CN103038849A - 热安全装置 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种用于将电路和热熔体进行绝缘的方法，其中，熔体具有非常小的电阻并且适用于大电流(尤其是非常大的短路电流)，并且还具有高的可靠性(尤其在困难的情况，例如，持续相对长的时间的热和机械负载)，例如，本发明提出了在易熔元件(10)的材料从固态到液体的相变过程中，易熔元件(10)的体积增大并且压力增加，由于体积的增大和压力的增加，易熔元件(10)被移走以便中断电连接。

Description

热安全装置
技术领域
本发明涉及一种为了断开电路的方法。此外，本发明涉及一种为了通过熔化易熔元件断开电路的热安全装置。
背景技术
由于越来越多地使用为了切换电负载中的大电流的半导体组件(MOSFETs、IGBTs)，例如在汽车行业中的车辆中，所指出的该类型的热安全装置具有越来越重要的意义。万一在半导体开关元件中发生故障(例如，由于短路或者由于局部崩溃或另一种故障)，由于错误的电流流动，该结果可以是不允许的且可能致命的温度的升高。
在车辆中的情况尤其如此，其中，某些负载(诸如例如，冷却风扇、ABS控制器、加热风扇、助力转向、或者甚至电转向系统或类似物)没有经由点火锁而是直接被电气性连接，到该电池。
因为在车辆已经被使用(即，已经被停止运转)之后必须确保负载的持续操作或随后操作的可能性，所以这样的负载通常没有经由点火锁连接到该电池，。例如，在一定温度处，必须使冷却风扇能够在车辆的操作之后继续运行一段时间以避免温度峰值并且实现引擎温度的降低。
在达到故障(尤其是电气部件的短路)引起的动作温度时，这样安全装置具有超温保护的功能，该安全装置中断电源并且阻止温度的任何进一步上升(这可能在某些情况下是致命的)。
在不存在短路的情况下和在不直接与电池相连接的其它电路中，这样的安全装置还起到超温保护的作用。如果例如在开关元件的局部崩溃的情况下，仅微量增加的电流流入负载中；那么使用常规的过流安全装置不能检测到这种故障。在典型地被封装的负载中，温度随后继续上升，而且在某些情况下，这可能甚至导致火灾。
该热安全装置的进一步的应用通常可以对高功率负载提供过温保护和火灾保护，例如，为了保护太阳能电池或重负荷蓄电池以及辅助加热系统。
基于弹簧技术或熔化蜡技术的热安全装置在家用设备(例如，咖啡机)的项目中已经是最先进的了。这样的安全装置由于它们的低电流容量而无法被用于具有大电流的功率应用。
从现有技术看，无需任何机械力(例如，弹簧)被激活的热安全装置是来自US7,068,141B2的已知技术。
这些安全装置的操作方式追溯到当易熔元件达到激活温度时易熔元件的润湿性。激活是由于易熔元件的熔化而发生，该易熔元件是由于润湿力而被牵引到相应的较大表面上。这里，该易熔元件被外壳的适应表面包围，同时为流出的元件的熔料留出自由的缓冲容积。
在这样的安全装置(它们通常被用在例如移动电话的消费者应用中)中的不利的是如下事实：因为由于激活原理仅少量的易熔元件是可用的，所以这样的安全装置不适于大电流。
对于汽车行业，存在用于避开以上所引用的局限性的建议。
DE244 375 A1描述了用于部署在电源和电源电路中的易熔电阻的形式的热安全装置。
DE10 2007 014 338A1描述了电路结构形式的热安全装置，尤其是冲压栅格或印刷电路板(其具有易熔元件并且借助于表面张力来实现电连接的断开)形式的热安全装置。
DE10 2008 003 659A1涉及一种具有导体棒的易熔安全装置。该导体棒在正常操作中起到电传导连接的作用，并且在达到一定温度而发生热故障时熔化。
例如，DE10 2007 014 339A1中描述了具有连接元件和单独设计的致动器的热安全装置。该致动器在达到某一激活温度时以机械方式使电连接断开。
此外，通常具有上焊接(soldered-on)钢板弹簧的热安全装置是已知技术，该钢板弹簧在达到一定温度时使电连接断开。
在其它特征中，在所述安全装置中的不利的是如下事实：焊料和连接点永久地经受材料应力，并且因此该热安全装置的使用寿命和可靠性是有限的(尤其是在使用温度循环负载的严酷的外界条件下)。
发明内容
本发明的基本问题在于提供一种为了断开电路的热安全装置，其中，该热安全装置具有非常小的电阻并且适用于大电流(尤其适用于非常大的短路电流)，并且还具有高的可靠性(尤其在困难的情况，例如，较长持续时间的热负载和机械负载)。
所述问题使用根据权利要求1的特征的热安全装置而得以解决。
