EP1819879A1 - Druckkörper mit externer membranverstärkung - Google Patents

Druckkörper mit externer membranverstärkung

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Publication number
EP1819879A1
EP1819879A1 EP05809874A EP05809874A EP1819879A1 EP 1819879 A1 EP1819879 A1 EP 1819879A1 EP 05809874 A EP05809874 A EP 05809874A EP 05809874 A EP05809874 A EP 05809874A EP 1819879 A1 EP1819879 A1 EP 1819879A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
network
hollow body
membrane
pressure body
Prior art date
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Granted
Application number
EP05809874A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1819879B1 (de
Inventor
Rolf H. Luchsinger
René CRETTOL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prospective Concepts AG
Original Assignee
Prospective Concepts AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Prospective Concepts AG filed Critical Prospective Concepts AG
Publication of EP1819879A1 publication Critical patent/EP1819879A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1819879B1 publication Critical patent/EP1819879B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
    • E04C3/005—Girders or columns that are rollable, collapsible or otherwise adjustable in length or height

Definitions

  • the present invention relates to pressure bodies made of gas-tight membranes according to the preamble of patent claim 1.
  • Pressure body made of membranes are known per se. They usually consist of a gas-tight membrane, which forms a hollow body, which can be acted upon, for example via a valve with compressed gas. Inflatable balls and pillows are well known examples.
  • the hollow body can be composed of a plurality of interconnected membrane pieces.
  • the tension in the membrane also increases.
  • the membrane expands with increasing pressure and ruptures when exceeding the maximum tensile stress of the membrane or its compounds.
  • membranes which are too stretchable or too little resistant to tearing for a particular application are combined with other more tensile materials and integrated, for example, in a composite material.
  • a typical example of this is modern sail materials, which consist for example of a laminated composite of load-bearing aramid fibers and sealing polyester films.
  • Composite materials are usually problematic in the case of disposal.
  • Translucent foils without reinforcement are an example of membranes which are not available for many applications because they do not meet with respect to primary material-technical requirements, such as elasticity and tensile strength, although use due to secondary material properties, such as transparency in this example, would be desirable.
  • the object of the present invention is the provision of pressure bodies using unarmed gas-tight membranes, which are unreinforced too stretchable or too little tear resistant for an intended application, for example, because the pressure in the interior of the pressure body is too great, or the membrane has too large Völbungsradien and thus too high stresses occur in the membrane.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first cylindrical embodiment of a pressure hull as
  • FIG. 2 is a schematic representation of a network for the first embodiment of a pressure hull in plan view
  • FIG. 3 is a schematic representation of a detail of membrane and network of the first embodiment in cross section
  • FIG. 4 is a schematic representation of a second spindle-shaped embodiment of a pressure hull as isometry
  • FIG. 5 is a schematic representation of a network for a spindle-shaped pressure body in plan view
  • FIG. 6 is a schematic representation of a third embodiment of a pressure hull as isometry
  • FIG. 7 is a schematic representation of a fourth embodiment of a pressure hull as isometry
  • Fig. 8 is a schematic representation of a network for the fourth embodiment of a pressure hull in
  • Top view, 9 is a schematic representation of a fifth embodiment of a pressure hull as isometry
  • FIG. 10 is a schematic representation of a section of a network in plan view
  • FIG. 13 is a schematic representation of an eighth embodiment of a pressure hull as isometry
  • FIG. 14 is a schematic representation of a first example of use of a pressure hull as isometry
  • Fig. 15 is a schematic representation of a ninth embodiment of a pressure hull as isometry.
  • a cylindrical pressure body 1 consists of a hollow body 2, a net 3 and two end pieces 4.
  • the hollow body 2 is surrounded by the ring-forming net 3.
  • the end pieces 4 form the conclusion of the pressure hull 1 on both sides.
  • the net 3 forming a hose is fastened to the two end pieces 4.
  • the hollow body 2 is made of a gas-tight unreinforced membrane 5, for example, a crystal clear PU or PVC film.
  • the end pieces 4 may be, for example, rigid plates made of plastic, glass or metal.
  • the network 3 of the above embodiment is shown schematically.
  • the net 3 is made up of a plurality of tension elements 6, which run substantially parallel to one another when the net 3 is longitudinally or also x-shaped. Direction is stretched.
  • tension elements 6, for example, plastic, wire ropes, wires, cables or cords can be used.
  • the adjacent tension elements 6 are selectively connected at intervals di by means of connecting elements 8 and form at these points network node 7.
  • connecting elements 8 for example, compression sleeves or other clamping elements can be used.
  • the tension elements 6 can also be knotted or welded together in the network node 7, for example. Connecting elements 8 are in these cases, the cable knots or welding points.
  • a zigzagging tension element 6 is highlighted in bold.
  • the net 3 of Fig. 2 is bent tubular and the network nodes 7 on the longitudinal sides of the network 3 are connected to each other (A-A ', B-B', ).
