VERWENDUNG EINES SELBSTISOLIERENDEN MATERIALS ZUR STROMDICHTEN ÜBERTRAGUNG ELEKTRISCHER ENERGIE IN SÜSS- ODER SALZWASSER
Die Erfindung betrifft eine Anwendung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Übertragung elektrischer Energie bedient man sich gewöhnlich eines Materials welches diese Energie in sich fortleiten kann und dem gewünschten Verbraucher zuführt. Dabei tritt häufig der Fall ein das Verbraucher oder Energiequelle zwecks Tausch oder Wartung aus dem elektrischen Gerät entfernt werden müssen. Es muss zu diesem Zweck also eine materielle Unterbrechung des Stromkreises vorhanden sein , die aber beim Vorhandensein der o.g. Bauteile den Strom einwandfrei übertragen kann. An diesen Punkten sind Trennstellen im Stromkreis vorgesehen .sogenannte Kontakte. Diese Kontakte bestehen selbstverständlich auch aus einem Material welches die elektrische Energie einwandfrei transportieren kann. Die Fähigkeit den Strom über diese Unterbrechung zu leiten bezieht der Kontakt daraus ,dass die leitfähigen Materialien auf beiden Seiten des Kontaktes einander direkt berühren und dadurch ein elektrisches Potential von einem Material an das andere weitergeben können. Damit ist der Stromkreis geschlossen. Um pro Kontaktstelle keine Leistung zu verlieren verwendet man Materialien die dem Strom möglichst wenig inneren Widerstand entgegensetzen. Das gilt vor allem für die sich berührenden Oberflächen der genannten Materialien. Wäre die Oberfläche eines Materials dazu nicht besonders geeignet würde man von einem mehr oder weniger großen Übergangswiderstand reden. Um diesen zu vermeiden verwendet man Materialien die nur eine geringe oder gar keine Neigung zeigen an ihren Oberflächen Schichten auszubilden die dem Stromübergang einen Widerstand entgegensetzen oder man beschichtet das minderwertige Grundmaterial auf eine Art und Weise , die der Ausbildung einer solchen Schicht entgegenwirkt.
Das heißt, dass wir es bei einem elektrischen Kontakt mit Materialien zu tun haben, die einwandfrei in der Lage sind bei Berührung mit einem anderen elektrisch leitfähigen Material Elektronen mit diesem auszutauschen und es dadurch in den Stromkreis mit einzubeziehen. Dass das in manchen Fällen nicht wünschenswert ist soll im Folgenden dargestellt werden. In einem elektrischen Gerät ist der Stromfluss durch die Funktionseinheiten in einem Stromlaufplan und seiner physikalischen Entsprechung im Gerät selbst festgelegt. Da die Geräte meist durch ein sie umgebendes Gehäuse gegen ihr Umfeld geschützt sind ,wird es auch kaum geschehen das ein elektrisch leitfähiges Material den Stromfluss auf eine Weise fehlleitet die dem Gerät Schaden zufügt. In dem Gerät selbst umgibt Luft als isolierendes Medium die genannten Kontakte. Nun gibt es aber auch Umgebungen die sich mit dem Vorhandensein elektrischer Energie nicht so gut oder gar nicht vertragen. Das wäre eine feuchte oder flüssige Umgebung , im Extremfall also eine Unterwasserumgebung. Reines Wasser leitet den elektrischen Strom mangels Ladungsträger nicht. Da Wasser in unserer natürlichen Umgebung aber so gut wie immer Ionen enthält , hat es auch eine mehr oder weniger gute Leitfähigkeit. Wasser welches Ionen enthält ist also ein elektrischer Leiter. Zu bemerken ist dies , wenn zwei Pole einer Stromquelle in solches Wasser ( im nachfolgenden einfach Wasser genannt ) eintauchen und eine Spannung angelegt wird. Der Stromkreis wird durch das Wasser geschlossen und es fließt ein Strom.
