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Einleitung
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Das Archimedes-Prinzip beschreibt den nach oben gerichteten Auftrieb von Körpern in Flüssigkeiten und Gasen. Voraussetzung für den Auftrieb ist, dass das Auftriebsmedium unter die Bodenfläche des Auftriebkörpers dringen kann. Die nachfolgend beschriebene Erfindung benötigt Flüssigkeit als Auftriebsmedium, in der Regel Wasser.
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In der Patentliteratur ist in
US 22 39 064 A ein „Water Motor”, in
DE 197 34 812 A1 eine „Auftriebsmaschine” und in
DE 42 31 638 A1 ein Wasserrotor beschrieben. Die in ihnen vorgeschlagenen Konstruktionen unterscheiden sich grundlegend von der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, durch einfache Konstruktionen die Auftriebskraft [N] und die Gewichtskraft [N] von Körpern, im Folgenden Schwimmkörper genannt, als Antriebskräfte zu nutzen. Für die Systemsteuerung wird Fremdenergie, möglichst aus erneuerbaren Quellen, benötigt. [N = Newton].
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Lösung durch die Erfindung
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Grundlage der Patentansprüche sind zwei physikalische Erscheinungen (A) und (B).
- (A): Schwimmt ein Schwimmkörper in einem mit Wasser gefüllten Behälter nach oben, so wird der Schwimmkörper durch Anschlag an den Behälterdeckel getaucht gehalten. Wird nun der Schwimmkörper über einen Energiespeicher, in der Figur Federn, mit dem Behälter verbunden, so spannt die Auftriebskraft [N] die Federn entsprechend der gewählten Federkennlinie. Wurde der Schwimmkörper vor einer Drehung des Behälters durch einen Riegel mit dem Behälter verbunden, so bleibt die in den Federn gespeicherte Auftriebskraft [N] bis zum Lösen der Verriegelung erhalten.
- (B): In einem auf einer Waage befindlichen Behälter mit Wasser befindet sich ein Schwimmkörper, der getaucht am Behälter befestigt ist. Das Behältergewicht betrage F1 [N]. Wird der Schwimmkörper vom Behälter gelöst und stattdessen von einem Bezugssystem von außerhalb des Behälters weiterhin getaucht gehalten, so beträgt bei idealer Schwimmlage (ohne Behälterkontakt und Berücksichtigung des Eigengewichts des Schwimmkörpers) das Behältergewicht jetzt F2 [N] = F1 [N] plus Gewicht [N].
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Das Gewicht [N] ist die vom Schwimmkörper verdrängte Flüssigkeit. Auftriebskraft [N] und Gewichtskraft [N] sind dem Betrag nach gleich. Die Gewichtskraft [N] ergibt sich nach dem Prinzip von „actio und reactio” aus der Auftriebskraft [N]. Die gewählte Bewegungsrichtung der erwarteten Nutzenergie ist somit von der Anordnung des Bezugssystems abhängig. Die Gewichtskraft [N] nach Definition (B) kann somit auch die Auftriebskraft [N] nach Definition (A) sein.
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Somit wird vorgeschlagen, die Auftriebskraft [N] zunächst zwischenzuspeichern, in der Figur in Federn, um sie dann in Addition mit der gewählten Bewegungsrichtung, in der Figur die Gewichtskraft [N], über einen Kraftweg als Antriebsenergie zur Verfügung zu stellen. Das ist nach der Figur möglich, wenn der Schwimmkörper durch Verbindung mit einem Bezugssystem ortsfest gehalten wird und der Behälter durch Lösen der Verriegelung zum Schwimmkörper eine Bewegung, verursacht durch die Federkraft und durch die Gewichtskraft [N], vollführen kann.
