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Die Erfindung betrifft eine Geräte-Anordnung.
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Moderne Computer werden in zunehmendem Maße in Form sogenannter Tablet-Computer – in Fachkreisen auch vereinfacht ”Tablets” genannt – hergestellt. Bei einem solchen Tablet handelt es sich um einen tragbaren Computer mit flacher Geometrie, der über ein in Form eines Touchscreens ausgebildetes, berührungsempfindliches Display verfügt. Das Display des Tablets dient gleichzeitig als Eingabeeinheit, was die separate Bereitstellung einer Tastatur oder einer Maus überflüssig macht. Tablets der neuesten Generation ähneln in ihrem Leistungsumfang jenem moderner Smartphones.
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Aufgrund ihrer einfachen Handhabung finden Tablet-Computer auch in zunehmendem Maße in explosionsgefährdeten Bereichen wie beispielsweise Bohrinseln o. ä. als Arbeitsgerät Anwendung. Für jedwede elektronische Geräte, die in solchen, explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz kommen, gelten u. a. in der DIN-Norm EN 60079-0 definierte Anforderungen hinsichtlich der zwingend erforderlichen mechanischen Festigkeit der Geräte. Gerade die Displays herkömmlicher, kommerziell erhältlicher Tablet-PC- genügen den in dieser Norm spezifizierten Mindestanforderungen jedoch nicht. Als problematisch beim Betrieb von Tablet-Displays in explosionsgefährdeten Bereichen erweisen sich darüber hinaus die vom Display fehlerbedingt erreichten Temperaturen auf der Oberfläche des Displays, die Werte bis 200°C erreichen können. Bei solch hohen Temperaturen besteht jedoch die Gefahr, dass ein im explosionsgefährdeten Bereich vorhandenes Gas-Luftgemisch gezündet und zur Explosion gebracht wird.
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Eine Möglichkeit, die mechanische Festigkeit des Displays eines Tablets zu erhöhen, besteht nunmehr darin, auf dessen Oberseite eine zusätzliche, durchsichtige Glasscheibe mit hoher Glashärte anzubringen, wodurch auch eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Displays erzielt werden kann. Als problematisch im Zusammenhang mit einer solchen zusätzlichen Glasscheibe erweist sich jedoch die in einem Touchscreen zwingend notwendige Detektion einer Berührung des Displays durch den Benutzer. Diese erfolgt in herkömmlichen Tablets typischerweise mittels oberflächen-kapazitiver Signaldetektion. Wird nun auf dem eigentlichen Display eine zusätzliche Glasscheibe angebracht, so besteht die Gefahr, dass die erforderliche Signalkopplung zwischen dem Benutzer, wenn dieser das Display bzw. die darauf angebrachte Glasscheibe berührt, und dem elektronischen Gerät nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit gewährleistet ist. Einen weiteren kritischen Aspekt bei der Verwendung einer zusätzlichen Glasscheibe stellt die Abführung der vom Display erzeugten Abwärme dar.
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Vor diesem Hintergrund beschreibt die
WO 2013/116370 A ein zweiteiliges explosionsgeschütztes Gehäuse zur Aufnahme eines Tablet-Computers. Das Gehäuse umfasst ein erstes und ein zweites Gehäuseteil. In einem der beiden Gehäuseteile ist ein Sichtfenster angeordnet. Beide Gehäuseteile sind lösbar aneinander befestigbar. Sind die beiden Gehäuseteile aneinander befestigt, so wird verhindert, dass eine Entzündung oder Explosion des im Gehäuse aufgenommenen Tablet-Computers im Fehlerfall nach außen gelangen kann.
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Die
DE 41 14 450 A1 behandelt einen tragbaren Kleincomputer, dessen Gehäuse mit einer wenigstens in Teilbereichen durchsichtigen Platte versehen ist. Besagte Platte weist einen durchsichtigen Bedienungstastatur-Bereich und einen durchsichtigen Wiedergabe-Bereich auf.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer Geräte-Anordnung mit einem elektronischen Gerät zu schaffen, welche für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet ist und bei welcher die oben genannte Problematik nicht mehr auftritt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Geräte-Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, ein elektronisches Gerät mit einem Display, insbesondere einen Tablet-Computer, mit einer auf dem Display befestigten, durchsichtigen Abdeckung auszustatten, wobei innerhalb der Abdeckung eine durchsichtige Flüssigkeit vorgesehen wird. Eine solche, durchsichtige Abdeckung bewirkt bei geeigneter Wahl des Materials der Abdeckung, so etwa gehärtetes Glas, einerseits die gewünschte Erhöhung der mechanischen Festigkeit des gesamten Displays des elektronischen Geräts.
