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Prioritätsanspruch
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der nicht
vorläufigen
U.S.-Patentanmeldung Nr. 11/186,130, eingereicht am 20 Juli 2005, mit
dem Titel "Reactive
Fuse Element With Exothermic Reactive Material", wobei deren gesamter Inhalt hiermit
unter Bezugnahme mit aufgenommen wird und sich darauf gestützt wird.
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Dieses
Patent betrifft im Allgemeinen Sicherungselemente, und insbesondere
die Zeit-Strom-Öffnungsverhalten
eines Sicherungselements.
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Es
ist klar, dass durch Verwendung einer elektrischen Sicherung mit
einem metallischen Sicherungselement elektrische Schaltungen und
Komponenten gegen Überlastungsströme und Kurzschlüsse geschützt werden
können.
Im Betrieb sind die elektrische Sicherung und das beinhaltete Sicherungselement
in elektrischer Verbindung mit der elektrischen Schaltung angeordnet.
Erfährt
die elektrische Schaltung einen Fehlerstrom bzw. Kurzschlussstrom,
erzeugt der durch die elektrische Sicherung fließende Strom Wärme, die
wiederum das Sicherungselement veranlasst zu schmelzen und die Schaltung
bzw. den Stromkreis zu öffnen.
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Um
das Zeit-Strom-Öffnungsverhalten
der elektrischen Sicherung zu steuern, ist bekannt, ein Diffusionsmetall
mit einem niedrigeren Schmelzpunkt, wie beispielsweise Zinn (Sn)
oder Zinn-Blei (SnPb), in das Basissicherungselementmetall einzuarbeiten.
Bei einer Überlastungsstrom-Bedingung diffundiert
das Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt in das Basissicherungselement-Metall,
wobei es eine Legierung mit einem insgesamt niedrigeren Schmelzpunkt
und erhöhtem
Widerstand erzeugt, wobei dadurch ein Schmelzen oder Öffnen des
Sicherungselements erleichtert wird. In vergleichbarer Art und Weise
wird durch Erhöhung
der Querschnittsabmessungen des Legierungssicherungselements die
zum Öffnen, d.h.
Schmelzen, des Sicherungselements erforderliche Zeit erhöht, was
wiederum die gesamte Öffnungszeit
der elektrischen Sicherung während
einer Überlastungsstrombedingung
erhöht. Außerdem verringert
die erhöhte
körperliche
Abmessung des Sicherungselements die Sensitivität der Sicherung gegenüber kurzzeitigen
transienten Stromstößen oder
Pulsen. Obwohl die vorstehend aufgeführte Beschreibung ein bekanntes
Verfahren zum Sicherungsaufbau und zur Herstellung offenbart, besteht
ein Bedarf für
ein einfacheres, wirksamer und/oder flexibleres Verfahren zum Steuern
eines Überlastungsstrom.
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Zusammenfassung
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Darstellende
Beispiele einer reaktiven Sicherung und eines Sicherungselements
werden nachstehend in dem Abschnitt der ausführlichen Beschreibung dieser
Spezifikation erläutert.
Die Beispiele umfassen verschiedenartige Ausführungsformen und Konfigurationen
eines reaktiven Materials, wie reaktive Folien, die angeordnet sind,
um mit einer reaktiven Sicherung und einem Sicherungselement zusammen
zu wirken.
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So
umfasst ein Beispiel einer reaktiven Sicherung insbesondere einen
Träger
(ein Substrat) mit einer oberen Oberfläche, einem ersten Ende und einem
zweiten Ende, das von dem ersten Ende entfernt angeordnet ist. Die
reaktive Sicherung kann ferner umfassen, einen ersten Leiter, der
benachbart zu dem ersten Ende entlang der oberen Oberfläche positioniert
ist, und einen zweiten Leiter, der benachbart zu dem zweiten Ende
entlang der oberen Oberfläche derart
positioniert ist, dass der erste und zweite Leiter entlang der oberen
Oberfläche
beabstandet sind. Ein reaktives Material, das einen stabilen Zustand
und einen wärmeerzeugenden
bzw. exothermen Zustand aufweist, kann an der oberen Oberfläche des
Trägers angebracht
oder angefügt
sein, um den ersten und zweiten Leiter elektrisch zu koppeln (verbinden).
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Der
Träger
kann ein isolierender Träger
sein, hergestellt aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus mit flammfestem Glasgewebe (woven glass) verstärkte Epoxy-Schichtstoffverbunde,
Schichtstoffverbunde ohne Glasgewebe, Keramiken, Glas, Polytetrafluorethylen,
Mikrofaser-Glasträgern,
wärmehärtenden
Kunststoffe, Polyimidmaterialien oder beliebige Kombinationen dieser Materialien
oder andere geeignete Materialien.
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Das
reaktive Material ist aufgebaut, als Antwort auf eine Energiezufuhr
eine sich selbst fortpflanzende, wärmeabgebende Reaktion zu erzeugen. Das
reaktive Material kann ein Nanofilm sein und aus abwechselnden Schichten
aus Nickel und Aluminium aufgebaut sein. Die Energiezufuhr kann
aus einem reichen Angebot an Quellen stammen, wie beispielsweise
die durch eine Stromüberlastung
erzeugte Hitze, ein Funken oder Kurzschluss, eine Flamme, ein erhitztes
Filament, fokussierte Radiofrequenzstrahlung oder Lichtverstärkung durch
induzierte Emission von Strahlung.
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Die
reaktive Sicherung kann weiter umfassen, einen Sicherungseinsatz,
der an den Träger
und das reaktive Material derart angrenzend positioniert ist, dass
der Sicherungseinsatz mit den ersten und zweiten Leitern elektrisch
gekoppelt ist.
