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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Membranlüfter mit entweder zwei unter Bildung eines Zwischenraums übereinander angeordneten elastischen Membranen oder mit einer unter Bildung eines Zwischenraums über einem plattenförmigen Element angeordneten elastischen Membran und einer Halterung für die Membranen oder die Membran, durch die der Zwischenraum an wenigstens zwei sich gegenüber liegenden Seiten oder Seitenbereichen verschlossen wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Membranlüfters.
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In feinwerktechnischen Anwendungen ist es häufig erforderlich, Objekte aktiv zu kühlen, um die Leistung zu steigern oder die thermische Zerstörung zu verhindern. Die Bauteile werden dabei in vielen Fällen durch Konvektion gekühlt, beispielsweise durch gezieltes Anströmen mit Luft. Der bekannte Einsatz von Radial- oder Axiallüftern zur Konvektionskühlung ist jedoch bei feinwerktechnischen Anwendungen schwierig oder zum Teil sogar unmöglich, da das Volumen dieser Lüfter vergleichsweise groß ist.
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Stand der Technik
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Für kleine Bauräume sind Lüfter bekannt, die reibungsfrei durch Schwingungen von Membranen oder Kunststoffplättchen arbeiten. So offenbaren beispielsweise H.P.J. De Bock et al., „Experimental‟ Flow Performance Evaluation of novel miniaturized Advanced Piezoelectric Dual Cooling Jet, J. Phys.: Conf. Ser. 395, 2012, 012035, einen Membranlüfter, bei dem zwei unter Bildung eines Zwischenraums übereinander angeordnete elastische Membranen an einer Halterung befestigt sind, durch die der Zwischenraum an drei Seiten verschlossen wird. Die beiden Membranen sind dabei aus zwei piezoelektrischen dünnen Scheiben gebildet, die durch Anlegen von zwei gegenphasigen Wechselspannungen in resonante Schwingungen versetzt werden. Dadurch wird in den Zwischenraum Luft angesaugt und wieder ausgestoßen. Allerdings sind hierfür hohe Spannungen von bis zu 230 V erforderlich, die besondere Schutzmaßnahmen erfordern. Bei Fehlfunktionen oder auch bei missbräuchlichem Gebrauch besteht Lebensgefahr für den Anwender. Des Weiteren sind meist Bleiverbindungen in den piezoelektrischen Materialien enthalten, die ebenfalls eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.
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Aus M.H.O. et al., „3D flow structure around a piezoelectrically oscillating flat plate“, European Journal of Mechanics / B. Fluids 67 (2018), 249 bis 258, ist ein Fächerkühler bekannt, bei dem ein Kunststoffplättchen an einem Ende gehaltert und über ein aufgebrachtes piezoelektrisches Material in resonante Schwingungen versetzt wird. Die
DE 10 2019 004 272 A1 beschreibt einen Fächerkühler, bei dem anstelle des piezoelektrischen ein elektrodynamisches Antriebsprinzip eingesetzt wird. Der Fächer trägt hierzu an einer Stelle eine elektrische Spule, die sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet und bei Stromfluss durch die Spule mit diesem wechselwirkt. Durch Beaufschlagung der Spule mit einem Wechselstrom geeigneter Frequenz kann der Fächer in eine resonante Schwingung versetzt werden. Der Nachteil eines Fächerkühlers besteht jedoch in der Schwingungsamplitude am freien Ende des Fächers. Diese kann je nach Anforderung mehrere Zentimeter betragen, da die mit dem Fächer erzeugte Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit zur Fächeramplitude steht. Zusätzlich wird die größte Kühlwirkung von Fächerkühlern in unmittelbarer Nähe der Fächerspitzen erreicht. Mit zunehmendem Abstand nimmt die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch die Kühlwirkung der Fächer sehr stark ab.