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Luftturbine für den Antrieb eines Reinigungswerkzeuges in einem Staubsaugermundstück
Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftturbine für den Antrieb eines Reinigungswerkzeuges
in einem Staubsaugermundstück mit einem Gehäuse, das eine Ansaugdüse aufweist, mit
einer Kammer für ein Luftturbinenrad, mit einem umlaufenden Reinigungsorgan, das
in der Ansaugdüse angebracht ist und eine zu reinigende Oberfläche berühren kann,
mit einem mit Schaufeln versehenen Rad, das drehbar in der Luftturbinenkammer gelagert
ist, mit verbindenden Kraftübertragungsgliedern zwischen dem Rad und dem umlaufenden
Reinigungsorgan und mit einer Saugleitung, die von der Luftturbinenkammer nach außen
führt.
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Luftturbinen dieser Art sind bekannt. Sie haben den Fehler, daß von
ihnen zusammen mit der Luft angesaugte größere Teile ihre inneren Bauteile, insbesondere
die Schaufeln ihres Luftturbinenrades, beschädigen können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschädigung der Schaufeln durch
sich verklemmende feste Schmutzkörper zu verhindern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Luftturbine eingangs genannter
Art grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, daß ein als Spiralgehäuse ausgebildetes
Leitgehäuse, das einen Luftstrom von der Ansaugdüse treibend gegen die Schaufeln
des Rades führt, Wandteile aufweist, die sich normalerweise in engem Abstand von
dem Rad befinden, die aber nach außen von dem Rad fort nachgiebig beweglich sind.
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Bei Anwendung der Erfindung wird der Luftstrom gegen das Luftturbinenrad
durch ein als Spiralgehäuse ausgebildetes Leitgehäuse gerichtet, das von nachgiebig
nach außen von dem Luftturbinenrad fortbewegenden Wandteilen begrenzt ist. Dadurch
wird ein Verklemmen von Teilen, die mit dem Luftstrom eingesaugt werden, am Luftturbinenrad
und eine Beschädigung des Luftturbinenrades vermieden. Ist ein mit dem Luftstrom
eingesaugter fester Schmutzkörper durch das Leitgehäuse hindurchgetreten, so können
die nachgiebigen Wandteile wieder in ihre Normalstellung zurückkehren und dann den
Luftstrom wieder auf das Luftturbinenrad leiten.
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Die Figuren erläutern die Erfindung. Es stellt dar F i g. 1 eine Seitenansicht
eines Staubsaugermundstücks, in dessen Innerem sich ein von der erfindungsgemäßen
Luftturbine angetriebenes Reinigungswerkzeug befindet, und zwar in Verbindung mit
einem üblichen Staubsaugerrohr, das als Bedienungshandgriff und als Zuleitung zur
Zuführung des Unterdruckes dient, F i g. 2 teilweise im Riß eine Ansicht des Gerätes
nach F i g. 1, 2 F i g. 3 einen Schnitt längs der Linien 3-3 in F i g. 2, F i g.
4 einen Schnitt längs der Linien 4-4 der F i g. 2 und 3, F i g. 4 a einen Teil der
F i g. 4 in vergrößerter Darstellung, F i g. 4 b eine Abwandlung des in der F i
g. 4 a dargestellten Teiles, F i g. 5 einen Teilschnitt längs der Linie 5-5 in Fig.2,
F i g. 6 einen Teilschnitt längs der Linie 6-6 der F i g. 4 und 4a, F i g. 7 in
schematischer Darstellung einen Teilschnitt längs der Linie 7-7 der F i g. 3 und
9 zur Kenntlichmachung des Luftflusses in der Turbinenschaufel, F i g. 8 eine abgeänderte
Ausführungsform, F i g. 9 eine Ansicht ähnlich wie F i g. 6 einer anderen Schaufelform.
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Die sehr ausführliche zeichnerische Darstellung und die entsprechend
ausführlich abgefaßte Figurenbeschreibung sollen dazu dienen, die erfindungsgemäße
Luftturbine und ihre Verwendung als Antrieb eines Reinigungswerkzeuges in einem
Staubsaugermundstück im Detail zu erläutern.
