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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Stromkreis, in welchem eine
thermischmechanische Sicherung im Fehlerfall die Stromzufuhr zu
einer Last unterbricht. Für
solche Stromkreise besteht ein Bedarf in Automobilen. In Automobilen
kommen elektrische Heizgeräte
zum Einsatz, z. B. Ansaugluftvorwärmer und Zuheizer.
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Ansaugluftvorwärmer sind
Heizgeräte
zum Vorwärmen
der Ansaugluft für
den Verbrennungsmotor. Durch Vorwärmen der vom Motor anzusaugenden
kalten Luft verbessern sie das Verbrennungsverhalten und senken
den Schadstoffausstoß und
den Kraftstoffverbrauch.
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Moderne
Dieselmotoren und Ottomotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung
haben einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Das bedeutet, dass sie vergleichsweise
wenig Abwärme
erzeugen, mit denen der Fahrgastraum des Fahrzeuges erwärmt werden
kann. Dem helfen elektrische Zuheizer ab, die als Heizelemente zumeist
PTC-Widerstände haben.
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Es
ist bekannt, den Laststrom zum Betrieb von Heizelementen solcher
Heizgeräte
mit Hilfe von Leistungshalbleitern zu steuern, z. B. durch ein Verfahren
der Pulsweitenmodulation wiederholt zuzuschalten und wieder abzuschalten.
Dabei werden bei der für
Automobile typischen Bordnetzspannung von 12 Volt, 24 Volt oder
zukünftig
42 Volt hohe Ströme mit
Stromstärken
bis in den dreistelligen Amperebereich hinein, also bis über 100
Ampere, geschaltet. Fehler im Betrieb der Heizgeräte und ihrer
Steuerung können
deshalb leicht zu einer lokalen Überhitzung führen. Dabei
gilt es insbesondere Folgefehler, vor allem einen Brand des Heizgerätes bzw.
des im Fahrzeug verlegten Kabelbaumes zu verhindern, der unmittelbar
das Fahrzeug und seine Insassen gefährden kann. Solche Gefahrensituationen
müssen
unter allen Umständen
verhindert werden. Es ist deshalb bekannt, die Leistungshalbleiter
und ihre Betriebszustände
elektronisch zu überwachen.
Eine bekannte Möglichkeit
der Überwachung
besteht darin, den durch den Leistungshalbleiter fließenden Strom,
also den Laststrom des Stromkreises, in dem das elektrische Heizelement
liegt, zu erfassen, um einen Kurzschluss im Stromkreis zu entdecken.
Der Kurzschluss kann nicht nur in der Last oder in einem Teil der
Last, insbesondere in einem elektrischen Heizwiderstand, vorliegen,
sondern auch in dem Leistungshalbleiter selbst, welcher zur Steuerung
der Leistungsaufnahme verwendet wird.
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Leistungshalbleiter
mit integriertem Temperaturschutz sind bereits bekannt. Sie sind
in der Lage, sich bei einer Übertemperatur,
die durch einen Kurzschluss in einem Heizwiderstand oder in einer anderen
Last hervorgerufen sein kann, selbsttätig abzuschalten. Es gibt sogar
Leistungshalbleiter, die in der Lage sind, nicht nur einen Kurzschluss,
sondern auch weitere Fehlerzustände
festzustellen, indem sie Strom und Spannung überwachen und mit Grenzwerten
vergleichen. Erkennen sie auf diese Weise eine Unterspannung, eine Überspannung oder
einen Überstrom,
dann können
sie sich selbsttätig
deaktivieren.
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Wenn
jedoch auch die elektronische Überwachung
der Leistungshalbleiter versagt, kann sie ihre Aufgabe, eine lokale Überhitzung
und deren Folgefehler und Folgeschä den zu vermeiden, nicht erfüllen. Als
eine Fehlerursache, die sich schwer in den Griff bekommen lässt, haben
sich vorgeschädigte Leistungshalbleiter
herausgestellt, deren Vorschädigung
sich bei der ihre Produktion begleitenden Qualitätskontrolle nicht feststellen
ließ.
