DE102021134458A1 - Device for cleaning a surface around which a fluid flows - Google Patents

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Florian Gerland
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung (100) zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser (W) umströmten Schiffsrumpfs (S), umfassend einen ersten Ultraschallgeber (1) zur Einkopplung von Ultraschall in den Körper. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung (100) Mittel zum autarken Betrieb des ersten Ultraschallgebers (1) auf und umfasst ein Haltesystem (2) zur ortsfesten Befestigung der Vorrichtung (100) auf der zu reinigenden Oberfläche.The invention relates to a device (100) for cleaning a surface of a body around which a fluid flows, in particular a ship's hull (S) around which water (W) flows, comprising a first ultrasound transmitter (1) for coupling ultrasound into the body. According to the invention, the device (100) has means for autonomous operation of the first ultrasonic generator (1) and includes a holding system (2) for stationary attachment of the device (100) to the surface to be cleaned.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs, umfassend einen ersten Ultraschallgeber zur Einkopplung von Ultraschall in den Körper. Die Erfindung betrifft weiterhin ein zugehöriges Verfahren zur Reinigung.The invention relates to a device for cleaning a surface of a body around which a fluid flows, in particular a ship's hull around which water flows, comprising a first ultrasound transmitter for coupling ultrasound into the body. The invention further relates to an associated method for cleaning.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Technische Oberflächen von Fluid-umströmten Körpern, insbesondere Schiffsrümpfe oder beispielsweise Innenwände von Pipelines, unterliegen im Betriebseinsatz in der Wechselwirkung mit dem Fluid und/oder darin mitgeführten Stoffen oder Organismen permanenten Verunreinigungs- und Verschleißprozessen.Technical surfaces of bodies around which fluid flows, in particular ship hulls or, for example, inner walls of pipelines, are subject to permanent contamination and wear processes during operational use in the interaction with the fluid and/or substances or organisms entrained therein.

Im Falle von Schiffsrümpfen stellt insbesondere der Bewuchs der unterhalb der Wasserlinie liegenden Oberfläche ein wesentliches Problem dar. Dieser auch als Fouling bezeichnete Prozess der unerwünschten Ansiedlung von Organismen und Organismengemeinschaften führt innerhalb kurzer Zeit zur Bildung makroskopischer Bewuchsschichten, welche den Strömungswiderstand der Schiffsrümpfe erhöhen und im Extremfall eine nicht vernachlässigbare Gewichtserhöhung der Schiffe verursachen, was zu einem signifikanten Anstieg des Treibstoffbedarfs der Schiffe führt.In the case of ship hulls, the growth on the surface below the waterline is a major problem. This process of unwanted settlement of organisms and organism communities, also known as fouling, leads to the formation of macroscopic layers of growth within a short time, which increase the flow resistance of the ship hull and in extreme cases cause a non-negligible increase in the weight of ships, which leads to a significant increase in ships' fuel requirements.

Die Verwendung von Biozid-haltigen Beschichtungen auf der Oberfläche von Schiffsrümpfen zur Vermeidung von Bewuchs ist aufgrund von gesetzlichen Vorgaben nur sehr eingeschränkt möglich. Daher werden in der Schifffahrtspraxis regelmäßige mechanische Reinigungen der Schiffsrümpfe durchgeführt. Dazu werden die Schiffe beispielsweise in Trockendocks verbracht, was ein nachteilig zeit- und kostenintensives Vorgehen darstellt. Alternativ können Reinigungsarbeiten im Hafenbecken durchgeführt werden, beispielsweise manuell durch professionelle Taucher oder mittels Reinigungsvorrichtungen oder -robotern, welche typischerweise als kabelgebundene Systeme vom Deck des betreffenden Schiffes bedient werden. Auch derartige Reinigungsmaßnahmen bedingen unerwünscht lange Standzeiten der Schiffe, und zudem sind in zahlreichen Weltregionen Verordnungen in Kraft, welche das Reinigen von Schiffsrümpfen im Hafenbecken verbieten, um das Einschleppen invasiver Arten in das lokale Ökosystem zu verhindern.The use of biocide-containing coatings on the surface of ship hulls to prevent growth is only possible to a very limited extent due to legal requirements. Therefore, regular mechanical cleaning of the ship's hulls is carried out in shipping practice. For this purpose, the ships are brought into dry docks, for example, which is a disadvantageously time-consuming and cost-intensive procedure. Alternatively, cleaning work can be carried out in the harbor basin, for example manually by professional divers or by means of cleaning devices or robots, which are typically operated as wired systems from the deck of the ship in question. Such cleaning measures also require ships to stand idle for an undesirably long time, and there are also ordinances in force in numerous regions of the world which prohibit the cleaning of ships' hulls in the harbor basin in order to prevent invasive species from being introduced into the local ecosystem.

