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Die
Erfindung betrifft ein System zum Ausgleich von Druckdifferenzen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
sind bereits Vorrichtungen bekannt, die Druckdifferenzen auffangen
bzw. kompensieren oder überwinden
können.
So ist z. B. aus
US 3,282,459 ein
dreiwandiger Flüssigkeits-Druckbehälter bekannt,
bei dem im Falle eines im Inneren auftretenden Überdrucks durch eine jeweils
zwischen den Wänden
einströmende
Flüssigkeit,
gesteuert durch externe Ventile, ein Gegendruck aufgebaut werden kann.
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Derartige
Druckausgleichseinrichtungen sind jedoch wegen ihrer Einschränkung auf
einen stationären
Betrieb nicht universell verwendbar. Wegen der externen Steuerventile
ist deshalb das bekannte Druckausgleichssystems bei mobilen Einrichtungen,
insbesondere bei U-Booten oder Fluggeräten, nicht anwendbar.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein System zum Ausgleich
von Druckdifferenzen so auszubilden, dass eine Anwendung auch bei
mobilen Vorrichtungen möglich
ist und das System relativ einfach auf wechselnde Druckwerte reagieren
kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
System gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 bzw. durch ein System gemäß den Merkmalen des Anspruchs
9 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass in den durch Abtrennungswände
unterteilten Druckdifferenzräumen
an den jeweils dem weiter außen
liegenden Druckdifferenzraum zugewandten Druckdifferenzwänden jeweils
eine Vielzahl von Druckdifferenzventilen vorgesehen ist, die in
der Weise steuerbar sind, dass beim Druckaufbau zuerst die Druckdifferenzventile
des inneren Druckdifferenzraums und jeweils stufenweise die Druckdifferenzventile
der von innen nach außen
folgenden Druckdifferenzräume
verschließbar
sind bzw. bei Druckabbau die Druckdifferenzventile stufenweise von
außen nach
innen zu öffnen
sind.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht
darin, dass mit Hilfe der in die Druckdifferenzwände integrierten steuerbaren
Druckdifferenzventile eine von äußeren Gegebenheiten
abhängige Änderung
der jeweiligen Druckdifferenz partial fraktioniert auf- und/oder
abgebaut werden kann. Dies geschieht dadurch, dass jede Druckdifferenzwand
zusammen mit dem Druckdifferenzraum und den integrierten Druckdifferenzventilen
nur jeweils einen vorbestimmten Teil des Gesamtdrucks ausgleichen muss.
In der Addition mehrerer Druckdifferenzwände und den dazwischen liegenden
Druckdifferenzräumen
kann somit jede gewünschte
Druckdifferenz abgefangen werden
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
Unteransprüche.
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Unter
anderem ist vorgesehen, dass in den jeweils durch Abtrennungswände gebildeten
Kammern jeweils mit Druckluft gefüllte elastische Druckkissen
angeordnet sind. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Druckkissen
mit einem konstanten Druck gefüllt
sind und der aktuelle Gegendruck in den Kammern durch einströmende Flüssigkeit
in entsprechender Menge einstellbar ist. Dadurch ergibt sich die
Möglichkeit,
die jeweiligen Kammern als Trimmungssegmente zu nutzen, um z. B.
ein U-Boot in die gewünschte
Lage zu bringen bzw. dort zu halten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug
auf die Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung vom Grundaufbau einer dynamischen
Druckdifferenzwandung eines U-Bootes;
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2:
eine schematische Darstellung vom verfeinerten Grundaufbau einer
dynamischen Druckdifferenzwandung eines U-Bootes;
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3:
eine schematische Darstellung des Aufbaus einer dynamischen Druckdifferenzwandung eines
U-Bootes und
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4:
eine schematische Darstellung einer Variation im Bereich des Aufbaus
einer dynamischen Druckdifferenzwandung eines U-Bootes.
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1 zeigt
das Basisprinzip eines Systems zum Ausgleich von Druckdifferenzen
unter Verwendung mehrerer Druckdifferenzwände C.1–C.3 und mehrerer dazwischen
angeordneter Druckdifferenzräume
O.1, O.2, die durch zwischen den Druckdifferenzwänden verlaufende Abtrennungswände P.1–P.16 bzw.
