THERMOSICHERUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines Stromkreises.

[0002] Die Erfindung betrifft weiterhin eine Thermosicherung zur Trennung eines Stromkreises beim Schmelzen eines Schmelzleiters.

Stand der Technik

[0003] Thermosicherungen der angegebenen Art gewinnen beispielsweise in der Automobilindustrie in Fahrzeugen aufgrund der steigenden Verwendung von Halbleiterbauelementen (MOSFETs, IGBTs) zum Schalten von hohen Strömen in elektrischen Verbrauchern zunehmend an Bedeutung. Bei einem Fehler des Halbleiterschaltelementes z.B. durch Kurzschluss oder wegen Durchlegierens oder einer anderen Fehlfunktion kann es aufgrund eines fehlerhaften Stromflusses zu einer unzulässigen und möglicherweise fatalen Temperaturerhöhung kommen.

[0004] Dies gilt insbesondere in Fahrzeugen, wo bestimmte Verbraucher wie z.B. Kühlerlüfter, ABS-Steuerungen, Heizungslüfter, elektrische Lenkhilfen oder auch eine elektrische Lenkung o. dgl. nicht über das Zündschloss geschaltet werden, sondern direkt mit der Batterie verbunden sind.

[0005] Üblicherweise sind solche Verbraucher nicht über das Zündschloss mit der Batterie verbunden, da nach Gebrauch bzw. Abschalten des Fahrzeuges ein eventuelles Weiter- oder Nachlaufen des Verbrauchers gewährleistet werden muss. Zum Beispiel ist es erforderlich, bei einer bestimmten Temperatur den Kühlerlüfter für eine gewisse Zeit auch nach Betrieb des Fahrzeuges weiterlaufen zu lassen, um Temperaturspitzen zu vermeiden und ein Absenken der Motortemperatur zu erreichen.

[0006] Eine solche Sicherung funktioniert als Übertemperaturschutz, indem sie bei Erreichen einer Schalttemperatur, verursacht durch eine Fehlfunktion, insbesondere Kurzschluss einer elektrischen Komponente, die Stromzufuhr unterbricht und einen weiteren, unter Umständen fatalen Temperaturanstieg unterbindet.

[0007] Aber auch im Nicht-Kurzschlussfall und bei anderen Schaltungen, die nicht direkt mit der Batterie verbunden sind, dient eine solche Sicherung als Übertemperaturschutz. Wenn z.B. beim Durchlegieren eines Schaltelementes nur ein etwas erhöhter Strom in den Verbraucher fließt, kann dieser Fehlerfall mit einer herkömmlichen Stromsicherung nicht erkannt werden. Die Temperatur steigt dann in dem typischerweise gekapselten Verbraucher weiter an, was u. U. sogar bis zu einem Brand führen kann.

[0008] Weitere Anwendungen der Thermosicherung können allgemein der Übertemperatur- und Brandschutz von hohen Stromlasten sein, beispielsweise zur Absicherung von Solarzellen oder Hochenergiebatteriezellen, sowie auch bei Zusatzheizungen.

[0009] Thermosicherungen basierend auf Feder- oder Schmelzwachstechnologie sind bereits bei Haushaltsgeräten, z.B. Kaffeemaschinen, Stand der Technik. Solche Sicherungen können aufgrund ihrer niedrigen Stromtragfähigkeit nicht für Leistungsanwendungen mit hohen Strömen verwendet werden.

[0010] Aus dem Stand der Technik sind Thermosicherungen aus der US 7,068,141 B2 bekannt, die ohne mechanische Kräfte (z.B. Federn) auslösen.

[0011] Die Funktionsweise dieser Sicherungen geht auf die Benetzungseigenschaften des Schmelzleiters bei Erreichen der Auslösetemperatur zurück. Das Auslösen erfolgt durch Schmelzen des Leiters, der durch die Benetzungskräfte auf entsprechend große Oberflächen gezogen wird. Dabei ist der schmelzbare Leiter mit den aufzunehmenden Oberflächen von einer Hülle unter Freilassung eines Zwischenraumes für den Abfluss des geschmolzenen Leitermaterials umgeben.

[0012] Nachteilig bei diesen Sicherungen, die üblicherweise in Konsumanwendungen, z.B. Mobiltelefonen verwendet werden, ist dass sie nicht für hohe Ströme geeignet sind, da wegen des Auslöseprinzips nur eine kleine Masse des Schmelzleiters zur Verfügung steht.

[0013] Für den Automobilbereich gibt es Vorschläge um die oben genannten Einschränkungen zu umgehen.

[0014] Die DE 244 375 A1 beschreibt eine Thermosicherung in Form eines Schmelzwiderstandes für den Einsatz in Netzteilen und Leistungsschaltkreisen.

[0015] Die DE 10 2007 014 338 A1 beschreibt eine Thermosicherung in Form einer Leitungsstruktur, insbesondere in einem Stanzgitter oder einer Leiterplatte, welche ein Schmelzelement aufweist und die Trennung der elektrischen Verbindung aufgrund der Oberflächenspannung bewirkt.

[0016] Die DE 10 2008 003 659 A1 betrifft eine Schmelzsicherung mit einem Leitersteg, welcher im regulären Betrieb als elektrisch leitende Verbindung dient und im thermischen Fehlerfall bei Erreichen einer bestimmten Temperatur schmilzt.

