DE10137623A1

DE10137623A1 - Bewegungssystem für einen Körper im gasförmigen und flüssigen Medium durch flexieble Flächen

Info

Publication number: DE10137623A1
Application number: DE10137623A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schindler
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHINDLER, CHRISTOPH, 71083 HERRENBERG, DE
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: DE10137623B4

Abstract

Bewegungssystem für eine Fläche im gasförmigen und flüssigen Medium. Durch gezielte Ansteuerung der Fläche kann durch dreidimensionale sphärische Verformung Vortrieb, Auftrieb und Richtungssteuerung verursacht werden.

Description

Stand der Technik

Seit vielen Jahren beschäftigt sich die Wissenschaft und Technik mit der Fortbewegung im gasförmigen und flüssigen Medium. Das sich seit Jahren bewährtes Antriebssystem mit Hilfe einer Rotationsbewegung einen Propeller in Bewegung zu setzen ist schon lange bekannt, aber weist einen nicht so effizienten Wirkungsgrat auf. Sich die Bionik zu Rate zu ziehen haben mehrere Schutzanmeldungen zugrunde liegen. In der Natur ist kein Lebewesen zu sehen, welches sich mit einem Propeller fortbewegt. Die Evolution hat immer das erfolgreichere Prinzip beibehalten. Vögel und Fische bewegen sich mit Hilfe von flexiblen Flächen, Flügeln oder Flossen voran.
Zu diesen Überlegungen gibt es folgende Anmeldungen.
Die Anmeldung 30 33 408 beschreibt ein Wasser- bzw. Luftfahrzeug mit einem sich in Fortbewegungsrichtung wellenförmig bewegenden flächigen Gliederband aus quer zur Fortbewegungsrichtung gelenkig aneinander anschließenden, in sich steifen Triebflächenstreifen, wobei die Wellenform eine entlang der Fortbewegungsrichtung zunehmende Wellenlänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß etwa eine halbe Wellenlänge hinter der Vorderkante des Gliederbandes beiderseits seitlich des Gliederbandes zusätzlich Triebflächenseitenstreifen angeordnet sind, die sich gemeinsam mit den zwischen ihnen befindlichen Triebflächenstreifen bewegen.
Bei der Anmeldung 30 33 408 ist keine Richtungsansteuerung möglich und wie auch bei folgenden Schutzanmeldungen mit dem Schlagflügelprinzip ist die Bewegung der Fläche immer eine Folgebewegung einer Impulsbewegung in einer oder in zwei Ebenen. Auf und Abschlagsebene und Schrägstellung des auf und abschlagenden Flügels.
Anmeldungen mit Schlagflügen mit Schrägstellung der gleichen: 35 37 365
Weitere relevante Schutzschriften DE 32 10 206 und 2 35 410 und 33 32 405 und DE 32 10 206 und OS 38 06 138 und 36 08 991 . . .
Vorteil: Die Fortbewegung ist sehr geräuscharm, man hat die Hände frei.
Der Energieverbrauch ist niedriger als bei herkömmlichen Antrieben. Der Antrieb ist sehr umweltfreundlich wegen der schadstofflosen Energie (Luft/Strom).

Beschreibung

im Gegensatz zu den bestehenden Anmeldungen wird eine flexible Fläche detaillierter angesteuert und kann sich dreidimensional verformen und somit beispielsweise eine kreisende Schlagbewegung umsetzen welche der Rochen nutzt um sich fortzubewegen.
Ein weiterer Vorteil zu den bestehenden Anmeldungen ist, daß die sich dreidimensional verformbare Fläche zur Fortbewegung in allen drei Dimensionen dient, sie ermöglicht Vortrieb, Auftrieb und Richtungsbestimmung. Die detailliertere Ansteuerung dieser Fläche erhöht somit den Wirkungsgrat des Antriebes indem Turbulenzen durch die Verformung der Fläche abgebaut werden können und sich die Fläche immer den gegebenen Manövrierarten anpassen kann; (wie es die Natur auch macht.)
Die Erfindung ist ein Antriebssystem im Wasser oder in der Luft.
Eine horizontal oder vertikal angeordnete Fläche, welche in der Symmetrieachse der Fläche in Vortriebsrichtung gesehen, einen Körper angeordnet hat, welcher die Energieeinheit und Steuereinheit beinhaltet, woran oder worin sich Menschen oder Transportgüter befinden können.
Es handelt sich um eine in allen Richtungen flexible Fläche, Flügel, Flosse aus einem dafür geeigneten Material, (z. B. Kunststoffe, Silikone, Metalle, Gewebe, Technogel, Verbundwerkstoffe oder Ähnliches) welche durch eine Bewegungsansteuerung dem zu bewegenden Körper Vortrieb, Auftrieb und Richtungsbestimmung ermöglichen. Das Bewegungsmuster wird dem eines sich durch eine dreidimensional krümmende Fläche; Flügel; Flosse fortbewegenden wirbel- oder wirbellosen Lebewesen wie Vögel, Insekten, Fische, Säugetiere, oder vorzugsweise Knorpeltieren wie z. B. dem Rochen, Manta oder Artverwandten durch Computertechnologie und Regelungstechnik mit Hilfe eines Bewegungssystems an und oder in der Fläche; Flügel; Flosse umgesetzt.
Die Bewegungsansteuerung ist so ausgebildet, daß die Fläche durch Ansteuerung von mehreren Punkten, Teilflächen oder Volumina in allen Dimensionen sphärisch verformbar ist.
Bei der Lösung mit der Ansteuerung des Bewegungssystems an der Fläche wird die Fläche bzw. das Flächenpaar mit einer Auf- und Ab- Bewegung an mehreren Punkten angesteuert, wobei die Fläche den Vortrieb und Auftrieb aus der Folgebewegung des Auf- und Ab-Schlags verursacht, welche auf Grund von Auswahl und Anordnung spezieller Materialien beruht. Getrennte Ansteuerung der Flügelpaare verursacht die Richtungsänderung.
Das Bewegungssystem in der Fläche ist so ausgebildet, daß sich die Oberseite der Fläche wie auch die Unterseite der Fläche abhängig wie auch unabhängig voneinander dreidimensional verformt wird, was mit Hilfe von Kontraktion und Expansion von Volumina oder elektrischer Impulse, welche einen bestimmten Kunststoff oder einen bestimmtes Metall verformen, bewerkstelligt wird. Es werden Teilflächen der Ober- bzw. Unterseite im Inneren der Fläche; oder durch Ansteuerung von Punkten der Ober- bzw. Unterseite im Inneren der Fläche durch elektrische Impulse oder durch Kontraktion und Expansion von Volumina in Tetraeder-, Zylinder-, Kugel-, Quader- oder Freiform die Fläche dreidimensional sphärisch verformt.
Das Medium in dem kontraktierende oder expandierende Volumen kann gasförmig oder flüssig sein. Die Energiequelle kann ein Druckbehälter, Kompressor, Batterie, elektrischer Strom, Wasserstoff oder ähnliche Gase sein.
Die Verformung der Fläche wird dadurch vollzogen, indem sich im Schnitt durch die Fläche die Oberseite bzw. Unterseite nach innen gewölbt/concave durch Kontraktion und die jeweilig gegenüberliegende Unterseite bzw. Oberseite nach außen gewölbt/convexe durch Expansion verformt. Die Anordnung der Ansteuerung der Fläche ist in Längs- und Quer- und senkrechter Richtung so angeordnet, damit die Fläche im harmonischen, reibungsfreien, hydro-aerodynamischen Übergang dreidimensional sphärisch verformt werden kann und mindestens eine Sinus-Welle in Längsachse und mindestens zwei Sinus ähnliche Wellen in Querachse umgesetzt werden kann.
