DE19807886A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckkompensation - Google Patents

Description

Zum Stand der Technik gehören Gehäuse, die mit einem Fenster versehen sind, das zum Durchlaß von elektromagnetischer Strahlung geeignet ist.

Dabei kann diese Strahlung entweder von außen in das Gehäuse gelangen oder umgekehrt kann die Strahlung das Gehäuse verlassen, je nachdem wo sieh örtlich Sender und Empfänger befinden.

Sind die Gehäuse mit Gasen oder Flüssigkeiten gefüllt, genügt eine Erwärmung von innen und/oder außen für Volumenänderung dieser Substanzen mit der Folge einer Volumenexpansion oder einer Volumenreduzierung je nach chemisch-physikalischer Art der Füllungsstoffe. Speziell bei Gasen findet bevorzugt die Expansion statt.

Gasfüllungen haben, seit langem technisch bekannt, besonders als umgebende Edelgase erstens einen nichtoxidierenden Einfluß auf in die erfindungsgemäß behandelten Gehäuse eingebauten, mechanischen, elektrischen, elektromechanischen, elektronischen oder elektrooptischen Komponenten und zweitens wirken solche Gase, wenn sie hinreichend trocken verwendet werden, als Schutz vor Kondensationsniederschlägen speziell in Form von Wasser, wodurch besonders optische Systeme durch "Beschlag" auch im Inneren von Gehäusen so stark gestört werden können, daß es zur Unbrauchbarkeit kommt. Prinzipiell können diese Einbauten auch rein passiv arbeiten, wie etwa optische Bauelemente in Form der Halterung mittels zylindrischen und tubusartigen Gehäusen.

Derartige Probleme sind beispielsweise von Kameras bekannt, die unter den Bedingungen der irdischen Atmosphäre arbeiten müssen. Gegen den Innenbeschlag von Wasser unter den wechselnden meteorologischen Bedingungen von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit haben sich beispielsweise hermetisch abgedichtete Gehäuse sehr bewährt, wenn diese mit trockenem Stickstoff gefüllt wurden, was gegenüber den inerten Edelgasen eine technisch billige Lösung zur Problematik darstellt.

Die in die Gehäuse eingebauten Komponenten haben nun, wenn sie elektrisch - elektronischer Natur sind, oft im aktiven Zustand die Produktion von Eigenverlustwärme in sich; auch ist es möglich, daß von außen eindringende elektromagnetische Strahlung durch die Absorption, selbst an passiven Bauteilen oder Füllstoffen, zur Erwärmung im Inneren der Gehäuse führt.

Soweit dem Stand der Technik entsprechend ein mit der durch Erwärmung herbeigeführten Expansion oder Reduktion der Füllstoffe eine Druckveränderung erfolgt, kann diese einfach durch stark dimensionierte Gehäusewandungen und dick ausgeführte Fenster beherrscht werden, vorausgesetzt, daß die im Gehäuse untergebrachten Bauteile nicht durch Druckempfindlichkeit leiden.

Diese Maßnahmen bleiben daher beschränkt auf hermetisch verschlossene Gehäuse mit kleinen Volumina an Füllstoffen, absolut starken Wandungen und druckunempfindlichen Einbauten.

Als verschieden davon sind solche Gehäuse anzusehen, die mit dünnwandigen Fenstern und dazu mit solchen aus leicht biegbaren Materialien versehen sind, wozu strahlungsdurchlässige Kunststoffe im Besonderen zählen.

Als Beispiel sei ein LED-Infrarotstrahler genannt, welcher gemeinsam mit einer CCD-Kamera in einem großen Gehäuse unter Stickstoff-Füllung untergebracht ist, wobei das Gehäuse etwa rechteckig in Metallguß ausgeführt ist und dies Gehäuse außerdem an einer beliebigen Seite mit einem Fenster versehen ist, das einerseits die Infrarotstrahlung nach außen durch das gegenüber der Atmosphäre hermetisch abgedichtete Gehäuse gelangen läßt und andererseits das an außen liegenden Objekten reflektierte Infrarotlicht durch das Gehäusefenster zurück zur Kamera durchtreten läßt. Ähnliches gilt für Radargeräte im Bereich von Funk- Frequenzen.

