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Arbeitskammer Die Erfindung betrifft eine Arbeitskammer, die hinsichtlich
Gestalt und Volumen veränderlich und+lerhäItnismäßlg steifen, dreieckigen Wänden
aufgebaut ist, die entlang ihrer geradlinigen Ränder gelenkig miteinander verbunden
sind.
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Bei Transport und Lagerung von Fluiden in großen Mengen werden normalerweise
große, hinsichtlich Gestalt und Volumen fesGebilde, wie Lastkähne, Tanks und Rümpfe,
verwendet. Die zu diesem Zweck verwendeten, bekannten Transportmittel sind nicht
leistungsfähig, da sie in leerem wie in gefülltem Zustand denselben Raum einnehmen
und, wenn sie weniger als voll sind und sich in Bewegung befinden, ihrer Bewegung
in der Umgebung, durch die sie sich bewegen, einen Widerstand entgegenstellen, der
in keinem Verhältnis zu ihrem Inhalt steht. Ein erstes Beispiel für die Leistungsunfähigkeit
liegt bei einer starren Luftschiffkonstruktion vor, wo der Rumpf gewöhnlich aus
einem leichtgewichtigen, steifen Rahmen mit Gewebeverkleidung besteht. Der Hauptzweck
dieses Rumpfs besteht in der Schaffung eines im wesentlichen steifen Gestells zur
Aufnahme einer Vielzahl von aus flexiblem Werkstoff hergestellten Zellen. Diese
Zellen werden in Meereshöhe mit einem Gas, das leichter als Luft ist, beispielsweise
mit Helium, teilweise gefüllt. Da das Gas sich bei Temperatur- und Druckveränderungen
ausdehnt und zusammenzieht, ist das in den Zellen in Meereshöhe aufgenommene Gas
mengenmäßig derart bemessen, daß eine vollständige Füllung der Zellen nur für den
Fall gesichert ist, wenn das huftschiff die Höhe seines maximalen Entwurfsdrucks
erreicht hat.
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Daher sind die Gaszellen eines Luftschiffs, das für den Betrieb in
Höhen bis zu 5.486 m (= 18.000 Fuß) entworfen ist, wo der Atmosphärendruck am Standardtag
379,5 Torr (= 14,94 Zoll Quecksilbersäule) beträgt, etwa halb gefüllt, wenn das
Luftschiff in Meereshöhe operiert, wo der Druck 760 Torr (= 29,92 Zoll Quecksilbersäule)
beträgt. Diese Konstruktionsart führt zu einem Gebilde, das wegen seines nichtflexiblen,
leichtgewichtigen Rahmens für Beschädigungen besonders empfänglich und wegen seiner
festen Gestalt aerodynamisch leistungsunfähig ist, da seine Frontalfläche für Widerstandsbetrachtungen
stets einen festen Wert behält, und zwar auch dann, wenn die Gaszellen nur einen
Teil des Innenvolumens des Rumpfs einnehmen. Weitere beim Betrieb bekannter Luftschiffe
festgestellte Mängel bestehen in den Anforderungen für das Ballasten und das Ablassen
eines Teils des Auftriebsgases für die Aufrechterhaltung oder Veränderung der Gleichgewichtshöhe.
Dieses Ballasten und Ablassen des Gases ist ein verlustreiches Verfahren zur Änderung
der Dichte des Luftschiffs.
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Ein anderer Nachteil der bekannten Luftschiffe besteht darin, daß
ihre übliche Gestalt eines gestreckten Ellipsoids sich kaum für die Bündelung mit
anderen Luftschiffen für eine größere Kapazität eignet.
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Die Erfindung ist nicht nur für die Luftschiffkonstruktion und -gestaltung
anwendbar, sondern auch bei Wasserfahrzeugen, die bereits eine größere Schwierigkeit
bei ihrer Bewegung durch das dichtere Wasser haben und besondere Schiffsflächen
besitzen, die in unbeladenem Zustand des Schiffs der Destabilisierungswirkung von
Seitenwind zusätzlich unterworfen sind.
