DE102005023371A1

DE102005023371A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung eines Austauschkriteriums für ein Luftfilter

Info

Publication number: DE102005023371A1
Application number: DE102005023371A
Authority: DE
Inventors: Peer Oliver Dr. Kellermann; Michael Socher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2006-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung eines Austauschkriteriums für ein verschmutztes Luftfilter (LF), das im Bereich der einströmenden Luft in einer mindestens einem Lüfter (L1) aufweisenden Anordnung verwendet wird. Es werden Messwerte für die Drehzahl (f) und/oder für die Stromaufnahme (I) des Lüfters (L1) ermittelt und mit Referenzwerten (Ref¶f¶, Ref¶I¶) verglichen. Bei Überschreiten eines zugehörigen Referenzwertwertes (Ref¶f¶, Ref¶I¶) wird ein Warnsignal (WS) abgegeben, das einen erforderlichen Austausch des verschmutzten Luftfilters (LF) anzeigt. In einer Ausführungsvariante wird zur Erhöhung der Genauigkeit der Einfluss der Umgebungstemperatur beim Vergleich der Mess- und Referenzwerte mit berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung eines Austauschkriteriums für ein Luftfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Elektrische Geräte werden häufig durch Lüfter gekühlt. Um das Innere der Geräte vor angesaugtem Schmutz und Staub zu schützen, sind Luftfilter (Partikelfilter) erforderlich, die beispielsweise vor dem Lüfter angebracht werden.

Diese Luftfilter verschmutzen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen im Laufe der Zeit, wodurch sich die Durchlässigkeit verringert. Als Folge wird die Kühlung des elektrischen Gerätes beeinträchtigt. Um eine sichere Arbeitsweise einer durch Lüfter gekühlten und mit Luftfilter versehenen Anordnung zu gewährleisten, ist es notwendig, ein zuverlässiges Kriterium für den Tausch des Luftfilters zu besitzen.

Ein solches Kriterium ist insbesondere für elektrische Endgeräte der Kommunikationstechnik unerlässlich, die in der Regel mit Lüftern ausgestattet sind, um eine Überhitzung der Baugruppen aufgrund der auftretenden Verlustleistung zu verhindern. Doch auch andere Anordnungen, die nicht der Kühlung dienen, aber Lüfter in Kombination mit Luftfiltern aufweisen, wie zum Beispiel Staubsauger sind betroffen. Anwendungen im Bereich der Belüftungstechnik oder Reinraumtechnik sind ebenfalls denkbar.

Damit rechtzeitig die Notwendigkeit eines Filteraustausches signalisiert wird, muss der Verschmutzungsgrad eines Luftfilters bestimmt werden.

Dazu wurden in der Vergangenheit, insbesondere in Bezug auf elektrische Geräte der Kommunikationstechnik, die Baugruppen enthalten, folgende Messverfahren vorgeschlagen:

1) Verfahren mittels Messung der Strömungsgeschwindigkeit

Bei diesem Verfahren wird beispielsweise mit Hilfe von beheizten Widerstandsdrähten die Strömungsgeschwindigkeit der an einem Baugruppenträger vorbeiströmenden Luft gemessen. Bei der Verwendung von Widerstandsdrähten wird die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Widerstandsänderung ermittelt, welche die vorbeiströmende Luft durch Abkühlung des beheizten Widerstandsdrahtes hervorruft. Bei Verschmutzung der Filtermatte sollte die Strömungsgeschwindigkeit abnehmen. Bei dieser Methode wirken sich jedoch die stark unterschiedlichen Strömungsverhältnisse innerhalb des Baugruppenträgers nachteilig aus. Eine Verschmutzung der Widerstandsdrähte kann sogar zum Totalausfall der Messung führen.

