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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Je nach Anwendung müssen Feldgeräte unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen arbeiten, eine Grundvoraussetzung ist jedoch die Verträglichkeit gegen äußere elektromagnetische Störeinflüsse, auch bekannt als elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV. Die geforderte elektromagnetische Verträglichkeit von elektrischen Mess-, Prüf- und Steuergeräten ist beispielsweise in der Norm DIN EN 61326 beschrieben. Diese umfasst unter anderem den Hochfrequenzbereich zwischen 100 MHz und 10 GHz. Einen wesentlichen Beitrag zur elektromagnetischen Verträglichkeit von Feldgeräten in diesem Frequenzbereich leisten deren Gehäuse. Sofern das Gehäuse als Faraday’scher Käfig ausgelegt ist, wird das Gehäuseinnere vor den in diesem Frequenzband liegenden EMV-Störsignalen geschützt. Voraussetzung hierfür ist, dass zumindest die Gehäuseinnen- oder Außenseite oberflächig weitestgehend durchgehend leitfähig ist.
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Besteht das Gehäuse aus mehreren Teilkomponenten, so müssen diese Teilkomponenten zusätzlich untereinander durch eine auf den Frequenz-Bereich bezogene geringe Übergangs-Impedanz miteinander elektrisch verbunden sein. Dies gilt insbesondere für Gehäusedeckel, durch welche das Geräteinnere im Bedarfsfall zugänglich ist.
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Bei vielen Gehäusetypen ist die Verbindung zwischen Gehäusedeckel und dem Gehäuse als Schraubverbindung realisiert. Bei der Wahl des Gewindetyps ist dabei üblicherweise der erzielte Kraftschluss zwischen Gehäuse und Gehäusedeckel das ausschlaggebende Kriterium, um beispielsweise eine hermetische Kapselung zu erzielen. Bei Metallgehäusen werden daher bevorzugt Dreiecksgewinde verwendet, bei Kunststoffgehäusen wird zwecks hinreichender Leitstützstruktur für den Kraftschluss in der Regel auf Trapezgewinde gemäß DIN 6063-2 zurückgegriffen.
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Nachteilig an diesen Gewindearten ist jedoch die unzureichende Übergangs-Impedanz für hochfrequente elektromagnetische Störsignale zwischen Außen- und Innengewinde im genannten Frequenzbereich. Diese unzureichende Übergangs-Impedanz resultiert aus dem Skin-Effekt. Dieser Effekt beschreibt, dass hochfrequente Signale in einem elektrischen Leiter nur oberflächennah geleitet werden, was im Falle von kantigen Gewinde-Geometrien wie Dreiecks- oder Trapezgewinden zu einer hohen Übergangsimpedanz und somit zu einer schlechten Ableitung des EMV Störsignals führt, so dass die EMV-Schutzfunktion des Gehäuses nur unzureichend ausgebildet ist.
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Im Gegensatz dazu weisen Gewindearten mit verrundeter Gewindeflankenform deutlich verringerte Übergangs-Impedanzen auf. Unter diesem Aspekt stellen Rundprofile nach DIN 405 einen aus Impedanz-Gesichtspunkten gesehen sehr günstigen Fall dar. Allerdings ist der Kraftschluss bei dieser Gewindeart in der Regel äußerst gering.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraubverbindung zwischen zwei Gehäuseteilen eines Feldgerätes der Prozessautomation bereitzustellen, bei dem die Schraubverbindung sowohl ausreichenden Kraftschluss als auch eine verringerte Übergangs-Impedanz aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gehäuse für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Schraubverbindung gelöst, bei dem die Schraubverbindung ein erstes Gehäuseteil mit einem Außengewinde mit einem zweiten Gehäuseteil mit einem Innengewinde verbindet. Hierbei weisen das Außengewinde und das Innengewinde eine erste Gewindeart mit einer ersten Gewindeflankenform auf, welche erste Gewindeart derart ausgestaltet ist, dass das Außengewinde und das Innengewinde eine kraftschließende Schraubverbindung bilden, und wobei das Außengewinde und das Innengewinde zumindest in korrespondierenden Teilsegmenten der Oberfläche elektrisch leitfähig sind. Außerdem weisen/weist das Außengewinde und/oder das Innengewinde zumindest ein Gewinde-Segment von zumindest einer Windung mit einer zweiten Gewindeart auf, welche zweite Gewindeart kompatibel zur ersten Gewindeart ist, und welche zweite Gewindeart eine zweite Gewindeflankenform aufweist. Dabei ist die zweite Gewindeart derart ausgestaltet, dass die Übergangs-Impedanz zwischen den beiden Gehäuseteilen im Vergleich zur ersten Gewindeart verringert ist. Die Kompatibilität bezieht sich im Fall der zwei Gewindearten darauf, dass sich das Außen- und Innengewinde trotz des Gewinde-Segments mit abweichender Gewindeflankenform miteinander verschrauben lassen. Voraussetzung hierfür sind eine identische Steigung der beiden Gewindearten sowie zueinander korrespondierende Innen-sowie Außendurchmesser. Die Größe des Gewinde-Segments ist prinzipiell nicht festgelegt. Je nach Gesamtlänge des Gewindes kann sie das Vielfache einer Windung betragen, sie kann jedoch auch nur den Bruchteil einer volle Windung umfassen.
