專利名稱：熱安全裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為了斷開電路的方法。此外，本發(fā)明涉及一種為了通過熔化易熔元件斷開電路的熱安全裝置。
背景技術(shù)：
由于越來越多地使用為了切換電負載中的大電流的半導體組件(MOSFETs、IGBTs)，例如在汽車行業(yè)中的車輛中，所指出的該類型的熱安全裝置具有越來越重要的意義。萬一在半導體開關(guān)元件中發(fā)生故障(例如，由于短路或者由于局部崩潰或另一種故障)，由于錯誤的電流流動，該結(jié)果可以是不允許的且可能致命的溫度的升高。在車輛中的情況尤其如此，其中，某些負載(諸如例如，冷卻風扇、ABS控制器、力口熱風扇、助力轉(zhuǎn)向、或者甚至電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或類似物)沒有經(jīng)由點火鎖而是直接被電氣性連接，到該電池。因為在車輛已經(jīng)被使用(S卩，已經(jīng)被停止運轉(zhuǎn))之后必須確保負載的持續(xù)操作或隨后操作的可能性，所以這樣的負載通常沒有經(jīng)由點火鎖連接到該電池，。例如，在一定溫度處，必須使冷卻風扇能夠在車輛的操作之后繼續(xù)運行一段時間以避免溫度峰值并且實現(xiàn)引擎溫度的降低。在達到故障(尤其是電氣部件的短路)引起的動作溫度時，這樣安全裝置具有超溫保護的功能，該安全裝置中斷電源并且阻止溫度的任何進一步上升(這可能在某些情況下是致命的)。在不存在短路的情況下和在不直接與電池相連接的其它電路中，這樣的安全裝置還起到超溫保護的作用。如果例如在開關(guān)元件的局部崩潰的情況下，僅微量增加的電流流入負載中；那么使用常規(guī)的過流安全裝置不能檢測到這種故障。在典型地被封裝的負載中，溫度隨后繼續(xù)上升，而且在某些情況下，這可能甚至導致火災(zāi)。該熱安全裝置的進一步的應(yīng)用通?？梢詫Ω吖β守撦d提供過溫保護和火災(zāi)保護，例如，為了保護太陽能電池或重負荷蓄電池以及輔助加熱系統(tǒng)?；趶椈杉夹g(shù)或熔化蠟技術(shù)的熱安全裝置在家用設(shè)備(例如，咖啡機)的項目中已經(jīng)是最先進的了。這樣的安全裝置由于它們的低電流容量而無法被用于具有大電流的功率應(yīng)用。從現(xiàn)有技術(shù)看，無需任何機械力(例如，彈簧)被激活的熱安全裝置是來自US7, 068, 141B2的已知技術(shù)。這些安全裝置的操作方式追溯到當易熔元件達到激活溫度時易熔元件的潤濕性。激活是由于易熔元件的熔化而發(fā)生，該易熔元件是由于潤濕力而被牽引到相應(yīng)的較大表面上。這里，該易熔元件被外殼的適應(yīng)表面包圍，同時為流出的元件的熔料留出自由的緩沖容積。在這樣的安全裝置(它們通常 被用在例如移動電話的消費者應(yīng)用中)中的不利的是如下事實因為由于激活原理僅少量的易熔元件是可用的，所以這樣的安全裝置不適于大電流。對于汽車行業(yè)，存在用于避開以上所引用的局限性的建議。DE244 375 Al描述了用于部署在電源和電源電路中的易熔電阻的形式的熱安全
>J-U裝直。DElO 2007 014 338A1描述了電路結(jié)構(gòu)形式的熱安全裝置，尤其是沖壓柵格或印刷電路板(其具有易熔元件并且借助于表面張力來實現(xiàn)電連接的斷開)形式的熱安全裝置。DElO 2008 003 659A1涉及一種具有導體棒的易熔安全裝置。該導體棒在正常操作中起到電傳導連接的作用，并且在達到一定溫度而發(fā)生熱故障時熔化。例如，DElO 2007 014 339A1中描述了具有連接元件和單獨設(shè)計的致動器的熱安全裝置。該致動器在達到某一激活溫度時以機械方式使電連接斷開。此外，通常具有上焊接(soldered-on)鋼板彈簧的熱安全裝置是已知技術(shù)，該鋼板彈簧在達到一定溫度時使電連接斷開。 在其它特征中，在所述安全裝置中的不利的是如下事實焊料和連接點永久地經(jīng)受材料應(yīng)力，并且因此該熱安全裝置的使用壽命和可靠性是有限的(尤其是在使用溫度循環(huán)負載的嚴酷的外界條件下)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的基本問題在于提供一種為了斷開電路的熱安全裝置，其中，該熱安全裝置具有非常小的電阻并且適用于大電流(尤其適用于非常大的短路電流)，并且還具有高的可靠性(尤其在困難的情況，例如，較長持續(xù)時間的熱負載和機械負載)。所述問題使用根據(jù)權(quán)利要求1的特征的熱安全裝置而得以解決。本發(fā)明的熱安全裝置被構(gòu)造成易熔安全裝置，該易熔安全裝置在通過熔化易熔元件被激活時執(zhí)行電路的斷開。為了確保電路的可靠斷開，熱安全裝置具有至少兩個導電端子和一個易熔元件，該易熔元件在達到一定溫度時熔化。此外，熱安全裝置具有封裝物(encapsulation)或包裝物(encasement)。這里，易熔元件被外殼(casing)包圍,在易熔元件和外殼之間(即，在熱安全裝置的部件之間)不提供任何自由的緩沖容積?；诃h(huán)氧樹脂的模制材料例如可以作為用于封裝物或包裝物的材料被使用。但是原則上，也可以使用其它的材料和涂漆方法。