SEEBACHER, Daniel (Kantstr. 38, Forchheim, 91301, DE)
SCHULZE-ICKING-KONERT, Georg (Hindenburgstr. 83, Buehlertal, 77830, DE)
SEEBACHER, Daniel (Kantstr. 38, Forchheim, 91301, DE)
| Ansprüche: 1. Thermosicherung (1 ) zum Unterbrechen eines Stromflusses in Modulen, insbesondere für den Einsatz im Automotive-Bereich, umfassend: - ein Anschlusselement (2) mit einem Anschlussbereich - ein Schmelzelement (3) aus Schmelzmaterial, das mit einem Ende an dem Anschlussbereich angebracht ist, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schmelzelement (3) und dem Anschlusselement (2) zu schaffen; wobei das Anschlusselement (2) einen Ausbreitungsbereich zur Aufnahme von aufgeschmolzenem Schmelzmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbreitungsbereich eine Ausbreitungsfläche (6) aufweist, auf der sich beim Schmelzen des Schmelzelementes ein Teil oder das gesamte aufgeschmolzene Schmelzmaterial ausbreitet, wobei die Ausbreitungsfläche (6) keine positive Krümmung aufweist. 2. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anschlusselemente (2) vorgesehen sind, zwischen denen das Schmelzelement (3) aufgenommen ist, so dass Enden des Schmelzelementes (3) an den entsprechenden Anschlusselementen (2) angebracht sind. 3. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsfläche (6) eine ebene Fläche ist. 4. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsfläche (6) im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung verläuft, mit der das Schmelzelement (3) an dem Anschlusselement anliegt. 5. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsfläche einer Innenfläche einer becherförmigen Struktur entspricht, die einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Querschnitt des Schmelzelementes (3) innerhalb der becherförmigen Struktur. 6. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der becherförmigen Struktur mindestens dem halben Volumen des Schmelzmaterials des Schmelzelementes (3) entspricht. 7. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenfläche (9) der becherförmigen Struktur größer ist als die Querschnittsfläche des Endes des Schmelzelementes (3). 8. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsfläche (6) einer Innenfläche einer trichterförmigen Struktur entspricht. 9. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze der trichterförmigen Struktur mit einer Fläche abgeflacht ist, die gleich oder kleiner ist als die Querschnittsfläche des Endes des Schmelzelementes (3). 10. Thermosicherung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsfläche (6) einer Innenfläche einer Hohlkugelstruktur entspricht, deren Innendurchmesser an einer Stelle größer ist als der Durchmesser des Schmelzelementes (3). |
Beschreibung
Titel
Thermosicherung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Thermosicherung zum Unterbrechen eines Stromflusses in Modulen, insbesondere für den Einsatz im Automotive-Bereich
Stand der Technik
Um elektrische Module gegen Überhitzung zu schützen, werden irreversible Thermosicherungen benötigt, die bei einer zu hohen Umgebungstemperatur einen stromführenden Leiter unterbrechen, das heißt die Sicherung auslösen. Die Thermosicherungen sind dabei so ausgelegt, dass die Auslösetemperatur nicht aufgrund eines hohen Stromflusses erreicht wird, so dass gewährleistet ist, dass diese nicht durch einen hohen Strom sondern ausschließlich durch eine zu hohe Umgebungstemperatur ausgelöst werden können. Eine Thermosicherung der oben genannten Art dient also dazu, einen unabhängigen Abschaltpfad für elektrische Module zur Verfügung zu stellen, wobei bei unzulässig hohen Temperaturen in dem Modul, zum Beispiel aufgrund von Ausfällen von Bauelementen, Kurzschlüssen zum Beispiel durch Fremdeinwirkung, Fehlfunktionen von Isolationswerkstoffen und dergleichen der Stromfluss sicher unterbrochen wird. Herkömmliche Thermosicherungen basieren zumeist auf dem Konzept einer fixierten Feder, wie z.B. einer eingelöteten Blattfeder, die im Auslösefall einen Kontakt durch eine Federkraft öffnet. Dabei wird auch im nicht ausgelösten Fall permanent eine mechanische Kraft auf die Verbindungsstelle ausgeübt, was zu Qualitätsproblemen speziell bei langen Einsatzzeiten, wie z.B. den langen Betriebszeiten im Automotive- Bereich, führen kann. Insbesondere kann nach einiger Zeit eine Zerrüttung der Lötstelle auftreten.
