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Gebiet der Offenbarung
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Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Schaltkreisschutzvorrichtungen und insbesondere auf eine Sicherung mit einem Verbundsicherungselement, das ein isolierendes, lichtbogenunterdrückendes Substrat umfasst.
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Hintergrund der Offenbarung
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Sicherungen werden seit Langem in elektrischen Vorrichtungen zum Bereitstellen einer unterbrechbaren elektrischen Verbindung zwischen einer Quelle von elektrischer Leistung und einer Komponente in einem elektrischen Schaltkreis, die geschützt werden muss, verwendet. Zum Beispiel kann sich beim Auftreten einer Überstromsituation in einem Schaltkreis, wie sie aus einem Kurzschluss oder einer plötzlichen Überspannung resultieren kann, ein Element innerhalb der Sicherung abspalten und den Fluss des elektrischen Stroms zu einer geschützten Schaltkreiskomponente unterbrechen, wodurch Schaden an der Komponente, der andernfalls entstehen könnte, wenn die Überstromsituation bestehen gelassen würde, vermieden oder abgeschwächt wird.
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Ein auf dem Gebiet der Technik gut bekannter Sicherungstyp umfasst einen hohlen Sicherungskörper und ein Sicherungselement, das innerhalb des hohlen Körpers angeordnet ist. Zum Beispiel veranschaulicht 1 eine Seitenansicht einer herkömmlichen Sicherung 100 mit einem hohlen röhrenförmigen Sicherungskörper 110. Die Sicherung 100 umfasst eine erste Endkappe 130, eine zweite Endkappe 140 und ein Sicherungselement 120, das innerhalb eines Hohlraums 150 des hohlen Sicherungskörpers 110 angeordnet ist und sich durch diesen hindurch erstreckt, um eine elektrische Verbindung zwischen den Endkappen 130 und 140 zu bilden. Das Sicherungselement 120 ist aus einem elektrisch leitenden Material mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt gebildet. Die Endkappen 130 und 140 sind aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und passen über die longitudinalen Enden des Sicherungskörpers 110, um einen elektrischen Kontakt mit dem Sicherungselement 120 bereitzustellen. Das Sicherungselement 120 ist mit den Endkappen 130 und 140 durch Lötkehlen 155, die an gegenüberliegenden Enden des Sicherungskörpers 110 angeordnet sind, verbunden. Der Hohlraum 150, der durch eine innere Oberfläche 115 des Sicherungskörpers 110 definiert wird, enthält einen isolierenden Füllstoff 160, der ein pulverförmiges oder körniges nicht leitendes Material wie etwa ein Sand sein kann.
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Wenn das Sicherungselement
120 aufgrund eines vorbestimmten übermäßigen Maßes an Strom, der durch das Sicherungselement
120 fließt, schmilzt oder sich abspaltet, bildet sich ein elektrischer Lichtbogen zwischen den ungeschmolzenen Abschnitten des Elements. Der Lichtbogen wächst in der Länge, wenn sich die sich abspaltenden Abschnitte des Sicherungselements
120 voneinander entfernen, bis die Spannung, die zum Aufrechterhalten des Lichtbogens erforderlich ist, höher ist als die verfügbare Spannung in dem geschützten Schaltkreis, was den Stromfluss beendet. Es ist daher wünschenswert, derartige Lichtbogen so schnell wie möglich zu unterdrücken, um die Zeit, nachdem der übermäßige Strom erreicht worden ist, bis der Stromfluss gestoppt wird, zu beschränken. Das isolierende Füllstoffmaterial
160 wirkt, um den elektrischen Lichtbogen in der beispielhaften herkömmlichen Sicherung
100 durch Füllen der Lücke, die sich zwischen geschmolzenen Abschnitten des Sicherungselements
120 bildet, zu unterdrücken. Wegen des beschränkten Oberflächenkontakts zwischen dem Füllstoffmaterial
160 und dem Sicherungselement
120 kann die Zeit, die zum Löschen eines Lichtbogens erforderlich ist, jedoch trotzdem übermäßig (d. h. nicht ausreichend kurz, um Schaden an einer Komponente eines geschützten Schaltkreises zu vermeiden) sein. Aus Dokument
US 2002 / 0 101 323 A1 sind Hochspannungsstrombegrenzungssicherungen bekannt, die ein längliches Gehäuse, einen automatisch zentrierenden Anschluss, der zentral um die längliche Achse des Gehäuses angeordnet ist, und ein längliches schmelzbares Element, das an dem Anschluss angebracht und entlang der länglichen Achse des Gehäuses durch den Verbinder gesichert ist aufweisen. Druckschrift
JP 2002- 203 468 A offenbart eine Sicherung mit eine zick-zack-förmig angeordneten Sicherungselement, wodurch eine größere Anzahl an Schwachpunkten bei gleichbleibender Größe der Sicherung angeordnet werden können. Druckschrift
DE 10 2006 004 246 A1 offenbart eine oberflächenmontierbare Sicherung, die mehrere in einem isolierenden Trägermaterial angebrachte Sicherungsverbindungen bzw. brücken beinhaltet und so mehrere leitende Pfade der gleichen Schaltung oder verschiedener Schaltungen schützen kann.
