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.