DE102007014466A1

DE102007014466A1 - Doppelgebläse auf einer Motorwelle

Info

Publication number: DE102007014466A1
Application number: DE102007014466A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Herrmann; Christof Dr. Göbel; Stefan Franke
Original assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Loewenstein Medical Technology SA
Priority date: 2006-04-01
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Das Gebläse weist einen Elektromotor mit einer Motorwelle auf. Im Bereich einander gegenüberliegender Enden der Motorwelle ist jeweils ein Gebläserad angeordnet. Jedes der Gebläseräder weist einen Bereich niedrigen Druckes im Ansaugstromverlauf vor dem Gebläserad und einen Bereich höheren Druckes im Ansaugstromverlauf hinter dem Gebläserad auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gebläse, das einen Elektromotor mit einer Motorwelle aufweist.
In vielen Bereichen der Technik werden heutzutage Gebläse eingesetzt, welche aus einem Motor und einen auf seine welle aufgesetzten Gebläserad bestehen. Diese so genannten Radialgebläse, bei denen der Luftstrom axial angesaugt und radial am Gebläseauslass herausgeschleudert wird, oder Axialgebläse, bei denen das angesaugte Gas axial angesaugt sowie ausgeworfen wird, finden zum Beispiel auch in Beatmungsmaschinen Einsatz.
Der Ansaugbereich, welcher sich direkt vor dem Gebläserad befindet, hat in vielen Fällen Umgebungsdruck bzw. weist einen im Verhältnis zum Ausströmbereich einen niedrigeren Druck auf.
Auch ist in vielen Anwendungsfällen eine Motorkühlung nötig, um diesen vor schädlichen Betriebstemperaturen zu schützen.
Die Motoren und insbesondere deren Lager werden teils extremen Belastungen ausgesetzt. So variieren die Axialkräfte bei der Realisierung verschiedener, sich plötzlich ändernder Drehzahlen sehr und die Lager sind daher auch verschiedenen, sich plötzlich wechselnden Kraftverhältnissen ausgesetzt. So ist im Ansaugbereich meist ein geringerer Druck als direkt hinter dem Gebläserad vorhanden, welcher bei einem Eingebläsemotor, die gesamte rotierende Anordnung in Richtung Ansaugbereich drückt. So kann es insbesondere in den Lagern zu verschiedenen, nicht mehr zulässigen Auflagepunkten innerhalb der Wälzlager kommen. Auch haben durch die häufigen Laständerungen über die Drehzahlen eine materialermüdende Wirkung auf die Lager und die gesamte Anordnung.
Um die häufigen und teils schlagartig wechselnden Laständerungen abzufangen, sind in vielen Fällen die Lager vorgespannt eingesetzt. So kann entweder auf dem Innenring oder dem Außenring eine Feder angeordnet sein, welche die Ringe sich in ihrer Position bewegen lassen. Diese Anordnung benötigt teils sehr starke und kostenintensive Federn sowie fertigungsintensive Geometrien der Wellen und Lageraufnahmen.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik stellt die mit Eingebläsemotoren zusammenhängende automatische Entfettung der Lager dar. Diese sind geschmiert und das Fett wird durch die verschiedenen Druckverhältnisse vor und hinter dem Gebläserad aus den Lagern gepresst.
Um die Entfettung einzuschränken, sind bei vielen Motoranordnungen Lüftungsbohrungen in den Kugellager tragenden Wänden angeordnet, um die Entfettungskraft durch einen kleinen Spülflow gering zu halten. Diese Entfettung ist in vielen Fällen der Grund für Lager- und daher auch Gebläseausfälle.