EP 2 701 176 A1 offenbart ein Sicherungselement welches aus wenigstes vier Streifen einer Metallfolie gebildet wird, wobei wenigstens zwei Streifen parallel zueinander angeordnet sind wodurch eine Reduzierung der Produktionskosten erreicht werden kann. Entsprechend enthalten die genannten Druckschriften für das Verständnis des Hintergrunds der Erfindung hilfreiche Informationen. Es ist daher offensichtlich, dass ein Bedürfnis besteht, Lichtbogenlöschung bei Sicherungen zu verbessern.
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Übersicht
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden ein Sicherungselement, eine Sicherung mit einem derartigen Sicherungselement, das verbesserte Lichtbogenlöschungseigenschaften erkennen lässt, und Verfahren zum Herstellen desselben offenbart. Entsprechend offenbart die vorliegende Erfindung ein Sicherungselement, eine Sicherung und Verfahren zur Herstellung von Sicherungselementen wie mit den unabhängigen Patentansprüchen 1, 6, 8 und 12 beansprucht.
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Ein Sicherungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung weist einen quaderförmigen isolierenden Substratabschnitt mit einer ebenen oberen Oberfläche, einer gegenüberliegenden, ebenen unteren Oberfläche und gegenüberliegenden Seitenflächen, die sich zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche erstrecken, wobei die Seitenflächen entsprechende Reihen von Schlitzen und eine Vielzahl leitender Metallabschnitte auf, die auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des isolierenden Substratabschnitts angeordnet sind, wobei die Schlitze zumindest teilweise mit einer Metallpaste gefüllt sind, die die Metallabschnitte auf der oberen Oberfläche mit den Metallabschnitten auf der unteren Oberfläche verbindet, wobei die Metallabschnitte und die Metallpaste in den Schlitzen eine einzige kontinuierliche, spiralförmige elektrische Leitung bilden, die sich um 720 Grad um eine Achse des isolierenden Substratabschnitts von einem ersten Ende des isolierenden Substratabschnitts zu einem zweiten Ende des isolierenden Substratabschnitts erstreckt.
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Eine Sicherung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen hohlen Sicherungskörper, der einen zentralen Hohlraum definiert, ein erfindungsgemäßes Sicherungselement, das innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, und eine erste Endkappe, die mit einem ersten Ende des Sicherungselements verbunden ist, und eine zweite Endkappe, die mit einem zweiten Ende des Sicherungselements verbunden ist.