Was bedeutet das für ein elektrisches Gerät und seine Kontakte? Das bedeutet ,dass streng vermieden werden muss, dass Wasser zu den leitfähigen Materialien des Gerätes Zutritt erhält und dort wahllos Stromkreise schließt die in der Planung des Gerätes nicht vorhanden waren. Schafft es das trotzdem , wird das Gerät Schaden nehmen. Das kann ein sofortiges Versagen einer Funktionseinheit durch Kurzschluss oder eine mehr oder weniger schnelle elektrochemische Zerstörung der mechanischen Bestandteile sein. Wenn ,wie in
dem vorhin genannten Beispiel, zwei Pole einer Stromquelle in Wasser eintauchen und eine Spannung angelegt wird , findet eines auf jeden Fall statt, Elektrolyse. Das heißt ,dass das Wasser durch den Strom in seine Bestandteile , also Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Je nachdem welche Ionen im Wasser vorhanden sind und welches Material für die eintauchenden Pole verwendet wurde , werden die Elektrolyseprodukte auch ebendiese eintauchenden Kontakte angreifen und schlimmstenfalls zerstören. Nichts anderes würde auch , wie im zweiten Fall erwähnt , in einem elektrischen Gerät geschehen. Das ist eine ärgerliche Sache , zumal viele Einsatzgebiete elektrischer Geräte in eben diesen zumindest, feuchten Bereichen liegen. Es stellt sich also die Frage wie man o.g. unterbinden kann. Man versucht also dem Wasser seinen Zutritt zu diesen Wirkpunkten zu verwehren. Das funktioniert bei leitfähigen Materialien z.B. indem man sie mit einer elektrisch nicht leitenden Umhüllung versieht oder man baut dem Gerät ein Gehäuse in dem es vor dem Wasser geschützt ist. Da Wasser aber ein geschickter Einbrecher ist , ist es je nach Einsatzgebiet ( z.B. Unterwassereinsatz in Salzwasser ) sehr aufwendig dem einen Riegel vorzuschieben. Theoretisch könnte man ein Gehäuse bauen , welches komplett geschlossen ist und in dem das Gerät seine Arbeit verrichtet. Das wird aber nur in den allerseltensten Fällen funktionieren. Immer gibt es Öffnungen für Bedienelemente , zu tauschende Stromquellen oder deren externe Anschlüsse , Öffnungen für Funktionselemente und Öffnungen für zu tauschende Verbraucher. Die Entwickler haben also ihre liebe Mühe und Not ein Gerät zu konstruieren welches unter genannten Umständen zuverlässig funktionieren kann. Ist es dann gelungen , ist es durch diese Schutzmaßnahmen sehr viel schwerer geworden oder die äußeren Abmaße haben sich vergrößert , es gibt Einschränkungen in der Funktionalität, weil man auf Bedienelemente verzichten muss ( wegen der Anzahl der abzudichtenden Öffnungen ) , das Gerät muss regelmäßig gewartet werden ( Ersatzteilbeschaffung ) , die Dichtungen sind anfällig gegen Schmutz und Beschädigungen. Kurzum: je zudringlicher das Medium Wasser , desto aufwendiger und
kostenintensiver der Schutz davor. Im Unterwasserbereich kommt dann auch noch der Wasserdruck dazu der das Wasser in das Gerät hineintreiben will und vor dem es sich durch geeignete Gehäusedimensionierung zu schützen gilt und der den Einsatzbereich irgendwann komplett begrenzt. Schlimm wird es erst recht wenn z.B. der Verbraucher auch noch mechanisch beweglich sein soll , z.B. ein unter Wasser in seiner Fassung rundum drehbar gelagerter Verbraucher von dem keine störenden Kabel wegführen dürfen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun eine Art der Übertragung elektrischer Energie anzubieten die all dem aus dem Weg geht und in den meisten Fällen auch die Konstruktion der Geräte erheblich vereinfacht oder neue, effektivere erst ermöglicht. Dies wird durch ein "stromdichtes" , selbst-isolierendes Kontaktmaterial erreicht.
