DE1922469A1

DE1922469A1 - Ventilator

Info

Publication number: DE1922469A1
Application number: DE19691922469
Authority: DE
Inventors: Weir Thomas James
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1969-04-30
Filing date: 1969-04-30
Publication date: 1970-11-12

Description

Ventilator

Die Erfindung bezieht sich auf Ventilatoren für das Kühlsystem von Verbrennungskraftinaschinen. Kraftfahrzeuge, seien sie nun Personenkraftwagen, Omnibusse oder Lastwagen, sind häufig mit Klimaanlagen versehen, deren Kühlelement vor dem Kühler des Kühlsystems der Fahrzeugmaschine angeordnet ist. Die durch das Kühlelement fließende Luft wird dort erhitzt, worauf sie durch den Kühler der Pahrzeugmaschine strömt, wodurch die Kühlungseigenschaften des Fahrzeugkühlers beeinflußt werden. Die Größe des Kühlventilators und dessen Drehgeschwindigkeit sind erhöht worden, um das erforderliche zusätzliche Kühlluftvolumen liefern zu können. Dadurch hat der Leistungseigenbedarf der Maschine beträchtlich zugenommen, und der Geräuschpegel hat sich erhöht. Es ist daher sehr wesentlich, den Leistungseigenbedarf und den Geräuschpegel zu senken.

Pr/ch

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Bisher hat man zur Verminderung des Leistungseigenbedarfes den Kühlventilator der Maschine mit einer Flüssigkeitskupplung versehen, der temperaturempfindliche Mittel zugeordnet sind, die entweder von der Temperatur der durch den Fahrzeugkühler strömenden Luft oder durch die Temperatur des durch das Kühlsystem der Fahrzeugmaschine fließenden Wassers beeinflußt werden. Solche temperaturempfindlichen Mittel sind natürlich außerhalb des Kupplungsgehäuses angeordnet. Der Kupplungsgrad zwischen dem Ventilator und der Maschine wird durch die temperaturempfindlichen Mittel derart geregelt, daß eine im wesentlichen direkte Kupplung zwischen dem Ventilator und der Maschine vorhanden ist, wenn die Luft oder das Kühlwasser verhältnismäßig hohe Temperaturen haben. Dagegen wird für einen gewissen Schlupf innerhalb der Kupplung gesorgt, so daß der Ventilator mit unternormaler Drehzahl angetrieben wird, wenn die Temperatur der Luft oder des Kühlwassers verhältnismäßig niedrig ist. Solche mit der Temperatur veränderlichen Kupplungen haben den Vorteil, daß die von der Maschine an den Ventilator abgegebene Leistung sich vermindert, wenn für das Kühlen weniger Luft erforderlich ist. Flüssigkeitsantriebe dieser Art für Ventilatoren sind in den amerikanischen Patentschriften Re. 25 481 und 3 191 733 beschrieben.

Wenn nun jedoch ein Hochleistungsventilator Verwendung findet, der selbst bei niedriger Drehzahl eine maximale Kühlluftmenge fördert, um so beim Leerlauf der Maschine für eine erhöhte Kühlung zu sorgen, so muß der Schlupf_s d.h. der Unterschied zv/isiien den Eingangs- und den Ausgangsdxeh^ahlen des Ventilatorantriebes bei höheren Eingangsdrelisahlen scharf ansteigen, um zu verhindern, daß der Ventilator mehr Kühlluft fr-s-de.it als notwendig ist,