2) Messverfahren mittels Temperatursensoren

Aus der japanischen Patentanmeldung JP08152242A und der deutschen Offenlegungsschrift DE10146385A1 sind Anordnungen und Verfahren zur Bestimmung eines Austauschkriteriums für ein Luftfilter mittels Temperaturmessung bekannt. Dabei ist im Bereich der ausströmenden und einströmenden Luft wenigstens je ein Temperatursensor vorgesehen. Es wird die Temperaturdifferenz zwischen der in den Baugruppenträger einströmenden und ausströmenden Luft bestimmt und in Abhängigkeit von einem Schwellwert ein Warnsignal erzeugt. Allerdings besteht über die Temperaturdifferenz nur ein sehr indirekter Zusammenhang mit dem Austauschkriterium für das Luftfilter, da für das Austauschkriterium die Strömungsgeschwindigkeit an der Baugruppe ausschlaggebend ist und nicht eine Temperaturdifferenz. Die Temperaturdifferenz ist zudem abhängig von der Baugruppenanzahl im Baugruppenträger. Im Extremfall von nur einer Baugruppe im Träger wird es nur einen ganz kleinen und von der momentanen Luftströmung sehr abhängigen Temperaturunterschied geben. Ferner verfälschen Faktoren wie verschiedene Klimabedingungen oder schwankende Umgebungstemperaturen die Temperaturmessungen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein zuverlässiges Kriterium für den Austausch der Luftfilter von Lüfter aufweisenden Anordnungen anzugeben.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass durch Messung der Drehzahl des Rotors eines Lüfters/Ventilators und/oder durch Messung der Stromaufnahme des Lüfters/Ventilators und durch Vergleich der Messwerte mit vorgegebenen Referenzwerten ein Kriterium zum Austausch des Luftfilters gegeben ist. Dazu werden keine Zusatzkomponenten oder Sensoren zur Messung einer Umgebungsgröße wie Temperatur, Druck oder Strömungsgeschwindigkeit benötigt, was eine deutliche Kostenersparnis mit sich bringt. Als weiterer Vorteil werden bei der erfindungsgemäßen Methode keine Absolutwerte der Messgrößen aufgenommen, sondern nur relative Messwerte, da allein die Änderungen der Drehzahl bzw. der Stromaufnahme des Lüfters entscheidend sind.

