DE102010005678A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer Nutzenergie durch Auftriebs-Gewichtskraft - Google Patents

Abstract

Auftriebskräfte [N] und Gewichtskräfte [N] von Schwimmkörpern (5) in Flüssigkeiten (Wasser) sollen als Antriebskräfte genutzt werden. Dazu werden Schwimmkörper (5) in einem oder mehreren Behältern (1) untergebracht. Zur Nutzung der Auftriebskraft [N] sind die Schwimmkörper (5) mit Energiespeicher, hier Federn (4), verbunden. Zusätzlich werden die Schwimmkörper (5) zeitweise statt mit dem Behälter (1) mit einem Bezugssystem (10) verbunden. Werden die Behälter (1) nun an einer bewegungsfähigen Konstruktion befestigt, so können die wirkenden Auftriebs- und Gewichtskräfte [N] in Addition über einen Kraftweg wirken und Nutzenergie abgeben. Um eine Wiederholung der Energieabgabe zu ermöglichen, ist das Bewegungssystem in eine erneute Ausgangsposition zu bringen. Für diesen Vorgang kann interne und externe Energie, letztere möglichst aus erneuerbaren Quellen, eingesetzt werden. Große Kräfte werden über einen kurzen Kraftweg zur Verfügung gestellt. Fremdenergiequellen können Muskelkraft, Solarelektrik, Wasserkraft, Gezeitenströmung, Windkraft und andere Energiequellen sein. Als technische Anwendung kann über eine Schwungmasse elektrische Energie bereitgestellt werden, können Hydraulikzylinder oder Druckluftzylinder angetrieben oder sonstige wiederkehrende Bewegungen (Pumpen) ermöglicht werden. Die Vorrichtung kann erneuerbare Energien bündeln oder generell Energie speichern (Kurzzeit- oder Langzeit-Energiespeicher). Industrielle Verlustenergien können durch die Vorrichtung einer Nutzung zugeführt werden.

Description

• Einleitung
• 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. Wasser kann bei Frostgefahr mit Frostschutzmittel versetzt werden.
• 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.
• 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].
• Lösung durch die Erfindung
• 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 aber der Schwimmkörper über einen Energiespeicher, in der Figur Federn, mit dem Behälter verbunden, so spannt die Auftriebskraft [N] die Federn entsprechend der gewählten Federkennlinie (Hook'sches Gesetz). Ein Anschlagen des Schwimmkörpers am Behälterdeckel kann so vermieden werden. 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]: F2 [N] = F1 [N] plus Gewicht [N]. 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” (3. Axiom von Newton) aus der Auftriebskraft [N].
• Somit wird vorgeschlagen, die Auftriebskraft [N] zunächst in Energiespeicher, hier Federn, zwischenzuspeichern, um sie dann in Addition mit der Gewichtskraft [N] über einen Kraftweg als Antriebsenergie zur Verfügung zu stellen. Das ist 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.
• Eine mögliche Konstruktion wird in [0006]–[0015] und der Figur beschrieben:
  Die Konstruktion der Figur ist symmetrisch aufgebaut. Im Behälter (1) befindet sich Wasser und ein (oder mehrere einzelne) Schwimmkörper (5), der strömungsgerecht ausgeführt worden ist. 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) in [0004] 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).
• 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) in [0004] 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 (Arbeit = Energie), 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. Soll nur ein Behälter (1) eingesetzt werden, so ist ein entsprechendes Gegengewicht zu installieren.
• 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”.
• 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.
• 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.
• Die energetisch nutzbare Kraft setzt sich aus der konstanten Gewichtskraft [N] und der, wenn Federn als Energiespeicher installiert sind, abnehmende Federkraft 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 ihr den linken Behälter gezeichnet.
• 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.
• Oder es werden nach einem Arbeitshub (19) im Bodenbereich des Schwimmkörpers (5) Maßnahmen ergriffen, die den Auftrieb nach [0001] zeitweise vermeiden (Wasser ablassen; Dichte ρ [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.
• 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. Nach oben offene Behälter (alternativ zur Behältergabel (11)) erfordern drehbare Rahmen im offenen Behälter (alternativ zum Behälter (1)), in denen sich die Schwimmkörper (5) bewegen können, wenn sie nicht am drehbaren Rahmen arretiert sind.
• 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.
• 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 würde den Kraftweg ergeben. Die Drehung des betrachteten Behälters ist mit Fremdenergie zu unterstützen.
• Die Erfindung 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.
• Bezugszeichenliste

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). Alternativ ist das Drehen des Rahmens im nach oben offenen Behälter vorzusehen.

