DE69822897T2

DE69822897T2 - Rohrförmige Dichtung zur verbesserten Abschirmung gegen die Umgebung und elektromagnetische Interferenzen

Info

Publication number: DE69822897T2
Application number: DE69822897T
Authority: DE
Inventors: Kai Bonita Zhang
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2018-10-17
Also published as: DE69822897D1; WO1999022556A2; EP1057386B1; DE69812715T2; EP1057386A2; CA2308774A1; AU1097199A; DE69812715D1; US6075205A; CA2308774C; BR9814704A; WO1999022556A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Dichtungen zur Bereitstellung einer Abkapselung gegen die Umgebung und/oder einer Abschirmung gegen elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) und insbesondere ein elektrisch leitendes, röhrenförmiges Extrusionsdichtungsprofil, welches ein kontrolliertes Biegeverhalten an den Tag legt, wenn es zwischen einem Paar von Oberflächen, wie beispielsweise innerhalb eines Elektronikgehäuses, durch Druck verformt wird.
Der Betrieb von elektronischen Geräten, einschließlich Fernseher, Radios, Rechner, medizinischer Instrumente, Büromaschinen, Kommunikationseinrichtungen und dergleichen, wird durch die Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung innerhalb der elektronischen Schaltungsanordnung der Einrichtung besorgt. Diese Strahlung entwickelt sich häufig als ein Feld oder als Übergänge innerhalb des Hochfrequenzbandes des elektromagnetischen Spektrums, d. h. zwischen etwa 10 KHz und 10 GHz, und wird als „elektromagnetische Störbeeinflussung" oder „EMI" bezeichnet, da sie bekanntlich den Betrieb anderer, in der Nähe befindlicher elektronischer Geräte störend beeinflusst.
Zur Abschwächung von EMI-Effekten kann eine Abschirmung mit der Fähigkeit, EMI-Energie zu absorbieren und/oder zu reflektieren, eingesetzt werden, um sowohl die EMI-Energie innerhalb eines Quellengeräts einzuschließen als auch um dieses Gerät oder andere „Ziel"-Geräte von anderen Quellengeräten zu isolieren. Diese Abschirmung ist als eine Barriere vorgesehen, welche zwischen der Quelle und den anderen Geräten eingefügt wird, und sie ist normalerweise als ein elektrisch leitendes und geerdetes Gehäuse, welches das Gerät umschließt, ausgelegt. Da die Schaltungsanordnung des Geräts für die Wartung oder dergleichen im Allgemeinen zugänglich bleiben muss, sind die meisten Gehäuse mit Zugängen, wie beispielsweise Türen, Luken, Platten oder Abdeckungen, versehen, die geöffnet oder entfernt werden können. Doch selbst zwischen dem flachsten dieser Zugänge und seiner entsprechenden dazupassenden oder genau anliegenden Fläche können Spalte vorhanden sein, welche die Wirksamkeit der Abschirmung durch Aufweisen von Öffnungen, durch welche Strahlungsenergie entweichen oder anderweitig in das Gerät eintreten oder daraus austreten kann, verringern. Außerdem stellen solche Spalte Unterbrechungen in der Oberflächen- und Erdungsleitfähigkeit des Gehäuses oder einer anderen Abschirmung dar und können durch Funktionieren als eine Form von Schlitzantenne sogar eine Sekundärquelle von EMI-Strahlung erzeugen. In diesem Zusammenhang entwickeln Volumen- oder Oberflächenströme, welche innerhalb des Gehäuses induziert werden, Spannungsgradienten über alle Grenzflächenspalte in der Abschirmung, wodurch diese Spalte als Antennen funktionieren, welche ein EMI-Geräusch ausstrahlen. Im Allgemeinen ist die Amplitude des Geräusches proportional zur Spaltlänge, wobei die Breite des Spalts eine weniger merkliche Wirkung hat.
Um Spalte innerhalb zusammenpassender Oberflächen von Gehäusen und anderen EMI-Abschirmungsstrukturen auszufüllen, wurden Dichtungen und andere Dichtverschlüsse vorgeschlagen, um sowohl den elektrischen Durchgang über die Struktur aufrechtzuerhalten als auch um solche Verunreinigungssubstanzen wie Feuchtigkeit und Staub vom Innenraum des Geräts auszuschließen. Diese Dichtverschlüsse werden an eine der zusammenpassenden Oberflächen gebunden oder mechanisch daran befestigt oder durch Pressen darin eingepasst und funktionieren, um alle Grenzflächenspalte zu schließen, um einen kontinuierlichen Leitweg darüber herzustellen, indem sie sich unter einem angelegten Druck an Unregelmäßigkeiten zwischen den Oberflächen anpassen. Demgemäß sind Dichtverschlüsse, welche für EMI-Abschirmungsanwendungen bestimmt sind, so vorgeschrieben, dass sie eine Konstruktion aufweisen, welche nicht nur selbst unter Druck elektrische Oberflächenleitfähigkeit bereitstellt, sondern welche auch eine Elastizität aufweist, die es den Dichtverschlüssen erlaubt, sich an die Größe des Spalts anzupassen. Die Dichtverschlüsse müssen außerdem verschleißfest und wirtschaftlich herzustellen sein, sowie die Fähigkeit aufweisen, wiederholten Druck- und Entspannungszyklen standzuhalten. Für weitere Informationen über Spezifikationen für EMI-Abschirmungsdichtungen kann auf Severinsen, J., „Gaskets That Block EMI", Machine Design, Band 47, Nr. 19, ff. 74 bis 77 (7. August 1975) Bezug genommen werden.
Wie in US-Patent Nr. 5,603,514; 5,522,602; 5,512,709; 5,438,423; 5,524,908; 5,202,536; 5,142,101; 5,115,104; 5,105,056; 5,028,739; 5,008,485; 4,952,448; und 4,857,668 dargestellt ist, sind EMI-Abschirmungsdichtungen normalerweise als ein elastisches Kernelement mit Spaltfüllfähigkeiten aufgebaut, welches entweder mit einem elektrisch leitenden Element gefüllt, umhüllt oder beschichtet wird. Das elastische Kernelement, welches geschäumt oder ungeschäumt, massiv oder röhrenförmig sein kann, wird normalerweise aus einem elastomeren thermoplastischen Material, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder einer Polypropylen-EPDM-Mischung, oder einem thermoplastischen oder wärmehärtbaren Kautschuk, wie beispielsweise Butadien, Styrol-Butadien, Chlorsulfonat, Neopren, Urethan, Siliconkautschuk oder Fluorsiliconkautschuk, gebildet.
Leitende Materialien für das Füllmittel, die Umhüllung oder die Beschichtung umfassen Metalle oder metallisierte Partikel, Stoffe, Netze und Fasern. Bevorzugte Metalle umfassen Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium, Zinn oder eine Legierung, wie beispielsweise Monel, wobei bevorzugte Fasern und Stoffe Natur- und Kunstfasern, wie beispielsweise Baumwolle, Wolle, Seide, Cellulose, Polyester, Polyamid, Nylon und Polyimid, umfassen. Alternativerweise können andere leitende Partikel und Fasern, wie beispielsweise Kohlenstoff, Graphit und plattiertes Glas, oder ein leitendes Polymermaterial als Ersatz dienen.
Herkömmliche Herstellungsverfahren für EMI-Abschirmungsdichtungen umfassen Extrusion, Formen oder Stanzen, wobei Formen und Stanzen für besonders kleine oder komplexe Abschirmungsformen bisher bevorzugt werden. In diesem Zusammenhang bezieht Stanzen das Bilden der Dichtung aus einer ausgehärteten Folie eines elektrisch leitenden Elastomers ein, welche unter Verwendung eines Stanzwerkzeugs zur gewünschten Form zugeschnitten oder gestanzt wird. Formen wiederum bezieht Press-, Spritzpress- und Spritzformen eines ungehärteten oder thermoplastischen Elastomers in die gewünschte Form ein.
Erfordernisse für typische EMI-Abschirmungsanwendungen und insbesondere jene für röhrenförmige Extrusionsdichtungsprofile schreiben im Allgemeinen einen niedrigen Widerstand und eine Flachverbindung vor, welche unter normalen Schließkraftlasten biegungsfähig ist. Andere Erfordernisse umfassen niedrige Kosten und eine Ausführung, welche sowohl einen EMI-Abschirmungswirkungsgrad zum richtigen Betrieb des Geräts als auch zur Übereinstimmung mit den EMC-Handelsbestimmungen der Bundesbehörde für Fernmeldwesen (FCC für engt. Federal Communication Commmission) in den USA bereitstellt.
