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Die
Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter
mit einem Kurzschlussmechanismus zwischen einer Mittelelektrode
und einer Außenelektrode.
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Überspannungsableiter
der eingangs genannten Art werden üblicherweise verwendet zum Absichern
von Telekommunikationseinrichtungen gegenüber kurzzeitig auftretenden Überspannungen, wie
sie beispielsweise aus Blitzeinschlägen resultieren. Dabei wird
durch Zünden
des Überspannungsableiters
die Außenelektrode
mittels eines Lichtbogens mit der Mittelelektrode kurzgeschlossen. Sobald
das Auftreten der Überspannung
beendet ist, erlischt der Lichtbogen und die Schaltstrecke zwischen
Mittel- und Außenelektrode
ist wieder isolierend.
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Um
die soeben beschriebene Schutzfunktion auch bei Ausfall eines Überspannungsableiters
aufrecht zu erhalten, können
Ableiter mit zusätzlichen Funktionen
ausgestattet werden. In diesem Zusammenhang sind Mechanismen zum
Absichern des Ableiters bei einer thermischen Überbelastung bekannt (englisch:
Fail safe), bei denen zwischen einem Federbügel und der Außenelektrode
ein Schmelzelement aus Lotmaterial oder auch einer isolierenden Folie
angeordnet ist, das bei zu hoher Temperatur die Bewegung des Federbügels freigibt,
der dann die Schaltstrecke des Ableiters zwischen Mittelelektrode und
Außenelektrode überbrückt und
damit kurzschließt.
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Ein
solcher Überspannungsableiter
ist z. B. aus der Druckschrift
DE
101 34 752 bekannt. Der Kurzschlussmechanismus wird im
Fehlerfall durch Wärme
ausgelöst.
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Aufgabe
dieser Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter
anzugeben, der sich im Fehlerfall durch einen sicheren Kontakt zwischen
den kurzzuschließenden
Elektroden auszeichnet.
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Diese
Aufgabe ist durch den Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
gehen aus den weiteren Ansprüchen
hervor.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform der
Erfindung wird ein Überspannungsableiter
mit einem Keramikkörper,
einer Mittelelektrode und wenigstens einer Außenelektrode angegeben, bei
dem ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode durch einen Luftspalt
beabstandetes Kontaktelement vorgesehen ist, welches im Normalfall
durch einen Federmechanismus vorgespannt ist. Der Federmechanismus übt auf das
Kontaktelement eine Federkraft in Richtung auf die Außenelektrode
aus. Zwischen der Mittelelektrode und dem Kontaktelement ist eine
elektrisch leitende Verbindung vorgesehen. Der Luftspalt zwischen
der Außenelektrode
und dem Kontaktelement ist in einem vorzugsweise hermetisch dicht
geschlossenen Hohlraum angeordnet. Der das Kontaktelement vorspannende
Federmechanismus wird im Fehlerfall z. B. durch Wärme ausgelöst, wobei
das Kontaktelement freigesetzt, durch die Federkraft auf die Außenelektrode
gedrückt
wird und so einen Kurzschluss zwischen der Mittel- und Außenelektrode
erzeugt.
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Dadurch,
dass der Hohlraum abgeschlossen ist, ist er bei Einbettung des Ableiters
in ein Silikon-Gel gegen das Gel geschützt. Das Gel wird beispielsweise
als Feuchtigkeitsschutz des Ableiters verwendet.
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Das
Kontaktelement ist vorzugsweise komplett im dicht abgeschlossenen
Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum kann mit dem Luftspalt identisch sein.
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Die
elektrisch leitende Verbindung zwischen der Mittelelektrode und
dem Kontaktelement ist vorzugsweise in Form eines an der Mittelelektrode
befestigten Federbügels
ausgeführt.
Der Federbügel übt eine
Federkraft auf ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode
beabstandetes Kontaktelement aus.