Es ist daher wünschenswert, die Reinigung von Schiffsrümpfen während der Fahrt des Schiffes, vorzugsweise auf hoher See, durchzuführen. Insbesondere kann eine im Wesentlichen kontinuierliche Durchführung der Reinigung die Bildung von makroskopischem Bewuchs dauerhaft unterbinden. Ein kontinuierlicher Reinigungsbetrieb ist auch deshalb wünschenswert, weil typischerweise bereits nach wenigen Tagen ungestörten Bewuchses strömungstechnisch nachteilige Effekte signifikant zu Tage treten, wobei mehrwöchige Reisedauern von Fracht- oder Kreuzfahrtschiffen nicht unüblich sind.It is therefore desirable to carry out the cleaning of ships' hulls while the ship is underway, preferably at sea. In particular, an essentially continuous implementation of the cleaning can permanently prevent the formation of macroscopic fouling. A continuous cleaning operation is also desirable because, typically, after only a few days of undisturbed growth, significant aerodynamically disadvantageous effects become apparent, with cargo or cruise ships traveling for several weeks being not uncommon.

Im Stand der Technik ist ein Verfahren zur Reinigung von Schiffsrümpfen basierend auf Ultraschallschwingungen bekannt. Dabei werden ein oder mehrere Ultraschallgeber an der aus dem Schiffsinneren zugänglichen Innenfläche des Schiffsrumpfs angeordnet, derart, dass mittels der Geber Ultraschall direkt in den Schiffsrumpf einkoppelbar ist. Die Ultraschallausbreitung innerhalb des Schiffsrumpfes sorgt für Vibrationen der zu reinigenden Außenfläche und aufgrund dieser Vibrationen wird die Ansiedlung von Mikroorganismen auf der Außenfläche unterdrückt. Die Ultraschallreinigung wirkt somit insbesondere auf die Frühphase des Fouling-Prozesses ein und wird daher vorzugsweise in einem kontinuierlichen Betriebsmodus durchgeführt, sodass der Aufbau makroskopischer Bewuchsschichten unterdrückt wird.A method for cleaning ship hulls based on ultrasonic vibrations is known in the prior art. In this case, one or more ultrasonic transmitters are arranged on the inner surface of the ship's hull, which is accessible from inside the ship, in such a way that ultrasound can be coupled directly into the ship's hull by means of the transmitters. The ultrasonic propagation within the ship's hull causes vibrations of the outer surface to be cleaned and due to these vibrations the colonization of microorganisms on the outer surface is suppressed. The ultrasonic cleaning thus has an effect in particular on the early phase of the fouling process and is therefore preferably carried out in a continuous operating mode, so that the build-up of macroscopic growth layers is suppressed.

Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht in der eingeschränkten Zugänglichkeit des Schiffsrumpfs von Seiten des Schiffsinneren, insbesondere bei großen Fähr- oder Frachtschiffen. Voraussetzung für eine wirksame Ultraschallanregung des Schiffsrumpfs ist eine zweckmäßige Platzierung der Ultraschallgeber. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Schiffsrümpfe typischerweise als Flächentragwerke ausgebildet sind, welche aus schwingungsfähigen flächigen Blechelementen und diese stützenden Spanten, Rahmen, Trägern oder dergleichen aufgebaut sind. Für eine effektive Schwingungsanregung mittels eingekoppelten Ultraschalls sollte der jeweilige Ultraschallgeber möglichst mittig auf einem Blechelement angeordnet sein, während eine Anordnung in unmittelbarer Nähe eines Trägerelements nicht zu der gewünschten Schwingungsanregung und Reinigungswirkung führt. Aufgrund der Einschränkungen hinsichtlich der Platzierbarkeit der Ultraschallgeber wird das beschriebene Reinigungsverfahren im Wesentlichen nur bei kleinen Schiffen, beispielsweise Sportbooten oder Yachten, eingesetzt, nicht aber bei großen Fracht- oder Fährschiffen. Weiterhin ist das Verfahren nicht anwendbar bei doppelwandigen Schiffsrümpfen, bei welchen eine Ultraschalleinkopplung in die innere Wand nicht zu einer signifikanten Vibration der Außenfläche der äußeren Wand führt und somit keine Reinigungswirkung erzielbar ist.The main disadvantage of this method is the limited accessibility of the ship's hull from the inside of the ship, especially in the case of large ferries or cargo ships. A prerequisite for an effective ultrasonic excitation of the ship's hull is an appropriate placement of the ultrasonic transducer. It must be taken into account here that ship hulls are typically designed as surface structures, which are constructed from planar sheet metal elements capable of vibrating and frames, frames, beams or the like that support them. For an effective vibration excitation by means of coupled ultrasound, the respective ultrasonic generator should be arranged as centrally as possible on a sheet metal element, while an arrangement in the immediate vicinity of a carrier element does not lead to the desired vibration excitation and cleaning effect. Because of the limitations with regard to the positionability of the ultrasonic transducers, the cleaning method described is essentially only used on small ships, for example sports boats or yachts, but not on large cargo ships or ferries. Furthermore, the method cannot be used with double-walled ship hulls in which ultrasound coupling into the inner wall does not lead to significant vibration of the outer surface of the outer wall and therefore no cleaning effect can be achieved.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung mit wenigstens einem ersten Ultraschallgeber zur Reinigung einer fluidumströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs, sowie ein darauf basierendes Reinigungsverfahren vorzuschlagen.It is the object of the present invention to provide an alternative embodiment of a prior propose a device with at least one first ultrasonic transducer for cleaning a surface of a body around which fluid flows, in particular a ship's hull around which water flows, and a cleaning method based thereon.