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Konvektionskühler anzugeben, der sich für die Anwendung bei feinwerktechnischen Anwendungen eignet, also mit geringem Bauraum realisiert werden kann, und keine hohen Ströme oder Spannungen für den Betrieb erfordert.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Membranlüfter gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. Die Ansprüche 12 und 13 geben Verfahren zum Betrieb eines derartigen Membranlüfters an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Membranlüfters sowie der Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Der vorgeschlagene Membranlüfter wird nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip angetrieben. Er kann entweder zwei elastische Membranen aufweisen, die unter Bildung eines Zwischenraums übereinander angeordnet sind, oder auch nur eine Membran, die unter Bildung eines Zwischenraums über einem plattenförmigen Element angeordnet ist. Der Membranlüfter weist eine Halterung für die Membran(en) auf, durch die der Zwischenraum an wenigstens zwei sich gegenüber liegenden Seiten oder Seitenbereichen, d.h. nicht zwangsläufig über die gesamte Seitenlänge, verschlossen wird. Vorzugsweise wird der Zwischenraum durch die Halterung so verschlossen, dass er nur eine einzige Öffnung aufweist. In diesem Falle kann die Halterung beispielsweise u-förmig ausgebildet sein. Der elektrodynamische Antrieb kann auf zwei alternative Arten erfolgen.
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In der ersten Alternative trägt jede der Membranen eine elektrische Leiterstruktur, vorzugsweise eine elektrische Spule, die über eine Steuereinrichtung mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden kann. Der Membranlüfter weist dann getrennt von der oder den Membranen wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds auf, die so angeordnet ist, dass die Membran oder Membranen bei einem Wechselstromfluss durch die elektrische(n) Leiterstruktur(en) durch elektrodynamische Kraftwirkung, also über Lorentzkräfte, in Schwingungen versetzt wird bzw. werden. Das statische Magnetfeld muss daher Magnetfeld erzeugende Komponenten aufweisen, die in der Ebene der jeweiligen Membran im Ruhezustand, also ohne Auslenkung, idealerweise senkrecht zum Stromfluss durch die elektrische Leiterstruktur ausgerichtet sind. Weiterhin muss die Anordnung für höchste Effizienz derart gewählt sein, dass sich bei Stromfluss in einer Phase des Wechselstroms eine resultierende Kraftwirkung senkrecht zur Membran in einer Richtung und bei der entgegengesetzten Phase in der entgegengesetzten Richtung ergibt. Bei Nutzung eines Elektromagneten oder eines Permanentmagneten zur Erzeugung des statischen Magnetfeldes und einer elektrischen Spule als Leiterstruktur sollte also die zentrale Achse durch die beiden Pole des Magneten vorzugsweise durch das Zentrum der elektrischen Spule verlaufen.
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Bei der Ausgestaltung des Membranlüfters mit zwei übereinander angeordneten Membranen werden die elektrischen Leiterstrukturen dieser Membranen vorzugsweise phasenversetzt betrieben, um ein Ansaugen und Ausblasen von Luft aus dem Zwischenraum zu erreichen. Vorzugsweise werden die elektrischen Leiterstrukturen der beiden Membranen dabei mit einem um 180° phasenverschobenen Wechselstrom gleicher Frequenz beaufschlagt, so dass sie jeweils gleichzeitig gegenläufig ausgelenkt werden. Alternativ kann die Stromrichtung durch die elektrischen Leiterstrukturen auch entgegengesetzt gewählt werden. Dann werden keine gegeneinander phasenverschobenen Wechselströme benötigt.