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Das
Kontaktelement kann z. B. mittels einer schmelzbaren Masse in einer Öffnung einer
Metallplatte befestigt sein, welche zumindest teilweise formschlüssig in
einer isolierenden Halterung eingebettet ist, die zwischen der Metallplatte
und der Außenelektrode
angeordnet ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
gilt: Bei nicht geschmolzener Masse ist das Kontaktelement von der
Außenelektrode
beabstandet. Bei einer geschmolzenen Masse ist das Kontaktelement
durch den Federbügel
gegen die Außenelektrode
gedrückt.
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In
einer Variante der Erfindung ragt das Kontaktelement in eine Öffnung der
Metallplatte hinein und ist mittels einer schmelzbaren Masse in
dieser Metallplatte befestigt. Das Kontaktelement ist vorzugsweise
als ein Metallbolzen ausgebildet.
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Die
schmelzbare Masse (z. B. Lot, vorzugsweise Weichlot) sorgt dabei
für einen
dichten Abschluss des geschlossenen Hohlraums. Die schmelzbare Masse
ist erforderlich, um das Kontaktelement in der Metallplatte zu befestigen
und kann daher in einer geringen Menge vorgesehen sein, die sicherstellen
muss, dass das Kontaktelement in der Metallplatte festgehalten wird.
Die Befestigung des Kontaktelements in der Metallplatte kann bei
entsprechender Dimensionierung des Bolzens bzw. des Lochs mit einer
sehr geringen Menge von schmelzbarer Masse hergestellt werden, wodurch
sich der Vorteil eines schnellen Auslösemechanismus ergibt.
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Die
Metallplatte mit dem vorzugsweise formschlüssig eingefügten Metallbolzen, der in die Öffnung der
Metallplatte vorzugsweise weich eingelötet ist, ist in einem abgesetzten
Be reich einer isolierenden Halterung, die z. B. als eine Isolierscheibe
ausgebildet ist, vorzugsweise formschlüssig angeordnet.
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Auf
die nach außen
gewandte Stirnseite des Metallbolzens in Richtung der Außenelektrode
wird zur Erzeugung einer Vorspannung von einem an der Mittelelektrode
befestigten elektrisch leitenden Federbügel eine Federkraft ausgeübt. Der
Federbügel dient
auch als die elektrische Verbindung zwischen der Mittelelektrode
und dem Metallbolzen. Der Federbügel
ist vorzugsweise aus einem Federmaterial, z. B. einem Federstahl
gefertigt.
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Der
Federbügel
bildet den Federmechanismus. Der Federbügel, die Metallplatte und das
Kontaktelement bilden zusammen einen Kurzschlussmechanismus.
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Im
Fehlerfall wird im Ableiter eine unzulässig hohe Erwärmung erzeugt,
wobei die schmelzbare Masse schmilzt, weswegen das Kontaktelement durch
den Federbügel
gegen die Außenelektrode
gedrückt
wird, wobei zwischen der Mittel- und Außenelektrode ein Kurzschluss
erzeugt wird.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung umfasst der Kurzschlussmechanismus
eine elektrisch mit der Mittelelektrode verbundene Metallplatte
und ein federndes Kontaktelement, das eine vorzugsweise als eine
Blattfeder ausgebildete Feder aufweist, deren festes Ende vorzugsweise
an der Metallplatte befestigt ist und deren freies Ende bei der
nicht geschmolzenen schmelzbaren Masse vorzugsweise im vorgespannten
Zustand im Abstand von der Außenelektrode
gehalten wird. Der Federmechanismus ist in diesem Fall durch das
federnde Kontaktelement selbst gebildet.
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Die
Feder ist vorzugsweise als eine zusammengefaltete Blattfeder, d.
h. im Querschnitt mäanderförmig mit
mehreren Mäandersektionen
ausgebildet, wobei die einander gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen
Mäandersektion
durch eine schmelzbare Masse federnd zusammengepresst bzw. unter Vorspannung
weich zusammengelötet
sind. Die Blattfeder wird im Normalfall durch die schmelzbare Masse
in einem vorgespannten Zustand im Abstand von der Außenelektrode
gehalten.
