DE19715573A1

DE19715573A1 - Gehäuse

Info

Publication number: DE19715573A1
Application number: DE19715573A
Authority: DE
Inventors: Richard Baur; Engelbert Dipl Ing Woerle; Guenter Dipl Ing Fendt
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2017-04-16
Also published as: EP0904216A1; EP0904216B1; DE19715573C2; WO1998046458A1; US6180875B1; DE59806101D1; ES2183357T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, insbesondere eines Kraftfahr zeug-Steuergerätes, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

In der Regel werden elektrische und elektronische Bauelemente insbesondere elektronische Steuergeräte zum Schutz vor äußeren Einflüssen wie z. B. mechanische Einwirkungen, Staub und Feuchtigkeit in ein Gehäuse eingebaut. Die Anforderungen an dieses Gehäuse sind beim Einsatz im Kraftfahrzeug besonders hoch. Derartige Gehäuse müssen die empfindliche Elektronik vor Feuchtigkeit schützen, die in flüssiger Form als Wasser oder gasförmig als Wasserdampf in das Gehäuse eindringen kann. Die Gehäuse bestehen in der Regel zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff. Diese Kunststoffteile sind zwar wasserdicht jedoch nicht gasdicht, so daß Wasser in gasförmiger Form eindringen kann. Wird ein mehrteiliges Gehäuse durch entsprechende Dichtungen wasserdicht verschlossen, so kann zwar keine Flüssigkeit jedoch aber Gas in das Innere des Gehäuses eindringen. Es gilt dann:

Q: Hindurchtretende Gasmenge in cm³ oder Wasserdampfmenge in g
A: Oberfläche in cm²
t: Einwirkzeit in Tagen
d: Wandstärke in cm
P: Permeationskonstante in cm²/t (Gas) bzw. g/(cm.t) (Wasserdampf).

Unterscheidet sich aber der Druck außerhalb des Gehäuses vom dem Druck, der im Gehäuse herrscht, und der vor allem dadurch zustande kommt, daß sich die Temperaturen im und um das Gehäuse unterscheiden, dann gelangt Luft in das Gehäuseinnere. Es gilt dann:

Q: Hindurchtretende Gasmenge in cm³ oder Wasserdampfmenge in g
A: Oberfläche in cm²
t: Einwirkzeit in Tagen
δp: Druckdifferenz in cm Quecksilbersäule
d: Wandstärke in cm
P: Permeationskonstante in cm/t (Gas) bzw. g/(cm².t) (Wasserdampf)

Die Luft enthält aber auch gasförmigen Wasserdampf, der wegen seiner kleineren Teilchengröße durch den Kunststoff hindurch aufgrund der Druckdifferenz in das Gehäuse eindringt. Bei folgenden Parametern kann sich im Kraftfahrzeug-Bereich eine nicht vernachlässigbare Wassermenge im Gehäuse ansammeln. Es gilt bei 85% relative Luftfeuchtigkeit außen und 0% relative Luftfeuchtigkeit innen bei einer Temperatur von 20°C und 1 bar Luftdruck.

P = 2,1 10^-6 g/(cm² t) für Polybutylenterephthalat
A = 32 cm²
d = 1,5 mm
t = 15 Jahre = 5475 Tage wobei:

10% Betriebszeit (547,5 Tage) bei 20°C keine Druckdifferenz
20% Betriebszeit (1095 Tage) bei 40°C δp = 0,068 bar = 5,17 cm
50% Betriebszeit (2737,5 Tage) bei 60°C δp = 0,137 bar = 1041 cm
20% Betriebszeit (1095 Tage) bei 80°C δp = 0,2 bar = 15,2 cm

