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Die Erfindung betrifft eine Vortriebsvorrichtung, insbesondere Unterwasservortriebsvorrichtung, für Taucher und Schwimmer mit einem oder mehreren Antrieben, die über Elektromotoren verfügen, und Mitteln zur Festlegung der Antriebe an den Beinen oder Armen des Tauchers oder Schwimmers.
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Zur schnelleren und ermüdungsfreien Fortbewegung eines Tauchers unter Wasser sind aus dem Stand der Technik Tauchscooter (engl.: diver propulsion vehicle, DPV) bekannt, die in der Regel eine Torpedoform haben und vom Taucher mit den Händen gehalten werden, so dass der Tauchscooter den Taucher durch das Wasser zieht. Diese haben sich zwar grundsätzlich bewährt, der Taucher ist jedoch in seiner Flexibilität stark eingeschränkt, da er die Arme und Hände nicht mehr frei benutzen kann, beispielsweise um sich mit anderen Tauchern zu verständigen, Luft in die Tarierweste (Jacket) ein- oder auszulassen, eine Taucherlampe zu halten, den Tauchcomputer zu bedienen, zu fotografieren oder unter Wasser befindliche Gegenstände zu greifen. Aus diesem Grund wurden bereits Unterwasservortriebsvorrichtungen vorgeschlagen, die an den Beinen, insbesondere am Ober- oder Unterschenkel des Tauchers angebracht werden, beispielsweise in der
US 6,823,813 B2 oder der
US 8,567,336 B1 .
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Die Antriebe von Tauchscootern oder Unterwasservortriebsvorrichtungen erfordern ein vergleichsweise hohes Drehmoment bei relativ geringen Drehzahlen, was sich aus den hydrodynamischen Anforderungen für den effizienten Betrieb des Propellers ergibt. Bei herkömmlichen Tauchscootern werden daher typischerweise permanent erregte Synchronmotoren verwendet, insbesondere Innenläufermotoren mit Untersetzungsgetriebe. Teilweise sind auch Innenläufermotoren ohne Getriebe bekannt, die jedoch einen größeren Bauraum bei gleichem Drehmoment benötigen.
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Bei diesen Antrieben wird häufig der außen liegende Stator über die äußere Mantelfläche thermisch leitend an die Innenwandung des Gehäuses angebunden. Da das Gehäuse kontinuierlich von Wasser umspült wird und das Gehäuse des Antriebs relativ groß ist, wird eine ausreichende Kühlwirkung erzielt. Der innen liegende Rotor des Elektromotors erfährt eine Kühlung lediglich durch Wärmekonvektion und Strahlung.
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Die Verwendung von Antrieben, die am Ober- oder Unterschenkel des Tauchers festgelegt werden, bringt nun das Problem mit sich, dass die zur Kühlung gegenüber dem umgebenden Wasser zur Verfügung stehende Oberfläche deutlich kleiner ist als bei herkömmlichen Tauchscootern. Entsprechend ist eine effektivere Kühlung erforderlich.
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Eine Möglichkeit für eine effiziente Kühlung, allerdings bei Schiffsantrieben, die u. a. in dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 20 2011 109 894 U1 beschrieben wird, ist ein gefluteter Elektromotor, der kontinuierlich von der umgebenden Flüssigkeit durchströmt wird. Auf diese Weise wird eine sehr gute, auch für sich innerhalb eines kleinen Gehäuses befindende Elektromotoren ausreichende Kühlwirkung erzielt. Problematisch ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass Rotor und Stator gerade beim Tauchen im Meer kontinuierlich hochkorrosivem Salzwasser und Verunreinigungen im Wasser ausgesetzt sind. Entsprechend müssen diese Bauteile beispielsweise mit einer Polyurethanharz-Beschichtung oder einer Schutzummantelung aus Titan, Edelstahl oder glas- oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff versehen werden. Die Verwendung herkömmlicher Wälzlager ist nicht möglich; stattdessen müssen wassergeschmierte Gleitlager eingesetzt werden. Diese weisen jedoch eine höhere Reibung und damit größere Verluste auf.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines ölgefüllten Elektromotors, wie er in der
DE 39 16 253 A1 für Tauchpumpen beschrieben wird, die im Hochtemperaturbereich zum Pumpen von Öl oder Wasser aus Bohrlöchern eingesetzt werden. Bei einem solchen Elektromotor verwendet man im Gegensatz zur zuvor beschriebenen Variante ein wasserdichtes Gehäuse, das komplett mit Öl gefüllt ist. Allerdings führt eine Erwärmung des Öls zu einer Volumenänderung, so dass spezielle Druckausgleichsbehälter vorgesehen werden müssen. Darüber hinaus ist die Reibung aufgrund der kontinuierlichen Rotation der Bauteile innerhalb eines viskosen Fluids relativ hoch. Man kann die Reibung zwar durch besonders glatte Oberflächen und hohe Rotationsymmetrie der Motorkomponenten teilweise auffangen, dies erhöht jedoch wiederum den Aufwand bei der Herstellung der Elektromotorbauteile. Darüber hinaus erzeugt das Gehäuse des Antriebs aufgrund der vollständigen Ölfüllung keinen Auftrieb.
