CN106953245B - 防水壳、供电单元及装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于电气设备的防水壳、供电单元以及电气设备的对应的装配方法。该防水壳包括：壳体(110)，其限定了用于容纳电气功能组件(104)的内部空间(132)并且包括至少一个第一开口(112)；以及至少一个第一插头(116)，其安装在所述第一开口(112)内以形成内部空间(132)的壁的第一部分，其中第一插头(116)包括形成用于第一端子(106)的馈通部的至少一个第一端子通道(120)。第一插头(116)配置在所述第一开口(112)内以与所述壳体(110)形成第一外部空间(134)，并且所述第一外部空间(134)填充有用于密封所述防水壳(140)的电绝缘材料(138)。
Description
技术领域
本发明涉及用于电气设备的防水壳、用于向用电设备供给低电压的且包含这种防水壳的供电单元以及电气设备的对应的装配方法。
背景技术
现今，向用电设备供给低电压的供电单元广泛传播，其通过借助于电压变压器将供给电压转换成所需的低电压。这对例如用于对户外装置进行充电的某些应用来说是必要的是能够在潮湿的环境中安全地操作供电单元。这里，必须遵守防护等级IPx4或甚至IPx7。
如通常所知的，根据标准DIN EN 60529[DIN EN 60529(VDE 0470-1)：2000-09的外壳保护等级(国际防护等级认证(IP code))(IEC 60529：1989+A1：1999)；德文版EN60529：1991+A1：2000。VDE出版社，柏林]，所谓的国际防护等级认证(侵入防护等级)涉及针对四周溅水的保护(IPx4)和针对暂时浸没的保护(IPx7)。
为了对应于防护等级IPx7来密封外壳，已知的是，一方面将供电单元的电力输入引线、输出引线和所有组件配置于外壳中并且采用电绝缘浇铸树脂完全地填充该外壳。该完全填充(complete filling)的替代方式是借助于超声波焊接接缝的外壳密封。然而，超声波焊接的替代方式不像完全填充那样可靠，这是因为密封性依赖于焊接接缝的质量并且可能受到某些无法接受的波动影响。另一方面，完全地填充插件式供电单元具有以下缺点：重量和材料费用相对高，此外，归因于通过浇铸树脂不可分离地包围所有组件的事实，故障原因的检查更加困难。
此外，本申请的发明人认识到，采用浇铸树脂对所有组件进行封装可能导致电子组件之间的电流泄露、导致电磁干扰(EMI)问题并且导致不期望的声学现象。
发明内容
本发明的目的在于提供用于电气设备的防水壳、供电单元和相关的制造方法，其允许一方面遵守适于在潮湿区域操作的防护等级，另一方面显著降低制造成本和复杂性。
通过独立技术方案的主题实现了该目的。本发明的有利实施方式是从属技术方案的主题。
本发明基于如下的防水壳概念：该防水壳用于电气设备并且包括壳体和至少一个第一插头，该壳体限定用于容纳电气功能组件的内部空间并且包括至少一个第一开口，该第一插头安装在所述第一开口内以形成内部空间的壁的第一部分。根据有利的实施方式，壳体包括第二开口和至少一个第二插头，该第二插头安装在所述第二开口内以形成内部空间的所述壁的第二部分。
各第一插头和第二插头包括分别形成用于第一端子和第二端子的馈通部(feedthrough)的端子通道。在设置仅一个插头的情况下，插头可以包括用于向外侧引导端子的两个或更多个端子通道。
所述第一插头和所述第二插头分别配置在所述第一开口和所述第二开口内以与所述壳体形成第一外部空间和第二外部空间，所述第一外部空间和所述第二外部空间在最后的安装阶段填充有电绝缘材料。
通过仅对外部空间填充电绝缘填充材料，壳内部的电子组件与通常为浇铸化合物的填充材料保持不被接触。填充材料可以是环氧树脂或硅树脂材料。有利地，填充材料是阻燃的并且满足例如根据UL94V0的应用标准规定。借助于填充材料密封外部空间足够防止潮气侵入设置有电气功能组件的内部空间。外部空间比整个内部空间小得多，使得与全封装相比，在制造防水壳时显著减少了所需的浇铸化合物的量。此外，在需要故障分析或维护的情况下或用于在电子组件的有效使用期后回收电子组件的情况下，防水壳可以容易地与电气功能组件分离。
