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Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Lüftungsanlage mit einer Lüftungseinheit, einer Antriebseinheit und mindestens einem Riemenantrieb, wobei der Riemenantrieb einen elastischen Keilrippenriemen aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die Lüftungsanlage eine Klimaanlage mit einem elastischen Keilrippenriemen zum Antrieb der Lüftungseinheit mittels Antriebseinheit, wobei dieser Keilrippenriemen einen elastischen Cord aus Polyamid oder Polyester aufweist und einfach wechselfähig ist. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben einer Lüftungsanlage, wie einer Klimaanlage, beschrieben, wobei der Antrieb der Lüftungseinheit mittels Antriebsscheibe per Riemenantrieb und hier durch Übertragung der Kraft mittels elastischem Keilrippenriemen erfolgt. Außerdem wird die Verwendung elastischer Keilrippenriemen zur Kraftübertragung von einer Antriebseinheit auf eine Lüftungseinheit im Betrieb einer Lüftungsanlage, wie in einer Klimaanlage, offenbart. Schließlich wird ein Wechselbausatz zum Austausch eines elastischen Keilrippenriemens eines Riemenantriebs, einer Lüftungsanlage, insbesondere Klimaanlage, beschrieben, umfassend eine flächige Montagehilfe sowie einen Wechselriemen, der ein elastischer Keilrippenriemen ist.
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Stand der Technik
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In Heat Ventilation and Air Condition Vorrichtungen, auch als HVACs bekannt, die auch als Lüftungsanlagen und insbesondere als Klimaanlagen bekannt sind, laufen Lüfterräder oft mit mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute. Hierbei werden heutzutage zur Kopplung dieser Lüfterräder an Standard-Asynchronmotoren mit wenigen Tausend Umdrehungen pro Minute meist Riemenantriebe verwendet, insbesondere mit Keilriemen sowie relativ kleine Scheiben an den Motoren und Lüftungsrädern zur Kraftübertragung. Diese Keilriemen sind nicht elastische Keilriemen, die ein bis fünf parallele Keilriemen umfassen. Die Kraftübertragungsscheiben an den Einheiten sind meist relativ klein ausgestaltet; dies ist aus Bauraumgründen und um eine dementsprechende Übersetzung der Kraft in höhere Umdrehungen notwendig. Hierbei ist insbesondere auch der Keilriemenschlupf bei der Dimensionierung des verwendeten Keilriemens zu berücksichtigen, denn Leistung und Leistungsaufnahme der Lüfterräder variieren mit der Drehzahl überproportional. Die eingesetzten Keilriemen sind nicht-elastische, dimensionsstabile Keilriemen, die ein übliches Verschleißbauteil darstellen und entsprechend aufgrund der hohen Aufforderungen an die Riemen bei HVAC häufig ausgewechselt werden müssen. Üblicherweise wird dabei auf einen Spanner zum Aufrechterhalten der Spannung des Riemens aus Kostengründen verzichtet. Vielmehr wird zum Riemen-Auflegen, -Spannen und -Nachspannen der Achsabstand der Scheiben verändert.
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Die eingesetzten Riemen, nämlich Keilriemen einfacher Bauart, müssen entsprechend den HVACs hohen Anforderungen genügen. Häufig ist ein Dauerbetrieb unter Volllast, mit gelegentlicher Überlast gegen Überhitzungen und höherer Leistungsdichte zur Baurauminimierung gegeben. Darüber hinaus müssen diese dennoch eine geringe Ausfallrate zur Sicherheit gewährleisten, d. h., Sicherheit gegenüber einem Ausfall, um dadurch z. B. das Erhitzen von Räumen zu vermeiden. Beispielhaft seien hier Serverräume genannt, aber auch Klimaanlagen im Wohn- und Arbeitsbereich.
