Temperatursicherung und Verfahren zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Temperatursicherung und ein Verfahren zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche .

Oftmals bieten insbesondere Vorrichtungen mit einer sehr hohen Strombelastung keine Möglichkeit, die entsprechenden Steuer- und/oder Leistungselektroniken in einem thermischen Fehlerfall, d.h. zum Beispiel bei durch Kurzschlüssen hervorgerufenen, sehr hohen Umgebungstemperaturen von deutlich über 100 ⁰ C, von der

Energieversorgung zu trennen. Doch gerade in Kraftfahrzeugen sind entsprechende Temperatursicherungen zur Vermeidung von Bränden notwendig.

Bisher ist es bekannt, als Temperatursicherungen elektrisch angesteuerte öffner, wie Relais oder Halbleiterschalter, oder mechanische öffner, wie Bimetalle, Sicherungen oder gelötete Federstähle einzusetzen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Temperatursicherung und ein Verfahren zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall. Die Temperatursicherung weist einen Leitersteg auf, der den spannungs- und/oder stromführenden Leiter im ordnungsgemäßen Betrieb elektrisch leitend überbrückt. Erfindungsgemäß bildet der Leitersteg mit dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter durch Lötverbindungen eine elektrisch leitende Brücke, wobei ein öffnungselement vorgesehen ist, dass im thermischen Fehlerfall die elektrisch leitende Brücke durch

Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen dem Leitersteg und zumindest einer der Lötverbindungen irreversibel auftrennt. In

vorteilhafter Weise ergibt sich somit eine sehr kostengünstige Lösung, die zudem aufgrund des gezielten öffnungsvorgangs die Gefahr von Lichtbögen vermeidet, da keine halboffenen Zustände, d.h. Zustände mit sehr geringen Spaltmaßen, beim Auftrennen der elektrisch leitenden Brücke auftreten können.

Weiterhin ist von Vorteil, dass die Temperatursicherung auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen zuverlässig arbeitet. Erst ab einer kritischen Umgebungstemperatur trennt das öffnungselement die elektrisch leitende Brücke auf. Dazu kann das öffnungselement als ein mechanisch vorgespanntes Federelement, beispielsweise eine Spiralfeder, ein Federarm oder eine Blattfeder, ausgebildet sein, das zumindest an einer ersten Stelle temperaturfest fixiert ist und das einen Bereich aufweist, der im thermischen Fehlerfall zur Auftrennung der elektrisch leitenden Brücke hervorschnellt. Zu diesem Zweck ist ein Halteelement vorgesehen, das den im thermischen Fehlerfall hervorschnellenden Bereich des Federelements bis zum überschreiten der kritischen Umgebungstemperatur arretiert.

In einer alternativen Ausgestaltung ist das öffnungselement der Temperatursicherung in Gestalt eines temperaturfest fixierten Zylinders ausgebildet, der einen Kolben aufweist, wobei der Kolben im thermischen Fehlerfall derart elektrisch angesteuert wird, dass durch sein Hervorschnellen die elektrisch leitende Brücke aufgetrennt wird.

Zur temperaturfesten Fixierung des öffnungselements kommt in vorteilhafter Weise an der zumindest einen ersten Stelle eine Niet-, Schraub-, Kleb- und/oder Schweißverbindung in Frage, die auch Umgebungstemperaturen deutlich oberhalb der kritischen

Umgebungstemperatur standhält und somit die erforderliche Gegenkraft für den hervorschnellenden Bereich bzw. Kolben zur Auftrennung der elektrisch leitenden Brücke gewährleistet.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Leitersteg der elektrisch leitenden Brücke infolge des separaten öffnungselements ohne mechanische Vorspannung mit dem spannungs-

und/oder stromführenden Leiter verbunden ist. Somit kann eine mechanische Beanspruchung der Lötverbindungen zwischen dem Leitersteg und dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter vermieden werden, was einen zuverlässigen Betrieb des zu sichernden, elektrischen Geräts über eine langen Zeitraum gewährleistet. Des weiteren bietet sich hierdurch der Vorteil, dass die erfindungsgemäße Temperatursicherung neben Leiterbahnen von Leiterplatten und Stanzgitterbahnen von Stanzgittern auch für Kabelverbindungen eingesetzt werden kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Es zeigen

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung,

Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung,

Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung und

Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung .

Beschreibung

- A -

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung 10 zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromgeführten Leiters 12 in Gestalt einer Leiterbahn 14 einer Leiterplatte 16 im thermischen Fehlerfall dargestellt. Die Leiterplatte 16 kann beispielsweise Bestandteil eines nicht gezeigten, elektrischen Geräts, insbesondere eines Kraftfahrzeug- Steuergeräts, sein und verschiedene Bauelemente für eine Steuerungs- und/oder Leistungselektronik aufweisen. Da die Bauelemente nicht erfindungswesentlich sind, wurde auf ihre Darstellung verzichtet. Dem Fachmann ist jedoch die Bestückung von Leiterplatten mit verschiedensten Bauelementen sowie deren Kontaktierung mit den Leiterbahnen bekannt.

