EP2204575A2

EP2204575A2 - Antriebsenergie durch Auftriebs-Gewichtskraft

Info

Publication number: EP2204575A2
Application number: EP09015530A
Authority: EP
Inventors: Hartwig Irps
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-03
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-07-07
Also published as: US20100170242A1; DE102009003909A1; DE102009003909B4

Abstract

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

Description

Das Archimedes-Prinzip beschreibt den nach oben gerichteten Auftrieb von Körpern in Flüssigkeiten und Gasen. Voraussetzung für den Auftrieb ist, dass das Auftriebsmedium unter die Bodenfläche des Auftriebkörpers dringen kann. Die nachfolgend beschriebene Erfindung benötigt Flüssigkeit als Auftriebsmedium, in der Regel Wasser. Wasser kann bei Frostgefahr mit Frostschutzmittel versetzt werden.
In der Patentliteratur ist in US 22 39 064 A ein "Water Motor" und in DE 197 34 812 A1 eine "Auftriebsmaschine" beschrieben. Die in ihnen vorgeschlagenen Konstruktionen unterscheiden sich grundlegend von dem nachfolgend beschriebenen Antrieb.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, durch einfache Konstruktionen die Auftriebskraft [N] und die Gewichtskraft [N] von Körpern, im Folgenden Schwimmkörper genannt, als Antriebskräfte zu nutzen. Für die Systemsteuerung wird Fremdenergie, möglichst aus erneuerbaren Quellen, benötigt. [N = Newton].

Lösung durch die Erfindung

Grundlage der Patentansprüche sind zwei physikalische Erscheinungen (A) und (B).

(A): Schwimmt ein Schwimmkörper in einem mit Wasser gefüllten Behälter nach oben, so wird der Schwimmkörper durch Anschlag an den Behälterdeckel getaucht gehalten. Wird aber der Schwimmkörper über eine Feder mit dem Behälter verbunden, so spannt die Auftriebskraft [N] die Feder entsprechend der gewählten Federkennlinie (Hook'sches Gesetz). Ein Anschlagen des Schwimmkörpers am Behälterdeckel kann so vermieden werden. Wurde der Schwimmkörper vor einer Drehung des Behälters durch einen Riegel mit dem Behälter verbunden, so bleibt die in der Feder gespeicherte Auftriebskraft [N] bis zum Lösen der Verriegelung erhalten.
(B): In einem auf einer Waage befindlichen Behälter mit Wasser befindet sich ein Schwimmkörper, der getaucht am Behälter befestigt ist. Das Behältergewicht betrage F1 [N]. Wird der Schwimmkörper vom Behälter gelöst und stattdessen von einem Bezugssystem von außerhalb des Behälters weiterhin getaucht gehalten, so beträgt bei idealer Schwimmlage (ohne Behälterkontakt und Berücksichtigung des Eigengewichts des Schwimmkörpers) das Behältergewicht jetzt F2 [N]: $F 2 [N] = F 1 [N] plus \underset{̲}{Gewicht [N] .}$

Gewicht [N]

Auftriebskraft [N]

Gewichtskraft [N]

Auftriebskraft [N]