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Wenn
die schmelzbare Masse schmilzt und dabei ihre Festigkeit verliert,
entfaltet sich die zusammengefaltete Blattfeder und erzeugt einen
Kurzschluss zwischen der Metallplatte und der Außenelektrode.
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Diese
Variante der Erfindung hat den Vorteil besonders bei Verwendung
von einem zähflüssigen Gel
in der Umgebung des Ableiters, da der Federmechanismus vollständig im
geschlossenen Hohlraum angeordnet und daher von der Umgebung isoliert
ist. Durch die vollständige
Trennung von der Umgebung kann die Bewegung des freigesetzten Federelements
nicht mehr durch das Gel gehindert werden.
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Die
Mittel- und Außenelektrode
bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Kupfers unterscheidet sich stark von dem der Keramik, was bei
Temperaturbelastung die Dichtigkeit der Schnittstelle zwischen dem
Keramikkörper
und der Außenelektrode
beeinträchtigen kann.
Zum Ausgleich der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Keramikkörper
und der Cu-Elektrode wird ein Ring bzw. Rahmen benutzt, der auf
der Außenelektrode
befestigt (vorzugsweise hart aufgelötet) ist. Als Material des Rings
wird vorzugsweise ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
eingesetzt, der annähernd
dem Aus dehnungskoeffizienten des Keramikkörpers gleich ist, wie z. B.
FeNi.
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In
einer bevorzugten Variante ist die isolierende Halterung in den
Ring (z. B. FeNi-Ring) bzw. Rahmen vorzugsweise formschlüssig eingefügt. Dabei
entsteht zwischen der Außenelektrode,
der isolierenden Halterung und der Metallscheibe ein dicht geschlossener
Hohlraum, in dem der Luftspalt zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktelement angeordnet
ist. Die isolierende Halterung kann z. B. bei einer aus FeNi oder
einem bezüglich
thermischer Ausdehnung ähnlichen
Material gefertigten Außenelektrode
in einen abgesetzten Bereich der Außenelektrode eingesetzt sein.
Im letzteren Fall kann auf den Ring oder Rahmen verzichtet werden.
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In
bevorzugter Variante ist die Metallplatte in die isolierende Halterung
und die isolierende Halterung in den Ring eingepresst. Dadurch wird
das Eindringen des Gels in den geschlossenen Hohlraum bzw. in den
Luftspalt verhindert.
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Die
Metallplatte besteht vorzugsweise aus Messing oder aus einem anderen
geeigneten Metall oder einer Metalllegierung.
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Die
isolierende Halterung besteht vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, dessen
Schmelztemperatur über
der Schmelztemperatur der schmelzbaren Masse, die typischerweise ca.
220°C beträgt, liegt.
Der Kunststoff zeichnet sich vorzugsweise durch eine gute Federwirkung
aus, die eine gute Presspassung zwischen der isolierenden Halterung
und der Metallscheibe gewährleistet.
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Im
Fehlerfall, d. h. beim Überschreiten
einer gewissen Grenzspannung Umax, entsteht
ein Funkenüberschlag
zwischen der Mittel- und Außenelektrode, wobei
sich die Elektroden erwärmen.
