EP1606477A1 - Elektrisch variables pneumatisches bauelement - Google Patents

Elektrisch variables pneumatisches bauelement

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Publication number
EP1606477A1
EP1606477A1 EP04709179A EP04709179A EP1606477A1 EP 1606477 A1 EP1606477 A1 EP 1606477A1 EP 04709179 A EP04709179 A EP 04709179A EP 04709179 A EP04709179 A EP 04709179A EP 1606477 A1 EP1606477 A1 EP 1606477A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component according
pneumatic component
hollow body
pressure
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04709179A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fritz Fuchs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prospective Concepts AG
Original Assignee
Prospective Concepts AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Prospective Concepts AG filed Critical Prospective Concepts AG
Publication of EP1606477A1 publication Critical patent/EP1606477A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H15/00—Tents or canopies, in general
    • E04H15/20—Tents or canopies, in general inflatable, e.g. shaped, strengthened or supported by fluid pressure

Definitions

  • the present invention relates to means for changing the operating parameters of a pneumatic component in the form of an elongated airtight hollow body with at least one pressure rod running along the hollow body on the load side and at least two tension bands tensioned in opposite directions around the hollow body.
  • the drawstrings begin or end at node elements which are arranged at the ends of the at least one pressure rod and loop around the hollow body at least once each.
  • Such pneumatic components are known per se, for example from WO 01/73245 (DI).
  • the pneumatic component consists of, for example, a textile-reinforced flexible, gas-tight hollow body.
  • On the outside at least one pressure rod running along a surface line is arranged on the outside so that it cannot buckle.
  • two drawstrings are fastened, which loop around the essentially tubular hollow body in the opposite direction of screwing and cross each other on a surface line of the hollow body, which lies opposite that of the compression rod, over half the length of the hollow body.
  • the places where the compression rod is connected to the tension bands are nodes, into which the contact forces are also introduced. This means that no bending moments are introduced into the pneumatic component except for those that result from the payload - and the weight - of the pneumatic component.
  • the pneumatic component disclosed in Dl has various disadvantages that manifest themselves during operation: the component or a combination of several components is pressurized with compressed air during assembly via one or more valves and then maintains the pressurized amount of compressed air.
  • the three essential operating parameters of the element namely the pressure in the hollow body, the tensile stress in the tensile elements and the compressive stress in the compression rod, are defined by the geometry of the individual parts and by the initially selected operating pressure in the hollow body. With the exception of the pressure in the hollow bodies, as long as it is regulated via valves and pressure lines during the entire operation, the sizes remain unchanged with the unloaded component and cannot be adapted to special operating conditions.
  • the control of the pressure by means of central pressure generation and distribution to the components is complex and expensive.
  • the pressure lines, which must lead to each component can also make it difficult and quick to set up larger structures consisting of the pneumatic components mentioned.
  • the object of the present invention is to provide pneumatic components with tension and compression elements, the operating parameters of which hollow body overpressure and tension and compression element tension can be varied, controlled and regulated in a simple manner either individually or simultaneously.
  • a control device is very advantageous, for example to compensate for pressure changes caused by temperature fluctuations; It enables automatic safety, energy, vibration and shape control of components and turns the pneumatic component into an intelligent, adaptive structure that can be meaningfully adapted to the changing circumstances due to changing operating parameters.
  • Fig. La, b are schematic representations of a pneumatic component according to the prior art in
  • 3a, b are schematic representations of a first embodiment with reduced hollow body pressure in cross and longitudinal section
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a pressure rod with an integrated piezoelectric stack actuator in longitudinal section
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a drawstring with an integrated electrostrictive polymer actuator in longitudinal section.
  • Fig. La, b are schematic representations of an embodiment according to the current state of the art (DI).
  • Fig. La shows it in side view and Fig. Lb in an isometric view.
  • the pneumatic component shown consists of an elongated, essentially cylindrical hollow body 1 of length L and pressurized with compressed air and having a longitudinal axis A, which is made of a flexible and airtight material.
  • a pressure rod 2 that can be subjected to axial forces is attached to its upper side. Its ends are designed as nodes 3, to which two tension elements 4 are attached.
  • the axial ends of the hollow body 1 each carry a cap 5; For example, one of these caps 5 is equipped with a valve 6 for ventilating the hollow body.
