DE102004011037A1

DE102004011037A1 - Lichtmühle

Info

Publication number: DE102004011037A1
Application number: DE200410011037
Authority: DE
Inventors: Andree Cipin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-06
Filing date: 2004-03-06
Publication date: 2005-09-29

Abstract

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Lichtmühle mit einem funktionssicher rotierenden Flügelrad zu schaffen, bei der das Lager so aufgebaut ist, dass die Abnutzung an Lagerhülse und Lagerzapfen verringert bzw. vermieden wird und eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer des Gerätes erfolgt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die auf dem Lagerzapfen der Lichtmühle rotierende und das Flügelrad tragende Lagerhülse vollständig, partiell oder nur an der Reibungsfläche mit dem Lagerzapfen aus einem Material mit einer Ritzhärte des Härtegrades >= 7 der Mohsschen Härteskala besteht. DOLLAR A Entsprechend unterschiedlicher Ausführungen besteht die Lagerhülse aus einer synthetischen Industriekeramik oder aus einem Metall und besitzt ein Aufsatzteil, vorzugsweise aus synthetischer Industriekeramik, oder ein Einsatzteil in Form eines durchgehenden Einsatzes, eines partiellen Einsatzes oder eines schalenförmigen Einsatzes vorzugsweise aus einem Korund mit dem Härtegrad 9. DOLLAR A Lichtmühlen werden als Dekorations- oder Demonstrationsobjekt verwendet, um die Umwandlung von Licht- in Bewegungsenergie darzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmühle mit mehreren um eine senkrechte Achse drehbaren Flügeln eines Flügelrades im Inneren eines vorzugsweise runden evakuierten Glaskörpers.

Lichtmühlen, auch Radiometer genannt, werden hauptsächlich als Dekorations- oder Demonstrationsobjekte verwendet, um die Umwandlung von Licht- bzw. Wärmeenergie in Bewegungsenergie darzustellen.

Nach dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungen von Lichtmühlen bekannt, die jedoch alle auf dem gleichen Funktionsprinzip beruhen. Die Lichtmühle herkömmlicher Bauart besteht aus einem Glaskörper, in welchem ein Flügelrad drehbar angeordnet ist.

Der Aufbau bzw. die Funktion des Radiometers wird in verschiedenen Lehrbüchern und Lexica beschrieben.

In der „Großen Bertelsmann Lexikothek" (Ausgabe 1995, Band 12, Seite 89) heißt es:
„Die Lichtmühle ist ein sehr empfindliches Gerät, mit dem die Intensität von Lichtstrahlung gemessen wird.

Es besteht hauptsächlich aus einem auf etwa 1 Pa evakuierten Glaskolben, in dem ein Flügelrädchen leicht drehbar an einem Quarzfaden aufgehängt ist. Die eine Seite der Flügel ist schwarz, die andere blank.

Bei Bestrahlung erwärmt sich die schwarze Seite, reflektiert die auf sie auftreffenden Luftmoleküle mit größerer Geschwindigkeit und erfährt dabei selbst einen Rückstoß, der das Rädchen zum Drehen bringt."

Die Herstellung einer Lichtmühle gehört zur „Hohen Schule des Glasappartebaus". Auch heute noch wird die Lichtmühle in reiner Handarbeit gefertigt.

Die gebräulichste Form der Bauweise weist zwei Einschmelzungen auf, wie sie im Glasapparatebau vielfach zur Anwendung kommen.

Bei der herkömmlichen Lichtmühle dient die eine Einschmelzung als Träger des Flügelrades, welches meistens auf einer Stahlnadel drehbar aufliegt. Die andere Einschmelzung dient als Gegenhaltung, welche ein Abfallen des Flügelrades verhindert. Der Glaskörper ist auf ein definiertes Vakuum evakuiert.

Das Lager des Flügelrades der Lichtmühle besteht aus der Lagerhülse, meist einem Glashütchen, das fest mit dem Flügelrad verbunden ist, und dem Lagerzapfen, einer Nadel bzw. einem Stift mit einer Spitze vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, welche sich senkrecht in einer Halterung befindet. Das Glashütchen mit Flügelrad ruht drehbar auf der Spitze des Stiftes.

Die Flügel des Flügelrades sind jeweils auf einer Seite schwarz und auf der anderen Seite blank ausgeführt und werden bei Bestrahlung ungleichmäßig erwärmt.

Bei Lichteinwirkung absorbiert die schwarze Seite eines jeden Flügels mehr Energie als die blanke Seite. Es kommt zu einer höheren Molekularbewegung an den schwarzen Seiten.

Die auf die schwarze Seite auftreffenden Luftmoleküle werden bei Erwärmung mit größerer Geschwindigkeit reflektiert, es entsteht ein ungleichmäßiger Rückstoß der Flügel und damit ihre Drehung mit den blanken Flächen voran. Bei direkter Sonneneinstrahlung beträgt die Rotationsgeschwindigkeit bis zu 3000 U/min.

