DE102006061123B4

DE102006061123B4 - Faserverbundbauteil

Info

Publication number: DE102006061123B4
Application number: DE102006061123A
Authority: DE
Inventors: Martin Wittwer
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: DE102006061123A1

Abstract

Faserverbundbauteil (1, 21), welches als Rohr oder Behälter für Fluide (5) ausgebildet ist und welches ein Faserverbundmaterial (3) mit einem integrierten, ohmschen Heizmaterial (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (3) wenigstens eine erste und eine zweite Faserschicht (10, 14) aus CFK-Material aufweist, wobei das Faserverbundbauteil (1, 21) weiterhin eine elektrische Isolationsschicht (16) sowie eine elektrische und thermische Isolationsschicht (15) aufweist, wobei gesehen von den in dem Faserverbundbauteil (1, 21) aufnehmbaren Fluiden (5) folgende räumliche Anordnung vorgesehen ist: zunächst die erste Faserschicht (14), angrenzend an diese die elektrische Isolationsschicht (16), angrenzend an diese das Heizmaterial (18), angrenzend an dieses die thermische und elektrische Isolationsschicht (15) und angrenzend an diese die zweite Faserschicht (10).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Faserverbundbauteil, insbesondere ein mit einem Fluid in Kontakt bringbares Faserverbundbauteil, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Obwohl auf beliebige Faserverbundbauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zu Grunde liegende Problematik in Bezug auf Rohre zur Bereitstellung von Frischwasser in einem Flugzeug näher erläutert.
Bei solchen Rohren, die meist aus einer Titanlegierung hergestellt sind, besteht vielfach die Anforderung, ein Einfrieren der geführten Flüssigkeit zu verhindern oder sogar die geführte Flüssigkeit zu erhitzen. Bisher wird dies beispielsweise mittels Umwickeln der Rohre mit Heizleitern, welche eine ohmsche Erwärmung erzeugen, erreicht.
Jedoch beanspruchen solche Heizleiter am Umfang der Rohre zusätzlichen Raum und weisen ein nicht unerhebliches Gewicht auf. Weiterhin tragen die Heizleiter auch nicht zur Festigkeit der Rohre bei. Dem steht die generelle Anforderung im Flugzeugbau gegenüber, Bauteile so leicht und platzsparend wie möglich auszulegen.
Ein weiteres Problem bei derartigen Heizleitern besteht darin, dass eine das Rohr umgebende thermische Isolationsschicht mit einer Ausnehmung versehen werden muss, um darin den um das Rohr gewickelten Heizleiter aufzunehmen, was den Herstell- und Montageaufwand für die Isolationsschicht erhöht.
Die Druckschrift DE 23 25 227 A offenbart ein elektrisch beheizbares glasfaserverstärktes Kunststoffrohr zum Transport von Medien, die bei bestimmten Temperaturen einfrieren, erstarren, auskristallisieren oder sich sonstwie verfestigen, wobei das glasfaserverstärkte Kunststoffrohr im Wickelverfahren hergestellt ist, wobei das Rohr aus drei konzentrischen Schichten besteht, von denen die innere und die äußere Schicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und die mittlere Schicht aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Ein Nachteil derart aufgebauter Rohre ist, dass die im Inneren des Rohres erzeugte Wärme teilweise an die Umgebung abgegeben wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil bereitzustellen, welches eine hohe Energieeffizienz besitzt und einen kompakten Aufbau aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelost.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, den oberhalb beispielhaft beschriebenen Heizleiter nun nicht mehr als separates Bauteil auszubilden, aber denselben innerhalb eines Faserverbundbauteils anzuordnen.
Das Faserverbundbauteil der Erfindung ist typischerweise aus mehreren, mittels einer Matrix verbundenen Lagen Fasergelege hergestellt. Daher lässt sich der Heizleiter während des Herstellungsprozesses des Faserverbundbauteils sehr leicht in dasselbe integrieren, was im Gegensatz dazu bei einem Rohr aus einer Titanlegierung, schon aus elektrischen Gründen, nahezu unmöglich ist.
Bedingt dadurch, dass der Heizleiter in dem Faserverbundbauteil angeordnet ist, trägt er zur Stabilität desselben bei. Dadurch lässt sich das Faserverbundbauteil mit dem Heizmaterial insgesamt leichter ausbilden als das mit dem Heizleiter umwickelte Rohr. Ferner beansprucht der integrierte Heizleiter nun nicht mehr zusätzlichen Raum.
Das Faserverbundbauteil weist ein elektrisch und thermisch isolierendes Material angrenzend zu dem Heizmaterial auf. Dadurch, dass das Faserverbundmaterial Kohlenstofffasern aufweist, kann die Gefahr bestehen, dass die das Heizmaterial durchfließende Ladung in das umgebende Faserverbundmaterial abgeleitet wird und somit beispielsweise eine Gefahrenquelle für Personen oder andere elektrische Einrichtungen darstellt. Dieses Problem kann jedoch einfach mittels einer entsprechenden elektrischen Isolierung der Heizschicht gegenüber den Kohlenstofffasern erzielt werden.
Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass ein mit dem Faserverbundbauteil in Kontakt stehendes Fluid sehr energieeffizient geheizt werden kann. Dabei ist die thermisch isolierende Schicht bezogen auf das Fluid hinter der Heizschicht angeordnet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die thermische Isolationsschicht keine Ausnehmung benötigt um darin einen externen Heizleiter aufzunehmen, wie einleitend beschrieben.
Ferner ist folgende räumliche Anordnung denkbar: Faserschicht – elektrische Isolationsschicht – Heizmaterial – elektrische Isolationsschicht – Faserschicht.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Mit ”integriert” ist in dieser Patentanmeldung gemeint, dass das Heizmaterial in dem Faserverbundmaterial angeordnet ist.
Unter „ohmschen Heizmaterial” ist vorliegend ein Material, vorzugsweise Wolfram oder eine Wolframlegierung, zu verstehen, welches, wenn es Strom durchflossen ist, vergleichsweise viel Wärmeenergie erzeugt.
