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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Staubsauger gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei den heute in weit verbreiteter Bauart üblichen Staubsaugern wird die für den Saugbetrieb erforderliche Saugluft durch ein Gebläseaggregat erzeugt, welches von einem Antriebsmotor angetrieben wird. Aus diesem Saugluftstrom wird außerdem ein Kühlluftstrom zur Kühlung des Motors sowie eventuell weiterer kühlungsbedürftiger Bauelemente abgezweigt. Ein Beispiel für ein Staubsaugergebläse, bei dem besondere Vorkehrungen zur Motorkühlung getroffen sind, geht aus
DE 102 00 951 A1 hervor.
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Aus verkaufstechnischen Gründen wird bei den aktuell am Markt angebotenen Staubsaugern immer noch eine möglichst hohe elektrische Aufnahmeleistung in den Vordergrund gerückt. Maßgeblich für gute Saugergebnisse ist aber nicht allein die elektrische Aufnahmeleistung sondern die insgesamt vom Gerät erzielte Saugleistung. Diese wird wiederum bestimmt durch die Ausgestaltung der in der Luftwegskette liegenden Bauelemente, wie Staubsaugergebläse, Bodendüse, Filtervorrichtung u. s. w.. Eine hohe elektrische Aufnahmeleistung des Gerätes ist somit nicht gleichbedeutend mit einer hohen und effizienten Saugleistung. Deshalb gewinnt in jüngster Zeit das so genannte “Effizienzprinzip“ zunehmend an Bedeutung. Hierbei wird der Saugfortschritt bzw. die Staubaufnahme in Relation zur Aufnahmeleistung betrachtet. Ein hiernach geforderter Effizienzwert kann sowohl durch einen effizient arbeitendes Vorsatzgerät (z.B. Bodendüse) bei einer gegebenen Aufnahmeleistung als auch durch ein wirkungsgradoptimiertes Staubsaugergebläse mit einer verringerten Aufnahmeleistung bei konstanter Staubaufnahme erreicht werden. Der Gesamtwirkungsgrad eines Staubsaugergebläses setzt sich im Wesentlichen zusammen aus den Verlusten in der Steuerungselektronik, des Antriebsmotors und im Gebläse. Ein Teil der durch das Gebläseaggregat verursachten Verluste ist wiederum auf die erforderliche Zwangsdurchströmung zurückzuführen, die z. B. zur Kühlung der Motorwicklung oder auch zur Kühlung von Stellorganen in der Steuerungselektronik unbedingt notwendig ist. Eine Reduzierung des Kühlluftstromes hätte zur Folge, dass der Staubsauger bei Erreichen eines bestimmten Temperaturgrenzwertes durch einen Thermoschalter abgeschaltet wird. Dies würde der Benutzer als sehr lästig empfinden. Andererseits besteht auch die Gefahr, dass die Steuerelektronik und die Motorwicklung Schaden nehmen, so dass der Staubsauger insgesamt nicht mehr betriebsbereit sein könnte. Eine Effizienzverbesserung des Systems durch Reduzierung der Kühlluftleistung ist also nicht so ohne Weiteres möglich.
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Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein neuartiges Kühlkonzept für den Gebläsemotor und eventuell weiterer elektrischer Bauelemente zu offenbaren, bei dem auf die Abzweigung eines Kühlluftstromes wenigsten teilweise verzichtet werden kann und sich damit insgesamt eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielen lässt.
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Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems im Sinne des Effizienzprinzips weiter optimiert werden kann, ohne dass es dabei zu Beeinträchtigungen beim Betrieb des Staubsaugers durch vorzeitiges Abschalten oder zu einer Beschädigung der zu kühlenden Bauteile kommen kann.
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Die Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist mit kostengünstigen Mitteln möglich. Die als Wärmeübertragungselement infrage kommenden Wärmerohre (Heatpipes) sind heute in vielfältigen Ausführungen für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke verfügbar. Insbesondere wenn eine raumsparende Bauform gefragt ist, zeigen Wärmerohre ihre besonderen Vorzüge. Diese Wärmeübertrager erzielen unter Nutzung der Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte, wodurch auf einer relativ kleinen Querschnittsfläche große Wärmemengen abgeführt werden können.
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Bei Nutzung des Gebläsegehäuses als Kühlvorrichtung ergibt sich eine optimale Funktionsintegration. Das Gebläsegehäuse wirkt dabei nicht nur strömungsführend für die Saugluft sondern auch als Kühlaggregat für die Bauelemente im Staubsauger, die Betriebswärme erzeugen.