Somit wird vorgeschlagen, die Auftriebskraft [N] zunächst in Federn zwischenzuspeichern, um sie dann in Addition mit der Gewichtskraft [N] über einen Kraftweg als Antriebsenergie zur Verfügung zu stellen. Das ist möglich, wenn der Schwimmkörper durch Verbindung mit einem Bezugssystem ortsfest gehalten wird und der Behälter durch Lösen der Verriegelung zum Schwimmkörper eine Bewegung, verursacht durch die Federkraft und durch die Gewichtskraft [N], vollfüren kann.
Eine mögliche Konstruktion wird in [0006] - [0015] und der Figur beschrieben:
Die Konstruktion der Figur ist symmetrisch aufgebaut. Im Behälter 1 befindet sich Wasser und ein (oder mehrere einzelne) Schwimmkörper 5, der strömungsgerecht ausgeführt worden ist. Der Schwimmkörper 5 kann durch den Riegel 8 mit dem Behälter 1 verbunden werden. Nach dem Hochschwimmen (linke Seite der Figur) hat der Schwimmkörper 5 die beiden Federn 4, die zwischen Schwimmkörper 5 und Behälter 1 befestigt sind (siehe 1.1, 3, 7), gespannt. Wird der Behälterdeckel nicht berührt, so ist die maximale Auftriebskraft [N] in den beiden Federn 4 nach (A) in [0004] gespeichert. Danach wird der Schwimmkörper 5 über den Riegel 8 mit dem Behälter 1 verbunden, somit im Behälter 1 ortsfest gehalten. Die elastisch und abdichtend nach außerhalb des Behälters 1 geführte Kolbenstange 6 des Schwimmkörpers 5 ragt nun maximal über den Behälter 1 hinaus (linke Seite der Figur).
Wird auf der rechten Seite der Figur der Schwimmkörper 5 mit dem Bezugssystem 10 durch den eingefügten Riegel 9 verbunden und die Verriegelung 8 gelöst (rechte Seite der Figur), so kann die Gewichtskraft [N] nach (B) in [0004] wirken. Zusätzlich zieht die Federkraft [N] der in der Figur eingesetzten Zugfedern 4 den Behälter 1 gegen den ortsfest im Bezugssystem 10 gehaltenen Schwimmkörper 5. Es erfolgt damit eine Addition von Auftriebskraft [N], gespeichert in den Federn 4, und Gewichtskraft [N], bis der Behälter 1 auf der rechten Seite der Figur auf den Schwimmkörper 5 aufschlägt. Ein Kraftweg 19, auch Arbeitshub 19 genannt (Arbeit = Energie), ergibt sich, weil eine Bewegung des tragenden Balkens 13 um die Drehachse 14 erfolgen kann. Die auftretenden Kräfte sind energetisch direkt (Hydraulik, Hydrospeicher, Pneumatik, Gasspeicher, Hebel, Pumpen, ...) oder indirekt (Seil 16, Rückholfeder 18, Freilauf, Getriebe, Schwungmasse, Elektrogenerator, zusammen 17), nutzbar (Figur). Bezugssystem 10 und Kolbenstange 6 können alternativ zur Figur auch von oben wirken.
In der Figur werden die Kräfte über den drehbaren Balken 13, 14 durch Verbindung zum Energiewandler 17 als Nutzenergie (Kraft x Weg) abgenommen, hervorgerufen durch das jeweilige Heben und Senken der Behältergabeln 11. Die Behältergabeln 11 werden durch die Führungen 12 auch in der Bewegung senkrecht positioniert, damit die nach außen wirkenden Auftriebs- und Gewichtskräfte [N] möglichst optimal zur Verfügung stehen. Die Behälter 1 sind drehbar gelagert und über eine ausziehbare Gelenkwelle 20 miteinander verbunden. Jede Verbindung zum Energiewandler 17 wird in der Figur über einen Freilauf 14 geführt, weil die nutzbaren Kräfte dieser Konstruktion einseitig erzeugt werden. Dabei hält die Rückholfeder 18 das Seil gespannt. Soll die bereitgestellte Kraft je Arbeitshub weiter erhöht werden und als Summe mehrerer Arbeitshübe zur Verfügung stehen, so empfiehlt sich nach DE 10 2005 047 629 A1 die Installation einer "Nabe mit Achsen-Energiespeicher".
Nach dem geschilderten einzelnen Kraftweg 19 muss für eine erneute Kraftwirkung die in der Figur gezeigte Ausgangssituation zunächst wieder erreicht werden. Dieses erfolgt nach Lösen des Kolbens 6 vom Bezugssystem 10 (rechte Seite der Figur) wegen des Gelenkabstandes 15 selbsttätig. Falls erforderlich, ist die waagerechte Rückstellung des Balkens 13 durch die Führungen 12 beeinflussbar. Werden nun die Behälter 1 durch Fremdenergieeinsatz um einen Halbkreis gedreht, so kann auf der linken Seite der Figur erneut der Kolben 6 über den Riegel 9 mit dem Bezugssystem 10 verbunden werden. Durch Lösen des Riegels 8 erfolgt dann wieder ein Kraftweg 19, jetzt auf der linken Seite der Figur. Sind in Erweiterung der Figur mehrere zueinander versetzt angebrachte Behälter vorhanden, so wird bis zur erneuten Verriegelung eines Schwimmkörpers 5 mit dem Bezugssystem 10 eine entsprechend geringere Drehung erforderlich. Die Drehung der Behälter 1, die über die Gelenkwelle 20 miteinander verbunden werden können, kann nach der Figur mit Hilfe eines Solar-Getriebemotors 21 über das Rad 22 vorgenommen werden. Oder Fremdenergie wird zum Verschieben flüssiger oder fester Massen in oder an den Behältern 1 mit dem Ziel eingesetzt, eine Drehung der Behälter 1 für einen erneuten Kraftweg 19 zu erreichen.
