DE19520014A1 - Schwingförderer-System - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwingförderer-System zum Transport von Materie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Schwingförderer ist aus der DE 41 33 081 A1 oder DE 41 04 784 A1 bekannt und weist einen Rotor mit einer Lagerstelle und einem Stator auf. Mit einem einseitig am Rotor befindlichen als Oszillator ausgebildeten Element wird der Rotor durch ein programmierbar umlaufendes digitales Kraftfeld, insbesondere durch elektromagnetische oder elektrische und magnetische Felder gekoppelt mit elastomechanischen Feldern in Schwingungen versetzt. Je Impuls setzt sich eine Schwingung aus einer radialen Schwingung und einer Torsionsschwingung zusammen und führt in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz zu spiralförmigen Wellen, in einem Resonator, der als Hohlzylinder oder Hohlkegel ausgebildet ist. Ein solcher Schwingförderer kann zu einem Schwingförderer-System mithin auch als Spiraltrieb-System bezeichnet, konzipiert werden.

Die Erzeugung von reproduzierbaren naturrelevanten Bewegungen und der programmierbare Transport von Materie im Mikro- als auch im Makrobereich sind fundamentale Probleme in der Biotechnologie, Medizin und der Technik. Das Spiraltrieb- System findet überall dort Anwendung, wo etwas reproduzierbar bewegt und/oder programmierbar transportiert werden soll und/ oder eine Informationsübertragung auch in Verbindung einer Aktion stattfinden soll. Ebenso ist dieses System als Antriebssystem nach der Rückstoßmethode in Relation der Bewegung der Spiralwellen geeignet.

Besonders geeignet ist dieses Spiraltrieb-System für die Mikrosystemtechnik, da hier keine rotierenden Elemente, Lager ect. also konventionelle Akzelerationsmechanismen vorhanden sind; der Transportprozeß wird hier nur durch Schwingungs­ vorgänge hervorgerufen.

Es ist eine Vielzahl von Lösungen bekannt, bei denen in Stoffen beispielsweise durch Übertragung mechanischer Schwingungen eine bestimmte Vibrationsarbeit geleistet wird. Diese Lösungen sind in der Regel nur für einen ganz bestimmten Anwendungsfall geeignet und einsetzbar. Die Beeinflussung von Stoffen durch mechanischen Schwingungen oder Stoßwellen war bisher nur durch eindimensionale Wellenvorgänge möglich.

Die Schwingungen und Stoßwellen sind nur durch entsprechenden Aufwand in ihren Parametern steuerbar, und eine reproduzierbare Anpassung der Schwingungen an vorhandenen Eigenbewegungen z. B. der Mikroorganismen ist kaum möglich.

In der DE 42 16 050 A1 ist eine Schwingplatte angegeben, bei der piezokeramische Ultraschalloszillatoren eine Wanderwelle erzeugen. Je zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnete Oszillatoren bewirken eine Komponente in entgegengesetzter Richtung. Aus der EP 0360 199 A2 ist ein gewellter Schwingring zu entnehmen, an den drei Schwingeinrichtungen über je zwei Kopplungsschäfte angreifen. Diese greifen im Abstand von der halben Wellenlänge am Wellenring an und leiten die Welle weiter, d. h. führen zu einer wandernden Welle.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Schwingförderer mit einem als Schwinger ausgebildeten, beweglich gestützten, Spiralwellen erzeugenden Rohr und/oder hinreichend kleinen Teilsegmenten eines Rohres (Elementarkreisel) zum Transport von Materie so zu schaffen, daß die Lagerung des Rohres oder des Elementarkreisels und/oder ein homogenes zusammenhängendes Rohr entfallen kann.

Dieses Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Lösung wird nur durch Rotationsoszillationen eines oder mehrerer Oszillationssegmente die Resonatoren entsprechend der Kinematik der Spiralwellen bewegt und die Materie programmierbar auf Spiralwellen transportiert.

Das Förderprinzip zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß durch die anhaftenden Möglichkeiten, die über das reine Fördern eines Transportmediums hinausgehen, der dynamische Systemcharakter erhöht werden kann und eine erhebliche Steigerung der Effektivität von technischen und biologischen Prozessen ohne jede negative Beeinflussung der Umwelt zu erwarten ist.