Kernstück dieses Verfahrens ist ein Material welches in den o.g. Medien beim Anlegen einer Spannung eine Schicht an der Berührungsfläche zu dem Medium ausbildet die fest mit dem Material verbunden ist und die es gegen das Medium elektrisch komplett isoliert. Der Aufbau dieser Schutzschicht geht extrem schnell vonstatten. An einer direkten Berührungsstelle zu dem mit Strom zu versorgenden Partnerkontakt (der aus dem gleichen Material bestehen soll) wird diese Schicht mittels mechanischer Arbeit durchbrochen und es kann an dieser Stelle Strom zum Partnerkontakt übertreten. An der restlichen , noch vom flüssigen Medium umgebenen Oberfläche des Materials tritt jedoch kein Strom aus. Da die Schutzschicht extrem schnell aufgebaut wird kann bei anliegender Spannung die Schutzschicht mechanisch verletzt werden , ohne das jedoch Strom austritt , da sie sich hinter der Berührungsstelle mit dem verletzenden Gegenstand sofort nachbildet und das Material wieder versiegelt. Dies wäre z.B. bei dem angesprochenen , unter Wasser komplett drehbar gelagerten Verbraucher der Fall. Die Kontaktstellen in einem elektrischen Gerät können mit einer nach diesem Verfahren aufgebauten Stromübertragung also ohne weiteres von Salzwasser umspült werden , ohne das folgende negative Erscheinungen den Betrieb des Gerätes
beeinträchtigen:
1.) Elektrolyse und damit Knallgasbildung im Gerät. 2.) Auftreten eines durch die Elektrolyse verursachten
Verluststromes . 3.) Durch Elektrolyseprodukte verursachte elektrochemische
Zerstörung elektrischer Komponenten des Gerätes.
Die Kennzeichen der Verwendung sind :
1.) Einsatz eines unter den Verwendungsansprüchen l.)a.) aufgeführten Materials und deren Eigenschaften. 2.) Einsatz des Materials für einen elektrischen Kontakt der stromführend ohne weitere Isolierung gegen Wasser oder wässrige Lösungen von diesen umspült werden kann. 3.) Einsatz des Materials am Pluspol (bei Wechselstrom an allen Kontakten) . 4.) Partnerkontakt besteht ebenfalls aus diesem Material. 5.) zur Stromübertragung direkte Berührung der beiden
Partnerkontakte um die Schutzschicht zu verletzen. 6.) Einsatz eines Bauteils im Stromkreis welches unter bestimmten Bedingungen den Strom , der an den Kontakten anliegen soll , von 0 - 100% hochregelt.
Verwendungsbeispiele : Beispiel 1 (mobile Stromquelle)
An einer Batterie , einem Akkumulator oder z.B. einer mobilen Brennstoffzelle sind Kontakte vorhanden von denen der Verbraucher den benötigten Betriebsstrom mittels verbraucherseitiger Kontakte abgreifen kann. In diesem Beispiel soll eine allgemein bekannte 9V - Blockbatterie , wie sie in vielen elektrisch betriebenen Gerätschaften , vom Spielzeug bis hin zu wissenschaftlichem Gerät , eingesetzt wird, behandelt werden. Es soll hier gleich der abträglichste Fall dargestellt werden. Dies gilt dann prinzipiell für alle
mobilen Stromquellen. Die Batterie wird in Salzwasser gestellt. Zu beobachten ist ,dass sofortige Elektrolyse einsetzt. Es bildet sich an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Diese beiden Gase zusammen ergeben das bekannte Knallgasgemisch , welches äußerst heftig detonieren kann. Zu beobachten ist außerdem ,dass vor allem der Pluspol der Batterie stark durch Elektrolyseprodukte angegriffen wird. Unter dem Gesichtspunkt des Einsatzes einer Batterie in einem nicht vor Salzwasser geschützten Gerät , kann man sagen ,dass das Gerät , von anderen Schäden durch das Wasser abgesehen, bereits nach einer halben Stunde so gut wie defekt sein wird. Aus diesem Grunde werden Gerätschaften dieser Art , die für den Einsatz in einer solchen Umgebung vorgesehen sind oder für die Gefahr besteht das sie mit einem solchen Medium in Berührung kommen könnten, dagegen abgedichtet.