Diese Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is solved by a device according to claim 1 and a method according to claim 10. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Vorrichtung Mittel zum autarken Betrieb des ersten Ultraschallgebers aufweist und ein Haltesystem zur ortsfesten Befestigung der Vorrichtung auf der zu reinigenden Oberfläche umfasst.The invention includes the technical teaching that the device has means for autonomous operation of the first ultrasonic generator and includes a holding system for stationary attachment of the device on the surface to be cleaned.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Vorrichtung zum Betrieb direkt auf der zu reinigenden Oberfläche, d.h., innerhalb der Fluidströmung, zu ertüchtigen. Dazu ist die Vorrichtung mit einem Haltesystem ausgestattet, welches es erlaubt, die Vorrichtung zweckmäßig in jedem gewünschten Bereich auf der zu reinigenden Oberfläche anzuordnen. Aufgrund dieser flexiblen Positionierbarkeit können die für eine effektive Ultraschalleinkopplung in den Körper geeignetsten undloder die besonders reinigungsbedürftigen Bereiche der Oberfläche zielgerichtet mit einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen bestückt werden. Die in die Vorrichtung integrierten Mittel zum autarken Betrieb ermöglichen einen zumindest zeitweiligen Dauerbetrieb der Vorrichtung, ohne dass eine externe Energieversorgung oder Datenverbindung vonnöten ist.The basic idea of the invention is to enable the device to operate directly on the surface to be cleaned, i.e. within the fluid flow. For this purpose, the device is equipped with a holding system which allows the device to be conveniently arranged in any desired area on the surface to be cleaned. Due to this flexible positionability, the areas of the surface that are most suitable for effective ultrasound coupling into the body and/or the areas of the surface that are particularly in need of cleaning can be equipped with one or more devices according to the invention in a targeted manner. The means for self-sufficient operation integrated into the device enable at least temporary continuous operation of the device without the need for an external power supply or data connection.

Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung eines Schiffsrumpfs wird mittels des ersten Ultraschallgebers Ultraschall, beispielsweise im Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz, von außen in den Schiffsrumpf eingekoppelt, d.h., die Vorrichtung ist unterhalb der Wasserlinie ortsfest auf dem Schiffsrumpf angeordnet und der erste Ultraschallgeber steht vorzugsweise in direktem Körperkontakt mit dem Schiffsrumpf. Der Schiffsrumpf, auch als Schiffshülle oder Schiffsschale bezeichnet, umfasst das gesamte Unterwasserschiff, d.h., die Bordwand und den Schiffsboden, wobei sich die zu reinigenden Oberflächen beispielsweise auch auf Seekästen, Ruder, Wasserkühler oder Schraubenwellen erstrecken können.When the device according to the invention is used for cleaning a ship's hull, the first ultrasonic generator is used to couple ultrasound, for example in the frequency range from 20 kHz to 100 kHz, into the ship's hull from the outside, i.e. the device is stationarily arranged on the ship's hull below the waterline and the first The ultrasonic transducer is preferably in direct body contact with the ship's hull. The hull, also referred to as the hull or hull, includes the entire underwater hull, i.e. the hull and the bottom of the ship, whereby the surfaces to be cleaned can also extend to sea chests, rudders, water coolers or propeller shafts, for example.

Die zur Reinigung in den Schiffsrumpf eingekoppelte Leistung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine Antifouling Wirkung mit subkavitativer Intensität resultiert. Der Ultraschall verursacht dabei Vibrationen in der zu reinigenden Oberfläche, welche schon bei geringer Intensität zu derartigen Anregungen des umströmenden Wassers führen, dass es für Gewässer-Mikroorganismen und Kleinstlebewesen wie etwa Seepocken signifikant erschwert wird, sich auf dem Schiffsrumpf anzusiedeln. Die Störung dieser ersten Stufe des sich auf dem Schiffsrumpf bildenden „Biofilms“ verhindert wirkungsvoll die gesamte Abfolge der weiteren Besiedlung. Der Begriff der „Reinigung“ schließt im Rahmen der vorliegenden Erfindung somit insbesondere auch den Aspekt der präventiven Reinhaltung der behandelten Oberfläche ein.The power coupled into the ship's hull for cleaning is preferably designed in such a way that an antifouling effect with subcavitative intensity results. The ultrasound causes vibrations in the surface to be cleaned, which, even at low intensity, stimulate the surrounding water to such an extent that it is significantly more difficult for aquatic microorganisms and microorganisms such as barnacles to settle on the ship's hull. The disruption of this first stage of the "biofilm" that forms on the ship's hull effectively prevents the entire sequence of further colonization. In the context of the present invention, the term “cleaning” thus in particular also includes the aspect of preventive keeping of the treated surface clean.