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In den Zeichnungen erkennt man ein die erfindungsgemäße Luftturbine
aufnehmendes Gehäuse 20
eines Staubsaugermundstückes. Die speziellen Einzelheiten
der Gehäusestruktur sind mit Ausnahme derjenigen Ausbildungen, die im folgenden
erörtert werden, hier nicht von besonderer Bedeutung. Eine
Trennwand
oder ein Fach 22 teilt das Innere des Gehäuses 20 in zwei Hauptkammern, in
eine längliche Bürstenkammer 24, welche eine durch Zapfen in Lagern 28 gehalterte
Bürste 26 aufnimmt und in eine weitere Kammer, welche durch eine Trennwand
30 in eine verhältnismäßig große Turbinenkammer 32 und eine kleinere Treibriemenkammer
34 aufgeteilt ist. Ein Austrittspaßstück 36 stellt die Verbindung mit der Turbinenkammer
32 her und ist mit einer Klemmvorrichtung 38 versehen, mit der das Ende eines Saugrohres
40 bündig festzuklemmen ist. Das Gehäuse der Bürstenkammer 24 weist an seiner
Unterseite eine längliche Mundöffnung 42 auf. Diese öffnung gestattet es der Bürste,
sich drehend einen Teppich oder eine andere Fläche zu berühren; außerdem bildet
sie die Saugöffnung, durch die die Luft von dem Teppich oder der anderen Fläche
in die Kammer 24 eingesaugt wird. Die Kammer 24 steht mit der Turbinenkammer
32 in der im folgenden beschriebenen Weise in Verbindung.
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Ein mit Schaufeln versehenes Turbinenrad 50, das vorzugsweise aus
zwei Spritzgußhälften, wie in F i g. 4 und 4 a gezeigt ist, kraftschlüssig zusammengesetzt
ist, ist vorzugsweise ebenfalls kraftschlüssig an einem Ende einer Turbinenwelle
52 befestigt, die mit einem Zapfen in einem Lager 54 gehalten ist. Das Lager 54
ist durch Träger 55 auf einer Platte 30 a befestigt. Die Platte
30a bildet dabei einen Teil der Trennwand 30.
Das Ende der Welle 52, an dem
das Rad 50 befestigt ist. und die Turbine 50 befinden sich in der Turbinenkammer
32. Das andere Ende der Welle ragt in die Treibriemenkammer 34 und trägt dort ein
Riemenrad 56. vorzugsweise ein Zahnrad (Dar.rnenrad, Kammrad, Kronrad oder Polrad)
oder ein Stiftrad. Ein auf seiner Innenseite mit Vorsprüngen oder Zähnen versehener
Treibriemen 58 steht in antriebsrräßigem Eingriff mit einem Rad 56 und einem Ringrad
60, das auf einer Trommel 26a der Bürste 26 befestigt ist. Das Übersetzungsverhältnis
des Riemenantriebes beträgt etwa 3:1. Der Treibriemen erstreckt sich durch eine
Öffnung 22a in der Trennwand 22. Eine Riemenschutzvorrichtung 62 ist an dieser Wand
22 rund um die Öffnung 22a befestigt und erstreckt sich rund um die Bürstentrommel
26a; sie schützt den Riemen 58 vor Schmutz und Staub in der Bürstenkammer.
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Ein bevorzugt verwendetes Lagergehäuse 54 umfaßt einen rohrförmigen
Körper 54, der durch Träger 55 in der Platte 30a gestützt ist und der die Lagerbuchsen
59 und einen ölgetränkten Dochtschmierer trägt. An der Welle bei 63 vorgesehene
Schultern verhüten eine Verschiebung des Wellenrades. Das Ende der Welle 52, das
in die Treibriemenkammer ragt, ist bei 65 mit einer Schulter versehen. Ein tellerförmiger
Teil 67 ist kraftschlüssig an dem verkürzten Endteil 69 gegen die Schulter gedrückt.