  • FIG. 2a shows a first embodiment of an electro-thermal fluid-reinforced control device for the internal pressure of the hollow body 1 in cross section, FIG. 2b in longitudinal section.
  • a flexible or elastic gas-tight bladder 12 is attached in the interior of the hollow body 1.
  • This bladder 12 contains a container 9 with a volatile liquid 10 (eg CFC).
  • the liquid 10 is in equilibrium with its gas phase 15. The choice of the liquid 10 depends on the operating temperature at which the component is operated. Your boiling point is advantageous in the range of its operating temperature.
  • the container 9 is by means of an opening
  • An electrical heat pump 13 with reversible heat flow direction e.g. a Peleleele ent, one side of which is in thermal contact with the liquid 10, for example by means of lamellae 24, and the other side of which can absorb heat outside the bladder 12 or give it off there.
  • the liquid 10 can be heated or cooled. If the liquid 10 is heated and evaporated in this way, the phase change of the liquid 10 from liquid to gaseous results in a volume expansion of this substance by several hundred times, which is accompanied by an increase in pressure in a limited volume. When the gas 15 cools below the boiling point, it condenses, which in turn leads to a decrease in pressure and volume.
  • At least one electrical pressure sensor 14 is used to measure the pressure pi, which is normally both in the bladder
  • a second pressure sensor 14 can be attached in the hollow body 1 outside the bladder 12. Many possible designs of such pressure sensors are man known and are therefore not explained in more detail here.
  • a cable 16 leads the current to the heat pump 13 and passes the measurement signals of the at least one pressure sensor 14 to a programmable control and regulating electronics 23, which can keep the pressure pi constant, for example in the event of temperature fluctuations, or change it in some other way.
  • the increase in pressure in the hollow body 1 simultaneously leads to an increase in the tensile stress in the tension elements 4 and to an increase in the compressive stress in the compression rod 2.
  • the construction of the bladder 12 is carried out so and the quantity n of the liquid 10 such that at a maximum temperature T m a x and a maximum volume V max, the bladder 12 to the pressure resulting pima xr which for an ideal gas (nRT max) / V max , withstands, and the gas 15 and the liquid 10 cannot escape.
  • nRT max ideal gas
  • V max maximum volume
  • the bladder 12 In order to prevent the hollow body 1 from bursting, it is provided, for example, with a pressure relief valve 25, or it must be ensured that the hollow body 1 withstands the resulting maximum pressure when the non-cooling heat pump 13 is switched off and the maximum temperature T max .
  • the bladder 12 can be thermally insulated.
  • FIGS. 2a, b show the first exemplary embodiment according to FIGS. 2a, b in a state with an almost completely condensed volatile liquid 10 and essentially empty, collapsed, sagging bladder 12.
  • the pressure p 2 in the hollow body 1 and in the bladder 12 is less than the pressure pi.
  • 3a shows a cross section and FIG. 3b shows a longitudinal section.
  • Similar electrothermal control devices are known, for example, from WO 01/53902 (D2), where the pressure difference resulting from the phase change is used to open and close a valve.
  • 4a, b, c show side views of a second embodiment of an electrically variable pneumatic component tes, in which the length and tension of the tension elements 4 and the compression rod 2 can be changed.
  • 4a shows the second exemplary embodiment of an electrically variable component in the passive state, that is to say that the lengths and tensions of the compression rod 2 and tension elements 4 are not changed electrically.
  • 4b and c show schematically and greatly exaggerated the change in the component when the compression rod 2 is actively extended, in FIG. 4b, and when the tension elements 4 are shortened, in FIG. 4c.
  • EAC electroactive ceramics
  • EAP electroactive polymers
  • EAC lead zirconate titanate
  • PVDF EAP polyvinylidene difluoride
  • the advantage of the above-mentioned electrical actuators compared to electromagnetic actuators is that they have no moving parts and therefore hardly any signs of wear and tear.
  • the material itself deforms.
  • the compression rod 2 and tension elements 4 are provided with sensors in addition to the actuators. These can be resistance or strain gauges or other electrical length or voltage sensors, for example, or intelligent actuators can be used. These consist of material with simultaneous actuator and sensory behavior, which in principle applies to all piezoelectric materials.
  • Pressure changes that are achieved in the hollow body 1 by means of electrothermal fluid-reinforced actuators the variation possibilities in the compression rod 2 and tension elements 4 are smaller.