  • the result is a tubular stocking-like network 3, in which now the hollow body 2 can be inserted from an elastic membrane 5.
  • the hollow body 2 consists of a cylinder jacket-shaped membrane 5, which is connected in a gastight manner with the end pieces 4 and together with these form the hollow body 2.
  • the circumference of the cylindrical pressure body 1 increases, while its length L is shortened, until it has assumed the shape shown schematically in FIG.
  • the pressure body 1 assumes a defined by the network 3 equilibrium state, which is characterized by a maximum volume enclosed by the network 3 V max .
  • the associated changes in the radius and the length L of the pressure hull 1 when taking the equilibrium state are indicated in Fig. 1 with arrows. If the radius increases, the length L decreases at the same time and vice versa. This equilibrium state can be calculated.
  • a voltage in the longitudinal direction By concerns on network 3 and outward pressures of the pressurized hollow body 2 in the network 3 generates a voltage in the circumferential direction and by abutment on the end pieces 4 and outward pressures he generated in the network 3, a voltage in the longitudinal direction.
  • end pieces 4 for example, additional round-cut nets can be used, which are connected to the net 3 and close off the open ends of the hose 3 formed by the net.
  • a surface line 12 is shown in dashed lines parallel to the axis of rotation 13. The tension elements cut this generatrix 12 at an angle ct.
  • a maximum value of the volume V max exists.
  • a simple calculation shows that the hollow body 2 assumes its maximum volume V ma ⁇ when the tension elements 6 have an optimum constant pitch ⁇ of approximately 55 ° with respect to a surface line 12. If the cylinder is shorter in a first initial configuration and of greater circumference than in the equilibrium state, the pitch a is greater than 55 ° - the pressure body 1 expands in the longitudinal direction and assumes the state of equilibrium. If the cylinder is longer in a second initial configuration and smaller in circumference than in the equilibrium state, the pitch ⁇ is less than 55 ° - the pressure body 1 contracts in the longitudinal direction and again assumes the equilibrium state with maximum volume V max .
  • loxodromes Lines intersecting the generatrices 12 with constant pitch ⁇ are called loxodromes.
  • the spiral lines 14 formed by the connected tension elements 6 are thus loxodromes.
  • Loxodromes are usually on a double-curved surface, such as a spherical surface, not like orthodromes part of a large circle and therefore generally do not represent the shortest connection between two points.
  • FIG. 3 schematically shows a detail of a section through a membrane 5 constricted by tension elements 6.
  • the hollow body 2 expands and the membrane 5 bulges in the mesh of the network 3 to the outside.
  • a closer look at these bulges provides an explanation of how the reinforcement of the membrane 5 works in detail by means of the drawn-over net 3.
  • the stress ⁇ is proportional to ⁇ p • R
  • a network 3 with an elastic membrane 5 represents a partial separation of functions for a shell of a pressure body 1.
  • the network formed of tension elements 6 3 assumes the essential tensile stresses in the shell of the pressure hull 1 and the membrane 5 seals the net 3 gas-tight. In extreme cases, this results in a physical separation of the two functions of a shell of a pressure hull 1: shaping by absorbing tensile stresses and sealing against gas loss.
  • Fig. 4 shows a second embodiment of a pressure hull 1 as isometry.
  • the spindle shape of the pressure body 1 comes about by varying the mesh length di in the longitudinal direction (x-direction). In Fig.
  • FIG. 5 is a simplified network 3 with a few network nodes 7 for a spindle-shaped pressure body 1 is shown schematically.
  • the distances di between the network nodes 7, also called mesh length increase from the two ends towards the middle (di ⁇ d 2 ⁇ d 3 ).
  • the circumference of the pressurized pressure body 1 is no longer constant in the equilibrium state, but varies along its longitudinal direction.
  • Fig. 6 shows a third embodiment of a pressure hull 1, in which again the mesh length d ⁇ varies in the longitudinal direction. The mesh length di decreases from the end pieces 4 towards the middle.
  • FIG. 7 shows schematically a fourth exemplary embodiment of a pressure hull 1 as isometry
  • FIG. 8 shows schematically the associated opened net 3.
  • the embodiment shows the effect of varying the mesh length di in the circumferential direction (y-direction) (di ⁇ d2 ⁇ d 3 ).
  • the tension elements 6 can be guided in parallel in the circumferential direction instead of in the longitudinal direction, whereby again a plurality of equally long tension elements 6 can be used.
  • Tension elements 6 of equal length can also be used if they are guided around the hollow body 2 as spiral lines 14.
  • the axis of rotation 13 of the pressure hull 1 bends, in this case a striking line of symmetry 13, and assumes the shape of a section of a torus.
  • Fig. 9 shows a fifth embodiment, which can be generated by varying the mesh lengths di in the longitudinal and circumferential directions. This makes it possible to produce complicated bulged rotational bodies whose symmetry line 13 is additionally bent in different directions and around different radii.
