JP2022527371A - ファン - Google Patents
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Abstract
Description
ファンの基本的設計に関しては、一例として、DE 10 2017 209 291 A1が参照される。
特に、そのようなファンを制御するために、このファン動作中の空気体積流量を求める必要がある。
従来、これは、電気モータの(特に、引き込まれた流量の)電気データのみに基づくものであった。
しかし、トルク特性の曖昧さに起因して、空気体積流量を一義的に算出することはできない。
また、差圧測定を用いた空気体積流量の算出が周知である。
これは、時間がかかり、多くの用途にとって大きすぎる不正確さが含まれる。
それ以外の場合、空気体積流量の算定は、差圧測定により、または、インペラアネモメータを用いて、ファン下流側で行われている。
この点に関しては、WO 2018/036802 A1が参照される。
周知の空気体積流量の測定または算定は、一方では、時間がかかり、他方では、不正確である。
したがって、これらは、ファン制御(一定体積流量制御)の基礎としては限定的に好適でしかない。
そのような空気体積流量の算定に基づいて、単純なファン制御機構を新たに作ることができるはずである。
また、本発明に係るファンは、競合する製品からは区別されるべきである。
この場合、インペラの回転時の空気体積流量を求める手段がファンに割り当てられる。
この空気体積流量を求める手段は、空気流中に設けられる体積流量測定ホイールを備え、この体積流量測定ホイールは、インペラの上流である流入側に設けられている。
そして、空気体積流量は、体積流量測定ホイールの回転速度から算出されるか、または、導出される。
これは、ファンの空気体積流量がそのような体積流量測定ホイールの回転速度から十分な正確さで導出できるという知見に基づいている。
この目的のために必要とされる構造的手段、すなわち、体積流量測定ホイールを、必要に応じて、さらなるハードウェアおよびソフトウェアとともに設けることは、後述される体積流量測定ホイールと、前述した手段のさらなる部材との両方に関して、きわめて単純であり、従来のファンに簡単に組み入れることができる。
同様のことが、体積流量測定ホイールがモータの近傍に設けられる構成に適用される。
両方の測定は、体積流量測定ホイールの単純な取り付けを可能にするだけでなく、その上、体積流量測定ホイールを通る空気流の妨げがほんのわずかであることを確実にする。
また、特に、体積流量測定ホイールが流入側に設けられていることから、この体積流量測定ホイールの具体的な構成を用いて、一方では、ノイズ発生に関して、他方では、性能または効率に関して、流れに有利な影響を与える。
この構造体は、ファンの機能性部品、例えば、この保護格子または流入側格子である。
このようにして、さらなる設計労力を必要とすることなく、ファンの既存の機能性部品を用いることができる。
したがって、これは、モータの軸またはシャフト、好ましくは、必要に応じて拡張されたシャフトに回転可能に取り付けられている。
体積流量測定ホイールの信号は、電気および/または磁気および/または音響および/または振動のセンサ技術/センサを用いて生成されるとよい。
したがって、電磁誘導測定、ホールセンサを用いた測定、光学測定、音響測定、または振動測定も用いられてよい。
したがって、磁気および/または光反射および/または電気素子は、体積流量測定ホイールの上に/内に、および/または、モータのロータの上に/内に、および/または、ファンの入口ノズルの上に/内に設けられている。
ここで、さらに設けられるセンサ技術を用いて、ファンの部材間、特に、モータとセンサ技術間の相互作用を利用することができる。
例えば、ロータ磁石と、体積流量測定ホイール上の電気素子との相互作用が用いられてよい。
ステータと体積流量測定ホイールとの間の、ロータの開口部を通した光アクセスも用いられてよい。
モータのステータと体積流量測定ホイールとの間の光アクセスも用いられてよい。
