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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend ein geschlossenes Gehäuse mit wenigstens einer darin angeordneten elektronischen, elektrischen, optischen oder mechatronischen Komponente.
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Derartige Vorrichtungen sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Erfasst sind beliebige elektrischen, optischen oder mechatronischen Komponenten enthaltenden Vorrichtungen bzw. Gerätschaften zu nennen sind exemplarische Steuer- und Regelgeräte, Sensoren, Schaltgeräte, Elektromotoren etc. Oft sind die Gehäuse dieser Geräte luftdicht gekapselt, um einen Austausch mit der Umgebung zu verhindern. Auch wasserdicht gekapselte Geräte sind bekannt. Zur Kapselung bzw. Abdichtung des Gehäuses werden oft pastöse oder feste Dichtmittel oder Dichtelemente verwendet, über die das Gehäuse hinreichend abgedichtet werden kann.
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Trotz der Kapselung bzw. Abdichtung und dem dadurch weitestgehend ausgeschlossenen Austausch mit der Umgebung werden bei solchen Geräten insbesondere bei längerer Betriebszeit Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit bis hin zum Ausfall beobachtet.
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Aus
DE 10037088 A1 ist ein Kollektor zur thermischen Nutzung der Sonnenenergie bekannt. In einem versiegelten Vakuumpaneel ist ein Absorber aufgenommen.
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In
EP 0164455 A2 ist ein mittels Mikrowellen arbeitendes Messgerät mit einem für in der Luft enthaltene Feuchtigkeit bekannt.
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Ferner ist aus
EP 2322924 A1 ein Vorratsbehälter für diagnostische Elemente mit hydrophiler Oberfläche bekannt. Der Vorratsbehälter kann Teil eins analytischen Messgeräts sein. Im Behälter ist ein Absorbermaterial zur selektiven Absorption hydrophober, flüchtiger Substanzen aufgenommen.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, bei der trotz Kapselung des Gehäuses eine Beeinträchtigung von im Vorrichtungsgehäuse verbauten Komponenten nicht zu besorgen ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Gehäuse ein Adsorptionsmittel für volatile Siliziumatome enthaltende Moleküle vorgesehen ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Beeinträchtigungen auf das Vorhandensein von silikonhaltigen Elementen im oder am Gehäuse zurückzuführen sind. Der Einsatz von Silikonen beispielsweise als Dichtungsmaterial, Schutzlack, Vergussmasse, Öl etc. ist unter anderem wegen der guten thermischen Beständigkeit und guter Aufnahme von Dehnungen vorteilhaft, weshalb solche Silikone umfangreich beispielsweise bei elektronischen Bauteilen und insbesondere Baugruppen der Hochleistungselektronik verwendet werden. Aber auch in anderen elektrischen, optischen oder mechatronischen Komponenten enthaltenden Gerätschaften finden Silikone Verwendung.
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Durch die Freisetzung niedermolekularer Inhaltsstoffe, also von volatilen Molekülen, die Silizium enthalten, aus dem Silikon, das quasi ausgast, kann es jedoch zum Ausfall beispielsweise elektronischer, elektrischer oder elektromechanischer respektive mechatronischer Komponenten wie Relais, Elektromotoren oder Ähnliches oder zu störenden Belägen auf optischen Bauteilen wie Kameras, Scheinwerfern oder Sensoroberflächen kommen, insbesondere bei Vorrichtungen, die ein geschlossenes Gehäuse umfassen, also bei gekapselten Baugruppen ohne Luftaustausch. Ebenso können Silikonemissionen das Benetzungsverhalten auf Oberflächen im nahen Umfeld beeinträchtigen.
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Die Schadwirkung der aus dem Silikon austretenden volatilen, Silizium enthaltenden Moleküle basiert auf zwei grundlegenden Umständen. Zum einen kann es zur Freisetzung von diesen Molekülen und der Bildung von nichtleitenden Siliziumdioxidschichten bei Energieeintrag kommen. Ein solcher Energieeintrag kann beispielsweise durch heiße Oberflächen, Schaltfunken in Relais oder elektromechanischen Schaltern, Schaltfunken in Kommutatoren von Elektromotoren, UV-Strahlung und Ähnlichem erfolgen. Diese Siliziumdioxidschichten wirken sich nachteilig auf die elektrischen oder optischen Eigenschaften eines Bauteils aus, können also diese Funktion beeinträchtigen. Darüber hinaus kann es aufgrund der hohen Mobilität und Benetzungsneigung der volatilen Silizium enthaltenden Moleküle beispielsweise zu Benetzungsstörungen beim Lackieren von Oberflächen kommen, ein Funktionsausfall von Anti-Fog-Beschichtungen ist möglich, ferner kann es zur Weichmachung anderer Werkstoffe kommen.
