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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Angaben bezüglich staatlich unterstützter Forschung oder Entwicklung
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Aufnahme von auf CD eingereichtem Material durch Bezugnahme
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Hintergrund der Erfindung
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(1) Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Gebläse, Pumpen und Propeller. Durch die Erfindung werden insbesondere Verfahren und Vorrichtungen bereitgestellt, die einen Kaudalzyklus verwenden, um Gas oder Flüssigkeit von einem Ort zu einem anderen zu bewegen, oder die ein Fahrzeug durch Gas, wie beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, antreiben.
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(2) Beschreibung der verwandten Technik
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Viele Meeresfische und -säuger bewegen sich durch die Bewegung ihrer Flossen in einem Kaudalzyklus durch das Wasser. Dieser Zyklus ist durch verschiedenartige Vorrichtungen genutzt worden, um Flüssigkeiten und Gase zu bewegen, aber keine dieser Erfindungen erreicht auch nur annähernd die in der Natur demonstrierte Leistungsfähigkeit und Effizienz.
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Der Kaudalzyklus beschreibt die Bewegung einer Antriebsfläche, wie beispielsweise einer Schwanzflosse, so dass der Vorwärtsschub maximiert wird, während gleichzeitig der Bremsschub und der Strömungswiderstand minimiert werden. Zwei allgemein bekannte Zyklustypen sind der natürliche Kaudalzyklus und der mechanische Kaudalzyklus. Meeressäuger und einige Fische nutzen ihre Schwanzflosse, um den natürlichen Kaudalzyklus für den Antrieb auszuführen. Dies unterscheidet sich stark von anderen Flossen, die für einen Schwebezustand oder eine Präzisionsbewegung verwendet werden, die beispielsweise durch Schwingungen der Brustflossen oder Krümmungen der Rückenflosse erzielt werden, wodurch Lenk-, Gegenschub- und Drehbewegungen ausgeführt werden. Die natürliche Schwanzflosse hat sich in einer Meeresumgebung entwickelt und den Bedürfnissen der Säugetiere oder Fische unter verschiedenen Bedingungen angepasst und wird genutzt, um Druckschwankungen, Turbulenzen, Geschwindigkeiten und das Leistungsgewicht zu erfassen. Die Flosse kann häufig dünner werden und ihren Profilquerschnitt ändern, so dass sie sich derart anpasst, dass an ihrer Hinterkante erzeugte Wirbel reduziert werden. Der natürliche Kaudalzyklus wird durch die Vorderkante angetrieben, und die Blattkomponente ist überwiegend starr, und die Hinterkante wird durch das an der Vorderkante vorgesehene Schwanz-Schwenkgelenk positioniert. Um unnötige Turbulenzen zu vermeiden, ist der natürliche Zyklus vorwiegend ein Schubvorgang.
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Im natürlichen Kaudalzyklus schwingt die Vorderkante von einer maximalen Auslenkung der zyklischen Bewegung auf einer Seite zur anderen bezüglich der Geschwindigkeit der Wasserströmung. Die Flosse wird dann der Vorderkante folgend zu ihrer Bewegungsrichtung hin geschwenkt, wodurch das Wasser nach hinten und der Fisch nach vorne gedrückt wird. Dieser Zyklus wird mit Zyklen wiederholt, die mit zunehmender Geschwindigkeit flacher werden.
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Der mechanische Kaudalzyklus gleicht im Wesentlichen dem natürlichen Kaudalzyklus, hat aber einen längeren Hub und einen steileren Anstellwinkel bei niedriger Geschwindigkeit und einen kürzeren Hub und einen flacheren Anstellwinkel bei hoher Geschwindigkeit. Im mechanischen Kaudalzyklus wird die Vorderkante von der Zyklusmitte weg zur äußersten Auslenkposition auf einer Seite hin bewegt, wobei ein idealer Anstellwinkel für die Schaufel gebildet wird. Unter Aufrechterhalten dieses Anstellwinkels wird die Schaufel so weit wie möglich in diese Richtung bewegt. Die Vorderkante stoppt, während die Hinterkante zu einer Position hinter der Vorderkante und parallel zur Fluidströmung bewegt wird. Die Vorderkante wird zur äußersten Auslenkposition auf der anderen Seite des Zyklus bewegt, wobei ein idealer Anstellwinkel für die Schaufel gebildet wird. Unter Aufrechterhalten dieses Anstellwinkels wird die Schaufel so weit wie möglich in diese Richtung bewegt. Die Vorderkante stoppt, während die Hinterkante zu einer Position hinter der Vorderkante und parallel zur Fluidströmung bewegt wird. Dann wird dieser Zyklus wiederholt.
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Im
US-Patent 5054376 von Sanchez ist eine mechanische Version des natürlichen Kaudalzyklus beschrieben, der zum Bewegen von Luft verwendet wird. Die nicht angetriebene Hinterkante und die nicht starre Schaufel begrenzen jedoch die Kraft, die für den Antrieb der Luft genutzt werden kann, und der größte Teil der Schaufeloberfläche stellt nur einen Strömungswiderstand für die Strömung dar.