Da bei Lichtmühlen das Flügelrad im Vacuum rotiert, werden keinerlei Gleit- bzw. Schmiermittel verwendet. Es fehlt auch eine Luft- bzw. Feuchtigkeitsschicht zwischen den rotierenden Teilen. Somit kommt es zur Reibung und Abnutzung an diesen Teilen.

Der Abnutzung der Nadel entgegenzuwirken ist relativ einfach.

Die Möglichkeiten reichen von verbesserter Stahlqualität der Nadel, verbessertem Härtegrad, besserer Oberflächenpolitur bis hin zur Oberflächenbeschichtung z.B. mit Titannitrit.

Die nachteiligen Eigenschaften der Abnutzung durch Reibung betreffen hauptsächlich die Lagerhülse, d.h. das Glashütchen.

Im Laufe der Zeit kommt es dazu, dass sich die Nadel in die Glasoberfläche der Lagerhülse hineinbohrt. Die Reibung an der Auflagefläche erhöht sich, die Lichtmühle benötigt mehr Energie bzw. das Flügelrad dreht sich langsamer. Dies kann zur Funktionsuntüchtigkeit der Lichtmühle führen.

Die Verwendung anderer Glasarten wie z.B. Borosilikatglas anstelle von Sodaglas bringt keine wesentliche Veränderung bezüglich des Verschleißes der Lagerteile.

Zur Umgehung dieser Nachteile sind Lichtmühlen bekannt, deren Lagerung des Flügelrades durch andere Konstruktionen gelöst wurde.

Nach der DE 198 18 832 ist eine Lichtmühle mit einer speziellen Lagerung bekannt.

Durch ein magnetisches Teil wird eine besondere Spitzenlagerung geschaffen, bei der jedoch stets eine bestimmte, vom Gewicht der Flügelanordnung abhängige Anziehungskraft zwischen den magnetischen Körpern mit der Flügelanordnung bzw. mit dem Gefäß die Voraussetzung für die funktionstüchtige Lagerung ist.

Dabei soll die Anziehungskraft zwischen erstem und zweitem magnetischen Körper größer als das Summengewicht aus Flügelanordnung und aller damit verbundenen Teile sein.

Die Konstruktion ist äußerst störanfällig und praktisch nicht ausführbar.

Desweiteren ist nach der US-Patentschrift 4112 707 eine Lichtmühle mit einer ebenfalls speziellen Lagerung bekannt.

Das Flügelrad ist über sein mittig eingeengtes Lagerteil an zwei fadenförmigen Stielen aufgehängt, die an dem Glaskörper befestigt sind, so dass die gesamte Lichtmühle nur hängend funktionstüchtigt ist.

Die Nachteile dieser hängenden Lagerung und Konstruktion bestehen darin, dass bereits geringe Erschütterungen oder Schwankungen des Glaskörpers die Rotation des Flügelrades stören.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Lichtmühle mit einem funktionssicher rotierenden Flügelrad zu schaffen, bei der das Lager so aufgebaut ist, dass die Abnutzung an Lagerhülse und Lagerzapfen verringert oder vermieden wird und eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer des Gerätes erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lichtmühle dadurch gekennzeichnet ist, dass die auf dem Lagerzapfen rotierende und das Flügelrad tragende Lagerhülse vollständig, partiell oder nur an der Reibungsfläche mit dem Lagerzapfen aus einem Material mit einer Ritzhärte des Härtegrades > 7 entsprechend der Mohsschen Härteskala besteht.

Erfindungsgemäß wird das als Lagerhülse dienende Glashütchen durch Teile aus Materialien ersetzt, deren Ritzhärte entsprechend der Mohsschen Härteskala deutlich höher liegt als die des Glases.

Die Härte des häufig verwendeten Sodaglases liegt bei etwa 5,5.

Der Einsatz von Materialien mit einem Härtegrad ≥ 7 erhöht die Lebensdauer einer Lichtmühle entscheidend.

Härte 8 besitzt vorzugsweise Topas. Härte 9 auf der Mohsschen Skala besitzt Korund. Eine sehr bekannte Abart des Korundes ist der Rubin, ein rotes Mineral (Al₂O₃).

Die erfindungsgemäße Lichtmühle ist im Detail dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium oder Messing besteht und eine Kappe als Aufsatzteil besitzt, die aus einem Material mit dem Härtegrad 9, vorzugsweise aus einer synthetischen Industriekeramik, hergestellt ist.

Weitere erfindungsgemäße Lösungen für die Lagerung des Flügelrades der Lichtmühle sind dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse vollständig aus vorzugsweise Metall besteht und die Kappe der Lagerhülse ein Einsatzteil in Form eines durchgehenden Einsatzes, eines partiellen Einsatzes oder eines schalenförmigen Einsatzes aus einem Material mit dem Härtegrad 9, vorzugsweise aus einem Korund, besitzt.

