CZ37360U1 - Tavná elektrická pojistka - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tavné elektrické pojistky určené pro ochranu zařízení, včetně přístrojů a jejich částí využívajících ke své funkci elektrickou rozvodnou síť, proti nadproudům.

Dosavadní stav techniky

Tavné elektrické pojistky se kvůli své kompaktnosti a malým rozměrům často používají v nejrůznějších oblastech pro ochranu zařízení, včetně přístrojů a jejich částí využívajících ke své funkci elektrickou rozvodnou síť, proti nadproudům. Kromě malých rozměrů poskytují moderní tavné elektrické pojistky uživatelům vysoké užitné vlastnosti díky vysoké vypínací schopnosti, nízkým elektrickým ztrátám a širokému rozsahu jmenovitých proudů a ampér-sekundových charakteristik. Jejich konstrukce obvykle využívají trubicového pouzdra s tavným prvkem uvnitř dutiny, přičemž tato dutina může být naplněná hasivem, nejčastěji křemičitým pískem. Na obou koncích trubicového pouzdra jsou kovové uzávěry a příslušné kontakty (nazývané také přívody). Kovové uzávěry však obecně představují nechráněné kovové povrchy, které přinášejí elektrické bezpečnostní riziko náhodného dotyku lidmi nebo mohou umožnit nechtěné vytvoření zkratu, pokud se kovový kus dotkne sousedních povrchů.

Tavné elektrické pojistky jsou popsány také v patentové literatuře, např. v dokumentu WO 9940599 A1. Pojistková vložka dle tohoto dokumentu obsahuje pouzdro pojistky, které je naplněno hasicím médiem, krycí desky bočně připevněné k pouzdru pojistky a hlavní tavný vodič elektricky spojený s kontaktními kolíky, které vyčnívají přes uvedené krycí desky. Kontaktní kolíky jsou přizpůsobeny pro instalaci do pojistkového držáku, jehož prostřednictvím se pomocí vodičů připojují k chráněnému zařízení a k elektrické rozvodné síti nízkého napětí.

Vylepšená pojistka podle dokumentu WO2013063037 A1 má tělo pojistky vytvořené z elektricky izolačního materiálu s dutinou, která se rozprostírá od prvního konce těla pojistky k druhému konci těla pojistky. Tavný prvek je umístěn uvnitř dutiny. Izolované zátky jsou umístěny v dutině na prvním a druhém konci těla pojistky, přičemž zátky přilnou k vnitřnímu povrchu těla pojistky a tvoří těsnění, která uzavírají vnitřní dutinu. Pojistka může dále obsahovat koncovky, které jsou aplikovány na konce těla pojistky v elektrickém kontaktu s tavným prvkem. Tyto koncovky jsou vyrobeny z elektricky vodivého materiálu.

Dokument US 6653925 B1 popisuje tavnou pojistku s izolací přívodů tepelné pojistky izolační trubičkou a zároveň popisuje způsob její výroby.

Pojistka podle dokumentu US 5905426 A obsahuje podlouhlou elektricky izolační trubici, dvojici nožových kontaktů vyčnívajících axiálně ven z opačných konců trubice, alespoň jeden pojistkový prvek umístěný v trubici a elektricky spojený mezi svorkami a dále dvojici kovových koncových uzávěrů umístěných na opačných koncích trubice. Mezi koncovými uzávěry a nožovými kontakty jsou umístěny elektricky izolační prvky.

Dokument WO 2018089156 A1 popisuje pojistku obsahující tělo pojistky, pojistkový prvek obsahující první koncovku vyčnívající z prvního konce těla pojistky a druhou koncovku vystupující z druhého konce těla pojistky a také koncové uzávěry. Materiál koncových uzávěrů není v tomto dokumentu specifikován.

