DE102007043639A1

DE102007043639A1 - Anordnung zur elektrisch leitenden Verbindung

Info

Publication number: DE102007043639A1
Application number: DE200710043639
Authority: DE
Inventors: Lars Dr. Lauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Eine möglichst verschleißarme und unterbrechungsarme elektrisch leitende Verbindung zwischen zueinander bewegbaren, insbesondere rotierenden Komponenten (2, 4) wird erreicht durch eine Anordnung (6), mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement (8, 10) an jeder der Komponenten (2, 4), wobei zwischen den Kontaktelementen (8, 10) eine äußere Spannung angelegt ist. Dabei ist die Oberfläche (14) zumindest eines Kontaktelements (8) mit einer Anzahl von Nanospitzen (16) versehen, so dass auf Grund einer Feldüberhöhung Elektronen freigesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei zueinander rotierenden Komponenten, mit jeweils zumindest einem elektrischen Kontakt an jeder der Komponenten.
Zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei zueinander bewegbaren, insbesondere rotierenden Teilen, werden in der Regel Gleitkontakte eingesetzt. Gleitkontakte finden Anwendung auf vielen Gebieten, wie beispielsweise in Radaranlagen (drehende Antenne), in Windrädern (Mess- und Steuersysteme in den rotierenden Rotorblättern), in der Automobilindustrie (Steuer- und Sensorkreise im Lenkrad und Reifen) sowie in der Medizintechnik (rotierende Gantries von Computertomographen). Ein Gleitkontakt umfasst in der Regel eine Bürste und einen Schleifring. Die Bürste besteht meistens aus Graphit und stellt den Kontakt zum Kommutator oder zum Schleifring des rotierenden Teils des Systems her. Als Schleifringmaterial kommen verschiedene Werkstoffe zum Einsatz. Zu den wichtigsten zählen Messing, Bronze, Edelstahl und Kohle. Insbesondere im Bereich der Übertragung schwacher Signale werden auch Goldringe eingesetzt.
Gleitkontakte sind jedoch stark von Umwelteinflüssen und Verschmutzungen beeinflussbar. Sie werden häufig gekapselt ausgebildet, einerseits um selbst vor Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit geschützt zu werden und andererseits, um Kurzschlüsse durch Kohleabrieb des Kontakts in der Maschine zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei zueinander rotierenden Komponenten anzugeben, die möglichst verschleißarm ist und mit deren Hilfe elektrische Ströme möglichst unterbrechungsfrei übertragen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei zueinander bewegbaren, insbesondere rotierenden Komponenten, mit jeweils zumindest einem elektrischen Kontaktelement an jeder der Komponenten, wobei zwischen den Kontaktelementen eine äußere Spannung angelegt ist und wobei die Oberfläche zumindest eines Kontaktelements mit einer Anzahl, insbesondere mit einer Vielzahl von Nanospitzen versehen ist.
Die Erfindung basiert auf dem bekannten physikalischen Prinzip der lokalen Feldüberhöhung an einer Spitze bei einer angelegten elektrischen Spannung. Bei einer geeigneten Auswahl des Materials der Spitze wird eine Feldemission bewirkt, d. h. eine Freisetzung von Elektronen. Hierfür ist die Oberfläche zumindest eines der Kontaktelemente mit einer Anzahl von Nanospitzen versehen, um im Bereich der Nanospitzen eine Überhöhung des äußeren elektrischen Feldes zu erzeugen, die ihrerseits zu einer örtlich begrenzten, fokussierten Freisetzung von Elektronen im Bereich der Nanospitzen führt. Unter dem Einfluss des äußeren elektrischen Feldes werden die Elektronen in Richtung auf das zweite Kontaktelement beschleunigt, so dass durch ihre gerichtete Bewegung elektrischer Strom zwischen den beiden Kontaktelementen fließen kann. Insbesondere sind mehrere zueinander korrespondierende Kontaktelemente zur Freisetzung bzw. zur Aufnahme von Elektronen an beiden Komponenten angeordnet.