[0017] In der DE 10 2007 014 339 A1 wird beispielsweise eine Thermosicherung beschrieben, welche ein Verbindungselement sowie einen getrennt ausgebildeten Aktuator aufweist. Der Aktuator trennt die elektrische Verbindung bei Erreichen einer bestimmten Auslösetemperatur auf mechanische Weise.

[0018] Des Weiteren sind Thermosicherungen bekannt, welche üblicherweise eine angelötete Blattfeder aufweisen, welche bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die elektrische Verbindung trennt.

[0019] Nachteilig bei diesen Sicherungen ist u. a., dass das Schmelzlot und die Verbindungsstellen permanenten Materialspannungen ausgesetzt sind und dadurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Thermosicherung, insbesondere unter harten Umgebungsbedingungen mit Temperaturwechselbelastungen, beschränkt ist.

[0020] In der US 2008/019183 A1 wird eine Thermosicherung beschrieben, welche die Trennung eines Stromkreises beim Schmelzen eines Schmelzleiters durchführt, wobei die Thermosicherung zwei Anschlussteile aufweist und der Schmelzleiter zwischen diesen Anschlussteilen angeordnet ist. Des Weiteren weist die Schmelzsicherung eine Schutzhülle auf, welche derart um den Schmelzleiter herum angeordnet ist, dass ein Hohlraum zwischen der Schutzhülle und dem Schmelzleiter besteht.

[0021] In der DE 10 207 014 334 A1 wird ein Schmelzlegierungselement für die Herstellung einer Thermosicherung beschrieben. Die Thermosicherung umfasst ein Schmelzelement aus einem bei einer Auslösetemperatur schmelzbaren Material sowie eine Trägerschicht auf einer Oberfläche in einem Kontaktierungsbereich des Schmelzlegierungselementes, wobei die Schmelztemperatur des Materials der Trägerschicht höher ist als die Auslösetemperatur und wobei das Material der Trägerschicht so gewählt ist, dass es im festen Zustand in dem geschmolzenen Material des Schmelzelements in Lösung geht.

[0022] In der DE 38 374 58 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen mithilfe eines Drahtes zur Bildung einer Schmelzsicherung beschrieben. Für die Thermosicherung ist ein Gehäusedeckel vorgesehen, welcher den Schmelzdraht sowie die beiden Anschlussteile der Schmelzsicherung zumindest teilweise umschließt.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile

[0023] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Sicherung zur Trennung eines Stromkreises zur Verfügung zu stellen, wobei die Sicherung sehr niederohmig ist und für hohe Ströme, insbesondere sehr hohe Kurzlastströme geeignet ist, sowie eine hohe Zuverlässigkeit, insbesondere unter schwierigen Bedingungen wie z.B. länger andauernder thermischer und mechanischer Belastung, aufweist.

[0024] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Thermosicherung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1.

[0025] Die erfindungsgemäße Thermosicherung ist als Schmelzsicherung aufgebaut, welche die Trennung eines Stromkreises im Auslösefall durch Schmelzen eines Schmelzleiters durchführt. Um eine zuverlässige Trennung eines Stromkreises zu gewährleisten, weist die Thermosicherung mindestens zwei elektrisch leitfähige Anschlussteile sowie einen Schmelzleiter auf, welcher bei Erreichen einer bestimmten Temperatur schmilzt. Desweiteren weist die Thermosicherung eine Einkapselung bzw. Umhüllung auf. Dabei ist der Schmelzleiter derart von einer Hülle umgeben ohne dass ein freier Zwischenraum zwischen Schmelzleiter und Hülle bzw. Bestandteilen der Thermosicherung vorgesehen ist. Als Material für die Einkapselung bzw. Umhüllung könnte z.B. ein Moulding-Material auf Epoxydharzbasis eingesetzt werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, andere Materialien und Lackierverfahren zu verwenden. Die Thermosicherung weist weiterhin einen Schichtaufbau auf, wobei zwischen den Anschlussteilen und der Einkapselung bzw. Umhüllung mindestens eine zusätzliche Beschichtung, bzw. Materialschicht vorgesehen ist. Als Material dieser Beschichtung wird Zinn, Indium, Bismut, vorzugsweise Silber oder eine Legierung bestehend aus Zinn, Indium, Bismut oder vorzugsweise Silber gewählt. Eine solche Beschichtung fördert das Aufnehmen des Schmelzleiters beim Erreichen der Schmelztemperatur.

