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Die
Erfindung betrifft ein Saugreinigungswerkzeug für ein Saugreinigungsgerät nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein
derartiges Saugreinigungswerkzeug ist in den
DE 198 26 04 C1 ,
DE 197 06 166 A1 oder
DE 41 05 336 C2 schematisch
dargestellt. In einem Gehäuse
sind eine Bürstenkammer
und eine Turbinenkammer ausgebildet, wobei in der Bürstenkammer eine
quer zur Arbeitsrichtung des Saugreinigungswerkzeuges angeordnete
Bürstenwalze
drehbar gelagert ist. Ein Umfangsabschnitt der Bürstenwalze durchragt mit Borsten
einen im Boden der Bürstenkammer
ausgebildeten Saugschlitz, um auf die zu reinigende Bodenfläche mechanisch
einzuwirken. In der Turbinenkammer ist eine Luftturbine angeordnet, die über einen
Riementrieb die Bürstenwalze
drehend antreibt. Dabei tritt der Saugluftstrom des Saugreinigungsgerätes über den
Saugschlitz in die Bürstenkammer
ein, über
ein Einströmfenster
in einer Zwischenwand zwischen der Bürstenkammer und der Turbinenkammer
in die Turbinenkammer über und
strömt
aus der Turbinenkammer über
ein Abströmfenster
ab, welches in einem Sauganschluß vorgesehen ist. Dabei tritt
der Saugluftstrom zwischen benachbarten Schaufeln eines Schaufelkranzes
der Luftturbine in das schaufelfreie Zentrum ein und durchströmt den Schaufelkranz
zum Abströmen aus
dem Abströmfenster
ein zweites mal. Aufgrund dieser Durchströmung ergibt sich eine starke
Leistungsentfaltung an der Luftturbine, wobei Leistungsgrößen erreicht
werden, die einem in Saugreinigungswerkzeugen eingesetzten Elektromotor
entsprechen.
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Die
Optimierung eines mechanischen Bürstenwalzenantriebs
mit einer Luftturbine wirft eine große Anzahl von Problemen auf.
Die konstruktive Auslegung der Luftturbine, deren Anordnung in der
Turbinenkammer, die Auslegung und Anordnung des Riementriebes, die
Anströmung
der Luftturbine und eine geeignete Abführung des Saugluftstroms müssen berücksichtigt
werden. Dabei führt
das einfache Zusammenführen
von mehreren einzelnen, als optimal erkannten Lösungen zu einer Gesamtheit
nicht zwangsläufig
zu einem gewünschten
starken Antrieb. Vielmehr können
z. B. eine optimale Anströmung
der Luftturbine und eine optimale Abführung des Saugluftstroms zueinander
in Widerspruch stehen.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsentfaltung einer
Durchströmturbine
zu optimieren, um auch bei schwächeren
Saugluftströmen
eine starke Leistungsentfaltung und damit einen kraftvollen Antrieb
der Arbeitswalze zu gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Für eine gute
Ausnutzung der Energie des Saugluftstroms an der Luftturbine ist
zunächst
zu gewährleisten,
daß in
Strömungsrichtung
des Saugluftstroms das Abströmfenster
höher liegt
als das Einströmfenster.
Der Schaufelkranz einer geeigneten Luftturbine sollte dabei etwa
zehn bis vierzehn Schaufeln aufweisen, die über den Umfang gleichmäßig verteilt
mit äquidistanten
Umfangsabständen angeordnet
sind. Die Lage des Einströmfensters
in die Turbinenkammer und des Abströmfensters aus der Turbinenkammer
sowie die Anordnung der Luftturbine zwischen diesen beiden auf unterschiedlichen
Höhen liegenden
Fenstern sollte dabei so sein, daß eine gedachte Verbindungslinie
zwischen dem Zentrum des Einströmfensters
und etwa dem Zentrum des Abströmfensters
den Querschnitt der Luftturbine als Sekante schneidet. Das Einströmfenster ist
dabei so vorgesehen, daß dessen
Unterkante etwa auf der Höhe
des Turbinenkammerbodens liegt. In dem von der Sekante abgeteilten
Kreisbogen des Kreissegmentes sollen vorteilhaft etwa vier bis sechs Schaufeln
des Schaufelkranzes der Luftturbine liegen. Dies bedeutet, daß die in
Umfangsrichtung gemessene Länge
des Kreisbogens des von der Sekante abgeteilten Kreissegmentes gleich
dem Abstand von etwa fünf
aufeinanderfolgenden Schaufeln ist. Bei einer derartigen konstruktiven
Gestaltung wird der Saugluftstrom etwa bei Schaufel I eintreten und
in Höhe
einer in Drehrichtung vorlaufenden fünften Schaufel V austreten.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist die Höhe von Einströmfenster
und Abströmfenster
derart aufeinander abgestimmt, daß eine Verbindungslinie zwischen
der Oberkante des Einströmfensters
und der Oberkante des Abströmfensters
unterhalb der Nabe der Luftturbine verläuft. Dies stellt sicher, daß die Nabe
der Luftturbine nicht im direkten Strömungsweg des das Zentrum durchströmenden Saugluftstroms liegt.
