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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, also für ein Fluggerät (wie z. B. Flugzeug)
und mit einem äußeren Bauteilbereich mit einer
vereisungsgefährdeten Außenoberfläche.
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Aus
der
DE 102 30 965
A1 ist es bekannt, zur Enteisung und zur Vorbeugung einer
Vereisung von Flugzeugen eine Alkohol enthaltende Suspension auf
die Oberfläche eines Flugzeugs aufzusprühen. Nachteilig
ist hierbei beispielsweise der Aufwand zur Bereitstellung einer
für das betreffende Fluggerät geeigneten Sprühanlage.
Außerdem ist eine derartige Enteisungsmethode insbesondere
bei Verwendung für relativ große Flugzeuge sehr
kostenintensiv und unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes nicht unbedenklich.
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In
der
DE 102 30 965
A1 sind ferner umweltfreundlichere Methoden zur Enteisung
von Fluggeräten erwähnt, die auf der Verwendung
von gasbeheizten Infrarotstrahlern oder einer Bestrahlung mittels Mikrowellen
basieren, um entsprechende Außenhautbereiche zu erwärmen.
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Ferner
existieren bereits Fluggeräte mit integriertem Enteisungssystem.
Für Großflugzeuge ist es beispielsweise bekannt,
eine Enteisung insbesondere der Tragflügelvorderkante mittels
Zapfluft aus den Antriebsmaschinen durchzuführen. Diese
Methode setzt jedoch die Verfügbarkeit geeigneter Zapfluft
voraus, was z. B. insbesondere für kleinere Flugzeuge (mit
Kolbenmotoren) ein Problem darstellt. Außerdem erfordert
diese Methode in der Praxis eine hohe Temperaturbelastungsfähigkeit und/oder
eine hohe Wärmeleitfähigkeit des betreffenden
Flugzeugbereiches. Dieses System darf aus sicherheitsrelevanten
Gründen während des Start- und Landevorganges
nicht verwendet werden.
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Aus
der
DE 10 2004
060 675 A1 ist es bekannt, vereisungsgefährdete
Bauteile von Fluggeräten mit einem Piezowandler zu versehen,
so dass durch elektrische Ansteuerung des Piezowandlers eine zumindest
bereichsweise Verformung des Bauteils erzielt werden kann, um starres
Eis von dem Bauteil zu lösen. Diese Methode stellt gewisse
Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des betreffenden
Bauteils.
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Aus
der
DE 101 51 298
A1 ist die Verwendung einer Heizfolie bekannt, die auf
vereisungsgefährdeten Bereichen der Außenhaut
von Flugzeugen angebracht wird. Gemäß einer speziellen
Ausführungsform weist die Heizfolie als Trägermaterial
eine Schicht aus Kohlefasern auf, in welche die Heizfolie integriert
ist. Heizfolie und Trägermaterial zusammen können
hierbei die Außenhaut eines Flugzeuges an vereisungsgefährdeten
Bereichen bilden. Problematisch ist bei einer solchen "integrierten
Heizung" die Realisierung und Kontrolle einer über den
gefährdeten Bereich gleichmäßigen Heizwirkung.
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Die
meisten fluggeräteigenen Enteisungsmethoden eignen sich
eher schlecht für so genannte Faserverbundbauteile, die
vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht) im Flugzeugbau, auch zum Aufbau größerer
Strukturen, zunehmend interessant werden. Ein Faserverbund ist ein
Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich
einem Matrixmaterial und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige
Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff
höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln
beteiligten Komponenten.
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Faserverbundbauteile
besitzen zumeist eine wesentlich geringere Temperaturbelastungsfähigkeit sowie
geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den
bislang im Flugzeugbau weit verbreiteten Leichtmetallen, z. B. Aluminiumlegierungen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil der eingangs
genannten Art mit hoher spezifischer Festigkeit bei gleichzeitig
effizienter Beheizbarkeit zur Enteisung oder Vorbeugung einer Vereisung
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
dass das Bauteil einen Faserverbund mit in einem Matrixmaterial
eingebetteten Fasern umfasst, wobei in einem äußeren
Faserverbundbereich elektrisch leitfähige Fasern angepasster
Leitfähigkeit eingebettet sind und an der Bauteilinnenseite eine
Induktionseinrichtung zum induktiven Heizen des äußeren
Faserverbundbereiches vorgesehen ist.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht demnach darin, die durch Verwendung
eines Faserverbunds sich ergebenden vorteilhaften mechanischen Bauteileigenschaften
zu nutzen und durch eine vergleichsweise geringfügige Modifikation
(Einbettung elektrisch leitfähiger Fasern) eine einfache
und zuverlässige Beheizbarkeit vorzusehen.