Eine alternative Ausführungsform einer Thermosicherung verwendet ein leitendes Schmelzelement aus einem Schmelzmaterial, das bei einer Auslösetemperatur zu schmelzen beginnt und dadurch eine elektrische Verbindung unterbricht. Ein solches Schmelzelement wird in der Regel zwischen zwei Anschlussbereiche angeordnet, an denen sich das aufgeschmolzene Material des Schmelzelements nach dem Aufschmelzen aufgrund der Oberflächenspannung sammelt. Eine Trennung war erfolgreich, wenn sich an einem oder an beiden Anschlussbereichen ein Belag bzw. ein Tropfen von Schmelzmaterial gebildet hat, ohne dass eine leitende Brücke aus Schmelzmaterial zwischen den Anschlussbereichen verbleibt.
In Versuchen mit Anschlussbereichen, deren Stirnseite, an der das Schmelzelement vollständig anliegt, gerade so groß ist wie der Querschnitt der Anlagenfläche des Schmelzelementes bzw. bei becherförmigen Anschlussbereichen, die das Schmelzelement an seinen Enden vollständig umschließt, wurde beobachtet, dass diese nicht immer zuverlässig auslösen, da eine leitende Brücke aus Schmelzmaterial zwischen den Belägen bzw. zwischen den Tropfen an den Anschlussbereichen verbleibt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Thermosicherung der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, die zuverlässiger auslöst.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Thermosicherung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt ist eine Thermosicherung zum Unterbrechen eines Stromflusses in Modulen vorgesehen, insbesondere für den Einsatz im Automotive- Bereich. Die Thermosicherung umfasst ein Anschlusselement mit einem Anschlussbereich und ein Schmelzelement aus Schmelzmaterial, das mit einem Ende an dem Anschlussbereich angebracht ist, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schmelzelement und dem Anschlusselement zu schaffen. Das Anschlusselement weist einen Ausbreitungsbereich zur Aufnahme von aufgeschmolzenem Schmelzmaterial auf. Der Ausbreitungsbereich weist eine Ausbreitungsfläche auf, auf der sich beim Schmelzen des Schmelzelementes ein Teil oder das gesamte aufgeschmolzene Schmelzmaterial ausbreitet, wobei die Ausbreitungsfläche keine positive Krümmung aufweist.
Eine Idee, bei der obigen Thermosicherung besteht darin, die Ausbreitungsbereiche zur Aufnahme des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials so auszubilden, dass beim Auslösen die Trennung des Strompfades durch das Schmelzelement durch Ausnutzen der Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials unterstützt wird. Insbesondere weisen die Anschlusselemente im Ausbreitungsbereich eine Flächenstruktur auf, bei der insbesondere eine Energiebarriere bezüglich der Ausbreitung des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials vermieden wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Ausbreitungsfläche nur mit Krümmungen von 0 oder positiven Krümmungen versehen wird und insbesondere negative Krümmungen vermieden werden, um die Oberflächenenergie zu reduzieren. Es kann dadurch das Risiko minimiert werden, dass Brücken aus Schmelzmaterial zwischen den Anschlussbereichen der Thermosicherung verbleiben. Weiterhin kann die Thermosicherung zwei Anschlusselemente aufweisen, zwischen denen das Schmelzelement aufgenommen ist, so dass Enden des Schmelzelementes an den entsprechenden Anschlusselementen angebracht sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ausbreitungsfläche eine ebene Fläche sein. Insbesondere kann die Ausbreitungsfläche im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung verlaufen, mit der das Schmelzelement an dem Anschlusselement anliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ausbreitungsfläche einer Innenfläche einer becherförmigen Struktur entsprechen, die einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Querschnitt des Schmelzelementes innerhalb der becherförmigen Struktur. Insbesondere kann das Volumen der becherförmigen Struktur mindestens dem halben Volumen des Schmelzmaterials des Schmelzelementes entsprechen.