また、電気信号は、導電性素子を介して、例えば、モータ/体積流量測定ホイールのシャフトを介して伝達されてよい。
体積流量測定ホイールの音響シグネチャが測定されてよく、同様に用いられてよい。
特に、インペラ、または、そのブレードとの相互作用に起因する音響現象/シグネチャも用いられてよい。
上記実施形態によると、空気体積流量を求めるために、ファンの部材と上記電気素子との間の相互作用を用いて、物理的変数または合成された量を得てよい。
また、体積流量測定ホイールの回転速度は、直接的に静止基準系に関して、体積流量測定ホイールの信号から求めることもできる。
また、ファンのインペラの回転速度に対する体積流量測定ホイールの回転速度は、体積流量測定ホイールの信号から求められてよい。
本質的なことは、空気体積流量を信頼性高く求めることである。
そのため、空気体積流量を求める手段は、さらなる設置空間を一切必要としない。
体積流量測定ホイールは、入口側ですでに利用可能な空間を使用し、流れを促進し、ノイズを低減するために用いることができる。
そのため、空気体積流量を求める手段は、さらなる設置空間を一切必要としない。
体積流量測定ホイールは、入口側ですでに利用可能な空間を使用し、流れを促進し、ノイズを低減するために用いることができる。
必要に応じて、流入側の構造体に一体化された体積流量測定ホイールは、ファン用のモジュールとして、そのインペラに関係なく用いることができる。
様々なインペラ、入口ノズル、下流デフレクタ、または、設置状況について、体積流量測定ホイール、および、必要に応じて、インペラの回転速度に基づいて空気体積流量を求めるために、様々な校正値が保存され、用いられてよい。
この制御は、特に、予め設定されるか、または、予め設定可能な空気体積流量を維持するために用いられてよい。
これは、特に変化する動作条件にも適用される。
このようにして、制御機構が単純な手段により作られる。
この目的のため、一方では、請求項1に従属する請求項が参照され、他方では、図面に基づく、本発明に係るファンの実施形態について、以下の説明が参照される。
図面を参照して本発明の好ましい実施形態と、さらなる実施形態も説明される。
体積流量測定ホイール2は、ほぼその最も隙間のない箇所において、入口ノズル5の流れ断面の径方向領域の略全体にわたって延在する。
体積流量測定ホイール2は、ハブ7とこれに取り付けられるブレード6とにより構成されている。
実施形態において、体積流量測定ホイール2には、ファン1のインペラ3またはそのブレード9への流入にもたらすじょう乱を最小化する3つのブレード6が設けられている。
2~13個のブレード6を備える実施形態が考えられる。
そして、このシャフト13は、モータ4のロータ11の回転速度、つまり、ファン1のインペラ3の回転速度で回転する。
シャフト13は、モータ4の拡張されたシャフトである。
可能な限り低い摩擦トルクのベアリング構成(ボールベアリング、プレーンベアリング等)により、体積流量測定ホイール2は、自在に、シャフト13とその回転運動に依存せずに回転することができる。
体積流量測定ホイール2の回転速度は、ファンインペラ3に入口ノズル5を通して入る空気体積流量、つまり、ファン1により送られる空気体積流量の好適なインジケータとなる。
空気体積流量を求めるために、体積流量測定ホイール2の回転速度を求める必要がある。
この体積流量測定ホイール2は、入口ノズル5の流れ断面の径方向内側領域のみにわたって延在する。
そのため、空気体積流量の算定の正確度は、図1の実施形態と比較して、わずかに減少する場合がある。
しかし、体積流量測定ホイール2は、よりコンパクトで、製造費用がより低く、入口ノズル5を通って流入する空気にもたらされるじょう乱がより小さいため、ノイズ発生と効率の点で有利である場合がある。
この比の比例定数は、ブレード6の設計により制御することができる。
ブレード6は、航空機のエーロフォイルの断面と同様の断面を有している。
ブレード6の後縁は、薄く、好ましくは、1mm未満である。
ブレード6は、ねじれており、つまり、ブレード角度は、半径によって、つまり、ファン軸からの距離によって変化する。
