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Die Erfindung betrifft eine Kraftabgabeeinrichtung, insbesondere Fördereinrichtung für Fluide, mit mehreren Körpern, die als Ringsegmente zu einer Ringstruktur zusammengefügt sind, wobei jeweils aneinander grenzende Körper von einer Gelenkeinrichtung beweglich miteinander verbunden sind.
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Kraftabgabevorrichtungen sind für eine Vielzahl von Einsatzgebieten verwendbar und können insbesondere zum Fördern oder Mischen von gasförmigen oder flüssigen Fluiden in der Art einer Pumpe oder eines dynamischen Mischers oder auch zur Einstellung eines Strömungsquerschnitts für ein Fluid in der Art eines Ventils eingesetzt werden.
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Eine Kraftabgabevorrichtung mit einer solchen Aufbauweise ist aus der für die Erfindung gattungsbildenden
DE 10 2004 018 247 B3 bekannt und geht auf die Arbeiten von Herrn Paul Schatz zurück, der sich bereits Anfang des 20. Jahrhunderts mit der sogenannten Inversionskinematik befasst hat. Derartig ausgebildete Kraftabgabeeinrichtungen sind dazu ausgelegt, eine Stülpbewegung oder Inversion durchzuführen und durch die dabei auftretende, im Wesentlichen rotatorische Relativbewegung der einzelnen als Ringsegmente einer Ringstruktur dienenden Körper eine Förder- oder Mischbewegung für ein Fluid bereitstellen zu können. Nähere Angaben zur geometrischen Gestaltung der Körper und der Ringstruktur der Kraftabgabeeinrichtung sind der
DE 10 2004 018 247 B3 zu entnehmen. Dabei wird in der
DE 10 2004 018 247 B3 davon ausgegangen, dass die Körper von einem raumfesten Gestell gehalten werden und von diesem auch mit den erforderlichen Antriebskräften beaufschlagt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zusätzliche Anwendungsgebiete für eine Kraftabgabeeinrichtung zu erschließen.
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Diese Aufgabe wird für eine Kraftabgabeeinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass wenigstens eine Gelenkeinrichtung mit einer Antriebseinrichtung versehen ist, die zu einer Krafteinleitung auf die miteinander verbundenen Körper ausgebildet ist, um eine Relativbewegung der Körper zueinander zu bewirken, die eine Stülpbewegung der Ringstruktur, insbesondere zur Förderung eines Fluids, hervorruft.
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Die Antriebseinrichtung ist für eine unmittelbare Wandlung einer bereitgestellten Energie, insbesondere elektrischer oder fluidischer Energie, in eine Kraft ausgebildet. Dadurch kann ein raumfestes Gestell zur Einleitung von Kräften auf die Körper der Ringstruktur, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, entfallen. Vielmehr kann die Kraftabgabeeinrichtung frei beweglich in ein Fluid eingebracht werden und dort die gewünschte Stülpbewegung der Ringstruktur vollziehen, um beispielsweise eine Fluidförderung, insbesondere eine Fluiddurchmischung, zu bewirken. Alternativ kann die Kraftabgabeeinrichtung in einem Querschnitt einer Fluidleitung als Ventilelement eingesetzt werden, dazu wird die Kraftabgabeeinrichtung vorzugsweise in der Fluidleitung festgelegt. Da die Antriebskräfte für die Stülpbewegung bzw. Inversion in der wenigstens einen Gelenkeinrichtung erzeugt werden, kann die Kraftabgabeeinrichtung mit einfachen Mitteln, beispielsweise mit Bändern oder Seilen, an der Fluidleitung festgelegt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Gelenkeinrichtung als Gelenk mit einem einzigen Freiheitsgrad der Bewegung ausgebildet ist. Hierdurch wird eine eindeutige Relativbewegung der Körper zueinander sichergestellt. Das Gelenk kann beispielsweise in der Art eines Scharniers ausgebildet sein, bei dem ein erstes Scharnierteil an einem ersten Körper und ein zweites Scharnierteil an einem benachbart zum ersten Körper angeordnet ist. Die beiden Scharnierteile bilden eine Scharnierachse aus, die als Schwenkachse zwischen den beiden Körpern dient und deren Relativbeweglichkeit zueinander gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Antriebseinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung und/oder ein Energiespeicher zur Bereitstellung von Antriebsenergie für die Antriebseinrichtung in wenigstens einem der Körper integriert sind. Bei einer Integration wenigstens einer Komponente aus der Gruppe Antriebseinrichtung, Steuereinrichtung und Energiespeicher in wenigstens einen der Körper kann der jeweilige Körper als Schutzeinrichtung gegenüber Umgebungseinflüssen eingesetzt werden, so dass eine zusätzliche Kapselung der jeweiligen Komponente entfallen kann. Hierdurch wird die Gestaltung der Kraftabgabeeinrichtung erleichtert und deren Masse kann gering gehalten werden. Sofern alle Komponenten aus der Gruppe Antriebseinrichtung, Steuereinrichtung und Energiespeicher in wenigstens einem der Körper untergebracht sind, kann die Kraftabgabeeinrichtung vollständig autark, insbesondere