DE102008046474B4 - Strömungsaggregat für Aquarien und Aquakulturen - Google Patents
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Abstract
Strömungsaggregat für Aquarien und Aquakulturen, bestehend aus – einem drehrichtungsorientierten Elektromotor (5), – der aus einem mit Dauermagneten ausgestatteten Rotor gebildet wird, &ndnd angeordnet ist, – und der Rotor an seinem einen Ende eine Achse für die Aufnahme eines Propellers (6) aufweist, – wobei der Propeller (6) aus einer Nabe (8) und einer Vielzahl auf der Nabe (8) radial nach außen gerichteten Flügeln (7) gebildet wird, – wobei jeder der Flügel (7) entgegen seiner Drehrichtung sichelförmig ausgeführt ist und die angeströmte vorn liegende Kante (9) des Flügels (7) einen kleineren Krümmungsradius als die hinten liegende Kante (10) des Flügels (7) aufweist, – wobei sich der Radius der Biegung mit zunehmender Entfernung des Flügels (7) von der Nabe (8) verkleinert, so dass das äußere Ende des Flügels (7) stärker nach hinten gebogen ist, als am Nabenansatz,...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Strömungsaggregat für Aquarien und Aquakulturen, insbesondere von größerer Bauart, um für eine ausreichende Umwälzung des Wassers und damit für verbesserte Lebensbedingungen von Tieren und Pflanzen zu sorgen.
- Stand der Technik
- Derartige Strömungsaggregate werden dafür eingesetzt, Wasser in Aquarien und Aquakulturen, wie zum Beispiel in Fischzuchtanlagen, Fischteichen, Groß- und Kleinaquarien umzuwälzen, um möglichst naturnahe Lebensbedingungen für die jeweiligen Fischarten zu generieren.
- Üblicherweise geschieht dies durch kostengünstig zu produzierende Kreiselpumpen radialer Bauart, die es in einer Vielzahl von Konstruktionen und Größenordnungen gibt, deren Verwendung für größere Becken jedoch entscheidende Nachteile aufweist.
- Mit Zunahme der Behältergröße steigt der Energiebedarf unproportional an. Das liegt daran, dass Kreiselpumpen herkömmlicher Bauart aus konstruktiver Sicht ein Kompromiss zwischen Förderhöhe und Volumenstrom darstellen. Daraus resultiert eine unnatürlich hohe Strömungsgeschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde. Diese sorgt über Impulserhaltung dafür, dass sich im Gesamtsystem eine naturähnliche Strömung ausbildet.
- Im Durchschnitt sind für das Wohlbefinden der meisten Organismen bereits Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 bis etwa 0,3 Meter pro Sekunde ausreichend.
- Für die Installation großer Kreiselpumpen ist neben der Bereitstellung ausreichender Energiemengen auch ein erheblicher konstruktiver Aufwand für Fundamente, Rohleitungen, Regeleinrichtungen und Kontrollaggregate vorzusehen. Es ist weiterhin bekannt, Strömungsaggregate innerhalb des Behälters anzuordnen oder das Aggregat ist unmittelbar an eine Behälterwand angeflanscht. In diesem Fall entfallen alle für eine Kreiselpumpe benötigten Installationen, wie z. B. Halterungen, Rohrleitungssysteme oder aufwendige Elektroinstallationen.
- Üblicherweise werden dafür in großen Behältern tauchbare zwei- bis dreiflügelige Propellerpumpen eingesetzt, wie sie aus der Klärwerkstechnik bekannt sind. In kleinen Aquarien werden in neuerer Zeit kleinere Propellerpumpen eingesetzt, deren Entwicklung sich aus normalen Kreiselpumpen ableitet.
- Hierbei kommt ein vergossener herkömmlicher Wechselstrommotor zum Einsatz, dessen Rotor sich mittig im Stator befindet und als runder Dauermagnet ausgeführt ist. Dieser trägt am vorderen Ende den Propeller. Um die richtige Drehrichtung für diesen im elektrischen Wechselfeld zu ermöglichen, kommen verschiedene mechanische Hilfseinrichtungen zum Einsatz.
- In
DE 10 2005 008 965 A1 ist ein Synchronmotor, insbesondere für eine Aquarienpumpe beschrieben, bei der eine Starteinrichtung vorgesehen ist, die gewährleistet, dass der Rotor und der mit ihm fest verbundene Propeller immer in der Richtung dreht, in der ein entsprechend geleiteter Förderstrom erzeugt wird. - Aus der
DE 203 04 488 U1 , derDE 33 45 323 A1 und derDE 27 34 026 A1 sind weitere Pumpvorrichtungen bekannt. - Aufgabe der Erfindung
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsaggregat für Aquarien und Aquakulturen bereitzustellen, das bei minimiertem Energiebedarf ein konstantes Abströmvolumen des Wassers über den gesamten Propellerradius gewährleistet.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhaftere Ausbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
- Beispiel
- Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in
-
1 eine schematische räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Strömungsaggregats, -
2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Propellers von hinten (entgegen der Strömungsrichtung), -
3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Propellers. - Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, einen vollständig regelbaren Unterwassermotor zu verwenden, der bei richtiger Auslegung jede Propellergröße im flüssigen Medium auf die notwendige Drehzahl beschleunigen kann, ohne dass mechanische Zusatzeinrichtungen benötigt werden.