Bei einem Kraftweg verliert der Antrieb über den Kolbenweg 19 potentielle Energie. Der Schwerpunkt des Arbeit leistenden Behälters 1 entfernt sich somit von der Drehachse 25. Damit wird über die Reibungsverluste hinausgehend Fremdenergie zum Drehen der Behälter 1 benötigt, was die Energiebilanz negativ beeinflusst. Es empfiehlt sich deshalb, die Auftriebskraft [N] durch leichte Schwimmkörper 5 zu optimieren, unnötige Berührungen der Schwimmkörper 5 mit dem Behälter 1 zu vermeiden sowie Rollen und elastische Kolbendurchgänge 2 zu installieren. Eine optimierte Energiebilanz wird erreicht, wenn die Höhe des Schwimmkörpers 5 größer als der Kolbenhub 19 ist.
Die energetisch nutzbare Kraft setzt sich aus der konstanten Gewichtskraft [N] und der abnehmenden Federkraft zusammen. Da zu Beginn des Arbeitshubes der Anteil der Federkraft am größten ist, wäre es auch möglich, ein Teil von ihr zur späteren Drehung in der Feder 23 zu speichern und über eine Zahnstangen-Stirnrad-Freilauf-Kombination 24 zu nutzen. So kann bei optimierter Ausführung der Fremdenergieeinsatz minimiert werden. In der Figur wurde diese Lösung nur für den linken Behälter gezeichnet.
Es kann auch Anwendungen geben, in denen nach einem Arbeitshub 19 der Verlust an potentieller Energie durch teilweises Ablassen des verursachenden Wasservolumens (Nachströmen des Seitenwassers minimieren) kompensiert wird, um dann nach der Drehung um die Drehachse 25, damit die Federn 4 erneut gespannt werden, wieder zugeführt zu werden.
Oder es werden nach einem Arbeitshub 19 im Bodenbereich des Schwimmkörpers 5 Maßnahmen ergriffen, die den Auftrieb nach [0001] zeitweise vermeiden (Wasser ablassen; Dichte ρ [kg/m³] durch Luft verändern; Stauraum für das Wasser durch Druck oder Vakuum ermöglichen), damit der Schwimmkörper 5 durch das Eigengewicht plus der Wassersäule über ihm nach unten fällt um erneut, jetzt ohne Drehung der Behälter 1, die Gewichtskraft [N] oder Auftriebskraft [N] zu nutzen. Darüber hinaus kann es Anwendungen geben, bei Fremdenergiespitzen auch zeitweise das Bezugssystem, das beim Arbeitshub mit dem Schwimmkörper 5 verbunden ist, nachzuführen, was bezüglich der Energiebilanz aber nicht vorteilhaft ist.
Um benötigte Fremdenergie bei der Drehung zu minimieren, sollten die Schwerpunktebenen, wie bereits erwähnt, möglichst mit der Drehachse 25 zusammenfallen. Dieses ist für die linke Seite der Figur zu erreichen, während die rechte Seite vor und nach dem Absenken des Behälters 1 auf den Schwimmkörper 5 eine Veränderung der Schwerpunktebene ergibt. Durch eine optimierte Form von Behälter 1 und Schwimmkörper 5 sowie Zwischennutzung der Kraft des nach oben schwimmenden Schwimmkörpers 5 über eine kurzzeitige Massenverschiebung des Wassers in Richtung der Drehachse 25 (zeichnerisch in der Figur nicht ausgeführt) kann Einfluss auf die Höhe des Fremdenergiebedarfs genommen werden. Ein nicht vollständig mit Wasser gefüllter Behälter und viele kleine Schwimmkörper - statt eines großen Schwimmkörpers 5 - können sich bei der Drehung energetisch günstig auswirken. Weiterhin können Behälter 1 und Schwimmkörper 5 andere Formen als in der Figur annehmen. Offene Behälter 1 erfordern im Behälter 1 drehbare Rahmen, in denen sich die Schwimmkörper 5 bewegen können, wenn sie nicht am Rahmen arretiert sind.
Die Auswahl der benötigten Bauelemente richtet sich nach der beabsichtigten Anwendung. Erforderliche Steuerungselemente können von mechanischer, elektrischer, magnetischer oder handbetätigter Art sein. Das Bezugssystem 10 kann auch innerhalb eines - dann abgewandelten - Behälters 1 liegen. Selbstauslösende und unter Last leicht zu lösende Riegel 8, 9, sind mit den dafür geeigneten Anschlagpositionen zu installieren. Über die Balkenlänge 13 kann der Kraftweg an 16, 17, 18 beeinflusst werden.
Eine Rotation im Vollkreis ist nach dem geschilderten Prinzip möglich. Die dann beispielhaft an den Enden eines Drehkreuzes hängenden Behälter, vergleichbar zu Gondeln eines Riesenrades, benötigen in ihrer Aufhängung zur Figur je Behälter sinngemäß eine Drehachse 25, um den Verlust der potentiellen Energie gegenüber einer starren Befestigung minimieren zu können. Das Verbinden und Lösen des Schwimmkörpers vom Behälter beziehungsweise vom Bezugssystem würde den Kraftweg ergeben. Die Drehung des betrachteten Behälters ist mit Fremdenergie zu unterstützen.
Die Erfindung "Antriebsenergie mit Auftriebs-Gewichtskraft" kann in kleinen Abmessungen oder als Großtechnologie konstruiert werden. Mögliche Fremdenergiequellen können Solarelektrik, Windkraft, Wasserkraft (Fließgewässer oder Gezeitenströmung), Muskelkraft oder von fossiler Art sein. Hohe Schwimmkörper und kleinere Arbeitshübe wirken energetisch positiv. Das Auftriebsmedium kann als Wärmespeicher genutzt werden.