Ferner werden in vielen Geräten zusätzliche Gebläse als Kühlgebläse eingesetzt, um Leistungselektroniken, Motoren und andere temperaturempfindliche Komponenten zu kühlen. Auch ist im Bereich der Beatmungstechnik, in der ebenfalls Gebläse zu Generierung von Atemwegsdrücken eingesetzt werden, ein Aufbau von Steuerdrücken zum Betreiben von pneumatischen Ventilen nötig. Daher ist in diesen Geräten meist eine zweite Druck/Flowquelle eingesetzt, welche wiederum durch ein Gebläse realisiert wird. Dies benötigt zusätzlichen Bauraum und Ansteuerungselektronik und ist mit erhöhtem Kostenaufwand verbunden.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist, dass bei hohen Drehzahlen und Trägheitsmomenten der Gebläseräder eine schlechte Beschleunigung (Dynamik) erreicht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gebläse der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß bei einer kompakten Konstruktion verbesserte Betriebseigenschaften bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich einander gegenüberliegender Enden der Motorwelle jeweils mindestens ein Gebläserad angeordnet ist, welches einen Bereich niedrigen Druckes im Ansaugstromverlauf vor dem Gebläserad und einen Bereich höheren Druckes im Ansaugstromverlauf hinter dem Gebläserad aufweist.
Ein Motor besitzt neben dem üblichen Beatmungsgebläse eine zweite Gebläsestufe auf dem anderen Motorwellenende. Beide Gebläsestufen können parallel oder in Reihe zur Erzeugung des Beatmungsdruckes verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, diese zweite Gebläsestufe nicht zur Beatmung nutzen, sondern zur Erzeugung von Kühlluft und/oder zur Druckversorgung für ein PEEP-Ventil.
Folgende Beschreibungen können in Kombination oder einzeln realisiert werden. Kombinierte Anordnungen von Einzelideen beschreiben jedoch für verschiedene Anwendungsfälle optimale Lösungsvarianten.
Eine erste Ausführungsform beschreibt ein Gebläse, das einen Elektromotor mit einer Motorwelle, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einander gegenüberliegender Enden der Motorwelle jeweils mindestens ein Gebläserad angeordnet ist, welches einen Bereich niedrigen Druckes im Ansaugstromverlauf vor dem Gebläserad und einen Bereich höheren Druckes im Ansaugstromverlauf hinter dem Gebläserad aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die beiden Gebläsestufen parallel oder in Reihe zur Erzeugung beispielsweise eines Beatmungsdruckes verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das zweite Gebläse nicht zur Beatmung zu nutzen; sondern zur Erzeugung von Kühlluft und/oder Steuerdrucken bspw. zur Druckversorgung für ein PEEP-Ventil.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Anordnung von Motor und beiden Gebläsen in einem Gehäuse untergebracht, welches den Bereich des höheren Druckes zusammenfasst. So herrscht innerhalb des Gehäuses der gleiche, höhere Druck und die automatische Entfettung durch unterschiedliche Drücke vor und hinter den Lagern kann nicht stattfinden. Ferner ist dadurch gewährleistet, dass aus dem Gehäuse kein Flow aus einem Bereich höheren Druckes austritt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung stellt bei gleicher Wahl der Gebläseräder die gleichmäßige Kräfteverteilung auf der Motorwelle dar. So erzeugen beide Gebläse die gleichen Kräfte in entgegen gesetzter Richtung. Dies erhöht die Lebensdauer der Lager und sonstiger Bestandteile, als dass diese nicht mehr mit Querkräften und plötzlichen Laständerungen, sondern mit gleichen, gegengerichteten axialen Kräften belastet werden. Die resultierende, auf die welle wirkenden Gesamtkraft geht gegen Null; eine Feder zum Auffangen dieser Belastungen und Kräfte kann entfallen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die erhöhte Dynamik der Gebläse, da durch die Anordnung von zwei Gebläserädern im Vergleich zu einem Gebläserad bei gleicher Ausgangsleistung die Gebläseräder im Durchmesser verringert werden können. Dies wirkt sich positiv auf das Trägheitsmoment aus, da dies mit dem Quadrat des Radius eingeht.
Vorteilhaft ist auch die erfindungsgemäße Idee von unterschiedlichen Gebläseradformen, da mit diesen bei gleicher Drehzahl unterschiedliche Flows in einem Verhältnis gebildet werden können. Alternativ kann eine zwischengeschaltete Getriebestufe dieses Verhältnis verändern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschreibt die Verwendung eines gemeinsammen Ansaugbereiches beider Gebläse, da hierdurch bspw. nur ein Filter verwendet werden muss.
