CN109427510A - 用于制造熔丝座的加工方法、熔丝座和熔断器 - Google Patents

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Abstract

在按照本发明的用于制造用于保护电路的熔断器(1)的熔丝座(10)的加工方法中，熔丝座(10)由绝缘的材料一体式借助增材式加工方法制造。在此，通过所述加工方法制造熔丝座(10)的至少一个预定的第一部段(11)以及熔丝座(10)的至少一个预定的第二部段(12)，所述至少一个预定的第一部段具有第一物理密度，所述至少一个预定的第二部段具有与第一物理质量密度不同的第二物理质量密度。以这种方式，通过至少一个第一部段(11)和至少一个第二部段(12)的加工方法在两个部段的机械弹性以及机械强度方面适配于熔丝座(10)的各个局部的力负荷。

Description

用于制造熔丝座的加工方法、熔丝座和熔断器
技术领域
本发明涉及一种用于制造熔丝座的加工方法、一种用于熔断器的熔丝座以及一种用于保护电路的熔断器。
背景技术
被电流流过的导体会变热。在不允许的大电流的情况下会发生导体的不允许的强烈受热并且导致包围导体的绝缘层的熔化，这在进一步的变化中会导致直至电缆燃烧。为了预防着火危险，在出现电流过大、即过载电流或者短路电流时，必须及时切断该电流。这借助所谓的过电流保护装置保证。
用于这种过电流保护装置的一种可行的实施方式是熔断器，当通过相关熔断器提供保险的电路的电流强度在确定的时长内超过确定的值时，熔断器通过一个或者多个熔丝的熔化中断电路。熔断器由绝缘的物体构成，并且具有两个电连接端，两个电连接端在绝缘的物体内部通过一个或者多个熔丝导电地相互连接。所述熔丝具有相较于电路的其他导体减小的横截面，熔丝被流过熔丝的电流加热并且当保险装置的标准的额定电流被明显超过预定的持续时间时熔化。由于很好的绝缘特性，大多使用陶瓷作为用于绝缘的熔丝座的材料。
术语“陶瓷”在此指的是所谓的工业陶瓷，即在其特性上在工业应用方面优化过的陶瓷材料。工业陶瓷与装饰用陶瓷的区别在于其原材料的纯度和高精细的粒度(所谓的颗粒尺寸)以及在于专门的烧制方法。陶瓷的材料是无机的、非金属的和多晶的。通常，陶瓷材料在室温下从由陶瓷粉末、有机粘接剂和液体构成的原料成形并且在高温下的烧结过程中才获得其典型的材料特性。原材料例如考虑氮化硼、碳化硅或者氧化铝。这种陶瓷的构件的特点还在于高耐热性以及高电绝缘能力、高磨损和耐磨强度、以及高硬度和机械强度同时密度较低并且热膨胀轻微。
熔断器可以以不同构造种类和构造方式获得。除了具有其中容纳熔丝的简单的玻璃筒的简单的设备保险装置之外，对于更高的要求发展出了一些构造方式，其具有填充有砂子、大多为石英砂的陶瓷体：在此分为具有加固的以及具有未加固的石英砂的类型。在以砂子加固的熔断器的情况下，熔丝被石英砂包围。在此，熔断器的壳体通常通过陶瓷体构成，加固的砂子、电连接端以及熔丝被容纳或者固持在在陶瓷体中。在此，石英砂起灭弧物的作用：若熔断器的标称电流被明显超过(例如由于短路电流大所造成)，则这就导致熔断器的响应，在该响应期间，熔丝首先熔化，并且接着由于高温的形成而气化。在此产生了导电的离子体，在电连接端子之间的电流通过离子体最初被保留，这就构成了电弧。蒸发的熔丝的金属蒸气沉降在石英砂颗粒上使得电弧又被冷却。接着，熔断器内部的电阻升高，使得电弧最终被熄灭。由熔断器保护的电路以此中断。这种熔断器例如由德语文献DE 10 2014205 871 A1、DE 10 2012 210 292 A1或者DE 10 2012 202 059 A1原理上已知。
