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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein handgehaltenes Sprühgerät zur Abgabe eines Fluids.
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Es sind handgehaltene Sprühgeräte beispielsweise für Farbe bekannt, bei denen die Zerstäubung der aufzutragenden Farbe mit Hilfe eines starken Luftstroms erfolgt. Die Farbe wird dem Luftstrom zugeführt, z. B. durch Schwerkraft, durch eine Pumpe, durch Unterdruckerzeugung mittels einer Venturidüse, und dann in der stark turbulenten Luftströmung in kleine Tropfen zerteilt. Bei so genannten airless-Verfahren wird die Farbe unter hohem Druck durch eine Düse geringen Durchmessers gepresst und dabei zerstäubt. Beide Verfahren erzeugen naturgemäß ein lautes Betriebsgeräusch und benötigen eine hohe elektrische Leistung. Trotz hoher Zerstäubungsraten ist die Zerstäubung jedoch relativ grob, so dass der Farbauftrag ungleichmäßig werden kann. Wegen der benötigten hohen elektrischen Leistung müssen die Geräte über eine Netzversorgung mit Netzkabeln betrieben werden.
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Bei stationären Geräten ist bekannt, die Farbe mittels Ultraschall zu zerstäuben. Die zugeführte Farbe wird mit einer geeigneten Ultraschallzerstäuberdüse vernebelt. Diese Geräte weisen ein stationäres Steuergerät und eine davon getrennte mobile Einheit mit Zerstäuberdüse auf, welche relativ zu einer Oberfläche bewegt werden kann. Der Einsatz der Geräte ist daher räumlich beschränkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein handgehaltenes Sprühgerät vorgeschlagen, welches wenigstens eine Zerstäubereinheit zur Abgabe eines Fluids aufweist. Das handgehaltene Sprühgerät umfasst ein Gehäuse, welches wenigstens eine Schwingeinheit, eine Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der wenigstens einen Schwingeinheit mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, eine Betriebsspannungseinheit zur Bereitstellung oder Aufbereitung einer elektrischen Energieversorgung der Elektronikeinheit, wenigstens eine Schnittstelle für eine Versorgungseinheit für das Fluid auf, wobei die wenigstens eine Schwingeinheit zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung vorgesehen ist, welche der wenigstens einen Düse zugeordnet ist, und wobei die wenigstens eine Schwingeinheit wenigstens einen Anregungsaktor mit einem Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher im Betrieb von der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist und von der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt ist.
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Das Sprühgerät ist tragbar und kann von einem Anwender im Betrieb in der Hand gehalten werden, wobei es kabellos über Batteriepacks oder mittels eines Anschlusskabels über Netzstrom betrieben werden kann. Wird die wenigstens eine Schwingeinheit mittels einer batterie- oder netzgespeisten Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt und von der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt, so kann sie mit einer Frequenz, insbesondere einer Resonanzfrequenz des mechanischen Gesamtsystems, betrieben werden, so dass eine hohe mechanische Ausgangsleistung und hierdurch ein hoher Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichzeitig kann hierdurch die Baugröße des Sprühgeräts derart verkleinert werden, dass ein autarkes handgehaltenes Sprühgerät überhaupt erst möglich wird.
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Dabei kann die Schwingeinheit vorteilhaft einen Ultraschallanregungsaktor umfassen. Das Schwingungssystem der Schwingeinheit, das eine mechanische Schwingungsfrequenz erzeugt, ist vorzugsweise mit an das anregungsaktive Material angekoppelten Komponenten, insbesondere Komponenten, die den Ultraschall verstärken (Booster) und zu einem Wirkungsort übertragen (Sonotrode), verbunden. Diese ermöglichen eine Baugrößenreduktion zur Bereitstellung eines kompakten Gerätes. Es können auch mehrere Schwingeinheiten mit gleicher oder unterschiedlicher Anregungsfrequenz betrieben werden, die dazu dienen, eine oder mehrere Fluidnebel mit unterschiedlichen Tröpfchengrößen zu erzeugen. Wird die wenigstens eine Schwingeinheit in einer Resonanzfrequenz des mechanischen Antriebssystems betrieben, ist die Leistungsausbeute besonders hoch, so dass bei gegebener Ausgangsleistung das Sprühgeräts besonders klein gebaut sein kann, was die Handhabung eines handgehaltenen Sprühgeräts erleichtert. Das Sprühgerät kann schnurlos mit Batterie oder Akkumulatorpack betrieben sein oder auch zusätzlich oder alternativ mit Netzstrom über ein Netzkabel. Dabei führt lediglich das Netzkabel vom Sprühgerät nach draußen, so dass das Sprühgerät immer noch als praktisch autark angesehen werden kann.