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Entsprechend häufig sind Wartungen notwendig, z. B. mehrmals im Jahr, mit dabei im Wartungsrhythmus häufig durchgeführten vorbeugenden Wechseln der eingesetzten Keilriemen. Allerdings sind diese Wartungen und Wechsel zeitaufwendig, sie beinhalten das Entspannen durch Achsabstandsverringerung der beiden Einheiten mit Antriebs- und Abtriebsscheibe, um den Riemen zu entspannen, abnehmen des Riemens und auflegen eines neuen Riemens mit anschließendem erneuten Spannen des Riemens durch Achsabstandsvergrößerung auf eine vorgeschriebene Vorspannung. Diese vorgeschriebene Vorspannung wird dabei üblicherweise mittels Schwingungsmessung bestimmt. Bei manchen Wartungen kann aber lediglich ein Nachspannen, wie oben beschrieben, notwendig sein ohne Keilriemenwechsel. Dies beinhaltet dennoch eine zeitaufwendige Arbeit insbesondere unter beengten Verhältnissen. Diese sehr arbeitsaufwendigen Wartungen ggf. mit vorbeugendem Wechsel des Keilriemens, finden nicht nur unter beengten Verhältnissen statt, sondern sind darüber hinaus durch weitere äußere Einflüsse, wie ein Festrosten der Mittel zum Verändern des Achsabstandes oder durch Fremdkörper aus der Umgebung, verschlechtert. Häufig wird daher gegen die Vorschriften der Riemenhersteller der Altriemen durch einfaches Herunterschneiden entfernt und der neue Riemen z. B. mittels Hebelmittel, wie Schraubendreher, auf die Scheiben draufgehebelt. Neben möglichen Beschädigungen des Gummis des Keilriemens durch das Aufhebeln durch das Hebemittel findet auch eine unzulässige Dehnung der verwendeten Basisriemen, üblicherweise Keilriemen, statt. Eine entsprechende Reklamation beschädigter Riemen beim schnellen Verschleiß wird dadurch meist durch die Riemenhersteller verneint, da die durch das Aufhebeln entstandenen Spuren schnell erkannt werden.
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Insbesondere die Achsabstandsänderung erfordert einen umfangreichen Arbeitsaufwand der Wartungspersonen. Ein Vermeiden dieser Änderungen der Achsabstände der Antriebseinheit und der Abtriebseinheit ist daher wünschenswert.
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Darüber hinaus erzeugt der Riemenantrieb beim Betrieb selbst einen Energieverlust nicht nur aufgrund des Schlupfs von 0,5 %, sondern vor allem aufgrund der inneren Reibung im Riemen, diese kann Riemenbetrieb-abhängig im Bereich von 2 bis 4 % bei Volllast liegen. Energieverluste geraten immer mehr in das Visier der Hersteller aber auch der entsprechenden Umweltinstitutionen und -organisationen und staatlichen Einrichtungen zur Senkung des Energieverbrauchs. Aufgrund der weit verbreiteten Nutzung sind daher bereits bei minimalen Reduzierungen in den Energieverlusten, z. B. der Riemenantriebe, deutliche Energiesparpotenziale aufzuweisen.
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Daher ist es ebenfalls wünschenswert, diese Riemenverluste zu verringern, wenn möglich zu vermeiden. Es zeigte sich allerdings, dass ein komplettes Eliminieren der Riemen z. B. durch Direktantriebe, aus Kosten- und Bauraumgründen nicht durchsetzbar sind, sodass am Riemen selbst ein Riemenverlust reduziert werden sollte.
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Frühere Untersuchungen zur Reduktion des Energieverlustes der Riemen lehren Zahnriemen statt Keilriemen und Keilrippenriemen einzusetzen. Untersuchungen im Volllastdauerbetrieb bei HVACs zeigten, dass Zahnriemen einen besseren Gesamtwirkungsgrad aufzeigen als derzeit verwendete Keilriemen. Entsprechend ist eine der derzeitigen Auffassungen, Keilriemen durch Zahnriemen zu ersetzen.