Derartige Fenster können nicht in der Wandstärke so dick ausgeführt werden, daß eine elastische Verbiegung durch wärmeinduzierte Volumenänderungen ausbleibt. Dann wäre die Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Fenster so groß, daß die beabsichtigte Funktion des Gerätes stark eingeschränkt oder sogar unterbunden wird, so daß sich kein betriebswirtschaftlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik erreichen läßt. Der Einsatz von biegungsunempfindlicheren, also steiferen, Materialien hat Grenzen. Erstens sind solche Filtermaterialien aus mineralischen oder sonstigen Gläsern einschließlich von Halbleitern zu teuer und zweitens sind sie durch Sprödigkeit stark verletzungsgefährdet bei Schlag- oder Zugbeanspruchungen und drittens bedeutet ihre Dichte eine unnötige Gewichtszunahme des oben beschriebenen Gerätes. Letzteres ist von allgemeinem Interesse beim Leichtbau.

Ferner üben derartige Fensterverbiegungen durch in etwa konkaves oder konvexes Verhalten ein fehlerhaftes Verhalten auf die Strahlengänge von nach außen oder nach innen durch das Fenster eindringende elektromagnetische Strahlung aus, was man allgemeiner auch als "optische Verzerrungen" beschreiben kann.

Noch wesentlicher ist der technische Fehler, der durch Undichtigkeit von Gehäuse-Verbundelementen hervorgerufen wird. So wirken ständige Druckänderungen, die einerseits etwa durch die Eigenerwärmung von periodisch an- und abgeschalteten Gehäuse-Einbauten hervorgerufen werden und andererseits auch durch den Abschluß gegenüber der äußeren Atmosphäre und deren Luftdruckänderung induziert sind, mit daraus resultierenden Ermüdungserscheinungen im Klebeverbund zwischen metallischen Gehäusen und darin eingelassenen Fenstern dahingehend, daß Undichtigkeit auftritt, die Schutzgasfüllung des Gehäuses verlorengeht und damit gegebenenfalls wieder Wasserbeschlag im Inneren der Gehäuse und damit auch an Fenstern oder Einbauten möglich wird, was zur Unbrauchbarkeit des technischen Gerätes führt.

Es besteht also die technische Aufgabe, das Problem der wärmeinduzierten Volumenänderung in mit Schutzgasen oder Schutzflüssigkeiten gefüllten und gegenüber der äußeren Atmosphäre hermetisch abgedichteten und zur Aufnahme von elektrischen und/oder mechanischen Komponenten bestimmten und mit mindestens einem Fenster für den Durchtritt von elektromagnetischer Strahlung versehenen Gehäusen eine Druckkompensation so herbeizuführen, daß man in dem hermetisch verschlossenen Gehäuse eine innendruckmindernde oder innendruckeliminierende Volumenänderung beherrscht.

Die technische Lösung der Aufgabe ist wie folgt zu umschreiben:
In das Gehäuse werden als Verfahren elastisch verformbare Körper gebracht, die selbst eine hermetische Begrenzung gegen in diesen Körpern herrschenden Gasdruck haben. Zur Vereinfachung werden diese Körper hier als "Druckkompensatoren" bezeichnet. Eine für den druckausgleichenden Erfolg notwendige Konstruktion der Druckkompensatoren beinhaltet eine genau abgestimmte Kombination vom Elastizitätsverhalten der Druckkompensatorwandungen, das ebenfalls temperaturabhängig ist, mit der Art und dem Druck des im Druckkompensator befindlichen Gases, das kompressibel ist und so selbst elastisch als Volumenpuffer fungiert.