- Bei der Verwendung eines bürstenlosen 3 phasigen Gleichstrommotors paaren sich die Vorteile der einfachen Steuerung mit dem Einsatz geringer Spannungen, welche im Unterwasserbetrieb im Schadensfall kein so großes Risiko darstellen, wie die üblichen 220 V oder 380 V Mittelspannungen bei Wechselstrom.
- Da die Drehzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotors ganz einfach über die zur Verfügung gestellte Spannung geregelt werden kann, wird man dem Motor nur eine solche Drehzahl zumuten, wie zur Bewegung der nötigen Wassermenge erforderlich ist.
- Ein Wechselstrommotor muss dagegen immer mit einer festen Drehzahl, abhängig von der Frequenz, rotieren und verbraucht somit Energie für eine hohe Drehzahl, welche für die Funktion der Wasserbewegung gar nicht erforderlich ist. Dies kann nur durch aufwendige Regeleinheiten, sogenannte Frequenzumrichter umgangen werden.
- Beim bürstenlosen Gleichstrommotor kann sich, je nach Anforderung, der Rotor mit den Dauermagneten im Zentrum des Stators befinden oder, im Falle höherer benötigter Drehmomente, als Außenläufer um den mittig fest montierten Stator bewegen.
- In letzterem Fall ist es möglich, die Anzahl der Dauermagnete pro Phase beliebig zu erhöhen, da mit steigendem Außendurchmesser des Rotors wesentlich mehr Raum für deren Anordnung zur Verfügung steht. Dadurch ist gegenüber einem innenliegenden Rotor ein erheblicher Drehmomentgewinn zu erzielen.
- Gleichzeitig kann auch, gegenüber herkömmlichen Motoren eine sehr kompakte Bauweise realisiert werden. Im optimalen Fall kann dabei der Motor komplett in der Nabe des Propellers angeordnet sein.
- Stator und Rotor sind dabei zwei selbständige, wasserfest vergossene Einheiten.
- Der Propeller
6 so ausgelegt, dass er pro Zeiteinheit einen großen Wasserkörper mit ausreichend Schub in axialer Richtung vom Strömungsaggregat weg bewegen kann. - Bisher bekannte Systeme, insbesondere aus der Klärwerkstechnik, verwenden 2- bis 3-flügelige Propeller. Bei kleineren Aquarienpumpen kommen 2-flügelige Propeller zum Einsatz, deren Flügel kurz, aber mit hoher Steigung ausgestattet sind.
- Dies zwingt das abströmende Medium in eine Kreisbewegung mit punktuell hoher Abströmgeschwindigkeit, welche meist durch Hilfseinrichtungen zu einem geraden Wasserstrahl gelenkt werden. Der dabei erzeugte Schub ist jedoch, gemessen am Energieeinsatz, relativ gering, da sehr viel Energie durch Verwirbelung verloren geht.
- Das erfindungsgemäße Strömungsaggregat vereinigt die Vorteile eines bürstenlosen Gleichstrommotors
5 mit dem Strömungsverhalten des eingesetzten Propellers6 . - Der Gleichstrommotor
5 wird von einem Gehäuse1 umgeben, an das sich ein Korb2 anschließt, der den Propeller6 umgibt. Der Korb2 bildet an seiner Mantelfläche schlitzförmige Einströmöffnungen4 aus, durch die das Wasser angesaugt wird. Durch die axiale Abströmöffnung3 wird das Wasser zum Zwecke der Umwälzung wieder abgegeben. - Der erfindungsgemäße Propeller
6 gewährleistet über den gesamten Kreisdurchmesser, den die Flugel7 beschreiben, eine gleichmäßige, möglichst konstante Abströmung und somit kann ein wesentlich höherer Schub an den Wasserkörper abgeben werden. - Dies wird hauptsächlich dadurch erreicht, dass die Anzahl der Flügel
7 pro Propeller6 deutlich erhöht wird und vorzugsweise eine ungerade Zahl bilden, wobei sieben Flügel7 aus konstruktiver Sicht ideal sind. - Diese sind radial um eine möglichst dünn ausgeführte Nabe
8 angeordnet. Die Nabe8 kann besonders lang ausgeführt und spitz zulaufend sein, um zu vermeiden, dass bei hohen Drehzahlen im Zentrum des abströmenden Wasserstrahls, Kavitation auftritt. Die Länge der Nabe8 hinter den Flügeln7 kann dabei die restliche Länge des Propellers6 deutlich übersteigen. - Außerdem bedingt eine solch lang ausgezogene Nabe
8 sehr gute Rundlaufeigenschaften und reduziert die an den Wasserkörper abgegebenen Schwingungen somit deutlich. Da die meisten Aquarienbewohner sich über Schwingungen im Wasser orientieren, wird dadurch erheblich zum Wohlbefinden der Tiere beigetragen. - Die Form der Flügel
7 ist sichelförmig ausgeführt. Die dabei in Drehrichtung angeströmte vom liegende Kante9 weist einen kleineren Radius als die hintere Kante10 des Flügels7 auf, ist also stärker gebogen. - Der Radius der Biegung verkleinert sich ebenfalls mit zunehmender Entfernung des Flügels