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Durch
eine geeignete Wechselerregung der Induktionseinrichtung, beispielsweise
mittels Hochfrequenz, können über eine Nahfeldkopplung
primär die elektrisch leitfähigen Fasern aufgeheizt
werden. Da sich diese Fasern in einem äußeren
Faserverbundbereich befinden, wird die (durch Wirbelströme hervorgerufene)
Heizleistung mehr oder weniger oberflächennah und somit
effizient erzeugt.
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Die
Außenoberfläche des äußeren
Bauteilbereiches kann beispielsweise einen Abschnitt der Fluggerätaußenhaut
bilden, also z. B. einen Abschnitt einer Trag- oder Leitfläche
bei einem Flugzeug. Das Bauteil kann z. B. einen vereisungsgefährdeten
Tragflügelbereich (insbesondere Vorderkante) eines Flugzeugs
ausbilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Faserverbund
von einem CFK-Material (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff)
gebildet. Ein derartiges Material besitzt für den Flugzeugbau
besonders vorteilhafte Eigenschaften und ist für die erfindungsgemäße
Gestaltung eines beheizbaren Bauteils gut geeignet.
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Der
Begriff "elektrisch leitfähige Fasern" soll im Rahmen der
Erfindung sowohl Fasern mit inhärenter elektrischer Leitfähigkeit
als auch durch eine geeignete Beschichtung elektrisch leitfähig
gemachte Fasern umfassen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform sind die elektrisch
leitfähigen Fasern von metallbeschichteten Fasern gebildet.
Dies besitzt den praktischen Vorteil, dass die Auswahl des Fasermaterials
nicht auf Fasern mit inhärenter Leitfähigkeit
beschränkt ist. Die Fasern können somit insbesondere
hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Wechselwirkung
mit dem Matrixmaterial optimiert ausgewählt werden. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform werden metallbeschichtete Kohlenstofffasern
verwendet.
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Wenn
die elektrisch leitfähigen Fasern von metallbeschichteten
Fasern gebildet sind, so ist gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung vorgesehen, dass die Metallbeschichtung aus einem
ferromagnetischen Metall (wie z. B. Eisen, Nickel etc.) besteht. Derartige
Metalle bzw. Metalllegierungen mit einer vergleichsweise hohen magnetischen
Permeabilität führen vorteilhaft zu einer gewissen
Konzentration des magnetischen Flusses in dem entsprechenden Faserverbundbereich.
In diesem Bereich entstehen folglich auch größere
elektrische Ströme, deren Verlustleistung (Joulscher Effekt)
eine effiziente Erwärmung des Faserverbundbereiches bewirkt.
Ausgehend von den erwärmten Bereichen kann ein weiterer Wärmetransport
in andere Bereiche des Bauteils durch reine Wärmeleitung
erfolgen.
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Die
elektrisch leitfähigen Fasern können in Form eines
textilen Halbzeugs (z. B. Gewebe, Gelege, Geflechte, Fasermatten
oder Prepregs) in den Faserverbund eingebracht sein. Beispielsweise
kann eine CFK-Lage mit metallbeschichteten Kohlenstofffasern im
Oberflächenbereich des Faserverbunds einlaminiert werden.
Darüber kann am fertigen Bauteil sich z. B. noch ein Grundierungs-
und Decklack befinden.
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Wenn
die elektrisch leitfähigen Fasern bei der Herstellung des
Faserverbunds als ein textiles Halbzeug in den Faserverbund eingebracht
werden, so ergibt sich ein besonderer Vorteil bei Halbzeugen mit
einem nicht-unidirektionalen Faserverlauf. Hinsichtlich einer besseren
Leitung von Wirbelströmen am fertigen Bauteil ist die Verwendung
eines textilen Halbzeugs vorteilhaft, bei welchem eine möglichst gute
elektrische Kontaktierung zwischen Fasern besteht, die in verschiedenen
Richtungen orientiert sind. Aus diesem Grund kann in der Praxis
z. B. ein Gewebe aus elektrisch leitfähigen Fasern bevorzugt sein.