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Es kann jeweils nur ein Magnet außerhalb oder innerhalb des Zwischenraums oder es können auch zwei Magnete auf beiden Seiten der übereinander angeordneten Membranen angeordnet sein. Die Magnete sind vorzugsweise an der Halterung befestigt. Bei der Ausgestaltung mit nur einer Membran sind keine phasenversetzten Wechselströme erforderlich. Die eine Membran wird dabei durch einen Wechselstrom durch die elektrische Leiterstruktur abwechselnd nach oben und unten ausgelenkt, so dass durch den Zwischenraum ebenfalls periodisch Luft angesaugt und wieder ausgestoßen wird. Werden die Leiterstrukturen mit vorzugsweise sinusförmigem Wechselstrom durchflossen, so wird jede Membran durch die Lorentzkraft abwechselnd nach unten und nach oben angezogen bzw. abgestoßen. Bei zwei Membranen werden die Leiterstrukturen idealerweise mit der gleichen Frequenz gegenläufig, also um 180° phasenversetzt, angesteuert oder in entgegengesetzter Richtung mit dem gleichen Wechselstrom beaufschlagt. Damit wird die untere Leiterstruktur bzw. Membran beispielsweise nach unten ausgelenkt, während die obere gleichzeitig nach oben abgestoßen wird. Dadurch weitet sich der Zwischenraum. Im weiteren Verlauf des Sinussignals wird die untere Leiterstruktur bzw. Membran nach oben abgestoßen und die obere gleichzeitig nach unten ausgelenkt. Somit wird der Zwischenraum verkleinert. Durch die abwechselnde Vergrößerung und Verkleinerung des Zwischenraums bildet sich die gewünschte Luftströmung zur Kühlung aus. Die elektrische Leiterstruktur auf der Membran oder auf den Membranen ist vorzugsweise eine Spule, die durch eine einzelne Leiterschleife gebildet sein kann, jedoch vorzugsweise als Planarspule mit mehreren Windungen ausgebildet ist. Sie kann auf die Membranen aufgebracht oder auch in die Membranen integriert sein. Anstelle der elektrischen Spule kann auch eine andere elektrische Leiterstruktur genutzt werden, die ebenfalls bei Beaufschlagung mit einem Wechselstrom die gewünschte elektrodynamische Kraftwirkung zur Auslenkung der Membranen ermöglicht, bspw. eine Anordnung mehrerer parallel verlaufender Leiterbahnen, die jeweils in der gleichen Richtung vom Strom durchflossen werden.
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In einer zweiten Alternative ist die Einrichtung zur Erzeugung des statischen Magnetfelds nicht getrennt von den Membranen ortsfest angeordnet, also beispielsweise an der Halterung befestigt, sondern auf der oder den Membranen aufgebracht oder wird durch diese gebildet. Dies kann bspw. durch Befestigen oder Integration eines oder mehrerer flacher Permanentmagnete auf oder in die Membranen oder über eine auf die Membranen aufgebrachte magnetische Folie aus einem hartmagnetischen Material erfolgen. Die Membranen können auch direkt durch diese magnetische Folie gebildet werden. Bei der Ausgestaltung mit zwei Membranen sind diese Permanentmagnete beispielsweise (bzw. die magnetische Folie) auf den beiden Membranen vorzugsweise entgegengesetzt gepolt. Die Membranen tragen in dieser zweiten Alternative keine elektrische(n) Leiterstruktur(en) bzw. Spule(n). Eine oder mehrere elektrische Leiterstrukturen, vorzugsweise Spulen, sind vielmehr getrennt von der Membran oder den Membranen ortsfest so angeordnet, dass die Membran(en) bei einem Wechselstromfluss durch die elektrische(n) Leiterstruktur(en) durch elektrodynamische Kraftwirkung in Schwingungen versetzt wird bzw. werden. Vorzugsweise sind die eine oder mehreren Leiterstrukturen hierbei geeignet an der Halterung befestigt. Eine Relativbewegung findet somit nicht mehr bei stromführenden Teilen statt. Dies wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit und auch auf die Lebensdauer des Membranlüfters aus.
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Bei Ausnutzung der Rückstellkräfte der Membranen kann der Membranlüfter auch mit anderen geeignet zeitlich variierenden, vorzugsweise periodisch variierenden, Strömen anstelle der Wechselströme betrieben werden, beispielsweise mit gepulsten Strömen.