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Hierbei ist vorausgesetzt, daß im allgemeinen gleichmäßige Umgebungstemperaturen herrschen. Dieses Absenken des Anderungsverhältnisses der Ventilatordrehzahl mit der Eingangsdrehzahl hat, wie aus dem früheren Stand der Technik bekannt, den Vorteil, daß sich die von der Maschine an den Ventilator abgegebene Leistung vermindert, wenn für die Kühlzwecke weniger Luft erforderlich ist. Ein Mangel besteht dabei jedoch insofern, als nicht die gesamte Leistungseinsparung, die sich aus dem weniger schnellen Anstieg der Ventilatordrehzahl ergibt, als Gewinn zu verbuchen ist. Da bei Ventilatorflüssigkeitsantrieben der in Rede stehenden Art die in dem Antrieb ouer der Kupplung erzeugte Wärme dem Schlupf innerhalb der Kupplung bei hohem Schlupfverhältnis, d.h. bei hoher Eingangsdrehzahl und niedriger Ventilator- (Ausgangs-) Geschwindigkeit,direkt proportional ist, wird ein Teil der Eingangsleistung des Antriebes für die Erzeugung von Wärme in der Reibungsflüssigkeit verbraucht. Diese Wärme mu3 natürlich durch die Kühlluft abgeführt werden. Ein Teil der durch die Herabsetzung der Ventilatordrehzahl eingesparten Leistung wird also durch einen unproduktiven Temperaturanstieg der Antriebskupplung verbraucht.

Ventilatoren una insbesondere Kühlventilatoren für Maschinen mit biegsamen Schaufeln sind an sich bekannt, wie dies beispielsweise die amerikanischen Patent-Schriften 2 032 224 und 3 289 924 zeigen. Diese Ventilatorschaufeln nehmen mit wachsender Ventilatordrehzahl eine Form von geringerer Steigung an, wodurch der Ventilator entlastet wird oder, mit anderen Worten, durch die Veränderung der Schaufelform wird das Verhältnis zwischen voluinetrischer Förderleistung des Ventilators und Ventilatordrehzahl vermindert.

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Die Erfindung nutzt die belastungsmindernde Charakteristik biegsamer Ventilatorflügel aus, um den Leistungsverlust bei hohen Schlupfwerten der Kupplung herabzusetzen. Die biegsamen Ventilatorflügel sind auf dem angetriebenen Element des Ventilatorantriebes angebracht. Das Verbiegen der Ventilatorflügel ermöglicht nun, die Ventilatordrehzahl heraufzusetzen, ohne daß dabei eine entsprechende Vergrösserung der von dem Ventilator geförderten Luftmenge eintritt. Die Flüssigkeitskupplung des Antriebes kann so dazu ausgenutzt werden, daß sie ihre charakteristische, leistungssparende Herabsetzung der von dem Ventilator geförderten Luftmenge bewirkt, wenn die Maschine hohe Eingangsdrehzahlen abgibt. Hierbei fällt also die charakteristische Schlupferhöhung in der Antriebskupplung mit der sich daraus ergebenden, einen Leistungsverlust bedeutenden Erzeugung von Wärme in der Kupplung fort. Die Kombination des Ventilatorflüssigkeitsantriebes mit biegsamen Ventilatorflügeln bietet also die Möglichkeit, einen Ventilator von hoher Leistung auch bei niedriger Eingangsgeschwindigkeit, nämlich bei der Leerlaufdrehzahl der Maschine zu verwenden, ohne daß man die bisher hohen Schlupfwerte und eine große V/ärmeerzeugung in der Flüssigkeitskupplung in Kauf nehmen muß, weil die Notwendigkeit bestand, die Drehzahlerhöhung des Hochleistungsventilators bei v/achsender Eingangsdrehzahl beträchtlich herabzusetzen. Die unausgenutzte Leistungsmenge und die aus dem Ventilatorantrieb zu entfernende Wärme werden so herabgesetzt, wobei noch konstruktive Vorteile erreicht werden, während die flexible Regelung, die einen Vorzug des temperaturempfindlichen Flüssigkeitsantriebes des Ventilators darstellt, erhalten bleibt.