除了短路跳闸之外，熔断器也用于当过大的电流在待保护的电路中流动较长时间段时在出现过载情况下的限流。若使用具有陶瓷体的熔断器用于过载跳闸，则在此出现的问题就是，在陶瓷的熔丝座内部包围熔丝的灭弧砂和熔丝座本身具有不同的热膨胀系数。由于由此导致的不同的热膨胀，陶瓷的熔丝座的不同部段或者说区域承受不一样高的力。这导致陶瓷体内部可能足以使得陶瓷体爆裂的应力。因此，目前对于不同的应用情况使用由不同的陶瓷材料制成的不同的熔丝座，所述不同的陶瓷材料相应地具有不同的、适应于各个应用情况的材料特性，例如温度膨胀系数或者机械强度。然而这种由具体应用导致的种类繁杂性导致了更高的物流耗费和制造耗费并且因此导致更高的成本。此外，在额定电流要求越来越高的情况下陶瓷的熔丝座也碰到了其技术上的极限。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于制造用于熔断器的熔丝座的加工方法、一种熔丝座以及一种用于保护电路的熔断器，其能至少部分克服上述缺点。
上述技术问题按照本发明地通过按照独立权利要求的用于制造熔丝座的加工方法、用于熔断器的熔丝座以及用于保护电路的熔断器解决。本发明的有利设计方案是从属权利要求的内容。
在按照本发明的用于制造用于保护电路的熔断器的熔丝座的加工方法中，熔丝座由绝缘的材料一体式借助增材式加工方法制造。在此，通过所述加工方法制造熔丝座的至少一个预定的第一部段以及熔丝座的至少一个预定的第二部段，所述至少一个预定的第一部段具有第一物理质量密度，所述至少一个预定的第二部段具有与第一物理密度不同的第二物理质量密度。以这种方式，通过所述加工方法，至少一个第一部段和至少一个第二部段在两个部段的机械弹性以及机械强度方面适配于熔丝座的各个局部的力负荷。
术语“增材式加工方法”(英语：Additive Manufacturing)是一种对于至今被称为“快速原型成型(Rapid Prototyping)”的、用于快速和低成本制造模型、样品、原型等等的方法的统称。在此加工方法的情况下，基于待制造产品的计算机内部数据模型由不定形的(液体、粉末等等)或者形状中性的(带状、线状)材料借助化学和/或物理过程进行制造。口语中也将术语“3D打印”用于术语“增材式加工方法”。
这些方法具有的优点是，待制造的产品作为数字化的结构模型能适配于可预期的、专用的要求，方法是在该产品的确定的位置上布置更多或者更少的材料。就熔丝座而言这意味着，至少一个预定的第一部段和所述至少一个预定的第二部段(它们由于在熔丝座上的空间位置而承受不同的应力)在其机械弹性以及其机械强度方面通过所述加工方法适配于各种专用的要求。
以这种方式可以在材料使用相同的情况下明显提升强度，并且以此明显提升熔丝座的应用多样性并且以此明显提升熔断器的应用多样性。以此明显减少不同熔丝座的类型繁杂度。另一方面可以在保持标称电流不变的情况下使得材料使用和以此使得材料成本明显降低，而不降低熔丝座的重要部段中的机械强度。以这种方式能实现紧实的构造形式，其既具有较小重量也具有较小体积。
在该加工方法的一种有利改进设计中，熔丝座由陶瓷和/或由塑料材料制造。
除了纯陶瓷的熔丝座之外同样可行的是制造由陶瓷和塑料构成的混合形式。以这种方式使得这种熔丝座的物理特性、例如机械弹性能更广泛地并且因而也更有针对性地适配于各个应用情况。以此进一步提升应用多样性，类型繁杂度由此能被进一步降低。
在该加工方法的一种进一步有利的改进设计中，熔丝座借助激光熔融或者激光烧结制造。
激光熔融和激光烧结是生成式分层构造方法，其中，待制造的工件一层一层地被构造。通过激光束的作用因而可以产生在使用传统成形或者变形的加工方法不能制造的、任意的三维形状、包括底切部。激光熔融和激光烧结已被证明是适于制造陶瓷的成品的方法。