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Allerdings zeigen sich hierbei verschiedene Nachteile. Die maximalen Umfangsgeschwindigkeiten von Zahnriemen sind gegenüber Keilriemen, wie sie sonst in HVACs verwendet werden, verringert. Um diesen Nachteil zu überwinden, werden kleinere Scheiben verwendet, das Verwenden dieser kleinen Scheiben wirkt aber den Vorteilen der höheren Nennleistungen und des höheren Rhythmusgrades entgegen, sodass die tatsächlichen Vorteile der Zahnriemen in der Praxis gering sind.
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Darüber hinaus sind bei Zahnriemengetrieben die Sollübersetzungen nicht ausreichend, sodass die Lüfterleistung insgesamt verringert ist und um diese Lüfterleistung im gewünschten Umfang zu erreichen, wird durch das Erhöhen der Umdrehungszahl der absolute Energieverbrauch gesteigert.
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Darüber hinaus emittieren Zahnriemen bei hoher Umfangsgeschwindigkeit höher frequenten Schall, insbesondere eine höhere Schallfrequenz als Keilriemen und Keilrippenriemen, sodass sich bei Verwendung von Zahnriemen zusätzliche Schallschutzmaßnahmen notwendig sind. Darüber hinaus sind Zahnriemen-basierte Antriebe teurer als Keilriemen-basierte, da die Zahnriemenscheiben teurer sind. Entsprechend ist die propagierte Lösung oben genannter Probleme, die Verwendung von Zahnriemen, tatsächlich nicht geeignet die Probleme zu überwinden.
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Elastische Keilriemen und Keilrippenriemen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden bereits mit verschiedenen Antrieben genutzt, so z. B. für Economy-KFZ-Nebenaggregatantriebe als auch für Waschmaschinen-Trommel-Antriebe.
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Der Einsatz von Keilrippenriemen in HVACs ist bisher nicht beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Lüftungsanlagen, HVAC, mit neuen Riemenantrieben, die insbesondere in Bezug auf Energieeffizienz und Wartung, insbesondere Montagefreundlichkeit, verbessert sind.
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Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Lüftungsanlage mit einer Lüftungseinheit, einer Antriebseinheit und mindestens einem Riemenantrieb, wobei die Antriebseinheit zumindest eine Antriebsscheibe als Teil des Riemenantriebs aufweist und die Lüftungseinheit mindestens eine Abtriebsscheibe als Teil des Riemenantriebes aufweist. Die Lüftungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Riemenantrieb einen elastischen Keilrippenriemen aufweist.
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Vorliegend zeigte sich, dass trotz hoher Belastung und unter Volllast und hohen Anforderungen an die Beständigkeit zur Leistungsübertragung von Antriebseinheiten auf Lüftungseinheiten, wie Lüftungsräder, insbesondere bei HVACs mit elastischen Keilrippenriemen statt Keilriemen oder Zahnriemen, wie bisher im Stand der Technik durchgeführt, gute Ergebnisse erzielt werden können.
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Elastische Keilrippenriemen zeigen einen Volllastwirkungsgrad, der höher ist als der bei bisher verwendeten Keilriemen, und vergleichbar ist mit dem bei Zahnriemen. Die erfindungsgemäßen Keilrippenriemen in den Lüftungsanlagen erlauben eine bessere Montage, da der benötigte Raum zur Montage, die Montagefreiheit, kleiner ist als bei Keil- und Zahnriemen. Durch die elastische Dehnung ist eine Achsabstandsveränderung nicht notwendig, darüber hinaus sind Spannrollen ebenfalls nicht notwendig. Die Montage ist somit wesentlich einfacher und schneller möglich als bei bisherigen nicht elastischen Keilriemen oder Zahnriemen. Darüber hinaus zeigen die elastischen Keilrippenriemen eine vergleichbare Leistungsdichte, d. h. Baubreite pro Leistung bei gleichen Scheibendurchmessern und -drehzahlen, wie bisherige Keilriemen. Aufgrund der Elastizität können die erfindungsgemäß verwendeten elastischen Keilrippenriemen darüber hinaus die Vorspannung länger halten als vergleichbare Keil- und Zahnriemen. Ein zwischenzeitliches Nachspannen, insbesondere durch die dadurch notwendige Achsabstandsveränderung, fällt somit weg. Zusätzliche Wartungstermine können gestrichen werden.
