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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trocknungskörper und ein elektronisches Gerät mit einem solchen Trocknungskörper.
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Elektronische Geräte weisen häufig bauartbedingt ein Gehäuse auf, in welches Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf eindringen kann. Kondensation dieses Wasserdampfs auf Schaltungskomponenten im Innern des Gehäuses, kann zur Beeinträchtigung bzw. zum Ausfall von Geräten führen. Es ist daher erforderlich, dieses zu langfristig verhindern.
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Hierzu ist es bekannt, Feuchtefilter in Gehäuseöffnungen vorzusehen, oder Absorber im Gehäuse anzuordnen. Die beschriebenen Adsorber erweisen sich aber für den langfristigen Einsatz insbesondere unter Temperaturwechseln als nicht zufriedenstellend.
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Weiterhin beschreiben die unveröffentlichten Patentanmeldungen
DE 10 2010 038 986 und
DE 10 2010 062 295 beschreiben Trocknungskörper mit einem Adsorbermaterial in einer Polymermatrix. Die dort beschriebenen Trocknungskörper sind grundsätzlich geeignet, den Innenraum eines Gehäuses langfristig trocken zu halten.
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Aufgrund der vielgestaltigen Gehäuseformen und der Formenvielfalt der in den Gehäusen einzubringenden elektronischen Schaltungen ist es jedoch nicht ohne weiteres möglich, einen jeweils zu einem Gerätetyp bzw. zu einer Kombination aus einem Gehäuse und einer in dem Gehäuseinnenraum eingebrachten Schaltung optimal passenden Trocknungskörper bereitzustellen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Trocknungskörper gemäß Anspruch 1 und das elektronische Gerät gemäß Anspruch 12.
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Der erfindungsgemäße Trocknungskörper umfasst mindestens zwei geformte Teilkörper, welche jeweils einen Kompositwerkstoff aufweisen, der ein Adsorbermaterial in einer porösen Polymermatrix enthält; wobei die Teilkörper miteinander durch mindestens eine Klebestelle verbunden sind.
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Je nach Beschaffenheit der Polymermatrix und des Klebers, kann die Klebestelle einen unterschiedlichen Flächenanteil an der Verbindung zwischen den Teilkörpern einnehmen. Insofern, als viele Klebstoffe für Wasserdampf durchlässig sind, kann eine Klebung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vollflächig erfolgen, ohne den Feuchtetransport zwischen den Teilkörpern vollständig zu verhindern. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung weist ein erster der Teilkörper einen ersten Oberflächenabschnitt aufweist, wobei ein zweiter der Teilkörper einen zweiten Oberflächenabschnitt aufweist, der zu dem ersten Oberflächenabschnitt komplementär ist, und an dem ersten Oberflächenabschnitt, über eine Kontaktfläche (A) anliegt; wobei die Teilkörper im Bereich der Kontaktfläche (A) durch die mindestens eine Klebestelle mit einander verbunden sind, wobei die Gesamtfläche (B) aller Klebestellen im Bereich der Kontaktfläche (A) nicht weniger als 80% insbesondere nicht weniger als 90% und bevorzugt nicht mehr als 95% der Kontaktfläche (A) beträgt. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn eine hohe mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen den Teilkörpern gefordert ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist ein erster der Teilkörper einen ersten Oberflächenabschnitt auf, wobei ein zweiter der Teilkörper einen zweiten Oberflächenabschnitt aufweist, der zu dem ersten Oberflächenabschnitt komplementär ist, und an dem ersten Oberflächenabschnitt, über eine Kontaktfläche anliegt; wobei die Teilkörper im Bereich der Kontaktfläche durch die mindestens eine Klebestelle mit einander verbunden sind, wobei die Gesamtfläche aller Klebestellen im Bereich der Kontaktfläche nicht mehr als 50% insbesondere nicht mehr als 25% und bevorzugt nicht mehr als 10% der der Kontaktfläche beträgt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die mindestens eine Klebestelle einen umlaufenden Pfad in einem Randbereich der Kontaktfläche umfasst, der insbesondere ein geschlossener Pfad sein kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere punkt- und/oder streifenförmige Klebestellen im Bereich der Kontaktfläche vorhanden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die mindestens eine Klebestelle einen organischen Kleber, insbesondere einen Cyanacrylat-Kleber oder einen Epoxidharz-Kleber. Gegebenenfalls kann der Kleber Füllstoffe, insbesondere keramische oder metallische Füllstoffe enthalten, beispielsweise Aluminumoxid oder Silber. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform wird ein Epoxidharz-Kleber mit Aluminiumoxid als Füllstoff verwendet. Ein derartiger Kleber ist beispielsweise unter der Bezeichnung 601 Panacol Elecolit erhältlich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Teilkörper einen Sinterkörper, Spritzgusskörper oder extrudierte Körper.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Anteil des Adsorbermaterials am Kompositwerkstoff mindestens 40 Vol.%, bevorzugt mindestens 55 Vol.% und besonders bevorzugt mindestens 65% Vol.%.