Die Unterteilungen der kontaktierenden und expandierenden Volumina bzw. Segmentvolumina sind so gewählt, daß die flexible Fläche eine harmonische, reibungsfreien, hydro-aerodynamischen Sinus ähnliche Welle in Längs- und Querachse erzeugt.
Die Volumina sind vorzugsweise in Tetraederform ausgebildet oder deren Kantenanordnung entspricht der Anordnung der Segmentvolumina welche in zylinderförmigen Kolben umgesetzt werden können. Die Tetraeder-Geometrie ist folgendermaßen angeordnet: Es befinden sich jeweils eine Fläche des Tetraeders an der inneren Unterseite und eines weiteren Tetraeders eine Fläche an der inneren Oberseite der Fläche wobei sich die Spitzen des jeweils gegenüberliegenden Tetraeders berühren.
Die Tetraeder sind so angeordnet, daß die Zwischenräume von weiteren Tetraedern volumenfüllend angeordnet werden können, wobei die Tetraeder nicht flächengleich ausgebildet sein müssen.
Die Anordnung der Kanten der Tetraeder ist auch die Anordnung der zylinderförmigen Kolben, es können auch nur die Kanten der Tetraeder, die auf der über und Unterseite der Fläche sind als zylinderförmige Kolben ausgebildet sind, wobei die über und Unterseite des Flügels auf Abstand gehalten werden.
Es können aber auch nur die Kanten, welche nicht auf der Ober- und Unterseite des Flügels sind als zylinderförmige Kolben ausgebildet sein.
Jedes einzelne Volumen an und oder in der Fläche kann von einer Steuereinheit getrennt voneinander aber harmonisch zueinander angesteuert werden, um auch eine Richtungsänderung zu erzielen.
Die Volumina können auch als Piezokristalle ausgebildet sein, welche sich durch elektrischen Impulsfrequenz kontaktieren und expandieren.
Die Fläche selbst kann auch aus speziellen Kunststoffen bestehen, welche sich auf bestimmte elektrische Frequenzimpulse verformen kann.
Die Oberfläche der Fläche kann mit einer bestimmten dreidimensionalen Struktur versehen werden und oder die Außenhäute sind doppelwandig und auf einer der Innenseite dreidimensional strukturiert und mit einer zähflüssigen Flüssigkeit gefüllt, welche die Hydro- bzw. Aerodynamik erhöht indem sich Turbulenzen abbauen oder erst gar nicht oder im geringeren Maße entstehen.
Vorzugsweise ist das Bewegungssystem für eine Person gedacht. Es befindet sich eine große Fläche bzw. Flächenpaar auf dem Rücken der Person. Die Energie ist vorzugsweise Druckluft, welche ein Taucher immer mit sich hat. Diese Druckluft expandiert und kontrahiert bestimmte Volumina in oder an der Fläche von der Mitte aus gesehen, welche die Fläche dreidimensional sphärisch verformt um Vortrieb, Auftrieb und Richtungsänderung zu verursachen. Bezugsblatt 1 Vortriebsrichtung
2 Gesamtfläche/Gesamtkörper
3 Körper
4 Flächen-/Flügelhälfte
5 Flächen-/Flügelhälfte
6 Oberseite/-fläche des Flügels
7 Unterseite/fläche des Flügels
8 Quaderformvolumina im Flügel
8a Expandierte Quadervolumina
8b Kontrahierte Quadervolumina
9 Tetraedervolumina im Flügel
9a expandiertes Tetraedervolumina
9b kontrahiertes Tetraedervolumina
10 Freiformvolumina im Flügel
11 Expandierter Druckluftzylinder für Auf- und Abschlag des Flügels
12 Kontrahierter Druckluftzylinder für Auf- und Abschlag des Flügels
13 Gelenkstange für Auf- und Abschlag des Flügels
14 Flügel drehbar gelagert
15 Richtung der Flexibilitätszunahme/Querschnittsabnahme
16 Flügelarme aus flexiblem Material (Faserverbundwerkstoffe) mit Kunststoff- Metalleinsätzen für Eigenspannung
17 Zwischenräume mit verschieden ausgehärtetem Silikon oder elastischen Kunststoffen
18 Druckluftflaschen/Batterien für Antriebsenergie und Atemluft für Taucher
19 Verteiler der Druckluft zum Muskelpaar (Druckimpulse) für Auf- und Abschlag und Atemluft für Taucher
20 Taucher
21 Atemmaske
22 Beinschlaufe
23 Hüftgurt
24 Brustgurt
25 Vortriebs- Antriebsregler
26 Maske
27 Druckzylinder für die Schrägstellung des Flügels.