kabel- und leitungslos betrieben werden, da alle für den Betrieb der Kraftabgabeeinrichtung notwendigen System an Bord sind. Hierdurch kann die Kraftabgabeeinrichtung beispielsweise in einem großen fluidgefüllten Raum, beispielsweise einen Flüssigkeitsbecken oder einem Gastank, eingesetzt werden, um dort an wechselnden Orten oder in stationärer Anordnung die gewünschte Funktion, insbesondere eine Förder- und/oder Mischfunktion wahrnehmen zu können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Koordination mehrerer Antriebseinrichtungen für gezielte Stülpbewegungen der Ringstruktur ausgebildet ist. Damit die gewünschte Stülpbewegung oder Inversion der Ringstruktur möglichst energieeffizient durchgeführt werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Antriebseinrichtungen in koordinierter Weise betrieben werden. Hierzu kann wahlweise eine mechanische oder eine elektrische bzw. elektronische Kopplung der Antriebseinrichtungen vorgesehen werden. Bei einer elektrischen bzw. elektronischen Kopplung der Antriebseinrichtungen sind diese mechanisch unabhängig voneinander ausgebildet und werden durch die Steuereinrichtung in geeigneter Weise miteinander synchronisiert. Dabei ist vorteilhaft, dass die Synchronisation der Antriebseinrichtungen gegebenenfalls auch variiert werden kann, so dass die Körper der Ringstruktur möglicherweise in unterschiedlichen Konfigurationen zueinander angeordnet werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die an einander entgegengesetzten Endbereiche eines Körpers angebrachten Gelenkeinrichtungen jeweils eine Gelenkachse bestimmen, wobei die Gelenkachsen eines Körpers jeweils quer zu einer Verbindungsachse zwischen den Gelenkachsen eines Körpers ausgerichtet sind und in rechtwinklig zueinander ausgerichteten Gelenkebenen angeordnet sind.
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Bevorzugt begrenzt zumindest ein Teil der Körper jeweils ein Raumvolumen, das mit einem Fluid gefüllt ist, das derart ausgewählt ist, dass eine Gesamtdichte der Fördereinrichtung zumindest im Wesentlichen der Dichte des Fördereinrichtung umgebenden Fluids entspricht. Hierdurch kann eine Auftriebskraft der Kraftabgabeeinrichtung so gewählt werden, dass diese in dem Fluid, das gefördert oder vermischt werden soll, schwebt. Besonders bevorzugt ist wenigstens einem der Körper eine Ausgleichseinrichtung zugeordnet, die eine Beeinflussung der Masse der Kraftabgabeeinrichtung ermöglicht, indem entweder aus der Umgebung aufgenommenes Fluid komprimiert wird, um die Dichte der Kraftabgabeeinrichtung zu erhöhen oder indem aus einem Vorratsbehälter ein Ballastmaterial, insbesondere ein Ballastfluid, in die Umgebung abgegeben wird, um die Dichte der Kraftabgabeeinrichtung zu reduzieren und damit jeweils eine Anpassung der Dichte der Kraftabgabeeinrichtung an das umgebende Fluid zur Aufrechterhaltung des gewünschten Schwebezustands zu ermöglichen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Körper als Polyeder, insbesondere als Tetraeder, ausgebildet sind. Bei einer derartigen Gestaltung der Körper kann die Kraftabgabeeinrichtung während der Stülpbewegung oder Inversion aufgrund der Relativbewegung in unterschiedliche Konfigurationen gebracht werden, in denen die Körper einen freien Querschnitt der Ringstruktur, durch den ein Fluid strömen kann, verändern und damit einstellbar machen.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebseinrichtung einen elektrischen Motor, insbesondere einen Getriebemotor. Hierdurch kann eine kostengünstige und kompakte Realisierung der Antriebseinrichtung gewährleistet werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Kraftabgabeeinrichtung, die aus mehreren zu einer Ringstruktur miteinander verbundenen Körpern aufgebaut ist, in einer ersten räumlichen Anordnung,
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2 die Kraftabgabeeinrichtung gemäß 1 in einer zweiten räumlichen Anordnung,
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3 die Kraftabgabeeinrichtung gemäß 1 in einer dritten räumlichen Anordnung,
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4 die Kraftabgabeeinrichtung gemäß 1 in einer vierten räumlichen Anordnung und
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5 eine Detaildarstellung einer Gelenkeinrichtung mit zugeordneter Antriebseinrichtung.
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Eine in den 1 bis 4 schematisch dargestellte Kraftabgabeeinrichtung 1 umfasst mehrere, exemplarisch sechs, Körper 2 bis 7, die als Ringsegmente zu einer Ringstruktur zusammengefügt sind. Um eine Stülpbewegung der Inversion der Kraftabgabeeinrichtung 1 zu ermöglichen, sind die aneinander grenzenden Körper 2 bis 7 jeweils mit Gelenkeinrichtungen 8 beweglich miteinander verbunden, die schematisch als kugelförmige Elemente dargestellt sind. Eine exemplarische Ausführungsform einer derartigen, kugelförmig ausgebildeten Gelenkeinrichtung 8 ist in der 5 dargestellt.