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Es folgen eine Konstruktion (Figur) und Hinweise für weitere Ausführungen:
Die Konstruktion der Figur ist symmetrisch aufgebaut. Im Behälter (1) befindet sich Wasser und ein (oder mehrere einzelne) Schwimmkörper (5). Der Schwimmkörper (5) kann durch den Riegel (8) mit dem Behälter (1) verbunden werden. Nach dem Hochschwimmen (linke Seite der Figur) hat der Schwimmkörper (5) die beiden Federn (4), die zwischen Schwimmkörper (5) und Behälter (1) befestigt sind, siehe (1.1), (3), (7), gespannt. Wird der Behälterdeckel nicht berührt, so ist die maximale Auftriebskraft [N] in den beiden Federn (4) nach (A) gespeichert. Danach wird der Schwimmkörper (5) über den Riegel (8) mit dem Behälter (1) verbunden, somit im Behälter (1) ortsfest gehalten. Die elastisch und abdichtend nach außerhalb des Behälters (1) geführte Kolbenstange (6) des Schwimmkörpers (5) ragt nun maximal über den Behälter (1) hinaus (linke Seite der Figur).
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Wird auf der rechten Seite der Figur der Schwimmkörper (5) mit dem Bezugssystem (10) durch den eingefügten Riegel (9) verbunden und die Verriegelung (8) gelöst (rechte Seite der Figur), so kann die Gewichtskraft [N] nach (B) wirken. Zusätzlich zieht die Federkraft [N] der in der Figur eingesetzten Zugfedern (4) den Behälter (1) gegen den ortsfest im Bezugssystem (10) gehaltenen Schwimmkörper (5). Es erfolgt damit eine Addition von Auftriebskraft [N], gespeichert in den Federn (4), und Gewichtskraft [N], bis der Behälter (1) auf der rechten Seite der Figur auf den Schwimmkörper (5) aufschlägt. Ein Kraftweg (19), auch Arbeitshub (19) genannt, ergibt sich, weil eine Bewegung des tragenden Balkens (13) um die Drehachse (14) erfolgen kann. Die auftretenden Kräfte sind energetisch direkt (Hydraulik, Hydrospeicher, Pneumatik, Gasspeicher, Hebel, Pumpen, ...) oder indirekt (Seil (16), Rückholfeder (18), Freilauf, Getriebe, Schwungmasse, Elektrogenerator, zusammen (17)), nutzbar (Figur). Bezugssystem (10) und Kolbenstange (6) können alternativ zur Figur auch von oben wirken.
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In der Figur werden die Kräfte über den drehbaren Balken (
13), (
14) durch Verbindung zum Energiewandler (
17) als Nutzenergie (Kraft × Weg) abgenommen, hervorgerufen durch das jeweilige Heben und Senken der Behältergabeln (
11). Die Behältergabeln (
11) werden durch die Führungen (
12) auch in der Bewegung senkrecht positioniert, damit die nach außen wirkenden Auftriebs- und Gewichtskräfte [N] möglichst optimal zur Verfügung stehen. Die Behälter (
1) sind drehbar gelagert und über eine ausziehbare Gelenkwelle (
20) miteinander verbunden. Jede Verbindung zum Energiewandler (
17) wird in der Figur über einen Freilauf geführt, weil die nutzbaren Kräfte dieser Konstruktion einseitig erzeugt werden. Dabei hält die Rückholfeder (
18) das Seil gespannt. Soll die bereitgestellte Kraft je Arbeitshub weiter erhöht werden und als Summe mehrerer Arbeitshübe zur Verfügung stehen, so empfiehlt sich nach
DE 10 2005 047 629 A1 die Installation einer „Nabe mit Achsen-Energiespeicher”.
