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EP-4555220-B1 - DEVICE FOR EXCHANGING THERMAL ENERGY WITH AMBIENT AIR

EP4555220B1EP 4555220 B1EP4555220 B1EP 4555220B1EP-4555220-B1

Inventors

  • SEIBOLD, ANDREAS

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230710

Claims (15)

  1. A device for exchanging thermal energy with the environmental air, comprising at least one heat exchanger (12; 162, 164), through which an air flow can flow, to which an axial fan (16; 166, 168; 208) for conveying the air flow through the heat exchanger (12; 162, 164) and an outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210) accepting the air flow conveyed by the axial fan (16; 166, 168; 208) on the outflow side are assigned, wherein the axial fan (16; 166, 168; 208) has a motor (26) and an impeller (24) with a blading (30) which is rotatably drivable by the motor (26) about an axis of rotation (28), and wherein the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210) has an air outlet opening (46; 74; 104; 150; 174, 176; 214) for outputting the air flow to the environment, wherein the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210), axially offset from the impeller (24) and from the motor (26) of the axial fan (16; 166, 168; 208), forms an air acceptance space (41) which accepts the conveyed air flow over the complete cross-section of the impeller (24) and the motor (26) and is penetrated by the axis of rotation (28), wherein the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210), in a rear view, covers the impeller (24) and the motor (26) in a hood-like manner and is adapted and designed to supply the conveyed air flow to the air outlet opening (46; 74; 104; 150; 174, 176; 214) with a tangential direction component with regard to a swirl motion imposed to the air flow by the axial fan (16; 166, 168; 208), wherein the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210) has a rear wall (66, 98) opposite to the axial fan (16; 166, 168; 208), which has at least one rear wall section (68, 70) inclined towards the axis of rotation (28), over which the distance of the rear wall (66, 98) to the axial fan (16) increases, wherein the flow cross-section of the air flow increases over the at least one rear wall section (68, 70), characterised in that the rear wall (98) spirally extends in the circumferential direction.
  2. The device according to claim 1, characterised in that the air outlet opening (46; 74; 104; 150; 174, 176; 214) downstream of the axial fan (16; 166, 168; 208) is arranged in a region of the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210) which is laterally offset from a central plane (48; 106; 148, 180, 182) of the axial fan (16; 166, 168; 208), wherein the central plane (48; 106; 148, 180, 182) is oriented coaxially towards the axis of rotation (28) and wherein the blading (30) of the impeller (24) rotates towards the air outlet opening (46; 74; 104; 150; 174, 176; 214) in this laterally offset region in a rear view of the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210).
  3. The device according to claim 1 or 2, characterised in that the expansion of the air outlet opening (46; 74; 104; 150; 174, 176; 214) transversely to the axis of rotation (28) is at least 0.5 times and at most 1.9 times the outer radius of the impeller (24).
  4. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the outflow housing (40; 62; 92; 122; 142; 170, 172; 210) has an air outlet stub (44; 72; 102; 174, 176; 212) which defines the air outlet opening (46; 74; 104; 150; 174, 176; 214), wherein the air outlet stub (44; 72; 102; 174, 176; 212) extends or tapers in the flow direction.
  5. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the outflow housing (62; 92) has a side wall (64; 94) running in the circumferential direction.
  6. The device according to claim 5, characterised in that the side wall (94) extends as the distance to the axial fan (16) increases.
  7. The device according to claim 5 or 6, characterised in that the side wall (94) continuously transitions into the rear wall (98) of the outflow housing (92) via a rounding (96).
  8. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the axial fan (16) has a fan housing (18) which defines an inflow channel (20) and an outflow channel (22), wherein the inflow channel (20) is arranged upstream of the impeller (24) and the outflow channel (22) surrounds the impeller (24) in the circumferential direction.
  9. The device according to claim 8, characterised in that the inflow channel (20) runs up to a bulkhead (32) which has a breakthrough (33) adjoined by the outflow channel (22).
  10. The device according to claim 9, characterised in that the outflow channel (22) forms a constriction (34) adjoining the breakthrough (33) of the bulkhead (32) which is adjoined by an annular wall (36).
  11. The device according to claim 9 or 10, characterised in that the outflow housing (40) adjoins the bulkhead (32) and surrounds the outflow channel (22) in the circumferential direction.
  12. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the heat exchanger (12) is designed to be planar and the axis of rotation (28) is oriented obliquely to the heat exchanger (12), wherein the axis of rotation (28) is oriented at an angle of at most 30° to the surface normal (100) of the heat exchanger (12).
  13. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the outflow housing (92) has a flow guiding element (114) directed inwards with regard to the axis of rotation (28), which is arranged in the transition region between an air outlet stub (102) and a rounding (96) of the outflow housing (92).