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Andererseits wird durch die Bereitstellung einer zusätzlichen Abdeckung das Auftreten lokaler Zonen mit hoher Oberflächentemperatur auf der Displayoberfläche vermieden, denn die erfindungsgemäße Abdeckung bewirkt eine homogenisierte Temperaturverteilung, wodurch lokale, für die Verwendung in einem explosionsgefährdeten Bereich kritische Temperaturspitzen aufgrund im Gerät auftretender Fehlerzustände vermieden werden können.
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Hierzu dient die in der Abdeckung enthaltene Flüssigkeit zum Abtransport der vom Display erzeugten Abwärme, wobei der physikalische Effekt der natürlichen Konvektion ausgenutzt wird: Der nahe am Display befindliche Teil der Flüssigkeit nimmt die vom Display abgegebene Abwärme auf, was zu einer Temperatur- und Dichteerhöhung der Flüssigkeit in diesem Bereich führt. In der Folge kommt es zur Schwerkraftzirkulation des Kühlmittels, d. h. das erwärmte Kühlmittel erfährt im Schwerkraftfeld einen Auftrieb in Richtung entgegengesetzt zur Schwerkraft, also zu einem Bereich geringerer Erwärmung hin. Im oberen Bereich der Abdeckung, d. h. in einer vom Display abgewandten Zone kann die Flüssigkeit dann die vorher aufgenommene Abwärme wieder nach außen, in die Umgebung abgeben, wobei sie sich wieder abkühlt und folglich schwerkraftbedingt wieder in den Bereich nahe am Display absinkt. Dort vermag sie im Zuge eines erneuten Zirkulations-Zyklus' erneut Abwärme vom Display aufzunehmen. Der vorangehend erläuterte Effekt der natürlichen Konvektion ist dem einschlägigen Fachmann auch als Thermosiphonkühlung bekannt.
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Eine erfindungsgemäße Geräte-Anordnung umfasst ein ein Display aufweisendes elektronischen Gerät, insbesondere einen Tablet-Computer, mit einer auf dem Display befestigten und durchsichtigen Abdeckung. Unter dem Begriff ”durchsichtig” seien dabei insbesondere alle Materialien gefasst, welche für das menschliche Auge sichtbares Licht wenigstens teilweise transmittieren. Die Abdeckung der Geräte-Anordnung umfasst ein erstes und ein zweites, jeweils im genannten Sinne durchsichtiges Abdeckelement, wobei zwischen den beiden Abdeckelementen sandwichartig eine ebenfalls durchsichtige Flüssigkeit angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, das erste Abdeckelement als erste Abdeckplatte und das zweite Abdeckelement als zweite Abdeckplatte auszubilden. Eine plattenartige Ausbildung gestattet es, die Abdeckung mit einer im Zusammenhang mit einem Tablet-Computer vorteilhaften, geringen Abdeckungshöhe zu versehen.
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Eine besonders effektive Wärmeabführung der vom Display erzeugten Abwärme über die im Gehäuse zirkulierende Flüssigkeit und über das Gehäuse selbst kann erreicht werden, wenn die beiden Abdeckplatten als Teil des Gehäuses durch weitere Abdeckplatten zum gesamten Gehäuse komplettiert werden. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, zusätzlich zur ersten und zweiten Abdeckplatte zwei Längs- und zwei Querplatten vorzusehen, die die beiden Abdeckplatten zum Gehäuse vervollständigen. Die verschiedenen Platten mögen dabei separat gefertigt und anschließend, beispielsweise mittels Verkleben, aneinandergefügt werden. Alternativ ist es aber auch denkbar, zwei oder mehrere der einzelnen Platten einstückig herzustellen. Für die Längs- und Querplatten kommt als Gehäusematerial ein Kunststoff oder ein anderes geeignetes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so beispielsweise eine Keramik, in Betracht.
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Eine besonders gute kapazitive Kopplung der ersten Abdeckplatte mit dem Display wird erzielt, wenn die Flüssigkeit im Gehäuse eine möglichst geringe Flüssigkeitshöhe besitzt. Definiert man eine orthogonal zu den beiden Abdeckplatten verlaufende Richtung als Hochrichtung, so wird vorgeschlagen, die im Gehäuse angeordnete Flüssigkeitsmenge derart zu begrenzen, dass die Flüssigkeit bezüglich dieser Hochrichtung eine Höhe von maximal 2 mm, vorzugsweise von maximal 1 mm, aufweist.