Wie in US-Patent Nr. 3,758,123; 4,968,854; 5,068,493; 5,107,070 und 5,578,790, Druckschrift „Ultra-Vanshield", Vanguard Products, Danbury, und in den Druckschriften: „EMI Shielding For Commercial Electronics" ff. 10, 14, 15, 17 und 25 (1996); „EMI Shielding Engineering Handbook", ff. 42 bis 47 (1989); „EMI Shielding for Military/Aerospace Electronics", ff. 39 bis 51, 65 (1996), Parker Chomerics, Woburn, MA, und den Technical Bulletins 13 (1995), 20 (1997), 25 (1996) und 58 (1997), enthüllt wird, umfassen typische Ausführungen für herkömmliche Dichtungsprofile runde oder O-förmige, quadratische, rechteckige, umgekehrte D-, P- oder V-förmige, Ω-förmige, U-förmige und Querschnitte verschiedener Kombinationen. Ein im Allgemeinen Ω-förmiger Querschnitt wird in der internationalen (PCT) Anmeldung Nr. WO 9414309 offenbart.
Bisher wurde ein D-förmiges Extrusionsprofil, welches einen flachen Basisabschnitt und einen abgerundeten oberen Abschnitt umfasst, häufig für gewisse Abdichtungsanwendungen vorgeschrieben, da der Basisabschnitt eine im Allgemeinen flache Grenzfläche ermöglichte, welche zum Sichern der Dichtung auf einer gegenüberliegenden dazupassenden Oberfläche des Substrats mit einem Selbstkleber (PSA für engl. pressure sensitive adhesive) oder dergleichen diente. In Bezug auf röhrenförmige, d. h. hohle, D-förmige Extrusionsprofile wurde jedoch festgestellt, dass diese Profile in einer zusammengedrückten oder verformten Lage ein Biegeverhalten an den Tag legen, das durch ein Hochheben des flachen Basisabschnitts von der dazupassenden Oberfläche gekennzeichnet ist. Es ist zu erkennen, dass diese Biegung durch Verkleinern der Kontaktfläche zwischen dem Basisabschnitt und dem dazupassenden Substrat den Gesamtwirkungsgrad der Dichtung sowohl hinsichtlich der EMI-Abschirmung als auch der Abkapselung gegen die Umgebung dementsprechend verringert. Außerdem übt diese Biegung eine Hebekraft auf jeglichen PSA-Zwischenschichtstreifen aus, welche letzten Endes durch einen Scher- oder Schälmechanismus einen Adhäsionsfehler verursachen kann.
Angesichts der vorstehenden Darlegung ist zu erkennen, dass Verbesserungen in der Ausführung von röhrenförmigen Extrusionsprofilen für EMI-Abschirmungsdichtungen und dergleichen durch die Elektronik- und andere Industrien willkommen geheißen würden. Besonders wünschenswert wäre ein extrudierbares Profil, das zur Verwendung selbst bei einer Anwendung geringer Schließkraft geeignet ist und das einen einheitlichen Kontakt mit dem Basissubstrat für eine beständige Leistung hinsichtlich der EMI-Abschirmung und Abkapselung gegen die Umgebung aufrechterhält.
ALLGEMEINE DARLEGUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein extrudierbares, röhrenförmiges Dichtungsprofil zur Abkapselung gegen die Umgebung und/oder Abschirmung gegen elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) gerichtet, welches ein kontrolliertes Biegeverhalten an den Tag legt, wenn es zwischen einem Paar von Oberflächen, wie beispielsweise innerhalb eines Elektronikgehäuses, durch Druck verformt wird. Wie bei den herkömmlichen D-förmigen Profilen weist die Dichtung der vorliegenden Erfindung eine ringförmige Geometrie auf, welche einen im Allgemeinen abgerundeten, bogenförmigen oberen Abschnitt und einen im Allgemeinen flachen Basisabschnitt, welche im Allgemeinen kontinuierliche Innen- und Außenflächen definieren, umfasst. Die Dichtung umfasst jedoch ferner ein Paar von einander gegenüberliegenden seitlichen Abschnitten auf, welche sich auf jeder Seite der Dichtung jeweils zwischen den entsprechenden Kanten des oberen und des Basisabschnitts erstrecken. Die seitlichen Abschnitte sind in einer radial nach innen gerichteten Lage winkelig angeordnet, so dass die Innenflächen dieser Abschnitte jeweils einen spitzen Winkel mit der Innenfläche des Basiselements definieren. Durch mathematische Modellsimulationen wurde festgestellt, dass die Bereiche, welche an den Schnittpunkten des bogenförmigen und der seitlichen Abschnitte definiert werden, als Spannungsentlastungszonen funktionieren, innerhalb derer die Dichtung für ein kontrolliertes Verformungsverhalten knickbar ist, wodurch das Hochheben des Basisabschnitts der Dichtung vom Substrat verhindert wird. Wenn die Dichtung der Erfindung zum Beispiel in elektronischen Anwendungen eingesetzt wird, stellt sie vorteilhafterweise einen beständigen Wirkungsgrad hinsichtlich der EMI-Ab schirmung und außerdem hinsichtlich der Abkapselung gegen die Umgebung bereit.
In einer bevorzugten Ausführungsform für EMI-Abschirmungsanwendungen wird das röhrenförmige Dichtungsprofil aus einem elastomeren Material, wie beispielsweise einem Silicon- oder Fluorsiliconkautschuk, extrudiert und entweder durch seine Ladung mit einem silber- oder nickelbasierten Füllmittel oder durch seine Ummantelung innerhalb einer beschichteten oder coextrudierten Außenschicht eines Silicon- oder Fluorsiliconmaterials, welches mit einem silber- oder nickelbasierten Füllmittel geladen ist, elektrisch leitend gemacht. Obwohl eine einheitliche Wanddicke zur Erleichterung der Verarbeitung aufrechterhalten werden kann, sieht das Dichtungsprofil der Erfindung alternativerweise die Bereitstellung einer nichteinheitlichen Wanddicke vor, um einen oder mehr zentral angeordnete Längstragabschnitte zu definieren, welche sich von einer oder beiden der Innenflächen des Basis- und des bogenförmigen Abschnitts der Dichtung radial nach innen erstrecken. In der zusammengedrückten Lage der Dichtung entwickeln diese Tragabschnitte vorteilhafterweise einen anliegenden, Kraft übertragenden Kontakt zwischen dem bogenförmigen und dem Basisabschnitt, um den Basisabschnitt weiter wirksam in einheitlichem Kontakt mit der dazupassenden Substratfläche zu halten.
Eine offenbarte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht daher eine Dichtung für die EMI-Abschirmung und die Abkapselung gegen die Umgebung zum Einlegen zwischen einer ersten Substratfläche und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Substratfläche ein. Die Dichtung ist aus einem elastischen röhrenförmigen Körper von unbestimmter Länge gebildet, welcher sich axial entlang einer zentralen Längsachse erstreckt. Der röhrenförmige Körper weist eine im Allgemeinen kontinuierliche Innen- und Außenfläche auf, welche eine Wanddicke der Dichtung dazwischen definieren, auf und umfasst ein flaches Basiselement, ein bogenförmiges Element und ein Paar von seitlichen Elementen. Das Basiselement, welches sich zwischen einer ersten und einer zweiten Kante erstreckt, weist eine Innenfläche, welche einen Abschnitt der Innenfläche des Körpers bildet, und eine Außenfläche, welche einen Abschnitt der Außenfläche des Körpers zum Kontakt mit der zweiten Substratfläche bildet, auf. Das bogenförmige Element weist eine Innenfläche, welche von der Innenfläche des Basiselements radial beabstandet ist und einen anderen Abschnitt der Innenfläche des Körpers bildet, und eine Außenfläche, welche einen anderen Abschnitt der Außenfläche des Körpers zum Kontakt mit der ersten Substratfläche bildet, auf. Das bogenförmige Element erstreckt sich ferner von der Längsachse entlang einer vorbestimmten Ortskurve zwischen einem ersten nahe gelegenen Ende, welches von der ersten Kante des Basiselements radial nach innen angeordnet ist, und einem zweiten nahe gelegenen Ende, welches von der zweiten Kante des Basiselements radial nach innen angeordnet ist, radial nach außen. Ein erstes seitliches Element erstreckt sich von der ersten Kante des Basiselements zum ersten nahe gelegenen Ende des bogenförmigen Elements, wobei sich ein zweites seitliches Element von der zweiten Kante des Basiselements zum zweiten nahe gelegenen Ende des bogenförmigen Elements erstreckt. Jedes der seitlichen Elemente weist eine Außenfläche auf, welche einen zusätzlichen Abschnitt der Außenfläche des röhrenförmigen Körpers bildet, und eine Innenfläche, welche einen zusätzlichen Abschnitt der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Elemente einen spitzen Winkel mit der Innenfläche des Basiselements bilden. Die so aufgebaute Dichtung kann unter einer vorbestimmten Druckkraft zwischen der ersten und der zweiten Substratfläche in eine geknickte Lage gebogen werden, wobei ein im Wesentlichen kontinuierlicher Kontakt zwischen der Außenfläche des Basiselements und der zweiten Substratfläche aufrechterhalten wird.