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Diese volatilen Silizium enthaltenden Moleküle sind folglich schädlich, da sie sich nachteilig auf die Funktion der in einem geschlossenen Gehäuse befindlichen Komponenten auswirken können, wenn in dem Gehäuse silikonhaltige Materialien vorhanden sind.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene, im Gehäuse angeordnete Adsorptionsmittel wirkt als Getter für volatile, Silizium enthaltende Moleküle, die sich an der Oberfläche des adsorbierenden Festkörpers anreichern bzw. anlagern. Kommt es aus welchem Grund auch immer zur Emission solcher Moleküle aus einem gehäuseseitig verwendeten silikonhaltigen Material oder Bauteil, so kann über das Adsorptionsmittel die Konzentration der volatilen Moleküle in dem geschlossenen Gehäuse, also in dem abgeschlossenen Gasvolumen eklatant reduziert werden, derart, dass die verbleibende Restkonzentration keinerlei Schadwirkung mehr entfalten kann.
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Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise ein Steuergerät mit einem Gehäuse sein, das beispielsweise über ein Silikondichtmittel wasserdicht abgedichtet ist, oder in z. B. Siloxan enthaltende sonstige Bauteile verbaut sind.
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Die Vorrichtung kann auch eine Hochvoltbatterie sein, bei der Silikonmassen beispielsweise als Wärmeleitpaste oder als Wärmeleitklebstoff zur Regulierung des Temperaturhaushalts verwendet werden oder Ähnliches.
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Der Einsatz eines Adsorptionsmittels bietet nun die Möglichkeit, auch in solchen sensiblen Vorrichtungen respektiven Gehäusen silikonbasierte Mittel beliebiger Art verwenden zu können, mithin also deren gute Eigenschaften zu nutzen, ohne Gefahr zu laufen, dass durch eine Emission von Silizium enthaltenden Molekülen eine Beeinträchtigung irgendeiner verbauten Komponente zu besorgen ist. Dies gilt sowohl hinsichtlich einer primären Emission solcher Moleküle, im Rahmen welcher bereits in der Ausgangssilikonmasse bereits relativ kurzkettige Molekülgruppen enthalten sind, die im Rahmen der Härtung nicht vernetzen und daher ausgasen. Auch im Falle einer sekundären Emission, im Rahmen welcher alterungsbedingt durch Abbau größerer Moleküle eine Emission einsetzt, schafft das Adsorptionsmittel Abhilfe. Auch können, da die Silikonmassen keinen Problempunkt mehr darstellen, kostengünstige Standardsilikonmassen verwendet werden.
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Bevorzugt wird ein Adsorptionsmittel verwendet, das ein Getter für volatile Siloxane ist. Insbesondere volatile Siloxane bilden die Emissionsprodukte der Silikonmassen oder silikonbasierten Massen, so dass ein im Adsorptionsverhalten speziell für solche volatilen Siloxane empfindliches Adsorptionsmittel vorteilhaft verwendet wird.
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Das Adsorptionsmittel selbst kann in Pulver-, Granulat- oder Pelletform vorliegen. Dabei kann es als lose Schüttung, also frei im Vorrichtungsgehäuse aufgenommen sein, oder in einer Umhüllung, beispielsweise in einer Kunst- oder einer Naturstoffhülle, die natürlich ein Eindringen der siliziumhaltigen Moleküle respektive des Siloxans ermöglicht. Das Adsorptionsmittel wirkt dank seiner Oberfläche. Vorteilhaft ist eine hohe spezifische (massenbezogene) Oberfläche, erreicht durch die äußere und innere Oberfläche. Die Innere Oberfläche befindet sich in Poren, die für Siloxane zugänglich sind.
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Alternativ kann das Adsorptionsmittel auch als Füllstoff in einer im Gehäuse vorgesehenen Beschichtungs- oder Dichtmasse vorliegen. Denkbar ist es beispielsweise, eine Beschichtungsmasse auf eine oder mehrere Gehäusewände aufzubringen und in diese Beschichtungsmasse, beispielsweise einen Lack oder Ähnliches, das Adsorptionsmittel einzubringen. Die Trägermatrix, also der Lack oder dergleichen, ist so zu wählen, dass er hinreichend diffusionsoffen für die volatilen Silizium enthaltenden Moleküle respektive volatilen Siloxane ist.