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Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes zeigt die Zeichnung, und zwar sind:

Pig. 1 ein Schnitt durch einen thermostatisch gesteuerten Ventilatorflüssigkeitsantrieb,

I"ig. 2 eine teilweise Stirnansicht eines in Verbindung mit dem Ventilatorantrieb gemäß der Erfindung zu verwendenden Ventilatornabensternes,

I*ig. 5 eine Seitenansicht eines der Sternarme, an dem der aus Pig. 2 ersichtliche biegsame Ventilatorflügel angebracht ist,

Pig. 4 ein Kurvenblatt, woraus sich die Beziehung zwischen der Eingangsdrehzahl des Ventilatorantriebes und der Ausgangsdrehzahl, d.h. der tatsächlichen Ventilatordrehzahl bei im wesentlichen gleichmäßigen Umgebungstemperaturen von 150° P sowohl bei dem Antrieb gemäß der Erfindung, als auch bei einem bekannten Antrieb mit starren Ventilatorflügeln ergibt und

Pig. 5 eine ausschnittsweise Vorderansicht der Kupplung nach Pig. 1, wobei ein Teil zwecks Darstellung der inneren Konstruktion weggebrochen ist.

In den Pig. 1 und 2 ist ein Flüssigkeitsantrieb bzw. eine Flüssigkeitskupplung für einen Ventilator gemäß der amerikanischen Patentschrift 3 191 733 dargestellt. Der Ventilator hat jedoch einen Nabenstern gemäß Pig. 2 mit biegsamen Flügeln. Die Antriebs- und Kupplungsanordnung

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hat ein Gehäuse 10 mit einer Nabe 11, mit deren Hilfe das Gehäuse 10 drehbar auf einer Antriebswelle 12 gelagert ist. Zu diesem Zweck enthält die Nabe 11 ein Lager 14 und Abdichtungen 14a. Die Welle 12 trägt einen Kupplungsflansch 15» so daü sie mit irgendeinem umlaufenden Teil einer Verbrennungskraftmaschine verbunden werden kann.

Mit dem Gehäuse 10 ist durch Schrauben to der mittlere ringförmige Nabenteil 20 befestigt, welcher die biegsamen Ventilatorflügel nach Fig. 2 trägt. Drei mit Gewindebohrungen versehene Verstärkungen des Gehäuses dienen zur Aufnahme der Maschinenschrauben, welche durch die Befestigungslöcher 20a (Fig. 2) des Ventilatornabensternes 20 hindurchgehen. Der Kupplungsflansch 15 kann mit der Riemenscheibe verbunden werden, die üblicherweise die Wasserpumpe der Verbrennungskraftmaschine antreibt.

Das Gehäuse 10 ist mit einem Deckel 18 versehen, dessen Umfangskante an der Umfangskante einer Trennscheibe anliegt, die auf einer Ringfläche 21 nahe dem Umfang des Gehäuses 10 gelagert ist. Der Deckel 18 und die Trennscheibe 19 können mit Hilfe eines Ringflansches 31 gegen das Gehäuse 10 gedrückt sein. Der Ringflansch 31 ist mittels eines Gesenkes oder auf andere Weise auf die äußere Umfangsflache des Deckels 18 aufgepreßt. Die Außenseite des Deckels 18 hat der V/ärmeableitung dienende Rippen oder Yursprünge, während der Uxnfangsteil des Gehäuses 10 mit die Wärme ableitenden Flügeln 10a versehen sein kann.

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Das Gehäuse 10 hat weiterhin innerhalb der Scheiben 19 einen Hohlraum, der eine Antriebskammer 24 bildet, innerhalb welcher die Treibscheibe 26 angeordnet ist. Diese Treibscheibe 26 ist durch Aufpressen oder auf andere Weise auf der Welle 12 befestigt. Die Randteile der Scheibe 26 können mit gebogenen Auflagestücken 28 und versehen sein. Nahe den Innenkanten der Auflagestücke befindet sich eine Reihe gleichmäßig verteilter Öffnungen 32, die durch die Scheibe 26 vollständig hindurchgehen. Die Öffnungen 32 ermöglichen einen Umlauf der Flüssigkeit um den Umfangsteil der Scheibe 26.