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In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegen sich für den Fall, dass das Außengewinde und das Innengewinde das Gewinde-Segment aufweisen, die zwei Gewinde-Segmente im verschraubten Zustand zumindest näherungsweise deckungsgleich gegenüber. Mit dieser Konfiguration kann insofern ein Synergieeffekt erzielt werden, als dass sich durch die gegenüberliegenden Gewinde-Segmente mit jeweils Impedanz-reduzierter Gewindeform eine überproportionale Verringerung der Übergangs-Impedanz ergibt.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Gehäuseteil oder dem zweiten Gehäuseteil um einen Gehäusedeckel.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn der erste Gehäuseteil und/oder der zweite Gehäuseteil aus einem metallischem Werkstoff gefertigt sind/ist. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist es nicht notwendig, mit nachträglichen Maßnahmen eine elektrische Leitfähigkeit der Gehäuseinnen- oder Außenflächen zu erreichen, um das Funktionsprinzip eines Faraday‘schen Käfigs zu erhalten.
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Bevorzugt sind/ist der erste Gehäuseteil und/oder der zweiten Gehäuseteil aus einem Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff gefertigt. In diesem Fall ist es gegebenenfalls notwendig, die Gehäuseinnen- oder Außenfläche durch nachträgliche Maßnahmen elektrisch leitfähig auszugestalten. Dies kann beispielsweise durch Auftragen einer Metallisierungs-Schicht mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung erzielt werden. Bei der Metallisierungsschicht kann es sich auch um Mehrlagensysteme wie beispielsweise Nickel-Chrom/Kupfer handeln, bei der die untere Schicht als Haftvermittler dient, die obere Schicht stellt die eigentliche elektrische Leitfähigkeit her. Ebenso denkbar ist, dass sich über der Metallisierungs-Schicht eine weitere Schicht befindet, die der Oxidation oder der Abrasion der Metallisierungsschicht dient
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In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung bestehen die korrespondierenden Teilsegmente der Oberflächen des Innengewindes und des Außengewindes aus einer Metallisierungs-Schicht. Dies kann wiederum mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung erzielt werden.
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Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Gewindeart um ein Trapezgewinde nach DIN 6063-2. Diese Gewindeart wird vor allem bei Kunststoffgehäusen zur Erzielung eines hohen Kraftschlusses verwendet. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die erste Gewindeart auch jegliche andere Gewindeflankenform aufweisen kann, die auch bei anderen Gehäusematerialien zu einem hohen Kraftschluss führt.
