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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein elektrisches Gerät, insbesondere Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Gehäuse ist bereits aus der
DE 10 2007 025 957 A1 bekannt. Bei dem bekannten Gehäuse ist es vorgesehen, dass die einer Steckerleiste gegenüberliegende Seite einer als Trägerelement für eine elektrische bzw. elektronische Schaltung dienenden Platine in eine nutartige Aussparung eines Gehäuseelementes angeordnet ist. In der Ausnehmung wird während der Montage des Trägerelements ein expandierendes Material, beispielsweise ein Exopidharz-Schaum, eingebracht, welches sich beim Aushärten bezüglich seines Volumens ausdehnt, so dass die Platine nach dem Aushärten des wärmeexpandierenden Materials in der Ausnehmung fixiert ist.
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Nachteilig dabei ist, dass durch die Auswahl des Materials bzw. durch die Menge des eingebrachten Materials in der Ausnehmung sowie der Dimensionierung der Ausnehmung sichergestellt werden muss, dass auch bei einer Temperaturerniedrigung und einer damit sich ergebenden Schrumpfung des expandierenden Materials die Platine stets in Anlagekontakt mit dem Gehäuseteil bzw. der Ausnehmung angeordnet ist, um ein Klappern oder ähnliches der Platine im Gehäuse zu verhindern.
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Weiterhin ist es bereits allgemein bekannt, Trägerelemente bzw. Leiterplatten mit wärmeleitenden Elementen zu versehen, die die Wärme insbesondere durch Anlagekontakt an ein aus Metall bestehendes Gehäuseteil abgeben. Hierbei ist es wesentlich, dass unter allen Umweltbedingungen, d.h. sowohl bei sehr niedrigen Temperaturen als auch bei sehr hohen Temperaturen stets ein zuverlässiger Anlagekontakt zwischen dem wärmeleitenden Element und dem wärmeleitenden Gehäuseteil vorhanden ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE19712099 A1 ist eine Gehäuseanordnung bekannt, die zwei Gehäuseteile umfasst. Im Zusammenbau ist zwischen den beiden Gehäuseteilen eine Leiterplatte angeordnet. Eines der Gehäuseteile weist dabei Stege mit einem Elastomerauftrag auf, welche auf der Leiterplatte anliegen. Über die Elastizität der Elastomeraufträge ist ein Anpressdruck zur Fixierung und Kontaktierung der Leiterplatte zwischen den Gehäuseteilen bewirkbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für ein elektrisches Gerät, insbesondere Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass sowohl bei sehr tiefen als auch bei sehr hohen Temperaturen im Betrieb stets ein Kontakt des Trägerelementes bzw. der Leiterplatte mit dem Gehäuseteil sichergestellt ist. Diese Aufgabe wird bei einem Gehäuse für ein elektrisches Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde ein bezüglich seines Volumens expandierende Element bzw. Material vorzusehen, welches als ein ausgleichendes bzw. kompensierendes Element die Relativbewegungen, insbesondere der Gehäuseteile zum Trägerelement, auf Grund unterschiedlicher im Betrieb auftretenden Temperaturen zumindest weitestgehend, insbesondere vollständig, ausgleicht. Dies erfolgt dadurch, dass das Expansionsmaterial in Abhängigkeit der Temperatur das Volumen verändert - d.h. bei höheren Temperaturen expandiert, bei kleineren Temperaturen sein Volumen verkleinert. Abgestimmt auf das Ausdehnungsverhalten der Gehäuseteile bzw. des Trägerelementes bei unterschiedlichen Temperaturen füllt das Expansionsmaterial bei gegebener Temperatur immer den entstehenden Raum zwischen Gehäuseteil und Trägerelement derart ausfüllt, dass eine Klemmkraft mittels des Expansionsmaterials aufrecht erhalten bleibt. Insbesondere ist die Abstimmung derart, dass über einen großen Temperaturbereich - in idealer Weise über einen im Betrieb vorliegenden Temperaturbereich - die Klemmkraft annähernd konstant gehalten wird. So wird die Klemmkraft in einer Höhe gewählt, die auch bei starker Beanspruchung des Steuergerätes, beispielsweise durch Vibrationen, dass das Trägerelement fixierend geklemmt ist, wobei die Klemmkraft keine Beschädigungen am Trägerelement verursachen kann, vor allem auf Grund einer dämpfenden Wirkung des Expansionsmaterials. Diese so gewählt Klemmkraft bleibt dann bei allen vorliegenden Temperaturen in dieser Weise erhalten. Idealerweise ist die Anordnung derart gewählt, dass bei den im Betrieb vorkommenden tieferen Temperaturen das obere Gehäuseteil gerade auf dem Trägerelement aufliegt und die Klemmung in diesem Zustand durch das Gehäuseteil erfolgt. Dadurch ist sichergestellt, dass dann bei den im Betrieb auch höheren auftretenden Temperaturen die Klemmkraft kontrolliert in Anlehnung an die obere Erklärung erhalten bleibt.