Im Unterschied zu gekreuzten, jeweils unidirektionalen Einzellagen
kann mit einem solchen Gewebe eine bessere Kontaktierung zwischen
quer zueinander verlaufenden Fasern geschaffen werden, was die Ausbildung
von Wirbelströmen fördert.
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Die
an der Bauteilinnenseite vorgesehene Induktionseinrichtung kann
innerhalb des Faserverbunds integriert, aus dem Faserverbund hervorstehend
oder gänzlich außerhalb des Faserverbunds angeordnet
sein. Fertigungstechnisch besonders einfach ist es z. B. eine Induktionseinrichtung
separat von dem Faserverbund herzustellen und nachträglich an
der Innenseite des Faserverbunds bzw. des Bauteils anzubringen (z.
B. anzukleben).
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Induktionseinrichtung
eine aus mehreren Induktoren (z. B. einfache Spulen) gebildete Induktoranordnung
ist.
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Die
Induktionseinrichtung dient zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes
im Faserverbund, welches in dem mit elektrisch leitfähigen Fasern
versehenen Faserverbundbereich zu elektrischen Wirbelströmen
und damit verbundener elektrischer Heizleistung führt.
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Was
die Gestaltung der Induktionseinrichtung anbelangt, so kann hierfür
vorteilhaft auf an sich bekannte Konstruktionen zurückgegriffen
werden, wie sie aus dem Bereich von Induktionsheizungen bekannt
sind.
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Bei
Bauteilen, die in einer Richtung langgestreckt oder insgesamt plattenförmig
sind, kann der Faserverbund aus gestapelten Einzellagen gebildet sein,
deren Stapelrichtung orthogonal zur Längserstreckung bzw.
plattenförmigen Ausdehnung des Bauteils verläuft.
Die Induktionseinrichtung kann in diesem Fall z. B. aus einer verteilten
Anordnung einer Vielzahl von Induktoren bestehen, deren magnetisches
Feld (im Induktorbereich) orthogonal zu den Einzellagen, also in
Stapelrichtung verläuft.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil kann vorteilhaft als
ein an der Außenoberfläche beheizbares Außenbauteil
für ein Fluggerät (Flugzeug, Hubschrauber etc.)
verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
Es stellen dar:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Flugzeug-Strukturbauteils, und
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2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines Wirbelstromverlaufs in einem
Faserverbundbereich des Bauteils von 1.
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1 veranschaulicht
in einer Schnittansicht den Aufbau eines Strukturbauteils 10 für
ein Flugzeug.
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Das
Bauteil 10 bildet im verbauten Zustand beispielsweise einen
Außenhautabschnitt des Flugzeugs, insbesondere z. B. einen
Tragflügelbereich oder Leitflächenbereich. In
dieser Verwendungssituation ist eine in 1 obere
Bauteiloberfläche 12 eine vereisungsgefährdete
Außenoberfläche des Flugzeugs.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform besteht das Bauteil 10 im
Wesentlichen aus einem Faserverbund 14 mit in einem Matrixmaterial
eingebetteten Fasern. Der Faserverbund 14 umfasst einen äußersten
Faserverbundbereich 14-1, einen äußeren Faserverbundbereich 14-2 und
einen inneren Faserverbundbereich 14-3.
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Der
Begriff "äußerer Faserverbundbereich" soll im
Rahmen der Erfindung bedeuten, dass bezogen auf die geometrische
Mitte des Faserverbunds mehr Material dieses Bereichs außerhalb
als innerhalb liegt. Davon ist insbesondere der Fall erfasst, dass
der Bereich vollständig außerhalb von der geometrischen
Mitte liegt, wie dies z. B. bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 der Fall ist.
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Der
"äußere Faserverbundbereich" kann abweichend vom
dargestellten Ausführungsbeispiel auch gleichzeitig den äußersten
Faserverbundbereich darstellen. Anders ausgedrückt kann
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die
separate äußerste Faserverbundschicht 14-1 auch
weggelassen werden. In diesem Fall wäre die vereisungsgefährdete
Oberfläche 12 eine Oberfläche des "äußeren
Faserverbundbereiches".
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Die
in 1 dargestellten Faserverbundbereiche 14-1, 14-2 und 14-3 unterscheiden
sich hinsichtlich des darin enthaltenen Fasermaterials. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ist das verwendete Matrixmaterial
für alle drei Bereiche identisch.