Eine Dichtung zur EMI-Abschirmung und/oder Abkapselung gegen die Umgebung, welche unter einer vorbestimmten Druckkraft zwischen einer ersten Substratfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Substratfläche in eine geknickte Lage gebogen werden kann, kann einen elastischen röhrenförmigen Körper von unbestimmter Länge umfassen, welcher sich axial entlang einer zentralen Längsachse erstreckt. Der röhrenförmige Körper weist eine im Allgemeinen kontinuierliche Innen- und Außenfläche auf, welche eine Wanddicke der Dichtung dazwischen definieren, und umfasst ein flaches Basiselement und ein bogenförmiges Element. Das Basiselement, welches sich zwischen einer ersten und einer zweiten Kante erstreckt, weist eine Innenfläche, welche einen Abschnitt der Innenfläche des Körpers bildet, und eine Außenfläche, welche einen Abschnitt der Außenfläche des Körpers zum Kontakt mit der zweiten Substratfläche bildet, auf. Das bogenförmige Element weist eine Innenfläche, welche von der Innenfläche des Basiselements radial beabstandet ist und einen anderen Abschnitt der Innenfläche des Körpers bildet, und eine Außenfläche, welche einen anderen Abschnitt der Außenfläche des Körpers zum Kontakt mit der ersten Substratfläche bildet, auf. Das bogenförmige Element erstreckt sich ferner von der Längsachse entlang einer vorbestimmten Ortskurve zwischen einem ersten nahe gelegenen Ende, welches benachbart zur ersten Kante des Basiselements angeordnet ist, und einem zweiten nahe gelegenen Ende, welches benachbart zur zweiten Kante des Basiselements angeordnet ist, radial nach außen. Eine oder beide der Innenflächen des bogenförmigen und des Basiselements sind so ausgelegt, dass sie einen Bereich von vergrößerter Wanddicke aufweisen, welcher ein längliches Tragelement definiert. Jedes Tragelement erstreckt sich axial wenigstens entlang eines Abschnitts der Länge der Dichtung im Allgemeinen parallel zur Längsachse und von einer entsprechenden der Innenflächen radial nach innen zu einem entfernt gelegenen Ende. In der geknickten Lage der Dichtung ist das entfernt gelegene Ende jedes Tragelements in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung zu der gegenüberliegenden der Innenflächen verfügbar und zwingt das Basiselement in Kontakt mit dem zweiten Substrat.
Vorteile der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein verbessertes Extrusionsdichtungsprofil für Anwendungen geringer Schließkraft, wie sie beispielsweise in elektronischen Geräten gefunden werden können. Zusätzliche Vorteile sind ein Dichtungsprofil, welches eine große, aber kontrollierte Biegung und einen einheitlichen Grenzflächenkontakt mit dem Basissubstrat für einen besser gesicherten elektrischen und physischen Durchgang und wiederum einen zuverlässigeren Wirkungsgrad hinsichtlich der EMI-Abschirmung und der Abkapselung gegen die Umgebung bereitstellt. Diese und andere Vorteile sind für die Fachleute auf der Basis der hierin enthalten Offenbarung leicht zu erkennen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Beschaffenheit und der Aufgaben der Erfindung sollte auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen werden, wobei:
1 eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform eines EMI-Abschirmungsdichtungsprofils ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt ist, dass sie ein unteres Basiselement, ein oberes bogenförmiges Element und ein Paar von spitzwinkeligen seitlichen Elementen umfasst;
2A eine vergrößerte Seitenansicht eines alternativen Aufbaus der Dichtung von 1 ist, welche eine elektrisch leitende Beschichtung oder andere Außenschicht umfasst;
2B eine vergrößerte Seitenansicht eines anderen alternativen Aufbaus der Dichtung von 1 ist, welche eine elektrisch leitende Netzaußenschicht oder -umhüllung umfasst;
3A eine grafische Darstellung eines Finite-Element-Modells ist, welches vorausgesagte Spannungsverteilungen in der geknickten Lage des Dichtungsprofils von 1 im Querschnitt darstellt, wie es zwischen einem zusammenpassenden Paar von Substratflächen zusammengedrückt wird;
3B eine grafische Darstellung wie in 3A ist, wobei aber der Basisabschnitt der Dichtung durch eine Klebstoffzwischenschicht an die gegenüberliegende Substratfläche gebunden ist;
4A eine grafische Darstellung wie in 3A für ein D-förmiges Dichtungsprofil ist, das für den Stand der Technik repräsentativ ist;
4B eine grafische Darstellung wie in 3A für das D-förmiges Dichtungsprofil von 4A ist, wobei aber die Dichtungsbasis durch eine Klebstoffzwischenschicht an die gegenüberliegende Substratfläche gebunden ist;
5A eine perspektivische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines EMI-Abschirmungsdichtungsprofils ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt ist, dass es einen länglichen Tragabschnitt umfasst, welcher sich von der Innenfläche des unteren Basiselements radial nach innen erstreckt;
5B eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Dichtung von 5A ist, wobei sie ein zweites längliches Tragelement umfasst, welches sich von der Innenfläche des oberen bogenförmigen Elements radial nach innen erstreckt;
6A eine grafische Darstellung eines Finite-Element-Modells ist, welches vorausgesagte Spannungsverteilungen in der geknickten Lage des Dichtungsprofils von 5A im Querschnitt darstellt, wie es zwischen einem zusammenpassenden Paar von Substratflächen zusammengedrückt wird;
6B eine grafische Darstellung entsprechend 6A für das Dichtungsprofil von 5B ist;
7 eine grafische Vergleichsdarstellung eines Finite-Elemente-Modells ist, welches die vorausgesagte geknickte Form eines repräsentativen Dichtungsprofils gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt darstellt;
8 eine grafische Vergleichsdarstellung entsprechend 7 für ein Ω-förmiges Dichtungsprofil ist, das für den Stand der Technik repräsentativ ist;
9 eine grafische Vergleichsdarstellung entsprechend 7 für ein anderes Ω-förmiges Dichtungsprofil ist, das für den Stand der Technik repräsentativ ist;
9A eine grafische Vergleichsdarstellung entsprechend 7 der Dichtung von 9 ist, wie gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abgeändert;
9B eine grafische Vergleichsdarstellung entsprechend 7 der Dichtung von 9A ist, die gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung weiter abgeändert ist;
10 eine grafische Vergleichsdarstellung entsprechend 7 ist, welche ein erstes Grenzlimit des Dichtungsprofils der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei die seitlichen Flächen in rechten Winkeln zum Basiselement angeordnet sind; und
11 eine grafische Vergleichsdarstellung entsprechend 7 ist, welche ein zweites Grenzlimit des Dichtungsprofils der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei die seitlichen Flächen parallel zum Basiselement angeordnet sind.
Die Zeichnungen werden in Verbindung mit der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung näher beschrieben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine gewisse Terminologie kann in der folgenden Beschreibung vielmehr zur Zweckmäßigkeit als zu irgendeinem einschränkenden Zweck eingesetzt werden. Zum Beispiel bezeichnen die Begriffe „nach vorne", „nach hinten", „rechts", „links", „oberer" und „unterer" Richtungen in den Zeichnungen, auf welche Bezug genommen wird, wobei sich die Begriffe „nach innen", „innerer" oder „nach innen gerichtet" und „nach außen", „äußerer" oder „nach außen gerichtet" sich jeweils auf Richtungen zum Zentrum des erwähnten Elements, auf das Bezug genommen wird, hin oder davon weg beziehen, und sich die Begriffe „radial" beziehungsweise „axial" auf Richtungen beziehen, welche senkrecht und parallel zur zentralen Längsachse des erwähnten Elements sind. Terminologie ähnlicher Bedeutung, die sich von den zuvor eigens erwähnten Wörtern unterscheidet, ist gleichermaßen dahin gehend zu betrachten, dass sie vielmehr aus Gründen der Zweckmäßigkeit als in irgendeinem einschränkenden Sinn verwendet wird.