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Das handgehaltene Sprühgerät erlaubt eine feine Zerstäubung mit besonders geringem Tröpfchendurchmesser im Bereich höchstens 200 μm, insbesondere im Bereich von höchstens 70 μm. Das Sprühen erfolgt praktisch geräuschlos mit geringem Energiebedarf im Bereich von höchstens 50 W, vorteilhaft im Bereich von höchstens 15 W, so dass insbesondere die netzunabhängige Anwendung des Sprühgeräts auch im Dauerbetrieb ermöglicht ist. Die aufgrund der Zerstäubung resultierende Tröpfchengeschwindigkeit ist sehr gering und liegt im Bereich von höchstens 4 m/s, üblicherweise höchstens 1 m/s. Die Ultraschallzerstäubung erfolgt unabhängig von einem gegebenenfalls vorhandenen Luftstrom, so dass dieser Luftstrom spezifisch für den optimalen Transport der Fluidtröpfchen ausgelegt werden kann. Hierdurch ist der Fluidauftrag gleichmäßiger und der Fluidnebel kann gezielt geführt werden, wobei unerwünschte Farbspritzer („overspray”) reduziert und gegebenenfalls komplett vermieden werden können. Da die Ultraschallzerstäubung des Fuids zudem auch unabhängig von der Medienzuführung erfolgt können trotz der geringen Tröpfchengröße relativ große Zuführungs-Kanalquerschnitte im Bereich bis 5 mm, typisch bis 2 mm zur Förderung des Fluids zum Zerstäuber gewählt werden, so dass eine Reinigung der Kanäle vereinfacht wird. Es können daher auch Fluide mit relativ großer Viskosität eingesetzt werden. Das Fluid kann insbesondere Farbe, z. B. Dispersionsfarbe, Lack etc., oder auch Schmiermittel sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann die Elektronikeinheit ausgebildet sein, um die wenigstens eine Schwingeinheit in einer Resonanzfrequenz zu betreiben, wobei vorzugsweise die Elektronikeinheit eine Regeleinheit mit Frequenzanpassung zur Nachführung der Resonanzfrequenz der wenigstens einen Schwingeinheit umfasst. Als „Resonanzfrequenz” wird eine bestimmte Resonanzfrequenz angesehen, die sich für einen bestimmten Parameterbereich, wie Temperatur und Last, für das gesamte schwingfähige System der Schwingeinheit ergibt. Somit stellt die Elektronikeinheit Steuer- und/oder Regelsignale bereit, um die wenigstens eine Schwingeinheit in einer Resonanzfrequenz zu betreiben, um eine möglichst hohe Leistungsausbeute zu erreichen und eine kompakte Bauweise der wenigstens einen Schwingeinheit zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine weitere Reduktion der Baugröße, so dass die Handhabung des handgehaltenen Sprühgeräts für den Anwender komfortabel ist.
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Hierzu kann eine ausreichend hohe Güte der Schwingeinheit, bzw. des Schwingungssystems, ausgenutzt werden, um mit hoher Effizienz und geringem Energieverbrauch eine hohe mechanische Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen, wobei die Güte des ungedämpften Schwingungssystems Werte von typischerweise über 100 bis über 500 erreichen kann. Wird dabei die Elektronikeinheit mit einer Regeleinheit versehen, die der Frequenzanpassung zur Nachführung der Resonanzfrequenz der wenigstens einen Schwingeinheit dient, so kann die Resonanzfrequenz kontinuierlich angepasst werden, wenn zum Beispiel wegen einer unterschiedlichen Viskosität des aufzutragenden Fluids oder unterschiedlichen Einsatzbedingungen, wie etwa bei niedrigen oder hohen Einsatztemperaturen, ein Wechsel der wenigstens einen Schwingeinheit erforderlich ist oder sich bei Belastung des Werkzeugs die Resonanzfrequenz der wenigstens einen Schwingeinheit ändert. Damit wird im Betrieb stets eine optimale Leistungsausbeute ermöglicht. Vorteilhaft kann die Elektronikeinheit eine Phasenregelkette umfassen, mit der die Resonanzfrequenz mit hoher Genauigkeit angeregt werden kann. So kann eine Phasenverschiebung zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung, welche dem Volumen anregungsaktiven Material zur Anregung der Ultraschallschwingungen zugeführt werden, auf einen festen Wert, insbesondere Null-Grad-Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung eingestellt und gehalten werden, womit eine optimale mechanische Leistungsausbeute erreicht werden kann.