DE10137623B4

DE10137623B4 - Bewegungssystem für einen Körper im gasförmigen und flüssigen Medium durch flexieble Flächen

Info

Publication number: DE10137623B4
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: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: DE10137623A1

Abstract

Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar, welche durch dreidimensionale Verformung Vortrieb, Auftrieb wie auch Richtungsänderung im gasförmigen oder flüssigen Medium erzeugt, welche horizontal oder vertikal zu dem sich in der Symmetrieachse der Fläche in Vortriebsrichtung gesehen liegenden Körper angeordnet ist, wobei sich mindestens eine Sinus ähnliche Welle von Anfang bis Ende der Fläche bzw. des Flügelpaars und in halber Querachse zu beiden Seiten des Körpers durch die Ansteuerung des Bewegungssystems ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Bewegungssystem im Inneren der Fläche zwischen Oberseite und Unterseite der flexiblen Fläche bzw. des Flügelpaars befindet und jeweils die Teilflächen der Ober- und Unterseite durch Kontraktion und Expansion von Volumina konkav bzw. konvex zueinander dreidimensional verformen, wobei die Unterteilungen der kontraktierenden und expandierenden Volumina bzw. Volumensegmente so gewählt sind, daß die flexible Fläche eine reibungsfreie, aero-, hydro-dynamisch Sinus ähnliche Welle in Längs- und halber Querachse erzeugt.