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Nach dem geschilderten einzelnen Kraftweg (19) muss für eine erneute Kraftwirkung die in der Figur gezeigte Ausgangssituation zunächst wieder erreicht werden. Dieses erfolgt nach Lösen des Kolbens (6) vom Bezugssystem (10) (rechte Seite der Figur) wegen des Gelenkabstandes (15) selbsttätig. Falls erforderlich, ist die waagerechte Rückstellung des Balkens (13) durch die Führungen (12) beeinflussbar. Werden nun die Behälter (1) durch Fremdenergieeinsatz um einen Halbkreis gedreht, so kann auf der linken Seite der Figur erneut der Kolben (6) über den Riegel (9) mit dem Bezugssystem (10) verbunden werden. Durch Lösen des Riegels (8) erfolgt dann wieder ein Kraftweg (19), jetzt auf der linken Seite der Figur. Sind in Erweiterung der Figur mehrere zueinander versetzt angebrachte Behälter vorhanden, so wird bis zur erneuten Verriegelung eines Schwimmkörpers (5) mit dem Bezugssystem (10) eine entsprechend geringere Drehung erforderlich. Die Drehung der Behälter (1), die über die Gelenkwelle (20) miteinander verbunden werden können, kann nach der Figur mit Hilfe eines Solar-Getriebemotors (21) über das Rad (22) vorgenommen werden. Oder Fremdenergie wird zum Verschieben flüssiger oder fester Massen in oder an den Behältern (1) mit dem Ziel eingesetzt, eine Drehung der Behälter (1) für einen erneuten Kraftweg (19) zu erreichen.
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Bei einem Kraftweg verliert der Antrieb über den Kolbenweg (19) potentielle Energie. Der Schwerpunkt des Arbeit leistenden Behälters (1) entfernt sich somit von der Drehachse (25). Damit wird über die Reibungsverluste hinausgehend Fremdenergie zum Drehen der Behälter (1) benötigt, was die Energiebilanz negativ beeinflusst. Es empfiehlt sich deshalb, die Auftriebskraft [N] durch leichte Schwimmkörper (5) zu optimieren, unnötige Berührungen der Schwimmkörper (5) mit dem Behälter (1) zu vermeiden sowie Rollen und elastische Kolbendurchgänge (2) zu installieren.
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Die energetisch nutzbare Kraft der Figur setzt sich aus der konstanten Gewichtskraft [N] und der, wenn Federn als Energiespeicher installiert sind, Federkraft (Federkennlinie), zusammen. Da zu Beginn des Arbeitshubes der Anteil der Federkraft am größten ist, wäre es auch möglich, ein Teil von ihr zur späteren Drehung in der Feder (23) zu speichern und über eine Zahnstangen-Stirnrad-Freilauf-Kombination (24) zu nutzen. So kann bei optimierter Ausführung der Fremdenergieeinsatz minimiert werden. In der Figur wurde diese Lösung nur für den linken Behälter gezeichnet.
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Es kann auch Anwendungen geben, in denen nach einem Arbeitshub (19) der Verlust an potentieller Energie durch teilweises Ablassen des verursachenden Wasservolumens (Nachströmen des Seitenwassers minimieren) kompensiert wird, um dann nach der Drehung um die Drehachse (25), damit die Federn (4) erneut gespannt werden, wieder zugeführt zu werden.
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Oder es werden nach einem Arbeitshub (19) im Bodenbereich des Schwimmkörpers (5) Maßnahmen ergriffen, die den Auftrieb nach [0001] zeitweise vermeiden (Wasser ablassen; Dichte p [kg/m3] durch Luft verändern; Stauraum für das Wasser durch Druck oder Vakuum ermöglichen), damit der Schwimmkörper (5) durch das Eigengewicht plus der Wassersäule über ihm nach unten fällt um erneut, jetzt ohne Drehung der Behälter (1), die Gewichtskraft [N], Auftriebskraft [N] oder Gewichtskraft [N] und Auftriebskraft [N] zu nutzen.
