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Die Erfindung betrifft einen Ventilator, insbesondere Axialventilator und vorzugsweise rückwärts gekrümmter Radialventilator. Zum grundsätzlichen Aufbau eines Ventilators sei lediglich beispielhaft auf die
DE 10 2017 209 291 A1 verwiesen.
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Ein solcher Ventilator hat ein mit Flügeln bestücktes Laufrad, welches über einen elektrischen Motor angetrieben ist. Insbesondere zum Zwecke der Regelung eines solchen Ventilators besteht der Bedarf, den Volumenstrom im Betrieb des Ventilators zu ermitteln. Dies erfolgt bislang ausschließlich auf Grundlage elektrischer Daten (insbesondere des gezogenen Stroms) des Elektromotors. Aufgrund der Zweideutigkeit in der Momentenkennlinie lässt sich jedoch der Volumenstrom nicht eindeutig berechnen. Auch ist aus der Praxis die Volumenstromberechnung mit Hilfe von Wirkdruckmessungen bekannt. Dies ist aufwändig und für viele Anwendungen mit zu großen Ungenauigkeiten verbunden.
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Gerade bei vorwärtsgekrümmten Radialventilatoren erfolgt die Volumenstrombestimmung häufig über das Wellenmoment. Ansonsten erfolgt die Volumenstrombestimmung über Wirkdruckmessung oder mittels Flügelradanemometer, nicht selten abströmseitig am Ventilator. Hierzu sei auf die
WO 2018/036802 A1 verwiesen. Die aus der Praxis bekannten Messungen bzw. Ermittlungen des Luftvolumenstroms sind einerseits aufwändig und andererseits ungenau. Als Basis für eine Ventilatorregelung (Volumenstromkonstantregelung) sind sie daher nur bedingt geeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ventilator der gattungsbildenden Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit einfachen technischen Mitteln eine Volumenstrombestimmung im Betrieb des Ventilators möglich ist. Anhand einer solchen Volumenstrombestimmung soll es möglich sein, einen einfachen Regelungsmechanismus für den Ventilator zu schaffen. Außerdem soll sich der erfindungsgemäße Ventilator von wettbewerblichen Produkten unterscheiden.
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Voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist dem Ventilator eine Einrichtung zur Ermittlung des Luftstroms bei drehendem Laufrad zugeordnet. Diese Einrichtung umfasst ein im Luftstrom angeordnetes Volumenstrommessrad, welches zuströmseitig vor dem Laufrad angeordnet ist. Der Luftvolumenstrom wird aus der Drehzahl des Volumenstrommessrads berechnet oder hergeleitet. Es liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus der Drehzahl eines solchen Volumenstrommessrads in hinreichend guter Genauigkeit auf den Luftvolumenstrom des Ventilators geschlossen werden kann. Die dazu erforderliche bauliche Maßnahme, nämlich die Vorkehrung eines Volumenstrommessrads nebst gegebenenfalls weiterer Hardware und Software, ist denkbar einfach und lässt sich in einen herkömmlichen Ventilator mühelos integrieren, und zwar sowohl in Bezug auf das Volumenstrommessrad als auch in Bezug auf zusätzliche Komponenten der Einrichtung, die später noch erörtert werden.
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In vorteilhafter Weise ist das Volumenstrommessrad in etwa koaxial zur Laufradachse angeordnet, wodurch sich die Lagerung des Volumenstrommessrads vereinfacht. Gleiches gilt für die motornahe Anordnung des Volumenstrommessrads. Durch beide Maßnahmen ist nicht nur eine einfache Lagerung des Volumenstrommessrads möglich, sondern es findet obendrein eine allenfalls geringe Behinderung des Luftstroms durch das Volumenstrommessrad statt. Außerdem ist es denkbar, die konkrete Ausgestaltung des Volumenstrommessrads zur positiven Beeinflussung der Strömung, einerseits in Bezug auf die Geräuschentwicklung und andererseits in Bezug auf die Leistung bzw. den Wirkungsgrad, positiv zu nutzen, zumal das Volumenstrommessrad zuströmseitig angeordnet ist.
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In Bezug auf die Anbringung des Volumenstrommessrads ist es denkbar, dass dieses an einer zuströmseitig vor dem Laufrad, insbesondere vor einer Einlaufdüse angeordneten Struktur gelagert ist. Bei dieser Struktur handelt es sich in weiter vorteilhafter Weise um ein funktionales Bauteil des Ventilators, beispielsweise um ein Schutzgitter oder ein Zuströmgitter. So lassen sich vorhandene funktionale Bauteile des Ventilators ohne weiteren konstruktiven Aufwand nutzen.
