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Die Erfindung betrifft ein explosionsgeschütztes Gehäuse zur Einhausung von Baugruppen, die Zündquellen enthalten oder umfassen können.
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Gehäuse oder Gehäusemodule zur Einhausung von Zündquellen enthaltenden z.B. elektrischen Einrichtungen oder Schaltungen sind insbesondere zum Aufbau explosionsgeschützter Schalt- und/oder Verteileranlagen erforderlich. Die Gehäuse können in der Zündschutzart „druckfeste Kapselung“ (Ex-d) ausgebildet sein. Damit dürfen Explosionen, die im Innenraum des geschlossenen Gehäuses auftreten, nicht zu einer Schädigung oder Zerstörung des Gehäuses führen. Insbesondere dürfen keine zündenden Gase oder Partikel nach außen gelangen, die ein außerhalb des Gehäuses befindliches explosives Gasgemisch zünden könnten.
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Die
DE 10 2006 052 717 A1 offenbart ein Gehäuse der Zündschutzart druckfeste Kapselung, das aus zwei Gehäuseteilen besteht. Diese sind entlang aufeinander zu weisender Ränder miteinander druckfest und durchschlagsicher verbunden. Zur Verbindung der Ränder wird u.a. lineares Reibschweißen eingesetzt.
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Mit zunehmendem Gehäusevolumen, tieferen Temperaturen oder auch der Verwendung energiereicherer Gase, wie Ethin, Ethen oder Wasserstoff, steigt die Belastung der Gehäusewände und gegebenenfalls vorhandener Nähte bei Explosionen im Gehäuse erheblich an.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept anzugeben, mit dem sich auch größere druckfeste explosionsgeschützte Gehäuse erstellen lassen, die auch erhöhten Anforderungen an die Druckfestigkeit gerecht werden.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gehäuse nach Anspruch 1 gelöst.
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Es lassen sich damit Gehäuse mit einem Innenvolumen von bis zu 1 dm3 und darüber aus Kunststoff bereitstellen. Das Gehäuse weist mindestens eine erste und eine zweite Gehäuseschale auf, die entlang ihres Randes einen ringsum gehenden, abgewinkelten Flansch aufweisen, wobei die Flansche über mindestens zwei Reibschweißnähte miteinander verbunden sind. Der Flansch kann nur nach außen, nur nach innen oder teilweise nach innen und teilweise nach außen gerichtet sein. Während die erste Reibschweißnaht in der Nähe des Innenumfangs des Flansches verläuft, ist die zweite Reibscheißnaht in der Nähe des Außenumfangs des Flansches angeordnet. Jedoch sind beide Reibschweißnähte von dem Innenumfang bzw. dem Außenumfang jeweils etwas beabstandet. Außerdem ist zwischen den beiden (oder mehreren) Reibschweißnähten ein Abstand vorhanden. Vorzugsweise ist dieser geringer als die Breite jeder Reibschweißnaht. Vorzugsweise ist der Abstand der zwei oder mehreren Reibschweißnähte voneinander größer als die Hälfte der Breite einer der Reibschweißnähte. Außerdem haben die Reibschweißnähte vorzugsweise übereinstimmende Breiten. Die aufsummierte Breite aller Reibschweißnaht liegt vorzugsweise in der Größenordnung des Doppelten der Dicke der Wandanordnung. Beispielsweise können zwei Reibschweißnähte zusammen eine Breite von 8/5 der Wandanordnung haben oder breiter sein.
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Der Flansch ist mit einem Aussteifungsmittel versehen. Dazu kann er wenigstens abschnittsweise einen offenen U-Querschnitt, Dreieckquerschnitt, Trapezquerschnitt o.ä. aufweisen. Ein solcher Aussteifungsquerschnitt ist, wenn das Gehäuse parallel zum Rand geschnitten etwa einen Rechteckquerschnitt aufweist, insbesondere im Bereich der langen Kanten des Rechtecks angeordnet. Der Aussteifungsquerschnitt ist bei einem nach außen gerichteten Flansch am äußeren Rand und bei einem nach innen gerichteten Flansch am inneren Rand vorgesehen. Steht der Flansch sowohl nach innen als auch nach außen über, kann der Aussteifungsquerschnitt am inneren und/oder am äußeren Rand vorgesehen sein.