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Eine
gute Leistungsentfaltung hat sich gezeigt, wenn die Schaufeln des
Schaufelkranzes gegenüber
einer Radialen durch ihren Fußpunkt
unter einem Winkel von etwa 35° bis
55°, vorzugsweise 45°, liegen.
Die Schaufeln sind dabei in Drehrichtung gekrümmt, wobei sich der Schaufelkranz über eine radiale
Höhe von
mindestens 30% des Radius der Luftturbine erstreckt.
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Um
einen Eintritt des Saugluftstroms in das Zentrum der Luftturbine
zu gewährleisten,
liegt die Mantelfläche
der Luftturbine mit nur geringem Ab stand zum Turbinenkammerboden.
Die Anordnung des Einströmfensters
ist dabei so, daß die
Oberkante des Einströmfensters
etwa unterhalb der Unterkante des Abströmfensters liegt.
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In
weiterer konstruktiver Festlegung der Lage der Luftturbine in der
Turbinenkammer ist es vorteilhaft, die Drehachse, besser die Nabe
der Luftturbine in den Bereich einer Winkelhalbierenden zu legen,
die den – insbesondere
rechtwinkligen – Winkel
zwischen der Zwischenwand auf Höhe
des Einströmfensters
und dem Turbinenkammerboden teilt. Insbesondere kann die Winkelhalbierende
als Tangente an der Nabe der Luftturbine liegen, wobei die Nabe
auf der dem Turbinenkammerboden zugewandten Seite der Winkelhalbierenden
liegt.
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Zur
Unterstützung
der Luftführung
kann vorgesehen sein, den Turbinenkammerboden im Abströmbereich
des Saugluftstroms als Rampe zum Abströmfenster ansteigen zu lassen.
Dabei ist vorzugsweise eine sich in Strömungsrichtung des Saugluftstroms
erstreckende Rinne in der Rampe vorgesehen, deren dem Abströmfenster
zugewandter Rand in Strömungsrichtung
des Saugluftstroms den Gehäuserand
des Abströmfensters
zumindest im wesentlichen abdeckt.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachstehend im einzelnen
beschriebenes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Saugreinigungswerkzeug,
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2 einen
Schnitt gemäß 1 mit
gedachten Verbindungslinien.
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Das
in 1 dargestellte Saugreinigungswerkzeug 1 weist
ein Gehäuse 4 auf,
welches aus einem Gehäuseunterteil 2 und
einem Gehäuseoberteil 3 zusammengesetzt
ist. In dem Gehäuse 4 sind
eine Bürstenkammer 5 sowie
eine Turbinenkammer 6 ausgebildet.
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In
der in Arbeitsrichtung 7 des Saugreinigungswerkzeugs 1 vorne
liegenden Bürstenkammer 5 ist
quer zur Arbeitsrichtung 7 eine Arbeitswalze 11 angeordnet,
die im Ausführungsbeispiel
als Bürstenwalze
ausgebildet ist. Die Arbeitswalze ragt mit einem Umfangsabschnitt 10 aus
einem Saugschlitz 9 hervor, der im Boden 8 der
Bürstenkammer 5 ausgebildet
ist. Der Saugschlitz erstreckt sich über die gesamte Breite des
Arbeitsgerätes 1 quer
zur Arbeitsrichtung 7. Bei der Ausbildung als Bürstenwalze
stehen die Borsten der Beborstung 12 aus dem Saugschlitz 9 hervor.
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Die
Bürstenkammer 5 ist
von der Turbinenkammer 6 durch eine Zwischenwand 13 getrennt,
die im Bodenbereich ein Einströmfenster 14 zum übertritt eines
Saugluftstroms 19 in die Turbinenkammer 6 aufweist.
Das Einströmfenster 14 hat
im wesentlichen rechteckförmige
Gestalt und erstreckt sich über die
Breite der in der Turbinenkammer 6 angeordneten Luftturbine 15.
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Die
Luftturbine ist nahe der Zwischenwand 13 und eng benachbart
zum Turbinenkammerboden 28 auf einer Drehachse 16 gelagert,
die quer zur Arbeitsrichtung 7 in den Seitenwänden 13' der Turbinenkammer 6 gehalten
ist. Die vom Saugluftstrom 19 getriebene Turbine 16 treibt über einen
Riementrieb 18 die Arbeitswalze 11 um deren Lagerachse 17 rotierend
an.