Das Fördermedium erfährt durch die Bewegung des Resonators je Schwingungsimpuls im Zeitintervall dt eine dreidimensionale Komponente, deren einzelne Vektorimpulse in eine radiale Komponente, eine Komponente in Ausbreitungsrichtung und eine tangentiale Komponente (Drehimpuls) zerlegt werden kann.

Zerlegt man z. B. ein Rohr in hinreichend viele Teilsegmente gleich Elementarkreisel der Länge Δ1 und ordnet man hinreichend viele gestützte freibewegliche Elementarkreisel axial hintereinander die mit Hilfe von Kraftfeldern über eine Recheneinheit elektronisch kommunizieren und erregt insbesondere immer solche Elementarkreisel, die vorzugsweise im Abstand zu einer zu erzeugenden Spiralwellenlänge von λ/2 vorliegen zu abgestimmten Rotationsoszillationen, d. h. mit entsprechender Frequenz, Amplitude und Phase, so entsteht ein offenes Schwingförderer-System.

Die Spiralwellen sind als Strahl zu sehen mit räumlichen "Bäuchen" und "Tälern".

Von den beabstandeten Elementarkreiseln werden die Materiespiralwellen "eingefangen" und die zu fördernde Materie bekommt von den Elementarkreisel nur so viel Energie, wie sie für den Transport bis zum nächsten Elementarkreisel benötigt.

Die Ablenkung der Materiespiralwellen bei einem vorhandenem Schwerefeld muß dabei berücksichtigt werden.

Eine Umhüllung der Materiespiralwellen z. B durch ein Rohr ist nicht mehr erforderlich, oder eine elastische Haut wird um diese Spiralwellenstruktur gehüllt und diese Spiralwellenstruktur wirkt dann durch die anhaftende inneren Kinematik für ein anliegendes oder umwickeltes elastisches Gebilde als Antriebssystem.

Die Drehimpulse, ein Rechtsdrehimpuls und ein Linksdrehimpuls, die von den Elementarkreiseln gleich Resonatoren erzeugt werden, werden in anliegende elastische Gefäßsysteme eingetragen und erzeugen ebenfalls Drehimpulse und beeinflussen das anliegende Gefäßsystem ebenfalls zur Erzeugung von Spiralwellen, die wiederum einen Transportcharakter haben und hierarchisch bis zur kleinsten Einheit die Bewegungen sich verkoppeln.

Eine Lagerstelle wie z. B. bei Motoren und Getrieben fällt weg. Das einzige schwingende Element ist das Rohr und/oder der oder die Elementarkreisel, oft auch Resonator oder Rotor genannt, der das Fördermedium entsprechend der Spiralwellen transportiert.

Es liegt dabei auf der Hand, daß eine Miniaturisierug zu gestalten ist und daß reproduzierbare naturrelevante Bewegungen erzeugt werden können. Das Spiraltrieb-System findet insbesondere in der Mikromechanik und in der Mikrofluidik ein weites Anwendungsfeld.

Das Spiraltrieb-System dient zum freiprogrammierbaren Transport von Materie auf Spiralwellen mit Hilfe von freiprogrammierbaren in Stärke und oder räumlicher Lage veränderlichen umlaufenden Kraftfeldern, die insbesondere mit elektrischen, magnetischen und/oder elastomechanischen Statoren oder Elementen auch in Verbindung der Werkstoffeigenschaften Magnetostriktion und/oder Elektrostriktion, die einen oder mehrere innerhalb oder außerhalb der Statoren oder Elemente freibewegliche Rotoren beinhalten, erzeugt werden. Die Grundlage zur Erzeugung von Rotationsoszillationen eines freibeweglichen Rotors und demzufolge die Erzeugung von Spiralwellen, z. B. in einem angrenzenden Resonator oder nur die Materiespiralwelle selbst, sind zeitlich veränderbare Kraftfelder, insbesondere elektrische, magnetische und auch elastomechanische Felder (hervorgerufen auch durch Piezoelektrika und/oder Piezomagnetika).