Das heißt über die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges können im schlechtesten Fall 23 g Wasser durch ein Kunststoffgehäuseteil mit einer Fläche von 32 cm² und einer Stärke von 1,5 mm eindringen. Das kondensierte Wasser kann erhebliche Schäden an der Elektronik anrichten. Sie verändert z. B. die Leitfähigkeit zwischen den verschiedenen Komponenten, was zu Kurzschlüssen führen kann und verursacht die Oxidation also das Rosten von Kontakten. Aus diesen Gründen wurden bisherige Gehäuse mit sogenannten Druckausgleichs öffnungen versehen, an denen ein Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinnern und der Umgebung stattfinden kann. Um an diesen Gehäuseöffnungen das Eindringen von Wasser zu verhindern, wurden diese mit einer wasserdichten und atmungsaktiven Folie wie sie zum Beispiel unter dem Namen Goretex oder Sympatex bekannt ist verschlossen, so daß die elektronische Schaltung vor Wasser- oder Feuchteschäden bewahrt wird. Dieser Stand der Technik wird in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 1 97 08 116.9 wiedergegeben.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß für das Zukleben der Druckausgleichsöffnungen mit der wasserdichten und atmungsaktiven Folie ein zusätzlicher Arbeitsschritt benötigt wird. Derartige wasserdichte und atmungsaktive Folien sind sehr teuer. Ein weiterer Nachteil bei derartigen Folien besteht darin daß sie zwar die Diffusionsrate durch den Druckausgleich vermindern aber auch für Wasserdampf durchlässig sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Gehäuse der eingangs genannten Art zu schaffen, das die vorher genannten Nachteile nicht aufweist und ein elektronisches bzw. elektrisches Bauteil zuverlässig vor Umwelteinflüssen schützt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Der Grundgedanke bei beiden Ansprüchen ist, daß das Innenvolumen des Gehäuses abhängig von den Druckverhältnissen variabel ist und somit ein Druckausgleich gegeben ist. Durch diese Druckanpassung, die durch ein Vergrößern oder Verkleinern des Gehäuseinnenvolumens zustande kommt gelangt weniger Feuchtigkeit in das Gehäuse. Wegen dieser Druckanpassung kann nicht mehr soviel Wasserdampf durch den Kunststoff in das Gehäuse eindringen. Das veränderbare Gehäuseinnenvolumen läßt sich auf zwei verschiedene Weisen realisieren. Eine Möglichkeit besteht darin, daß sich die Gehäuseteile untereinander verschieben lassen. Die andere Möglichkeit besteht darin, daß zumindest ein Teil des Gehäuses dehnbar ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß in ein solches Gehäuse keine Flüssigkeit und kein Gas bedingt durch Druckdifferenzen eindringen kann. Die elektrischen und elektronischen Komponenten werden zuverlässig im Innern des Gehäuses vor schädlichen Umgebungseinflüssen geschützt. Gleichzeitig wird die Lebensdauer derart gehäuster Bauelemente stark vergrößert. Basierend auf den vorhergehenden Berechnungen würden jetzt nur noch 2,5 g anstatt 23 g Wasser in das Gehäuse gelangen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Hierbei befindet sich an einem Gehäuseteil ein sogenannter Druckausgleichskörper. Dieser Druckausgleichskörper ist beweglich und verändert seine Größe und somit das Innenvolumen des Gehäuses in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine Klebverbindung oder Dichtung elastisch ist wodurch sich die Gehäuseteile untereinander verschieben können und so das Gehäusevolumen verändern. Den gleichen Effekt, nämlich ein variables Gehäuseinnenvolumen wird auch dadurch erzielt, daß ein Stecker welcher das Gehäuse verschließt, beweglich in einer Steckvorrichtung im Gehäuse angebracht ist, so daß er hin und her geschoben werden kann.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand den Fig. 1 bis 5 dargestellt werden.

Es zeigen:

Fig. 1a Seitenansicht eines Gehäuses mit Druckausgleichskörper;

Fig. 1b Schnittdarstellung eines Druckausgleichskörpers;

Fig. 2 Schnittdarstellung eines Gehäuses mit beweglichem Isolierring;

Fig. 3 Schnittdarstellung eines Gehäuses mit beweglicher Isolierdichtlippe;

Fig. 4a Schnittdarstellung eines Gehäuses mit elastischem Kleber oder Dichtmaterial;

Fig. 4b Vereinfachte Schnittdarstellung eines Gehäuses mit elastischem Kleber oder Dichtmaterial;

Fig. 5a Schnittdarstellung eines Gehäuses mit verformbaren Gehäuseteil bei identischem Innen- und Außendruck;

Fig. 5b Schnittdarstellung eines Gehäuses mit verformbaren Gehäuseteil bei Unterdruck im Gehäuseinnern;

Fig. 5c Schnittdarstellung eines Gehäuses mit verformbaren Gehäuseteil bei Überdruck im Gehäuseinnern.

Fig. 1a zeigt die Seitenansicht eines Gehäuses 6 mit Druckausgleichs körper 3. Das Gehäuse 6 besteht zum einen aus einem thermoplastischen Kunststoffbehälter 2, gefertigt aus z. B. Polybutylenterephthalat (PBT). Dieser Kunststoff ist für Flüssigkeiten insbesondere Wasser undurchlässig, jedoch kann er von gasförmige Stoffen durchdrungen werden. Diese Lösungsdiffusion läuft in drei Stufen ab. Zuerst wird der diffundierende Stoff an der Oberfläche der Seite mit der höheren Stoffkonzentration aufgenommen. Dann wandert der aufzunehmende Stoff von der Seite der höheren Konzentration in Richtung der Seite mit der niedrigen Konzentration, innerhalb des Kunststoffmaterials. Zum Schluß erfolgt die Ausscheidung des vom Kunststoffmaterial aufgenommenen Stoffes auf der Seite mit niederer Stoffkonzentration. Die Lösungsdiffusion ist wie bereits beschrieben abhängig von den Druckverhältnissen zwischen Innen- und Außenwand.

Weiterhin beinhaltet dieses Gehäuse 6 einen Boden 1 der den Kunststoffbehälter 2 von unten verschließt. Dieser Boden 1 kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Weiterhin beinhaltet der Behälter 2 eine im Bereich der Kontakte offenen Steckervorrichtung 4. Diese Stelle wird mit Hilfe eines Steckers 5 verschlossen. Weiterhin ist am Behälter ein Druckausgleichskörper 3 angebracht, dessen Größe und Form sich in Abhängigkeit von den herrschenden Druckdifferenzen verändern kann. Dieser Druckausgleichskörper 3 ist ziehharmonikaförmig aufgebaut, wie die Detaildarstellung des Druckausgleichskörpers 3 in Fig. 1b zeigt. Der Druckausgleichskörper 3 besteht aus einem gummiartigen Material 8 und verschließt eine Öffnung 9 im Behälter 2 durch einen Formschluß 10. Außerdem ragt der Druckausgleichskörper 3 in das Innere des Behälters 2 wo er je nach Eigenvolumen 7 mehr oder weniger Platz beansprucht. Dieses Eigenvolumen 7 ist abhängig von den Druckverhältnissen, denn durch den ziehharmonikaförmigen Aufbau verändert sich die Form bei Krafteinwirkung und zieht sich zusammen oder auseinander. Bei einem derartigen Druckausgleichskörper spielt es keine Rolle ob er in das Innere des Gehäuses ragt oder nach außen absteht oder an welchem Gehäuseteil er angebracht ist. Von Bedeutung ist nur, daß er das Gehäuseinnenvolumen verändert indem er seine Form verändert, wobei es unbedeutend ist welche Form der Druckausgleichsbehälter tatsächlich hat. Anstatt einem ziehharmonikaförmigen Aufbau kann der Druckausgleichskörper als Ballon ausgeführt werden der je nach Druck seine Größe verändert.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel. Dargestellt ist ein Schnitt durch das Gehäuse, welches einen beweglichen Isolierring 12 im Steckerbereich 4 aufweist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse aus einem Behälter 2 mit einer Steckvorrichtung 4. Im Behälter befindet sich auf einer Platine 11 die zu schützende Elektronik. Diese wird über Kontaktstifte 14 mit dem Stecker 5 verbunden. Als Verschluß des Behälters dient ein Boden 1, der den Behälter von unten verschließt und ein Stecker 5 der den Behälter 2 in der Steckvorrichtung 4 abdichtet. Der Dichtring 12 gestattet es, daß sich der Stecker 5 in der Steckvorrichtung 4 hin und her bewegen läßt und dabei gleichzeitig das Gehäuse wasserdicht oder je nach Material gasdicht verschließt. Der Dichtring 12 kann sowohl fest in der Steckvorrichtung 4 oder am Stecker 5 angebracht sein oder wie abgebildet beweglich in einer Führung 13 gelagert sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es nur von Bedeutung daß sich der Stecker 5 oder ein anderer Verschluß in der Steckvorrichtung 4 oder einer anderen Verschlußvorrichtung bewegen läßt, ohne daß die Dichtigkeit nach außen verloren geht. Weiter ist es wichtig, daß sich durch die Hin- und Herbewegung des Steckers 5, das Gehäuseinnenvolumen verändert und diese Hin- und Her-Bewegung von der Druckdifferenz gesteuert wird, so daß ein Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinnern und der Umgebung erfolgen kann. Auf diesem Prinzip beruht auch das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel. Hier wird die Beweglichkeit des Steckers 5 in der Steckvorrichtung 4 unter Aufrechterhaltung der Dichtigkeit durch eine bewegliche Dichtlippe 15 gewährleistet. Diese Dichtlippe ist zweckmäßigerweise an der Steckvorrichtung oder am Stecker befestigt. Weiterhin ist die Lippe breit und elastisch genug, daß sie sich bei einer Steckerbewegung an die Innenwand der Steckvorrichtung schmiegt und das Gehäuse an dieser Stelle zuverlässig abdichtet. Bevorzugtes Materialien für die Dichtlippe und den Dichtring sind gummiartige Stoffe. Eine weitere Ausführungsform, die einen Druckausgleich durch die Anpassung des Gehäuseinnenvolumens erlaubt ist in Fig. 4a und 4b dargestellt. Fig. 4a zeigt gleichfalls das Gehäuse, dessen Behälter durch die Bodenplatte 1 und den Stecker 5 verschlossen wird und die zu schützende Elektronik beinhaltet. Hier besteht die Vorrichtung, die die Volumenanpassung im Gehäuseinnern an die bestehenden Druckverhältnisse bewirkt, aus einem elastischen Kleber oder einer elastischen Dichtmasse 16 zwischen Boden 1 und Behälter 2. Dieser Kleber bzw. diese Dichtmasse ist dehnbar und zäh und bleibt auch unter Krafteinwirkung am Boden 1 und am Behälter 2 haften, so daß auch dieser bewegliche Verschluß zuverlässig dicht ist. Dieser Sachverhalt ist nochmals in Fig. 4b dargestellt. Durch den elastischen Kleber bzw. der elastischen Dichtmasse 16 ist eine Auf- und Abbewegung des Bodens 1, eines Deckels oder anderen Verschlusses bzw. des Behälters 2 in Richtung des Pfeils möglich. Hierbei verändert sich das Innenvolumen bis ein Druckausgleich geschaffen ist.

Eine andere Möglichkeit den Druckausgleich durch Volumenanpassung im Gehäuseinnern zu erzielen ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 5a, 5b und 5c dargestellt. Hier ist ein Gehäuse abgebildet, bei dem zumindest ein Gehäuseteil bzw. ein Verschluß dehnbar ist. Fig. 5a zeigt den ausgeglichenen Zustand bei dem im Gehäuseinnern die Temperatur und der Druck identisch ist mit den Umgebungsbedingungen außerhalb des Gehäuses 6. Auf den Deckel 1 wirkt keine Kraft. Sinkt nun die Temperatur im Gehäuseinnern oder steigt die Temperatur außerhalb des Gehäuses so entsteht ein Unterdruck das dehnbare Gehäuseteil 1 verformt sich nach innen und reduziert das Innenvolumen solange bis der Druckausgleich erzielt ist. Steigt dagegen die Temperatur im Gehäuseinnern oder sinkt die Temperatur außerhalb des Gehäuses so entsteht ein Überdruck und das dehnbare Gehäuseteil 1 verformt sich nach außen bis das Volumen so groß ist, daß der Druck im Gehäuseinnern und der Druck außerhalb des Gehäuses 6 konstant bleibt.

Claims

1. Gehäuse (6) für ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Steuergerätes, bestehend aus einem ein- oder mehrteiligen Behälter (2) und einem oder mehreren ein oder mehrteiligen Verschlüssen (1, 5) dadurch gekennzeichnet, daß

- der Behälter (2) durch Dichtungsmittel (12, 15, 16) wasserdicht verschlossen wird und
- zur Änderung des Innenvolumens der Verschluß (1, 5) im oder am Behälter (2) beweglich ist und eine Hin- und Her-Bewegung zwischen Behälter (2) und Verschluß (1, 5) ermöglicht.

2. Gehäuse (6) für ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Steuergerätes, bestehend aus einem ein- oder mehrteiligen Behälter (2) und einem oder mehreren ein- oder mehrteiligen Verschlüssen (1, 5) dadurch gekennzeichnet, daß

- der Behälter (2) durch Dichtungsmittel (12, 15, 16) wasserdicht verschlossen wird und
- der Behälter (2) oder der Verschluß (1, 5) ganz oder teilweise dehnbar ist und somit das Innenvolumen des Gehäuses (6) verändern kann.

3. Gehäuse nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (2) und/oder der Verschluß (1, 5) einen dehnbaren Druckausgleichskörper (3) aufweist, der sein Volumen und somit das Gehäusevolumen je nach Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinnern und der Gehäuseumgebung vergrößert oder verkleinert.

4. Gehäuse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Verbindung des mehrteiligen Behälter (2) oder des mehrteiligen Verschlusses (1, 5) oder eine Verbindung zwischen Behälter (2) und Verschluß (1, 5) durch einen elastischen Kleber (16) erzielt wird oder durch eine elastische Dichtmasse (16, 15, 12) abgedichtet wird, wodurch die Gehäuseteile bewegbar miteinander verbunden sind und eine Veränderung des Gehäusevolumens ermöglichen.

5. Gehäuse nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß ein Stecker (5) ist, der innerhalb einer Steckvorrichtung hin- und hergeschoben werden kann.