Durch die Anordnung wird die Strom-/Signalübertragung auch dann nicht unterbrochen, wenn sich die Komponenten relativ zueinander nicht mehr bewegen. Die vorgeschlagene Technologie zur kontaktlosen Übertragung von elektrischen Strömen erschließt außerdem die Möglichkeit zur Miniaturisierung der Anordnung, wobei eine Kosten- und Bauraumreduktion erreicht wird. Im Vergleich zu einem Goldkontaktsystem ist durch den Verzicht auf den Einsatz von Gold oder von anderen seltenen Metallen als Kontaktmaterial eine Kostensenkung erreichbar.
Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Anordnung mit den bereits vorhandenen Schleifringsystemen kompatibel. Eine Übertragung des Prinzips der nanotechnisch modifizierten Oberfläche auf konventionelle Schleifringsysteme erfolgt, indem Nanostrukturen beispielsweise in das Bürstenmaterial bestehender Systeme eingearbeitet werden, um dadurch eine Steigerung des Wirkungsgrades bzw. der Lebensdauer dieser Systeme zu erreichen.
Bevorzugt sind die Kontaktelemente voneinander beabstandet, so dass kein mechanischer Kontakt zwischen ihnen hergestellt ist. Diese Ausgestaltung ist im Hinblick auf einen verschleißfreien Betrieb besonders vorteilhaft, da dank der beabstandeten Anordnung kein mechanischer Verschleiß zwischen den Kontaktelementen auftritt. Die Anordnung zeichnet sich daher durch ihre Wartungsfreiheit aus, da im Gegenteil zu einem Gleitkontakt Schleifstaub vollständig vermieden wird.
Vorzugsweise weisen die Nanospitzen eine Länge von etwa 100 nm bis 1 mm auf. Die Nanospitzen sind insbesondere derart groß ausgebildet, dass sie deutlich aus der Oberfläche hinausragen, auch bei vorliegender Unebenheit der Oberfläche des Kontaktelements.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Oberfläche mit einer Anzahl von Nanoröhren aus Kohlenstoff versehen. Unter Kohlenstoffnanoröhren werden kleine röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff verstanden (in der Fachsprache auch unter der Bezeichnung „carbon nanotubes" oder „CNT" bekannt), deren Durchmesser meist im Bereich zwischen 1 und 50 nm liegen und deren Längen mindestens das 100-fache des Durchmessers betragen. Kohlenstoffnanoröhren weisen außerdem eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften auf, die sie für den Einsatz in einer Anordnung zur elektrisch leitenden Verbindung besonders geeignet machen – eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und eine gute chemische und mechanische Stabilität. Am wichtigsten ist jedoch, dass aufgrund ihrer Struktur die Nanoröhren aus Kohlenstoff viel stärkere elektrische Felder als Metalle aushalten können, was für die Feldemission von großer Bedeutung ist.
Eine Effizienzsteigerung der Anlage kann erreicht werden, indem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Oberfläche des Kontaktelements mit einem Element mit einer Austrittsarbeit von unter 3 eV, insbesondere unter 2,5 eV beschichtet ist. Der Begriff Austrittsarbeit bezeichnet die kleinste Energie, die erforderlich ist, um einen Elektron aus einem Festkörper zu lösen. Dank der Beschichtung mit einem Element mit einer so niedrigen Austrittsarbeit wird die Freisetzung der Elektronen weiter vereinfacht und gefördert. Die Beschichtung weist hierbei eine derartige Dicke auf, dass die Nanospitzen weiterhin erhalten bleiben, um eine lokale Feldüberhöhung hervorrufen zu können.
Der Einsatz von Elementen mit einer relativ niedrigen Austrittsarbeit in Kombination mit Nanospitzen zur Leistungssteigerung des Systems kann außerdem für bereits bekannte Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren wie z. B. in Lichtquellen, Röntgenröhren oder Mikrowellen-Vakuumröhren ebenfalls interessant sein.
