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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein elektrisches Gerät, bei dem an mindestens einen Wandabschnitt des Gehäuses ein aus Fasern gebildeter Faserkörper an einer Halterung angeordnet ist, welcher eine gasdurchlässige Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum des Gehäuses herstellt, wobei in Richtung des Außenraums des Gehäuses der Faserkörper durch die Halterung an Randabschnitten fixiert ist.
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Ein ähnliches Gehäuse ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2013 109 260 A1 bekannt. Der Faserkörper wird als aus einer Wirrfaserstruktur von Metallfasern bestehend beschrieben, die eine hydrophobe Oberfläche aufweist. Der poröse Faserkörper hat die Funktion, das Gehäuse gegen das Eindringen von Spritzwasser zu schützen und andererseits, den Betrieb eines Gerätes in einer explosionsgefährdeten Umgebung zu ermöglichen.
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Die
DE 10 2011 109 243 A1 zeigt ein Batteriegehäuse mit einer Vorrichtung zur Verringerung eines Innendrucks, wobei sich bei einer definierten Druckdifferenz ein Spalt öffnet.
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Aus der
EP 2 503 199 A1 ist ein Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
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Geräte mit sogenannten explosionsgeschützten Gehäusen sind allgemein bekannt. Diese werden in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt und stellen sicher, dass zündfähige Gase oder Dämpfe in der Umgebung durch elektrische Zündquellen, also durch Funkenbildung oder heiße Bauelemente des Geräts, nicht zur Entzündung oder gar zur Explosion gebracht werden.
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Bei batterie- oder akkubetriebenen Geräten ist oftmals eine hermetisch gasdichte Einkapselung der Bauteile möglich. Bei elektrischen Geräten, die mit hohen elektrische Strömen und/oder Leistungen arbeiten, ist dies im Allgemeinen nicht praktikabel oder zumindest nur mit hohem Aufwand zu realisieren.
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Außerdem ist oftmals zur Kühlung von Gerätekomponenten ein Gasaustausch mit der Umgebung zwingend erforderlich. Dieser bedingt jedoch, dass eine gegebenenfalls zündfähige Umgebungsatmosphäre auch in das Innere des Gerätegehäuses gelangen kann. Kommt es dann, etwa durch einen Schaltfunken, zu einer Entzündung des Gasgemischs im Gehäuse, so ist sicherzustellen, dass eine Verpuffung oder Explosion auf das Gerät beschränkt bleibt und keine weitere Gasentzündung in der äußeren Umgebung des Gehäuses nach sich zieht.
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Ein solches Gehäuse muss daher ausreichend stabil sein, was im Allgemeinen bedeutet, dass das Gehäuse schwer und damit kostenaufwändig herzustellen ist. Weist das Gehäuse eine Belüftungseinrichtung auf, die aus einem in eine Gehäusewand eingesetzten porösen Faserkörper besteht, so muss auch dieser so stabil ausgeführt sein, dass er einer gehäuseinternen Explosion standhält, damit die Explosion auf das Innere des Gehäuses beschränkt bleibt.
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Allerdings ist nur ein relativ geringer Anteil von elektrischen Geräten zur Verwendung in explosionsgefährdeten Umgebungen vorgesehen. Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft speziell ein Gehäuse für ein elektrisches Gerät, das ausdrücklich nicht zum Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebungsatmosphäre vorgesehen ist. Jedoch ist auch bei elektrischen Geräten, die unter solchen Umgebungsbedingungen betrieben werden, nicht auszuschließen, dass es im Inneren des Gerätegehäuses zu einer Entzündung, Verpuffung oder gar zu einer Explosion kommt.
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So können in Geräten, die relativ hohe Spannungen führen, durch kondensierende Feuchtigkeit Überschläge und elektrischen Entladungen auftreten, wodurch Kunststoffe und Leiterplattenmaterial angesengt oder verschmort werden können. In Folge einer unvollständigen Verbrennung, auch ohne eine offene Flamme, können so Rauch und brennbare Gase entstehen.