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Im
US-Patent 5401196 von Triantafyllou et al. ist ein Beispiel des mechanischen Kaudalzyklus in einer Schiffsantriebsvorrichtung beschrieben. Dieses System ist jedoch komplex und hat viele störanfällige Teile, und seine Leistungsfähigkeit ist im Vergleich zu herkömmlichen Propellern und ihren Äquivalenten begrenzt.
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Daher besteht auf dem Gebiet der Fluidbewegung ein Bedarf für einen verbesserten Kaudalzyklus, der eine bessere Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit ermöglicht.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung zum Bewegen von Gasen oder Flüssigkeiten von einem Ort zu einem anderen bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt weist die Vorrichtung ein Gehäuse, mindestens eine flache, starre Schaufel, eine Kurbel, eine Pleuelstange und ein Schwenklager auf. Die Kurbel weist zwei Öffnungen auf, wobei die erste dazu geeignet ist, eine Antriebswelle aufzunehmen, und die zweite in einem Abstand von der ersten angeordnet ist. Die Pleuelstange ist an einem Ende an der starren Schaufel und am anderen Ende an der zweiten Öffnung der Kurbel befestigt. Das Gehäuse oder die Basis kann mindestens eine Öffnung zum Aufnehmen der Pleuelstange aufweisen. Das Schwenklager ist in der Öffnung fixiert, und die Pleuelstange erstreckt sich durch die Öffnung in das Gehäuse.
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In einer Ausführungsform ist die Antriebswelle die Antriebswelle eines Motors. Alternativ kann die Vorrichtung einen Motor mit einer Antriebswelle aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse oder die Basis eine Gas- oder Flüssigkeitsleitung. Alternativ enthält das Gehäuse den Motor, die Kurbel und einen Teil der an der Kurbel befestigten Pleuelstange.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Bewegen von Gas oder Flüssigkeit durch die Vorrichtung bereitgestellt. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Gehäuse, einen Motor und mindestens eine flache, starre Schaufel, eine Kurbel, eine Pleuelstange und ein Schwenklager auf. Für jede flache, starre Schaufel wird eine Kurbel mit einer ersten und einer zweiten Öffnung bereitgestellt. Der Motor weist eine an der ersten Öffnung der Kurbel befestigte Antriebswelle auf. Für jede flache, starre Schaufel wird eine Pleuelstange bereitgestellt. Ein Ende jeder Pleuelstange ist an der Mitte der flachen, starren Schaufel befestigt, und das andere Ende ist an der zweiten Öffnung der Kurbel befestigt. Das Gehäuse weist eine Öffnung für jede Pleuelstange und ein Schwenklager auf, das innerhalb jeder Öffnung befestigt ist, durch die die Pleuelstange sich erstreckt. Das Verfahren weist die Schritte zum Einsetzen der flachen, starren Schaufel in ein Gas oder in eine Flüssigkeit und zum Aktivieren des Motors auf.
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In einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung ist das Gehäuse eine Gas- oder Fluidrohrleitung, in die die flache, starre Schaufel sich erstreckt. Alternativ ist das Gehäuse ein Behältnis, das den Motor, die Kurbel und den an der Kurbel befestigten Teil der Pleuelstange umschließt.
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Kurze Beschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnungen
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vereinfachten Kaudalzyklusgebläses;
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2 zeigt eine schematische Darstellung von Positionen der Schaufel in einem vereinfachten Kaudalzyklus;
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines vereinfachten Doppelschaufel-Kaudalzyklussystems;
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Beispiels eines vereinfachten Doppelschaufel-Kaudalzyklussystems;
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5 zeigt eine Seiten-Querschnittansicht eines mechanischen Kaudalzyklussystems mit einer Antriebspleuelstange und einer Anstellwinkeleinstellungspleuelstange. Die Anstellwinkeleinstellungspleuelstange fügt dem Anstellwinkel durch eine Feder eine Verzögerung hinzu, wodurch ermöglicht wird, dass die Hinterkante der Schaufel der Vorderkante nacheilt und der korrekte Anstellwinkel beibehalten wird. Herkömmliche Anstellwinkeleinstellungspleuelstangen werden durch eine zweite Kurbel derart gesteuert, dass sie ein paar Grad hinter der Antriebskurbel nacheilen, wodurch zwar ein präziserer Anstellwinkel erhalten wird, die Konstruktion aber teurer wird; und
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6 zeigt die Phasen der Verzögerung der Anstellwinkeleinstellungspleuelstange von 5, (A) im Ruhezustand, (B) am Tiefpunkt des Zyklus nach oben gerichtet, und (C) am Höchstpunkt des Zyklus nach unten gerichtet.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Soweit nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Ausdrücke die gleiche Bedeutung wie sie üblicherweise von einem Fachmann auf dem Gebiet, dem diese Erfindung zugehörig ist, verstanden wird. Alle Patente, Patentanmeldungen und Veröffentlichungen, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird, sind hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Für den Fall, dass es mehrere Definitionen für einen Ausdruck geben sollte, soll diejenige des betreffenden Abschnitts gelten.