In vorteilhafter Ausführungsform umfassen die Mittel zum autarken Betrieb eine Turbine zur Entnahme von Strömungsenergie aus dem umströmenden Fluid, einen elektrischen Generator und einen Akkumulator, wobei der elektrische Generator von der Turbine antreibbar und zum Aufladen des Akkumulators eingerichtet ist. In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung energetisch weitgehend autark, sofern eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Fluids vorliegt, insbesondere kann bei Verwendung der Vorrichtung auf einem Schiffsrumpf unterhalb der Wasserlinie ein kontinuierlicher Reinigungsbetrieb während der Fahrt des Schiffes durchgeführt werden. Die Turbine kann beispielsweise endseitig der Vorrichtung angeordnet sein, und das Schaufelrad der Turbine ist vorzugsweise zwischen einer Arbeitsstellung und einer Ruhestellung schwenkbar ausgebildet. In der Arbeitsstellung bietet das Schaufelrad dem umströmenden Fluid einen hohen Strömungswiderstand und wird in Rotation versetzt und in der Ruhestellung wird der Strömungswiderstand signifikant verringert und es erfolgt kein Antreiben des elektrischen Generators. Der Durchmesser des Schaufelrades kann beispielsweise 20 cm bis 30 cm betragen, womit bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluid von 20 km/h und einem Gesamtwirkungsgrad (Turbine und Generator) von 50% eine elektrische Leistung von ca. 1 kW erzeugbar ist.In an advantageous embodiment, the means for self-sufficient operation include a turbine for extracting flow energy from the fluid flowing around, an electric generator and an accumulator, the electric generator being drivable by the turbine and being set up to charge the accumulator. In this embodiment, the device is largely self-sufficient in terms of energy, provided the surrounding fluid has a sufficient flow rate. In particular, when using the device on a ship's hull below the waterline, continuous cleaning operation can be carried out while the ship is underway. The turbine can, for example, be arranged at the end of the device, and the blade wheel of the turbine is preferably designed to be pivotable between a working position and a rest position. In the working position, the impeller offers the circulating fluid a high flow resistance and is set in rotation, and in the rest position the flow resistance is significantly reduced and the electric generator is not driven. The diameter of the impeller can be, for example, 20 cm to 30 cm, which means that with a flow speed of the fluid of 20 km/h and an overall efficiency (turbine and generator) of 50%, an electrical output of approx. 1 kW can be generated.

Vorzugsweise ist das Haltesystem als ein magnetisches Haltesystem zur lösbaren Befestigung der Vorrichtung ausgebildet. Das magnetische Haltesystem umfasst insbesondere einen oder mehrere Permanentmagnete zur Anlage an der zu reinigenden Oberfläche des Körpers. Beispielsweise können dazu Seltenerdmagnete wie Neodym-Eisen-Bor verwendet werden, welche sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Haftkraft für die sichere Befestigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer umströmten Oberfläche besonders eignen.The holding system is preferably designed as a magnetic holding system for the detachable attachment of the device. The magnetic holding system includes in particular one or more permanent magnets for contact with the surface of the body to be cleaned. For example, rare earth magnets such as neodymium-iron-boron can be used for this purpose, which are particularly suitable for securely fastening the device according to the invention to a surface surrounded by a flow due to their high specific adhesive force.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein mediendichtes Gehäuse, wobei das Gehäuse insbesondere eine torpedoförmige Gestalt aufweist, d.h., dass das Gehäuse einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser des Gehäuses entlang einer Längserstreckungsrichtung variieren kann. In dieser torpedoförmigen Gestalt weist das Gehäuse, und damit die Vorrichtung, vorteilhafterweise einen sehr geringen Strömungswiderstand auf.The device preferably comprises a medium-tight housing, the housing in particular having a torpedo-like shape, ie the housing having an essentially circular cross-section, the diameter of the housing being able to vary along a direction of longitudinal extent. In this torpedo-shaped form, the housing, and thus the Vorrich tion, advantageously a very low flow resistance.

In vorteilhafter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen zweiten Ultraschallgeber auf, welcher zur Aussendung von Ultraschall in das umströmende Fluid eingerichtet ist. Mittels des zweiten Ultraschallgebers ist keine direkte Ultraschalleinkopplung in den Körper vorgesehen, vielmehr ist die wesentliche Aussendungsrichtung des von dem zweiten Ultraschallgeber emittierten Ultraschalls parallel zur zu reinigenden Oberfläche orientiert. Der daraus resultierende Reinigungseffekt basiert auf der Bildung von Kavitationsblasen innerhalb einer Grenzschicht des Fluids an der zu reinigenden Oberfläche und die bei der Implosion der Kavitationsblasen freigesetzte Energie in Form von Druckstößen führt zu einem Abplatzen von auf der Oberfläche anhaftenden Verunreinigungen. Weiterhin werden schädliche Mikroorganismen in der Nähe der Oberfläche durch die unmittelbare Einwirkung des Ultraschalls und den wirkenden Kavitationseffekt unschädlich gemacht. Um eine in der Praxis ausreichende Reichweite zu erzielen weist der zweite Ultraschallgeber vorzugsweise eine Leistung in der Größenordnung von 100 W bis zu 1 kW auf.In an advantageous embodiment, the device according to the invention has a second ultrasound generator, which is set up to emit ultrasound into the surrounding fluid. No direct coupling of ultrasound into the body is provided by means of the second ultrasound generator; instead, the essential direction of emission of the ultrasound emitted by the second ultrasound generator is oriented parallel to the surface to be cleaned. The resulting cleaning effect is based on the formation of cavitation bubbles within a boundary layer of the fluid on the surface to be cleaned, and the energy released when the cavitation bubbles implode in the form of pressure surges causes impurities adhering to the surface to flake off. Furthermore, harmful microorganisms near the surface are rendered harmless by the direct impact of the ultrasound and the cavitation effect. In order to achieve a range that is sufficient in practice, the second ultrasonic generator preferably has a power of the order of 100 W to 1 kW.

