SE1250709A1 - Fotoelektriskt ballistiskt skyddsarrangemang - Google Patents

Abstract

Ett fotoelektriskt ballistiskt skyddsarrangemang, omfattande en ballistisk skyddspanel tillverkad av en termoplastisk polyeten och med en tjocklek av di, varvid nämnda panel har en yttre yta och en inre yta. Arrangemanget omfattar ett skikt innefattande fotoelektriska celler fastsatt på nämnda yttre yta av nämnda panel och att nämnda skikt har en tjocklek av d.(Figur 1)

Description

15 20 25 30 2 lättviktsmaterial såsom en kolfiberkomposit. I andra utföringsfonner innefattar skyddet starka, lättviktiga flexibla material såsom Kevlar®, Dyneema® och/eller ballistiskt nylon för att motstå och sprida påförda krafter. Den personliga skyddsutrustningen kan också innefatta fotoelektriska paneler för att ladda ett batteripack och/eller för att driva elektroniska kretsar. De fotoelektriska panelema kan vara placerade på en handske eller på en skyddsanordning.

Soldater i fält bär ofta tung utrustning. Bland utrustningen finns ofia många anordningar som kräver elektrisk energi for att fungera, t.ex. satellittelefoner, radiomottagare, Videokameror och övervakningssensorer. Dessutom är personliga ballistiska skydd ofta nödvändiga i många krigszoner. Antalet föremål i den personliga utrustningen är därför stor och resulterar tillsammans i en hög vikt att bära, ofta i väldigt varma förhållanden.

Det är således ett överordnat mål att minska antalet föremål, minska vikten och att öka tillgängligheten av elektrisk försörjning för den elektriska utrustningen utan att äventyra soldatens säkerhet.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förbättrat ballistiskt skyddsarrangemang som uppfyller alla ovannämnda krav, och som i synnerhet är fördelaktigt att använda i fält.

Sammanfattning av uppfinningen Ovannämnda syfte uppnås med föreliggande uppfinning enligt det oberoende patentkravet.

Föredragna utföringsformer anges av de beroende patentkraven.

Det fotoelektriska ballistiska skyddsarrangemanget omfattar en ballistisk skyddspanel och ett skikt innefattande fotoelektriska celler fastsatt på den ballistiska skyddspanelen, t.ex. genom laminering eller med lim.

Elektriska anslutningar är anordnade för att avge energin som genereras av den fotoelektriska cellen. 10 15 20 25 30 3 Det ballistiska skyddsarrangemanget enligt föreliggande uppfinning är således ett lättviktsarrangemang, som innefattar fotoelektriska energipaneler som genererar hög spänning, vilka företrädesvis är bärbara, och som är lämplig för satellittelefoner, radiomottagare, videokameror, övervakningssensorer och för andra typer av utrustning med inbyggda batterier.

Kort beskrivning av de bifogade ritningama Figur l är en schematisk illustration av ett ballistiskt skyddsarrangemang enligt föreliggande uppfinning.

Figur 2 är en tvärsnittsvy längs linjen A-A av arrangemanget illustrerat i figur l, och som illustrerar en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 3 är en tvärsnittsvy illustrerande en annan utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Figur 4 är en tvärsnittsvy illustrerande ännu en annan utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till de bifogade ritningama.

Uppfinningen avser ett fotoelektriskt ballistiskt skyddsarrangemang, omfattande en ballistisk skyddspanel tillverkad av en termoplastisk polyeten och som har en tjocklek av dl. Panelen har en ytteryta och en inneryta. Se figurema 1-4, där figur l visar den yttre ytan av arrangemanget, och figurema 2-4 illustrerar tvärsnittsvyer för olika utföringsforrner.

Först kommer den ballistiska skyddspanelen tillverkad av en terrnoplastisk po lyeten att beskrivas, och en av de olika beskrivna variantema och altemativen är tillämpliga i arrangemanget enligt uppfinningen.

Polyeten med ultrahög mo lekylvikt (UHMWPE eller ibland förkortat till UHMW), också känd som högmodulpolyeten (HMPE) eller högprestandapolyeten (HPPE), som är en undergrupp för terrnoplastisk polyeten. Den har extremt långa kedjor, med 10 15 20 25 30 4 molekylviktnummer på flera miljoner, vanligtvis mellan 2 och 6 miljoner. Den långa kedjan bidrar till att överföra belastning mera effektivt till polymeruppbyggnaden genom att förstärka den mellanmolekylära samverkan. Detta resulterar i ett väldigt robust material, med den högsta stötstyrkan hos något terrnoplastiskt material som för närvarande tillverkas.