Die Temperatursicherung 10 weist einen Leitersteg 18, beispielsweise in Form eines Leiterblechs 19, auf, der die Leiterbahn 14 im ordnungsgemäßen Betrieb elektrisch leitend überbrückt. Dazu bilden der Leitersteg 18 und die Leiterbahn 14 über Lötverbindungen 20 eine elektrisch leitenden Brücke 22, die in der Lage ist, hohe Versorgungsströme und -Spannungen zu tragen. Da der Leitersteg 18 ohne eine mechanische Vorspannung mit der Leiterbahn 14 verlötet wird, entstehen keine mechanischen Belastungen für die Lötverbindungen 20, so dass in Hinblick auf die Temperatursicherung 18 ein zuverlässiger Betrieb des elektrischen Geräts über einen langen Zeitraum gewährleistet ist.

Weiterhin ist für die Temperatursicherung 10 ein öffnungselement 24 in Gestalt eines temperaturfest fixierten Zylinders 26 vorgesehen, wobei die temperaturfeste Fixierung im gezeigten Ausführungsbeispiel an zwei Stellen 28 über eine Niet-, Schraub-, Kleb- und/oder Schweißverbindung 30 erfolgt, die Umgebungstemperaturen weit über 100 ⁰ C, insbesondere über 140 ⁰ C, standhält. Zur elektrischen Ansteuerung eines Kolbens 34, beispielsweise mittels einer in dem Zylinder 26 integrierten Spule 27, im thermischen Fehlerfall dient eine elektrische Schaltung 32, die die Umgebungstemperatur der Temperatursicherung 10 direkt oder indirekt über einen nicht gezeigten Sensor erfasst. Steigt die Umgebungstemperatur beispielsweise infolge eines Kurzschlusses innerhalb des

elektrischen Geräts über einen kritischen Wert T _κ von ungefähr 140 ⁰ C an, so erfolgt eine Ansteuerung des Kolbens 34 bzw. der Spule 27 durch die elektrische Schaltung 32 derart, dass der Kolben 34 aufgrund der resultierenden Kraft in die mit einem Pfeil 36 gekennzeichnete Richtung hervorschnellt und durch eine öffnung 37 der Leiterplatte 16 ein irreversibles Auftrennen der elektrisch leitenden Brücke 22 durch Unterbrechung zumindest einer der mittlerweile weich gewordenen Lötverbindungen 20 zwischen dem Leitersteg 18 und der Leiterbahn 14 bewirkt.

Eine derartige, irreversible Auftrennung bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu elektrischen Brücken aus einem Bimetall oder einem anderen mechanisch vorgespannten Material keine „halboffenen" Zustände mit sehr geringen Spaltmaßen entstehen, über die infolge von Lichtbögen trotz des thermischen Fehlerfalls eine

Energieversorgung erfolgt, die unter Umständen zu einem Brand des elektrischen Geräts und im schlimmsten Fall des gesamten Kraftfahrzeugs führen kann.

In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung 10 dargestellt. Statt der in Figur 1 gezeigten Leiterbahn 14 ist der spannungs- und/oder stromführende Leiter 12 nun als eine Stanzgitterbahn 38 eines Stanzgitters 40 ausgebildet, wobei die Stanzgitterbahn 38 wiederum durch die aus dem Leitersteg 18 und den Lötverbindungen 20 bestehende, elektrisch leitende Brücke 22 überbrückt wird. Als öffnungselement 24 dient nun jedoch ein mechanisch vorgespanntes Federelement 42 in Gestalt einer Spiralfeder 44, die an ihrer ersten Stelle 28 beispielsweise mittels eines Stahlblechs 29 temperaturfest fixiert ist und einen Bereich 45 aufweist, der im thermischen Fehlerfall zur Auftrennung der elektrischen Brücke 22 in Richtung des Pfeils 36 hervorschnellt. Dazu ist der im thermischen Fehlerfall hervorschnellende Bereich 45 durch ein Halteelement 46 arretiert, dessen Material bei überschreiten der kritischen Umgebungstemperatur T _κ zur Freigabe der Spiralfeder 44 mechanisch nachgibt. Diesbezüglich kommen beispielsweise bestimmte Kunststoffe in Frage, auf die hier jedoch nicht näher eingegangen werden soll. Durch das Hervorschnellen der

Spiralfeder 44 wird - wie bereits in Figur 1 - zumindest eine der infolge der hohen Umgebungstemperatur T weich gewordenen Lötverbindungen 20 unterbrochen und die elektrisch leitende Brücke irreversibel aufgetrennt. Durch die resultierende Unterbrechung der Energiezufuhr kann somit das elektrische Gerät wirkungsvoll vor weiteren, thermisch extremen Auswirkungen geschützt werden.

