DE10020750A1 - HVLP-Motoreinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motoreinheit, bei der ein Motor 10 in Drehverbindung mit einem Laufrad 22, 24 zum Erzeugen einer Fluidströmung, vorzugsweise einer Luftströmung, steht. Ein Venturikanal 50 ist vorgesehen, um aus der Luftströmung einen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl A abzuleiten. Des Weiteren ist eine Leiteinrichtung 54 vorgesehen, die ohne einen separaten Lüfter eine Luftnachströmung B über den Motor 10 hinweg zu ziehen und dadurch eine Kühlung vorzusehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Lufttur­ binenmotoreinheiten und im Besonderen auf Solche, die in Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, die ein großes Volu­ men und einen niedrigen Druck (HVLP, wobei HVLP für "high volume, low pressure" steht) benötigen, z. B. für Farb­ spritzvorrichtungen und dergleichen.

Für herkömmliche HVLP-Anwendungen wurde bislang übli­ cherweise eine modifizierte Staubsaugermotoreinheit verwen­ det, um die gewünschte Luftströmung zu erzeugen. Staubsau­ ger benötigen jedoch eine großvolumige Luftströmung, so daß derartige Motoren für große Düsen wie z. B. für Industrieab­ saugschläuche und Zusaztgeräte ausgelegt sind. Wenn derar­ tige Staubsaugermotoren nun mit HVLP-Spritzpistolen, die kleine Schlauchdurchmesser, Innenkanäle und Düsen bzw. Öff­ nungen aufweisen, gekoppelt werden, ist die resultierende Strömung entsprechend den strömungsmechanischen Grundsätzen deutlich vermindert. Derartige Motoren arbeiten üblicher­ weise weit außerhalb der gewünschten Betriebsbedingungen, sogar mit einer Effizienz von weniger als 10%.

Neben den vorstehend erwähnten Effizienzverlusten er­ zeugt die verminderte Strömung in herkömmlichen Systemen einen Gegendruck, der zu einer Zunahme der Temperatur der Luftturbine führt und damit eine Zunahme der Ladeluftempe­ ratur zur Spritzpistole verursacht, was zu einer Erwärmung des Luftschlauchs führt und darüber hinaus negative Auswir­ kungen auf das Spritzmuster haben kann. Einige der herkömm­ lichen Systeme umfassen daher einen separaten Lüfter, um während des Betriebs Kühlluft über den Motor hinweg zu zie­ hen. Ein separater Lüfter allein reicht jedoch nicht aus, um die Ladeluft auf die gewünschte Temperatur zu kühlen.

Angesichts der vorstehend erläuterten, bei herkömmli­ chen System angetroffenen Nachteile und Mängel besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine HVLP-Motoreinheit mit ei­ ner höheren Effizienz zur Verfügung zu stellen.

Darüber hinaus bezweckt die Erfindung die Bereitstel­ lung einer Luftmotoreinheit mit einer niedrigeren Ladeluft­ temperatur.

Schließlich soll die Erfindung eine HVLP-Motoreinheit mit einer verbesserten Luftströmungscharakteristik bereit­ stellen.

Diese Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Mo­ toreinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst, gemäß dem ein Motor mit einem Laufrad zum Erzeugen einer Fluidströmung, vorzugsweise einer Luftströmung, in Drehverbindung steht. Ein Venturikanal ist vorgesehen, um aus der Luftströmung einen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl zu erzeugen. Eine Leiteinrichtung ist in Bezug auf den Ven­ turikanal so ausgebildet, daß zum Zweck der Kühlung eine Luftnachströmung über den Motor hinweg gezogen wird und da­ durch die Ladelufttemperatur vermindert wird.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Natürlich sind andere bzw. abweichende Ausführungsfor­ men der Erfindung sowie zahlreiche Abwandlungen erfindungs­ gemäßer Einzelheiten möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen. Die beiliegenden Zeichnungen und die nachfol­ gende ausführliche Beschreibung dienen dementsprechend nur der Veranschaulichung, sie sind jedoch nicht als einschrän­ kend zu verstehen.

Nachstehend erfolgt eine kurze Beschreibung der beilie­ genden Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Motoreinheit von der Seite.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Gehäuses der Erfin­ dung.