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Insgesamt lässt sich durch ein erfindungsgemäßes Gehäuse unter allen Temperaturbedingungen eine lose Leiterplatte bzw. ein loses Trägerelement innerhalb des Gehäuses verhindern, so dass Klappergeräusche und ggf. damit verbundene mechanische Belastungen auf das Trägerelement sicher vermieden werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gehäuses für ein elektrisches Gerät, insbesondere Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Zur Sicherstellung des Wärmeabflusses von dem Trägerelement in ein Gehäuseelement ist es in einer bevorzugten konstruktiven Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass auf der dem expandierenden Element gegenüberliegenden Seite des Trägerelementes ein wärmeleitendes Element angeordnet ist, das in Anlagekontakt mit dem zweiten Gehäuseelement angeordnet ist.
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Insbesondere kann es dabei zur Sicherstellung des Wärmeabflusses an die Umgebung vorgesehen sein, dass das zweite Gehäuseelement aus Wärme gut leitendem Material, insbesondere aus Metall, besteht.
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Die Erfindung umfasst auch ein Gehäuse, bei der das erste Gehäuseteil aus einem gegenüber dem zweiten Gehäuseelement unterschiedlichen Material, insbesondere aus Kunststoff, besteht. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass sich das Gehäuse insgesamt relativ gewichtsmäßig leicht ausbilden lässt sowie eine kostengünstige Herstellbarkeit ermöglicht.
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Um eine gleichmäßige Verbindung der beiden Gehäuseelemente zu ermöglichen, bei der beispielsweise Belastungsspitzen vermieden werden, wie sie beispielsweise beim Verschrauben von Gehäuseelementen auftreten, ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die beiden Gehäuseelemente unter Zwischenlage einer umlaufenden Dichtung im Randbereich der beiden Gehäuseelemente dicht miteinander verbunden sind, wobei das Material der Dichtung gleichzeitig als Kleber wirkt. Somit wird durch die Dichtung nicht nur eine Verbindung zwischen den beiden Gehäuseelementen sichergestellt, sondern es wird auch vermieden, dass Feuchtigkeit in das Gehäuse eintreten kann.
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Zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn das Material der umlaufenden Dichtung dem Material des expandierenden Elements entspricht. Dadurch lassen sich mit ein und derselben Einrichtung zum Aufbringen des expandierenden Elements sowohl die umlaufende Dichtung am Gehäuserand, als auch das expandierende Element zur Kraftbeaufschlagung des Trägerelementes gegen das Gehäuseelement aufbringen.
Insbesondere sind bei einer derartigen Ausführung die Ausdehnungsverhalten der umlaufenden Dichtung als auch dem expandierenden Element bei Temperaturänderungen zueinander abgestimmt bzw. verlaufen bevorzugt synchron zueinander. Durch diese Maßnahme sind die Randbedingungen für eine Klemmung des Trägerelementes bei jeder Temperatur gleich bzw. vergleichbar, da die geometrischen Zuordnungen der die Klemmung beeinflussenden Teile, wie beispielsweise die Gehäuseteile und das Trägerelement, relativ zueinander bestehen bleiben.
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In einer konkreten Umsetzung der Erfindung ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass das erste Gehäuseelement ein Gehäusedeckel und das zweite Gehäuseelement ein Gehäuseboden ist. Somit wird das Gehäuse lediglich durch zwei Bauteile bzw. Gehäuseelemente ausgebildet.
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In einer weiteren konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Gehäuseboden ein abgesenkter Abschnitt zur formschlüssigen Aufnahme des wärmeleitenden Elementes angeordnet ist und, dass in dem Gehäusedeckel eine umlaufende Stufe ausgebildet ist, wobei das expandierende Element zwischen der Stufe und der Oberseite des Trägerelementes angeordnet ist.
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Die Anpresskraft, mit der das Trägerelement gegen den Gehäuseboden bei nicht expandierendem Element bzw. bei tiefen Temperaturen gedrückt wird, wird besonders bevorzugt dadurch gebildet, dass außerhalb der Stufe ein ebener Abschnitt des Gehäusedeckels angeordnet ist und, dass der ebene Abschnitt in Anlagekontakt mit der Oberseite des Trägerelementes angeordnet ist.
