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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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Aus
GB 2 399 235 A ist ein Druckbehälter umfassend eine Kammer aus Stahl bekannt, wobei eine Aufspritzlegierung aus Aluminium an der Kammer vorgesehen ist.
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Aus der
DE 1 273 029 A ist ein Behälter bekannt, welcher einen Mantel und damit verbundene Deckel aus hochfestem Stahl umfasst, welche von einer ebenfalls verschweißten Kunststoffhülle umgeben sind.
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Aus der
DE 602 02 121 T2 ist eine drucklose Einweg-Unterwasserkamera mit einem mehrteiligen Gehäuse aus Polycarbonat oder Polystyrol bekannt, bei welchem die einzelnen Gehäuseteile über Steckverbindungen gekoppelt sind. Um eine Druckfestigkeit zu erzielen, wird im Innenraum des Gehäuses in einem Zustand, bei welchem sich das Gehäuse nicht in Wasser befindet, ein Innendruck bei Raumtemperatur erzeugt, der geringer ist als der Luftdruck auf Höhe des Meeresspiegels.
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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 Polymer-Material, wobei die Gehäuseinnenschale und die Gehäuseaußenschale mehrteilig gestaltet sind, umfassend mindestens zwei flüssigkeitsdicht miteinander verbundene Schalenelemente. Die Schalenelemente sind 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 sind miteinander verschraubt, verrastet, verklemmt oder durch Stecken verbunden.
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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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Die Gehäuseaußenschale ist 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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Die Gehäuseaußenschale wirkt zumindest teilweise als selektiv permeable Membran im Sinne des Verfahrens der Umkehrosmose, 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 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,- €/kg deutlich geringer als der Preis einer Titanlegierung, welcher derzeit bei über 100,- €/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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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:
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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 Gehäuseeinheit 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.