Es hat sich gezeigt, dass ein vorgeschädigter Leistungshalbleiter dadurch
ausfallen kann, dass sein Halbleitermaterial durchlegiert, so dass
es dauerhaft leitend wird und den Lastkreis dauerhaft kurzschließt. Geschieht
das, dann ist der Lastkreis dauerhaft einem Strom ausgesetzt, der
nur noch durch den elektrischen Widerstand der Last selbst begrenzt
ist. Die Leistungsaufnahme kann mit einem in der Weise geschädigten Leistungshalbleiter
nicht mehr gesteuert oder abgeschaltet werden, selbst wenn die ihn überwachende Elektronik
eine zu hohe Leistung feststellt. Die überwachende Elektronik ist
gegen die zu hohe Leistung machtlos, weil sich das Stromtor, der
geschädigte Leistungshalbleiter,
nicht mehr schließen
lässt.
Die Überhitzung
des Leistungshalbleiters kann auf die Leiterplatte übergreifen,
auf welcher sich der Leistungshalbleiter befindet, und kann das
Leiterplattenmaterial überhitzen,
so dass dieses toxische und/oder brennbare Gase bildet, welche die
Fahrzeuginsassen und ihr Fahrzeug ebenfalls gefährden können. Eine weitere Folge kann
ein Kabelbrand in der Laststromzuführung sein.
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Externe
Hochstromsicherungen, die zur Absicherung von Lastkreisen in Automobilen
bekannt sind, sind zu träge
oder nicht zuverlässig
genug, um in einer elektrischen Heizeinrichtung der genannten Art
rechtzeitig eine Unterbrechung des Laststromkreises herbeizuführen.
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Aus
der
DE 38 25 897 C2 ist
eine thermische Sicherung für
eine Schichtschaltung bekannt. Die bekannte Sicherung hat eine Feder
in Gestalt eines U- oder V-förmigen
Bügels,
dessen zwei Schenkel zwei Lötstellen
verbinden, die in einer stromführenden
Leitung ausgebildet sind und darin eine Lücke begrenzen, die durch die
Feder überbrückt wird.
Die Leitung befindet sich auf einem Substrat, welches die zu überwachende
Schichtschaltung trägt.
Die Schichtschaltung befindet sich in einer gut wärmeleitenden Verbindung
zu einer der beiden Lötstellen.
Kommt es zu einer Überhitzung
in der Schichtschaltung, erwärmt
sich die Lötstelle.
Bei geeigneter Wahl des Lotes erweicht das Lot, bevor der zu schützende Schaltungsteil
durch Überhitzung
Schaden nimmt. Nachteilig ist, dass die Feder unter einer andauernden Vorspannung
steht, welche die Tendenz hat, die Schenkel der Feder von den Lötstellen
zu lösen.
Diese Tendenz wird durch Vibrationen, Erwärmung und Korrosion verstärkt, so
dass es zu einem unerwünschten
Ansprechen der Sicherung oder zu einem Ansprechen bei zu niedriger
Temperatur kommen kann. Eine solche Fehlauslösung kann nicht rückgängig gemacht
werden. Die Schichtschaltung, welche durch die Sicherung abgesichert
werden sollte, kann danach nicht mehr arbeiten, obwohl sie funktionsfähig wäre.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen,
wie ein elektrischer Stromkreis zuverlässig abgesichert werden kann,
in welchem sich als Last ein oder mehrer Heizwiderstände und
ein oder mehrere die Leistungsaufnahme steuernde Leistungshalbleiter
befinden. Dabei soll die Absicherung vor allem für elektrische Zuheizer und
elektrische Ansaugluftvorwärmer
in Automobilen geeignet sein und sich für die Absicherung von Leistungshalbleitern
für den
Fall ihres Durchlegierens oder für
die Absicherung gegen einen Kurzschluss eines Heizelementes eignen,
vorzugsweise auch für
eine gemeinsame Absicherung dieser beiden Risiken. Dabei ist es
wichtig, dass die Absicherung preiswert zu verwirklichen, einfach
aufgebaut und leicht zu montieren ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen elektrischen Stromkreis mit den im Anspruch 1 angegeben
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße elektrische
Stromkreis hat
einen Anschluss für eine Stromquelle,
eine
elektrische Last, welche im Fehlerfall exzessiv Wärme abgeben
kann,
und eine thermisch-mechanische Sicherung, welche im Fehlerfall
die Stromzufuhr zur Last unterbricht. Ein Fehlerfall liegt vor,
wenn an einer Stelle im Stromkreis exzessiv Wärme erzeugt wird, z. B. an
der elektrischen Last oder an einem Leistungshalbleiter. Die Stromzufuhr
erfolgt über
eine Zuleitung, in welcher eine Feder liegt, die zwei Enden hat,
von denen wenigstens ein Ende mit einer in der Zuleitung vorgesehenen
Lötstelle
verlötet
ist. Diese wenigstens eine Lötstelle
steht unter einer von der Rückstellkraft
der Feder bewirkten mechanischen Vorspannung, welche die Lötverbindung
zwischen der Feder und der Lötstelle
in der Zuleitung trennt, wenn das Lot schmilzt. Bei geeigneter Wahl
des Lotes erweicht das Lot, bevor die zu schützende Last durch Überhitzung Schaden
nehmen kann. Die vorgespannte Feder kommt von der Lötstelle
frei und unterbricht dadurch die Zuleitung, in welcher der Laststrom
fließt.
