-
RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNG
-
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung der am 18. April 2018 eingereichten
US-Patentanmeldung Nr. 15/131,191 , die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingefügt wird.
-
HINTERGRUND
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf isolierte Leiter. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Herstellung isolierter Sammelschienenleiter.
-
BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN FACHGEBIETS
-
Eine typische mobile Vorrichtung kann zwei oder mehrere Batteriezellen verwenden, um der mobilen Vorrichtung Energie bereitzustellen. Die Batterien können in Reihen- oder parallelen Konfigurationen über sogenannte Sammelschienenleiter (bus bars) verbunden werden, die typischerweise einem oder mehreren Streifen aus leitfähigem Material von geeigneter Größe, um die erforderliche Menge an Strom handzuhaben, entsprechen.
-
Eine Isolierung des Sammelschienenleiters ist gewöhnlich erforderlich, um eine Kurzschlussbedingung zwischen dem Sammelschienenleiter und anderen elektrischen Komponenten der mobilen Vorrichtung zu verhindern. Ein Verfahren zur Herstellung von isolierten Sammelschienenleitern enthält ein Schneiden einer Länge eines leitfähigen Materials auf eine gewünschte Länge und ein Schneiden von zwei Abschnitten von Isoliermaterial auf die gleiche Länge. Zum Beispiel können die jeweiligen Komponenten auf eine Länge von 20 cm geschnitten werden. Die jeweiligen Abschnitte des Isoliermaterials werden auf der oberen Fläche und der Bodenfläche des leitfähigen Materials platziert, um das leitfähige Material zu isolieren und dadurch einen isolierten Sammelschienenleiter bereitzustellen. Bei nachfolgenden Arbeitstätigkeiten werden Abschnitte des Isoliermaterials entfernt, um das leitfähige Material freizulegen, um eine Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Sammelschienenleiter zu erleichtern.
-
Typische Verfahren zur Entfernung des Isoliermaterials, um das leitfähige Material freizulegen, erfordern, dass der zu entfernende Abschnitt an einer nach außen gerichteten Fläche ist. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn ein Laser und/oder ein mechanisches Mittel zum Entfernen des isolierenden Abschnitts benutzt wird, weil die Verfahren eine direkte Sichtlinie mit dem zu entfernenden Abschnitt erfordern. Wenn der isolierende, zu entfernende Abschnitt an einer nach innen gerichteten Fläche ist, kann eine Verwendung dieser Verfahren zum Entfernen des Isoliermaterials jedoch unpraktisch sein.
-
Andere Probleme mit existierenden Verfahren zur Herstellung von isolierten Sammelschienenleitern werden im Hinblick auf die unten stehende Offenbarung offensichtlich werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
In einem Aspekt enthält ein Verfahren zur Herstellung eines isolierten leitfähigen Materials ein Bereitstellen eines Drahtes, ein Aufbringen eines Maskierungsmaterials auf einen Bereich oder mehrere Bereiche des Drahtes, ein Beschichten anderer Bereiche des Drahtes als des einen Bereichs oder der mehreren Bereiche mit einem Isoliermaterial durch elektrisches Laden des Drahtes mit einer ersten Ladungspolarität, ein Bereitstellen eines Mediums von elektrisch geladenen Isoliermaterial-Partikeln, die mit einer entgegengesetzten Polarität geladen sind, ein Bewegen des geladenen Drahtes durch das Medium, wobei die Isoliermaterial-Partikel sich mit anderen Zonen des leitfähigen Materials als dem einen Bereich oder den mehreren Bereichen verbinden, ein Aushärten der Isoliermaterial-Partikel und ein Aufbringen eines Lösungsmittels auf das Maskierungsmaterial, um das Maskierungsmaterial damit zu entfernen, wobei die gehärteten Isoliermaterial-Partikel von dem Lösungsmittel im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben.
-
In einem zweiten Aspekt enthält ein Verfahren zur Herstellung eines isolierten Sammelschienenleiters ein Vorsehen eines isolierten Drahtes, ein Schneiden des isolierten Drahtes auf eine gewünschte Länge, ein Abziehen einer Isolierung von Abschnitten des isolierten Drahtes, ein Biegen des Drahtes in eine vorbestimmte Form und ein Ausprägen (coining) von Abschnitten des isolierten Drahtes, von dem die Isolierung abgezogen wurde.