在该加工方法的一种进一步有利的改进设计中，至少一个第一部段在熔丝座的边缘区域上制造。
在该加工方法的一种进一步有利的改进设计中，至少一个第一部段在熔丝座的座中部的区域中制造。
在熔断器触发的情况下在熔丝座的座中部区域中的机械载荷与在熔丝座的边缘区域上的机械载荷明显不同。因此适宜的是，这些区域借助增材式加工方法不一样地构造：在此，在载荷大的位置加入更多材料，使得熔丝座在这些位置具有更高的物理质量密度并且以此具有更高的机械强度。相反地可以在熔丝座的载荷小的区域中减少材料使用，使得熔丝座在这些位置上具有更低的物理质量密度，并且以此具有更低的机械强度。
在该加工方法的进一步有利的改进设计方案中，熔丝座具有空心筒的几何形状。对此应理解为，熔丝座基本上具有空心筒的几何形状，就是说筒周面借助增材式加工方法制造。在此也应理解为，接近筒形的形状、尤其接近筒形的棱柱。
按照本发明的用于保护电路的熔断器的熔丝座借助上述种类的加工方法制造并且具有至少一个预定的第一部段以及至少一个预定的第二部段，所述至少一个预定的第一部段具有第一物理质量密度，所述至少一个预定的第二部段具有与第一物理密度不同的第二物理质量密度。在此，至少一个第一部段和至少一个第二部段在机械弹性和强度方面借助所述加工方法能适配于熔丝座的各个局部的力负荷。
按照本发明的熔丝座的特征在于，至少一个预定的第一部段和所述至少一个预定的第二部段由于其在熔丝座上的空间位置而承受不同的机械负荷，并且在其机械弹性和强度方面能适配于各种专用的负荷或要求。以这种方式可以在保持材料使用不变的情况下明显提高熔丝座的强度。另一方面可以在标称电流相同的情况下明显减少材料使用，而不在此必须在熔丝座的关键的、即负荷较大的部段中降低机械强度。以这种方式能实现紧实的构造，其既具有较小重量也具有较小构造体积。
按照本发明的用于保护电路的熔断器具有上述种类的熔丝座以及熔丝，所述熔丝被容纳和固持在所述熔丝座中。
在按照本发明的熔断器的根本优点方面引用上述对按照本发明的熔丝座优点的说明。
在熔断器的有利改进设计中，熔丝座用灭弧物填充，使得被灭弧物包围的熔丝容纳和固持在熔丝座中。
作为灭弧物大多使用灭弧砂、尤其石英砂。在以砂子加固的熔断器的情况下，石英砂除了作为电弧熄灭物质之外也用于熔丝在熔丝座中的空间上的定位。
附图说明
下面参照附图详述用于制造用于熔断器的熔丝座的方法、熔丝座以及用于保护电路的熔断器的实施例。附图中：
图1示出熔断器的根本构造的示意图；
图2和图3示出按照本发明的熔丝座的第一实施例的示意图：
图4和图5示出按照本发明的熔丝座的第二实施例的示意图。
在不同附图中相同部件始终配设相同的附图标记。该说明适用于所有能同样地看到相应部件的附图。
具体实施方式
图1示出熔断器1的根本构造的示意图。熔断器1具有第一触点元件4以及第二触点元件5，两者由导电的材料、例如铜构成。触点元件4和5机械上固定地和密封或者紧密地与熔丝座10相连，熔丝座10由固态的、不导电的和尽可能耐高温的材料、例如由陶瓷构成。熔丝座10通常具有管形的基本形状并且向外部压力密封地、例如借助两个封闭盖6封闭。触点元件4和5在此分别通过构造在封闭盖6中的开口延伸到熔丝座10的内部空间。在该内部空间中布置有所谓的熔丝2，熔丝2将第一触点元件4和第二触点元件5导电地相连。为此，熔丝2的第一端部2-1与第一触点元件4导电地相连、第二端部2-2与第二触点元件5导电地相连。在本例中，熔断器1的剩余的内部空间完全用灭弧物3填充，灭弧物3用于在触发情况中熄灭和冷却熔断器1并且完全包围熔丝2。例如使用石英砂作为灭弧物3。取代图1中所示的一个熔丝2地，同样可行的是多个熔丝2相互并联地电连接地布置在熔断器10中并且与两个触点元件4和5接通。
