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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung, bestehend aus mindestens einem Glied, das eine im Wesentlichen flächenartige Gestalt aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schutzvorrichtung.
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Schutzvorrichtungen der hier betrachteten Art sind insbesondere Pelotten, Protektoren, Stützelemente, Bandagen, Schienen oder dergleichen. Zum Schutz des Körpers bei der Arbeit, in der Medizin, der Freizeit oder im Sport finden vielfältige Arten solcher Schutzvorrichtungen Verwendung. Hier sind auch Helme, Gelenk- und Wirbelsäulenprotektoren oder auch Handschuhe zu nennen. Diese Schutzvorrichtungen führen zwar zu einer Verbesserung des Schutzes und sind teilweise bei der jeweiligen Benutzung vorgeschrieben, wie bspw. die Helmpflicht beim Motorradfahren. Das Material besteht dabei überwiegend aus synthetischen Fasern oder Kunststoffen wie z. B. Carbon, Polyurethan, Polypropylen, Polyamid o. dgl. Problematisch ist dabei, dass die Schutzvorrichtungen insbesondere bei körperlichen Aktivitäten zu einer erhöhten Erwärmung des Körpers im Bereich der Schutzvorrichtungen beitragen. Unter den Schutzvorrichtungen kommt es daher zu sog. Stauwärme, die die Leistungsfähigkeit reduziert und zu Hautirritationen führen kann.
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Da der Schutz des Körpers in der Regel nur dadurch gewährleistet werden kann, dass das Schutzmaterial bzw. die Schutzschicht ausreichend stabil ist, um den Schutz des Körpers zu ermöglichen, ist die Konstruktion der Schutzvorrichtungen in vielen Fällen luftdurchlässig, indem bspw. Belüftungsöffnungen vorgesehen sind, durch die eine Kühlung herbeigeführt werden soll. Um aber die Stabilität der Schutzvorrichtungen nicht negativ zu beeinflussen, sind die Öffnungen in der Regel nicht groß genug, um eine ausreichende Kühlung zu bewirken.
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Dieselbe Problematik tritt im Medizinbereich auf, in dem Bandagen, Orthesen, Prothesen oder Korsetts Anwendung finden. Auch diese Gegenstände sollen den verletzten Körper schützen bzw. stabilisieren oder den Heilungsprozess unterstützen. Und auch hier kommt es durch die unmittelbare Körpernähe zu einer erhöhten Wärmeentwicklung zwischen Schutzmaterial und Körper. Diese Wärmeentwicklung tritt auch ohne körperliche Aktivität auf. Neben der dadurch auftretenden schnelleren Ermüdung kann es zudem durch die Feuchtigkeitsentwicklung auf der Haut zu Hautproblemen bis hin zu Hautschäden führen. Da die Schutzvorrichtungen im Medizinbereich zum Teil dauerhaft getragen werden müssen, handelt es sich hierbei um ein Problem von erheblicher Bedeutung.
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Zur Beseitigung dieses Problems ist vorgeschlagen worden (vgl.
DE 10 2010 020 282 A1 ), bei solchen Schutzvorrichtungen, die in unmittelbarem Wärmekontakt mit dem Körper eines Lebewesens stehen, ein Phasenwechselmaterial als Wärmetauscher vorzusehen. Ein Wärmetauscher ist bekanntermaßen ein Apparat, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt.
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Phasenwechselmaterialien (sog. „phase change materials“, PCM) sind zur Speicherung von Wärmeenergie in Form von latenter Wärme geeignet. Unter Phasenwechselmaterialien werden solche Materialien verstanden, die bei Zu- oder Abfuhr von Wärme bei einer bestimmten Temperatur einer Phasenumwandlung unterliegen, also entweder von der festen in die flüssige Phase (Schmelzen) oder von der flüssigen in die feste Phase (Erstarren). Beispielhaft kann hier die Paarung Eis und Wasser genannt werden, bei der die Phasenwandlung am Gefrierpunkt erfolgt. Es sind aber auch Phasenwechselmaterialien bekannt, die eine Phasenumwandlung ohne Änderung des Aggregatzustandes durchlaufen, speziell einen Übergang zwischen einer festen Tieftemperatur- und einer festen Hochtemperaturmodifikation (vgl. bspw.