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann das anregungsaktive Material zumindest einer Schwingeinheit piezoelektrisch oder magnetostriktiv ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die wenigstens eine Schwingeinheit an ihrem freien Ende eine Schwingungsamplitude im Bereich von 2 μm bis 200 μm erreichen kann. Somit kann das anregungsaktive Material zumindest einer Schwingeinheit ein piezoelektrisches Material sein, insbesondere eine Piezokeramik, so dass sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung das piezoelektrische Material verformt. Insbesondere kommen als piezoelektrisches Material piezoelektrische Kristalle, piezoelektrische Keramiken oder piezoelektrische Dünnschichten in Frage. Alternativ oder auch additiv können ein oder mehrere Schwingeinheiten auch mittels eines magnetostriktiven Materials angetrieben werden. Diese verformen ihr Volumen durch ein angelegtes magnetisches Feld. Dabei erfährt ein magnetostriktiver Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung, die hervorragend zur Anwendung in einem Linearantrieb oder zur Erzeugung einer linearen Schwingung dienen kann. Das antreibende magnetische Feld kann mittels einer stromdurchflossenen Magnetspule und mittels eines Eisenkerns an das elektrostriktive Material abgegeben werden. Somit lässt sich der Anregungsaktor als piezoelektrischer Langevinschwinger oder als Magnetostriktionsschwinger ausbilden. Dabei ist es insbesondere weiterhin vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Schwingeinheit an ihrem freien Ende eine Schwingungsamplitude im Bereich von 2 μm bis 200 μm erreichen kann. Eine entsprechend hohe Schwingamplitude ist vorteilhaft für eine effiziente Tröpfchenerzeugung im Fluidstrom und damit für einen feinen Nebel des Fluids.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Betriebsfrequenz der wenigstens einen Schwingeinheit im Bereich zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 60 kHz, besonders bevorzugt über 20 kHz, insbesondere zwischen 35 kHz und 45 kHz, etwa bei 40 kHz, liegen. Aufgrund einer so hohen Anregungsfrequenz, die im Ultraschallbereich angesiedelt ist, sinkt zunächst einmal mit steigender Frequenz die Baugröße der Anregungskomponenten bei jedoch zunehmender mechanische Belastung des Schwingungssystems, wobei sich im ausgewählten Frequenzbereich vorteilhafte Größenverhältnisse bei hoher Ausgangsleistung mit günstigem Gewicht des Sprühgeräts ergeben, was die Anwendung als handgehaltenes Sprühgerät erleichtert. Des Weiteren wird durch eine Anregungsfrequenz über der typischen Hörfrequenz eines Menschen, die typischerweise im Bereich zwischen 30 bis 16.000 Hz liegt, ein Anregungsaktor geschaffen, dessen Betrieb praktisch unhörbar für den Menschen stattfindet, so dass keine oder eine nur sehr geringe Lärmbelästigung durch den Betrieb des Sprühgeräts auftritt. Diese ermöglicht ein leises und angenehmes Arbeiten mit dem Sprühgerät.
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Vorzugsweise kann eine Längserstreckung der wenigstens einen Schwingeinheit mit einer Wellenlänge der Resonanzfrequenz korrelieren, z. B. einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz entsprechen. Die Schwingeinheit umfasst insbesondere einen Konverter, der das anregungsaktive Material umfasst, eine Amplitudenverstärkung (Booster) und eine Sonotrode. So kann bei einer Betriebsfrequenz von 40 kHz die Schwingeinheit eine Längserstreckung von etwa 60 mm entsprechend der halben Wellenlänge, oder bei höherer Energie eine Längserstreckung von etwa 120 mm entsprechend der Wellenlänge der Anregungsfrequenz aufweisen. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise mit hoher Effizienz bei der Erzeugung des Fluidnebels.
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Gemäß einer günstigen Weiterentwicklung der Erfindung kann die Betriebsspannungseinheit einen elektrochemischen Speicher, insbesondere einen weiteraufladbarer elektrochemischer Speicher (Akkumulatorpack) umfassen. Zum Betrieb der wenigstens einen Schwingeinheit und der Elektronikeinheit ist eine elektrische Spannungsversorgung durch die Betriebsspannungseinheit notwendig, so dass diese grundsätzlich entweder mittels eines Netzbetriebes über ein Netzkabel direkt an ein öffentliches Stromnetz angeschlossen werden kann oder eine Konstantstromquelle in Form eines elektrochemischen Speichers, insbesondere einer Batterie oder eines wiederaufladbaren Akkumulators, umfassen kann. Solche transportablen elektrochemischen Speicher machen das Sprühgerät unabhängig von einem Kabel und lassen einen beliebigen Einsatzort zu.
