DE19816924C2 - Kreiselkompaß mit zweiteiliger schwimmend gelagerter Kreiselkapsel - Google Patents

Abstract

Für einen Kreiselkompaß mit einer gasdichten schwimmend gelagerten Kapsel für mindestens einen elektrisch angetriebenen Kreisel ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Kapsel aus zwei aufeinander angepaßten und gegeneinander abgedichteten Schalen (1, 2) aus einem hochfesten, korrosionsbeständigen, jedoch elektrisch gut leitenden Material herzustellen, insbesondere aus einer Stahl- oder Titanlegierung bzw. aus einem hochfesten leitenden Kunststoffmaterial. DOLLAR A Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß boden- und randseitige elektrisch isolierte Durchführungen vermieden werden und die Gestaltung eines äquatorialen Azimuth-Abgriffs (E) wesentlich vereinfacht wird. Die mechanische Stabilität der Kapsel wird deutlich verbessert und die behördlichen HSC-Anforderungen für schnelle Schiffe lassen sich problemlos erfüllen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreiselkompaß mit mindestens einem in einer gasdichten Kapsel gelagerten, von einer externen Stromquelle durch die Kapsel­ wand hindurch versorgten elektrisch angetriebenen Kreisel, wobei die Kapsel innerhalb eines Kompaßkessels in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit schwimmend gelagert ist.

Ein Kreiselkompaß mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 ist in der DE-B: "Kreiselgeräte", Wolf von Fabeck, Vogel-Verlag 1980, Seiten 314 bis 317 offenbart.

Um eine von vielerlei Umwelteinflüssen weitgehend freie, verlust- und reibungs­ arme Lagerung zu gewährleisten, ist es seit langem bekannt einen oder zwei, gegebenenfalls auch mehr miteinander mechanisch gekoppelte elektrisch betriebene Kreisel innerhalb einer in der Regel im wesentlichen kugelförmigen Hülle oder Kapsel einzubauen. Zur Verminderung von Reibungsverlusten wäre es wünschenswert, die Kapsel zu evakuieren. Zur Abführung der durch den Kreiselantrieb unvermeidlicherweise entstehenden Verlustwärme ist es jedoch erforderlich und bekannt, die Kapsel mit einem möglichst leichten, vorzugsweise inerten Gas, beispielsweise mit Wasserstoff oder Helium zu füllen. Die Kapsel muß dementsprechend absolut gasdicht sein und dies über sehr lange Zeiträume von mehreren Jahren bis zu Jahrzehnten. Zur Stromversorgung der Kreisel sind jedoch entsprechende Leitungsdurchführungen unumgänglich. Für die genannten Bedingungen stellen sich damit extreme Anforderungen an die Durchführungsdichtigkeit.

Da eine mehr oder weniger kugelförmige Kapsel nicht einstückig herstellbar ist, ist es bekannt, die die Kreisel aufnehmende Kapsel aus zwei im wesentlichen halbkugelförmigen Schalen herzustellen, die nachfolgend als untere Schale bzw. als obere Schale bezeichnet werden und die im Bereich ihrer freien Ränder einander angepaßt überlappend zur gewünschten kugelförmigen Kapsel zusammengesteckt und durch eine umlaufende Dichtpackung hermetisch gegeneinander abgedichtet werden.