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Auch das Einbringen des Adsorptionsmittels in eine Dichtmasse ist zweckmäßig. Diese Dichtmasse kann beispielsweise selbst ein Silikon respektive silikonbasiert sein. Das eingebrachte Adsorptionsmittel wirkt damit gleichzeitig auch als Diffusionsbarriere für in der Dichtungsmasse enthaltene kurzkettige Moleküle, so dass eine primäre Emission bereits durch das Material selbst verhindert wird. Aber auch eine sekundäre Emission in den Gasraum wird durch das eingebrachte, als Diffusionssperre wirkende Adsorptionsmittel wirkungsvoll verhindert.
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Das Adsorptionsmittel selbst sollte eine poröse Struktur aufweisen, mithin also eine hohe innere Oberfläche aufweisen, so dass es eine hohe Adsorptionskapazität besitzt.
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Als Adsorptionsmittel kann beispielsweise Aktivkohle verwendet werden. Hierbei handelt es sich um feinkörnigen, porösen Kohlenstoff mit großer innerer Oberfläche. Alternativ kann auch ein Zeolithmaterial, das aufgrund seiner Kristallstruktur ebenfalls eine sehr große innere Oberfläche aufweist, verwendet werden. Des Weiteren eignen sich mesoporöse Oxide, beispielsweise Siliziumdioxid, Titandioxid oder Zirkon-dotiertes Titandioxid als Adsorptionsmittel. Ferner kann Aluminiumoxid oder Kieselgur sowie Kieselgel, bevorzugt oberflächenmodifiziertes Kieselgel verwendet werden. Auch ein mikroporöses kristallines Material in Form eines Metall-organischen Gerüsts (MOF = Metal-Organic Framework) kann verwendet werden, ebenso wie Diatomeen oder Blähton, wobei diese Aufzählung grundsätzlich nicht abschließend ist.
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Wenngleich die Vorrichtung vom Typ respektive der Funktionsweise beliebig sein kann, handelt es sich bei der Vorrichtung bevorzugt um eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie mit einer daran angeordneten battery junction box umfassend ein Gehäuse, das einseitig von der Batterie geschlossen ist. Eine solche battery junction box (BJB) dient der Herstellung von Anschlussverbindungen und enthält Relais, Schütze und andere elektrische respektive elektromechanische Komponenten. Das Gehäuse ist üblicherweise einseitig offen und direkt an das Gehäuse des eigentlichen Energiespeichers angesetzt, worüber die battery junction box geschlossen wird. Daneben kann die Vorrichtung auch ein Hochleistungselektronikbauteil, insbesondere ein Steuergerät oder ein Leistungsmodul, oder ein Sensorbauteil beliebiger Art sein, die jeweils ein geschlossenes Gehäuse aufweisen.
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Neben der Vorrichtung selbst betrifft die Erfindung ferner ein beliebiges Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Vorrichtung der beschriebenen Art. Das Kraftfahrzeug kann eine Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein vollelektrisch oder zumindest hybrid betreibbares Kraftfahrzeug umfassend eine Hochvoltbatterie sowie entsprechende Hochleistungselektronikbauteile und Sensorbauteile, die teilweise oder allesamt in der erfindungsgemäßen Weise mit einem gehäuseseitig integrierten Adsorptionsmittel versehen sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form einer Hochvoltbatterie, und
- 5 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer Hochvoltbatterie.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, bei der es sich beispielsweise um eine Steuerungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs handelt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, das geschlossen ist. Unter dem Begriff „geschlossen“ wird entweder eine vollständige Kapselung verstanden, also eine Kapselung, die keinerlei Gaseintritt oder Gasaustritt respektive Flüssigkeitseintritt oder Flüssigkeitsaustritt ermöglicht. Hierunter wird aber auch eine Vorrichtung verstanden, die nur einen Gasaustausch zwischen dem Gehäuseinneren und dem Gehäuseäußeren zulässt, nicht aber einen Flüssigkeitsaustausch. Das Gehäuse ist also wasserdicht, jedoch nicht diffusionsdicht. Dies wird üblicherweise durch Integration einer permeablen Membran in eine Gehäusewand realisiert und ermöglicht so einen Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung. Ein solcher Druckausgleich ist oft bei Steuergeräten, Leistungselektronikbauteilen und Ähnlichem, wo es im Gehäuseinneren zur Wärmeerzeugung kommt, erforderlich.
