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Um
in explosionsgefährdeten Umgebungen z. B. elektrische Geräte
sicher betreiben zu können, müssen diese entsprechend
den gültigen Normen und Standards geschützt sein.
Eine Schutzmethode ist die, dass elektrische Geräte welche
keinerlei oder nur eingeschränkten Explosionsschutz besitzen,
in ein schützendes Gehäuse bzw. Einhausung in
Industriekomplexe integriert werden. Dieses Gehäuse stellt
im Falle einer Explosion innerhalb des Gehäuses sicher,
dass keine Gefährdungen, wie z. B. Funken, an die explosionsgefährdete
Umgebung übergehen. Solche Gehäuse werden z. B.
in der Zündschutzart „druckfeste Kapselung” oder „Explosionproof” ausgeführt.
Die Erfindung betrifft einen solchen z. B. im Gehäuse befindlichen
Raum, welcher nach einer der o. g. oder vergleichbaren Normen ausgeführt
ist. Die Erfindung ist überall da anwendbar, wo Explosionen
gewollt oder ungewollt innerhalb eines Raumes jeglicher Größe
und Konfiguration stattfinden können, um die erforderliche
Raumkonstruktion vor dem Explosionsdruck bzw. der Stoßwelle
zu schützen.
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Die
bisher am Markt befindlichen Gehäuse weisen eine sehr massive
Bauweise auf, da diese einer möglichen inneren Explosion
und dem maximal zu erwartenden Explosionsdruck (je nach Anforderung
auch dem mehrfachen des maximalen Explosionsdrucks/-stoßes)
standhalten müssen. Hieraus ergibt sich insbesondere bei
größervolumigen Gehäusen aufgrund der
typischerweise metallischen Ausführungen ein sehr hohes
Gewicht. Große Gehäusewandflächen müssen
entweder in sehr massiver Wandstärke ausgeführt
werden oder es müssen Verstärkungsstreben integriert
sein. Letzteres erhöht zudem den Kostenaufwand, da sich
der Produktionsprozess entsprechend aufwändiger gestaltet.
Bei Integration von insbesondere größeren Schaugläsern lassen
sich diese Lösungen nur bedingt bzw. gar nicht integrieren.
Eine z. B. konstruktiv notwendige Schwächung einer Gehäusewand
lässt sich mit den bekannten Lösungsmethoden nicht
realisieren.
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Um
eine Beanspruchung der Gehäusekonstruktion aufgrund einer
inneren Explosion zu minimieren ist das
US-Patent US 2009/0008119 A bzw.
das Kanadische Patent
CA 2613064 auf
zu führen. Hier wird eine Gehäusevolumenvergrößerung
im Falle einer Explosion aufgeführt. Hierzu ist jedoch
eine aufwändige zusätzliche Konstruktion erforderlich,
bei der ein Übereinstimmen mit den gültigen Normen
und Standards in Frage gestellt werden muss.
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Eine
andere Methode um die Beanspruchung der Gehäusekonstruktion
zu minimieren ist in der Patentschrift
DD 261063 A3 der ehemaligen Deutschen Demokratischen
Republik zu finden. Hier wird eine mögliche im inneren
des Gehäuses stattfindende Explosion dadurch abgeschwächt,
indem das explosible Gemisch von einem im Gehäuse befindlichen
Material mit offenen durchgehenden Poren aufgenommen wird, so dass
dieses im Material befindliche Gemisch mit wesentlich niedrigerem
zeitlichen Druckanstieg verbrennt. Dies führt im Gesamtvolumen
des Gehäuses zu geringerem zeitlichen Druckanstieg und
niedrigerem Explosionsdruck. Eine vergleichbare Methode ist ebenfalls
in der chinesischen Schrift
PCT/CN2006/001533 bzw.
WO 2007/009345 A1 aufgeführt.
Beide Methoden erfordern jedoch ausreichend verbleibenden Raum zur Aufnahme
des Materials mit offenen durchgehenden Poren. Hierbei geht jedoch
ein beträchtlicher Teil des Gehäusevolumens verloren.
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Weiterhin
kann die Offenlegungsschrift
DE 3934218 A1 aufgeführt werden,
in der das verbleibende freie Gehäusevolumen mit einem
die Volumeneinheit unterbindenden Medium ausgestattet ist, welches
eine Flammenentwicklung und somit einen Druckanstieg vermindert.