Die Fig. 3A, 3B und 3C sind eine Schnittansicht der er­ findungsgemäßen Motoreinheit und des erfindungsgemäßen Ge­ häuses von oben, von der Seite bzw. in der Perspektive.

Die Fig. 4A, 4B und 4C sind eine Perspektivansicht, Seitenansicht bzw. Draufsicht des erfindungsgemäßen Diffu­ sors.

Bezugnehmend auf die Figuren wird die Erfindung wird nun ausführlich erläutert.

In den Figuren beziehen sich dieselben Bezugszeichen auf dieselben Bauteile. Wie es aus den Figuren ersichtlich ist, umfaßt die Motoreinheit einen Motor 10 zum Erzeugen einer Drehung um eine Achse 12. Der Motor 10 ist vorzugs­ weise in einem Gehäuse 14 aufgenommen, das einen Gehäuse­ lufteinlaß 16 aufweist, der mit einem Filter versehen ist. Weitere Besonderheiten des Gehäuses 14 werden nachstehend ausführlich erläutert.

Die Motoreinheit umfaßt ein Motorgehäuse oder eine Tur­ binenkammer 20, die eine in Drehverbindung mit dem Motor 10 stehende Laufradanordnung zum Erzeugen einer Fluidströmung umschließt, wobei das Fluid vorzugsweise Luft ist. Die Laufradanordnung umfaßt vorzugsweise ein Erststufenlaufrad 22 mit einem Laufradeinlaß 26 und ein Zweitstufenlaufrad 24. Die Laufradanordnung saugt Luft über den Ge­ häuselufteinlaß 15 in den Laufradeinlaß 26 an und führt die Luft dem Zweitstufenlaufrad 24 zu. Das Zweitstufenlaufrad 24 erhöht den Druck der Luft und entläßt die Luft in einen Diffusor/Kollektor 70. Ein Auslaß 40 nimmt die Luftströmung aus dem Diffusor/Kollektor 70 auf und leitet sie zu einem Austritt. Der Auslaß 40 ist vorzugsweise an einen Schlauchadapter 42 angeschlossen; der Austritt ist vorzugs­ weise ein Schlauch 44, der mit einer Vorrichtung, vorzugs­ weise einer Farbspritzvorrichtung in Verbindung steht, die Luft aus der Motoreinheit großvolumig und mit einem hohen Druck aufnimmt.

Die Erfindung nutzt das Venturiprinzip, um Kühlluft über die Turbinenkammer 20 hinweg zu ziehen. Ein oder meh­ rere Venturikanäle 50 (vorzugsweise zwei) sind vorgesehen, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl A aus dem Auslaß 40 abzuzweigen. Die Venturikanäle 50 sind vorzugsweise ein­ stückig mit dem Gehäuse 14 ausgebildet. Der Auslaß 40 ist mit einer bestimmten Anzahl von Venturiluftauslaßöffnungen 52 versehen, um einen Luftstrahl mit einer bestimmten, er­ wünschten Geschwindigkeit und einem bestimmten, erwünschten Druck aus der Ladeluft eintreten zu lassen. Die Venturika­ näle 50 stehen in Fluidverbindung mit einer bestimmten An­ zahl von Leiteinrichtungen 54, die vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sind. Die Leiteinrichtungen 54 umgeben die Turbinenkammer 20 in der Weise, daß eine von einer Einlaßöffnung 66 aufgenommene Kühlluftnachströmung 8 durch die Gehäusekanäle 58 und um die Turbinenkammer 20 herum geführt wird. Während ihrer Strömung durch die Ventu­ rikanäle 50 ziehen die Hochgeschwindigkeitsluftstrahlen A die Luftnachströmung B durch die Gehäusekanäle 58, eine Venturikanalöffnung 56 und in den Venturikanal 50. Diese Luftnachströmung führt Wärme von der Turbinenkammer 20 ab, wodurch die Temperatur der Ladeluft gesenkt wird. Die Er­ finder haben beobachtet, daß mit der Erfindung die Tem­ peratur der Ladeluft um 7 bis 10°C gegenüber herkömmlichen Systemen gesenkt wird.

