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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer starken Strömung in einem flüssigen Medium, z. B. Wasser, insbesondere mit einem Unterwasserantrieb mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einem verschleißfreien Dichtungssystem im Eintrittsbereich eines Strömungskanals.
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Derartige Vorrichtungen sind im Stand der Technik aus der Druckschrift
DE 33 13 549 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Gerät zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls, das u. a. auch in Schwimmbecken zur Erzeugung einer Strömung verwendet werden kann. Dieses Gerät weist in seinem Grundaufbau einen ovalen zylinderförmigen Abschnitt auf, an den sich an einer Seite ein rechtwinklig zur Achse des Zylinderabschnitts angeordneter Abschnitt mit einer Austrittsdüse anschließt, wobei sich die rechtwinklige Anordnung nachteilig auf die Strömungsbedingungen und den aufzubringenden Energiebedarf des Antriebs auswirkt. Ferner wird das Wasser senkrecht zur Strömungsrichtung durch Langlochöffnungen angesaugt, was sich einerseits negativ auf den Energiebedarf des Antriebs und andererseits ungünstig auf die laminare Strömung innerhalb des Gerätes auswirkt.
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Weiterhin ist der Unterwassermotor vollständig in dem zylinderförmigen Abschnitt des Gehäuses angeordnet, was einen hohen Strömungswiderstand innerhalb des zylinderförmigen Gehäuseabschnittes erzeugt, infolge dessen ein hoher Energiebedarf zur Überwindung dieses Strömungswiederstands erforderlich ist. Über die Beschaffenheit des Unterwassermotors werden keine Angaben gemacht.
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Weiterhin offenbart die Druckschrift
DE 10 2006 061 504 B3 eine Strömungspumpe in einem birnenförmigen Gehäuse, deren Antriebsmotor vollständig in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Propeller der die Strömung erzeugt, im Bereich der Austrittsöffnung angeordnet ist. Zwar offenbart die
DE 10 2006 061 504 B3 als Antrieb einen elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotor, der aber nur ein relativ schwaches Magnetfeld (H) eines Permanentmagneten aufweist, was nicht ausreicht, um energiearm eine starke Strömung im Schwimmbecken zu erzeugen.
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Ferner bietet die Druckschrift
US 4,064,403 A bietet eine Lösung zur Erzeugung einer Strömung in einem Medium mit einem Elektromotor an, auf dessen Welle hydraulisch verstellbare Blätter des Propellers angeordnet sind.
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Eine weitere Vorrichtung ist im Stand der Technik aus der
DE 24 01 040 A1 bekannt, der eine Gegenstromschwimmanlage für Schwimmbäder zu entnehmen ist, bei der ein Unterwassermotor in einem rohrförmigen Gehäuse mit seiner Längsachse parallel zur Wand des Schwimmbeckens angeordnet ist. Die Austrittsdüse ist um 90° zur Längsachse des Antriebsmotors bzw. des rohrförmigen Gehäuses gedreht, wobei sich der Querschnitt der Wasseraustrittdüse gegenüber dem Querschnitt des Gehäuses verjüngt. Die Querschnittsfläche der Düse liegt dabei zwischen 120 bis 130 qcm bei einer Austrittsgeschwindigkeit von 1 m/sec mit einer Leistungsaufnahme von 1–1,2 kW.
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Aus einer weiteren Druckschrift
DE 20 2011 106 999 U1 ist eine Düsenanordnung für eine Gegenstromschwimmanlage bekannt geworden, die mit ihrem Gehäuse an der Wand des Schwimmbeckens angeordnet ist, wobei die Strömungsrichtung aus der Düse parallel zur Wasseroberfläche vorgesehen ist. Unmittelbar vor Austritt des Wasserstrahls in das Schwimmbecken sind zur Vermeidung von Verwirbelungen des Wasserstrahls Strömungsgleichrichter in Form von röhrenförmigen Durchtrittskanälen angeordnet.
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Als nachteilig an den im Stand der Technik bekannt gewordenen Gegenstromschwimmanlagen wird es empfunden, dass die Leistungsaufnahme der strömungserzeugenden Aggregate im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit und der Reichweite der effektiven Strömung zu hoch ist. Ferner ist es als nachteilig anzusehen, dass die Bauart zu voluminös und technisch sehr aufwendig ist, was die Kosten einer derartigen Anlage unnötig erhöht.