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Vorteilhaft können/kann das zumindest eine Gewinde-Segment der zumindest einen Windung mit der zweiten Gewindeart in einem der Endbereiche des Innengewindes und/oder des Außengewindes liegen. Dies kann vor allem aus fertigungstechnischer Sicht diejenige Stelle des Gewindes sein, an der ein Gewinde-Segment mit einer zweiten, abweichenden Gewindeflankenform am leichtesten eingefügt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung handelt es sich bei der zweiten Gewindeart um ein Rundgewinde nach DIN 405. Durch die kantenarme Gewinde-Oberfläche ist eine verbesserte Oberflächenleitfähigkeit gegeben, wodurch die Übergangs-Impedanz zwischen den beiden Gehäuseteilen verringert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Gewindeflankenform derart asymmetrisch ausgestaltet, dass sie eine in Verschraubrichtung vorne liegende erste Flanke aufweist, welche verrundet ist, und dass die zweite Gewindeflankenform eine in Verschraubrichtung hinten liegende zweite Flanke aufweist, welche eben ist. Diese asymmetrische Kantengeometrie stellt einen Kompromiss aus hohem Kraftschluss und verringerter Übergangs-Impedanz dar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform weißt die erste Gewindeart am Außengewinde einen ersten Außenradius auf, welcher konstant ist, wobei die zweite Gewindeart am Außengewinde einen ersten Innenradius aufweist, welcher konstant ist. Hierbei weißt die zweite Gewindeart am Außengewinde einen zweiten Außenradius auf, welcher in zumindest einem der zwei Endbereichen des Gewindes identisch zum ersten Innenradius ist, und welcher zweite Außenradius sich entlang des Gewinde-Segments der zumindest einen Windung in einer festgelegten Steigung vom ersten Innenradius auf den ersten Außenradius vergrößert. Diese Ausführung der zweiten Gewindeart, bei der sich das Außengewinde zu einem Ende des Gewindes hin abflacht, stellt eine weitere Variante dar, um die Übergangs-Impedanz zwischen den beiden Gehäuseteilen zu reduzieren.
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In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung weißt die erste Gewindeart am Innengewinde einen zweiten Innenradius auf, welcher konstant ist, wobei die zweite Gewindeart am Innengewinde einen dritten Außenradius aufweist, welcher konstant ist. Hierbei weißt die zweite Gewindeart am Innengewinde einen vierten Außenradius auf, welcher in zumindest einem der zwei Endbereiche des Gewindes identisch zu dem dritten Außenradius ist, und welcher vierte Außenradius sich entlang des Gewinde-Segments der zumindest einen Windung in einer festgelegten Steigung vom dritten Außenradius auf den zweiten Innenradius verkleinert. Bei dieser weiteren Ausführungsvariante der zweiten Gewindeart flacht sich das Innengewinde zu einem Ende des Gewindes hin ab und dient dem gleichen Zweck wie ein sich abflachendes Außengewinde, und zwar wiederum der Verminderung der Übergangs-Impedanz. Es versteht sich von selbst, dass sich der erfindungsgemäße Gedanke nicht nur auf Feldgeräte der Prozessautomation beschränkt, sondern die Erfindung bei allen Geräten anwendbar ist, die eine Schraubverbindung umfassen und die eine Schutzfunktion gegen EMV Störsignale aufzuweisen haben.
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Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: Querschnittsansicht eines Gehäuses mit Außengewinde und einem Gehäusedeckel mit Innengewinde,
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2: Schrägansicht des Außengewindes, bei dem sich ein Gewinde-Segment mit einer runden Gewindeflankenform über eine viertel Windung erstreckt,
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3: Seitenansicht des Außengewindes, bei dem das Gewinde-Segment aus einem sich zum Ende des Gewindes verkleinerndem Außenradius besteht,
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4: Querschnittsansicht des Innengewindes, bei dem das Gewinde-Segment aus einem sich zum Ende des Gewindes vergrößerndem Innenradius besteht, und
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5: Vergrößerte Querschnittsansicht A des Gewindes in 1, bei dem das Gewinde-Segment aus einer asymmetrischen Gewindeflankenform besteht.
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In den Figuren sind verschiedene Ausgestaltungsformen des Gewindes mit verringerter Übergangs-Impedanz dargestellt. Die verschiedenen Ausführungsformen unterscheiden sich einerseits durch die Anordnung eines Gewinde-Segments 6 innerhalb des Gewindes. Zum anderen beziehen sie sich auf mögliche Ausgestaltungsformen der im Gewinde-Segment 6 vorhandenen zweiten Gewindeart, die zum Zwecke der Übergangs-Impedanz-Reduktion von der außerhalb des Gewinde-Segments 6 liegenden ersten Gewindeart abweicht.