  14. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the outflow housing (210) is rotatably mounted about the axis of rotation (28) on a base plate (218) of the axial fan (208).
  15. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the device (160) has several heat exchangers (162, 164), each of which is assigned an axial fan (166, 168) and an outflow housing (170, 172), wherein the air flows conveyed by the axial fans (166, 168) can be supplied to a common air outlet channel (168) via the air outlet openings (174, 176) of the outflow housings (170, 172) and the air outlet openings (174, 176) are oriented obliquely to one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft, umfassend mindestens einen von einem Luftstrom durchströmbaren Wärmetauscher, dem ein Axialventilator zum Fördern des Luftstroms durch den Wärmetauscher hindurch und ein den vom Axialventilator geförderten Luftstrom abströmseitig aufnehmendes Abströmgehäuse zugeordnet sind, wobei der Axialventilator einen Motor und ein vom Motor um eine Drehachse drehend antreibbares Laufrad mit einer Beschaufelung aufweist, und wobei das Abströmgehäuse eine Luftaustrittsöffnung aufweist zum Ausgeben des Luftstroms an die Umgebung. Vorrichtungen mit einem von einem Luftstrom durchströmbaren Wärmetauscher, einem Axialventilator zum Fördern des Luftstroms durch den Wärmetauscher hindurch und mit einem den vom Axialventilator geförderten Luftstrom abströmseitig aufnehmenden Abströmgehäuse, das eine Luftaustrittsöffnung zum Ausgeben des Luftstroms an die Umgebung aufweist, kommen beispielsweise bei Wärmepumpen und Klimaanlagen zum Einsatz, bei denen der Wärmetauscher im Heizmodus die Funktion eines Verdampfers eines den Wärmetauscher durchströmenden Kältemittels annimmt und im Kühlmodus die Funktion eines Verflüssigers. Derartige Vorrichtungen kommen auch im Elektronikbereich zur Kühlung von Elektronikbauteilen zum Einsatz, wobei der Wärmetauscher in Form eines Kühlkörpers ausgestaltet ist, der von dem Luftstrom durchströmt werden kann und an dem die Elektronikbauteile angeordnet sind. Um den Kühlkörper mit dem vom Axialventilator geförderten Luftstrom zu beaufschlagen, wird der Axialventilator üblicherweise so groß gewählt, dass er die Oberfläche des Kühlkörpers nahezu vollständig abdeckt. Axialventilatoren haben gegenüber Radialventilatoren den Vorteil einer großen Ansaugfläche und ermöglichen dadurch eine gleichmäßige Durchströmung des Wärmetauschers. Allerdings weisen Axialventilatoren den Nachteil auf, dass sich der geförderte Volumenstrom bereits bei einer mäßigen Erhöhung des Gegendrucks verringert. Aus diesem Grund weisen Axialventilatoren häufig eine freie Abströmung ohne Hindernisse auf. In vielen Fällen ist es allerdings erforderlich, den Luftstrom zur Abgabe an die Umgebung stromabwärts des Axialventilators um 90° umzulenken. Um hierbei Druckverluste geringzuhalten, weist das Abströmgehäuse häufig einen kastenartigen Schacht auf, dessen Breite mindestens dem Durchmesser des Axialventilators entspricht. Dies hat eine beträchtliche Erhöhung der Baugröße der Vorrichtung zur Folge, wobei häufig trotz der beachtlichen Baugröße Druckverluste nicht vermieden werden können. Bei Wärmepumpen zur Gebäude- oder Schwimmbadbeheizung wird aufgrund des Platzbedarfs häufig eine Versenkung im Erdreich einer Aufstellung im Kellerraum oder im Außenbereich vorgezogen. Die Rückführung des Luftstroms an die Umgebung bedarf in solchen Fällen eines Abströmgehäuses, das trotz starker Luftumlenkung einen minimalen Strömungswiderstand aufweisen muss, um einen merklichen Rückgang des geförderten Volumenstroms zu vermeiden. Auch im Elektronikbereich ist es zur Steigerung der Kühlleistung insbesondere von Hochleistungsprozessoren günstig, die Abströmung des Axialventilators über ein Abströmgehäuse mit geringem Bauraum und minimalem Druckverlust gezielt einer Luftaustrittsöffnung zuzuleiten und damit eine interne Rückströmung, einen sogenannten thermischen Kurzschluss, zu verhindern. Aus der KR 2003 0036581 A ist eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft bekannt mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1. Bei dieser Vorrichtung kommt ein Abströmgehäuse zum Einsatz, das eine senkrecht zur Drehachse des Axialventilators ausgerichtete Rückwand aufweist sowie eine in Drehrichtung des Axialventilators umlaufende Seitenwand, die sich in radialer Richtung spiralförmig erweitert. Innerhalb des Abströmgehäuses kann ein bogenförmig gekrümmtes Strömungsleitelement angeordnet sein. Aus der CN 107 525 154 A ist eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft bekannt, bei der zwei axial hintereinander angeordnete Axialventilatoren zum Einsatz kommen, deren Drehrichtung einander entgegengerichtet ist, sodass dem austretenden Luftstrom keine Drallbewegung auferlegt wird. Aus der KR 101 870 414 B1 ist eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft bekannt, bei der das Abströmgehäuse in Form eines üblichen Rohrkrümmers ausgestaltet ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Abströmung des Axialventilators mit möglichst geringen Strömungsverlusten quer zur Austrittsrichtung des Axialventilators umgelenkt werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Abströmgehäuse auf, das den vom Axialventilator geförderten Luftstrom abströmseitig aufnimmt und einer Luftaustrittsöffnung zuführt, über die der Luftstrom an die Umg