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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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Im
Durchschnitt sind für das Wohlbefinden der meisten Organismen
bereits Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 bis etwa 0,3
Meter pro Sekunde ausreichend.
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Für
die Installation großer Kreiselpumpen ist neben der Bereitstellung
ausreichender Energiemengen auch ein erheblicher konstruktiver Aufwand
für Fundamente, Rohrleitungen, 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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der Erfindung
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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.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhaftere Ausbildungen der erfindungsgemäßen
Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen
dargestellt.
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Beispiel
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher
beschrieben. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in
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1 eine
schematische räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen
Strömungsaggregats,
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2 eine
Ansicht des erfindungsgemäßen Propellers von hinten
(entgegen der Strömungsrichtung),
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3 eine
Seitenansicht des erfindungsgemäßen Propellers.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Stator
und Rotor sind dabei zwei selbständige, wasserfest vergossene
Einheiten.
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Der
Propeller 6 so ausgelegt, dass er pro Zeiteinheit einen
großen Wasserkörper mit ausreichend Schub in axialer
Richtung vom Strömungsaggregat weg bewegen kann.
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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.
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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.
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Das
erfindungsgemäße Strömungsaggregat vereinigt
die Vorteile eines bürstenlosen Gleichstrommotors 5 mit
dem Strömungsverhalten des eingesetzten Propellers 6.
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Der
Gleichstrommotor 5 wird von einem Gehäuse 1 umgeben,
an das sich ein Korb 2 anschließt, der den Propeller 6 umgibt.
Der Korb 2 bildet an seiner Mantelfläche schlitzförmige
Einströmöffnungen 4 aus, durch die das
Wasser angesaugt wird. Durch die axiale Abströmöffnung 3 wird
das Wasser zum Zwecke der Umwälzung wieder abgegeben.
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Der
erfindungsgemäße Propeller 6 gewährleistet über
den gesamten Kreisdurchmesser, den die Flügel 7 beschreiben,
eine gleichmäßige, möglichst konstante
Abströmung und somit kann ein wesentlich höherer
Schub an den Wasserkörper abgeben werden.
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Dies
wird hauptsächlich dadurch erreicht, dass die Anzahl der
Flügel 7 pro Propeller 6 deutlich erhöht
wird und vorzugsweise eine ungerade Zahl bilden, wobei sieben Flügel 7 aus
konstruktiver Sicht ideal sind.
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Diese
sind radial um eine möglichst dünn ausgeführte
Nabe 8 angeordnet. Die Nabe 8 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 Nabe 8 hinter
den Flügeln 7 kann dabei die restliche Länge
des Propellers 6 deutlich übersteigen.
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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.
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Die
Form der Flügel 7 ist sichelförmig ausgeführt.
Die dabei in Drehrichtung angeströmte vorn liegende Kante 9 weist
einen kleineren Radius als die hintere Kante 10 des Flügels 7 auf,
ist also stärker gebogen.
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Der
Radius der Biegung verkleinert sich ebenfalls mit zunehmender Entfernung
des Flügels 7 von der Nabe 8, so dass
das äußere Ende des Flügels 7 stärker
nach hinten gebogen ist, als am Nabenansatz.
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Ebenso
nimmt die Steigung des einzelnen Flügels 7 mit
zunehmender Entfernung von der Nabe 8 ab. Die Steigungshöhe
am Nabenansatz ist, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Propellern, höchstens
halb so groß, wie die Länge eines einzelnen Flügels 7.
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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 Nabe 8 ab.
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Aus
axialer Sicht, weist der Propeller 6 also eine größere
Zahl langer und schmaler, in Drehrichtung nach hinten gebogener
Flügel 7 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.
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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.
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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 Nabe 8, wo die Steigung am
größten ist, nicht zu einem Strömungsabriß kommt,
sondern das Wasser gleichmäßig mit konstanter
Geschwindigkeit in axialer Richtung beschleunigt wird.
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- 1
- Gehäuse,
- 2
- Korb,
- 3
- Abströmöffnung,
- 4
- Einströmöffnung,
- 5
- Elektromotor,
- 6
- Propeller,
- 7
- Flügel,
- 8
- Nabe,
- 9
- Angestömte
vorn liegende Kante,
- 10
- Hintere
Kante,
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005008965
A1 [0009]