DE4126733C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis der Verschmutzung des eintrittsseitigen Luftfilters eines Lüfters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis der Verschmutzung des eintrittsseitigen Luft­ filters eines Lüfters gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 2.

In Schaltschränken und sonstigen Gehäusen von Computern, elektronischen Geräten usw. wird Verlustwärme erzeugt, die zu Störungen bzw. Ausfällen führen kann. Um dies zu ver­ meiden, werden Lüfter verwendet, die Frischluft in das Gehäuse blasen. Die erzeugte Verlustwärme wird von der Frischluft aufgenommen und austrittsseitig nach außen abge­ führt. Dabei wird in der Regel die Luft in das Gehäuse eingeblasen, damit in dem Gehäuse ein leichter Überdruck aufrechterhalten wird, der das Eindringen von Staub verhin­ dert. Damit die Innentemperatur des Gehäuses nicht über den zulässigen Wert ansteigt, muß eine ausreichende Frischluft­ zufuhr gewährleistet sein. Die zunehmende Verschmutzung des eintrittsseitigen Luftfilters, üblicherweise einer Filter­ matte, verringert die Frischluftzufuhr und gefährdet damit die Betriebssicherheit.

Es ist daher in der Praxis üblich, die Filtermatten routine­ mäßig in empirisch ermittelten Zeitintervallen oder aufgrund visueller Kontrolle auszutauschen. Das Auswechseln in festen Zeitintervallen führt dazu, daß häufig noch funktionsfähige Filtermatten ausgetauscht werden, was kostenaufwendig ist. Das Auswechseln aufgrund der visuellen Erscheinung ist unsicher, da je nach Färbung der anfallenden Staubpartikel eine zu starke oder eine zu geringe Verschmutzung vorge­ täuscht werden kann.

Es ist weiter bekannt, die Verschmutzung des Luftfilters durch Messung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft zu bestimmen. Hierzu kann beispielsweise die Druckdifferenz vor und hinter der Filtermatte bestimmt werden. Weiter kann die durch die Luft­ strömung bewirkte Kühlung eines temperaturempfindlichen Wider­ standes ausgenutzt werden. Gemäß der JP 63-274422 A wird die durch den Impuls der Luftströmung bewirkte Auslenkung eines piezoelektrischen Elements gemessen. Diese Verfahren arbeiten entweder ungenau oder es muß ein hoher Aufwand betrieben werden, um die erforderliche Genauigkeit zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit kostengünsti­ gen Mitteln einen zuverlässigen und genauen Nachweis der Verschmutzung des Luftfilters eines Lüfters zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfah­ ren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 2.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung nützt die Erkenntnis aus, daß sich das radiale Geschwindigkeitsprofil der vom Lüfter austretenden Luftströ­ mung charakteristisch ändert, wenn der eintrittsseitige Luftfilter verschmutzt und sich dadurch dessen Luftdurchsatz verringert. Wird nämlich durch die Verschmutzung des ein­ trittsseitigen Luftfilters die Frischluftzufuhr zu dem Lüfter verringert, so reduziert sich die austrittsseitige Luftströmung in Geschwindigkeit und Volumen nicht gleich­ mäßig über die radiale Verteilung. Der Lüfter fördert viel­ mehr in dem radial äußeren Bereich auch bei reduzierter Frischluftzufuhr noch eine wesentliche Luftmenge. Reicht aufgrund der Verschmutzung des eintrittsseitigen Luftfilters die zuströmende Frischluft nicht aus, um die im radial äußeren Bereich von dem Lüfter austrittsseitige ausgeblasene Luftmenge nachzuliefern, so saugt der Lüfter im radial inneren Bereich von der Austrittsseite Luft an, d. h. im radial inneren Bereich des Austrittsquerschnitts kehrt die Luftströmungsrichtung um, und es bildet sich ein torusförmi­ ger Ringwirbel.

Es wird die Änderung der radialen Geschwindig­ keitsverteilung der Strömung der Luft an der Austrittsseite des Lüfters als Nachweis für die Verschmutzung des ein­ trittsseitigen Luftfilters verwendet. Sinkt die Strömungsge­ schwindigkeit im radial mittleren Bereich auf der Austritts­ seite des Lüfters unter einen bestimmten Betrag ab, so wird dies als Signal dafür verwendet, den eintrittsseitigen Luftfilter, in der Regel eine Filtermatte, auszutauschen.