Technické řešení podle českého užitného vzoru č. 19694 se týká tavné elektrické pojistky, sestávající z izolačního tělesa, opatřeného na protilehlých koncích válcovými víky a vybaveného

- 1 CZ 37360 U1 průběžnou dutinou s nejméně jedním páskovým tavným vodičem, přičemž průběžná dutina je vyplněna hasivem a je opatřená v koncových částech ucpávkami.

Dokument US 2011298577 A1 popisuje elektrickou tavnou pojistku s jedním nebo více protiotvory ve vnitřní stěně duté trubky, která slouží jako pouzdro pojistky. Pojistka má první a druhé koncové víčko spojené s příslušnými konci trubky, přičemž tato víčka jsou vyrobena z elektricky vodivého materiálu.

Ve výše uvedených dokumentech jsou typicky použita kovová víčka, či obecně víčka z elektricky vodivého materiálu. Z tohoto důvodu může hrozit riziko poranění osoby elektrickým proudem, pokud se tato osoba náhodně dotkne kovových víček. Tento problém buď není ve výše uvedených dokumentech řešen, nebo je řešen nevýhodnou úpravou pojistky. Např. dle dokumentu US 5905426 A musí být mezi koncovými uzávěry a příslušnými kontakty uspořádány elektricky izolační prvky. To komplikuje výrobu a zvyšuje výrobní náklady.

Bylo by proto žádoucí přijít s řešením, které by eliminovalo riziko poranění osoby elektrickým proudem či riziko zkratu vlivem kontaktu s vodivými povrchy. Navrhované řešení by se zároveň mělo vyznačovat jednoduchou konstrukcí, nenáročnou na výrobu z hlediska nákladů i použité technologie.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje tavná elektrická pojistka zahrnující pouzdro mající první konec a druhý konec, přičemž tavná elektrická pojistka dále zahrnuje dva koncové uzávěry umístěné jednotlivě na prvním konci a druhém konci pouzdra, dva kontakty a alespoň jeden tavný prvek z elektricky vodivého materiálu umístěný uvnitř pouzdra. Kontakty jsou elektricky vodivě propojené tavným prvkem a procházejí axiálně skrze koncové uzávěry směrem od z pouzdra. Podstata tavné elektrické pojistky dle předkládaného technického řešení spočívá v tom, že koncové uzávěry jsou z elektricky nevodivého materiálu.

Díky tomu, že jsou koncové uzávěry z elektricky nevodivého materiálu, je eliminováno riziko poranění osoby elektrickým proudem v případě, že se člověk těchto koncových uzávěrů dotkne. Rovněž je minimalizováno riziko nechtěného vytvoření zkratu, pokud by se koncový uzávěr dostal do kontaktu s některým ze sousedních kovových povrchů. Výroba koncových uzávěrů z elektricky nevodivého materiálu je navíc jednoduchá a méně nákladná než výroba koncových uzávěrů z kovu. Dále také není potřebovat pojistku opatřovat žádnými dodatečnými izolačními prvky mezi koncovými uzávěry a kontakty, což zachovává její jednoduchou konstrukci a snižuje výrobní náklady.

Koncové uzávěry tedy uzavírají pouzdro na obou jeho koncích a zahrnují otvory pro průchod kontaktů. Těmito otvory prochází kontakty axiálně, což znamená, že vycházejí z koncových uzávěrů směrem od pouzdra v axiálním směru, tj. ve směru osy pouzdra. Kontakt tedy může procházet skrze koncový uzávěr ve směru splývajícím s touto osou, tj. typicky středem koncového uzávěru, nicméně může také procházet skrze koncový uzávěr ve směru, který je vůči ose pouzdra posunutý, tj. může procházet skrze koncový uzávěr v jiném jeho místě, např. v místě blíže okraji koncového uzávěru.