[0026] Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Thermosicherung wird ein Stromkreis bei Erreichen einer bestimmten Temperatur getrennt. Vor Erreichen der Auslösetemperatur stellt die Thermosicherung einen elektrischen Leiter mit sehr hoher Leitfähigkeit dar. Dabei sind durch einen Schmelzleiter zwei elektrisch leitfähige Anschlussteile der Thermosicherung elektrisch miteinander verbunden. Das Material des Schmelzleiters ist derart ausgelegt, dass sich die Schmelztemperatur des Schmelzleitermaterials im Bereich der gewünschten Auslösetemperatur der Sicherung befindet. Bei Erreichen der Schmelztemperatur beginnt der Schmelzleiter zu schmelzen. Während des Phasenübergangs des Schmelzleitermaterials vom festen in den flüssigen Zustand nimmt das Volumen des Schmelzleiters zu. Aufgrund einer Einkapselung des Schmelzleiters in der Thermosicherung findet ein Druckanstieg statt. Dabei ist die Thermosicherung derart ausgebildet, dass durch die Einkapselung des Schmelzleiters kein freier Zwischenraum zwischen Schmelzleiter und Umhüllung zur Aufnahme des flüssigen Schmelzleitermaterials vorgesehen ist. Der Schmelzleiter ist innerhalb der Schmelzsicherung vollständig umgeben von direkt angrenzenden Bestandteilen, z.B. der Umhüllung, der Anschlussteile bzw. einer auf den Anschlussteilen aufgebrachten Beschichtung oder anderen Bestandteilen der Thermosicherung. Der Schmelzleiter ist somit an keiner Stelle von einem freien Zwischenraum umgeben. Außerdem steht der Schmelzleiter nicht mit einem freien Zwischenraum in Kontakt, wobei der Zwischenraum Luft oder einen anderen gasförmigen Stoff aufweist. Somit wird durch den Druckanstieg der Schmelzleiter derart verdrängt, dass die elektrische Verbindung zwischen den Anschlussteilen getrennt wird.

[0027] Die Volumenzunahme beim Phasenübergang des Schmelzleitermaterials vom festen in den flüssigen Zustand findet möglichst schnell und in Form eines Volumensprungs statt. Somit werden aufgrund eines sprunghaften Volumenanstiegs ein schneller Druckanstieg und dadurch ein sicheres Auslösen der Thermosicherung ermöglicht.

[0028] Das flüssige Schmelzleitermaterial fließt aufgrund der Volumenzunahme und des damit verbundenen Druckanstiegs sowie aufgrund der Kapillarwirkung ab. Die Kapillare wird dabei durch eine Beschichtung auf den Anschlussteilen ausgebildet, die sich bei einer Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Schmelzleitermaterials verflüssigt. Während des Schaltvorganges vermischen sich Schmelzleiter und Beschichtung und fließen aufgrund des Druckanstieges und der Kapillarwirkung durch das Kapillarvolumen ab. Das abfließende Material des Schmelzleiters und der Beschichtung sammeln sich somit zumindest teilweise im Außenbereich der Thermosicherung auf den Anschlussteilen an. Der Außenbereich ist der Bereich der Thermosicherung, welcher nicht von einer Umhüllung umschlossen ist.

[0029] Bevorzugterweise befindet sich der Schmelzleiter derart in der Thermosicherung, dass er in direktem Kontakt mit den Anschlussteilen bzw. in direktem Kontakt mit einer auf den Anschlussteilen aufgebrachten Beschichtung steht. Vorzugsweise kann die Einkapselung bzw. Umhüllung eine zusätzliche Lackschicht auf der Innenseite zum Schmelzleiter hin aufweisen.

[0030] Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Thermosicherung ein Flussmittel, ähnlich wie es z.B. zum Löten verwendet wird, aufweisen kann. Der Einsatz eines geeigneten Flussmittels fördert während des Auslösevorganges der Sicherung die Aktivierung der Oberfläche und bei Erreichen der Schmelztemperatur die Vermischung von Schmelzleiter und Beschichtung sowie das Abfließen des Materials durch die Kapillare. Bei der Wahl des Flussmittels ist es wichtig, ein langzeitstabiles Flussmittel zu verwenden, welches auch nach längerem erhöhtem Temperatureinfluss unter Betriebsbedingungen von typischerweise 100-200 °C eine Aktivierung gewährleistet. Auch bei Verwendung eines Flussmittels sind angrenzend an Schmelzleiter und/oder Flussmittel keine freien Zwischenräume vorgesehen.

[0031] Bevorzugterweise befindet sich der Schmelzleiter zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Anschlussteilen. Somit ist der Schmelzeiter in einem Spalt zwischen den Anschlussteilen angeordnet. Dabei kann der Schmelzleiter in direktem Kontakt mit den Anschlussteilen oder in direktem Kontakt mit einer auf den Anschlussteilen vorgesehenen Beschichtung stehen. Dies hat zum Vorteil, dass während des Auslösevorganges bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die Trennung des Stromkreises durch Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlussteilen durchgeführt wird.

[0032] Weiterhin ist es bevorzugt, dass die die Kapillare bildende Beschichtung durch eine Galvanisierung der beiden Anschlußteile ausgebildet ist Dabei sollte die Materialschicht zwischen den Anschlussteilen und der Einkapselung bzw. Umhüllung vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 µm und 50 µm, besonders bevorzugterweise zwischen 5 µm und 20 µm aufweisen.

[0033] Um eine gute Alterungsstabilität der Thermosicherung zu gewährleisten ist die Beschichtung der Anschlussteile vorzugsweise derart ausgebildet, dass zwischen den Anschlussteilen und der Einkapselung bzw. Umhüllung die Beschichtung, z.B. die Zinnschicht, eine Unternickelung aufweist, wobei die Unternickelung aus einer reinen Nickelschicht oder auch aus einer Nickel aufweisenden Legierung bestehen kann. Diese Unternickelung ist somit eine zusätzliche Schicht zwischen den Anschlussteilen und der Beschichtung, z.B. der Zinnschicht. Somit steht die Unternickelung in direktem Kontakt mit dem Anschlussteil und der Beschichtung, z.B. der Zinsschicht. Dabei dient die Unternickelung als Sperrschicht und bildet eine Diffusionsbarriere zwischen den z.B. aus Kupfer bestehenden Anschlussteilen und der Beschichtung. Eine solche Diffusionsbarriere verhindert die Bildung von intermetallischen Phasen. Somit ist außerdem gewährleistet, dass auch nach Alterung noch eine genügend dicke Beschichtung zwischen den Anschlussteilen und der Einkapselung bzw. Umhüllung, z.B. eine genügend dicke Zinnschicht zum Aufnehmen des Schmelzleiters und zum Auslösen der Sicherung vorhanden ist. Die Nickelschicht, bzw. Nickel aufweisende Legierung kann dabei vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 µm und 50 µm, besonders bevorzugterweise zwischen 5 µm und 15 µm aufweisen.