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1. dient in erster Linie zur Übersicht: Zu sehen ist ein Gehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel. In der vorliegenden Figur ist an dem ersten eigentlichen Gehäuseteil 2 ein Außengewinde 3 angerbracht. An einem zweiten Gehäuseteil 4, dem Gehäusedeckel, befindet sich ein Innengewinde 5. Auch in den weiteren Figuren, 2 bis 5, befindet sich das das Innengewinde 5 am Gehäusedeckel.
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2 zeigt die Schrägansicht des Außengewindes 3 mit einer trapezförmigen Gewindeflankenform. Hier ist eine mögliche Ausgestaltung der zweiten Gewindeart dargestellt. Am Ende des Gewindes befindet sich ein Gewinde-Segment 6, welches sich über eine viertel Windung erstreckt und eine runde Gewindeflankenform aufweist. Durch die runde Gewindeflankenform wird die Übergangs-Impedanz zum Innengewinde 5 verringert.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der zur Verringerung der Übergangs-Impedanz bestimmten zweiten Gewindeart. In dieser Seitenansicht des Außengewindes 3 wird gezeigt, dass sich das Gewinde-Segment 6 wiederum am Ende des Außengewindes 3 befindet. Es umfasst in diesem Fall jedoch mehr als eine Windung, darüber hinaus ist die zweite Gewindeart als ein sich zum Ende des Gewindes verkleinernder zweiter Außenradius 11 ausgeführt.
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4 zeigt das Pendant des in 3 dargestellten Gewinde-Segments 6 mit sich verkleinerndem viertem Außenradius 14. Im Gegensatz zu 3 zeigt 4 das Innengewinde 5, an dessen Ende sich das Gewinde-Segment 6 befindet. Analog zu der in 3 dargestellten Ausgestaltungsvariante ist in 4 die zweite Gewindeart als ein sich zum Ende des Gewindes verkleinernder vierter Außenradius 14 ausgeführt.
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In 5 ist der vergrößerte Ausschnitt A des in 1 dargestellten Gewindes zu sehen. In dieser Figur ist diejenige Ausgestaltungsform der zweiten Gewindeart dargestellt, die einen Kompromiss aus hohem Kraftschluss und verringerter Übergangs-Impedanz erzielt: Es handelt sich um die asymmetrische Ausführungsform, die eine in Verschraubrichtung vorne liegende erste Flanke 7 aufweist, die verrundet ist. Gegenüberliegend, das heißt, in Verschraubrichtung hinten liegend weist sie eine zweite Flanke 8 auf, welche eben ist. 5 macht deutlich, dass sich diese zweite asymmetrische Gewindeart am Innengewinde 5 und/oder am Außengewinde 4 befinden kann. Die Verschraubrichtung ist in diesem Fall als diejenige Richtung definiert, in die sich das erste Gehäuseteil 2 mit einem Außengewinde 3 beim Verschrauben in Bezug zum zweiten Gehäuseteil 4 mit dem Innengewinde 5 bewegt, beziehungsweise in die sich das zweite Gehäuseteil 4 mit dem Innengewinde 5 beim Verschrauben in Bezug zum ersten Gehäuseteil 2 mit dem Außengewinde 3 bewegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Erstes Gehäuseteil
- 3
- Außengewinde
- 4
- Zweites Gehäuseteil
- 5
- Innengewinde
- 6
- Gewinde-Segment
- 7
- Erste Flanke
- 8
- Zweite Flanke
- 9
- Erster Außenradius
- 10
- Erster Innenradius
- 11
- Zweiter Außenradius
- 12
- Zweiter Innenradius
- 13
- Dritter Außenradius
- 14
- Vierter Außenradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN EN 61326 [0003]
- DIN 6063-2 [0005]
- DIN 405 [0007]
- DIN 6063-2 [0015]
- DIN 405 [0017]