Weiterhin kann eine Bodenfläche der becherförmigen Struktur größer sein als die Querschnittsfläche des Endes des Schmelzelementes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ausbreitungsfläche einer Innenfläche einer trichterförmigen Struktur entsprechen. Insbesondere kann die Spitze der trichterförmigen Struktur mit einer Fläche abgeflacht sein, die gleich oder kleiner ist als die Querschnittsfläche des Endes des Schmelzelementes.
Weiterhin kann die Ausbreitungsfläche einer Innenfläche einer Hohlkugelstruktur umfassen, deren Innendurchmesser an einer Stelle größer ist als der Durchmesser des Schmelzelementes. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Figuren 1 a und 1 b eine herkömmliche Thermosicherung im nicht ausgelösten bzw. ausgelösten Zustand;
Figur 2 eine herkömmliche Thermosicherung mit becherförmigen
Anschlussbereichen;
Figuren 3a und 3b eine Thermosicherung mit erweiterten Anschlussbereichen in einem nicht ausgelösten bzw. ausgelösten Zustand;
Figuren 4a und 4b eine weitere Thermosicherung in einem nicht ausgelösten bzw. ausgelösten Zustand; und
Figuren 5a und 5b eine weitere Thermosicherung in einem nicht ausgelösten bzw. ausgelösten Zustand.
Beschreibung von Ausführungsformen
In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
In den Figuren 1 a und 1 b ist eine herkömmliche Thermosicherung 1 dargestellt, die zwei Anschlusselemente 2 aufweist, zwischen denen ein leitendes Schmelzelement 3 angeordnet ist. Das Schmelzelement 3 ist mit seinen beiden Enden an einem jeweiligen Anschlussbereich 4 der Anschlussleitungen 2 befestigt, z.B. angelötet. Der Querschnitt der Anschlusselemente 2 an der Kontaktstelle zu dem Schmelzelement 3 und der Querschnitt an den Enden des Schmelzelementes 3 sind im Wesentlichen gleich, so dass die Anschlusselemente 2 im Wesentlichen bezüglich ihrer Oberflächen bündig in das Schmelzelement 3 übergehen. Übersteigt die Umgebungstemperatur der Thermosicherung 1 einen Schwellenwert, so schmilzt das Schmelzmaterial des Schmelzelementes 3. Bei dem Schmelzmaterial des Schmelzelementes handelt es sich vorzugsweise um ein niedrig schmelzendes Metall bzw. eine Legierung wie z.B. Lot, das im aufgeschmolzenen Zustand eine hohe Oberflächenenergie, d.h. Oberflächenspannung, aufweist. Auf der Oberfläche oder im Inneren des Schmelzelementes 3 kann ein Flussmittel 5 vorgesehen sein, dass die Oxidhaut beim Aufschmelzen durchbricht und die Benetzung bzw. die Oberflächenspannung erhöht.
Aufgrund der Oberflächenspannung des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials kriecht das flüssige Schmelzmaterial über den Anschlussbereich 4 der Anschlusselemente 2 hinaus über eine Ausbreitungsfläche 6 der Anschlusselemente
2, in der sich der Anschlussbereich 4 befindet. Dadurch wird zusätzliches Schmelzmaterial an der zuvor freiliegenden Oberfläche des Anschlusselements 2 verteilt, so dass das flüssige Schmelzmaterial aus der Mitte des Schmelzelementes
3, das zuvor die leitende Verbindung zwischen den Anschlusselementen 2 hergestellt hat, abgezogen wird. Dies erfolgt, bis das Schmelzelement 3 vollständig in zwei Schmelzmaterialteile an den Anschlusselementen 2 aufgeteilt ist, die sich als Tropfen oder Belag an der jeweiligen Ausbreitungsfläche 6 des Anschlusselementes 2 sammeln. Dadurch soll die leitfähige Verbindung zwischen den Anschlusselementen 2 unterbrochen werden.
In Versuchen mit derartigen Thermosicherungen wurde herausgefunden, dass diese nicht immer zuverlässig auflösen, da trotz Aufschmelzen des Schmelzmaterials leitfähige Brücken von Schmelzmaterial zwischen den Anschlusselementen 2 verbleiben. Ein Grund hierfür liegt offenbar darin, dass das Schmelzmaterial eine zu geringe Oberflächenspannung aufweist, das heißt die Affinität, des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials sich auf der bereitgestellten Ausbreitungsfläche 6 des Anschlusselementes 2, d.h. in einem Ausbreitungsbereich, zu verteilen, ist nicht ausreichend dafür , das Schmelzmaterial zwischen den Anschlusselementen 2 vollständig zu trennen.