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Um
eine hohe Turbinenleistung zu erreichen, sind zwischen benachbarten
Schaufeln 20 eines Schaufelkranzes 21 der Luftturbine 15 freie
Strömungspfade 22 vorzusehen,
die in ein schaufelfreies Zentrum 50 führen. Auf diese Weise wird
der in die Turbinenkammer 6 eintretende Saugluftstrom 19 über die
Strömungspfade 22 zwischen
benachbarten Schaufeln 20 in das schaufelfreie Zentrum 50 der Luftturbine 15 eintreten
und aus dem Zentrum unter nochmaligem Durchströmen des Schaufelkranzes 21 wieder
austreten, um über
ein Abströmfenster 24 am rückwärtigen Ende
der Turbinenkammer 6 abzuströmen.
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Das
Abströmfenster 24 liegt
in Strömungsrichtung
des Saugluftstroms 19 höher
als das Einströmfenster 14.
So liegt die Oberkante 26 des Einströmfensters 14 auf gleicher
Höhe oder
tiefer, bevorzugt etwas unterhalb der Unterkante 27 des
Abströmfensters 24.
Das Abströmfenster 24 wird
dabei von dem Querschnitt des Sauganschlusses 23 bestimmt, der
in einem teilzylindrischen Gelenkstück 25 um eine zentrale
Drehachse 29 drehbar gehalten ist. Das Gelenkstück 25 ist
um eine auf der Drehachse 29 liegende Verschwenkachse 30 quer
zur Arbeitsrichtung 7 verschwenkbar. Das Zentrum Z des
Abströmfensters 24,
das dem Schnittpunkt der Achsen 29 und 30 entspricht,
wird daher auch bei Kippbewegungen um die Verschwenkachse 30 relativ
zur Turbinenkammer 6 unverändert fest liegen. Lediglich
die Unterkante 27 und die Oberkante 37 des Abströmfensters 24 verschwenken
auf einem Teilkreisbogen, wobei jedoch aufgrund der begrenzten Verschwenkbewegung
um die Verschwenkachse 30 die dadurch bedingte Höhenänderung
der Kanten vernachlässigbar
klein ist.
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Das
im wesentlichen rechteckige Einströmfenster 14 wird durch
den Turbinenkammerboden 28 begrenzt; die Unterkante 36 des
Einströmfensters 14 liegt
etwa auf der Höhe
des Turbinenkammerbodens 28. Der im wesentlichen kreisförmige Querschnitt des
Abströmfensters 24 ist
dabei größer, bevorzugt mehrfach
größer als
der Querschnitt des Einströmfensters 14.
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Um
den Saugluftstrom möglichst
störungsarm
unter Abgabe einer größtmöglichen
Leistung vom Einströmfenster 14 zum
Abströmfenster 24 durch
die Turbinenkammer 6 und die Luftturbine 15 zu
führen,
wird der Höhenunterschied
zwischen dem Einströmfenster 14 und
dem Abströmfenster 24 durch
eine Rampe 31 ausgeglichen. Die Rampe 31 beginnt – in Strömungsrichtung
des Saugluftstroms 19 gesehen – etwas hinter der Drehachse 16 der Luftturbine 15 und
steigt gleichmäßig bis
auf die Unterkante 27 des Abströmfensters 24 an. Um
eine gerichtete Strömung
in das Abströmfenster 24 zu
erreichen, ist in der Rampe 31 eine sich in Strömungsrichtung
des Saugluftstroms 19 erstreckende Rinne 32 ausgebildet,
deren dem Abströmfenster 24 zugewandter
Rand 33 den Gehäuserand 34 des
Abströmfensters 24 zumindest
im wesentlichen abdeckt. Die Rinne 32 ist nahe der Luftturbine 15 quer
zur Strömungsrichtung
des Saugluftstroms 19 gemessen geringfügig breiter als die in Richtung
der Drehachse 16 gemessene Breite der Luftturbine 15.
In Richtung auf das Abströmfenster 24 verjüngt sich
die Rinne 32 auf den Durchmesser des Abströmfensters 24,
wobei der Querschnitt der Rinne 31 an ihrem dem Abströmfenster 24 zugewandten
Ende dem halben Querschnitt des Abströmfensters 24 entspricht.
Der Rand 33 der Rinne 32 deckt dabei in Strömungsrichtung
des Saugluftstroms 19 den Gehäuserand 34 des Abströmfenstes 24 im
wesentlichen ab. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die trogartige
Rinne 32 auch in das Abströmfenster 24 hineinführen, insbesondere
einragen. Zweckmäßig enden
an dem abströmseitigen
Ende der Rinne 32 deren Seitenwände 35 etwa auf halber
Höhe des
Abströmfensters 24.