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Im Allgemeinen bestehen herkömmliche Gegenstromschwimmanlagen für den privaten Bereich in der Regel aus den Komponenten Kreiselpumpe, Einströmdüsen, ein oder mehrere Ausströmdüsen, Verbindungsleitungen und Rohre und einer elektrischen Steuerung. Das Wasser wird über die Pumpe aus dem Becken über ein oder mehrere Ansaugöffnungen angesaugt und über Düsen mit erhöhter Geschwindigkeit in das Becken wieder ausgestoßen.
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Derartige Pumpensysteme arbeiten mit Drücken größer 5 bar und benötigen installierte elektrische Leistungen von 1,9 kW bis über 5,5 kW. Die Pumpen werden über herkömmliche Asynchronmotoren angetrieben. Die Pumpenleistung wird teilweise über statische Frequenzumrichter geregelt. Systembedingt unterliegen die Leitungsdichtungen und die Wellenabdichtung ständigem Verschleiß und erfordern mindestens eine jährliche Wartung.
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Ausgehend vom oben dargelegten Stand der Technik, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Leistungsaufnahme eines Strömungsaggregats bei gleichbleibender Leistungsabgabe zu mindern und die Konstruktion des Strömungsaggregats unkompliziert und kostengünstig zu gestalten bei gleichzeitigem Wartungs- und Verschleissminimum.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Erzeugung einer starken einstellbaren Strömung in einem flüssigen Medium einer Gegenstromschwimmanlage mit einem Unterwasserantrieb im Eintrittsbereich eines Strömungskanals mit einer Eintritts- und Austrittsöffnung angeordnet, wobei der Antrieb einen Gleichstrommotor aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse des Unterwasserantriebs nahezu zur Hälfte im Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Strömungskanal in diesem Bereich ein Durchmesserverhältnis (D/d) der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung nicht kleiner als 1,7 aufweist und der Unterwasserantrieb ein Längen- zum Durchmesserverhältnis zwischen 2 und 4 aufweist.
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Dabei ist es vorteilhaft, dass der Durchmesser (d1) des runden Antriebs (2) klein gegenüber der Länge (L) des Antriebs ausgebildet ist, wobei das Verhältnis der Länge (L) zum Durchmesser (d1) nicht kleiner als 2,7 sein sollte.
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Der Strömungskanal weist dabei eine strömungsoptimierte Geometrie auf. Der besonders strömungsfreundliche Antrieb mit einem fast wartungsfreien Gleichstrommotor, dessen Gehäuse nahezu zur Hälfte im Strömungskanal und nahezu zur Hälfte außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, trägt maßgeblich zur widerstandsarmen laminaren Strömung innerhalb des Strömungskanals bei.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt liegt darin, dass der Unterwasserantrieb für eine Vorrichtung einer Gegenstromschwimmanlage dadurch gekennzeichnet ist, dass der Unterwasserantrieb einen Gleichstrommotor aufweist, wobei eine Welle eines Rotors zwischen zwei Lagern von Lagerhülsen aus Keramikmaterial aufgenommen ist, und sich während des Laufens des Rotors zwischen Lagerhülsen und Lager ein Wasserfilm bildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer starken einstellbaren Strömung in einem flüssigen Medium einer Gegenstromschwimmanlage arbeitet mit einer oben beschriebenen Vorrichtung mit einem speziellen Antrieb, der einen bürstenlosen und wartungsarmen Gleichstrommotor verwendet.
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Bei diesem Verfahren ist es vorteilhaft, dass der besonders strömungsfreundliche Antrieb unter Wasser im Eintrittsbereich des Strömungskanals so angeordnet wird, dass mindestens ein Ende des Antriebs außerhalb des Strömungskanals liegt und die äußere Form des Gehäuses des Antriebs besonders strömungsfreundlich mit einem schlanken, wartungsfreundlichen Antrieb ausgebildet wird.
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Dabei ist es vorteilhaft, dass das Durchmesserverhältnis D/d der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung des Strömungskanals nicht kleiner als 1,7 ist z. B. dass der Durchmesser (d) der Austrittsöffnung zwischen 100 mm und 200 mm, vorzugsweise bei 144 mm liegt und der Durchmesser (D) der Eintrittsöffnung zwischen 200 mm und 300 mm, vorzugsweise bei 250 mm liegt.
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Vorteilhaft ist es auch, dass ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Propeller in einem kompakten Gehäuse mit strömungsoptimierter Geometrie zusammengeführt wird.