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Erfindungsgemäß ist ein
mechanisches Widerlager vorgesehen, welches wärmeleitend mit der Quelle für eine evtl. Überhitzung
verbunden ist. Unter einer Quelle wird hier nicht nur ein Heizelement
verstanden z. B. ein Heizwiderstand, sondern z. B. auch ein Leistungshalbleiter,
an welchem durch eine Schädigung
eine so hohe Verlustleistung auftreten kann, dass eine hohe, außerhalb
des zulässigen
Temperaturbereichs liegende Temperatur auftritt. Das Widerlager
ist so ausgebildet, dass es bei Temperaturen, die bei fehlerfreiem
Betrieb am Widerlager auftreten, die Rückstellkraft der Feder aufnimmt,
eine Rückstellkraft
der Feder und dadurch die wenigstens eine Lötstelle entlastet, an welche
die Feder gelötet
ist. Das Widerlager gibt aber nach, wenn das Lot infolge einer Betriebsstörung schmilzt,
so dass sich die Feder in diesem Störungsfall von der Lötstelle
trennen kann.
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Das
hat wesentliche Vorteile:
- – Bei fehlerfreiem Betrieb
nimmt das Widerlager die Rückstellkraft
oder wenigstens einen solchen Teil der Rückstellkraft der Feder auf,
so dass die Feder keine Zugspannung mehr auf die wenigstens eine
Lötstelle
ausübt,
mit welcher sie verlötet ist.
Mindestens begrenzt das Widerlager die auf die Lötstelle ausgeübte Zugspannung
auf einen unkritischen Wert, so dass nicht mit einem ungewollten
Ansprechen der Sicherung zu rechnen ist.
- – Es
ist sogar möglich,
mit Hilfe des Widerlagers nicht nur die Rückstellkraft der Feder aufzufangen,
sondern darüber
hinaus die Feder gegen die Lötstelle
vorzuspannen, so dass die Feder unter der Einwirkung des Widerlagers
an der Lötstelle nicht
nur nicht zieht, sondern sogar Druck auf sie ausübt.
- – Fehlauslösungen der
Sicherung lassen sich ausschließen.
- – Die
Feder, die den Stromkreis absichert, führt zwar Strom, doch beruht
ihre absichernde Eigenschaft allein auf ihrem mechanischen Aufbau
als Feder und auf der wärmeleitenden
Verbindung der Lötstelle
und des Widerlagers mit der Wärmequelle,
welche im Schadensfall zu einer Überhitzung
führen
kann. Eine elektrische Fehlfunktion kann nicht zum Versagen der
Absicherung führen.
- – Die
Ansprechschwelle ist im wesentlichen durch den mechanischen Aufbau
und die Wärmeleitfähigkeit
der Feder und durch die Zusammensetzung des Lotes bestimmt und somit
einstellbar.
- – Da
nicht irgendein elektrischer Strom, sondern der Wärmefluss,
der von dem zu überwachenden elektrischen
Bauteil kommt, die Absicherung auslöst, kann jedes elektrische
Bauteil, welches im Schadensfall zur Überhitzung neigt, erfindungsgemäß abgesichert
werden, sowohl ein Heizwiderstand als auch ein den Heizwiderstand
steuernder Leistungshalbleiter.
- – Das
Ansprechen einer erfindungsgemäßen Sicherung
ist irreversibel, so dass von dem schadhaften elektrischen Bauteil,
sei es ein Heizwiderstand oder eine Gruppe von Heizwiderständen, ein
Heizzweig oder ein die elektrische Leistung steuernder Leistungshalbleiter,
keine weitere Gefahr mehr ausgehen kann, auch nicht nach einem Neustart
des Fahrzeuges.