Eine Pumpe zum Überführen der Flüssigkeit zwischen dem Vorratsbehälter 23 und der Antriebskammer 24 wird im wesentlichen von einem Staukörper 39 gebildet. Der Staukörper 39 hat zylindrische Gestalt, und er erstreckt sich in eine Öffnung 39a der Scheibe 19, worin er verschiebbar ist. Die Öffnung 39a hat einen Teil 40 (Fig. 5), der sich in der Drehrichtung vor dem Staukörper 39 erstreckt. Die Stellung des Staukörpers 39 in der Öffnung 39a, d.h. das Maß, mit welchem der Staukörper in die Kammer 24 hineinragt, wird durch ein federndes Element geregelt, das die Form eines Streifens 34 hat, der starr an der Innenseite des Deckels 18 befestigt ist.

Die Außenseite des Deckels 18 trägt eine Platte 61, auf welcher ein wämeempfindliches Element in Form des BimetallStreifens 63 angebracht ist. Der Bimetallstreifen ist so angeordnet, daß seine sich stärker ausdehnende Seite 64 außen, d.h. an der dem Deckel 18 abgekehrten Seite liegt.

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Infolge dieser Anordnung des Birnetallstreifens wird sich dessen mittlerer Teil bei einem Anstieg der umgebenden Temperatur nach außen biegen, so wie dies der Pfeil in Fig. 1 angibt. Unter der Mitte des Bimetallstreifens hat der Deckel 18 eine Öffnung,und der Rand dieser Öffnung ist nach außen umgeflanscht, wodurch eine Führung für einen Stößel 67 gebildet 1st, der mit seinem einen Ende an der Innenseite des Bimetallstreifens 63 und mit seinem anderen Ende an dem Streifen 34 anliegt.

Zur Inbetriebsetzung der Kupplung wird der Vorratsbehälter 23 soweit mit einer Reibungsflüssigkeit gefüllt, daß die Räume in der Kammer 24 zwischen den einander abgewandten Seiten der Auflagestücke 28 und 51 und den benachbarten Wänden der Scheibe 19 und des Gehäuses 10 ausgefüllt sind. Läuft nun das Gehäuse um, so verteilt die Zentrifugalkraft die Flüssigkeit innerhalb des Vorratsraumes 23 und der Antriebskammer 24 auf einen gleichmäßigen Stand, wobei die Flüssigkeit frei durch den Teil 40 (Fig. 5) der Öffnung 39a an, und zwar vor dem Staukörper 39 hindurchströmen kann. Es ist ohne weiteres verständlich, daß die Drehzahl des Gehäuses 10 im Verhältnis zu der Drehzahl der Welle 12, d.h. daß der Kupplungsgrad zwischen dem Gehäuse 10 und der Welle 12 von der Flüssigkeitsmenge in der Kammer 24 abhängig ist.

Ist die Umgebungstemperatur des Bimetallstreifens 63 verhältnismäßig hoch, so ist ein maximaler Kupplungsgrad zwischen dem Gehäuse 10 und der Welle 12 zweckmäßig.

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Der Bimetallstreifen 63 und der Staukörper 39 befinden sich dann in der in Pig. 1 gezeigten Stellung. Die Stirnfläche des Staukörpers 39 ragt dann nicht über die in Pig. 1 rechte Seite der Platte 19 hinaus, und der Staukörper befindet sich außerhalb des Weges der Flüssigkeit in der Antriebskammer. Der Staukörper 39 befindet sich somit in einer inaktiven Stellung, in der er keine Pumpwirkung ausübt, und die Zentrifugalkraft hält den Flüssigkeitsstand innerhalb der Kammer und des Vorratsraumes 23 aufrecht. Die Kammer 24 enthält unter diesen Umständen eine maximale Flüssigkeitsmenge und der Kupplungsgrad zwischen der Welle 12 und dem Gehäuse 10 ist verhältnismäßig hoch.