熔丝2通常由导电良好的材料例如铜或者银构成并且在其长度、即沿其纵向延伸方向L上具有多个缩窄部位排7以及一个或者多个焊料堆、所谓的焊点8。通过缩窄部位排7以及焊点8可以调整熔丝2的并且以此调整熔断器1的触发特性曲线适配于各个应用情况。在电流小于熔断器1的标称电流的情况下，熔丝2仅转化如此多的功率损失，所述功率损失以热量形式能很快通过砂子、熔丝座10和触点4、5向外排出。熔丝2的温度在此升高不超过其熔点。若有在熔断器1的过载范围内的电流流动，则保险装置1的温度不断继续升高，直至熔丝2的熔点被超过并且熔丝2在缩窄部位排7的其中一个处熔断。在故障电流大的情况下(例如由于短路而发生的)，则在熔丝2中转化的能量导致熔丝2实际上在整个长度上被加热并且因此导致在所有缩窄部位排7处同时熔化。
因为液态的铜或者银还具有良好的导电特性，电流在此时刻还未被中断。由熔丝2构成的熔融物因此被继续加热，直至其最终过渡为气态并且构成离子体。在此产生电弧，该电弧通过离子体继续保持电流。在保险装置关断的最后阶段中，能导电的气体与灭弧物3反应，灭弧物3在传统熔断器1中大多由石英砂构成。该石英砂由于在电弧周围的由电弧引起的、极度高的温度而熔化，这导致熔化的熔丝材料与周围的石英砂的物理反应。在此，因为产生的反应产物是不导电的，所以在熔断器1的第一触点元件4和第二触点元件5之间的电流急速降至几乎为零。然而在此要注意的是，对于确定质量的熔丝材料而言也需要相应质量的灭弧物。只有这样才能保证，在保险装置关断结束时还有足够的灭弧物3，以便有效结合全部可导电的离子体。
在图2至图5中示出按照本发明的用于保护电路的熔断器1的熔丝座10的两个实施例的示意图。图2和图3在此示出按照本发明的熔丝座10的第一实施例。图2在此示出熔丝座10的侧视图，图3中示意性示出对应于图2的剖切视图(图2中截面III-III)。在图4和图5中示意性示出按照本发明的熔丝座10的第二实施例，其中，在图4中也示出熔丝座10的侧视图，在图5中示意性示出对应于图4的剖切视图(图4中截面V-V)。
在图2至图5中所示的熔丝座具有带中轴线M的空心筒的形状。两个实施例共同之处是，熔丝座10由绝缘的材料、优选由工业陶瓷一体式地借助增材式(additive)加工方法、例如激光烧结或者激光熔融制造。熔丝座10以此具有数字化的结构，其类似于支承结构并且在物理特性、例如机械强度方面能适配于具有不同力负荷的各种应用情况。熔丝座10因此既具有至少一个预定的第一部段11也具有至少一个预定的第二部段12，所述至少一个预定的第一部段具有第一物理质量密度，所述至少一个预定的第二部段具有与第一物理质量密度不同的第二物理质量密度。通过物理质量密度可以如此通过自动进行的制造过程调节各个部段的物理特性、尤其部段的强度，使得各个部段的物理特性、尤其部段的强度适配于该部段的外部负荷、例如在部段处的拉力、压力或者剪切力。
在图2至图5中通过不同的格栅结构显示不同的质量密度，不同的格栅结构在格栅间距方面相互不同。较窄的格栅间距在此代表更高的物理质量密度，较宽的格栅间距代表较低的物理质量密度。因此，在图2至图5中，预定的第一部段11的物理质量密度高于预定的第二部段12的物理质量密度。
在图2和图3中所示的第一实施例中，具有更高物理质量密度的第一部段11布置在空心筒式的熔丝座10的边缘区域中，而具有更低物理质量密度的第二部段12主要布置在熔丝座10的座中部区域中。相反地，在图4和图5中所示的第二实施例中，具有更高物理质量密度的第一部段11布置在熔丝座10的座中部区域中，而具有更低物理质量密度的第二部段12布置在空心筒式的熔丝座10的边缘区域中。