Es ist bekannt, die beiden Schalen der Kapsel aus einem leitfähigen Material, insbesondere aus Aluminium herzustellen, das aufgrund seines geringen spezifischen Gewichts für die hier vorgesehene Anwendung bisher immer bevorzugt wurde. Da die Kapsel im Kompaßkessel innerhalb einer leitfähigen Flüssigkeit, also in einem Elektrolyten, schwimmend gelagert wird, ist es zur Vermeidung einer mehr oder weniger raschen Auflösung der Kapselhülle unabdingbar notwendig, diese außenseitig mit einer sehr dichten festhaftenden chemisch neutralen Beschichtung zu versehen. Geringste Lücken, Risse oder Beschädi­ gungen dieser Beschichtung führen über kurz oder lang zu Lecks an der Kapsel, insbesondere im Bereich der elektrischen Durchführungen oder im Bereich der äquatorialen Verbindung der beiden Kapselschalen. Um die Dichtigkeit ins­ besondere im äquatorialen Verbindungsbereich der unteren Schale 1 mit der oberen Schale 2 (vergleiche Fig. 5) gewährleisten zu können, wurde bisher zu­ sätzlich außenseitig ein vorzugsweise aufgeschrumpfter Äquatorring 11 aus Kunststoff vorgesehen. Um die momentane Azimuthposition des Kreisels feststel­ len zu können, ist auf der Außenseite des Kessels jedoch ein wenigstens einen Teilbereich des Äquators umspannender leitender Bereich vorzusehen, der soge­ nannte Azimuth-Abgriff, der bei den bisherigen Kreiselkompassen, beispiels­ weise durch einen auf der Außenseite äquatorial umlaufenden leitenden, vor­ zugsweise vergoldeten Draht gebildet ist. Dieser Azimuth-Abgriff muß jedoch elektrisch, und zwar galvanisch so niederohmig wie möglich mit einem Pol der Stromversorgung für die Kreisel verbunden werden. Dieses Problem wurde bisher so gelöst, daß der auf der Außenseite des Äquatorrings 11 umlaufende Azimuth-Abgriff-Draht an einer Stelle abgedichtet nach innen in die untere Schale 1 hindurchgeführt und an einem unterseitigen Bodenkontakt 10 galva­ nisch angeschlossen wurde. Die Fig. 5 zeigt die Anschlußverbindung 12 zwischen dem Azimuth-Abgriff und einer Durchführung 13, die aus den oben erläuterten Gründen mit einer insbesondere auch hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten geeigneten Dichtpackung 14 hermetisch und absolut gasdicht abzudichten ist.

Die Stromzuführung für den einen Pol des Kreiselmotors (der Kreiselmotoren) erfolgt bei Kreiselkompassen der hier in Rede stehenden Art über einen Boden­ kontakt 10 (vergleiche Fig. 4) bzw. von diesem über die elektrisch leitende Flüssigkeit nach außen. Der Bodenkontakt 10 ist auf der unteren Außenseite vergoldet, um den erwünschten guten nicht korrodierenden Kontakt zu der umgebenden leitenden Flüssigkeit langfristig sicherzustellen. Um thermische Spannungsprobleme zu vermeiden, ist der Körper des Bodenkontakts 10 jedoch vorzugsweise aus einem an das Material der unteren Schale 1, also Aluminium, angepaßten Material zu wählen, wobei die wiederum absolut gasdichte Ein­ passung in eine entsprechende Bodenaussparung der unteren Schale 1, wie die Zeichnung der Fig. 4 erkennen läßt, ein technisch durchaus anspruchsvolles Problem mit vergleichsweise hohen Fertigungskosten darstellt. Dabei ist natür­ lich darauf zu achten, daß die äußere Beschichtung der unteren Schale 1 an keiner Stelle unterbrochen oder verletzt werden darf, da sonst unvermeidlicher­ weise nach kurzer Zeit Lecks zu befürchten sind. Der Bodenkontakt 10 ist nun seinerseits und auf der Innenseite mit einer flanschartigen Stütze 15 starr ver­ bunden, in die mittig ein nach oben ragender Halter 16 als Tragestütze für den (die) Kreisel eingesetzt ist, wobei die konstruktiven Einzelheiten im Zusammen­ hang mit der nachfolgend beschriebenen Erfindung ohne Interesse sind.

Aus der soweit beschriebenen Ausgangslage des Standes der Technik dürfte klar geworden sein, daß der Aufwand für die Herstellung der die Kreisel aufnehmen­ den Kapsel ein erheblicher Kostenfaktor für Kreiselkompasse der hier in Rede stehenden Art ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die konstruktive Gestaltung bzw. die Herstellung der Kapsel zur schwimmenden Lagerung des oder der Kreisel eines Kreiselkompasses wesentlich zu vereinfachen.

Ein besonderes zusätzliches Problem, das sich für den Erfinder stellte, war die Forderung, daß das Gesamtgewicht der schwimmend zu lagernden Einheit aus Kapsel und darin enthaltenden Kreiseln genau den bisher bekannten Einheiten entsprechend muß, so daß anderweitige Änderungen am gesamten Kreisel­ kompaß nicht erforderlich werden.

Die erfindungsgemäße Lösung mit den nachfolgend erläuterten erheblichen technologischen und kostenmäßigen Vorteilen besteht bei einem Kreiselkompaß der eingangs genannten Art darin, daß die Kapsel aus zwei aufeinander angepaßten und gegeneinander abgedichteten Schalen aus einem hochfesten, korrosionsbeständigen, jedoch elektrisch gut leitenden Material besteht.