  • the reaction time for a pressure change in the hollow body 1 is relatively long and the pressure control is accordingly sluggish, while electroactive actuators can act very quickly.
  • the pressure control is used to maintain a constant pressure and thus constant voltage of the component.
  • An adaptation with response times in the range of minutes is sufficient. In this way, pressure fluctuations caused by temperature fluctuations during the day or by sunlight can be compensated for.
  • the electroactive voltage control of the compression rod and tension elements is suitable for vibration damping and in particular also for monitoring the component.
  • damping e.g. Vibrations of the component caused by wind
  • the actuators are operated, for example, in phase opposition to the electrical signal of the sensors.
  • an exact determination of the load condition of the component is possible. Malfunctions or approaching load limits can be registered immediately.
  • the use of piezoelectric linear motors is conceivable and corresponds to the inventive idea.
  • FIG. 5 shows a possible exemplary embodiment of an electrically variable pressure rod 2, which partially consists of a stack actuator 17 made of EAC.
  • the change in length, depending on the The lengthening or shortening of the individual actuator elements 18 add up to the total change in length of the stack actuator 17.
  • Positive and negative voltage is alternately applied to the actuator elements 18, so that alternately opposite electric fields E arise in the axis of the pressure rod 2 in them.
  • the piezoelectric effect leads to the expansion or shortening of the actuator elements 18 in the field and axis directions.
  • a piezoelectric or piezoresistive voltage sensor 19 Also integrated in the pressure rod 2 is, for example, a piezoelectric or piezoresistive voltage sensor 19.
  • a cable 16, containing the power supply and data line connects the sensor and the actuator to the control electronics 23, which monitors, controls or regulates a single or a combination of pneumatic components.
  • Such control electronics are state of the art and are therefore not explained in detail here.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through a possible exemplary embodiment of a tension element 4 with an integrated electrostrictive multilayer actuator.
  • a low stretch carrier layer 20 e.g. an aramid-reinforced tape
  • several electrostrictive polymer layers 21 are applied over part or the entire length of the tension element 4, separated and bordered by electrically conductive conductor layers 22.
  • the conductor layers 22 can be alternately positively and negatively energized and thus produce in the electrostrictive polymer layers in between 21 electric fields E transverse to the tension element 4.
  • the polymer layers 21 expand in the direction of the electric field when voltage is applied.
  • the cross-sectional area of the tension element 4 increases and its length shortens due to the volume maintenance.

Landscapes

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Abstract

Der Hohlkörperinnendruck P1 eines pneumatischen Bauelementes bestehend aus einem Hohlkörper (1) mindestens zwei Zugelemen­ten (4) und mindestens einem Druckstab (2) kann elektrother­misch fluidverstärkt variiert werden. Im Hohlkörper (1) be­findet sich eine Blase (12), ein Gas (15) enthaltend, und ein Behälter (9), welcher eine volatile Flüssigkeit (10) enthält. Die Flüssigkeit (10) kann mittels einer Wärmepumpe (13) ge­heizt oder gekühlt werden. Die Wärmepumpe (13) steht mittels Lamellen (24) thermisch mit der Flüssigkeit (10) in Kontakt. Ein Drucksensor (14) misst den Druck in der Blase (12). Ein Kabel (16) verbindet den Sensor (14) und die Wärmepumpe (13) mit einer Steuer- und Regelelektronik (23).

Description

Elektrisch variables pneumatisches Bauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft Mittel zur Veränderung der Betriebsparameter eines pneumatischen Bauelementes in der Form eines langgestreckten luftdichten Hohlkörpers mit mindestens einem auf der Lastseite längs des Hohlkörpers verlaufenden Druckstab und mindestens zwei in gegenläufigem Schrau- bungssinne um den Hohlkörper gespannten Zugbändern. Dabei beginnen bzw. enden die Zugbänder an Knotenelementen, welche an den Enden des mindestens einen Druckstabes angeordnet sind, und umschlingen den Hohlkörper je mindestens einmal. Solche pneumatische Bauelemente sind an sich bekannt, beispielsweise aus WO 01/73245 (Dl) .