[0034] Bevorzugterweise besteht der Schmelzleiter aus einem leitfähigen, niedrigschmelzenden Metall, bzw. einer niedrigschmelzenden Metall aufweisenden Legierung, dessen Zusammensetzung durch die gewünschte Auslösetemperatur bestimmt ist. Vorzugsweise können übliche Lotlegierungen, wie z.B. Zinn-Silber-Lote, SnAgCu-Lote, Bleilote oder andere Lotlegierungen verwendet werden. Die folgende Tabelle zeigt Beispiele möglicher Zusammensetzungen der Lotlegierung in Abhängigkeit von der gewünschten Auslösetemperatur der Thermosicherung:

Tabelle 1

Legierungszusammensetzung		Flüssigphasenpunkt (°C)
Bi:Sn:Pb =	52,5:32,0:15,5	95
Bi:Pb:Sn =	55,5:44,0:1,0	120
Pb:Bi:Sn =	43,0:28,5:28,5	137
Bi:Pb =	55,5:44,5	124
Bi:Sn =	58,0:42,0	138
Sn:Pb =	63,0:37,0	183
Sn:Ag =	97,5:2,5	226
Sn:Ag =	96,5:3,5	221
Pb:In =	81,0:19,0	280
Zn:Al =	95,0:5,0	282
In:Sn =	52,0:48,0	118
Pb:Ag:Sn =	97,5:1,5:1,0	309

[0035] Die in der Tabelle aufgelisteten Legierungszusammensetzungen sind dabei nur Beispiele für Lotlegierungen. Andere Legierungszusammensetzungen könnten auch verwendet werden.

[0036] Ferner sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Anschlussteile die Form von Kappen aufweisen. Dabei ist es bevorzugt, dass die Kappen einen Kreis- oder Kreisähnlichen Querschnitt aufweisen sowie innen zumindest bereichsweise einen Hohlraum aufweisen.

[0037] In ähnlicher Weise ist es ferner bevorzugt, dass die Anschlussteile die Form eines Quaders oder eine quaderähnliche Form aufweisen. Dabei bilden die Anschlussteile die Grundkörper der Thermosicherung. Dies hat den Vorteil, dass die Thermosicherung als oberflächenmontierbares Bauelement (SMD Bauelement) in Form einer Flachsicherung ausgebildet sein kann.

[0038] Andere bzw. weitere geometrische Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Thermosicherung sind ebenfalls möglich.

[0039] Auch ist es bevorzugt, dass die elektrisch leitfähigen Anschlussteile mindestens einen nicht leitfähigen Körper aufnehmen. Grundsätzlich könnte jedes der beiden Anschlussteile jeweils einen oder mehrere nicht leitfähige Körper aufnehmen. Dabei besitzen der oder die nicht leitfähigen Körper z.B. die Form der Kappen, damit sie nach dem Zusammenfügen den inneren, freien Raum der Kappen ausfüllen. Dabei halten der oder die nicht leitfähigen Körper die elektrisch leitfähigen Anschlussteile, z.B. Kappen in Position. Desweiteren hat dies den Vorteil, dass der Schmelzleiter durch die isolierenden Körper in geeigneter Position zwischen den elektrisch leitfähigen Anschlussteilen positioniert und gehalten werden kann. Des Weiteren könnte der oder die nicht leitfähigen Körper die Form eines Quaders oder eine quaderähnliche Form aufweisen, wobei der oder die nicht leitfähigen Körper zum Tragen bzw. Halten der elektrisch leitfähigen Anschlussteile dienen.

[0040] In ähnlicher Weise ist es ferner bevorzugt, dass der oder die nicht leitfähigen Körper unabhängig von der geometrischen Ausgestaltung aus Keramik, z. B. Al₂ O₃ bestehen. Grundsätzlich könnten die nicht leitfähigen Körper auch aus einem anderen isolierendem Material, z.B. Glas, Kunststoff oder aus einem anderen organischen Material bestehen.

[0041] Auch ist es bevorzugt, dass der Schmelzleiter die Form eines Ringes aufweist. Der Durchmesser eines solchen Ringes könnte, muss aber nicht notwendigerweise, entsprechend dem Durchmesser der Kappen gewählt werden. Der Einsatz eines ringförmigen Schmelzleiters hat den Vorteil, dass er in einfacher Weise zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Kappen durch die nicht leitfähigen Körper, z.B. Keramikkörper, gehalten werden kann. In ähnlicher Weise könnte der Ring von außen um den nicht leitfähigen Körper verlaufen. Des Weiteren könnte der Schmelzleiter in Form einer oder mehrerer Längsstreifen mit gewissem Überstand zwischen zwei quaderförmigen Anschlussteilen ausgeführt sein. Der Schmelzleiter ist somit zumindest bereichsweise zwischen den quaderförmigen oder kappenförmigen elektrischen Anschlussteilen angeordnet. Ferner kann der Schmelzleiter zusätzlich zumindest bereichsweise auf den quaderförmigen oder kappenförmigen Anschlussteilen angeordnet sein.