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Bei dem Volumenstrommessrad handelt es sich um ein drehendes Rad. Entsprechend ist dieses drehbar auf einer Welle gelagert, vorzugsweise auf einer gegebenenfalls verlängerten Welle des Motors.
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Das Volumenstrommessrad erstreckt sich über den Durchströmungsquerschnitt im Einströmbereich des Ventilators hinweg, wobei der Außenradius des Volumenstrommessrads bei einer vorteilhaften Ausführungsform weniger als 75 % des maximalen Radius des zugeordneten Durchströmquerschnitts beträgt.
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Bereits zuvor ist ausgeführt worden, dass es auf das Signal des Volumenstrommessrads ankommt, aus dem Messwerte abgeleitet werden. Das Signal des Volumenstrommessrads kann mittels elektrischer und/oder magnetischer und/oder akustischer und/oder schwingungstechnischer Sensorik/Sensoren generiert werden. So können induktive Messungen, Messungen mit einem Hallsensor, optische Messungen, akustische Messungen oder aber auch Schwingungsmessungen herangezogen werden. Entsprechend sind magnetische und/oder lichtreflektierende und/oder elektrische Bauteile am/im Volumenstrommessrad und/oder am/im Rotor des Motors und/oder am/in einer Einlaufdüse des Ventilators angeordnet. Mit Hilfe der hier zusätzlich vorgesehenen Sensorik lassen sich Wechselwirkungen zwischen den Bauteilen des Ventilators, insbesondere des Motors und der Sensorik, nutzen.
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Physikalische Größen oder zusammengesetzte Größen sind zur Bestimmung des Luftvolumenstroms ermittelbar. So lässt sich beispielsweise die Wechselwirkung der Rotormagnete mit einem elektrischen Element auf dem Volumenstrommessrad nutzen. Der optische Zugang zwischen Stator und Volumenstrommessrad durch Öffnungen am Rotor kann ebenso genutzt werden. Auch lassen sich optische Zugänge zwischen Stator des Motors und dem Volumenstrommessrad nutzen. Außerdem können elektrische Signale über elektrisch leitende Bauteile, beispielsweise über die Welle des Motors/Volumenstrommessrads, übertragen werden. Die akustische Signatur des Volumenstrommessrads kann gemessen und ebenso genutzt werden. Insbesondere lassen sich auch akustische Erscheinungen/ Signaturen, aus durch Interaktionen mit dem Laufrad bzw. dessen Flügeln resultieren, nutzen.
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Magnetische und/oder lichtreflektierende und/oder elektrische Bauteile, die Bestandteil der Einrichtung zur Ermittlung des Luftstroms sind, können in vorteilhafter Weise am oder im Volumenstrommessrad, am oder im Rotor des Motors und/oder an oder in einer Einlaufdüse des Ventilators und/oder an einer zuströmseitig vor dem Laufrad angeordneten Struktur angeordnet sein. Entsprechend den voranstehenden Ausführungen lassen sich Wechselwirkungen zwischen den Bauteilen des Ventilators und den zuvor genannten Elementen nutzen, um physikalische Größen oder zusammengesetzte Größen zur Bestimmung des Luftstroms zu erhalten.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Luftvolumenstrom ohne Einfluss der Drehzahl des Laufrads oder unter Berücksichtigung eines die Drehzahl des Laufrads zumindest ansatzweise berücksichtigenden Korrekturfaktors ermittelt wird. Auch kann aus den Signalen des Volumenstrommessrads die Drehzahl des Volumenstrommessrads direkt bezüglich eines Referenzsystems ermittelt werden. Alternativ lässt sich aus den Signalen des Volumenstrommessrads die Drehzahl des Volumenstrommessrades relativ zu der Drehzahl des Laufrads des Ventilators ermitteln.
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Weiter kann aus den Signalen des Volumenstrommessrads die Drehzahl des Volumenstrommessrads als Summe aus der Drehzahl des Laufrads und der Relativdrehzahl zwischen Laufrad und Volumenstrommessrad ermittelt werden. Wesentlich ist eine zuverlässige Ermittlung des Luftvolumenstroms.