本发明的热安全装置被构造成易熔安全装置，该易熔安全装置在通过熔化易熔元件被激活时执行电路的断开。为了确保电路的可靠断开，热安全装置具有至少两个导电端子和一个易熔元件，该易熔元件在达到一定温度时熔化。此外，热安全装置具有封装物(encapsulation)或包装物(encasement)。这里，易熔元件被外壳(casing)包围，在易熔元件和外壳之间(即，在热安全装置的部件之间)不提供任何自由的缓冲容积。基于环氧树脂的模制材料例如可以作为用于封装物或包装物的材料被使用。但是原则上，也可以使用其它的材料和涂漆方法。此外，热安全装置具有分层结构，其中，至少一个附加的涂层(例如，材料层)被提供在端子和封装物或包装物之间。
利用本发明的热安全装置，电路在达到一定温度时被断开。在达到激活温度之前，热安全装置表现为具有非常高的导电率的导电体。热安全装置的两个导电端子据此通过该易熔元件彼此互相电连接。易熔元件的材料被如此设计以致易熔元件材料的熔化温度位于安全装置所需要的激活温度的范围内。在达到熔化温度时，易熔元件开始熔化。在易熔元件材料从固态到液态的相变过程中，易熔元件的体积增大。由于将易熔元件封装在热安全装置中，出现压力上升。热安全装置据此被如此设计以致借助于易熔元件的封装，没有在易熔元件和包装物之间提供为了接纳液体的易熔元件材料的缓冲容积。在易熔安全装置内，易熔元件完全被直接邻接的部件(例如，包装物、端子或涂敷在端子上的涂层)或热安全装置的其它部件包围。因此，易熔元件绝不会被任何自由的缓冲容积包围。而且，易熔元件不会与任何自由的缓冲容积相接触，其中，缓冲容积具有空气或其它的气态物质。因此，由于压力上升，易熔元件被如此移位以致端子之间的电连接被断开。
在易熔元件材料从固态到液态的相变过程中，体积的增大极其迅速地发生，并且以体积阶跃变化的形式发生。因此，借助于体积的突然增大，迅速的压力上升成为可能；并且通过这种方式，热安全装置的可靠激活成为可能。
液体的易熔元件材料借助于体积增大和与体积增大相关的压力上升并且还借助于毛细管作用(capillary action)而流出。毛细管据此以端子上涂层的形式被设计，该涂层在易熔元件材料的熔化温度范围内的温度下液化。在切换操作的过程中，易熔元件和涂层混合在一起，并且借助于压力上升和毛细管作用通过毛细管容积而流出。因此，从易熔元件和涂层流出的材料至少部分地聚积于热安全装置在端子上的外部区域内。该外部区域是热安全装置的没有被包装物封闭的区域。
优选地，易熔元件位于热安全装置内，使得该易熔元件与端子直接接触或者与涂覆在端子上的涂层直接接触。优选地，封装物或包装物可以在朝向易熔元件的内表面上具有附加的漆层。
此外，热安全装置优选地能够具有与用于例如焊接的焊剂相似的焊剂。在热安全装置的激活过程中，适当的焊剂的部署将促进表面的激活，并且在达到熔化温度时，促进易熔元件和涂层的混合以及材料通过毛细管的流出。当选择焊剂时，使用在长期内稳定的焊剂是重要的，这确保了即使长时间经受在典型的100至200℃的工作条件下的更高温度之后的激活。即使当使用焊剂时，没有提供邻近易熔元件和/或该焊剂的缓冲容积。
优选地，易熔元件位于两个导电端子之间。因此，易熔元件被设置在端子之间的间隙内。这里，易熔元件可以与端子直接接触，或者与提供在端子上的涂层直接接触。这具有如下优势：在激活操作的过程中，在达到一定温度时，电路的断开借助于两个端子之间电连接的中断而得以执行。
此外，形成毛细管的涂层优选地通过两个端子的电镀(galvanisation)形成。锌、铟、铋、银或者由锌、铟、铋或银组成的合金被优选地选取为所述涂层的材料。在达到熔化温度时，这样的涂层促进容纳易熔元件。这里，端子和封装物或包装物之间的材料层应当优选地具有1μm至50μm之间、特别优选5μm至20μm之间的厚度。
为了确保年久(with age)的热安全装置的良好稳定性，端子的涂层优选地被如此形成以致在端子和封装物或包装物之间，涂层(例如，锡层)具有镍底漆(nickel undercoat)，其中，镍底漆可以由纯镍层或者包含镍的合金组成。因此，所述镍底漆是端子和涂层之间的一个附加层(例如，锡层)。因此，镍底漆与端子和涂层(例如，锡层)直接接触。镍底漆因此起到阻挡层的作用，并且在由例如由铜组成的端子和涂层之间形成扩散屏障。这样的扩散屏障防止形成金属间相。因此，即使在老化之后，它还确保在端子和封装物或包装物之间仍然存在足够厚的涂层(例如，为了接纳易熔元件并激活安全装置的足够厚的锡层)。镍层或含有镍的合金层可以据此优选地具有1μm至50μm之间、特别优选5μm至15μm之间的厚度。