[0042] Ferner sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, die Thermosicherung mit geeigneten elektrischen Anschlüssen auszustatten, indem an den beiden Anschlussteilen jeweils ein Draht oder ein elektrischer Leiter in drahtähnlicher Form, vorzugsweise mittig, angeschlossen ist. Somit ist es möglich, die Thermosicherung in übliche Vorrichtungen oder Einsparungen einzusetzen ohne bauliche Veränderungen an dem elektrischen Verbraucher oder der Vorrichtung vornehmen zu müssen. Weiterhin können die elektrischen Anschlüsse in Form einer SMD (Surface Mounted Device) Bauweise ausgestaltet sein. Ein solches SMD Bauteil findet in der Elektronik als oberflächenmontierbares Bauelement, bzw. Bauelement zur Obeflächenmontage Einsatz. Desweiteren sind auch Anschlussformen für andere Montagearten, z.B. Durchsteckmontage (Through Hole Technology), denkbar.

[0043] Um einen hohen mechanischen Schutz, eine hohe mechanische Stabilität sowie einen Schutz vor Oxidation der Thermosicherung zu gewährleisten, ist es bevorzugt, die Thermosicherung durch eine Einkapselung bzw. Umhüllung zu schützen. Die Einkapselung bzw. Umhüllung kann zur Verbesserung dieser Eigenschaften zusätzlich mit einer weiteren Schutzlackumhüllung kombiniert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0044] Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

[0045] Es zeigen in rein schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Thermosicherung (100),

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Thermosicherung (200),

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schaltprinzips der erfindungsgemäßen Thermosicherung (100, 200, 300) vor dem Auslösen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Schaltprinzips der erfindungsgemäßen Thermosicherung (100, 200, 300) beim Erreichen der Schmelztemperatur,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Schaltprinzips der Thermosicherung (100, 200, 300) nach dem Auslösevorgang,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Thermosicherung (300), und

Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Thermosicherung (300).

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

[0046] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Thermosicherung 100. Die erfindungsgemäße Thermosicherung 100 besteht aus zwei Kappen 11 und 12 mit mittig angeschlossenem Draht 14 und 15, einem Keramikkörper 13 sowie einem Schmelzleiter 10. Um eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten bestehen die beiden Kappen 11, 12 aus Kupfer. Alternativ können die Kappen 11, 12 auch aus einem anderen Material mit geringem spezifischen Widerstand bestehen. Die Kappen 11, 12 und die Drähte 14, 15 sind mit einer Beschichtung (23) vorzugsweise einer Sn-Schicht überzogen. Die Beschichtung könnte auch ein anderes Material z.B. Indium, Bismut, Silber, oder eine Legierung bestehend aus Zinn, Indium, Bismut oder Silber aufweisen. Zwischen den beiden Kappen 11, 12 ist ein Schmelzleiter 10 angeordnet, der durch einen Keramikkörper 13 gehalten wird. Der Schmelzleiter 10 weist die Form eines Ringes auf und besteht aus einer Zinn-Silberlegierung (z.B. Sn97 Ag3 mit einem Schmelzpunkt von 217°C). Die Legierung könnte auch eine andere Zusammensetzung mit einem niedrigeren oder höheren Schmelzpunkt, in Abhängigkeit der geforderte Auslösetemperatur der Sicherung, aufweisen. Auf dem Schmelzleiter 10 befindet sich ein langzeitstabiles Flussmittel 16, welches während des Auslösevorgangs der Sicherung zur Aktivierung der Oberfläche und zur Verringerung der Oberflächenspannung dient. Die Einkapselung bzw. Umhüllung der Sicherung, hier bestehend aus einem UV-härtbaren Lack 17 und einem auf Epoxydharzbasis hergestelltem Moulding-Material 18, dient zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Sicherung. Außerdem bietet die Einkapselung bzw. Umhüllung 17, 18 mechanischen sowie Oxidations-Schutz. Die Umhüllung 18 umschließt die Thermosicherung nur bereichsweise. Insbesondere umschließt die Umhüllung 18 die Thermosicherung in dem Bereich in dem der Schmelzleiter 10 angeordnet ist. Die Enden der Kappen 11, 12, insbesondere im Bereich der Anschlussstellen, z.B. für die Drähte 14, 15 werden dabei nicht von der Umhüllung 18 umschlossen.

[0047] Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Thermosicherung 200. Die Thermosicherung 200 besteht im Wesentlichen aus den Bestandteilen der in Figur 1 beschriebenen Thermosicherung 100. Ein wesentlicher Unterschied zu dem in Figur 1 beschriebenen Aufbau zeigt sich darin, dass die Thermosicherung 200 in Figur 2 keinen Flussmittelauftrag auf dem Schmelzleiter 10 aufweist.

[0048] Die Figuren 3 bis 5 zeigen schematische Darstellungen des Schaltprinzips der erfindungsgemäßen Thermosicherung 100, 200, 300 vor dem Erreichen der Schmelztemperatur, beim Erreichen der Schmelztemperatur sowie nach dem Erreichen der Schmelztemperatur.