Zum Zwecke der Veranschaulichung des folgenden Diskurses wird das hierin einbezogene Dichtungsprofil so beschrieben wird, dass es geeignet ist, innerhalb einer Grenzfläche, wie beispielsweise zwischen einer Tür, Platte, Luke, Abdeckung oder anderen Trennlinie, einer Abschirmungsstruktur gegen die elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) auf genommen zu werden. Die EMI-Abschirmungsstruktur kann das leitende Gehäuse eines Rechners, Mobiltelefons oder anderen elektronischen Geräts oder einer ebensolchen Einrichtung sein, welche EMI-Strahlung erzeugt oder für die Wirkungen davon empfänglich ist. Die Dichtung kann an eine von einem Paar von zusammenpassenden Oberflächen, welche die Grenzfläche innerhalb des Gehäuses definieren, gebunden oder daran befestigt oder durch Pressen darin eingepasst werden und zwischen den zusammenpassenden Oberflächen funktionieren, um jegliche Grenzflächenspalte oder andere Unregelmäßigkeiten abzudichten. Das heißt, während die Dichtung unter einem angelegten Druck ist, passt sie sich elastisch an jede solcher Unregelmäßigkeiten an, sowohl um einen kontinuierlichen Leitweg über die Grenzfläche herzustellen als auch um den Innenraum des Gehäuses gegen das Eindringen von Staub, Feuchtigkeit und anderer Verunreinigungssubstanzen abzukapseln. Es ist jedoch zu erkennen, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung in anderen Abdichtungsanwendungen Verwendung finden können.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren, bei welchen durch die verschiedenen Ansichten hindurch entsprechende Bezugszeichen verwendet werden, um entsprechende Elemente zu bezeichnen, wobei äquivalente Elemente mit Hauptbezeichnungen angezeigt sind, ist eine Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Abschirmung gegen elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) im Allgemeinen bei 10 dargestellt, und zwar so, dass sie im Allgemeinen zum Einlegen zwischen einem zusammenpassenden Paar einer ersten und einer zweiten Substratfläche geeignet ist, welche in 3A und 3B bei 12 und 14 angezeigt sind, wie sie beispielsweise innerhalb eines Elektronikgehäuses vorzufinden sind. Zu Veranschaulichungszwecken ist die Dichtung 10 so dargestellt, dass sie eine unbestimmte Länge aufweist, welche zur Größenanpassung an den Umfang der abzudichtenden Grenzfläche zugeschnitten, geteilt oder anderweitig begrenzt werden kann.
Im Grundaufbau ist zu erkennen, dass die Dichtung 10 einen einheitlichen röhrenförmigen oder ringförmigen Körper 16 umfasst, welcher sich axial entlang einer zentralen Längsachse 18 erstreckt. Der Körper 16, welcher eine geschlossene Geometrie mit einem im Allgemeinen Ω-förmigen Querschnitt aufweist, weist eine kontinuierliche Innenfläche 20 und Außenfläche 22 auf, welche eine Wanddicke definieren, die dazwischen bei „w" angezeigt ist. Zur Erleichterung der Herstellung kann die Wanddicke w im Allgemeinen einheitlich sein, und für die meisten Anwendungen beträgt sie normalerweise zwischen etwa. 0,25 und 0,60 Zoll (1,125 und 1,5 mm), aber dies kann zum Beispiel vom Dichtungsdurchmesser abhängen. Der Körper 16 kann zwar jedes Durchmessermaß, das bei „d" angezeigt ist, aufweisen, weist aber für die meisten Anwendungen einen Durchmesser oder eine Breite von etwa 0,25 Zoll (0,64 cm) bis 1 Zoll (2,54 cm) auf.
Vorzugsweise ist der röhrenförmige Körper 16 aus einem elastomeren oder einem anderen elastischen Polymer- oder Kunststoffmaterial gebildet, welches so ausgewählt wird, dass es über einen großen Bereich von Temperaturen nachgiebig ist und dass es selbst nach wiederholten Zyklusabläufen oder langen Druckpausen gute Druck-Entspannungscharakteristiken an den Tag legt. Geeignete elastomere Materialien, welche Schaumstoffe mit offenen oder geschlossenen Zellen oder ungeschäumt sein können, umfassen thermoplastische oder wärmehärtbare Kunstkautschuke, wie beispielsweise SBR, Polybutadien, EPDM, Butyl, Polyurethan, Neopren, Nitril, Polyisopren, Silicon, Fluorsilicon, Buna-N, Copolymerkautschuke und Mischungen, wie beispielsweise Ethylenpropylen und Polypropylen-EPDM, sowie andere Kunststoff- oder Polymermaterialien, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen und EVA. Wie hierin verwendet, wird dem Begriff „elastomer" seine herkömmliche Bedeutung des Aufweisens gummiähnlicher Eigenschaften von Nachgiebigkeit, Elastizität oder Biegung unter Druck, geringem Druckverformungsrest, Flexibilität und einer Fähigkeit, sich nach der Verformung zu erholen, d. h. Spannungsentlastung, beigemessen.
Aus Überlegungen hinsichtlich einer wirtschaftlichen Herstellung und der Leistungsfähigkeit wird der röhrenförmige Körper 16 vorzugsweise aus einer elektrisch leitenden elastomeren Silicon- oder Fluorsiliconbindemittelkomponente profilextrudiert, welche durch ihr Laden mit einer elektrisch leitenden Füllmittelkomponente durch ihren ganzen Querschnitt hindurch elektrisch leitend gemacht wird. Wie bei Siliconen im Allgemeinen legt die Siliconbindemittelkomponente solche physikalischen Eigenschaften wie Wärme- und Oxidationsbeständigkeit über einen großen Temperaturbereich, sowie Beständigkeit gegen viele Chemikalien und Wettereinflüsse an den Tag. Das Material legt ferner ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, einschließlich der Beständigkeit gegen Koronadurchschlag, über einen großen Bereich von Umgebungstemperaturen und Feuchtigkeit an den Tag.
Geeignete elektrisch leitende Füllmittel umfassen Nickel und nickelplattierte Substrate, wie beispielsweise Nickel-Graphit, edelmetallbasierte Füllmittel und insbesondere silberbasierte Füllmittel, wie beispielsweise: reines Silber, silberplattierte Edelmetalle, wie beispielsweise silberplattiertes Gold; silberplattierte Nichtedelmetalle, wie beispielsweise silberplattiertes Kupfer, Nickel, Aluminium und Zinn; und silberplattiertes Glas, silberplattierte Keramikwerkstoffe, Kunststoffe und silberplattierter Glimmer; und Mischungen davon. Die Form des Füllstoffs wird für die vorliegende Erfindung nicht als entscheidend betrachtet, und sie kann jede Form umfassen, welche herkömmlicherweise mit der Herstellung oder Formulierung von leitenden Materialien der hierin einbezogenen Art, einschließlich Vollkugeln, hohler Mikrokügelchen, Flocken, Plättchen, Fasern, Stäbe oder unregelmäßig geformter Partikel, zu tun haben. Auf ähnliche Weise wird die Partikelgröße des Füllmittels zwar nicht als entscheidend betrachtet, liegt aber im Allgemeinen im Bereich von etwa 0, 250 bis 250 μm, wobei ein Bereich von etwa 0, 250 bis 75 μm bevorzugt wird.
Das Füllmittel wird in einem Verhältnis in die Zusammensetzung geladen, welches ausreicht, um das Niveau elektrischer Leitfähigkeit und den EMI-Abschirmungswirkungsgrad in der ausgehärteten Dichtung bereitzustellen, die für die beabsichtigte Anwendung erwünscht sind. Für die meisten Anwendungen wird ein EMI-Abschirmungswirkungsgrad von wenigstens 10 dB, vorzugsweise von wenigstens 20 dB und insbesondere von wenigstens 100 dB oder mehr über einen Frequenzbereich von etwa 10 MHz bis 12 GHz als annehmbar betrachtet. Ein derartiger Wirkungsgrad lässt sich in ein Füllmittelverhältnis übersetzen, welches im Allgemeinen zwischen etwa 10 bis 80 Volumen-% und vorzugsweise von etwa 20 bis 70 Volumen-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Reaktionssystems, beträgt. Bekanntlich variiert der endgültige Abschirmungswirkungsgrad jedoch basierend auf der Menge von elektrisch leitendem Material im Füllmittel und der auferlegten Last oder Biegung normalerweise zwischen etwa 10 bis 50% der Dichtung.