Die an der Außenelektrode
erzeugte Wärme
wird auf das Kontaktelement und die Metallscheibe durch die Wärmeabstrahlung
der Außenelektrode
in Richtung des geschlossenen Hohlraums übertragen. Die an der Mittelelektrode
erzeugte Wärme
wird auf das Kontaktelement oder die Metallscheibe durch den Federbügel übertragen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Es zeigen schematisch
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1A ausschnittsweise
einen Federmechanismus eines in
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2 gezeigten
Ableiters
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1B ausschnittsweise
einen Federmechanismus mit einem verjüngten Kontaktelement
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2 einen
Ableiter im Normalzustand
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3 den
Ableiter gemäß 2 beim
Ansprechen des Federmechanismus im Fehlerfall
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4A ausschnittsweise
einen Federmechanismus eines in
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5 gezeigten
Ableiters im vorgespannten Zustand
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4B den
Federmechanismus gemäß 4A beim
Ansprechen des Federmechanismus im Fehlerfall
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4C den
in eine Halterung eingesetzten Federmechanismus gemäß 4A
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5 einen
weiteren Ableiter im Normalzustand
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6 den
Ableiter gemäß 5 beim
Ansprechen des Federmechanismus im Fehlerfall Ein beispielhafter Überspannungsableiter
vor und nach dem Ansprechen des Federmechanismus ist in 2 bzw. 3 gezeigt.
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1A zeigt
ausschnittsweise im schematischen Querschnitt einen Federmechanismus
eines in 2 gezeigten Überspannungsableiters.
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Das
Kontaktelement 7 hat die Form eines runden Bolzens, der
durch ein rundes Loch in einer Metallplatte 5a ragt. Die
mechanische Verbindung zwischen dem Kontaktelement 7 und
der Metallplatte 5a ist durch eine schmelzbare Masse 6 entlang
des Lochrandes der Metallplatte 5a hergestellt. Der Metallbolzen
ist in einer Metallplatte 5a also weich eingelötet.
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Die
schmelzbare Masse kann in einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung als Lot ausgebildet sein. In Verbindung mit lötbaren Materialien
für das
Kontaktelement und das Distanzelement ist so eine sehr einfache
Verbindung zwischen Kontaktelement und Distanzelement möglich. Zudem
stellen die für
Lot verwendeten Zinn-Legierungen sicher, dass die Verbindung zwischen
dem Kontaktelement und dem Distanzelement bei ausreichender Wärme schnell
gelöst
wird.
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Die
Metallplatte 5a weist eine vorzugsweise mittig angeordnete Öffnung zur
Aufnahme des Kontaktelements 7 auf. Die Metallplatte 5a hat
vorzugsweise die Form einer Scheibe, die in eine isolierende Halterung 5b eingesetzt
ist. Die isolierende Halterung 5b weist einen abgesetzten
Bereich zur Aufnahme der Metallplatte 5a.
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Das
Kontaktelement 7 kann, wie in 1B angedeutet,
an einem zwischen der Außenelektrode 2 und
der Metallplatte 5a liegenden Abschnitt 11 eine Verjüngung 12 aufweisen.
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Der
Federmechanismus umfasst ferner einen elektrisch leitenden Federbügel 3,
der an der Mittelelektrode 1 des Ableiters befestigt ist,
siehe 2 und 3. Der Federbügel 3 greift
auf die Stirnseite der Außenelektrode 2 über und
hält das
Kontaktelement 7 in einem vorgespannten Zustand, indem
er auf die äußere Stirnfläche des
Kontaktelements 7 eine Federkraft F in Richtung der Außenelektrode 2 ausübt.
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Der
Federbügel 3,
die Metallplatte 5a und das Kontaktelement 7 sind
so gestaltet, dass bei Flüssigwerden
der schmelzbaren Masse 6 der Federbügel 3 und das Kontaktelement 7 entlang
der Öffnung
der Metallplatte 5a gleiten können.
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Das
Kontaktelement kann in einer Variante der Erfindung mechanisch fest
mit dem Federbügel 3 verbunden
oder Bestandteil des Federbügels 3 sein.