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Die Frequenz der jeweiligen Wechselströme oder anderen periodisch variierenden Ströme werden bei dem vorgeschlagenen Membranlüfter und dem zugehörigen Betriebsverfahren vorzugsweise so gewählt, dass die Membrane in Resonanz betrieben werden, also zu einer resonanten Schwingung angeregt werden. Die Ansteuerung erfolgt dabei bei Spannungen und Strömen in mV- und mA-Bereich und stellt daher auch bei einer Fehlfunktion keinerlei Gefahr für den Anwender dar. Durch den Aufbau aus einer oder zwei Membranen lässt sich der Membranlüfter mit sehr geringem Platzbedarf realisieren, so dass er in kleinen Bauräumen einsetzbar ist. So lassen sich beispielsweise Membranlüfter realisieren, die eine Dicke von weniger als 5 mm bei guter Kühlwirkung aufweisen. Dadurch kann der Membranlüfter auch in sehr schmalen Spalten eines Gerätes eingesetzt werden, in denen konventionelle Lüfter keinen Platz mehr finden. Die für die Membranen einsetzbaren Materialien sind zum einen kostengünstig und zum anderen können sie ohne gefährliche Stoffe realisiert werden. Beispielsweise kann die Membran auch aus einer flexiblen Leiterplatte gebildet werden, in der die elektrischen Leiterstrukturen bereits integriert sind. Die flache Bauweise und der geringe Energiebedarf des Lüfters ermöglichen einen Einbau in tragbare Geräte wie beispielsweise Laptops, Handys und dergleichen. Mit der Option, die Membran bzw. Membranen aus magnetischen Folien aufzubauen oder mit magnetischen Folien zu versehen und die elektrische(n) Leiterstruktur(en) ortsfest anzuordnen, können Systeme mit hoher Lebensdauer für den dauerhaften Betrieb entwickelt werden. Die Energieaufnahme eines derartigen Membranlüfters liegt im mW-Bereich und ist daher sehr energiesparend. Auch bei größerem Abstand zu dem Lüfter werden im Gegensatz zu Fächerlüftern noch hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht.
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Bei einer Ausgestaltung, bei der lediglich zwei gegenüberliegende Seiten oder Seitenbereiche durch die Halterung verschlossen sind, wird bei Auslenkung der Membran bzw. Membranen zur Vergrößerung des Zwischenraums Luft von beiden offenen Seiten angesaugt. Durch Verwendung eines Membranlüfters mit mehreren elektrischen Leiterstrukturen, insbesondere Spulen, und zugehörigen Magneten zwischen den beiden Öffnungen kann beim Ausströmen der angesaugten Luft eine Vorzugsrichtung der Ausströmung erzeugt werden, indem die einzelnen Leiterstrukturen zwischen den beiden Öffnungen geeignet phasenverschoben angesteuert werden. Dies gilt für beide Alternativen.