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Auf diese Weise werden bei Explosionen auftretende Verformungen der Gehäusewand so weit reduziert, dass die auf die Schweißnaht zwischen den Flanschen wirkenden mechanischen Belastungen im Rahmen der für die Schweißnaht zulässigen Grenzen bleiben. Insbesondere wird durch die verminderte Durchbiegung an den langen Seitenwände einer Verformung bei Druckbeanspruchung entgegengewirkt, wodurch sie Schäl- und Biegebeanspruchungen in der Schweißzone vermindert werden. Dies gilt aber auch bei runden oder zylindrischen Gehäusen. Es kann sichergestellt werden, dass die beiden Reibschweißnähte nahezu ausschließlich auf Zug beansprucht werden. Damit kann das erfindungsgemäße Gehäuse hohen Druckbeanspruchungen selbst dann widerstehen, wenn es aus Kunststoff besteht und ein großes Innenvolumen von über 0,5 dm3 aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die von dem Flansch ausgehende Wandanordnung mit dem Flansch durch Rippen verbunden, die sich über die gesamte Breite des Flansches erstrecken und vorzugsweise parallel zueinander orientiert sind. Vorzugsweise bilden die Rippen außerdem eine Reihe, die sich zumindest über einen Abschnitt Umfangs des Flansches erstreckt. Die Reihe kann sich auch über den gesamten Umfang erstrecken. Durch die Rippen wird der Flansch bei pulsartiger Druckbeanspruchung besonders wirksam von Schälbeanspruchungen geschützt.
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Der Rand kann ringsum oder auch lediglich bereichsweise mit dem erwähnten offenen Aussteifungsquerschnitt versehen sein. Die Rippen erstrecken sich vorzugsweise in den offenen Aussteifungsquerschnitt hinein und verbinden somit die Wandanordnung, den Flansch und den zur Ausbildung des Aussteifungsquerschnitt vorgesehenen, sich von dem Flansch weg parallel oder schräg zu der Wandanordnung erstreckenden Schenkel des Aussteifungsquerschnitt. Auch dies kommt der Druckfestigkeit zugute.
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Der Flansch weist vorzugsweise eine Breite auf, die einem vielfachen der Dicke der Wandanordnung entspricht. Vorzugsweise beträgt die Breite des Flansches mindestens das Doppelte, vorzugsweise das dreifache, der Dicke der Gehäusewand. Die Dicke des Flansches stimmt vorzugsweise im Wesentlichen mit der Dicke der Gehäusewand überein. Die Dicke des zur Ausbildung des Aussteifungsquerschnitts von dem Flansch außen wieder aufragenden Abschnitts kann dünner gewählt werden.
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Vorzugsweise ist zwischen beiden Reibschweißnähten eine Nut angeordnet. Diese kann in einem der Flansche oder in beiden vorgesehen sein. Sie dient der Aufnahme von beim Reibschweißen verdrängtem Material und ermöglicht somit eine besonders innige Verbindung zwischen den beiden Flanschen.
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Die Gehäuseschalen sind vorzugsweise jeweils etwa gleich tief ausgebildet, so dass die Seitenwände der Gehäuseschalen vorzugsweise etwa gleich hoch sind. Damit sind die miteinander verschweißten Flansche vorzugsweise etwa im mittleren Drittel der sich ergebenden Gehäusewand des gesamten Gehäuses angeordnet. Es lassen sich dadurch besonders große Druckfestigkeiten des Gehäuses erzielen.