Q.1–Q.16
in eine Vielzahl von Einzelkammern unterteilt sind. Diese Abtrennungswände sorgen
zum Einen für
den notwendigen Abstand zwischen den einzelnen Druckdifferenzwänden C.1–C.3 und
zum Anderen für
eine Unterteilung der Druckdifferenzräume O.1, O.2, wobei ihre Anzahl
an den jeweiligen Bedarf je nach Größe des Druckraums angepasst
werden kann. Die jeweiligen Abtrennungswände P.1–P.16 bzw. Q.1–Q.16 sind
durch Pufferelemente J.1–J.16
bzw. K.1–K.16
dynamisch gelagert, so dass die einzelnen Druckdifferenzwänden C.1–C.3 einen
gewissen Bewegungsspielraum erhalten. Darüber hinaus können die
einzelnen Abtrennungswände
P.1–P.16
bzw. Q.1–Q.16)
mit ihren entsprechenden Pufferelementen (J.1–J. 16 bzw. K.1–K.16) entgegen
der schematischen Darstellung in den 1–4,
wo sie jeweils fluchtend zueinander verlaufen, auch räumlich versetzt
sein.
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Ist
nun eine Druckdifferenz zwischen Innenraum und Außenmilieu
auszugleichen, lässt
sich diese mit Hilfe mehrerer Druckdifferenzwände C.1–C.3 und dazwischen angeordneter
Druckdifferenzräume fraktioniert
ausgleichen. Herrscht beispielsweise beim Tauchgang eines U-Bootes
ein starker Überdruck
von außen
vor, wird dieser Überdruck über dieses
System stufenweise zum Innenraum hin abgebaut bzw. ausgeglichen.
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Ausgehend
von einem Druck im Innenraum eines U-Boots und einem bei einer Tauchtiefe
von 100 Metern auftretenden Aussendruck von 10 bar ergibt sich insgesamt
eine Druckdifferenz von ca. 9 bar. Bei einwandigen U-Booten muss
diese Druckdifferenz von 9 bar aufgefangen werden, um ein sicheres Überleben
der Mannschaft zu gewährleisten.
Da mit jedem Meter Tauchtiefe der Außendruck um ca. 0,1 bar zu
nimmt, ist die Tauchtiefe nach der derzeitigen eingesetzten Technik
definitiv begrenzt. Mit dem erfindungsgemäßen System ergibt sich für die Außenhülle des
U-Boots insoweit
eine geringere Belastung als hier die Druckdifferenz auf mehrere
Druckdifferenzwände
aufgeteilt wird.
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Die
an sich notwendige Begrenzung der Tauchtiefe kann durch das erfindungsgemäße System
deutlich nach unten verlagert werden, da bei drei Druckdifferenzwänden die
Außenhülle des
U-Bootes um ein Drittel weniger belastet wird. Das System würde nämlich bei
dieser Tauchtiefe so funktionieren, dass durch eine Befüllung des
inneren Druckdifferenzraums O.2 mit Wasser ein Druck von 4 bar aufgebaut
würde und
entsprechend im Druckdifferenzraum O.1 ein Druck von 7 bar. Demzufolge
müssten die
Druckdifferenzwände
C.1, C.2, C.3 jeweils nur einer Druckdifferenz von 3 bar Druck standhalten,
um den vorherrschenden bedruck von 9 bar zu kompensieren. Dabei
dienen die Pufferelemente J.1–J.16 bzw.
K.1–K.16
an den Abtrennungswänden
P.1–P.16 bzw.
Q.1 Q.16 lediglich dazu, den einzelnen Druckdifferenzwänden die
nötigen
Bewegungsspielräume
zu gewährleisten,
um unnötige
Spannungen der Druckdifferenzwände
zu vermeiden. Wie dieses Grundprinzip im dynamischen Gebrauch funktioniert,
wird in den 2–4 näher beschrieben
und weiter verdeutlicht.
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Das
erfindungsgemäße System
ist in analoger Weise auch im Bereich Flugzeugbau oder in der Raumfahrttechnik
anwendbar mit dem Vorteil, dass das System einerseits den Einsatz
von sehr leichten Materialien erlaubt und andererseits die in der
Luft- oder Raumfahrt
auftretenden Druckdifferenzen trotz eines weit geringen Materialgewichts
mühelos
auszugleichen werden können.
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In 2 wurden
den Funktionselementen von 1 elastische
Druckkissen – beispielsweise aus
Gummi – D.1–D.32 hinzugefügt, die
sich in den Druckdifferenzräumen
O.1. O.2, insbesondere im Raum zwischen jeweils zwei Abtrennungswänden P.1–P.16, Q.1–Q.16 befinden.