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In
einer Ausführungsform
ist das reaktive Material eine reaktive Folie, die angrenzend an
den Träger/das
Substrat ausgerichtet ist, wobei der Träger ein flexibles isolierendes
Material ist, so dass die reaktive Folie und der flexible isolierende
Träger biegsam
sind, um die ersten und zweiten Leiter in einer überlappenden Anordnung auszurichten.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das in einer reaktiven Sicherung verwendete Sicherungselement
einen Sicherungseinsatz und ein durch den Sicherungseinsatz getragenes,
reaktives Material. Das reaktive Material dieser beispielhaften
Ausführungsform
umfasst mehrere Nano-Lagen, die aufgebaut sind, eine sich selbst
fortpflanzende, wärmeerzeugende
Reaktion als Antwort auf eine Energiezufuhr zu erzeugen. Das reaktive
Material kann aus mehreren abwechselnden Schichten aus Nickel und
Aluminium aufgebaut sein und kann mit dem Sicherungseinsatz zusammenwirken,
um einen schmelzenden Bereich zu definieren.
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Andere
Ausführungsformen
können
einen Sicherungseinsatz umfassen, der ein zylinderförmiger Sicherungseinsatz
ist. Der zylinderförmige
Sicherungseinsatz umfasst wiederum eine äußere Oberfläche, die angeordnet ist, das
reaktive Material zu tragen. Das reaktive Material kann mit der äußeren Oberfläche des
Sicherungseinsatzes spiralförmig
in Eingriff kommen.
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So
umfasst ein beispielhaft genanntes Verfahren zum Bilden einer reaktiven
Sicherung, Bereitstellen eines elektrisch leitenden Sicherungseinsatzes,
der eine klebende Oberfläche
aufweist, und Ausrichten eines reaktiven Materials angrenzend an
die klebende Oberfläche
des Sicherungseinsatzes, wobei das reaktive Material normalerweise
mehrere Nano-Schichten umfasst, die aufgebaut sind, eine sich selbst
fortpflanzende, wärme erzeugende
Reaktion als Antwort auf eine Energiezufuhr zu erzeugen. Ausbilden
eines verschmelzenden Bereichs zwischen dem reaktiven Material und
dem Sicherungseinsatz und Sichern des reaktiven Materials an die
klebende Oberfläche
und den verschmelzenden Bereich, um ein reaktives Sicherungselement
zu definieren.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
umfasst das Verfahren einen leitenden Sicherungseinsatz, der als
ein zylinderförmiger
Sicherungseinsatz mit einem hohlen Inneren derart geformt ist, dass
das reaktive Material in dem hohlen Inneren des Sicherungseinsatzes
getragen wird. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform
schließt
der verschmelzende Bereich ein erstes Ende des Sicherungseinsatzes
und ein zweites Ende des Sicherungseinsatzes ein, wobei das zweite
Ende das zweite Ende des Sicherungseinsatzes fern von dem ersten
Ende gebildet ist.
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Das
reaktive Material kann durch Verwendung einer Silkonabdeckung, die
angrenzend zu der klebenden Oberfläche angebracht ist, oder durch Verwendung
eines zwischen dem Sicherungseinsatz und dem reaktiven Material
vorgesehenen Klebstoff gesichert werden.
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Zusätzliche
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden hier
beschrieben und durch die folgende ausführliche Beschreibung und die
Abbildungen offensichtlich.
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Kurze Beschreibung der
Abbildungen
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1A und 1B sind
perspektivische Darstellungen einer ersten Ausführungsform einer elektrischen
Sicherung, die ein Sicherungselement umfasst, das einen Sicherungseinsatz
und ein reaktives Material enthält.
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2 ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung
eines im Allgemeinen ebenen Sicherungselements, das einen Sicherungseinsatz
und ein reaktives Material umfasst.
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3 ist
eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines in Allgemeinen
zylinderförmigen
Sicherungselements.
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4 ist
eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines im Allgemeinen zylinderförmigen
Sicherungselements.
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5 ist
eine Draufsicht/Grundriss einer Ausführungsform eines im Allgemeinen
ebenen Sicherungselements, das einen Störungsbereich umfasst.
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6A, 6B und 6C sind
verschiedenartige perspektivische Darstellungen einer Ausführungsform
eines flexiblen Sicherungselements, wobei jeweils eine geschichtete,
montierte und gerollte Darstellung gezeigt sind.
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7A und 7B sind
Darstellungen von oben auf zwei Ausführungsformen eines eingeschlossenen
Sicherung, die ein flexibles Sicherungselement umfasst.
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8 ist
eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines eingeschlossenen
Sicherungselements, das ein flexibles Sicherungselement umfasst.
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9 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
einer Ausführungsform
einer Chip-Packungs-Sicherung
(chip package fuse), die ein reaktives Material umfasst.
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10 ist
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
eines reaktiven Materials, das eingesetzt wird zwei oder mehrere
Elemente einer elektrischen Sicherung zu fügen/verbinden.
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11A, 11B und 11C sind jeweils eine Ansicht von oben und Seitenansichten
eines reaktiven Materials, das eingesetzt wird eine metallische
Komponente an ein Sicherungselement zu verbinden.
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12 ist
eine Schnittseitenansicht einer zylinderförmigen elektrischen Sicherung,
die ein reaktives Material umfasst.