Für ein Verständnis des Phänomens ist eine Analyse der freien Oberflächenenergie sinnvoll. Die Oberflächenspannung entspricht der Differenz der freien Oberflächenenergien der Oberfläche des Anschlusselementes 2 und der Oberfläche des flüssigen Schmelzmatehals. Die Oberflächenenergie ist nach der allgemeinen Gibbs-Thomsen-Relation aus einem konstanten, materialabhängigen Anteil und einem Anteil zusammengesetzt, der von der Krümmung der Oberfläche, auf der sich das geschmolzene Material verteilen soll, abhängt:
wobei E der gesamten Oberflächenenergie, E 0 einem Anteil der konstanten materialabhängigen Oberflächenenergie, Ei/r k einem Anteil der krümmungsabhängigen Oberflächenenergie (mit r k = Krümmungsradius) entspricht.
Da bei der Ausbildung der Thermosicherung gemäß den Figuren 1 a und 1 b der Krümmungsradius r k = °° ist, beträgt die krümmungsabhängige Oberflächenenergie
Bei der Thermosicherung 1 der Fig. 2 mit einem becherförmigen Anschlussbereich 4 des Anschlusselementes 2, der das Schmelzelement 3 vollständig an seinen Enden umschließt, wird der krümmungsabhängige Anteil der freien Oberflächenenergie sogar positiv, da es sich beim dem Rand des becherförmigen Anschlussbereichs 4 um positive Krümmungen handelt. Diese positiven Krümmungen stellen Energiebarrieren dar, die einem Ausbreiten des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials über den Ausbreitungsbereich 6 auf den Anschlusselementen 2 entgegenwirken und somit das Risiko erhöht, dass zu wenig Material auf die Ausbreitungsfläche 6 bzw. Oberfläche der Anschlusselemente 2 gezogen wird und dadurch eine leitende Brücke aus Schmelzmaterial zwischen den Anschlusselementen 2 verbleibt.
Durch geeignete Wahl der Geometrie des Ausbreitungsbereichs 6 eines oder mehrerer der Anschlusselemente 2 kann nun gewährleistet werden, dass der krümmungsabhängige Anteil der Oberflächenenergie während und nach dem Auslösen negativ ist und es somit das Zusammenziehen der aufgeschmolzenen Schmelzmaterialteile 7 an den Anschlussbereichen unterstützt wird.
Die Figuren 3a und 3b, 4a und 4b sowie 5a und 5b zeigen Ausführungsformen für Thermosicherungen 1 , die den aufgeschmolzenen Schmelzmaterialteilen 7 innerhalb des entsprechenden Ausbreitungsbereichs 6 keine oder eine negative Krümmung auch nach dem Aufschmelzen bereitstellen. So wird die freie Oberflächenenergie verringert, wodurch ein Ausbreiten des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials unterstützt wird. Dies verringert das Risiko, dass Brücken aus Schmelzmaterial zwischen den Anschlusselementen 2 verbleiben.
In der Ausführungsform der Figuren 3a und 3b ist ein Ausbreitungsbereich 6 als Oberflächenabschnitt des Anschlusselementes 2 ausgebildet. Der Ausbreitungsbereich 6 umfasst eine ebene Fläche, die den Anschlussbereich 4 des Anschlusselementes 2 enthält. Mit anderen Worten die Fläche des Anschlussbereichs 4 ist verbreitert, so dass die Fläche des Anschlussbereichs 4, an dem das Schmelzelement 3 vor dem Aufschmelzen anliegt, und die Ausbreitungsfläche 6 , auf dem sich das aufgeschmolzene Schmelzmaterial ausbreitet, in einer ebenen Fläche liegen.
Vorzugsweise ist die Ausbreitungsfläche 6 mit einer Größe ausgebildet, die ausreicht, so viel aufgeschmolzenes Schmelzmaterial aufzunehmen, dass gewährleistet ist, dass keine leitende Brücke zwischen den Anschlusselementen 2 verbleibt. Die gesamte Fläche hängt u. a. von der Oberflächenspannung des Schmelzmaterials (Materialeigenschaften) und dem Volumen des Schmelzelementes 3 ab. Vorzugsweise ist die Fläche jedoch so groß gewählt, dass ein Tropfen der halben Menge des Schmelzmaterials des Schmelzelementes 3 auf der ebenen Ausbreitungsfläche 6 des Anschlusselementes 2 Platz findet. Dies kann beispielsweise empirisch herausgefunden werden.