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Die Hardwarekomponenten der Einrichtung zur Ermittlung des Luftstroms sind vorzugsweise unabhängig vom Laufrad dem Motor zugeordnet bzw. in den Motor integriert. Folglich bedingt die Einrichtung zur Ermittlung des Luftvolumenstroms keinen weiteren Bauraum. Das Volumenstrommessrad nutzt den ohnehin einlassseitig vorhandenen Raum und kann zur Begünstigung der Strömung und Geräuschreduktion positiv genutzt werden.
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Die Hardwarekomponenten der Einrichtung zur Ermittlung des Luftstroms sind bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform unabhängig vom Laufrad im Wesentlichen der zuströmseitigen Struktur vor dem Laufrad zugeordnet bzw. in diese integriert. Folglich bedingt die Einrichtung zur Ermittlung des Luftvolumenstroms keinen weiteren Bauraum. Das Volumenstrommessrad nutzt den ohnehin einlassseitig vorhandenen Raum und kann zur Begünstigung der Strömung und Geräuschreduktion positiv genutzt werden. Die in die zuströmseitige Struktur integrierte Volumenstrommesseinrichtung kann bei Bedarf modular für Ventilatoren, unabhängig von deren Laufrad, eingesetzt werden. Vorteilhaft können bei verschiedenen Laufrädern, Einlaufdüsen, Nachleitapparaten oder Einbausituationen unterschiedliche Kalibrierwerte für die Bestimmung des Volumenstroms in Abhängigkeit der Drehzahl des Volumenstrommessrads und ggf. des Laufrads hinterlegt und genutzt werden.
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Des Weiteren ist von besonderer Bedeutung, dass die Signale und die daraus resultierenden Messdaten des Volumenstrommessrads, insbesondere der aus den Signalen und Messdaten ermittelte Luftstrom, einer Regelung des Ventilators zugeführt wird. Diese Regelung kann insbesondere zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen bzw. vorgebbaren Volumenstroms dienen. Dies gilt insbesondere auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen. So ist mit einfachen Mitteln ein Regelungsmechanismus geschaffen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventilators anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 in axialer Draufsicht von der Zuströmseite aus gesehen ein Ausführungsbeispiel eines Ventilators mit erfindungsgemäßem Volumenstrommessrad, welches sich nahezu über den gesamten radialen Bereich des Durchströmquerschnittes erstreckt,
- 2 in axialer Draufsicht von der Zuströmseite aus gesehen ein Ausführungsbeispiel eines Ventilators mit erfindungsgemäßem Volumenstrommessrad, welches sich lediglich über einen radial innen liegenden Teilbereich des Durchströmquerschnittes erstreckt,
- 3 von der Seite und im Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse gesehen den Ventilator mit einem Volumenstrommessrad gemäß 2,
- 4 von der Seite und im Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse gesehen den Ventilator mit einem Volumenstrommessrad gemäß 1,
- 5 in einer perspektivischen Ansicht schräg von der Zuströmseite aus gesehen eine weitere Ausführungsform eines Volumenstrommessrades, welches einen stark gekrümmten Verlauf seiner Flügel bzw. deren Zuströmkanten aufweist,
- 6 in einer perspektivischen Ansicht schräg von der Abströmseite eines Zuströmgitters aus gesehen das Volumenstrommessrad gemäß 5, welches an einem Zuströmgitter angebracht ist,
- 7 in einer perspektivischen Ansicht schräg von der Zuströmseite aus gesehen einen Ventilator mit einem Zuströmgitter gemäß 6, und
- 8 in einer perspektivischen Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Rotationsachse des Laufrades gesehen den Ventilator gemäß 7, wobei das Volumenstrommessrad und seine Lagerung am Zuströmgitter gut zu erkennen sind.
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1 zeigt in axialer Draufsicht und von der Zuströmseite aus gesehen ein Ausführungsbeispiel eines Ventilators 1 mit Volumenstrommessrad 2. Das Volumenstrommessrad 2 erstreckt sich nahezu über den gesamten radialen Bereich des Durchströmquerschnittes der Einströmdüse 5, etwa an deren engster Stelle. Das Volumenstrommessrad 2 besteht im Wesentlichen aus einer Nabe 7 und daran befestigten Flügeln 6. Im Ausführungsbeispiel sind 3 Flügel 6 vorhanden, um die Störung, die das Volumenstrommessrad 2 in die Zuströmung zum Ventilatorlaufrad 3 bzw. dessen Flügel 9 einbringt, so gering wie möglich zu halten. Eine Ausführungsform mit 2 bis 13 Flügeln 6 ist denkbar.