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Nach
bisherigem Stand der Technik sind somit überwiegend Maßnahmen
bekannt, um die Druck-/Stosswelle, welche durch eine mögliche
Explosion innerhalb des Gehäuses entstehen kann, schon
oder bereits während der Entstehung abzumildern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine geeignete Methode zu
finden, die es erlaubt, vereinfachte Gehäusekonstruktionen
für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen
zu finden. Hierbei soll die Beanspruchung der Gehäusewände (die
Verwendung des Begriffs „Gehäusewand” schließt
selbstverständlich alle weiteren konstruktiven Gehäusebestandteile
wie z. B. Deckel oder Boden ein, zur einfacheren Beschreibung wird
jedoch fortlaufend sinngemäß der Begriff „Gehäusewand” verwendet)
im Falle einer möglichen Explosion innerhalb des Gehäuses
minimiert werden, so dass speziell bei größervolumigen
Gehäusen eine gewichtstechnisch wesentlich leichtere Konstruktion
unter Einhaltung der gültigen Normen und Standards möglich
ist. Weiterhin soll eine Senkung der hohen Material- und Fertigungskosten
von herkömmlichen, für diesen Zweck eingesetzten,
Gehäusen erreicht werden. Die Erfindung soll insbesondere
auch dann Anwendung finden können, wenn die Druck-/Stosswelle aufgrund
einer inneren Explosion im Gehäuse nicht bereits in der
Entstehung durch andere Maßnahmen abgemildert wurde. Weiterhin
sollen konstruktiv bedingte Schwachstellen in der Gehäusekonstruktion, wie
etwa Schaugläser, im Falle einer möglichen Explosion
innerhalb des Gehäuses so geschützt sein, dass
diese einfacher (z. B. dünner) ausgeführt werden
können.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche
gekennzeichnet.
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Um
die Wirkung der Druck-/Stosswelle, welche durch eine mögliche
Explosion innerhalb des Gehäuses entstehen kann und auf
die Gehäusewände wirkt, abzuschwächen,
wird die Gehäusekonstruktion innenseitig mit einem energieabsorbierenden
Material ausgestattet (es ist grundsätzlich keine Einschränkung
bezüglich der verschiedenen Arten energieabsorbierenden
Materials gegeben). Daraus resultierend ergibt sich eine effizientere
Gehäusekonstruktion, welche eine direkte Material- bzw.
Gewichtsersparnis und eine preiswertere Materialwahl gegenüber
herkömmlich konstruierten Gehäusen ermöglicht. Das
Schutzprinzip ist vergleichbar mit der Knautschzone zum Schutz der
Fahrgastzelle eine Automobils, jedoch steht hier primär
der Schutz der Gehäusewand im Vordergrund.
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Als
energieabsorbierendes Material können sowohl bereits bekannte
Konstruktionen (z. B. metallische Wabenstrukturen) Anwendung finden,
als auch organische Materialien wie z. B. poröse organische Füllstoffe
(Maisspindeln) und organische Fasern zur Verstärkung (Flachsfasern)
verklebt mit Epoxydharz.
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Die
Wirkung von Werkstoffen mit hohem Energieabsorptionsvermögen
unter Einwirkung von Explosionen/Stosswellen wurde erfolgreich durch
das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut,
in Bezug auf Polymerbeton nachgewiesen (vgl. Meike Gallenmüller:
Naturfaserverstärkter Polymerbeton – Entwicklung,
Eigenschaften und Anwendung ISBN 3-8167-7053-3, Fraunhofer IRB Verlag).
Durch die Dämpfung wird der Druck-Zeitverlauf verlängert
und die Druckspitze z. B. auf die Gehäusewand reduziert.
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Wird
z. B. eine metallische Wabenstruktur als energieabsorbierendes Material
verwendet, so kann dies ebenfalls zum Abtransport der im Gehäuse z.
B. durch elektrische Geräte entstehende Wärme verwendet
werden.
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Weiterhin
ist eine partielle Nutzung des energieabsorbierenden Materials innerhalb
des Gehäuses z. B. an nur einer Gehäusewand oder
einer geschwächten Gehäusewand denkbar oder es
kommt zur Verwendung zum Schutz eines nicht für diesen Einsatzzweck
konstruierten Betätigungselements, Durchführungen
oder ähnlicher Komponenten. Somit ist eine Kombinierbarkeit
mit herkömmlichen Schutzmethoden gegeben.
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Schaugläser
als Teil eines Gehäuses können deutlich dünner
bzw. größer ausfallen, wenn unmittelbar von außen
gesehen nach dem Schauglas bzw. Schauglas und Anzeigeelement das
energieabsorbierende Material angebracht wird. Betätigungselemente
oder Durchführungen können ebenfalls so geschützt
und entsprechend schwächer ausgeführt werden.
Somit werden das Schauglas, Betätigungselemente oder Durchführungen
nicht dem vollen Explosionsdruck ausgesetzt.
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Ggf.
verbleibende Volumina (z. B. nahe oder innerhalb des Anzeigeelements)
sind nahezu vernachlässigbar klein im Vergleich zum Gesamtgehäusevolumen,
so dass hier eine wesentlich geringere Druck-/Stosswellenbeanspruchung
bei der Gehäusekonstruktion berücksichtigt werden
muss.