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Um das Gehäuse bzw. den Gehäusedeckel mit dem Gehäuseboden während der Aushärtung der umlaufenden Dichtung miteinander zu fixieren bzw. miteinander zu verbinden, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Gehäusedeckel und der Gehäuseboden außerhalb der umlaufenden Dichtung an ihrem jeweiligen Gehäuserand miteinander formschlüssig verbunden, insbesondere miteinander verclipst oder vercrimpt, sind. Dadurch lassen sich die Fertigungszeiten insofern verkürzen, als dass das Gehäuse bereits während der Aushärtung des Dichtungselementes weiteren Bearbeitungsschritten zugefügt bzw. weitertransportiert werden kann. Insbesondere stellt eine derartige Verbindung ein Kraft aufnehmendes Gegenlager dar, wodurch in vorteilhafter Weise eine Klemmkraft durch das zwischen dem Gehäusedeckel und dem Trägerelement angeordnetes Expansionselement, insbesondere zum Anliegen des Trägerelementes auf dem Wärme leitenden Element, aufgebracht werden kann. Alternativ ist eine derartige Ausführung denkbar, wenn keine umlaufende Dichtung vorgesehen ist.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Gehäuses für ein elektrisches Gerät, insbesondere Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in der einzigen Figur:
- Einen Längsschnitt in einem Randbereich eines Steuergeräts bzw. eines elektrischen Geräts in vereinfachter Darstellung.
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In der einzigen Figur ist der Randbereich eines Gehäuses 10 für ein elektrisches Gerät 1, insbesondere ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, dargestellt. Das Gehäuse 10 weist einen als erstes Gehäuseelement dienenden Gehäusedeckel 11 und einen als zweites Gehäuseelement dienenden Gehäuseboden 12 auf.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Gehäusedeckel 11 und der Gehäuseboden 12 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass der Gehäusedeckel 11 aus Kunststoff und der Gehäuseboden 12 aus Wärme gut leitendem Material, insbesondere aus Metall, besteht.
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Im Innenraum 13 des Gehäuses 10 ist eine als Trägerelement dienende Leiterplatte 15 angeordnet. Die Leiterplatte 15 trägt eine nicht dargestellte elektrische bzw. elektronische Schaltung, bei der insbesondere auch Bauteile vorhanden sind, welche während des Betriebs Wärme erzeugen, die an die Umgebung des Gehäuses 10 abgeleitet werden muss. Hierzu ist es vorgesehen, dass auf der Unterseite 19 der Leiterplatte 15 ein wärmeleitendes, plattenförmiges Element 16, insbesondere aus Metall, angeordnet ist. Das wärmeleitende Element 16 ist hierbei insbesondere durch einen wärmeleitenden Klebstoff (nicht dargestellt) oder eine entsprechende Lötverbindung möglichst vollflächig mit der Unterseite 19 der Leiterplatte 15 wärmeleitend verbunden.
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Der Gehäuseboden 12 hat zwei treppenartige Stufen 17, 18, wobei das wärmeleitende Element 16 auf dem ebenen Bereich der ersten Stufe 17 angeordnet ist. Die Unterseite 19 der Leiterplatte 15 liegt demgegenüber auf einem umlaufenden Gehäuserand 21 des Gehäusebodens 12 formschlüssig auf.
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Der Gehäusedeckel 11 weist ebenfalls zwei Stufen 23, 24 auf, wobei die Oberseite 25 der Leiterplatte 15 in ihrem Randbereich gegen einen umlaufenden Rand 26 des Gehäusedeckels 11 anliegt.
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Fluchtend zur Ebene der Leiterplatte 15 ist dem Randbereich des Gehäuses 10 zwischen dem Gehäusedeckel 11 und dem Gehäuseboden 12 eine umlaufende Dichtung 28 aus expandierendem Material angeordnet. Hierbei dient die Dichtung 28 sowohl der Abdichtung des Innenraums 13 des Gehäuses 10, als auch der Verbindung von Gehäusedeckel 11 und Gehäuseboden 12, wozu die Dichtung 28 bzw. das Material, aus dem die Dichtung 28 besteht, als Kleber wirkt.