Abgesehen von den Venturikanälen 50 und den Gehäuseka­ nälen 58 zum Kühlen der Turbinenkammer 20 umfaßt die Er­ findung vorzugsweise ein Radialströmungsgebläse 60, das au­ ßerhalb des Motors arbeitet, um die elektrischen Komponen­ ten des Motors 10, d. h. des Stators 62 und der Feldspule 64, zu kühlen. Das Radialströmungsgebläse 60 saugt mit der Ladeluft Kühlluft über den Gehäuselufteinlaß 16 durch das Gehäuse 14 an. Eine gemeinsame Luftströmung wird in einem Bereich an der Motorachse in der Nähe des Laufradeinlasses 26 geteilt, und Kühlluft wird entlang der Achse 12 durch die elektrischen Komponenten 62, 64 gesaugt. Das Radial­ strömungsgebläse 60 bläst die Kühlluft radial durch Strö­ mungskanäle hindurch, die durch Leiteinrichtungen definiert sind, und aus Kühlluftauslaßöffnungen 68 im Gehäuse 14, wo­ durch die elektrischen Komponenten gekühlt werden.

Die Turbinenkammer 20 umschließt und reißt die Ladeluft mit und leitet sie einem im Auslaß 40 aufgenommenen Dif­ fusor/Kollektor 70 zu, der die radial orientierte Strömung aufnimmt und sie in die Axialrichtung umlenkt. Wie es im Besonderen in den Fig. 4A, 4B und 4C gezeigt ist, hat der Diffusor 70 eine Vielzahl von aus der Oberfläche des Diffusors 70 ragenden Schaufeln, die die Funktion haben, Turbulenzen in der Luftströmung zu reduzieren. Der Diffusor 70 weist einen in Axialrichtung verjüngten, vorzugsweise konischen oder kegelstumpffömigen Abschnitt 72 auf.

Der verjüngte Abschnitt 72 weist eine Vielzahl von axial verlaufenden Übergangsschaufeln 74 auf, die Über­ gangsschaufelkanäle 82 definieren, um die radiale Luftströ­ mung umzulenken und sie axial auszurichten. Die dargestell­ te Ausführungsform zeigt zwar vier sich axial erstreckende Schaufeln 74, jedoch könnte grundsätzlich eine beliebige Anzahl vorgesehen sein, ohne vom Grundgedanken der Erfin­ dung abzuweichen. Der Diffusor 70 ist über eine Endplatte 76, die eine Vielzahl von spiralartigen Schaufeln 78 auf­ weist, drehfest an der Turbinenkammer 20 angebracht. Die Endplatte 76 weist eine Vielzahl von spiralartigen Schau­ feln 78, vorzugsweise acht, auf, um zwischen diesen Schau­ feln 78 eine entsprechende Anzahl von Strömungskanälen 80 zu definieren. In der dargestellten Ausführungsform enden vier abwechselnd angeordnete spiralartige Schaufeln 78 an einer radial innenliegenden Position in der Nähe der Achse 12, und zwar so, daß die nebeneinander liegenden Schaufel­ strömungskanäle 80 unter Verursachung minimaler Turbulenzen zusammenlaufen und eine erwünschte Querschnittslfäche vor­ sehen, um die erforderliche Luftströmung und den erforder­ lichen Luftdruck zu erhalten. Die verbleibenden vier spi­ ralartigen Schaufeln 78 enden in der Nähe der vier sich axial erstreckenden Übergangsschaufeln 74 entlang des ver­ jüngten Abschnitts 72, und zwar so, daß sich die Richtung der Luftströmung von radial nach axial ändert, wobei gleichzeitig die Luftströmung in eine im wesentlichen la­ minare Strömung umgewandelt wird, die schließlich dem Schlauch 44 und der Spritzvorrichtung zugeführt wird.