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An
der äußeren Oberfläche 12 des äußersten
Faserverbundbereichs 14-1 kann in an sich bekannter Weise
ein Grundierungs- und Decklack (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
Das im Bereich 14-1 verwendete Fasermaterial, beispielsweise
Kohlefasern, ist in Art und Anordnung (Faserorientierung) hinsichtlich
der gewünschten mechanischen Eigenschaften optimiert. Dasselbe
gilt für den inneren Bereich 14-3, der z. B. ebenfalls
Kohlefasern enthalten kann.
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Der
dazwischen liegende äußere Bereich 14-2 enthält
elektrisch leitfähige Fasern, im dargestellten Ausführungsbeispiel
z. B. mit einer Ni-Fe-Legierung beschichtete Kohlenstofffasern.
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An
der Bauteilinnenseite (in 1 unten) sind
eine Vielzahl von Induktoren angeordnet (z. B. angeklebt), von denen
in 1 drei ersichtlich sind und mit 16, 18 und 20 bezeichnet
sind. Sie dienen zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes,
welches sich etwa wie in 1 gestrichelt eingezeichnet in
das Innere des Bauteils 10 hinein erstreckt.
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Jeder
der Injektoren 16, 18, 20 besteht aus einer
vergossenen elektrischen Spule, die über eine (nicht dargestellte)
Leitungsanordnung von einer Wechselstromquelle aus betrieben wird
ist. Durch die vergleichsweise große magnetische Permeabilität der
Metallbeschichtung der im Faserverbundbauteil 14-2 befindlichen
Fasern wird der magnetische Fluss im Bereich 14-2 konzentriert.
Der durch diese Nahfeldkopplung in dem Bereich 14-2 hervorgerufene magnetische
Fluss induziert in diesem Bereich elektrische Wirbelströme,
durch welche es zu einer Erwärmung der Metallbeschichtung
und über eine Wärmeleitung zur Erwärmung
des ganzen Bereichs 14-2 kommt.
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Da
der Faserverbundbereich 14-2 relativ weit außen
(in 1 oben) vorgesehen ist, wird auch der äußerste
Faserverbundbereich 14-1 mit der vereisungsgefährdeten
Außenoberfläche 12 erwärmt.
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Somit
kann durch einen Betrieb der Induktoranordnung 16, 18, 20 ein
induktives Heizen der Oberfläche 12 realisiert
werden, womit einer Vereisung vorgebeugt, oder eine bereits vereiste
Oberfläche enteist werden kann.
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Was
die konkrete Anordnung, insbesondere auch eine (in 1 nicht
dargestellte) zweidimensionale Anordnung von Induktoren und deren
Gestaltung anbelangt, so kann hierfür vorteilhaft auf Konstruktionen
aus dem Bereich von induktiven Heizvorrichtungen zurückgegriffen
werden.
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Was
die Fertigung des Bauteils 10 anbelangt, so kann vorteilhaft
auf alle an sich bekannten Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen
zurückgegriffen werden. Lediglich beispielhaft sei diesbezüglich
das Vakuuminfusionsverfahren und die Prepreg-Technologie genannt.
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Eine
gängige Herstellungsmethode ist es, textile Halbzeuge an
einer Formoberfläche zu drapieren, mit flüssigem
Matrixmaterial (z. B. Epoxidharz) zu durchtränken und unter
Druckbeaufschlagung auszuhärten.
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Bei
einem bestimmten magnetischen Wechselfluss im äußeren
Faserverbundbereich 14-2 hängt das Ausmaß der
induzierten Wirbelströme und somit die Effizienz der Heizwirkung
stark von der "Anordnungsgeometrie" der elektrisch leitfähigen
Fasern (hier: metallbeschichtete Fasern) ab. Wenn zur Herstellung
dieses Faserverbundbereichs 14-2 mehrere Fasermateriallagen
mit jeweils unidirektionaler Faserorientierung geschichtet werden,
so ist dies (unter der zumeist zutreffenden Annahme, dass das Matrixmaterial
relativ schlecht elektrisch leitet) eher ungünstig für
eine effektive Ausbildung von Wirbelströmen. Die Wirbelstromausbildung
ist umso besser, je größer und je weniger richtungsabhängig
die lokale elektrische Leitfähigkeit im Faserverbundbereich 14-2 ist.
Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn der zu heizende Faserverbundbereich
erstens Fasern mit verschiedenen Faserorientierungen enthält und
zweitens die Fasern gut "miteinander vernetzt" (elektrisch miteinander
kontaktiert) sind.