优选地，易熔元件由导电的低熔点金属、包含低熔点金属的合金组成，合金成分由所需要的激活温度决定。优选地，可以使用传统的焊料合金，诸如，锡银焊料、锡银铜焊料、铅焊料或其它焊料合金。根据热安全装置所需要的激活温度，下表示出了焊料合金的可能的成分的示例。
表1
这里，该表中所列的合金成分仅是焊料合金的示例。还可以使用其它的合金成分。
此外，本发明的一种有利配置考虑到端子具有帽状物的形状。这里，帽状物优选地具有圆截面或与圆形的横截面相似的横截面，并且还在至少某些区域中内部地具有腔。
类似地，此外，优选地具有长方体的形状或者与长方体的形状相似的形状的端子。这里，端子形成热安全装置的基体。热安全装置具有如下优势：热安全装置可以扁平的安全装置形式被设计成表面安装器件(SMD)。
本发明的热安全装置的其它的或进一步的几何结构也是可能的。
导电端子还优选地接纳至少一个非导电体。原则上，两个端子中的各端子可以在不同情况下接纳一个或多个非导电体。所述一个或多个非导电体据此具有例如帽状物的形状，使得在组装之后，它们填充帽状物的内部自由空间。所述一个或多个非导电体据此将定位导电端子(例如，帽状物)。此外，易熔元件具有如下优势：易熔元件可以利用绝缘体定位并且保持在导电端子之间的合适位置处。此外，所述一个或多个非导电体可以具有长方体的形状或者与长方体的形状相似的形状，其中，所述一个或多个非导电体起到支撑或保持导电端子的作用。
类似地，进一步优选与几何结构无关的由陶瓷(例如，Al2O3)组成的所述一个或多个非导电体。原则上，非导电体还可以由另一种绝缘材料(例如，玻璃、塑料或另一种有机材料)组成。
易熔元件还优选地具有环形物的形状。这样的环形物的直径可以被选取为与帽状物的直径相一致，但情况不必如此。环形易熔元件的部署具有如下优势：它可以通过非导电体(例如，陶瓷体)以一种简单的方式被保持在两个导电的帽状物之间。类似地，环状物可以外部地环绕非导电体。此外，易熔元件可以以具有在两个立方体形状的端子之间的某一突出物的一个或多个纵向条的形式被呈现。因此，易熔元件至少在某些区域内被设置在立方体形状的或帽状物形状的端子之间。而且，易熔元件还可以至少在某些区域内被设置在立方体形状的或帽状物形状的端子上。
此外，本发明的一种有利配置想像到具有合适的电端子连接的热安全装置的设备，在该电端子连接中，导线或与导线相似的形状的导电体优选地中心连接到两个端子中的各端子上，。如此，可以将热安全装置部署在传统的设备或防御设施(entrenchment)中，而无需对电负载或设备进行结构改变的情况。此外，电端子连接可以表面安装器件(SMD)的形式进行配置。这样的SMD部件发现在电子工业中作为能够被表面安装的部件或者作为用于表面安装的部件部署。此外，还可以想到用于其它类型的配件的端子连接形式(例如，使用通孔技术)。
为了确保高水平的机械保护、高水平的机械稳定性以及防止热安全装置的氧化，优选通过封装或包装来保护热安全装置。为了改善这些特性，封装或包装还可以与进一步的防护漆涂层相结合。
附图说明
现在借助于优选形式的实施例，结合附图以示例的方式对本发明进行阐述。在纯粹的图示中：
图1示出了本发明的热安全装置(100)的图示；
图2示出了本发明的热安全装置(200)的图示；
图3示出了本发明的热安全装置(100、200、300)在其被激活之前的切换原理的图示；
图4示出了本发明的热安全装置(100、200、300)在达到熔化温度时的切换原理的图示；
图5示出了本发明的热安全装置(100、200、300)在激活操作之后的切换原理的图示；
图6示出了本发明的热安全装置(300)的图示；以及
图7示出了本发明的热安全装置(300)的进一步的图示。
附图标记
100    热安全装置
200    热安全装置
300    热安全装置
10     易熔元件
11、12 端子/帽状物
13     非导电体
14、15 导线
16     焊剂
17     漆覆盖物/漆包装物
18     包装物/封装物
19     基体
22     流向
23    涂层/锡层
23′  涂层(已熔化的)
23″  涂层/(具有已熔化的焊料的经固化的锡层)
24    间隙
具体实施方式