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Zwischen
dem Kontaktelement 7, der Metallplatte 5a, der
isolierenden Halterung 5b und der Außenelektrode 2 ist
ein Hohlraum 22 gebildet. Der Hohlraum 22 ist
durch die schmelzbare Masse 6 abgedichtet. Die Metallplatte 5a ist
gegen den Ring 16 und die isolierende Halterung 5b jeweils
z. B. durch Presspassung abgedichtet. Der Ring 16 ist auf
der Außenelektrode 2 aufgelötet oder
aufgeschweißt. Somit
wird ein dichter Abschluss des Hohlraums gegen ein Gel und ggf.
Feuchte erreicht.
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Zwischen
der Mittelelektrode 1 und der Außenelektrode 2 ist
ein gasgefüllter
Keramikkörper 19 angeordnet.
Der Keramikkör per
ist vorzugsweise mit einem Edelgas gefüllt. Der Ableiter ist vorzugsweise mit
zwei Außenelektroden
und ggf. bezogen auf die Mittelelektrode symmetrisch ausgebildet.
Die Mittelelektrode 1 ist vorzugsweise zwischen zwei Keramikkörpern angeordnet.
Die Mittel- bzw. Außenelektroden 1, 2 sind
jeweils durch Löten
mit den Keramikkörpern 19 verbunden.
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Die
Mittel- und Außenelektrode 1 bzw. 2 besteht
vorzugsweise aus Cu. Es ist aber in einer anderen Variante möglich, dass
die Mittel- und/oder Außenelektrode
aus FeNi besteht.
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Auf
der Außenelektrode 2 am
Rand ist ein Ring 16 angeordnet, der vorzugsweise aus einer
Eisen-Nickel-Legierung besteht. In den Ring 16 ist die isolierende
Halterung 5b eingesetzt. Die Außenelektrode 2 weist
in dem dem Kontaktelement 7 zugewandten Bereich eine Ausnehmung
zur Bildung eines Luftspaltes 20 auf. Der Luftspalt 20 ist
im dicht geschlossenen Hohlraum 22 angeordnet.
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Die 2 entspricht
dem Normalzustand des Überspannungsableiters,
d. h. dem Zustand vor dem Ansprechen des Federmechanismus. Durch entsprechende
Gestaltung der Abmessungen der am Schutzmechanismus beteiligten
Elemente kann erreicht werden, dass der Federbügel 3 das Kontaktelement 7 so
weit in Richtung auf die Außenelektrode 2 verschiebt,
dass das Kontaktelement 7 unter Aufbringung eines Kontaktdrucks,
der wiederum vom Federbügel 3 (Restfederkraft)
herrührt,
auf die Außenelektrode 2 drückt, wodurch
die elektrische Kontaktierung der Außenelektrode 2 mit
dem Federbügel 3 und
mithin mit der Mittelelektrode 1 beim Auslösen des
Kurzschlussmechanismus erreicht wird.
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Im
Fehlerfall schmilzt die schmelzbare Masse 6 durch die in
der Umgebung des Ableiters erzeugte Wärme. Dabei wird das Kontaktelement 7 freigelassen
und durch die Federkraft F des Federbügels 3 auf die Außenelektrode 2 gedrückt, siehe 3.
In diesem Fall werden die Mittelelektrode 1 und die Außenelektrode 2 über den
Federbügel
und das Kontaktelement 7 kurzgeschlossen.
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In 4A bis 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
gezeigt, in dem das Kontaktelement 7 durch eine elastische
Deformation vorgespannt wird.
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Das
Kontaktelement 7 weist eine Blattfeder 21 mit
einem festen Ende 21a und einem freien Ende 21b auf.
Das feste Ende 21a der Blattfeder ist an der Metallplatte 5c befestigt,
z. B. hartgelötet.
Das freie Ende 21b der Blattfeder wird z. B. durch Weichlöten mit
der Metallplatte 5c oder einem anderen Abschnitt (z. B.
festem Ende) der Blattfeder vorgespannt.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Blattfeder 21, wie in 4A schematisch
gezeigt, in Form einer „Ziehharmonika" ausgebildet ist,
deren gefaltete Abschnitte im Normalzustand durch Weichlöten zusammengehalten
und so vorgespannt werden.