[0049] Figur 3 zeigt den Zustand vor dem Auslösen der Thermosicherung 100, 200, 300 bzw. vor dem Erreichen der Schmelztemperatur. Vor dem Erreichen der Schmelztemperatur befindet sich der Schmelzleiter 10 in festem Zustand im Spalt 24 zwischen den Anschlussteilen 11, 12 mit der Beschichtung 23 und der Einkapselung bzw. Umhüllung 18. Für den Auslösevorgang der Thermosicherung 100, 200, 300 sind insbesondere der Druckgradient durch einerseits Volumenzunahme und Volumensprung beim Übergang von der festen in die flüssige Phase und die Kapillarwirkung von Bedeutung.

[0050] Figur 4 zeigt den Zustand der Thermosicherung 100, 200, 300 beim Erreichen der Schmelztemperatur. Beim Erreichen der Schmelztemperatur beginnt der Schmelzleiter 10 zu schmelzen. Beim Aufschmelzen des Schmelzleiters schmilzt auch die Beschichtung 23' im Bereich der Einkapselung bzw. Umhüllung, wodurch sich Schmelzleiter 10 und Beschichtung 23' zumindest teilweise vermischen. Die Verdrängung in und durch die Kapillare wird wesentlich durch den Druckanstieg beim Phasenübergang des Schmelzleiters 10 von fest zu flüssig und den damit einhergehenden Volumensprung hervorgerufen. Die Figuren 4 bis 5 zeigen beim Aufschmelzen und nach dem Auslösen das Auswandern des Schmelzleiters 10. Zur besseren Veranschaulichung ist in Figur 4 die Flussrichtung 22 des Schmelzleiters während des Auswanderns gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass der Schmelzleiter 10 vollständig aus dem Spalt 24 auswandert.

[0051] Die Figur 5 zeigt den Schaltzustand der Thermosicherung 100, 200, 300 nach dem Auslösevorgang und der vollständigen Auswanderung des Schmelzleiters 10 aus dem Spalt 24. Nach abgeschlossenem Auslösevorgang, erstarrt die sich mit dem Schmelzleiter vermischte Beschichtung 23" und setzt sich auf den Anschlussteilen, d.h. an der ursprünglichen Stelle der Beschichtung 23 vor dem Erreichen der Schmelztemperatur, ab. Nach Vollendung des Auslösevorganges und des Abflusses des Schmelzleiters 10 ist der Stromfluss durch die Thermosicherung 100, 200, 300 durch die Unterbrechung am Spalt zwischen den beiden leitfähigen Anschlussteilen 11, 12 bzw. Grundkörpern 19 unterbrochen.

[0052] Die Figuren 6 und 7 zeigen schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Thermosicherung 300. Die erfindungsgemäße Thermosicherung 300 ist als Flachsicherung für Oberflächenmontage (SMD-Bauweise) ausgebildet. Die erfindungsgemäße Thermosicherung 300 besteht aus zwei von einander beabstandeten Grundkörpern 19 (Anschlussteile), welche auf einem nicht leitfähigen Körper 13, z.B. einem Keramikkörper aufgebracht sind. Um eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, bestehen die beiden Grundkörper 19 (Anschlussteile) aus Kupfer oder einem anderem Material mit geringem spezifischem Widerstand. Die beiden Grundkörper 19 (Anschlussteile) sind mit einer Beschichtung 23 vorzugsweise als Zinnschicht überzogen. Die Beschichtung könnte auch ein anderes Material, z.B. Indium, Bismut, Silber oder eine Legierung bestehend aus Zinn, Indium, Bismut oder Silber aufweisen. Des Weiteren weist die Thermosicherung 300 zwischen den beiden Grundkörpern 19 (Anschlussteile) sowie im Bereich um den Zwischenraum (Spalt (24)) zwischen den beiden Grundkörpern 19 (Anschlussteile) einen Schmelzleiter 10 auf. Wie in Figur 6 gezeigt, weist die Thermosicherung 300 zwei Schmelzleiter 10 auf. Die Sicherung könnte aber auch einen oder mehr als zwei Schmelzleiter 10 aufweisen. Auf dem Schmelzleiter 10 befindet sich ein langzeitstabiles Flussmittel 16, welches während des Auslösevorganges der Sicherung zur Aktivierung der Oberfläche und zur Verringerung der Oberflächenspannung dient. Zwischen Einkapselung bzw. Umhüllung 18 der Sicherung und des Flussmittels befindet sich eine zusätzliche Lackschicht 17. Die Einkapselung bzw. Umhüllung 18 kann auch nur auf der Oberseite der Thermosicherung aufgebracht sein. Die Einkapselung bzw. Umhüllung 18 sowie die zusätzliche Lackschicht 17 dienen zur Erhöhung der Stabilität der Sicherung sowie des Oxidationsschutzes. Die Lackschicht 17 steht im direkten Kontakt mit dem Flussmittel 16 ohne Freilassung eines Zwischenraumes. Die Thermosicherung 300 könnte auch derart ausgebildet sein, dass sie kein Flussmittel 16 auf dem Schmelzleiter 10 aufweist. In diesem Fall würde die Lackschicht 17 oder bei nicht vorhanden sein einer zusätzlichen Lackschicht 17 die Einkapselung 18 in direktem Kontakt mit dem Schmelzleiter 10 ohne Freilassung eines Zwischenraumes stehen.