Der erste Ultraschallgeber kann insbesondere in einem Leistungsbereich von 10 W bis 100 W betrieben werden, da sich gezeigt hat, dass mit derartigen Leistungen eine zweckmäßige Ultraschallschwingungsanregung von Schiffsrumpfsegmenten erzeugt ist. Die direkte Einkopplung von Ultraschall in den Körper kann insbesondere durch einen robusten Festkörperkontakt zwischen dem ersten Ultraschallgeber und dem Körper erzeugt werden, wobei dieser Festkörperkontakt auch mittelbar ausgebildet sein kann, beispielsweise, indem der Kontakt durch einen Permanentmagneten des magnetischen Haltesystems vermittelt wird.The first ultrasonic generator can be operated in particular in a power range from 10 W to 100 W, since it has been shown that an expedient ultrasonic vibration excitation of ship hull segments is generated with such powers. The direct coupling of ultrasound into the body can be generated in particular by a robust solid-state contact between the first ultrasonic transducer and the body, whereby this solid-state contact can also be formed indirectly, for example by the contact being mediated by a permanent magnet of the magnetic holding system.

Mit weiterem Vorteil weist die Vorrichtung eine Abzieheinrichtung auf, mittels welcher die Vorrichtung entgegen der Haltekraft des Haltesystems von der zu reinigenden Oberfläche lösbar ist. Beispielsweise kann die Abzieheinrichtung derart ausgebildet sein, dass die Vorrichtung mittels Betätigung einer ausfahrbaren Spindel von der Oberfläche des Körpers abdrückbar ist.With a further advantage, the device has a pull-off device, by means of which the device can be detached from the surface to be cleaned against the holding force of the holding system. For example, the pull-off device can be designed in such a way that the device can be pushed off the surface of the body by actuating an extendable spindle.

Weiterhin weist die Vorrichtung beispielsweise ein Mikrophon auf, welches zur Aufnahme von Ultraschall aus dem Körper eingerichtet ist. Bei Verwendung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen auf einer zu reinigenden Oberfläche kann anhand der Mikrophonaufnahme beispielsweise die Frequenz der von einer anderen Vorrichtung in den Körper eingekoppelten Ultraschallschwingung ermittelt werden.The device also has a microphone, for example, which is set up to record ultrasound from the body. When using a plurality of devices according to the invention on a surface to be cleaned, for example, the frequency of the ultrasonic vibration coupled into the body by another device can be determined on the basis of the microphone recording.

Insbesondere weist die Vorrichtung eine Steuereinheit zur Steuerung der elektrisch betriebenen Komponenten auf. Die Steuereinheit dient als Signalgeber für die Ultraschallgeber, wobei der erste und der zweite Ultraschallgeber von unterschiedlichen Steuersignale angesteuert werden können.In particular, the device has a control unit for controlling the electrically operated components. The control unit serves as a signal transmitter for the ultrasonic transmitters, it being possible for the first and second ultrasonic transmitters to be controlled by different control signals.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs, wobei die Reinigung mittels wenigstens einer Vorrichtung nach einer der vorherigen Ausführungsformen durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung mittels des Haltesystems ortsfest auf der zu reinigenden Oberfläche befestigt wird, und mittels des ersten Ultraschallgebers Ultraschall in den Körper eingekoppelt wird und/oder mittels des zweiten Ultraschallgebers Ultraschall in das umströmende Fluid ausgesendet wird.The invention also relates to a method for cleaning a surface of a body around which a fluid flows, in particular a ship's hull around which water flows, the cleaning being carried out by means of at least one device according to one of the previous embodiments, the device being stationary by means of the holding system on the to cleaning surface is attached, and ultrasound is coupled into the body by means of the first ultrasound generator and/or ultrasound is emitted into the surrounding fluid by means of the second ultrasound generator.

Beispielsweise wird die Reinigung mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen durchgeführt, wobei zunächst eine Angleichung der Frequenzen des von den jeweiligen ersten Ultraschallgebern in den Körper eingekoppelten Ultraschalls vorgenommen wird, indem:

  • - eine erste Vorrichtung Ultraschall mit einer Sollfrequenz einkoppelt,
  • - die übrigen Vorrichtungen den eingekoppelten Ultraschall mittels der Mikrophone aufnehmen und daraus mittels der Steuereinheit die Sollfrequenz ermitteln, und
  • - die übrigen Vorrichtungen anschließend Ultraschall mit der Sollfrequenz einkoppeln.
For example, the cleaning is carried out with a plurality of devices, with the frequencies of the ultrasound coupled into the body from the respective first ultrasound generators being matched first, in that:
  • - a first device couples ultrasound with a target frequency,
  • - The other devices record the injected ultrasound using the microphones and use the control unit to determine the desired frequency, and
  • - The other devices then couple ultrasound with the desired frequency.

Bei Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Vorrichtungen und deren zweckmäßiger Platzierung kann erfindungsgemäß insbesondere ein großer Schiffsrumpf, beispielsweise eines Fracht- oder Fährschiffs, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unterhalb der Wasserlinie vollflächig gereinigt werden.If a sufficient number of devices are used and placed appropriately, a large ship's hull, for example a cargo ship or ferry, can be cleaned over its entire surface below the waterline using the method according to the invention.

