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Die
Erfindung betrifft eine Gehäuseeinheit
für Unterwassergeräte, insbesondere
für elektronische Unterwassergeräte.
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Zu
elektronischen Geräten
gehören
beispielsweise Sensoren, welche vor Tsunami-Katastrophen warnen.
Die Sensoren sind in eine Sonde integriert, welche beispielsweise
in Wassertiefen von bis zu 6000 m und tiefer eingesetzt werden sollen.
Messdaten der Sonden werden beispielsweise als akustische Signale
an eine Schwimmboje und von dort als Funkdaten über Satelliten an eine Tsunami-Warnzentrale übertragen.
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Der
Langzeiteinsatz von elektronischen Geräten, wie Messgeräten, Datenerfassungsgeräten, Kommunikationsgeräten und
dergleichen, in größeren Meerestiefen
unterhalb etwa 300 m, stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion
der zugehörigen Gehäuse, welche
die Geräte
vor dem in großen
Tiefen herrschenden Wasserdruck schützen. Die Kombination verschiedenster
im (See-)Wasser gelöster Stoffe
wirkt zudem hoch korrosiv. Das Gehäuse muss daher eine hohe, dauerhafte
Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
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Als
geeigneter Werkstoff für
Gehäuse
für Unterwassergeräte, insbesondere
auch für
Tiefwassergeräte,
hat sich die Titanlegierung Ti6Al4V (6% Aluminium, 4% Vanadium,
ASTM: Grade 5, Luftfahrt-Werkstoff-Nummer
3.7164) erwiesen. Diese Titanlegierung hat eine hohe Festigkeit,
eine relativ geringe Dichte sowie eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit
und wird daher als Werkstoff für
korrosionsbeständige
Gehäuse
mit hoher Druckfestigung eingesetzt.
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Titan,
Titanlegierungen oder vorgefertigte Gehäuseteile aus Titan/Titanlegierungen
sind vergleichsweise teuer. Andere, kostengünstigere Werkstoffe erfüllen die
Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, die Festigkeit, die
Dichtigkeit und/oder das Gewicht in Kombination nur eingeschränkt.
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So
sind selbst bei einer Verwendung von hochlegierten Edelstählen in
der Regel Opferanoden für
einen Korrosionsschutz erforderlich. Seewasserbeständige, hochfeste
Kupferbronzen haben eine hohe Dichte, so dass daraus gefertigte
Gehäuse
in der Regel zu schwer sind. Polymere und ähnliche Werkstoffe besitzen
keine ausreichende (Druck-)Festigkeit und sind teilweise unter hohem Druck
wasserdurchlässig
(Diffusion).
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gehäuseeinheit für Unterwassergeräte zu schaffen,
die bei gegenüber
Titanwerkstoffen deutlich reduzierten Kosten, gleiche oder bessere
Einsatzeigenschaften aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Gehäuseeinheit
für Unterwassergeräte umfassend
mindestens eine flüssigkeitsabgedichtete druckfeste
Gehäuseinnenschale
aus einem hochfesten, wasserundurchlässigen Material und eine die
Gehäuseinnenschale
umgebende Gehäuseaußenschale aus
einem korrosionsbeständigen
Material.
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Die
Gehäuseinnenschale
und die Gehäuseaußenschale
bilden jeweils ein das Unterwassergerät umgebendes Gehäuse, welches
jeweils die Erfüllung
spezieller Anforderungen übernimmt.
Dadurch ist es möglich,
eine dauerhaft abdichtende Gehäuseeinheit
zu schaffen, wobei auf teure Werkstoffe verzichtet werden kann.
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Unter
einem hochfesten Material wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung
ein Material verstanden, welches eine hohe 0,2%-Dehngrenze Rp0,2
von typischerweise größer 400
MPa aufweist und die Konstruktion von Gehäuseinnenschalen mit einer Druckbeständigkeit
bei Druckbelastungen von mindestens 40 MPa (400 bar) und mehr, vorzugsweise
von 60 MPa (600 bar) und mehr bei akzeptablen Gehäusewandstärken ermöglicht.
Die Gehäuseinnenschale
sorgt damit für
die notwendige Druckfestigkeit der Gehäuseeinheit und verhindert das
sonst unter hohem Druck möglicherweise
einsetzende Fließen
des Materials der Gehäuseaußenschale.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäuseaußenschale zumindest teilweise
als selektiv permeable Membran im Sinne des Verfahrens der Umkehrosmose
gestaltet, so dass durch die Gehäuseaußenschale
diffundierendes (See-)Wasser gefiltert und von den wesentlichen
im (See-)Wasser gelösten
potentiell korrosiv wirkenden Fremdstoffen befreit wird.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Gehäuseaußenschale eine hohe Zähigkeit
auf. Da bei bestimmten Materialien die Zähigkeit von der Temperatur
abhängig
ist, muss bei diesen Materialien zumindest unter den Einsatztemperaturen
beispielsweise in der Tiefsee eine hohe Zähigkeit vorliegen. Unter einer
hohen Zähigkeit
wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung verstanden, dass ein entsprechendes
Gehäuse
eine ausreichende Widerstandsfähigkeit
gegen Rissausbreitung oder Bruch aufgrund von Stößen, Schlägen, Abrieb und ähnlichem
beim Einsetzen und im Gebrauch der Geräte aufweist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gehäuseaußenschale aus einem Polymer-Material hergestellt.