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Das
energieabsorbierende Material kann aus mehreren Lagen energieabsorbierenden
Materials (auch unterschiedlichen Typs) bestehen. Das energieabsorbierende
Material kann unterschiedlich stark aufgetragen werden um z. B.
Gehäuseschwachstellen entsprechend einfacher vor Überbeanspruchung
zu schützen. Weiterhin ist eine Sandwichbauweise möglich.
Dies bedeutet z. B. dass gleiche oder unterschiedliche energieabsorbierende
Materialien sowohl in Schichtung, als auch in Kombination mit nicht
energieabsorbierenden Materialien, angeordnet werden können.
Eine derartige Ausführung (z. B. metallische Gehäuseaußenwand – energieabsorbierendes
Material 1 – metallische Wand – energieabsorbierendes
Material 2 – freies Gehäusevolumen/Explosion)
ermöglicht eine größere flächige
Verteilung der verbleibenden Kräfte aus energieabsorbierendem
Material 2 auf energieabsorbierendes Material 1.
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Abhängig
von der Ausgestaltung des energieabsorbierenden Materials kann dies
neben der Dämpfung der Druck-/Stosswelle zusätzlich
an Gehäusespalten (z. B. Spalt des Gehäusedeckels), Durchführungen
oder vergleichbarem die Funktion der Kühlung des ausströmenden
heißen Gases erfüllen (vgl. Prolnno-Projekt FlameStop
der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig sowie
Deutsches Patent
DE
19826911 C2 ). Durch die Verwendung des energieabsorbierenden Materials,
insbesondere bei Nutzung der Mehrfachfunktion, können die
Spaltmasse und die Spaltkonstruktion einfacher ausgeführt
werden, da sie einerseits mit geringerem Explosionsdruck beaufschlagt werden
und zum weiteren die heißen ausströmenden Gase
abgekühlt werden.
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Die
Anordnung des energieabsorbierenden Materials an den Innenseiten
des Gehäuses kann auch nur entsprechend der erforderlichen Druck-/Stosswellenbeanspruchung
ausgeführt werden.
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Weiterhin
ist die Ausgestaltung des Gehäuses nur aus dem energieabsorbierenden
Material möglich.
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Die
Anwendung der beschriebenen Erfindung schließt neben Gehäuseaußenwänden
auch Gehäuseinnenwände, wie z. B. Gehäusetrennwände,
ein.
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Die
nachfolgenden Figurenbeschreibungen erläutern Aspekte zum
Verständnis der Erfindung. Die Figuren sind plakativ vereinfacht
dargestellt und enthalten nicht jedes bei der praktischen Ausführung gegebenenfalls
vorhandene Detail. Es ist selbstverständlich, dass eine
Reihe von Abwandlungen möglich sind. Die aufgeführten
Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich dargestellt,
zur Veranschaulichung von Details können bestimmte Bereiche übertrieben groß wiedergegeben
sein.
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1 zeigt
ein Gehäuse (1), bei dem die Innenseiten des Gehäuses
mit energieabsorbierendem Material (2) ausgebildet sind.
Der verbleibende freie Raum (3) dient zur Aufnahme von
nicht ausreichend geschützter Komponenten.
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2 zeigt
ein Gehäuse (1), bei dem im oberen Teil ein energieabsorbierendes
Material in metallischer Ausführung (4), z. B.
in Wabenstruktur, verwendet wird, um einen Abtransport der im Gehäuse, z.
B. durch elektrische Geräte, entstehenden Wärme zu
ermöglichen. Die anderen Wände sind mit einem andersartigen
energieabsorbierenden Material (5) ausgebildet. Der verbleibende
freie Raum (3) dient zur Aufnahme von nicht ausreichend
geschützter Komponenten.
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3 zeigt
ein Gehäuse (1), bei dem das energieabsorbierende
Material nur partiell Anwendung findet (7). Dies ist z.
B. erforderlich aufgrund einer Schwächung in der Gehäusekonstruktion
(6), aufgrund von großen Gehäusewandflächen
(23) oder wenn es die Verwendung zum Schutz eines z. B. nicht
für diesen Einsatzzweck konstruierten Betätigungsteils,
Durchführungen oder ähnlicher Komponenten (8)
erforderlich macht. Der verbleibende freie Raum (3) dient
zur Aufnahme von nicht ausreichend geschützter Komponenten.