Es wird die Umkehr der Strömungsrichtung detek­ tiert, um das Überschreiten der zulässigen Verschmutzung anzuzeigen. Die Bestimmung der Strömungsumkehr ist mit besonders einfachen Mitteln zu realisieren, da es nicht notwendig ist, die Strömungsgeschwindigkeit dem Betrage nach zu bestimmen. Störeinflüsse, wie z. B. die Lufttemperatur, Spannungsschwankungen und dergleichen, die sich auf die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit dem Betrage nach auswirken können, beeinflussen die Bestimmung des Umkehr­ punktes der Strömungsgeschwindigkeit nicht.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kann das Profil der Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte radiale Verteilung bestimmt werden, wozu ein radial verschiebbarer Sensor oder mehrere radial verteilte Sensoren verwendet werden. In einer für die meisten Anwendungsfälle ausreichenden besonders kostengünstigen Ausführung genügt es jedoch, im radial inneren Bereich des Austrittsquerschnittes einen Sensor anzuordnen, der die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt und/oder insbesondere die Umkehr der Strömungsrichtung detektiert. Eine Bestimmung des Betrages der Strömungsge­ schwindigkeit ermöglicht eine kontinuierliche, z. B. analoge Anzeige des Verschmutzungsgrades, wobei der Zeitpunkt bzw. der Verschmutzungsgrad, bei welchem ein Auswechseln des Filters vorgesehen wird, frei gewählt werden kann. Die Bestimmung des Betrages der Strömungsgeschwindigkeit macht allerdings in der Regel eine Kompensation von Störeinflüssen und eine entsprechende Eichung notwendig. Die Detektion der Umkehr der Strömungsrichtung gibt ein einfaches Signal bei dem entsprechenden Verschmutzungsgrad, welches beispielswei­ se optisch oder akustisch angezeigt werden kann oder ein Relais oder eine Triggerschaltung ansteuert. In dieser Ausführung sind die Anforderungen an den Sensor geringer, da in der Regel eine Kompensation von Störeinflüssen und eine exakte Eichung nicht erforderlich sind.

Als Sensoren können im wesentlichen alle Sensoren verwendet werden, die auf die Strömungsgeschwindigkeit der Luft an­ sprechen. Insbesondere können die bekannten Sensoren einge­ setzt werden, die die von der Luftströmung abhängige Kühlung eines elektrischen Widerstands ausnützen oder auf Druckdif­ ferenz ansprechen.

Besonders einfach sind Sensoren, bei welchen ein der Luft­ strömung ausgesetztes Plättchen elastisch ausgelenkt wird und die Auslenkung als Maß für die Luftströmung ausgewertet wird. Das Plättchen kann insbesondere eine einseitig einge­ spannte Blattfeder sein, die mit ihrem freien Ende in den radial inneren Bereich der austrittsseitigen Luftströmung ragt. Die Auslenkung kann magnetisch z. B. durch ein magne­ tisch aktives Halbleiterelement, wie z. B. einen Hall-Sensor, bestimmt werden. Ebenso können Dehnungsmeßstreifen oder induktive oder kapazitive Näherungssensoren zur Bestimmung der Auslenkung verwendet werden. Schließlich kann auch die Auslenkung bei Umkehr der Strömungsrichtung durch eine Lichtschranke abgetastet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Abb. 1 einen Axialschnitt durch einen Lüfter bei unverschmutztem Filter,

Abb. 2 den Lüfter bei verschmutztem Filter und

Abb. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäß einsetzbaren Sensors.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Lüfter aus einem Gehäuse 10, in welchem ein durch einen Elektromotor 12 angetriebener Axiallüfter 14 angeordnet ist. Auf der in der Zeichnung linken Lufteintrittsseite des Gehäuses 10 ist ein Luftfilter 16 in Form einer Filtermatte eingesetzt. Auf der in der Zeichnung rechten Austrittsseite weist das Gehäuse 10 einen kreisringförmigen, zur Achse des Lüfters 14 koaxialen offe­ nen Austrittsquerschnitt 18 auf.

Ist der Filter 16 unverschmutzt, so daß er den Luftdurch­ tritt nicht behindert, so fördert der Lüfter 14, wie in Abb. 1 durch die Pfeile angedeutet ist, die Luft im wesentlichen laminar und wirbelfrei axial durch das Gehäuse 10. An dem Austrittsquerschnitt 18 bildet sich dabei ein radiales Profil der Strömungsgeschwindigkeit aus, wie dies in Abb. 1 durch das Profil 20 eingezeichnet ist. Diesem Profil 20 entspricht eine über die gesamte radiale Breite des Austrittsquerschnitts 18 im wesentlichen konstante in Austrittsrichtung gerichtete Strömungsgeschwindigkeit.