  • a tubular network 3 with any variation of the mesh lengths di and with end pieces 4 by pressurization by means of inserted hollow body 2 always take a well-defined form, which is characterized by a maximum volume V max .
  • Fig. 10 shows schematically various ways in which the tension elements 6 can be performed in the network 3.
  • the variant with draw members 6 guided in the longitudinal direction x is boldly drawn, the variant with traction elements 6 guided in parallel in the circumferential direction y and dashed boldly finally also a variant with traction elements 6 running along the spiral lines 14; in each case two traction elements 6 cross each other at traction elements 6 running as spiral lines 14 at each network node 7.
  • Another possibility is the formation of the network 3 from a plurality of short tension elements 6 with the lengths di, which extend from network node 7 to network node 7 and are connected to one another by connecting elements 8.
  • FIGS. 11 to 13 Three further embodiments of pressure hull 1 with external mesh 3 reinforcing the membrane 5 are shown in FIGS. 11 to 13.
  • the two end pieces 4 can generally have different sizes. In extreme cases, they can even be omitted on one or both sides.
  • an end piece 4 has been greatly reduced or omitted altogether.
  • This arrangement enables the production of flat pressure bodies 1, wherein the remaining end piece 4 can also be embodied, for example, in polygonal form.
  • two of the pressure bodies 1 described above can be joined together, with the remaining end pieces 4 coming to lie on one another.
  • FIGS. 11 to 13 flat pressure bodies 1, such as those shown in FIGS. 11 to 13, are produced.
  • the exemplary embodiment in FIG. 11 has a round, that in FIG. 12 a rectangular frame 9, while the network is constructed from spiral lines 14.
  • FIG. 13 shows a variant of the exemplary embodiment in FIG. 12.
  • the network 3 essentially rectangular rather than diamond-shaped stitches on.
  • FIGS. 11b and 13 only the upper membrane 5 and the uppermost network 3 are visible.
  • Fig. 12b the lower half of the pressure hull 1 is indicated only with a broken line.
  • the tail 4 for example, not from a plate, but only from a wire loop to which the network 3 is attached.
  • the flat pressure bodies 1 with frame 9 shown in the three embodiments above can be easily combined to form larger areas and thus used as walls or roofs.
  • the nets 3 can also be embodied with other mesh geometries, for example with triangles, rectangles, hexagons or other polygons.
  • tension elements 6 can end in the middle of the network 3 in a network node 7, for example, because without reducing the tension elements 6 with certain geometries, the mesh length di of the network 7 would be too small.
  • such nets 3 are more complicated to manufacture than nets 3 with continuous, optimally even equal length pulling elements 6.
  • FIG. 14 shows a first example of use for pressure bodies 1 according to the first two exemplary embodiments.
  • the pressure body 1 can be used, for example, for the production of pneumatic components with pressure rods, tension elements and a hollow body, as disclosed in WO 01/73245 (D1).
  • the pressure body 1 is used as a hollow body and serves in this example, the buckling stabilization of a over the entire length connected to the pressure body 1 push rod 10, at the ends of a tension element 11 is attached.
  • spindle-shaped pressure bodies 1 the greatest stresses occur in the longitudinal direction in the middle of the pressure hull 1. in the However, the second embodiment in Fig. 4, the mesh size di at this point is the largest.
  • Fig. 15 shows a ninth embodiment of a pressure hull 1, used as a hollow body for a device according to Dl.
  • the net 3 of tension elements 6 along Latitude and longitude circles are formed.
  • additional tension elements 6, which do not extend over the entire length L of the pressure hull 1, can also be added to the net 3.
  • the end pieces 4 can generally be omitted, provided that they are not required for tensioning the net 3 in the longitudinal direction or are not necessary or helpful for defining the boundary conditions of the net 3 for a specific shape of the pressure hull 1. If the end pieces 4 do not have a rotationally symmetrical shape, the mesh 3 does not have a rotationally symmetrical cross section transverse to the longitudinal axis in the vicinity of these end pieces 4.
  • network-reinforced pressure hull 1 can be found, for example, in lighting technology, as a lamp body, for translucent balloon or airship hulls, air halls and crystal clear hollow body for lightweight pneumatic components. This list is not exhaustive and only mentions a few fields of application in which, thanks to the use of mesh-reinforced pressure bodies 1, advances in the use of elastic membranes 5 over known technologies can be achieved.

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Description

Druckkörper mit externer MembranVerstärkung
Die vorliegende Erfindung betrifft Druckkörper gefertigt aus gasdichten Membranen nach dem Oberbegriff des Patentanspru- ches 1. Druckkörper aus Membranen sind an sich bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einer gasdichten Membran, welche einen Hohlkörper bildet, der beispielsweise über ein Ventil mit Druckgas beaufschlagt werden kann. Aufblasbare Bälle und Kissen sind bekannte Beispiele. Der Hohlkörper kann aus meh- reren miteinander verbundenen Membranstücken zusammengesetzt sein.