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Ausgehend vom vorgeschriebenen Stand der Technik stellte sich somit die Aufgabe, eine Vortriebsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die sich an den Beinen oder Armen eines Tauchers oder Schwimmers befestigen lässt und eine ausreichende Kühlung bei hoher Leistung des Antriebs aufweist, ohne die zuvor beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik zu zeigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vortriebsvorrichtung für Taucher und Schwimmer mit einem oder mehreren Antrieben, die über Elektromotoren verfügen, und Mitteln zur Festlegung der Antriebe an den Beinen oder Armen des Tauchers oder Schwimmers, wobei die Elektromotoren eine Sumpfkühlung aufweisen, die Elektromotoren in wasserdichten Gehäusen angeordnet sind und jedes wasserdichte Gehäuse nur partiell mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Sumpfkühlung für die Elektromotoren verwendet. Dabei wird ein wasserdichtes Gehäuse, in dem sich der Elektromotor befindet, lediglich bis zu einem gewissen Füllstand mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt. Der Füllstand sollte so gewählt werden, dass bei stillstehendem Motor der Rotor sich ungefähr zur Hälfte im Kühlsumpf befindet, d. h. von Kühlflüssigkeit umgeben ist. Auch die Lagerstellen sollten durch die Kühlflüssigkeit benetzt werden.
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Wenn der Elektromotor und somit der Rotor in Rotation versetzt wird, wird die Kühlflüssigkeit im Inneren des Gehäuses verteilt und umlaufend entlang der Gehäusewand bewegt. Durch die Rotation wird die Kühlflüssigkeit auch gegen den Stator geschleudert, sodass ein feiner Sprühnebel entsteht, der sämtliche Bereiche im Inneren des Gehäuses benetzt und kühlt. Es wird eine hohe Kühlleistung erzielt. Im Vergleich zu einem vollständig mit einem Öl gefüllten Antrieb sind die Reibungsverluste erheblich geringer; darüber hinaus ist ein Druckausgleichsbehälter entbehrlich. Da lediglich eine teilweise Füllung des Gehäuses mit Kühlflüssigkeit vorliegt, ist weiterhin ein relativ großer statischer Auftrieb gegeben. Der Füllstand wird so gewählt, dass eine möglichst effektive Wärmeabfuhr bei möglichst geringen Reibungsverlusten gewährleistet ist. Die Komponenten des Elektromotors sind nicht dem Kontakt mit hochkorrosivem Salzwasser ausgesetzt, wie es bei Elektromotoren der Fall ist, die vom umgebenden Wasser durchströmt werden. Auch ein besonderer Schutz der Komponenten durch entsprechende Ummantelung oder Beschichtung ist entbehrlich. Schließlich kann auch auf die Verwendung von im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern eine höhere Reibung aufweisenden wassergeschmierten Gleitlagern verzichtet werden.
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Im Allgemeinen kann darüber hinaus auf ein Getriebe, bei herkömmlichen Tauchscootern typischerweise ein Untersetzungsgetriebe, verzichtet werden. Da bei einem Motor mit Getriebe unerwünschte Vibrationen auftreten, arbeitet die erfindungsgemäße Vortriebsvorrichtung ohne Getriebe besonders leise.
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Als Kühlmedium sollte bevorzugt eine elektrisch nicht leitende Kühlflüssigkeit verwendet werden. Entsprechend sind zusätzliche Isolierungen der Bauteile des Elektromotors nicht erforderlich. Die Kühlflüssigkeit kann einen Frostschutz und/oder Korrosionsinhibitoren enthalten, um die Haltbarkeit des Elektromotors zu verbessern. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines niedrigviskosen Transformatorenöls mit guten tribologischen Eigenschaften im gesamten relevanten Temperaturbereich zwischen ca. 0 und 60 °C. Durch Verwendung einer niedrigviskosen Kühlflüssigkeit wird darüber hinaus verhindert, dass der Luftspalt zwischen Rotor und Stator „verklebt“. Darüber hinaus sollte die Kühlflüssigkeit ökologisch verträglich (Wassergefährdungsklasse 1 nach deutschem Wasserrecht) sein, um eine Wassergefährdung im Falle einer Leckage auszuschließen.