Das Faserverbundmaterial weist wenigstens zwei Faserschichten auf, zwischen welchen sich das Heizmaterial erstreckt. Somit ist das Heizmaterial insbesondere gegenüber einer Flüssigkeit isoliert in dem Faserverbundmaterial eingebettet. Mit ”zwischen” sollen hier insbesondere folgende räumliche Anordnungen umfasst sein: Faserschicht – Heizmaterial – Faserschicht; Faserschicht – Matrix – Heizmaterial – Matrix – Faserschicht; Faserschicht aus erstem Material – Matrix aus zweitem Material – Heizmaterial – Matrix aus drittem Material – Faserschicht aus viertem Material. Das erste und vierte Material sind Kohlenstofffasern und das zweite und dritte Material können beispielsweise verschiedene oder gleiche Epoxydharze sein. Ferner ist folgende räumliche Anordnung denkbar: Faserschicht – elektrische Isolationsschicht – Heizmaterial – elektrische Isolationsschicht – Faserschicht.
Das Faserverbundmaterial weist einen Kohlenstofffaserkunststoff (CFK) auf. Die Fasern können dabei als Gelege und/oder Gewebe vorgesehen sein. Eine diese imprägnierende Matrix ist vorzugsweise als Epoxydharz ausgebildet.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, das Heizmaterial in das trockene Faserverbundmaterial einzubringen und anschließend die gesamte Anordnung mit der Matrix zu tränken und auszuhärten. Dies kann zu einem sehr stabilen Faserverbundbauteil führen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Heizschicht Leiterdrähte und/oder Leiterstreifen auf. Diese eignen sich sehr gut für eine Imprägnierung mit einer Matrix.
Bei einer weiter bevorzugten Weiterbildung ist die Heizschicht als Gelege oder Gewebe ausgebildet. Dadurch ließe sich die Heizschicht mit konventionellen Vorrichtungen zur Bearbeitung von Faserverbundmaterialien verarbeiten. Ferner weist eine derart ausgebildete Heizschicht eine große Oberfläche auf, welche mittels Imprägnierung mit der Matrix zu einem sehr stabilen Faserverbundbauteil führen kann.
Das Faserverbundbauteil ist als Rohr und/oder Behälter für Fluide, insbesondere Flüssigkeiten, ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform übernimmt das Faserverbundbauteil eine Doppelfunktion: Zum Einen dient es zum Führen oder Aufnehmen von Fluid und zum Anderen zum Heizen des Fluids. Dies führt insbesondere aus montagetechnischer Sicht zu einem sehr einfachen Aufbau.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine Ansicht eines Längsschnitts durch ein Rohr;
2 eine Ansicht eines Teilquerschnitts entlang der Schnittlinie A-A aus 1;
3 die Ansicht B gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4 eine perspektivische Ansicht eines Behälters.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 und 2 zeigen jeweils Schnittansichten durch ein als Rohr 1 ausgebildetes Faserverbundbauteil.
Das Rohr 1 weist eine Wandung 2 auf, wobei die Wandung 2 als ein Faserverbundmaterial 3 mit einem integrierten, ohmschen Heizmaterial 4 ausgebildet ist. Die Wandung 2 begrenzt einen Innenraum zur Aufnahme eines Fluids, bspw. Wasser 5.
Das Heizmaterial 4 weist einen elektrischen Widerstand auf, wobei das Heizmaterial 4 im stromdurchflossenen Zustand das Wasser 5 in dem Rohr 1 heizt.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Heizschicht 12 von der oberen Schicht bzw. unteren Schicht 14 mittels zweier Isolationsschichten 15, 16 beabstandet.
Die Isolationsschicht 15 weist dabei ein thermisch und elektrisch isolierendes Material auf. Dadurch wird die von der Heizschicht 12 generierte Wärme nur stark reduziert an eine das Rohr umgebende Umgebung 17 abgegeben. Der Großteil der erzeugten Wärme wird auf das in dem Rohr 1 geführte Wasser 5 übertragen.
Dadurch, dass die Isolationsschichten 15 und 16 elektrisch isolierend ausgebildet sind, wird ein Transfer von Ladung von der Heizschicht 12 auf die obere bzw. untere Schicht 10, 14 verhindert. Je nach Beschaffenheit der Fasern 6, 13 bzw. der Matrix 7 kann dies aus Sicherheitsgründen geboten sein.
Das Heizmaterial 4 könnte bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3 als Leiterstreifen 18, beispielsweise ohne Matrix, ausgebildet sein. Dabei könnte sich der Leiterstreifen 18 neben seiner Längserstreckung ganz oder auch nur abschnittsweise um den Umfang der unteren Schicht 14 erstrecken.
4 zeigt ein als Platte 21 ausgebildetes Faserverbundbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Ansicht eines Schnitts entlang der Schnittlinie C-C der Platte 21 entspricht dabei beispielsweise einer in 3 gezeigten Ansicht.
Die Platte 21 ist an einem Behälter 22, welcher als Flüssigkeitsspeicher mit einem Einlass 23 und einem Auslass 24 ausgebildet ist, flächig angebracht. Ferner ist die Platte 21 mittels Kabeln 25, 26 an einer Stromquelle angeschlossen.
Der Behälter 22 ist vorzugsweise aus Titan, Aluminium, Stahl oder einer Legierung dieser hergestellt und somit sehr wärmeleitfähig.
Mittels Anlegen einer Spannung an der Platte 21 über die Kabel 25, 26 entsteht ein Stromfluss durch das Heizmaterial 4, siehe hierzu 3, worauf diese Wärme erzeugt, welche durch die Wandung des Behälters 22 an eine in diesem befindliche Flüssigkeit zum Aufheizen dieser abgegeben wird.
Für das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil ergeben sich eine Vielzahl von weiteren Anwendungen, beispielsweise das Heizen der Kabine.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Faserverbundbauteil, insbesondere ein mit einem Fluid in Kontakt bringbares Faserverbundbauteil. Dabei weist das Faserverbundbauteil ein Faserverbundmaterial mit einem integrierten ohmschen Heizmaterial auf. Ein sich dabei ergebende Vorteil besteht darin, dass das Heizmaterial selbst zur Stabilität des Faserverbundbauteils beiträgt, wodurch sich eine Gewichtseinsparung erzielen lässt.
Bezugszeichenliste