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Unter „elastisch“ wird dabei vorlegend verstanden, dass der Riemen über eine Rückstellkraft verfügt. Übliche Verformungswege eines elastischen Riemens liegen hierbei zwischen 2 und 6% in Abhängigkeit der Anwendung. Diese elastischen Keilrippenriemen weisen dabei einen elastischen Cord auf, der wie eine Feder wirkt und entsprechend erlaubt, bei einem gewissen Vorspannweg den gewünschten Vorspannkraftbereich auch bei üblichen Achsabstands- und Riementoleranzen einzustellen. Solche elastischen Corde, die meistens aus Polyamid gebildet werden, finden sich in entsprechenden Keilrippenriemen-betriebenen Antrieben. Bei solchen Antrieben kann einerseits die Spannrolle weggelassen werden, andererseits erträgt der elastische Cord eine Überdehnung von z. B. mindestens 1 % ohne Probleme.
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Es können dieselben Scheibenwirkdurchmesser wie bei Keilriementrieben genutzt werden, um dieselben Lüfter-Drehzahlwerte zu liefern. Im Vergleich zu Zahnriemen ist im Betrieb der elastischen Keilrippenriemen leiser mit angenehmeren (niederfrequenteren) Frequenzen. Ggf. können durch geräuschmindernde Rippenauflagen, wie Textil, Fasern oder Flock diese Geräusche weiter reduziert werden.
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Somit sind entsprechende Lüftungsanlagen, die erfindungsgemäß mit elastischen Keilrippenriemen ausgestattet sind, einfacher in ihrer Wartung, der Wechsel der Riemen ist insbesondere leichter, ohne die Vorteile von Keilriemen zu verlieren. Elastische Keilrippenriemen eignen sich insbesondere für schnell laufende Antriebe in den Lüftungsanlagen, wie man sie zum Betreiben des dort vorliegenden Kompressors, Ventilators oder Gebläses benötigt.
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Bei dem elastischen Keilrippenriemen, wie er erfindungsgemäß in Riemenantrieben für Lüftungsanlagen eingesetzt wird, handelt es sich um einen bevorzugt mit einem elastischen Cord aus Polyamid oder Polyester. Dem Fachmann sind geeignete Cord-Materialien bekannt. Diese Cord-Materialien liegen entsprechend als Zugstränge in den elastischen Keilrippenriemen vor und verleihen dem Keilrippenriemen die gewünschte Elastizität.
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In einer Ausführungsform ist der elastische Keilrippenriemen einer mit einem Cord aus Polyamid und/oder Polyester, wie insbesondere Polyamid.
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In einer Ausführungsform ist der erfindungsgemäß zu verwendende elastische Keilrippenriemen einer auf EPDM-Basis. Dem Fachmann sind übliche Mischungen für die Riemenkörper der Keilriemen bekannt. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke werden allgemein zur Herstellung von Keilrippenriemen eingesetzt. Die erfindungsgemäß zu verwendenden elastischen Keilrippenriemen sind übliche elastische Keilrippenriemen, wie sie auf dem Markt verfügbar sind.
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In einer Ausführungsform sind die elastischen Keilrippenriemen zusätzlich mit geräuschmindernden Rippenauflagen ausgestattet. Diese Rippenauflagen können übliche Rippenauflagen sein, z. B. auf Basis von Textil, Fasern oder Flock. Geeignete Materialien, wie Gewebeauflagen, sind dem Fachmann bekannt. Das Auflegen und das Verbinden mit dem Riemenkörper erfolgt gemäß üblichen Verfahren.