Das Zahnrad 56 ist frei auf dem Endteil 69 befestigt und liegt reibend mit einem
Ende an einem Teller 67 an. Der Teller 67 weist Ausnehmungen 71 auf, welche die
reibende Druckfläche auf eine ringförmige Fläche an oder in der Nähe des Umfangs
des Rades beschränken, so daß das Reibungsdrehmoment unter einem vorgeaebenen longitudinalen
Druck in vernünftiger Weise gut zu berechnen ist und im wesentlichen trotz Verschleiß
konstant bleibt.
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Am äußeren Ende des Zahnrades 56 weist das Wellenende 69 eine ringförmige
Ausnehmung 73 (F i g. 4 a) auf. Eine Federklemme 75 schnappt in diese Ausnehmung
ein, drückt elastisch federnd gegen das Zahnrad 56 und hält es damit durch Reibung
zwischen sich selbst und dem Teller 67 fest.
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Die beschriebene Anordnung bildet einen sehr einfachen, betriebssicheren
und billigen Reibungsantrieb für das Rad 56 und die Bürste 26 durch die Turbine.
Der Reibungsantrieb ist derart berechnet und ausgelegt, daß er schlüpft, wenn die
Bürste an der Kante eines Teppichs oder durch eine Haarnadel usw. festklemmt. Das
Schlüpfen verhütet Beschädigungen des Treibriemens, die bei plötzlichem Anhalten
eintreten könnten.
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Die bevorzugte Ausbildung des Turbinenrades 50 ist am besten in den
F i g. 4, 4 a, 6 zu ersehen. Das Rad ist aus zwei Hälften 501 und 502 zusammengesetzt,
die in der Mittelebene 6-6 geteilt sind. Jeder Teil enthält die Hälfte aller Förderschaufeln
503 und ist gemäß F i g. 6 an den Stellen 504 ausgehöhlt, um Gewicht und die Materialkosten
zu vermindern. Der Teil 501 hat eine Nabenbuchse 505, die über die Fläche 6-6 hinausragt.
Die Nabenbuchse 505 sitzt fest auf der Welle 52. Ein Mittelteil 506 des Teiles
502 ist kraftschlüssig über die Nabenbuchse 505 geschoben. Die Nabenbuchse
505 ist mit zwei Keilstücken 507 versehen, die in komplementären Keilnuten 508 in
dem Teil 506 eingreifen. Die Keilstücke ragen durch und hinter den Teil
506 der Hälfte 502
und sind verstemmt, um die Hälften sicher zusammenzuhalten.
Die Keile 507 richten überdies die beiden Hälften gegeneinander aus, so daß die
halben Förderschaufeln genau ausgerichtet sind.
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In den F i g. 6, 7 und 9 ist eine Ausführungsform des Schaufelrades
50 zu erkennen. Gemäß F i g. 7 ist die gekrümmte Basiswand 70 einer jeden
Schaufel im wesentlichen halbkreisförmig dargestellt, und zwar mit einem Mittelpunkt,
der sich bei 72 an der Peripherie des Turbinenrades befindet. Nach den F i g. 6
und 9, also in einer Ebene quer zur Achse, ist jede Schaufel derart gekrümmt, daß
sowohl die Rückwand 74 als auch die Vorderwand 76 konkav in gleicher Richtung sind.
Diese Krümmungen sind kreisförmig mit Mittelpunkten bei C 74 und C 76 in F i g.
6 und bei C74 a und C76 a in Fi g. 9. Aus Definitionsgründen soll
festgelegt werden, daß jede Schaufelöffnung an der Radperipherie in die tangentiale
Richtung zeigt, die für eine Schaufel bei D in den F i g. 6 und 9 angezeigt ist.
Die konkave Krümmung der Schaufel-und die Konkavität ihrer beiden Wände zeigen in
die allgemeine tangentiale Richtung, die mit D 1 in den F i g. 6 und 9 angezeigt
ist. Um die Beziehung der Schaufelöffnungen und der Schaufelkrümmungen zu definieren,
kann daher gesagt werden, daß die Schaufelöffnun!zen und die konkaven Krümmungen
der Schaufeln in die gleichen Richtungen um die Achse des Rades weisen.