Bezugszeichen

[0053] 

100

Thermosicherung

200

Thermosicherung

300

Thermosicherung

10

Schmelzleiter

11, 12

Anschlussteile/Kappen

13

elektrisch nicht leitfähiger Körper

14, 15

Draht

16

Flussmittel

17

Lackabdeckung / Lackumhüllung

18

Umhüllung / Einkapselung

19

Grundkörper

22

Flussrichtung

23

Beschichtung / Zinnschicht

23'

Beschichtung (geschmolzen)

23"

Beschichtung (erstarrt Zinnschicht mit Schmelzlotmaterial)

24

Spalt

Ansprüche

1. Thermosicherung (100, 200, 300), die die Trennung eines Stromkreises beim Schmelzen eines Schmelzleiters (10), durchführt, wobei die Thermosicherung mindestens zwei elektrisch leitfähige Anschlussteile (11, 12) und einen Schmelzleiter (10) aufweist, wobei die Thermosicherung eine Einkapselung oder Umhüllung (18) aufweist, wobei die Thermosicherung bzw. deren Schichtaufbau mindestens eine Beschichtung (23) zwischen den Anschlussteilen (11, 12) und der Einkapselung oder Umhüllung (18) aufweist, wobei die Thermosicherung zumindest bereichsweise von der Einkapselung oder Umhüllung (18) umschlossen ist, wobei der Schmelzleiter (10) innerhalb der Thermosicherung eingekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23) zwischen den Anschlussteilen (11, 12) und der Einkapselung oder Umhüllung (18) Zinn, Indium, Bismut oder eine Zinnlegierung, Indiumlegierung oder Bismutlegierung aufweist.

2. Thermosicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (10) in direktem Kontakt mit den Anschlussteilen (11, 12) und der Einkapselung oder Umhüllung (18) steht.

3. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkapselung oder Umhüllung (18) eine Lackschicht an der Innenseite zum Schmelzleiter (10) aufweist.

4. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung ein Flussmittel (16) aufweist.

5. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schmelzleiter (10) zwischen den beiden Anschlussteilen (11, 12) befindet.

6. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23) zwischen den Anschlussteilen (11, 12) und der Einkapselung oder Umhüllung (18) eine Dicke zwischen 1 µm und 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 20 µm, aufweist.

7. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23) zwischen den Anschlussteilen (11, 12) und der Einkapselung oder Umhüllung (18) eine Unternickelung aufweist, wobei die Unternickelung aus einer Nickelschicht oder einer Nickel aufweisenden Legierung besteht.

8. Thermosicherung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unternickelung eine Dicke zwischen 1 µm und 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 15 µm, aufweist.

9. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (10) aus einem niedrigschmelzendem Metall, einer niedrigschmelzenden Metall aufweisenden Legierung oder einem Bleilot besteht.

10. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (10) aus einer Zinnsilberlegierung besteht.

11. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussteile (11, 12) die Form von Kappen aufweisen.

12. Thermosicherung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussteile (11, 12) die Form eines Quaders oder eine quaderähnliche Form aufweisen.

13. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung mindestens einen elektrisch nicht leitfähigen Körper (13) aufweist, wobei dieser mindestens eine elektrisch nicht leitfähige Körper (13) zum Halten der Anschlussteile (11, 12) dient.

14. Thermosicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrisch nicht leitfähige Körper (13) aus Keramik, Glas, Kunststoff oder aus einem anderen organischen Material besteht.

15. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (10) die Form eines Ringes aufweist.

16. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschlussteilen (11, 12) jeweils ein elektrischer Leiter (14, 15) angeschlossen ist.

17. Thermosicherung nach mindestens Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (14, 15) die Form eines Drahtes oder eine drahtähnliche Form aufweist.

18. Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosicherung eine Lackabdeckung oder eine Lackumhüllung aufweist.

19. Verwendung einer Thermosicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche als Schmelzsicherung zur Absicherung von Solarzellen, Hochenergiebatteriezellen, Zusatzheizungen, elektrischen Verbrauchern insbesondere in Fahrzeugen, sowie zum Schutz vor Übertemperatur und Brandschutz.

Claims

1. A thermal safety device (100, 200, 300), which executes the disconnection of an electrical circuit during the melting of a fuse-element (10), wherein the thermal safety device has at least two electrically conductive terminals (11, 12) and one fuse-element (10), wherein the thermal safety device has an encapsulation or encasement (18), wherein the thermal safety device, i.e. its layered structure, has at least one coating (23) between the terminals (11, 12) and the encapsulation or encasement (18), wherein the thermal safety device is enclosed by an encapsulation or encasement (18), at least in certain regions, wherein the fuse-element (10) is encapsulated within the thermal safety device, characterized in that the coating (23) between the terminals (11, 12) and the encapsulation or encasement (18) contains tin, indium, bismuth, or an alloy of tin, indium, or bismuth.

2. The thermal safety device according to claim 1, characterized in that the fuse-element (10) is in direct contact with the terminals (11, 12) and the encapsulation or encasement (18).

3. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the encapsulation or encasement (18) has a layer of lacquer on the inner face towards the fuse-element (10).

4. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the thermal safety device has a flux (16).

5. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the fuse-element (10) is located between the two terminals (11, 12).

6. The thermal safety device according to one at least of the preceding claims, characterized in that the coating (23) between the terminals (11, 12) and the encapsulation or encasement (18) has a thickness of between 1 µm and 50 µm, preferably of between 5 µm and 20 µm.