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Bei der Vortriebsvorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Unterwasservortriebsvorrichtung, die häufig auch als Tauchscooter bezeichnet wird, wobei herkömmliche Tauchscooter in aller Regel eine andere Form aufweisen. Mit der erfindungsgemäßen Unterwasservortriebsvorrichtung kann sich ein Taucher schneller und ermüdungsfreier unter Wasser fortbewegen. Grundsätzlich kann die Vortriebsvorrichtung jedoch auch an der Wasseroberfläche benutzt werden, beispielsweise von Schwimmern und Schnorchlern. Soweit im Rahmen dieser Anmeldung von Tauchern gesprochen wird, gelten die Ausführungen in gleicher Weise für Personen, die sich an der Wasseroberfläche oder zumeist an der Wasseroberfläche bewegen.
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Die Antriebe der Vortriebsvorrichtung weisen typischerweise mindestens einen Propeller auf, der einen Vortrieb in der Bewegungsrichtung des Tauchers oder Schwimmers erzeugt. Die Rotation des Rotors des Elektromotors wird auf den Propeller übertragen. Da in der Regel kein Getriebe zwischen Elektromotor und Propeller vorgesehen ist, kann der Propeller direkt auf der Welle des Elektromotors sitzen. Zusätzlich sorgt der Propeller auch für eine gewisse Wasserumströmung des Gehäuses, was für eine zusätzliche Kühlung und Wärmeabfuhr sorgt. Sinnvoll ist es darüber hinaus, um die Propeller eine Verkleidung oder ein Schutzgitter vorzusehen, insbesondere seitlich des Propellers, um zu verhindern, dass Benutzer mit dem Propeller selbst in Kontakt kommen und sich verletzen. Selbstverständlich sollte die Verkleidung bzw. das Schutzgitter die Vortriebsfunktion des Propellers nicht beeinträchtigen.
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Bevorzugt handelt es sich bei den verwendeten Elektromotoren um Außenläufermotoren. Ein Außenläufer ist besonders gut geeignet, die Kühlflüssigkeit innerhalb des Gehäuses zu verteilen und auf diese Weise für eine effektive Kühlung zu sorgen. Die Kühlflüssigkeit wird durch die Drehung des Rotors umlaufend entlang der Gehäusewand bewegt, was mit einer signifikanten Wärmeabfuhr verbunden ist. Außenläufermotoren erlauben bei gleicher Größe höhere Drehmomente. Entsprechend kann eine hohe Leistungsdichte und damit ein rascher Vortrieb herbeigeführt werden.
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Insbesondere kann erfindungsgemäß auf die zusätzliche Verwendung eines Untersetzungsgetriebes verzichtet werden, wie es zumeist bei Verwendung herkömmlicher Innenläufermotoren in Tauchscootern notwendig ist.
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Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäße Vortriebsvorrichtung ein getrennt von den Antrieben vorliegendes Batteriegehäuse auf, in dem sich Batterien, typischerweise wiederaufladbare Akkumulatoren, befinden. Durch die getrennte Unterbringung der Batterien wird die Größe der Gehäuse für die Antriebe, die unmittelbar an den Armen oder Beinen des Tauchers oder Schwimmers angebracht werden, in akzeptablen Grenzen gehalten. Das Batteriegehäuse kann von Freitauchern beispielsweise auf dem Rücken ähnlich einem Rucksack getragen werden. Im Falle von Gerätetauchern kann das Batteriegehäuse ebenfalls am Rücken, vor, seitlich oder hinter der Taucherflasche (Druckluftflasche) getragen werden. Insbesondere kann das Batteriegehäuse auch an der Taucherflasche angebracht werden. Das Batteriegehäuse weist dafür entsprechende Mittel zur Festlegung am Rücken/an der Taucherflasche auf, beispielsweise einen Adapter.