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Die ERfindung betrifft in weitem Umfang eine hinsichtlich Gestalt
und Volumen veränderliche Kammer, die eine Arbeitskammer für eine Pumpe oder ein
Aneroidbarometer bildet, oder eine hinsichtlich Gestalt und Volumen veränderliche
Kammer, die beispielsweise den Rumpf eines Flugskörpers oder eines Wasserfahrzeugs
bildet; dabei kann die die Veränderung der Gestalt und des Volumens der Kammer veranlassende
Betätigung bei einwandfreiem Betrieb mechanisch oder durch Veränderung des Verhältnisses
zwischen der Dichte der
Umgebung innerhalb und außerhalb der Kammer
selbsttätig ausgeführt werden zur'Bewirkung vorteilhafter Veränderungen der dynamischen
Kammercharakteristiken beim Betrieb in einem Fluid. Desweiteren besitzt die erfindungsgemäße
Kammer eine hinreichende Oberflächensteifigkeit und eine strukturelle Integrität
im gesamten Bereich ihrer Gestaltungen und Volumina, um als in verschiedenen Fluiden,
sowohl in gasförmigen als auch in flüssigen, betreibbares Fahrzeug zu dienen.
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In anderer Form kann die erfindungsgemäße, hinsichtlich Gestalt und
Volumen veränderliche Kammer eine dichtgeschlossene, mit Fluiden gefüllte Kammer
bilden, die veränderliche Anforderungen an das Volumen stellen, die durch normale
Temperatur- und Druckänderungen der Umgebung verursacht werden; dabei behält die
Kammer bei ihrer Anpassung an die sich verändernden Anforderungen die wesentliche
Oberflächensteifigkeit bei. Eine praktische Verwendung solcher Kammern kann bei
Aneroidbarometern stattfinden.
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In der Luftfahrt und Marine kann die Erfindung die Form einer hinsichtlich
ihrer Gestalt veränderlichen Kammer annehmen, die eine kleinere Volumengestalt annimmt,
während sie fortschreitend eine dynamisch leistungsfähigere Gestalt durch Verkleinerung
ihrer Frontalfläche und Vergrößerung ihrer Auftriebsfläche annimmt. Die geschlossene
Arbeitskammer ist in der Lage, momentane Stoßlasten aufzunehmen, die durch oder
normal zur Betriebsumgebung auftreten können, ohne dabei unmittelbare oder verborgene
Strukturbeschädigungen zu erfahren, weil solche Stoßlasten von der Veränderung der
Kammergestalt aufgenommen werden. Durch gezielte Betätigung der Mittel zur Veränderung
der Gestalt der Arbeitskammer und damit ihres Volumens wird ein Maß der Steuerung
der Dichte der Kammer innerhalb der strukturellen Grenzen des Werkstoffs und Entwurfs
erreicht, der bei der Konstruktion der Kammer Verwendung gefunden hat. Die Arbeitskammer
ist bereits so weit entwickelt, daß eine Vielzahl von in gleicher Weise hergestellten
Kammern zur Vergrößerung der Kapazität für die Lagerung beim Transport etc. miteinander
verbunden werden kann. Alle Ausführungsformen
der Arbeitskammer
besitzen einfache, ebene Flächen zur bequemen Herstellung und Anbringung.
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Bei einer besonderen Form besteht die hinsichtlich Gestalt und Volumen
veränderliche Kammer aus mindestens einem ersten Kammerabteil, das eine Vielzahl
von ersten, im wesentlichen steifen Wänden, deren Seitenränder jeweils einintwesentlichen
geradliniges, spitzwinkliges Dreieck bilden, und eine Vielzahl von zweiten, im wesentlichen
steifen Wänden aufweist, deren Seitenränder jeweils ein im wesentlichen geradliniges,
stumpfwinkliges Dreieck bilden.