In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung 10 gezeigt, wobei als spannungs- und/oder stromführender Leiter 12 eine Kabelverbindung 48 zum Einsatz kommt. Auch hier besteht die Temperatursicherung 10 aus einem Leitersteg 18, der mittels der Lötverbindungen 20 eine elektrisch leitende Brücke 22 bildet. Weiterhin umfasst die Temperatursicherung 22 das öffnungselement 24, wobei hier das Federelement 42 als ein Federarm 50 ausgebildet ist, der an einer ersten Stelle 28 temperaturfest an einem Stahlblech 29 fixiert ist. Statt des Stahlblechs 29 können natürlich auch andere temperaturfeste Materialen als Fixiervorrichtung zum Einsatz kommen.

Der Federarm 50 weist einen Bereich 45 auf, der im thermischen Fehlerfall, d.h. bei überschreiten der kritischen Umgebungstemperatur T _κ , zur Auftrennung der elektrisch leitenden Brücke 22 in Richtung des Pfeils 36 hervorschnellt. Zu diesem Zweck ist der Federarm 50 mechanisch über das Halteelement 46 vorgespannt. Die Arretierung des Federarms 50 durch das Halteelement 46 ist wie bereits in Figur 2 bis zum überschreiten der kritischen Umgebungstemperatur T _κ gewährleistet. Wird die kritische Umgebungstemperatur T _κ beispielsweise infolge eines Kurzschlusses innerhalb des elektrischen Geräts überschritten, so gibt das Halteelement 46 nach und der Federarm 50 bewirkt durch sein

Hervorschnellen das irreversible Auftrennen der elektrisch leitenden Brücke 22. Zur temperaturfesten Fixierung des Federarms 50 an dem Stahlblech 29 kann wie in den übrigen Ausführungsbeispielen eine Niet-, Schraub-, Kleb- und/oder Schweißverbindung 30 verwendet werden .

Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperatursicherung 10. Wie in Figur 1, so ist auch hier der spannungs- und/oder stromführende Leiter 12 als Leiterbahn 14 auf der Leiterplatte 16 ausgeführt. Auch die elektrisch leitende Brücke 22 entspricht derjenigen aus Figur 1, so dass hier nicht erneut auf ihre Ausgestaltung eingegangen werden soll. Im Unterschied zu Figur 1 ist das öffnungselement 24 nun nicht mehr unterhalb der Leiterplatte 16 sondern direkt neben der elektrischen Brücke 22 liegend auf der Leiterplatte 16 angeordnet. Im thermischen Fehlerfall führt das überschreiten der kritischen

Umgebungstemperatur T zum Nachgeben des Halteelements 46, so dass der Bereich 45 des liegenden Federarms 50 in Richtung des Pfeils 36 vorschnellt und begünstigt durch die weich gewordenen Lötverbindungen 20 ein seitliches Wegdrücken des Leiterstegs 18 und damit ein irreversibles Auftrennen der elektrisch leitenden Brücke 22 bewirkt. Dabei gilt zu berücksichtigen, dass die Höhe des Federarms 50 mindestens derjenigen der elektrisch leitenden Brücke 22 entspricht. Wie schon in Figur 3 so ist auch hier der Federarm 50 an einer ersten Stelle 28 beispielsweise mittels des Stahlblechs 29 oder einer entsprechenden Fixiervorrichtung temperaturfest fixiert, um eine ausreichende Gegenkraft beim Hervorschnellen zu erzeugen.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die Figuren 1 und 2 noch auf den genannten Wert für die kritische Umgebungstemperatur T beschränkt sind. So kann es durchaus erforderlich sein, dass die Temperatursicherung 10 bereits bei deutlich geringeren oder erst bei deutlich höheren Umgebungstemperaturen als 140 ⁰ C anspringt. Weiterhin versteht es sich von selbst, dass jedes öffnungselement 24 mit jedem spannungs- und/oder stromführenden Leiter 12 kombiniert werden kann. Dabei richtet sich die entsprechende Kombination nach den Raumverhältnissen, den Anforderungen an die Fixierbarkeit des öffnungselements 24 und/oder des spannungs- und/oder stromführenden Leiters 12 bzw. der Notwendigkeit einer elektrischen oder mechanischen Auslösung des öffnungselements 24. Schließlich sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Temperatursicherung 10 nicht auf eine Anwendung im Kraftfahrzeug beschränkt ist, sondern durchaus

auch für andere, elektrische Geräte eingesetzt werden kann, bei denen es infolge hoher Ströme und/oder Spannungen im Falle eines Kurzschlusses zu sehr hohen Umgebungstemperaturen kommen kann.