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Diese
elastischen Druckkissen D.1–D.32 sind
beispielsweise mit Druckluft befüllt,
wobei sie die einzelnen Räume
ausfüllen
und den nötigen
Gegendruck auf die Druckdifferenzwände C.1–C.3 in den Druckdifferenzräumen O.1,
O.2 erzeugen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Druckkissen D.1–D.32 einen konstanten Druck
aufweisen und die Räume
zwischen den Abtrennungswänden
P.1–P.16
bzw. Q.1–Q.16
während
eines Tauchganges mit Seewasser aufgefüllt werden, bis sich der nötige Gegendruck
in den Kammern bzw. Druckdifferenzräumen O.1 und O.2 einstellt.
Dabei können
die Kammern in den Druckdifferenzräumen O.1, O.2 sowohl als Flutungskammern des
U-Bootes dienen als auch zur Trimmung des Bootes eingesetzt werden.
Wie dies im einzelnen funktioniert wird in 3 dargestellt
und wie folgt beschrieben.
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In
dem in 3 gezeigten Prinzipschema eines U-Boots sind die
Abtrennungswände
P.1–P.16, Q.1–Q.16 aus
Gründen
der besseren Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Im Vergleich zu 2 sind dagegen
weitere für
die Funktion eines U-Boots relevante Elemente schematisch skizziert.
Dies betrifft den gesamten Innenraum B die Einstiegsluke A mit Lukenöffner R
sowie die Schiffswelle M samt Schiffsschraube L.
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In 3 sind
ferner drei Wellengleitlager N angedeutet, deren Funktion es ist,
die Drehbewegung der Schiffswelle M zuzulassen und die Bewegungsfreiheit
der Druckdifferenzwände
C.1–C.3
in Längsrichtung
der Schiffswelle M zuzulassen, ohne dass ein Wassereintritt möglich ist.
Zudem erhöht sich
die Anzahl der elastischen Druckkissen um zwei auf insgesamt 34
Druckkissen D.1–D.34.
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Wenn
das schematisch skizzierte U-Boot zu tauchen beginnt, kann über geöffneten
Druckdifferenzventile F.1–F.30,
G.1–G.30,
die an den jeweiligen durch Abtrennungswände unterteilten Einzelkammern
in die beiden äusseren
Druckdifferenzwände C.1,
C.2 integriert sind, Meerwasser in die Druckdifferenzräume O.1,
O.2 eindringen, bis die innere Druckdifferenzwand C.3 annähernd an
ihre Druckfestigkeit herangeführt
ist. Daraufhin schließen
zunächst die
Druckdifferenzventile G.1–G.30
der mittleren Druckdifferenzwand C.2.. Dass U-Boot taucht weiter, bis
die mittlere Druckdifferenzwand C.2 sich ihrer Druckfestigkeit annähert. Jetzt
schließen
auch die Druckdifferenzventile F:1–F.30 der äusseren Druckdifferenzwand
C.1 und das U-Boot
kann nun so lange weiter tauchen, bis auch ihre Außenhaut,
d. h. die Druckdifferenzwand C.1 an ihre Druckfestigkeitsgrenzen
stößt. Um Druckschwankungen
innerhalb der Kammern auszugleichen, sind in den einzelnen Abtrennungswänden jeweils
Druckausgleichsventile H.1–H.14
bzw. I.1–I.14
vorgesehen, ohne dem in den Kammern befindlichen Meereswasser die
Möglichkeit
zu geben sich aufzuschaukeln. Schließlich dienen an den Abtrennungswänden vorgesehene
Pufferelemente J.1–J.16
bzw. K.1–K.16
dazu, dass die einzelnen Druckdifferenzwänden C.1–C.3 bei Befüllen oder
Entleeren in einem gewissen Rahmen beweglich bleiben, um sich an
die veränderten
Gegebenheiten der jeweiligen Spannung oder Situation anpassen zu
können.
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Wenn
das U-Boot wieder auftaucht, öffnen sich
bei entsprechend nachlassendem Gegendruck gleichzeitig zuerst die
Druckdifferenzventile F.1–F.30 der äußeren Druckdifferenzwand
C1 und bei passendem niedrigen Gegendruck dann gleichzeitig auch die
Druckdifferenzventile G.1–G.30
der mittleren Druckdifferenzwand C2.
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Die
Einstiegsluke A ist durch das selbe Druckdifferenzwandsystem gegenüber dem
Außendruck
abgesichert. Gegebenenfalls können
mehrere einfache Einstiegsluken – nach dem Prinzip der einzelnen
Druckdifferenzwandung – übereinander
angebracht werden, so dass sie den Gegendruck analog nach dem Prinzip
der Druckdifferenzwände
C.1–C.3 stufenweise
kompensieren.