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Das
Widerlager gibt der Rückstellkraft
der Feder spätestens
dann nach, wenn an dem Widerlager selbst die Schmelztemperatur des
Lotes der wenigstens einen Lötstelle
oder eine Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Lotes
auftritt. Je nach der Richtung des Wärmeflusses und nach der Wärmeleitfähigkeit
des Widerlagers verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit der Feder und der Lötstelle kann
es sein, dass die Temperatur des Widerlagers hinter der Temperatur
der Lötstelle
zurückbleibt.
Darüber
hinaus ist zu berücksichtigen,
dass Lotlegierungen häufig
nicht einen Schmelzpunkt, sondern ein Schmelzintervall haben, so
dass es unzweckmäßig ist,
für die
Temperatur, bei welcher das Widerlager der Rückstellkraft der Feder nachgibt,
so dass diese sich von der Lötstelle
lösen kann,
eine zu enge Beziehung zur Schmelztemperatur des Lotes anzugeben.
Darüber
hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Widerlager bereits nachgiebig
wird, kurz bevor die Rückstellkraft
der Feder in Abwesenheit des Widerlagers ausreichen würde, die
Feder von der sich erhitzenden Lötstelle
abzulösen.
Der Vorteil liegt darin, dass dann, wenn die Lötstelle eine Temperatur erreicht
hat, bei welcher das Lot so weich oder flüssig ist, dass die Rückstellkraft
der Feder die Feder von der Lötstelle
trennen könnte,
diese Trennung tatsächlich
rasch erfolgt und nicht mehr durch einen mechanischen Widerstand
von Seiten des Widerlagers verzögert
wird.
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Damit
sich die Feder von der wenigstens einen Lötstelle trennt, muss das Lot
nicht unbedingt schmelzen. Bei Annäherung an das Schmelzintervall des
Lotes kommt es be reits zu einer fortschreitenden Erweichung des
Lotes, so dass schon in dieser Erweichungsphase eine Trennung der
Feder von der Lötstelle
erfolgen kann. Das ist im Sinne einer zuverlässigen Absicherung im Überhitzungsfall
von Vorteil, weswegen bevorzugt wird, dass das Widerlager der Rückstellkraft
der Feder schon dann nachgibt, wenn das Lot erweicht, spätestens
dann, wenn am Widerlager selbst eine Temperatur auftritt, bei welcher
das Lot erweicht.
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Zur
Erzielung eines raschen Ansprechens der Sicherung ist es vorteilhaft,
wenn das Widerlager unmittelbar auf die Feder einwirkt, und zwar
vorzugsweise möglichst
nahe bei der wenigstens einen Lötstelle,
damit die Temperatur des Widerlagers der Temperatur der Lötstelle
mit möglichst
geringer Verzögerung
folgen kann.
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Für die Ausbildung
des Widerlagers gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit
besteht darin, das Widerlager aus oder unter Verwendung eines Werkstoffes
zu bilden, welcher bei der Temperatur, bei welcher das Widerlager
der Rückstellkraft
der Feder nachgeben soll, schmilzt. Zu diesem Zweck kann das Widerlager
aus einer Legierung mit entsprechend niedrigem Schmelzpunkt bestehen,
der vorzugsweise etwas niedriger liegt als das Schmelzintervall
des verwendeten Lotes. Z. B. kann das Widerlager aus oder unter
Verwendung einer Lotlegierung gebildet sein; diese Lotlegierung könnte eine ähnliche
Zusammensetzung haben wie die an der Lötstelle verwendete Lotlegierung;
vorzugsweise ist ihre Zusammensetzung so gewählt, dass ihre Schmelztemperatur
bzw. ihr Schmelzintervall etwas niedriger liegt als bei dem Lot
an der wenigstens einen Lötstelle.
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Für das Widerlager
kann auch eine solche niedrig schmelzende Legierung verwendet werden, welche
bei der gewünschten
Temperatur zwar noch nicht schmilzt, aber doch schon so weich wird,
so dass sie unter der Rückstellkraft
der Feder verformt wird und bereits dadurch das Ablösen der
Feder von der Lötstelle
ermöglicht.
