluft gefüllte Umgebung bildet, die ein niedrigeres Temperaturniveau als die Ventilatorhauptströmung hat, und der vorzugsweise in einem achsnahen Bereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise als Saugrohr ausgebildete Saugleitung das Innere des Kühltopfs mit der druckseitigen (abströmseitigen) Umgebung des Ventilators strömungsverbindet, wo ein höheres, der Ventilatorabströmseite zugeordnetes Druckniveau vorherrscht sowie ein niedrigeres Temperaturnvieau als bei der durch die Einlaufdüse angesagten Ventilatorhauptströmung, wobei an der Einströmstelle in die Saugleitung zumindest anteilsweise Luft einer freien Umgebung mit niedrigerem Temperaturniveau vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung dienende Luft aus einer atmosphärischen Umgebung oder einem freien, moderat temperierten Raum über die Saugleitung in den Kühltopf strömt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühltopf hin zur Zuströmseite des Ventilators bzw. hin zum Laufrad bzw. dessen Nabe Öffnungen aufweist, durch die Kühlluft aus dem Kühltopf nach vorne, also in Richtung Laufradnabe, ausströmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Kühltopf ausströmende Kühlströmung in ein Hauptkühlsystem des Elektromotors einströmt, insbesondere durch Wärme abgebende Kühlrippen an einem Flansch des Stators des Elektromotors.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühltopf eher achsnah bzw. nabennah in einem Bereich stromab eines Laufrads angeordnet ist, in dem die Ventilatorhauptströmung signifikante Umfangsgeschwindigkeiten aufweist, die ein Druckfeld zur Folge haben, das radial innen, also achsnah, deutlich niedrigere statische Druckniveaus aufweist als radial weiter außen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfeld ein deutlich niedrigeres statisches Druckniveau aufweist als im Außenbereich des Gehäuses, wodurch Kühlluft durch das Saugrohr in den Kühltopf strömt und anschließend durch Öffnungen am Kühltopf ausströmt und sich mit der Ventilatorhauptströmung vermischt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühltopf und/oder die Saugleitung einteilig in eine Tragstruktur für den Motor und das Laufrad, vorzugsweise in eine tragende Nachleiteinheit, des Ventilators integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühltopf Strömungsführungen ausgebildet sind, die die Kühlluft mit relativ hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Turbulenz nahe an einer zu kühlenden Wandoberfläche eines Elektronikgehäuses oder Stators vorbeileiten.
Ventilator mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Ventilator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator an seiner Einströmseite Luft ansaugt, die zuvor in ihrem Strömungspfad einen Wärmetauscher durchströmt hat, wodurch sie erwärmt wurde bzw. wodurch ihre Temperatur erhöht wurde.
Ventilator nach Anspruch 13, dessen Abströmung hohe Geschwindigkeiten aufweist, sodass die warme Luft der Ventilatorhauptströmung stromab des Ventilators weg vom Ventilator geschleudert wird, sodass keine solche warme Luft am Einlass der Saugleitung eingesaugt werden kann.
Verfahren zur Kühlung des Elektromotors eines Ventilators mit kühler Luft unter Nutzung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder zur Anwendung bei einem Ventilator nach einem der Ansprüche 12 bis 14.