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Der hierin verwendete Ausdruck ”befestigt” bezeichnet die Wechselwirkung zwischen der Schaufel und der Pleuelstange und zwischen der Pleuelstange und der Kurbel. Im Fall der Schaufel und der Pleuelstange kann die Verbindung statisch oder dynamisch sein. Im Fall der Pleuelstange und der Kurbel ist die Verbindung dynamisch. Beispielsweise ist, wenn die Bewegung kreisförmig ist, die Pleuelstange an der Kurbel drehbar befestigt.
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Der hierin verwendete Ausdruck ”Motor” kann eine beliebige Vorrichtung mit einer Antriebswelle sein, die dazu geeignet ist, Rotationsenergie zum Aktivieren und Bewegen der einen oder mehreren Schaufeln der Vorrichtung bereitzustellen.
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Der hierin verwendete Ausdruck ”Gehäuse” bezeichnet eine Rohrleitung, durch die Gas oder Flüssigkeit hindurchströmt. Alternativ kann das Gehäuse ein Behältnis sein, das den Motor, die Kurbel und einen Teil der Pleuelstange umschließt. In dem Fall, in dem die Schaufel ein Gas oder Fluid in einem begrenzten Bereich, wie beispielsweise in einer Rohrleitung, bewegt, bildet das Gehäuse den begrenzten Bereich. In einem solchen Beispiel ist der Motor vorzugsweise auf der Außenseite der Rohrleitung montiert und erstrecken sich die Schaufel und ein Teil der Pleuelstange in die Rohrleitung, wo sich das Gas oder das Fluid befindet. In dem Fall, in dem die Schaufel verwendet wird, um die Vorrichtung durch ein Gas oder ein Fluid anzutreiben, ist das Gehäuse ein Behältnis, das den Motor, die Kurbel und einen Teil der Pleuelstange aufnimmt, wobei ein restlicher Teil der Pleuelstange und die Schaufel zur Außenumgebung des Gehäuses freiliegen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwenden die Vorrichtung und Verfahren einen vereinfachte Kaudalzyklus. Im vereinfachten Kaudalzyklus ist der Schaufelweg durch den Abstand (C), in dem die Pleuelstange von der Kurbelmitte weg montiert ist, und den Abstand (P) bestimmt, in dem das Schwenklager von der Kurbelmitte weg montiert ist (2). Ein größerer Abstand C ergibt einen größeren Anstellwinkel und damit eine größere Beschleunigung, aber eine geringere maximale Fluidströmungsgeschwindigkeit. Ein größerer Abstand P ergibt einen kleineren Anstellwinkel und damit eine geringere Beschleunigung, jedoch eine größere Fluidströmungsgeschwindigkeit. Im vereinfachten Kaudalzyklus wird die Schaufel von der Kurbel weg bewegt, wodurch veranlasst wird, dass die Schaufel sich auf einer sich ändernden Bogenbahn bewegt und sich ändernde Anstellwinkel bildet, bis sie den äußersten Hubumkehrpunkt erreicht hat. An diesem Punkt wird das Fluid in die Richtung der Kurbeldrehbewegung abgelenkt. Die Schaufel wird dann zur Kurbel hin gezogen, wodurch veranlasst wird, dass die Schaufel sich auf einer sich ändernden Bogenbahn bewegt und einen sich ändernden Anstellwinkel bildet, bis sie den innersten Hubumkehrpunkt erreicht hat. An diesem Punkt wird das Fluid vom Mittelpunkt in die Richtung der Kurbeldrehbewegung abgelenkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verwenden die Vorrichtung und Verfahren einen mechanischen Kaudalzyklus mit einer flachen, ebenen Schaufel zum Antreiben des Fluids oder Gases. Dies unterscheidet sich von früheren Vorrichtungen dahingehend, dass die Schaufel keine Folie, sondern lediglich eine flache, ebene Schaufel ist.
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Die Schaufel
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Die Schaufel 5 (1) ist eine flache, starre Platte, sie kann aber auch eine gewellte oder zusammengesetzte Struktur haben, vorausgesetzt, dass die Ober- und die Unterseite sich parallel erstrecken und die Dicke minimiert ist, um den Strömungswiderstand zu minimieren und gleichzeitig die Steifigkeit aufrechtzuerhalten. Die vorliegende flache, starre Schaufel 5 unterscheidet sich von einer herkömmlichen Schaufel dadurch, dass sie nicht abgeschrägt oder folienförmig ausgebildet ist, was den Arbeitszyklus behindert und zu sich ablösenden Wirbeln in der Auslassströmung beiträgt, wodurch die Leistung abnimmt. Die Schaufel 5 kann derart dimensioniert sein, dass die Breite der Schaufel der gewünschten Breite des anzutreibenden Stroms entspricht. Die Länge der Schaufel 5 in Längsrichtung kann gemäß der Beschleunigungskraft, die erforderlich ist, um das Fluid oder Gas zu beschleunigen, der gewünschten Endgeschwindigkeit des Fluids und der der Schaufel 5 zugeführten Energie dimensioniert sein. Beispielsweise kann eine zum Antreiben eines Fluids verwendete, sechs Zoll breite Schaufel ein bis drei Zoll lang (in Längsrichtung) sein. Eine Schaufellänge von einem Zoll kann zum Beschleunigen von Fluids mit niedriger Masse auf eine hohe Geschwindigkeit geeignet sein. Ein Schaufellänge von zwei Zoll kann zum Beschleunigen von Fluids mit höherer Masse auf eine mittlere Geschwindigkeit geeignet sein, und eine Schaufellänge von drei Zoll kann zum Beschleunigen eines viskosen Fluids geeignet sein, das mit einer niedrigeren Geschwindigkeit bewegt werden soll. Die Standard-Propellerdesigntheorie ist hier dahingehend anwendbar, dass durch eine größere Breite, eine geringere Geschwindigkeit und eine geringere Dicke (oder eine kürzere Länge in Längsrichtung) die Effizienz erhöht wird. Die Schaufel 5 könnte von Mikro-Anwendungen zum Bewegen von Luft auf Leiterplatten bis hin zum Beschleunigen von Flüssen oder Kanälen oder sogar zum Beschleunigen von Luft durch ein Tal im Maßstab vergrößert oder verkleinert werden.