7. The thermal safety device according to one at least of the preceding claims, characterized in that the coating (23) between the terminals (11, 12) and the encapsulation or encasement (18) has a nickel undercoat, wherein the nickel undercoat consists of a layer of nickel, or an alloy containing nickel.

8. The thermal safety device according to claim 7, characterized in that the nickel undercoat has a thickness of between 1 µm and 50 µm, preferably of between 5 µm and 15 µm.

9. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the fuse-element (10) consists of a low melting point metal, an alloy containing a low melting point metal, or a lead solder.

10. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the fuse-element (10) consists of a tin-silver alloy.

11. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the terminals (11, 12) have the form of caps.

12. The thermal safety device according to at least one of the claims 1 to 10, characterized in that the terminals (11, 12) have the form of a cuboid, or a form similar to that of a cuboid.

13. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the thermal safety device has at least one electrically non-conductive body (13), wherein the said at least one electrically non-conductive body (13) serves to hold the terminals (11, 12).

14. The thermal safety device according to claim 13, characterized in that the at least one electrically non-conductive body (13) consists of ceramic, glass, plastic, or another organic material.

15. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the fuse-element (10) has the form of a ring.

16. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that an electrical conductor (14, 15) is connected to each of the terminals (11, 12).

17. The thermal safety device according to at least claim 16, characterized in that the electrical conductor (14, 15) has the form of a wire, or a form that is similar to that of a wire.

18. The thermal safety device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the thermal safety device has a lacquer covering, or a lacquer encasement.

19. An application of a thermal safety device according to at least one of the preceding claims as a fusible safety device for protecting solar cells, high energy battery cells, auxiliary heating systems, electrical loads, in particular in vehicles, and also for protecting from excess temperature, and for fire protection.

Revendications

1. Coupe-circuit thermique (100, 200, 300) qui conduit à l'interruption d'un circuit électrique lorsqu'un élément fusible (10) fond, sachant que le coupe-circuit thermique présente au moins deux pièces de raccordement (11, 12) à conductibilité électrique et un élément fusible (10), sachant que le coupe-circuit thermique présente un encapsulage ou une gaine (18), sachant que le coupe-circuit thermique, respectivement sa construction en couches, présente au moins un revêtement (23) entre les pièces de raccordement (11, 12) et l'encapsulage ou la gaine (18), sachant que le coupe-circuit thermique est entouré au moins par tronçons par l'encapsulage ou la gaine (18), sachant que l'élément fusible (10) est encapsulé à l'intérieur du coupe-circuit thermique, caractérisé en ce que le revêtement (23) présente de l'étain, de l'indium, du bismuth ou un alliage d'étain, un alliage d'indium ou un alliage de bismuth entre les pièces de raccordement (11, 12) et l'encapsulage ou la gaine (18).

2. Coupe-circuit thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément fusible (10) est en contact direct avec les pièces de raccordement (11, 12) et l'encapsulage ou la gaine (18).

3. Coupe-circuit thermique selon au moins la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'encapsulage ou la gaine (18) présente une couche de vernis sur la face intérieure vers l'élément fusible (10).

4. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupe-circuit thermique présente un fondant (16).

5. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément fusible (10) se trouve entre les deux pièces de raccordement (11, 12).

6. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement (23) entre les pièces de raccordement (11, 12) et l'encapsulage ou la gaine (18), présente une épaisseur entre 1 µm et 50 µm, de préférence entre 5 µm et 20 µm.

7. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement (23) entre les pièces de raccordement (11, 12) et l'encapsulage ou la gaine (18) présente un sous-nickelage, sachant que le sous-nickelage est composé d'une couche de nickel ou d'un alliage présentant du nickel.

8. Coupe-circuit thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le sous-nickelage présente une épaisseur entre 1 µm et 50 µm, de préférence entre 5 µm et 15 µm.

9. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément fusible (10) est composé d'un métal à basse fusion, d'un alliage présentant un métal à basse fusion ou d'un fil à plomb.

10. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément fusible (10) est composé d'un alliage étain-argent.

11. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces de raccordement (11, 12) ont la forme de capuchons.

12. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les les pièces de raccordement (11, 12) ont la forme d'un parallélépipède ou une forme semblable à un parallélépipède.

13. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupe-circuit thermique présente au moins un corps non conducteur d'électricité (13), sachant que celui-ci sert au moins de corps non conducteur d'électricité (13) pour supporter les pièces de raccordement (11, 12).

14. Coupe-circuit thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'au moins un corps non conducteur d'électricité (13) est en céramique, en verre, en plastique ou en un autre matériau organique.

15. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément fusible (10) a la forme d'un anneau.

16. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un conducteur électrique (14, 15) respectif est raccordé aux pièces de raccordement (11, 12).

17. Coupe-circuit thermique selon au moins la revendication 16, caractérisé en ce que le conducteur électrique (14, 15) a la forme d'un fil ou une forme semblable à un fil.

18. Coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupe-circuit thermique présente un revêtement verni ou une gaine vernie.

19. Emploi d'un coupe-circuit thermique selon au moins l'une des revendications précédentes en tant que coupe-circuit fusible pour protéger des cellules solaires, des cellules de batterie haute énergie, des chauffages supplémentaires, des consommateurs électriques, en particulier dans des véhicules, ainsi que pour protéger contre les échauffements et les incendies.

Zeichnung