DE102019130139B4

DE102019130139B4 - Lüfter-Filter-Einheit und Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades des Filterelements der Lüfter-Filter-Einheit

Info

Publication number: DE102019130139B4
Application number: DE102019130139.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fessel; Markus Humm; Alexander Rau
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2039-11-09
Also published as: DE102019130139A1

Abstract

Lüfter-Filter-Einheit (1) mit einem Lüfter (7) zur Erzeugung einer Luftströmung und einer Filterkomponente (4), durch welche die Luftströmung hindurch förderbar ist, wobei die Filterkomponente (4) sandwichartig mit mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gittern (5, 6) und einem dazwischen angeordneten Filterelement (2) aufgebaut ist, wobei die mindestens zwei Gitter (5, 6) zueinander elektrisch isoliert angeordnet sind und das Filterelement (2) zwischen den Gittern (5, 6) ein Dielektrikum bildet, und wobei die mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gitter (5, 6) jeweils mit einer Stromquelle und einer Elektronik des Lüfters verbunden sind, wobei die Elektronik ausgebildet ist, eine jeweilige Ladung der Gitter (5, 6) zu messen und daraus über Vergleichswerte einen Verschmutzungsgrad des Filterelements (2) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter und das Filterelement (2) in einem metallischen Gehäuse (9) angeordnet sind und eine modulare Einheit bilden, wobei die Lüfter-Filter-Einheit (1) einen Rahmen (3) aufweist, in welchen das Gehäuse (9) einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lüfter-Filter-Einheit mit einem Lüfter zur Erzeugung einer Luftströmung und einer Filterkomponente sowie ein Verfahren zur Erkennung des Verschmutzungsgrades der Filterkomponente.
Gattungsbildende Lüfter-Filter-Einheiten sind dem Fachmann bekannt und werden in der Technik häufig auch als Fan-Filter-Unit oder kurz als FFU bezeichnet. Bei der Lüfter-Filter-Einheit wird über einen Lüfter ein Luftstrom erzeugt und durch die Filterkomponente geblasen oder gesaugt. Ein Problem ist die Überprüfung des Verschmutzungsgrades der Filterkomponente.
Hierzu gibt es vergleichsweise aufwändige Verfahren, bei welchen der Druck in Strömungsrichtung gesehen vor und hinter der Filterkomponente gemessen wird. Alternativ gibt es Verfahren, bei welchen die Detektion der Filterverstopfung anhand der Pulsweitenmodulation und Lüfterdrehzahl geprüft wird. Eine weitere Alternative ist die optische Prüfung, bei welcher jedoch eine Demontage der Filterkomponente nötig ist.
Druckschriftlicher Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet, welcher den Oberbegriff des Anspruchs 1 widerspiegelt, ist in den Dokumenten WO 2015/042 960 A1 und DE 10 2010 043 538 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lüfter-Filter-Einheit bereitzustellen, bei welcher der Verschmutzungsgrad der Filterkomponente einfach und kostengünstig feststellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Lüfter-Filter-Einheit mit einem Lüfter zur Erzeugung einer Luftströmung und einer Filterkomponente vorgeschlagen, durch welche die Luftströmung hindurch förderbar ist. Als Lüfter kann beispielsweise ein Axialventilator dienen. Die Filterkomponente ist sandwichartig mit mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gittern und einem dazwischen angeordneten Filterelement aufgebaut. Die mindestens zwei Gitter sind zueinander elektrisch isoliert angeordnet, wobei das Filterelement zwischen den Gittern ein Dielektrikum bildet. Die Gitter und die Filterkomponente bilden zusammen einen Kondensator. Die mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gitter sind jeweils mit einer Stromquelle und einer Elektronik des Lüfters verbunden, wobei die Elektronik ausgebildet ist, eine jeweilige Ladung der Gitter zu messen und daraus über Vergleichswerte einen Verschmutzungsgrad des Filterelements zu bestimmen. Als Vergleichswerte können verschiedene Werte in der Elektronik hinterlegt sein, beispielsweise einer sauberen neuwertigen Filterkomponente und verschiedene Verschmutzungsgrade mit jeweils zugehörigen Ladungsdifferenzen. Der Verschmutzungsgrad entspricht dabei der Dielektrizitätszahl der Filterkomponente.
Die verwendete Filterkomponente ist insbesondere ein HEPA-Filter. Jedes Filterelement weist eine festgelegte Dielektrizitätszahl ε_r abhängig von dem verwendeten Medium auf. Die Gitter sind insbesondere plattenförmig und in einem Abstand d zueinander angeordnet, so dass die Filterkomponente dazwischen innerhalb des Abstands der Platten liegt. Die Fläche A der jeweiligen Platten der Gitter bestimmt ebenfalls die Eigenschaften des Kondensators. Physikalisch lässt sich die Kapazität C des Kondensators gebildet aus den Gittern und der Filterkomponente bestimmen nach der Formel: $C = ε_{r} \cdot ε_{0} * A/d,$
wobei ε₀ der Dielektrizitätskonstante entspricht.