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Gemäß einer günstigen Weiterentwicklung der Erfindung kann das Elektrowerkzeug eine oder mehrere optische und/oder akustische und/oder haptische Betriebsanzeigen für die Anzeige eines aktivierten Zustands der wenigstens einen Schwingeinheit umfassen. Die Anzeige kann dabei optisch und/oder akustisch und/oder haptisch beispielsweise durch Vibration erfolgen. Die Betriebssicherheit des Sprühgerätes kann dadurch erhöht werden, da klar erkennbar ist, ob die wenigstens eine Schwingeinheit aktiviert ist und mechanische Leistung abgegeben wird. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Arbeitsfrequenz der wenigstens einen Schwingeinheit oberhalb der menschlichen Hörfrequenz liegt, so dass ein Benutzer nicht aufgrund von Arbeitsgeräuschen der wenigstens einen Schwingeinheit auf den Betriebszustand des Sprühgeräts schließen kann und somit die Gefahr besteht, dass er bei aktivierter Schwingeinheit in den Düsenbereich geraten und sich verletzen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Handhabung des Sprühgeräts verbessert, wenn ein Masseschwerpunkt in einem Griffbereich des Gehäuses oder senkrecht oberhalb des Griffbereichs angeordnet sein kann. Ein Anwender kann das Sprühgerät besser ausbalancieren und sicher führen.
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Vorteilhaft kann die Schwingeinheit wenigstens an ihrem freien Ende durch eine Abdeckung berührungssicher abgedeckt sein, so dass ein unbeabsichtigtes Berühren der Schwingeinheit vermieden werden kann.
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Zur Richtungsaufprägung und/oder zur Aufweitung des Fuidnebels kann ein durch ein Gebläse erzeugter Luftstrom eingesetzt sein, der in der Düse geführt sein kann.
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Grundsätzlich kann die von der Schwingeinheit ausgebildete Druckwelle beliebig gegenüber einer Abgaberichtung des Fluids ausgerichtet sein, wobei sich nahe liegend eine Ausrichtung der Druckwelle und damit der Längsausrichtung der Schwingeinheit in Abgaberichtung des zerstäubten Fluids anbietet. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann gegenüber der wenigstens einen Schwingeinheit ein Reflektorbauteil angeordnet sein, wobei im Betrieb der Schwingeinheit zwischen Schwingeinheit und Reflektorbauteil eine Druckstehwelle, insbesondere eine Ultraschallstehwelle ausbildbar ist. Hierbei ist die Düse zur Zerstäubung des Fluids senkrecht zur Ausbildungsrichtung der Druckstehwelle ausgerichtet. Somit wird mithilfe der Schwingeinheit und dem Reflektorbauteil, das bevorzugt aus einem schallharten Material wie Metall bestehen kann, ein stehendes Ultraschallwellenfeld erzeugt, in dem sich ein sinusförmiger Verlauf der Stehwelle einstellt. Bevorzugt kann im Schwingungsknoten der Schallschnelle der Stehwelle, an der das höchste Schalldruckwechselfeld herrscht, das zu zerstäubende Fluid mittels einer Düse eingebracht werden, wobei die Düse vorteilhaft senkrecht zur Ausbildungsrichtung der Stehwelle ausgerichtet ist. Jedoch ist es auch denkbar, das Fluid in den Schwingungsbäuchen des Stehwellenfeldes einzubringen. Zur vorteilhaften Ausbildung des Stehwellenfeldes sollte der Längsabstand L zwischen Ende der Schwingeinheit und des Reflektorbauteils als Stehwellenfeld eine ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge (L = (2n – 1)λ/4 mit n = 1, 2, 3 ...) des durch die Schwingeinheit erzeugten Schallwellenlänge λ betragen, insbesondere L = 3λ/4. Jedoch kann der Längsabstand auch auf andere Werte eingestellt werden, solange sich ein stehendes Schallwellenfeld ausbildet, dass durch die Schwingeinheit angeregt werden kann. Da durch eine Zerstäubung mittels eines Stehwellenfeldes keine wesentliche Geschwindigkeitskomponente auf den Fluidnebel übertragen werden kann, kann dieser vorteilhaft mittels eines geeigneten Gebläses auf die zu benetzende Oberfläche gebracht werden.
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Bezugnehmend auf das vorstehende Ausführungsbeispiel kann das Reflektorbauteil vorteilhafterweise eine Platte, insbesondere eine kreisscheibenförmige Platte oder ein freies Ende einer zweiten Schwingeinheit sein. Ist das Reflektorbauteil als Platte ausgebildet, so kann diese einen Querschnitt aufweisen, die dem Querschnitt des freien Endes der Sonotrode der Schwingeinheit entspricht.