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Dabei ist das Kammerabteil von mindestens zwei Paaren der ersten Wände
gebildet, wobei einander entsprechende Seitenränder der Wände jedes Paares miteinander
gelenkig verbunden sind und desweiteren andere Seitenränder der Wände jedes Paars
mit entsprechenden Seitenrändern der zweiten Wände von mindestens zwei Paaren dieser
Wände gelenkig verbunden sind. Dabei sind desweiteren einander entsprechende Seitenränder
jeder zweiten Wand der Paare dieser Wände miteinander gelenkig verbunden, und desweiteren
ist ein dritter Seitenrand jeder zweiten Wand jedes Paares dieser Wände mit einem
gleichen Seitenrand einer entsprechenden Wand des anderen Paars der zweiten Wände
gelenkig verbunden. Die Verbindung der zweiten Wände der Paare dieser Wände ist
derart, daß die stumpfen Scheitel der einanderstoßenden zweiten Wände sich in einer
Ebene schneiden, in der auch die 2entra«chse der Kammer liegt. Die gelenkige Verbindung
der Wände entlang ihrer Seitenränder ermöglicht, daß die Kammer ein vorbestimmtes
korreliertes Muster des Wechsels sowohl der Gestalt als auch des Volumens bei entsprechender
Beeinflussung verfolgt, das durch die Bewegung der Schnittlinie der aneinanderstoßenden
Wände der beiden Paare der zweiten Wände gekennzeichnet ist; dabei bleibt die Schnittlinie
in einer Ebene, die die Zentralachse der Kammer während der Betätigung derselben
einschließt, unter Beibehaltung der Symmetrie aller Wände zur Zentralachse gehalten.
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Für aerodynamische und Marineverwendung kann ein zweites Kammerabteil
aus vier im wesentlichen geradlinigen, spitzwinkligen
Dreiecken
gebildet werden, die miteinander und mit den gleichen Seitenrändern der geradlinigen,
spitzwinkligen Dreieckswände des ersten Kammerabteils gelenkig verbunden sind, um
so bei vollständiger Ausdehnung zweimeinanderstoßende Kammern darzustellen, die
Pyramidenform aufweisen und deren Grundflächen miteinander verbunden sind.
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Ein weiteres Kammerabteil kann zwischen dem ersten Kammerabteil und
dem zweiten Kammerabteil mit diesen gelenkig verbunden sein und mindestens vier
im allgemeinen rechteckige, im wesentlichen steife Wände aufweisen, die entlang
geradliniger Ränder gelenkig miteinander verbunden sind und deren Enden mit entsprechenden
Enden des ersten und des zweiten Kammerabteils gelenkig verbunden sind. Desweiteren
können eine Vielzahl solcher Kammern ein Bündel bilden, wobei die rechteckigen Wände
der dritten Kammerabteile in axialer Richtung eben aneinanderstoßend miteinander
verbunden sind.
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In der Zeichnung zeigen: Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines
Grundtyps einer Arbeitskammer, die aus zwei Kammerabteilen besteht, die eine aerodynamisch
brauchbare, hinsichtlich Gestalt und Volumen veränderliche Kammer in teilweise ausgedehntem
Zustand bilden; Figur 2 eine Seitenansicht der Arbeitskammer der Figur 1 in vollständig
ausgedehntem Zustand zur Bildung von Arbeitskammerabteilen in Forineinanderstoßender
Pyramiden; Figur 3 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen,
hinsichtlich Gestalt und Volumen veränderlichen Kammer, die aus drei in axialer
Richtung hintereinanderliegend verbundenen Kammerabteilen besteht; Figur 4 eine
Ansicht von hinten auf eine Mehrfachanordnung von hinsichtlich Gestalt und Volumen
veränderlichen Kammern, die ein integriertes Bündel von vier Kammern in teilweise
ausgedehntem Zustand darstellt, und Figur 5 die Kammern der Figur 4 in vollständig
ausgedehntem Zustand.
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Beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 besteht die erfindungsgemäße,
hinsichtlich Gestalt und Volumen veränderliche Kammer, die sich als' aerodynamisch
brauchbare Kammer eignet, aus zwei Kammerabteilen 1 und 2. Dabei ist das Kammerabteil
1 von vier im wesentlichen steifen Wänden 10, deren Seitenränder jeweils ein im
wesentlichen steifes, geradliniges, spitzwinkliges Dreieck bilden, und von vier
im wesentlichen steifen Wänden 14 gebildet, deren Seitenränder jeweils ein im wesentlichen
geradliniges, stumpfwinkliges Dreieck bilden. In diesem Fall sind alle Wände 10
identisch; desweiteren sind alle Wände 14 identisch.