Bezugszeichenliste

1: Flüssigkeitsbehälter mit Behälterdurchgang 2 für die Kolbenstange 6. Offene Behälter mit drehbarem Rahmen als Alternative.
1.1: Draufsicht Behälter 1 und Schwimmkörper 5.
2: Elastischer, abdichtender Behälterdurchgang.
3: Befestigung der Feder 4 am Behälter 1.
4: Feder: Einbau nach Federart (Zugfeder, Druckfeder, Federband, Gasspeicherkissen).
5: Schwimmkörper mit Kolbenstange 6 im Behälter 1. Schwimmkörper im drehbaren Rahmen als Alternative.
6: Kolbenstange am Schwimmkörper 5.
7: Befestigung der Feder 4 am Schwimmkörper 5.
8: Riegel am Behälter 1.
9: Riegel am Bezugssystem 10.
10: Bezugssystem
11: Behältergabel
12: Führung am Bezugssystem.
13: Balken mit Gelenk 14.
14: Bewegungsrichtung von 13.
15: Gelenkabstand zur Rückführung in die Ausgangssituation.
16: Seil
17: Nutzenergiewandler (Stirnrad-Freilauf, Getriebe, Schwungmasse, Generator).
18: Seil-Rückholfeder
19: Kraftweg = Arbeitshub
20: Gelenkwelle
21: Solar-Getriebemotor oder Antrieb allgemein.
22: Rad zur Aufnahme der Solarkraft an der Behälterachse 25.
23: Feder
24: Zahnstange, Stirnrad, Freilauf an 25.
25: Behälterachse zur Aufnahme der Fremdenergie für die Drehung der Behälter 1.