通过更高的物理质量密度能实现熔丝座10更高的强度，然而代价是弹性降低。相反地，更低物理密度实现熔丝座10更高的弹性，然而代价是更低的强度。更高的强度在熔断器短路触发时是有利的，以便有效防止熔丝座10的爆裂。相反地，持续的过载情况使得随之而来的熔断器1受热导致灭弧物3的以及熔丝座10的不同的热膨胀。在此情况中熔丝座更高的弹性是有利的，以便消解或者至少降低随热膨胀不同带来的机械应力。这些要求可以通过按照本发明的熔丝座10满足，按照本发明的熔丝座10借助按照本发明的增材式加工方法这样地制造，即其具有物理特性不同的不同的部段。借助所述增材式制造方法可以专门地局部地改变熔丝座10的强度和弹性，方法是熔丝座10的数字化的栅格结构更窄或者更宽地构造。
附图标记列表：
1 熔断器
2 熔丝
2-1 第一端部
2-2 第二端部
3 灭弧物
4 第一触点元件
5 第二触点元件
6 封闭盖
7 缩窄部位排
8 焊料堆
10 熔丝座
11 第一部段
12 第二部段
L 纵向延伸方向
M 中轴线

Claims (9)

1.一种用于制造保护电路的熔断器(1)的熔丝座(10)的加工方法，
-其中，所述熔丝座(10)由绝缘的材料一体式地、借助增材式加工方法制造，
-在此，通过所述加工方法制造熔丝座(10)的至少一个预定的第一部段(11)以及熔丝座(10)的至少一个预定的第二部段(12)，所述至少一个预定的第一部段具有第一物理质量密度，所述至少一个预定的第二部段具有与第一物理质量密度不同的第二物理质量密度，
-使得通过所述加工方法，至少一个第一部段(11)和至少一个第二部段(12)在两个部段的机械弹性以及机械强度方面适配于熔丝座(10)的各个局部的力负荷。
2.按照权利要求1所述的加工方法，
其特征在于，
所述熔丝座(10)由陶瓷材料和/或由塑料材料制造。
3.按照上述权利要求之一所述的加工方法，
其特征在于，
所述熔丝座(10)借助激光熔融或者激光烧结制造。
4.按照上述权利要求之一所述的加工方法，
其特征在于，
所述至少一个第一部段(11)在熔丝座(10)的边缘区域上制造。
5.按照权利要求1或3之一所述的加工方法，
其特征在于，
所述至少一个第一部段(11)在熔丝座(10)的座中部区域中制造。
6.按照上述权利要求之一所述的加工方法，
其特征在于，
所述熔丝座(10)具有空心筒的几何形状。
7.一种用于保护电路的熔断器的熔丝座(10)，
其特征在于，
-所述熔丝座(10)按照权利要求1至6之一所述的加工方法制造，并且具有至少一个预定的第一部段(11)以及至少一个预定的第二部段(12)，所述至少一个预定的第一部段具有第一物理质量密度，所述至少一个预定的第二部段具有与第一物理质量密度不同的第二物理质量密度，
-使得通过所述加工方法，至少一个第一部段(11)和至少一个第二部段(12)在两个部段的机械弹性和强度方面能够适配于熔丝座(10)的各个局部的力负荷。
8.一种用于保护电路的熔断器(1)，
其特征在于，
所述熔断器(1)具有按照权利要求7所述的熔丝座(10)，以及熔丝(2)，所述熔丝容纳和固持在熔丝座(10)中。
9.按照权利要求8所述的熔断器(1)，
其特征在于，
-熔丝座(10)被填充灭弧物(3)，
-被灭弧物(3)包围的熔丝(2)被容纳和固持在所述的熔丝座(10)中。
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