-
In einem dritten Aspekt enthält ein Sammelschienenleiter gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Draht und ein Isoliermaterial, das einen Abschnitt des Drahtes ummantelt, wobei andere Abschnitte des Drahtes frei sind. Wenigstens einer der Abschnitte des Drahtes, die frei sind, kann zwischen zwei Abschnitten des Drahtes, die mit dem Isoliermaterial bedeckt sind, liegen.
-
Figurenliste
-
- 1 veranschaulicht beispielhafte Arbeitstätigkeiten zur Herstellung eines isolierten Sammelschienenleiters,
- 2A-2D veranschaulichen unterschiedliche Stufen des Sammelschienenleiters während des Herstellungsprozesses der 1,
- 3 veranschaulicht ein beispielhaftes System zur Durchführung eines elektrophoretischen Beschichtungsvorgangs des Herstellungsprozesses und
- 4 veranschaulicht einen beispielhaften, gemäß dem Herstellungsprozesses der 1 gebildeten Sammelschienenleiter.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Verfahren und Systeme zur Herstellung isolierter Sammelschienenleiter werden nachfolgend beschrieben.
-
1 veranschaulicht beispielhafte Arbeitsabläufe zur Herstellung eines isolierten Sammelschienenleiters. Bei Block 100 kann ein leitfähiges Material bereitgestellt und/oder vorbereitet werden. Das leitfähige Material kann Kupfer und seinen Legierungen, Aluminium, Nickel, Silber, rostfreiem Stahl oder einem abweichenden leitfähigen Material entsprechen.
-
Während der Vorbereitung kann das leitfähige Material in unterschiedlichen Formen bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das leitfähige Material in einer Drahtform bereitgestellt werden. Der Ausdruck „Draht“ - wie hierin benutzt - soll in seiner gewöhnlichen Bedeutung verstanden werden, d. h. als Metall, das in die Form eines dünnen flexiblen Fadens oder Stäbchens ausgezogen worden ist, wie es kommerziell in fortlaufenden Rollen oder Spulen gespeichert und verkauft werden kann. Dies unterscheidet sich von leitfähigen Materialien, die typischerweise bei der Herstellung von herkömmlichen Sammelschienenleitern verwendet werden, die typischerweise ebene Platten von Metall enthalten, die gestanzt, geschnitten oder geschlagen sind, um einen ebenen Streifen einer gewünschten Form zu bilden.
-
Drähte unterschiedlicher Formen und Größen können für das leitfähige Material der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Draht mit einer Dicke von 0,005 mm oder größer verwendet werden und ein Draht mit einer Breite von 0,05 mm oder größer verwendet werden. Die Querschnittsform des Drahtes kann zum Beispiel rund, oval, länglich oder polygonal mit einer beliebigen Anzahl von Seiten sein. Die Kanten des Drahtes können rechteckig, abgeschrägt, gerundet usw. sein. Der Draht kann eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen oder kann vollständig blank sein (d. h. mit keiner elektrisch isolierenden Beschichtung). Wenn der Draht mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung bereitgestellt wird, können Abschnitte der Beschichtung während der nachfolgenden Herstellungsschritte - wie weiter unten beschrieben - entfernt werden.
-
Eine Vorbereitung des leitfähigen Materials kann weiter ein Formen des Drahtes unter Benutzung unterschiedlicher Arbeitsabläufe enthalten, um eine gewünschte Form wie die Form eines in 2A veranschaulichten Barrens zu erreichen. In verschiedenen Beispielen kann der Draht auf eine gewünschte Länge geschnitten werden. Zusätzlich können Abschnitte des Drahtes ausgeprägt werden (d. h. durch eine Anwendung einer Kraft flach gemacht werden). Das Ausprägen kann besonders angemessen für Drähte mit runden Querschnittsformen sein, um flache Abschnitte oder Platten an dem Draht zu bilden, um zum Beispiel ein Schweißen oder Löten zu erleichtern. Der Draht kann zusätzlich geformt, gebogen oder anderweitig mechanisch deformiert werden, um ein/e gewünschte/s Form oder Profil für einen Sammelschienenleiter zu erreichen. Der Draht kann weiterhin wie erforderlich gehärtet oder geglüht werden.