DE 100 18 938 A1 ).
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Wird einem Phasenwechselmaterial Wärme zugeführt bzw. entzogen, so bleibt seine Temperatur bei Erreichen des Phasenumwandlungspunktes so lange konstant, bis das Material vollständig in die andere Phase umgewandelt ist. Die während der Phasenumwandlung eingespeiste bzw. abgeführte Wärme, die keine Temperaturänderung des Materials bewirkt, wird als latente Wärme (Umwandlungsenthalpie) bezeichnet, während eingespeiste bzw. abgeführte Wärme, die in dem Material eine Temperaturänderung hervorruft, als fühlbare Wärme bezeichnet wird.
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Die Speicherung von Wärme als latente Wärme in einem Phasenwechselmaterial ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. So lassen sich unter anderem durch kleine Temperaturänderungen (in der Nähe der Phasenumwandlungstemperatur) große Wärmemengen speichern. Außerdem erlaubt die über einen längeren Zeitraum konstante Temperatur beim Phasenwechsel die Glättung von Temperaturschwankungen bei der Umwandlungstemperatur des betreffenden Phasenwechselmaterials. Auch treten nur geringe Wärmeverluste an die Umgebung im Vergleich zur Speicherung von fühlbarer Wärme auf, da hierdurch die Erwärmung des Speichermediums die Temperaturdifferenz zur Umgebung kontinuierlich ansteigt.
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Problematisch bei den bekannten Schutzvorrichtungen mit Phasenwechselmaterial ist in der Regel der Konflikt zwischen ausreichender Stabilität, hinreichenden Kühl- bzw. Wärmeigenschaften und den Kosten bei der Herstellung. Soweit es Stabilität und Kühl- bzw. Wärmeigenschaften betrifft, sind die Probleme weitestgehend gelöst. Allein die Herstellkosten stellen ein erhebliches Problem dar, so dass bis heute eine weite Verbreitung der Schutzvorrichtungen unter Einsatz von Phasenwechselmaterial kaum Verbreitung gefunden hat.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schutzvorrichtung mit Phasenwechselmaterial zu schaffen, welches geringe Herstellkosten aufweist und gleichzeitig den Erfordernissen an die Gestaltungsfreiheit und Qualität der Schutzvorrichtungen genügt. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Mit der Erfindung ist eine Schutzvorrichtung geschaffen, welche preiswert herstellbar ist und gleichzeitig den Erfordernissen an die Gestaltungsfreiheit und Qualität der Schutzvorrichtungen genügt. Es ist erfindungsgemäß eine Schutzvorrichtung geschaffen, bei der die im Inneren liegende zweite Komponente, vorliegend das Phasenwechselmaterial, nicht sichtbar ist, weil sie vom Außenmaterial vollständig umhüllt ist.
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Die Aufgabe wird darüber hinaus durch das Verfahren nach Patentanspruch 6 gelöst. Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Sandwich-Spritzgussverfahren handelt es sich um eine Unterart des Mehrkomponenten-Spritzguss. Es entsteht bei Anwendung dieses Verfahrens erfindungsgemäß eine Schutzvorrichtung, bei der die im Inneren liegende zweite Komponente, vorliegend das Phasenwechselmaterial, nicht sichtbar ist, weil sie vom Außenmaterial vollständig umhüllt ist. Bei dem Sandwich-Spritzgussverfahren wird der Quellfluss der Massen beim Einströmen in die Werkzeugkavität (Formnest) genutzt. Die Schmelzen füllen die Kavität vom Anschnitt her nacheinander. Die zuerst einströmende Formmasse legt sich erfindungsgemäß an die Wand, wohin sie von der in das Innere strömenden zweiten Komponente geschoben wird. Zwei Spritzeinheiten für die beiden Komponenten arbeiten auf einem Spritzkopf zusammen, der es je nach Steuerung durch eine Düse gestattet, die Komponenten aus beiden Spritzeinheiten beliebig einströmen zu lassen. Der Quellfluss sorgt dafür, dass die innere Komponente vollständig umhüllt wird. Der Anguss, durch den die den Kern bildende zweite Komponente in die zuerst eingeströmte Formmasse fließt, wird anschließend durch die erste Komponente versiegelt. Die erfindungsgemäß geschaffenen Sandwich-Bauteile weisen eine durchgängige Außenhaut und einen Kern aus dem Phasenwechselmaterial auf. Der Kern und die Außenhaut sind stoffschlüssig verbunden.