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In einer ersten Alternative der Erfindung umfasst das Adsorbermaterial Zeolith. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Zeolith eine Stoffgruppe auf Alumosilikat-Basis mit einer Struktur von Zeolith Typ A, insbesondere ein Zeolith 4A oder ein Zeolith 3A.
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In einer Weiterbildung der ersten Alternative der Erfindung weist die Polymermatrix ein Polymer auf, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe von Polymeren die aus Fluor-Kunststoffen Polyaryletherketonen Schwefelpolymeren und hochwärmebeständigen Polymeren besteht.
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Die Fluor-Kunststoffe umfassen erfindungsgemäß PTFE bzw. Polytetrafluoretylen, PCTFE bzw. Polychlortrifluorethylen, ECTFE bzw. Ethylenchlortrifluorethylen oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Fluorcopolymer, FEP bzw. Fluorethylenpropylen, PFA bzw. Perfluoroalkoxylalkan sowie PVDF bzw. Polyvinylidenfluorid.
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Polyaryletherketone umfassen erfindungsgemäß PEEK bzw. Polyetheretherketon und PEK bzw. Polyetherketon.
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Die Schwefelpolymere umfassen erfindungsgemäß PSU bzw. Polysulfon, PES bzw. Polyethersulfon, PPS bzw. Polyphenylensulfid und PPSU bzw. Polyphenylsulfon
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Die hochwärmebeständige Kunststoffe umfassen erfindungsgemäß PI bzw. Polyimid, PAI bzw. Polyamidimid und PEI bzw. Polyetherimid.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Dichte des Werkstoffs im getrockneten Zustand nicht mehr als 1,7 g/cm3, insbesondere nicht mehr als 1,5 g/cm3.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die mittlere Packungsdichte des Zeoliths in dem Werkstoff im trockenen Zustand nicht weniger als 0,8 g/cm3, insbesondere nicht weniger als 1,0 g/cm3 beträgt.
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In einer zweiten Alternative der Erfindung umfasst das Adsorbermaterial ein Silica Gel.
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In einer Weiterbildung der zweiten Alternative der Erfindung weist die Polymermatrix ein Polymer auf, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe von thermoplastischen Polymeren wie Fluor-Kunststoffen, Polyaryletherketonen, Schwefelpolymeren, Polyolephinen und hochwärmebeständigen Polymeren besteht.
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Die Fluor-Kunststoffe umfassen erfindungsgemäß PTFE bzw. Polytetrafluoretylen, PCTFE bzw. Polychlortrifluorethylen, ECTFE bzw. Ethylenchlortrifluorethylen oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Fluorcopolymer, FEP bzw. Fluorethylenpropylen, PFA bzw. Perfluoroalkoxylalkan sowie PVDF bzw. Polyvinylidenfluorid.
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Polyaryletherketone umfassen erfindungsgemäß PEEK bzw. Polyetheretherketon und PEK bzw. Polyetherketon.
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Die Schwefelpolymere umfassen erfindungsgemäß PSU bzw. Polysulfon, PES bzw. Polyethersulfon, PPS bzw. Polyphenylensulfid und PPSU bzw. Polyphenylsulfon.
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Die hochwärmebeständigen Kunststoffe umfassen erfindungsgemäß auch PA bzw. Polyamid, PI bzw. Polyimid, PAI bzw. Polyamidimid und PEI bzw. Polyetherimid.