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2239064 A [0002]
• DE 19734812 A1 [0002]
• DE 4231638 A1 [0002]
• DE 102005047629 A1 [0008]

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Nutzenergie durch Auftriebs- und Gewichtskraft, dadurch gekennzeichnet, dass bei symmetrischem Aufbau mindestens zwei Schwimmkörper (5) in jeweils einem geschlossenen Behälter (1), der drehbar gelagert ist, oder in jeweils einem drehbaren Rahmen eines offenen Behälters, angeordnet sind, die Behälter (1) mit Flüssigkeit gefüllt sind, die Schwimmkörper (5) jeweils über einen Energiespeicher (4) mit dem Behälter (1) oder dem drehbaren Rahmen verbunden sind, die Schwimmkörper (5) nach dem Hochschwimmen am Behälter (1) oder am drehbaren Rahmen befestigt werden, die Schwimmkörper (5) über Kolben (6) mit Behälterdurchgang (2) oder über Kolben aus dem offenen Behältern heraus an einem Bezugssystem (10) lösbar befestigt werden, nach jeweiliger nachfolgenden Lösung der Schwimmkörper (5) vom Behälter (1) oder vom Rahmen, nun entlang des Kolbens (6) einen Arbeitshub (19) gegen das Bezugssystem (10) zur Gewinnung einer Nutzenergie mittels eines Energiewandlers (17) durchführen, die Drehung der Behälter (1) oder der Rahmen für einen weiteren Arbeitshub durch einen Antrieb, hier Solarantrieb (21), mittels Fremdenergie erfolgt.
2. Vorrichtung zur Erzeugung einer Nutzenergie durch Auftriebs- und Gewichtskraft, nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (1) jeweils an den Enden eines Balkens (13) mit Gelenk (14) und Gelenkabstand (15) eine bewegungsfähige Konstruktion für Kraftwege (19) mit Rückstellung in die Horizontale ergeben, andere vergleichsweise bewegungsfähige Konstruktion sich ergeben, die Behälter (1) oder drehbaren Rahmen über eine Gelenkwelle (20) miteinander verbunden sein können, an der Gelenkwelle (20) Fremdenergie, vorzugsweise aus erneuerbaren Energien, zur Drehung eingespeist wird, auch ein Teil der Nutzenergie für die Drehung, hier Zahnstange (24) und Feder (23), genutzt werden kann und bei der bewegungsfähigen Konstruktion der Figur jeweils nach einer Halbkreisdrehung ein Arbeitshub, summiert aus Auftriebskraft [N] und Gewichtskraft [N], erfolgt.
3. Vorrichtung zur Erzeugung einer Nutzenergie durch Auftriebs- und Gewichtskraft, nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Arbeitshub (19) statt der Drehung der Behälter (1) oder Drehung der Rahmen nun im Bodenbereich der Schwimmkörper der Auftrieb für das Absinken des Schwimmkörpers im Behälter (1) oder im Rahmen bewirkt wird, danach die Verriegelung am Behälter oder am Rahmen erfolgt und verloren gegangene Flüssigkeit wieder aufgefüllt wird, damit die Gewichtskraft [N], die Auftriebskraft [N] oder die Summe aus Auftriebskraft [N] und Gewichtskraft [N] als Kraftweg (19) genutzt werden kann.
4. Vorrichtung zur Erzeugung einer Nutzenergie durch Auftriebs- und Gewichtskraft, nach Anspruch 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden und Lösen des Bezugssystems (10) zu den Schwimmkörpern (5) mit mechanischen, elektrischen, magnetischen oder handbetätigten Bauelementen, auch in Kombinationen miteinander, ausgeführt wird und durch das Hinzufügen weiterer externer Kräfte, die bewegungswirksam sind, ein multivalentes Antriebssystem konstruiert wird.

Images