Nun wird die Anode der Batterie aus einem der unter den Schutzansprüchen aufgeführten Materialien gefertigt. Die Kathode sollte unter Berücksichtigung der an sich schon korrosiven Salzwasserumgebung geeigneter Weise aus einem Material gefertigt sein welches sich von diesem nicht beeindrucken lässt. Also z.B. der Edelstahl V4A (Nr. 1.4571). Das muss aber nicht zwingend erforderlich sein. Es kommt dabei auf die Gesamtzeit an , in der die Batterie mit dem Salzwasser in Kontakt steht. Die Batterie wird nun wieder in die bereitete Kochsalzlösung gestellt. Zu beobachten ist das augenscheinlich nichts geschieht. Eben das ist auch der Fall. Auf der Oberfläche des Anodenmaterials hat sich die in den Schutzansprüchen bezeichnete Schicht herausgebildet , welche die Anode elektrisch komplett gegen die elektrisch leitfähige Kochsalzlösung isoliert. Es findet keine Elektrolyse , keine Knallgasbildung und keine Korrosion der Kontakte der Batterie statt. Das bedeutet , unter anderem, dass diese Batterie im Salzwasser , bis zu Ihrem Einsatz ohne irgendeinen Schutz gelagert werden könnte. Für den Einsatz in einem elektrischen Gerät bedeutet es Folgendes : Wie in den Schutzansprüchen aufgeführt soll der Kontaktpartner
der stromliefernden Anode ebenfalls aus einem Material bestehen , welches den Eigenschaften denen des Anodenmaterials nicht zuwider läuft. Es wird hier um das Prinzip transparent zu halten ein Gerät vorausgesetzt dessen andere elektrische Komponenten ( z.B. Elektronik ) problemlos im Gehäuse des Gerätes , z.B. durch Vergießen mit einer in der Elektrotechnik üblichen Vergussmasse ,vor dem flüssigen Medium geschützt werden können. Ein Beispiel wäre eine Taucherlampe.
Ist der geräteseitige Anodenkontakt also ebenfalls aus diesem Material gefertigt , so kann die Batterie dort angeschlossen werden und das Gerät kann seinen Betrieb wie gewohnt aufnehmen. Jetzt mit dem Unterschied ,dass das in dem Gerät wohl vorhandene Batteriefach ohne weiteres mit Salzwasser vollaufen kann ohne das Gerät in seiner Funktion zu beeinträchtigen oder der Stromquelle zu schaden. Das wiederum bedeutet das auf Dichtungen für das Batteriefach verzichtet werden kann und dass das Gehäuse , je nachdem für welche Wassertiefe das Gerät vorgesehen war , keine zusätzliche , dem Wasserdruck widerstehende Materialstärke aufweisen muss. Die Batterien können problemlos unter Wasser gewechselt werden. Die Geräte können kleiner und leichter sein. Die Geräte sind mangels aufwendiger Mechanik weniger anfällig.
Beispiel 2.
Leuchtmittel ( am Beispiel einer 12 V - Halogenbirne )
Um ein solches Leuchtmittel in einer konventionellen Fassung in einer nassen oder gar Unterwasserumgebung betreiben zu können ist es heutzutage nötig alle spannungsführenden Teile vor Wasser zu isolieren .Bei einem dazukommenden Wasserdruck wird das um so schwieriger. Ebenso problematisch gestaltet sich dann der Wechsel eines defekten Leuchtmittels. Meist müsste dann , zumindest in einer Unterwasserumgebung das gesamte Bauteil , also Leuchtmittel plus umgebende Isolierung zum Tausch des Leuchtmittels geborgen werden. Sind die
Kontakte Lampen - und fassungsseitig den Ansprüchen entsprechend ausgerüstet kann die Isolierung des Leuchtmittels, also meist das Lampengehäuse wegfallen und der Wechsel des defekten Leuchtmittels gestaltet sich ebenso einfach wie an Land. Eine bestehende Installation braucht nicht demontiert zu werden. Das Leuchtmittel kann unter Wasser problemlos ein - und ausgestöpselt werden , obwohl es von Wasser umspült wird. Das wäre für die Taucherlampe aus Beispiel 1.) eine weitere Vereinfachung ihrer Konstruktion und eine Erweiterung ihrer Anwendung , indem der Taucher nun Batterien und Leuchtmittel zum problemlosen Tausch unter Wasser mit sich führen kann und nicht mehr auf ein zweites klobiges Ersatzmodell angewiesen ist.
Beispiel 3. Steckverbindung
Das unter Beispiel 2. Gesagte gilt prinzipiell auch für eine Steckverbindung unter Wasser. Hier wird kein Verbraucher eingesteckt sondern ein weiterführender Stromleiter. Auch dabei müssten heutzutage aufwendige Abdichtungsmaßnahmen getroffen werden die unter anderem auch die Nutzbarkeit der Verbindung erheblich einschränken. Mit nach den Ansprüchen ausgerüsteten Kontakten ist es so einfach wie an Land möglich eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen. Ein Stecker kann unter Wasser problemlos in die stromführende Fassung gesteckt werden , ohne gegen Wasser isoliert sein zu müssen.