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Weitere geeignete Kunststoffe sind Polyolephinen wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) sowie Kunststoffe aus anderen Stoffgruppen wie Silikonen (Polyorganosiloxanen), Styrol-Polymerisate wie Polystyrol (PS), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyacrylate wie Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Thermoplastische Polyester wie Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polybytylenterephthalat (PBT), Polyphenylenether (PPE), Polyaddukte wie Epoxydharz (EP) oder Polyurethane (PU).
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Insbesondere die in diesem Absatz genannten Kunststoffe sind zu erheblich geringeren Kosten verfügbar als die zuvor genannten Kuntstoffe.
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Die genannten Kunststoffe sind alle bis 80–100°C temperaturstabil, wodurch es möglich ist, die erfindungsgemäßen Trocknungskörper bei 80 bis 100°C zu entfeuchten und bei tieferen Temperaturen als Absorber einzusetzen. Die Entfeuchtungstemperatur kann zudem gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Vakuum reduziert werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Silica Gel eine mittlere Korngröße von nicht mehr als 1 mm insbesondere nicht mehr als 0,5 mm auf. Andererseits beträgt die mittlere Korngröße gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nicht weniger als 0,1 mm insbesondere nicht weniger als 0,2 mm.
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Das erfindungsgemäße elektronische Gerät umfasst insbesondere ein Messgerät, welches mindestens ein Gehäuse mit mindestens einem Innenraum aufweist, welcher eine elektronische Schaltung enthält, wobei das Gerät mindestens einen Gaspfad aufweist, über welchen Wasserdampf in das Gehäuse gelangen kann, wobei das Gerät mindestens einen Trocknungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei der Trocknungskörper in dem Innenraum angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das elektronische Gerät einen Relativdrucksensor zum Messen der Differenz zwischen einem Mediendruck und einem Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors auf, wobei das Gerät einen Atmosphärendruckpfad aufweist, um den Relativdrucksensor mit dem Atmosphärendruck zu beaufschlagen, wobei der Atmosphärendruckpfad insbesondere durch den Trocknngskörper verläuft.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt das Volumen des Trocknungskörpers nicht weniger als 40%, vorzugsweise nicht weniger als 60% und besonders bevorzugt nicht weniger als 80% des freien Volumens des Innenraums.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Klebestelle zwischen den Teilkörpern des Trocknungskörpers erst nach dem Einbringen der Teilkörper in den Innenraum verfestigt. Dies kann insbesondere Dann vorteilhaft sein, wenn ein Innenraum, in welchen der Trocknungskörper einzubringen ist Hinterschnitte aufweist, hinter welchen Teilkörper des Trocknungskörper eingebracht werden sollen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Klebestelle zwischen den Teilkörpern des Trocknungskörpers vor dem Einbringen der Teilkörper in den Innenraum verfestigt. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Trocknungskörper eine komplexe Form aufweist, die durch eine Fertigung in Teilkörpern einfacher zu realisieren ist als in einer monolithischen Herstellung, sofern sich der Trocknungskörper auch in seiner Gesamtheit noch in den Innenraum einbringen lässt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Innenraum Wandbereiche auf, die zum Trocknungskörper benachbart sind, wobei der mittlere Abstand der benachbarten Wandbereiche zum Trocknungskörper gemittelt über die Fläche der benachbarten Wandbereiche nicht mehr als 10% vorzugsweise nicht mehr als 5% der dritten Wurzel des Volumens einer minimalen konvexen Hülle um den Trocknungskörper beträgt.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
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1a: einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines leeren Gehäuses eines elektronischen Gerätes;
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1b: einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Gehäuses eines elektronischen Gerätes mit eingebrachtem Trocknungskörper;
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2a: einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Trocknungskörpers;
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2b: einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Trocknungskörpers; und
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3: einen schematischen Längsschnitt durch einen Relativdruckmessumformer als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes.
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Als Adsorbermaterial zur Herstellung der Trcknungskörper wurde gemäß der ersten Alternative Zeolith eingesetzt. Im folgenden Ausführungsbeispiel wurden Zeolith Purmol 4ST (Z4A) oder 3ST (Z3A) von der Fa. Zeochem ausgewählt. Beide Zeolithe sind als weißes Pulver verfügbar, das in einem trockenen Zustand stark exotherm mit Wasser reagiert. Die Wasseraufnahme des Pulvers Z4A beträgt 24 Masse-% bei 50% rel. Feuchte und 20°C in 24 St. Für Pulver Z3A beträgt die maximale Wasseraufnahme unter gleichen Bedingungen 22 Masse-%.