Zweckdienlicherweise ist die Oberfläche mit Rubidium und/oder Cäsium beschichtet. Zur Aufbringung der Beschichtung kommen hierbei mehrere chemische und physikalische Verfahren in Frage, wie z. B. Bedampfen, Sputtern oder chemische Gasphasenabscheidung.
Nach einer bevorzugten Variante ist die Anordnung in einem gasdichten Gehäuse angeordnet. Diese Variante bietet die Möglichkeit, eine Atmosphäre im Gehäuse zu erschaffen, welche sich von der äußeren Umgebung unterscheidet und welche die Forderungen bezüglich eines sicheren Betriebs der Anordnung erfüllt. Darüber hinaus ist bei einem gasdichten Gehäuse die Möglichkeit gegeben, den Druck im Gehäuse unabhängig vom Umgebungsdruck zu regulieren.
Um eine gasundurchlässige Abdichtung des Gehäuses gewährleisten zu können, ist nach einer weiteren bevorzugten Variante das Gehäuse mittels einer Ferrofluiddichtung gegenüber der Umgebung abgedichtet. Ferrofluide sind Flüssigkeiten, die auf ein magnetisches Feld reagieren. Sie werden meist in Luftspalten zwischen zwei zueinander bewegbaren Teilen angeordnet und werden dort durch das Feld eines Magneten gehalten. Ferrofluiddichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie relativ reibungsarm und verschleißfrei sind. Sie werden z. B. zur Abdichtung von Wellendurchführungen in Vakuumkammern eingesetzt.
Eine chemisch nicht aggressive Atmosphäre im Gehäuse wird geschaffen, indem das Gehäuse bevorzugt ein Schutzgas enthält. Hierdurch sind die Kontaktelemente nicht dem Luftsauerstoff ausgesetzt, wodurch insbesondere eine Oxidation der Materialien vermieden wird.
Alternativ zu einem Schutzgas ist im Gehäuse bevorzugt Vakuum eingestellt. Die Einstellung vom Vakuum im Gehäuse ist besonders vorteilhaft für den Betrieb der Anordnung, da nicht nur eine chemisch sichere Atmosphäre erschaffen wird, sondern zudem die Bewegung der Elektronen zwischen den Kontaktelementen in der Abwesenheit von weiteren Teilchen und Molekülen möglichst ungestört erfolgen kann.
Um ein Wandern der freigesetzten Elektronen im Gehäuse zu vermeiden, sind vorteilhafterweise Mittel zur elektrischen und/oder magnetischen Führung von vom Kontaktelement freigesetzten Elektronen vorgesehen, welche die Elektronen zum korrespondierenden Kontaktelement der weiteren Komponente leiten.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei zueinander bewegbaren, insbesondere rotierenden Komponenten, mit jeweils zumindest einem elektrischen Kontaktelement an jeder der Komponenten, wobei zwischen den Kontaktelementen eine äußere Spannung angelegt wird und wobei von der Oberfläche zumindest eines Kontaktelements, welche Oberfläche mit einer Anzahl von Nanospitzen versehen ist, unter dem Einfluss der äußeren Spannung Elektronen freigesetzt werden und in Richtung auf das andere Kontaktelement der anderen Komponente geführt werden.