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Ein wesentlicher Vorteil wird darin gesehen, dass infolge einer besonderen Konstruktion des Motors keine Wellendichtungen benötigt werden, weil das Innere des Motors mit einem flüssigen Medium, z. B. Wasser, aufgefüllt wird, was die Reibung in den Lagern minimiert.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass der Durchmesser (d1) des runden Antriebs möglichst klein gegenüber der Länge (L) des Antriebs ausgebildet ist, z. B. ist, so dass das Verhältnis von Länge zum Durchmesser zwischen 2 bis 4, vorzugsweise bei 3,1 liegt, wobei der Durchmesser (d1) des runden Antriebs zwischen 45 mm und 85 mm, vorzugsweise bei 71 mm liegt und die Länge (L) des runden Antriebs zwischen 100 mm und 300 mm, vorzugsweise bei 217 mm liegt.
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Vorteilhaft ist es auch, dass der Antrieb als bürstenloser Gleichstrommotor und mit einem verschleissfreien Dichtungssystem ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist es außerdem, dass im Strömungskanal mindestens ein Richtelement angeordnet ist, das eine Verwirbelung der Flüssigkeitsströmung weitgehend verhindert.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass das Gehäuse des Antriebs strömungsfreundliche Elemente aufweist, z. B. vorzugsweise an mindestens einer Stirnseite in Richtung der Strömung (S) des flüssigen Mediums.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Rotor des elektrischen Antriebs mindestens zwei permanent magnetische Elemente aufweist, die ein starkes permanentes Magnetfeld (H) erzeugen, z. B. Magnetelemente aus seltenen Erden.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass mindestens ein Bestandteil der Lagerung der Welle des Rotors aus Keramikmaterial gefertigt ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die magnetischen Elemente und der Stator des elektrischen Antriebs in einer Vergussmasse eingebettet sind.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, dass das magnetische Feld des Stators aufgrund einer elektronischen Steuerung erzeugt wird und stufenlos regelbar ist.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften und Merkmale sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
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Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail näher beschrieben. Es zeigt
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1 eine schematische Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) für eine Gegenstromschwimmanlage mit seinen wesentlichen baulichen Komponenten;
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2 einen vereinfachten Querschnitt der Vorrichtung (1) mit dem Antrieb (2) im Strömungskanal (3);
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Die 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit einem Antrieb 2 in einer Vorrichtung 1 für eine Gegenstrom-Schwimmanlage in einem hier nicht gezeigten Schwimmbecken. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Antrieb 2, der als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist und weiter unter näher beschrieben wird. An der Welle 6 ist ein Propeller 7, ähnlich einer Schiffsschraube, befestigt, der die Strömung (S), s. 2 im Strömungskanal 3 erzeugt. In Strömungsrichtung hinter dem Propeller 7 ist mindestens ein Richtelement 9 angeordnet, das zur Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung sorgt. Die Strömungsgeschwindigkeit der laminaren Strömung richtet sich primär nach der Drehzahl des Antriebs 2, bzw. des Gleichstrommotors 8 (2). Die Drehzahl wird mit einem Steuergerät 16 für sensorlose elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren verstellt. Die Signale zur Drehzahlverstellung werden mittels Funksender 12 drahtlos an eine Empfängereinrichtung 13 übermittelt. Der Drehzahlregler 11 setzt die empfangenen Signale in einen Drehzahlsollwert für das Steuergerät 16 um. Über ein Funksignal wird das Relais 15 betätigt und die Leistungselektronik zur Energieeinsparung im Ruhezustand abgeschaltet. Der Ein-Schalter 14 wird manuell betätigt und schaltet die Anlage für einen längeren Stillstand stromlos. Zwischen dem Schaltrelais 15 und dem eigentlichen Steuergerät 16 für den bürstenlosen Gleichstrommotor ist ein Sicherheitsnetzgerät 17 angeordnet, das im Wesentlichen die Netzeingangspannung in eine sichere, den Vorschriften entsprechende Gleichspannung von 24 Volt wandelt.