Da bei zeitlichen Veränderungen eines Magnetfeldes oder eines elektrischen Feldes nach der Maxwellschen Theorie immer eine Verkopplung zwischen elektrischen und magnetischen Größen vorhanden ist, handelt es sich bei der Erzeugung von Rotationsoszillationen um nichstationäre elektrische und/oder magnetische Felder also schrittweise umlaufende elektomagnetische Felder auch gekoppelt mit elastomechanischen Felder.

Ein Rotationsoszillationssegment besteht als dynamische Einheit aus einem kreissymmetrischen Stator oder elastomechanischen Elementen (z. B. piezoelektischen und/oder magnetostriktiven Elementen), Rotor gleich Resonator und elastischem Lager bzw. Membran.

Der Resonator ist über eine Membran mit dem Stator verbunden und weist 1, 2, 3, . . . n Rotationsoszillations­ segmente hintereinander und/oder parallel oder in beliebigen Achsen zueinander auf, die zu einer größeren dynamischen Einheit zusammengeschlossen sind und elektronisch über eine Steuereinrichtung und/oder Recheneinheit miteinander kommunizieren und diese dynamischen Einheiten können vorzugsweise mit rotationssymmetrischen elastischen Gebilden z. B. Rohren, Schläuchen oder Kapillaren verbunden sein. Jeder einzelne Resonator führt innerhalb des Rotationsoszillationssegmentes die Bewegung zur Erzeugung des Materietransportes synchron der Spiralwellen aus. Der Resonator weist vorzugsweise die Gestalt eines Hohlzylinder oder Hohlkreiskegels auf und kann an den Enden einen rotationssymmetrischen elastischen Anschluß zu den elastischen Gebilden haben. Das elastische Lager bzw. die Membran ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und senkrecht zur Achse inmitten, außermittig oder an einem Ende des Resonators am Stator angeschlossen. Die Innenwandung und/ oder Außenwandung des Resonators kann axial schräg verlaufende Lamellen besitzen, deren Anzahl vorzugsweise gleich der erzeugten Spiralwellen ist, die symmetrisch über den Umfang verteilt sind.

Die energetische Kopplung der Elementarkreisel mit den Materiespiralwellen ergeben neue Möglichkeiten für die energetische Kopplungen zwischen elastomechanischen Felder und den elektrischen und magnetischen Feldern und bieten die Grundlage für eine Vielzahl von neuartigen Wandlerkonstruktionen bzw. Wandlersystemen und eröffnen neue Wege der Kommunikation, der Sensorik und Aktorik, in Verbindung des spiralförmigen Transportes der Materie.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 Anordnung eines Schwingförderers, d. h. Spiraltrieb- Systems,

Fig. 2 Anordnung eines Oszillationssegmentes, bestehend aus einem Rohr oder Elementarkreisel und umgebenden kreissymmetrischen Elementen.

Die Fig. 1 zeigt eine im Längsschnitt dargestellte erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum programmierbaren Transport von Materie auf mechanischen Spiralwellen. Diese Anordnung besteht aus einzelnen Oszillationssegmenten 1, die in bestimmten oder beliebigen Abständen zueinander mechanisch über die Spiralwellen gekoppelt sind und andererseits über ein Steuergerät mit Hilfe einer Recheneinheit elektronisch über die Anregung der Kraftfelder kommunizieren. Eine Umhüllung der Materiespiralwelle ist in dieser Fig. 1 nicht eingezeichnet.

Wird ein Rohr zu Spiralwellen angeregt, dann ergeben sich elastisch mechanische Spiralwellen in der Rohrwandung, die innerhalb oder außerhalb des Rohres die Materie zum Transport auf Spiralwellen anregt. Die räumliche Wellenstruktur des zu Spiralwellen angeregte Rohr ist ähnlich wie in der Fig. 1 schematisch dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt im Längsschnitt ein Oszillationssegment 1, welches aus dem Stator 2, dem Rotor gleich Resonator 4 und dem elastischen Lager gleich Membran 5 besteht.

Der Resonator, der auch als ein Elementarkreisel 4 bezeichnet werden kann, wenn er hinreichend klein gestaltet ist, ist mittig oder außermittig mit einer Membran 5 mit dem Stator 2 verbunden. Diese Einheit bildet ein schwingungsfähiges System, wobei der Elementarkreisel 4 freiprogrammierbare Rotationsoszillationen ausführen kann.