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Ausführliche
Beschreibung
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Wie
die Abbildungen zeigen, stellt 1A und 1B eine
Ausführungsform
einer elektrischen Sicherung dar. Die dargestellte Ausführungsform
der elektrischen Sicherung ist insbesondere als ein Oberflächenbauteil
hergestellt (surface mount device, SMD), das im Allgemeinen durch
das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Die elektrische
Sicherung 10 umfasst (a) Trägersubstrat 12, der/das
angeordnet ist, um (b) erste und zweite End-Pads 14, 16 und
(c) einen Sicherungseinsatz 18 zu tragen, der (d) ein reaktives
Material 20 aufweist, das die ersten und zweiten End-Pads 14, 16 elektrisch
verbindet. Die elektrische Sicherung 10 kann ferner umfassen,
(e) eine Abdeckung 22, die angeordnet ist den Sicherungseinsatz 18,
das reaktive Material 20 und die ersten und zweiten End-Pads 14, 16 zu
schützen,
wie durch die Aufbaulinie A gezeigt, und (f) elektrische leitende
Abschlüsse 24, 26,
die an gegenüberliegenden
Enden der elektrischen Sicherung 10 und des Trägeres 12,
um ein Anbringen an einen Schaltkreispfad 38 zu erleichtern,
der auf einer Platine (printed circuit board, PCB) 40 oder
einem beliebigen anderen geeigneten Träger (siehe 1B),
wie ein halbhartes oder flexibles Träger, gebildet ist.
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Der
Träger 12 kann
aus einer Vielzahl an isolierenden Materialien hergestellt sein,
wie beispielsweise aus mit flammfestem Glasgewebe (woven glass)
verstärkte
Epoxy-PCB-Schichtstoffverbunden oder
Schichtstoffverbunden ohne Glasgewebe, Keramiken, Glas, Polytetrafluorethylen
(PTFE), Mikrofaser-G1asTräger,
wärmehärtenden
Kunststoffen, Polyimiden etc.. Der Träger 12 dieser beispielhaften Ausführungsform
ist ein im Wesentlichen rechteckiger Träger mit einer oberen Oberfläche 28,
einem Paar an Seiten 30 und 32, einem ersten Ende 34 und einem
zweiten Ende 36, das von dem ersten Ende 34 entfernt
definiert ist. Die obere Oberfläche 28 des Trägers 12 unterstützt und
trägt die
ersten und zweiten End-Pads 14, 16 angrenzend
zu den entsprechenden ersten und zweiten Enden 34, 36.
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Die
erste und zweite End-Pads 14, 16 können an
der oberen Oberfläche 28 hinterlegt
oder gebildet sein, wobei eine beliebige bekannte Herstellungstechnik
verwendet wird, wie beispielsweise Laminieren, Photoimaging, Trockenfilmverarbeitung, Sputtern,
Siebdrucken und Elektroplattieren. Die ersten und zweiten Abschluss-Pads 14, 16 sind
normalerweise aus einem elektrische leitenden Material wie Kupfer,
einer Kupfer-Nickel (CuNi)-Legierung, mit silberplattiertes Messing,
Zinn-Blei (SnPb)-Lötmetall, bleifreies
(Pb-freies) Lötmetall,
Gold (Au), Silber (Ag), Zink (Zn) oder weitere Kombinationen dieser
Metalle. Die Materialien und Legierungen, welche die ersten und
zweiten Abschluss-Pads 14, 16 umfassen, können auf
der oberen Oberfläche 28 des
Trägeres 12 in einer
geschichteten Art und Weise über
ein Mehrschrittverfahren hinterlegt oder platziert sein oder können alternativ
direkt in einer einzigen Tätigkeit hinterlegt
werden.
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Der
Sicherungseinsatz 18 stellt eine körperliche Verbindung zwischen
dem ersten und zweiten Abschluss-Pad 14, 16 bereit,
um dazwischen einen elektrische Pfad zu definieren. So kann der
Sicherungseinsatz 18 in dieser beispielhaften Ausführungsform
aus einer Vielzahl an elektrisch leitenden Materialien gebildet
sein, wie jene, die vorstehend diskutiert wurden, oder Cu, SnPb
und ein beliebiges anderes geeignetes leitendes Material. Das Material des
Sicherungseinsatzes 18 ist normalerweise ausgewählt, einen
elektrische Kontakt als Antwort auf die als ein Ergebnis einer Überlastungsstrom,
einem Stoß oder
einer Spitze im elektrischen Strom und/oder einer Kurzschlussbedingung
erzeugte Hitze zu öffnen
oder zu brechen.
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Wie
in 1 gezeigt, bedeckt das reaktive Material 20 teilweise
den Sicherungseinsatz 18. Es ist jedoch klar, dass das
reaktive Material 20 den Sicherungseinsatz 18 vollständig bedecken
oder umgeben kann. Das reaktive Material 20 ist ein thermisches
Grenzflächenmaterial,
wie beispielsweise eine Nanofolie (Nanofoil®) hergestellt
von Reactive Nano Technologies Inc. (RNT) in Hunt Valley, Maryland. Thermische
Grenzflächenmaterialien
werden normalerweise als Folienblätter oder in einer vordefinierten, anwendungsspezifischen
Geometrie hergestellt, um eine gesteuerte lokale Hitzequelle bereitzustellen. Thermische
Grenzflächenmaterialien
wie NanoFoil® umfassen
normalerweise mehrere abwechselnde Schichten oder Nano-Schichten,
wobei jede ca. 100 Nanometer (nm) dick ist.