UHMWPE-fibrer, som kommersialiserades i slutet på 70-talet av det holländska kemiföretaget DSM, används allmänt för ballistiskt skydd, försvarstillämpningar och alltmer också för medicinska tillämpningar.

Dyneema och Spectra spinns från en gel med en spinnanordning för att bilda riktade syntetiska fibrer av UHMWPE, som har draghållfastheter så hög som 2,4 GPa (350 000 psi) och har en densitet så låg som 0,97 (för Dyneema SK75). Högkvalitetsstål har jämförbara draghållfastheter och lågkolstål har draghållfastheter som är mycket lägre (runt 0,5 Gpa). Eftersom stål här en densitet på ungefär 7,8 ger detta ett hållfasthet-mot- viktförhållande för dessa material inom området från l0 till l00 gånger högre än stål.

Hållfasthet-till-viktförhållanden för Dyneema är ungefär 40 % högre än för aramid.

UHMWPE-fibrer används i skydd, i synnerhet för personligt skydd och ibland som skydd för fordon, för skyddshandskar, bågsträngar, klätterutrustning, fiskelinor, linor för harpuner, högprestandasegel, linor för sportfallskärrnar och glidflygare, till båtriggar, drakar och linor för sportdrakar.

För personlig skyddsutrustning är fibrerna generellt parallella och sammansatta till skivor, som sedan läggs ovanpå varandra i olika vinklar för att åstadkomma det resulterande sammansatta materialets styrka i alla riktningar. I nyligen utvecklade tillbehör till kroppsskyddet för USA:s militär finns utformningar för ann- och benskydd, där man använder en form av Spectra- eller Dyneematyg.

Dyneemafibrer känns hala, liknande som polyeten och andra hydrofoba fibrer. De flesta människor tycker inte om känslan av Dyneema; vilket är en anledning till att den inte ofta 10 15 20 25 30 5 används i tyg. Dess glatthet gör den också mindre lämpad att använda i fiberforstärkta plaster.

Ett annat problem, i några tillämpningar, är att Dyneema kryper, d.v.s. att den kommer att deformeras när den utsätts för påverkan under lång tid. Som andra olefmer är den väldigt moståndskraftig mot vatten, fukt, de flesta kemikalier, UV-strålning och mikroorganismer.

Dyneemafibrer tillverkas av en av DSM patenterad (1979) metod kallad gelspinning. En noggrant upphettad gel av UHMWPE bearbetas av en utdragningsanordning genom en spinnenhet. Det utdragna materialet dras genom luft och kyls sedan i ett vattenbad. Den resulterande fibern har en hög grad av molekyler med samma inriktning och uppvisar därför exceptionell draghållfasthetstyrka.

För personlig skyddsutrustning är således fibrema generellt parallella och sammansatta till skivor, som sedan läggs ovanpå varandra i olika vinklar för att åstadkomma det resulterande sammansatta materialets styrka i alla riktningar.

Med hänvisning till figurema omfattar arrangemanget enligt uppfinningen ett fotoelektriskt (FE) cellinnefattande skikt fastsatt på den yttre ytan av panelen, och att skiktet har en tjocklek dg.

En fotoelektrisk cell (också kallad fotoelektromotorisk cell) är en elektrisk anordning i fast tillstånd som omvandlar energi från ljus direkt till elektricitet genom den fotoelektriska effekten.

Sammansättningar av FE-celler används för att tillverka fotoelektriska moduler vilka används för att fånga in energi från solljus. När flera moduler sätts tillsammans kallar man den resulterande integrerade gruppen av moduler som alla är orienterade i ett plan inom den fotoelektriska industrin for en fotoelektrisk panel. Den elektriska energin som genereras från fotoelektriska moduler, refereras till som fotoelektrisk energi, är ett exempel på fotoelektrisk energi. 10 15 20 25 30 6 Fotoelektriciteten är ett tekniskt område och forskning relaterad till praktisk tillämpning av fotoelektriska celler för att producera elektricitet från ljus, även om den oftast används specifikt för att hänvisa till genereringen av elektricitet från solljus.

Celler beskrivs som fotoelektriska celler när ljusskällan inte nödvändigtvis är solljus (lampljus, artificiellt ljus, etc.). Dessa används för att detektera ljus eller annan elektromagnetisk strålning nära det synliga området, t.ex. infraröda detektorer, eller mätningar av ljusintensitet.

Olika material uppvisar olika effektiviteter och har olika kostnader. Material for effektiva FE-celler måste ha kännetecken som överensstämmer med spektrum för tillgängligt ljus.