Mit zunehmendem Druck im Hohlkörper, sowie mit grösser werdenden Kurvenradien der Membran, nimmt auch die Spannung in der Membran zu. Die Membran dehnt sich bei steigendem Druck aus und reisst bei Überschreiten der maximalen Zugspannung der Membran oder deren Verbindungen.
Üblicherweise werden Membranen, welche für eine bestimmte Anwendung zu dehnbar oder zu wenig reissfest sind, mit anderen zugfesteren Materialien kombiniert und beispielsweise in ei- nen Verbundwerkstoff integriert. Ein typisches Beispiel dafür sind moderne Segelwerkstoffe, welche beispielsweise aus einem laminierten Verbund von lasttragenden Aramidfasern und dichtenden Polyesterfolien bestehen. Verbundwerkstoffe sind im Entsorgungsfalle in der Regel problematisch. Lichtdurchlässige Folien ohne Armierung sind ein Beispiel für Membranen, welche für viele Anwendungen nicht zur Verfügung stehen, weil sie bezüglich primärer werkstofftechnischer Anforderungen, wie beispielsweise Elastizität und Zugfestigkeit, nicht genügen, obwohl eine Verwendung aufgrund sekundä- rer Materialeigenschaften, wie in diesem Beispiel Transparenz, wünschenswert wäre.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von Druckkörpern unter Verwendung von nichtarmierten gasdichten Membranen, welche für eine vorgesehene Anwendung unverstärkt zu dehnbar oder zu wenig reissfest sind, weil beispielsweise im Innern des Druckkörpers ein zu grosser Druck herrscht, oder die Membran zu grosse Wölbungsradien aufweist und damit zu grosse Spannungen in der Membran auftreten. Die Lösung der Aufgabe ist wiedergegeben im Patentanspruch 1 hinsichtlich der wesentlichen Merkmale, in den weiteren Patentansprüchen hinsichtlich weiterer vorteilhafter Merkmale. Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 schematische Darstellung eines ersten zylinderför- migen Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als
Isometrie,
Fig. 2 schematische Darstellung eines Netzes für das erste Ausführungsbeispiel eines Druckkörpers in Draufsicht,
Fig. 3 schematische Darstellung eines Details von Membran und Netz des ersten Ausführungsbeispiels im Querschnitt,
Fig. 4 schematische Darstellung eines zweiten spindelförmigen Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie,
Fig. 5 schematische Darstellung eines Netzes für einen spindelförmingen Druckkörper in Draufsicht,
Fig. 6 schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie,
Fig. 7 schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie,
Fig. 8 schematische Darstellung eines Netzes für das vierte Ausführungsbeispiel eines Druckkörpers in
Draufsicht, Fig. 9 schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie,
Fig. 10 schematische Darstellung eines Ausschnittes eines Netzes in Draufsicht,
Fig. lla,b schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie und in Draufsicht,
Fig. 12a,b schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie und in Draufsicht,
Fig. 13 schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie,
Fig. 14 schematische Darstellung eines ersten Verwendungsbeispiels für einen Druckkörper als Isometrie,
Fig. 15 schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels eines Druckkörpers als Isometrie.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druckkör- pers 1 als Isometrie. Ein zylinderförmiger Druckkörper 1 besteht aus einem Hohlkörper 2, einem Netz 3 und zwei Endstük- ken 4. Der Hohlkörper 2 wird von dem foringebenden Netz 3 umschlossen. Die Endstücke 4 bilden beidseitig den Abschluss des Druckkörpers 1. Das einen Schlauch bildende Netz 3 ist an den beiden Endstücken 4 befestigt. Der Hohlkörper 2 ist aus einer gasdichten unverstärkten Membran 5 gefertigt, beispielsweise aus einer glasklaren PU- oder PVC-Folie. Die Endstücke 4 können beispielsweise starre Platten sein, gefertigt aus Kunststoff, Glas oder Metall. In der Fig. 2 ist das Netz 3 des obigen Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Das Netz 3 ist aus mehreren Zugelementen 6 gefertigt, welche im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wenn das Netz 3 in Längsrichtung oder auch x- Richtung gestreckt ist. Als Zugelemente 6 können beispielsweise Kunststoff-, Drahtseile, Drähte, Kabel oder Schnüre verwendet werden.