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Die
abwechselnden Nano-Schichten des reaktiven Materials 20 können anfänglich ein
beliebiges oder mehrere einer Vielzahl an Materialien, wie Nickel
(Ni) und Aluminium (Al), sein, die als Antwort auf eine Energiequelle
ein NiAl-Reaktionsprodukt erzeugen. Andere anfängliche Reaktionspartnern und ihre
so erhaltenen Reaktionsprodukte können umfassen: Titan (Ti) und
Bor (B) und Titanborid (TiB2), Zirkonium
(Zr) und Bor, und Zirkoniumborid (ZrB2),
Hafnium (Hf) und Bor und Hafniumborid (HfB2);
Ti und Kohlenstoff (C), und Titancarbid (TiC); Zr und Kohlenstoff,
und Zirkoniumcarbid (ZrC), Hf und Kohlenstoff, und Hafniumcarbid
(HfC); Ti und Silizium (Si) und Ti5Si3; Zr und Silizium, und Zr5Si3; Niobium (Nb) und Silizium, und Nb5Si3; Zr und Al,
und ZrAl; Blei (Pb) und Al, und PbAl. Anlegen einer Energiequelle
an die Nano-Schichten in ihrem anfänglichen Zustand führt zu einer
sich selbst fortpflanzenden, wärmeerzeugenden
Reaktion und einem intermetallischen Reaktionsprodukt.
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Im
Betrieb iniziiert das Anlegen einer Energiequelle an die Nano-Schichten
oder das thermische Grenzflächenmaterial
des Elements 20 eine Reaktion, die sich durch die Nano-Schichten bewegt, wobei
eine lokale begrenzte/fokussierte, örtliche Hitzequelle erzeugt
wird, während
sich die Nano-Schichten exotherm in eine oder mehrere der vorstehend
aufgeführten
Reaktionspartnern umwandeln. Die Energiequelle kann die Hitze sein,
die von einer anhaltenden Stromüberlastung
stammt, die durch das reaktive Material 20 oder den Sicherungseinsatz 18 gesendet
wurde. Alternativ kann die Energiequelle ein Funke, eine Flamme,
ein erhitztes Filament, fokussierte Radiofrequenzstrahlung (RF)
oder Lichtverstärkung
durch induzierte Emission von Strahlung sein. Ungeachtet wie die
Energiequelle erzeugt wird, bringt das lokale Erhitzen das reaktive Material 20 und/oder
den Sicherungseinsatz 18 zum schmelzen und sich zu öffnen. Alternativ
kann die elektrische Sicherung 10 umfassen oder in elektrischer
Verbindung stehen mit einer Beobachtungs- oder Steuerschaltung (nicht
gezeigt). Die Steuerschaltung kann die mit der Sicherung 10 verbunden elektrischen
und mechanischen Eigenschaften, wie den Widerstand, den Stromfluss,
Temperatur etc. periodisch erfassen, um ein gesamtes Leistungsprofil der
Einrichtung zu etablieren. Außerdem
kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, eine Energiequelle bereitzustellen
und den Sicherungseinsatz 18 als Antwort auf eine Abnahme
in der Leistung der Sicherung 10, dem Auftreten eines vordefinierten
Sets an elektrischen oder mechanischen Bedingungen oder beliebiger
oder gewünschter
Kriterien zu öffnen.
Es ist ebenfalls möglich,
dass die Steuerschaltung konfiguriert sein kann eine Bedingung extern
zu der Sicherung und ihrer ummittelbaren Umgebung zu beobachten
und zu beantworten. So kann beispielsweise ein Aufprallsensor in
einem Kraftfahrzeug verwendet werden, eine Energiequelle zum Öffnen eines
oder mehrere Sicherungseinsätze
auszulösen,
um elektrische Batterien zu abzutrennen. Ungeachtet wir die Energiequelle
hergestellt wird, unterbricht die geöffnete Verbindung in der elektrische
Sicherung 10 den Fluss an elektrischem Strom und verhindert
eine elektrische Verbindung entlang des Schaltungspfads 38 der
PCB 40 (siehe 1B).
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Die
Größenordnung
des örtlichen
Erhitzens kann ebenfalls gesteuert und fokussiert werden, um zu
löten oder
hartlöten
und zusammenfügen
in einer hoch gesteuerten Art und Weise. Außerdem ermöglicht das starke fokussierte
Erhitzen in Verbindung mit der Geschwindigkeit mit der die Reaktion
fortschreitet verschiedenen Materialien, wie Metallen und Keramiken,
trotz des Ungleichgewichts in jeder der Wärmeaustauschkoeffizienten verbunden
werden. Auf diese Art und Weise können verschiedene Materialien
schnell verbunden werden, ohne dass die Unterschiede in ihren relativen
Ausdehnungsraten ausgeglichen werden müssen.
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Zurück zu den
Zeichnungen, zeigen die 2 bis 12 zahlreiche
körperliche
Ausführungsformen
von Sicherungselementen und reaktiven Materialien, Folien oder Elemente,
die zusammenwirken, um ein reaktives Sicherungselement oder eine
reaktive Sicherung zu bilden. Reaktive Sicherungselemente, oder
einfach Sicherungselements, die in Übereinstimmung mit den Lehren
dieser beispielhaften Ausführungsformen
aufgebaut sind, stellen eine Flexibilität der Bauform/Gestaltung bereit,
die ermöglicht,
dass das Sicherungselement ausgewählt wird spezielle Stromstoß- und Kurzschlussbedingungen
unabhängig
von den normalen Stromüberlastungsbetrachtungen
zu bewältigen.