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Auch eine möglichst geringe Plattendicke der beiden Abdeckplatten begünstigt besagte kapazitive Kopplung und stellt somit die Touchscreen-Funktionalität des gesamten Displays sicher. Daher wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die erste Abdeckplatte mit erster Plattendicke versehen wird, die zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm, beträgt. Entsprechend erweist es sich alternativ oder zusätzlich als vorteilhaft, wenn die zweite Abdeckplatte eine zweite Plattendicke aufweist, die die zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm, beträgt.
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Darüber hinaus begünstigt auch eine geeignet hohe Flüssigkeits-Dielektrizitätszahl der im Gehäuse angeordneten, durchsichtigen Flüssigkeit die Touchscreen-Funktionalität des Displays. Als besonders zweckmäßig erweist sich daher ein Wert für die Flüssigkeits-Dielelektrizitätszahl besagter Flüssigkeit von wenigstens 40, vorzugsweise von wenigstens 30, höchst vorzugsweise von wenigstens 20.
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Eine besonders gute thermische Ankopplung des Displays an die Abdeckung und somit eine besonders effektive Kühlung des Displays lässt sich erzielen, indem das erste Abdeckelement mittels einer Klebverbindung am Display befestigt wird. Als Klebstoff kann dabei insbesondere Acyralat verwendet werden, der einerseits eine geeignet hohe Dielektrizitätszahl besitzt, so dass die kapazitiven Eigenschaften des gesamten Touchscreens erhalten bleiben, andererseits aber euch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,2 W/mK aufweist, so dass eine hohe Wärmestromdichte vom Display zur Abdeckung und folglich eine effektive Abführung der vom Display erzeugten Abwärme erzielt werden kann.
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Als besonders bevorzugt mag eine Ausführungsform erachtet werden, bei welcher die Klebeverbindung als Klebeschicht aus einem durchsichtigen Klebstoff ausgebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Klebstoff eine Klebstoff-Dielektrizitätszahl von wenigstens 4, vorzugsweise von wenigstens 10, aufweisen. Eine möglichst hohe Klebstoff-Dielelektrizitätszahl sorgt dafür, dass das Material des Klebstoffs die erforderliche kapazitive Kopplung der Abdeckung an das Display des elektronischen Geräts nicht in unerwünschter Weise mindert.
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Schließlich kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform das erste Abdeckelement eine erste Abdeckelement-Dielektrizitätszahl von wenigstens 4, vorzugsweise von wenigstens 7, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das zweite Abdeckelement eine zweite Abdeckelement-Dielektrizitätszahl von wenigstens 4, vorzugsweise von wenigstens 7, aufweisen.
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Eine besonders gute Touchscreen-Funktionalität wird indes erzielt, wenn die Flüssigkeits-Dielektrizitätszahl größer ist als die erste Abdeck-Dielektrizitätszahl und darüber hinaus auch größer ist als die Klebstoff-Dielektrizitätszahl.
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Als Material für die in das Gehäuse eingebrachte, durchsichtige Flüssigkeit wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Glycerin vorgeschlagen, das eine Flüssigkeits-Dielektrizitätszahl von ungefähr 40 aufweist. Dieser Wert kann temperaturabhängig variieren. Gemäß dieser Ausführungsform wird als Material für den Klebstoff Acrylat, vorgeschlagen, wohingegen die beiden Abdeckelemente, ebenfalls alternativ oder zusätzlich, aus einem, insbesondere gehärteten, Glas oder einer durchsichtigen Keramik oder einer Kombination aus beidem hergestellt werden.
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Eine mechanisch besonders hohe Festigkeit im Gehäuse wird in einer vorteilhaften Weiterbildung erzielt, wenn das Glas der Abdeckungselemente eine Glashärte von wenigstens 600 HV-02/20, vorzugsweise von wenigstens 680 HV-02/20, höchst vorzugsweise von wenigstens 780 HV-02/20 besitzt, wobei ”HV” die Vickers-Härte des Glases bezeichnet.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 illustriert in grobschematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Geräte-Anordnung 1 mit einem ein Display 3 aufweisendes elektronischen Gerät 2 in der Art eines Tablet-Computers. Auf dem Display ist eine Abdeckung 4 befestigt, welche ein erstes und ein zweites, jeweils durchsichtiges Abdeckelement 5a, 5b umfasst. Zwischen den beiden Abdeckelementen 5a, 5b ist sandwichartig eine durchsichtige Flüssigkeit 6 angeordnet.