Dabei besteht das pneumatische Bauelement aus einem beispielsweise textilarmierten flexiblen gasdichten Hohlkörper. An diesem ist auf der Aussenseite mindestens ein längs einer Mantellinie verlaufender Druckstab so angeordnet, dass er nicht ausknicken kann. An den Enden dieses Druckstabes sind zwei Zugbänder befestigt, welche den im Wesentlichen rohrför- migen Hohlkörper in gegenläufigem Schraubungssinne einmal umschlingen und einander auf einer Mantellinie des Hohlkörper, welche jener des Druckstabes gegenüberliegt, auf der halben Länge des Hohlkörpers überkreuzen. Die Stellen, wo der Druckstab mit den Zugbändern verbunden ist, sind Knoten, in welche auch die Auflagekräfte eingeleitet werden. Damit werden in das pneumatische Bauelement keine Biegemomente eingeführt au- sser jenen, die aus der Nutzlast - und dem Gewicht - des pneumatischen Bauelementes herrühren.
Das in Dl offenbarte pneumatische Bauelement weist verschiedene, sich im Betrieb äussernde Nachteile auf: Das Bauelement oder eine Kombination mehrerer Bauelemente wird beim Aufbau über ein oder mehrere Ventile mit Druckluft beaufschlagt und behält anschliessend die beaufschlagte Druck- luftmenge bei. Die drei wesentlichen Betriebsparameter des Elementes, nämlich der Druck im Hohlkörper, die Zugspannung in den Zugelementen und die Druckspannung im Druckstab, sind definiert durch die Geometrie der Einzelteile und durch den anfänglich gewählten Betriebsdruck im Hohlkörper. Mit Ausnahme des Druckes in den Hohlkörpern, sofern er über Ventile und Druckleitungen während des ganzen Betriebes geregelt wird, bleiben die Grossen beim unbelasteten Bauelement unverändert und können nicht an besondere Betriebszustände angepasst werden. Die Regelung des Druckes mittels zentraler Druckerzeugung und Verteilung zu den Bauelementen ist aufwändig und teuer. Die Druckleitungen welche zu jedem Bauelement führen müssen, können zudem einen schnellen und unkomplizierten Aufbau grösserer Strukturen, bestehend aus den genannten pneumatischen Bauelementen, erschweren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung von pneumatischen Bauelementen mit Zug- und Druckelementen, deren Betriebsparameter Hohlkörperüberdruck und Zug- und Druckelementspannung auf einfache Weise entweder einzeln oder simultan variiert, kontrolliert und geregelt werden können. Eine derartige Kontrollvorrichtung ist sehr vorteilhaft, um beispielsweise durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Druckveränderungen auszugleichen; sie ermöglicht eine selbsttätige Sicherheits-, Energie-, Vibrations- und Formkontrolle von Bauteilen und macht aus dem pneumatischen Bauelement eine intelligente, adaptive Struktur, welche sinnreich den aufgrund von veränderlichen Betriebsparametern wechselnden Umständen angepasst werden kann.
Die Lösung der Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 hinsichtlich ihrer wesentlichen Merkmale, in den weiteren Ansprüchen hinsichtlich ergänzender vorteilhafter Ausbildungen. Anhand der beigefügten Zeichnungen wird der Erfindungs- gegenstand anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. la,b schematische Darstellungen eines pneumatischen Bauelementes ge äss dem Stande der Technik in
Seitenansicht und in einer Isometrie, Fig. 2a, b schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels mit erhöhtem Hohlkörperinnendruck im Quer- und Längsschnitt,
Fig. 3a, b schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels mit erniedrigtem Hohlkörperinnendruck im Quer- und Längsschnitt,
Fig. 4a,b,c schematische Darstellungen eines zweiten Ausfüh- rungsbeispiels mit variierbarer Druckstab- und
Zugelementlänge mit passiven und aktivierten Aktoren,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungs- beispiels eines Druckstabes mit integriertem piezoelektrischem Stapelaktor im Längsschnitt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zugbandes mit integriertem elek- trostriktivem Polymeraktor im Längsschnitt.
Fig. la,b sind schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels gemäss dem aktuellen Stande der Technik (Dl) . Fig. la zeigt es in Seitenansicht und Fig. lb in isometrischer Darstellung. Das gezeigte pneumatische Bauelement besteht aus einem langgestreckten, im Wesentlichen zylindrischen mit Druckluft beaufschlagten Hohlkörper 1 der Länge L und mit einer Längsachse A, welcher aus einem flexiblen und luftdichten Material gefertigt ist. Auf seiner Oberseite ist ein auf axiale Kräfte beanspruchbarer Druckstab 2 angebracht. Dessen Enden sind als Knoten 3 ausgestaltet, an denen je zwei Zugelemente 4 befestigt sind. Die axialen Enden des Hohlkörpers 1 tragen je eine Kappe 5; beispielsweise eine dieser Kappen 5 ist mit einem Ventil 6 zur Be- und Entlüftung des Hohlkörpers ausgerüstet.