In einer Ausführungsvariante wird vorteilhaft ein Temperatursensor verwendet, der allein zur Kalibrierung des Austauschkriteriums für verschiedene Umgebungstemperaturen dient, wenn das Gerät extremen Temperaturunterschieden ausgesetzt ist. Zusätzlich wird die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Methode zur Signalisierung eines Filteraustauschs erhöht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine Skizze einer möglichen Anordnung bestehend aus einem Luftfilter, Lüftern und einem Baugruppenträger mit mehreren Baugruppen
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung der Auswerteeinheit
3 einen Graph, bei dem die Stromaufnahme bzw. die Drehzahl eines Lüfters gegen verschiedene vordefinierte Verschmutzungsgrade aufgetragen ist.
1 zeigt schematisch eine Ansicht eines Gerätes G, das einen Luft- bzw. Staubfilter LF, zwei Lüfter L1 und L2 und einen Baugruppenträger BGT mit Baugruppen BG enthält. Die Strömungsrichtung der Luft ist in der Skizze durch Pfeile gekennzeichnet. In diesem Beispiel ist als Luftfilter LF im Bereich der einströmenden Luft eine Filtermatte vorgesehen. Der Lufteintrittsbereich befindet sich in der dargestellten Ansicht auf der Unterseite des Gerätes, kann sich allerdings auch seitwärts oder auf der Oberseite des Gerätes befinden. In diesem Beispiel ist oberhalb der Filtermatte LF ein erster Lüfter L1 angeordnet. Der Lüfter besteht aus Rotoren, die von einem Motor angetrieben werden. Unter dem Begriff Lüfter werden hier auch Ventilatoren jeglicher Bauart einbezogen. Oberhalb des Lüfters L1 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Baugruppenträger BGT mit mehreren Baugruppen BG angeordnet. Oberhalb des Baugruppenträgers BGT – im Bereich der ausströmenden Luft – ist ein zweiter Lüfter L2 angeordnet. L2 dient zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft. Prinzipiell ist nur ein Lüfter erforderlich, um die Anordnung zu kühlen. Neben der in 1 dargestellten Anordnung sind auch andere Anordnungen denkbar, in denen beispielsweise der Lüfter L1 vor der Filtermatte LF im Bereich der einströmenden Luft angeordnet ist.
Des Weiteren sind im Bereich des Lüfters L1 Vorrichtungen zur Messung der Drehzahl ME_f und zur Messung der Stromaufnahme ME_I des Lüfters L1 angeordnet. Als Ausführungsvariante ist im Bereich der einströmenden Luft ein Temperatursensor TS angebracht. Zur Übertragung der Messwerte der Drehzahl f, des Stromes I und der Temperatur T sind die Ausgänge der jeweiligen Messeinrichtungen mit den zugehörigen Eingängen einer Auswerteeinheit AE verbunden. Die Auswerteeinheit AE gibt, wenn das Kriterium zum Filteraustausch (Ref_f, Ref_I) erreicht ist, ein Warnsignal WS ab.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die verringerte Luftdurchlässigkeit der verschmutzten Luftfiltermatte zu einer Änderung der mechanischen Leistung des Lüfters und damit zu einer Änderung des Drehmoments des Lüfters führt. Daraus resultiert eine Zu- oder Abnahme der Drehzahl und des Betriebsstroms des Lüfters. Die Richtung der Änderung dieser Größen hängt vom Aufbau des Baugruppenträgers und vom verwendeten Lüfter ab. Bei einer deutlichen Reduktion des Umgebungsdrucks des Lüfters sinkt das Drehmoment des Lüfters, bedingt durch seine reduzierten Luftreibungsverluste in der dünneren Luft. Die Drehzahl steigt an und der Betriebstrom nimmt ab. Entsteht hingegen nur eine kleine Druckreduktion, so ist deren Auswirkung auf das Drehmoment von untergeordneter Rolle. Es wird angenommen, dass in diesem Fall durch den verringerten Strömungsquerschnitt der Luft und die erhöhten Reibungsverluste des Filters ein erhöhtes Drehmoment erforderlich ist. Es resultieren daraus eine Verringerung der Drehzahl und ein Anstieg des Betriebsstroms.
Die Drehzahl f beziehungsweise die Stromaufnahme I des Lüfters sind leicht zu messen. Die Drehzahl f kann anhand des Tachometerausgangs eines Lüfters gemessen werden. Ein Tachometer ME_f ist bei den üblicherweise eingesetzten Lüftern standardmäßig vorhanden, wodurch nur geringe Kosten zur Erfassung der Drehzahl f anfallen. Die Stromaufnahme I des Lüftermotors kann mit einem Messgerät ME_I erfolgen, das in die Zugangsleitung eingeschaltet wird. Auch in diesem Fall ist keine teure Zusatzeinrichtung notwendig.