Sinkt nun die Umgehungstemperatur des Bimetallstreifens ab, so ist ein verminderter Kupplungsgrad zwischen der Welle 12 und dem Gehäuse 10 zweckmäßig. Der mittlere Teil des Bimetallstreifens bewegt sich unter diesen Umständen in Fig. 1 nach rechts, wobei er den Stößel 67 und den Staukörper 39 in der gleichen Richtung mitnimmt. Bei dieser Bewegung gelangt der Staukörper 39 in eine Stellung, in der er aus der Oberfläche der Scheibe 19 in die Antriebskammer 24 und damit in den Weg der in dieser Kammer enthaltenen Flüssigkeit hineinragt. In dieser Stellung wirkt der Staukörper als Staupumpe, indem er in dem vor ihm befindlichen Bereich den Flüssigkeitsdruck erhöht. Durch diesen Druckanstieg wird Flüssigkeit aus der Antriebskammer 24 durch die öffnung (Fig. 5) vor dem Staukörper 39 in den Vorratsraum 23 getrieben oder gepumpt. Dadurch vermindert sich das Flüssigkeitsvolumen in der Antriebskammer 24, woraus sich dann ein verminderter Kupplungsgrad zwischen der Welle

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und dem Gehäuse 10 ergibt. Diese temperaturabhängige Änderung des Reibungsflüssigkeitsstandes in der Antriebskammer 24 ist im einzelnen in der amerikanischen Patentschrift 3 191 733 beschrieben. Wenn der angetriebene Teil, nämlich das Gehäuse 10 des beschriebenen Flüssigkeit sventilatorantriebes in der bekannten Weise starre Ventilatorflügel trägt und wenn die Umgebungstemperatur verhältnismäßig hoch ist, nämlich etwa 150° F beträgt, so ändert sich die Ausgangsdrehzahl, d.h. also die Ventilatordrehzahl mit der Eingangsdrehzahl, so wie dies aus der Kurve A der Pig. 4 ersichtlich ist. Der Anstieg der Kurve erreicht bei höheren Eingangsdrehzahlen ein Maximum, worauf sich die Kurve abflacht und bei noch höheren Eingangs- (Maschinen-) Drehzahlen abfällt. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen hat die Kurve einen kleineren Anstieg,und sie flacht sich bei entsprechend niedrigerer Ventilatordrehzahl ab, so wie dies aus der Kurve A- ersichtlich ist.

Gemäß den Fig. 2 und 3 trägt der liabenstern 20 eine Vielzahl von Armen 25, von denen jedoch in Fig. 2 nur einer dargestellt ist. Auf diese Arme sind biegsame Ventilatorflügel 30 aufgenietet. Diese Flügel haben Iängsrippen 30a, die für eine seitliche Steifheit sorgen, ohne dabei die Fähigkeit des Flügels zu beeinträchtigen, sich in der Querrichtung zu verbiegen. Bei einem Anstieg der Drehzahl biegen sich die Flügel aus, wie dies in Fig. 3 in gestrichelten Linien gezeigt ist. Sie nehmen dabei eine Form geringerer Steigung an, wodurch die durch die Umdrehung des Ventilators geförderte Luftmenge, d.h. also die Belastung des Ventilators vermindert wird.

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Wird der liabenstern mit biegsamen Ventilatorflügeln auf den Ventilatorantrieb aufgesetzt, so ergibt das Ganze ein Verhältnis zwischen der Eingangs-(Maschinen-)Drehzahl und der Ventilator-(Ausgangs-)Drehzahl entsprechend der Kurve B in Fig. 4, wobei ebenso wie bei der vorher erwähnten Kurve A eine konstante Umgebungstemperatur von 150 F angenommen wird.