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Die Gehäuseschalen können aus jedem geeigneten Material einschließlich Metall bestehen. Vorzugsweise sind sie aus einem Kunststoff ausgebildet. Dieser ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ein faserverstärkter Kunststoff. Beispielsweise ist er mit ungeordneten Kurzfasern aus Glas, Kohlenstoff oder einem anderen Faserwerkstoff gefüllt. Insbesondere können die Gehäuseschalen aus einem thermoplastischen oder einem thermoelastischen Kunststoff bestehen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die von den Reibschweißnähten eingenommene Fläche größer als die Querschnittsfläche der Gehäusewand. Mit anderen Worten, die beiden Reibschweißnähte haben gemeinsam eine Breite, die Dicke der Gehäusewand übersteigt. Auf diese Weise halten die beiden Reibschweißnähte die auftretenden Zugbelastungen ungeachtet der Tatsache stand, dass die Schweißnähte im Wesentlichen nicht von den im Kunststoff enthaltenen Fasern, z.B. Glasfasern oder Kohlenstofffasern überbrückt werden.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Zeichnung und Ansprüchen. Es zeigen:
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1 das Gehäuse in einer beispielhaften Ausführungsform, in perspektivischer Darstellung.
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2 eine Gehäuseschale des Gehäuses nach 1, in einer Ansicht mit Blickrichtung auf ihren Flansch.
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3 eine andere Gehäuseschale des Gehäuses nach 1, in vereinfachter Seitenansicht,
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4 das Gehäuse nach 1, geschnitten im Bereich seiner Flanschverbindung, in schematisierter Querschnittsdarstellung, und
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5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses mit drei Reibschweißnähten.
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In 1 ist ein Gehäuse 10 veranschaulicht, das nach der Zündschutzart druckfeste Kapselung (Ex-d) ausgebildet ist. Es dient beispielsweise der Aufnahme elektrischer oder elektronischer Komponenten oder sonstiger Bauelemente, die eine Zündquelle darstellen können. Das Gehäuse 10 kann mit nicht weiter veranschaulichten Leitungsdurchführungen versehen sein und so bspw. Leitungsanschlüsse 11, 12, 13, 14, aufweisen. Sie dienen der elektrischen Verbindung von in dem Gehäuse 10 angeordneten Komponenten mit Leitungen.
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Das Gehäuse 10 besteht aus mehreren, vorzugsweise lediglich zwei Gehäuseteilen 15, 16, d.h. einer ersten Gehäuseschale, die hier ein Unterteil bildet und einer zweiten Gehäuseschale, die hier ein Oberteil bildet. Das erste Gehäuseteil 15 weist eine Wandanordnung 17 auf, mit Seitenwänden und einem Boden. Von dem Rand dieser schalenartigen Wandanordnung 17 erstreckt sich etwa rechtwinklig ein ringsum laufender ebener Flansch 18 nach außen, d.h. von dem Innenraum des Gehäuses weg.
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In ähnlicher Weise ist der zweite Gehäuseteil 16 ausgebildet. Auch dieser weist eine Wandanordnung 19 auf, die vier Seitenwände definiert, von deren Rand sich ein ebener Flansch 20 weg erstreckt. Die Flansche 18, 20 sind zueinander deckungsgleich ausgebildet. Sie sind etwa in der Mitte der Höhe des Gehäuses 10 jedenfalls aber im mittleren Drittel derselben angeordnet. Die Höhe des Gehäuses 10 kann in 1 bspw. als der Abstand zwischen dem Gehäuseboden und den Anschlüssen 11 bis 14 genommen werden. Jedoch selbst wenn die Höhe zwischen dem Boden und dem oben aufragenden Dom des oberen Gehäuseteils 16 betrachtet wird, liegen die beiden Flansche 18, 20 noch immer innerhalb des mittleren Drittels der Höhe und des Gehäuses.
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Zur weiteren Veranschaulichung des Gehäuses 10 wird auf die 3 und 4 Bezug genommen. Beide Gehäuseteile 15, 16 sind entlang ihres jeweiligen Flansches 18, 20 mit Rippen 21, 22 versehen, die von dem jeweiligen auswärts gerichteten Flansch 18, 20 (siehe 4) aufragen und sich sowohl zu dem Flansch 18, 20 wie auch zu der jeweils anschließenden Wand 23, 24 im rechten Winkel erstrecken. Die Rippen 21 wie auch die Rippen 22 bilden dabei, wie insbesondere aus 1 hervorgeht, eine ringsum die Wandanordnung 17 bzw. 19 herumführende Reihe. Die Abstände der Rippen 21 untereinander bzw. die Abstände der Rippen 22 untereinander sind dabei vorzugsweise etwas größer als die Dicke jeder Rippe. Zumindest an den langen Seitenflächen sind die Abstände benachbarter Rippen 21 untereinander wie auch benachbarter Rippen 22 untereinander vorzugsweise kleiner als das Dreifache der Dicke einer Rippe. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit des Flansches 18 bzw. 20 erreicht.