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Alternativ kann das Reflektorbauteil auch ein freies Ende einer zweiten Schwingeinheit sein, die ebenfalls Ultraschallschwingungen erzeugt, wobei sich hierdurch die beiden Stehwellenfelder der beiden Schwingeinheiten überlagern. Hierbei ist es wichtig, dass beide Schwingeinheiten frequenzangepasst, insbesondere frequenzgleich und phasenangepasst, insbesondere phasengleich oder phasenversetzt angeregt werden. Dabei kann ebenfalls vorteilhaft der Längsabstand L zwischen den Enden der beiden Schwingeinheiten so gewählt werden, dass sich mehrere, insbesondere 5 bis 10 Schwingungsbäuche der Stehwelle ausbilden können. Hierdurch kann eine erhöhte Zerstäuberleistung und damit eine erhöhte Fluidnebelabgabe erreicht werden. Es ist weiterhin denkbar, dass zwischen den beiden oder mehreren Schwingeinheiten eine oder mehrere Reflektorscheiben angeordnet werden können, um die erzeugen Stehwellenfelder zu separieren, wobei auch eine gewinkelte Reflektorscheibe denkbar ist, so dass die beiden oder mehreren Schwingeinheiten nicht entlang einer geraden, sondern zweier oder mehrerer zueinander abgewinkelter Anordnungsachsen ausgerichtet sein können. Hierdurch kann der Fluidnebel in einem erweiterten Abgabewinkel, d. h. in zwei oder mehreren winkelversetzten Abgaberichtungen abgegeben werden. Im Falle zweier oder mehrerer durch ein oder mehrere Reflektorbauteile separierten Schwingeinheiten ist es auch denkbar, diese mit verschiedenen Frequenzen und/oder Phasen zu betreiben, um so z. B. dem Fluidnebel eine vorbestimmbare Abstrahlcharakteristik zu geben.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1a, 1b ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen handgehaltenen Farbsprühgeräts im Längsschnitt (1a) und ein Detail einer Düse (1b); und
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2a, 2b ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen handgehaltenen Farbsprühgeräts im Längsschnitt (1a) und ein Detail einer Düse (1b); und
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3 als Blockdarstellung eine beispielhafte Ansteuerschaltung.
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Ausführungsform der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Hierzu zeigen die 1a und 1b eine erste Ausführung eines handgehaltenen Sprühgeräts 10, welches aus einer Düse 50 einen feinen Nebel eines Fluids 30 abgibt, wobei 1a einen Überblick über das Sprühgerät 10 in Seitenansicht gibt und 1b ein Detail der Düse 50 zeigt. Das Sprühgerät 10 ist z. B. als Farbsprühgerät ausgebildet, mit dem Farbe aufgetragen werden kann.
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Das Sprühgerät 10 weist ein Gehäuse 20 auf, das ein Griffteil 22 und ein Maschinenteil 24 aufweist. Das Griffteil 22 kann von einem Anwender bequem in der Hand gehalten werden. Das Griffteil 22 kann mit besonderem Vorteil ergonomisch geformt sein, so dass ein Anwender das Sprühgerät 10 leicht, kontrolliert und ermüdungsfrei handhaben kann.
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In dem Gehäuse 20 sind die elektronischen und mechanischen Komponenten angeordnet, die zur Abgabe des Fluids 30 notwendig sind. Die Anordnung der Komponenten ist vorzugsweise so gewählt, dass ein Masseschwerpunkt des Sprühgeräts im Griffteil 22 oder zumindest in der Nähe des Griffteils 22 aus gebildet ist, was die Handhabung weiter erleichtert und ein zielgenaues Arbeiten erlaubt.
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Im Maschinenteil 24 ist eine Schwingeinheit 58 sowie eine Elektronikeinheit 60 zum Beaufschlagen der Schwingeinheit 58 mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen angeordnet. Dabei ist die Elektronikeinheit 60 auf einer oder zwei Platinen 14 angeordnet, die auch auf verschiedene Bereiche des Gehäuses 20 verteilt sein kann.