En del celler är utformade att effektivt omvandla våglängderna för fotoelektriskt ljus som når jordens yta. Emellertid är en del FE-celler även optimerade för ljusabsorption i jordens atmosfär. Ljusabsorberande material kan ofta användas i många fysiska konfigurationer för att dra nytta av olika ljusabsorption och laddningssepareringsmekanismer.

Material som fömärvarande används i fotoelektriska celler innefattar monokristallint kisel, polykristallint kisel, amorft kisel, kadmiumtellurid och kopparindiumselenid/sulfid.

Som ett alternativt till de kiselbaserade fotoelektriska cellerna kan även tunnfilmstekno lo gi användas. Tunnfilmer kan t.ex. vara tillverkade av kadmiumtellurid, galliumarsenid eller kopparindiumgalliumselenid.

Ovan har ett antal olika material som kan användas i FE-celler beskrivits vilka alla är tillämpliga i arrangemanget enligt föreliggande uppfinning.

Enligt en utföringsforrn är skiktet med de fotoelektriska cellema fastsatt på den ballistiska skyddspanelen med en lamineringsprocedur. Lamineringsproceduren innefattar att anordna skiktet med FE-celler på panelen och företrädesvis anordna åtminstone en lamineringsskiktfilm mellan nämnda FE-cellskikt och panelen. Arrangemanget utsätts sedan for högt tryck vid höga temperaturförhållanden, t.ex. l30-l70°C, företrädesvis runt l50°C. Många olika material kan användas för inkapslingen av lamineringsskiktfilmen, 10 15 20 25 30 7 men en vanlig inkapsling för detta ändamål är EVA (eten-vinyl-acetat). EVA, som är ett temperaturkänsligt material, är en sampolymer elastomer som används i skivforrn för användning vid inkapsling av FE-moduler. Den har många önskvärda egenskaper vilket gör materialet lämpligt för denna tillämpning. 0 det är inte vidhäftande vid rumstemperatur vilket förenklar hanteringen. 0 den åstadkommer en permanent och fastlimmad tät tätning för det fotoelektriska cellsystemet genom tvärbindningar och förbättrad fastsättning när filmen upphettas och pressas.

Dessutom är företrädesvis åtminstone en transparent skyddsfilm anordnad på FE- cellskiktet, antingen innan lamineringsproceduren eller efter lamineringsproceduren.

Enligt en annan utföringsforrn sätts skiktet med de fotoelektriska cellerna på panelen med användning av ett adhesiv (inte visat i figurema). Även i denna utföringsforrn är företrädesvis åtminstone en transparent skyddsfilm anordnad på FE-cellskiktet, för att skydda FE-cellerna. I figur 3 illustreras utföringsforrnen av arrangemanget försett med en skyddsfilm. I figur 4 illustreras utföringsforrnen försedd med en lamineringsskiktfilm och en skyddsfilm.

Enligt en utföringsform omfattar arrangemanget åtminstone två anslutningar anpassade att kopplas till en elektrisk energilagringsenhet för att överföra elektrisk energi genererad av FE-cellerna till den elektriska energilagringsenheten. De elektriska anslutningarna är ordentligt fastsatta och väl skyddade för att motstå användning i tuffa förhållanden.

Konventionella anslutningar, t.ex. positiva och negativa poler, finns tillgängliga på arrangemanget och kablar fastsatta till polerna för vidare anslutning till anslutna anordningar.

Den elektriska energilagringsenheten kan vara någon enhet anpassad att mottaga och lagra elektrisk energi, t.ex. ett uppladdningsbart batteri. Arrangemanget kan vara försett med 10 15 20 25 30 8 t.ex. en 1 meter lång kabel med kopplingsanslutning för laddning av ett 12 volt-system, eller valfritt, ett 24 volt-system.

Enligt en utföringsform har arrangemanget en väsentligen plan utsträckning. Detta är mest fördelaktigt eftersom FE-cellerna är mest effektiva om de anordnas i ett vinkelrätt plan relativt det infallande ljuset.

Tjockleken av arrangemanget beror naturligtvis på den avsedda användningen. Om arrangemanget ska användas i västar bestäms tjoekleken med avseende på skyddsbehovet och vikten. Tjockleken dl for den ballistiska skyddspanelen väljs således med hänsyn till den tänkta användningen av arrangemanget. Typiska värden av d1 är åtminstone 2 mm, och for de flesta tillämpningar ligger de inom intervallet 2-25 mm. När den används i kläder ger 2-4 mm nödvändigt skyddsbehov med hänsyn till vikten. Skyddsvästar kan vara upp till 20 mm och mindre än 50 mm. När den används på fordon är tj ockleken företrädesvis 20-40 mm och på byggnader kan andra tjocklekar användas.