Bezugsblatt Figuren

Fig. 1 Draufsicht des Antriebssystems
Fig. 2 Seitenansicht des Antriebssystems
Fig. 3 Vorderansicht des Antriebssystems
Fig. 4a Vorderansicht des Antriebssystems Flügel in Bewegung Sinuswelle in Längs- und Querachse (sphärisch verformt)
Fig. 4b Seitenansicht des Antriebssystems Flügel in Bewegung Sinuswelle in Längs- und Querachse (sphärisch verformt)
Fig. 5a, b, c Schnitt durch den Flügel verschiedenen Volumina
Fig. 6 Schnitt durch den Flügel mit Sinuswelle aus Quadervolumina
Fig. 7 Schnitt durch den Flügel mit Sinuswelle aus Tetraedervolumina
Fig. 8 Dreidimensionale Anordnung der Tetraeder
Fig. 9 Ansteuerungsfunktion mit einem Druckzylinderpaar an der Flügelfläche mit Folgebewegung in der Fläche durch Auf- und Abschlag.
Fig. 10 Draufsicht der Ansteuerungsfunktion mit graphischer Darstellung der Flexibilitätseigenschaft des Flügelmaterials.
Fig. 11 Variante der Ansteuerung der Fläche durch mehrere Druckzylinder und Flügelarme
Fig. 12 Draufsicht der Flügelarchitektur mit Antrieb durch fluidic muscle MAS Druckluftzylinder (Festo)
Fig. 13 Perspektivische Ansicht von Fig. 12
Fig. 14 Ansichtsbilder des Antriebssystems als Rückenteil an einem Taucher.
Fig. 15 Bewegungsabfolge eines kreisenden Schlagflügels (Rochen)
Fig. 16 Antriebssystem mit Druckzylindern für Auf- und Abschlag mit angesteuerter Schrägstellung des Flügelarmes durch weitere Druckzylinder.

Claims

1. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar, welche durch dreidimensionale sphärische Verformung Vortrieb, Auftrieb wie auch Richtungsänderung im gasförmigen oder flüssigen Medium erzeugen kann, welche horizontal oder vertikal zu dem sich in der Symmetrieachse der Fläche in Vortriebsrichtung gesehen liegenden Körper angeordnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens eine Sinus ähnliche Welle von Anfang bis Ende der Symmetrieachse bzw. Längsachse und Querachse der Fläche durch die Ansteuerung des Bewegungssystems ergibt.

2. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungssystem durch mehrere Punk- oder Teilflächen Ansteuerung an und oder in der Fläche jene dreidimensional sphärisch verformt.

3. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Bewegungssystem im Inneren der Fläche zwischen Oberseite und Unterseite der flexiblen Fläche befindet und jeweils die Teilflächen der Ober- und Unterseite konkave bzw. konvexe zueinander durch Kontraktion und Expansion von Volumina dreidimensional sphärisch verformen, wobei die Unterteilungen der kontrahierenden und expandierenden Volumina bzw. Volumensegmente so gewählt, daß die flexible Fläche eine reibungsfreie, aero-, hydro-dynamisch Sinus ähnliche Welle in Längs- und halber Querachse erzeugt wird.

4. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich dis Anordnung der Volumina in Tetraeder- Geometrie ausgebildet sind wobei sich jeweils eine Fläche eines Tetraeders an der inneren Unterseite und eines weiteren Tetraeders eine Fläche an der inneren Oberseite der Fläche befinden, wobei sich die Spitzen der jeweils gegenüberliegenden Tetraeder berühren, wobei die Tetraeder so angeordnet sind, daß die Zwischenräume von weiteren Tetraedern volumenfüllend angeordnet werden, wobei die Tetraeder nicht flächengleich ausgebildet sein müssen oder die Kantenanordnung der Tetraeder-Geometrie entspricht der Anordnung von Volumina in zylindrischer Form.

5. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einzelne Volumen separat von einer Steuereinheit aus angesteuert werden kann, um ein Bewegungsmuster eines Lebewesens durch die Kontraktion und Expansion der Volumina mit Hilfe von Gasen oder Flüssigkeiten in eine harmonische dreidimensionale Bewegung der Fläche umzusetzen.

6. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina auch als Piezo-Kristalle ausgebildet sind welche sich durch elektrische Impulse dreidimensional verformen.

7. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Fläche mit einer bestimmten dreidimensionalen Struktur versehen ist und oder die Außenhäute sind doppelwandig und auf einer der Innenseite dreidimensional strukturiert und mit einer zähflüssigen Flüssigkeit gefüllt.

8. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ein kreisend schlagendes Bewegungsmuster beispielsweise des Stingrays umgesetzt wird.

9. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung durch eine Druckflasche oder einem Kompressor oder Ähnlichen ausgebildet sein kann.

10. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fläche auf dem Rücken eines Mensches befindet, welche in der Symmetrieachse im mittleren Teil einen Körper aufweist, welcher mit Energieversorgung und Steuereinheit bestückt ist, wobei der Körper am Menschen mit Tragegurte an den Schultern und durch Leistengurte am Oberschenkel fixiert wird.

11. Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Materialanordnung und Einsatz verschiedener Materialien die Fläche im allgemeinen von vorn nach hinten und von der Mitte nach außen an Flexibilität zu.