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Weiterhin ist mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Dauerbetrieb möglich, bei dem eine ausreichende Kühlung des Antriebsmotors und der Leistungsstellorgane in der Steuerelektronik erreicht wird, ohne dass diese mit zusätzlicher Kühlluft beaufschlagt werden müssen. Ferner können eventuell auch die an sich notwendigen großflächigen Kühlkörper des Leistungsstellorgans in der Steuerelektronik entfallen. Dadurch wird wiederum ein kompakter Aufbau der Regeleinrichtungen ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich dadurch, dass der Antriebsmotor sowie das Stellorgan in der Leistungselektronik vollständig gekapselt ausgebildet werden können und keine luftführungstechnischen Vorkehrungen für einen Kühlluftstrom erforderlich sind. Außerdem kann z.B. das Stellorgan der Leistungselektronik an einem beliebigen Ort im Staubsaugergehäuse positioniert werden, was insbesondere bei der Gestaltung der Hardware der Steuerelektronik vorteilhaft genutzt werden kann.
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Die Stellorgane der Steuerelektronik werden bevorzugt in unmittelbarer Nähe zum Mikrorechner angeordnet, um die EMV-Störsicherheit zu erhöhen, aber auch um die Realisierungskosten zu senken bzw. diese niedrig zu halten.
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Insgesamt ergibt sich somit ein Konzept für ein wirkungsgradoptimiertes Gebläse für einen Staubsauger, bei dem die bisher zu beachtenden Restriktionen nicht mehr berücksichtigt werden müssen.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem lässt sich besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Verwendung eines bürstenlosen Motors oder eines Reluktanzmotors realisieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
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1 ein vereinfachtes Funktionsschaubild über das Kühlluftsystem für einen Staubsauger nach dem augenblicklichen Stand der Technik;
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2 ebenfalls ein vereinfachtes Funktionsschaubild für das erfindungsgemäße Kühlluftsystem mit den zur Erläuterung der Erfindung notwendigen Bauelemente.
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Die 1 zeigt in einer vereinfachten Prinzipskizze den zur Zeit am Markt vorherrschenden Stand der Technik für Staubsauger in einer weitverbreiteten Ausgestaltungsform. Darin sind die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Bauelemente dargestellt, und zwar das Staubsaugergebläse 1, der Antriebsmotor 2 sowie die Steuerelektronik 3. In dem Gebläsegehäuse 12 sind das Laufrad 11 sowie eine Leitstufe 13 symbolisch dargestellt. Die Steuerelektronik 3 weist unter Anderem den angedeuteten Mikrocomputer 31 sowie ein Leistungsstellorgan 32 auf. In der Regel ist das Leistungsstellorgan ein Triac- oder ein Leistungstransistor. Das Luftführungssystem für einen Staubsauger nach dem Stand der Technik wird durch die in der Zeichnung dargestellten Pfeile verdeutlicht. Die Saugluft 4 tritt in der Eintrittsöffnung 14 zum Gebläse in das Gebläsegehäuse 12 ein, durchströmt das Laufrad 11, die Leitstufe 13 und tritt als Abluft- bzw. als Kühlluft 5 aus dem Gebläsegehäuse 12 aus. Der Luftstrom 5 wird zum Antriebsmotor 2 und zum Leistungsstellorgan 32 geleitet und dient somit zur Kühlung des Motors 2 sowie des Leistungsstellorgans 32 der Steuerelektronik 3. Anschließend wird der gesamte Abluftstrom aus dem nicht näher gezeigten Staubsaugergehäuse in die Raumluft abgegeben.
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In der 2 ist ein Beispiel für die erfindungsgemäße Lösung ebenfalls anhand einer vereinfachten Prinzipskizze dargestellt. Bei der hier gezeigten Aufbauform wird durch die Trennlinie 8 eine Trennung im System symbolisiert, die wesentlich für das erfindungsgemäße Lösungsprinzip ist. Die Saugluft 4 wird hier über die Eintrittsöffnung 14 in das Gebläsegehäuse 12 eingeleitet und tritt nach der vom Laufrad 11 im Gebläsegehäuse 12 erzeugten Zwangsdurchströmung als Abluft 5 über die Austrittsöffnung 15 aus dem Gebläsegehäuse 12 aus. Von hier aus wird die Abluft durch eine Öffnung im nicht näher gezeigten Staubsaugergehäuse nach außen abgeführt.