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 Wirkungsgrad 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 DE 3033408 A1 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 DE 3033408 A1 ist keine Richtungsansteuerung möglich und wie auch bei folgenden Schützanmeldungen 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 DE 3537365 C2 . Weitere relevante Schutzschriften DE 3210206 A1 und DE 2354010 A1 und DE 3332405 A1 und DE 3210206 A1 und DE 3806138 A1 und DE 3608991 A1 .
Die Anmeldungen US 6250585 B1 beschreibt ein Antriebsmittel im Wasser mittels flexibler Schaufeln oder Flächen. Diese können sich im Winkel neigen, sind aber nicht vom Antriebssystem dreidimensional verformbar, um optimale Leistung zu bieten. Die Anmeldung DE 98999 A beschreibt einen Antrieb eines Schiffes, welches durch eine vom Wasser berührende Fläche eine fortschreitende Wellenbewegung erteilt, um das Schiff voranzutreiben und zu steuern. Die Anmeldung GB 751591 A beschreibt eine Pumpe mit flexiblen Membranen oder Flächen, welche Flüssigkeiten oder Gase befördert, aber keinen Antrieb eines Körpers in jenen darstellt. Die Anmeldungen DE 19916411 A1 und EP 1040999 A2 sind weitgehend inhaltsgleich. Sie beschreiben eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme mit einem dynamischen Hebel, welcher auf Druckeinwirkung impulsumwandelnd reagieren kann.
Die Anmeldungen US 4349169 A und US 5531407 A beschreiben die Ansteuerung einer flexiblen Fläche. Beide Anmeldungen beschreiben kein Antriebsmittel mittels einer flexiblen Fläche, sondern eine Verformung oder Versteifung einer Fläche zur Reduktion von Oberflächenströmungen oder Reibungen.
Beim erfindungsgemäßen Bewegungssystem wird eine flexible Fläche detaillierter angesteuert und kann sich dreidimensional verformen und somit beispielsweise eine kreisende Schlagbewegung umsetzen, welche ein Rochen benutzt um sich fortzubewegen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung 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 Wirkungsgrad des Antriebs indem Turbolenzen durch die Verformung der Fläche abgebaut werden können und sich die Fläche immer den gegebenen Manövrierarten anpassen kann. 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 bzw. Flügelpaar, Flossenpaar aus einem dafür geeigneten Material, (z. B. Kunststoff, Silikon, Metall, Gewebe, Technogel, Verbundwerkstoffe oder Ähnliches) welches durch eine Bewegungsansteuerung dem zu bewegenden Körper Vortrieb, Auftrieb und Richtungsbestimmung ermöglichen. Das Bewegungsmuster wird dem eines sich durch eine dreidimensional krümmende Fläche bzw. Flügelpaar; Flossenpaar 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 bzw. Flügelpaar, Flossenpaar umgesetzt.
Die Bewegungsansteuerung ist so ausgebildet, daß die Fläche durch Ansteuerung von mehreren Punkten, Teilflächen oder Volumina in allen Dimensionen dreidimensional 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 aufgrund von Auswahl und Anordnung spezieller Materialien beruht. Eine 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 ein 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 verformt.
Das Medium in dem kontraktierenden oder expandierenden 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/konkav durch Kontraktion und die jeweilig gegenüberliegende Unterseite bzw. Oberseite nach außen gewölbt/konvex durch Expansion verformt. Die Anordnung der Ansteuerung der Fläche, bzw. des Flügelpaares ist in Längs- und Quer- oder senkrechter Richtung so angeordnet, damit die Fläche im harmonischen, reibungsfreien, hydroaerodynamischen Übergang dreidimensional verformt werden kann und mindestens eine Sinus ähnliche Welle in Längs- und halber Querachse erzeugt. Die Unterteilungen der kontraktierenden und expandierenden Volumen bzw. Segmentvolumen sind so gewählt, daß die flexible Fläche eine harmonische, reibungsfreien, hydro-aerodynamischen Sinus ähnliche Welle in Längs- und halber Querachse erzeugt. Die Volumina sind vorzugsweise in Tetraederform ausgebildet oder deren Kantenanordnung entspricht der Anordnung der Segmentvolumina. Die Anordnung der Volumina in Tetraeder-Geometrie ist so ausgebildet, daß sich jeweils eine Fläche eines Tetraeders an der inneren Unterseite und sich jeweils eine Fläche eines weiteren Tetraeders an der inneren Oberseite der Fläche befinden, sich die Spitzen der jeweils gegenüberliegenden Tetraeder berühren, weitere Tetraeder in den Zwischenräumen volumenfüllend angeordnet sind, wobei die Tetraeder nicht flächengleich ausgebildet sein müssen oder die Kantenanordnung der Tetraeder-Geometrie entspricht der Anordnung von Volumina in zylindrischer Form.
Die Anordnung der Kanten der Tetraeder ist auch die Anordnung der zylinderförmigen Kolben, es können auch nur die Kanten der Tetraeder, die auf der Ober- und Unterseite der Fläche sind als zylinderförmige Kolben ausgebildet sein, wobei die Ober 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 Volumen können auch als Piezo Kristalle ausgebildet sein, welche sich durch elektrische Frequenz-Impulse kontraktieren und expandieren. Die Fläche selbst kann auch aus speziellen Kunststoffen bestehen, welche sich auf bestimmte elektrische Frequenz-Impulse verformen kann.
Die Oberfläche der Fläche bzw. des Flügelpaares 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. Vorzugsweise für einen Taucher. Es befindet sich eine große Fläche bzw. Flächenpaar auf dem Rücken des Tauchers. Die Energie ist vorzugsweise Druckluft, welche ein Taucher immer mit sich hat. Diese Druckluft expandiert und kontraktiert bestimmte Volumina in oder an der Fläche von der Mitte aus gesehen, welche die Fläche dreidimensional verformt um Vortrieb, Auftrieb und Richtungsänderung zu verursachen.
Der Vorteil der Erfindung: Die Fortbewegung ist sehr geräuscharm, bei der Verwendung an einem Taucher hat man die Hände frei. Der Energieverbrauch ist niedriger als bei herkömmlichen Antrieben. Der Antrieb ist sehr umweltfreundlich wegen der schadstofflosen Energie (Luft/Strom).
Figurenliste:
1 Draufsicht des Antriebssystems
2 Seitenansicht des Antriebssystems
3 Vorderansicht des Antriebssystems
4a Vorderansicht des Antriebssystems Flügel bzw. Flügelpaares in Bewegung Sinuswelle in Längs- und Querachse (dreidimensional verformt)
4b Seitenansicht des Antriebssystems Flügel bzw. Flügelpaares in Bewegung Sinuswelle in Längs- und Querachse (dreidimensional verformt)
5abc Schnitt durch den Flügel verschiedenen Volumina
6 Schnitt durch den Flügel mit Sinuswelle aus Quadervolumina
7 Schnitt durch den Flügel mit Sinuswelle aus Tetraedervolumina
8 Dreidimensionale Anordnung der Tetraeder
9 Ansteuerungsfunktion mit einem Druckzylinderpaar an der Flügelfläche mit Folgebewegung in der Fläche durch Auf- und Abschlag.
10 Draufsicht der Ansteuerungsfunktion mit graphischer Darstellung der Flexibilitätseigenschaft des Flügelmaterials.
11 Variante der Ansteuerung der Flügel bzw. Flügelpaares durch mehrere Druckzylinder und Flügelarme
12 Draufsicht der Flügelarchitektur mit Antrieb durch fluidic muscle MAS Druckluftzylinder (Festo)
13 Perspektivische Ansicht von 12
14 Ansichtsbilder des Antriebssystems als Rückenteil an einem Taucher.
15 Bewegungsabfolge eines kreisenden Schlagflügels (Rochen)
16 Antriebssystem mit Druckzylindern für Auf- und Abschlag mit angesteuerter Schrägstellung des Flügelarmes durch weitere Druckzylinder.