由于不存在超声波焊接接缝，根据本发明的防水壳还比传统的外壳更坚固。
最后，归因于仅对易于访问的外部空间必须填充浇铸化合物的事实，对于根据本发明的防水壳的多种不同的尺寸和截面几何形状，能够易于适用注射成型工具的几何形状。
根据本发明的有利的实施方式，壳体具有直的管状。第一开口和第二开口是管的第一端部和第二端部并且分别被第一插头和第一插头封闭。这种几何形状具有如下优点：除了插头和壳体之间的交界以外，不存在接缝和连接区域。因而，能够实现防水壳的外表面平滑而坚固。
管状壳体的特别经济的制造方式是制造成为挤出型材，优选地由电绝缘塑料材料制成。
根据本发明的有利实施方式，壳体具有矩形内部截面，第一插头和第二插头均具有适配于壳体的内部截面的矩形外形。然而，对本领域技术人员来说清楚的是，根据本发明也可以设置诸如圆形、椭圆形或多边形的任意其它期望的截面形式。
所述第一插头和所述第二插头的至少一个可以包括以密封方式与壳体接合的周向密封元件。该密封元件防止电绝缘填充材料进入内部空间并且防止电绝缘填充材料与电气功能组件接触。密封元件可以是贴附到制造插头的另外的刚性材料的柔性垫圈。可选地，整个插头是由柔性材料形成，而密封元件被制造成插头的整体的一部分。以插头的一部分为密封元件的方式制造插头便于制造加工并且再次减少了关键的材料交界的数量。
根据本发明的有利实施方式，第一端子通道和第二端子通道中的至少一个是电缆通道。由于不必须满足与填充几何形状相关的精密形状(tight tolerance)，以填充材料围绕电缆填充外部空间是特别容易的。然而，通过设置相应形状的连接器外形，插塞式连接器当然也可以并入一个或两个插头中。
在端子由电缆形成的情况下，各插头可以包括用于保护电缆被扯掉或弯曲地太剧烈的应变消除元件和/或扭结保护元件。
根据本发明的防水壳的概念可以有利地用于供电单元，该供电单元向用电设备供给由干线电压电力(mains voltage power)产生的低电压电力。特别地，电气功能组件由电压变压器单元形成，该电压变压器单元包括用于将供给电压转换为低电压的至少一个电子组件。该电压变压器单元容纳在壳体的内部空间的内侧，输入端子和输出端子通过在至少一个第一插头中形成的端子通道被引导到外侧。优选地，设置第一插头和第二插头，该第一插头具有用于所述输入端子的第一端子通道，该第二插头具有用于容纳所述输出端子的第二端子通道。
特别地，输入端子可以由能够连接到干线电压的电缆形成。可选地，也可以设置插塞式连接器，例如，根据国际电工委员会(IEC)的标准IEC60320的连接器，该插塞式连接器指定用于将供电线连接到达到250伏的电气设备的非锁定设备和互连耦合器。
输出端子既可以由能够连接到用电设备的电缆形成，也可以由诸如USB(通用串行总线)连接器的插塞式连接器形成。特别地，可以设置根据USB标准1.0、2.0或3.0的USB插座。特别是对于诸如移动电话的充电移动终端，具有USB连机器的供电单元时通用的，同时机械性稳定并且安全。
然而，设置借助于电绝缘填充组件直接密封的电缆代表了将根据本发明的供电单元分别连接到供给电压和用电设备的最简单和最经济的方法。
本发明还涉及电气设备的装配方法，其包括以下步骤：
提供壳体，该壳体限定用于容纳电气功能组件的内部空间并且包括第一开口和第二开口；
在沿着所述壳体的纵向轴线的插入方向上插入功能组件；
将第一插头插入所述第一开口中以形成内部空间的壁的第一部分，并且将第二插头插入所述第二开口中以形成内部空间的所述壁的第二部分，各第一插头和第二插头包括分别形成用于第一端子和第二端子的馈通部的端子通道，其中所述第一插头和第二插头分别配置在第一开口和第二开口内以与所述壳体形成第一外部空间和第二外部空间；以及
采用电绝缘材料填充第一外部空间和第二外部空间。
有利地，根据本发明的装配方法不需要最传统的供电单元所需要的任何焊接步骤、特别是不需要超声波焊接。此外，采用电绝缘材料填充第一外部空间和第二外部空间的步骤提供了两个目的：首先，端子通道被气密密封以抵抗潮气的侵入；其次，端子本身机械固定在壳体。因此，提供了制造电气设备、特别是供电单元的特别有效和安全的方法。
附图说明