1: Rohr
2: Wandung
3: Faserverbundmaterial
4: Heizmaterial
5: Wasser
6: Faser
7: Matrix
10: Obere Schicht
12: Heizschicht
13: Fasern
14: Untere Schicht
15: Isolationsschicht
16: Isolationsschicht
17: Umgebung
18: Leiterstreifen
21: Platte
22: Behälter
23: Einlass
24: Auslass
25: Kabel
26: Kabel

Claims

Faserverbundbauteil (1, 21), welches als Rohr oder Behälter für Fluide (5) ausgebildet ist und welches ein Faserverbundmaterial (3) mit einem integrierten, ohmschen Heizmaterial (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (3) wenigstens eine erste und eine zweite Faserschicht (10, 14) aus CFK-Material aufweist, wobei das Faserverbundbauteil (1, 21) weiterhin eine elektrische Isolationsschicht (16) sowie eine elektrische und thermische Isolationsschicht (15) aufweist, wobei gesehen von den in dem Faserverbundbauteil (1, 21) aufnehmbaren Fluiden (5) folgende räumliche Anordnung vorgesehen ist: zunächst die erste Faserschicht (14), angrenzend an diese die elektrische Isolationsschicht (16), angrenzend an diese das Heizmaterial (18), angrenzend an dieses die thermische und elektrische Isolationsschicht (15) und angrenzend an diese die zweite Faserschicht (10).
Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmaterial (4, 11, 18) Leiterdrähte und/oder Leiterstreifen (18) aufweist.
Faserverbundbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmaterial (4, 18) als Gelege oder Gewebe ausgebildet ist.