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Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
- 1 die Darstellung einer Schutzvorrichtung;
- 2 die Seitenansicht der in 1 dargestellten Schutzvorrichtung;
- 3 den Schnitt entlang der Linie A-A in 1 ;
- 4 die vergrößerte Darstellung der Einzelheit „B“ in 3.
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Bei der als Ausführungsbeispiel gewählten Schutzvorrichtung handelt es sich um eine Rückenstütze, genauer gesagt um eine mehrgliedrige Rückenpelotte. Sie besteht aus mehreren Gliedern 1 bis n, die eine im Wesentlichen ovale Form aufweisen. Im Ausführungsbeispiel sind sechs Glieder 1 bis 6 vorgesehen, die in zwei Reihen zu je drei Gliedern angeordnet sind. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann die Schutzvorrichtung auch lediglich aus einem oder mehr als 6 Gliedern bestehen. Die Glieder 1 bis 6 sind begrenzt beweglich. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder 1, 3 und 5, die die linke Reihe bilden, über Stege 7 miteinander verbunden, die Glieder 2, 4 und 6, die die rechte Reihe bilden, über Stege 8. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels können die Glieder auch über Flächenteile miteinander verbunden sein.
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Die beiden Reihen der Glieder sind über zwei Bögen 9, 9' miteinander verbunden. Die Bögen 9, 9' bilden angenähert ein X aus. Der Bogen 9 erstreckt sich dabei vom Glied 1 bis zum Glied 5 und der Bogen 9' vom Glied 2 zum Glied 6. Im Bereich ihrer Mitte sind die Bögen 9 und 9' miteinander verschmolzen.
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Die Glieder 1 bis 6 sind unterschiedlich geformt, so dass sie sich dem Rücken optimal anpassen. Die unteren, dem Gesäß zugewandten Glieder 1 und 2 weisen eine größere Fläche auf als die übrigen Glieder. Sie sind in angelegtem Zustand der Pelotte etwa in Höhe des Beckens positioniert. Die benachbarten Glieder 3, 4 haben im Verhältnis zu den Gliedern 1, 2 eine geringere Fläche. Glieder 3 und 4 sind in angelegtem Zustand der Rückenpelotte etwa im Bereich der Taille positioniert.
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Die zu den Gliedern 3 und 4 benachbarten Glieder 5 und 6 haben eine etwas größere Höhe, als die des Glieds 1 bzw. des Glieds 2. Sie weisen eine geringere Breite als die Glieder 1 und 2 auf und sind ebenfalls oval gestaltet. Die Gliedern 5 und 6 sind in angelegtem Zustand der Rückenpelotte etwa im Bereich der Schulterblätter positioniert.
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Wie in 1 zu erkennen ist, sind die Glieder 1 bis 6 im Ausführungsbeispiel entlang der Längsmittellinie eine leicht gewölbte Form, um sich der Form des Rückens anzupassen. Zudem sind die Glieder 1 bis 6 im Ausführungsbeispiel in angelegtem Zustand der Rückenpelotte seitlich der Wirbelsäule positioniert. Hierdurch ist gewährleistet, dass beim Tragen der Rückenpelotte kein übermäßiger Druck auf die Wirbelsäule ausgeübt wird, wodurch Schmerzen vermieden sind. Gleichzeitig bewirkt die Ausgestaltung der Glieder 1 bis 6, dass die Wirbelsäule beim Tragen der Rückenpelotte eine zuverlässige Unterstützung erfährt. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels können die Glieder auch einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen bzw. gleichbleibend flach gestaltet sein.