Zwei Ausführungsbeispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen als konstruktiver Auslegung:

• 1) In das Gehäuse wird ein vorzugsweise mit seiner Konstruktion nach innen wirkender Druckkompensator eingebaut, der aus einem bis auf eine Seite verschlossenen Gummiteil besteht, wobei das Gummiteil an seinen Außenseiten in das im Gehäuse hermetisch abgedichtete Schutzgas eintaucht und das Innenteil des Druckkompensators mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung steht. Die Elastizität des Gummi-Formteiles ist ist nun so abgestimmt, daß sich die beispielsweise aus Eigenerwärmung von Einbauteilen hervorgerufene Schutzgasfüllungs-Expansion nicht als Druckerhöhung in dem hermetisch gedichteten Gehäuse auswirken kann, da die Volumenänderung in dem Gehäuse von dem Druckkompensator durch Verkleinerung seines inneren Volumens in Form von elastischem Ausweichen des Gummiformkörpers kompensiert wird, indem der Volumenänderung im hermetisch gegen die äußere Atmosphäre gedichteten Gehäuse gefolgt werden kann.
  Genau umgekehrt, bedingt durch eine Gasvolumenreduktion, kann ein derartiger Druckkompensator auch dann die gestellte Aufgabe lösen, weil sich dann über die Verbindung des Innenteiles nach außen eine Dehnung des Druckkompensators einstellt mit dem gleichen Ergebnis von geringen oder gar keinen Druckänderungen im hermetisch gegen äußere Einflüsse abgedichteten Innenraum des Gehäuses.
  Sofern solche Druckkompensatoren aus gummiartigen Substanzen bestehend, bei Langzeitanwendungen durch wechselseitige Diffusion von Innen- und Außengasen oder von Innenflüssigkeiten und Außengasen sowie von Außenflüssigkeiten und Innengasen sowie Außen- und Innenflüssigkeiten als Trennmedium versagen, können die Druckkompensatoren aus metallischen Materialien in geeigneter Form, wie etwa Wellrohren, hergestellt werden.
  Der Auswahl von für die Druckkompensatoren geeigneten und dabei beliebigen Materialien wird keine Erfindungshöhe beigemessen.
  Kennzeichnend für die Erfindung ist es, daß die druckkompensierenden Teile selbst zur reversiblen und elastischen Volumenänderung geeignet sind.
• 2) Die vorrichtungsbestimmende Konstruktion kann auch ohne eine einseitige Verbindung vom Innenteil des Druckkompensators gegen die äußere Atmosphäre im für sich nach außen hermetisch abgeschlossenen Gehäuse arbeiten.
  Dabei bleibt der innere Teil des Druckkompensators, oder anders bezeichnet,dessen Innenwandungen in sich geschlossen. Der Druckkompensator hat dann beispielsweise die Form eines "Ballons" und wird so mit seiner Außenwandung im hermetisch gegen die äußere Atmosphäre abgedichteten Gehäuse dort innen angeheftet oder durch umgebende Führungsteile fixiert. Die Kompressibilität des als Verbund von elastischer Wandung und Gasfüllung wirkenden Druckkompensators entscheidet über die mögliche Volumenverkleinerung des zugehörigen Körpers im Falle der äußeren Drucksteigerung und über die mögliche Volumenvergrößerung infolge einer Druckerniedrigung im Innenbereich des nach außen hermetisch abgeschlossenen Gehäuses. Eine solche Anordnung empfiehlt sich bei der der Beherrschung von kleinen Volumenänderungen bzw. den damit verbundenen Druckänderungen.
• 3) So ist es auch möglich, in teilflüssigkeitsgefüllten und gegen die äußere Atmosphäre hermetisch abgedichteten Gehäusen, einen Volumenrest mit Gasen und speziell auch Schutzgasen aufzufüllen und so ein

Alle Verfahren und deren zugehörigen Vorrichtungen eignen sich vorzugsweise für die Minderung oder Eliminierung von druckinduzierten Verbiegungen an dünnwandigen Fenstern, die mit beliebigen Dichtungsmitteln an drucksteifen Gehäusen verbundartig angebracht sind und wobei Gase oder Flüssigkeiten gegen die äußere Atmosphäre abgedichtet in diesen Gehäusen eingefüllt sind und deren Volumina sich durch thermische Einflüsse ändern können. Die äußere Atmosphäre kann auch durch Flüssigkeiten ersetzt sein, wenn es sich beispielsweise um Tauchgeräte handelt.