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Durch Tragen des aufgrund der Masse der Batterien vergleichsweise schweren Batteriegehäuses am Rücken wird an Land das Gewicht besser verteilt und für den Taucher/Schwimmer tragbar gemacht. Im Wasser wird eine bessere Wasserlage erreicht als beispielsweise bei Platzierung der Batterien am Gürtel; der Schwerpunkt wird mehr in die Mitte des Körpers gebracht. Darüber hinaus ist ein am Rücken angebrachtes Batteriegehäuse mit dem Tragen einer Taucherflasche kompatibel.
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Die getrennte Unterbringung der Batterien in einem separaten Batteriegehäuse weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass keine Abdichtung gegenüber dem Kühlflüssigkeit enthaltenden Gehäuse für den Antrieb notwendig ist. Zusätzlich kann das Batteriegehäuse strömungstechnisch optimiert werden, beispielsweise wenn es stromlinienförmig am Rücken eines Tauchers angebracht wird. Insbesondere kann das Batteriegehäuse die Form eines abgeflachten Rohres aufweisen, welches gegenüber einem zylindrischen Rohr enger am Körper anliegt und einen geringeren Strömungswiderstand aufweist.
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Sinnvoll ist es darüber hinaus, auch die für den Betrieb der Vortriebsvorrichtung notwendige Steuerungs- bzw. Leistungselektronik im Batteriegehäuse unterzubringen. Auf diese Weise wird die Gesamtzahl der Gehäuse klein gehalten; zusätzliche Kabel und Zuleitungen zwischen den Gehäusen werden vermieden.
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Zwischen den einzelnen, voneinander räumlich getrennten Bauteilen der Vortriebsvorrichtung muss eine funktionale Verbindung bestehen, die in der Regel über Kabel bzw. Zuleitungen hergestellt wird. Insbesondere muss das Batteriegehäuse, das ggf. auch die Steuerungselektronik enthält, mit den Antrieben in Verbindung stehen, um die Antriebe mit Strom zu versorgen und eine Regelung der Antriebe zu gewährleisten. Sämtliche Kabel und Zuleitungen müssen selbstverständlich für den Betrieb im Wasser geeignet, d. h. insbesondere wasserdicht sein.
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Vorteilhafterweise weist die Vortriebsvorrichtung darüber hinaus eine kabelgebundene oder kabelungebundene Fernbedienung auf. Da der Taucher bzw. Schwimmer die Vortriebsvorrichtung nicht unmittelbar in der Hand hält, sondern der Antrieb zumeist an den Beinen befestigt ist, erleichtert dies die Handhabung deutlich. Insbesondere muss der Taucher/Schwimmer bei Vorliegen einer Fernbedienung zur Regelung des Antriebs nicht an die unter Umständen für ihn nur schwer zugängliche Steuerungselektronik greifen, welche sich zumeist auf dem Rücken befindet. Ebenso erübrigt sich ein Griff zum Antrieb selbst.
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Insbesondere kann die Fernbedienung vom Taucher/Schwimmer in der Hand gehalten werden. Auf diese Weise kann der Taucher/Schwimmer auch bei ausgestreckten Armen schnell und unkompliziert die Geschwindigkeit ändern. Ggf. kann die Fernbedienung auch einen Not-Aus-Schalter, eine Unterwasserleuchte oder anderes sinnvolles Zubehör wie einen Tauchcomputer enthalten. Sinnvoll ist es, die Fernbedienung über ein Kabel mit der Steuerungselektronik zu verbinden, die sich typischerweise im Batteriegehäuse befindet. Selbstverständlich sollten sämtliche Komponenten der Fernbedienung für den Betrieb unter Wasser geeignet, d. h. insbesondere gegen das Eindringen von Wasser abgedichtet sein.
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Die Vortriebsvorrichtung weist insbesondere Antriebe auf, die zur Festlegung an den Oberschenkeln des Tauchers oder Schwimmers geeignet sind und über entsprechende Mittel zur Festlegung verfügen. Da die Beine, anders als die Arme, in aller Regel entgegen der Vortriebsrichtung gestreckt sind, wird durch die Festlegung der Antriebe an den Beinen quasi automatisch ein Vortrieb in die richtige Richtung erzeugt. Die Propeller der Antriebe befinden sich üblicherweise jeweils auf der fußseitigen Seite des Antriebs. Eine Festlegung an den Oberschenkeln hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Verbindung mit dem Batteriegehäuse, die üblicherweise über Kabel erfolgt, problemlos möglich ist. Wenn beispielsweise die Antriebe am Oberschenkel und das Batteriegehäuse am Rücken des Tauchers oder Schwimmers bzw. an der Taucherflasche festgelegt sind, bewegt sich die Länge der Batteriegehäuse und Antrieb verbindenden Kabel in einer akzeptablen Größenordnung. Auch hier gilt selbstverständlich wiederum, dass die verwendeten Bauteile für den Betrieb unter Wasser, insbesondere auch für den Betrieb in korrosivem Salzwasser, geeignet und wasserdicht sein sollten.