-
Eine Vorbereitung des leitfähigen Materials kann weiter ein Säubern des Drahtes mit einem organischen Lösungsmittel oder Reinigungsmittel enthalten, um Fett zu entfernen. In einigen Beispielen kann der Draht mit einer Säure gesäubert werden, um eine Oxidschicht auf der Außenfläche des leitfähigen Materials zu entfernen, die bei einem elektrophoretischen Beschichtungsvorgang, der unten beschrieben werden wird, stören kann. Andere Vorbehandlungsprozesse wie eine Oberflächenphosphatierung können vor einer elektrophoretischen Beschichtung angewandt werden.
-
Wenn der Draht eine elektrische Isolierbeschichtung enthält, kann die Vorbereitung des leitfähigen Materials ferner ein Entfernen oder Abziehen eines Teils oder der gesamten Isolierbeschichtung enthalten. Zum Beispiel kann die elektrische Isolierbeschichtung von Abschnitten des Drahtes abgezogen werden, die gelötet, geschweißt oder anderweitig elektrisch mit anderen elektrischen Komponenten verbunden werden sollen, während die elektrische Isolierbeschichtung auf anderen Abschnitten des Drahtes unberührt belassen werden kann. Wenn der gewählte Draht vollständig blank ist und keine elektrische Isolierbeschichtung enthält, kann der Draht einer elektrophoretischen Beschichtungstätigkeit zum Aufbringen einer elektrischen Isolierbeschichtung auf Abschnitte des Drahtes wie in den Blöcken 105-120 des exemplarischen, in 1 skizzierten und unten beschriebenen Verfahrens unterzogen werden.
-
Bei Block 105 des exemplarischen Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann ein Maskierungsmaterial auf einen Bereich oder mehrere Bereiche des leitfähigen Materials aufgebracht werden, um zu verhindern, dass das Isoliermaterial auf diesen Bereichen in nachfolgenden Arbeitsvorgängen abgeschieden wird. Wie in 2B veranschaulicht kann ein Maskierungsmaterial 210 zum Beispiel auf die Oberfläche des leitfähigen Materials 205 aufgebracht werden. Das Maskierungsmaterial 210 kann einem elektrisch isolierenden Material entsprechen. Zum Beispiel kann das Maskierungsmaterial 210 einem Photolack-Material wie Polymethylmethacrylat, SU-8, Polymethylglutarimid, Phenol-Formaldehydharz, einem Polymermaterial wie Polyethlen, Ethylenvinylacetat, Silikon, einem dielektrischen Material wie Kieselsäureanhydrid, Metalloxid oder einem unterschiedlichen Material mit ähnlichen Maskierungseigenschaften entsprechen.
-
In einigen Ausführungen kann das Lösungsmittel, auf das vorab zum Reinigen des leitfähigen Materials Bezug genommen worden ist, aufgebracht werden, nachdem das Maskierungsmaterial 210 aufgetragen ist. In dieser Hinsicht kann das Maskierungsmaterial 210 gewählt werden, dass es von dem Lösungsmittel nicht beeinflusst wird. Wo das Lösungsmittel zum Beispiel säurebasiert ist, kann das ausgewählte Maskierungsmaterial undurchlässig für Säuren sein. Wo das Lösungsmittel laugenbasiert ist, kann das gewählte Maskierungsmaterial undurchlässig für alkalische Lösungsmittel sein.
-
Das Maskierungsmaterial 210 kann mittels eines Druckverfahrens aufgetragen werden, wobei ein Drucker das Maskierungsmaterial 210 durch Düsen auf das leitfähige Material 200 sprüht. In anderen Ausführungen kann das Maskierungsmaterial 210 über eine mit dem Maskierungsmaterial 210 gesättigte Walze aufgetragen werden. Das Maskierungsmaterial 210 kann auch über einen mechanischen Pinselauftrag aufgetragen werden. In noch weiteren Ausführungen kann das Maskierungsmaterial 210 über ein Siebverfahren aufgetragen werden.
-
Das Maskierungsmaterial 210 kann nach der Auftragung ausgehärtet werden. Zum Beispiel kann das Maskierungsmaterial 210 luftgetrocknet oder gebacken (erwärmt) oder UV-Strahlen oder einem Elektronenstrahl zum Aushärten des Markierungsmaterials ausgesetzt sein. In einigen Ausführungen kann das Maskierungsmaterial 210 bei einer Temperatur von 110°C für 10 Minuten gebacken (erwärmt) werden, um das Maskierungsmaterial 210 auszuhärten.