Die benachbarten Zugelemente 6 sind punktuell in Abständen di mittels Verbindungselementen 8 miteinander verbunden und bilden an diesen Stellen Netzknoten 7. In den Figuren 1 und 2 sind die Abstände di zwischen den Netzknoten 7 konstant (di=d2 =d3=...=dn) • Als Verbindungselemente 8 können beispielsweise Presshülsen oder andere Klemmelemente verwendet werden. Die Zugelemente 6 können in den Netzknoten 7 beispielsweise auch miteinander verknotet oder verschweisst werden. Verbindungselemente 8 sind in diesen Fällen die Seilknoten oder die Schweissstellen. Zur Veranschaulichung ist in den Figuren 1 und 2 jeweils ein zickzackförmig verlaufendes Zugelement 6 fett hervorgehoben.
Das Netz 3 aus Fig. 2 wird schlauchförmig gebogen und die Netzknoten 7 an den Längsseiten des Netzes 3 werden miteinander verbunden (A-A', B-B', ...) . So entsteht ein schlauchförmiges strumpfartiges Netz 3, in welches nun der Hohlkörper 2 aus einer elastischen Membran 5 eingelegt werden kann. Die zwei kreisförmigen Endstücke 4 bilden die Abschlüsse des zylindrischen Netzes 3. Es sind auch Ausführungsformen denkbar und erfindungsgemäss, in welchen der Hohlkörper 2 aus einer zylindermantelförmigen Membran 5 besteht, welche gasdicht mit den Endstücken 4 verbunden ist und zusammen mit diesen den Hohlkörper 2 bilden.
Wird nun der Hohlkörper 2 mit Druck beaufschlagt, so vergrös- sert sich der Umfang des zylinderförmigen Druckkörpers 1, während sich seine Länge L verkürzt, bis er die in Fig. 1 schematisch dargestellte Form eingenommen hat. Der Druckkörper 1 nimmt einen durch das Netz 3 definierten Gleichgewichtszustand ein, welcher sich durch ein maximales vom Netz 3 umschlossenes Volumen Vmax auszeichnet. Die zusammengehörigen Veränderungen des Radius und der Länge L des Druckkörpers 1 bei der Einnahme des Gleichgewichtszustandes sind in Fig. 1 mit Pfeilen angedeutet. Nimmt der Radius zu, so nimmt gleichzeitig die Länge L ab und umgekehrt. Dieser Gleichgewichtszustand lässt sich berechnen. Durch Anliegen am Netz 3 und Nach-Aussen-Drücken erzeugt der mit Druck beaufschlagte Hohlkörper 2 im Netz 3 eine Spannung in Umfangsrichtung und durch Anliegen an den Endstücken 4 und Nach-Aussen-Drücken erzeugt er im Netz 3 eine Spannung in Längsrichtung. Als Endstücke 4 können beispielsweise auch zusätzliche rund geschnittene Netze dienen, welche mit dem Netz 3 verbunden sind und die offenen Enden des vom Netz 3 gebildeten Schlauches abschliessen. In Fig. 1 ist gestrichelt eine Mantellinie 12 parallel zur Rotationsachse 13 eingezeichnet. Die Zugelemente schneiden diese Mantellinie 12 in einem Winkel ct.
Für einen Druckkörper 1, geformt aus einem Netz 3 existiert zwischen zwei Extremstellungen mit gegen Null strebendem Volumen V ein Maximalwert des Volumens Vmax. Für einen zylinder- förmigen Druckkörper 1 ergibt eine einfache Rechnung, dass der Hohlkörper 2 sein maximales Volumen Vmaχ einnimmt, wenn die Zugelemente 6 eine optimale konstante Steigung α von ungefähr 55° gegenüber einer Mantellinie 12 aufweisen. Ist der Zylinder in einer ersten Ausgangskonfiguration kürzer und von grosserem Umfang als im Gleichgewichtszustand, so ist die Steigung a grösser als 55° - der Druckkörper 1 dehnt sich in Längsrichtung aus und nimmt den Gleichgewichtszustand ein. Ist der Zylinder in einer zweiten Ausgangskonfiguration länger und von kleinerem umfang als im Gleichgewichtszustand, so ist die Steigung α kleiner als 55° - der Druckkörper 1 zieht sich in Längsrichtung zusammen und nimmt erneut den Gleichgewichtszustand mit maximalem Volumen Vmax ein.
Linien, welche die Mantellinien 12 mit konstanter Steigung α schneiden, werden Loxodrome genannt. Die durch die verbunde- nen Zugelemente 6 gebildeten Spirallinien 14 sind somit Loxodrome. Eine wurde in Fig. 1 fett gestrichelt hervorgehoben. Loxodrome sind in der Regel auf einer doppelt gekrümmten Oberfläche, beispielsweise einer Kugeloberfläche, nicht wie Orthodrome Teil eines Grosskreises und stellen daher im AIl- gemeinen nicht die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten dar.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine von Zugelementen 6 eingeschnürte Membran 5. Unter Druckbeaufschlagung dehnt sich der Hohlkörper 2 aus und die Membran 5 wölbt sich in den Maschen des Netzes 3 nach Aussen. In der genaueren Betrachtung dieser Auswölbungen findet sich die Erklärung, wie die Verstärkung der Membran 5 mittels übergezogenem Netz 3 im Detail funktioniert.