Die zwei Zugelemente 4 umschlingen den Hohlkörper 1 schraubenförmig in entgegengesetztem Umlaufssinne beispielsweise je einmal mit konstanter Ganghöhe. Daher überschneiden sie ein- ander an einer Stelle 8 in der Mitte einer dem Druckstab 2 gegenüberliegenden Mantellinie 7. Druckstab 2 und Mantellinie 7 liegen beide in einer Symmetrieebene Es, welche ebenfalls die mit A bezeichnete Längsachse des Hohlkörpers 1 enthält. Fig. 2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektro- thermischen fluidverstärkten Kontrollvorrichtung für den Innendruck des Hohlkörpers 1 im Querschnitt, Fig. 2b im Längsschnitt. Im Innern des Hohlkörpers 1 ist eine flexible oder elastische gasdichte Blase 12 angebracht. Diese Blase 12 ent- hält einen Behälter 9, mit einer volatilen Flüssigkeit 10 (z. B. FCKW) . Die Flüssigkeit 10 steht mit ihrer Gasphase 15 im Gleichgewicht. Die Wahl der Flüssigkeit 10 richtet sich nach der Betriebstemperatur, bei welcher das Bauelement betrieben wird. Ihr Siedepunkt ist mit Vorteil im Bereich von dessen Betriebstemperatur. Der Behälter 9 ist mittels einer Öffnung
11 mit dem Innenraum der Blase 12 verbunden.
Im Behälter 9 integriert ist weiter eine elektrische Wärmepumpe 13 mit umkehrbarer Wärmestromrichtung, z.B. ein Pel- tierele ent, deren eine Seite mit der Flüssigkeit 10 bei- spielsweise mittels Lamellen 24 thermisch in Kontakt steht und deren andere Seite Wärme ausserhalb der Blase 12 aufnehmen oder sie dorthin abgeben kann. Je nach Richtung des Wärmestroms der Wärmepumpe 13 kann die Flüssigkeit 10 geheizt oder gekühlt werden. Wird die Flüssigkeit 10 erwärmt und auf diese Weise zum Verdampfen gebracht, so resultiert aus dem Phasenwechsel der Flüssigkeit 10 von flüssig zu gasförmig eine Volumenausdehnung dieses Stoffes um das Mehrhundertfache, was in einem begrenzten Volumen mit einer Druckzunahme einhergeht. Bei Abkühlung des Gases 15 unter den Siedepunkt kon- densiert es, was wiederum zu einer Druck- und Volumenabnahme führt .
Mindestens ein elektrischer Drucksensor 14 dient der Druckmessung des Druckes pi, der normalerweise sowohl in der Blase
12 und dem Behälter 9 als auch im Hohlkörper 1 herrscht. Um ein Leck und einen damit verbundenen Druckabfall im Hohlkörper 1 zu erkennen, kann ein zweiter Drucksensor 14 im Hohlkörper 1 aber ausserhalb der Blase 12 angebracht werden. Viele mögliche Ausführungen solcher Drucksensoren sind dem Fach- mann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Ein Kabel 16 führt den Strom zur Wärmepumpe 13 und leitet die Messsignale des mindestens einen Drucksensors 14 zu einer programmierbaren Steuer- und Regelelektronik 23, welche den Druck pi, beispielsweise bei Temperaturschwankungen, konstant halten oder auf andere Art und Weise verändern kann.
Die Erhöhung des Druckes im Hohlkörper 1 führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Zugspannung in den Zugelementen 4 und zu einer Erhöhung der Druckspannung im Druckstab 2.