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Denkbar
ist auch die Bildung des Widerlagers unter Verwendung eines Werkstoffs,
welcher bei der gewünschten
Temperatur sublimiert oder sich zersetzt, wenn diese Vorgänge hinreichend
rasch erfolgen. Werkstoffe, die sich bei Erwärmung rasch zersetzen, sind
bekannt, insbesondere organische Werkstoffe. Für das Widerlager kommen somit Kunststoffe
infrage, z. B. Duroplaste, die sich im gewünschten Temperaturbereich zer setzen,
thermoplastische Schmelzharze und besonders Thermoplaste, die im
gewünschten
Temperaturbereich erweichen oder schmelzen, z. B. Polyamide wie
das Polyamid 6, Polypropylen oder wachsartiges Polyethylen mit einem
Schmelzpunkt von ca. 140°C.
Möglich
ist auch ein Widerlager, welches aus oder unter Verwendung eines
Wachses oder Paraffins gebildet ist, welches im gewünschten
Temperaturbereich hinreichend erweicht oder sich sogar verflüssigt, bei
normaler Betriebstemperatur aber hinreichend hart ist um die Rückstellkraft
der Feder auffangen zu können.
Es kommen mit Wachs oder Paraffin getränkte Materialien infrage.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, das Widerlager aus oder unter Verwendung eines Werkstoffes
zu machen, der bei Erwärmung
aus sich heraus oder unter der Einwirkung der Rückstellkraft der Feder schrumpft,
z. B. ein Hartschaumstoff.
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Das
Widerlager muss nicht vollständig
aus einem Werkstoff bestehen, welcher bei der Temperatur, die das
Widerlager im fehlerfreien Betrieb annimmt, der Rückstellkraft
der Feder widersteht, der Rückstellkraft
aber nachgibt, wenn das Lot an der wenigstens einen Lötstelle
erweicht oder schmilzt. Es kann vielmehr auch ein zusammengesetztes
Widerlager zur Anwendung kommen, welches aus einem ersten Widerlager
besteht, welches in der Lage ist, nachzugeben, wenn das Lot an der
Lötstelle
erweicht oder schmilzt, und aus einem zweiten Widerlager, welches
das erste Widerlager stützt
und der Rückstellkraft
der Feder bis zu einer höheren
Temperatur widerstehen kann als das erste Widerlager. Eine solche
Weiterbildung der Erfindung ist dann besonders vorteilhaft, wenn
das zweite Widerlager unter Einbeziehen des zweiten Endes der Feder
gebildet ist. Mit anderen Worten: In diesem Fall ist das Widerlager – vorzugsweise
unmittelbar – zwischen
zwei einander gegenüberliegenden
Schenkeln der Feder eingespannt, welche entgegen der Rückstellkraft
der Feder durch das Widerlager auf Abstand gehalten werden. Jeder
der zwei Schenkel der Feder ist in Verbindung mit einer ihm zugeordneten
Lötstelle
zugleich ein Widerlager für
den gegenüberliegenden
Schenkel derselben Feder. Am einfachsten verwirklicht man eine solche
Weiterbildung der Erfindung mit einer Feder, die so gebogen ist,
dass sie, wenn das Widerlager zwischen Schenkel eingefügt ist,
eine U-förmige
oder V-förmige
Gestalt hat. Entfernt man das Widerlager aus einer solchen Feder,
nähern
sich die beiden Schenkel der Feder einander an und können auch
federnd zusammentreffen, so dass die Feder selbst dann noch vorgespannt
ist.
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Die
Feder kann aus einem Federdraht gebogen sein. Vorzugsweise besteht
sie jedoch aus einem Streifen eines Federblechs. Das ist für die Herstellung
der Feder und das Fixieren des Widerlagers zwischen zwei Schenkeln
der Feder günstig.
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Eine
Feder, bei welcher zwischen zwei Schenkeln ein Widerlager eingespannt
ist, ist besonders gut geeignet, um gleichzeitig zwei getrennte elektrische
Bauteile oder Baugruppen abzusichern, von denen die eine, z. B.
ein Heizwiderstand, einer ersten Lötstelle und das andere Bauteil,
z. B. ein Leistungshalbleiter, einer zweiten Lötstelle zugeordnet ist. Die
Ansprechgeschwindigkeit ist um so kürzer, je näher das jeweilige Bauteil bzw.
die jeweilige Baugruppe, die im Fehlerfall überhitzen kann, der ihr zugeordneten
Lötstelle
liegt und je besser die Wärmeleitfähigkeit
auf dem Verbindungsweg dorthin ist. Vorzugsweise liegt die Feder
mit ihrer wenigstens einen Lötstelle
unmittelbar in einer Laststrom führenden
Zuleitung zwischen zwei solchen Bauteilen oder Baugruppen, insbesondere
zwischen einem Leistungshalbleiter und einem von ihm gesteuerten
elektrischen Heizer. Es besteht sogar die Möglichkeit, für die beiden
Lötstellen
unterschiedliche Lotlegierungen zu wählen, so dass die Lötstellen
bei unterschiedlichen Temperaturen ansprechen. Das ist allerdings
nur dann empfehlenswert, wenn der Unterschied zwischen den Ansprechtemperaturen
nicht so groß ist,
dass nur die Lötstelle
mit der niedrigeren Ansprechtemperatur anspricht, gleichgültig, von
welcher Seite der Feder der Wärmestrom
kommt.