So kann insbesondere das reaktive Sicherungselement gestaltet sein,
kurzen Stromstößen zu widerstehen, die
normalerweise Sicherungen, die das Material oder Element nicht beinhalten,
zu trennen oder öffnen,
da die Stromüberlastungsbetriebs-Merkmalen durch
die Zusammensetzung des reaktiven Materials bestimmt sind und nicht
notwendigerweise durch das Sicherungselement alleine. So kann der
Sicherungseinsatz und das reaktive Material beispielsweise ausgewählt und/oder
konfiguriert sein, als Antwort auf verschiedene Strombedingungen
und Lasten zu öffnen,
wobei dadurch die Flexibilität
und Verwendbarkeit des Sicherungselements erhöht wird. So können beispielsweise
das Material und die physikalischen Eigenschaften des Sicherungseinsatzes
etabliert werden, eine kurze Stromspitze zu akzeptieren, die normalerweise
bekannte Sicherungseinsätze öffnen würde. Umgekehrt
kann das durch den Sicherungseinsatz getragene reaktive Material
(siehe 1A) gestaltet sein, als Antwort
auf eine anhaltende Stromüberlastung
zu öffnen,
beispielsweise wenn die Stromhöhe
höher bleibt
als normal, jedoch keine Spitze aufweist, die keine Wirkung auf
den Sicherungseinsatz aufweist. Mit anderen Worten, die durch eine
anhaltende Strom-Last oder -überlastung
erzeugte Hitze stellt eine ausreichende Energiezufuhr bereit, um
das reaktive Material zu aktivieren, während eine kurze Stromspitze
durch den Sicherungseinsatz akzeptiert werden kann, da die durch
die Spitze erzeugte Hitze keine ausreichende Hitze oder Energiezufuhr
bereitstellt, um das reaktive Material zu aktivieren. Auf diese
Weise kann ein reaktives Sicherungselement gestaltet, konfiguriert
und spezifiziert werden, dass beispielsweise eine erhöhte Empfindlichkeit
auf eine anhaltende Stromüberlastung
und eine verbesserte Störsicherheit
gegenüber
Stromspitzen bereitstellt.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines ebenen Sicherungselements 42. Das Sicherungselement 42 umfasst
einen länglichen
Sicherungseinsatz 44 mit einer oberen Oberfläche 46,
die konfiguriert ist das reaktive Material 20 zu tragen,
welches in dieser Ausführungsform
ein vorgeformter reaktiver Film ist. Das reaktive Material 20 kann
an die obere Oberfläche 46 angefügt oder
verbunden werden, wobei ein Klebstoff, wie beispielsweise eine Epoxy-
oder eine intermetallische Bindung bei einer Verklebetemperatur
gebildet wird, die geringer ist, als die Aktivierungstemperatur
der reaktiven Folie. So kann beispielsweise flüssiges SnPb-Lötmetall
das reaktive Material 20 an die obere Oberfläche 46 des
Sicherungseinsatzes 44 bonden/verbinden, so lange die gesamte
Temperatur des flüssigen
Lötmetalls
eine geringere Energiezufuhr an das reaktive Material 20 bereitstellt,
als nötig
ist, um die sich selbst fortpflanzende Reaktion zu starten.
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Das
reaktive Material 20 in der gezeigten Ausführungsform
trennt die ersten und zweiten Enden 50, 52 des
Sicherungseinsatzes 44, um einen Verschmelzungsbereich 54 zu
definieren. Der Verschmelzungsbereich 54 definiert die
Stelle entlang des länglichen
Sicherungseinsatzes 44, an der eine anhaltende Stromüberlastung
die Reaktion des reaktiven Materials 20 wahrscheinlich
initiiert und den Sicherungseinsatz 44 körperlich
trennt oder öffnet.
Es ist klar, dass das reaktive Material 20 so groß sein kann,
dass es mit der gesamten oberen Oberfläche des Sicherungseinsatzes 44 in
Eingriff kommt oder diese bedeckt, um einen größeren Verschmelzungsbereich
bereitzustellen.
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In
einer weiteren alternativen Konfiguration kann der reaktive Film
zwischen der oberen Oberfläche 28 des
Trägers 12 (siehe 1A)
und einer unteren Oberfläche 56 des
Sicherungseinsatzes 44 angebracht werden. Das heißt, der
leitende Sicherungseinsatz 44 überlagert das reaktive Material 20 der
beispielsweise vorstehend erläuterten
Nano-Schichten.
Auf diese Art und Weise wird die durch die Reaktion des reaktiven
Materials 20 als Antwort auf eine Energiezufuhr erzeugte örtliche
Hitze auf den isolierenden Träger 12 und
den Sicherungseinsatz 44 fokussiert.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
eines im Allgemeinen zylinderförmigen
Sicherungselements 58. Das Sicherungselement 58 umfasst
einen Sicherungseinsatz 60, der als eine annährend zylinderförmige Hülle mit
einem hohlen Inneren 62 gebildet wird, der jeweils durch
offene erste und zweite Enden 64, 66 definiert
ist. Das hohle Innere 62 ist ausgelegt, das reaktive Material 20 zu
tragen, das ein gewendelter, reaktiver Film, ein zusammenhängendes
Stück an
reaktivem Material oder einfach geschichtetes reaktives Material
sein kann, das durch eines des ersten oder zweiten Endes 64, 66 abgelegt
ist, um die zylinderförmige
Hülle des
Sicherungselements 60 teilweise, im Wesentlichen oder vollständig zu
füllen. Auf
diese Art und Weise kann elektrische Energie durch das Sicherungselement 58 und
den Sicherungseinsatz 60 treten, bis ausreichend Energie
bereitgestellt ist das reaktive Material 20 zu aktivieren. Nach
einer Aktivierung erzeugt das reaktive Material 20 eine
starke und örtliche
Hitze, um den Sicherungseinsatz 60 zu schmelzen oder zu
verdampfen und die Schaltung 30, die durch das Sicherungselement
verbunden ist (1B), zu öffnen.