Der Ventilator mit biegsamen Flügeln und einem Antrieb mit Flüssigkeitskupplung entsprechend der Kurve B kann so konstruiert sein, daß seine Luftförderkapazitat bei verhältnismäßig niedriger Drehzahl dem Standardwert üblicher Ventilatoren mit starren Flügeln und einem Antrieb mit Flüssigkeitskupplung gemäß der Kurve A entspricht. Wenn bei dem bescliriebenen Ventilator mit biegsamen Flügeln die Ventilatordrehzahl ansteigt, so wird die Ventilatorsteigung und damit die Fähigkeit des Ventilators zur Luftförderung herabgesetzt. Dadurch wird auch das von dem Ventilator benötigte Drehmoment und somit das Antriebsdrehmoment verringert. Da die Drehmoinent-Übertragungsfähigkeit der Kupplung festliegt, ist die Ventilatordrehzahl bei einer gegebenen Eingangs-(Maschinen-)Drehsahl infolge der Abbiegung der Ventilatorflügel bei einem Ventilator mit biegsamen Flügeln größer,als bei den üblichen Ventilator mit starren Flügeln, wie sich dies aus einem Vergleich der Kurven A und B in Fig. 4 ergibt. Infolge der höheren Venxilatorgeschwindigkeit eines Ventilators mit biegsamen Flügeln bleibt der von dem Ventilator erzeugte Luftstrom infolge der SteigungsverndLnderung der biegsamen Ventilatorflügel gegenüber dem Luftstrom, den ein Ventilator mit starren Flügeln erzeugt, annähernd unverändert. Mit anderen Worten, der Ventilator mit

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einem Antrieb mit Flüssigkeitskupplung und/biegsamen Flügeln erzeugt den gleichen Luftstrom wii' ein Ventilator mit einem Antrieb mit Flüssigkeitskupplung und starren Flügeln, und zwar annähernd bej/gleich hohem Drehmoment, wobei jedoch die Ventilatofdrehzahl bei einer gegebenen Eingangs-(Maschinen-)prehzahl wesentlich größer ist als bei dem üblichej£ Ventilator mit starren Flügeln. /

Die in der Kupplung erzeugte Wärjie, die daraus abgeführt werden muß, hat folgenden^Wert:

Drehmoment x (Eingangsdrehzahl/min ■ Wärmeleistung HP = —

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Es ergibt sich, daß die Wärmeleistung dem Schlupf oder dem Unterschied zwischen den Eingangs- und Ausgangs-Drehzahlen direkt proportional ist. VergMcht man die beiden Antriebe, deren Charakteristiken den Kurven A bzw. B in Fig. 4 entsprechen, so kann folgendes festgestellt werden. Da die Ventilatordrehzahl bei einer gegebenen Eingangsdrehzahl und einem gegebenen Luftstrom bei dem Ventilator mit Flüssigkeitskupplung und biegsamen Flügeln höher ist, so ist der Schlupf geringer, und auch die in der Kupplung erzeugte Wärme hat,verglichen mit einem Ventilator mit Flüssigkeitsantrieb und starren Schaufeln,einen kleineren Wert. Damit zeigt die Vorrichtung gemäß der Erfindung die oben erwähnten Vorteile und Leistungsersparnisse.

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Bemerkt sei, daß der Ventilator mit biegsamen Flügeln so konstruiert werden kann, daß er einen verhältnismäßig großen luftstrom auch "bei niedrigen !Drehzahlen erzeugt,und das Ausmaß der Flügelbiegung kann durch geeignete Wahl und Gestaltung des Materials der Flügel so "bestimmt werden, daß die in der Flüssigkeitskupplung erzeugte Wärme über einen weiten Drehzahlbereich konstant bleibt. Auf diese Weise läßt sich, verglichen mit den bekannten Ventilatoren, ein verstärkter Luftstrom bei geringen Eingangsdrehzahlen erzeugen, ohne daß die bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen für den Antrieb erforderliche Leistung ansteigt. Durch die Verminderung der Steigung der Ventilatorflügel bei höheren Eingangsdrehzahlen vermindert sich auch das von dem Ventilator hervorgerufene Geräusch.

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Claims

Patentansprüche

1.!Ventilator, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsteil sein Drehmoment durch eine Flüssigkeitskupplung mit einer Reibungsflüssigkeit auf den angetriebenen Flügelradteil überträgt und daß der Flügelradteil biegsame Flügel mit einer ursprünglichen Steigung hat, die sich bei steigender Ventilatordrehzahl durch Verbiegung der Flügel vermindert.

2. Ventilator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch auf die Umgebungstemperatur ansprechende Mittel, welche den Kupplungsgrad der Flüssigkeitskupplung bestimmen.

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