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Für die Feder
empfiehlt sich ein Werkstoff aus einer Legierung, welche die gewünschte Federeigenschaft
mit guter Benetzbarkeit für
das Lot und hoher elektrischer Leitfähigkeit kombiniert. Ein besonders
geeignetes Beispiel ist die Legierung CuNi1Co1Si, also eine Legierung
aus 1 Gew.-% Nickel, 1 Gew.-% Kobalt, weniger als 1 Gew.-% Silizium und
zum Rest aus Kupfer. Mit ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit
hat sie zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
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Das
Widerlager wird vorzugsweise als Strebe ausgebildet, insbesondere
als Stab oder Stift, und nimmt die Rückstellkraft der Feder in seiner
Längsrichtung
auf. Das Widerlager wird erst nach dem Anlöten der Feder an seine wenigstens
eine Lötstelle eingesetzt.
Um es zu halten, ist in wenigstens einem Schenkel der Feder eine
Vertiefung ein geprägt
oder ein Loch vorgesehen, um das jeweilige Ende des Widerlagers
federnd zu fixieren.
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Als
Lot, mit welchem die Feder mit ihrer jeweiligen Lötstelle
verlötet
wird, eignet sich ein Weichlot. Es kommen sowohl bleihaltige als
auch bleifreie Weichlote in Frage. Besonders geeignet ist ein Lot aus
der Gruppe S-Sn60Pb38Cu2 mit einer Schmelztemperatur zwischen 183°C und 190°C, S-Sn96Ag4 mit
einer Schmelztemperatur von ca. 221°C und S-Sn97Ag3 mit einer Schmelztemperatur
von 221°C bis
230°C.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Teile
sind in den Ausführungsbeispielen
mit übereinstimmenden
Bezugszahlen bezeichnet.
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1 zeigt
eine elektrische Heizeinrichtung zum Vorwärmen der Luft in einem Ansaugkanal
eines Verbrennungsmotors in einer Seitenansicht mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten
thermisch-mechanischen Sicherung,
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2 zeigt
die Heizeinrichtung aus 1 nach dem Ansprechen der Sicherung,
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3 zeigt
eine Heizeinrichtung wie in 1, jedoch
mit einer anderen Einbaulage der Sicherung,
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4 zeigt
die Heizeinrichtung aus 3 in einer Draufsicht,
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5 zeigt
die Heizeinrichtung aus 3 nach dem Ansprechen der Sicherung,
und
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6 zeigt
den elektrischen Schaltplan der beiden Heizeinrichtungen.
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Die
in 1 dargestellte Heizeinrichtung hat einen massiven
Rahmen 1, welcher ein Fenster 2 umschließt, in welchem
ein bandförmiger
Heizleiter 3 aus Metall angeordnet ist. Der Heizleiter 3 verläuft mäanderförmig. Die
Kehren 4 des Mäanders
sind lediglich gestrichelt dargestellt, da sie in einem Formteil 5 liegen,
in welchem sich keramische Stützkörper befinden,
die den Heizleiter 3 an seinen Kehren 4 stützen. Zwei
solche Formteile 5 sind in zwei einander gegenüberliegenden
Ausschnitten 6 und 7 des Rahmens 1 angeordnet.
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Das
eine Ende 3a des Heizleiters 3 ist mit dem Rahmen 1 verbunden
und liegt auf Massepotential. Das andere Ende 3b des Heizleiters 3 ist
an einer Schraubklemme 9 befestigt, welche elektrisch isoliert am
Rahmen 1 angebracht ist. Die Schraubklemme 9 besteht
aus einer Schraube 10, welche durch den Rahmen 1 hindurchgeführt ist,
aus einer auf die Schraube 10 gedrehten Mutter 11,
aus einer Isolierung 12 und zwei Unterlegscheiben 13.