Říkáme-li, že jsou kontakty elektricky vodivě propojené s tavným prvkem, může být toto vodivé propojení realizováno např. tak, že kontakt a tavný prvek tvoří dva různé díly, které jsou při výrobě vzájemně elektricky vodivě spojeny. Také však mohou být kontakty propojeny tavným prvkem tak, že jsou prodloužením tavného prvku na obou jeho koncích. Jinými slovy to znamená, že kontakty mohou být vytvořeny ze stejného dílu jako tavný prvek a tvoří dohromady s tavným prvkem jeden celistvý díl. Předěl mezi tavným prvkem a kontakty je pak tvořen zeslabením části

- 2 CZ 37360 U1 tavného prvku, která je umístěná uvnitř pouzdra, vůči kontaktům, respektive zesílením kontaktů vůči tavnému prvku.

Oba koncové uzávěry mohou být vyrobeny ze stejného elektricky nevodivého materiálu. Případně mohou být jednotlivé kontakty vyrobeny z navzájem různých elektricky nevodivých materiálů.

Elektricky nevodivý materiál koncového uzávěru je výhodně plastový materiál. Plastovým materiálem může být jakýkoliv elektricky nevodivý plastový materiál, nebo také elektricky nevodivý kompozitní materiál, jehož alespoň jedna složka je plast. Plastovým materiálem může být také tzv. blend, tj. směs dvou nebo více kompatibilních polymerů. Konkrétněji může být plastovým materiálem např. některý z termoplastů (polyamid, polykarbonát) či termosetů, které obecně vykazují vyšší odolnost proti tepelnému namáhání než termoplasty.

Elektricky nevodivý materiál koncového uzávěru je výhodně polyamid modifikovaný skelnými vlákny. Tento materiál je houževnatý, pružný a dobře odolává teplotnímu zatížení. Poměr přísady skelných vláken může být 15 až 30 %, případně může být zvolen také jiný vyhovující poměr této přísady. Koncové uzávěry jsou výhodně vyrobeny metodou vstřikování plastového materiálu, nicméně alternativně mohou být koncové uzávěry vyrobeny s využitím aditivní technologie výroby (3D tisk), tzn. že koncový uzávěr může být 3D tištěný díl. Technologie aditivní výroby lze s výhodou využít pro malé série.

Výhodně jsou koncové uzávěry nalisované na vnějším povrchu pouzdra. Díky tomu koncové uzávěry odolají přetlaku, který vzniká uvnitř pouzdra při přerušení elektrického oblouku. Adhezní odolnost koncových uzávěrů, tj. síla, kterou je potřeba vynaložit na jejich nalisování, je výhodně vyšší než 100 N. Koncové uzávěry mohou být alternativně na vnější povrch pouzdra nalepeny.

Každý kontakt výhodně zahrnuje první část kontaktu elektricky vodivě spojenou s tavným prvkem a druhou část kontaktu vycházející kolmo z první části kontaktu, přičemž druhá část kontaktu prochází axiálně skrze koncový uzávěr. Kontakt tak může mít např. tvar připomínající písmeno L. Takové uspořádání kontaktů je výhodné v tom ohledu, že je vhodné také pro miniaturní tavné pojistky určené pro povrchovou montáž (SMD, surface-mount device) na deskách plošných spojů. První část kontaktu je tvarově uzpůsobena průřezu pouzdra, tj. má kruhový průřez, pokud má pouzdro kruhový průřez, případně má čtvercový či jiný průřez, pokud má pouzdro takový čtvercový či jiný průřez. Právě k této první části kontaktu je elektricky vodivě spojen příslušný konec tavného prvku.

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je znázorněna tavná elektrická pojistka v prvním příkladném provedenídle předkládaného technického řešení, obr. 2 je znázorněna tavná elektrická pojistka v prvním příkladném provedenídle předkládaného technického řešení v podélném řezu a obr. 3 je znázorněna tavná elektrická pojistka ve druhém příkladném provedenídle předkládaného technického řešení v podélném řezu.

- 3 CZ 37360 U1

Příklady uskutečnění technického řešení

Technické řešení bude dále objasněno na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy.