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Die 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 im Querschnitt. Das Gehäuse, das den Strömungskanal 3 bildet, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Montagegründen zweiteilig ausgeführt, wobei das eine Teil 18 zylinderförmig und das andere Teil 19 trichterförmig ausgebildet ist. Die beiden Teile 18, 19 werden mittels eines kreisringförmigen Zylinders 20 miteinander lösbar mit Schrauben 21 verbunden. Der Antrieb 2 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der besonders schlank ausgebildet ist und das Längen- zum Durchmesserverhältnis zwischen 1,3 und 4, vorzugsweise bei 3,1 liegt. Dabei ist der Antrieb 2 etwa zur Hälfte innerhalb des Eintrittsbereichs des Strömungskanals 3 und etwa zur Hälfte vor dem Eintritt im Strömungskanal 3 angeordnet. Die Stromversorgung des Gleichstrommotors 8 erfolgt über einen wasserdichten Einführungsstutzen 22 durch ein Kabel 23 mit einer geeigneten Isolation. Auf der Welle 6 ist der Propeller 7 so angeordnet, dass er im unmittelbaren Anfangsbereich des zylindrischen Teils 18 des Strömungskanals 3 in Strömungsrichtung (S) vor einem Richtelement 9 sitzt. Das Richtelement 9 weist in der Mitte ein zylinderförmiges Kernstück 25 auf, vom dem aus sich sternförmig, im Wesentlichen ebene Leitbleche 26 bis an die Innenseite des Strömungskanals 3 erstrecken. Die Leitbleche 26 erstrecken sich in ihrer Länge über etwa ein Drittel des gesamten zylinderförmigen Abschnitts 18 des Strömungskanals 3. Aus strömungstechnischen Gründen sind die Leitbleche 26 strömungseintrittsseitig leicht in einem Winkel von ca. 5° in eine Richtung abgewinkelt, wobei sich die leichte Abwinkelung über das gesamte Leitblech 26 erstreckt und somit die laminare Strömung beeinflusst. An der Stirnseite des Flansches 27 kann z. B. ein strömungsfreundliches Leitelement, hier nicht gezeigt, angeordnet sein, das den Strömungswiderstand zur Strömung (S) verringert.
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Der spezielle Gleichstrommotor 8 wird an seinen Stirnseiten von zwei Flanschen 27, 27' begrenzt, die die Welle 6 jeweils in einem Lager 28, 28' aufnehmen. Die Lagerbohrungen sind ausgekleidet mit jeweils einer Lagerhülse 28'' aus einem Keramikmaterial, auf dem die Wellenenden mit einem Luftspalt von wenigen 100-stel gelagert sind, so dass sich die Edelstahlwelle 6 im Stillstand des Gleichstrommotors 8 auf den Keramikhülsen 28'' abstützt und während des Laufens des Rotors 29 sich zwischen Hülse 28'' und Welle 6 ein Wasserfilm bildet, der die Reibung zwischen beiden minimiert.
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Das Wasser gelangt über mindestens eine Durchführung 30, 30' im Flansch 27, 27' in das Innere des Motors 8, wodurch der gesamte Innenraum des Gleichstrommotors 8 mit Wasser aufgefüllt ist und das Wasser eine leichte Zirkulation erfährt. Der Stator des Gleichstrommotors 8 besteht aus einer Wicklung 31 und einem magnetisierbaren Eisenkern 32. Der Eisenkern ist zur Bohrung mit einer dünnwandigen Hülse 24 aus Carbon oder Stahl abgeschlossen. Die Wicklung 31 und der Eisenkern 32 sind miteinander mit einer Vergussmasse wasserdicht vergossen. Der Rotor 29 weist mindestens einen permanentmagnetischen Süd- und Nordpol 33, 33' auf. Der Rotor ist auch mit einer dünnwandigen Hülse 24' aus Carbon oder Stahl umhüllt. Dadurch werden die entstehenden Fliehkräfte aufgefangen und die Magnete gegen Korrosion geschützt. Rotormagnete und die Hülse sind mit der gleichen Vergussmasse wie beim Stator vergossen. Die Permanentmagnete bestehen aus einem Material, das zumindest einen Teil seltener Erden wegen ihres hohen Magnetfeldes aufweist. Die Permanentmagnete 33, 33' werden von einem rotationssymmetrischen Träger 34 aufgenommen, der auf der Welle 6 angeordnet ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung liegt somit eine Vorrichtung 1 für eine Gegenstrom-Schwimmanlage für private Schwimmbäder vor, bei der ein hoch effizienter Antriebsmotor 8 mit verschleißfreiem Dichtungssystem und einem Propeller 7, ähnlich einer Schiffsschraube, zur Erzeugung der Wasserströmung, sowie Ein- und Ausströmdüsen zu einer Einheit zusammengeführt sind.