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Ferner umfasst das Sprühgerät 10 eine Betriebsspannungseinheit 70, die innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet ist, beispielsweise einen Akkumulatorpack 16 zur netzlosen Versorgung der Elektronikeinheit. Der Akkumulatorpack 16 kann beispielsweise im Sprühgerät 10 aufgeladen werden oder in einem externen Ladegerät. Alternativ oder optional kann eine direkte Netzversorgung vorgesehen sein, wobei ein Netzteil für eine kabelgebundene Stromversorgung und z. B. geräteinterne Akkumulatoraufladung und eine Steuerelektronik für die Ansteuerung der Schwingeinheit 58 vorgesehen sein kann. Die Batteriespannungs- und Elektronikeinheit 60 ist mit der Schwingeinheit 58 verbunden, in welcher ein Konverterbereich mit angegungsaktivem Material 18, z. B. piezoelektrisches oder magnetostriktives Material, angeordnet ist. Wird das anregungsaktive Material 18 der Schwingeinheit 58 mit elektrischen Signalen beaufschlagt, so wird in dem anregungsaktiven Material 18 eine hochfrequente mechanische Schwingung angeregt, die auf ein freies Ende 54 der Schwingeinheit 58 in der Düse 50 übertragen wird, so dass ein im Zuführkanal 34 der Schwingeinheit 58 zugeführtes Fluid in der Düse 50 in feinste Tröpfchen zerteilt wird.
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Am Maschinengehäuse 24a ist eine Schnittstelle 38 für eine Versorgungseinheit 32 für das Fluid 30 vorgesehen, z. B. eine Schnellkupplung, auf das die Versorgungseinheit 32, etwa ein Vorratsbehälter, aufgesteckt werden kann. Damit ist ein völlig autarkes Arbeiten mit dem Sprühgerät 10 möglich. Die Versorgungseinheit 32 kann auch fest mit dem Sprühgerät 10 verbunden sein. Optional kann auch ein Anschluss für eine stationäre Versorgungseinheit 32 vorgesehen sein, etwa eine Schlauchkupplung.
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Innerhalb der Schwingeinheit 58 ist, nicht detailliert dargestellt, ein System aus Booster 58b und Konverter 58a zur hochfrequenten mechanischen Schwingungsanregung angeordnet. Je nach Nutzervorgabe kann das Sprühgerät 10 mittels eines Bedienteils 28 ein- und ausgeschaltet werden. Das Bedienteil 28 kann für das elektrische Ein- und Ausschalten der Elektronikeinheit sowie zur Freigabe des Fluids 30 in die Düse 50 ausgebildet sein, etwa durch zwei Schalter, etwa einen Ein/Ausschalter und einen Freigabeschalter, die in Kombination betrieben werden.
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Die Elektronikeinheit 60 kann vorteilhaft ausgebildet sein, um die wenigstens eine Schwingeinheit 58 in einer Resonanzfrequenz f_res zu betreiben, wobei vorzugsweise die Elektronikeinheit 60 eine Regeleinheit 68 mit Frequenzanpassung zur Nachführung der Resonanzfrequenz f_res der wenigstens einen Schwingeinheit 58 umfasst.
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Die Schwingeinheit 58 kann an ihrem freien Ende 54 eine Schwingamplitude im Bereich von 2 μm bis 200 μm erreichen. Das freie Ende 54 ragt in Luftzuführungskanäle 44 der Düse 50 hinein und zerstäubt dort das Fluid 30 in feinste Tröpfchen. Das Fluid kann mittels Schwerkraft aus dem Vorratsbehälter 32 in einen Zuführungskanal 34 von hinten durch die Schwingeinheit 58 oder alternativ durch einen Kanal 36 seitlich zugeführt werden um dann im Inneren des freien Schwinger-Endes 54 zur Düse 50 geführt werden. Das Fluid 30 kann durch einen Luftstrom 42, 44 der von einem Gebläse 40 erzeugt ist, von der Düse 50 wegbefördert werden. Das Gebläse 40 kann beispielsweise an einer der Düse 50 gegenüberliegenden Seite des Maschinengehäuses 24a angeordnet sein. Der Luftstrom 42, 44 kann zur Richtungsaufprägung und/oder zur Aufweitung des Fluidnebels eingesetzt sein. Zusätzlich oder alternativ kann zum Transport des Fluids 30 zur Düse 50 eine Förderpumpe 46 eingesetzt werden.
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Die Betriebsfrequenz der Schwingeinheit 58 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 60 kHz, vorzugsweise über 20 kHz, insbesondere bei etwa 40 kHz. Dies ermöglicht eine vorteilhaft kompakte Bauweise des Sprühgeräts 10, da die Schwingeinheit 58 in ihrer Längserstreckung 58L an die Wellenlänge λ der Erregerfrequenz des anregungsaktiven Materials 18 angepasst werden kann. Die Längserstreckung 58L kann z. B. der halben Wellenlänge λ oder ganze Vielfache der halben Wellenlänge λ des mechanischen Schwingsystems entsprechen. Die Schwingeinheit 58 ist insbesondere ein kompaktes Bauteil, das einen Konverter umfassend das anregungsaktive Material 18, einen Amplitudenverstärker (Booster) 58b sowie eine Sonotrode 58c umfassen, die entlang der Längserstreckung 58L angeordnet sind.