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Ein Verfahrens zum Herstellen eines Sicherungselements gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst das Bereitstellen eines Isolationssubstrats, das Bilden von Perforationsreihen in dem Isolationssubstrat, wobei sich die Reihen entlang paralleler, lateral mit Abstand angeordneter Linien erstrecken, das Bilden von gemusterten, elektrisch leitenden Metallabschnitten an gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Isolationssubstrats, wobei sich jeder Metallabschnitt bis zu mindestens einer der Perforationen erstreckt, das Abscheiden von Metallpaste in jede der Perforationen, wobei die Metallpaste mit mindestens einem der Metallabschnitte in Kontakt ist, und das Zerteilen des Isolationssubstrats (500) entlang Linien, die jede Perforationsreihe lateral halbieren um eine Vielzahl zerteilter isolierender Substratabschnitte zu bilden, wobei die Metallabschnitte und Metallpastenabscheidungen einen spiralförmigen, elektrisch leitenden Pfad definieren, der jeden zerteilten isolierenden Substratabschnitt mindestens teilweise umgibt und in kontinuierlichem, engem Kontakt damit ist.
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Figurenliste
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Als Beispiel werden spezifische Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtung nun beschrieben, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
- 1 eine seitliche Querschnittsansicht ist, die eine Sicherung nach dem Stand der Technik veranschaulicht
- 2a eine seitliche Querschnittsansicht ist, die eine Sicherung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht
- 2b ein Diagramm ist, das Lichtbogenzeitdaten für eine Sicherung gemäß der Sicherungsausführungsform, die in 2 gezeigt ist, sowie Lichtbogenzeitdaten für zwei herkömmliche Sicherungen darstellt
- 3a-3d veranschaulichen ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen der in 2a gezeigten Sicherung.
- 3e-3f sind perspektivische Ansichten, die Ausgestaltungen von Verbundsicherungselementen gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen.
- 4a-4d sind perspektivische Ansichten von oben und unten, die ein erfindungsgemäßes Verbundsicherungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen.
- 5a-5f veranschaulichen ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen des Verbundsicherungselements, das in 4a-4d gezeigt ist.
- 6 veranschaulicht eine beispielhafte Sicherung, die das Sicherungselement, das in 4a-4d gezeigt ist, einsetzt.
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Detaillierte Beschreibung
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Verschiedene Ausführungsformen einer Sicherung mit einem Verbundsicherungselement, das ein Keramiksubstrat umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen desselben gemäß der vorliegenden Offenbarung werden nun hierin unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, ausführlicher beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein und sollte nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung genau und vollständig ist und den Bereich der Erfindung Fachleuten in vollem Ausmaß vermittelt. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Nummern durchgehend auf gleiche Elemente.
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Aus Gründen der Verständlichkeit und Übersichtlichkeit können Begriffe wie „Vorder-‟, „Hinter-“, „Ober-“, „Unter-“, „nach oben“, „nach unten“, „vertikal“, „horizontal“, „lateral“ und „longitudinal“ hierin verwendet werden, um die relative Platzierung und Ausrichtung von verschiedenen unten beschriebenen Strukturen und Komponenten zu beschreiben. Die Terminologie umfasst die spezifisch erwähnten Wörter, Ableitungen davon und Wörter mit ähnlicher Bedeutung.
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2a veranschaulicht eine seitliche Querschnittsansicht einer beispielhaften Sicherung 270, die mit gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt. Die Sicherung 270 umfasst leitende Endkappen 272, die über gegenüberliegende longitudinale Enden eines röhrenförmigen Sicherungskörpers 274 passen, etwa durch Pressverbindung oder andere Wege des gesicherten Eingriffs, um einen geschlossenen Hohlraum 276 darin zu definieren. Die Endkappen 272 können ganz oder teilweise aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kupfer oder Messing, und können mit zusätzlichen Materialien wie etwa Zinn oder Silber beschichtet sein. Der Sicherungskörper 274 kann aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Glas, Keramik, Kunststoff und verschiedene Verbundstoffe, und kann eine beliebige geeignete Querschnittsform aufweisen, wie etwa rund, rechteckig, dreieckig oder unregelmäßig. Die Größe und Form des Querschnitts der Endkappen 272 kann im Wesentlichen mit der Größe und Form des Querschnitts des Sicherungskörpers 274 übereinstimmen, um den Fügungseingriff dazwischen zu erleichtern. Der Hohlraum 276 der Sicherung 270 kann mit Luft, reaktionsträgem Gas, verschiedenen pulverförmigen oder körnigen isolierenden Materialien gefüllt sein oder kann vakuumdicht sein.