Auf der Außenseite
des Rahmens 1 ist an der Klemme 9 eine abgewinkelte
Stromschiene 14 befestigt. Die Stromschiene 14 ist
ein Teil der Zuleitung zum Heizleiter 3.
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Seitlich
am Rahmen 1 ist ein Gehäuse 15 vorgesehen,
dessen Wand teilweise weggebrochen ist. In dem Gehäuse 15 befindet
sich eine Steuerschaltung zur Steuerung der Heizleistung des Heizleiters 3.
Die Steuerschaltung weist eine Leiterplatte 16 auf, welche
mit einem Leistungshalbleiter 17 bestückt ist, der seine Abwärme an einen
Kühlkörper 18 abgibt,
welcher mit dem Rahmen 1 verschraubt ist. Dazu dient eine
Schraube 19, welche Bestandteil einer zweiten, durch einen
Isolator 20 elektrisch isoliert am Rahmen 1 angebrachten
Schraubklemme 8 ist. Die Schraubklemme 8 dient
zugleich als Anschlussklemme für
eine weitere abgewinkelte Stromschiene 21, welche ebenfalls
ein Bestandteil der zum Heizleiter 3 führenden Zuleitung ist. Die
Stromschiene 21 wird vom Leistungshalbleiter 17 mit
dem Laststrom versorgt. Zu diesem Zweck ist die Schraube 19 mittels
eines den Laststrom führenden
Anschlussflansches 27 mit dem Laststromausgang des Leistungshalbleiters 17 auf
der Leiterplatte 16 verbunden.
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Die
beiden Stromschienen 14 und 21 haben jeweils ein
abgekröpftes
Ende 22, 23, welche einander parallel gegenüberliegen
und Lötstellen
für eine zu
einem U-förmigen
Bügel gebogene
Feder 24 haben. Die Feder 24 ist aus einem Federblechstreifen gebildet.
Die Enden der beiden Schenkel 24a, 24b der Feder 24 sind
unter mechanischer Vorspannung mit den Lötstellen 22 und 23 verbunden.
Auf diese Weise überbrückt die
Feder 24 die Lücke
zwischen den Stromschienen 14 und 21. Die Vorspannung 22 ist
so gerichtet, dass die Schenkel 24a und 24b der Feder 24 versuchen,
sich aufeinander zuzubewegen, so dass auf die Lötstellen 22 und 23 ein
Zug ausgeübt
wird. Die Rückstellkraft
der Feder 24, welche den Zug auf die Lötstellen 22 und 23 ausübt, wird
durch ein stiftförmiges
Widerlager 25 aufgefangen, welches neben den Lötstellen 22 und 23 zwischen
den Schenkeln 24a und 24b der Feder 24 eingespannt
ist. An den Einspannstellen hat die Feder 24 zwei einander gegenüberliegende
Löcher 26,
welche in die beiden Schenkel der Feder 24 gebohrt oder
gestanzt sind. In diesen Löchern 26 findet
das stiftförmige
Widerlager 25 mit konisch oder ballig ausgebildeten Enden
federnd Halt.
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Zur
Montage der Feder 25 wird diese gespreizt zwischen die
Lötstellen 22 und 23 eingeführt und
verlötet.
Die Spreizung wird bis zum Erkalten des Lotes aufrechterhalten.
Ist die Feder 24 hinreichend abgekühlt, wird das stiftförmige Widerlager 25 eingeführt, dessen
korrekter Sitz am Einrasten in die Löcher 26 leicht erkennbar
ist. Nach dem Einsetzen des Widerlagers 25 wird das Werkzeug,
mit welchem die Feder 24 gespreizt gehalten wurde, entfernt.
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Tritt
am Heizleiter 3 eine Überhitzung
auf, dann pflanzt sich diese über
die Schraubklemme 9 und die Stromschiene 14 zur
Lötstelle 22 fort
und erwärmt
diese. Über
die Lötstelle 22 fließt die Wärme durch
die Feder 24 zum Widerlager 25. Damit eine Überhitzung
rasch erkannt wird, bestehen die Schraubklemme 9, die Stromschiene 14 und
die Feder 24 aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff, insbesondere
aus Kupfer bzw. Kupferbasislegierungen. Die Temperatur des Widerlagers 25 folgt
der Temperatur der Lötstelle 22.