所附的附图被并入说明书并且形成说明书的一部分以图示本发明的几个实施方式。这些附图与说明书一起用于说明发明的原理。这些附图仅用于图示能够如何制作和使用发明的优选和可选的示例的目的，并且不意于将本发明限制成仅为图示和所说明的实施方式。此外，实施方式的几个方面可以单独形成根据本发明的解决方案或以不同的组合方式形成本发明的解决方案。因而，以下说明的实施方式能够被看作是单独的或其任意组合。如所附的附图中图示地，从发明的多个实施方式的以下更具体的描述中其它特征和优点将变得显而易见，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明的供电单元的示意性分解图；
图2是图1中示出的供电单元的示意性截面图；
图3是图1中示出的供电单元的俯视图；
图4是图3的第一细节；
图5是图3的第二细节。
具体实施方式
现在将参考附图并且首先参考图1更详细地说明本发明。图1是示出能够从根据本发明的概念获益的供电单元100的示意性分解图。
诸如变压器和控制器的有源电子设备(active electronic device)装配于电路承载体、优选地装配于印刷电路板(PCB)102，以形成电气功能组件104。主要侧的输入电缆106能够例如借助于干线插头(图中未示出)连接到干线电压。在低电压的次要侧，用电设备能够经由输出电缆108连接到电气功能组件104。
根据本发明，电气功能组件104容纳在壳体110内。壳体110有利地形成为由电绝缘塑料材料制成的挤出型材(extruded profile)。如图1所示，壳体可以具有基本上矩形截面，其限定了内部空间(图3中更好的看到)用于接收电气功能组件104。当然，也可以选择任意其它适合的截面。有利地，壳体110形成了仅在其第一端部和第二端部设置有第一开口112和第二开口114的几乎完全封闭的外壳。
这些开口112、114借助于第一插头116和第二插头118封闭。优选地，第一插头116和第二插头118均具有用于分别引导第一电缆106和第二电缆108通过的端子通道120、122。第一插头116和第二插头118具有成形为适配开口112、114的内表面的外形。如从图4和图5将变得更明显地，各插头具有周向密封部124、126。在图1所示的实施方式中，各插头116、118由柔性塑料材料形成，密封部124、126与插头116、118一体地形成。
然而，对本领域技术人员来说清楚的是，密封部124、126还可以由与插头116、118的剩余部分不同的材料组成。特别地，插头116、118可以由刚性材料形成，而弹性密封部124、126由弹性材料形成。而且，第一插头116和第二插头118不必须由相同的材料构成，也可以彼此不同。
根据本发明，两个插头116、118设置有扭结保护元件128、130。这些扭结保护元件128、130防止电缆106、108在端子通道120、122处弯曲地太剧烈。
基于图2所示的截面图，根据本发明的供电单元100的装配结构变得显而易见。在装配状态下，电气功能组件104容纳在壳体110的内部空间132内。内部空间132分别由第一插头116和第二插头118的两个末端界定。根据本发明，插入的第一插头116和第二插头118与壳体110一起限定第一外部空间134和第二外部空间136。外部空间134、136填充有电绝缘填充材料138。优选地，填充材料138由电绝缘的、阻燃浇铸树脂(flame protected castingresin)形成。填充材料138可以包括任何适合的浇铸树脂，例如环氧树脂或硅树脂材料。
填充材料138填充了大约5mm的厚度并且为壳体110提供了气密密封(hermeticsealing)，壳体110与插头116、118和填充材料138一起形成防水壳140。
如上所述，各插头分别包括周向密封元件124、126，周向密封元件124、126与壳体110的内表面相互作用以密封壳体110，防止浇铸树脂侵入内部空间132。
为了防止电缆106、108被拉出，应变消除元件142、144设置于第一插头116和第二插头118。
图3示出根据本发明的供电单元的俯视图。壳体110的长度有利地能够适应各应用环境的空间需要。