Besonders bevorzugte Materialien für den röhrenförmigen Körper 16 sind mit Silber-Kupfer, Silber-Glas, Silber-Aluminium und Nickel-Graphit gefüllte Silicon- und Fluorsiliconformulierungen, welche von der Chomerics-Abteilung Parker-Hannifin Corp., Woburn, MA, unter den Markennamen Cho-Seal^®, Serie 100, 1200, 1300 und 6000, und Co-Sil^®, Serie 1400, vertrieben werden. Diese Materialien weisen im Allgemeinen niedrige spezifische Volumenwiderstände und eine gute Beständigkeit gegen Druckverformung über einen großen Temperaturbereich auf, was sie für Erdungs anwendungen, bei welchen ein flexibler elektrischer Kontakt benötigt wird, sehr geeignet macht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, welche in 2A veranschaulicht ist, in der eine vergrößerte Ansicht des Details der Dichtung 10, welches in 1 bei 30 angezeigt ist, bei 30' dargestellt ist, wird das elektrisch leitende Füllmittel alternativerweise innerhalb einer verhältnismäßig dünnen, d. h. 1 bis 10 Millizoll dicken, Außenschicht 32' bereitgestellt, welche aufgetragen, coextrudiert oder anderweitig auf wenigstens einem Abschnitt der Außenfläche 22 der Dichtung 10 angeordnet werden kann. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, kann die Außenschicht 32' als ein Silicon-, Fluorsilicon- oder anderes elastomeres Bindemittel formuliert werden, welches eine kontinuierliche Phase bildet, innerhalb der das Bindemittel fein verteilt wird.
In noch einer anderen Ausführungsform, welche in 2B veranschaulicht ist, in der eine vergrößerte Ansicht des Details 30 bei 30'' dargestellt ist, wird die Dichtung 10 alternativerweise durch die Bereitstellung einer elektrisch leitenden Fasernetzaußenschicht 32'' elektrisch leitend gemacht. Wie auf dem Fachgebiet ebenfalls bekannt ist, kann die Fasernetzaußenschicht 32'' von einer einsträngigen elektrisch leitenden Faser oder ebensolchem Draht mit einer Dicke von etwa 2 bis 10 Millizoll oder alternativerweise einem mehrsträngigen Draht oder Garn mit einer Dicke von 2 bis 10 Millizoll oder einem Denier von etwa ab 50 bis 1.200 über die Außenfläche 22 eines vorgeformten Körpers 16 gewickelt, gewirkt oder gewebt werden. Geeignete Metalldrähte umfassen Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium, Zinn oder Legierungen, wie beispielsweise Monel, wobei andere geeignete Fasern Kohlenstoff, Graphit und leitende Polymere umfassen. Alternativerweise können nichtleitende Fasern und Garne, wie beispielsweise Baumwolle, Wolle, Seide, Cellulose, Polyester, Polyamid, Nylon, Polyamid oder der gleichen, mit einem leitenden Material, wie beispielsweise Metall, Kohlenstoff oder dergleichen, beschichtet werden. Besonders bevorzugte Fasern umfassen silberbeschichtetes Nylongarn, z. B. ein 108-Denier-Multifilnylongarn mit 20 Gewichts-% Silberplattierung darauf (Sanquoit Industries, Inc., Scranton, PA), und Drähte, wie beispielsweise Monel, silberplattiertes Kupfer, nickelverkleidetes Kupfer, Ferrex^®, Aluminium, zinnverkleidetes Kupfer und Phosphorbronze. Außerdem kann in Abhängigkeit von den Erfordernissen der konkreten Anwendung für die Dichtung 10 eine Mischung von leitenden und nichtleitenden Fasern verwendet werden.
Um auf 1 zurückzukommen, ist zu erkennen, dass der elastische, röhrenförmige Körper 16 der Dichtung 10 ferner ein im Allgemeinen flaches Basiselement 40, ein im Allgemeinen bogenförmiges Element 42 und ein Paar von seitlichen Elementen 44a–b umfasst. Das Basiselement 40, welches sich radial zwischen einer ersten und einer zweiten Kante 46a–b erstreckt, weist eine Innenfläche 48, welche einen ersten Abschnitt der Innenfläche 20 des Körpers 16 bildet, und eine Außenfläche 50, welche einen ersten Abschnitt der Außenfläche 22 des Körpers 16 bildet, auf. Die Außenfläche 50 des Basiselements ist in Kontakt mit der zweiten Substratfläche 14 (3) verfügbar, und sie kann mit einer Klebstoffzwischenschicht 52 daran gebunden werden. Zur leichteren Verwendung wird bevorzugt, dass die Klebstoffzwischenschicht 52 von einer selbstklebenden Art ist, und sie wird im Wesentlichen kontinuierlich entlang der Längsausdehnung der Außenfläche 50 zwischen den Kanten 46 des Basiselements 40 aufgetragen. Alternativerweise kann die Zwischenschicht 52 in einem diskontinuierlichen Muster auf die Fläche 50 aufgetragen werden.
Wie bereits erwähnt, ist die Zwischenschicht 52 vorzugsweise als ein Selbstkleber (PSA) formuliert. Mit „PSA" ist gemeint, dass der Klebstoff so vorgesehen ist, dass er eine im Wesentlichen niedrige Glasübergangstemperatur aufweist, um bei etwa Raumtemperatur klebrig zu sein, und dass er mit nur einem nominalen angelegten Druck an das Substrat geklebt werden kann. Klebstoffe dieser Art werden im Allgemeinen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie normalerweise keine zusätzlichen Härtungsschritte benötigen. Außerdem können solche Klebstoffe in Form eines doppelseitigen Streifens auf die Außenfläche 50 aufgetragen werden, wobei eine Seite davon von einem Ausgabekopf auf eine automatische Weise auf die Fläche 50 aufgetragen wird, wobei ein Dauerförder- und Presswalzendruck oder dergleichen zur Verfestigung verwendet wird.
Wie in US-patent Nr. 4,988,550 beschrieben, umfassen geeignete Selbstkleber (PSA) für EMI-Abschirmungsanwendungen Formulierungen, welche auf Siliconen, Neoprenen, Styrol-Butadien-Copolymeren, Acrylharzderivaten, Acrylaten, Polyvinylethern, Polyvinylacetat-Copolymeren, Polyisobutylenen und Gemischen, Mischungen und Copolymeren davon basieren. Acryl-basierte Formulierungen werden jedoch im Allgemeinen als bevorzugt für die EMI-Anwendungen der hierin einbezogenen Art betrachtet. Obwohl Selbstkleber (PSA) für die Klebstoffschicht 52 bevorzugt werden, können andere Klebstoffe, wie beispielsweise Epoxide und Urethane, als Ersatz dienen und werden demgemäß als innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung betrachtet. Zusätzlich können wärmeschmelzbare Klebstoffe, wie beispielsweise Schmelzkleber und thermoplastische Filme, Anwendung finden.
Insofern als die Volumenleitfähigkeit der Dichtung 10 im Wesentlichen durch ihren Oberflächenkontakt mit dem Substrat bestimmt wird, kann ein elektrisch leitender Selbstkleber (PSA) alternativerweise verwendet werden, um eine bestmögliche EMI-Abschirmungsleistung sicherzustellen. Diese Klebstoffe werden herkömmlicherweise so formuliert, dass sie etwa 1 bis 25 Gewichts-% eines leitenden Füllmittels enthalten, um einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 0,01 bis 0,001 Ω-cm zu ergeben. Das Füllmittel kann in Form von Partikeln, Fasern, Flocken, Mikrokügelchen oder Mikrohohlperlen eingebunden werden, und es kann in der Größe von etwa 1 bis 100 Mikrometer reichen. Normalerweise umfassen Füllmittelmaterialien von Natur aus leitendes Material, wie beispielsweise Metalle, Kohlenstoff und Graphit, oder nichtleitende Materialien, wie beispielsweise Kunststoff oder Glas mit einer Plattierung eines leitenden Materials, wie beispielsweise eines Edelmetalls oder dergleichen. In diesem Zusammenhang wird das Mittel, durch das der Klebstoff elektrisch leitend gemacht wird, nicht als ein entscheidender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrachtet, so dass jedes Mittel, welches die gewünschte Leitfähigkeit und Haftung erreicht, als geeignet betrachtet wird.