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Zweck der Schaufel ist, gerichtete Energie auf das Fluid oder Luft zu übertragen, entweder als eine Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise ein Propeller, oder als eine pumpen- oder gebläseähnliche Vorrichtung. Sie kann aus einem beliebigen starren Material hergestellt werden, das den Ablenkungs-, Biege- und zyklischen Kräften im Betrieb sowie den Anforderungen der Umgebung, in der sie betrieben wird (d. h. den Auswirkung von Korrosion, Hitze und Kollisionen von Fluidverunreinigungen mit der Schaufel) standhält. Materialarten sind beispielsweise Bronze, Aluminium, Kohlenstofffaser, starrer Kunststoff oder Stahlblech.
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Die Schaufel 5 würde nach allgemeiner Kenntnis von Fachleuten, die mit Propellerdesign vertraut sind, abgeschrägt oder verjüngt ausgebildet. Allerdings ist in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung unerwartet festgestellt worden, dass dadurch die Fluidströmung behindert wird, was vermieden werden sollte. Jegliche Verjüngung der Form der Schaufel 5 wird sich von der Niederdruckseite der Schaufel ablösende Wirbel erzeugen und zu einem erhöhten Energieverbrauch sowie zu einer eingeschränkten Fluidströmung führen. Daher sind die Vorder- und die Hinterkante der Schaufel 5 steil ausgebildet, um eine Abschrägung der parallelen Schaufelflächen zu vermeiden. Bei außerordentlich dicken Schaufeln kann die Vorderkante abgerundet sein, wenn die Schaufel über einen längeren Zeitraum parallel zur Strömung angeordnet werden soll.
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Die Antriebsflächen können in Längsrichtung gerillt sein, um die Oberfläche über eine vorgegebene Länge zu vergrößern, mit Mikro-Grübchen versehen sein, um die Strömungswiderstandeigenschaften zu verbessern, oder mit omniphoben Beschichtungen versehen sein, um die Reibung durch Verringern der Wassermenge zu reduzieren, die an der Schaufel anhaftet, während sie sich durch das Wasser bewegt.
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Die Schaufel 5 wird durch ein beliebiges von verschiedenen auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren, das von der Anwendung, der Betriebsumgebung und/oder der Größe abhängen wird, am distalen Ende der Kurbelpleuelstange 6 befestigt. Die zu betrachtenden Faktoren sind die Fähigkeit zum sicheren starren Halten der Schaufel 5 an ihrer Hauptebene, die Beständigkeit gegen eine Kollision mit Fremdkörpern und die Einfachheit des Arbeitsvorgangs zum Austauschen beschädigter oder verschlissener Schaufeln. Große Schaufeln, die aus Stahlplatten hergestellt sind, können eine breite Befestigungsfläche aufweisen, die an der Pleuelstange angeschweißt ist, während kleinere Kohlenstofffaserschaufeln durch eine Unterlegscheibe an einem verbreiterten Pleuelstangenende montiert sein können. Schwalbenschwanzverbindungen, geklebte Rippenstrukturen und integrierte Nuten, die zusätzliche Stabilität für die Schaufeln bereitstellen, können ebenfalls für die Montage verwendet werden.