Bei der Ausführungsform der Figuren 4a und 4b sind die Ausbreitungsflächen 6 becherförmig mit einem Becherrand 8 und einem Becherboden 9 ausgebildet. Der Becherboden 9 ist vorzugsweise eben und weist eine größere Fläche auf, als dem Anschlussbereich 4 des Schmelzelementes 3 entspricht. Die Becherränder 8 des Ausbreitungsfläche 6 stehen senkrecht oder schräg nach innen oder außen von dem Becherboden 9 in Richtung des gegenüberliegenden Anschlusselementes 2 oder in Richtung des Schmelzelementes 3 ab. Der Winkel zwischen dem Becherboden 9 und dem Becherrand 8 bildet eine negative Krümmung, die das Verteilen bzw. Ausbreiten des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials über die becherförmige Ausbreitungsfläche 6 unterstützt.
Vorzugsweise weist das Volumen der becherförmigen Ausbreitungsfläche 6, das heißt das Volumen, das durch den dem Becherboden 9 gegenüberliegenden Rand des Becherrandes 8 definiert wird, eine Größe auf, um das Volumen des aufgeschmolzenem Schmelzmaterialteils 7 aufzunehmen, das mindestens dem halben Volumen des Schmelzmaterials des Schmelzelementes 3 entspricht. Eine Verteilung des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials auf der becherförmigen Ausbreitungsfläche 6 ist in Figur 4b dargestellt.
In den Figuren 5a und 5b ist eine weitere Thermosicherung 1 dargestellt, bei der die Ausbreitungsfläche 6 trichterförmig ausgebildet ist. Die Thermosicherung 1 der Figur 5 weist dazu einen Anschlusstrichter 10 als Ausbreitungsbereich auf, der um die Fläche 11 des Anschlussbereichs 4 des Anschlusselementes 2 angeordnet ist. Zwischen der Fläche 11 und dem trichterförmigen Ausbreitungsbereich 10 besteht ebenfalls eine negative Krümmung, die das Verteilen und Ausbreiten des aufgeschmolzenen Schmelzmaterials innerhalb des Anschlusstrichters 10 unterstützt. Ebenso wie bei der Ausführungsform der Figuren 4a und 4b ist vorgesehen, dass das Volumen, das durch den Anschlusstrichter 10 gebildet wird, mindestens dem halben Volumen des Schmelzmaterials des Schmelzelementes 3 entspricht.
Das Schmelzmaterial kann bei allen Ausführungsformen aus niedrig schmelzendem Lot ausgebildet sein, das vorzugsweise mit einem Flussmittel versehen ist, wie z.B. einer Flussmittelseele im Inneren des Schmelzelementes 3 oder als Oberflächenbelag des Schmelzelementes 3 ausgebildet ist.
Auch andere Ausführungsformen, wie z.B. eine zu dem gegenüberliegenden Anschlussbereich geöffnete Hohlkugel, deren Innenfläche ebenfalls eine negative Krümmung aufweist, können vorgesehen sein. Die Größe des Bereichs, in dem sich das aufgeschmolzene Schmelzmaterial verteilt, hängt von dem Volumen des Schmelzelementes und dem Schmelzmaterialteil ab, der sich an dem betreffenden Anschlusselement 3 anlagert. Die Begrenzung des Ausbreitungsbereichs sollte beim Aufschmelzen des Schmelzelements 3 nicht von dem aufgeschmolzenen Schmelzmaterial überschritten werden müssen, um die Thermosicherung 1 vollständig zu trennen.
In den gezeigten Ausführungsformen sind die sich gegenüberliegenden Anschlusselemente 2 gleich ausgebildet. Diese können auch verschieden ausgebildet sein, wodurch sich insbesondere die Verteilung der sich beim Aufschmelzen anlagernden Schmelzmaterialteile verschieben kann.
Next Patent: CELL CULTURING METHOD