-
Bei Block 110 kann das leitfähige Material 205 mit dem aufgetragenen und gehärteten Maskierungsmaterial 210 in einer Isolations-Abscheidungskammer wie der in 3 veranschaulichten Isolations-Abscheidungskammer 300 platziert werden. Bezugnehmend auf 3 verwendet die Isolations-Abscheidungskammer 300 ein kathodisches, elektrolytisches Abscheidungsverfahren, bei dem kolloidale Isoliermaterial-Partikel 312 in einem flüssigen Medium wie einem acrylbasierten Kunstharz suspendiert werden. Das Medium ist mit einer ersten Polarität einer Gleichspannungsquelle 305 verbunden. Die entgegengesetzte Polarität der Gleichspannungsquelle 305 ist elektrisch mit dem leitfähigen Material 205 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 305 kann eine Spannung von ungefähr 20-80 VDC erzeugen. Die Isoliermaterial-Partikel 312 in dem Medium wandern unter dem Einfluss des von der Gleichspannungsquelle 305 erzeugten elektrischen Feldes zu der Außenfläche des leitfähigen Materials 106, um dadurch alle Zonen der Außenfläche des leitfähigen Materials 106, die elektrisch exponiert sind, mit den kolloidalen Isoliermaterial-Partikeln 312 zu bedecken.
-
Die Isoliermaterial-Partikel 312 können allen möglichen kolloidalen Partikeln entsprechen, die zu einer Bildung einer stabilen Suspension, die eine Ladung tragen kann, fähig sind.
-
Zum Beispiel können die Isoliermaterial-Partikel 312 verschiedenen Polymeren, Pigmenten, Farbstoffen und Keramiken entsprechen. Abweichende Materialien mit ähnlichen Eigenschaften können verwendet werden.
-
Der obige Prozess ist zur Herstellung einer Isolierschicht 215 (2C) auf dem leitfähigen Material 205 mit einer Dicke von wenigstens 0,014 mm, einem Verluststrom von weniger als 10 mA und einem Isolierwiderstand von wenigstens 100 MΩ, wenn mit einer über die Isolierung angelegten 500 V Gleichspannung gemessen, fähig. Zusätzlich behält die Isolierschicht 215 einen ISO-Grad 0 einer Kreuzschraffur-Adhäsions-Einstufung für das leitfähige Material 205 bei, nachdem es einer Umgebung von 60°C mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 95% für 500 Stunden ausgesetzt worden ist und nach einem hundertmaligen Temperatur-Durchlauf zwischen -40°C und 90°C.
-
Zurückkehrend auf 1 wird das beschichtete, leitfähige Material 205 aus der Abscheidungskammer 300 entfernt und dann einem Härtungsverfahren ausgesetzt, nachdem die gewünschte Dicke des Isoliermaterials auf dem leitfähigen Material 205 abgeschieden worden ist. Wie in 2C veranschaulicht wird auf das Entfernen aus der Abscheidungskammer 300 eine Isolierschicht 215 auf allen Gebieten des leitfähigen Materials 205 mit der Ausnahme der Bereiche, die von dem Maskierungsmaterial 210 bedeckt sind, gebildet.
-
Während des Aushärtens kann Wärme auf das leitfähige Isoliermaterial angewendet werden, um das Entfernen irgendwelcher, in den kolloidalen Isoliermaterial-Partikeln der Isolierschicht 215 vorhandenen Lösungsmittel zu beschleunigen. Die Wärme kann auch dazu führen, dass die kolloidalen Isoliermaterial-Partikel der Isolierschicht 215 gleichmäßig um die Außenfläche des leitfähigen Materials 205 dispergieren, um dadurch eine dauerhafte Bindung zwischen der Isolierschicht 215 und dem leitfähigen Material 205 zu bilden. Die Wärme kann auch eine chemische Vernetzung der Isolierschicht herbeiführen, um eine bessere Stabilität aufzuweisen. In einer Ausführung kann das leitfähige Isoliermaterial auf eine Temperatur von ungefähr 180°C für eine Dauer von 30 Minuten erwärmt werden.