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Der Kurbelarm
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Der Kurbelarm 8 ist mit der Antriebswelle eines Motors (1) verbunden. Die Drehbewegung treibt ein Ende der Einheit aus der Pleuelstange 6 und der Schaufel 5 auf einer Kreisbahn an, um die Drehenergie in eine im Wesentlichen lineare Bewegung umzuwandeln. Die Kurbel positioniert ein Ende der Pleuelstange 6 in einem Abstand von der Mitte der Antriebsquelle und dreht sie um diese Mitte, wobei die Einheit aus der Pleuelstange 6 und der Schaufel 5 durch das Schwenklager 7 ausgefahren und zurückgezogen wird. Der Versatzdurchmesser des Kurbelarms 8 definiert die Tiefe des anzutreibenden Fluids und den mittleren Schaufelanstellwinkel bezüglich des Schwenklagers 7. Je größer der Kurbelversatz ist, desto weiter ist der Kurbelarm 8 vom Schwenklager 7 entfernt, desto größer ist der angetriebene Fluidstrom und desto flacher ist der Anstellwinkel. Kurze Hubbewegungen sind für dünne Fluids oder mit einer hohen Geschwindigkeit angetriebene Fluids bevorzugt. Lange Hubbewegungen mit ihren inhärenten großen Anstellwinkeln sind für dickere oder schwerere Fluids geeignet, die aus dem Stillstand heraus beschleunigt werden müssen. Bei Bedarf kann ein Kurbelarm 8 mit einem variablen Versatz für einen breiteren Leistungsbereich bereitgestellt werden. Der Kurbelarm 8 kann aus einem beliebigen starren Material, wie beispielsweise Gusseisen, Aluminium oder Kunststoff, hergestellt sein.
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Es kann ein Motor 9 verwendet werden, um die Kurbel 8 über eine Getriebe- oder Riemeneinheit anzutreiben, aber auch andere Antriebsquellen, wie beispielsweise eine Windmühle oder ein mit dem Kurbelarm 8 verbundener handgepumpter oder Pedalhebel, waren ebenfalls effektiv.
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Die Pleuelstange
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Die Pleuelstange 6 verbindet den Kurbelarm 8 mit der Schaufel 5 und überträgt die Energie vom Motor 9 auf die Schaufel 5 (1). Sie ist sicher an der Schaufel 5 montiert, um den dynamischen Kräften der Antriebsenergie und dem Widerstand des angetriebenen Flüssigkeit sowie Ablenk- und Verformungskräften, die durch eine Hemmung des Schaufelzyklus verursacht werden, zu widerstehen. Die Pleuelstange 6 kann aus verschiedenartigen Materialien hergestellt sein, die dazu geeignet sind, die Belastungen und Kräfte aufzunehmen, die entstehen, wenn die Vorrichtung das spezifische Fluidvolumen antreibt. Vorzugsweise ist die Pleuelstange aus einem vorrätigen Stangenmaterial oder aus Gussmetall hergestellt.
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Die Pleuelstange 6 ist am Kurbelarm 8 derart montiert, dass sie sich frei drehen kann, wenn die Kurbel sich dreht. Dies kann durch einen Splint oder dergleichen erreicht werden, vorzugsweise aber durch ein Lager in der Pleuelstange 6, wodurch eine minimale Reibung gewährleistet wird, während eine maximale planare Steifigkeit aufrechterhalten wird. Die Pleuelstange 6 kann in das Schwenklager 7 hinein und daraus herausgleiten und eine hin- und hergehende Schwenkbewegung derart ausführen, dass dabei der maximalen Auslenkbewegung des Drehgelenks zwischen dem Kurbelarm 8 und der Pleuelstange 6 Rechnung getragen wird. Sie kann dafür konfiguriert sein, in Abhängigkeit von der Anwendung das Schwenklager 7 aufzunehmen oder durch das Lager aufgenommen zu werden.
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Das Lager
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Das Schwenklager 7 wandelt die lineare Bewegung der Pleuelstange 6 in eine vereinfachte Kaudalzyklusbewegung um (1). Der Kurbelarm 8 dreht sich und bewegt die Pleuelstange 6 in das Schwenklager 7 hinein und aus dem Schwenklager heraus, das in der Basis oder im Boden des Gehäuses montiert ist. Es ist mit der Mitte des Kurbelarms 8 ausgerichtet und begrenzt die Bewegung der Pleuelstange 6 auf die gleiche Ebene wie die Ebene der Kurbeldrehbewegung. Das Lager nimmt die Gleitbewegung der Pleuelstange 6 in das Lager hinein und aus dem Lager heraus und die durch die Kurbeldrehbewegung verursachte Hin- und Herbewegung auf. Die resultierende Bewegung am distalen Ende der Pleuelstange 6 entspricht einem abgeschnittenen Dreieckspfad. Das Lager minimiert das Spiel an den äußersten Positionen der hin- und hergehenden Bewegung. Jeglicher Schlupf kann eine übermäßige Belastung auf die Pleuelstange ausüben und dazu führen, dass die Schaufel extreme Anstellwinkel annimmt, die die Strömung behindern.
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Das Schwenklager 7 kann ein Kugellager sein, das in einem Ring schwimmend aufgenommen ist und eine Öffnung aufweist, in die die Pleuelstange 6 hinein und heraus gleiten kann. Alternativ kann, wenn die Pleuelstange 6 geschlitzt ist, das Schwenklager 7 ein Stift sein, auf dem die Pleuelstange 6 gleitet. Dies sind nur zwei Beispiele für ein Gleit-Schwenkgelenk, es existieren eine Anzahl ähnlicher Verbindungen, die Fachleuten bekannt sind. Die Auswahl des gewünschten Schwenklagers wird von der Umgebung und den speziellen Anforderungen an die Anwendung abhängen, wie beispielsweise von der Viskosität des Fluids, der Bewegungsgeschwindigkeit und der Verminderung des Strömungswiderstandes.