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In einer Ausführungsform weisen die Riemenmischungen zusätzlich eine Faserverstärkung auf. D.h., dass die Riemenmischungen sind faserhaltig, z. B. solche Riemenmischungen auf EPDM-Basis, die ggf. faserhaltig sind. In einer anderen Ausführungsform sind die entsprechenden Riemenmischungen faserfrei oder nur Teilbereiche des Riemens sind faserhaltig ausgebildet. Geeignete Fasern, die üblicherweise als Kurzfasern eingebracht werden, sind solche auf Basis von natürlichen oder synthetischen Fasern einschließlich Baumwollfasern oder Polyesterfasern. Eine Faserverstärkung der Riemenkörper ist dem Fachmann aus dem Gebiet bekannt.
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In einer Ausführungsform ist der elastische Keilrippenriemen einer, der eine Elastizität von mindestens 2 % oder maximal 4 % aufweist. Elastische Riemen, wie die erfindungsgemäß verwendeten elastischen Keilrippenriemen, verfügen über eine Rückstellkraft. Diese Rückstellkraft wird genutzt um bei einem definierten Weg (Weg zwischen Auflege- und Betriebsposition) eine definierte Kraft zu erreichen, so dass der Riemen ohne Einwirkung eines Spanners auf Betriebsspannung bleibt. Unter Zuhilfenahme eines Montagetools kann der Riemen direkt in Betriebsposition montiert werden, dabei wird der Riemen während des Auflegens elastisch verformt. Die notwendige Elastizität des Riemens kann errechnet werden als prozentuale Dehnung. Diese prozentuale Dehnung berechnet sich aus der Formel: π mal der Tiefe mit der der Riemen in der Scheibe liegt/Riemenlänge in Prozent. Bei einem Riemen mit einer Länge von 1250 mm und einer Tiefe in der Scheibe von 10 mm ergibt sich ein Wert von ca. 2,5%.
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Der erfindungsgemäß verwendbare elastische Keilrippenriemen erlaubt die einfache Montage des elastischen Keilrippenriemens in einer Lüftungsanlage. Diese Montage kann auch unter beengten Verhältnissen erfolgen. Zusätzliche Arbeitsschritte, insbesondere die Achsabstandsveränderung der Einheiten, ist nicht notwendig. Sowohl die Demontage als auch die Montage kann ohne Achsabstandsveränderung erfolgen, wie weiter unten ausgeführt.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lüftungsanlage ist diese eine Klimaanlage. Die entsprechenden Lüftungsanlagen sind insbesondere solche, die der Fachmann unter HVACs (heat ventilation and air condition) kennt. In einer Ausführungsform ist dabei die Lüftungsanlage eine, bei der die Lüftungseinheit ein Lüfter, eine Kühleinheit oder Lufterwärmungseinheit ist. Die erfindungsgemäßen Lüftungsanlagen zeichnen sich dadurch aus, dass die Lüfterräder eine hohe Drehzahl aufweisen.
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In einer Ausführungsform zeichnet sich die Lüftungsanlage dadurch aus, dass sie keine zusätzlichen Spannrollen oder andere Spanneinrichtungen zum Spannen des elastischen Keilrippenriemens aufweist. Insbesondere benötigt eine erfindungsgemäße Lüftungsanlage keine Achsabstandsveränderungseinrichtungen, wie sie in Lüftungsanlagen mit Keilriemen oder Zahnriemen notwendig sind.