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Ein anderes Beispiel für Gefährdungen sind Elektrolytkondensatoren. Diese Bauteile sind dafür bekannt, eine begrenzte Lebensdauer zu haben. Am Ende der Lebensdauer stehen regelmäßig das Öffnen des Bauteilgehäuses, speziell an einer Berstscheibe, die ein explosives Platzen des Elektrolytkondensators verhindert, und das Austreten von flüssigem Elektrolyt. Ebenfalls ist bekannt, dass Elektrolytkondensatoren im Betrieb in unbestimmter Menge Wasserstoff als sogenanntes „Formierungsgas“ und gegebenenfalls auch andere brennbare Gase, insbesondere kurzkettige Kohlenwasserstoffe, produzieren können. Zudem besteht die Möglichkeit, dass ausgetretene Elektrolytflüssigkeit auf elektrischen Leitern Kurzschlüsse, Überschläge und Lichtbögen hervorrufen, bei deren Auftreten wiederum, die Möglichkeit zur gleichzeitigen Freisetzung undefinierter potentiell brennbarer und oxidierender (Elektrolyse-) Gase besteht.
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Eine solche Entwicklung von Gas, Dampf und/oder Rauch (im Folgenden vereinfachend kurz als „Gas“ bezeichnet) ist im Freien im Allgemeinen unproblematisch; allerdings sind die meisten elektrischen Einrichtungen, auf die sich die oben angeführten Beispiele anwenden lassen, beispielsweise zur Erreichung von IP-Schutzgraden nach EN 60529, gegenüber der Umgebung abgeschirmt. Die Abkürzung IP steht hierbei für International Protection.
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Bezüglich ihrer Eignung für verschiedene Umgebungsbedingungen werden nach der genannten Norm die geschützten Systeme in Schutzarten, sogenannte IP-Codes eingeteilt. In geschlossenen Gehäusen kann sich Gas ansammeln und es besteht die Gefahr, dass ein zündfähiges Gasgemisch entsteht, welches durch Kurzschluss- oder Entladungserscheinungen entzündet werden kann.
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Dadurch, dass dieses Gasgemisch in einem festen Gehäuse eingeschlossen (verdämmt) ist, kann selbst ein stöchiometrisch ungünstiges und daher verhältnismäßig langsam abbrennendes Gasgemisch (Deflagration) eine schlagartige Entladung mit explosiven Wirkungen (Bersten des Gehäuses, Stichflamme, umherfliegende Trümmer) ergeben. Je nach vorliegendem Mischungsverhältnis kann die chemische Reaktion sehr heftig ausfallen.
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Aus dem Stand der Technik sind Berstscheiben bekannt, die im Fall einer explosiven oder schlagartigen Reaktion ein Gehäuse öffnen und einen gezielten Druckausgleich schaffen, um eine unkontrollierte Zerstörung eines Gehäuses oder Behälters zu vermeiden. Eine Berstscheibe verhindert eine Entladung allerdings nicht, sie begrenzt nur den dabei entstehenden Schaden.
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Ebenfalls bekannt sind Druckausgleichselemente (hergestellt zum Beispiel von den Firmen Schreiner und Gore). Diese wirken aber nur punktuell auf der Höhe, auf der sie angebracht wurden und sie zielen in erster Linie auf den Ausgleich der Feuchtigkeit innerhalb eines Gehäuses und auf den langsamen Ausgleich von vor allem temperaturbedingten Druckunterschieden. Sie unterstützen so die Erreichung von IP-Schutzgraden, sie können aber aufgrund ihrer begrenzten Wirkfläche und Durchlässigkeit eine gefährliche Gasansammlung nicht verhindern.
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Offene Gehäuse oder Gehäuse mit Lüftungsschlitzen, lösen zwar das Problem der Gaskonzentration, erreichen aber in der Regel keine höheren IP-Schutzgrade und haben auch keine Barrierewirkung gegenüber einer Flammenausbreitung.
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Es stellte sich die Aufgabe, ein besonders einfach und kostengünstig herstellbares Gehäuse für ein elektrisches Gerät zu schaffen, das im Falle einer internen Gasfreisetzung selbstständig einen sicheren Zustand wiederherstellt, das aber auch interne Verpuffungen oder Explosionen ohne größere Schäden übersteht, und durch seine Beschaffenheit bestimmte IP-Schutzgrade abbilden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Faserkörper durch die Halterung so fixiert ist, dass er bei einer plötzlichen Druckerhöhung im Innenraum des Gehäuses, die ein vorgegebenes Maß überschreitet, zumindest abschnittsweise aus der Halterung herausgedrückt wird.