Die Spannung σ in der Membran 5 eines Druckkörpers 1 ist proportional zum im Hohlkörper 2 gegenüber der Umgebung herrschenden Überdruck Δp und zum Wölbungsradius R der Membran 5 (Δp = Pi-po ; Po^ Umgebungsdruck [Pa], pi: Druck im Hohlkör- per 2) . Es gilt: Die Spannung σ ist proportional zu Δp • R
(σ: UmlaufSpannung der Membran 5 [N/m]; Δp: Überdruck im Hohlkörper 2 [Pa] ; R: Radius einer Membran 5 [m] ) . Durch die Auswölbung einer elastischen Membran 5 zwischen den Maschen eines Netzes 3 ist für die Spannung σ der Membran 5 nicht mehr der Radius Ro des kreisförmigen Querschnitts des Hohlkörpers 2 massgebend, sondern der kleinere Radius Ri der teilkreisförmigen Auswölbung. Durch die Verkleinerung des Radius R der Wölbung der Membran 5 wird auch die Spannung σ in der Membran 5 bei gleich bleibendem Überdruck Δp verklei- nert.
Das Zusammenspiel eines Netzes 3 mit einer elastischen Membran 5 stellt eine teilweise Funktionstrennung für eine Hülle eines Druckkörpers 1 dar. Das aus Zugelementen 6 gebildete Netz 3 übernimmt die wesentlichen Zugspannungen in der Hülle des Druckkörpers 1 und die Membran 5 dichtet das Netz 3 gasdicht ab. Im Extremfall ergibt das eine materielle Trennung der beiden Funktionen einer Hülle eines Druckkörpers 1: Formgebung durch Aufnahme von Zugspannungen und Abdichtung gegen Gasverlust. Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckkörpers 1 als Isometrie. Die Spindelform des Druckkörpers 1 kommt durch Variation der Maschenlänge di in Längsrichtung (x-Richtung) zustande. In Fig. 5 ist ein vereinfachtes Netz 3 mit wenigen Netzknoten 7 für einen spindelförmigen Druckkörper 1 schematisch dargestellt. Beim in Längsrichtung gestreckten Netz 3 nehmen die Abstände di zwischen den Netzknoten 7, auch Maschenlänge genannt, von den beiden Enden her gegen die Mitte hin zu (di<d2<d3) . Dadurch ist der Umfang des mit Druck beaufschlagten Druckkörpers 1 im Gleichgewichtszustand nicht mehr konstant, sondern variiert entlang seiner Längsrichtung. Durch die Variation der Maschenlänge d± in Längsrichtung können verschiedenste rotationssymmetrische, bauchig geformte Druckkörper 1 erzeugt werden. Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Druckkörpers 1, bei welchem erneut die Maschenlänge d± in Längsrichtung variiert. Die Maschenlänge di nimmt von den Endstücken 4 gegen die Mitte hin ab. Fig. 7 zeigt schematisch ein viertes Λusführungsbeispiel eines Druckkörpers 1 als Isometrie und Fig. 8 zeigt schematisch das zugehörige geöffnete Netz 3. In den Fig. 7 und 8 ist jeweils nur ein Teil des Netzes 3 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel zeigt den Effekt einer Variation der Maschenlänge di in Umfangsrichtung (y-Richtung) (di<d2<d3) . Bei Fertigung des Netzes 3 aus in Längsrichtung parallelen Zugelementen 6 führt das gleichzeitig dazu, dass die Zugelemente 6 im Bereich der grosseren Maschenlängen di länger werden müssen, in Fig. 8 zum Beispiel gegen den oberen und unteren Rand des Netzes 3 hin. Alternativ können die Zugelemente 6 in Umfangsrichtung statt in Längsrichtung parallel geführt werden, wodurch wieder eine Vielzahl gleich langer Zugelemente 6 verwendet werden kann. Gleich lange Zugelemente 6 können auch verwendet werden, wenn sie als Spirallinien 14 um den Hohlkörper 2 her- umgeführt werden.
Wird in das Netz 3 aus Fig. 8 ein Hohlkörper 2 eingelegt und mit Druck beaufschlagt, so biegt sich die Rotationsachse 13 des Druckkörpers 1, in diesem Fall treffender Symmetrielinie 13, und er nimmt die Form eines Ausschnitts aus einem Torus ein.
Fig. 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, welches durch Variation der Maschenlängen di in Längs- und Umfangsrichtung erzeugt werden kann. So lassen sich komplizierte bauchige Rotationskörper erzeugen, deren Symmetrielinie 13 zusätzlich in verschiedene Richtungen und um verschiedene Radien gebogen ist. Allgemein wird ein schlauchförmiges Netz 3 mit beliebiger Variation der Maschenlängen di und mit Endstücken 4 durch Druckbeaufschlagung mittels eingelegtem Hohlkörper 2 immer eine wohldefinierte Form einnehmen, welche sich durch ein maximales Volumen Vmax auszeichnet.