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Ein Verbundsicherungselement 278 kann sich zwischen den Endkappen 272 erstrecken und umfasst einen isolierenden Substratabschnitt 280 und einen leitenden Metallabschnitt 282. Der isolierende Substratabschnitt 280 des Sicherungselements 278 kann aus einem beliebigen geeigneten isolierenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Keramik, Glas, Kunststoff und verschiedene Verbundstoffe. Der Metallabschnitt 282 kann aus einem beliebigen bekannten Metallmaterial, das sich für die Verwendung als leitendes Sicherungselement eignet, gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zinn, Blei und Zink. Der isolierende Substratabschnitt 280 und der Metallabschnitt 282 sind in einer parallelen, flach anliegenden Beziehung innerhalb des Hohlraums 276 angeordnet und sind in engem Kontakt miteinander. Die longitudinalen Enden des Sicherungselements 278 können mit den Endkappen 272 durch ein beliebiges geeignetes elektrisch leitendes Befestigungsmittel verbunden werden, wie etwa zum Beispiel mit Lötkehlen oder mit verschiedenen leitenden Haftmitteln.
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Durch Experimentieren wurde herausgefunden, dass das Verbundsicherungselement 278 beim Auftreten einer Überstromsituation im Vergleich zu einer Sicherung mit einem herkömmlichen Sicherungselement, das nur durch ein leitendes Metallbauteil, das von einem isolierenden Füllstoffmaterial umgeben sein kann oder nicht, definiert wird, einen verbesserten Widerstand gegenüber der Bildung von elektrischen Lichtbögen bereitstellt. Zum Beispiel stellt das in 2b gezeigte Diagramm beispielhafte Lichtbogenzeitdaten für mehrere Sicherungen mit einheitlichen Größen und Strombemessungen dar. Im Besonderen werden Lichtbogenzeitdaten für eine Sicherung mit einem Verbundsicherungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung durch Kurve 290 in 2b repräsentiert, während Kurven 292 und 294 in 2b Lichtbogenzeitdaten für zwei Sicherungen mit herkömmlichen Nicht-Verbund-Sicherungselementen repräsentieren. Fachleute werden selbstverständlich erkennen, dass Variationen der Sicherungsbemessungsdaten und Sicherungsgröße in entsprechenden Variationen der Lichtbogenzeit resultieren. Wie in 2b gezeigt, betrug die Lichtbogenzeit für die Sicherung gemäß der vorliegenden Offenbarung etwa 100 Mikrosekunden oder weniger, während die Lichtbogenzeit für die Sicherungen mit herkömmlichen Sicherungselementen in der Größenordnung von einer Millisekunde (wie durch Kurve 292 gezeigt) oder einer Mehrzahl von Millisekunden (wie durch Kurve 294 gezeigt) lag. Es ist daher aufgezeigt worden, dass die Lichtbogenlöschungsfähigkeit eines Verbundsicherungselements gemäß der vorliegenden Offenbarung bedeutend besser als jene von herkömmlichen Sicherungselementen ist.
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Die verbesserte Lichtbogenunterdrückung der Sicherung 270 in Bezug auf herkömmliche Sicherungen ist eine direkte Folge davon, dass der Metallabschnitt 282 des Sicherungselements 278 in kontinuierlichem, engem Kontakt mit dem isolierenden Substratabschnitt 280 des Sicherungselements 278 ist Im Besonderen erstreckt sich der isolierende Substratabschnitt 280, der beim Auftreten einer Überstromsituation nicht schmilzt oder auseinanderbricht, über eine Lücke in dem Metallabschnitt 282, die gebildet wird, wenn der Metallabschnitt 282 schmilzt oder auseinanderbricht (d. h. wenn longitudinal gegenüberliegende, ungeschmolzene Abschnitte des Metallabschnitts 282 schmelzen und sich longitudinal voneinander entfernen). Der isolierende Subtratabschnitt 280 wirkt daher als Lichtbogenunterdrücker innerhalb der sich longitudinal erweiternden Lücke, wobei der Kontaktbereich zwischen dem isolierende Substratabschnitt 280 und dem Metallabschnitt 282 größer als der Kontaktbereich zwischen Füllstoffmaterialien und Metallsicherungselementen in herkömmlichen Sicherungen ist (wie in 1 gezeigt).