Erfindungsgemäß bestehen die verschiedenen Einsatzteile der Lagerhülse vorzugsweise aus Rubin oder Saphir.

Um eine bestmögliche Funktion des Flügelrades der Lichtmühle zu gewährleisten, sind die auf dem Lagerzapfen rotierenden Oberflächen der Einsatzteile und des Aufsatzteiles poliert.

Herstellungs- und Polierprozess der o. g. harten Aufsatz- bzw. Einsatzteile sind relativ einfach und kostengünstig ausführbar.

Eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen Lichtmühle ist dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Lagerhülse vollständig aus einer synthetischen Industriekeramik des Härtegrades 9, vorzugsweise aus einer synthetischen Al₂O₃ ^– oder ZrO₂-Keramik besteht.

Eine weitere erfindungsgemäße Variante, die Reibungsverluste zwischen Lagerhülse und Lagerzapfen für eine uneingeschränkte Rotation des Flügelrades möglichst auszuschalten, besteht darin, dass die Lagerhülse vollständig aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder Messing, besteht und die Innenfläche der Kappe mit einer Dünnschicht als Verschleißschutzschicht versehen ist. Diese Dünnschicht, die eine Schichtdicke von vorzugsweise 0,5 ...6 μm besitzt, ist als eine keramikähnliche Hartstoffschicht aufgesputtert oder als harte, gleitfähige Kohlenstoffschicht oder als weiche molybdändisultidhaltige Festschmierstoffschicht aufgebracht.

Als keramikähnliche Hartstoffschichten sind vorzugsweise geeignet Titannitrid (TiN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Titancarbonnitrid (TiCN) und Chromnitrid (CrN).

Das Ersetzen des Glashütchens als Lagerhülse durch Teile aus härterem Material oder durch Bauteile, in deren Kappe hartes Material eingesetzt ist, verbessert die Funktionseigenschaften des Flügelrades einer Lichtmühle entscheidend.

Es wird verhindert, dass sich die Nadel als Lagerzapfen in die Lagerhülse hineinbohren kann.

Die Abnutzungserscheinungen zwischen Lagerzapfen und Lagerhülse werden minimiert und so die Rotation des Flügelrades verbessert und die Lebensdauer der Lichtmühle verlängert.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Lagerung vereinfacht ebenfalls den Bau der Lichtmühle.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: die schematische Darstellung der Lichtmühle;
2: die Lagerhülse im Schnitt,
3: die Lagerhülse mit Aufsatzteil im Schnitt;
4: die Lagerhülse mit durchgehendem Einsatz im Schnitt,
5: die Lagerhülse mit partiellem Einsatz im Schnitt;
6: die Lagerhülse mit schalenförmigem Einsatz im Schnitt;
7: die Lagerhülse mit Dünnschicht im Schnitt.
Die Lichtmühle ist in ihrem prinzipiellen Grundaufbau wie bekannt in 1 dargestellt. In dem Glaskörper 1 ist das rotierende Flügelrad 2 eingebaut. Die Lagerung des Flügelrades 2 erfolgt über das Lager, das aus der Lagerhülse 3 und dem Lagerzapfen 4 aufgebaut ist.
Die Lagerhülse 3 ist fest mit dem Flügelrad 2 verbunden und ruht rotierend mit diesem auf der Spitze des Lagerzapfens 4.
Der Lagerzapfen 4 besteht vorzugsweise aus einem Stahlstift und ist senkrecht in einer Halterung befestigt.
Um, wie oben geschrieben, Abnutzungserscheinungen zwischen Lagerzapfen 4 und Lagerhülse 3 zu vermeiden und die uneingeschränkte Rotation des Flügelrades zu gewährleisten, besteht die Lagerhülse 3 erfindungsgemäß vollständig, partiell oder nur an der Reibungsfläche mit dem Lagerzapfen 4 aus einem Material mit der Ritzhärte des Härtegrades ≥ 7 entsprechend der Mohsschen Härteskala.
2 zeigt die Lagerhülse 3 im Schnitt, die vollständig aus einem harten Material mit dem Härtegrad 9, aus einer synthetischen Industriekeramik wie Al₂O₃ oder ZrO₂-Keramik oder einer ähnlichen Keramik besteht.
3 stellt die Lagerhülse 3 mit einem Aufsatzteil 5 im Schnitt dar, wobei die Lagerhülse 3 aus Aluminium oder Messing und das Aufsatzteil 5 als Kappe der Lagerhülse 3 aus einem Material des Härtegrades 9 ebenfalls aus einer synthetischen Industriekeramik bestehen.
Die 4, 5, 6 zeigen die Lagerhülse 3 aus Metall mit verschiedenen Einsatzteilen 6 im Schnitt.
Die Lagerhülse 3 besitzt nach der Ausführung in 4 einen durchgehenden Einsatz 6a, in 5 einen partiellen Einsatz 6b und in 6 einen schalenförmigen Einsatz 6c. Diese Einsatzteile 6a, 6b, 6c bestehen aus einem Material mit dem Härtegrad 9, vorzugsweise aus einem Korund und speziell aus Rubin oder Saphir. Die auf dem Lagerzapfen 4 rotierenden Innenoberflächen dieser Einsatzteile 6a, 6b, 6c sind außerdem poliert, so dass diese erfindungsgemäßen Ausführungen der Lagerhülse 3 kaum Verschleißerscheinungen bei der Rotation des Flügelrades aufweisen.
Die in 7 im Schnitt dargestellte Lagerhülse 3 besteht ebenfalls vollständig aus Metall, vorzugsweise Aluminium oder Messing und ist auf der Innenfläche der Kappe mit einer Dünnschicht 7 als Verschleißschutzschicht versehen.
Die Herstellung dieser Dünnschicht 7 erfolgt durch plasmaunterstützer PVD (Physical Vapour Deposition)-Verfahren, die in der metall- und kunststoffverarbeitenden Industrie zum Stand der Technik gehören.
Mittels PVD-Magnetronsputterung können keramikähnliche Hartstoffschichten wie TiN (Titannitrid), TiAlN (Titanaluminiumnitrid), TiCN (Titancarbonnitrid) und CrN (Chromnitrid) Schichten auf die Innenfläche des oberen Teils der Lagerhülse 3 aufgebracht werden. Außerdem können diese Verschleißschutzschichten der Lagerhülse 3 auch als harte, gleitfähige Kohlenstoffbeschichtungen sowie weiche molybdändisulfidhaltige Festschmierstoffschichten ausgebildet sein.