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Es ist hervorzuheben, daß die Krümmungen der Schaufelwände in F i
g. 6 so gestaltet sind, daß die Wände im wesentlichen den gleichen Abstand durch
die ganze Tiefe der Schaufeln haben, d. h., daß die Weite der Schaufeln in Richtung
auf ihre Basis nicht wesentlich abnimmt. Bei der in F i g. 9 gezeigten Ausführungsform
nimmt die Weite der Schaufeln in Richtung auf ihre Basis ab, jedoch nicht so stark,
daß der Fluß durch die Schaufeln gestört wird. Die Form nach F i g. 9 ist insbesondere
widerstandsfähig gegen Verschmutzung durch haftende Schmutzarten, weil die Schaufelwände
in stärkerem Maße radial verlaufen als die Schaufelwände nach F i g. 6.
Eine
hervorstechende Eigenschaft der dargestellten Turbinenanordnung ist die Krümmung
der Schaufeln in einer Ebene senkrecht zu ihrer Achse. Bei einem Turbinenrad mit
beliebigem vorgegebenen Durchmesser gestattet es diese Krümmung der Schaufeln, diese
viel tiefer auszugestalten, d. h. den Radius r viel größer zu machen als es bei
einer gestreckten, nicht gekrümmten Schaufel möglich ist. Insbesondere bei Rädern
kleiner Größe bietet diese Vergrößerung der Tiefe (des Schaufeldurchmessers) verschiedene
hervorstechende Vorteile, insbesondere bei Anwendung in einem Staubsauger.
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Der Luftfluß ist durch eine schneckenkanalförmige Leitung auf das
Turbinenrad gerichtet. Die Leitung weist einen breiten Endteil 80 auf, welcher
durch die Wand 22 mit der Bürstenkammer 24 in Verbindung steht, wie dies am besten
aus F i g. 3 ersichtlich ist. Das Spiralgehäuse 82, welches die Turbine umgibt,
hat die Form eines Kanals, dessen Seitenwände eng die Peripherie des Rades umschließen,
wie dies aus den F i g. 3 und 4 zu ersehen ist. Der Kanal ist von gleichmäßiger
Weite, verjüngt sich jedoch in seiner Höhe (in seiner radialen Tiefe) in Richtung
rund um das Rad vom Endteil 80 ab und umgibt, wie dargestellt, vorzugsweise nur
drei Viertel des Radumfanges. Obwohl sich die Wirksamkeit erhöht, wenn die Turbine
völlig von einer Leitung umgeben ist, so ist die dargestellte Ausführung doch zweckmäßig
in einem System, das dem Schmutz ausgesetzt ist, da es dabei dem Rad möglich ist,
Schmutz und sonstige Materialien abzuschleudern, die andernfalls in der Leitung
haften oder sich dort sammeln würden.
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Auf Grund seiner Anordnung und auf Grund des zu seiner Herstellung
verwendeten Materials ist es möglich, daß das Spiralgehäuse mit seinem Ende vom
Rad abfedern kann, um das Austreten von größeren Objekten, wie Knöpfen usw., zu
ermöglichen. Das dargestellte Spiralgehäuse ist vorzugsweise aus einem mittelharten,
gummiähnlichen Material hergestellt, wie etwa aus flexiblem Vinyl od. dgl. Sein
erweitertes Eintrittsende ist an dem Leitungsteil 80 befestigt. In seiner Ausdehnung
rund um die Turbine wird das Spiralgehäuse dadurch festgehalten, daß es über einen
an ihr befindlichen Endflansch 84 in einem Befestigungsring 86 befestigt ist, der
von der Befestigungsplatte 30 a getragen wird. Der Flansch 84 (vgl. F i g. 4) geht
von einem der Flanschteile des Spiralgehäuses 82 aus. Der linke Flansch überdeckt,
wie aus F i g. 4 ersichtlich, das Ende des Turbinenrades. Auf Grund der Nachgiebigkeit
des ganzen Kanalgebildes können seine einander gegenüberstehenden Flanschkanten
von dem Rad hinwegfedern. Die Nachgiebigkeit gestattet das Entschlüpfen größerer
Gegenstände, während zugleich das Spiralgehäuse normalerweise in seiner gegenüber
dem Turbinenrad richtigen Lage gehalten wird.
