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Hoch­ef­fi­zi­enter Radi­al­lüfter für Haus­halts­käl­te­ge­räte

In modernen Kühl- und Gefrier­ge­räten werden in zuneh­mender Zahl Venti­la­toren einge­setzt


Durch die Zwangs­um­wäl­zung der Luft kann die Effi­zienz der Wärme­tau­scher gestei­gert werden bzw. wird es möglich spezi­elle kompakte Wärme­tau­scher einzu­setzen, die alleine durch natür­liche Konvek­tion nicht betrieben werden können. Des Weiteren kann durch die gezielte Vertei­lung kalter Luft die Tempe­ra­tur­ver­tei­lung im Gerät einge­stellt und so opti­male Lager­be­din­gungen bezüg­lich Tempe­ratur und Feuchte geschaffen werden. Weiterhin kann durch die Zwangs­be­lüf­tung des Innen­raums das Nieder­schlagen von Luft­feuchte an Ausstat­tungs­teilen und Lagergut vermieden werden.

Hohe Gerä­te­ef­fi­zienz bei mini­malem Strom­ver­brauch

Um eine möglichst hohe Gerä­te­ef­fi­zienz und damit einen mini­malen Strom­ver­brauch zu erhalten, muss jede Kompo­nente opti­miert und beson­deres Augen­merk auf das Zusam­men­spiel der einzelnen Kompo­nenten gelegt werden. Bei Lüftern, die sich im zu kühlenden Innen­raum befinden, wird nicht nur Energie aufge­wendet, um ihn anzu­treiben, sondern die dabei entste­hende Motor­wärme muss eben­falls in die Gesamtküh­lbilanz mit einbe­zogen werden. Als dritter entschei­dender Design­pa­ra­meter gilt es bei Haus­halts­ge­räten die Geräusch­emis­sionen so niedrig wie möglich zu halten, denn das Geräusch stellt einen wich­tigen Quali­täts­faktor dar.

Aus diesen Rahmen­be­din­gungen lassen sich Design­vor­gaben für den Venti­lator ableiten. Im beschrie­benen Fall führten die Anfor­de­rungen zur Neuent­wick­lung eines Radi­al­lüf­ters, der mit einer Aufnah­me­leis­tung von etwa einem Watt einen Spit­zen­wir­kungs­grad von 22 % erreicht. Die aero­dynamischen Kompo­nenten wurden speziell für die Anwen­dung ausge­legt und opti­miert. Lüfterrad und Schne­cken­ge­häuse wurden gemeinsam ausge­legt, um so bereits in der Design­phase ein opti­males Zusam­men­wirken der Einzel­kom­po­nenten zu gewähr­leisten.

Dabei wurde großer Wert auf eine kleine Umfangs­ge­schwin­dig­keit des Lüfter­rades gelegt, was geringe Geräusch­emis­sionen zur Folge hat. Passend zur aero­dy­na­mi­schen und aero­akus­ti­schen Ausle­gung wurde ein beson­ders körper­schall­armer Motor auf die benö­tigten Dreh­zahlen und Dreh­mo­mente hin ausge­legt und abge­stimmt.

Das Design der aero­dy­na­mi­schen Kompo­nenten wurde voll­ständig mit modernen drei­di­men­sio­nalen Strö­mungs­be­rech­nungs­me­thoden (CFD) durch­ge­führt. Diese kamen kälte­ge­rä­te­seitig bereits in einem sehr frühen Entwick­lungs­sta­dium bei der Defi­ni­tion der Anfor­de­rungen an den Venti­lator zum Einsatz. Ergän­zend wurden im Zuge der Entwick­lung die Rück­wir­kungen des Lüfters auf das Gerä­te­ver­halten anhand von Simu­la­tionen bewertet. Es werden hierbei die inkom­pres­si­blen reibungs­be­haf­teten Navier-Stokes Glei­chungen für eine gege­bene Lüftergeome­trie gelöst.

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Bild 1: Ausge­führter Lüfter und CFD Modell. Die Dreh­rich­tung im Modell ist gegen­sinnig zum ausge­führten Lüfter und der mini­male Abstand zwischen Laufrad und Gehäuse wurde zugunsten der Geräusch­emis­sionen vergrös­sert. Am Lüfte­r­ein­lauf befinden sich Taschen zur Aufnahme von Wucht­ge­wichten, um einen vibra­ti­ons­armen Lauf zu garan­tieren.

Die Geome­trie, das heißt die Gestal­tung von Schau­feln, Strö­mungs­quer­schnitt und Gehäu­se­geo­me­trie, werden solange verän­dert, bis sich die Strö­mung möglichst verlust­frei und geräuscharm durch den Lüfter bewegt. Nähere Details des Ausle­gungs­pro­zesses sowie die Beschrei­bung der verwen­deten expe­ri­men­tellen Einrich­tungen finden sich in Schmitz, et. al., Design and Test of a Small High-Perfor­mance Diagonal Fan, Proc. IGTI 2011, Vancouver.

Rapid-Proto­typing

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Bild 2: Aero­dy­na­mi­sche Leis­tungs­daten der Lüfter­ein­heit

Im nächsten Entwick­lungs­schritt werden die Kompo­nenten des Lüfters im Rapid-Proto­typing Verfahren aufge­baut, der Motor inte­griert und die gesamte Einheit hinsicht­lich Luft­leis­tung und Akustik vermessen. Der Betriebs­punkt des Lüfters liegt im Bereich zwischen 30-40 m3/h. In diesem Bereich entspricht der Druck­aufbau des Lüfters dem System­wi­der­stand von 15-25 Pa. Der Lüfter erreicht einen Gesamt­wir­kungs­grad von ca. 20 %. Das heißt, dass ein Fünftel der elek­tri­schen Energie umge­setzt wird in Strö­mungs­en­ergie. Für einen Lüfter dieser Größen- und Leis­tungs­klasse ist das ein sehr guter Wert, speziell wenn man bedenkt, welche Kompro­misse einge­gangen werden müssen.

Um hohe Wirkungs­grade zu errei­chen, sollten die Spalte zwischen rotie­renden und stehenden Kompo­nenten möglichst klein gehalten werden. Bei zu kleinen Spalten besteht aber bei Kälte­ge­räten die Gefahr des Fest­frie­rens, weshalb Mindest­masse einge­halten werden müssen. Je kleiner der Abstand zwischen Gehäu­se­zunge und Laufrad ist, desto deut­li­cher werden die aero­akus­ti­schen Inter­ak­tionen beider Kompo­nenten hörbar. Diese gegen­sätz­li­chen Anfor­de­rungen bedingen Kompro­misse, die im Falle einer guten Akustik ex­perimentell mit Hilfe mehrerer Muster gefunden wurden.

 

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