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Wie 4 weiter zeigt, weist der Flansch 18 bzw. 20 quer zu der jeweiligen Wand 23, 24, d.h. radial nach außen gerichtet, eine Breite auf, die vorzugsweise zwei bis vier mal, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei mal so groß ist, wie die Dicke der Wand 23 bzw. 24. Die Materialstärke des Flansches 18, 20 stimmt vorzugsweise mit der Materialdicke der Wand 23 bzw. 24 überein. Zumindest abschnittsweise kann der Flansch 18 und 20 jeweils mit einem von dem Flansch weg ragendem Schenkel 25, 26 verbunden sein oder in einen solchen übergehen, so dass in 4 von dem Flansch 18, dem Schenkel 25 und der anschließenden Wand 23 ein nach unten offener U-Querschnitt gebildet ist. Der Flansch 20 bildet mit dem Schenkel 26 und der Wand 24 einen nach oben offenen U-Querschnitt. Der jeweilige U-Querschnitt schließt einen nach unten bzw. oben offenen Zwischenraum 27 ein. Die Rippen 21 tauchen in den Innenraum 27 und schließen dort sowohl an die Wand 23 wie auch an den Flansch 18 und den Schenkel 25 an. Ähnlich erstreckt sich die Rippe 22 in den Innenraum 27 und schließt an die Wand 24, den Flansch 20 und den Schenkel 26 an. Die Rippen 21 und der Schenkel 25 bilden ein Aussteifungsmittel 31 für den Flansch 18. Ähnlich bilden die Rippen 22 und der Schenkel 26 ein Aussteifungsmittel 32 für den Flansch 20.
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Der Schenkel 26 kann sich, wie 3 zeigt, auf einen Teil des Rands des Flansches 20 (und entsprechend 25, siehe 1) beschränken. Alternativ kann der Schenkel 25 bzw. 26 auch um den gesamten Umfang des jeweiligen Flansches 18, 20 herumführend angeordnet oder ausgebildet sein. Die beiden Flansche 18, 20 sind über eine Reibschweißverbindung untereinander verbunden. Diese wird durch schnelle Relativbewegung der beiden Gehäuseteile 15, 16 erzielt, wobei die Flansche 18, 20 dabei aneinander gedrückt werden.
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Die Reibschweißverbindung umfasst zwei Reibschweißnähte 28, 29, die in 2 schematisch auf dem Flansch 18 veranschaulicht sind. Die Reibschweißnaht 28 ist an der dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Seite des Flansches 18 bzw. 20 angeordnet. Vorzugsweise ist in Überschneidung zu der Wand 23 oder 24 angeordnet. 4 veranschaulicht dies. Eine in 4 vertikal durch die Wände 23, 24 gedachte Gerade schneidet auch die Reibschweißnaht 28. Die Wand 23, 24 überlappt sich mit vorzugsweise wenigstens der Hälfte der Breite der Reibschweißnaht 28. Deren Breite stimmt vorzugsweise ungefähr mit der Breite der Wand 23 und/oder 24 überein. Zumindest beträgt sie 3/5 bis 4/5 der Wandstärke.
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Die zweite Reibschweißnaht 29 ist parallel zu der ersten Reibschweißnaht 28 in einem Abstand zu dieser nahe des äußeren Rands des Flansches 18 bez. 20 außerhalb der Flucht mit den Wänden 23, 24 ausgebildet. Die Breite der Reibschweißnaht 29 ist vorzugsweise ebenso groß wie die Breite der Reibschweißnaht 28. Weiter vorzugsweise ist die Breite der Reibschweißnaht 29 geringer als die Dicke des Schenkels 25 und/oder 26.
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Anstelle der beiden Reibschweißnähte 28, 29 können auf jedem Flansch 18, 20 auch mehrere ringförmig geschlossene, zueinander lokal parallele Reibschweißnähte vorgesehen sein. Diese können zusammen eine Fläche aufweisen, die gleich oder größer als die von den Reibschweißnähten 28, 29 eingenommene Fläche ist. Ansonsten gilt die obige Beschreibung entsprechend.