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Um
eine Durchströmung
der Turbine mit hoher Leistungsentfaltung zu gewährleisten, weist der Schaufelkranz
etwa zehn bis vierzehn Schaufeln 20 auf. Dabei ist die
Lage der Luftturbine 15 in der Turbinenkammer 6 relativ
zum Einströmfenster 14 und dem
höher liegenden
Abströmfenster 24 derart
vorgesehen, daß eine
gedachte Verbindungslinie 40 zwischen etwa dem Zentrum
E des Einströmfensters 14 und
dem Zentrum Z des Abströmfensters 24 die Luftturbine
als Sekante 41 schneidet. Der Kreisbogen 42 des
von der Sekante 41 abgeteilten Kreissegmentes 43 umfaßt dabei
etwa vier bis sechs, insbesondere fünf, Schaufeln 22.
In der in 2 dargestellten Ansicht erstreckt
sich der Kreisbogen 42 des Kreissegmentes 43 von
einer ersten Schaufel I bis zu einer fünften Schaufel V. Bei einer
derartigen konstruktiven Auslegung der Luftturbine 15 und
des Höhenversatzes
von Einströmfenster 14 zum
Ausströmfenster 24 hat
sich in der Praxis eine ausgezeichnete Leistungsentfaltung der Luftturbine 15 gezeigt.
Wie auch aus der Ansicht nach 2 zu ersehen,
ist die Luftturbine 15 mit ihrer Drehachse 16 auf
der Höhe der
Drehachse 29 des Sauganschlusses 23 vorgesehen.
Dabei liegen sowohl die Drehachse 16 der Luftturbine 15 als
auch das Zentrum Z des Abströmfensters 24 bevorzugt
auf der Längsmittelachse 38 der vorteilhaft
symmetrisch ausgebildeten Turbinenkammer 6.
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Die
konstruktive Ausgestaltung der geometrischen Abmessungen des Einströmfensters 14 und des
Abströmfensters 24 sind
derart gewählt,
daß die Verbindungslinie 45 zwischen
der Oberkante 26 des Einströmfensters 14 und der
Oberkante 37 des Abströmfensters 24 unterhalb
der Drehachse 16, bevorzugt unterhalb der Nabe 39 der
Luftturbine 15, verläuft.
Die Lage der Oberkante 26 des Einströmfensters 14 und der
Oberkante 37 des Abströmfensters 24 ist
so gewählt,
daß in
dem von der Verbindungslinie 45 abgetrennten Kreissegment 44 in
jeder Drehlage der Luftturbine 15 fünf einzelne Schaufeln I bis
V liegen. Die Schaufeln 20 des Schaufelkranzes 21 liegen
dabei gegenüber
einer Radialen R durch ihren Fußpunkt
unter einem Winkel von etwa 35° bis 55°, vorzugsweise
etwa 45° geneigt.
Dabei erstreckt sich die radiale Höhe H des Schaufelkranzes 21 über etwa
25% bis 40%, vorzugsweise 30%, des Radius R der Luftturbine 15.
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In
weiterer konstruktiver Ausgestaltung ist die Fläche des Kreissegmentes 43 bzw. 44 derart
gewählt,
daß sie
etwa 30% bis 45% der Querschnittsfläche der Luftturbine 15 entspricht.
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In
weiterer konstruktiver Ausbildung des Saugreinigungswerkzeuges ist
vorgesehen, die Luftturbine 15 derart anzuordnen, daß ihre Drehachse 16 nahe
einer Winkelhalbierenden 46 liegt, die den Winkel 47 zwischen
der Zwischenwand 13 und dem Turbinenkammerboden 28 teilt.
Bevorzugt liegt die Drehachse 16 auf der dem Turbinenkammerboden 28 zugewandten
Seite der Winkelhalbierenden 46. In besonderer Ausbildung
bildet die Winkelhalbierende 46 etwa eine Tangente an die
Nabe 39 der Luftturbine 15.
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Es
kann zweckmäßig sein,
die Luftturbine 15 sowie die Einströmöffnung 14 und die
Abströmöffnung 24 derart
aufeinander abzustimmen, daß die Nabe 39 einerseits
von der Winkelhalbierenden 46 und andererseits von der
Verbindungslinie 45 tangiert wird. Eine derartige Abstimmung
gewährleistet einen
kraftvollen Antrieb der Luftturbine 15, wobei der Saugluftstrom 19 gezielt
in das schaufelfreie Zentrum 50 der Luftturbine 15 eintritt
und zum Abströmen
aus dem Abströmfenster 24 wieder
austritt. Dabei gewährleistet
die vorgesehene Rampe 31 des Turbinenkammerbodens 28 ein
weitgehend verwirbelungsfreies Abführen des Saugluftstroms, was
die Leistungsentfaltung der Luftturbine 15 unterstützt.