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Aus den F i g. 4, 4 a und 7 ist die Weite der Leitung in bezug zur
axialen Länge des Turbinenrades und des Schaufeldurchmessers ersichtlich. Aus der
Sicht nach F i g. 7 ist die Bodenwand der Schaufel halbkreisförmig. F i g. 7 zeigt
insbesondere die Beziehung der Leitung und ihrer Weite zum Schaufeldurchmesser und
überdies den Weg des Luftflusses durch die Schaufel. Das Turbinenrad ist, wie die
Figuren zeigen, völlig in der Kammer 32 untergebracht. Der Luftfluß von dem Rad
geht daher unmittelbar in diese Kammer und von dieser Kammer zum Paßstück 36 der
Saugleitung. Um einen wirksamen Weg des Flusses durch die Schaufel zu erreichen,
muß die Weite der Zuflußleitung wesentlich geringer sein als die Hälfte der Schaufeldurchmesser,
vorzugsweise nicht mehr als et--,va ein Drittel. Die Erfahrung hat gezeigt, daß
die Weite der Zuflußleitung und des Spiralgehäuses 82 etwa 1 cm betragen sollte,
wie dies in F i g. 7 gezeigt ist, wenn ungehindert größere Objekte, die von dem
Staubsauger aufgenommen werden, passieren sollen. In bezug auf diese Weite ist es
wünschenswert, einen Schaufeldurchmesser von etwa 3,5 cm zu verwenden, um einen
guten Luftaustritt durch die Schaufeln zu erhalten. Hinsichtlich der Krümmung der
Schaufeln, wie sie in den Figuren gezeigt ist, wurde es für zweckmäßig befunden,
Schaufeln dieser Tiefe und dieses Durchmessers in einem Rad von 5 cm Durchmesser
zuhaben. Das Ergebnis ist eine Turbine von geringer Größe, kompakt, leicht, billig
und mechanisch unempfindlich. Der Wirkungsgrad einer Turbine, wie sie in den Figuren
gezeigt ist und von der angegebenen Größe, beträgt 40% im Vergleich zu 20 bis 30%
bei anderen Turbinen für vergleichbare Anwendungszwecke.
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Im Betrieb ist der Druck in der Turbinenkammer 32 natürlich niedriger
als in der Bürstenkammer 24 und in der Treibriemenkammer 34, die mehr oder weniger
offen mit der Bürstenkammer in Verbindung steht. Um die Druckdifferenz zu vermeiden,
die durch das Einsaugen schmutzbeladener, Reibungsverluste und übermüßigen Lagerverschleiß
erzeugenden Luft durch das Lagergehäuse 54 entsteht, ist das Lagergehäuse 54 völlig
in der Kammer 32 angeordnet. Irgendwelche Leckströme zwischen den Kammern zirkulieren
um die Welle 52 herum und treten durch die Wand 30a. In der speziellen Ausführungsform,
die in den F i g. 4 und 4 a gezeigt ist, werden die Leck ströme durch die Wand 30a
rund um die Welle 52 verursacht wegen des sich rund um den Teller 67 erstreckenden
engen Schlitzes 67a. Dieser enge Schlitz öffnet sich unmittelbar in die Kammer 32.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Tellers 67 größer als der des Lagergehäuses
57, und ein Kragen 67 b umgibt das Ende des Gehäuses 57, so daß der Leckstrom hinter
dem Ende des Lagers ins Freie geht. Der Schlitz bei 67c zwischen dem Teller 67 und
dem Lager ermöglicht, daß der in der Kammer 32 vorhandene Druck auch in dem Raum
32a am linken Ende des Lagers vorhanden ist. Auf diese Weise wird der gleiche Druck
auf beide Lagerenden ausgeübt. Da der Schlitz 67a nicht mit dem Raum 32a in Verbindung
steht, entsteht kein Luftfluß durch diesen Raum. Der Schlitz bei 67c ist so klein,
daß Schmutz vom Lager an diesem Ende ferngehalten wird.