图4和图5示出图2中所示的两个细节。如从这些图中可以得到的，各插头116、118形成为在沿着壳体110的纵向轴线的方向上可滑动。该方向由箭头146、148示意性地表示。通过填充浇铸树脂138实现了插头116、118在壳体110内的最终固定。密封元件124、126与壳体110的内壁相互作用以防止任何填充材料138进入内部空间132。有利地，填充材料138包括阻燃塑料材料。
为了充分地将插头116、118固定到壳体110内并且为了密封开口112、114以防止湿气侵入，填充材料138可以具有任意适合的厚度。可以看出的是，对于传统的嵌入式供电单元(table power supply)，大约5mm的厚度是有利的。
参考图1至图4，以下将说明装配根据本发明的供电单元100的过程。
在第一步骤中，印刷电路板(PCB)102装配有将供给电压转换为低电压的电子组件以形成变压器单元104。具有矩形截面的基本管状几何形状的壳体110优选地由电绝缘塑料材料制成挤出型材。
接着，将第一插头116装配于连接到变压器单元104的电缆106。将变压器单元104插入到壳体110内。第一插头116具有与壳体110的内部截面匹配的矩形外形。第一插头116沿着方向146在壳体110内可滑动并且具有弹性的周向密封部件124，周向密封部件124压抵壳体110的内壁。
在下一步骤中，穿过第二插头118的端子通道122插入低电压电缆108。电缆的端部连接到变压器单元104(在图中未示出)，并且插头118位于壳体110的内部以形成第二外部空间136。第二插头118也具有与壳体110的内部截面对应的外形并且采用可滑动的方式，而周向密封元件126压抵壳体110的内壁。
在最后的步骤中，为了密封防水壳140并且将插头116、118机械地固定于壳体110，将填充材料138填充到外部空间134、136两者内。壳体110具有缺口150，其利于填充填充材料138，填充材料138优选为浇铸树脂。
通过采用填充材料填充外部空间134、136，壳体110和插头116、118之间的交界以及电缆106、108和端子通道120、122之间的交界被气密密封，同时将插头机械固定于壳体110。
根据本发明的供电单元提供满足IPx7的要求和所有相关电气安全标准的防水产品。此外，壳体的长度能够易于适用不同几何要求。通过使用浇铸树脂仅用于填充外部空间，电子组件没有被浇铸树脂覆盖。这在操作期间的EMI和声学特性方面是有利的，而且也有维护和回收的原因。
虽然在上述图中仅示出了两个插头分别设置有一个端子通道的实施方式，但对本领域技术人员明显的是，当设置具有一个以上端子通道的仅一个插头时或者设置具有一个或多个端子通道的多个插头时，也可以使用根据本发明的概念。
Claims (15)
1.一种防水壳，其用于电气设备，所述防水壳包括：
壳体(110)，所述壳体(110)限定用于容纳电气功能组件(104)的内部空间(132)并且包括至少一个第一开口(112)，所述第一开口(112)设置在所述壳体(110)的末端；以及
至少一个第一插头(116)，所述第一插头(116)插入所述第一开口(112)内以形成所述内部空间(132)的壁的第一部分，其中所述第一插头(116)包括形成用于第一端子(106)的馈通部的至少一个第一端子通道(120)，
其中，所述插入的第一插头(116)与所述壳体(110)形成第一外部空间(134)，
其中，所述至少一个第一插头(116)由柔性材料制成并且具有与所述至少一个第一插头(116)一体地形成的周向密封元件(124)，所述周向密封元件(124)以密封的方式与所述壳体(110)接合，并且
所述第一外部空间(134)填充有用于密封所述防水壳(140)的电绝缘材料(138)，并且其中，所述至少一个第一插头(116)通过所述绝缘材料机械地固定于所述壳体(110)。
2.根据权利要求1所述的防水壳，其特征在于，所述防水壳进一步包括至少一个第二插头(118)，所述第二插头(118)安装在所述壳体(110)的第二开口(114)内以形成所述内部空间(132)的所述壁的第二部分，其中所述第二插头(118)包括形成用于第二端子(108)的馈通部的至少一个第二端子通道(122)，所述第二插头(118)配置在所述第二开口(114)内以与所述壳体(110)形成第二外部空间(136)，并且所述第二外部空间(136)填充有所述电绝缘材料(138)。