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In 5 ist das Lager ein Gleitlager 11. Dieses Lager hält die Ausrichtung der Stangen 6 und 12 aufrecht und ermöglicht, dass die Stangen durch das Gehäuse 10 in das Lager hinein und aus dem Lager heraus gleiten, um einen Antrieb für die gewünschte Bewegung der Schaufel 5 bereitzustellen.
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Die Antriebskraft
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Ein Motor 9 mit einer Antriebswelle stellt die Rotationsenergie für den Antrieb des Kurbelarms 8 bereit und ist an der Basis oder am Gehäuse 10 fest montiert (1). In einer Ausführungsform ist der Motor 9 ein Elektromotor mit einer geeigneten Größe für die Anwendung sowie für die Geschwindigkeit, die Größe und das Gewicht der verwendeten Schaufel. Alternativ kann der Motor ein Schrittmotor sein, der es ermöglicht, die Schaufel 5 an der Oberseite oder an der Unterseite des Zyklus zu positionieren, um einen Strömungswiderstand in einem Strömungssystem zu vermeiden. Er kann außerdem die Schaufel 5 unter einem großen Anstellwinkel stoppen, um eine vorhandene Strömung abzubremsen. Für einige Anwendungen, in denen eine Strömungsumkehr nicht erforderlich ist, ist ein Verbrennungsmotor geeignet, und in Niedrigenergieanwendungen können Pedal- oder Handpumpenantriebe geeignet sein. Die primären Anforderungen an den Antrieb sind, dass die Antriebskräfte den Kurbelarm 8 mit einer geeigneten Geschwindigkeit drehen, um die Schaufel 5 anzutreiben.
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Das Gehäuse/die Basis
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Die Anordnung aus dem Motor 9 und dem Kurbelarm 8 wird bezüglich des Schwenklagers 7 und dem durch das System bewegten Fluid sicher im Gehäuse oder in der Basis 10 gehalten (1). Das Gehäuse 10 ist derart konstruiert, dass es großen Schwingungskräften widersteht und die Antriebsanordnung vor der Witterung und vor Manipulationen schützt. In anderen Ausführungsformen wird das Gehäuse 10 zusätzlich einen Kanal bilden, durch den das Fluid oder Luft angetrieben wird. Das Gehäuse 10 kann ferner ein Rohr, eine Röhre, eine Rohrleitung oder einen Kanal zum Aufnehmen der zu transportierenden Luft oder des zu transportierenden Fluids aufweisen. Das Rohr, die Röhre, die Rohrleitung oder der Kanal wird eine derartige Größe haben, dass die Bahn der Schaufelspitze nicht behindert wird, aber eine ausreichende Toleranz, so dass Luft oder Fluid sich nicht einfach um den Umfang der Schaufel herum bewegen kann. In einigen Fällen kann der Kanal nur notwendig sein, um die Ansaug- oder Ableitungsströmungsrichtung zu steuern. Daher kann, um die Schaufel vor Fremdkörpern zu schützen, eine präzise Führung erforderlich sein, wenn eine Steuerung und ein Schutz wichtig sind.
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Die Anordnung kann verwendet werden, um Fluid oder Objekte in einem Fluid zu bewegen. In beiden Anwendungen kann eine Führung erforderlich sein. In allen Anwendungen ist es jedoch bevorzugt, dass das Gehäuse oder die Basis sicher montiert ist. Dadurch wird eine erhebliche Menge an Schwingungen eliminiert, die durch mit langsamen Geschwindigkeiten strömende Fluids erzeugt werden, und werden Schwingungen gedämpft, die in der Vorrichtung bei höheren Geschwindigkeiten unvermeidbar auftreten. Ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen besteht darin, ein Gegengewicht am Kurbelarm 8 hinzuzufügen. Dies kann durch Anordnen eines Gegengewichts auf einer am Umfang des Kurbelarmes 8 montierten Feder erreicht werden.
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Ein Paar Schaufeln 5, die durch gegenläufig drehende Kurbelarme 8 mit Schwenklagern 7 auf gegenüberliegenden Seiten der Anordnung aus dem Kurbelarm 8 und dem Antrieb angeordnet sind, kann Schwingungen eliminieren und eine zusätzliche Leistungsfähigkeit bereitstellen, indem jede Schaufel der Schubkraft der anderen entgegenwirkt, wodurch der Schaufelschlupf und die Fluidablenkung eliminiert werden (3 und 4).
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Es wurde ein Prototyp eines Gebläses hergestellt und durch Messen der während des Betriebs abgegebenen Luft getestet. Die Messungen zeigten, dass das Gebläse die Luft mit einer Geschwindigkeit bewegte, die fünf Mal so groß war, wie diejenige eines ausgereiften Muffin-Gebläses bei gleicher Kanalgröße. Eine vor der Vorrichtung angeordnete Hand fühlte keine Turbulenzen, die normalerweise bei herkömmlichen Gebläsen vorhanden ist. Allerdings traten bei dem vereinfachten Kaudalzyklus Turbulenzen in einem Abstand von mehr als zwei Metern von der Gebläse-Kanal-Anordnung auf. Der Abstrom war vollständig laminar und hatte ein erhebliches Volumen und eine wesentliche Geschwindigkeit. Ein Wassertanktest einer Fluidpumpe unter Verwendung dieser Technologie zeigte außerdem, dass die Wasserbewegungseigenschaften die gleichen sind.