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4 zeigt
ein Gehäuse (1), bei dem verschiedene Einbauten
integriert sind, welche ebenfalls durch das energieabsorbierende
Material (2) geschützt werden. An der Gehäuseoberseite
ist ein Schauglas (9) mit dahinterliegendem Anzeigeinstrument
(10) dargestellt. Durch die Anordnung des energieabsorbierenden
Materials (2) hinter dem Anzeigeinstrument wird sowohl
das Anzeigeinstrument wie auch das Schauglas im Falle einer einwirkenden Druck-/Stosswelle
entlastet. Gleiches gilt bei Verwendung eines z. B. nicht für
diesen Einsatzzweck konstruierten Betätigungsteils (12),
Durchführungen (13) oder ähnlicher Komponenten.
Ggf. verbleibende Volumina (11), z. B. nahe oder innerhalb
der Komponenten, sind nahezu vernachlässigbar klein im
Vergleich zum Gesamtgehäusevolumen. Der verbleibende freie
Raum (3) dient zur Aufnahme von nicht ausreichend geschützter
Komponenten.
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5 zeigt
ein Gehäuse (1), bei dem die energieabsorbierende
Schicht aus mehreren Lagen energieabsorbierenden Materials unterschiedlichen Typs
und Dicke besteht. An der Gehäuseoberseite befindet sich
eine Schwächung in der Gehäusekonstruktion (17).
Um diese Schwächung auszugleichen wird hinter der geschwächten
Gehäusewand die Sandwichbauweise aus mehreren Schichten
energieabsorbierenden Materials (14) und (15)
und nicht energieabsorbierenden Materials (16) angewandt. Für
die nicht geschwächten Gehäuseseiten (links, rechts,
unten) ist eine einfachere Konstruktion des energieabsorbierenden
Materials exemplarisch dargestellt. Der verbleibende freie Raum
(3) dient zur Aufnahme von nicht ausreichend geschützter
Komponenten.
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6 zeigt
ein Gehäuse (1) mit Deckel (18), welcher
an den Verbindungsstellen zum Gehäuse einen Spalt/Flammenweg
(19) aufzeigt. Die energieabsorbierende Schicht (2),
abhängig von der Ausgestaltung des energieabsorbierenden
Materials, kann im Bereich des Spalt/Flammenwegs (20) aufgrund
der Eigenschaften zur Dämpfung der Druck-/Stosswelle und
der Funktion zur Kühlung des ausströmenden heißen
Gases eine doppelte Funktion erfüllen. Der verbleibende
freie Raum (3) dient zur Aufnahme von nicht ausreichend
geschützter Komponenten.
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7 zeigt
ein Gehäuse (1), bei dem die Anordnung des energieabsorbierenden
Materials (2) an den Innenseiten des Gehäuses
nur entsprechend der erforderlichen Druck-/Stosswellenbeanspruchung ausgeführt
ist. Aufgrund von großen Gehäusewandflächen
muss mittig der Gehäusewandfläche das energieabsorbierende
Material stärker ausgeführt werden (21)
als in den Randbereichen (22). Der verbleibende freie Raum
(3) dient zur Aufnahme von nicht ausreichend geschützter
Komponenten.
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8 zeigt
ein Gehäuse, bei dem die Ausgestaltung des Gehäuses
nur aus dem energieabsorbierenden Material (2) realisiert
ist. Der verbleibende freie Raum (3) dient zur Aufnahme
von nicht ausreichend geschützter Komponenten.
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Das
energieabsorbierende Material kann direkt bei der Herstellung des
Gehäuses, z. B. in Ausbildung von Platten aus energieabsorbierendem
Material, innenseitig an die Gehäusewände angebracht werden.
Alternativ kann das Material z. B. bei Verwendung von einem porösen
organischen Füllstoff (Maisspindeln) und organischen Fasern
zur Verstärkung (Flachsfasern) verklebt mit Epoxydharz
durch Aufsprühen an die Innenseiten des Gehäuses
oder ggf. bereits eingebauter Komponenten wie z. B. Schaugläser,
Betätigungselementen, Durchführungen oder ähnlicher
Komponenten in der jeweils erforderlichen Stärke aufgebracht
werden. Weiterhin kann die Ausgestaltung des energieabsorbierenden
Materials auch als Formteile bzw. in mehreren Formteilen ausgestaltet
sein, wodurch eine sehr einfache Installation insbesondere bei bereits
eingebauten Komponenten wie z. B. Schaugläsern, Betätigungselementen,
Durchführungen oder ähnlicher Komponenten möglich
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2009/0008119
A [0003]
- - CA 2613064 [0003]
- - DD 261063 A3 [0004]
- - CN 2006/001533 [0004]
- - WO 2007/009345 A1 [0004]
- - DE 3934218 A1 [0005]
- - DE 19826911 C2 [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Meike Gallenmüller:
Naturfaserverstärkter Polymerbeton – Entwicklung,
Eigenschaften und Anwendung ISBN 3-8167-7053-3, Fraunhofer IRB Verlag [0011]