Gleichzeitig gilt C=Q/U=n*e/U, wobei Q der Ladung (e=Ladung eines Elektrons, n=Anzahl) und U der angelegten Spannung entspricht. Bei einer zur Messung konstant gehaltenen Spannung U kann somit die Dielektrizitätszahl ε_r als repräsentativer Wert des Verschmutzungsgrades berechnet werden. Dabei wird über die Elektronik des Lüfters eine Ladungsdifferenz zwischen den elektrisch aufladbaren, insbesondere metallischen Gittern hergestellt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gitter und das Filterelement in einem Gehäuse angeordnet sind und eine modulare Einheit bilden. Das Gehäuse ist erfindungsgemäß ebenfalls metallisch ausgebildet. Jedoch sind die Gitter gegenüber dem metallischen Gehäuse elektrisch isoliert angeordnet.
Eine Weiterbildung der Lüfter-Filter-Einheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfter-Filter-Einheit einen Rahmen aufweist, in welchen das Gehäuse einsetzbar ist.
An jedem der mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gitter ist in einer Ausführung jeweils ein elektrischer Leiter angeordnet, welche mit der Elektronik des Lüfters verbunden sind. Über die Leiter werden die Gitter für die Messung elektrisch geladen.
In einer vorteilhaften Lösung ist bei der Lüfter-Filter-Einheit vorgesehen, dass die Elektronik des Lüfters einen Schaltungsblock aufweist, der ausgebildet ist, eine Ladungskapazität der jeweils mindestens zwei Gitter zu messen. Insbesondere ist der Schaltungsblock ausgebildet, die Ladungskapazität der jeweils mindestens zwei Gitter und deren Veränderung über die Zeit zu messen.
Die erfindungsgemäße Lösung umfasst zudem ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades des Filterelements in einer vorstehend beschriebenen Lüfter-Filter-Einheit. Die mindestens zwei Gitter werden hierbei über einen vordefinierten Zeitraum unter Spannung gesetzt, so dass zwischen den beiden Gittern ein Potentialunterschied bzw. Ladungsunterschied entsteht, und anschließend über die Elektronik des Lüfters die jeweilige Ladung der Gitter gemessen und daraus über Vergleichswerte der Verschmutzungsgrad des Filterelements bestimmt wird. Die Gitter und die Filterkomponente wirken dabei als ein Kondensator mit Dielektrikum. Vergleichswerte können für unterschiedlich stark verschmutzte Filterkomponenten labortechnisch erfasst und in der Elektronik des Lüfters abgelegt werden.
In einer Weiterbildung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in bestimmten Zeitabständen wiederholt durchgeführt wird und aus der Ladungsdifferenz der beiden Gitter eine Entwicklung des Verschmutzungsgrades des Filterelements bestimmt wird. Gemessen wird die Veränderung der Kapazität des Kondensators mit Dielektrikum. Somit lassen sich Trends vorhersagen und Wechselrhythmen für die Filterkomponente festlegen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Lüfter-Filter-Einheit.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Lüfter-Filter-Einheit 1 in einer aufgeschnittenen Seitenansicht gezeigt. Die Lüfter-Filter-Einheit 1 umfasst den in einem Rahmen 3 aufgenommenen Lüfter 7 zur Erzeugung der Luftströmung, welche in 1 durch die Pfeile P dargestellt ist. In den Rahmen 3 eingesetzt ist eine modulare Filterkomponente 4 gebildet aus zwei Lochraster-Gittern 5, 6 und einem dazwischen angeordneten Filterelement 2, die zusammen im Sandwichaufbau angeordnet sind. Das Filterelement 2 ist ein Hepafilter, die Gitter 5, 6 sind aus Metall und weisen eine Vielzahl von Durchströmungsöffnungen auf. Der Sandwichaufbau aus den Gittern 5, 6 und Filterelement 2 ist in einem metallischen Gehäuse 9 aufgenommen, welches in dem Rahmen 3 befestigt ist. Zudem bildet der Sandwichaufbau einen Kondensator nach, bei dem das Filterelement 2 das Dielektrikum ist. Die Gitter 5, 6 und das Filterelement 2 erstrecken sich über eine gesamte Fläche der Ausblasseite 10 der Lüfter-Filter-Einheit 1.
Die Gitter 5,6 sind zueinander und gegenüber dem Gehäuse 9 elektrisch isoliert angeordnet und weisen jeweils einen elektrischen Anschluss 8 zur Verbindung mit einem elektrischen Leiter auf. Nicht dargestellt, gleichwohl vorgesehen ist die Verbindung der elektrischen Anschlüsse 8 mit der Stromversorgung und der Elektronik des Lüfters 7, um an den Gittern 5, 6 eine Spannung anlegen zu können und einen Ladungsunterschied unter Nutzung der Elektronik des Lüfters 7 zu messen, wie vorstehend beschrieben.
Mit der gezeigten Lüfter-Filter-Einheit 1 wird das Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades des Filterelements 2 in der Lüfter-Filter-Einheit 1 in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt. An den Gittern 5, 6 wird gespeist von der Stromversorgung, beispielsweise des Lüfters 7, eine Spannung angelegt und konstant gehalten. Die Ladungsdifferenz des Kondensators gebildet aus den Gittern 5, 6 und dem Filterelement 2, welches das Dielektrikum bildet, wird über die Elektronik des Lüfters 7 gemessen. Dabei dient die berechnete Dielektrizitätszahl ε_r als repräsentativer Wert des Verschmutzungsgrades des Filterelements 2. Der als Verschmutzung bestimmte Wert wird mit in der Elektronik hinterlegten Vergleichswerten verglichen und daraus der Grad der Verschmutzung bestimmt sowie ggf. nötige Wartungsanweisungen ausgegeben.