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In 4 sind
die Abtrennungswände P.1–P.16 und
Q.1–Q.16
einschließlich
der Pufferelemente J.1–J.16
und K.1–K.16
(siehe die 2 und 3) aus Gründen der
besseren Übersichtlichkeit nicht
dargestellt.
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Die
schematische Darstellung in 4 geht davon
aus, dass die Druckdifferenzräume
O.1, O.2, d. h. die zwischen den einzelnen Abtrennungswänden vorgesehenen
Einzelkammern bereits mit Flüssigkeit
oder Gel gefüllt
sind. Beim Abtauchen werden entsprechend dem zunehmenden Wasserdruck
die elastischen Druckkissen D.1–D.34
mit Druckluft befüllt,
bis der vorgesehene Maximaldruck auf die innere Druckdifferenzwand
C.3 einwirkt. Beim weiteren Abtauchen, werden dann nun nur noch
die elastischen Druckkissen zwischen der mittleren Druckdifferenzwand
C.2 und der äußeren Druckdifferenzwand
C.1 weiter mit zunehmender Druckluft versorgt, bis auch diese mit
dem vorgesehenen Druck die mittlere Druckdifferenzwand C.2 belasten.
Die maximale Tauchtiefe ist dann nur noch von dem bauartgemäßen Belastungsgrad
der äußeren Druckdifferenzwand
C.1 abhängig.
Beim Auftauchen wird in umgekehrter Reihenfolge die Druckluft wieder
aus den Druckkissen abgepumpt. Egal auf welche Art und Weise dieses
System zum Ausgleich von Druckdifferenzen zum Einsatz kommt, die
zu erreichende Druckdifferenz bzw. Tauchtiefe ist immer abhängig von
zwei Faktoren. Der Anzahl der verwendeten Druckdifferenzwände und
deren Stabilität
bzw. Fähigkeit,
Druckdifferenzen zu kompensieren. Je mehr Druckdifferenzwände mit
hoher Stabilität
eingesetzt werden, um so größer ist
der Druck, der dadurch ausgeglichen werden kann. Somit ist die erreichbare Tauchtiefe
eines U-Bootes abhängig
von seinem Material und der Anzahl der verwendeten Druckdifferenzwände. Da bei
ist es völlig
egal, ob die oben beschriebenen möglichen Wege zum Druckausgleich für sich alleine
genommen angewandt werden, oder ob diese in Kombination miteinander
angewendet werden.
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Bei
der in 4 dargestellten Variante zum Druckdifferenzausgleich
ist ferner vorgesehen, dass in den durch Abtrennungswände in eine
Vielzahl von Kammern unterteilten Druckdifferenzräumen O1,
O2 nur in der zwischen einander zugewandten Kammern vorgesehenen
Druckdifferenzwand C2 pro Kammer wenigstens je ein steuerbares Druckdifferenzventil G.1–G.30 vorgesehen
ist, wobei, ausgehend von in den einzelnen Kammern jeweils vorgesehenen,
mit Druckluft gefüllten
elastischen Druckkissen D.1–D.34,
der die Druckkissen jeweils umgebende Raum innerhalb jeder Kammer
mit einem Medium zur Bildung eines auf die Druckkissen einwirkenden
variablen Gegendrucks aufgefüllt
ist. Beispielsweise können
diese Kammern vordefiniert mit einem Wasserstoffgel zum Betreiben
von Brennstoffzellen befüllt werden
und somit die Funktion eines Treibstofftanks übernehmen. Während eines
Tauchvorgangs und/oder bei einem Verbrauch von Treibstoff würden die
elastischen Druckkissen mit dem entsprechenden Gegendruck belastet,
so dass immer ein definierter Gegendruck auf die Druckdifferenzwände einwirkt.
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- C.1–C.3
- Druckdifferenzwände
- D.1–D.34
- Druckkissen
- F.1–F.30
- Druckdifferenzventile
- G.1–G.30
- Druckdifferenzventile
- H.1–H.14
- Druckausgleichsventile
- I.1–I.14
- Druckausgleichsventile
- J.1–J.16
- Pufferelemente
- K.1–K.16
- Pufferelemente
- O.1–O.2
- Druckdifferenzräume
- P.1–P.16
- Abtrennungswände
- Q.1–Q.16
- Abtrennungswände
- A
- Einstiegsluke
- B
- Innenraum
- L
- Lukenöffner
- M
- Schiffswelle
- N
- Wellengleitlager
- R
- Schiffswelle