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Durch
Sichern des reaktiven Materials 20 in dem Sicherungseinsatz 60,
wird die durch die sich selbst fortpflanzende Reaktion erzeugte
Energie fokussiert und auf die zylinderförmige Hülle gerichtet. Es ist jedoch
klar, dass das reaktive Material 20 um eine äußere Oberfläche 70 des
Sicherungseinsatzes 60 gewickelt werden kann, um das Sicherungselement 58 als
Antwort auf die Energiezufuhr zu öffnen. Außerdem können die Geometrien des Sicherungseinsatzes 60 und
des reaktiven Materials 20 verändert werden, um beispielsweise
geradlinige Elemente, achteckige Elemente etc. zu sein, ohne von
den Lehren der offenbarten Ausführungsform
abzuweichen. Obwohl nicht gezeigt, kann Sicherung 58 (und eine
beliebige hier beschriebene Sicherung) Leitungen, Anschlüsse, Kontakt-Endkappen
umfassen oder anders konfiguriert sein, um axial, radial angebracht
oder oberflächenmontiert
etc. zu werden.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Sicherungselements 72, welches einen im Allgemeinen
zylinderförmigen
Sicherungseinsatz 74 umfasst, der ein spiralförmig gewendeltes
reaktives Material 20, beispielsweise einen reaktiven Draht
um eine äußere Oberfläche 78 trägt. In einer
Ausführungsform
ist das reaktive Material 20 ein nano-geschichteter Draht, der einen Paar
an Reaktionspartnern umfasst, die in mehreren gewendelten Schichten
mit einer ungefähren
Dicke von 100 nm abgelegt sind. Die Nano-Schichten initiieren eine sich selbst fortpflanzende
exotherme Reaktion, um den Sicherungseinsatz 74 als Antwort
auf eine äußere Energiezufuhr,
wie beispielsweise das Erhitzen des zylinderförmigen Sicherungselements als
Antwort auf eine anhaltende Stromüberlastung oder entfernt ausgelöst durch
Anlegen von RF-Strahlung von einem Sender. Das Ausmaß der exothermen
Reaktion kann leicht gesteuert werden basierend auf der Anzahl der Windungen
des reaktiven Materials 20 um die äußere Oberfläche 78. Im Allgemeinen
führt eine
Erhöhung in
der Anzahl der Windungen um den Sicherungseinsatz 74 zu
einer entsprechenden Erhöhung
in der örtlichen
Hitze, die während
der Reaktion des reaktiven Materials 20 erzeugt wird.
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Alternativ
kann der Sicherungseinsatz 74 ein zylinderförmiger Draht
sein, der sich um einen Kern des reaktiven Materials 20 wickelt
oder windet (siehe im Allgemeinen 3), oder
ein gewendelter Draht aus reaktivem Material 20 (sie im
Allgemeinen 4). In dieser beispielhaften
Ausführungsform können die Überlastungsbetrieb-Merkmalen
des Sicherungselement 72 durch Verändern der Anzahl an Windungen
des Sicherungseinsatzes 74 um das reaktive Material 20 verändert werden.
Insbesondere der Querschnitt des Sicherungseinsatzes 74 kann
erhöht
werden, was zu einer höheren
Störsicherheit
gegen Stromstöße führt, während eine
Erhöhung
der Anzahl an Windungen den Widerstand des Elements anhebt, wobei
das Selbst-Erhitzen auf eine verlängerte Stromüberlastungsbedingung
erhöht
wird.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform
des reaktiven Sicherungselements 42 (vorstehend in 2 gezeigt).
In dieser beispielhaften Ausführungsform
ist der längliche
Sicherungseinsatz 44 des reaktiven Sicherungselements 42 angeordnet, das
reaktive Material 20 zwischen dem ersten und zweiten Ende 50, 52 zu
tragen. So kann insbesondere das reaktive Material 20 mehrere
Fehlstellen oder Öffnungen 82 umfassen.
Die Öffnungen 82 definieren
wiederum eine Anzahl an hochohmigen Brücken 84, die angeordnet
sind als Antwort auf plötzliche
Erhöhungen
im Stromfluss durch den Sicherungseinsatz 44 zu öffnen. Durch Ändern der
körperlichen
Abmessungen, d.h. Länge,
Breite, Dicke etc., der hochohmigen Brücken 84 kann die Sensitivität des reaktiven
Materials 20 auf Veränderungen
im elektrischen Strom, Kurzschlüssen
etc. angepasst werden.
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Die 6A, 6B und 6C zeigen
eine geschichtete und faltbare reaktive Sicherung 92, die in Übereinstimmung
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert werden kann.
Die faltbare reaktive Sicherung 92 umfasst einen flexiblen
Sicherungseinsatz 94, der angrenzend an eine flexible Schicht
aus reaktivem Material 20 ausgerichtet ist und eine isolierende
Schicht 96. Normalerweise werden der flexible Sicherungseinsatz 94 und
das reaktive Material 20 vorgeschnitten und geformt, basierend
auf den Größen- und
Leistungsanforderungen der Anwendung und/oder der körperlichen
Größe des Schaltungspfads 38,
in dem die faltbare Sicherung 92 eingesetzt wird. Wenn
aufgebaut, ist der flexible Sicherungseinsatz 94 positioniert
angrenzend zu und mit dem reaktiven Material 20 elektrisch
gekoppelt. Die isolierende Schicht 96 grenzt an die zwei elektrische
gekoppelten Schichten 94, 48. Die isolierende
Schicht 96 verhindert einen Kurzschluss zwischen den elektrisch
gekoppelten Schichten 94, 48 entlang der durch
den Pfeil A kennzeichneten Richtung (wie in 6C gezeigt),
wenn die Schichten 94, 48 und 96 um eine
zentrale Achse CL gefaltet oder gewunden sind. Dazu kann die isolierende
Schicht 96 etwas größer sein
als Einsatz 94 und reaktives Material 20.