Sobald der Filter 16 verschmutzt ist und dadurch der Ein­ tritt von Frischluft (in der Zeichnung von links) stark reduziert ist, bildet sich die in Abb. 2 durch Pfeile eingezeichnete ringwirbelförmige Luftströmung in dem Gehäuse 10 aus. Der Axiallüfter 14 fördert durch die Zentrifugal­ kräfte seiner Flügel die Luft in dem Gehäuse nach außen, so daß in dem radial äußeren Bereich des Gehäuses 10 ein Über­ druck entsteht, der in Abb. 2 durch + gekennzeichnet ist. Im radial inneren Bereich des Gehäuses 10 entsteht ein durch - gekennzeichneter Unterdruck. Der im radial äußeren Bereich herrschende Überdruck führt dazu, daß im radial äußeren Bereich des Austrittsquerschnitts 18 Luft in Aus­ trittsrichtung ausströmt. Der Unterdruck im radial inneren Bereich führt dazu, daß im radial inneren Bereich des Aus­ trittsquerschnitts 18 Luft von der Austrittsseite in das Gehäuse nach innen strömt, da der Zustrom von Frischluft durch den verschmutzten Filter 16 nicht zum Ausgleich des Unterdrucks ausreicht. Es bildet sich am Austrittsquer­ schnitt 18 somit das in Abb. 2 gezeigte Strömungsprofil 22 aus. Im radial äußeren Bereich des Austrittsquerschnitts 18 strömt die Luft in Austrittsrichtung nach außen, während im radial inneren Bereich des Austrittsquerschnitts 18 die Luft mit entgegengesetzter Strömungsrichtung nach innen in das Gehäuse 10 strömt.

Mit zunehmender Verschmutzung des frisch eingesetzten Fil­ ters 16 ändert sich der Verlauf des Strömungsprofils konti­ nuierlich von der anfänglichen Profilform 20 der Abb. 1 zu der Profilform 22 der Abb. 2.

Um diese Änderung des Strömungsprofils zu bestimmen und zum Nachweis der Verschmutzung des Filters 16 auszunutzen, wird erfindungsgemäß zumindest in dem radial inneren Bereich des Austrittsquerschnitts 18 ein Sensor angeordnet, der die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. In der einfachsten Ausführung genügt ein Sensor, der auf die Umkehr der Strö­ mungsrichtung anspricht und somit feststellt, wann der Filter 16 so stark verschmutzt ist, daß nicht mehr ausrei­ chend Frischluft durch den Filter 16 in das Gehäuse 10 ge­ langt, so daß sich die in Abb. 2 durch Pfeile darge­ stellten Ringwirbel bilden und eine ausreichende Wärmeabfuhr durch die zugeführte Frischluft nicht mehr gewährleistet ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Sensors ist in Abbil­ dung 3 dargestellt.

Mittig an dem Motor 12 ist das eine Ende einer streifenför­ migen Blattfeder 24 befestigt. Das freie Ende der Blattfeder 24 ragt radial in den radial inneren Bereich des Austritts­ querschnitts 18. Die Blattfeder 24 wird somit durch die Luftströmung im radial inneren Bereich des Austrittsquer­ schnitts 18 gegen ihre Eigenelastizität ausgelenkt. In dem auslenkbaren Bereich der Blattfeder 24 ist ein kleiner Permanentmagnet 26 angebracht. Dem Permanentmagnet 26 gegen­ über ist an dem Motor 12 ein Hall-Detektor 28 befestigt.

Kehrt in Folge der Verschmutzung des Filters 16 die Luft­ strömung im radial inneren Bereich des Austrittsquerschnitts 18 ihre Richtung um, so bewegt sich die Blattfeder 24 auf­ grund der in Abb. 3 durch einen Pfeil dargestellten Luftströmung gegen den Motor 12, und der Permanentmagnet 26 nähert sich dem Hall-Detektor 28. Der Hall-Detektor 28 liefert damit ein Signal, welches ein Maß für die Strömungs­ geschwindigkeit der Luft im radial inneren Bereich des Austrittsquerschnitts 18 und damit ein Maß für die Ver­ schmutzung des Filters 16 darstellt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Nachweis der Verschmutzung des eintritts­ seitigen Luftfilters eines Lüfters durch Messung der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft an der Austrittsseite des Lüfters, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehr der Strö­ mungsrichtung im radial inneren Bereich des Strömungsprofils der Luft an der Austrittsseite des Lüfters als Nachweis für die Verschmutzung verwendet wird.

2. Vorrichtung zum Nachweis der Verschmutzung des eintritts­ seitigen Luftfilters eines Lüfters durch Messung der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft an der Austrittsseite des Lüfters mittels eines Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor im radial inneren Bereich des Aus­ trittsquerschnitts (18) des Lüfters (14) angeordnet ist, der auf die Umkehr der Strömungsrichtung anspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren radial versetzt am Austrittsquerschnitt (18) des Lüfters (14) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor über die radiale Breite des Austrittsquerschnitts (18) des Lüfters (14) verschiebbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor ein durch die Luftströmung ela­ stisch auslenkbares Element (Blattfeder 24) aufweist, welches in den radial inneren Bereich des Austrittsquerschnitts (18) ragt und dessen Auslenkung gemessen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Elements (Blattfeder 24) magnetisch, induk­ tiv, kapazitiv, durch Dehnungsmeßstreifen oder optisch be­ stimmt wird.