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Am Gehäuse 20 können eine oder mehrere optische und/oder akustische und/oder haptische Betriebsanzeigen für die Anzeige eines aktivierten Zustands der wenigstens einen Schwingeinheit 58 vorgesehen sein.
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Die Schwingeinheit 58 ist an ihrem freien Ende 54 zweckmäßigerweise durch eine Abdeckung 52 in der Art einer Schutzhaube berührungssicher abgedeckt.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines ultraschallangeregten Sprühgerätes 10. Das Sprühgerät 10 ist in vielen Teilen gleich wie das Sprühgerät nach dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, so dass bei der Beschreibung in weiten Teilen auf die Ausführung zu den 1a, 1b verwiesen wird. So umfasst das schematisch im Querschnitt nach 2a dargestellte Sprühgerät 10 eine Versorgungseinheit 32, die ein zu zerstäubendes und zu versprühendes Fluid 30 aufnehmen kann. Die Versorgungseinheit 32 ist mittels einer Schnittstelle 38, z. B. eine Flanschverbindung, Schraubverbindung, Stopfverbindung oder ähnliches mit einer Förderpumpe 46 im Inneren des Gehäuses 20 des Sprühgeräts verbunden. Die zum Betrieb erforderliche elektrische Energie wird durch eine Betriebsspannungseinheit 16, die zwei Akkumulatoren umfassen kann, bereitgestellt, wobei ein Bedienteil 28 zur benutzerseitigen Aktivierung der Fluidnebelabgabe dient. Bei Betätigung des Bedienteils 28 versorgt die Betriebsspannungseinheit 16 die Elektronikeinheit 14, die auf einer Platine 60 angeordnet ist, mit elektrischer Energie, wodurch eine Schwingeinheit 58 zur Erzeugung eines Schallwellenfeldes (Druckstehwelle 82) angeregt wird. Die Schwingeinheit 58 umfasst hierzu einen Konverter 58a, der ein anregungsaktives Material 18, beispielsweise eine piezoelektrische Keramikscheibe oder ein magnetostriktives Material mit Magnetspule umfasst, wobei die Elektronikeinheit 14 hierzu ein frequenzangepasstes Anregungssignal zur Verfügung stellt. Der Konverter 58a regt über einen Booster 58b eine Sonotrode 58c an, die das freie Ende 54 der Schwingeinheit 58 umfasst, deren Längserstreckung 58L frequenzangepasst ist und deren Schwingung eine Schallwelle im angeregten Frequenzbereich erzeugt.
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Wie in 2b in Vergrößerung dargestellt, befindet sich gegenüber dem freien Ende 54 und achsymmetrisch zur Längsachse der Sonotrode 58c ein Reflektorbauteil 80, in diesem Fall ein passiver plattenförmiger Reflektor aus einem schallharten Material, so dass sich entlang dem Längsabstand 84 eine stehende Ultraschallwelle (Druckstehwelle 82) mit einer Ausdehnung von 3/4λ der Schallwellenlänge λ ausbildet. Weiterhin kann die Stehwelle auch in beliebigen andere Ausdehnungen der Länge 1/4λ + n·1/2λ ausgeführt sein. Das aus der Versorgungseinheit 32 mittels der Förderpumpe 46 entnommene Fluid wird durch einen Zuführungskanal 34 und über Fluidkanäle 44 einer Düse 50 in die Druckstehwelle 82 abgegeben. Die Dosierung erfolgt hierbei im Wirkbereich der Stehwelle insbesondere in der Nähe eines Schwingungsbauchs oder eines Schwingungsknotens. Aufgrund der darin herrschenden wechselnden Druckverhältnisse wird das Fluid 30 zerstäubt und in einen feinen Nebel verteilt. Der Fluidnebel kann durch ein Gebläse 40, dass im hinteren Teil des Gehäuses 20 des Sprühgeräts 10 angeordnet ist, mit einer Geschwindigkeitskomponente beaufschlagt werden, so dass der Fluidnebel 30, insbesondere ein Lacknebel, auf eine zu benetzende Oberfläche, beispielsweise eine Autokarosserie aufgetragen werden kann. Der Luftstrom des Gebläses 40 dient auch zur Kühlung der Platine 60 der Elektronikeinheit 14.