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Wie 1 erkennen lässt, sind die beiden Abdeckelemente 5a, 5b jeweils als Abdeckplatten 11a, 11b aus gehärtetem Glas oder einer durchsichtigen Keramik – optional auch aus einer Kombination aus beidem – ausgebildet. Die Glashärte des Glases beträgt dabei wenigstens 600 HV-02/20. Die im Beispielszenario gezeigte Ausbildung in Plattenform ermöglicht es, die Abdeckung 4 mit einer für den Betrieb zusammen mit einem Tablet-Computer vorteilhaften, geringen Abdeckungshöhe HA auszustatten. Die beiden Abdeckplatten 11a, 11b werden durch zwei weitere Längsplatten und zwei weitere Querplatten – in 2 sind nur die beiden Querplatten 9a, 9b dargestellt – zu einem Gehäuse 11 komplettiert. Das Gehäuse 10 umhüllt somit einen Hohlraum 8, welcher von der durchsichtigen Flüssigkeit 6 ausgefüllt wird. Die im Hohlraum 8 der Abdeckung 4 bzw. des Gehäuses 10 enthaltene Flüssigkeit 6 dient zum Abtransport der vom Display 3 erzeugten Abwärme in die Umgebung U der Geräte-Anordnung 1. Hierzu wird, wie eingangs bereits erörtert, der physikalische Effekt der natürlichen Konvektion ausgenutzt.
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Die verschiedenen Platten 11a, 11b, 9a, 9b können separat gefertigt und anschließend – nach dem Befüllen des Hohlraums 8 mit der durchsichtigen Flüssigkeit 6 – beispielsweise mittels Verkleben aneinandergefügt werden. Als Material für die Längs- bzw. Querplatten 9a, 9b kommt dabei etwa ein Kunststoff oder eine Keramik in Betracht. Das erste Abdeckelement 5a in Form einer Abdeckplatte 9a ist mittels einer Klebverbindung in Form einer durchsichtigen Klebeschicht 12 am Display 3 fixiert. Als Klebstoff wird dabei Acrylat verwendet, der eine Dielektrizitätszahl von ungefähr 4 besitzt.
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Die hier vorgestellte, in Blickrichtung B auf das Display 3 durchsichtige Abdeckung 4 bewirkt einerseits eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit des gesamten Displays 3 und somit des elektronischen Geräts 1. Andererseits wird durch die Bereitstellung der Abdeckung 4 mit den beiden Abdeckelementen 5a, 5b und der Flüssigkeit 6 das Auftreten lokaler Zonen mit hoher Oberflächentemperatur auf der Oberfläche des Displays 3 bzw. auf einer Oberfläche 7 des ersten Abdeckelements 5a vermieden. Insbesondere das Auftreten von in einem explosionsgefährdeten Bereich hochkritischen, fehlerbedingten Temperaturspitzen in unmittelbarer Umgebung des Displays 3 kann auf diese Weise weitgehend oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
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Eine besonders gute kapazitive Kopplung der zweiten Abdeckplatte 9b mit dem Display 3 wird erzielt, wenn auch die Flüssigkeit 6 eine möglichst geringe Flüssigkeitshöhe HF besitzt. 1 zeigt vor diesem Hintergrund eine orthogonal zu den beiden Abdeckplatten 11a, 11b verlaufende Hochrichtung H, bezüglich derer die im Gehäuse 10 angeordnete Flüssigkeit 6 Flüssigkeitshöhe HF maximal 1 mm beträgt.
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Bei der in der Abdeckung 4 vorgesehenen Flüssigkeit 6 handelt es sich im Beispielszenario um Glycerin, welches eine Flüssigkeits-Dielektrizitätszahl von ca. 40 besitzt. In Varianten können aber selbstverständlich auch andere durchsichtige Flüssigkeiten 6 mit entsprechend variierenden Flüssigkeits-Dielektrizitätszahlen verwendet werden. Darüber hinaus weist das erste Abdeckelement 5a eine erste Abdeckelement-Dielektrizitätszahl von wenigstens 4, vorzugsweise von wenigstens 7, auf. Entsprechend weist auch das zweite Abdeckelement 5b eine zweite Abdeckelement-Dielektrizitätszahl von wenigstens 4, vorzugsweise von wenigstens 7, auf.
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Auch eine möglichst geringe Plattendicke d1, d2 der beiden Abdeckplatten 11a, 11b begünstigt eine wirksame kapazitive Kopplung der Abdeckung 4 mit dem Display 3 und stellt somit die Touchscreen-Funktionalität des Displays 3 sicher. Die erste Abdeckplatte 11a weist daher im Beispiel eine erste Plattendicke d1 auf, zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm, beträgt. Entsprechend weist die zweite Abdeckplatte 11b eine zweite Plattendicke d2 auf, die zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm, beträgt.