Polymere weisen üblicherweise
eine gewisse Wasseraufnahmefähigkeit
auf. Diese kann je nach Art des Polymers zwischen 0.05% und 10%
liegen. Aufgrund dieser Eigenschaft diffundiert insbesondere unter
hohem äußeren Druck
und bei langen Einsatzzeiten auch bei großen Wandstärken eine sehr geringe Menge
Wasser durch eine Gehäuseaußenschale
aus Polymer. Aufgrund der erfindungsgemäßen zusätzlichen Verwendung einer Gehäuseinnenschale
aus wasserundurchlässigem
Material wird jedoch verhindert, dass Wasser oder Feuchtigkeit in das
Gehäuseinnere
eindringt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäuseaußenschale
aus einem faserverstärkten
Polymer-Material hergestellt. Das Polymer ist beispielsweise mit
Aramidfasern, Keramikfasern, Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern
verstärkt.
Durch die Faserverstärkung
kann eine mechanische Widerstandfähigkeit der Polymere verbessert werden.
Auf diese Weise werden Gehäuseaußenschalen
mit hoher Widerstandsfähigkeit
bei sehr geringem Gewicht geschaffen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäuseinnenschale
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus hochfestem
Aluminium und/oder einer hochfesten Aluminiumlegierung hergestellt.
Hochfestes Aluminium bzw. hochfeste Aluminiumlegierungen zeichnen sich
durch ihre hohe 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 bei gleichzeitig geringer
Dichte, d. h. geringem Gewicht, als geeignetes Material für die Konstruktion
von leichten Gehäusen
mit hoher Druckfestigkeit aus. Dabei ist der Preis einer hochfesten
Aluminiumlegierung mit derzeit ca. 6,- EUR/kg deutlich geringer
als der Preis einer Titanlegierung, welcher derzeit bei über 100,- EUR/kg
liegt. Hochfestes Aluminium besitzt jedoch nur eine sehr geringe
Beständigkeit
gegen Korrosion. Dabei ist es bekannt, entsprechende Gehäuseoberflächen zu
beschichten, beispielsweise durch Anodisierung. Derartige Schichten
können
jedoch bei Seewasserkontakt die Korrosion solcher Legierungen lediglich
verlangsamen, nicht aber aufhalten. Erfindungsgemäß ist dagegen
eine Gehäuseaußenschale vorgesehen,
welche korrosionsbeständig
ist. Durch den erfindungsgemäßen Diffusionsprozess
von (See-)Wasser durch die Gehäuseaußenschale
aus Polymer werden die wesentlichen im (See-)Wasser gelösten, potentiell
korrosiv wirkenden Fremdstoffe zurückgehalten. Der Diffusionsprozess
unter Druck entspricht dem Verfahren der Umkehrosmose. Das durch
die Gehäuseaußenschale
diffundierte, dann hochreine Wasser bewirkt somit keine Korrosion
der Gehäuseinnenschale
aus hochfestem Aluminium.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Gehäuseinnenschale
und/oder die Gehäuseaußenschale
einen Gehäusedeckel
aus Titan und/oder aus einer Titanlegierung auf. Dabei werden in
einer Ausführungsform
die Gehäuseaußenschale
und die Gehäuseinnenschale
an einem entsprechenden Deckel zusammengeführt, der gegenüber beiden
Schalen separat abgedichtet ist. An dem Deckel lassen sich beispielsweise
Steckverbinder und dergleichen montieren.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gehäuseinnenschale und/oder die
Gehäuseaußenschale
mehrteilig gestaltet, umfassend mindestens zwei flüssigkeitsdicht
miteinander verbundene Schalenelemente. Die Schalenelemente sind
beispielsweise über
Dichtungen verbunden, so dass ein Eindringen von Feuchtigkeit in
das Gehäuseinnere über Fugen
zwischen den Schalenelementen verhindert wird. Durch eine mehrteilige
Gestaltung der Gehäuseschalen
ist es möglich,
individuelle Gehäuseformen
zu schaffen, wobei auf Standardteile zurückgegriffen werden kann und
so ein Anfertigen von Sonderbauteilen vermieden werden kann. Die
einzelnen Gehäuseschalen
können
miteinander verschraubt, vernietet, verrastet, verklebt, verschweißt, verklemmt oder
auf andere Weise miteinander verbunden werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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Die
einzige Figur zeigt:
eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit.