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In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Lüftungsanlage mit einer Lüftungseinheit, einer Antriebseinheit und einer Riemeneinheit, wobei die Antriebseinheit mindestens eine Antriebsscheibe als Teil des Riemenantriebs und die Lüftungseinheit mindestens eine Abtriebsscheibe als Teil des Riemenantriebs aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei den Schritt, dass die Übertragung der Kraft von der Antriebsscheibe auf die Abtriebsscheibe mit einem elastischen Keilrippenriemen erfolgt.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der elastische Keilrippenriemen einer wie vorliegend definiert. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen elastischen Keilrippenriemen mit einem Riemenkörper auf EPDM-Basis, der ggf. faserhaltig ist.
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Die Kraftübertragung unter erfindungsgemäßer Verwendung des elastischen Keilrippenriemens erfolgt dabei in gleicher Art und Weise wie unter Verwendung von herkömmlichen Keilriemen. D.h., es müssen keine konstruktiven Änderungen durchgeführt werden. Ggf. erfolgt der Betrieb derart, dass die Antriebsscheiben des Riemenantriebs an ihren Durchmessern geändert werden, um äquivalente Wirkdurchmesser zu erhalten bzw. die Scheiben an die verwendeten Riemen angepasst sind.
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Darüber hinaus beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wartung und zum Wechsel von Riemen bei Lüftungsanlagen, wobei ohne Achsabstandsveränderung elastische Keilrippenriemen demontiert und montiert werden. Hierbei wird bevorzugt ein erfindungsgemäßer Wechselbausatz zum Austausch eines elastischen Keilrippenriemens eines Riemenantriebs einer Lüftungsanlage, insbesondere einer Klimaanlage, genutzt.
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In einem weiteren Aspekt wird daher ein Wechselbausatz zum Austausch eines elastischen Keilrippenriemens eines Riemenantriebs einer Lüftungsanlage, insbesondere einer Klimaanlage, bereitgestellt. Dieser Wechselbausatz umfasst neben dem Wechselriemen, der ein elastischer Keilrippenriemen ist, eine flächige Montagehilfe zum Abziehen und/oder Aufziehen des elastischen Keilrippenriemens auf die Riemenscheiben des Riemenantriebs. Hierdurch ist eine einfache Demontage und Montage ohne Abstandsveränderung in der Lüftungsanlage, insbesondere unter beengten Raumverhältnissen, möglich. Die Montagehilfe ist dabei flächig ausgebildet, z. B. ein Textilband oder eine andere beständige flächige Montagehilfe, wie auf Basis eines Kunststoffes, die bei Demontage in eine Scheibe eingezogen und damit die Keilrippen des elastischen Keilrippenriemens aus den entsprechenden Vertiefungen der Scheibe löst, so dass ohne Beschädigung der Scheibe und des elastischen Keilrippenriemens dieses Band einfach radial heruntergezogen werden kann.
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In gleicher Art wird der neue elastische Keilrippenriemen montiert, d. h., der elastische Keilrippenriemen wird auf die erste Scheibe, üblicherweise die kleinere der beiden Scheiben, aufgelegt und dann auf die große Scheibe mit der zwischengezogenen Montagehilfe aufgerollt. Auch hier kann ein Beschädigen von sowohl der Rolle als auch des elastischen Keilrippenriemens vermieden werden. Durch einfaches Weiterdrehen des Riemenantriebs kann die Montagehilfe wieder entfernt werden.
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Dadurch wird sowohl eine Beschädigung des Riemens, wie sie z. B. bei „Montage“ durch Schraubendreher oder ähnliche Hebelmittel erfolgt, vermieden. Gleichzeitig ist eine Achsabstandsveränderung nicht notwendig und auch die Riemenscheiben werden nicht beschädigt. Die Verwendung und das Verfahren erlauben eine Demontage und Montage unter beengten Verhältnissen, wobei diese Montage einfach und schnell erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wird daher die Verwendung von elastischen Keilrippenriemen, insbesondere von solchen, wie sie vorliegend weiter definiert sind, zur Kraftübertragung von einer Antriebseinheit auf eine Lüftungseinheit in einer Lüftungsanlage, insbesondere Klimaanlage, beschrieben.