Führt man beide Gebläseausgänge zu einem gemeinsamen Ausgang zusammen, so hat man bei gleicher Geometrie der Gebläse auch gleiche Verhältnisse im gemeinsamen Ausgang. Alternativ kann der gemeinsame Ausgang wieder geteilt werden, um den abgezweigten Gasstrom zur Steuerung oder Kühlung anderer Komponenten zu verwenden.
Auch hier wirkt sich die gemeinsame Verwendung derselben welle für zwei Gebläseräder positiv auf die Anwendung aus, da bei steigenden Drehzahlen die Abwärme des Motors ebenfalls steigt. Durch die gleichzeitige Steigerung des Kühlflusses kann diese Abwärme aber abtransportiert werden. Bei geschickter Ausgestaltung der Geometrien ist also keine separate Kühlelektronik nötig; die Kühlung findet immer je nach gemeinsamer Drehzahl der beiden Gebläseräder statt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass beide Gebläseräder einen unterschiedliche Ansaugbereich haben.
Erfindungsgemäß können die beiden Gebläseräder ebenfalls unterschiedliche Ausgänge haben. So kann das eine Gebläse beispielsweise zur Zuführung von Atemgas und das andere Gebläse zum Aufbringen eines Steuerdruckes sowie Kühlflüssen dienen.
Alternativ kann sich mindestens ein Ausgang in mindestens zwei Zweige aufteilen sowie ebenfalls nach Zusammenführen beider Ausgänge eine nachgelagerte Verzweigung vorhanden sein. Dies hat den Vorteil, dass Gase mit verschiedenen Flows und Drücken verschiedenen Anwendungen zur Verfügung gestellt werden können. Dies Anwendungen können die bereits oben erwähnten sein. Die Verzweigung kann auch auf die Ansaugbereiche analog angewendet werden.
Um die Verzweigungen weiter der Art zu gestalten, dass die für verschiedene Anwendungen benötigten Gaszustände erreicht werden, kann in die Zweige auch eine Drossel eingebaut sein.
Erfindungsgemäß ragen somit aus dem Gehäuse des Motors einander gegenüberliegend zwei Enden der Motorwelle heraus und jedes dieser Enden ist mit einem Gebläserad zur Bereitstellung eines Arbeitsdruckes oder eines Arbeitsflusses von Fördergas versehen. Die geförderten Gase dienen somit nicht einem Kühlungsbedarf des Motors selbst, sondern werden externen Anwendungen zugeführt.
Figurenbeschreibung
1: generelle Darstellung eines Doppelgebläses
2: Darstellung der Erfindung mit nur einem, umschließenden Gehäuse
3: Darstellung mit zwei unterschiedlichen Gebläseradgrößen
4: Darstellung mit einem gemeinsamen Ansaugbereich sowie gemeinsamen Gebläseausgang
5: Darstellung einer Möglichkeit um Verzweigungen in den Ausgang einzufügen, welche über Drosseln verfügen können.
6: Zweistufiges Gebläse, bei dem der Ausgang der ersten Stufe in den Ansaugbereich der zweiten Stufe mündet.
In 1 ist der generelle Aufbau des Doppelgebläses (1) bestehend aus einem Motor (2) mit auf beiden Wellenenden (3, 4) befestigten Gebläserädern (5, 6) zu sehen. Die Ansaugbereiche (7, 8) der Gebläse dienen zur Zuführung bzw. zum Ansaugen der Umgebungsluft. Diese wird durch die Gebläseräder (5, 6) mit deren Schaufeln radial beschleunigt und aus den Ausgängen (9, 10) gepresst. Die Luft wird somit durch die jeweiligen Gehäuse (11, 12) beider Gebläseräder gepresst, am Ausgang (9, 10) herrscht deshalb ein höherer Druck als im Ansaugbereich (7, 8). Der Weg der Luft wird durch die Pfeile dargestellt.