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Als Polymer für die Polymermatrix wurde in diesem Ausführungsbeispiel PFA eingesetzt, welches als wässrige Dispersion DuPont Teflon PFA TE-7224 verwendet wurde. Diese Dispersion hat 60,4 Masse-% PFA-Nanopartikeln (50–500 nm), ca. 5 Masse-% nichtionischen Tenside und Wasser. Die Viskosität liegt bei 20 cP. Der pH-Wert beträgt 10, was hinreichend gut den Erfordernissen an den pH-Wert des Zeolithes Z4A im Wasser entspricht (pH 10,3). Die Dispersion wird bei 100–120°C völlig getrocknet, bei 250–290°C werden Tenside pyrolysiert, bei 305–340°C schmelzen die PFA-Partikel und bilden eine 3D-Vernetzung im Kompositwerkstoff.
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Die Zusammensetzung des Kompositwerkstoffs ist mit einem Volumenanteil von dem aktiven Stoff Z4A im Trockenzustand bestimmt. Da die PFA-Dispersion auf Wasserbasis ist, soll Z4A mit Wasser voll gesättigt werden bevor es mit der PFA-Dispersion zusammen gemischt wird.
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Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Komponenten für Diespersionswerkstoffe mit einem bestimmten Volumenanteil von Z4A. Tabelle 1.
| Zeolith 4A, Vol.% | Z4A × H2O, Masse-% | PFA-Dispers, Masse% | Wasser, Masse% |
| 50 | 44.7 | 55.3 | 0.0 |
| 60 | 53.8 | 44.3 | 2.0 |
| 65 | 57.1 | 38.0 | 4.9 |
| 70 | 59.6 | 31.5 | 8.9 |
| 75 | 61.5 | 25.3 | 13.2 |
| 80 | 62.3 | 19.2 | 18.4 |
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Die Komponenten werden in einem Behälter im flüssigen Zustand gut zusammen gemischt werden und bei 120°C getrocknet werden. Die trockene Mischung kann direkt ohne Bindemittel in einer Form gepresst werden. Ein typischer Pressdruck liegt beispielsweise im Bereich von 25 MPa bis 100 MPa. Die gepressten Formkörper können beispielsweise mit dem folgenden Temperaturprofil gesintert werden:
- – Aufheizen in 2 h von Raumtemperatur auf 290°C
- – Aufheizen in 2 h von 290°C auf 320°C
- – Aufheizen in 1,5 h von 320°C auf 340°C.
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Bevorzugte Kompositwerkstoffe weisen einen Zeolithinhalt von nicht weniger als 55 vol.% und nicht mehr als 75 vol.% auf.
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Eine derzeit bevorzugte Kombinationen von mechanischer Stabilität und günstiger Wasseraufnahme liegt bei einem Material mit 60–70 vol.% Zeolith.
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Mit dem beschriebenen Kompositwerkstoff lassen sich Teilkörper fertigen, aus denen Trocknungskörper komplexer Gestalt herstellbar sind und damit auch komplexe Gehäuseformen optimal ausfüllen können, wie anhand der 1a und 1b gezeigt ist.
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Das in 1a gezeigte Gehäuse 10 umfasst einen ersten metallischen Hohlzylinder 11 und einen zweiten metallischen Hohlzylinder 12, die mit aufeinander senkrecht stehenden Achsen miteinander verbunden sind.
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Das Gehäuse 10 umschließt einen Innenraum 13, dessen lichte Querschnitte zumindest im Bereich des ersten Hohlzylinders 11 größer sind als die Querschnitte von Gehäuseöffnungen 14, 15 und 16 durch welche der Innenraum zugänglich ist. Dennoch ist, wie in 1b gezeigt, ein Trocknungskörper 20 in den Innenraum einzubringen. Einzelheiten zur Struktur des Trocknungskörpers sind den 2a und 2b zu entnehmen, auf die im folgenden Bezug genommen wird.