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F i g. 4 b zeigt eine andere Ausführungsform, die ebenfalls das Lager
dadurch schützt, daß der Druck der Kammer 32 den beiden Enden des Lagers zugeführt
wird. Hier ist als Beispiel gezeigt, daß das Lagergehäuse 54 von einem rohrförmigen
Träger 551 gehalten wird, der sich von der Wand 30a in die Kammer 32 erstreckt.
Das linke Lagerende befindet sich in Abstand von dieser Wand. Der Raum 321 an diesem
Lagerende ist durch große Öffnungen in dem rohrförmigen Träger 551, wie sie
bei 671 gezeigt sind, offen zur Kammer 32 hin. Der geringe Leckstrom, der
durch den schmalen Schlitz bei 672 tritt, wo die Welle 52 die Wand 30a durchsetzt,
verändert den Druck in dem Raum 321 nicht wesentlich. Dieser Raum entspricht in
seiner Wirksamkeit einem Teil der Kammer
32, was den Druck betrifft.
In F i g. 4 b hält ein Teller 674, der sich auf der Welle dicht an dem Lagerende
befindet, den Schmutz vom Lager. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß am
anderen Ende des Lagers (s. F i g. 4 und 4 a) die Nabe des Turbinenteiles 501 die
gleiche Wirkung an dem rechten Lagerende ausübt.
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In der Ausführungsform nach F i g. 4 b ist ein Reibteller 673 dargestellt,
der hinter der Wand 30a angeordnet ist. Die Welle 52 durchdringt die Wand 30a. Grundsätzlich
kann der Reibteller 67 nach F i g. 4 a als ein Teil der Welle 52 angesehen
werden. Leckströme umströmen diesen Teil. Im Vergleich zur Ausführungsform nach
F i g. 4 b hat der Teller 67 nach F i g. 4 a die zusätzliche Funktion, den Leckfluß
auf einen um das Ende und an dem Ende des Lagergehäuses vorbeiführenden Weg zu richten
und zu beschränken, statt ihn unmittelbar gegen das Lagerende zu richten, wie in
F i g. 4 b.
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Die Schlitze bei 67a und 672 sind so eng, daß der Luftfuß durch
sie im Vergleich zu dem Fluß durch die Leitungen 80, das Spiralgehäuse 82 und das
Turbinenrad gering ist. Die Schlitze schalten alle Reibungsverluste aus, die auftreten
würden, wenn die Welle durch die Wand 30a dicht oder in einer Pakkung geführt wäre.
In F i g. 4 b ist der Teller 673 größer als das Schaftspiel und wirft daher Schmutz
aus dem Schlitz fort. Der Teller 674 wirft ebenfalls Schmutz nach außen von dem
Wellenzapfen fort. Der Teller 67 nach F i g. 4 a tut das gleiche in bezug zum Wellenzapfen
und bis zu einem gewissen Grad auch in bezug zu dem Schlitz 67a.
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Wird die Turbine mittels des Flusses einer Reinigungsflüssigkeit betrieben,
kann ihre Wirksamkeit weiterhin dadurch erhöht werden, daß der Fluß in die Turbine
hinein und aus ihr heraus rund um ihre ganze Peripherie gerichtet wird.
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F i g. 8 stellt eine derartige Anordnung schematisch dar. Ein Gehäuse
100, welches mit Richtflügeln 102
versehen ist, umschließt die Turbine
(der gleichen Abmessungsverhältnisse und relativen Anordnung in ,. axialer Richtung,
wie oben angegeben) und bildet den Flüssigkeitseingang.