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Figurenliste
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Der vorgeschlagene Membranlüfter und das zugehörige Betriebsverfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 in drei Teilabbildungen a-c die Betriebsweise des Membranlüfters in stark schematisierter Darstellung;
- 2 eine Draufsicht (a) auf eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Membranlüfters und eine Querschnittsansicht (b) dieser Ausgestaltung;
- 3 eine Seitenansicht (a) der Anordnung eines Permanentmagneten und der Spule einer Membran sowie eine Draufsicht (b) auf Magnetfeldkomponenten in der Ebene der Membran;
- 4 eine Ausgestaltung, bei der die Membran eine magnetische Folie trägt und eine elektrische Spule getrennt von der Membran statisch angeordnet ist; und
- 5 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung mit beidseitigen Öffnungen und mehreren Spulen und Magneten.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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In 1 ist die prinzipielle Wirkungsweise des Membranlüfters stark schematisiert dargestellt. Die 1a zeigt in Seitenansicht die beiden übereinander angeordneten Membranen 1, 2 in Ruhestellung, die durch eine Halterung 3 getragen werden. Bei Auslenkung der beiden Membranen 1, 2 zueinander, wie dies in 1b schematisch angedeutet ist, verkleinert sich der Zwischenraum 4 zwischen den Membranen 1, 2, so dass Luft in Pfeilrichtung ausgestoßen wird. Werden die Membranen 1, 2 anschließend in der entgegengesetzten Richtung ausgelenkt, so vergrößert sich der Zwischenraum 4, Luft wird angesaugt (1c) und kann anschließend, wie in 1b dargestellt, wieder ausgestoßen werden. Der Membranlüfter kann auch so ausgestaltet sein, dass eine der beiden Membranen 1, 2 durch eine starre Platte ersetzt wird. Damit kann die gleiche Wirkung erzielt werden, wobei das jeweils ausgestoßene Luftvolumen jedoch gegenüber der in 1 dargestellten Ausgestaltung verringert ist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Membranlüfters in Draufsicht (2a) und Seiten- bzw. Querschnittsansicht (2b) in schematischer Darstellung. Der Membranlüfter weist hierbei zwei übereinander liegende Membranen 1, 2 auf, die von der Halterung 3 getragen werden. Die Halterung 3 ist dabei so ausgestaltet, dass sie den Zwischenraum zwischen den beiden Membranen 1, 2 auf drei Seiten verschließt. Im Zentrum der beiden Membranen 1, 2 ist jeweils eine elektrische Spule 5 ausgebildet, bspw. als Planarspule, die über in der Figur nicht dargestellte elektrische Anschlüsse mit Wechselstrom beaufschlagbar sind. Unterhalb der beiden Membranen 1, 2 ist in diesem Beispiel ein Permanentmagnet 6 angeordnet, der scheiben- oder zylinderförmig ausgebildet ist und die Pole an den Stirnflächen aufweist. Die zentrale Achse durch die beiden Pole verläuft dabei durch die Zentren der Spulen 5 der beiden Membranen, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Permanentmagnet 6 ist dabei vorzugsweise an der Halterung 3 befestigt. Prinzipiell kann der Magnet auch zwischen den beiden Spulen 5 angeordnet sein oder es können auch zwei Magnete beidseitig der übereinander angeordneten Membrane 1, 2 genutzt werden. Bei dem vorgeschlagenen Membranlüfter beträgt der Abstand zwischen den beiden Membranen 1, 2 bzw. zwischen der Membran und dem plattenförmigen Element vorzugsweise weniger als 5 mm, besonders bevorzugt ≤ 1 mm.
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3 zeigt das elektrodynamische Wirkungsprinzip in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Membranlüfters, beispielsweise der Ausgestaltung der 2. In 3a ist hierzu der Permanentmagnet 6 sowie eine der Membranen 1 mit der darauf angeordneten Spule 5 zu erkennen. Die Magnetfeldlinien 7 des Permanentmagneten 6 verlaufen zwischen den beiden Polen des Magneten. Eine dieser Magnetfeldlinien 7 ist stark schematisiert in der 3a angedeutet. Durch diese Anordnung des Permanentmagneten 6 mit seiner zentralen Achse 10 durch das Zentrum der Spule 5 verlaufen in der Ebene der Membran 1 (bei nicht ausgelenkter Membran) Magnetfeldkomponenten 8 senkrecht zu den Spulenwindungen 9, von denen in der 3b lediglich eine angedeutet ist. Damit wird beim Stromfluss durch die Spule 5 eine Lorentzkraft auf Spule 5 und damit auch auf die Membran 1 ausgeübt, die je nach Stromrichtung zur Auslenkung der Membran 1 nach oben oder nach unten führt. Durch einen Wechselstrom wird die Membran 1 somit mit der Frequenz des Wechselstroms (bei geeigneter Wahl der Frequenz) nach oben und nach unten ausgelenkt. Vorzugsweise wird die Membran 1 hierbei in Resonanz betrieben, die Frequenz des Wechselstroms also so gewählt, dass die Membran 1 in eine resonante Schwingung versetzt wird, die dann zum entsprechenden Ansaugen und Ausstoßen der Luft gemäß 1 führt. Bei Nutzung von zwei Membranen übereinander wie bei 1 oder 2 müssen die beiden Spulen 5 phasenversetzt betrieben werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, vorzugsweise werden die beiden Spulen 5 dabei mit der gleichen Frequenz gegenläufig, d.h. mit einer um 180° phasenversetzten Wechselspannung, angesteuert.