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Um benötigte Fremdenergie bei der Drehung zu minimieren, sollten die Schwerpunktebenen, wie bereits erwähnt, möglichst mit der Drehachse (25) zusammenfallen. Dieses ist für die linke Seite der Figur zu erreichen, während die rechte Seite vor und nach dem Absenken des Behälters (1) auf den Schwimmkörper (5) eine Veränderung der Schwerpunktebene ergibt. Durch eine optimierte Form von Behälter (1) und Schwimmkörper (5) sowie Zwischennutzung der Kraft des nach oben schwimmenden Schwimmkörpers (5) über eine kurzzeitige Massenverschiebung des Wassers in Richtung der Drehachse (25) (zeichnerisch in der Figur nicht ausgeführt) kann Einfluss auf die Höhe des Fremdenergiebedarfs genommen werden. Ein nicht vollständig mit Wasser gefüllter Behälter und viele kleine Schwimmkörper – statt eines großen Schwimmkörpers (5) – können sich bei der Drehung energetisch günstig auswirken. Weiterhin können Behälter (1) und Schwimmkörper (5) andere Formen als in der Figur annehmen
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Die Auswahl der benötigten Bauelemente richtet sich nach der beabsichtigten Anwendung. Erforderliche Steuerungselemente können von mechanischer, elektrischer, magnetischer oder handbetätigter Art sein. Das Bezugssystem (10) kann auch innerhalb eines – dann abgewandelten – Behälters (1) liegen. Selbstauslösende und unter Last leicht zu lösende Riegel (8), (9), sind mit den dafür geeigneten Anschlagpositionen zu installieren. Über die Balkenlänge (13) kann der Kraftweg an (16), (17), (18) beeinflusst werden.
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Eine Rotation im Vollkreis ist nach dem geschilderten Prinzip möglich. Die dann beispielhaft an den Enden eines Drehkreuzes hängenden Behälter, vergleichbar zu Gondeln eines Riesenrades, benötigen in ihrer Aufhängung zur Figur je Behälter sinngemäß eine Drehachse (25), um den Verlust der potentiellen Energie gegenüber einer starren Befestigung minimieren zu können. Das Verbinden und Lösen des Schwimmkörpers vom Behälter beziehungsweise vom Bezugssystem wurde den Kraftweg ergeben. Die Drehung des betrachteten Behälters ist mit Fremdenergie zu unterstützen.
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Die Erfindung „Antriebsenergie mit Auftriebs-Gewichtskraft” kann in kleinen Abmessungen oder als Großtechnologie konstruiert werden. Mögliche Fremdenergiequellen können Solarelektrik, Windkraft, Wasserkraft (Fließgewässer oder Gezeitenströmung), Muskelkraft oder von fossiler Art sein. Das Auftriebsmedium kann als Wärmespeicher genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeitsbehälter mit Behälterdurchgang (2) für die Kolbenstange (6). Nach oben offene Behälter mit drehbarem Rahmen im offenen Behälter als Alternative.
- 1.1
- Draufsicht Behälter (1) und Schwimmkörper (5).
- 2
- Elastischer, abdichtender Behälterdurchgang.
- 3
- Befestigung der Feder (4) am Behälter (1).
- 4
- Feder: Einbau nach Federart (Zugfeder, Druckfeder, Federband, Gasspeicherkissen).
- 5
- Schwimmkörper mit Kolbenstange (6) im Behälter (1). Schwimmkörper im drehbaren Rahmen als Alternative (siehe (1)).
- 6
- Kolbenstange am Schwimmkörper (5).
- 7
- Befestigung der Feder (4) am Schwimmkörper (5).
- 8
- Riegel am Behälter (1).
- 9
- Riegel am Bezugssystem (10).
- 10
- Bezugssystem
- 11
- Behältergabel. Alternative: Nach oben offener Behälter (siehe (1) und (5)).
- 12
- Führung am Bezugssystem.
- 13
- Balken mit Gelenk (14).
- 14
- Bewegungsrichtung von (13).
- 15
- Gelenkabstand zur Rückführung in die Ausgangssituation.
- 16
- Seil
- 17
- Nutzenergiewandler (Stirnrad-Freilauf, Getriebe, Schwungmasse, Generator).
- 18
- Seil-Rückholfeder
- 19
- Kraftweg Arbeitshub
- 20
- Gelenkwelle
- 21
- Solar-Getriebemotor oder Antrieb allgemein.
- 22
- Rad zur Aufnahme der Solarkraft an der Behälterachse (25).
- 23
- Feder
- 24
- Zahnstange, Stirnrad, Freilauf an (25).
- 25
- Behälterachse zur Aufnahme der Fremdenergie für die Drehung der Behälter (1).