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Die
Figur zeigt eine Gehäuseeinheit 1 umfassend
eine flüssigkeitsabgedichtete
Gehäuseinnenschale 2 und
eine die Gehäuseinnenschale 2 umgebende
Gehäuseaußenschale 3.
Die Gehäuseeinheit 1 dient
zur Aufnahme einer nicht dargestellten Elektronik, beispielsweise
für Messungen
in der Tiefsee. Entsprechende Messgeräte dienen beispielsweise zur
Messdatenerfassung in der Tiefsee im Rahmen von Tsunami-Vorwarn-Systemen
und damit zur Vermeidung von Katastrophen. Um eine möglichst
lange Vorwarnzeit zu ermöglichen,
erfolgt der Einsatz dieser Systeme zwangsläufig in der Nähe des Entstehungsortes
der Tsunami-Wellen. Dies sind z. B: Kontinentalgräben in der
Tiefsee mit entsprechenden Wasserdrücken von z. B. 60 MPa und mehr.
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Erfindungsgemäß ist die
Gehäuseinnenschale 2 aus
einem druckfesten, wasserundurchlässigen Material, vorzugsweise
aus einer hochfesten Aluminiumlegierung. Die Gehäuseaußenschale 3 ist dagegen
aus einem korrosionsbeständigen
Material mit einer hohen Zähigkeit,
beispielsweise einem faserverstärkten
technischen Polymer. Die Gehäuseaußenschale 3 ist
somit gegen das Medium Seewasser absolut korrosionsbeständig. Aufgrund
der Zähigkeit
eines faserverstärkten
Polymers besteht auch ein guter Schutz gegen mechanische Beanspruchung,
beispielsweise aufgrund von Schlägen, Abrieb
und dergleichen.
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Die
aus einem Polymer-Material gefertigte Gehäuseaußenschale 3 weist
eine gewisse Wasseraufnahmefähigkeit
auf, welche je nach Typ des Polymers zwischen 0,05% und 10% liegt.
Aufgrund der Wasseraufnahmefähigkeit
diffundiert insbesondere unter dem in der Tiefsee vorliegenden hohen äußeren Druck
und bei langen Einsatzzeiten auch bei großen Wandstärken eine – wenngleich sehr geringe – Menge
Wasser durch die Gehäuseaußenschale 3. Bei
dem Diffusionsprozess durch die Gehäuseaußenschale 3 aus Polymer
werden jedoch nach dem Verfahren der Umkehrosmose alle im Seewasser
gelösten,
eventuell korrosiv wirkenden Fremdstoffe aus dem (See-)Wasser gefiltert
und im äußeren Randbereich
der Gehäuseaußenschale
zurückgehalten.
Das durch die Gehäuseaußenschale 3 diffundierte,
dann hochreine Wasser ruft keine Korrosion der Gehäuseinnenschale 2 hervor.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Konstruktion
der Gehäuseeinheit 1 wird
das durch die Gehäuseaußenschale 3 eindiffundierte
Wasser an der eigenständig
abgedichteten Gehäuseinnenschale 2 gestoppt
und kann somit nicht in ein Gehäuseinneres gelangen.
In dem Gehäuseinneren
angeordnete, in der Figur nicht dargestellte elektronische Geräte sind somit
sicher geschützt.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Gehäuseinnenschale 2 mehrteilig
aufgebaut und umfasst die Schalenelemente 20, 21 und 22,
die über Dichtungen 5 abdichtend
miteinander verbunden sind. Die ebenfalls mehrteilige Gehäuseaußenschale 3 umfasst
die Schalenelemente 30, 31, 32 und 33, welche
ebenfalls über
Dichtungen 5 flüssigkeitsabdichtend
miteinander verbunden sind. Die Schalenelemente 20, 21, 22, 30, 31, 32, 33 sind
miteinander mechanisch durch Stecken verbunden.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
Gehäuseinnenschale 2 und
die Gehäuseaußenschale 3 an
einen Gehäusedeckel 4 aus
einer Titanlegierung zusammengeführt.
An dem Deckel 4 lassen sich beispielsweise nicht dargestellte
Steckverbinder und andere Anbauten für eine Datenübertragung
montieren.
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Eine
erfindungsgemäße Gehauseeinheit zeichnet
sich durch eine hohe Druckfestigkeit – je nach Bauform von ca. 60
MPa und mehr, ein niedriges Gewicht, eine dauerhafte Korrosionsbeständigkeit
in einer (See-)Wasserumgebung, eine dauerhafte Wasserundurchlässigkeit,
eine Unempfindlichkeit gegenüber
mechanischer Beanspruchung, beispielsweise aufgrund von Stößen etc.
während
der Installation und/oder beim Einsetzen von Unterwassergeräten, und
einen niedrigen Preis aus.