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Die 6B und 6C zeigen
erste und zweite Leitungen oder Anschlüsse 98, 100,
die an entsprechende erste und zweite Ränder 102, 104 des
flexiblen Sicherungseinsatzes 94 gesichert sind. Es ist
klar, dass die erste und zweite Leitung 98, 100 mit
dem Sicherungseinsatz 94, flexiblen Material 20 direkt
verbunden werden kann oder indirekt mit den ersten und zweiten Rändern 102, 104.
Außerdem können die
Leitungen 98, 100 Lappen oder Vorsprünge sein,
die als ein Anteil der Sicherungsschicht 94 und/oder des
reaktiven Materials 20 einstückig ausgebildet sind. Gleichermaßen können die
Leitungen 98, 100 ein beliebiger elektrisch leitender
Draht sein, der zusammengefügt
ist oder anders elektrisch gekoppelt ist mit einer oder mehrerer
der Sicherungsschichten 94 und des reaktiven Materials 20.
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6C zeigt
die flexiblen Schichten 94, 20 und 96 gewunden
um die zentrale Achse CL, es ist jedoch klar, dass die Schichten 94, 20 und 96 übereinander
vor und zurück
gefaltet werden können,
um parallele Falten aufzuweisen, die einem Akkordeon-Blasebalg ähneln. Wenn
nötig,
kann eine zweite isolierende Schicht 96, beispielsweise über einen Klebstoff,
an den Einsatz 94 gekoppelt sein, um einen Kurzschluss
durch die Sicherung 92 zu verhindern. Die gesamte Form
und Größe der faltbaren
reaktiven Sicherung 92 kann durch Verändern der Länge und Dicke der Schichten 94, 20 und 96 und
der Faltungsgeometrie, d.h. zylinderförmige oder parallele Falten,
angepasst werden.
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Die 7A, 7B und 8 zeigen
jeweils Gehäuse 106, 108 und 110,
die in Verbindung mit beispielsweise der in 6A bis 6B gezeigten,
faltbaren Sicherung 92 verwendet werden können. Die
Gehäuse 106, 108 und 110 umgeben
und verschließen
die flexible Sicherung 92, um zu verhindern, dass Verschmelzungsgase,
Flüssigkeiten
etc. während
oder nach der Reaktion des reaktiven Materials 20 und einem Öffnen der
entsprechenden Sicherung austreten. Die Gehäuse 106, 108 und 110 umfassen
Kontakte 112, 114, die angeordnet sind, um mit
den entsprechenden Kontakt-Pads 112a, 114a in Eingriff
zu kommen, die als ein Teil des Schaltungspfads 38 ausgebildet
sind (siehe 1B). Die Kontakte 112, 114 wirken
mit den Leitungen 98, 100 der Sicherung 92 zusammen,
um die faltbare Sicherung an den Schaltungspfad 38 und/oder
die PCB 40 elektrisch zu koppeln. Das Gehäuse 108 umfasst
ein Paar an Bogen/Lichtbogen-Barrieren 116, 116a,
die mit den Faltungen 118, 118a der faltbaren
Sicherung 92 in Eingriff kommen, um eine Lichtbogenbildung oder
Kurzschlüsse
nach Öffnen
der faltbaren Sicherung 92 zu verhindern. Gleichermaßen umfasst
das Gehäuse 110 eine
Lichtbogen-Barriere 116b, die angeordnet ist eine unerwünschte Lichtbogenbildung oder
Kurzschlüsse
zwischen den gefalteten Enden der Sicherung 92 zu verhindern
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
in 1 gezeigten elektrischen Sicherung 10.
In dieser Konfiguration ist das zusätzliche Material, wie eine
Klebstoffschicht 120, umfasst, um das reaktive Material 20 in
Verbindung mit Sicherung 10 zu sichern und schützen, um
eine direkte thermische Kopplung dazwischen sicherzustellen. Insbesondere kann
an vorgeformtes Stück
an reaktivem Material 20 angrenzend zu den Sicherungseinsatz 18 platziert werden
und in einer Position mit einem Klebstoff 120, wie einem
Silikonharz, fixiert werden. Zusätzlich
stellt der Klebstoff 120 eine regelmäßige Oberfläche bereit, die geeignet ist
zum Zusammenwirken mit der Vakuumdüse eines Bestückungsautomaten.
Wahlweise kann das reaktive Material 20 den Sicherungseinsatz 18 ersetzen
und das erste und zweite Abschluss-Pad 14, 16 elektrisch
koppeln. In dieser Ausführungsform
aktiviert das reaktive Material 20 als Antwort auf eine
selbsterhitzende Energiezufuhr, die verursacht wird durch einen übermäßigen Stromfluss zwischen
dem ersten und zweiten Abschluss-Pad 14, 16. Das
beispielhafte reaktive Material 20 kann in einer Vielzahl
an Formen, wie beispielsweise gerade oder gewundene Drähte oder
ebene Bänder/Streifen, wie
vorstehend diskutiert, gebildet werden.