3.根据权利要求1或2所述的防水壳，其特征在于，所述壳体(110)具有直的管状并且被制成为挤出型材。
4.根据权利要求2所述的防水壳，其特征在于，所述壳体(110)具有矩形内部截面，并且所述第一插头和第二插头(116、118)均具有适配所述壳体(110)的内部截面的矩形外形。
5.根据权利要求1或2所述的防水壳，其特征在于，所述壳体(110)由电绝缘塑料材料制成。
6.根据权利要求2或4所述的防水壳，其特征在于，所述第二插头(118)包括以密封的方式与所述壳体(110)接合的周向密封元件(126)。
7.根据权利要求2或4所述的防水壳，其特征在于，所述第二插头(118)由柔性材料制成。
8.根据权利要求2或4所述的防水壳，其特征在于，所述第一端子通道和所述第二端子通道(120、122)中的至少一个是供电缆(106、108)馈通的电缆通道。
9.根据权利要求8所述的防水壳，其特征在于，所述第一插头和第二插头(116、118)中的至少一个包括用于所述电缆(106、108)的应变消除的应变消除元件。
10.根据权利要求8所述的防水壳，其特征在于，所述第一插头和第二插头(116、118)中的至少一个包括用于保护所述电缆(106、108)的扭结保护元件。
11.一种供电单元，其用于向用电设备供给由干线电压电力产生的低电压电力，所述供电单元(100)包括：
至少一个输入端子(106)，所述输入端子(106)用于将所述供电单元(100)连接到供给电压源；
至少一个输出端子(108)，所述输出端子(108)用于输出低电压；以及
电压变压器单元，所述电压变压器单元包括用于将供给电压转换成所述低电压的至少一个电子组件，
其中，所述供电单元包括根据前述权利要求中任一项所述的防水壳(140)，所述防水壳(140)容纳所述电压变压器单元。
12.根据权利要求11所述的供电单元，其特征在于，所述输入端子是能够连接到干线电压的电缆(106)。
13.根据权利要求11或12所述的供电单元，其特征在于，所述输出端子是能够连接到用电设备的电缆(108)或者所述输出端子包括USB连接器。
14.一种电气设备的装配方法，所述装配方法包括以下步骤：
提供壳体(110)，所述壳体(110)限定用于容纳电气功能组件(104)的内部空间(132)并且包括均位于所述壳体(110)末端的第一开口和第二开口(112、114)；
在沿着所述壳体(110)的纵向轴线的插入方向(146、148)上插入所述功能组件(104)；
将第一插头(116)插入所述第一开口(112)中以形成所述内部空间(132)的壁的第一部分，并且将第二插头(118)插入所述第二开口(114)中以形成所述内部空间(132)的所述壁的第二部分，各所述第一插头和所述第二插头(116、118)包括分别形成用于第一端子和第二端子的馈通部的端子通道，其中，所述插入的第一插头和第二插头(116、118)分别与所述壳体形成第一外部空间和第二外部空间(134、136)；
其中，所述第一插头和所述第二插头(116、118)由柔性材料制成并且具有与所述第一插头和所述第二插头(116、118)一体地形成的周向密封元件(124、126)，所述周向密封元件(124、126)以密封的方式与所述壳体(110)接合，并且其中，各所述插头(116、118)形成为在沿着所述壳体(110)的纵向轴线的方向上可滑动，以及
采用电绝缘材料(138)填充所述第一外部空间和所述第二外部空间(134、136)，以使所述插头(116、118)通过所述绝缘材料机械地固定于所述壳体(110)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述壳体(110)具有管状，并且将所述第一插头和所述第二插头(116、118)在沿着所述壳体(110)的纵向轴线的方向(146、148)上插入所述壳体(110)中。
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