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Die Festlegung am Oberschenkel (oder auch an sonstigen Beinpartien oder den Armen) kann über geeignete Riemen erfolgen, die um den Oberschenkel bzw. die Beine/Arme gezurrt werden und leicht lösbar sein sollten, z. B. durch Schnallen. Die Riemen sollten sich problemlos stramm ziehen lassen, möglich ist auch die Verwendung von Klettbändern als um die Beine/Arme geschlungene Riemen. Es ist auch möglich, am Bein/Arm eine Befestigungsplatte oder Halterung anzubringen, an der wiederum der Antrieb befestigt wird. Die Befestigungsplatte/Halterung kann ebenfalls über Riemen o. ä. am Bein/Arm festgelegt werden. Zusätzlich können die Antriebe auch eine Verbindung zu einem Gürtel, zur Tarierweste oder zu anderen Elementen der Vortriebsvorrichtung oder der Taucherausrüstung haben.
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Bevorzugt werden zwei Antriebe eingesetzt, die an den beiden Beinen, insbesondere den beiden Oberschenkeln des Tauchers bzw. Schwimmers festgelegt werden. Es ist jedoch auch möglich, zusätzliche Antriebe vorzusehen, beispielsweise einen weiteren Antrieb auf dem Rücken des Tauchers/Schwimmers oder einen Antrieb, der an der Taucherflasche befestigt ist.
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Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine vom Taucher getragene Unterwasservortriebsvorrichtung in der rückwärtigen Ansicht;
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2 eine vom Taucher getragene Unterwasservortriebsvorrichtung in der Seitenansicht;
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3 einen erfindungsgemäßen Antrieb im Längsschnitt.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Unterwasservortriebsvorrichtung in der rückwärtigen Ansicht gezeigt, wie sie von einem Taucher 1 getragen wird. Seitlich der Oberschenkel sind die Antriebe 2 angebracht, wobei die Mittel 3 zur Festlegung der Antriebe 2 am Oberschenkel um die Oberschenkel geschnürte Riemen mit seitlicher Halterung für den Antrieb 2 umfassen. Im unteren, d. h. fußseitigen Teil des Antriebs 2 ist der Propeller 8 untergebracht.
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Die beiden Antriebe 2 sind jeweils über Kabel 7 mit dem Batteriegehäuse 6 verbunden, welches auf dem Rücken des Tauchers 1 getragen wird. Hierzu dient eine Rückentragevorrichtung 9.
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In 2 ist die Ausführungsform gemäß 1 in der Seitenansicht dargestellt. Man erkennt, dass die Rückentragevorrichtung 9, hier eines Freitauchers 1 ohne Druckluftflasche, nach Art eines Rucksacks ausgestaltet ist.
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In 3 ist der eigentliche Antrieb 2 im Längsschnitt dargestellt. Der Antrieb 2 besteht in einem Elektromotor 4, welcher den Propeller 8 für den Vortrieb antreibt. Der Elektromotor 4 ist in einem wasserdichten Gehäuse 5 untergebracht.
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Bei dem Elektromotor 4 handelt es sich um einen Außenläufermotor, d. h. der Rotor 11 befindet sich außen, während der Stator 10 innerhalb des Rotors 11 untergebracht ist. Der Rotor 11 ist direkt mit dem Propeller 8 verbunden, d. h. auf ein Getriebe wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel verzichtet. Darüber hinaus erkennt man die am Rotor 11 ringförmig angebrachten, radial ausgerichteten Magneten 12.
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Das wasserdichte Gehäuse 5 ist teilweise mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt, die vom Rotor 11 in eine zum Teil umlaufende, turbulente Bewegung versetzt wird und zu einer Benetzung und Kühlung sämtlicher Komponenten des Elektromotors 4 führt, einschließlich des sich selbst nicht bewegenden Stators 10. Auf diese Weise wird auch bei sehr leistungsfähigen Elektromotoren 4 innerhalb eines kleinen Gehäuses 5 eine ausreichende Kühlwirkung herbeigeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6823813 B2 [0002]
- US 8567336 B1 [0002]
- DE 202011109894 U1 [0006]
- DE 3916253 A1 [0007]