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Die erhöhte Druckfestigkeit des Gehäuses 10 ergibt sich wie folgt:
Es wird davon ausgegangen, dass bei einem Zündversuch das Gehäuse mit einem explosionsfähigen Gasgemisch gefüllt ist. Dieses steht damit in 4 zur linken Seite der dort dargestellten Flanschverbindung des Gehäuses 10 an. Wird dieses Gasgemisch gezündet, ergibt sich ein impulsartig erhöhter Innendruck, der die Gehäuseteile 15, 16 voneinander weg drängt. Diese Kraft verläuft zunächst in der Wand 23 in 4 nach unten und in der Wand 24 in 4 nach oben gerichtet. Dank der Erfindung gelingt es nun, diese Kraft im Wesentlichen gleichmäßig auf die beiden Reibschweißnähte 28, 29 aufzuteilen. Querkräfte, die eine Biegebeanspruchung hervorrufen, werden durch die Aussteifungsmittel weitgehend vermieden und in Zugkräfte umgewandelt. Die Rippen 21, 22 steifen den Winkel zwischen dem Flansch 18 und der Wand 23 sowie zwischen dem Flansch 20 und der Wand 24 aus. Die Abstände zwischen benachbarten Rippen 21 und benachbarten Rippen 22 wird durch den jeweiligen Schenkel 25 bzw. 26 überbrückt. Deshalb verhält sich der Flansch 18 wie auch der Flansch 20 jeweils steif. Die durch die Wände 23, 24 eingeleitete Zugkraft wird entlang jeder Reibschweißnaht 28, 29, über deren jeweiligen gesamten Umfang gleichmäßig verteilt, wobei außerdem jede Reibschweißnaht 28, 29 im Wesentlichen die halbe Zugkraft übernimmt.
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In 5 ist ein Gehäuse 10’ zur weiteren Veranschaulichung von Ausführungsvarianten der Erfindung veranschaulicht. Wie ersichtlich können anstatt zweier auch drei (oder mehrere) Reibschweißnähte 28’, 28’a, 29’ vorgesehen werden. Diese Reibschweißnähte 28’, 28’a, 29’ sind im Abstand parallel zueinander auf dem gesamten Flansch 20’ ringsumführend in sich geschlossen angeordnet. Die vorige Beschreibung gilt unter Zugrundelegung gleicher, lediglich zur Unterscheidung mit einem Apostroph versehener Bezugszeichen entsprechend. Wiederum gilt, die Summe der Breiten der Reibschweißnähte 28’, 28’a, 29’ ist vorzugsweise größer als die Dicke der Wände 23’, 24’.
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Ein druckfestes explosionsfestes Gehäuse 10, das vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet ist, weist zwei Gehäuseteile 15, 16 auf, die über breite Flansche 18, 20 miteinander verbunden sind. Die Flansche 18, 20 sind durch zwei konzentrische Nähte reibverschweißt. Die Flansche 18, 20 bilden teilweise ein U-Profil, das mit Rippen 21, 22 ausgesteift ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10’
- Gehäuse
- 11–14
- Anschlüsse
- 15, 15’
- erstes Gehäuseteil
- 16, 16’
- zweites Gehäuseteil
- 17
- Wandanordnung
- 18
- Flansch
- 19
- Wandanordnung
- 20
- Flansch
- 21
- Rippen des ersten bzw. unteren Gehäuseteils 15
- 22
- Rippen des zweiten bzw. oberen Gehäuseteils 16
- 23, 23’
- Wand des ersten bzw. unteren Gehäuseteils 15
- 24, 24’
- Wand des zweiten bzw. oberen Gehäuseteils 16
- 25
- Schenkel des Flanschs 18
- 26
- Schenkel des Flanschs 20
- 27
- Innenraum
- 28, 28’
- innere Reibschweißnaht
- 28’a
- mittlere Reibschweißnaht
- 29, 29’
- äußere Reibschweißnaht
- 30,
- 30’a, 30’b Nut
- 31, 32
- Aussteifungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006052717 A1 [0003]
