-
Die
Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine elektrische
Schaltungsanlage in explosionsgeschützter Bauart, insbesondere
ein Gehäuse für einen elektrischen Signalgeber
zur Anbringung in einer explosionsgefährdeten Umgebung,
mit wenigstens einer durch eine poröse Druckausgleichsvorrichtung
verschlossenen Öffnung.
-
Lautsprecher
oder andere elektrisch betriebene Geräte bzw. Schaltungsanlagen
müssen in explosionsgefährdeter Umgebung auf besondere
Weise geschützt werden. Zu diesem Zweck wählt
man in der Praxis üblicherweise eine druckfeste Kapselung des
Gehäuses, die einen Lautsprecherbetrieb beispielsweise
auch in gefährlicher Gasatmosphäre gestattet,
also in einer explosionsgefährdeten Umgebung.
-
Die
druckfeste Kapselung stellt in diesem Zusammenhang sicher, dass
selbst bei einer Zündung oder Explosion im Innern des Gehäuses
die Druckfestigkeit dennoch gewährleistet, dass das Gehäuse nicht
zerstört wird. Außerdem darf sich eine solche Explosion
oder Zündung nicht nach außen in die Umgebung
ausbreiten. Zu diesem Zweck werden im Stand der Technik beispielsweise
entsprechend der
EP
0 157 285 B1 oder nach der
DE 84 09 870 U1 im Gehäuse bereits Öffnungen
realisiert, die durch eine poröse Druckausgleichsvorrichtung
verschlossen sind.
-
Kommt
es nun im Innern des Gehäuses zu einer Explosion oder Zündung,
so sorgt die poröse Druckausgleichsvorrichtung dafür,
dass infolge einer Vielzahl von Durchlasskanälen innerhalb
der porösen Druckausgleichsvorrichtung ein Zünddurchschlag vom
Gehäuseinneren nach außen zur Umgebung verhindert
wird. Ein etwaiger Funke erlischt also auf seinem Weg durch die
poröse Druckausgleichsvorrichtung. In diesem Zusammenhang
hat man in der Vergangenheit beispielsweise eine poröse
Keramikscheibe, einen Sinterfilter oder ein engmaschiges Drahtgitter
als Druckausgleichsvorrichtung propagiert. Das hat sich prinzipiell
bewährt.
-
Daneben
beschreibt die
DE
10 2005 042 565 A1 ein Gehäuse für ein
elektrisch betriebenes Gerät, wobei sich dieses Gehäuse
in einer explosionsgefährdeten Umgebung befindet, das insgesamt
aus einem gasdurchlässigen und nicht brennbaren Material besteht
respektive hergestellt worden ist. Das heißt, das gesamte
Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Sintermetall oder auch
einem Metallschaum gefertigt. Hieraus resultieren zwar bestimmte
Vorteile, weil insgesamt eine große Oberfläche
der Druckausgleichsvorrichtung zur Verfügung steht, die
mit den gesamten Gehäusewänden deckungsgleich
ist. Allerdings gestaltet sich die Fertigung schwierig und kostenaufwendig.
Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.
-
Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges
Gehäuse so weiterzuentwickeln, dass bei reduzierten Fertigungskosten
dennoch ein einwandfreier Explosionsschutz zur Verfügung
gestellt wird.
-
Zur
Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes
Gehäuse im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckausgleichsvorrichtung eine Dichte von weniger als
8 g/cm3, insbesondere weniger als 6 g/cm3, vorzugsweise eine solche von weniger als
1 g/cm3 und ganz besonders bevorzugt eine
Dichte von weniger als 0,5 g/cm3 sowie Poren
mit einem Durchmesser von unter 5 mm, insbesondere weniger als 1
mm und vorzugsweise Poren im Bereich unterhalb von 0,5 mm aufweist.
Dadurch, dass die Poren praktisch stochastisch in der Druckausgleichsvorrichtung
verteilt angeordnet sind und meistens in dem Material für
die Druckausgleichsvorrichtung durch eine chemische Reaktion, nämlich
das Freiwerden von Gas, im Innern entstehen, wird zunächst
einmal erreicht, dass eine Zündung oder Explosion im Innern
des Gehäuses praktisch eingesperrt wird. Die Explosion
oder Zündung kann sich nicht in eine ggf. explosionsfähige Umgebung
ausbreiten, weil ein zugehöriger Funke erlischt bzw. die
erfindungsgemäße Druckausgleichsvorrichtung einen
Zündungsdurchschlag vom Gehäuseinnern nach außen
zur Umgebung verhindert.