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Die Wände 10 und 14 sind aus irgendeinem im wesentlichen steifen,
dünnen Werkstoff, beispielsweise Duraluminium, hergestellt, der sich mit einem klebenden
und dichtenden Typ eines Schichtungsmaterials, wie einem hochfesten Silikongummi,
verträgt, um eine gelenkige Verbindung desselben mit jedem anderen zu bewirken,
d.h. mit den anderen Wänden 10 oder den Wänden 14. Die Wände 10 besitzen gleiche
Basiswinkel A von etwa 80° und einen Scheitelwinkel B von etwa 200. Die vier Wände
14 besitzen einen stumpfen Winkel C von etwa 1430, einen Winkel D von etwa 220 und
einen dritten Winkel E von etwa 15°. Die so geformten Wände sind von einem Fachmann
üblicherweise bekannten Mitteln gehalten und getragen, so daß die Wände ein Kammerabteil
bilden, das sich hinsichtlich sowohl seines Volumens als auch seiner Gestalt verändern
kann. Die benachbart liegenden Seitenränder einander benachbarter Wände sind mit
Hilfe des bereits genannten klebenden und dichtenden Werkstoffs miteinander verbunden
und in einer festgelegten Lage gehalten, bis das verbindende Material getrocknet
ist.
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Wenn die so gebildete Kammer von der Spannvorrichtung entfernt wird,
ist sie betriebsbereit, nimmt sie wegen der eingeschlossenen Luft vorzugsweise eine
zwischengeschaltete Volumengestalt ein und ist sie empfänglich für normale Veränderungen
der Temperatur und des Drucks, denen sie unterworfen sein kann. Eine für die Betätigung
eines Ventils,z.B. in Abhängigkeit von Druckänderungen, geeignete Arbeitskammern
kann derart bemessen sein, daß die Länge der Basis der Wände 10 etwa 76,2 mm (=
3 Zoll) und die Länge der längeren Seite der Wände 14 etwa- 189 mm (= 7 3/4 Zoll)
beträgt.
Eine geeignete Dicke des im wesentlichen steifen, dünnen Materials für die Kammer
dieser Größe wird bei etwa 1,6 mm (= 1/16 Zoll) liegen. In diesem Fall, wo die Gesamtkammer
wegen ihrer besonderen Gestalt aerodynamische Eigenschaften besitzt, kann sie als
eine hinsichtlich Gestalt und Volumen veränderliche Arbeitskammer zur Betätigung
eines Ventils schnell ansprechen und wie oben angegeben von verhältnismäßig geringer
Größe sein.
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Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform besitzt
das erste Kanmerabteil 1 kennzeichnenderweise vier geradlinige Wände 10 in Form
eines spitzwinkligen Dreiecks; dabei stellen zwei Paare der ersten Wände 10 die
äußeren Wände der Kammer dar und haben entsprechende, miteinander verbundene Seitenränder
3 und andere Seitenränder 4 derselben Wände 10 jedes Paars, die mit entsprechenden
Seitenrändern 5 der Wände 14 zweier Paare dieser zweiten Wände gelenkig verbunden
sind. Desweiteren besitzt jedes der beiden Paare der zweiten Wände 14 einander entsprechende
andere Seitenränder 6 der beiden miteinander gelenkig verbundenen Wände, die freie
Ränder an der Rückseite der Kammer darstellen; ferner besitzt jede Wand 14 des zweiten
Paars dieser Wände einen dritten Seitenrand 7, der mit einem entsprechenden Seitenrand
7 einer entsprechenden Wand des anderen Paars gelenkig verbunden ist.