Außer der Anwendung zur Reinigung von Schiffsrümpfen können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Reinigung der Innenwandung von Rohrleitung, insbesondere Pipelines, eingesetzt werden.In addition to being used for cleaning ship hulls, the device according to the invention and the method according to the invention can also be used for cleaning the inner wall of pipelines, in particular pipelines.

Figurenlistecharacter list

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

  • 1: eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
  • 2a, 2b: schematische Ansichten eines Schiffsrumpfs mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Demonstration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the figures. It shows:
  • 1 : a schematic cross-sectional view of an embodiment of the device according to the invention, and
  • 2a , 2 B 1: schematic views of a ship's hull with devices according to the invention for demonstrating the method according to the invention.

1 zeigt einen schematischen Halbschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs. 1 shows a schematic half section of a device 100 according to the invention for cleaning a surface of a body around which a fluid flows, in particular a ship hull around which water flows.

Die Vorrichtung umfasst den ersten Ultraschallgeber 1 zur Einkopplung von Ultraschall in den Körper sowie das Haltesystem 2 zur ortsfesten Befestigung der Vorrichtung 100 auf der zu reinigenden Oberfläche. Das Haltesystem 2 ist als ein magnetisches Haltesystem zur lösbaren Befestigung der Vorrichtung 100 ausgebildet und umfasst die zwei Permanentmagneten 21, deren Unterseiten zur Anlage an der zu reinigenden Oberfläche vorgesehen sind. Der erste Ultraschallgeber 1 steht in direktem Körperkontakt zu dem vorderen Permanentmagneten 21, sodass über den Permanentmagneten 21 Ultraschallanregungen in den zu reinigenden Körper einkoppelbar sind.The device comprises the first ultrasound generator 1 for coupling ultrasound into the body and the holding system 2 for stationary fastening of the device 100 on the surface to be cleaned. The holding system 2 is designed as a magnetic holding system for the detachable attachment of the device 100 and includes the two permanent magnets 21, the undersides of which are intended to rest on the surface to be cleaned. The first ultrasonic generator 1 is in direct physical contact with the front permanent magnet 21 so that ultrasonic excitations can be coupled into the body to be cleaned via the permanent magnet 21 .

Weiterhin umfasst die Vorrichtung den zweiten Ultraschallgeber 7, welcher zur Aussendung von Ultraschall in das umströmende Fluid eingerichtet ist, wobei die Hauptemissionsrichtung des Ultraschalls vorzugsweise in einer Ebene parallel zur zu reinigenden Oberfläche liegt. Dadurch wird zusätzlich zu der durch den ersten Ultraschallgeber 1 erzeugten Schwingungsanregung der zu reinigenden Oberfläche eine oberflächennahe Kavitationsschicht in dem umströmenden Fluid erzeugt, sodass eine kombinierte Reinigungswirkung erfolgt.The device also includes the second ultrasonic generator 7, which is set up to emit ultrasound into the surrounding fluid, with the main emission direction of the ultrasound preferably lying in a plane parallel to the surface to be cleaned. As a result, in addition to the vibrational excitation of the surface to be cleaned, which is generated by the first ultrasonic generator 1, a cavitation layer close to the surface is generated in the fluid flowing around, so that a combined cleaning effect occurs.

Die Mittel zum autarken Betrieb der elektrischen Verbraucher der Vorrichtung 100 umfassen die Turbine 5, den Generator 6 und den Akkumulator 3, wobei der elektrische Generator 6 von der Turbine 5 antreibbar und zum Aufladen des Akkumulators 3 eingerichtet ist. Elektrische Verbindungsleitung zwischen den diversen Komponenten der Vorrichtung 100 sind der Übersicht halber nicht dargestellt. Das Schaufelrad 51 der Turbine 5 ist in einer Arbeitsstellung zum Antrieb durch ein umströmendes Fluid dargestellt. Beispielsweise kann das Schaufelrad schwenkbar ausgebildet sein, etwa in eine um 90° geschwenkte Ruhestellung.The means for self-sufficient operation of the electrical consumers of the device 100 include the turbine 5, the generator 6 and the accumulator 3, the electrical generator 6 being able to be driven by the turbine 5 and being set up to charge the accumulator 3. Electrical connection lines between the various components of the device 100 are not shown for the sake of clarity. The impeller 51 of the turbine 5 is shown in a working position for being driven by a fluid flowing around it. For example, the bucket wheel can be designed to be pivotable, for example into a rest position pivoted by 90°.

Das Mikrophon 9 zur Aufnahme von Ultraschall dient der Frequenzangleichung beim gleichzeitigen Betrieb einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen 100 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Steuereinheit 10 ist zur Durchführung sämtlicher für den zweckmäßigen und autarken Betrieb der Vorrichtung 100 notwendigen Schritte eingerichtet, insbesondere zur Ausgabe von Steuersignalen an die Ultraschallgeber 1, 7 sowie zur Auswertung der Aufnahmen des Mikrophons 9.The microphone 9 for recording ultrasound is used for frequency adjustment during the simultaneous operation of a plurality of devices 100 according to the invention within the scope of the method according to the invention. The control unit 10 is set up to carry out all the steps necessary for the appropriate and autonomous operation of the device 100, in particular to output control signals to the ultrasonic transmitters 1, 7 and to evaluate the recordings of the microphone 9.