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Das Volumenstrommessrad 2 ist rotierend mittels eines Lagers 19 (siehe 3) auf einer Welle 13 gelagert. Im Ausführungsbeispiel rotiert die Welle 13 mit der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 11 des Motors 4 bzw. des Laufrads 3 des Ventilators 1. Es handelt sich um eine verlängerte Welle des Motors 4. Durch die Lagerung mit möglichst niedrigem Reibungsmoment (Kugellager, Gleitlager o.ä.) kann das Volumenstrommessrad 2 frei und unabhängig von der Welle 13 und deren Rotationsbewegung rotieren. Die Rotationsgeschwindigkeit des Volumenstrommessrades 2 ist ein gut geeigneter Indikator des Luftvolumenstromes, welcher durch die Einströmdüse 5 ins Ventilatorlaufrad 3 eintritt, also des Luftvolumenstromes, der vom Ventilator 1 gefördert wird. Um den Volumenstrom zu bestimmen, muss die Rotationsgeschwindigkeit des Volumenstrommessrades 2 bestimmt werden.
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2 zeigt in axialer Draufsicht und von der Zuströmseite aus gesehen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ventilators 1 mit Volumenstrommessrad 2. Das Volumenstrommessrad 2 erstreckt sich bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich über einen radial innen liegenden Teilbereich des Durchströmquerschnitts der Einströmdüse 5 hinweg. Dadurch kann die Genauigkeit der Luftvolumenstrombestimmung, im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß 1, geringfügig reduziert sein. Allerdings ist das Volumenstrommessrad 2 kompakter, günstiger zu fertigen und bringt geringere Störungen in die durch eine Einströmdüse 5 einströmende Luft ein, was Vorteile hinsichtlich des erzeugten Lärms und des Wirkungsgrades haben kann.
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Die Flügel 6 des Volumenstrommessrades 2 sind in spezieller Weise ausgebildet, sodass sich infolge des Luftvolumenstroms eine geeignete, der Fördermenge etwa proportionale Drehzahl des Volumenstrommessrad 2 einstellt. Die Proportionalitätskonstante dieses Verhältnisses kann durch die Auslegung der Flügel 6 gesteuert werden. Die Flügel 6 weisen vorteilhaft im Querschnitt ein Profil ähnlich dem eines Tragflügels bei Flugzeugen auf. Die Hinterkante der Flügel 6 ist vorteilhaft dünn, möglichst < 1 mm. Die Flügel 6 sind vorteilhaft verwunden, das heißt, der Flügelwinkel variiert über den Radius, also den Abstand zur Ventilatorachse. Die Zuströmkante hat eher gerundete Form, ohne Knicke und Kanten. Am radial äußeren Ende sind die Flügel 6 frei auslaufend. Bei anderen Ausführungsformen könnten sie durch einen Ring miteinander verbunden sein, was vorteilhaft für die Stabilität des Volumenstrommessrades 2 ist, allerdings einen zusätzlichen Strömungswiderstand für die einströmende Luft bedeutet. Im Ausführungsbeispiel weisen die Flügel 6 im Wesentlichen einen Verlauf entlang eines Radialstrahls von der Ventilatorachse aus gesehen auf, wodurch erreicht wird, dass die Biegebelastung und -verformung im Betrieb infolge der Rotationsgeschwindigkeiten niedrig bleibt. Das radial äußere Ende der Flügel des Volumenstrommessrades kann bei anderen Ausführungsformen auch in spezieller Weise gestaltet sein, beispielsweise ähnlich der eines Winglets oder spitz zulaufend. Flügel eines Volumenstrommessrades können auch schlaufenartig gestaltet bzw. in einem radial äußeren Bereich jeweils paarweise miteinander verbunden sein.
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3 zeigt von der Seite und im Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse den Ventilator 1 mit einem Volumenstrommessrad 2 gemäß 2. Im Betrieb wird das Ventilatorlaufrad 3, welches im Wesentlichen aus einem Nabenring 10, einem Deckring 8 und sich dazwischen erstreckenden Flügeln 9 besteht, von einem Motor 4 angetrieben. Das Ventilatorlaufrad 3 ist mittels einer Befestigungsvorkehrung 15 am Rotor 11 des Motors 4 befestigt. Im Ausführungsbeispiel ist der Motor 4 ein Außenläufermotor, aufgebaut aus dem Rotor 11, der radial im Wesentlichen außerhalb des Stators 12 angeordnet ist. Zwischen Rotor 11 und Stator 12 ist ein Luftspalt 21 ausgebildet. Um den Rotor 11 bezüglich des Stators 12 zu lagern, ist im Bereich der Ventilatorachse eine Welle 13 ausgebildet, welche fest mit dem Rotor 11 verbunden ist, und welche sich zum Teil innerhalb des Stators 12 erstreckt. Sie ist über die Lager 18 mit dem Stator 12 rotierend verbunden. Der Stator 12 weist unter anderem einen Aufnahmeraum 17 für elektronische Komponenten auf. Im Rotor 11 sind im radial äußeren Bereich nicht explizit dargestellte Permanentmagnete vorhanden.
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Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Welle 13 auf der dem Stator 12 abgelegenen Seite über den Rotor 11 hinaus, in den Bereich der Einlaufdüse 5. Auf der Welle 13 ist in diesem Bereich, verbunden mittels eines Lagers 19, das Volumenstrommessrad 2 bezüglich der Welle 13 frei rotierend befestigt. Dadurch kann das Volumenstrommessrad 2 eine Rotationsgeschwindigkeit unabhängig der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 11 des Motors 4 annehmen. Die Rotationsgeschwindigkeit des Volumenstrommessrades 2 wird durch den Luftvolumenstrom, der durch die Einströmdüse 5 von rechts in das Laufrad 3 eintritt und vom Ventilator infolge dessen Rotationsgeschwindigkeit gefördert wird, definiert. Sie wird von einem Sensorsystem gemessen und dazu genutzt, den Luftvolumenstrom zu bestimmen. Man kann erkennen, dass sich im Ausführungsbeispiel das Volumenstrommessrad 2 nur über einen radial innen liegenden Teilbereich der Durchströmfläche der Einströmdüse 5 erstreckt.
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4 zeigt von der Seite und im Schnitt an einer Ebene durch die Ventilatorachse den Ventilator 1 mit einem Volumenstrommessrad 2 gemäß 1. Man kann im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 3 erkennen, dass sich in diesem Ausführungsbeispiel das Volumenstrommessrad 2 mit seinen Flügeln 6 radial nahezu über die gesamte Durchströmfläche der Einströmdüse 5 erstreckt, was zu einer noch präziseren Erfassung des Luftvolumenstroms führt. Dies gilt insbesondere dann, wenn gestörte, asymmetrische Zuströmbedingungen vorliegen. Allerdings ist eine solches Volumenstrommessrad 2 auch größer, aufwendiger zu fertigen und führt zu größeren Störungen, die der Zuströmung überlagert werden und welche zu erhöhter Akustik und reduzierten Wirkungsgraden führen können.
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Das Volumenstrommessrad 2 weist, wie auch im Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3, im Betrieb eine relative Rotationsgeschwindigkeit zum Rotor 11 des Motors 4 auf. Um die Rotationsgeschwindigkeit des Volumenstrommessrad 2 zu bestimmen, kann entweder die Relativgeschwindigkeit zum Rotor 11 bestimmt werden und zur Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 11 addiert werden, oder die Rotationsgeschwindigkeit des Volumenstrommessrades 2 kann direkt bezüglich des ruhenden Systems, beispielsweise bezüglich des Stators 12, bestimmt werden. Eine optische Zugänglichkeit zwischen Stator 12 und den Flügeln 6 des Volumenstrommessrades 2 kann beispielsweise über Öffnungen 14 am Rotor 11 realisiert werden. Im Ausführungsbeispiel haben die Öffnungen 14 zusätzlich die Funktion, einen Kühlluftstrom durch den Luftspalt 21 hin zum Einströmbereich des Ventilatorlaufrades 3 zu ermöglichen.
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Zum Zweck der Rotationsgeschwindigkeitsmessung können auf einem oder mehreren Flügeln 6 des Volumenstrommessrades 2 Vorkehrungen vorhanden sein, beispielsweise Reflektoren, Permanentmagnete oder elektrische Komponenten wie Spulen oder Hallsensoren. Ein magnetisches Wechselfeld, welches auf dem Volumenstrommessrad 2 infolge der Relativgeschwindigkeit zum mit Permanentmagneten versehenen Rotor 11 auftritt, kann genutzt werden. Auch an stehenden Teilen (Stator 12 oder Einströmdüse 5) können Sensoren oder Signalgeber wie beispielsweise Permanentmagnete, akustische Signalgeber oder Leuchtdioden angebracht sein. Die Sensorsignale können in einer Elektronik verarbeitet und weiterverwertet werden, welche vorteilhaft im Aufnahmebereich 17 installiert ist.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht, schräg von der Zuströmseite aus gesehen, eine weitere Ausführungsform eines Volumenstrommessrades 2. Es weist eine Nabe 7 mit einem Aufnahmebereich 20 für Lager auf sowie Flügel 6, welche an einem Übergang 25 mit der Nabe 7 verbunden sind. Der Übergang 25 ist verrundet, um eine gute Festigkeit zu haben. Die Flügel 6 weisen Zuströmkanten 23 auf, die in Durchströmrichtung gesehen vorne an den Flügeln 6 liegen, sowie Abströmkanten 24, die in Durchströmrichtung gesehen hinten an den Flügeln 6 liegen. Die Flügel 6 im Ausführungsbeispiel sowie ihre Zuströmkanten 23 und ihre Abströmkanten 24 sind stark gekrümmt. Dies hängt damit zusammen, dass ein innen liegender Teil 32 der Zuströmkanten 23 für eine eher achsparallele Zuströmung optimiert und geeignet ist und ein außen liegender Teil 33 für eine eher radiale, etwa hin zur Achse strömende Zuströmung optimiert bzw. geeignet ist. Insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen dem innen liegenden Teil 32 und dem außen liegenden Teil 33 ist die Zuströmkante 23 bzw. der Flügel 6 stark gekrümmt.
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An zwei gegenüberliegenden der im Ausführungsbeispiel insgesamt acht Flügel 6 sind Aufnahmebereiche 22 für jeweils einen Magneten ausgebildet. Die Magneten dienen der Drehzahlerfassung in Zusammenspiel mit einem im Betrieb den Magneten gegenüberliegenden Sensor, vorteilhaft einem Hall-Sensor. Die Magnete können eingegossen, eingeklebt, eingepresst oder anderweitig an einem oder mehreren Flügeln 6 befestigt sein. Insgesamt ist es vorteilhaft, mindestens zwei Magnete gleichmäßig über den Umfang verteilt zu haben, um eine zu große Unwucht des Volumenstrommessrades 2 zu vermeiden.
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6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht schräg von der Abströmseite aus gesehen das Volumenstrommessrad 2 gemäß 5 mit einem Zuströmgitter 26, an welchem es angebracht und gelagert ist. Ein Zuströmgitter 26 wird entsprechend der Darstellung in 8 vor einer Einlaufdüse 5 eines Ventilators 1 angebracht. Anstelle eines Zuströmgitters 26 kann auch eine andersartige Tragstruktur für ein Volumenstrommessrad 2 genutzt werden, solange sie die Zuströmung zur Einlaufdüse 5 nicht maßgeblich beeinträchtigt, beispielsweise ein Berührschutzgitter oder eine Tragkonstruktion. Das Zuströmgitter 26 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird an den Befestigungsvorkehrungen 27 am Ventilator 1 bzw. einer Düse 5 oder einer Düsenplatte 29 befestigt (siehe 8). Das Fördermedium durchströmt das Zuströmgitter 26 durch Durchströmöffnungen 28, die so gestaltet sind, dass die Verluste bei der Durchströmung gering sind. Das Zuströmgitter 26 kann sogar durch eine Vergleichmäßigung der Zuströmverhältnisse den Wirkungsgrad des Ventilators erhöhen und die Lärmemission senken.
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Das Volumenstrommessrad 2 ist im Bereich der Ventilatorachse, die etwa mit der Achse des Zuströmgitters 26 zusammenfällt, am Zuströmgitter 26 drehbar gelagert, und zwar innerhalb des Zuströmgitters 26, also in Durchströmungsrichtung nach dem Zuströmgitter 26. Zur Lagerung des Volumenstrommessrades 2 dient eine rotationsfest mit dem Zuströmgitter 26 verbundene Achse 34, die am Zuströmgitter 26 integriert oder befestigt ist. Infolge der Luftgeschwindigkeit beim Ventilatorbetrieb rotiert das Volumenstrommessrad 2 relativ zum Zuströmgitter 26, und durch Messung seiner Drehzahl kann in guter Genauigkeit der Fördervolumenstrom im Betrieb bestimmt werden.