此外，熱安全裝置具有分層結(jié)構(gòu)，其中，至少一個附加的涂層(例如，材料層)被提供在端子和封裝物或包裝物之間。利用本發(fā)明的熱安全裝置，電路在達到一定溫度時被斷開。在達到激活溫度之前，熱安全裝置表現(xiàn)為具有非常高的導電率的導電體。熱安全裝置的兩個導電端子據(jù)此通過該易熔元件彼此互相電連接。易熔元件的材料被如此設(shè)計以致易熔元件材料的熔化溫度位于安全裝置所需要的激活溫度的范圍內(nèi)。在達到熔化溫度時，易熔元件開始熔化。在易熔元件材料從固態(tài)到液態(tài)的相變過程中，易熔元件的體積增大。由于將易熔元件封裝在熱安全裝置中，出現(xiàn)壓力上升。熱安全裝置據(jù)此被如此設(shè)計以致借助于易熔元件的封裝，沒有在易熔元件和包裝物之間提供為了接納液體的易熔元件材料的緩沖容積。在易熔安全裝置內(nèi)，易熔元件完全被直接鄰接的部件(例如，包裝物、端子或涂敷在端子上的涂層)或熱安全裝置的其它部件包圍。因此，易熔元件絕不會被任何自由的緩沖容積包圍。而且，易熔元件不會與任何自由的緩沖容積相接觸，其中，緩沖容積具有空氣或其它的氣態(tài)物質(zhì)。因此，由于壓力上升，易熔元件被如此移位以致端子之間的電連接被斷開。在易熔元件材料從固態(tài)到液態(tài)的相變過程中，體積的增大極其迅速地發(fā)生，并且以體積階躍變化的形式發(fā)生。因此，借助于體積的突然增大，迅速的壓力上升成為可能；并且通過這種方式，熱安全裝置的可靠激活成為可能。液體的易熔元件材料借助于體積增大和與體積增大相關(guān)的壓力上升并且還借助于毛細管作用(capillary action)而流出。毛細管據(jù)此以端子上涂層的形式被設(shè)計，該涂層在易熔元件材料的熔化溫度范圍內(nèi)的溫度下液化。在切換操作的過程中，易熔元件和涂層混合在一起，并且借助于壓力上升和毛細管作用通過毛細管容積而流出。因此，從易熔元件和涂層流出的材料至少部分地聚積于熱安全裝置在端子上的外部區(qū)域內(nèi)。該外部區(qū)域是熱安全裝置的沒有被包裝物封閉的區(qū)域。優(yōu)選地,易熔元件位于熱安全裝置內(nèi)，使得該易熔元件與端子直接接觸或者與涂覆在端子上的涂層直接接觸。優(yōu)選地，封裝物或包裝物可以在朝向易熔元件的內(nèi)表面上具有附加的漆層。此外，熱安全裝置優(yōu)選地能夠具有與用于例如焊接的焊劑相似的焊劑。在熱安全裝置的激活過程中，適當?shù)暮竸┑牟渴饘⒋龠M表面的激活，并且在達到熔化溫度時，促進易熔元件和涂層的混合以及材料通過毛細管的流出。當選擇焊劑時，使用在長期內(nèi)穩(wěn)定的焊劑是重要的，這確保了即使長時間經(jīng)受在典型的100至200°C的工作條件下的更高溫度之后的激活。即使當使用焊劑時，沒有提供鄰近易熔元件和/或該焊劑的緩沖容積。優(yōu)選地，易熔元件位于兩個導電端子之間。因此，易熔元件被設(shè)置在端子之間的間隙內(nèi)。這里，易熔元件可以與端子直接接觸，或者與提供在端子上的涂層直接接觸。這具有如下優(yōu)勢在激活操作的過程中，在達到一定溫度時，電路的斷開借助于兩個端子之間電連接的中斷而得以執(zhí)行。 此外,形成毛細管的涂層優(yōu)選地通過兩個端子的電鍍(galvanisation)形成。鋅、銦、鉍、銀或者由鋅、銦、鉍或銀組成的合金被優(yōu)選地選取為所述涂層的材料。在達到熔化溫度時，這樣的涂層促進容納易熔元件。這里，端子和封裝物或包裝物之間的材料層應(yīng)當優(yōu)選地具有I U m至50 ii m之間、特別優(yōu)選5 ii m至20 ii m之間的厚度。為了確保年久(with age)的熱安全裝置的良好穩(wěn)定性，端子的涂層優(yōu)選地被如此形成以致在端子和封裝物或包裝物之間，涂層(例如，錫層)具有鎳底漆(nickelundercoat)，其中，鎳底漆可以由純鎳層或者包含鎳的合金組成。因此，所述鎳底漆是端子和涂層之間的一個附加層(例如，錫層)。因此，鎳底漆與端子和涂層(例如，錫層)直接接觸。鎳底漆因此起到阻擋層的作用，并且在由例如由銅組成的端子和涂層之間形成擴散屏障。這樣的擴散屏障防止形成金屬間相。因此，即使在老化之后，它還確保在端子和封裝物或包裝物之間仍然存在足夠厚的涂層(例如，為了接納易熔元件并激活安全裝置的足夠厚的錫層)。鎳層或含有鎳的合金層可以據(jù)此優(yōu)選地具有I U m至50 y m之間、特別優(yōu)選5 u m至15 ii m之間的厚度。優(yōu)選地，易熔元件由導電的低熔點金屬、包含低熔點金屬的合金組成，合金成分由所需要的激活溫度決定。優(yōu)選地，可以使用傳統(tǒng)的焊料合金，諸如，錫銀焊料、錫銀銅焊料、鉛焊料或其它焊料合金。根據(jù)熱安全裝置所需要的激活溫度，下表示出了焊料合金的可能的成分的示例。表I
權(quán)利要求