V prvním příkladném provedení, jak je znázorněno na obr. 1 a obr. 2, zahrnuje tavná elektrická pojistka pouzdro 1, dva koncové uzávěry 2, dva kontakty 3, tavný prvek 4 z elektricky vodivého materiálu a hasivo 5. V následujícím textu bude toto první příkladné provedení popsáno do detailu.

V uvedeném a znázorněném prvním příkladném provedení má pouzdro 1 trubicový tvar, tzn. že zahrnuje první a druhý konec pouzdra 1 a dále průběžnou dutinu, která ústí na těchto dvou koncích pouzdra 1. Pouzdro 1 má v příkladném provedení kruhový průřez, případně čtvercový průřez či průřez jiného tvaru, pokud takový průřez umožňuje uspořádání tavného prvku 4 dovnitř pouzdra 1. Pouzdro 1 je vyrobeno z elektricky nevodivého materiálu, příkladně z keramiky (např. steatitu), nevodivých kompozitních materiálů či ze skla.

Pro uzavření pouzdra 1 na jeho prvním a druhém konci zahrnuje tavná elektrická pojistka dva koncové uzávěry 2. Tyto koncové uzávěry 2 jsou tedy jednotlivě uspořádané na prvním, respektive druhém konci pouzdra 1, přičemž konkrétně jsou nalisovány na vnější povrch pouzdra 1, aby odolávaly přetlaku, který vzniká uvnitř pouzdra 1 při přerušení elektrického oblouku. Adhezní odolnost koncových uzávěrů 2, tj. síla, kterou je potřeba vynaložit na jejich nalisování, je příkladně vyšší než 100 N.

Aby bylo eliminováno riziko poranění osoby elektrickým proudem, jsou koncové uzávěry 2 vyrobeny z elektricky nevodivého materiálu, konkrétněji z plastového materiálu. Tímto elektricky nevodivým materiálem přitom může být jak jednoduchý materiál, tak i kompozitní materiál (např. tzv. blendy, tj. směsi dvou nebo více kompatibilních polymerů). V nejvýhodnějším provedení koncových uzávěrů 2 jsou koncové uzávěry 2 vyrobeny metodou vstřikování plastu z materiálu polyamidu modifikovaného skelnými vlákny, příkladně s přísadou 15 až 30 % skelných vláken. Poměr skelných vláken nicméně může být alternativně také jiný. V dalších alternativních provedeních koncových uzávěrů 2 jsou koncové uzávěry 2 vyrobeny například z některého z termoplastů (polyamid, polykarbonát apod) či termosetů, které obecně vykazují vyšší odolnost proti tepelnému namáhání než termoplasty. Výše uvedené konkrétní příklady materiálů slouží jako ilustrativní, a nikoliv vyčerpávající výčet použitelných materiálů. Odborník by neměl problém použít také jakýkoliv jiný známý elektricky nevodivý materiál.

Ve znázorněném prvním příkladném provedení pojistky dle předkládaného technického řešení je v pouzdře 1 uspořádán tavný prvek 4 z elektricky vodivého materiálu, např. z mědi, stříbra či různých slitin. Takový tavný prvek 4 je ve stavu techniky všeobecně známý a nazývá se také jako tavný vodič. Tavný prvek 4 má příkladně tvar drátu či pásku. Jak je vidět na obr. 2 v podélném řezu, tavný prvek 4 je uspořádaný uvnitř pouzdra 1 a rozprostírá se v axiálním směru mezi oběma konci pouzdra 1. Právě tavný prvek 4 zajišťuje ochranu proti nadproudu, neboť dojde k jeho roztavení, pokud jím prochází příliš velký proud. Tento princip i konkrétní materiály tavného vodiče jsou ve stavu techniky všeobecně známé. Jak je rovněž vidět na obr. 2, pouzdro 1 je naplněno hasivem 5, např. křemičitým pískem, pro lepší zhášení elektrického oblouku a přerušení následného proudu.