Geht man davon aus, was nicht unbedingt zwingend ist, daß die Kapsel im we­ sentlichen kugelförmige Gestalt aufweist, so ist es vorteilhaft, die Kapsel durch eine untere, im wesentlichen halbkugelförmige Schale und eine obere Schale zu bilden und die beiden Schalenränder sich entlang eines Äquatorialstreifens gegenseitig überlappend ineinander eingepaßt und mittels einer umlaufenden Abdichtpackung gasdicht zu verbinden. Da die beiden Schalen erfindungsgemäß aus hochfestem korrosionsbeständigem, jedoch elektrisch gut leitendem Material bestehen, ist der bisherige technisch relativ aufwendig herzustellende abdich­ tende äußere Äquatorialring aus aufgeschrumpftem Kunststoff entbehrlich, da durch Korrosion bedingt keine Lecks mehr zu befürchten sind. Damit wird aber auch die technische Gestaltung und Ausführung des oben erläuterten Azimuth- Abgriffs außerordentlich einfach. Als Azimuth-Abgriff kann nämlich jetzt einfach ein oberflächig freiliegender Äquatorialstreifen, vorzugsweise im überlappenden Randbereich der unteren Schale, verwendet werden. Damit wird die in Fig. 5 veranschaulichte Durchführung des Azimuth-Abgriffs auf die Innenseite der unteren Schale 1 entbehrlich, weil der galvanische Kontakt direkt über das Material der unteren Schale sichergestellt ist.

Ein unter herstellungstechnischen Gesichtspunkten mindestens ebenso wichtiger Vorteil ergibt sich daraus, daß aufgrund der Verwendung des elektrisch gut leitenden, jedoch korrosionsbeständigen Materials als Boden­ kontakt keine separaten Bauteile mehr erforderlich sind. Als Bodenkontakt dient lediglich ein unterseitig freiliegender Bereich der unteren Schale 1.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten und Vorteile derselben werden nach­ folgend unter Bezug auf die Zeichnung in einer beispielsweisen Ausführungs­ form näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kompaßkapsel in schematischer Schnitt­ darstellung;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Außenansicht einer Kompaß­ kapsel mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 3 die vergrößerte Teilschnittdarstellung des äquatorialen Verbin­ dungsbereichs zwischen einer unteren und einer oberen Schale für eine erfindungsgemäße Kompaßkapsel;

Fig. 4 die dem Stand der Technik entsprechende und bereits erläuterte Teilschnittdarstellung des Bodenbereichs einer unteren Schale eines Kompaßkessels; und

Fig. 5 die ebenfalls bereits erläuterte und dem Stand der Technik entsprechende Verbindung und Durchführung im Bereich der Verbindung bei der Verwendung einer aus zwei Schalen zusammengesetzten Kapsel zum Schutz und zur Aufnahme von elektrisch angetriebenen Kreiseln eines Kreiselkompasses.

Fig. 1 veranschaulicht die gemäß der Erfindung neu gestaltete Kapsel aus korro­ sionsbeständigem, jedoch elektrisch gut leitendem Material, die - ähnlich wie beim Stand der Technik - aus einer unteren, im wesentlichen halbkugelförmigen Schale 1 und aus einer oberen ebenfalls im wesentlichen halbkugelförmigen Schale 2 besteht, wobei im dargestellten Beispiel die obere Schale 2 im oberen Polbereich mit einem bis zum Zentrum der kugelkörmigen Kapsel reichenden Trichter 5 versehen ist, der in an sich bekannter Weise an seinem Grund einen Zentralkontakt C aufweist, der nach betriebsfertiger Montage oberseitig mit einer ganz geringen Menge Quecksilber oder einer anderen gut leitenden Flüssig­ keit abdichtend überdeckt sein kann, in die von oben und in bekannter Weise ein insbesondere kardanisch aufgehängter Kontaktstift eingreift. Der Trichter 5 sowie die mit dem Kontakt 10 verbundenen Durchführungs- und Kontakt­ probleme sind jedoch nicht Gegenstand der Erfindung, weil sich - wie die Fig. 2 veranschaulicht - die Erfindung auch für andere Arten von Kreiselkapseln eignet, beispielsweise für vollständig kugelförmige.