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Bei der hier gewählten Ausbildung soll das Gebläsegehäuse 12 gleichzeitig die Funktion einer luftgekühlten Kühlvorrichtung 6 übernehmen, um die vom Antriebsmotor 2 und dem Leistungsstellorgan 32 der Steuerelektronik 3 erzeugte Betriebswärme zu kompensieren. Zur Ableitung dieser Wärme werden erfindungsgemäß Wärmeübertragungselemente 7 in Form so genannter Wärmerohre (engl.: Heatpipes) eingesetzt. Diese Wärmeübertragungselemente 6 werden bekanntlich in verschiedensten Bauformen bereits in anderen elektrischen Geräten, u.a. in Laptops, eingesetzt. Derartige Wärmerohre können in unterschiedlichen Längen und Formen hergestellt werden und lassen sich mit engen Radien biegen. Dadurch eignen sie sich insbesondere als Wärmeübertragungsmedium für den ortsungebunden Einsatz in engen Bauräumen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor 2 sowie das Leistungsstellorgan 32 in der Steuerelektronik 3 über die Wärmeübertragungselemente 6 mit dem als Kühlvorrichtung 6 wirkenden Gebläsegehäuse 12 verbunden. Die am Antriebsmotor 2 und am Leistungsstellorgan 32 anfallende Betriebswärme wird durch den Wärmeleitstrom in den Wärmeübertragungselementen 6 zu den Kühlflächen am Gebläsegehäuse 12 transportiert und somit von diesen Wärmeerzeugern abgeleitet.
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Das Gebläsegehäuse 12 stellt mit seiner relativ großen Oberfläche ein geeignetes Bauteil für die Kühlvorrichtung 6 als Wärmesenke dar. Die von den Wärmequellen, Antriebsmotor 2 und Leistungsstellorgan 32 über die Wärmeübertragungselemente 7 am Gebläsegehäuse 12 ankommende Verlustwärme wird durch die vom Laufrad 11 erzeugte Zwangsdurchströmung permanent abgeleitet. Somit kann sich ein stetiger Wärmeabfluss von den elektrischen Bauteilen über das als Kühlvorrichtung wirkende Gebläsegehäuse 12 einstellen.
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Das Gebläsegehäuse 12 wird zwecks optimaler Wärmeabfuhr aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, wozu sich als Werkstoff vorteilhaft Aluminium eignet. Aber auch inzwischen verfügbare wärmeleitfähige Kunststoffe kommen hierfür in Betracht. Weiterhin können die von anderen Gebieten bekannten Maßnahmen zur Anwendung kommen. So kann der Außenmantel des Gebläsegehäuses 12 mit Strukturen in Form von Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet sein, die die wärmeableitende Oberfläche vergrößern. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, den Außenmantel des Gebläsegehäuses 12 in einer zahnradförmigen Struktur auszubilden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, das Gebläsegehäuse 12 in schwarzer Farbe auszuführen, um die Wärmeabfuhr durch Wärmestrahlung zu begünstigen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kühlsystems können der Antriebsmotor 2 sowie das Leistungsstellorgan 32 in vorteilhafter Weise vollständig gekapselt ausgebildet werden. Dadurch kann man diese Bauteile in einer kompakten Form herstellen, was sich u. a. für die Montage im Produktionsprozess sowie bei einer evtl. notwendigen Reparatur günstig auswirkt.
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Insbesondere das Leistungsstellorgan 32 kann im Staubsaugergehäuse unhabhängig vom Gebläse mit seinem Kühlluftstrom an beliebigen Stellen positioniert werden. Dadurch eröffnen sich für die Gestaltung der Hardware der Steuerelektronik neue Möglichkeiten. Die Stellorgane der Steuerelektronik werden bevorzugt in unmittelbarer Nähe zum Mikrocomputer, um die EMV-Störsicherheit zu erhöhen, aber auch um die Realisierungskosten zu senken bzw. diese niedrig zu halten.
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Als Kühlvorrichtung können auch andere im Gebläseluftstrom angeordnete Bauteile in Frage kommen. Z.B. ist es denkbar, im Luftführungssystems eines Staubsaugers vorhandene, rohrförmige Luftleitungsteile speziell zu wirksamen Kühlvorrichtungen auszubilden.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem lässt sich besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Verwendung eines bürstenlosen Motors oder Reluktanzmotors realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gebläse
- 11
- Laufrad
- 12
- Gehäuse
- 13
- Leitstufe
- 14
- Eintrittsöffnung
- 15
- Austrittsöffnung
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Steuerelektronik
- 31
- Mikrocomputer
- 32
- Stellorgan
- 4
- Saugluft (Zuluft)
- 5
- Gebläseabluft
- 6
- Kühlvorrichtung
- 7
- Wärmeübertragungselement (Wärmerohr)
- 8
- Trennlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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