Die im Hinblick auf die Anordnung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Verfahren übertragen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen stark vereinfacht:
1 eine zweipolige Anordnung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer rotierenden Welle und einem weiteren Bauelement,
2 eine dreipolige Anordnung zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer rotierenden Welle und einem weiteren Bauelement, und
3 schematisch eine Vergrößerung der Oberfläche eines Kontaktelements.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 sind zwei Komponenten 2, 4 einer nicht näher gezeigten Einrichtung gezeigt, zwischen denen eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden soll. Die erste Komponente 2 ist nach Art einer rotierenden Welle und die zweite Komponente 4 nach Art eines stationären Bauelements ausgebildet. Zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung ist eine Anordnung 6 vorgesehen, welche erste Kontaktelemente 8 und zweite Kontaktelemente 10 umfasst, die in diesem Ausführungsbeispiel in einem Gehäuse 12 voneinander beabstandet angeordnet sind.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Anordnung 6 zur elektrisch leitenden Verbindung wird elektrischer Strom von der feststehenden Komponente 4 zur rotierenden Welle 2 übertragen. Die Anordnung 6 ist eine zweipolige Anordnung, bei der an jeder Komponente 2, 4 zwei Kontaktelemente 8, 10 vorgesehen sind, so dass die ersten Kontaktelemente 8 und die zweiten Kontaktelemente 10 paarweise zueinander orientiert sind. Die ersten Kontaktelemente 8 weisen eine Oberfläche 14 auf, welche mit einer Vielzahl von Nanospitzen 16 versehen ist (siehe 3). Zwischen den ersten und den zweiten Kontaktelementen 8, 10 wird eine Spannung angelegt, indem die ersten Kontaktelemente 8 mit einem Plus-Pol und die zweiten Kontaktelemente 10 mit einem Minus-Pol verbunden werden.
Aufgrund der nanomodifizierten Struktur der Oberfläche 14 entsteht im Bereich der Nanospitzen 16 eine Feldüberhöhung, die dazu führt, dass Elektronen von den Nanospitzen 16 freigesetzt werden und sich entlang des elektrischen Feldes in Richtung auf die positiv geladenen Kontaktelemente 10 bewegen. Um eine möglichst unterbrechungsfreie Verbindung zu ermöglichen, sind hierbei die zweiten Kontaktelemente 10 nach Art Ringe oder Bahnen ausgebildet, die um die Welle 2 umlaufen.
Die zweiten Kontaktelemente 10 können grundsätzlich einen Aufbau aufweisen wie im heutigen Stand der Technik bei Stromübertragung mittels eines Gleitkontakts. Insbesondere im Betrieb mit einer Vorspannung oder bei reiner Gleichspannung ist es ausreichend, je nach Spannungsrichtung die Kontaktelemente 8 bzw. 10 nur einer der Komponenten 2, 4, in diesem Fall die ersten Kontaktelemente 8 mit einer nanomodifizierten Oberfläche 14 auszugestalten. Bei einer Wechselspannung ist es allerdings erforderlich, dass sowohl die ersten 8 als auch die zweiten Kontaktelemente 10 Nanospitzen 16 zur Feldüberhöhung aufweisen.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Gehäuse 12 ein Schutzgas und ist gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Zur Abdichtung des Gehäuses im Bereich der Welle 2 sind Ferrofluiddichtungen 18 vorgesehen. Die im Gehäuse 12 ausgebildeten Öffnungen zur Durchführung der ersten Kontaktelemente 8 sind auch mittels Dichtungen 20 abgedichtet, beispielsweise Gummidichtungen (bei einer Atmosphäre aus Schutzgas im Gehäuse 12) oder Keramikdichtungen (im Falle von Vakuum).
Die Anordnung 6 zur elektrisch leitenden Verbindung gemäß 2 unterscheidet sich von der gemäß 1 hauptsächlich dadurch, dass die Anlage 6 dreipolig ausgebildet ist, so dass jeweils 3 Kontaktelemente 8 bzw. 10 an jeder der Komponenten 2, 4 angeordnet sind. Darüber hinaus ist im Gehäuse 2 Vakuum eingestellt. Um die von den ersten Kontaktelementen 8 der stationären Komponente 4 freigesetzten Elektronen genau auf das korrespondierende zweite Kontaktelement 10 ansteuern zu können, sind zwischen den ersten Kontaktelementen 8 elektrische Gegenpole 22 vorgesehen, welche ein Wandern der Elektronen zu einem entfernten zweiten Kontaktelement 10 verhindern.