Der Diffusor erhöht die Effizienz des Systems gegenüber herkömmlichen Systemen insofern, als er eine effiziente Schaufelkrümmung vorsieht, bei der Rampenwinkel, Schaufel­ abschrägung und Fußrundung so abgestimmt sind, daß die Luftströmung nicht behindert wird und Kanäle für eine nicht turbulente Strömungs geschaffen werden. Die allgemeine Krümmung der spiralartigen Schaufeln 78 legt fest, wie der Kopf der Drehgeschwindigkeitsluftströmung als ein Druckkopf umgewandelt wird. Es wurde festgestellt, daß sich die Lei­ stungsfähigkeit und Effizienz verbessern läßt, wenn die Schaufeln so ausgestaltet werden, daß sich der Schaufelra­ dius für eine Bezugsschaufel an einer vorgegebenen Stelle mit einem Winkel in einem Koordinatenbezugssystem der End­ platte 76, vom Düsenende aus betrachtet, wobei die Mitte der Platte der Koordinatenursprung darstellt, wie folgt än­ dert:
R = A (1 - cosθ) (für eine Drehung im Uhrzeigersinn)
R = A (1 + cosθ) (für eine Drehung im Gegenuhrzeiger­ sinn)
wobei R der Radius, θ der Winkel und A eine Proportio­ nalitätskonstante ist.

Die Erfindung sieht somit eine bessere Kühlung und eine Reduzierung wärmeerzeugender Turbulenzen vor. Diese Merkma­ le führen zu einer höheren Lebensdauer des Motors, niedri­ geren Spritztemperaturen und einer höheren Schlauchlebens­ dauer, was für eine höhere Leistungsfähigkeit und Effizient steht. Wenngleich ein Zweistufensystem mit einem getrennten Laufrad und Kühlgebläse gezeigt ist, könnte grundsätzlich eine beliebige Zahl von Mehrfachstufen vorgesehen sein. Darüber hinaus könnte die Erfindung auch einstufig arbeiten und eine Kühlung ohne ein separates Kühlgebläse vorsehen, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, wie er in den Patentansprüchen definiert ist. Des Weiteren könnten die Konstruktion auch für eine tangentiale, radiale Abgabe anstelle der vorstehend beschriebenen axialen Abgabe ausge­ führt sein, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuwei­ chen, wie er in den Patentansprüchen definiert ist.

Wie vorstehend bereits erwähnt löst die Erfindung zahl­ reiche Probleme herkömmlicher Systeme und führt zu einer höheren Effizienz und Leistungsfähigkeit. Es liegt jedoch auf der Hand, daß der Fachmann verschiedene Änderungen hin­ sichtlich Einzelheiten, Materialien und Teileanordnungen, die vorstehend zum Zweck der Erläuterung des Wesens der Er­ findung erläutert wurden, durchführen kann, ohne vom Grund­ gedanken der Erfindung abzuweichen, wie er in den Patentan­ sprüchen definiert ist.

Die Erfindung betrifft somit eine Motoreinheit, bei der ein Motor in Drehverbindung mit einem Laufrad zum Erzeugen einer Fluidströmung, vorzugsweise einer Luftströmung, steht. Ein Venturikanal ist vorgesehen, um aus der Luft­ strömung einen Hochgeschwindigkeitsluftstrahl abzuleiten. Des Weiteren ist eine Leiteinrichtung vorgesehen, um ohne einen separaten Lüfter eine Luftnachströmung über den Motor zu ziehen und dadurch eine Kühlung vorzusehen.

Claims (13)

1. Motoreinheit umfassend:
einen Motor (10) zum Erzeugen einer Drehung um eine Achse (12),
eine Turbinenkammer (20) umfassend ein in Drehverbin­ dung mit dem Motor (10) stehendes Laufrad (22, 24) zum Er­ zeugen einer Fluidströmung,
wenigstens eine die Turbinenkammer (20) umgebende Leiteinrichtung (54) zum Führen einer Kühlfluidnachströmung (B) um die Turbinenkammer (20), und
einen Auslaß (40) zum Aufnehmen der Fluidströmung aus dem Laufrad (22, 24) und Führen der Fluiddsströmung zu ei­ nem Austritt (44), gekennzeichnet durch wenigstens einen Venturikanal (50) zum Ableiten eines Hochgeschwindigkeitsfluidstrahls (A) aus dem Auslaß (40), wobei der wenigstens eine Venturikanal (50) in Fluidverbin­ dung steht mit der wenigstens einen Leiteinrichtung (54), um dadurch die Fluidnachströmung (B) um die Turbinenkammer (20) herum zu ziehen.