Claims

Antriebsenergie durch Auftriebs-Gewichtskraft [N],
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auftriebskraft [N] und Gewichtskraft [N] von Schwimmkörpern 5 in Behältern 1 durch Verbinden und Trennen der Schwimmkörper 5 mit dem zugeordneten Behälter 1,
durch Verbindung der Schwimmkörper 5 mit Energiespeicher, hier Federn 4, zum zugeordneten Behälter 1
und durch Verbinden und Trennen der Schwimmkörper 5 zu einem ortsfesten oder mitgeführten Bezugssystem 10
über eine bewegungsfähige Konstruktion 11, 13, 14, 15 ein Kraftweg 19 entsteht, der Energie zur Nutzung bereitstellt,
die Wiederholung weiterer Kraftwege 19 jeweils nach einer Drehung der Behälter 1 wiederkehrend erfolgt
und ein Teil der bereitgestellten Nutzenergie zur Drehung der Behälter 1 genutzt werden kann oder ohne Drehung der Behälter 1 Maßnahmen ergriffen werden, damit durch zeitweise Unterbindung der Auftriebskraft die Schwimmkörper 5 eine weitere Ausgangssituation für einen erneuten Kraftweg 19 an einer bewegungsfähigen Konstruktion zur Nutzung der Gewichtskraft [N] oder Auftriebskraft [N] erreicht wird.
Antriebsenergie durch Auftriebs-Gewichtskraft [N],
nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegungsfähige System aus einem oder mehreren Behältern 1 besteht,
innerhalb der/des Behälter/s 1 Schwimmkörper 5 und Auftriebsmedien, zum Beispiel frostfreies Wasser, vorhanden sind,
die Auftriebskraft [N] des Schwimmkörpers 5 am Behälter 1 mit oder ohne Energiespeicher, hier Federn 4, wirkt,
ein Teil von Auftriebskraft [N] und Gewichtskraft [N] als Steuerungsenergie, auch durch zeitweise Verschiebung von bewegungsfähigen Massen, genutzt werden kann,
die Auftriebskraft [N] in Federn 4 gespeichert werden kann,
durch Befestigung der/s Schwimmkörper/s am Bezugssystem 10 außerhalb oder an einem Bezugssystem innerhalb des Behälters 1 die Gewichtskraft [N] der Schwimmkörper 5 durch Lösen der Verbindung zum Behälter 1 im Behälter 1 wirken kann,
zusätzlich nun die in der Federkraft gespeicherte Auftriebskraft [N] zwischen dem am Bezugssystem 10 befestigte Schwimmkörper 5 und dem Behälter 1 wirken kann,
unter Belastung leicht zu lösende und verbindende Riegel 8, 9 installiert werden,
damit das so aufgebaute Bewegungssystem Energie zur Verfügung stellen kann,
das Bewegungssystem durch zeitweise Nutzung der Auftriebskraft [N] und Gewichtskraft [N] und durch Fremdenergieeinsatz 21, 22 über die Behälterachse 25 wieder in eine neue Ausgangssituation gebracht wird,
die Drehung der Behälter 1 unterbleiben kann, wenn durch zeitweise Unterbindung des Auftriebs eine neue Ausgangssituation hergestellt wird, um einen weiteren Arbeitshub zu ermöglichen.
Antriebsenergie durch Auftriebs-Gewichtskraft [N],
nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbinden und Lösen des Bezugssystems 10 zu den Schwimmkörpern 5 mit mechanischen, elektrischen, magnetischen oder handbetätigten Bauelementen, auch in Kombinationen miteinander, ausgeführt wird und durch das Hinzufügen weiterer externer Kräfte, die bewegungswirksam sind, ein multivalentes Antriebssystem konstruiert wird.