Die Abzieheinrichtung 8 dient zum Lösen der Vorrichtung 100 entgegen der Haltekraft des Haltesystems 2 von der zu reinigenden Oberfläche und ist als ein System von zwei in Nachbarschaft zu den Permanentmagneten 21 angeordneten, ausfahrbaren Spindeln 81 ausgebildet.The pull-off device 8 serves to detach the device 100 from the surface to be cleaned against the holding force of the holding system 2 and is designed as a system of two extendable spindles 81 arranged in the vicinity of the permanent magnets 21 .

Das torpedoförmige Gehäuse 4 ist zum Schutz der aufgenommenen Komponenten mediendicht, insbesondere wasserdicht, ausgebildet. Die Länge des Gehäuses 4 beträgt beispielsweise ca. 1 m für eine Anwendung der Vorrichtung 100 zur Reinigung eines Schiffsrumpfs.The torpedo-shaped housing 4 is designed to be media-tight, in particular waterproof, to protect the components it accommodates. The length of the housing 4 is, for example, approximately 1 m for an application of the device 100 for cleaning a ship's hull.

Die 2a und 2b zeigen schematische Ansichten zur Demonstration des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung einer mit Wasser W umströmten Oberfläche eines Schiffsrumpfs S mittels der drei erfindungsgemäßen Vorrichtungen 100.1, 100.2, 100.3. Die Vorrichtungen 100.1, 100.2, 100.3 sind unterhalb der Wasserlinie und in regelmäßigen Abständen zueinander auf dem zu reinigenden Schiffsrumpf S mittels der Haltesysteme ortsfest befestigt. Die dargestellten Größenverhältnisse sind dabei rein schematisch und zum Zwecke der anschaulichen Darstellung gewählt. Beispielsweise erfolgt die Positionierung der Vorrichtungen 100.1, 100.2, 100.3 derart, dass eine vollflächige Reinigung des gesamten Unterwasserschiffs gewährleistet ist, insbesondere werden die ersten Ultraschallgeber der Vorrichtungen 100.1, 100.2, 100.3 dabei mittig in gut schwingungsfähige Bereiche des Schiffsrumpfs S platziert. Beispielsweise ist bei Betrieb von ersten Ultraschallgebern mit einer Leistung bis 100 W und zweiten Ultraschallgebern mit einer Leistung bis 1 kW eine ausreichende Reinigungswirkung in einem Bereich von ca. 15 m Radius um jede Vorrichtung 100 gegeben.The 2a and 2 B show schematic views for demonstrating the method according to the invention for cleaning a surface of a ship's hull S around which water W flows, using the three devices 100.1, 100.2, 100.3 according to the invention. The devices 100.1, 100.2, 100.3 are fixed in place below the waterline and at regular intervals from one another on the ship's hull S to be cleaned by means of the holding systems. The proportions shown are purely schematic and selected for the purpose of clear illustration. For example, the devices 100.1, 100.2, 100.3 are positioned in such a way that a full surface cleaning of the entire underwater hull is guaranteed. For example, when operating first ultrasonic generators with a power of up to 100 W and second ultrasonic generators with a power of up to 1 kW, there is a sufficient cleaning effect in a range of approx.

In 2a ist ein Betriebszustand dargestellt, in welchem die erste Vorrichtung 100.1 Ultraschall mit einer Sollfrequenz in den Schiffsrumpf S einkoppelt, während die beiden übrigen Vorrichtungen 100.2, 100.3 mittels der Mikrophone den eingekoppelten Ultraschall aufnehmen, um daraus mittels der Steuereinheit die Sollfrequenz zu ermitteln.In 2a an operating state is shown in which the first device 100.1 couples ultrasound with a target frequency into the ship's hull S, while the two other devices 100.2, 100.3 use the microphones to record the coupled-in ultrasound in order to use the control unit to determine the target frequency.

In dem in der 2b dargestellten Betriebszustand koppeln sämtliche Vorrichtungen 100.1, 100.2, 100.3 Ultraschall mit der Sollfrequenz mittels der ersten Ultraschallgeber in den Schiffsrumpf S ein und gleichzeitig erfolgt eine Aussendung von Ultraschall mittels der zweiten Ultraschallgeber in das umströmende Wasser W, wodurch zusätzlich eine reinigende Kavitationsschicht im Grenzbereich zum Schiffsrumpf S erzeugt wird.In the in the 2 B In the operating state shown, all devices 100.1, 100.2, 100.3 couple ultrasound with the target frequency into the ship's hull S by means of the first ultrasound transmitter and at the same time ultrasound is emitted by means of the second ultrasonic transmitter into the circulating water W, whereby a cleaning cavitation layer in the border area to the ship's hull S is also generated.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale undloder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.The implementation of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different designs. All features and/or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both on their own and in a wide variety of combinations.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Vorrichtungcontraption
11
erster Ultraschallgeberfirst ultrasound generator
22
Haltesystemretention system
2121
Permanentmagnetpermanent magnet
33
Akkumulatoraccumulator
44
GehäuseHousing
55
Turbineturbine
5151
Schaufelradpaddle wheel
66
elektrischer Generatorelectric generator
77
zweiter Ultraschallgebersecond ultrasonic transducer
88th
Abzieheinrichtungpuller
8181
Spindelspindle
99
Mikrophonmicrophone
1010
Steuereinheit control unit
SS
Schiffsrumpfhull
WW
WasserWater