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Die Vergleichmäßigung der Zuströmung durch das Zuströmgitter 26 wirkt sich auch vorteilhaft auf die Genauigkeit und die zeitliche Stabilität der Volumenstrommessung aus, insbesondere bei asymmetrischen oder turbulenten Zuströmungen. Die Zuströmkanten 23 der Flügel 6 des Volumenstrommessrades 2 sind dem Zuströmgitter 26 zugewandt und folgen mit Abstand etwa der Innenkontur des Zuströmgitters 26. Um eine genaue Volumenstrommessung zu erreichen, deckt das Volumenstrommessrad 2 mit seinen Zuströmkanten 23, berücksichtigt man seine Rotation um die Achse 34, einen Großteil der durchströmten Fläche ab, beispielsweise mindestens 90%. Das Zuströmgitter 26 weist in einem radial äußeren Bereich eine eher radiale Durchströmung auf und in einem radial inneren Bereich eine axiale Durchströmung. Das Volumenstrommessrad 2 ist mit seinem innen liegenden Teil 32 und dem außen liegenden Teil 33, wie zu 5 bereits beschrieben, an dieses Strömungsbild gut angepasst.
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7 zeigt in perspektivischer Ansicht schräg von der Zuströmseite aus gesehen den Ventilator 1 mit einem Zuströmgitter 26 gemäß 6. Im Betrieb des Ventilators 1 rotiert das Laufrad 3 mit Nabenring 10, Deckring 8 und dazwischen sich erstreckenden Flügeln 9 etwa im Uhrzeigersinn um seine Achse.
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Infolge der Rotation wird das Fördermedium durch die Durchströmöffnungen 28 des Zuströmgitters 26 eingesogen.
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Das Zuströmgitter 26 ist an Befestigungsvorrichtungen 27 am Ventilator 1, hier an der Düsenplatte 29, befestigt, beispielsweise durch nicht dargestellte Schrauben. An der Düsenplatte 29 ist eine Einlaufdüse 5 integriert oder angebracht (siehe 8), die in 7 aufgrund des Zuströmgitters 26 nicht erkennbar ist. Nach Durchströmen des Zuströmgitters 26 gelangt das Fördermedium durch diese Einlaufdüse 5 in das Laufrad 3, in welchem es radial nach außen gefördert wird und aus dem es an den radial außen liegenden Öffnungen austritt. Das Zuströmgitter 26 weist einen geschlossenen Zentralbereich 30 auf, der sich gut dafür eignet, dort ein Volumenstrommessrad anzubringen, nämlich auf der hier nicht sichtbaren Innenseite des Zuströmgitters 26. Der gesamte Fördermittelvolumenstrom tritt durch das Zuströmgitter 26. In einem radial äußeren Bereich, eher der Düsenplatte 26 zugewandt, sind die Eintrittsgeschwindigkeiten eher radial ausgerichtet. In einem Bereich eher nahe der Achse bzw. des Zentralbereichs sind die Eintrittsgeschwindigkeiten eher axial ausgerichtet.
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8 zeigt in einer perspektivischen Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Rotationsachse des Laufrades 3 den Ventilator 1 gemäß 7. Man erkennt in der Darstellung gut das Volumenstrommessrad 2 und seine Lagerung am Zuströmgitter 26. Am Zentralbereich 30 des Zuströmgitters 26 ist über einen Aufnahmebereich 31 eine Achse 34 zur Lagerung des Volumenstrommessrades 2 fest und etwa koaxial zur Achse des Laufrads 3 angebracht. Der Aufnahmebereich 31 kann einteilig ins Zuströmgitter 26 integriert sein oder als separates Teil am Zuströmgitter 26 beispielsweise angeklipst oder festgeklebt werden. Die Achse 34 kann im Aufnahmebereich 31 eingegossen, eingeklebt, eingepresst oder ähnliches sein. Das Volumenstrommessrad 2 ist mittels Lagern an der Achse 34 gelagert. Im Ausführungsbeispiel sind zwei in der Figur nicht gezeigte Lager vorgesehen. Die Lager werden am Volumenstrommessrad 2 an dafür vorgesehenen Aufnahmen 20 innerhalb der Nabe 7 eingesetzt. Das Volumenstrommessrad 2 kann dadurch frei bezüglich des Zuströmgitters 26 und unabhängig vom Rotor 11 des Motors 4, der das Laufrad 3 des Ventilators 1 antreibt, rotieren.