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Die Verbindung der zweiten Wände 14 miteinander über die Seitenränder
7 ist derart, daß die stumpfen Scheitel der zweiten Wände 14 sich auf einer zentralen
Achse schneiden, die im vorliegenden Fall die LÄngsachse der Kammer ist und mittels
der strichpunktierten Linie angedeutet ist. Wie Figur 2 zeigt, erlaubt die eben
beschriebene gelenkige Verbindung der Wände entlang der Seitenränder, daß die Kammer
ein vorbestimmtes korreliertes Muster des Wechsels sowohl der Gestalt als auch des
Volumens bei entsprechender Beeinflussung verfolgt; dabei ist das Muster des Wechsels
durch die Bewegung der von den Seitenrändern 7 der Wände 14 bestimmten Schnittlinie
in einer gemeinsamen, die LÄngsachse der Kammer einschliessenden Ebene während Beeinflussung
oder Veränderung des Volumens gekennzeichnet. Ferner bleibt die Symmetrie aller
Wände zur zentralen Achse während Beeinflussung der Kammer bestehen. Bei der in
den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist das vordere
Kammerabteil
2 von vier gelenkig verbundenen, im wesentlichen steifen Wänden 10 gebildet, die
identisch zu den steifen Wänden 10 des ersten Kammerabteils 1 sind und deren jede
natürlich ein identisches, im wesentlichen geradliniges, spitzwinkliges Dreieck
bildet, wie es auch bei den ersten steifen Wänden 10 des ersten Kammerabteils 1
der Fall ist. In Hinblick darauf sind die Seitenränder 4 der Wände 10 des zweiten
Kammerabteils 2 gelenkig miteinander verbunden ebenso wie die Seitenränder 3 für
Paare der Wände; ferner sind die Seitenränder 9 der Paare der Wände für die ersten
und zweiten Kammerabteile gelenkig miteinander verbunden, um die hinsichtlich Gestalt
und Volumen veränderliche Kammer zu vervollständigen. Es ist selbstverständlich,
daß die Arbeitskammer vollständig entleert sein kann, wobei die Paare der Wände
flach liegen und miteinander in Berührung stehen, oder daß bei vollständiger Ausdehnung
nur die ersten, im wesentlichen steifen Wände, die im wesentlichen geradlinige,
spitzwinklige Dreiecke bilden, sichtbar sind und eine Kammer bilden, deren Gestalt
derjenigen zweier mit ihren Grundflächen aneinanderstoßenden Pyramiden entspricht.
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Die Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei
der das erste und auch das zweite Kammerabteil mit den entsprechenden Abteilen des
Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2 identisch ist; ein drittes Kammerabteil
12 besitzt vier im wesentlichen steife, rechteckige Wände 11, deren Größe und Gestalt
derart ist, daß diese Wände 11 mit der Basis 9 der spitzwinkligen Wände 10 des ersten
und des zweiten Kammerabteils zusammenpassen.
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Das dritte Kammerabteil 12 besitzt längsverlaufende Seitenränder 13
der Wände 11, die in der bereits beschriebenen Weise miteinander gelenkig verbunden
sind.
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Bei Ausstattung einer der Ausführungsformen mit einer Betätigungsvorrichtung
17, die einen herkömmlichen, beweglichen Flüssigkeitskraftkolben o.dgl., ein Einlaßventil
18 und ein Auslaßventil 19 je nach Bedarf aufweist, um die Gestalt und/oder das
Volumen der Arbeitskammer zu steuern, wird die Kammer zu einer hinsichtlich
der
Dichte veränderlichen oder pumpenden Vorrichtung wie gewünscht. Die Erfindung ist
nicht auf die besonderen und gezeigten Ausführungsformen beschränkt, da sie den
Grundsatz lehrt, daß Kammern, die von zwei im wesentlichen Pyramidenform aufweisenden
Gebilden mit gegeneinander gerichteten, identischen Grundflächen gebildet sind,
hinsichtlich Gestalt und Volumen veränderlich werden durch Abtrennung der seitlichen
Ränder der Gebilde und einwärts gerichtete Einschiebung einer geeigneten Anzahl
von geeignet geformten, stumpfwinkligen Dreiecksflächen in die geeigneten seitlichen
Ränder und durch Verbindung benachbarter Ränder von benachbarten Flächen in der
Weise, daß die benachbarten Flächen frei sind, ihre Winkelbeziehung zu verändern.