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Mit einer Ausgestaltung wie die der 1 kann der Membranlüfter mit sehr geringer Bauhöhe von weniger als 5 mm realisiert werden. Ein Prototyp mit auf die Membranen aufgeklebten Spulen einer Dicke (der Spulen) von 180 µm hatte dabei eine Gesamthöhe von 3,5 mm ohne Magnet. Bei ausreichender Amplitude und Frequenz der Wechselströme durch die Spulen werden Strömungsgeschwindigkeiten von über 2,5 m/s erreicht. Auch in größerem Abstand mehreren Zentimetern zur Öffnung des Zwischenraums zwischen den beiden Membranen wurden noch hohe Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 1 m/s gemessen, wodurch auch Bauteile mit größerem Abstand zum Membranlüfter noch effektiv gekühlt werden können.
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Anstelle der Spulen auf der Membran oder den Membranen und dem ortsfest angeordneten Magneten können auch die Membranen mit einem geeigneten Magneten versehen werden und wenigstens eine elektrische Spule separat davon ortsfest platziert. Dies ist schematisch in 4 angedeutet, bei der eine mit der Halterung verbundene ortsfeste elektrische Spule 11 und ein auf der Membran 1 angeordneter Permanentmagnet 12, beispielsweise in Form einer magnetischen Folie, dargestellt sind. Durch Beaufschlagung der Spule 11 mit einem Wechselstrom wird auch hier eine Auslenkung der Membran durch elektrodynamische Wechselwirkung ermöglicht.
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Bei einer Ausgestaltung des Membranlüfters mit zwei gegenüber liegenden Öffnungen werden in einer Ausgestaltung mehrere Spulen zwischen den beiden Öffnungen auf den Membranen platziert. Dies ist schematisch mit zwei Spulen 5 in Draufsicht in 5 angedeutet. Durch statische bzw. ortsfeste Anordnung eines oder mehrerer Permanentmagnete separat von den Membranen, beispielsweise in ähnlicher Weise wie bei 2, können die Membranen wiederum bei Beaufschlagung der elektrischen Spulen 5 mit einem Wechselstrom geeignet ausgelenkt werden. Die Spulen 5 auf den Membranen sind dabei vorzugsweise paarweise übereinander angeordnet, wie auch bei 2 dargestellt. Diese Ausgestaltung ermöglicht durch geeignete phasenversetzte Ansteuerung nicht nur der Spulen von oberer und unterer Membran, sondern auch der Spulen einer Membran die Erzeugung einer Vorzugsrichtung beim Ausstoßen der angesaugten Luft. So kann beispielsweise der linke Bereich der in 5 dargestellten Membran 1 zunächst nach unten ausgelenkt werden und anschließend der rechte, um eine Vorzugsrichtung der ausgestoßenen Luft nach rechts zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- untere Membran
- 2
- obere Membran
- 3
- Halterung
- 4
- Zwischenraum
- 5
- elektrische Spule
- 6
- Permanentmagnet
- 7
- Magnetfeldlinie
- 8
- Magnetfeldkomponente
- 9
- Spulenwindung
- 10
- zentrale Achse
- 11
- ortsfeste elektrische Spule
- 12
- Permanentmagnet auf Membran
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019004272 A1 [0004]