Da die Verschmutzung des Luftfilters veränderte Umgebungsbedingungen hervorruft, die sich wiederum auf die Drehzahl f beziehungsweise die Stromaufnahme I auswirken, stellt das Erreichen eines Schwellwertes der Größen I und f ein Kriterium zum Austausch der Filtermatte dar. Durch Vergleich der Messwerte für die Stromaufnahme I und/oder der Drehzahl f mit Referenzwerten wird ein Kriterium für den rechtzeitigen Filtermattentausch erzeugt. Die Auswertung kann beispielsweise mit einer analogen Schaltung oder nach Analog-Digital-Wandlung der Messwerte mittels eines Prozessors und Software erfolgen. Letztere Ausführung hat den Vorteil, dass in einer Speichereinheit des Prozessors vorgegebene Referenzwerte je nach Umgebungsbedingungen abgelegt werden können. Bei dem von der Auswerteeinheit abgegebenen Warnsignal kann es sich beispielsweise um ein visuelles Signal wie ein Blinklicht, ein akustisches Warnsignal wie einen lauten Ton oder ein elektronisches Signal handeln. Im letzteren Fall wird das Signal in eine Datenleitung eingespeist und wird an einer anderen Stelle des Kommunikationssystems abgefragt.
Um Einflüsse der Umgebungstemperatur auf das erfindungsgemäße Verfahren auszuschließen, wird in einer Ausführungsvariante im Bereich der einströmenden Luft ein Temperatursensor angebracht. Werden die Referenzwerte temperaturabhängig festgelegt, so werden die vom Temperatursensor gelieferten Messwerte beim Vergleich der Mess- und Referenzwerte für die Stromaufnahme bzw. die Drehzahl berücksichtigt. Dies kann beispielsweise derart implementiert werden, dass in einer Prozessoreinheit die Referenzwerte für das Austauschkriterium temperaturabhängig zugeordnet werden. Durch eine programmierbare Prozessoreinheit ist daher eine erhöhte Flexibilität und Genauigkeit beim Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung gewährleistet.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung der Auswerteeinheit AE angegeben. In diesem Beispiel besitzt die Auswerteeinheit AE fünf Eingänge für die Mess- und Referenzwerte und einen Ausgang für das Warnsignal WS.
Das Messsignal des vom Lüfter aufgenommenen Stroms I wird zusammen mit einem Referenzsignal Ref_I einer Komparatorschaltung K_I zugeführt, wo ein Vergleich der beiden Signale I und Ref_I durchgeführt wird. Auch die Mess- und Referenzsignale der Drehzahl f und Ref_f werden einer Komparatarschaltung K_f zugeführt. Die Ausgangssignale der Komparatoren K_I und K_f werden einem Logikschaltelement LB zugeführt, das die Abgabe des Warnsignals WS steuert. Soll der Einfluss der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden, so ist ein weiterer Eingang an der Auswerteeinheit AE für das Messsignal T der Temperatur vorgesehen, das von einem Temperatursensor TS abgegeben wird. Das Messsignal T wird an eine Steuereinheit ST abgegeben, die derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit vom Temperaturmesswert T entweder das Messsignal I (oder f) oder das Referenzsignal Ref verändert wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Messsignal des Stromes I mittels der Steuereinheit ST_I in Abhängigkeit von T angepasst. Im Falle der Drehzahl wird das Referenzsignal Ref_f mittels der Steuereinheit ST_Ref in Abhängigkeit von T angepasst.
In 3 ist die Abhängigkeit der Lüftergrößen Drehzahl f und Stromaufnahme I vom Verschmutzungsgrad des Luftfilters aufgetragen. Es wurde ein Gerät mit dem in 1 skizzierten Aufbau verwendet, wobei der obere Lüfter L2 nicht eingeschaltet ist. Bei dem unteren Lüfter L1 handelt es sich um einen Lüfter vom Typ 7114 N/2, 12 W, der Fa. Papst. Für eine angelegte Gleichspannung von 20 V wurden für verschiedene zuvor festgelegte Rahmenbedingungen sowohl die Stromaufnahme I als auch die Drehzahl f gemessen. Für die Messung der Drehzahl wurde der Tachometerausgang des Lüfters an ein Oszilloskop angeschlossen, für die Strommessungen wurde ein Multimeter verwendet. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur aufgenommen. Die verschiedenen Rahmenbedingungen sind auf der Abszisse mittels Nummern gekennzeichnet. Dabei repräsentieren die Nummern vordefinierte Verschmutzungsgrade:

–2: Messung ohne Luftfilter
0: Messung mit einem unverschmutzten Luftfilter
1: Messung mit einem ersten Referenzfilter, das einer angeschmutzten Luftfiltermatte entspricht.
2: Messung mit einem zweiten Referenzfilter, das einer stark verschmutzten Luftfiltermatte entspricht.

Die Drehzahlen (oberer Kurvenverlauf) sind auf der Ordinate rechts aufgetragen. Während sich die Messwerte für die Kennzahlen –2 und 0, d.h. ohne und mit sauberem Luftfilter LF fast nicht unterscheiden, sinken die Drehzahlen in diesem Beispiel von ca. 79,3 Hz auf einen Wert von 77,5 Hz für die Kennzahl 1 und auf einen Wert von 76,3 Hz für die Kennzahl 2 ab. Dies entspricht einer Abnahme von Δf = 2,2 % zwischen Kennzahl 0 und 1. Die Stromaufnahme (unterer Kurvenverlauf) ist auf der Ordinate links aufgetragen. Wieder ändert sich der vom Lüfter aufgenommene Strom für die Kennzahlen –2 und 0 nicht (hier 0,37 A). Für die Kennzahl 1 steigt der aufgenommene Strom auf einen Wert von 0,401 A an und für die Kennzahl 2 auf einen Wert von 0,419 A. Dies entspricht einer Zunahme von ΔI = 8,1 % zwischen Kennzahl 0 und 1.
Die Änderungen der Drehzahl und des aufgenommenen Stroms der betrachteten Anordnung werden in diesem Fall durch die Verringerung des Strömungsquerschnitts und der Zunahme der Reibung der Luft begründet. Ein Einfluss der Druckabnahme durch die Verschmutzung der Filtermatte ist zu vernachlässigen, da Messungen des Drucks zwischen der Unterseite und der Oberseite des verschmutzten Filters eine sehr geringe Druckdifferenz von 45 Pa ergeben, was einem Unterschied von 0,04 % entspricht. Es wird daher angenommen, dass durch die Reibungs- und Querschnittsverluste des Luftstroms der Motor langsamer wird, da ein höheres Drehmoment des Lüfters notwendig ist, um die Luft durch den verringerten Strömungsquerschnitt zu bewegen. Das aufzubringende Drehmoment wird durch einen höheren Betriebsstrom erreicht. Da das Drehmoment mit der Drehzahl umgekehrt proportional verknüpft ist, erhöht sich der aufgenommene Strom entsprechend. Resultierend ist festzustellen, dass in dem betrachteten Beispiel das Drehmoment des Motors durch den verringerten Strömungsquerschnitt deutlich mehr erhöht wird, als es durch die Verringerung des Drucks gesenkt wird. Wenn die Druckabnahme die übergeordnete Rolle übernimmt, oder bei Verwendung eines geregelten Motors mit unterschiedlichem Kenndiagramm, werden die Messwerte der Stromaufnahme beispielsweise mit zunehmender Verschmutzung des Luftfilters kleiner werden, während die Messwerte der Drehzahl ansteigen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Austauschkriteriums für ein verschmutztes Luftfilter (LF), das im Bereich der einströmenden Luft in einer mindestens einen Lüfter (L1) aufweisenden Anordnung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte für die Drehzahl (f) oder für die Stromaufnahme (I) des Lüfters (L1) ermittelt werden, dass die Messwerte (f, I) jeweils mit einem Referenzwert (Ref_f, Ref_I) verglichen werden, und dass bei Überschreiten des Referenzwertwertes ein Warnsignal (WS) abgegeben wird, das einen erforderlichen Austausch des Luftfilters (LF) anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte für die Drehzahl (f) und für die Stromaufnahme (I) des Lüfters (L1) ermittelt werden und bei Überschreiten beider zugehörigen Referenzwerte (Ref_f, Ref_I) ein Warnsignal (WS) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der einströmenden Luft ein Temperatursensor (TS) verwendet wird, dass Temperaturmesswerte (T) einer Auswerteeinheit (AE) zugeführt werden und dass in Abhängigkeit von den erhaltenen Temperaturmesswerten (T) die ermittelten Werte der Drehzahl (f) und/oder der Stromaufnahme (I) des Lüfters (L1) mit den Referenzwerten (Ref_f, Ref_I) verglichen werden, und dass bei Überschreiten der Referenzwerte (Ref_f, Ref_I) das Warnsignal (WS) abgegeben wird.
Anordnung zur Bestimmung eines Austauschkriteriums für ein verschmutztes Luftfilter (LF), das im Bereich der einströmenden Luft in einer mindestens einen Lüfter (L1) aufweisenden Anordnung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (ME_f) zur Messung der Drehzahl (f) und/oder eine Vorrichtung (ME_I) zur Messung der Stromaufnahme (I) des Lüfters (L1) vorgesehen sind, die mit jeweils einem Eingang einer Auswerteeinheit (AE) verbunden sind, dass die Auswerteeinheit (AE) dermaßen ausgebildet ist, dass Messwerte der Drehzahl (f) und der Stromaufnahme (I) des Lüfters (L1) mit Referenzwerten (Ref_f, Ref_I) verglichen werden, und dass bei Überschreiten der Referenzwerte (Ref_f, Ref_I) am Ausgang der Auswerteeinheit (AE) ein Warnsignal (WS) abgegeben wird, das eine Verschmutzung des Luftfilters (LF) anzeigt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AE) eine Speichereinheit aufweist, in der die Referenzwerte (Ref_f, Ref_I) für die Drehzahl (f) und für die Stromaufnahme (I) hinterlegt sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem abgegebenen Warnsignal (WS) um ein akustisches, optisches oder elektronisches Signal handelt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der einströmenden Luft ein Temperatursensor (TS) angeordnet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang der Auswerteeinheit (AE) verbunden ist, in der in Abhängigkeit vom Temperaturmesswert (T) die Messwerte der Drehzahl (f) und der Stromaufnahme (I) des Lüfters mit vorgegebenen Referenzwerten (Ref_f, Ref_I) verglichen werden.