Claims

Lüfter-Filter-Einheit (1) mit einem Lüfter (7) zur Erzeugung einer Luftströmung und einer Filterkomponente (4), durch welche die Luftströmung hindurch förderbar ist, wobei die Filterkomponente (4) sandwichartig mit mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gittern (5, 6) und einem dazwischen angeordneten Filterelement (2) aufgebaut ist, wobei die mindestens zwei Gitter (5, 6) zueinander elektrisch isoliert angeordnet sind und das Filterelement (2) zwischen den Gittern (5, 6) ein Dielektrikum bildet, und wobei die mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gitter (5, 6) jeweils mit einer Stromquelle und einer Elektronik des Lüfters verbunden sind, wobei die Elektronik ausgebildet ist, eine jeweilige Ladung der Gitter (5, 6) zu messen und daraus über Vergleichswerte einen Verschmutzungsgrad des Filterelements (2) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter und das Filterelement (2) in einem metallischen Gehäuse (9) angeordnet sind und eine modulare Einheit bilden, wobei die Lüfter-Filter-Einheit (1) einen Rahmen (3) aufweist, in welchen das Gehäuse (9) einsetzbar ist.
Lüfter-Filter-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter (5, 6) gegenüber dem metallischen Gehäuse (9) elektrisch isoliert angeordnet sind.
Lüfter-Filter-Einheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der mindestens zwei jeweils elektrisch aufladbaren Gitter (5, 6) jeweils ein elektrischer Leiter angeordnet ist, welche mit der Elektronik des Lüfters (7) verbunden sind.
Lüfter-Filter-Einheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik des Lüfters (7) einen Schaltungsblock aufweist, der ausgebildet ist, eine Ladungskapazität der jeweils mindestens zwei Gitter (5, 6) zu messen.
Lüfter-Filter-Einheit (1) nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsblock ausgebildet ist, die Ladungskapazität der jeweils mindestens zwei Gitter (5, 6) und deren Veränderung über die Zeit zu messen.
Verfahren zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades des Filterelements (2) in einer Lüfter-Filter-Einheit (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei Gitter (5, 6) über einen vordefinierten Zeitraum unter Spannung gesetzt werden, so dass zwischen den beiden Gittern (5, 6) ein Potentialunterschied entsteht, und anschließend über die Elektronik des Lüfters (7) die jeweilige Ladung der Gitter (5, 6) gemessen und daraus über Vergleichswerte der Verschmutzungsgrad des Filterelements (2) bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in bestimmten Zeitabständen wiederholt durchgeführt wird und aus der Ladungsdifferenz der beiden Gitter (5, 6) eine Entwicklung des Verschmutzungsgrades des Filterelements (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (2) bei der Messung der Ladung der Gitter (5, 6) als Dielektrikum verwendet wird.