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3a-3d geben ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Sicherung 270 wieder, das mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt. Bezugnehmend als Erstes auf 3a wird ein Isolationssubstrat 300, wie das aus Keramik oder anderen isolierenden Materialien, wie zuvor besprochen, gebildet werden kann, mit darüber liegenden Metallabschnitten 302 versehen. Die Metallabschnitte 302 können als Streifen gebildet sein und können in verschiedenen Ausführungsformen produziert und unter Verwendung von Schablonendruck, Plattieren, Dampfabscheidung oder anderen bekannten Techniken zum Bilden und Abscheiden von Beschichtungen oder Schichten auf einem Substrat auf dem Isolationssubstrat 300 aufgebracht werden. Die Breite und Dicke der Metallabschnitte 302 können gemäß den gewünschten Eigenschaften des Verbundsicherungselements, das gebildet werden soll, variiert werden. Zum Beispiel kann der Metallabschnitt eines Sicherungselements, das konzipiert ist, um eine relativ höhere Strombeschränkung aufzuweisen, breiter und/oder dicker als der Metallabschnitt eines Sicherungselements, das konzipiert ist, um eine relativ niedrigere Strombeschränkung aufzuweisen, hergestellt werden.
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In 3b wird das Substrat 300 für das Zerteilen vorbereitet, um mehrere einzelne Verbundsicherungselemente 278 (wie in 2a und 3c-d gezeigt) zu bilden. Zum Beispiel können in dem Substrat 300 lateral zwischen den Metallabschnitten 302 wie gezeigt Ritzlinien 304 angebracht werden. Obwohl dies nicht gezeigt ist, wird in Erwägung gezogen, dass die Metallabschnitte 302 auf ähnliche Weise für das Zuschneiden auf eine gewünschte Breite vorbereitet werden.
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Bezugnehmend auf 3e und 3f werden vorteilhafte Ausführungsformen eines Sicherungselements in Erwägung gezogen, in denen in dem Metallabschnitt davon verschiedene Schwachpunkte gebildet werden, um elektrische Lichtbogen, die beim Schmelzen der Metallabschnitte der Sicherungselemente während einer Überstromsituation auftreten können, „zu spalten“. Insbesondere veranschaulicht 3e ein Sicherungselement 380a, das einen Metallabschnitt 385a mit einer Reihe von halbkreisförmigen Ausschnitten 390a, die entlang jeder seiner lateralen Kanten, etwa durch Ausschneiden oder Ätzen, gebildet sind, umfasst. Die resultierenden schmalen Abschnitte 395a des Metallabschnitts 385a, die sich lateral zwischen den halbkreisförmigen Ausschnitten 390a befinden, dienen als Schwachpunkte, die das Spalten von elektrischen Lichtbogen ermöglichen, wenn die schmalen Abschnitte 395a beim Auftreten einer Überstromsituation schmelzen.