2 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Gehäuse (13) die komplette Anordnung aus Motor (2), zwei Gebläserädern (5, 6) und der gemeinsamen Welle (14) umschließt. Auch hier stellen sich für die Lebensdauer der Lager (nicht gezeigt), auf denen die Welle (14) sitzt, günstige Bedingungen ein. Durch das Ansaugen und Komprimieren von Luft besteht vor jedem Gebläserad ein niedrigerer Druck als direkt hinter dem Gebläserad, so dass die Kraft nach aussen hin gerichtet ist. Da aber beide Lüfterräder zur Wellenmitte hin ansaugen und bei gleichen Gebläseradgrößen gleiche Kräfte nach aussen hin produzieren, heben diese sich auf, so dass nur sehr geringe Gesamtkräfte auf die Welle (14) und damit auch auf die Wellenlager und Lagerstellen im Gehäuse auftreten. Zwischen Motor und Ge häuse (13) kann eine nicht gezeigte Trennwand eingefügt sein, um zwei nahezu getrennte Druckbereiche ausbilden zu lassen.
In 3 ist ein Doppelgebläse (1) gezeigt, welches über zwei verschiedene Gebläseradgrößen (5, 6) verfügt. Das kleinere Gebläserad (5) stellt durch die gleiche Drehzahl einen kleineren Flow bzw. Druck als das größere Gebläserad (6) zur Verfügung.
In 4 ist eine Gebläseanordnung (1) gezeigt, welche über einen gemeinsamen Ansaugbereich (15), sowie einen gemeinsamen Ausgang (16) verfügt.
5 zeigt ein Doppelgebläse (1) mit zwei Ansaugbereichen (7, 8) und einem verzweigten Ausgang (17). Dabei teilt sich der zweite Ausgang (10) in zwei Zweige auf, wobei der erste Zweig (18) in den ersten Ausgang (9) münden kann. Der zweite Zweig (19) kann für eine andere Anwendung zudem über eine Drossel (20) oder andere Mittel zu Beeinflussung des Gasstromes verfügen.
6 stellt eine Anordnung von einem Doppelgebläse mit zwei Verdichterstufen dar. Dabei wird ein Ausgang (10) mit dem Ansaugbereich (9) des anderen Gebläses verbunden.

Claims

Gebläse, das einen Elektromotor mit einer Motorwelle, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einander gegenüberliegender Enden der Motorwelle jeweils mindestens ein Gebläserad angeordnet ist, welches einen Bereich niedrigen Druckes im Ansaugstromverlauf vor dem Gebläserad und einen Bereich höheren Druckes im Ansaugstromverlauf hinter dem Gebläserad aufweist.
Gebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugbereich vor jedem Gebläserad und der Ausgang durch eine Gehäuse gebildet werden.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse die komplette Gebläseanordnung umschließt.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gehäuse kein Flow aus einem Bereich höheren Druckes austritt.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseräder die gleiche Form aufweisen.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseräder den gleichen Flow bzw. Druck erzeugen.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch zwei Gebläseräder eine geringe axiale Gesamtkraft auf die Welle übertragen wird.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseräder unterschiedliche Formen aufweisen.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseräder unterschiedlichen Flow bzw. Druck erzeugen.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gebläseräder einen gemeinsamen Ansaugbereich haben.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gebläseräder einen gemeinsamen Ausgang haben.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gebläseräder einen unterschiedlichen Ansaugbereich haben.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gebläseräder einen unterschiedlichen Ausgang haben.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gebläseradausgang, ein Gebläseansaugbereich, der gemeinsame Ausgang oder der gemeinsame Ansaugbereich in mindestens einen ersten und einen zweiten Zweig getrennt werden.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Zweige über eine Drossel verfügt.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zweig zur Versorgung von Steuerdrücken genutzt wird.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zweig zur Kühlung des Motors und/oder sonstigen Komponenten genutzt wird.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse in einem medizinischen Gerät angeordnet ist.
Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse in einem Beatmungsgerät angeordnet ist.