-
Dabei
versteht es sich, dass das Material, aus welchem die Druckausgleichsvorrichtung
hergestellt ist, in der Regel nicht brennbar gestaltet ist und über
einen hohen Schmelzpunkt verfügt, der erfindungsgemäß Werte
von mehr als 600°C, vorzugsweise mehr als 800°C
oder sogar mehr als 1000°C besitzt. Auf diese Weise wird
die Druckausgleichsvorrichtung durch einen eventuellen Zündfunken praktisch
nicht angegriffen, vielmehr erlischt der Funke unmittelbar bei seinem
Weg durch die poröse Druckausgleichsvorrichtung, die zugleich
eine vergrößerte Oberfläche zur Verfügung
stellt und damit für seine wesentliche Abkühlung
sorgt. Zugleich verfügt die Druckausgleichsvorrichtung über
die erforderliche mechanische Festigkeit und Stabilität,
so dass sich unmittelbar und reproduzierbar ein Zünddurchschlag
verhindern lässt.
-
Hinzu
kommt, dass sich im Falle einer internen Explosion ein Druck nicht
soweit aufbauen kann, dass das Gehäuse seinen Berstdruck
erreicht. Vielmehr sorgt die Druckausgleichsvorrichtung für
einen raschen Abbau des Explosionsdruckes, weil sie insofern eine
poröse Wand zur Verfügung stellt. Tatsächlich
werden an dieser Stelle Druckverluste zwischen ca. 0,05 bar/cm bis
0,2 bar/cm bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/sec
beobachtet. Als Folge hiervon ist das erfindungsgemäße
Gehäuse auch und insbesondere in der Lage, für
einen Druckausgleich im Normalbetrieb zu sorgen.
-
Tatsächlich
führt nämlich die im Innern des Gehäuses
aufgenommene elektrische Schaltungsanlage, beispielsweise ein Lautsprecher
oder ein anderes elektrisches Betriebsmittel obligatorisch dazu, dass
Verlustwärme entsteht und abgeführt werden muss.
Das kann erfindungsgemäß problemlos über die
mit Hilfe der porösen Druckausgleichsvorrichtung verschlossene Öffnung
geschehen, die für einen Druckausgleich mit der Umgebung
sorgt, und zwar in explosionsgeschützter Art und Weise.
Als Folge hiervon können auch keine durch Luftdruckunterschiede bedingte
Kondensationen im Innern des Gehäuses und als Folge hiervon
Störungen durch Feuchtigkeit auftreten. Das alles gelingt
bei gleichzeitig unverändert explosionsgeschützter
Bauart.
-
In
jedem Fall stellt die Erfindung sicher, dass ein eventuell im Gehäuse
befindliches Gas oder Gasgemisch auch bei einer Entzündung
im Innern durch die Druckausgleichsvorrichtung nach außen
geleitet, verteilt und abgekühlt wird. Hierdurch wird zuverlässig
eine Zündung der Umgebungsluft bzw. Atmosphäre
außerhalb des Gehäuses vermieden. Die während
der Explosion in dem Gehäuse befindlichen und nicht verbrauchten
Gasanteile werden durch die Öffnung und die Druckausgleichsvorrichtung
nach außen verdrängt, so dass sie an einer Explosion
nicht mehr teilnehmen können. Hierin sind die wesentlichen
Vorteile zu sehen.
-
Nach
vorteilhafter Ausgestaltung ist die Druckausgleichsvorrichtung aus
einem Metallschaum oder einem Sintermetall gefertigt. In beiden Fällen
ist die Druckausgleichsvorrichtung als Scheibe ausgebildet und verfügt
beispielsweise über einen Durchmesser von einigen 10 mm.