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Anstelle der Reflektorplatte ist die Anordnung einer zweiten Schwingeinheit 58 spiegelbildlich gegenüber dem freien Ende 54 der Sonotrode 58c denkbar, so dass sich zwei Stehwellen überlagern, wodurch ein höherer Fluiddurchsatz erreicht werden kann. Mittels eines zwischen den beiden Schwingeinheiten 58 eingebrachten passiven Reflektors kann ein größerer Abstrahlbereich des Fluidnebels erreicht werden, wobei durch einen gewinkelten Reflektor und dementsprechend zwei zueinander gewinkelte Hauptachsen der Schwingeinheiten 58 der Fluidnebel in einem weiten Abstrahlwinkel abgegeben werden kann. So kann der gewinkelte Reflektor und die Winkellage der beiden Schwingeinheiten 58 zueinander mittels eines Scharniers am Reflektor und entsprechenden Winkeleinstelllagern an den beiden Schwingeinheiten 58 einstellbar sein. Dieses Konzept kann auch auf mehrere Schwingeinheiten 58 mit entsprechend dazwischen angeordneten Reflektoren ausgeweitet werden.
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Schließlich zeigt 3 ein schematisches Diagramm der Verknüpfung der einzelnen Betriebseinheiten eines ultraschallangeregten Sprühgeräts 10. Schematisch betrachtet umfasst das ultraschallangeregten Sprühgerät 10 eine Betriebsspannungseinheit 70, die eine elektrische Betriebsspannung zum Betrieb des Sprühgeräts 10 zur Verfügung stellt. Die Betriebsspannungseinheit 70 umfasst ein Netzspannungsmodul 72, 74, das aus einer Spannung aus dem öffentlichen Spannungsnetz, beispielsweise einer 240 Volt Wechselspannung, eine geeignete Gleichspannung, z. B. 240 oder 12 Volt, erzeugen kann. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Betriebsspannungseinheit 70 anstelle der Komponenten 72, 74 ein Akkuspannungsmodul 76, das die Spannungsversorgung mittels eines Akkumulatorpacks 16 oder einer Batterie bereitstellt. Optional können auch alle 3 Komponenten 72, 74, 76 vorhanden sein, wodurch eine Aufladung des Akkumulatorpacks über das Netzspannungsmodul 72, 74 erfolgen kann. An der Betriebsspannungseinheit 70 ist eine Elektronikeinheit 60 angeschlossen, in der sich eine Regeleinheit 68 befindet. Die Regeleinheit 68 erzeugt elektrische Regel- und/oder Steuersignale zum Betrieb der Schwingeinheit 58. Hierzu kann die Regeleinheit 68 eine Rückkopplungsfunktion aufweisen, um eine Resonanzfrequenz des mechanischen Antriebssystems der Schwingeinheit 58 bei sich ändernden Resonanzbedingungen nachzuführen und eine frequenzangepasste Spannungsversorgung zum Betrieb der Schwingeinheit 58 zur Verfügung zu stellen. Die Regeleinheit 68 ist an eine Leistungsstufe 64 und ein entsprechendes Anpassungsnetzwerk 66 angeschlossen. Die Baugruppen zur Gleichrichtung und Glättung der Versorgungsspannung (Netzspannungsmodul 72, 74) benötigen je nach Systemaufbau etwa 30% des Bauvolumens der Platine (14, 1a, 2a). Durch Verwendung einer Gleichspannungsversorgung 76 kann dieser Bauraum eingespart werden.
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Die Reduktion der Baugröße kann dabei durch die Verwendung entsprechender leistungsstarker Batteriesysteme, wie etwa Lithium-Ionensysteme, Nickel-Metallhydrid, Blei oder Nickel-Cadmium-Systeme, weiter verbessert werden.
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An die Regeleinheit 68 kann eine optische und eine haptische Betriebsanzeige angeschlossen sein, die dem Anwender den aktivierten Betrieb des Sprühgerätes 10 anzeigen können. Dies ist wichtig, da die Ultraschallanregung der Schwingeinheit 58 in einem hochfrequenten Bereich stattfindet, der für den Nutzer unhörbar ist. Daher ist es auch denkbar, dass weitere Schutzsensoren, beispielsweise Lichtschranken, Berührungssensoren oder Ähnliches, im Sprühgerät 10 insbesondere im Bereich der Düse 50 angeordnet sein können, die ein Warnsignal auslösen oder ein instantanes Abschalten des Sprühgerät 10 bewirken können.
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Mittels der Erfindung wird zum einem eine Technologie zum sauberen, sicheren und absolut geräuschfreien Auftragen eines Fluids 30, etwa Farbe oder Schmiermittel bereitgestellt, zum anderen ein energiesparendes und kompaktes Sprühgerät 10 mit einem innovativen Antriebskonzept vorgeschlagen.