Zum Schutz der Klebstoffzwischenschicht 52 während der Verarbeitung kann eine herkömmliche Trennmittelfolie (nicht dargestellt) so bereitgestellt werden, dass sie auf der freiliegenden Klebstofffläche abnehmbar angebracht wird. Wie es bei dieser Klebstoffart üblich ist, kann die Trennmittelfolie ein Streifen aus einem gewachsten, siliconisierten oder einem anderen beschichteten Papier oder einer ebensolchen Kunststofffolie oder dergleichen mit einer verhältnismäßig geringen Oberflächenenergie sein, um ohne merkliches Hochheben des Klebstoffs von der Außenfläche 50 des Basiselements entfernt werden zu können. Vor der Verwendung kann die Folie daher leicht entfernt werden, um die klebrige Klebstofffläche freizulegen.
Das bogenförmige Element 42 ist gleichermaßen so definiert, dass es eine Innenfläche 60 und eine Außenfläche 62 aufweist. Die Innenfläche 60 ist von der Innenfläche 48 des Basiselements 40 radial beabstandet und bildet einen zweiten Abschnitt der Innenfläche 20 des Körpers 16. Die Außenfläche 62 wiederum ist zu anliegendem Kontakt mit dem ersten Substrat 12 (3) verfügbar. Das bogenförmige Element 42 ist ferner so definiert, dass es sich eine feste oder veränderliche Distanz, die bei „r" angezeigt ist, von der zentralen Achse 18 entlang einer vorbestimmten Ortskurve zwischen einem ersten nahe gelegenen Ende 64a, welches von der ersten Kante 64a des Basiselements radial nach innen angeordnet ist, und einem zweiten nahe gelegenen Ende 64b, welches von der zweiten Kante 46b des Basiselements radial nach innen angeordnet ist, radial nach außen erstreckt. Obwohl das bogenförmige Element 42 in 1 so dargestellt ist, dass es sich entlang einer im Allgemeinen elliptischen Ortskurve erstreckt, kann das bogenförmige Element eine andere bogenförmige, beispielsweise kreisförmige, Geometrie aufweisen.
Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind die seitlichen Elemente 44 jeweils so vorgesehen, dass sie sich zwischen einer zugehörigen der Kanten 46 des Basiselements 40 und dem entsprechenden nahe gelegenen Ende 64 des bogenförmigen Elements 42 erstrecken. In diesem Zusammenhang erstreckt sich das erste seitliche Element 44a von der ersten Kante 46a, um sich mit dem ersten nahe gelegenen Ende 64a zu schneiden, wodurch es erste innere und äußere gerundete Abschnitte 66a beziehungsweise 68a des Körpers 16 definiert, wobei sich das zweite seitliche Element 44b wiederum von der zweiten Kante 46b erstreckt, um sich mit dem zweiten nahe gelegenen Ende 64b zu schneiden, wodurch es zweite innere und äußere gerundete Abschnitte 66b beziehungsweise 68b des Körpers 16 definiert. Die ersten und zweiten seitlichen Elemente 44 sind ferner jeweils so vorgesehen, dass sie eine Außenfläche 70a–b, welche dritte beziehungsweise vierte Abschnitte der Außenfläche 22 des Körpers 16 definiert, und eine Innenfläche 72a–b, welche dritte beziehungsweise vierte Abschnitte der Innenfläche 20 des Körpers 16 definiert, aufweisen. Jede der Innenflächen 72 definiert ferner einen spitzen Winkel θ₁ und θ₂ mit der Innenfläche 48 des Basiselements 40. Die spitzen Winkel θ₁ und θ₂ sind vorzugsweise zwischen etwa 15° und 60° und, wie dargestellt, im Wesentlichen gleich.
Auf Grund der Bereitstellung der seitlichen Elemente 44 wird bewirkt, dass die Dichtung 10 der Erfindung dadurch ein kontrolliertes Biegeverhalten an den Tag legt. Dieses Verhalten ist in 3A–B grafisch veranschaulicht, in welchen ein Finite-Elemente-Modell der Dichtung 10 der Erfindung bei 80 in einer nicht zusammengedrückten oder normalen Lage dargestellt ist und, wie bei 82 darüber gelegt, in einer geknickten Lage, und zwar so, dass es zwischen den Substratflächen 12 und 14 unter einer vorbestimmten Druckkraft, welche für typische Dichtungsgrößen und Wanddicken durchschnittlich etwa 10 lbs pro Zoll Dichtungslänge bei 50% betragen kann, zusammengedrückt ist. Das Biegeverhalten der Dichtung 10 ist sowohl mit, 3B, als auch ohne, 3A, Verwendung der Klebstoffzwischenschicht 52, welche die Außenfläche 50 des Basiselements an die zweite Substratfläche 14 bindet, modelliert. Die Verformungselemente, welche beim Modellieren verwendet werden, sind durch die Rasterlinien, welche gemeinhin bei 84 angezeigt sind, dargestellt, wobei die Konturen, welche mit 0 bis 3 bezeichnet sind, jeweils Regionen verschiedener Spannungsniveaus darstellen.
Zuerst unter Betrachtung von 3A ist zu erkennen, dass das bogenförmige Element 42 in der geknickten Lage 82 der Dichtung 10 auf den seitlichen Elementen 44 in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung damit getragen wird. Das heißt, wenn die Spannungsentlastungszonen an den Schnittpunkten des bogenförmigen und der seitlichen Elemente definiert sind, wird die Dichtung vorzugsweise innerhalb dieser Zonen für ein kontrolliertes Biegeverhalten geknickt. Dieses Verhalten entwickelt vorteilhafterweise eine Reaktionskraft, welche durch die Pfeile 86a–b dargestellt ist und eine maßgeblich nach unten gerichtete vertikale Komponente aufweist, um die Außenfläche 50 des Basis elements 40 in Kontakt mit der zweiten Substratfläche 14 zu zwingen. Auf diese Weise kann ein im Wesentlichen kontinuierlicher Kontakt dazwischen aufrechterhalten werden. Wie in 3B dargestellt, werden außerdem, wenn die Dichtung 10 in Verbindung mit einer Klebstoffzwischenschicht wie der Schicht 52 verwendet wird, Scher- oder Schälkräfte für eine beständige Klebeleistung auf ein Minimum herabgesetzt.
Zu Vergleichszwecken kann als Nächstes auf 4A und 4B Bezug genommen werden, in welchen ein Finite-Elemente-Modell eines herkömmlichen röhrenförmigen, D-förmigen Dichtungsprofils 90 bei 92 in einer nicht zusammengedrückten oder normalen Lage dargestellt ist und, wie bei 94 darüber gelegt, in einer geknickten Lage, und zwar so, dass es zwischen den Substratflächen 12 und 14 zusammengedrückt ist. Wie für die Dichtung 10 der vorlegenden Erfindung ist das Biegeverhalten der Dichtung 90 des Standes der Technik sowohl mit, 4A, als auch ohne, 4B, Verwendung einer Klebstoffzwischenschicht 52 modelliert. Abermals sind die Verformungselemente, welche beim Modellieren verwendet werden, durch die Rasterlinien, welche gemeinhin bei 84 angezeigt sind, dargestellt, wobei die Konturen, welche mit 0 bis 3 bezeichnet sind, jeweils Regionen zunehmender Spannung darstellen.
Zuerst unter Bezugnahme auf 4A ist die D-förmige Dichtung 90 in ihrer nicht zusammengedrückten Lage 92 zu sehen, so dass sie einen abgerundeten oberen Abschnitt 96, welcher gegenüber der ersten Substratfläche 12 angeordnet ist, und einen flachen unteren Abschnitt 97, welcher auf der zweiten Substratfläche aufgenommen wird, umfasst. In ihrer geknickten Lage 94 wird der obere Abschnitt 92 jedoch bei einer sich entwickelnden Reaktionskraft 98a–b, welche im Vergleich zur Reaktionskraft 86 der Dichtung 10 (3A und 3B) horizontaler gerichtet ist, radial nach außen gedehnt. Die Reaktionskraft 98 wiederum induziert ein Biegemoment, welches bei 99a–b angezeigt ist, um jedes Ende des unteren Dichtungsabschnitts 97, welches sich in einer konkaven Aufwärtsbiegung davon äußert. Es ist zu erkennen, dass diese Biegung durch Verkleinern der Kontaktfläche zwischen dem unteren Abschnitt 97 und der dazupassenden Substratfläche 14 den Gesamtwirkungsgrad der Dichtung 90 sowohl hinsichtlich der EMI-Abschirmung als auch hinsichtlich der Abkapselung gegen die Umgebung dementsprechend verringert. Außerdem übt diese Biegung, wie in 4B zu sehen ist, ferner eine Hebe- oder Schälkraft auf die Klebstoffzwischenschicht 52 aus, welche durch einen Scher- oder Schälmechanismus letzten Endes einen Kohäsionsfehler verursachen kann.