Die Stärke liegt im Bereich von wenigen Millimetern, beträgt
beispielsweise 5 mm. Bei einem Sintermetall beobachtet man verschiedene
Porendurchmesser, die im Mikrometerbereich liegen und zwischen beispielsweise
ca. 50 μm und ca. 300 μm angesiedelt sein können.
-
Für
die Herstellung der Druckausgleichsvorrichtung aus dem Sintermetall
kann auf beispielsweise Edelstahl oder eine Kupfer-Zinn-Bronze oder
auch einen anderen Werkstoff zurückgegriffen werden. Die Dichte
liegt dabei im Bereich von ca. 5 g/cm3.
-
Alternativ
lässt sich die Druckausgleichsvorrichtung erfindungsgemäß auch
aus einem Metallschaum fertigen. Bei einem solchen Metallschaum handelt
es sich um einen porösen Schaum aus metallischen Werkstoff,
wobei selbstverständlich auch Metallgemische oder Legierungen
zum Einsatz kommen können. Die Herstellung erfolgt üblicherweise dergestalt,
dass ein vernetzter Polyurethanschaum mit Nickel beschichtet wird
und dann das Polyurethan durch thermische Zersetzung entfernt wird.
Des Weiteren wird der Nickel in eine Nickel-Chrom-Legierung zum
Beispiel durch Diffusion aus der Gasphase umgewandelt. Selbstverständlich
können auch Aluminium oder Aluminiumlegierungen zur Herstellung
der fraglichen Metallschäume eingesetzt werden.
-
Eine
andere Möglichkeit der Produktion von Metallschäumen
sieht den Rückgriff auf ein Metallpulver und ein Metallhydrid,
zum Beispiel Titanhydrid, vor. Beide Pulver werden im allgemeinen
miteinander vermischt.
-
Anschließend
erfolgt durch Heißpressen oder Strangpressen eine Verdichtung
zu einem Formmaterial. Wird nun das erwähnte Formmaterial auf
eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalles erhitzt,
so setzt sich im Falle von Titandihydrid gasförmiger Wasserstoff
frei und sorgt dafür, dass das Gemenge aufgeschäumt
wird. – Auch andere Möglichkeiten zur Herstellung
von Metallschäumen sind bekannt. So lässt sich
beispielsweise Gas in eine Metallschmelze einblasen, die zuvor durch Zugabe
fester Bestandteile schäumbar gemacht wurde. Im Falle der
Verwendung von Aluminiumlegierungen werden oftmals zur Stabilisierung
10 bis 20 Volumen-% Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid zugegeben.
Schlussendlich kennt man grundsätzlich auch die Herstellung
von Metallschäumen dergestalt, dass das flüssige
Metall über eine Walze oder sonst wie auf eine Unterlage
regellos aufgespritzt wird und die einzelnen Tropfen anschließend
den Metallschaum bilden. Als mögliche Materialien kommen
neben Aluminium auch Eisen oder Kupfer sowie Zink, Zinn, Nickel
aber auch Edelmetalle wie Gold oder Silber einzeln oder in Legierungen
als Basismaterialien für das Sintermetall respektive den
Metallschaum in Frage.
-
Dabei
reduziert sich die Dichte des Metallschaumes auf Werte im Bereich
von ca. 10 Gew.-% bezogen auf das Ausgangsmaterial. Die Poren verfügen über
eine zumeist eckige Gestalt in Form beispielsweise eines Pentagondodekaeder,
dessen Kanten die Stege der Gitterstruktur formen. Insgesamt werden
Durchmesser im Bereich zwischen 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise bis max.
4 mm beobachtet. Dabei ist die Porengröße ausreichend,
um für den beschriebenen Druckausgleich sorgen zu können. Gleichzeitig
stellt die regellose Verteilung der Poren im Metallschaum sicher,
dass von außen kein Staub oder sonstige Verschmutzungen
eindringen können.
-
Für
die Halterung der Druckausgleichsvorrichtung hat es sich bewährt,
wenn die Öffnung mit einer Auflage ausgerüstet
ist. Denn in diesem Fall wird die Druckausgleichsvorrichtung zwischen
der besagten Auflage und einem Fixierelement festgelegt. Üblicherweise
handelt es sich bei dem Fixierelement um einen Fixierring, wenn
sowohl die Öffnung als auch die Druckausgleichsvorrichtung
insgesamt kreisförmig ausgebildet sind, was natürlich
nicht zwingend ist. Das Fixierelement wird in der Regel dergestalt
in dem Gehäuse festgelegt, dass das Gehäuse und
das Fixierelement miteinander gefügt sind. Dabei hat sich eine
Schweißverbindung als besonders günstig erwiesen.