-
Bei Block 120 kann das Maskierungsmaterial 210 entfernt werden, um eine oder mehrere Bereiche des leitfähigen Materials 205 wie in 2D veranschaulicht bloß zu legen. In einer Ausführung kann ein von dem für die Vorbereitung des leitfähigen Materials verwendeten Lösungsmittel abweichendes Lösungsmittel wie verdünnte Schwefelsäure benutzt werden. Wo das zur Reinigung des leitfähigen Materials benutzte Lösungsmittel zum Beispiel säurebasiert ist, kann das für die Entfernung des Maskierungsmaterials benutzte Lösungsmittel einem Laugen-basierten Lösungsmittel entsprechen und umgekehrt.
-
Bezugnehmend auf 4 ist eine einen isolierten, gemäß dem vorab beschriebenen Herstellungsverfahren gebildeten Sammelschienenleiter veranschaulichende Draufsicht gezeigt. Der Sammelschienenleiter 400 kann aus einem Draht gebildet werden, der auf eine gewünschte Länge geschnitten, in eine gewünschte Form gebogen und zur Bildung von ausgeprägten Abschnitten 402, die eine Verbindung mit anderen elektrischen Komponenten erleichtern, ausgeprägt worden ist. Der Sammelschienenleiter 400 kann isolierte Abschnitte 404 enthalten, die mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, Buchse, Ummantelung usw. umhüllt sind. Die ausgeprägten Abschnitte 402 des Drahtes können bloß liegen (d.h. nicht mit der elektrischen isolierenden Beschichtung, Buchse, Ummantelung usw. umhüllt). Die elektrisch isolierende Beschichtung kann auf dem Draht unter Benutzung der oben beschriebenen Verfahren gebildet werden. Alternativ kann der Draht eine vorexistierende elektrische isolierende Beschichtung (z. B. ein herkömmlicher, isolierter Draht) aufweisen und die elektrisch isolierende Beschichtung kann von den Abschnitten des Drahtes, die mit anderen elektrischen Komponenten (z. B. den ausgeprägten Abschnitten 402) verbunden werden sollen, entfernt werden.
-
Wie gezeigt erleichtern die oben beschriebenen Ausführungen eine Herstellung eines isolierten Sammelschienenleiters mit komplexen Formen, bei denen eine Isolierung schwierig, wenn nicht unmöglich, unter Verwendung der herkömmlichen, oben beschriebenen Mittel zu entfernen wäre. Da das leitfähige Material des Sammelschienenleiters von dem Draht gebildet wird, braucht das leitfähige Material zusätzlich nicht unter Benutzung von Präge-, Schneid- und/oder Schlag-Verfahren hergestellt zu werden, die allgemein bei der Herstellung von herkömmlichen Sammelschienenleitern verwandt werden, wobei derartige Prozesse typischerweise komplexe, teure Werkzeugbestückungs- und Design-Überlegungen erfordern und häufig eine große Menge an Abfall produzieren. Stattdessen braucht der Draht des vorliegend Offenbarten lediglich geschnitten und mechanisch deformiert zu werden, um die gewünschte Form zu erlangen, die schnell und preiswert mit wenig oder keinem Materialabfall ausgeführt werden kann.
-
Während das Verfahren zur Herstellung des isolierten Sammelschienenleiters mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, verstehen die Fachleute, dass zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können und durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Patentansprüche der Anmeldung abzuweichen. Andere Abwandlungen können vorgenommen werden, um ein/e besondere/s Situation oder Material den oben offenbarten Lehren anzupassen, ohne von dem Umfang der Patentansprüche abzuweichen. Zum Beispiel können oben beschriebene Tätigkeiten genauso gut auf vorgeschnittene, leitfähige Materialabschnitte und/oder Einheiten vorgeschnittener leitfähiger Materialabschnitte angewandt werden, die zusammengeschweißt werden können, um eine Einheit leitfähiger Abschnitte vor einer nachfolgenden Bildung einer Isolierung über dem leitfähigen Material bereitzustellen. Deshalb sollten die Patentansprüche nicht auf irgendeines der offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt angesehen werden, sondern auf alle möglichen Ausführungsbeispiele, die in den Umfang der Patentansprüche fallen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