图1示出了本发明的热安全装置100的图示。本发明的热安全装置100由具有中心连接的导线14和15的两个帽状物11和12、一个陶瓷体13以及一个易熔元件10组成。为了确保非常良好的导电性，两个帽状物11、12由铜组成。可选地，帽状物11、12还可以由具有低的电阻率(specific resistance)的另一材料组成。帽状物11、12和导线14、15被涂层23覆盖，涂层23优选地为锡层。涂层还可以包含另一种材料(例如，铟、铋、或银、或者由锡、铟、铋或银组成的合金)。易熔元件10被设置在两个帽状物11、12之间；这借助于陶瓷体13被保持。易熔元件10具有环状物的形式，并且由锡银合金(例如，具有217℃的熔化点的Sn97Ag3)组成。该合金还可以包括具有较低的或较高的取决于安全装置所需的激活温度的熔点的另一种成分。具有长期的稳定性的焊剂16位于易熔元件10上，在安全装置的激活过程中，焊剂16起到激活表面和减小表面张力的作用。安全装置的封装物或包装物(在此由能够被UV硬化的漆17和根据环氧树脂制造的模制材料组成)起到增加安全装置的机械稳定性的作用。而且，封装物或包装物17、18提供了机械保护和氧化保护。包装物18仅将热安全装置封闭在某些区域内。特别地，包装物18将热安全装置封闭在易熔元件10被设置在其中的区域内。尤其在端子连接点的区域内，帽状物11、12的端部(例如，用于导线14、15)因此不被包装物18封闭。
图2示出了本发明的热安全装置200的图示。热安全装置200基本上由图1中所描述的热安全装置100的部件组成。不同于图1中所描述的结构的重要区别被反映在如下事实中：图2中的热安全装置200在易熔元件10上没有涂覆任何焊剂。
图3至图5示出了本发明的热安全装置100、200、300在达到熔化温度之前、在达到熔化温度时以及在达到熔化温度之后的切换原理的图示。
图3示出了在激活本发明的热安全装置100、200、300之前(即，在达到熔化温度之前)的状态。在达到熔化温度之前，易熔元件10以固态的形式位于在具有涂层23的端子11、12和封装物或包装物18之间的间隙24内。对于热安全装置100、200、300的激活而言，作为一方面体积增大以及另一方面体积在从固相到液相的转变过程中的阶跃变化的结果的压力梯度具有特别的意义，正如毛细管作用一样。
图4示出了本发明的热安全装置100、200、300在达到熔化温度时的状态。在达到熔化温度时，易熔元件10开始熔化。随着易熔元件熔化，封装或包装的区域内的涂层23’也熔化，因此，易熔元件10和涂层23’至少部分地混合在一起。在毛细管内的和通过毛细管的移位基本上归因于在易熔元件10从固体到液体的相变过程中的压力上升以及随之发生的体积的阶跃变化。图4和图5示出了当易熔元件10熔化时以及在激活之后易熔元件10的移动。为了更清楚地使该过程可见，图4中示出了易熔元件在移动过程中的流向22。这里应当注意的是，易熔元件10完全地移出间隙24。
图5示出了热安全装置100、200、300在激活操作以及易熔元件10完全移出间隙24之后的已切换状态。在激活操作结束之后，与易熔元件混合在一起的涂层23”凝固并且沉积自身在端子上(即，在达到熔化温度之前涂层的原始位置)。在激活操作结束以及易熔元件10流出之后，流经热安全装置100、200、300的电流被在两个端子11、12或基体19之间的间隙处的中断打断。
图6和图7示出了本发明的热安全装置300的图示。本发明的热安全装置300被设计成用于表面安装的扁平的安全装置。本发明的热安全装置300由互相间隔开的两个基体19(端子)组成，它们被应用在非导电体13(例如，陶瓷体)上。为了确保非常良好的导电性，两个基体19(端子)由铜或者具有低的电阻率的另一材料组成。两个基体19(端子)被涂层23(优选地为锡层)覆盖。涂层还可以包含另一材料，例如，铟、铋、银、或者由锡、铟、铋或银组成的合金。此外，热安全装置300具有在两个基体19(端子)之间的易熔元件10，并且还具有在两个基体19(端子)之间的缓冲空间(间隙24)周围的区域中的易熔元件10。如图8所示，热安全装置300具有两个易熔元件10。然而，安全装置还可以具有一个或多于两个易熔元件10。具有长期的稳定性的焊剂16位于易熔元件10上，焊剂16在激活安全装置的过程中起到激活表面和减小表面张力的作用。附加的漆层17位于焊剂和安全装置的封装物或包装物18之间。封装物或包装物18可以仅应用在热安全装置的上表面上。封装物或包装物18和附加的涂层17起到增加安全装置的稳定性和加强安全装置的氧化保护的作用。漆层17与焊剂16直接接触而不留出任何自由的缓冲空间。热安全装置300还可以被如此设计以致它在易熔元件10上没有焊剂16。在这种情况下，漆层17或封装物18(在不存在附加的漆层17的情况下)与易熔元件16直接接触而不留出任何自由的缓冲容积。