1.一種熱安全裝置(100、200、300)，其通過熔化易熔元件(10)執(zhí)行電路的斷開，其中，所述熱安全裝置具有至少兩個導電端子(11、12)和一個易熔元件(10)，其特征在于，所述熱安全裝置具有封裝物或包裝物(18)，其中，所述熱安全裝置，即，其分層結(jié)構(gòu)，在所述端子(11、12)和所述封裝物或包裝物(18)之間具有至少一個涂層(23)，其中，所述熱安全裝置至少在某些區(qū)域中通過封裝物或包裝物(18)進行封閉，其中，所述易熔元件(10)被封裝在所述熱安全裝置內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱安全裝置，其特征在于，所述易熔元件(10)直接與所述端子(11、12)和所述封裝物或包裝物(18)接觸。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述封裝物或包裝物(18)在朝向所述易熔元件(10)的內(nèi)表面上具有漆層。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述熱安全裝置具有焊劑(16)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述易熔元件(10)位于所述兩個端子(11、12)之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述端子(11、12)和所述封裝物或包裝物(18)之間的所述涂層(23)包含錫、銦、鉍、或者錫、銦或鉍的合金。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述端子(11、12)和所述封裝物或包裝物(18)之間的所述涂層(23)的厚度在Iym至50μπι之間、優(yōu)選在5μπι至20 μ m之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至11中至少一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述端子(11、12)和所述封裝物或包裝物(18)之間的所述涂層(23)具有鎳底漆，其中，所述鎳底漆由鎳層或由含有鎳的合金組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱安全裝置，其特征在于，所述鎳底漆的厚度在Iμ m至50 μ m I'b]>5 μ m M 15 μ m t|l]。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述易熔元件(10)由低熔點金屬、含有低熔點金屬的合金或者鉛焊料組成。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述易熔元件(10)由錫銀合金組成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述端子(11、12)具有帽狀物的形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中至少一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述端子(11、12)具有長方體的形狀或者與長方體相似的形狀。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述熱安全裝置具有至少一個非導電體(13)，其中，所述至少一個非導電體(13)起到保持所述端子(11、12)的作用。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱安全裝置，其特征在于，所述至少一個非導電體(13)由陶瓷、玻璃、塑料或另一種有機材料組成。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述易熔元件(10)具有環(huán)狀物的形狀。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，導電體(14、15)連接到每個所述端子(11、12)上。
18.至少根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述導電體(14、15)具有導線的形狀或者與導線相似的形狀。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中一項所述的熱安全裝置，其特征在于，所述熱安全裝置具有漆覆蓋物或漆包裝物。
20.一種將根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的熱安全裝置作為易熔安全裝置的應(yīng)用，所述應(yīng)用是為了保護尤其在車輛中的太陽能電池、高能蓄電池、輔助加熱系統(tǒng)、電負載，并且還是為了超溫保護和火災(zāi)保護。
全文摘要
為了提供一種用于將電路和熱熔體進行絕緣的方法，其中，熔體具有非常小的電阻并且適用于大電流(尤其是非常大的短路電流)，并且還具有高的可靠性(尤其在困難的情況，例如，持續(xù)相對長的時間的熱和機械負載)，例如，本發(fā)明提出了在易熔元件(10)的材料從固態(tài)到液體的相變過程中，易熔元件(10)的體積增大并且壓力增加，由于體積的增大和壓力的增加，易熔元件(10)被移走以便中斷電連接。
文檔編號H01H85/06GK103038849SQ201180037010
公開日2013年4月10日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者J·奧里希, 烏爾夫·蘇姆費爾德, 貝恩德·克呂格爾, 勞倫特·邁克斯, 沃爾夫?qū)の旨{ 申請人:威旭Bc元件貝士拉革有限公司