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In ähnlicher Weise veranschaulicht 3f ein Sicherungselement 380b, das einen Metallabschnitt 385b mit einer Reihe von rechteckigen Ausschnitten 390b, die entlang jeder seiner lateralen Kanten gebildet sind, umfasst. Die resultierenden schmalen Abschnitte 395b des Metallabschnitts 385b, die sich lateral zwischen den rechteckigen Ausschnitten 390b befinden, dienen als Schwachpunkte, die das Spalten von elektrischen Lichtbogen erleichtern, wenn die schmalen Abschnitte 395b beim Auftreten einer Überstromsituation schmelzen. Fachleute werden erkennen, dass dünner oder schmaler gemachte Schwachpunkte, die den oben beschrieben ähnlich sind, in einem Sicherungselement unter Verwendung von verschiedenen Techniken gebildet werden können und dass derartige Schwachpunkte in vielen unterschiedlichen Formen, Größen und Konfigurationen gebildet werden können. Alle derartigen Variationen werden in Erwägung gezogen und können umgesetzt werden, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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In 3c ist der Metallabschnitt 282 eines einzelnen zerteilten Verbundsicherungselements 278 (zugeschnitten aus dem Isolationssubstrat 300 und dem Metallabschnitt 302, die in 3b gezeigt sind) mit Endkappen 272 verbunden, etwa durch Löten, leitendes Epoxidharz oder ein anderes elektrisch leitendes Befestigungsmittel (nicht gezeigt). Der Metallabschnitt 282 bildet daher einen kontinuierlichen elektrisch leitenden Pfad zwischen den Endkappen 272. Der Isolationssubstratabschnitt 280 kann an den Endkappen 272 befestigt sein oder nicht. Während der isolierende Substratabschnitt 280 mit longitudinalen Enden, die sich vollständig bis zu den Endkappen 272 erstrecken, gezeigt ist, wird in Erwägung gezogen, dass der isolierende Substratabschnitt 280 alternativ dazu kürzer als der Metallabschnitt 282 sein kann und dass eines oder beide der longitudinalen Enden des Metallabschnitts 282 von ihren jeweiligen Endkappen 272 mit Abstand angeordnet sein können. In 3d ist ein Sicherungskörper 274 zwischen den Endkappen 272 installiert, um das Verbundsicherungselement 278 unterzubringen und einen Hohlraum 276 zu definieren. Wie oben beschrieben, kann der Hohlraum 276 optional mit einem isolierenden Material oder Gas (nicht gezeigt) gefüllt sein, um die Lichtbogenlöschfähigkeit der Sicherung 270 zu verstärken.
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4a-4d geben perspektivische Ansichten von oben und von unten eines erfindungsgemäßen Verbundsicherungselements 400 wieder. Das Verbundsicherungselement 400 umfasst einen Metallabschnitt 402 mit einer dreidimensionalen, im Wesentlichen spiralförmigen Form, die darum gewickelt ist und die in kontinuierlichem, engem Kontakt mit einem Isolationssubstratabschnitt 404 ist Der Metallabschnitt 402 des Sicherungselements 400 kann aus einem beliebigen bekannten Metallmaterial, das sich für die Verwendung als leitendes Sicherungselement eignet, gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zinn, Blei und Zink. Der isolierende Substratabschnitt 404 kann aus einem beliebigen geeigneten isolierenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Keramik, Glas, Kunststoff und verschiedene Verbundstoffe.
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Der isolierende Substratabschnitt 404 wird als eine rechteckige Querschnittsform aufweisend mit einer gegenüberliegenden oberen und unteren Oberfläche 412 und 416 gezeigt, aber es wird in Erwägung gezogen, dass die Form des Substratabschnitts 404 variiert werden kann, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann der isolierende Substratabschnitt 404 alternativ dazu eine kreisförmige, dreieckige oder unregelmäßige Querschnittsform aufweisen. Es wird ferner in Erwägung gezogen, dass der isolierende Substratabschnitt 404 röhrenförmig sein kann, wobei sich ein Hohlraum longitudinal durch ihn hindurch erstreckt. Unabhängig von der besonderen Form oder Größe des isolierenden Substratabschnitts 404 sollte der Metallabschnitt 402 des Sicherungselements 400 in einer eng angepassten, flach anliegenden Beziehung damit spiralförmig um den isolierenden Substratabschnitt 404 gewickelt sein.