1: Vortriebsrichtung
2: Gesamtfläche/Gesamtkörper
3: Körper
4: Flächen-/Flügelhälfte
5: Flächen-/Flügelhälfte
6: Oberseite/-fläche des Flügels bzw. Flügelpaars
7: Unterseite/-fläche des Flügels bzw. Flügelpaars
8: Quaderformvolumina im Flügel bzw. Flügelpaar
8a: Expandierte Quadervolumina
8b: Kontraktierte Quadervolumina
9: Tetraedervolumina im Flügel bzw. Flügelpaar
9a: expandiertes Tetraedervolumina
9b: kontraktiertes Tetraedervolumina
10: Freiformvolumina im Flügel bzw. Flügelpaar
11: Expandierter Druckluftzylinder für Auf- und Abschlag des Flügels bzw. Flügelpaars
12: Kontraktierter Druckluftzylinder für Auf- und Abschlag des Flügels bzw. Flügelpaars
13: Gelenkstange für Auf- und Abschlag des Flügels bzw. Flügelpaar
14: Flügel bzw. Flügelpaar drehbar gelagert
15: Richtung der Flexibilitätszunahme/Querschnittsabnahme
16: Flügelarme aus flexiblem Material (Faserverbundwerkstoffe) mit Kunststoff-Metall-Einsätzen 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 Ab-Schlag und Atemluft für den Taucher.
20: Taucher
21: Atemmaske
22: Beinschlaufe
23: Hüftgurt
24: Brustgurt
25: Vortriebs-Antriebsregler
26: Maske
27: Druckzylinder für die Schrägstellung des Flügels bzw. Flügelpaars.

Claims

Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar, welche durch dreidimensionale Verformung Vortrieb, Auftrieb wie auch Richtungsänderung im gasförmigen oder flüssigen Medium erzeugt, welche horizontal oder vertikal zu dem sich in der Symmetrieachse der Fläche in Vortriebsrichtung gesehen liegenden Körper angeordnet ist, wobei sich mindestens eine Sinus ähnliche Welle von Anfang bis Ende der Fläche bzw. des Flügelpaars und in halber Querachse zu beiden Seiten des Körpers durch die Ansteuerung des Bewegungssystems ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Bewegungssystem im Inneren der Fläche zwischen Oberseite und Unterseite der flexiblen Fläche bzw. des Flügelpaars befindet und jeweils die Teilflächen der Ober- und Unterseite durch Kontraktion und Expansion von Volumina konkav bzw. konvex zueinander dreidimensional verformen, wobei die Unterteilungen der kontraktierenden und expandierenden Volumina bzw. Volumensegmente so gewählt sind, daß die flexible Fläche eine reibungsfreie, aero-, hydro-dynamisch Sinus ähnliche Welle in Längs- und halber Querachse erzeugt.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Volumina in Tetraeder-Geometrie ausgebildet sind, sich jeweils eine Fläche eines Tetraeders an der inneren Unterseite und sich jeweils eine Fläche eines weiteren Tetraeders an der inneren Oberseite der Fläche befinden, sich die Spitzen der jeweils gegenüberliegenden Tetraeder berühren, weitere Tetraeder in den Zwischenräumen volumenfüllend angeordnet sind, wobei die Tetraeder nicht flächengleich ausgebildet sein müssen oder die Kantenanordnung der Tetraeder-Geometrie entspricht der Anordnung von Volumina in zylindrischer Form.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einzelne Volumen separat von einer Steuereinheit aus angesteuert wird, um durch die Kontraktion und Expansion der Volumina mit Hilfe von Gasen oder Flüssigkeiten in eine harmonische dreidimensionale Bewegung der Fläche umzusetzen.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina auch aus Piezo-Kristallen gebildet sind welche sich durch elektrische Impulse dreidimensional verformen.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar, welche durch dreidimensionale Verformung Vortrieb, Auftrieb wie auch Richtungsänderung im gasförmigen oder flüssigen Medium erzeugt, welche horizontal oder vertikal zu dem sich in der Symmetrieachse der Fläche in Vortriebsrichtung gesehen liegenden Körper angeordnet ist, wobei sich mindestens eine Sinus ähnliche Welle von Anfang bis Ende der Fläche bzw. des Flügelpaars und in halber Querachse zu beiden Seiten des Körpers durch die Ansteuerung des Bewegungssystems ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Bewegungssystem außerhalb der Fläche bzw. des Flügelpaars befindet und die Bewegung durch mindestens ein flexibles Verbindungselement vom Körper in die Fläche bzw. das Flügelpaar übertragen wird, so dass sich die Fläche, bzw. das Flügelpaar dreidimensional verformt.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Fläche mit einer bestimmten dreidimensionalen Struktur versehen ist und/oder die Außenhäute doppelwandig und auf einer der Innenseiten dreidimensional strukturiert und mit einer zähflüssigen Flüssigkeit gefüllt sind.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung durch eine Druckflasche oder einem Kompressor und/oder einer elektrischen Energiequelle ausgebildet sein kann.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche dazu ausgelegt ist, sich auf dem Rücken eines Mensches befinden zu lassen, wobei die Fläche in der Symmetrieachse im mittleren Teil einen Körper aufweist, welcher mit Energieversorgung und Steuereinheit bestückt ist, und der Körper am Menschen mit Tragegurten an den Schultern und durch Leistengurte am Oberschenkel fixiert wird.
Bewegungssystem für eine flexible Fläche bzw. Flügelpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche von vorn nach hinten und von der Mitte nach außen durch die Anordnung und den Einsatz verschiedener Materialien an Flexibilität zunimmt.
Verwendung des Bewegungssystems nach einem der Ansprüche 1–9 für einen Taucher.