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Vor
diesem Hintergrund ist es z. B. vorteilhaft, bei der Herstellung
des zu heizenden Faserverbundbereiches 14-2 ein Gewebe
aus elektrisch leitfähigen Fasern einzubetten. Dies sei
anhand der schematischen Darstellung von 2 erläutert.
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2 veranschaulicht
zwei parallel in einer ersten Richtung x in einer Ebene verlaufende
elektrisch leitfähige Fasern 30 und 32,
sowie zwei gekreuzt dazu in einer Richtung y verlaufende elektrisch leitfähige
Fasern 34 und 36. Die Fasern 34 und 36 verlaufen
ebenfalls in einer gemeinsamen Ebene, die jedoch in einer Höhenrichtung
z zueinander versetzt ist (Höhendifferenz h).
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Jede
zeitliche Änderung des magnetischen Flusses, wie in 2 durch
den Pfeil "dB/dt" symbolisiert, führt nach dem Induktionsgesetz
zu einem elektrischen Feld mit kreisförmig geschlossen
verlaufenden Feldlinien, die bei der dargestellten Anordnung zu
entsprechenden elektrischen Strömen entlang der Fasern 30 bis 36 führen
(vgl. an den Fasern eingezeichnete Pfeile). Die Stromstärke
und somit der erzielte induktive Heizeffekt ist umso größer
je besser die einzelnen Fasern miteinander in elektrischem Kontakt
stehen. Der in 2 eingezeichnete Höhenabstand
h sollte dementsprechend möglichst klein sein oder ganz
verschwinden. Dies lässt sich in an sich bekannter Weise
besonders gut mit einem Gewebe erreichen, bei welchem gekreuzte
Kettfäden und Schussfäden einander berühren.
Im Unterschied zu gekreuzten unidirektionalen Einzellagen eines
Fasermaterials ergibt sich bei Verwendung eines gewebten Fasermaterials
somit eine bessere Kontaktierung der Fasern untereinander, was eine
effiziente Ausbildung von Wirbelströmen fördert.
Selbstverständlich kann bei der Herstellung des zu heizenden Faserverbundbereiches 14-2 auch
auf andere textile Halbzeuge vorteilhaft zurückgegriffen
werden, solange eine solche wirbelstromfördernde Kontaktierung gegeben
ist.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Förderung von Wirbelströmen
in dem zu heizenden Faserverbundbereich ist es, für diesen
Bereich ein spezielles, nämlich besser elektrisch leitendes
Matrixmaterial zu verwenden. Beispielsweise kann vorgesehen sein,
dass der zu heizende Faserverbundbereich 14-2 ein Matrixmaterial
enthält, dessen (im Wesentlichen isotrope) elektrische
Leitfähigkeit wenigstens um einen Faktor 10 größer
als die entsprechende Leitfähigkeit eines benachbarten
Faserverbundbereiches ist.
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Im
Hinblick auf eine effiziente Übertragung von Wärme
aus dem geheizten Faserverbundbereich 14-2 zur Oberfläche 12 ist
es von Vorteil, wenn die thermische Leitfähigkeit des Bereiches 14-1 und/oder
des Bereiches 14-2 (im in der Praxis zu erwartenden Temperaturbereich)
wenigstens um einen Faktor 5 größer ist als die
entsprechende Wärmeleitfähigkeit des Bereiches 14-3.
Zur Realisierung derartiger Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit
kommt sowohl eine Anpassung des verwendeten Fasermaterials und/oder
dessen Faserorientierung als auch die spezielle Auswahl des Matrixmaterials
in Betracht.
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Zusammenfassend
ist bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein
einfacher Aufbau eines Enteisungssystems mit Wirkung vorzugsweise
an der Oberfläche bzw. einem äußeren
Bauteilbereich geschaffen. Zur Realisierung der Heizwirkung genügt
in der Praxis eine mehr oder weniger geringfügige Modifikation
an sich bekannter und etablierter Faserverbundstrukturen. Es können
alle bekannten Vorteile solcher Faserverbundstrukturen erhalten
bleiben, insbesondere z. B. die Gewichtsersparnis. Die bei der Erfindung
vorgesehene Schaffung einer elektrischen Leitfähigkeit
in einem äußeren Bauteilbereich bringt einen zusätzlichen
positiven Effekt hinsichtlich des Blitzschutzes (Ableitung des Blitzstromes
und der Blitzwärme in die metallisierte Schicht der Struktur).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10230965
A1 [0002, 0003]
- - DE 102004060675 A1 [0005]
- - DE 10151298 A1 [0006]