Bei sehr hohen Drücken können die in sich geschlossenen Druckkompensatoren nach Beispiel 2 auch kompressible Flüssigkeiten enthalten, die sieh erfindungsgemäß in einer in sich geschlossenen Begrenzung aus elastischem Material befinden.

Es kann sinnvoll sein, die Druckkompensatoren für ihre Funktion als Volumenaufnehmer speziell zu gestalten. So hat es sich beispielsweise bewährt, fingerhandschuhartige Druckkompensatoren aus gummiartigem Material, die an der Innenwandung mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung stehen und mit der Außenwandung in das hermetisch nach außen abgedichtete Gehäuse ragen, in einem die Außenwandung umgebenden Rohr zu führen, das so lang ist, daß die Führung auch bei nicht geändertem Innendruck im hermetisch gegen die äußere Atmosphäre abgedichteten Gehäuse gewährleistet ist. Bei Druckerhöhungen kann sich dann der Druckkompensator gegen die äußere Atmosphäre einrollen; bei Druckerniedrigung längt sich der Druckkompensator auch durch die Eigenelastizität der Wandung wieder aus. Hierdurch kommt man zu einem geometrisch definierten Ausdehnungsverhalten, was den Vorteil hat, daß man beispielsweise benachbarte optische Strahlengänge nicht durch Einschieben von nicht transparentem Material stören kann. Durch geeignete Querschnitts-Formgebung, wie etwa bei einem Bourdon-Rohr üblich, lassen sich weitere Lösungen zum volumeninduzierten Bewegungsablauf der Druckkompensatoren realisieren.

Claims (6)

1. Verfahren und Vorrichtungen zur Regulierung von Druckänderungen in gegen die äußere Umgebung hermetisch abgedichteten sowie innen flüssigkeits- oder gasgefüllten Gehäusen mit mindestens einem Fenster aus elastischem Material für den Durchtritt von elektromagnetischer Strahlung und bestimmt für die Aufnahme von durch Emission oder Absorption auch in zeitlichen Intervallen eigenerwärmter Einbauten wie beispielsweise elektrischen, elektronischen, elektromechanischen oder elektrooptischen Komponenten dadurch gekennzeichnet, daß Druckkompensatoren im Inneren der nach außen hermetisch abgedichteten Gehäuse in Gestalt von volumenveränderlichen Hohlkörpern benutzt werden, die aus Wandungen von elastischem Material bestehen und entweder mit Gas bestimmter Art oder Gasgemischen bestimmter Art oder mit Flüssigkeiten bestimmter Art oder Flüssigkeitsgemischen bestimmter Art inwendig so gefüllt sind, daß diese Gase oder Flüssigkeiten nicht mit den Gasen oder Flüssigkeiten in der Gehäusefüllung direkt zusammen kommen können und das elastische Verhalten von Kompensatorwandung und Kompensatorfüllung als resultierende elastische Gesamtformänderung den thermisch durch Ausdehnung oder Kontraktion bedingten Druckänderungen in den Medien der hermetisch nach außen abgedichteten Gehäuse durch Volumenänderung so ausweicht, daß Druckänderungen minimiert oder vermieden werden.

2. Verfahren und Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich des als Hohlkörper fungierenden Druckkompensators mit der Umgebung des Gehäuses in Verbindung steht, während die Wandung des Druckkompensators außen mit der Füllung des nach außen abgedichteten Gehäuses in Berührung steht.

3. Verfahren und Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich des als Hohlkörper fungierenden Druckkompensators nicht mit der Umgebung des Gehäuses in Berührung steht und die Wandung des Druckkompensators außen mit der Füllung des nach außen abgedichteten Gehäuses in Berührung steht

4. Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch wirkenden und als Hohlkörper ausgebildeten Druckkompensatoren in und/oder auswendig mechanische Führungen erhalten, die volumenbedingte Formänderungen der Druckkompensatoren in bestimmte geometrische Anordnungen zwingen oder als Formänderungsbegrenzungen wirken.

5. Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Gasfüllungen in den Druckkompensatoren mit bestimmtem Druck voreingestellt werden.

6. Verfahren und Vorrichtungen nach 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Inneren der Druckkompensatoren sowohl Flüssigkeit als auch Gas befindet.