Die Fig. 10 zeigt schematisch verschiedene Möglichkeiten, wie die Zugelemente 6 im Netz 3 geführt werden können. Fett aus- gezogen ist die Variante mit in Längsrichtung x parallel geführten Zugelementen 6, fett gepunktet die Variante mit in Umlaufrichtung y parallel geführten Zugelementen 6 und fett gestrichelt schliesslich noch eine Variante mit entlang der Spirallinien 14 verlaufender Zugelemente 6 hervorgehoben; wo- bei sich bei als Spirallinien 14 verlaufenden Zugelementen 6 an jedem Netzknoten 7 jeweils zwei Zugelemente 6 überkreuzen. Eine weitere Möglichkeit ist die Bildung des Netzes 3 aus einer Vielzahl kurzer Zugelemente 6 mit den Längen di, welche von Netzknoten 7 zu Netzknoten 7 verlaufen und durch Verbin- dungselemente 8 miteinander verbunden sind.
Drei weitere Ausführungsbeispiele für Druckkörper 1 mit externem die Membran 5 verstärkendem Netz 3 sind in den Fig. 11 bis 13 dargestellt. Wie in Fig. 6 beispielhaft gezeigt, können die beiden Endstücke 4 generell unterschiedliche Grossen aufweisen. Im Extremfall können sie auf einer oder auf beiden Seiten sogar ganz entfallen. Für die drei Ausführungsbeispiele in den Fig. 11 bis 13 wurde jeweils ein Endstück 4 stark verkleinert oder ganz weggelassen. Diese Anordnung ermöglicht die Herstellung von flächigen Druckkörpern 1, wobei das ver- bleibende Endstück 4 beispielsweise auch in polygonaler Form ausgeführt werden kann. Für transparente und leichte Wandoder Dachstrukturen können zwei der oben beschriebenen Druckkörper 1 zusammengefügt werden, wobei die verbleibenden Endstücke 4 aufeinander zu liegen kommen. Werden diese aufeinan- derliegenden Endstücke 4 auf einen einzigen Rahmen 9 reduziert und die beiden Hohlkörper 2 zu einem einzigen Hohlkörper 2 zusammengefasst, entstehen flächige Druckkörper 1, wie beispielsweise die in den Fig. 11 bis 13 dargestellten. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 11 weist einen runden , das- jenige in Fig. 12 einen rechteckigen Rahmen 9 auf, während das Netz aus Spirallinien 14 aufgebaut ist. In Fig. 13 ist eine Variante zum Ausführungsbeispiel in Fig. 12 dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 12 weist das Netz 3 im Wesentlichen rechteckige statt rautenförmige Maschen auf. Durch die Verstärkung der Membranen 5 mit Netzen 3, lassen sich beispielsweise mit gebräuchlichen lichtdurchlässigen Membranen 5 aus ETFE-Folie bei gleichem Druck Rahmen 9 von grosserer Ausdeh- nung bespannen als mit unverstärkten Membranen 5 ohne dadurch die Spannung in den Membranen 5 zu erhöhen.
In den Fig. IIb und 13 ist jeweils nur die obere Membran 5 und das obenliegende Netz 3 sichtbar. In Fig. 12b ist die untere Hälfte des Druckkörpers 1 lediglich mit einer unterbro- chenen Linie angedeutet.
Ausserdem besteht in der Fig. 11 das Endstück 4 beispielsweise nicht aus einer Platte, sondern lediglich aus einer Drahtschlaufe, an welcher das Netz 3 befestigt ist. Die in den drei obigen Ausführungsbeispielen gezeigten flä- chigen Druckkörper 1 mit Rahmen 9 lassen sich einfach zu grosseren Flächen zusammenfügen und so als Wände oder Dächer nutzen.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass die Netze 3 auch mit anderen Maschengeometrien ausgeführt werden können, bei- spielsweise mit Dreiecken, Rechtecken, Sechsecken oder anderen Polygonen. Weiter können auch Zugelemente 6 mitten im Netz 3 in einem Netzknoten 7 enden, beispielsweise weil ohne Reduktion der Zugelemente 6 bei gewissen Geometrien die Maschenlänge di des Netzes 7 zu klein würde. Solche Netze 3 sind jedoch komplizierter in der Herstellung, als Netze 3 mit durchgehenden, optimalerweise sogar gleich langen Zugelementen 6.