Tatsächlich ist das Gehäuse zumindest im Bereich
der Öffnung aus Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen
Kunststoff hergestellt. Vergleichbares gilt für das Fixierelement.
Auf diese Weise lassen sich das Gehäuse und das Fixierelement vorteilhaft
durch Ultraschallschweißen miteinander verbinden.
-
Tatsächlich
sorgt ein in den Bereich der Öffnung eingebrachter und
meistens an das Fixierelement angelegter Schallkopf dafür,
dass Resonanzschwingungen in dem Fixierelement und in dem Gehäuse
im Bereich der Öffnung in dem vorteilhaft vorgesehenen
(thermoplastischen) Kunststoffmaterial erzeugt werden. Dabei wird
meistens mit elastomechanischen Schwingungen oberhalb der Hörgrenze gearbeitet,
das heißt meistens oberhalb von 20 kHz bis in den MHz-Bereich
hinein. Der Schallwandler bzw. Schallkopf als solcher mag piezoelektrisch
oder magnetostriktiv arbeiten.
-
Jedenfalls
werden in den Kunststoffen des Fixierelementes und des Gehäuses
im Bereich der Öffnung Druck- und Zugphasen infolge der
eingetragenen elastomechanischen Schwingungen erzeugt, die im Ergebnis
dazu führen, dass das Gehäuse und das Fixierelement
miteinander verschweißt werden bzw. sind. Das geschieht
folglich ohne dass zusätzliches Schweißmaterial
an diese Stelle verbracht werden muss.
-
Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuse vollständig
aus einem Kunststoff, insbesondere thermoplastischen Kunststoff,
gefertigt ist. Denn das hält die Herstellungskosten niedrig.
Im Übrigen kann das Gehäuse transparent ausgeführt
werden, um von außen unschwer eine Funktionskontrolle vornehmen
zu können und im Übrigen die Möglichkeit
zu bieten, Signaleinrichtungen im Innern erkennen zu können.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
-
1 das
erfindungsgemäße Gehäuse schematisch
und
-
2 einen
Ausschnitt aus 1 im Bereich einer Öffnung
zur Aufnahme einer Druckausgleichsvorrichtung.
-
In
der 1 ist ein Gehäuse für eine elektrische
Schaltungsanlage in explosionsgeschützter Bauart dargestellt.
Tatsächlich handelt es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels
um ein insgesamt zylindrisches Gehäuse aus Kunststoff,
im Ausführungsbeispiel einem thermoplastischen Kunststoff. Die
elektrische Schaltungsanlage ist vorliegend und nicht einschränkend
als Lautsprecher 1 ausgeführt, welcher im Innern
des Gehäuses angeordnet ist und als akustischer Signalgeber
fungiert.
-
Damit
die vom Lautsprecher 1 erzeugten Schallwellen nach außerhalb
des Gehäuses gelangen und im Übrigen ein Druckausgleich
zwischen dem Inneren des Gehäuses und der äußeren
Umgebung stattfindet, verfügt das Gehäuse über
eine Öffnung 2, welche mit Hilfe einer porösen
Druckausgleichsvorrichtung 3 verschlossen ist.
-
Die
Druckausgleichsvorrichtung 3 verfügt im Ausführungsbeispiel über
eine Dichte von weniger als 8 g/cm3, in
der Darstellung sogar über eine Dichte unterhalb von 0,5
g/cm3, weil es sich insofern um eine Scheibe
aus einem Metallschaum handelt. Folgerichtig ist die Druckausgleichsvorrichtung 3 leicht
und offenporig gestaltet. Dabei sind die Poren üblicherweise
mit einem Durchmesser von max. 1 mm ausgerüstet und finden
sich regellos im Innern der Druckausgleichsvorrichtung 3,
bilden also ausdrücklich keine durchgängigen Porenkanäle.