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Das Laufrad 3 des Ventilators 1 ist am Rotor 11 des Motors 4 mit einer Befestigungsvorrichtung 15 angebracht, welche hier eine Blechronde ist, die ins Laufrad 3 eingegossen und auf den Rotor 11 aufgepresst ist. Im Vergleich zu den Ausführungsformen der 1 bis 4 ist das Volumenstrommessrad 2 hier auf einer auch im Ventilatorbetrieb stehenden Achse 34 gelagert. Dies ist vorteilhaft insbesondere für niedrige Lagerreibung, da vorteilhaft das Volumenstrommessrad 2 über weite Betriebsbereiche eher deutlich langsamer rotiert als der Rotor 11 bzw. das Laufrad 3, an welchem das Volumenstrommessrad 2 gemäß 1 bis 4 gelagert ist. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform gemäß 7 bis 8 ist es, dass das Volumenstrommessrad weiter entfernt vom Laufrad 3 mit seinen Flügeln 9 ist und somit die Wechselwirkung zwischen Laufrad 3 bzw. Flügeln 9 und Volumenstrommessrad 2 in Form einer Drehzahl- bzw. Betriebspunktabhängigkeit niedriger ist. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung des Fördermittelvolumenstroms auch ohne Einbeziehung der Laufraddrehzahl.
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Die Drehzahl des Volumenstrommessrades im Betrieb kann beispielsweise wie bereits zuvor beschrieben bestimmt werden. Bei einer vorteilhaften Methode sind ein oder mehrere Magnete am Volumenstrommessrad 2 angebracht oder integriert, oder das Volumenstrommessrad 2 ist in irgendeiner Form magnetisiert (vgl. 5). Gegenüber der Rotationsbahn der Magnete muss an einem stehenden Teil ein Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor, angebracht werden, der in Wechselwirkung mit den Magneten die Drehzahl des Volumenstrommessrades 2 bestimmt. Ein solcher Sensor kann beispielsweise vorteilhaft in das Zuströmgitter 26 integriert oder am Zuströmgitter 26 befestigt werden oder auf der Innenseite des Düsenplatte 29 bzw. der Einlaufdüse 5. Vorteilhaft kann er auch im Bereich der Befestigungsvorrichtungen 27 (siehe 7) mit einem geeigneten Trägerteil an dem Einströmgitter 26 befestigt werden.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass nicht alle Komponenten des Ventilators 1 dargestellt sind. Insbesondere ist eine Motorhalterung, die den Stator 11 des Motors 4 beispielsweise an die Düsenplatte 29 anbindet, der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Der Ventilator 1 kann weitere, nicht dargestellte Komponenten umfassen.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Er-örterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilator
- 2
- Volumenstrommessrad
- 3
- Ventilatorlaufrad
- 4
- Motor
- 5
- Einströmdüse
- 6
- Flügel eines Volumenstrommessrades
- 7
- Nabe eines Volumenstrommessrades
- 8
- Deckring eines Laufrades
- 9
- Flügel eines Laufrades
- 10
- Nabenring eines Laufrades
- 11
- Rotor eines Motors
- 12
- Stator eines Motors
- 13
- Welle zur Lagerung des Volumenstrommessrades
- 14
- Öffnung auf Zuströmseite im Rotor
- 15
- Befestigungsvorrichtung des Ventilatorlaufrades auf dem Rotor
- 16
- Vorrichtung zur Befestigung der Einlaufdüse
- 17
- Aufnahmeraum für elektronische Komponenten im Stator des Motors
- 18
- Lager des Rotors
- 19
- Lager des Volumenstrommessrades auf der Welle
- 20
- Aufnahme im Volumenstrommessrad für Lager
- 21
- Luftspalt zwischen Rotor und Stator
- 22
- Aufnahmebereich für Magnet
- 23
- Zuströmkante eines Flügels eines Volumenstrommessrades
- 24
- Abströmkante eines Flügels eines Volumenstrommessrades
- 25
- Übergang Flügel zu Nabe am Volumenstrommessrad
- 26
- Einströmgitter, Zuströmgitter
- 27
- Befestigungsvorrichtung für Einströmgitter
- 28
- Durchströmöffnungen am Einströmgitter
- 29
- Düsenplatte
- 30
- Zentralbereich des Einströmgitters
- 31
- Aufnahmebereich für Achse in Einströmgitter
- 32
- innen liegender Teil der Zuströmkanten
- 33
- außen liegender Teil der Zuströmkanten
- 34
- Achse zur Lagerung eines Volumenstrommessrades
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017209291 A1 [0001]
- WO 2018/036802 A1 [0003]