Innerhalb der Innenwandung und/oder Außenwandung des Resonators können axial schräg verlaufende Lamellen 7 sich befinden, um gegebenenfalls die Komponente in Transportrichtung zu erhöhen.

Bezugszeichenliste

1 Rotationsoszillationssegment (Segment)
2 Stator, Elemente
3 Rohr gleich Resonator (Rohr)
4 Rotor gleich Resonator gleich Elementarkreisel
5 elastisches Lager gleich Membran
6 elastisches Gebilde z. B. Rohre, Schläuche, Kapillaren
7 Lamellen

Claims (11)

1. Schwingförderer-System zum Transport von Materie, der ein elastisches als Schwinge ausgebildetes Rohr aufweist, das beweglich gestützt ist und von Elementen zum Erzeugen von Spiralwellen angeregt wird, die die Materie programmierbar fördert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung axial zueinander beabstandete das Rohr (3) umgebende Elemente (2) vorliegen, von denen benachbarte mindestens eine Komponente in entgegengesetzter Richtung erzeugen und/oder daß zueinander einzelne getrennte Elementarkreisel (4) mit den Elementen (2) axial vorliegen und die beabstandeten Elementarkreisel (4) durch die Anregung der umgebenden Elemente (2) die Materiespiralwellen weiterleiten, wobei der zwischen den Elementarkreisel (4) die Spiralwellen umgebende Raum durch elastische Gebilde (6) oder andere Gebilde eingehüllt oder frei bleiben kann.

2. Schwingförderer-Systeme gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) oder der Elementarkreisel (4) in einem elastischen Lager, insbesondere eine Membran (5), gestützt ist.

3. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) oder der Elementarkreisel (4) zylinder- oder kegelförmig ausgebildet ist.

4. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elementarkreisel (4) aus homogenen Material oder aus einzelnen Segmenten besteht, deren Anzahl vorzugsweise der Anzahl der umgebenden Elemente (2) zur Anregung entsprechen und aus gleichem oder unterschiedlichen Materialien bestehen können.

5. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) vorzugsweise dünnwandig ausgebildet ist, auch als Metallschlauch oder Metallgeflecht vorliegen kann und aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann, insbesondere an den Stellen der Erregung aus ferromagnetischen Material oder elastomechanischen Material bestehen kann.

6. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Elementarkreisel dünnwandig ausgebildet sind und aus ferromagnetischen und/oder aus elastomechanischen Materialien auch als Piezoelektrika oder Piezomagnetika bestehen können.

7. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung und/oder Außenwandung des Rohrs (3) oder des Elementarkreisels (4) glatt oder zur Längsrichtung schräg verlaufende, insbesondere gleich beabstandete, Lamellen (7) aufweist, deren Anzahl gleich der der erzeugten Spiralwellen ist.

8. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Resonatoren und/oder die Wandlung der mechanischer Bewegung des Resonator mit Hilfe elektrischer, magnetischer und/oder elastomechanischer Felder und deren unterschiedlicher Verkopplung erfolgt.

9. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu Spiralwellen angeregte Rohr (3) und/ oder das mit einzelnen Elementarkreiseln (4) zu Spiralwellen angeregte Schwingfördersystem als Antriebselement für anliegende oder umwickelte elastische Gebilde (6) fungiert, wodurch in deren Freiräumen ein Materietransport hierarhisch angeregt wird.

10. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarkreisel (4) mechanisch über die Kinematik der Spiralwellen energetisch gekoppelt sind und zusammen mit den umgebenden Elementen (2) die Oszillationssegmente (1) als Sender oder Empfänger dienen können.

11. Schwingförderer-System gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß 1, 2 . . . n Oszillationssegmente (1) an einem Transportkörper, insbesondere an der Oberfläche, fest verbunden sind oder selbst als Transportkörper fungieren und durch die Anregung des Rohrs (3) und/oder Elementarkreisel (4) sich der Transportkörper oder der oder die Oszillationssegmente (1) in gasförmigen, flüssigen oder granuliertem Medium in Abhängigkeit der Erregung der Resonatoren in Relation der Bewegung der in den Resonatoren erzeugten Spiralwellen translatorisch oder translatorisch gekoppelt mit einer rotatorischen Bewegung programmierbar fortbewegen.