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5 zeigt eine zweite Pleuelstange 12 zum Einstellen des Anstellwinkels und eine einstellbare Feder 14 zum Absorbieren der Energie der Antriebspleuelstange 6. Die einstellbare Feder 14 stellt eine Verzögerung für die Schaufel 5 bereit, um einen Anstellwinkel unmittelbar hinter dem durch die Antriebspleuelstange 6 eingestellten Winkel einzustellen.
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6 zeigt Details der Anordnung aus der Anstellwinkelpleuelstange und der Feder mit einer verankerten Basis 13 für die Anstellwinkelpleuelstange 12, der Feder 14, Federrückhaltekappen 15 und oberen Schweißkonstruktionen 16, die die oberen Federrückhaltekappen an der Anstellwinkelpleuelstange sichern, und unteren Schweißkonstruktionen 17. Die unteren Schweißkonstruktionen 17 sichern die unteren Federrückhaltekappen an der verankerten Basis für die Anstellwinkelpleuelstange 12. Die Anstellwinkelpleuelstange 12 gleitet frei auf der verankerten Basis und wird nur durch die Kompression oder Expansion der Feder 14 begrenzt.
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Diese Konstruktion (5 und 6), die eine parallele Schaufel aufweist, ist für Gase in einer Gebläsekonfiguration geeignet, bei der eine lineare Bewegung in einem eher begrenzten Raum erwünscht ist. Die Federanordnung dämpft außerdem Schwingungen, die in einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftreten.
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Einsatz
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Der Motor ist mit einer Kurbel verbunden und dreht sie mit einem Hub, der der gewünschten Fluidströmung gleicht. Eine Pleuelstange ist an der Kurbelscheibe befestigt und durch ein Schwenklager/eine Schwenklagerhalterung geführt und an einem einzigen Punkt etwa in der Mitte der Schaufel mit der Schaufel verbunden. Es wird erwartet, dass für Fachleute ersichtlich ist, dass Systeme, die mehrere Motoren, Pleuelstangen, Schwenklager und Schaufeln aufweisen, in Konfigurationen verwendet werden können, die andere Konstruktionslösungen betrachten.
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In Abhängigkeit von seiner Verwendung als ein Gebläse, als Pumpe oder Propeller, wird der Schaufelabschnitt der Vorrichtung in den Fluid- oder Gasstrom abgesenkt und der Motor gestartet. Wenn der Fluid- oder Gasstrom beschleunigt wird, kann die Motordrehzahl geändert werden, um das Fluid weiter zu beschleunigen. Alternativ wird, wenn die Motordrehzahl konstant bleibt, das Fluid oder Gas eine optimale Geschwindigkeit für die Schaufelkonstruktion erreichen. Wenn die Schaufel an irgendeinem Extrempunkt der Kurbelbewegung stoppt, entsteht ein Zustand mit niedrigem Strömungswiderstand, in dem die Fluid- oder Gasströmung nicht gebremst wird. Wenn die Schaufel auf halber Strecke gestoppt wird, wird ein maximaler Strömungswiderstand erzeugt und wird die Fluid- oder Gasströmung abgebremst. Durch eine Umkehr der Motordrehrichtung wird der Schaufelzyklus umgekehrt und wird das Fluid in die entgegengesetzte Richtung strömen.
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Der Kurbelhub kann weiter von der Mitte weg oder näher zur Mitte hin eingestellt werden, wodurch verschiedene Pumpenkennlinien erhalten werden. Nahe an der Mitte oder mit einem kurzen Hub wird die Pumpe eher zu einem Flügelrad mit weniger Beschleunigungseigenschaften und geringerem Strömungswiderstand, wodurch veranlasst wird, dass das Fluid sich mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt. Bei einem langen Hub wird das Fluid schneller auf eine vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt und wird ein Fluid mit hoher Masse effizienter beschleunigt.
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Je weiter das Schwenklager von der Kurbel entfernt ist, desto flacher ist der Anstellwinkel und desto geringer ist die erhaltene Vortriebsbeschleunigung. Bei kleineren Abständen werden ein größerer Anstellwinkel und eine höhere Beschleunigung erhalten. Wenn allerdings der Abstand zu klein ist, wird der Schlupf in den Verbindungselementen verstärkt, was zu übermäßiger Geräuschentwicklung und beschleunigtem Verschleiß führt.