Die Fig. 14 zeigt ein erstes Verwendungsbeispiel für Druckkörper 1 gemäss den ersten beiden Ausführungsbeispielen. Der Druckkörper 1 kann beispielsweise für die Herstellung pneumatischer Bauelemente mit Druckstäben, Zugelementen und einem Hohlkörper, wie in WO 01/73245 (Dl) offenbart, verwendet werden. Der Druckkörper 1 wird als Hohlkörper verwendet und dient in diesem Beispiel der Knickstabilisierung eines über die ganze Länge mit dem Druckkörper 1 verbundenen Druckstabes 10, an dessen Enden ein Zugelement 11 befestigt ist. Bei spindelförmigen Druckkörpern 1 treten in Längsrichtung in der Mitte des Druckkörpers 1 die grössten Spannungen auf. Im zweiten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 ist jedoch die Maschenweite di an dieser Stelle am grössten.
Fig. 15 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Druckkörpers 1, verwendet als Hohlkörper für ein Bauelement gemäss Dl. Um eine bessere Anpassung der Maschenweite an die in der Membran 5 eines spindelförmigen Druckkörpers 1 vorherrschenden Spannungen zu ermöglichen, kann das Netz 3 aus Zugelementen 6 entlang von Breiten- und Längenkreisen gebildet werden. So ist es möglich in der Mitte mehr in Umfangsrichtung ver- laufende Zugelemente 6 einzufügen, als an den Enden des Druckkörpers 1, um somit eine im Wesentlichen homogene Spannungsbelastung der Membran 5 über den ganzen Druckkörper hinweg zu erreichen. Zur Reduktion der Maschenweite d± im zentralen Bereich des Druckkörpers 1 können auch zusätzliche, nicht über die ganze Länge L des Druckkörpers 1 verlaufende Zugelemente 6 ins Netz 3 gefügt sein.
Die Endstücke 4 können wie bereits erwähnt generell fehlen, sofern sie zur Spannung des Netzes 3 in Längsrichtung nicht benötigt werden oder nicht zur Definition der Randbedingungen des Netzes 3 für eine bestimmte Form des Druckkörpers 1 notwendig oder hilfreich sind. Weisen die Endstücke 4 keine rotationssymmetrische Form auf, so weist auch das Netz 3 quer zur Längsachse in der Nähe dieser Endstücke 4 keinen rotati- onssymmetrischen Querschnitt auf.
Weitere mögliche Anwendungsgebiete für netzverstärkte Druckkörper 1 finden sich beispielsweise in der Beleuchtungstechnik, als Leuchtenkörper, für lichtdurchlässige Ballon- oder Luftschiffshüllen, Traglufthallen und glasklare Hohlkörper für pneumatische Leichtbauelemente. Diese Aufzählung ist nicht abschliessend und nennt nur einige Anwendungsgebiete, in welchen dank Verwendung netzverstärkter Druckkörper 1 Fortschritte in der Nutzung elastischer Membranen 5 gegenüber bekannter Technologien erzielt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Druckkörper (1) bestehend aus einem mit Druck beaufschlagbaren gasdichten Hohlkörper (2) , gefertigt aus ei- ner Membran (5) , dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2) von einem schlauchförmigen Netz (3), umfasst wird, wobei das Netz aus Zugelementen (6) besteht, welche ihrerseits in Netzknoten (7) mittels Verbindungselementen (8) miteinander kraftschlüssig verbun- den sind, und wobei das Netz (3) durch den mit Druck beaufschlagten Hohlkörper (2) gespannt wird.
2. Druckkörper (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Endstücke (4) vorhanden sind mittels welchen die Öffnungen des schlauchförmigen Netzes (3) abgeschlossen sind.
3. Druckkörper (1) nach Patentanspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass jedes Zugelement (6) an beiden Endstücken (4) befestigt ist.
4. Druckkörper (1) nach Patentanspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass jedes Zugelement (6) zickzackförmig verläuft.
5. Druckkörper (1) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zugelement (6) entlang einer Spirallinie (14) verläuft und sich die Zugelemente (6) in jedem Netzknoten (7) überkreuzen.
6. Druckkörper (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden jedes Zugelementes (6) miteinander verbunden sind und die Zugelemente (6) zu einem Ring ge- schlössen den Hohlkörper (2) in Umfangsrichtung umfassen.
7. Druckkörper (1) nach den Patentansprüchen 3 und 6.
8. Druckkörper (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz (3) in Längsrichtung x unterschiedliche Maschenweiten di aufweist.
9. Druckkörper (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz (3) in Umfangsrichtung y unterschiedliche Maschenweiten di aufweist.
10. Druckkörper (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) glasklar oder lichtdurchlässig ist.
11. Druckkörper (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass um den Druckkörper (1) ein Rahmen (9) vorhanden ist, an welchem das Netz (3) befestigt ist, wobei die Ausdehnung des Rahmens (9) mindestens so gross ist wie die Ausdehnung des Druckkörpers (1) orthogonal zum Rahmen (9) .
12. Verwendung eines Druckkörpers (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, als Hohlkörper in pneumatischen Bauelementen mit mindestens einem Druckstab (10) und mindestens einem Zugelement (11) .
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