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Der Trocknungskörper 20 umfasst einen ersten Trocknungshohlzylinder 21 und einen zweiten Trocknungshohlzylinder 22, deren Außenkonturen sich in loser Passung in den Innenraum 13 des Gehäuses 10 einfügen. Hierzu bestehen der erste Trocknungshohlzylinder 21 und der zweite Trocknungshohlzylinder aus mehreren, insbesondere streifenförmigen Teilkörpern deren Längsrichtung sich in der axialen Richtung des jeweiligen Trocknungshohlzylinders erstreckt, und die erst in dem Innenraum miteinander verklebt sind. Für den ersten Trocknungshohlzylinder 21 ist die Aufteilung in Teilkörper in dem Querschnitt in 2b dargestellt. Demnach ist der erste Trocknungshohlzylinder 21 zusammengesetzt aus nacheinander in den Innenraum eingebrachten streifenförmigen Teilkörpern, nämlich einem ersten streifenförmigen Teilkörper 211, welcher eine Durchgangsöffnung zu dem zweiten Trocknungshohlzylinder 22 aufweist, und nachträglich an den ersten streifenförmigen Teilkörper 211 angesetzte, weitere streifenförmige Teilkörper 212, 213, 214, 215. Weiterhin umfasst der Trocknungshohlzylinder 21 einen Abschlussteilkörper 216, der vom Innenraum 13 her in eine verbleibende Lücke zwischen den benachbarten streifenförmigen Teilkörpern 214, 216 einsetzbar ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht dass die Ebenen der Grenzflächen zwischen dem Abschlussteilkörper 216 und den beiden benachbarten Teilkörpern 214, 215 sich in einer Linie schneiden, die außerhalb des ersten Trocknungshohlzylinders 21 verläuft. Die Teilkörper sind miteinander verklebt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Teilkörper des zweiten Trocknungshohlzylinders 22 vorzugsweise vor dem ersten Trocknungshohlzylinder 21 in den für ihn vorgesehenen Bereich des Innenraums 13 einzubringen und dort zu verkleben.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt eine vergleichsweise komplexe Struktur mit großem Montageaufwand, die man gewöhnlich zu vermeiden suchen wird. Dennoch sind auch solche Strukturen mit der vorliegenden Erfindung realisierbar. Ein einfacheres Ausführungsbeispiel wird nun anhand von 3 vorgestellt.
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Der in 3 gezeigte Relativdruckmessumformer 101 umfasst ein Gehäuse 110 und einen Relativdrucksensor 120, welcher in dem Gehäuse angeordnet und über eine Gehäuseöffnung 122 mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist. Durch einen Innenraum 124 des Gehäuses erstreckt sich ein Referenzluftpfad 126, wobei der Referenzluftpfad durch einen erfindungsgemäßen Trocknungskörper 128 verläuft, der in dem Innenraum 124 angeordnet ist. Der Innenraum 124 enthält weiterhin eine Verarbeitungsschaltung 130 von Signalen des Relativdrucksensors, und zur Ausgabe eines Signals, welches den Relativdruck repräsentiert, an ein Leitsystem. Der Trocknungskörper 128 nimmt mindesten 60% des freien Volumens des Innenraums 124 ein, und ist somit in der Lage, über die Referenzluft oder Spalte zwischen Baugruppen eindringende Feuchtigkeit zu adsorbieren, und damit eine Kondensation von Wasser auf der Verarbeitungsschaltung 130 über einen Zeitraum von Jahren zu verhindern. Um den Innenraum 124 des Gehäuses 110 optimal ausfüllen zu können umfasst der Trocknungskörper 128 einen ersten hohlzylindrischen Teilkörper 128a, welcher einen oberen Bereich des Innenraums 124, weitgehend ausfüllt, und einen zweiten hohlzylindrischen Teilkörper 128b, welcher einen kleineren Radius aufweist als der erste Teilkörper 128a, wobei der zweite Teilkörper 128b stirnseitig mit dem ersten Teilkörper 128a verklebt und in einem unteren Bereich des Innenraums 124 angeordnet ist. Abgesehen, davon, dass auf diese Weise ein größeres Teilvolumen des Innenraums 124 von dem Trocknungskörper eingenommen wird, können mit dem erfindungsgemäßen Trocknungskörper auch besonders kondensationsgefährdete Bereiche wie der untere Bereich des 124 Innenraums, in dem sich eine Abkühlung von der Seite des Prozess durch die Gehäuseöffnung 122 zuerst und besonders intensiv auswirkt, mit einem Trocknungsmittel versehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038986 [0004]
- DE 102010062295 [0004]