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Erfindungsgemäß sind die Gelenkeinrichtungen 8 zumindest teilweise mit einer Antriebseinrichtung 9 versehen, wie sie in der 5 exemplarisch dargestellt ist. Die Antriebseinrichtung 9 ermöglicht die Einleitung eines Drehmoments zwischen zwei benachbarte, mit der jeweiligen Gelenkeinrichtung verbundenen Körper 2 bis 7, um eine Relativbewegung der Körper 2 bis 7 zueinander zu bewirken, die eine Stülpbewegung der Ringstruktur, insbesondere zur Förderung eines Fluids, hervorruft.
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Exemplarisch sind die Körper 2 bis 7 als Tetraeder ausgebildet, die beispielsweise zur Verwendung der Kraftabgabeeinrichtung 1 in einem gasförmigen Fluid als folienbespannte Stabstrukturen ausgebildet ist. Unter den in den 1 bis 4 dargestellten sichtbaren Kanten ist jeweils ein gerader Stab aus einem formstabilen Leichtbaumaterial, beispielsweise einem Kohlefaserrohr, angeordnet, wobei die Stäbe in nicht näher dargestellter Weise endseitig miteinander verbunden sind. In dem von der Folienbespannung um die Stäbe begrenzten Raumabschnitt sind neben einem exemplarisch als elektrischer Akkumulator ausgebildeten, nicht näher dargestellten Energiespeicher auch eine Steuereinrichtung für die dem jeweiligen Körper 2 bis 8 zugeordnete Antriebseinrichtung 9 sowie eine zur Ansteuerung der jeweiligen Antriebseinrichtung vorgesehene, ebenfalls nicht dargestellte Steuereinrichtung angeordnet. Die dem jeweiligen Körper 2 bis 8 zugeordnete Steuereinrichtung kann, vorzugsweise drahtlos, mit den Steuereinrichtungen benachbarter Körper 2 bis 8 sowie gegebenenfalls mit einer ebenfalls nicht dargestellten, abseits der Kraftabgabeeinrichtung 1 ausgebildeten Zentralsteuerung kommunizieren, um damit eine koordinierte Ansteuerung der jeweiligen Antriebseinrichtungen 9 bewirken zu können.
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Ferner kann ein Teil der Körper 2 bis 8, insbesondere jeder der Körper 2 bis 8, mittels der Folienbespannung als fluiddichter Raum ausgebildet sein, in den über eine nicht dargestellte Ventileinrichtung ein Fluid, insbesondere ein Gas, eingeleitet werden kann. Bei geeigneter Dimensionierung der Körper 2 bis 8 und geeigneter Auswahl des Füllgases können die Kraftabgabeeinrichtung 1 derart mit einem Gas befüllt werden, dass die Kraftabgabeeinrichtung 1 in einem umgebenden Fluid, insbesondere einer Luftatmosphäre, die gleiche Dichte wie das umgebende Fluid aufweist und somit in dem umgebenden Fluid schweben kann.
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Jede der Gelenkeinrichtungen 8 weist lediglich einen einzigen Freiheitsgrad der Bewegung um eine in der 5 dargestellte Schwenkachse 11 auf. Exemplarisch ist die Schwenkachse 11 parallel zu einander gegenüberliegenden und ebenfalls parallel zueinander ausgerichteten Endkanten benachbarter Körper 2 bis 8 ausgerichtet, so dass die Körper 2 bis 8 störungsfrei in einem großen Schwenkbereich um die jeweilige Schwenkachse 10 relativ zueinander verschwenkt werden können. Diese Möglichkeit zur Verschwenkung der Körper 2 bis 8 ist erforderlich, um die gewünschte Stülpbewegung oder Inversion für die Kraftabgabeeinrichtung 1 zu ermöglichen.
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Die in der in 5 exemplarisch dargestellte Gelenkeinrichtung umfasst einen Gelenkkörper 11, der kugelartig ausgebildet ist und der mit einem der Körper, exemplarisch mit dem Körper 2, fest verbunden ist. In dem Gelenkkörper 11 ist ein Lagerbolzen 12 schwenkbar um die Schwenkachse 10 gelagert, der ein Zahnrad 15 trägt und endseitig mit einer Montagefläche 16 versehen ist. An der Montagefläche 16 ist exemplarisch der Körper 7 festgelegt. In das Zahnrad 15 greift exemplarisch eine Antriebsschnecke 18 eines Elektromotors 17 derart ein, dass eine Drehbewegung einer nicht näher dargestellten Motorwelle des Elektromotors 17 zu einer Schwenkbewegung des Körpers 7 gegenüber dem Körper 2 um die Schwenkachse 10 führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004018247 B3 [0003, 0003, 0003]