Claims (20)

1.一种热安全装置(100、200、300)，其通过熔化易熔元件(10)执行电路的断开，其中，所述热安全装置具有至少两个导电端子(11、12)和一个易熔元件(10)，其特征在于，所述热安全装置具有封装物或包装物(18)，其中，所述热安全装置，即，其分层结构，在所述端子(11、12)和所述封装物或包装物(18)之间具有至少一个涂层(23)，其中，所述热安全装置至少在某些区域中通过封装物或包装物(18)进行封闭，其中，所述易熔元件(10)被封装在所述热安全装置内。
2.根据权利要求1所述的热安全装置，其特征在于，所述易熔元件(10)直接与所述端子(11、12)和所述封装物或包装物(18)接触。
3.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述封装物或包装物(18)在朝向所述易熔元件(10)的内表面上具有漆层。
4.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述热安全装置具有焊剂(16)。
5.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述易熔元件(10)位于所述两个端子(11、12)之间。
6.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述端子(11、12)和所述封装物或包装物(18)之间的所述涂层(23)包含锡、铟、铋、或者锡、铟或铋的合金。
7.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述端子(11、12)和所述封装物或包装物(18)之间的所述涂层(23)的厚度在1μm至50μm之间、优选在5μm至20μm之间。
8.根据权利要求5至11中至少一项所述的热安全装置，其特征在于，所述端子(11、12)和所述封装物或包装物(18)之间的所述涂层(23)具有镍底漆，其中，所述镍底漆由镍层或由含有镍的合金组成。
9.根据权利要求8所述的热安全装置，其特征在于，所述镍底漆的厚度在1μm至50μm之间、优选在5μm至15μm之间。
10.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述易熔元件(10)由低熔点金属、含有低熔点金属的合金或者铅焊料组成。
11.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述易熔元件(10)由锡银合金组成。
12.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述端子(11、12)具有帽状物的形状。
13.根据权利要求1至11中至少一项所述的热安全装置，其特征在于，所述端子(11、12)具有长方体的形状或者与长方体相似的形状。
14.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述热安全装置具有至少一个非导电体(13)，其中，所述至少一个非导电体(13)起到保持所述端子(11、12)的作用。
15.根据权利要求14所述的热安全装置，其特征在于，所述至少一个非导电体(13)由陶瓷、玻璃、塑料或另一种有机材料组成。
16.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述易熔元件(10)具有环状物的形状。
17.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，导电体(14、15)连接到每个所述端子(11、12)上。
18.至少根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述导电体(14、15)具有导线的形状或者与导线相似的形状。
19.根据前述权利要求中一项所述的热安全装置，其特征在于，所述热安全装置具有漆覆盖物或漆包装物。
20.一种将根据前述权利要求中至少一项所述的热安全装置作为易熔安全装置的应用，所述应用是为了保护尤其在车辆中的太阳能电池、高能蓄电池、辅助加热系统、电负载，并且还是为了超温保护和火灾保护。
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