Das lässt sich auf die Herstellungsweise zur Produktion
der Druckausgleichsvorrichtung 3 zurückführen,
die im Beispielfall als Metallschaum ausgebildet ist aber auch aus
einem Sintermetall produziert werden kann.
-
Im
gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Druckausgleichsvorrichtung 3 um
eine Scheibe aus Metallschaum mit üblicherweise einem Durchmesser im
Zentimeterbereich und einer Stärke von mehreren Millimetern,
beispielsweise 5 mm. Auf diese Weise ist die Druckausgleichsvorrichtung 3 mit
einem hohen Schmelzpunkt ausgerüstet, welcher vorliegend
deutlich oberhalb von 600°C angesiedelt ist. Außerdem korrespondiert
der Porencharakter zu einem Druckverlust, welcher im Bereich zwischen
0,05 bar/cm bis 0,2 bar/cm Schichtdicke der Druckausgleichsvorrichtung 3 bei
einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 1 m/sec angesiedelt
ist.
-
Im
Ausführungsbeispiel mit einer Schichtdicke von ca. 5 mm
ist folglich mit einem Druckverlust im Bereich von 0,03 bar bis
0,1 bar zu rechnen, falls der Druckausgleich mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von ca. 1 m/sec stattfindet. Hierbei handelt es sich selbstverständlich
nur um einen Beispielwert.
-
Um
die Druckausgleichsvorrichtung 3 in einem Boden 4 des
Gehäuses bzw. in der Öffnung 2 einwandfrei
fixieren zu können, sind eine Auflage 5 und ein
Fixierelement 6 realisiert. Die Druckausgleichsvorrichtung 3 wird
nun zwischen der Auflage 5 und dem Fixierelement 6 festgelegt
bzw. eingespannt. Zu diesem Zweck wird die Druckausgleichsvorrichtung 3 bzw.
Metallschaum-Scheibe 3 zunächst auf die Auflage 5 aufgelegt
und dann das Fixierelement 6 in oberseitiger Anlage an
die Druckausgleichsvorrichtung 3 gebracht und mit dem Gehäuse respektive
dem Boden 4 des Gehäuses gefügt.
-
Das
wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels durch Ultraschallschweißen
erreicht, indem ein Schallkopf dafür sorgt, dass das (wie
das Gehäuse) ebenfalls aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigte
Fixierelement 6 randseitig ebenso wie das Gehäuse
im Bereich der Öffnung 2 aufschmelzen und es auf
diese Weise zu der gewünschten Schweißverbindung
an dieser Stelle kommt.
-
Das
Gehäuse ist insgesamt transparent ausgestaltet, um ggf.
zusätzlich zu dem Lautsprecher 1 auch optische
Signaleinrichtungen wie beispielsweise Signallampen oder dergleichen
im Innern platzieren zu können und diese nach außen
hin sichtbar zu machen. Sollte nun im Innern eine Explosion oder Zündung
des dort vorhandenen Gasgemisches oder der Gasatmosphäre
stattfinden, weil sich die elektrische Schaltungsanlage üblicherweise
in einer explosionsgefährdeten Umgebung befindet, so verhindert die
Druckausgleichsvorrichtung 3 zuverlässig einen Zündungsdurchschlag
vom Gehäuseinneren nach außen. Denn ein etwaiger
Zündfunke erlischt beim Durchgang durch die Druckausgleichsvorrichtung 3 infolge
der regellos vorhandenen Poren. Dabei kommt es gleichzeitig zu einer
Abkühlung des Funken.
-
Infolge
des hohen Schmelzpunktes der Druckausgleichsvorrichtung 3 sind
hierbei keine Beschädigungen zu befürchten. Zusätzlich
sorgt die Druckausgleichsvorrichtung 3 im Normalbetrieb
dafür, dass im Innern des Gehäuses entstehende
Verlustwärme und ein damit zusammenhängender höherer
Druck im Vergleich zur Umgebung ausgeglichen wird, weil insofern
ein Austausch der Gasatmosphäre im Innern des Gehäuses
im Vergleich zur Umgebung stattfindet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0157285
B1 [0003]
- - DE 8409870 U1 [0003]
- - DE 102005042565 A1 [0005]