Folglich setzt die Geometrie der Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung das Biegemoment um die Enden des Basiselements 40 vorteilhafterweise auf ein Minimum herab. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die nach innen abgewinkelten seitlichen Elemente 44 der Dichtung 10 während der Druckbeanspruchung eine vertikale Verschiebung in der entwickelten Reaktionskraft 86 bewirken. Diese Verschiebung lenkt die Wirkungslinie der Kraft 86 so, dass sie sich mit dem Bereich, an dem der Basisabschnitt 40 der Dichtung auf der Substratfläche 14 getragen wird, schneidet, so dass ein im Wesentlichen kontinuierlicher Kontakt dazwischen aufrechterhalten werden kann.
Als Nächstes unter Zuwendung zu 5A und 5B ist in 5A im Allgemeinen bei 10' und in 5B im Allgemeinen bei 10'' eine alternative Ausführungsform der Dichtung 10 dargestellt, wobei eine (5A) oder beide (5B) der Innenflächen 48 beziehungsweise 60 des Basiselements 40 und des bogenförmigen Elements 42 so ausgelegt sind, dass sie einen Bereich mit verstärkter Wanddicke aufweisen, welcher ein längliches Tragelement 100 definiert. Wie in 5A zu sehen ist, definiert das Tragelement 100 einen Abschnitt der Innenfläche 48 des Basiselements 40, indem es sich im Inneren innerhalb der Dichtung 10' im Allgemeinen parallel zur Längsachse 18 davon erstreckt. In der veranschaulichten Ausführungsform von 5A ist das Tragelement 100 so vorgesehen, dass es sich zwar kontinuierlich entlang der ganzen Längsausdehnung der Dichtung 10' erstreckt, aber alternativerweise unterbrochen sein kann, um sich in einer Reihe von getrennten Stufen entlang der Längsausdehnung der Dichtung zu erstrecken. Außerdem ist das Tragelement 100 in der veranschaulichten Ausführungsform von 5A mit gleichem Abstand zu den Kanten 46 des Basiselements 40 zentral angeordnet.
Als Nächstes unter Betrachtung von 5B kann die Innenfläche 60 des bogenförmigen Elements 42 gleichermaßen so ausgelegt sein, dass sie ein zweites längliches Tragelement 100b aufweist, welches in der veranschaulichten Ausführungsform im Inneren vom bogenförmigen Element 42 abhängt, und zwar so, dass es gegenüber einem ersten Tragelement angeordnet ist, das bei 100a angezeigt ist und sich von der Innenfläche 48 des Basiselements 40 erstreckt. Wiederum erstreckt sich das Tragelement 100b, wie dargestellt, vorzugsweise kontinuierlich entlang der gesamten Längsausdehnung der Dichtung 10'' und ist mit gleichem Abstand zu den nahe gelegenen Enden 64 des bogenförmigen Elements 42 zentral angeordnet. Jedes der Tragelemente 100, welche in 5A und B dargestellt sind, erstreckt sich von der entsprechenden Innenfläche radial nach innen zu einem entfernt gelegenen Anschlussende 102.
In den geknickten Lagen 80' und 80'' der Dichtungen 10' und 10'' ist das entfernt gelegene Ende 102 in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung zu der gegenüberliegenden Innenfläche 48 oder 60 oder alternativerweise zum anderen Tragelement 100 verfügbar. Diese Beziehung ist unter Bezugnahme auf 6A–B besser zu erkennen, in welchen das jeweilige Biegeverhalten der Dichtungen 10' und 10'' bei 82' und 82'' so modelliert ist, dass sie die normalen Dichtungslagen, welche bei 80' und 80'' in Phantomlinien dargestellt sind, überlagern. Wie zuvor werden die Verformungselemente, welche beim Modellieren verwendet werden, durch die Rasterlinien, welche gemeinhin bei 84 angezeigt sind, dargestellt, wobei die Konturen, welche mit 0 bis 3 bezeichnet sind, jeweils Regionen zunehmender Spannung darstellen.
Zuerst unter Bezugnahme auf 6A ist zu erkennen, dass das bogenförmige Element 42 in der geknickten Lage 82' der Dichtung 10' auf dem Tragelement 100 in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung dazu getragen wird. Das heißt, wenn lokale Bereiche von maximaler Spannungsverteilung an den Schnittpunkten des bogenförmigen und der seitlichen Elemente entwickelt werden, werden dadurch wieder Spannungsentlastungszonen definiert, innerhalb der die Dichtung 10' vorzugsweise für ein kontrolliertes Verformungsverhalten geknickt wird. Wenn das Tragelement 100 jedoch so vorgesehen ist, dass es sich von der Innenfläche 48 des Basiselements in eine Höhe, welche bei „h" angezeigt ist und der geknickten Höhe des bogenförmigen Elements 42 entspricht, erstreckt, kann die Innenfläche 60 des bogenförmigen Elements 42 auf dem entfernt gelegenen Ende 102 des Tragelements 100 getragen werden. Ein derartiges Verhalten entwickelt vorteilhafterweise eine im Allgemeinen nach unten gerichtete zentrale Reaktionskraft, welche durch den Pfeil 104 gekennzeichnet ist und die Außenfläche 50 des Basiselements 40 in einen im Wesentlichen kontinuierlichen Kontakt mit der zweiten Substratfläche 14 zwingt. Natürlich kann das Tragelement 100 alternativerweise so vorgesehen sein, dass es von der Innenfläche 60 des bogenförmigen Elements 42 abhängt.
Um bei 6B fortzufahren, ist ferner zu erkennen, dass das bogenförmige Element 42 in der geknickten Lage 82'' der Dichtung 10'' durch das Tragelement 100b auf dem Tragelement 100a in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung dazu getragen wird. In diesem Zusammenhang ist das Tragelement 100a so vorgesehen, dass es sich von der Innenfläche 48 des Basiselements in eine erste Höhe, welche bei „h₁" angezeigt ist, erstreckt, wobei das Tragelement 100b so vorgesehen ist, das es sich von der Innenfläche 60 des bogenförmigen Elements in eine zweite Höhe, welche bei „h₂" angezeigt ist, erstreckt, so dass die Summe der Höhen h₁ und h₂ der geknickten Höhe des bogenförmigen Elements 42 entspricht. Abermals entwickelt dieses Verformungsverhalten vorteilhafterweise eine im Allgemeinen nach unten gerichtete zentrale Reaktionskraft 104, welche die Außenfläche 50 des Basiselements 40 in einen im Wesentlichen kontinuierlichen Kontakt mit der zweiten Substratfläche 14 zwingt.
Das folgende Beispiel dient der Veranschaulichung der Durchführung und eindeutiger Merkmale der Erfindung, die hierin einbezogen sind, sollte aber nicht in irgendeinem einschränkenden Sinne ausgelegt werden.
BEISPIEL
Zur Bestätigung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung wurde zu Vergleichszwecken das statische Lastbiegeverhalten eines Extrusionsdichtungsprofils, welches gemäß der Erfindung ausgelegt war, und von herkömmlichen Ω-förmigen Querschnitten, welche für den Stand der Technik repräsentativ waren, unter Verwendung eines nichtlinearen Finite-Elemente-Modellierprogramms MARC K6 (MARC Analysis Research Corp. Palo Alto, CA) vorausgesagt. In diesem Zusammenhang ist die nicht zusammengedrückte Lage der Dichtung 10' der vorliegenden Erfindung in 7 bei 80' in Phantomlinien abgebildet, wobei die nicht zusammengedrückte Lage der Ω-förmigen Profile nach dem Stand der Technik in 8 und 9 bei 200 beziehungsweise 300 in Phantomlinien abgebildet ist. Die geknickte Lage der Dichtung 10' ist in 7 bei 82' darüber gelegt, wobei die geknickten Lagen der Dichtungen 200 und 300 des Standes der Technik in 8 und 9 bei 202 beziehungsweise 303 darüber gelegt sind. Außerdem erscheint in Bezug auf das Dichtungsprofil 300 des Standes der Technik dieses Profil in 9A bei 300' und in 9B bei 300'' gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung abgeändert wieder.
In 10 und 11 sind außerdem Varianten der Dichtung 10 dargestellt, bei welchen die Innenflächen 72 der seitlichen Elemente 44 einen Winkel θ von 90° (10) und 0° (11) mit der Innenfläche 48 des Basiselements definieren. Auf ähnliche Weise sind in 10 und 11 die nicht zusammengedrückten Lagen der Dichtungen bei 400 beziehungsweise 500 in Phantomlinien abgebildet, wobei die geknickten Lagen davon bei 402 beziehungsweise 502 darüber gelegt sind. In jeder der 7 bis 11 wurden beim Modellieren vierknotige ebene Hermann-Verformungselemente verwendet, und wie in 3, 4 und 6 sind sie gemeinhin bei 84 angezeigt.