Tjockleken dg av skiktet innehållande FE-celler och lamineringsskiktfilmen är normalt åtminstone 1 mm.

Sammanfattningsvis har arrangemanget företrädesvis en tjocklek, dvs. dl + dg på åtminstone 3 mm.

I den exemplifierande illustrationen i figur 1 har arrangemanget en rektangulär form med en bredd W och en längd L. Typiska värden på W och L ligger inom området 100-2000 mm. Beroende på ytan for skiktet med FE-celler är den genererade spänningen mellan 10- 24 volt och strömmen är l-3 A. Typiska storlekar för FE-skiktet inklusive skyddsskiktet är 985x450 mm, 325x450 mm eller 235x345 mm. Dessa exemplifierande arrangemang har en tjocklek för FE-skiktet på 6 mm.

Andra former är naturligtvis möjliga, t.ex. kurvforrnade former (cirkulära, elliptiska, etc.).

Emellertid kan arrangemanget ha en icke-plan utsträckning, d.v.s. en kurvformad utsträckning, t.ex. kan arrangemanget ha ett icke-linj ärt tvärsnitt. Enligt en utföringsforrn 10 9 har arrangemanget en tredimensionell forrn anpassad till delar av den mänskliga kroppen, tex. en hjälm eller ett skydd framför kroppen som överensstämmer med kroppen. Det är således möjligt att bestämma en lämplig kurvforrnad form och sedan tillverka arrangemanget så att den ges den bestämda formen. Det tillverkade arrangemanget enligt föreliggande uppfinning är väsentligen icke-flexibelt. Olika former i arrangemanget kan skäras ut med användning av skärteknik som använder vattenstrålar.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de ovan beskrivna föredragna utforingsformema. Olika alternativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas. Därför skall ovan utföringsformer inte anses begränsande utan uppfinningens skyddsomfång definieras i de bifogade patentkraven.

Claims (14)

10 15 20 25 30 lO Patentkrav

1. Ett fotoelektriskt (FE) ballistiskt skyddsarrangemang, omfattande en ballistisk skyddspanel tillverkad av en terrnoplastisk polyeten och med en tjocklek på dl, varvid nämnda panel har en yttre yta och en inre yta, kännetecknad av att arrangemanget omfattar ett skikt innefattande fotoelektriska celler fastsatt på nämnda yttre yta av nämnda panel och att nämnda skikt har en tjocklek av dg.

2. Arrangemanget enligt krav 1, varvid dl + d; är åtminstone 3 mm.

3. Arrangemanget enligt krav 1 eller 2, varvid d1 är åtminstone 2 mm.

4. Arrangemanget enligt något av foregående krav, varvid d; är åtminstone 1 mm.

5. Arrangemanget enligt något av foregående krav, varvid nämnda skikt innefattande fotoelektriska celler är fastsatt på nämnda panel med en lamineringsprocedur.

6. Arrangemang enligt krav 5, varvid nämnda arrangemang omfattar åtminstone en lamineringsskiktfilm anordnad mellan nämnda FE-cellskikt och nämnda panel.

7. Arrangemanget enligt något av kraven 1-5, varvid nämnda skikt innefattande fotoelektriska celler är fastsatt på nämnda panel med en adhesiv.

8. Arrangemanget enligt något av foregående krav, varvid nämnda arrangemang omfattar åtminstone en transparent skyddsfilm anordnad på nämnda FE-cellskikt.

9. Arrangemanget enligt något av foregående krav, varvid nämnda ballistiska skyddspanel är tillverkad av en polyeten med ultrahög molekylvikt (UHMWPE eller UHMW), som är en undergrupp av nämnda termoplastiska polyeten.

10. Arrangemanget enligt något av föregående krav, varvid arrangemanget omfattar åtminstone två anslutningar anpassade att kopplas till en elektrisk energilagringsenhet. 10 ll

11. Arrangemanget enligt något av föregående krav, varvid nämnda skikt innefattande fotoelektriska celler omfattar kiselceller.

12. Arrangemanget enligt något av kraven 1-11, varvid nämnda arrangemang har en väsentligen plan utsträckning.

13. Arrangemanget enligt något av kraven 1-11, varvid nämnda arrangemang har en kurvformad utsträckning.

14. Utrustning omfattande åtminstone ett arrangemang enligt något av föregående krav.