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Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine Komponente 3 verbaut, bei der es sich um eine elektronische, elektrische, optische oder mechatronische Komponente oder eine Sensorkomponente handelt. Exemplarisch ist hier nur eine Komponente dargestellt. Selbstverständlich kann eine beliebige Vielzahl an solchen Komponenten auch unterschiedlicher Art im Gehäuseinneren verbaut sein. Es sei angenommen, dass es sich bei der Vorrichtung 1 um ein Hochleistungselektronikbauteil handelt, das heißt, dass die eine oder die mehreren Komponenten 3 elektrische oder elektronische Komponenten sind. Des Weiteren ist im Gehäuse 2 wenigstens ein silikonhaltiges Mittel 4 vorhanden, bei dem es sich um ein beliebiges Mittel handeln kann, beispielsweise ein Dichtmittel wie eine gegebenenfalls vernetzte Dichtpaste oder ein Wärmeleitmittel oder Ähnliches. Es kann sich auch um ein Bauteil handeln, z.B. eine Kabelummantelung oder ein Isolierelement o.dgl. Aus diesem silikonhaltigen Mittel können nun im Rahmen einer primären oder sekundären Emission Siliziumatome enthaltende Moleküle 5, insbesondere volatile Siloxane 6 in die Umgebung diffundieren, wie durch den Pfeil dargestellt, sie sind also frei beweglich im Inneren des Gehäuses 2 vorhanden. Diese volatilen Moleküle 5 respektive Siloxane 6 können nun die Funktionsfähigkeit der einen oder der mehreren Komponenten 3 beeinträchtigen, indem sie sich unter Bildung von Oberflächenschichten an den Komponenten 3 anlagern und beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht bilden oder Ähnliches. Hierdurch kann es zu Funktionsbeeinträchtigungen der Komponente kommen, bis hin zum Totalausfall.
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Um dies zu vermeiden, ist im Inneren des Gehäuses 3 ein Adsorptionsmittel 7 aufgenommen, das als Getter für die volatilen Moleküle 5 respektive volatilen Siloxane 6 dient. Das Adsorptionsmittel 7, beispielsweise Aktivkohle, kann in loser Schüttung oder in einer Umhüllung vorliegen. Es weist eine sehr große innere Oberfläche auf, mithin also eine hohe Adsorptionskapazität.
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Über das Adsorptionsmittel 7 werden folglich die volatilen Moleküle 5 respektive volatilen Siloxane 6 eingefangen, wie durch den weiteren Pfeil dargestellt, und an der Oberfläche gebunden, so dass die Ist-Konzentration der frei im Gehäuse vorliegenden Moleküle 5 bzw. Siloxane 6 extrem weiter reduziert werden kann. Sie kann hierüber auf einen Wert reduziert werden, der so niedrig ist, dass die Bildung von die Komponenten 3 beeinträchtigenden Schichten und Ähnliches ausgeschlossen ist.
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Das heißt, dass infolge der Integration des Adsorptionsmittels 7 in das Gehäuse 2 auch im Gehäuse 2 silikonhaltige Massen verwendet werden können, insbesondere Standardsilikone, da eine etwaige Molekül- oder Siloxanemission sich nicht mehr schädlich auf die Komponenten auswirkt.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einer zweiten Ausführungsform, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugseichen verwendet sind.
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Im Gehäuse 2 befindet sich wiederum eine Komponente 3 beliebiger Art, es sei wiederum angenommen, dass es sich um eine elektrische oder elektronische Komponente handelt und die Vorrichtung 1 ein Hochleistungselektronikbauteil ist, wobei dies wie gesagt nur beispielhaft angenommen ist.
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Vorhanden ist im Gehäuseinneren wiederum ein silikonhaltiges Mittel 4 respektive eine entsprechende Masse, aus der im Rahmen von Primär- und Sekundäremissionsvorgängen Siliziumatome enthaltende Moleküle 5, insbesondere volatile Siloxane 6 in das Gehäusevolumen entweichen können.