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Die
Blattfeder 21 und der Federbügel 3 können z.
B. aus CuBe gefertigt sein.
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Im
Fehlerfall schmilzt die schmelzbare Masse, wobei die durch das Falten
vorgespannte Blattfeder freigelassen wird. Die zusammengefaltete
Blattfeder springt auseinander. In 4B ist
die nach dem Ansprechen des Federmechanismus entfaltete Blattfeder
gezeigt.
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In 4C ist
der in die isolierende Halterung 5b eingesetzte Federmechanismus
gemäß 4A gezeigt.
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In 5 und 6 ist
der in 4A und 4B schematisch
dargestellte Federmechanismus vor bzw. nach dem Ansprechen gezeigt.
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Das
in 4C gezeigte Gebilde wird, wie in 5 angedeutet,
vorzugsweise durch Presspassung in den Ring 16 oder in
einen abgesetzten Bereich der Außenelektrode 2 eingesetzt.
Hier wird die Metallplatte 5c durch die Federkraft des
Federbügels 3 gegen
die isolierende Halterung gepresst. Die Metallplatte 5c weist
keine Öffnungen
auf.
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In
dieser Variante der Erfindung ist der geschlossene Hohlraum 22 zwischen
der Außenelektrode 2,
der isolierenden Halterung 5b und der Metallplatte 5c gebildet.
Bewegliche Teile des Federmechanismus (d. h. das als Blattfeder
ausgebildete Kontaktelement) sind hier vollständig im geschlossenen Hohlraum 22 angeordnet.
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In 5 ist
zu sehen, dass das freie Ende der Blattfeder 21 im Abstand von der
Außenelektrode 2 gehalten
wird, wobei dazwischen ein im Fehlerfall zu überbrückende Luftspalt 20 gebildet
ist.
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In 6 ist
der Überspannungsableiter
gemäß 5 nach
dem Ansprechen des Federmechanismus gezeigt. Die schmelzbare Masse 6 wurde durch
die Wärme
des Funkenüberschlags
aufgeweicht. Das freie Ende der Blattfeder wird durch die Federkraft
gegen die Außenelektrode 2 gedrückt und stellt
so über
die Metallscheibe und den Federbügel den
sicheren Kontakt zwischen der Außen- und Mittelelektrode her.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen
nur eine beschränkte
Anzahl möglicher
Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die
Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Es ist prinzipiell möglich,
die Presspassung der eingesetzten Teile durch eine andere Art der
Einbettung, z. B. Eingießen,
zu ersetzen. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch
dargestellten Elemente beschränkt.
Der beschriebene Sicherungsmechanismus ist selbstverständlich nicht
auf die Absicherung nur einer Schaltstrecke zwischen der Mittelelektrode 1 und
der Außenelektrode 2 beschränkt. Durch
symmetrische Ergänzung
kann auch die zweite Schaltstrecke zwischen der Mittelelektrode 1 und
der weiteren Außenelektrode
in entsprechender Art und Weise abgesichert werden.
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- 1
- Mittelelektrode
- 2
- Außenelektrode
- 3
- Federbügel
- 5a
- Metallplatte
- 5b
- isolierende
Halterung
- 5c
- Metallplatte
- 6
- schmelzbare
Masse
- 7
- Kontaktelement
- 11
- Abschnitt
des Kontaktelements 7
- 12
- Verjüngung des
Kontaktelements 7
- 16
- Ring
aus einer Eisen-Nickel-Legierung
- 19
- Keramikkörper
- 20
- Luftspalt
zwischen dem Kontaktelement 7 und der
-
- Außenelektrode 2
- 22
- Hohlraum
- 21
- Blattfeder
- 21a
- festes
Ende der Blattfeder 21
- 21b
- freies
Ende der Blattfeder 21
- F
- Federkraft