1: Glaskörper
2: Flügelrad
3: Lagerhülse
4: Lagerzapfen
5: Aufsatzteil
6: Einsatzteil
6a: durchgehender Einsatz
6b: partieller Einsatz
6c: schalenförmiger Einsatz
7: Dünnschicht

Claims

Lichtmühle, bestehend aus einem Glaskörper und einem mittels Lager drehbar angeordneten Flügelrad im Inneren, dadurch gekennzeichnet, – dass die auf dem Lagerzapfen (4) rotierende und das Flügelrad (2) tragende Lagerhülse (3) vollständig, partiell oder nur an der Reibungsfläche mit dem Lagerzapfen (4) aus einem Material mit einer Ritzhärte des Härtegrades ≥ 7 entsprechend der Mohsschen Härteskala besteht.
Lichtmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Lagerhülse (3) vorzugsweise aus einem Metall besteht und die Kappe der Lagerhülse (3) als Aufsatzteil (5) aus einem Material mit dem Härtegrad 9, vorzugsweise aus einer synthetischen Industriekeramik, ausgeführt ist.
Lichtmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Lagerhülse (3) vollständig aus vorzugsweise Metall besteht und die Kappe der Lagerhülse (3) ein Einsatzteil (6) in Form eines durchgehenden Einsatzes (6a) , eines partiellen Einsatzes (6b) oder eines schalenförmigen Einsatzes (6c) aus einem Material mit dem Härtegrad 9, vorzugsweise aus einem Korund, besitzt.
Lichtmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Lagerhülse (3) vollständig aus einer synthetischen Industriekeramik mit dem Härtegrad 9, vorzugsweise aus einer synthetischen Al₂O₃ oder ZrO₂-Keramik, besteht.
Lichtmühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , – dass die Lagerhülse (3) vollständig aus Metall besteht und die Innenfläche der Kappe mit einer Dünnschicht (7) als Verschleißschutzschicht versehen ist.
Lichtmühle nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Einsatzteile (6a, 6b, 6c) der Lagerhülse (3) vorzugsweise aus Saphir oder Rubin bestehen.
Lichtmühle nach einem der Ansprüche 1,3 und 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die auf dem Lagerzapfen (4) rotierenden Oberflächen der Einsatzteile (6a, 6b, 6c) und des Aufsatzteils (5) der Lagerhülse (3) poliert sind.
Lichtmühle nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, – dass die Dünnschicht (7) auf der Innenfläche der Lagerhülse (3) aus einer keramikähnlichen Hartstoffschicht, aus einer harten gleitfähigen Kohlenstoffschicht oder aus einer weichen molybdändisulfidhaltigen Festschmierstoffschicht besteht.
Lichtmühle nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die keramikähnliche Hartstoffschicht vorzugsweise aus Titannitrid (TiN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Titancarbonnitrid (TiCN) oder Chromnitrid (CrN) besteht.