Die Konstruktion der Blase 12 wird so ausgeführt und die Menge n der Flüssigkeit 10 so bemessen, dass bei einer Maximaltemperatur Tmax und einem Maximalvolumen Vmax die Blase 12 dem entstehenden Druck pimaxr welcher für ein ideales Gas (nRTmax) /Vmax beträgt, standhält, und das Gas 15 und die Flüssigkeit 10 nicht entweichen können. Um dem Bersten des Hohlkörpers 1 vorzubeugen, ist dieser beispielsweise mit einem Überdruckventil 25 versehen, oder es muss sichergestellt sein, dass der Hohlkörper 1 bei ausgeschalteter, nicht küh- lender Wärmepumpe 13 und Maximaltemperatur Tmax dem entstehenden Maximaldruck standhält. Um den Wärmeaustausch zwischen der Umgebung und dem geheizten oder gekühlten System bestehend aus Behälter 9 und Blase 12 zu verlangsamen und so die benötigte Leistung für die Wärmepumpe 13 zu reduzieren, kann die Blase 12 thermisch isoliert werden.
Fig. 3a,b zeigen das erste Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2a, b in einem Zustand, mit nahezu vollständig kondensierter volatiler Flüssigkeit 10 und im Wesentlichen geleerter, zusammengefallener, schlaffer Blase 12. Der Druck p2 im Hohl- körper 1 und in der Blase 12 ist kleiner als der Druck pi. In Fig. 3a ist ein Querschnitt und in Fig. 3b ein Längsschnitt dargestellt.
Ähnliche elektrothermische Kontrollvorrichtungen sind zum Beispiel aus WO 01/53902 (D2) bekannt, wo die durch den Pha- senwechsel entstehende Druckdifferenz zum Öffnen und Schlie- ssen eines Ventils genutzt wird.
Fig. 4a,b,c zeigen Seitenansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines elektrisch variablen pneumatischen Bauelemen- tes, bei dem Länge und Spannung der Zugelemente 4 und des Druckstabes 2 veränderbar sind. In Fig. 4a ist das zweite Ausführungsbeispiel eines elektrisch variablen Bauelementes im passiven Zustand dargestellt, das heisst, die Längen und Spannungen von Druckstab 2 und Zugelementen 4 sind nicht elektrisch verändert. Fig. 4b und c zeigen schematisch und stark überhöht die Veränderung des Bauelementes bei aktiver Verlängerung des Druckstabes 2, in Fig. 4b, und bei Verkürzung der Zugelemente 4, in Fig. 4c. Die Kontrolle dieser Tei- le erfolgt elektrisch mittels elektroaktiver Keramiken (EAC) für den Druckstab 2 oder elektroaktiver Polymere (EAP) für die Zugelemente 4. Die genutzten physikalischen Effekte sind Piezoelektrizität und Elektrostriktion. Ein Beispiel für eine EAC ist Bleizirkonattitanat (PZT) und für einen EAP Polyviny- liden-Difluorid (PVDF) . Auf dem Gebiet piezoelektrischer und elektrostriktiver Materialien und Aktoren wird intensiv geforscht und dem Fachmann ist es möglich, geeignete EAC für den Druckstab und EAP für die Zugelemente zu wählen, zu Stapeln oder zu Bündeln, eventuell vorzuspannen und mit anderen Materialien in Verbundbauweise zu kombinieren.
Der Vorteil der obenerwähnten elektrischen Aktoren liegt im Vergleich zu elektromagnetischen Aktoren darin, dass sie keine bewegten Teile haben und daher kaum Verschleiss- erscheinungen auftreten. Das Material selbst verformt sich. Um eine Rückmeldung über den Spannungszustand des Druckstabes 2 oder der Zugelemente 4 an die Regelelektronik zu erhalten, werden Druckstab 2 und Zugelemente 4 zusätzlich zu den Aktoren mit Sensoren versehen. Dies können z.B. Widerstands-, Dehnungsmessstreifen oder andere elektrische Längen- oder Spannungssensoren sein oder es werden intelligente Aktoren eingesetzt. Solche bestehen aus Material mit gleichzeitig aktorischem und sensorischem Verhalten, was prinzipiell auf alle piezoelektrischen Materialien zutrifft. Druckstäbe mit z.B. EAC Stapelaktoren und Zugbänder mit z.B. aramidarmierten PVDF-Aktorbündeln in der Art künstlicher Muskeln ermöglichen zur Zeit relative Längenänderungen im Prozentbereich und die erzeugte Spannung liegt momentan im Bereich von 50 bis 100 MPa. Im Vergleich zu den relativ grossen Druckänderungen, die mittels elektrothermischer fluidver- stärkter Aktoren im Hohlkörper 1 erreicht werden, sind die Variationsmöglichkeiten in Druckstab 2 und Zugelementen 4 kleiner. Die Reaktionszeit für eine Druckänderung im Hohlkör- per 1 ist verhältnismässig lang und die Druckregelung verhält sich dementsprechend träge, während elektroaktive Aktoren sehr schnell agieren können.