Bezüglich der Geometrie der repräsentativen Profile nach dem Stand der Technik entbehrt das Profil 200 von 8, welches einen oberen abgerundeten Abschnitt 204 und einen unteren, im Allgemeinen flachen Basisabschnitt 206 umfasst, unter anderem der seitlichen Elemente 44 der vorliegenden Erfindung. Das heißt, die nahe gelegenen Enden 208a–b des abgerundeten Abschnitts 204 erstrecken sich direkt von der Innenfläche 210 des Basisabschnitts 206. In Bezug auf die Profile 300, 300' und 300'' von 9, 9A und 9B umfasst jedes dieser Profile gleichermaßen einen oberen abgerundeten Abschnitt 304 und einen unteren, im Allgemeinen flachen Basisabschnitt 306. Die Profile 300, 300' und 300' umfassen jedoch zusätzlich ein beabstandetes Paar von Zwischenabschnitten 308a–b, 308a–b', 308a–b'', welche sich senkrecht zu jeder Kante des Basisabschnitts in eine abnehmende feste Höhe H₁, H₂, H₃ erstrecken. Die Profile 300, 300' und 300'' umfassen ferner ein Paar von gerundeten Abschnitten 310a–b, wobei jeder zwischen einem entsprechenden der Zwischenabschnitte 308, 308' und 308' und einem nahe gelegenen Ende 312a–b des gerundeten Abschnitts 304 angeordnet ist.
Beim Vergleich des Biegemechanismusverhaltens des Profils 10' (7) der vorliegenden Erfindung und der Profile 200 und 300 des Standes der Technik (8 und 9) ist zu erkennen, dass die Profile nach dem Stand der Technik eine konkave Aufwärtsbiegung über die Ausdehnung des Basisabschnitts, welche bei „L" angezeigt ist, an den Tag legen. In Bezug auf die Profile 300' und 300'' (9A und 9B) ist zu erkennen, dass sich bei einer derartigen Abnahme der Höhe H der Zwischenabschnitte 308' und 308'', so dass sich die Profilgeometrie jener der Dichtung 10' (7) annähert, damit einhergehend die Ausdehnung L bis zu einem Ausmaß verringert, dass in der Dichtung 300'' von 9B das Heben des Basisabschnitts 306 unbedeutend wird. Basierend auf diesen Simulationen könnten nunmehr Dichtungsgeometrien, welche sich von den hierin dargestellten unterscheiden, ausgedacht werden, welche das kontrollierte Verformungsverhalten der vorliegenden Erfindung einbinden. Diese anderen Geometrien werden daher als innerhalb des Rahmens davon betrachtet.
Bezüglich der Dichtungsprofile 400 (10) und 500 (11) ist zu erkennen, dass sich bei einem Winkel θ des seitlichen Elements, welcher sich den Grenzbedingungen von 90° beziehungsweise 0° annähert, ein merkliches Hochheben des Basiselements 40 zu entwickeln beginnt. Somit wird dadurch ein oberes und ein unteres Limit für die Winkelanordnung der seitlichen Elemente 44 in Bezug auf die des Basiselements 40 definiert.

Claims

Dichtung (10) zum Einlegen zwischen einer ersten Substratfläche (12) und einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Substratfläche (14), wobei die Dichtung (10) einen elastischen röhrenförmigen Körper (16) umfasst, welcher sich axial entlang einer zentralen Längsachse (18) erstreckt, wobei der röhrenförmige Körper (16) eine kontinuierliche Innenfläche (20) und Außenfläche (22), welche eine Wanddicke (w) der Dichtung (10) dazwischen definieren, aufweist und umfasst: ein flaches Basiselement (40) mit einer Innenfläche (48), welche einen ersten Abschnitt der Innenfläche (20) des Körpers (16) bildet, und einer Außenfläche (50), welche einen ersten Abschnitt der Außenfläche (22) des Körpers (16) bildet, zum Kontakt mit der zweiten Substratfläche (14), wobei sich das Basiselement (40) zwischen einer ersten (46a) und einer zweiten (46b) Kante erstreckt: ein bogenförmiges Element (42) mit einer Innenfläche (60), welche von der Innenfläche (48) des Basiselements (40) radial beabstandet ist und einen zweiten Abschnitt der Innenfläche (20) des Körpers (16) bildet, und einer Außenfläche (62), welche einen zweiten Abschnitt der Außenfläche (22) des Körpers (16) bildet, zum Kontakt mit der ersten Substratfläche (12), wobei sich das bogenförmige Element (42) von der Längsachse (18) entlang einer vorbestimmten Ortskurve zwischen einem ersten nahe gelegenen Ende (64a), welches von der ersten Kante (46a) des Basiselements (40) radial nach innen angeordnet ist, und einem zweiten nahe gelegenen Ende (64b), welches von der zweiten Kante (46b) des Basiselements (40) radial nach innen angeordnet ist, radial nach außen erstreckt; ein nichtkonkaves erstes seitliches Element (44a), welches sich von der ersten Kante (46a) des Basiselements (40) zum ersten nahe gelegenen Ende (64a) des bogenförmigen Elements (42) erstreckt, wobei das erste seitliche Element (44a) eine Außenfläche (70a), welche einen dritten Abschnitt der Außenfläche (22) des Körpers (16) bildet, und eine Innenfläche (72a), welche einen dritten Abschnitt der Innenfläche (20) des Körpers (16) bildet, aufweist; ein nichtkonkaves zweites seitliches Element (44b), welches sich von der zweiten Kante (46b) des Basiselements (40) zum zweiten nahe gelegenen Ende (64b) des bogenförmigen Elements (42) erstreckt, wobei das zweite seitliche Element (44b) eine Außenfläche (70b), welche einen vierten Abschnitt der Außenfläche (22) des Körpers (16) bildet, und eine Innenfläche (72b), welche einen vierten Abschnitt der Innenfläche (20) des Körpers (16) bildet, aufweist und die Dichtung (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass: das erste seitliche Element (44a) einen ersten spitzen Winkel (θ₁) von zwischen 15° und 60° mit der Innenfläche (48) des Basiselements (40) definiert, und das zweite seitliche Element (44b) einen zweiten spitzen Winkel (θ₂) von zwischen 15° und 60° mit der Innenfläche (48) des Basiselements (40) definiert.
Dichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das bogenförmige Element (42) in der geknickten Lage (82) in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung zu dem ersten und dem zweiten seitlichen Element (44a, 44b) angeordnet ist.
Dichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der röhrenförmige Körper (16) eine einheitliche Wanddicke (w) aufweist.
Dichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste (θ₁) und der zweite (θ₂) Winkel gleich sind.
Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das bogenförmige Element (42) entlang einer elliptischen Ortskurve erstreckt.
Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (10) elektrisch leitend ist.
Dichtung (10) nach Anspruch 6, wobei der röhrenförmige Körper (16) aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, welches eine elastomere Bindemittelkomponente und eine elektrisch leitende Füllmittelkomponente umfasst.
Dichtung (10) nach Anspruch 6, welche ferner eine elektrisch leitende Außenschicht (32', 32'') umfasst, welche wenigstens auf einem Abschnitt der Außenfläche (22) der Dichtung (10) angeordnet ist.
Dichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Außenschicht (32') aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, welches eine elastomere Bindemittelkomponente und eine elektrisch leitende Füllmittelkomponente umfasst.
Dichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine oder beide der Innenflächen (60, 48) des bogenförmigen Elements (42) und des Basiselements (40) so konfiguriert ist, dass sie einen Bereich von vergrößerter Wanddicke (w) aufweist, welcher ein längliches Tragelement (100) definiert, wobei sich jedes Tragelement (100) wenigstens entlang eines Abschnitts der Länge der Dichtung (10) axial parallel zur Längsachse (18) erstreckt und sich von einer entsprechenden der Innenflächen (60, 48) radial nach innen zu einem entfernt gelegenen Ende (102) erstreckt, welches in der geknickten Lage (82) der Dichtung (10) in einer anliegenden, Kraft übertragenden Beziehung zu der anderen der Innenflächen (60, 48) verfügbar ist.
Dichtung (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Klebschicht (52) umfasst, wobei die Klebschicht (52) eine Oberseite aufweist, welche auf der Außenfläche (50) des Basiselements (40) angeordnet ist und sich wenigstens entlang eines Abschnitts der Länge der Dichtung (10) axial parallel zur Längsachse (18) erstreckt.