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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil für
ein Fluggerät
(wie z. B. Flugzeug) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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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Ein
Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2004 042 423
A1 bekannt und umfasst eine Kunststoffmatrix mit darin
eingebetteten, elektrisch leitfähigen
Verstärkungsfasern,
die ein Widerstandsheizelement ausbilden. Diese elektrisch leitfähigen Fasern
sind vorzugsweise Kohlenstofffasern. Eine elektrische Kontaktierung
der elektrisch leitfähigen
Fasern ist mittels mindestens zwei voneinander beabstandeten Kontaktbereichen
mit entsprechenden Zuleitungen realisiert.
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Nachteilig
ist bei dem bekannten Bauteil der Aufwand zur elektrischen Kontaktierung
der Fasern und die damit einhergehende mechanische Schwächung des
Faserverbunds, sowie eine eingeschränkte Gestaltungsfreiheit hinsichtlich
der räumlichen Verteilung
der Heizleistung.
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Aus
der
JP 2001-278
195 A ist ein induktives Heizen eines Flugzeugbauteils
unter Verwendung einer Metallplatte als zu heizendem Bauteilbereich
bekannt.
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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 die Aufgabe der 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 durch
ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, die durch Verwendung eines
Faserverbunds sich ergebenden vorteilhaften mechanischen Bauteileigenschaften
zu nutzen und durch eine vergleichsweise geringfügige Modifikation eine einfache,
zuverlässige und
effiziente 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 solche 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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Erfindungsgemäß sind die
im äußeren Faserverbundbereich
eingebetteten elektrisch leitfähigen
Fasern von metallbeschichteten Fasern gebildet. 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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Erfindungsgemäß enthält die Metallbeschichtung
ein ferromagnetisches Metall (wie z. B. Eisen, Nickel etc.) und/oder
bestehen die elektrisch leitfähigen
Fasern aus magnetischem Material. 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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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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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).