Dies ergibt unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten für die verschiedenen Kontrollvorrichtungen. Die Druckkontrolle be- zweckt die Erhaltung eines konstanten Druckes und somit gleichbleibender Spannung des Bauelementes. Dazu genügt eine Adaption mit Reaktionszeiten im Bereich von Minuten. Durch Temperaturschwankungen im Tagesverlauf oder durch Sonneneinstrahlung verursachte Druckschwankungen können auf die- se Weise kompensiert werden.
Die elektroaktive Spannungskontrolle von Druckstab und Zugelementen bietet sich hingegen zur Vibrationsdämpfung und insbesondere auch zur Überwachung des Bauelementes an. Zur Dämpfung von z.B. durch Wind bewirkten Schwingungen des Bauelementes werden die Aktoren beispielsweise in Gegenphase zum elektrischen Signal der Sensoren betrieben. Mit den Sensoren in Druckstab und Zugbändern ist eine genaue Bestimmung des Belastungszustandes des Bauelementes möglich. Fehlfunktionen oder Annäherung an Belastungsgrenzen können unverzüg- lieh registriert werden. Denkbar ist des Weiteren auch das Zusammenfügen derartiger elektrisch variabler Bauelemente zu einer schallsensitiven Struktur, bei sensorischer Nutzung, oder einer schallerzeugenden, bei aktorischer Nutzung. Um grössere Stellwege für die Längenänderung in Druckstab und Zugelementen zu ermöglichen, ist der Einsatz von piezoelektrischen Linearmotoren denkbar und entspricht dem erfinderischen Gedanken.
Werden bei Ausführungen des Bauelementes mit mehreren Druckstäben 2 diese nicht gleichsinnig verändert, so können Biege- momente in verschiedene Richtungen erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiels eines elektrisch variablen Druckstabes 2, der teilweise aus einem Stapelaktor 17 aus EAC besteht. Die Längenänderung, je nach Po- lung Verlängerung oder Verkürzung, der einzelnen Aktorelemente 18 summieren sich zur Gesamtlängenänderung des Stapelaktors 17. An die Aktorelemente 18 wird alternierend positive und negative Spannung angelegt, so dass in ihnen abwechselnd einander entgegengesetzte elektrische Felder E in der Achse des Druckstabes 2 entstehen. Der piezoelektrische Effekt führt zur Ausdehnung oder zur Verkürzung der Aktuatorelemente 18 in Feld- und Achsrichtung. Im Druckstab 2 integriert ist zudem ein beispielsweise piezoelektrischer oder piezoresisti- ver Spannungssensor 19. Ein Kabel 16, Stromversorgung und Datenleitung enthaltend, verbindet Sensor und Aktor mit der Regelelektronik 23, welche ein einzelnes oder einen Verbund von pneumatischen Bauelementen überwacht, steuert oder regelt. Eine solche Regelelektronik ist Stand der Technik und wird hier daher nicht näher erläutert.
In Fig. 6 dargestellt ist ein Längsschnitt durch ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Zugelementes 4 mit integriertem elektrostriktivem mehrschichtigem Aktor. Auf einer dehnungsarmen Trägerschicht 20, z.B. einem aramidverstärkten Band, sind über einen Teil oder die ganze Länge des Zugelementes 4 mehrere elektrostriktive Polymerschichten 21 aufgebracht, getrennt und eingefasst durch elektrisch leitende Leiterschichten 22. Die Leiterschichten 22 können alternierend positiv und negativ unter Spannung gesetzt werden und erzeugen so in den dazwischenliegenden elektrostriktiven Polymerschichten 21 elektrische Felder E quer zum Zugelement 4. Die Polymerschichten 21 dehnen sich bei angelegter Spannung in Richtung des elektrischen Feldes aus. Die Querschnittsfläche des Zugelementes 4 vergrössert sich und seine Länge ver- kürzt sich aufgrund der Volumenerhaltung.