Der detaillierte Aufbau der Oberfläche 14 eines Kontaktelements 8 ist in 3 dargestellt. Die Oberfläche 14 ist mit Strukturen mit Spitzen im Nanobereich versehen, auch als Nanospitzen 16 bezeichnet, welche eine lokale Feldüberhöhung beim Anlegen von äußerer Spannung hervorrufen und dadurch eine Feldemission, d. h. ein leichtes Lösen der Elektronen von den Nanospitzen 16 ermöglichen. Die Nanospitzen 16 sind insbesondere derart gestaltet, dass eine ausreichend große Feldüberhöhung vorliegt, so dass für den konkreten Anwendungsfall eine genügende Anzahl freier Elektronen bereits bei der gewöhnlichen Betriebstemperatur der Einrichtung ohne Zufuhr zusätzlicher Energie erzeugt wird.
Die Nanospitzen 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel Nanoröhren aus Kohlenstoff, welche ein Durchmesser im Bereich zwischen 1 und 50 nm aufweisen. Zur Erhöhung der Feldemission können die Kohlenstoffnanoröhre 16 außerdem mit einer dünnen Schicht aus einem Element mit einer niedrigen Austrittsar beit, d. h. mit einer Austrittsarbeit unter 3 eV und insbesondere unter 2,5 eV überzogen werden. Geeignete Elemente sind z. B. Cäsium und Rubidium. Bei einer Beschichtung der Nanospitzen 16 mit einem solchen Element ist darauf zu achten, dass die Nanospitzen 16 weiterhin erhalten bleiben. Die Beschichtung der Nanospitzen 16 kann beispielsweise mit Hilfe von Bedampfen oder Sputtern erfolgen.
Die in den Figuren beschriebenen Anordnungen 6, die eine kontaktlose Übertragung von elektrischen Strömen zwischen zwei zueinander rotierenden Komponenten 2, 4 ermöglichen, zeichnen sich insbesondere durch ihre Verschleiß- und Wartungsfreiheit aus.

Claims

Anordnung (6) zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei zueinander bewegbaren, insbesondere rotierenden Komponenten (2, 4), mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement (8, 10) an jeder der Komponenten (2, 4), wobei zwischen den Kontaktelementen (8, 10) eine äußere Spannung angelegt ist und wobei die Oberfläche (14) zumindest eines Kontaktelements (8) mit einer Anzahl von Nanospitzen (16) versehen ist.
Anordnung (6) nach Anspruch 1, wobei die Kontaktelemente (8, 10) voneinander beabstandet sind.
Anordnung (6) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanospitzen (16) eine Länge von etwa 100 nm bis 1 mm aufweisen.
Anordnung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (14) mit einer Anzahl von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff versehen ist.
Anordnung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (14) mit einem Element mit einer Austrittsarbeit von unter 3 eV, insbesondere unter 2,5 eV beschichtet ist.
Anordnung (6) nach Anspruch 5, wobei die Oberfläche mit Cäsium oder Rubidium beschichtet ist.
Anordnung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktelemente (8, 10) in einem gasdichten Gehäuse (12) angeordnet sind.
Anordnung (6) nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse (12) mittels einer Ferrofluiddichtung (18, 20) gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.
Anordnung (6) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Gehäuse (12) ein Schutzgas enthält.
Anordnung (6) nach Anspruch 7 oder 8, wobei im Gehäuse (12) Vakuum eingestellt ist.
Anordnung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Mittel (22) zur elektrischen und/oder magnetischen Führung von vom Kontaktelement (8) freigesetzten Elektronen vorgesehen sind.
Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei zueinander bewegbaren, insbesondere rotierenden Komponenten (2, 4), mit jeweils zumindest einem elektrischen Kontaktelement (8, 10) an jeder der Komponenten (2, 4), wobei zwischen den Kontaktelementen (8, 10) eine äußere Spannung angelegt wird und wobei von der Oberfläche (14) zumindest eines Kontaktelements (8), welche Oberfläche (14) mit einer Anzahl von Nanospitzen (16) versehen ist, unter dem Einfluss der äußeren Spannung Elektronen freigesetzt werden und in Richtung auf das andere Kontaktelement (10) gesteuert werden.