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10, 11A, 11B, 11C und 12 zeigen
zusätzliche
Ausführungsformen,
die das reaktive Material und/oder den reaktiven Film oder Folien
verwenden, um ein örtliches
Erhitzen zum Löten,
Hartlöten
oder Verschweißen
von einem oder mehrerer Metalle zusammen verwenden. 10 zeigt
eine Ausführungsform
der reaktiven Folie oder des Materials 20, das zwischen
einer ersten und zweiten metallischen Komponente, die verbunden
werden sollen, positioniert ist. Die erste und zweite metallische
Komponente 122, 124 können Kontaktplatten, Anbringpunkte,
Sicherungselemente oder eine beliebige andere metallische, leitende
oder schmelzbare Komponente sein. Diese beispielhafte Ausführungsform
zeigt die reaktive Folie 48 eingelegt zwischen der ersten
und zweiten Komponente 122, 124, die eine lötende oder
hartlötende
Vorform sein können.
Im Betrieb sind das reaktive Material 20 und die erste
und zweite Komponente 122, 124 unter Druck zusammen
gehalten, um die Ausrichtung zu versichern, und eine Energiequelle,
wie eine elektrische Entladung, ein Funken, ein Laserpuls, ein heißes Filament
oder eine Flamme, initiieren eine Reaktion mit dem reaktiven Material 20.
Die so erhaltene exotherme Reaktion erzeugt Hitze, die ausreichend ist
das Lötmetall
oder die Hartlöt-Legierung
zu schmelzen, um die erste Komponente 122 an die zweite
Komponente 124 metallurgisch zusammenzufügen.
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11A, 11B und 11C zeigen reaktive Vorform-Materialien 126a, 126b und 126c,
die verwendet werden können,
um eine metallische Komponente 128 an ein Basis-Sicherungselement 130 zu
verbinden. So kann die metallische Komponente 128 beispielsweise
ein Zinn (Sn)-Streifen sein, der an ein Kupfer (Cu)-Sicherungselement
verbunden ist, um als ein "M" Punkt zu dienen,
um sich den Metcalf-Effekt zu Nutze zu machen, indem die gesamte
Schmelztemperatur der so erhaltenen SnCu-Legierung verringert wird.
Für große Sicherungen eliminiert
die örtliche,
durch die reaktiven Materialien 126a, 126b und 126c bereitgestellte
Hitzequelle die Notwendigkeit eines Anhebens der gesamten Temperatur
der ganzen Sicherungmasse/Komponente auf die Verbindungstemperatur
des Sn-Streifens und des Cu-Sicherungselements. Wie in 11A gezeigt ist das vorgeformte reaktive Material 126a zwischen dem
Basis-Sicherungselement 130 und der metallischen Komponente 128 positioniert,
um angefügt
zu werden. 11B zeigt das vorgeformte reaktive
Material 126b angeordnet, um die Diffusion der metallischen
Komponente 128 in das Basis-Sicherungselement 130 nur entlang
eines Umfangs 132 der Komponente 128 zu erleichtern,
wobei dadurch eine innere Fläche 134 frei
von den intermetallischen Reaktionspartner-Produkten gehalten wird, die durch das Zusammenwirken
der Nano-Schichten der anfänglichen
Reaktionspartnern, die das reaktive Material 126a, 126b und 126c umfassen,
gebildet werden. 11C zeigt das vorgeformte reaktive
Material 126c mit mehreren Fehlstellen 136, die
angeordnet sind die Intensität
einer örtlichen,
durch die Reaktion der anfänglichen
Reaktionspartnern erzeugte Hitze zu steuern und zu verringern.
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12 zeigt
eine Patronensicherung 138, die umfasst eine reaktive Folie 140,
die angeordnet ist eine Hitzequelle zum Verbinden des Sicherungselements 140,
eine leitende Scheibe/Unterlegscheibe 144 und seine Sicherungskappe 146.
Insbesondere die Scheibe 144 und das Sicherungselement 142 können mit
einer Lötmetall-Schicht
oder Hartlöt-Legierung 148 umhüllt sein
und angrenzend zu der reaktiven Folie 140 positioniert
sein. Eine Energiequelle, wie ein Funke, kann durch eine Zündöffnung 150 angelegt
werden, um die Reaktion in dem reaktiven Element 140 zu
initiieren. Die als ein Ergebnis der Reaktion erzeugten Hitze wird
normalerweise die Lötmetall-Schicht 148 schmelzen,
die wiederum fließt
und die Scheibe 144 und das Sicherungselement 142 metallisch
verbindet. Die metallische Verbindung dient dazu die Sicherungskappe 146 mit dem
Sicherungselement 142 elektrisch zu verbinden und eine
entsprechende Sicherungskappe mit dem Element, nicht gezeigt, an
dem gegenüberliegenden oder
entfernten Ende der Patronensicherung 138. Obwohl 12 eine
spezielle Sicherungsgestaltung zeigt, können die reaktive Folie und
das Durchführungskonzept
auf verschiedene Typen von Sicherungskonstruktionen angewendet werden,
so wie das Anfügen
einer Sicherung an ein Schaltungs-Träger.
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Es
sollte klar sein, dass dem Fachmann verschiedenartige Veränderungen
und Modifikationen zu den derzeitigen, hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen
offensichtlich sind. Derartige Veränderungen und Modifikationen
können
durchgeführt
werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen
und ohne ihre bestimmungsgemäßen Vorteile
zu verringern. Es ist deshalb vorgesehen, dass derartig Veränderungen und
Modifikationen durch die beigefügten
Ansprüche abgedeckt
sind.