DE19520014C2 - Schwingförderer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingförderer zum Transport von Materie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Schwingförderer ist aus der DE 41 33 081 A1 oder DE 41 04 784 A1 bekannt und weist einen Rotor mit einer Lagerstelle und einen 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 mithin auch als Spiraltrieb-System bezeichnet werden.

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

Besonders geeignet ist dieses Spiraltrieb-System für die Mikrosystemtechnik, da hier keine rotierenden Elemente, Lager etc. also konventionelle Beschleunigungsmechanismen vorhanden sind; der Transportprozeß wird hier nur durch Schwingungs­ vorgange 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 mechanische Schwingungen oder Stoßwellen war bisher normalerweise 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 vorhandene 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.

Die DE 43 28 750 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Fördern von fließfähigem Material längs einer Förderfläche. Hier werden die Phasen mindestens zweier einer Förderfläche zugeordneter, im Abstand angeordneter Schwingungserzeuger so verändert, daß sich die Knotenlinien (Schwingungsbäuche) der gewünschten Förderrichtung verlagern und somit das auf der Förderfläche befindliche Material in der gewünschten Richtung gefördert wird.

Das Problem der Erfindung liegt einerseits in der Anordnung, einen Schwingförderer mit einem als Schwinger ausgebildeten, beweglich gestützten, Spiralwellen erzeugenden Rohr und/oder Segmente eines Rohres zum Transport von Materie so zu schaffen, daß eine Lagerung des Rohres und/oder der Segmente entfallen kann und andererseits in der Erregung, die Materiespiralwellen programmierbar unbegrenzt weiterzuleiten.

Dabei ist es erforderlich auch gegenläufige Spiralwellen anzuregen.

Dieses Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Lösung werden nur durch Rotationsoszillationen mindestens eines Oszillationssegmentes 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 erwähnenswerte 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 und eine tangentiale Komponente (Drehimpuls) zerlegt werden kann.

Zerlegt man z. B. ein Rohr in hinreichend viele Segmente der Länge Δl und ordnet man hinreichend viele gestützte freibewegliche Segmente axial hintereinander, die mit Hilfe von Kraftfeldern über eine Recheneinheit elektronisch kommunizieren und erregt insbesondere immer solche Segmente, 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", d. h. Knoten.

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

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

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

Die Drehimpulse, ein Rechtsdrehimpuls und ein Linksdrehimpuls, die von den Segmenten 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 deren Bewegungen sich hierarchisch bis zur kleinsten Einheit koppeln.

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

Es liegt dabei auf der Hand, daß eine Miniaturisierung 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 wie 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, z. B. hervorgerufen 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 nichtstationäre elektrische und/oder magnetische Felder, also schrittweise umlaufende elektromagnetische Felder auch gekoppelt mit elastomechanischen Felder.

Ein Rotationsoszillationssegment besteht als dynamische Einheit aus einem kreissymmetrischen Stator oder elastomechanischen Elementen (z. B. piezoelektrischen und/oder magnetostriktiven Elementen). Der Rotor ist gleich Resonator und ein elastisches Lager ist eine 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 Segmente mit den Materiespiralwellen ergeben neue Möglichkeiten für die energetischen 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 mit dem spiralförmigen Transport 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,

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

Die Fig. 1 zeigt eine im Längsschnitt dargestellte 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 angeregten Rohrs 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 3 und der Membran 5 besteht.

Der Resonator 3, der auch als ein Segment 3 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 Segment 3 freiprogrammierbare Rotationsoszillationen ausführen kann.

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

Bezugszeichenliste

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

Claims (7)

1. Schwingförderer zum Transport von Materie, der ein elastisches als Schwinger ausgebildetes Rohr (3) und/oder Segmente eines Rohres aufweist, der beweglich gestützt ist und von Elementen zum Erzeugen von Spiralwellen angeregt wird, die die Materie programmierbar fördern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung axial zueinander beabstandete, den Schwinger umgebende Elemente (2) vorliegen, von denen mindestens zwei benachbarte eine Komponente in entgegengesetzter Richtung erzeugen.

2. Schwingförderer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger in einem elastischen Lager, insbesondere einer Membran (5) gestützt ist und z. B. zylinder- oder kegelförmig ausgebildet ist.

3. Schwingförderer gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (3) aus homogenem Material bestehen, deren Anzahl gleich der Anzahl der umgebenden Elemente (2) ist und aus gleichen Materialien besteht.

4. Schwingförderer gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger als Metallschlauch oder Metallgeflecht vorliegt und aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere an den Stellen der Erregung aus ferromagnetischen, elastischem oder piezoelektrischen Material bestehen kann.

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

6. Schwingförderer gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des Schwingers mit Hilfe elektrischer, magnetischer und/oder elastomechanischer Felder erfolgt.

7. Schwingförderer gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingförderer als Antriebselement für anliegende oder umwickelte elastische Gebilde fungiert, wodurch in den Freiräumen ein Materietransport angeregt wird.