2. Motoreinheit nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Ge­ häuse (14) zum Aufnehmen des Motors (10) und der Turbinen­ kammer (20), wobei die wenigstens eine Leiteinrichtung (54) und der wenigstens eine Venturikanal (50) einstückig im Ge­ häuse (14) ausgebildet sind.

3. Motoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenig­ stens eine Venturikanal (50) wenigstens eine im Auslaß (40) ausgebildete Venturizuführöffnung (52) aufweist.

4. Motoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fluid Luft ist, der Auslaß (40) einen Schlauchadapter (42) aufweist, und der Austritt (44) einen Schlauch zum Zu­ führen von Luft zu einem Verbrauchergerät umfaßt.

5. Motoreinheit nach Anspruch 4, wobei das Verbraucherge­ rät eine Farbspritzvorrichtung ist, und die Motoreinheit ein großes Luftvolumen bei einem niedrigen Druck zuführt.

6. Motoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, des Weiteren umfassend einen Diffusor (70) zum Ausrichten der Fluidströmung aus dem Laufrad (22, 24) hin zum Auslaß (40), wobei der Diffusor (70) wenigstens eine Schaufel (78) zum Reduzieren von Turbulenzen in der Fluidströmung aufweist.

7. Motoreinheit nach Anspruch 6, wobei das Laufrad (22, 24) eine axiale Öffnung (26) für den Eintritt des Fluids und eine Vielzahl von radialen Strömungskanälen (80) zum Lenken der Fluidströmung in eine Richtung radial zur Achse (12) aufweist, wobei der Diffusor (70) die Fluidströmung aufnimmt und in Axialrichtung ausrichtet.

8. Motoreinheit nach Anspruch 7, wobei der Diffusor (70) einen in Axialrichtung verjüngten Abschnitt (72) aufweist.

9. Motoreinheit nach Anspruch 7, wobei die wenigstens ei­ ne Schaufel (78) eine Vielzahl von Schaufeln umfaßt, die von der Oberfläche des Diffusors weg ragen und wenigstens eine sich axial erstreckende Übergangsschaufel (74) entlang des verjüngten Abschnitts (72) des Diffusors (70) beinhal­ ten, wodurch wenigstens ein entsprechender Übergangsschau­ felkanal (82) zum Ausrichten der Fluidströmung in Axial­ richtung definiert wird.

10. Motoreinheit nach Anspruch 9, wobei der Diffusor (70) eine im Allgemeinen flache Endplatte (76) stromaufwärts des verjüngten Abschnitts (72) aufweist, die eine Vielzahl von im Allgemeinen spiralartigen Schaufeln (78) umfaßt, die ei­ ne entsprechende Anzahl von dazwischenliegenden spiralarti­ gen Schaufelkanälen (82) definieren, wobei wenigstens ein spiralartiger Schaufelkanal (82) mit einem entsprechenden Übergangskanal (82) entlang des verjüngten Abschnitts (72) zusammenläuft.

11. Motoreinheit nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von spiralartigen Schaufeln (78) aus acht spiralartige Schau­ feln (78) besteht, wobei vier abwechselnde spiralartige Schaufeln (78) an einer radial innenliegenden Stelle enden und die entsprechenden, verbleibenden spiralartigen Schau­ felkanäle (80) mit den entsprechenden Übergangsschaufelka­ nälen (82) verschmelzen.

12. Motoreinheit nach Anspruch 10 oder 11, wobei die spi­ ralartigen Schaufeln (78) gemäß folgender Vorschrift:
R = A (1 - cosθ) (für eine Drehung im Uhrzeigersinn)
R = A (1 + cosθ) (für eine Drehung im Gegenuhrzeiger­ sinn)
ausgeführt sind, wobei R der Radius ausgehend von einem Zentrum der Endplatte (76), θ ein Bezugswinkel mit einem Ursprung im Zentrum der Endplatte (76) und A eine Propor­ tionalitätskonstante ist, wobei die Drehung mit Blick auf den Auslaß (40) betrachtet wird.

13. Motoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend ein Radialströmungsgebläse (60) zum Kühlen elek­ trischer Motorkomponenten (62, 64).