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Der poröse Faserkörper schafft eine kontinuierliche Belüftung des Innenraums des Gehäuses und zugleich einen guten Schutz gegen diverse Umwelteinflüsse, wie etwa Schwall- oder Spritzwasser. Ein Ergebnis der Erfindung besteht also darin, dass das potentiell entzündbare oder explosionsfähige Gasgemisch kontinuierlich mit den normalen Luftbestandteilen verdünnt wird und gleichzeitig ein IP-Schutzgrad hergestellt werden kann. Dadurch strebt der Innenraum des Gehäuses permanent eine unkritische Gaskonzentration und damit einen ungefährlichen Zustand an.
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In den seltenen Fällen, in denen sich trotz der kontinuierlichen Belüftung eine zündfähige Gaskonzentration im Gehäuseinneren aufbaut, und diese auch gezündet wird, wird der Faserkörper durch den plötzlichen Druckanstieg aus der Halterung herausgedrückt und dabei eventuell sogar abschnittsweise zerstört. Dadurch wirkt der Faserkörper zusätzlich als Überdrucksicherung und Berstschutz für das Gerätegehäuse.
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Das erfindungsgemäß aufgebaute Gehäuse kombiniert so die Eigenschaften eines primären Explosionsschutzes (Verminderung der Gefahr einer Explosion mittels einer Belüftung) mit denen eines tertiären Explosionsschutzes (Verminderung der Auswirkungen einer Explosion). Die Erfindung ermöglicht zugleich eine Abschirmung des Gehäuses gegen Umwelteinflüsse, durch die IP-Schutzgrade erreicht werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Faserkörpers besteht darin, diesen als Matte oder Vlies aus einer Metallgaze zu fertigen. Ein Metallgazevlies ist bei geeignet gewählter Dicke einerseits gut gas- und speziell luftdurchlässig, kann andererseits aber auch eine ausreichend dichte Oberfläche ausbilden, um das Gehäuse gegen das Eindringen von Spritz- und/oder Schwallwasser zu schützen. Zudem kann es durch einen plötzlichen Gasdruckanstieg abschnittsweise leicht auseinander gerissen werden, sofern es nicht vollflächig durch einen festen Gegenstand abgestützt wird. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Faserkörper zur Außenseite des Gehäuses zumindest abschnittsweise nicht vollflächig fixiert ist.
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Ein Faserkörper aus Metallgaze stellt zudem eine Ausbreitungsbarriere für Flammen beziehungsweise für mit den Flammen verbundenen hohen Temperaturen dar, welche eine Entzündung von Gasen bewirken könnten. Eine durch die Erwärmung der Atmosphäre im Gehäuseinneren oder durch das Austreten von Gas aus überalterten Elektrolyten hervorgerufene Druckerhöhung wird ebenfalls verhindert.
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Um Ansprüchen an die mechanische Festigkeit gerecht zu werden, sollte die Metallgaze sehr feinmaschig sein und aus einem beständigen Material gefertigt sein. Es bietet sich an, eine Metallgaze zu verwenden, die aus Edelstahldraht oder Edelstahlfasern besteht, wie sie in beispielsweise bei Mehrwegkaffeefiltern eingesetzt wird.
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Eine erste vorteilhafte Ausführungsart des Gehäuses mit einem Faserkörper besteht darin, dass eine Metallgaze in spaltenförmige Ausnehmungen des Gehäuses eingesetzt ist und zwar möglichst entlang der gesamten vertikalen Richtung des Gehäuses und möglichst an zwei Gehäuseseiten.
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Dadurch besteht die Möglichkeit, dass Gase, die leichter oder schwerer als Luft sind und sich im oberen oder unteren Teil des Gehäuses sammeln würden, sich durch ihren Dichteunterschied selbst aus dem Gehäuse „ausspülen“, während normale Luft auf anderer Höhe der Metallgaze nach innen nachströmen kann.
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Beispielsweise würde besonders Wasserstoff und kurzkettige, besonders leicht entzündbare Kohlenwasserstoffe von diesem Effekt profitieren, da diese eine höhere Beweglichkeit in der Atmosphäre haben und so auch schneller mit der Umgebungsluft verdünnt werden.