Tavný prvek 4 elektricky vodivě propojuje kontakty 3, přičemž ve znázorněném prvním příkladném provedení jsou oba kontakty 3 realizovány ve tvaru připomínajícím písmeno L a tyto kontakty 3 jsou elektricky vodivě spojeny s oběma konci tavného prvku 4. Jak je vidět na obr. 2, kontakty 3 zahrnují první část, která je uspořádaná na příslušném konci pouzdra 1, tj. v místě, kde ústí jeho průběžná dutina. Tato první část kontaktu 3 je tvarově uzpůsobená průřezu pouzdra 1, tj. má kruhový průřez, pokud má pouzdro 1 kruhový průřez, případně má čtvercový či jiný průřez, pokud má pouzdro takový čtvercový či jiný průřez. Právě k této první části kontaktu 3 je elektricky vodivě spojen příslušný konec tavného prvku 4. V této souvislosti lze zmínit, že koncový uzávěr 2 je tvarově uzpůsoben pro to, aby zakrýval příslušný konec pouzdra 1 i s první částí kontaktu 3.

- 4 CZ 37360 U1

Konkrétně to znamená, že koncový uzávěr 2 zahrnuje dutinu, jejíž vnitřní průměr odpovídá vnějšímu průměru pouzdra 1 a první části kontaktu 3, respektive je o něco větší než vnější průměr pouzdra 1 a první části kontaktu 3. Tím je umožněno nasazení koncového uzávěru 2 přes první část kontaktu 3 a vnější povrch pouzdra 1, jak je patrné na obr. 2.

Každý kontakt 3 pak dále v prvním příkladném provedení dle obr. 1 a obr. 2 zahrnuje druhou část kontaktu 3, která je kolmá na první část kontaktu 3 a která prochází axiálně skrze příslušný koncový uzávěr 2 směrem ven z pouzdra 1. Z tohoto důvodu je v každém koncovém uzávěru 2 zhotoven otvor pro průchod druhé části kontaktu 3. Kontakty 3 jsou vyrobeny z elektricky vodivého materiálu, typicky z kovu, a jsou tvarově uzpůsobeny pro připojení ke chráněnému zařízení, např. je jeho druhá část tvarově uzpůsobena pro upevnění do pojistkového držáku, jehož prostřednictvím a pomocí vodičů je kontakt 3 následně připojen ke chráněnému zařízení. Ve znázorněném prvním příkladném provedení je druhá část kontaktu 3 delší než první část kontaktu 3, nicméně v některém z alternativních provedení může být druhá část kontaktu 3 stejně dlouhá jako první část kontaktu 3, nebo dokonce kratší.

Výše popsané první příkladné provedení může být dále různě modifikováno, čímž lze vytvořit různá další alternativní provedení pojistky. Alternativně např. pouzdro 1 není naplněno hasivem 5. V dalším alternativním provedení zahrnuje pojistka více tavných prvků 4, tj. více tavných vodičů. V dalším alternativním provedení nejsou koncové uzávěry 2 na vnější povrch pouzdra 1 nalisovány, ale jsou k němu přilepeny.

V dalším alternativním provedení pojistky, které nazveme druhým příkladným provedením a které je znázorněné na obr. 3, jsou kontakty 3 propojeny tavným prvkem 4 tak, že jsou prodloužením tavného prvku 4 na obou jeho koncích. Jinými slovy, kontakty 3 jsou vytvořeny ze stejného dílu jako tavný prvek 4 a tvoří dohromady s tavným prvkem 4 jeden celistvý díl. Předěl mezi tavným prvkem 4 a kontakty 3 je pak tvořen zeslabením části tavného prvku 4, která je uspořádaná uvnitř pouzdra 1, vůči kontaktům 3, respektive zesílením kontaktů 3 vůči tavnému prvku 4. Toto zeslabení tavného prvku 4, respektive zesílení kontaktů 3 je patrné na obr. 3. Při praktickém používání pak při nadproudu dojde k roztavení pouze této zeslabené části (která tedy odpovídá tavnému prvku 4), zatímco silnější části (odpovídající kontaktům 3) zůstanou nepoškozené. Roztavením tavného prvku 4 tak dojde k přerušení vzájemného vodivého propojení kontaktů 3.