Wenn das Lot an der Lötstelle 22 erweicht
oder schmilzt, ist auch die Temperatur des Widerlagers 25 soweit
angestiegen, dass es der Rückstellkraft
der Feder 24, deren einer Schenkel 24a durch die
Lötstelle 22 nicht
mehr festgehalten ist, nicht mehr widerstehen kann, weil das Widerlager 25 schmilzt,
kollabiert oder auf andere Weise nachgibt. Vorzugsweise verliert
das Widerlager 25 seine Widerstandsfähigkeit und entsichert die Feder 24 schon,
bevor die Temperatur der Lötstelle 22 für eine Trennung
der Feder 24 von der Lötstelle 22 ausreicht.
Wird diese Temperatur danach erreicht, findet die Trennung ohne
weitere Verzögerung
statt. Der Zustand nach der Trennung ist in 2 dargestellt.
Der Schenkel 24a der Feder 24 hat sich von der Lötstelle 22 getrennt,
der Laststrom vom Leistungshalbleiter 17 zum Heizwiderstand 3 ist
dauerhaft unterbrochen.
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Bei
einem Versagen des Leistungshalbleiters 17, z. B. infolge
eines Durchlegierens des Leistungshalbleiters 17, würde dieser
vermehrt Abwärme erzeugen,
welche vor allem über
den Kühlkörper 18 zur
Schraube 19 und weiter über
die Stromschiene 21 zur Lot stelle 23 gelangt.
Die Schraube 19 und die Stromschiene 21 bestehen
ebenfalls vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung.
Die Lötstelle 23 wird
erhitzt, die Temperatur des stiftförmigen Widerlagers 24 folgt
der Temperatur der Lötstelle 23 und
es kommt schließlich
zu einem Kollabieren des Widerlagers 24 und in weiterer
Folge durch Erweichen oder Schmelzen des Lotes an der Lötstelle 23 zu
einer Trennung des Schenkels 24b der Feder 24 von
der Lötstelle 23.
Die thermisch-mechanische Sicherung, die durch die Feder 24 in
Verbindung mit dem stiftförmigen
Widerlager 25 gebildet ist, schützt demnach die Heizeinrichtung
zweifach, nämlich
gegen eine Überhitzung,
die vom Heizleiter 3 ausgeht, ebenso wie gegen eine Überhitzung,
die vom schadhaften Leistungshalbleiter 17 ausgeht.
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Das
in den 3 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel lediglich
darin, dass die Feder in einer um 90° veränderten Lage eingebaut ist.
Das bedingt eine andere Gestalt der Stromschienen 14 und 21.
Im übrigen sind
Aufbau und Funktion in der Heizeinrichtung und ihrer Sicherung unverändert.
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Die
in den gezeichneten Beispielen dargestellte Sicherung kann auch
in einem Zuheizer eingesetzt werden, vorzugsweise als Unterbrecher
einer von einem Leistungshalbleiter zu PTC-Heizelementen führenden
Zuleitung.
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Bei
den Leistungshalbleitern kann es sich z. B. um MOSFET-Legierungshalbleiter
handeln.
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6 zeigt
den Schaltplan der beiden vorstehend beschriebenen Beispiele einer
Heizeinrichtung. Der Stromlauf geht von einer Batterieklemme mit
dem Potential + UB durch einen Leistungshalbleiter 17,
durch die Feder 24 mit ihren beiden Lötstellen 23 und 22 und
durch die Last 3 – der
Heizwiderstand – zu
einer Masseklemme.
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- 1
- Rahmen
- 2
- Fenster
- 3
- Heizleiter,
Last
- 3a
- Ende
- 3b
- Ende
- 4
- Kehren
- 5
- Formteil
- 6
- Ausschnitt
- 7
- Ausschnitt
- 8
- Schraubklemme
- 9
- Schraubklemme
- 10
- Schraube
- 11
- Mutter
- 12
- Isolierung
- 13
- Unterlegscheibe
- 14
- Stromschiene,
Teil einer Zuleitung zur Last
- 15
- Gehäuse
- 16
- Leiterplatte
- 17
- Leistungshalbleiter
- 18
- Kühlkörper
- 19
- Schraube
- 20
- Isolator
- 21
- Stromschiene,
Teil einer Zuleitung zur Last
- 22
- Lötstelle
- 23
- Lötstelle
- 24
- Feder
- 24a
- Schenkel
der Feder, zweites Widerlager
- 24b
- Schenkel
der Feder, zweites Widerlager
- 25
- Widerlager
- 26
- Löcher
- 27
- Anschlußflansch