7 von der Nabe8 , so dass das äußere Ende des Flügels7 stärker nach hinten gebogen ist, als am Nabenansatz. - Ebenso nimmt die Steigung des einzelnen Flügels
7 mit zunehmender Entfernung von der Nabe8 ab. Die Steigungshöhe am Nabenansatz ist, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Propeller, höchstens halb so groß, wie die Länge eines einzelnen Flügels7 . - Die Länge des Flügels
7 ist deutlich größer, als dessen Breite, im Idealfall mindestens doppelt so lang. Die Breite nimmt mit zunehmender Entfernung von der Nabe8 ab. - Aus axialer Sicht, weist der Propeller
6 also eine größere Zahl langer und schmaler, in Drehrichtung nach hinten gebogener Flügel7 auf. Durch die hohe Anzahl langer, sichelförmig gebogener Einzelflügel mit geringer Steigung wird eine sanfte, annähernd gleichmäßige Abströmung des Wassers über den gesamten Abströmkreis erzielt Dadurch wird die eingesetzte Energie besser in Schubkraft umgesetzt, da der Anteil der Verwirbelungen erheblich geringer ist. - Insbesondere bei angestrebten geringen Drehzahlen, wird deutlich mehr Wasser in axialer Richtung gefördert, als bei einem gleich großen Propeller mit nur zwei Flügeln mit mehrfach höherer Steigung.
- Die Schubkraft kann bei dieser Anordnung nochmals gesteigert werden, wenn die einzelnen Flügel
7 sich am Nabenansatz aus axialer Sicht überlappen. Auch wenn dieses Merkmal fertigungstechnisch anspruchsvoll ist, sorgt es dafür, dass es in der Umgebung der Nabe8 , wo die Steigung am größten ist, nicht zu einem Strömungsabriß kommt, sondern das Wasser gleichmäßig mit konstanter Geschwindigkeit in axialer Richtung beschleunigt wird. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gehäuse,
- 2
- Korb,
- 3
- Abströmöffnung,
- 4
- Einströmöffnung,
- 5
- Elektromotor,
- 8
- Propeller,
- 7
- Flügel,
- 8
- Nabe,
- 9
- Angestömte vorn liegende Kante,
- 10
- Hintere Kante,
Claims (6)
- Strömungsaggregat für Aquarien und Aquakulturen, bestehend aus – einem drehrichtungsorientierten Elektromotor (
5 ), – der aus einem mit Dauermagneten ausgestatteten Rotor gebildet wird, – wobei der Rotor axial in einem Statur umlaufend angeordnet ist, – und der Rotor an seinem einen Ende eine Achse für die Aufnahme eines Propellers (6 ) aufweist, – wobei der Propeller (6 ) aus einer Nabe (8 ) und einer Vielzahl auf der Nabe (8 ) radial nach außen gerichteten Flügeln (7 ) gebildet wird, – wobei jeder der Flügel (7 ) entgegen seiner Drehrichtung sichelförmig ausgeführt ist und die angeströmte vorn liegende Kante (9 ) des Flügels (7 ) einen kleineren Krümmungsradius als die hinten liegende Kante (10 ) des Flügels (7 ) aufweist, – wobei sich der Radius der Biegung mit zunehmender Entfernung des Flügels (7 ) von der Nabe (8 ) verkleinert, so dass das äußere Ende des Flügels (7 ) stärker nach hinten gebogen ist, als am Nabenansatz, – wobei die Steigung des Flügels (7 ) mit zunehmender Entfernung von der Nabe (8 ) kontinuierlich abnimmt, – wobei die Länge des Flügels (7 ) mindestens seiner doppelten Breite entspricht, – wobei der Elektromotor (5 ) von einem Gehäuse (1 ) umgeben ist, an das sich ein den Propeller (6 ) umgebender Korb (2 ) anschließt, der eine axiale Abströmöffnung (3 ) und radiale Einströmöffnungen (4 ) ausbildet. - Strömungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der drehrichtungsorientierte Elektromotor (
5 ) als bürstenloser 3-phasiger Gleichstrommotor darstellt. - Strömungsaggregat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor gegenüber dem Statur flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
- Strömungsaggregat nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor als Außenläufer um den mittig fest montierten Statur angeordnet ist.
- Strömungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (
6 ) vorzugsweise sieben Flügel (7 ) aufweist. - Strömungsaggregat nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Ansatz des Flügels (
7 ) an der Nabe (8 ) die hinten liegende Kante (10 ) des vorlaufenden Flügels (7 ) von der vorn liegenden Kante (9 ) des nachlaufenden Flügels (7 ) verdeckt ist.
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DE (1) | DE102008046474B4 (de) |
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-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20121006 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |