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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Schutzeinrichtungen sind bereits in vielfältiger Art aus dem Stand der Technik bekannt. So sind beispielsweise Überlastsicherungen in Form von Schmelzsicherungen bekannt, welche beim Auftreten eines zu hohen Stromes (z. B. verursacht durch einen Kurzschluss) die Stromversorgung in bzw. zu einem elektrischen Gerät unterbrechen. Weiterhin sind bei Kraftfahrzeugen automatische Batterieabschalter bekannt, um die Stromversorgung von der Autobatterie abzuschalten, sollte sich ein Unfall ereignet haben. Ein kritischer Betriebszustand in einem elektrischen Gerät tritt auch dann auf, wenn Wasser in das elektrische Gerät eintritt. Dies kann beispielsweise bei Kraftfahrzeugen dadurch geschehen, dass über die elektrische Steckverbindung zu dem elektrischen Gerät, insbesondere einem Kabelbaum, Wasser durch undichte Kabel in die Litzen des Anschlusskabels gelangt und über Kapillarwirkung entlang der Litze in den Gerätestecker und dann in das Gerät fließt. Das in das elektrische Gerät eingedrungene Wasser kann dann infolge von Elektrolyse unkontrolliert Ausfälle hervorrufen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass beim Eintritt von Wasser in das elektrische Gerät eine elektrische Leitung, insbesondere eine Stromversorgung innerhalb des elektrischen Geräts, sicher abgeschalten wird. Dabei muss die Sicherung derart ausgebildet sein, dass sie ungiftig bzw. ROHS-kompatibel ausgebildet ist und ein Wiedereinschalten des elektrischen Gerätes sicher vermieden wird. Diese Aufgabe wird bei einer Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, dass die Schutzeinrichtung aus einem rasch korrodierenden Material besteht, welches im Korrosionsfall einen stromleitenden Querschnitt in dem elektrischen Gerät unterbricht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Schutzeinrichtung zumindest in ihrem zu Korrosion neigenden Bereich aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, das unter Einfluss von feuchter Luft lediglich zu oberflächlicher Oxidation neigt und einen geringen elektrischen Widerstand aufweist. In diesem Falle reagiert die Schutzeinrichtung nur auf das Vorhandensein von Wasser bzw. von wässrigen Lösungen, während feuchte Luft, welche beispielsweise durch eine Erwärmung des elektrischen Gerätes durch Verdunstung reduziert wird für die elektrische Funktionsfähigkeit des elektrischen Geräts nicht von Nachteil ist.
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Als besonders bevorzugte Metalle bzw. Metalllegierungen haben sich dabei Magnesium, Aluminium oder ein Lanthanid als Hauptbestandteil erwiesen.
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Um die Korrosionsempfindlichkeit zusätzlich zu steigern, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass Lithium, Calcium oder ein anderes Erdalkalimetall als Legierungsbestandteil zu den genannten Metallbestandteilen verwendet wird.
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Die Korrosionsneigung lässt sich alternativ hierzu ebenfalls erhöhen, wenn als Legierungsbestandteil ein gegenüber dem Grundmetall edleres Metall verwendet wird, wenn das Grundmetall mit einem edleren Metall zumindest lokal oberflächenbeschichtet ist, oder wenn das Grundmetall porös ausgebildet wird, zum Beispiel durch einen Sintervorgang eines Metallstücks.
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Es kann jedoch auch in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Schutzeinrichtung mit einer Lackschicht, insbesondere einem wasserlöslichen Schutzlack, zum Beispiel auf Basis von Polyvinylalkohol oberflächenlackiert ist. Eine derartige Lackschicht verringert die Korrosionsempfindlichkeit der Schutzeinrichtung. Dies kann beispielsweise erwünscht sein, wenn erst ein Ansprechen der Schutzeinrichtung erst ab einem gewissen Wassergehalt erwünscht ist. In Kombination mit einem Grundmetall bzw. mit einem legierten Grundmetall, dessen Korrosionsbeständigkeit erhöht ist, wird mit einer Oberflächenlackierung dann der Effekt erzielt, dass die Schutzeinrichtung zwar länger benötigt, bis sie anspricht, dann jedoch sehr rasch korrodiert bzw. die Stromunterbrechung in gewünschter Weise herbeiführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, dass wenigstens eine Kontaktstelle der stromführenden Leitung zur Schutzeinrichtung aus einem gegenüber der Schutzeinrichtung edleren Metall, insbesondere aus einer kupferbasierten Legierung, besteht. In diesem Fall wird eine definierte Stelle bzw. ein definierter Ort gebildet, an dem die Stromunterbrechung stattfindet.
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Eine konstruktiv relativ einfache Umsetzung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung, welche durch ihre relativ große Angriffsoberfläche für Wasser auch ein rasches Ansprechen ermöglicht, wird geschaffen, wenn die Schutzeinrichtung rohrförmig ausgebildet ist und die Enden der Schutzeinrichtung durch eine Crimpverbindung mit der stromführenden Leitung elektrisch verbunden sind.
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Alternativ hierzu, mit einem geringeren Raumbedarf der Schutzeinrichtung, kann es auch vorgesehen sein, dass die Schutzeinrichtung drahtförmig ausgebildet ist und, dass die Enden der Schutzeinrichtung durch eine Klemm-, Schweiß- oder Lötverbindung mit der stromführenden Leitung elektrisch verbunden sind.
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Eine fertigungstechnisch besonders bevorzugte Ausbildung der Schutzeinrichtung, bei der diese ähnlich wie bei SMD-Bauteilen vollautomatisch z. B. auf Leiterplatten bestückt werden kann ist gegeben, wenn die Schutzeinrichtung als ein im Querschnitt zumindest annähernd rechteckförmiges Metallstück ausgebildet ist und, dass die Enden der Schutzeinrichtung eine Verzinnung aufweisen.
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Darüber hinaus sieht eine weitere konstruktive Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Schutzeinrichtung als Steckerpin ausgebildet ist, der mit seinem einen Ende mit einer eine Steckerverbindung aufweisenden Kabelverbindung elektrisch kontaktiert ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Schutzeinrichtung auch direkt hinter dem Steckerpin angeordnet sein. Die elektrische Verbindung hinter dem Steckerpin hat eine Öffnung zum Stecker. In den zuletzt genannten Fällen ist die Schutzeinrichtung sehr nahe an dem mutmaßlichen Ort des Wassereintritts des elektrischen Gerätes angeordnet, sodass sie sehr empfindlich ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 eine erste erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem korrodierenden Metallstück in einer vereinfachten Seitenansicht,
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2 eine zweite erfindungsgemäße Schutzeinrichtung unter Verwendung eines lackierten Drahtstücks in vereinfachter Seitenansicht,
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3 eine dritte erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem rohrförmigen Metallstück, das mittels einer Crimpverbindung elektrisch kontaktiert ist in einer vereinfachten Darstellung und
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4 einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Steuergerät mit einer vierten erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung.
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In der 1 ist eine erste erfindungsgemäße Schutzeinrichtung 10 dargestellt. Die erste Schutzeinrichtung 10 ist Bestandteil eines nicht näher dargestellten elektrischen Gerätes, insbesondere eines Steuergerätes in einem Kraftfahrzeug. Die Schutzeinrichtung 10 ist beispielhaft auf einer Platine 12 innerhalb eines Steuergerätegehäuses angeordnet. Auf der Platine 12 ist eine ebenfalls nicht dargestellte elektrische Schaltung angeordnet, die beispielsweise der Steuerung von Funktionen des Kraftfahrzeuges dient. Das Steuergerät ist mittels einer Spannungsversorgung ausgestattet, die auf der Platine 12 als stromführende Leitung 13 ausgebildet ist. Bei der stromführenden Leitung 13 handelt es sich beispielsweise um eine aus Kupfer bzw. aus einer kupferbasierten Legierung bestehende Leiterbahn, die im Bereich der ersten Schutzvorrichtung 10 eine Unterbrechung 14 aufweist. Die beiden einander zugewandten Enden 16, 17 der Leitung 13 werden mittels der ersten Schutzeinrichtung 10 elektrisch überbrückt bzw. miteinander elektrisch leitend verbunden. Hierzu weist die Schutzeinrichtung 10 beispielhaft ein, eine etwa rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisendes Metallstück 18 auf, das im Bereich seiner beiden als Kontaktstellen dienenden Enden jeweils mit einer Metallisierung, insbesondere mit einer lötbaren Metallisierung 19 versehen ist.
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Das Metallstück 18 in Art eines SMD-Bauteils besteht aus einem Metall, das unter Einfluss von Wasser korrodiert. Insbesondere besteht es aus Magnesium, Aluminium oder einem Lanthanid bzw. einer Metalllegierung mit wenigstens einem der genannten Elemente als Hauptbestandteil. Als Legierungsbestandteile zu den genannten Metallen kommen insbesondere Lithium, Calcium oder ein anderes Erdalkalimetall in Frage. Das Metallstück 18 kann auch mit einem gegenüber dem Material des Metalls edleren Metall oberflächenbeschichtet sein. Durch eine derartige Materialauswahl wird auch sichergestellt, dass das Metallstück 18 unter Einfluss von feuchter Luft lediglich zu oberflächlicher Oxidation neigt sowie insgesamt gesehen einen geringen elektrischen Widerstand aufweist.
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Die elektrische Verbindung der beiden Enden des Metallstücks 18 mit den Enden 16, 17 der Leitung 13 erfolgt mittels einer Lötverbindung, welche durch die beiden Lötverbindungen 23, 24 dargestellt ist.
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Anstelle einer Lötverbindung kann jedoch auch eine Schweißverbindung oder eine Klemmverbindung vorgesehen sein. In Frage kommen grundsätzlich alle üblichen Verbindungstechniken, die es gestatten, leitende Bauteile miteinander zu verbinden.
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In der 2 ist eine zweite erfindungsgemäße Schutzeinrichtung 30 dargestellt. Die zweite Schutzeinrichtung 30 weist ein drahtförmiges Metallstück 31 auf. Das drahtförmige Metallstück 31 besteht aus den gleichen Materialien wie das Metallstück 18 bei der ersten Schutzeinrichtung 10. Im Gegensatz zur ersten Schutzvorrichtung 10 ist die Schutzeinrichtung 30 oberflächenlackiert. Die Lackschicht 32 besteht insbesondere aus einem wasserlöslichen Schutzlack, z. B. auf Basis von Polyvinylalkohol. Das Metallstück 31 ist mit seinen beiden Enden stumpf mit den beiden Enden 33, 34 einer elektrischen Leitung 35 elektrisch leitend verbunden, z. B. mittels umlaufenden Schweißverbindungen 36, 37.
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In der 3 ist eine dritte Schutzeinrichtung 40 dargestellt. Die dritte Schutzeinrichtung 40 weist ein rohrförmiges Metallstück 41 auf. Das Metallstück 41 besteht aus den gleichen Materialien wie das Metallstück 18 bzw. das Metallstück 31 bei der ersten Schutzeinrichtung 10 bzw. der zweiten Schutzeinrichtung 30. Die beiden Enden des Metallstücks 41 sind mittels einer symbolisch dargestellten Crimpverbindung 42, 43 mit den Enden 44, 45 einer elektrischen Leitung 46 verbunden. Durch die Crimpverbindung 42, 43 sind die Enden 44, 45 des Metallstücks 41 offen, so dass Wasser leicht an die Innenfläche des Metallstücks 41 gelangen kann.
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In der 4 ist eine vierte Schutzeinrichtung 50 dargestellt. Die vierte Schutzeinrichtung 50 ist innerhalb eines ein Gehäuse 51 aufweisenden Steuergeräts 52 angeordnet. Das Gehäuse 51 weist einen Steckerbereich 53 auf, der von mehreren Steckerpins 54, 55 durchdrungen ist. Das Steuergerät 52 bzw. die Steckerpins 54, 55 sind mittels Gegenstecker 56, 57 eines im Übrigen nicht näher dargestellten Kabelbaums elektrisch kontaktiert. Die starren Steckerpins 54, 55 sind elektrisch leitend mit einer Platine 58 verbunden, die die ebenfalls nicht dargestellte elektrische bzw. elektronische Schaltung trägt. Der der Stromversorgung des Steuergeräts 52 dienende Steckerpin 54 besteht hierbei zumindest abschnittsweise aus demselben Material wie das Metallstück 18 bzw. das Metallstück 31. Insbesondere besteht der Steckerpin 54 im Steckerbereich 53 aus besagtem Metall. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Schutzeinrichtung 50 auch direkt hinter dem Steckerpin 54 angeordnet sein (nicht dargestellt). Die elektrische Verbindung hinter dem Steckerpin hat eine Öffnung zum Stecker.
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Die erfindungsgemäßen Schutzeinrichtungen 10, 30, 40 und 50 arbeiten alle auf dieselbe Art und Weise, indem bei Einwirkung von Wasser im Bereich des Metallstücks 18, 31, 41 bzw. des Steckerpins 54 das besagte Bauteil innerhalb kürzester Zeit korrodiert und so der stromführende Querschnitt vollflächig zerstört wird.
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Die soweit beschriebenen Schutzeinrichtungen 10, 30, 40 und 50 können in vielfältiger Art und Weise modifiziert werden. So sind beispielsweise Schutzlackbeschichtungen bei allen Schutzeinrichtungen denkbar. Dies beinhaltet insbesondere auch, dass das Metallstück 18 der Schutzeinrichtung 10 gemäß der 1 mit einer Lackschicht 32 entsprechend der Schutzeinrichtung 30 ausgestattet ist, wobei dann die verzinnten Enden 16, 17 von der Lackschicht 32 ausgeschlossen sind.
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Auch können beispielsweise mehrere Schutzeinrichtungen 10, 30, 40, 50, oder eine Kombination von verschiedenen Schutzeinrichtungen 10, 30, 40, 50 in dem elektrischen Gerät vorgesehen sein.
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Weiterhin ist es denkbar, dass zusätzlich zur Lackschicht 32, oder alternativ hierzu, eine weitere Schutzschicht vorgesehen ist, die insbesondere aus einer kurzfristig lichtbogenbeständigen und porösen Schicht aus geeigneten Polymeren, zum Beispiel aus Silikon oder keramischem Material, zum Beispiel polymergebundenem Aluminiumoxid, besteht. Mit einer derartigen Schicht lassen sich im Auslösefall eventuell auftretende Lichtbogen vermeiden, die die Umgebung schädigen könnten.
