DE19839458C2 - Verfahren zum Vergießen elektrischer Bauelemente in einem Gehäuse sowie mit aushärtbarer Vergußmasse vergossene Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zum Vergießen von elektrischen Bauelementen in einem beim Vergießen oben offenen Gehäuse mittels aushärtbarer, mineralisch hochgefüllten und flammhemmend eingestellten Isolierstoff-Vergußmasse wie Epoxydharz oder Polyurethan, welche die Bauelemente umschließt und die Zwischenräume zwischen diesen und den Gehäusewänden ausfüllt. Die erfindungsgemäße Ausprägung des Verfahrens besteht darin, daß man der Vergußmasse ein handelsübliches Schäumungsmittel in so geringer Konzentration zusetzt, daß sich im Gehäuse ein Vergußmittel-Schichtaufbau einstellt mit einem dichten, nicht oder nur sehr geringfügig aufgeschäumten Bodensatz, einer bis zum maximalen Füllstand reichenden Füllschicht aus Hartschaum sowie mit einer Bodensatz und Füllschicht organisch miteinander verbindenden Übergangszone. Dementsprechend ist eine mit aushärtbarer Vergußmasse vergossene Vorrichtung wie Gehäuse mit darin befindlichen elektrischen Bauelementen wie Drossel- oder Transformatorspulen, Kondensatoren o. dgl. dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse aus einem schäumbaren Material wie Epoxydharz, Polyurethan o. dgl. besteht, die durch unterdurchschnittliche Zugabe von Schäumungsmittel einen festen Bodensatz und eine geschäumte Füllschicht sowie eine diese organisch miteinander verbindende Übergangszone ausbildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zum Vergießen von elektrischen Bauelementen in einem beim Vergießen oben offenen Gehäuse mittels aushärtbarer, mineralisch hochgefüllten und flammhemmend eingestellten Isolierstoff-Vergußmasse wie Epoxydharz oder Polyurethan, welche die Bauelemente umschließt und die Zwischenräume zwischen diesen und den Gehäusewänden ausfüllt, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sodann betrifft die Erfindung eine mit aushärtbarer Vergußmasse vergossene Vorrichtung wie Gehäuse mit darin befindlichen elektrischen Bauelementen wie Drossel- oder Transformatorspulen, Kondensatoren od. dgl. entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4.

In der Elektrotechnik ist es bekannt und allgemein üblich, elektrische Bauelemente oder aus solchen zusammen­ gestellte Baugruppen nach einer gewissen Vormontage oder auch Endmontage in einem Gehäuse in aushärtbarer Verguß­ masse einzuschließen. Beispiele hierfür sind elektrische Industrie-Filterschaltungen, z. B. Filter für Frequenzum­ richter. Als Füllvolumina für die Vergußmasse kommen für die verschiedensten Anwendungsbereiche 200 ml bis 101 in Betracht. Als Vergußmassen sind Epoxydharze oder Polyurethan geläufig.

Bei einem bekannten Vergußverfahren erfolgt ein voll­ ständiger Verguß mit solidem, d. h. ungeschäumtem Material. Das Gehäuse wird dabei mit dem soliden Vergußmaterial voll­ ständig auf- bzw. ausgefüllt, und in der Regel werden dabei alle elektrischen Bauteile umhüllt. Dieses Verfahren weist im wesentlichen zunächst den Nachteil auf, daß es in der Anwendung umständlich und zeitraubend ist. Insbesondere bei großen Vergußvolumina ist es nämlich nicht möglich, das gesamte Volumen sogleich mit Vergußmaterial aufzufüllen. Vielmehr erfolgt das Vergießen in einzelnen Schritten unter Bildung von Schichten mit zwischenzeitlicher Schichtaushär­ tung, die zumeist bei Raumtemperatur erfolgt. Da das Ver­ gußmaterial während des Aushärtens schrumpft, wird ein nicht unerheblicher Druck auf die umhüllten elektrischen Bauelemente ausgeübt, der im Extremfall zum Ausfall der Bauelemente führen kann. Weiterhin weist das Material eine relativ hohe Dichte auf, so daß das Gewicht des vergossenen Objekts beträchtlich wird. Schließlich ist die Vergußmasse relativ kostspielig, so daß der vollständige Verguß mit solidem Material entsprechend teuer ist.

Weiterhin ist es bekannt, Bauelemente in Gehäusen mit geschäumten Material zu umhüllen. Das mit einem Schäumungs­ mittel versehene Vergußmaterial wird hierbei in das Gehäuse eingegeben, und der Vergußschaum umhüllt in der Regel alle elektrischen Bauelemente. Gegenüber dem zunächst geschil­ derten vollständigen Verguß mit solidem Material besteht hier der Vorteil einer Gewichtseinsparung und die Möglich­ keit, den Verguß in einem Arbeitsgang vorzunehmen. Nachtei­ lig ist es jedoch, daß der Schaum die notwendige Wärmeab­ führung von wärmeentwickelnden Bauteilen (z. B. eine Spule oder Drossel in einer Filterschaltung) beträchtlich ein­ schränkt.

Die DE 29 52 297 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstel­ lung von elektrischen Geräten, deren Schaltungsbaueinheit mit Kunststoff umschäumt und von einer massiven Gehäusehülle umgeben ist. Zum Umschäumen der Schaltungsbaueinheit bzw. zum Ausschäumen des Geräteinnenraumes erfolgt das Einfließenlassen eines schaumbildenden Mehrkomponentenkunststoffes in eine die zu bildende Gehäusehülle umschließende Form. Bei Berührung des Schaums mit der Forminnenfläche härtet der Schaum zu einer schaumzellenfreien, die Gehäusemittel bildenden massiven Schicht aus.

Aus den Vor- und Nachteilen des vollständigen Vergus­ ses mit solidem Material einerseits oder mit geschäumten Material andererseits hat man sich in der Praxis auch dem kombinierten Verguß mit solidem und geschäumtem Material zugewandt. Hierbei wird das Gehäuse bis zu einer funktio­ nell erforderlichen Höhe mit solidem Material vergossen. Nachdem dieses eine hinreichende Aushärtung erfahren hat, wird in einem zweiten Arbeitsgang das Gehäuse vollständig mit geschäumtem Material aufgefüllt. Auch hier werden in der Regel alle elektrischen Bauelemente mit Vergußmasse umhüllt. Dieses "kombinierte Vergußverfahren" weist immer noch den Nachteil auf, daß zwei oder mehr Arbeitsgänge erforderlich sind und daß es zwischen dem soliden und dem geschäumten Material aufgrund deren unterschiedlicher Aus­ dehnungskoeffizienten der zu einer Trennung der Grenz­ schicht und dadurch auch zu einer Beschädigung der in die Vergußmassen eingebetteten Bauelemente kommen kann.

Hier setzt die Erfindung ein. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vergußverfahren sowie eine mit aushärtbarer Vergußmasse vergossene Vorrichtung vorzuschlagen, die die eingangs genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll der Verguß in einem einzigen Arbeitsgang vorgenommen werden können. Zudem soll der erforderlichen Wärmeabführung von wärmeentwickelnden Bauelementen ebenso vorteilhaft Rechnung getragen werden wie der mechanisch optimalen Einbettung der Bauelemente in der Vergußmassen.

Die Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung in den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4.

Entsprechend der Erfindung wird das mit den (vor)fixierten Bauelementen bestückte Gehäuse bis zu einer vorberechneten Höhe mit der mit geringer Menge Schäumungs­ mittel versetzten Vergußmasse aufgefüllt. Die aufgrund des hinzugegebenen Schäumungsmittels bewirkte Expansion des Materials führt zu einer vollständigen Umhüllung aller elektrischer Bauelemente. Die im Zuge der gesteuerten Sedi­ mentation jedoch entstehende solide Bodenschicht stellt die erforderliche Wärmeableitung von geeignet angeordneten wär­ meentwickelnden elektrischen Bauelementen sicher.

"Geeignet angeordnet" bedeutet in diesem Sinne, daß man diejenigen Teile der wärmeentwickelnden elektrischen Bauelemente innerhalb des Gehäuses nach Möglichkeit so vor­ sieht, daß sie zumindest teilweise vollständig von der sedimentierenden soliden Bodenschicht der Vergußmasse ein­ gehüllt sind. Insbesondere wird man also eine Drosselspule so im Gehäuse anordnen, daß ihre Rotationsachse senkrecht zum Boden des Gehäuses steht und eine der beiden Ringstirn­ seiten der Drossel bodennah im Gehäuse angeordnet wird, so daß sämtliche dort um den Spulenkern verlaufenden Drähte in dem soliden Material eingebettet werden können.

Zwischen der soliden und der geschäumten Vergußmittel- Schicht bildet sich - aufgrund der Unterdosierung der Ver­ gußmasse mit Schäumungsmittel - selbsttätig eine Zwischen­ schicht aus, die aufgrund ihrer Beschaffenheit und Schicht­ höhe die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, die die solide Bodenschicht einerseits und die geschäumte Füll­ schicht andererseits aufweisen, hervorragend ausgleicht. Da die elektrischen Bauelemente nur zu einem geringen Teil in die solide Bodenschicht der Vergußmasse eintauchen, kann auf sie kein unzulässiger hoher Druck ausgeübt werden.

Der solide Bodensatz ist mit der darüber befindlichen geschäumten Füllschicht organisch und damit trennschicht­ frei verbunden. Das bedeutet, daß aufgrund der Übergangs­ schicht eine unzulässige Verlagerung zwischen diesen Schichten oder gar eine Schichttrennung nicht möglich ist. Zudem besitzt sowohl die Übergangsschicht als auch die geschäumte Schicht elastische Eigenschaften, die für einen besonders guten und sicheren Halt der Bauelemente im Gehäuse Sorge tragen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3 und vorteilhafte Vorrichtungsmerkmale aus den Ansprüchen 5 bis 10.

Im übrigen versteht sich die Erfindung am besten anhand ihrer nachfolgenden Erläuterung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein entsprechend der Erfindung mit Vergußmasse gefülltes Gehäuse, in dem elektrische Bauelemente untergebracht sind, und

Fig. 2 und 3 zwei Beispiele von hinsichtlich der Schichthö­ hen unterschiedlichen Ausführungsformen von Verguß­ massenausbildungen.

In Fig. 1 ist mit 10 ein oben offenes Gehäuse bezeich­ net, in dem elektrische Bauelemente 11, 12 und 13 aufgenom­ men sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bauelement 11 um eine Ringkernspule oder Dros­ sel mit einem ringförmigen Ferritkern 14 und einer Spulen­ bewicklung 15 aus Kupferdraht. Mit 12 ist ein Kondensator als Bestandteil der Filterschaltung bezeichnet, wohingegen 13 elektrische Anschlußleitungen darstellen soll.

Der Innenraum des Gehäuses 10 wird nach zumindest vorläufiger Fixierung der elektrischen Bauelemente 11 bis 13 darin vergossen. Die Vergußmasse besteht aus Epoxydharz oder Polyurethan, welches mineralisch hochgefüllt ist, z. B. mit Aluminiumhydroxyd Al(OH)₃, welches flammhemmende Eigenschaften hat. Ferner ist dem Vergußmaterial ein han­ delsübliches Schäumungsmittel zugegeben. Für den Fall, daß es sich um ein Polyurethan handelt, besteht das Schäumungs­ mittel aus Wasser, wohingegen man für Epoxydharze Schäu­ mungsmittel verwendet, die unter Wasserstoffabspaltung mit dem Härter reagieren. Solche Schäumungsmittel sind bekannt und geläufig.

Die Besonderheit nach der Erfindung besteht nun darin, daß solche Schäumungsmittel in geringerer Dosierung zuge­ setzt werden, als sie für das übliche Verschäumen der Menge des in das Gehäuse 10 einzubringenden Vergußmaterials benö­ tigt würden.

Die Menge an Schäumungsmittel wird entsprechend der Erfindung so berechnet, daß sich - bei Einfüllen des Ver­ gußmaterials in einem einzigen Arbeitsgang in das Gehäuse - die qualitativ in Fig. 1 ersichtliche Schichtung ergibt.

Diese Schichtung umfaßt einen Bodensatz 16 mit einer Schichthöhe 17 sowie eine Füllschicht 18 mit einer Füllhöhe 19, wobei diese beiden Schichten - die solide Schicht 16 und die geschäumte Schicht 18 - automatisch zwischen sich eine Übergangsschicht 20 der Schichtdicke 21 ausbilden.

Die mengenmäßige Zugabe des Schäumungsmittel zu der Vergußmasse wird so eingestellt, daß die Bodenschicht 16 wesentliche wärmespendenden Teile der Bauelemente, hier z. B. den Kupferdraht der Drosselspulenwicklung 15 derart einschließt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist und wie es für eine gute Wärmeeinführung erforderlich ist. Ebenso taucht der Kondensator 12 mit einem Teil seiner Längser­ streckung in die solide Bodenmasse 16 ein. Der geometrisch überwiegende Rest der elektrischen Bauelemente 11 und 12 sowie hier auch der Leitungen 13 werden hingegen von der Füll- oder Hartschaumschicht 18 eingeschlossen.

Dieser "geschichtete Verguß" garantiert eine hervorra­ gende Wärmeabfuhr bzw. Wärmeleitfähigkeit innnerhalb der vom Bodensatz 16 gebildeten Schicht und eine mechanisch hochwirksame, zumal auch begrenzt elastische, Einbettung des restlichen Volumens der Bauelemente 11, 12 sowie auch 13 innerhalb der Schaumschicht 18.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Erkenntnis, daß sich bei verminderter Zugabe von Schäumungsmittel außer der Schaumschicht auch eine solide Bodenschicht bildet, ent­ steht automatisch im Übergangsbereich zwischen dem Boden­ satz 16 und der Schaumschicht 18 die mit 21 bezeichnete Übergangsschicht, die verhindert, daß sich eine aufreißfä­ hige Trennzone bildet. Vielmehr verbindet die Übergangs­ schicht die solide Bodenschicht 16 mit der Schaumschicht 18 organisch, d. h. stoffschlüssig. Diese Übergangsschicht 21 ist dadurch gekennzeichnet, daß ihre Konsistenz allmählich von der soliden Konsistenz des Bodensatzes 16 in die Schaumkonsistenz der Füllschicht 18 übergeht.

Die unterschiedlichen Schichthöhen 17 und 19 lassen sich steuern durch die volumetrische Menge des Schäumungs­ mittels als Zuschlagsstoff zur Vergußmasse. Die Ausbildung und Schichtstärke 21 der Übergangsschicht 20 stellt sich in Abhängigkeit davon selbsttätig ein.

Die Soll-Höhe des Bodensatzes 16 richtet sich in der Praxis im wesentlichen nach dem Gesamtvolumen des Behälters 10 und auch nach dem Volumen der in den Bodensatz 16 einzu­ tauchenden Teile der elektrischen Bauelemente 11 bzw. 12. Bei einem großen Behälter 10 mit großvolumigen Bauelementen 11 und 12 wird man die Höhe der Schicht 17 relativ größer wählen als bei geometrisch kleineren Verhältnissen.

Wesentlich für die Erfindung ist es, daß der - han­ delsüblichen - Vergußmasse ein - ebenso handelsübliches - Schäumungsmittel zugesetzt wird, jedoch nur in einer so geringen Dosierung bzw. Konzentration, daß sich die beschriebene Schichtung ausbilden kann.

Es ist verständlich, daß die Schichthöhe 17 des Boden­ satzes 16 umso größer sein wird in Relation zur Schichthöhe 19 der Schaum- oder Füllschicht 18, je weniger Schäumungs­ mittel zugesetzt wird, wohingegen das Verhältnis der Schichthöhe 19 der Füll- oder Schaumschicht 18 zur Schicht­ höhe 17 des Bodensatzes 16 umso größer wird, je mehr Schäu­ mungsmittel der Vergußmasse zugesetzt werden.

Unterschiedliche Beispiele zeigen die Fig. 2 und 3. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Schichthöhe 17 des Bodensatzes 12 relativ wesentlich größer im Verhält­ nis zur Schichthöhe 19 der Füll- oder Schaumschicht 18 als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Der Vergußmasse beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist deutlich mehr Schäumungsmittel zugegeben worden, als der Vergußmasse, die zur Schichtung entsprechend Fig. 2 führt.

Die hervorragende Wärmeableitfähigkeit des Bodensatzes 16 kommt durch die relativ hohe Dichte dieser Schicht der Schichthöhe 17 zustande, wohingegen die Füll- oder Schaum­ schicht 18 von erheblich geringerer Dichte keine derart ausgeprägte Wärmeleitfähigkeit besitzt, die allerdings nach der Erkenntnis der Erfindung dann auch nicht erforderlich ist, wenn der Bodensatz 16 diese Aufgabe hinreichend gut wahrnehmen kann. Dadurch, daß die Bodensatzschicht 16 der Schichthöhe 17 nur einen sehr geringen Anteil am Gesamt­ füllvolumen des Behälters 10 hat, entsteht einerseits ein Verguß von geringem Gewicht, andererseits im Umfange der Füllschicht 18 ein optimaler Einschluß der elektrischen Bauteile 11 und 12, ohne diese durch zu hohe Kompressions­ kräfte zu belasten.

Von erheblichem weiteren Vorteil ist die Tatsache, daß die die Schichten 16, 18 und 20 ausbildende Vergußmasse in einem einzigen Arbeitsgang in vorberechneter Menge in den Behälter eingefüllt werden kann und ebenfalls ohne zusätz­ liche Bearbeitungsstufen einer einzigen Aushärtung überlas­ sen werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Vergießen von elektrischen Bauelemen­ ten in einem beim Vergießen oben offenen Gehäuse mittels aushärtbarer, mineralisch hochgefüllten und flammhemmend eingestellten Isolierstoff-Vergußmasse wie Epoxydharz oder Polyurethan, welche die Bauelemente umschließt und die Zwischenräume zwischen diesen und den Gehäusewänden ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß man der Vergußmasse ein handelsübliches Schäumungsmittel in so geringer Konzentration zusetzt, daß sich im Gehäuse (10) ein Vergußmittel-Schichtaufbau einstellt mit einem dichten, nicht oder nur sehr geringfügig aufgeschäumten Bodensatz (16), einer bis zum maximalen Füllstand reichenden Füllschicht (18) aus Hartschaum sowie mit einer Bodensatz (16) und Füllschicht (18) organisch miteinander verbindenden Übergangszone (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schichthöhe (17) des Bodensatzes (16) so ein­ stellt, daß wärmespendende Bauteile (15) zumindest teil­ weise in den Bodensatz (16) eingebettet sowie mechanisch fixiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die mit dem Schäumungsmittel versehene Vergußmasse in der zur gesamten vorgesehenen Befüllung des Gehäuses (10) vorbestimmten Menge in das Gehäuse (10) ein­ füllt und sodann aushärten läßt.

4. Mit aushärtbarer Vergußmasse vergossene Vorrichtung wie Gehäuse mit darin befindlichen elektrischen Bauelemen­ ten wie Drossel- oder Transformatorspulen oder Kondensato­ ren, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse aus einem schäumbaren Material wie Epoxydharz oder Polyurethan mit mineralischem Füllstoff und Schäumungsmittel besteht, die einen festen Bodensatz (16) und darüber eine geschäumte Füllschicht (18) sowie eine diese organisch miteinander verbindende Übergangszone (20) ausbildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schichthöhe (17) des Bodensatzes (16) von 1 bis 30 mm.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schichthöhe (21) der Übergangszone (20) von 0,1 bis 10 mm.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schichthöhe (19) der Füllschicht (18) von 10 bis 500 mm.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Dichte des Bodensatzes (16) von 1, 1 bis 1,9 g/cm³.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Dichte der Übergangsschicht (20) von 0,3 bis 1,9 g/cm³.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Dichte der Füllschicht (18) von 0,3 bis 1,1 g/cm³.