Claims

Patentansprüche
1. Pneumatisches Bauelement
- mit einem luftdichten und' durch Druckluft beaufschlag- baren langgestreckten Hohlkörper (1) aus flexiblem Material,
- mit mindestens einem Druckstab (2), der längs einer Mantellinie des Hohlkörpers (1) an diesem anliegt und gegen Verschieben und Ausknicken gesichert ist, ferner - mit mindestens einem Paar von Zugelementen (4), die an den beiden Enden des mindestens einen Druckstabes (2) befestigt sind, zu welchem Zweck der Druckstab (2) an jedem Ende einen Knoten (3) aufweist zur gegenseitigen kraftschlüssigen Befestigung von Druckstab (2) und Zu- gelementen (4) und zur Aufnahme von Auflagerkräften, wobei des Weiteren die mindestens zwei Zugelemente (4) mit mindestens einem Umgang schraubenförmig gegenläufig um den Hohlkörper (1) herumgelegt sind und einander auf eine dem Druckstab (2) gegenüberliegenden Mantellinie (7) des Hohlkörpers (1) überschneiden, dadurch gekennzeichnet, dass
- Mittel integriert sind, mittels welchen mindestens einer der Betriebsparameter Druck im Hohlkörper (1) , Länge des Druckstabes (2) oder Länge der Zugelemente (4) elektrisch verändert werden können.
2. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - Mittel integriert sind, mittels welcher der Druck i im Hohlkörper (1) elektrisch verändert werden kann.
3. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Hohlkörper (1) in seinem Innern eine gasdichte flexible Blase (12) mit geringerem Volumen als demjenigen des Hohlkörpers (1) aufweist, innerhalb der Blase (12) ein Behälter (9) angebracht ist, der eine volatile Flüssigkeit (10) enthält, eine Wärmepumpe (13) mit umkehrbarer Wärmestromrichtung vorhanden ist, mittels welcher die Flüssigkeit (10) ge- heizt und gekühlt werden kann, und deren eine Seite thermisch mit der Flüssigkeit (10) in Kontakt steht und deren andere Seite mit dem Aussenraum ausserhalb der Blase (12) Wärme austauschen kann, die Druckveränderung elektrothermisch fluidverstarkt herbeigeführt werden kann.
4. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein elektrischer Gasdrucksensor (14) innerhalb der Blase (12) befindet.
5. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (12) aus flexiblem, dehnungsarmem Material gefertigt ist.
6. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (12) aus elastischem Material gefertigt ist.
7. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstab (2) Mittel enthält zu seiner elektrischen Längenänderung.
8. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bewirkung der Längenänderung des Druckstabes (2) aus mindestens einem auf elektroaktiver Ke- ramik (EAC) basierenden Aktor bestehen.
9. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim mindestens einen verwendeten EAC-Aktor um einen Stapelaktor (17) handelt, also einer Aneinander- reihung mehrerer EAC-Aktoren (18).
10. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (4) Mittel enthält zu seiner elektri- sehen Längenänderung.
11. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bewirkung der Längenänderung des Zugele- mentes (4) aus mindestens einem auf elektroaktiven Polymeren (EAP) basierenden Aktor bestehen.
12. Pneumatisches Bauelement nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der mindestens eine Aktor aus mehrschichtigen EAP besteht.
13. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Mittel zur elektrischen Längenänderung von Druckstab (2) und Zugelementen (4) piezoelektrische Linearmotoren sind.
14. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens ein Sensor zur Messung der Längenänderung des Druckstabes (2) und der Zugelemente (4) vorhanden ist.
15. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 4 bis 6 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Steuer- und Regelvorrichtung (23) vorhanden ist, welche mit den Sensoren und Aktoren des Bauelementes verbunden ist, und mit Hilfe derer die Betriebsparameter des Bauelementes überwacht und verändert werden können.
16. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 2 bis 6 und 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Mittel zur Änderung des Druckes pi im Hohlkörper (1) und Mittel zur elektrischen Längenänderung des Druckstabes (2) vorhanden sind.
17. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 2 bis 6 und 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Mittel zur Änderung des Druckes pi im Hohlkörper (1) und Mittel zur elektrischen Längenänderung der Zugelemente (4) vorhanden sind.
18. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 2 bis 6 und 7 bis 9 und 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Mittel zur Änderung des Druckes pi im Hohlkörper (1) , Mittel zur elektrischen Längenänderung des Druckstabes (2) und Mittel zur elektrischen Längenänderung der Zugelemente (4) vorhanden sind.
19. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (12) eine thermische Isolation aufweist.
20. Pneumatisches Bauelement nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wärmepumpe (13) ein Peltierelement ist.
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