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Eine zweite ebenfalls vorteilhafte Ausführungsart des Gehäuse mit einem Faserkörper besteht darin, eine relativ großflächige mattenartige Metallgaze nur an ihren Randabschnitten in einen Kunststoffrahmen einzuspannen oder einzuspritzen und den Kunststoffrahmen in eine passend zum Kunststoffrahmen geformte Ausnehmung in einer Wand des Gehäuses einzusetzen.
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Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse kann der Kunststoffrahmen vorteilhaft innerhalb oder abgedeckt von einem Rahmengehäuses angeordnet sein, welches eine Labyrinthstruktur ausbildet.
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Zum Schutz des Faserkörpers gegen Feuchtigkeit ist es besonders vorteilhaft, den Faserkörper mit einer hydrophob wirkenden Parylene-Beschichtung zu versehen.
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Ein Ausführungsbeispiel entsprechend der zweiten vorgenannten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Gehäuses soll nachfolgend anhand der Zeichnung skizzenhaft dargestellt und erläutert werden.
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Die 1 zeigt eine Außenansicht eines Gehäuses 1 für ein elektrisches Gerät. An einem Wandabschnitt 2 des Gehäuses 1 ist ein Abdeckrahmen 7 erkennbar, der wie die 2 und 3 zeigen, mit einem Halterahmen 3 verbunden, der in eine Ausnehmung 8 im Wandabschnitt 2 des Gehäuses 1 eingesetzt ist.
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Die 2, die einen Längsschnitt durch das Gehäuse 1 darstellt, verdeutlicht, dass im Inneren des Gehäuses 1 ein Schaltungsträger 9 angeordnet ist, welcher mehrere elektrische und/oder elektronische Bauelemente 10 trägt. Es sei angenommen, dass zu diesen Bauelementen 10 auch solche gehören, welche unter ungünstigen Umständen brennbare Gase freisetzen können, wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren.
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Der Halterahmen 3 und der Abdeckrahmen 7 sind in der 3 in einer vergrößerten Schnittansicht dargestellt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Halterahmen 3 und dem Abdeckrahmen 7 wird vorzugsweise über hier nicht dargestellte Rastelemente hergestellt.
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Der etwa tellerförmige Halterahmen 3 weist zur Seite des Gehäuses 1 einen großflächigen Durchbruch 33 auf. Parallel zu diesem Durchbruch 33 hält der Halterahmen 3 einen mattenartig ausgebildeter Faserkörper 4, dessen umlaufender Randabschnitt 41 mit einem umlaufenden Halteabschnitt 31 des Halterahmens 3 verbunden ist. Dabei besteht der hier flach und scheibenförmig ausgebildete Faserkörper 4 vorzugsweise aus einer Metallgaze, deren Randabschnitt 41 in den aus Kunststoff gefertigten Halterahmen 3 eingespannt oder vorzugsweise bei der Herstellung des Halterahmens 3 mit eingespritzt ist.
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Der Halterahmen 3 mit dem darin befestigten Faserkörper 4 ist, wie die 2 zeigt, mit einem umlaufenden Verbindungsabschnitt 32 in eine Gehäuseausnehmung 8 im Wandabschnitt 2 des Gehäuses 1 eingesetzt und darin befestigt. Für eine dichte Verbindung ist zwischen dem Gehäuse 1 und dem Halterahmen 3 eine O-Ringdichtung 11 eingefügt.
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Zum Schutz des empfindlichen Faserkörpers 4 gegen Berührungen oder sonstige äußere Einwirkungen ist mit der äußeren Seite des Halterahmens 3 der Abdeckrahmen 7 verbunden. Dieser besteht aus mehreren Rahmenelementen 71, 72, 73 die vorzugsweise einstückig miteinander hergestellt und über, in den Figurendarstellungen nicht erkennbare, Filmscharniere miteinander verbunden und zu der in der 3 dargestellten Anordnung aufgefaltet sind. Zwei der Rahmenelemente 71, 73 weisen Durchbrüche 74, 75 auf. Dabei stellt der außenseitige Durchbruch 74 eine Verbindung zum Außenraum des Gehäuses 1 her. Ein weiteres Rahmenelement 72 verhindert den direkten Zugriff durch die beiden Durchbrüche 74, 75 hindurch und schützt so den Faserkörper 4 vor mechanische Einwirkungen aus dem Außenraum 6.