Die beiden entlang der Äquatorialebene durch entsprechende Kröpfungen ineinander überlappend eingepaßten, die kugelförmige Kapsel bildenden Schalen 1 und 2 sind aus korrosionsbeständigem, jedoch elektrisch gut leitendem Material hergestellt, wobei insbesondere legierte Stahlmaterialien in Frage kom­ men, Titanlegierungen und verschiedene Arten von leitenden Kunststoffmateria­ lien, also solche, die mit elektrisch gut leitenden Kohlenstoff-Füllmaterialien an­ gereichert sind. In den bisher durchgeführten Tests haben sich bestimmte le­ gierte Stahlmaterialien als besonders vorteilhaft erwiesen.

Für die Herstellung eines insgesamt schwimmfähigen Körpers erscheint es zunächst als widersinnig von dem bewährten spezifisch leichten Aluminium­ material für die Kapsel auf ein legiertes Stahlmaterial überzugehen. Dies erscheint schon deshalb als problematisch, weil davon auszugehen ist, daß das Gesamtgewicht der Kompaßkapsel einschließlich Kreiseln dabei deutlich schwerer wird und eine Verwendung in bisher vorhandenen Kompaßsystemen nicht mehr in Frage kommt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß aufgrund von eini­ gen konstruktiven Änderungen, die durch die Verwendung von insbesondere Stahl als Kapselmaterial möglich werden, Gewichtseinsparungen im Inneren der Kapsel möglich sind, so daß die nachfolgend erläuterten Vorteile voll genutzt werden können.

Da Korrosions- und damit Leckprobleme an der in der Elektrolytflüssigkeit schwimmenden Kapsel aufgrund der erfindungsgemäßen Materialwahl nicht mehr zu fürchten sind, kann zunächst der aufgeschrumpfte Äquatorialring aus Kunststoff entfallen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein am oberen Außenrand der unteren Kapsel 1 freiliegender äquatorial umlaufender streifenartiger Bereich E unmittelbar als Azimuth-Abgriff verwendet werden. Das besondere Anbringen eines vergoldeten Drahts, eine leitende Durchführung und dergleichen entfallen.

Noch bedeutender sind die Vorteile im Bereich des Bodenkontaks B. Hier wird ebenfalls ein freiliegender Bereich des Materials der Schale 1 unmittelbar als Bodenkontaktbereich B verwendet, so daß die anhand der Fig. 4 erläuterten Durchführungs- und Abdichtprobleme sowie die Notwendigkeit für einen vergol­ deten Bodenkontakt 10 vollständig entfallen.

Aufgrund der Verwendung des gegenüber Aluminium wesentlich festeren und stabileren Materials kann, wie die Fig. 1 zeigt, eine innere gerüstartige Abstüt­ zung für die Lagerung des oder der Kreisel 3 konstruktiv wesentlich vereinfacht werden, wobei die Kontaktgabe und Befestigung lediglich mittels einer Schraube erfolgt, die in einen auf der Innenseite im unteren Polbereich der unteren Schale 1 eingeschweißten Gewindenippel 4 eingeschraubt wird. Die Verbindung zwischen dem Streifen E des Azimuth-Abgriffs und dem unteren Bodenkontakt B erfolgt galvanisch und niederohmig unmittelbar über die untere Schale 1.

Wie die Fig. 3 erkennen läßt, ist die obere Schale 2 in an sich bekannter Weise in die untere Schale 1 überlappend eingepaßt und mittels einer umlaufenden Dichtmasse 20 hermetisch abgedichet. Eine umlaufende Rinne 6 dient in eben­ falls bekannter Weise zum entlang des Umfangs möglichen Einsetzen von Tarier­ gewichten.

Sofern - wie die Fig. 2 erkennen läßt - eine Kapsel ohne den Trichter 5 vorgesehen ist, kann ein oberseitiger Kontakt T in gleicher Weise wie der Boden­ kontakt B durch einen freiliegenden Bereich unmittelbar durch das Material der oberen Schale 2 gebildet sein. Die beiden Schalen 1 und 2 sind, wie die Fig. 3 zeigt, elektrisch gegeneinander isoliert. Die aus den Schalen 1 und 2 gebildete Kapsel kann mit einer isolierenden Beschichtung versehen sein, wobei die für den Azimuth-Abgriff E und den Bodenkontakt bzw. den oberseitigen Kontakt T vorgesehenen Bereiche freibleiben, also ohne Schutzbeschichtung belassen werden. Selbstverständlich ist es möglich, die erwähnte außenseitige Schutz­ beschichtung völlig wegzulassen, welche unter dem Gesichtspunkt des Korro­ sionsschutzes nicht mehr erforderlich ist. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn für den Azimuth-Abgriff ein anderes Verfahren, z. B. ein optischer Abgriff vorgesehen wird.