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Im Bereich der ersten Stufe 23 des Gehäusedeckels 11 ist zusätzlich ein aus expandierendem Material bestehendes Element 30 angeordnet. Hierbei besteht das Element 30 insbesondere aus demselben Material wie die Dichtung 28, d.h., dass beide denselben Ausdehnungskoeffizienten (z.B. 345 10-6 m je Kelvin) aufweisen. Sowohl das Element 30, als auch das Element 28 können im Dispensverfahren aufgebracht werden und vergrößern ihr Volumen in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Gehäusedeckel 11 in seinem Randbereich durch wenigstens einen gegen die Unterseite des Gehäusebodens 12 angelegten Abschnitt 31 form- bzw. kraftschlüssig verbunden ist. Während des normalen Betriebs bzw. nach dem Aushärten der Dichtung 28 sind der Gehäusedeckel 11 und der Gehäuseboden 12 durch die Dichtung 28 stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Form- bzw. Kraftschluss zwischen den Gehäusedeckel und -boden dient im Betrieb insbesondere als Kraft aufnehmendes Gegenlager.
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Ist das Gehäuse 10 bzw. das elektrische Gerät 1 im Betrieb unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, so kommt es auf Grund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der zusammenwirkenden Teile, insbesondere der Gehäuseteile 11, 12 und des Trägerelementes 15, zu Relativbewegungen untereinander. Diese Relativbewegungen, vor allem zwischen dem Gehäusedeckel und dem Trägerelement werden durch das Element 30, welches sich zwischen dem Gehäusedeckel 11 und der Oberseite 25 der Leiterplatte 15 befindet, bei jeder vorliegenden Temperatur ausgeglichen.
Dabei weist das Element 30 temperaturabhängig unterschiedliche Volumen auf, wobei die Volumenveränderung idealer Weise symmetrische über einen Querschnitt des Elements 30 erfolgt. Alternativ erfolgt die Volumenveränderung in einer Vorzugsrichtung, bevorzugt in Richtung senkrecht zur Auflagefläche des Gehäusedeckels 11 und/oder des Gehäusebodens 12. Bei steigenden Temperaturen expandiert das Element 30, d.h. nimmt in seinem Volumen zu und zwar in der Art, dass der auf Grund der temperaturabhängigen Relativbewegung sich einstellende Abstand zwischen Gehäusedeckel 11 und Trägerelement 15 durch das expandierende Element unter Entstehung einer Klemmkraft ausgefüllt wird. Die Klemmkraft führt in Form einer Anpress- bzw. Andrückkraft auf die Leiterplatte 15 in Richtung des Randes 21 dazu, dass die Leiterplatte 15 und mit ihr auch das wärmeleitende Element 16 gegen den Gehäuseboden 12 gedrückt werden. Dadurch ist ein sicherer Wärmeübergang von dem wärmeleitenden Element 16 in den Gehäuseboden 12 sichergestellt. Bei einer Temperaturverringerung verringert sich der Querschnitt bzw. Volumen des Elementes 30 gerade in diesem Maß, wie der Abstand des Gehäusedeckels infolge der temperaturabhängigen Relativbewegung reduziert wird. Idealerweise wird bei den tiefsten vorkommenden Betriebstemperaturen die Klemmkraft der Leiterplatte 15 auf das wärmeleitende Element 16 alleine durch den Gehäusedeckel 11 und den Gehäuseboden 12 erzeugt, während das Element 30 gerade der Oberseite 25 der Leiterplatte 15 aufliegt. Somit wird auch bei relativ tiefen Temperaturen ein sicherer Wärmeübergang von dem wärmeleitenden Element 16 auf den Gehäuseboden 12 sichergestellt. Bestenfalls kann somit durch eine Abstimmung der Materialen und Geometrien von Gehäusedeckel 11, Gehäuseboden 12 und Element 30 über den gesamten Betriebstemperaturbereich des elektrischen Geräts 1 eine zumindest nahezu konstante Klemm- bzw- Anlagekraft der Leiterplatte 15 auf den Gehäuseboden 12 und somit auch auf das wärmeleitende Element 16 erzeugt werden.
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Das soweit beschriebene Gehäuse 10 kann in vielfältiger Art und Weise modifiziert bzw. abgewandelt werden. Insbesondere ist es auch denkbar, dass der Gehäusedeckel 11 wie der Gehäuseboden 12 aus Metall besteht. Ebenfalls kann der Randbereich des Gehäuses 11 andersartig ausgebildet sein. Eine Verbindung zwischen Gehäusedeckel 11 und Gehäuseboden 12 kann, unter Inkaufnahme von lokalen Spannungsspitzen, auch mittels (nicht dargestellter) Schraubenelemente erfolgen.