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Das durch die Rahmenelemente 71, 72, 73 ausgebildete Labyrinth 76 sorgt für eine gut gasleitende Verbindung zwischen dem gehäuseseitigen Durchbruch 33 des Halterahmens 3 und dem außenseitigen Durchbruch 74 des Abdeckrahmens 7, und ermöglicht so einen ständigen Gasaustausch zwischen dem Innenraum 5 und dem Außenraum 6 des Gehäuses 1. Durch diese ständige Belüftung wird erreicht, dass bei einer möglichen Gasbildung im Gehäuseinneren 5 die Konzentration des Gases so gering bleibt, dass keine zündfähige Mischung entsteht. Die Gasdurchlässigkeit des Faserkörpers 4 ist dabei so gewählt, dass die Belüftung an eine maximal zu erwartende Gasbildung angepasst ist.
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Eine Belüftung könnte zwar grundsätzlich auch durch ausreichend große Belüftungsöffnungen (Luftlöcher, Lüftungsschlitze) erreicht werden, wobei diese aber den Nachteil aufweisen würden, dass sie, im Gegensatz zu dem porösen Faserkörper 4, das Gehäuseinnere 5 anfällig für Staub-, und gegebenenfalls für Schmutz- oder Spritzwassereintrag macht.
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Das Gehäuse 1 kann vorteilhafter aus Kunststoff bestehen und relativ leichtbauend und damit kostengünstig ausgeführt werden, da es aufgrund der Überdrucksicherung durch den porösen Faserkörper 4 nicht dafür ausgelegt sein muss, den Druck einer gehäuseinternen Gasexplosion standzuhalten. Der aus einem faserigen Material bestehende poröse Faserkörper 4 ist so ausgeführt, dass er zumindest zur Außenseite des Gehäuses 1 hin in seiner Ausnehmung nicht über seine gesamte Fläche fixiert ist, so dass er durch einen plötzlichen Gasdruck zumindest abschnittsweise aus dem Halterahmen 3 herausgedrückt oder herausgeblasen werden kann. Der poröse Faserkörper 4 stellt somit keine Verdämmung des Gehäuses 1 dar, sondern bildet eine Art Überdruckventil, welche das Gehäuse 1 im Notfall öffnet.
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Hierdurch wird für den, nicht angestrebten, aber auch nicht gänzlich auszuschließenden, Fall, dass sich trotz ständiger Belüftung des Gehäuses 1 im Gehäuseinneren 5 eine zündfähige Gaskonzentration aufbaut, und dass das Gas explosiv gezündet wird, ein gefährliches Bersten des Gehäuses 1 vermieden, in dem der Druck durch den porösen Faserkörper 4 beziehungsweise nach einem Herausdrücken des porösen Faserkörpers 4, über die Durchbrüche 33, 75, 74 entweichen kann.
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Damit kann die Gefahr, dass durch ein Bersten des Gehäuses 1 Sach- oder gar Personenschäden entstehen, mit hoher Sicherheit vermieden werden. Vorteilhaft ist auch, das Gehäuse 1 nicht zerstört wird, so dass sich Reparaturmaßnahmen in fast allen Fällen auf ein Ersetzen des porösen Faserkörpers 4 beschränken können. Der poröse Faserkörper 4 wirkt somit für das Gehäuse 1 zusätzlich als Berstschutz, der vergleichbar einer Berstscheibe, gezielt geopfert wird, um das Gerätegehäuse beziehungsweise das elektrische Gerät als Ganzes vor einer Zerstörung zu schützen. Dieses verhindert Personenschäden durch ein berstendes Gehäuse und minimiert zugleich den Kostenaufwand für gegebenenfalls erforderliche Reparaturmaßnahmen.
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Bezugszeichen
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Wandabschnitt
- 3
- Halterahmen (Halterung)
- 31
- Halteabschnitt
- 32
- Verbindungsabschnitt
- 33
- (gehäuseseitiger) Durchbruch
- 4
- Faserkörper (Metallgaze)
- 41
- Randabschnitte
- 5
- Innenraum (Gehäuseinneres)
- 6
- Außenraum
- 7
- Abdeckrahmen
- 71, 72, 73
- Rahmenelemente
- 74
- (außenseitiger) Durchbruch
- 75
- (mittlerer) Durchbruch
- 76
- Labyrinth
- 8
- (Gehäuse-)Ausnehmung
- 9
- Schaltungsträger
- 10
- Bauelemente
- 11
- O-Ringdichtung