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Das Adsorptionsmittel 7 ist bei diesem Beispiel in eine Beschichtungsmasse 8, also eine Trägermatrix, beispielsweise ein Lack oder Ähnliches, eingebracht. Das heißt, dass diese Matrix mit beispielsweise Aktivkohle oder Zeolith versetzt ist. Diese Beschichtung 8 wirkt aufgrund des Zuschlags des Adsorptionsmittels 7 gleichermaßen adsorbierend, das heißt, dass die frei vorliegenden volatilen Moleküle 5 respektive Siloxane 6 auch in diesem Fall über das Adsorptionsmittel 7, wenngleich in der Trägermatrix eingebunden, gebunden werden. Die Trägermatrix respektive das Bindemittel der Beschichtungsmasse 8 ist hinreichend offen, so dass die Moleküle 5 respektive Siloxane 6 eindiffundieren und von dem Adsorptionsmittel 7 eingefangen werden können.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 3 ist eine Vorrichtung 1 gezeigt, mit einem Gehäuse 2 und einer Komponente 3, wobei auch hier beliebig viele, auch unterschiedlich vom Typ ausgelegte Komponenten verbaut sein können.
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Hier ist das silikonhaltige Mittel 4 in Form eines Dichtmittels respektive einer Dichtmasse 9, über die exemplarisch ein aufgesetzter Deckel 10 in Bezug auf den Korpus 11 des Gehäuses 2 abgedichtet wird, vorhanden. Dieses silikonhaltige Mittel 4 selbst ist bei dieser Erfindungsausgestaltung mit dem Adsorptionsmittel 7, beispielsweise wiederum Aktivkohle oder ein Zeolith, versetzt. Die Aktivkohle oder das Zeolith ist also als Adsorptionsmittel direkt dem silikonhaltigen Mittel zugesetzt. Dies führt dazu, dass entweder von Haus aus vorliegende oder sich alterungsbedingt bildende kurzkettige Moleküle respektive Siloxane, die in die Umgebung ausgasen können, im Material selbst eingefangen werden, so dass es zu keiner Emission kommt, also weder zu einer primären noch zu einer sekundären Emission.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die hier als Hochvoltbatterie 12 ausgeführt ist. Sie umfasst ein Batteriegehäuse 13 mit einer Vielzahl von darin verbauten Energiespeichern 14. Am Batteriegehäuse 13 angesetzt ist eine battery junction box 15 umfassend ein Gehäuse 16, das an der zum Batteriegehäuse 13 weisenden Seite durch das Batteriegehäuse 13 geschlossen ist. In dem Gehäuse 16 der battery junction box 15 sind eine Vielzahl unterschiedlicher Komponenten 3 verbaut, bei denen es sich um Relais, Schütze, Schalter, Leitungen, Stromschienen etc. handeln kann.
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Des Weiteren ist im Gehäuse 16 ein silikonhaltiges Mittel 4 vorgesehen, bei dem es sich wiederum um ein beliebiges Mittel beispielsweise zu Dicht- oder Wärmeleit- oder Kontaktierungszwecken handeln kann. Ebenfalls vorgesehen ist im Gehäuse 16 wiederum ein Adsorptionsmittel 7, beispielsweise Aktivkohle, das auch hier etwaige vom Mittel 4 emittierte volatile siliziumatomhaltige Moleküle respektive Siloxane einfängt. Insbesondere im Hinblick auf die hohen Spannungen ist hier die Funktion der Komponenten 3 besonders wichtig, was erfindungsgemäß jedoch sichergestellt ist, da etwaige freien Moleküle keinerlei Schadwirkungen entfalten können.
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Allgemein und insbesondere für alle vorstehend beschriebenen Beispiele gilt, dass die Wahl des Adsorptionsmittels 7 sowie insbesondere die Bestimmung der verwendeten Menge an Adsorptionsmittel 7 unter Berücksichtigung der Menge an silikonhaltiger Masse in dem Gehäuse sowie der Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels 7 und der prognostizierten Menge sekundärer Emissionen bei der Anwendungstemperatur bestimmt wird, um so für die prognostizierte Lebenszeit der Vorrichtung einen Gehalt an volatilen siliziumhaltigen Molekülen respektive volatilen Siloxanen im Gasraum des Vorrichtungsgehäuses sicherzustellen, der so gering ist, dass es zu keinerlei negativen Beeinträchtigungen der im Gehäuseinneren verbauten Komponenten kommt.
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Schließlich zeigt 5 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 17, umfassend mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen 1, beispielsweise in Form der Hochvoltbatterie 12 oder von Hochleistungselektronik- oder Sensorbauteilen 18, sowie in Form von Bürstenmotoren, insbesondere Elektro- oder Kommutatormotoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10037088 A1 [0004]
- EP 0164455 A2 [0005]
- EP 2322924 A1 [0006]