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Die Glieder 1 bis 6 der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung bzw. Rückenpelotte sind als Sandwich-Bauteile hergestellt. Die Glieder 1 bis 6 bestehen jeweils aus einer Außenhaut 10 und einem Kern 20 aus dem Phasenwechselmaterial (PCM) (vgl. 3 und 4). Die Außenhaut 10 und der Kern 20 sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Ersichtlich ist die Außenhaut vollständig geschlossen; ein Anguss ist nicht vorhanden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Kunststoff-Spritzgießmaschine finden zwei Schneckenzylinder Anwendung, mit denen einerseits der Kunststoff für die erste Komponente, welche die Außenhaut bildet, und andererseits der Kunststoff für die zweite Komponente, welche den Kern der Schutzvorrichtung bildet und bei der es sich um das Phasenwechselmaterial handelt, gefördert werden. An der Spitze befindet sich eine Düse, die den Übergang zum Spritzgießwerkzeug bildet.
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Bei dem Kunststoff 10 der Außenhaut kann es sich um alle bekannten und geeigneten Hartkunststoffe oder auch Weichkunststoffe handeln, die spritztechnisch verarbeitet werden können, bspw. Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) usw. Im Ausführungsbeispiel ist die Außenhaut 10 aus Polypropylen. Zunächst wird aus dem ersten Schneckenzylinder das Kunststoffmaterial der ersten Komponente zur Bildung der Außenhaut in die Kavität im Werkzeug durch eine Düse eingespritzt. Die Kavität wir dabei nur teilweise mit dieser Komponente gefüllt. Sodann wird aus dem zweiten Schneckenzylinder das Phasenwechselmaterial durch die Düse in dieselbe Kavität eingespritzt. Hierbei wird die zuvor eingespritzte erste Komponente zur Bildung der Außenhaut von dem nachfolgend eingespritzten Phasenwechselmaterial gegen die Wandung der Kavität gedrückt. Sodann erfolgt ein nochmaliges Verspritzen der ersten Komponente, so dass die noch im Anguss befindliche zweite Komponente in das Innere der die Außenhaut bildenden ersten Komponente gedrückt wird. Dadurch ist auch der Anguss mit Material der ersten Komponente gefüllt, wodurch sich im Ergebnis eine vollständig geschlossene Außenhaut der Schutzvorrichtung ergibt.
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Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung wurden Schwierigkeiten überwunden, die die Verwendung der unterschiedlichen Materialien mit sich bringt. Zum einen sind dies die unterschiedlichen Schmelzpunkte der Materialien gewesen. So liegt der Schmelzpunkt des PP bei ca. 270°C, der des PCM lediglich bei ca. 170°C. Durch die Verwendung von Additiven, konnte hier eine Einstellung herbeigeführt werden, die eine Verarbeitung zur erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung führte.
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Zudem wurden die Zykluszeiten beim Spritzguss optimiert. Auf diese hat der verwendete Schmelzpunkt einen großen Einfluss, denn je höher der Schmelzpunkt ist (z.B. >70°C) desto einfacher lässt sich das Spritzgussteil abkühlen und kann leichter entformt bzw. ausgeworfen werden. Bei einem Schmelzpunkt von z.B. 30°C benötigt man eine höhere Kühlleistung, um dem Spritzgusskörper entsprechend gleich schnell unter die Schmelztemperatur abzukühlen. Der Vorteil der hohen Wärmespeicherkapazität des PCM wirkt hier dem optimalen Herstellablauf entgegen.
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Mit der Erfindung ist einerseits eine Schutzvorrichtung, insbesondere eine mehrgliedrige Rückenpelotte, geschaffen, die neben einer ausreichenden Stabilität auch den Erfordernissen an die Gestaltungsfreiheit und Qualität der Schutzvorrichtungen genügt. Die im Inneren liegende zweite Komponente in Form des Phasenwechselmaterials ist nicht sichtbar, weil sie vom Außenmaterial vollständig umhüllt ist. Gleichzeitig führt die Verwendung des Phasenwechselmaterials als Kern zu einer wesentlichen Verbesserung des Tragekomforts, weil durch das Phasenwechselmaterial ein Temperaturausgleich erfolgt, der eine übermäßige Erwärmung auch bei langer Tragedauer oder bei körperlichen Aktivitäten vermeidet. In Folge dessen ist die Gefahr von Hautschäden durch die Bildung von Feuchtigkeit auf der Haut reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010020282 A1 [0005]
- DE 10018938 A1 [0006]
