Entwicklung des Saug- und Blasaufsatzes für Staubsauger, ähnlich Staubhexe

Die Entwicklung des Saug- und Blasaufsatzes entstammt der Diplomarbeit zur Erlangung des Ingenieur-Titels in Maschinenbau des Inhabers von Careida. Die Aufgabenstellung lautete: Entwicklung eines Staubsaugeraufsatzes zur Reinigung von Oberflächen welche keinen direkten Kontakt mit einem herkömmlichen Staubsaugeraufsatz erlauben.

Die Entwicklung des Saug- und Blasaufsatzes nahm ca. 500 Stunden in Anspruch. Die Diplomarbeit umfasst knapp 120 Seiten.

Recherche

An der eigenen Modellbahnanlage werden Versuche durchgeführt, um Ideen zur Lösung der Aufgabe zu schaffen. Eine Patentrecherche dient zur Ermittlung von Funktionsprinzipien. Eine Möglichkeit besteht darin, den Saugstrom auf kleine Öffnungen zu verteilen. Dies hat den Nachteil, dass ein Kontakt mit der zu reinigenden Oberfläche nötig ist. Der Ansatz ist daher nicht für alle Stellen von zum Beispiel einer Modellbahnanlage geeignet.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Staub aufzuwirbeln und diesen anschliessend abzusaugen. Dies wird als geeigneter Lösungsansatz betrachtet. Das Absaugen von Staub ohne Kontakt zur Oberfläche wird damit möglich. Es werden Funktionsprinzipien auf Basis einer Patentrecherche erstellt.

Skizzen dienen zur Beurteilung unterschiedlicher Düsenanordnungen. Eine mittige Saugstromdüse und zwei Tangential angeordnete Blasstromdüsen sind vielversprechend. Die Anordnung entstammt einer Patentschrift. Durch die tangential angeordneten Blasstromdüsen in Kombination mit einem mittigen Saugstrom soll eine Art Tornado entstehen. Dies Gewährleistet eine vollständige Absaugung von Staub zu jederzeit. Eine Strömungssimulation mittels Openfoam zeigt jedoch, dass dazu sehr hohe Geschwindigkeiten notwendig sind. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass das Verhältnis der Blas- und Saugstromdüse, sehr genau eingestellt werden muss. Daher wird eine mittige Blasstromdüse gewählt, welche von einer Saugstromdüse umschlossen wird. Die Düsen-Anordnung ist dieselbe wie bei der Staubhexe.

Es werden drei Funktionsprinzipien zur Erzeugung eines Blasstroms erstellt. Eines der Funktionsprinzipien verfügt über eine interne Energiequelle. Da eine interne Energiequelle nicht erwünscht ist, wird als Antrieb eine Turbine gewählt, welche durch den Saugstrom angetrieben wird.

Konzeptphase

Mittels Skizzen wird nach Umsetzungsmöglichkeiten gesucht. Der Blasstrom soll konstruktiv so wenig wie möglich Widerstand ausgesetzt sein. Eine Machbarkeitsstudie dient zur Evaluierung der Lösung.

Eine Schutzabdeckung ist zur Wahrung der Produktsicherheit notwendig. Gleichzeitig soll diesen den Ansaugstrom für den Propeller so wenig wie möglich abbremsen. Deswegen wird eine Komponente zur Einstellung des Blasstroms an der Schutzabdeckung ausgeschlossen. Stattdessen erfolgt die Einstellung des Blasstroms mittels einer Lochscheibe.

Prototypenphase

Es wird ein Prototyp konstruiert und hergestellt. Dieser dient zur Ermittlung der optimalen Kombination der Turbine und des Propellers. Es wird ein Propeller gemäss der Literatur konstruiert. Von diesem werden Ausführungen mit einer Schaufelanzahl von 2-10 hergestellt. Im Prototypen eingebaut werden folgende Werte mit unterschiedlichen Staubsaugern aufgezeichnet:

• Drehzahl (u/min)

• Strömungsgeschwindigkeit an der Blasstromdüse (m/s)

• Lärmpegel in (dB)

Die ermittelten Drehzahlen dienen zur Ermittlung des Wirkungsgrades der einzelnen Luftschrauben. Je nach Form der Geometrie des Saug- und Blasaufsatzes kann der Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Schaufelanzahl variieren. Um einen optisch sehr ansprechenden Propeller zu erhalten, werden dessen Schaufeln mit einer geschwungenen Form konstruiert.

Eine Strömungssimulationen mit OpenFoam zeigen, dass der Wirkungsgrad des Propellers bei einer Schaufelanzahl von 9, den höchsten Wirkungsgrad aufweist. Die Strömungsgeschwindigkeit an der Düse beträgt ca. 20 m/s (gemessen mit einem Staubsauger mit 900W Leistung). Die Strömungssimulation des Saug- und Blasaufsatzes liefert zudem Anhaltspunkte für weitere konstruktive Verbesserungen, wodurch die Luftkanäle weiter verbessert werden können.

Strömungssimulation eines Propellers in ParaView, berechnet mit OpenFoam

Der Propeller wird mit einer Drehzahl von 12'000 Umdrehungen pro Minute angetrieben (bei Verwendung mit einem 900W Staubsauger). Dies kann Verletzungen hervorrufen, wenn während des Betriebs in den Propeller gefasst wird. Deshalb wird eine Anlaufsicherung in den Staubsaugeraufsatz eingebaut. Dieser verhindert ein Anlaufen des Propellers, wenn die Schutzabdeckung nicht montiert ist.

Finish

Versuche an unterschiedlichen Oberflächen dienen zur Optimierung der Blas- und Saugstromdüse. Die Versuche dienen ebenfalls zur Ermittlung optimaler Ventilöffnungsstufen bei Verwendung des Staubsaugeraufsatzes mit unterschiedlichen Staubsaugern an unterschiedlichen Oberflächen.

Das Design des Saug- und Blasaufsatzes wird verbessert. Heraus kommt der Verwendungsreife Staubfuchs:

Rendering eines Viertelschnitts des Saug- und Blasaufsatzes

Glossar

[1] ParaView: Software zur Analyse und Visualisierung von Simulationen

Entwickler: Los Alamos National Laboratory, Kitware Inc., Sandia National Laboratory

[2] CastNet: Software zur Definierung von Randbedingungen einer Simulation an 3D-Geometrien.

Entwickler: DHCAE Tools GmbH

[3] OpenFoam: Solver zur Berechnung von Strömungsproblemen

Entwickler: OpenCFD ltd.