Bereits erfolgreiche Versuche haben gezeigt, daß es möglich ist, trotz der Verwendung von spezifisch schwereren Materialien für die schwimmfähige Kom­ paßkapsel aufgrund der möglichen Vereinfachung der Kreisellagerkonstruktion im Inneren zu einem im wesentlichen genau gleichen Gesamtgewicht zu gelan­ gen, wie bei den bisher bekannten Kreiselkompaßlösungen, wie sie oben be­ schrieben wurden, so daß ein unmittelbarer Baugruppenaustausch auch bei den vielen bereits im Einsatz befindlichen Kreiselkompassen der hier in Rede stehenden Bauart möglich ist.

Abgesehen von den wesentlichen Kosteneinsparungen bei der Herstellung der Kompaßkapsel ergeben sich mit der Erfindung noch eine Reihe von technolo­ gischen Vorteilen, die ohne Anspruch auf Vollständigkeit nachfolgend kurz auf­ geführt werden:

• - Die Anzahl der erforderlichen Teile verringert sich erheblich, beispiels­ weise von etwa dreizehn auf vier.
• - Die Anzahl unterschiedlicher mit der Elektrolytflüssigkeit im Kompaß­ kessel in Kontakt gelangenden unterschiedlichen Materialien verringert sich erheblich, nämlich von etwa acht auf etwa drei.
• - Die Anzahl der möglichen Fluid-Leckpunkte am Kessel wird wesentlich geringer, weil Durchführungen entfallen.
• - Das Material der Kapsel ist gegenüber dem bekannten wesentlich korro­ sionsbeständiger.
• - Die mechanische Stabilität der Kapsel wird verbessert, woraus indirekt folgt, daß höhere Fertigungsgenauigkeiten eingehalten werden können.

Die für immer schnellere Schiffe geforderte größere Genauigkeit, die sog. HSC- Performance, läßt sich aufgrund der deutlich besseren Stabilität der Kapsel gut erfüllen.

Claims (8)

1. Kreiselkompaß mit mindestens einem in einer gasdichten Kapsel gelager­ ten, von einer externen Stromquelle durch die Kapselwand zu versorgenden elektrisch angetriebenen Kreisel, wobei die Kapsel innerhalb eines Kompaß­ kessels in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit schwimmend gelagert und aus zwei aufeinander angepaßten und gegeneinander abgedichteten, aus einem hochfesten, korrosionsbeständigen, elektrisch gut leitenden Material bestehen­ den Schalen (1, 2) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (1, 2) an sich eine gute Oberflächenleitfähigkeit aufweisen.

2. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel durch eine untere im wesentlichen halbkugelförmige Schale (1) und eine obere Schale (2) gebildet ist, und daß die beiden Schalenränder sich entlang eines Äquatorialstreifens gegenseitig überlappend ineinander eingepaßt und mittels einer umlaufenden Abdichtpackung (20) gasdicht verbunden sind.

3. Kreiselkompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere umlaufende freie Rand der halbkugelförmigen unteren Schale (1) die obere Schale (2) außen überlappt und im Bereich des Äquators außenseitig ein freier, elektrisch leitender und unmittelbar durch das Schalenmaterial gebildeter über mindestens einen Teil des äquatorialen Schalenumfangs sich erstreckender Kontaktstreifen (E) vorhanden ist.

4. Kreiselkompaß nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Polbereich der unteren Schale (1) ein außenseitiger Bodenkontakt- Flächenbereich (B) unmittelbar gebildet durch freiliegendes Schalenmaterial vorhanden ist.

5. Kreiselkompaß nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der oberen Schale (2) ein außenseitiger oberer Kontaktflächenbereich (T) unmittelbar gebildet durch freiliegendes Schalen­ material vorhanden ist.

6. Kreiselkompaß nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalen (1, 2) aus einer auch gegenüber chemisch agressiven Medien korrosionsbeständigen Stahllegierung bestehen.

7. Kreiselkompaß nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalen (1, 2) aus einer Titanlegierung hergestellt sind.

8. Kreiselkompaß nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalen (1, 2) aus einem hochfesten, leitenden Kunststoffmaterial hergestellt sind.