Claims (11)

Vorrichtung (100) zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser (W) umströmten Schiffsrumpfs (S), umfassend einen ersten Ultraschallgeber (1) zur Einkopplung von Ultraschall in den Körper, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) Mittel zum autarken Betrieb des ersten Ultraschallgebers (1) aufweist und ein Haltesystem (2) zur ortsfesten Befestigung der Vorrichtung (100) auf der zu reinigenden Oberfläche umfasst.Device (100) for cleaning a surface of a body around which a fluid flows, in particular a ship's hull (S) around which water (W) flows, comprising a first ultrasound transmitter (1) for coupling ultrasound into the body, characterized in that the device ( 100) comprises means for autonomous operation of the first ultrasonic generator (1) and a holding system (2) for stationary attachment of the device (100) on the surface to be cleaned. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum autarken Betrieb eine Turbine (5) zur Entnahme von Strömungsenergie aus dem umströmenden Fluid, einen elektrischen Generator (6) und einen Akkumulator (3) umfassen, wobei der elektrische Generator (6) von der Turbine (5) antreibbar und zum Aufladen des Akkumulators (3) eingerichtet ist.Device (100) according to claim 1 , characterized in that the means for self-sufficient operation comprise a turbine (5) for extracting flow energy from the fluid flowing around, an electric generator (6) and an accumulator (3), the electric generator (6) being powered by the turbine (5 ) can be driven and is set up to charge the accumulator (3). Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (51) der Turbine (5) zwischen einer Arbeitsstellung und einer Ruhestellung schwenkbar ausgebildet ist.Device (100) according to claim 2 , characterized in that the impeller (51) of the turbine (5) is pivotable between a working position and a rest position. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltesystem (2) als ein magnetisches Haltesystem zur lösbaren Befestigung der Vorrichtung (100) ausgebildet ist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the holding system (2) is designed as a magnetic holding system for the detachable fastening of the device (100). Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) ein mediendichtes Gehäuse (4) umfasst, wobei das Gehäuse insbesondere, vorzugsweise eine torpedoförmige Gestalt aufweist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (100) comprises a medium-tight housing (4), the housing in particular preferably having a torpedo-shaped form. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) einen zweiten Ultraschallgeber (7) aufweist, welcher zur Aussendung von Ultraschall in das umströmende Fluid eingerichtet ist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (100) has a second ultrasound generator (7) which is set up to emit ultrasound into the surrounding fluid. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Abzieheinrichtung (8) aufweist, mittels welcher die Vorrichtung (100) entgegen der Haltekraft des Haltesystems (2) von der zu reinigenden Oberfläche lösbar ist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (100) has a removal device (8) by means of which the device (100) can be detached from the surface to be cleaned against the holding force of the holding system (2). Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) ein Mikrophon (9) aufweist, welches zur Aufnahme von Ultraschall aus dem Körper eingerichtet ist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (100) has a microphone (9) which is set up to record ultrasound from the body. Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Steuereinheit (10) zur Steuerung der elektrisch betriebenen Komponenten der Vorrichtung (100) aufweist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (100) has a control unit (10) for controlling the electrically operated components of the device (100). Verfahren zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser (W) umströmten Schiffsrumpfs (S), dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung mittels wenigstens einer Vorrichtung (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung (100) mittels des Haltesystems (2) ortsfest auf der zu reinigenden Oberfläche befestigt wird und mittels des ersten Ultraschallgebers (1) Ultraschall in den Körper eingekoppelt wird und/oder mittels des zweiten Ultraschallgebers (7) Ultraschall in das umströmende Fluid ausgesendet wird.Method for cleaning a body surface around which a fluid flows, in particular a ship hull (S) around which water (W) flows, characterized in that the cleaning is carried out by means of at least one device (100) according to one of the preceding claims, the device ( 100) is fixed in place on the surface to be cleaned by means of the holding system (2) and ultrasound is coupled into the body by means of the first ultrasonic generator (1) and/or by means of the second Ultrasonic transducer (7) ultrasound is emitted into the fluid flowing around. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen (100.1, 100.2, 100.3) durchgeführt wird, wobei zunächst eine Angleichung der Frequenzen des von den jeweiligen ersten Ultraschallgebern (1) in den Körper eingekoppelten Ultraschalls vorgenommen wird, indem: - eine erste Vorrichtung (100.1) Ultraschall mit einer Sollfrequenz einkoppelt, - die übrigen Vorrichtungen (100.2, 100.3) den eingekoppelten Ultraschall aus dem Körper mittels der Mikrophone (10) aufnehmen und daraus mittels der Steuereinheit (9) die Sollfrequenz ermitteln, und - die übrigen Vorrichtungen (100.2, 100.3) anschließend Ultraschall mit der Sollfrequenz einkoppeln.procedure after claim 10 , characterized in that the cleaning is carried out with a plurality of devices (100.1, 100.2, 100.3), the frequencies of the ultrasound coupled into the body from the respective first ultrasound generators (1) being initially matched by: - a first Device (100.1) couples in ultrasound with a target frequency, - the other devices (100.2, 100.3) pick up the coupled-in ultrasound from the body using the microphones (10) and use the control unit (9) to determine the target frequency, and - the other devices ( 100.2, 100.3) then couple in ultrasound with the desired frequency.
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