前縁は、よれや角がない、やや丸められた形状を有している。
径方向外端において、ブレード6は、自由に延在する。
他の実施形態において、ブレード6は、リングによって互いに連結されてよく、これは体積流量測定ホイール2の安定性に関して有利ではあるが、入ってくる空気へのさらなる流れ抵抗を意味する。
実施形態において、ブレード6は、ファン軸から見て径方向に沿って略延在しているが、これにより、回転速度に起因する動作中の曲げ応力と変形が小さく留まることが達成される。
他の実施形態における体積流量測定ホイールのブレードの径方向外端は、特別な形状であってもよく、例えば、ウイングレット形状またはテーパ形状であってよい。
体積流量測定ホイールのブレードは、ループ状の構成を有してもよく、または、径方向外側領域において一対となって互いに連結されてもよい。
動作中、ハブリング10と、カバーリング8と、それらの間に延在するブレード9とにより構成されるファンインペラ3は、モータ4により駆動される。
ファン1のインペラ3は、取り付け部材15により、モータ4のロータ11に取り付けられている。
実施形態において、モータ4は、外部ロータモータであり、ロータ11から構成され、ロータ11は、ステータ12の径方向略外側に設けられている。
エアギャップ21は、ロータ11とステータ12との間に形成されている。
ステータ12に対してロータ11を支持するために、シャフト13は、ファン軸の領域に形成され、ロータ11に固定して連結され、部分的にステータ12の内側に延在する。
シャフト13は、ベアリング18を介してステータ12に回転可能に連結されている。
ステータ12は、電気素子用の受け入れ領域17を有している。
図中に明示されていない永久磁石は、ロータ11において、径方向外側領域に備えられる。
この領域におけるシャフト13に、体積流量測定ホイール2は、シャフト13に対して回転自在に取り付けられ、ベアリング19を用いて連結されている。
これにより、体積流量測定ホイール2は、モータ4のロータ11の回転速度に依存しない回転速度を得ることができる。
体積流量測定ホイール2の回転速度は、インペラ3に右側から入口ノズル5を通って入りファンによってその回転速度の結果として送られる空気体積流量により、定められる。
体積流量測定ホイール2の回転速度は、センサシステムによって測定され、空気体積流量を求めるために用いられている。
実施形態において、体積流量測定ホイール2は、入口ノズル5の流れ領域の径方向内側部のみにわたって延在することを見て取ることができる。
図3の実施形態と比較して、この実施形態では、そのブレード6を備える体積流量測定ホイール2が、入口ノズル5の流れ領域の径方向略全体にわたって延在することを見て取ることができ、これにより、空気体積流量は、いっそうさらに精度よく検出されることになる。
これは、特に、乱れた、非対称な流入条件の存在下に適用される。
しかし、そのような体積流量測定ホイール2は、また、サイズが大きくなり、製造がより複雑になり、流入にもたらされるじょう乱が大きくなるため、ノイズが大きくなり効率が低下する場合がある。
体積流量測定ホイール2の回転速度を求めるには、ロータ11に対する相対速度を求めて、ロータ11の回転速度に加算してよく、または、体積流量測定ホイール2の回転速度を静止系に対して、例えば、ステータ12に対して直接求めてよい。
ステータ12と体積流量測定ホイール2のブレード6との間の光アクセスは、例えば、ロータ11の開口部14を通して実現されてよい。
この開口部14は、エアギャップ21を通る、ファンインペラ3の流入領域の方への冷却空気流を可能にしている。
永久磁石を備えるロータ11に対する相対速度の結果、体積流量測定ホイール2に発生する交番磁界が利用されてよい。
センサまたは信号伝達装置、例えば、永久磁石、音響信号伝達装置、または発光ダイオードも静止部(ステータ12または入口ノズル5)に取り付けられてよい。
センサ信号は、処理され、さらに、電子システムで利用されてよく、電子システムは、有利には受け入れ領域17に設けられている。
体積流量測定ホイール2は、ベアリング用受け入れ領域20を有するハブ7と、移行部25でハブ7と連結されるブレード6とを備えている。
移行部25は、丸められており、良好な強度を有している。
ブレード6は、流れ方向から見てブレード6の前側に位置する流入側縁部23と、流れ方向から見てブレード6の後側に位置する流出側縁部24とを有している。
実施形態におけるブレード6、その流入側縁部23およびその流出側縁部24は、大きく湾曲している。
これは、流入側縁部23の内方部32が、ある程度軸平行の流入に最適化されているか、好適であり、外方部33が、ある程度略軸に向かって流れる径方向の流入に最適化されているか、好適であるという事実に基づいている。
特に、内方部32と外方部33との間の移行領域において、流入側縁部23またはブレード6は、大きく湾曲している。
磁石は、動作中に磁石と対向して位置するセンサ、有利には、ホールセンサとの相互作用により速度を検出するために用いられる。
磁石は、1つまたは複数のブレード6に鋳造されるか、貼り付けられるか、押圧されるか、または、固定されてよい。
全体的には、体積流量測定ホイール2の過度な不均衡を回避するため、円周方向に均一に配設される少なくとも2つの磁石を備えている。
流入側格子26は、図8に示すファン1の入口ノズル5の前方に取り付けられている。
流入側格子26の代わりに、体積流量測定ホイール2用の別のタイプの支持構造体、例えば、接触保護格子または支持構造部材も用いられてよいが、その支持構造体が、入口ノズル5への流入を著しく阻害しない場合に限られる。
図示される流入側格子26は、ファン1、ノズル5、または、ノズルプレート29(図8参照)の取り付け部27に取り付けられている。
ポンプにより輸送される媒体は、流入側格子26を通り、流れ開口部28を通って流れ、流れ開口部28は、流れる間の損失が低いように設計されている。
流入側格子26は、ファンの効率を増加させることもでき、流入割合を均一化することによりノイズ放出を低減することもできる。
回転可能に固定されるように流入側格子26に連結され、この流入側格子26に一体化されるか、または、締結される軸34は、体積流量測定ホイール2を支持する役割を果たす。
ファン動作中の空気速度の結果、体積流量測定ホイール2は、流入側格子26に対して回転し、その回転速度を測定することにより、動作中の空気体積流量を良好な正確さで求めることができる。
体積流量測定ホイール2のブレード6の流入側縁部23は、流入側格子26と対向し、離間して流入側格子26の内側輪郭に従っている。
正確な空気体積流量の測定を達成するために、体積流量測定ホイール2は、軸34を中心とするその回転を考える場合、流れが通過する領域の大部分、例えば、少なくとも90%を、流入側縁部23によりカバーする。
流入側格子26は、径方向外側領域に、より多くの径方向流れを有し、径方向内側領域に、軸方向流れを有している。
図5に関してすでに説明したように、体積流量測定ホイール2は、その内方部32と外方部33とにより、この流れパターンに良好に適合する。
ファン1の動作中、ハブリング10と、カバーリング8と、それらの間に延在するブレード9とを備えるインペラ3は、その軸を中心に略時計回りに回転する。
図7において、流入側格子26により視認不能な入口ノズル5は、ノズルプレート29に一体化されるか、取り付けられる(図8参照)。
流入側格子26を通って流れた後、ポンプにより輸送される媒体は、この入口ノズル5を通ってインペラ3内に入り、インペラ3内では径方向外側に送られ、径方向外側開口部においてインペラ3外に流出する。
ここでは、流入側格子26は、視認不能な体積流量測定ホイールを、すなわち、流入側格子26の内側に取り付けるのに好適な、囲まれた中央領域30を有している。
送られる媒体の体積流量の全体が、流入側格子26を通過する。
ある程度、ノズルプレート29に対向する、径方向外側領域において、入口速度は、ある程度径方向に向けられる。
軸または中央領域により近い領域において、入口速度は、より軸方向に向けられる。
体積流量測定ホイール2と、流入側格子26へのその取り付けが、明瞭に図示されている。
体積流量測定ホイール2を取り付けるための軸34は、受け入れ領域31を介して流入側格子26の中央領域30に固定され、インペラ3の軸と略同軸である。
受け入れ領域31は、ワンピースに流入側格子26に一体化されてよく、または、別体として、流入側格子26に、例えば、クリップされるか、貼り付けられてよい。
軸34は、受け入れ領域31に鋳造されるか、貼り付けられるか、押圧等されてよい。体積流量測定ホイール2は、ベアリングを用いて軸34に取り付けされている。
実施形態例において、不図示の2つのベアリングが設けられている。
体積流量測定ホイール2において、ベアリングは、受け入れ領域20において挿入され、受け入れ領域20は、ハブ7内にこの目的のために設けられている。
このようにして、体積流量測定ホイール2は、流入側格子26に対して、ファン1のインペラ3を駆動するモータ4のロータ11に依存せず、自由に回転することができる。
図1~図4の実施形態と比較して、体積流量測定ホイール2は、ここでは、ファン動作中に同様に静止している軸34に取り付けられている。
このことが、特に、低いベアリング摩擦に有利であるのは、図1~図4では体積流量測定ホイール2が取り付けられているロータ11つまりインペラ3よりも、体積流量測定ホイール2が広い動作範囲にわたって大幅にゆっくりと回転する傾向があるからである。
図7および図8は、体積流量測定ホイールが、ブレード9を備えるインペラ3からさらに離間しているため、インペラ3またはブレード9と、体積流量測定ホイール2との間の、速度または動作点の従属性としての相互作用は、より小さくなる。
これにより、インペラ速度を含まなくても、輸送媒体の体積流量をさらに正確に定めることが可能になる。
有利な方法において、1つまたは複数の磁石は、体積流量測定ホイール2に取り付けられるか一体化されるか、体積流量測定ホイール2は、なんらかの方法で着磁させられる(図5参照)。
磁石の回転軌道に対向して、体積流量測定ホイール2の回転速度を定めるために磁石と相互作用するセンサ、例えば、ホールセンサは、静止部に取り付けられる必要がある。
そのようなセンサは、例えば、流入側格子26に一体化されてよく、流入側格子26に取り付けられてよく、または、ノズルプレート29もしくは入口ノズル5の内側に取り付けられてよい。
センサは、好適な支持部を有する取り付け部27(図7参照)の領域において、入口側格子26に締結されてもよい。
特に、例えば、モータ4のステータ11をノズルプレート29に取り付けるモータの支持部は、明瞭性の観点から記載されていない。
ファン1は、記載されていないさらなる構成要素を備えてよい。
2・・・体積流量測定ホイール
3・・・ファンインペラ
4・・・モータ
5・・・入口ノズル
6・・・体積流量測定ホイールのブレード
7・・・体積流量測定ホイールのハブ
8・・・インペラのカバーリング
9・・・インペラのブレード
10・・・インペラのハブリング
11・・・モータのロータ
12・・・モータのステータ
13・・・体積流量測定ホイールを支持するシャフト
14・・・ロータの流入側の開口部
15・・・ロータ上のファンインペラの取り付け部材
16・・・入口ノズル取り付け部
17・・・モータのステータにおける電気素子用の受け入れ領域
18・・・ロータの支持部
19・・・シャフト上の体積流量測定ホイールの支持部
20・・・ベアリング用受け入れ領域
21・・・ロータとステータとの間のエアギャップ
22・・・磁石用受け入れ領域
23・・・体積流量測定ホイールのブレードの流入側縁部
24・・・体積流量測定ホイールのブレードの流出側縁部
25・・・体積流量測定ホイールにおけるブレードからハブへの移行部
26・・・入口側格子、流入側格子
27・・・入口側格子の取り付け部
28・・・入口側格子の流れ開口部
29・・・ノズルプレート
30・・・入口側格子の中央領域
31・・・入口側格子における軸の受け入れ領域
32・・・流入側縁部の内方部
33・・・流入側縁部の外方部
34・・・体積流量測定ホイールを支持する軸
Claims (15)
- ブレードを備えたインペラと、前記インペラを回転させる駆動手段と、前記インペラの回転時の空気体積流量を求める手段とを備えるファン、特に、軸流ファン、好ましくは、後方湾曲ラジアルファンにおいて、
前記空気体積流量を求める手段が、空気流中に設けられる体積流量測定ホイールを備え、
前記体積流量測定ホイールが、前記インペラの上流で流入側に設けられ、
前記体積流量測定ホイールの回転速度から空気体積流量が、算出されるか、または、導出される、ファン。 - 前記体積流量測定ホイールが、前記インペラの軸と略同軸に設けられている、請求項1に記載のファン。
- 前記体積流量測定ホイールが、前記駆動手段であるモータの近傍に設けられている、請求項1または請求項2に記載のファン。
- 前記体積流量測定ホイールが、前記インペラの上流で流入側、特に入口ノズルの上流に設けられた構造体に取り付けられ、
前記構造体が、前記ファンの機能性部品、例えば、保護格子または流入側格子である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のファン。 - 前記体積流量測定ホイールが、前記モータの軸またはシャフト、好ましくは、必要に応じて拡張されたシャフトに回転可能に取り付けられている、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のファン。
- 前記体積流量測定ホイールが、流れ断面の径方向内側領域にわたって延在し、
前記体積流量測定ホイールの外径が、流れ断面の最大半径の75%未満である、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載のファン。 - 前記体積流量測定ホイールの信号が、電気および/または磁気および/または音響および/または振動の手段を用いて生成される、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のファン。
- 磁気および/または光反射および/または電気素子が、前記体積流量測定ホイールの上に/内に、および/または、前記モータのロータの上に/内に、および/または、入口ノズルの上に/内に設けられ、
前記ファンの部材間、特に、前記モータの部材間の相互作用を利用することができ、かつ/または前記空気体積流量を求めるために物理的変数を求めることができる、請求項7に記載のファン。 - 前記空気体積流量が、前記インペラの回転速度の影響を受けずに、または、前記インペラの回転速度を少なくともある程度考慮に入れる補正係数を考慮に入れることなく、求められる、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載のファン。
- 前記体積流量測定ホイールの回転速度が、直接的に静止基準系に関して前記体積流量測定ホイールの信号から求められる、請求項1~請求項9のいずれか1項に記載のファン。
- 前記インペラの回転速度に対する前記体積流量測定ホイールの回転速度が、前記体積流量測定ホイールの信号から求められる、請求項1~請求項9のいずれか1項に記載のファン。
- 前記体積流量測定ホイールの回転速度が、前記体積流量測定ホイールの信号から、前記インペラの回転速度、および、前記インペラと前記体積流量測定ホイールとの間の相対速度の和として求められる、請求項1~請求項9のいずれか1項に記載のファン。
- 前記空気体積流量を求める手段のハードウェア構成要素が、前記インペラには依存せずに、前記モータに割り当てられる、請求項1~請求項12のいずれか1項に記載のファン。
- 前記空気体積流量を求める手段のハードウェア構成要素が、前記インペラには依存せずに、前記インペラの上流で流入側に設けられた構造体に本質的に割り当てられる、請求項1~請求項12のいずれか1項に記載のファン。
- 前記体積流量測定ホイールの信号および得られる測定データ、特に求められた空気体積流量が、特に変化する動作条件下でも予め設定されるか、または、予め設定可能な空気体積流量を維持するために、前記ファンの制御に送られる、請求項1~請求項14のいずれか1項に記載のファン。
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