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Wenn zusätzliche Leistung erforderlich ist, kann das System bei der 3- bis 4-fachen Drehzahl betrieben werden. Dies kann zu erhöhter Geräuschentwicklung und vermehrten Schwingungen führen, wenn Teile des Systems nicht im Gleichgewicht stehen. An der Kurbel kann ein durch eine Feder vorgespanntes Gegengewicht montiert werden, das dem auf die Schaufel ausgeübten Lastgewicht gleicht, um den größten Teil der den Zyklus belastenden Schwingungen zu dämpfen. Wenn eine intermittierende Verwendung bei einer noch höheren Geschwindigkeit beabsichtigt ist, kann ein im Gegenhub betriebenes Schaufelsystem (ein Zweischaufelsystem) verwendet werden. Damit beide Schaufeln das Fluid in die gleiche Richtung antreiben, müssen die Kurbeln in entgegengesetzte Richtungen angetrieben werden. Dies kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden. Bei Verwendung eines einzelnen Motors, können ein Ritzel und zwei Kronenräder zum Antreiben der Kurbel auf einer einzelnen Achse verwendet werden.
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Wenn die Pleuelstange von der Mitte versetzt befestigt wird, kann zwar veranlasst werden, dass das Fluid schneller beschleunigt wird, dadurch wird aber auch ein größerer Strömungswiderstand für die Fluidströmung bei Höchstgeschwindigkeit erhalten. Daher ist diese Technik für hochviskose oder sich langsam bewegende Fluids bevorzugt.
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Pumpen
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Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bewegen von Fluids ist im Wesentlichen die gleiche wie zum Bewegen eines Gases, alle Elemente der Vorrichtung werden allerdings dafür ausgelegt sein müssen, die schwereren Massen und höheren Viskositäten aufzunehmen (1). Die Eigenschaften der Schaufelbewegung reduziert Fouling und sind derart, dass in der Strömung abgefangene Objekte mit geringerer Wahrscheinlichkeit beschädigt werden.
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Gebläse
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bewegen von Gasen ermöglicht allgemein eine leichtere Konstruktion. Die Bewegung von Rauch oder explosiven Gasen kann explosionsbeständige Motoren oder nichtmetallische Schaufeln und sogar Transportierbarkeit erfordern. Bei kleineren Geräte, die beispielsweise zur Luftbewegung auf Leiterplatten verwendet werden, kann der Motor zu einer Seite hin versetzt sein und eine verlängerte Antriebswelle aufweisen, um zu vermeiden, dass der Motor den Luftstrom stört. Ähnlicherweise kann bei einem Raumventilator der Motor aus Stabilitätsgründen in der Basis angeordnet sein. Die Anordnung kann auch in Schwingungen versetzt werden, um die Strömung breiter zu verteilen. Sehr große Vorrichtungen mit Schaufeln mit einer Breite von 30,5 Metern (100 Fuß) oder mehr können konstruiert werden, um unerwünschte Luftschadstoffe wie Smog oder Rauch von Gemeinden weg zu bewegen. Alternativ kann eine Vorrichtung dieser Größe als Gegenwindvorrichtung zum Kontrollieren von Flächenbränden eingesetzt werden. Ähnlicherweise können, indem während eines potentiellen Frostwetters eine warme Brise über Kulturpflanzen bewegt wird, Wetterverluste vermieden werden.
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Propeller
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Herkömmliche Propeller haben den Nachteil, dass sie mit der Zeit korrodieren. Dies geschieht während der Verwendung, wenn der Druck auf oder um ein herkömmliches Folien-Propellerblatt ausreichend reduziert ist, um den Dampfdruck des Fluids auszugleichen. Unter dieser Bedingung wird der flüssige Zustand nicht mehr länger aufrechterhalten und verdampfen Moleküle unter Bildung von Hohlräumen oder Blasen aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn diese Gase miteinander in Kontakt kommen, verursachen sie eine mikroskopische explosive Reaktion, wobei die Temperatur 1093°C (2000°F) überschreitet, wodurch Lochfraß und Erosion verursacht werden. Die Blasen stören außerdem Strömungsmuster, wodurch die Effizienz vermindert wird. Die laminare Oberflächenströmung der vorliegenden Technologie beseitigt diese Probleme und ermöglicht eine längere Lebensdauer der Schaufel und eine Senkung der Kosten für Wartung und Betrieb.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bewegen von Objekten durch ein Gas oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise ein Flugzeugpropeller oder eine Schiffsschraube, kann mit einem Paar Schaufeln konfiguriert sein, die einen Vorschub in die gleiche Richtung erzeugen (3 und 4). Allerdings ist die Montage zweier separater Vorrichtungen backbord und steuerbord bevorzugt, wenn die Seiten für eine Ausführungsform mit Einzelantrieb und Doppelschaufel zu weit voneinander beabstandet sind. Dieses Modell ermöglicht einen Gegenschubbetrieb zum Manövrieren in engen Revieren. Die Ausführungsform mit Einzelmotor und Doppelschaufel kann gerichtet positioniert werden, um Schub in allen gewünschten Richtungen für den Antrieb, Lenk- und Trimmmanöver- und Manövrierung auf engem Raum bereitzustellen, wodurch das Erfordernis für Ruder, Strahlruder oder Wendegetriebe eliminiert wird.
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Die vorstehend dargestellten Informationen werden bereitgestellt, um Fachleuten vollständig darzulegen und zu beschreiben, wie die Ausführungsformen der Vorrichtung und Verfahren hergestellt und verwendet werden können, und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche sind Modifikationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich (die für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sind). Alle in dieser Beschreibung zitierten Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen sind hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