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Sofern es sich um Arbeitskammern der Figuren 1 und 2 und insbesondere
der Figur 2 handelt, wird unter der Annahme, daß die Arbeitskammer die zu ihrem
Maximalvolumen gehörige Gestalt besitzt und ein empfindsames Fluid enthält, dessen
Dichte zu der umgebenden Dichte im Gleichgewicht steht, und daß die umgebende Dichte
dann wechselt im Druck unter dem Einfluß eines steigenden Drucks z.B. und wegen
der Oberflächen der Arbeitskammer, die frei sind, ihre relativen Lagen zu wechseln,
ohne dabei undicht zu werden, die Arbeitskammer in einer Weise reagieren, die derjenigen
der Betätigungseinrichtung in einem Aneroidbarometer gleicht. Die Wirkungsweise
derArbeitskammer ist folgende: Die Uberschneidungspunkte 20 aller Wände auf einer
Seite werden sich in Richtung auf das Zentrum der Arbeitskammer unter Verringerung
ihrer Tiefe bewegen. Die Uberschneidungen der Seitenränder 4 und 5 der Wände 10
und 14 werden sich von der Längsachse wegbewegen, wobei sich die Weite der Arbeitskammer
und die ausgestellte Fläche der Wände 14 vergrößert. Diese gleichzeitigen Bewegungen
werden sich fortsetzen, bis der Hochdrucktrend aufhört, das innere Fassungsvermögen
nicht weiter zusammendrückbar ist oder die Arbeitskammer ihre dem Minimalvolumen
entsprechende Gestalt erreicht. Die Umkehrung des Trends des Umgebungsdrucks wird
die Betätigung der Arbeitskammer umkehren.
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Desweiteren kann, wie die Figuren 4 und 5 zeigen, ein Bündel von Kammern
23, 24, 25 und 26 durch das einfache HiEsmittel der verbindenden Wände zwischengeschalteter
Kammerabteile schnell erreicht werden, die miteinander fluchtend eben aneinander
anschliessen, so daß sich die rechteckigen Wände 11 einer fertigen Kammer in bündigem
Anschluß mit einer gleichen Wand 11 einer anderen Kammer befinden. Dies ist leicht
erkennbar, wo Kammern 23, 24, 25 und 26 so durch ebenen Anschluß zwischen rechteckigen
Wänden 11 gebildet werden, wie in den Ansichten der Kammern von hinten dargestellt
ist. Eine Ausdehnung und Zusammenziehung der einzelnen Kammern 23, 24, 25 und 26
des Bündels wird durch die anschliessenden Wände 11 auf die anderen Kammern übertragen,
so daß alle Kammern sich einheitlich ausdehnen oder zusammenziehen und bei vollständiger
Ausdehnung die in der Ansicht von hinten der Figur 5 dargestellte Form einnehmen.
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Wenn die Arbeitskammer mit einer gemäß Figru 3 installierten Betätigungsvorrichtung
17 ausgestattet ist, deren beide Arbeitsenden 21 und 22 drehbar mit einander gegenüberliegenden
Seiten der Arbeitskammer verbunden sind, wird jede Ausdehnung und Zusammenziehung
der Enden der hydraulischen Betätigungsvorrichtung bewirken, daß die Seitenränder,
z.B. die Seitenränder 3 des Abteils 1, sich voneinander weg- oder aufeinander zubewegen
in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens der Flüssigkeitsmotors.
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Wenn wie gezeigt ein Einlaßventil 18 und ein Auslaßventil 19 vorgesehen
sind und die Betätigungsvorrichtung 17 zyklisch betätigt wird, wird selbstverständlich
die Kammer entsprechend vergrößert oder verkleinert. Wenn sich die Kammer weiter
vergrößert, öffnet sich das Einlaßventil 18, und füllt sich das Innere der Kammer-,
am Ende der einwärts gerichteten Arbeitsbewegung und bei Richtungsumkehr bewegen
sich die Seitenränder 3 weiter auseinander, wodurch das innere Volumen der Arbeitskammer
abnimmt und ihr Inhalt unter Druck gesetzt wird. Dann öffnet das Auslaßventil 19
sich unter dem Druck, und der Inhalt des Inneren der Arbeitskammer strömt aus, und
der Kolben bewegt sich in seine Ausgangsstellung zurück. Dies ist dann das Ende
eines Zyklusses einer Pumptätigkeit.