Další části pojistky, tj. pouzdro 1 a koncové uzávěry 2, jsou ve druhém příkladném provedení provedeny stejně jako v případě výše popisovaného prvního příkladného provedení, avšak pojistka ve druhém příkladném provedení dále zahrnuje dvě čela 6. Jak je vidět na obr. 3, tato čela 6 jsou uspořádána na příslušných koncích pouzdra 1, tj. v místě, kde ústí jeho průběžná dutina. Čela 6 jsou tak uspořádána analogicky ve stejném prostoru jako první části kontaktů 3 podle prvního příkladného provedení dle obr. 1 a obr. 2. Stejně jako tyto první části kontaktů 3 v prvním příkladném provedení pojistky, jsou i čela 6 ve druhém příkladném provedení pojistky tvarově uzpůsobená průřezu pouzdra 1 a tvaru dutiny koncového uzávěru 2. Konkrétně to znamená, že koncový uzávěr 2 zahrnuje dutinu, jejíž vnitřní průměr odpovídá vnějšímu průměru pouzdra 1 a čela 6, respektive je o něco větší než vnější průměr pouzdra 1 a čela 6. Tím je umožněno nasazení koncového uzávěru 2 přes čelo 6 a vnější povrch pouzdra 1.

Na rozdíl od první části kontaktů 3 z prvního příkladného provedení neslouží čela 6 z druhého příkladného provedení pro elektricky vodivé připojení tavného prvku 4. Na místo toho zahrnuje každé čelo 6 otvor pro průchod tavného prvku 4 zakončeného kontakty 3. Další otvory jsou pak zhotoveny v obou koncových uzávěrech 2, přičemž tyto otvory jsou umístěny souose s otvory v obou čelech 6. Tím je umožněn průchod kontaktů 3, které zakončují tavný prvek 4, skrze čela 6 a následně skrze koncové uzávěry 2 axiálně ven z pouzdra 1. Čelo 6 je ve druhém příkladném provedení v kontaktu s příslušným kontaktem 3, ale není s tímto kontaktem 3 elektricky vodivě spojené. Druhé příkladné provedení lze alternativně modifikovat tak, že je čelo 6 s příslušným kontaktem 3 vodivě spojené.

Claims (5)

1. Tavná elektrická pojistka zahrnující pouzdro (1) mající první konec a druhý konec, přičemž tavná elektrická pojistka dále zahrnuje dva koncové uzávěry (2) umístěné jednotlivě na prvním konci a druhém konci pouzdra (1), dva kontakty (3) a alespoň jeden tavný prvek (4) z elektricky vodivého materiálu umístěný uvnitř pouzdra (1), přičemž kontakty (3) jsou elektricky vodivě propojené tavným prvkem (4) a procházejí axiálně skrze koncové uzávěry (2) směrem od pouzdra (1), vyznačující se tím, že koncové uzávěry (2) jsou z elektricky nevodivého materiálu.

2. Tavná elektrická pojistka podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektricky nevodivý materiál koncového uzávěru (2) je plastový materiál.

3. Tavná elektrická pojistka podle nároku 2, vyznačující se tím, že elektricky nevodivý materiál koncového uzávěru (2) je polyamid modifikovaný skelnými vlákny.

4. Tavná elektrická pojistka podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že koncové uzávěry (2) jsou nalisované na vnějším povrchu pouzdra (1).

5. Tavná elektrická pojistka podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že každý kontakt (3) zahrnuje první část kontaktu (3) elektricky vodivě spojenou s tavným prvkem (4) a druhou část kontaktu (3) vycházející kolmo z první části kontaktu (3), přičemž druhá část kontaktu (3) prochází axiálně skrze koncový uzávěr (2).