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Bezugnehmend auf 4a können die oberen Oberflächenabschnitte 408 des Metallabschnitts 402 des Verbundsicherungselements 400 als gleichmäßig mit Abstand angeordnete, diagonal ausgerichtete Streifen auf der oberen Oberfläche 412 des isolierenden Substratabschnitts 404 eingerichtet sein. Bezugnehmend auf 4b können die unteren Oberflächenabschnitte 414 des Metallabschnitts 402 auf der unteren Oberfläche 416 des isolierenden Substratabschnitts 404 in einer zu den Oberseitenabschnitten 408 ähnlichen Weise eingerichtet sein. Die unteren Oberflächenabschnitte 414 sind durch Seitenmetallabschnitte 418, die sich rechtwinklig zwischen den lateralen Kanten der oberen Oberflächenabschnitte 408 und der unteren Oberflächenabschnitte 414 erstrecken, elektrisch leitend mit den oberen Oberflächenabschnitten 408 verbunden. Der Metallabschnitt 402 bildet daher einen kontinuierlichen, elektrisch leitenden Weg mit einer Form, die im Wesentlichen ähnlich jener eines flachen, spiralförmigen Bandes ist, das entlang Linien, die den lateralen Kanten des isolierenden Substratabschnitts 404 entsprechen, gefaltet wurde. Daher werden die Begriffe „Spirale“ und „spiralförmig“ hierin als die Form des Metallabschnitts 402, wie in den 4a und 4b gezeigt, sowie alle herkömmlichen Spiralen und Variationen davon einschließend definiert, obwohl die Form des Metallabschnitts 402 mit der engen Definition des Begriffs „Spirale“, wie in er in konventioneller Weise verwendet wird, nicht übereinstimmt.
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Bezugnehmend auf 4a und 4b können in den oberen Oberflächenabschnitten 408 und unteren Oberflächenabschnitten 414 des Metallabschnitts 402 Öffnungen oder Löcher 410 gebildet sein. Die Löcher 410 werden als kreisförmig und sich entlang des Großteils der longitudinalen Breite der oberen und unteren Oberflächenabschnitte 408 und 414 erstreckend gezeigt, aber es wird in Erwägung gezogen, dass die Form und die Größe der Löcher 410 variiert werden kann, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Bezugnehmend auf 4c und 4d schafft die Bildung der Löcher 410 Schwachpunkte 420 in dem Metallabschnitt 402, die bedeutend schmaler als die nicht perforierten Bereiche des oberen und unteren Oberflächenbereichs 408 und 414 sind. Insbesondere schafft jedes Loch 410 wie veranschaulicht zwei angrenzende Schwachpunkte 420.
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Da die Schwachpunkte 420 in dem Metallabschnitt 402 relativ schmal sind, schmelzen sie schneller und brechen schneller auseinander als die relativ breiteren, nicht perforierten Abschnitte des Metallabschnitts 402 beim Auftreten einer Überstromsituation. Das Sicherungselement 400 lässt daher eine schnellere Schaltkreisunterbrechungsreaktion erkennen, als diese durch einen gänzlich nicht perforierten Metallabschnitt bereitgestellt würde. Die im Allgemeinen spiralförmige Form des Metallabschnitts 402 des beispielhaften Sicherungselements 400 stellt eine Gesamtheit von fünf oberen und unteren Oberflächenabschnitten 408 und 412 und daher eine Gesamtheit von 10 Schwachpunkten 420 bereit. Selbstverständlich stellt eine größere Anzahl von Windungen und entsprechenden Löchern 410 in dem Metallabschnitt 402 eine größere Anzahl Schwachpunkte 420 bereit. Demgemäß erleichtert der spiralförmige Metallabschnitt 402 eine Sicherungselementkonfiguration, in der eine Vielzahl von Schwachpunkten kompakt innerhalb eines Sicherungselements einer bestimmten longitudinalen Länge eingerichtet sein können, im Vergleich zu herkömmlichen, geraden Sicherungselementen. Das Sicherungselement 400 kann dadurch in Bezug auf herkömmliche Sicherungselemente einer ähnlichen Größe zum Ausschaltvermögen einer Sicherung beitragen. „Ausschaltvermögen“ wird hierin definiert als der maximale Strom, der durch eine Sicherung sicher unterbrochen werden kann. Gleichzeitig und wie oben unter Bezugnahme auf das Sicherungselement 278 beschrieben, ist das Sicherungselement 400 gegenüber elektrischer Lichtbogenbildung resistent, da der Metallabschnitt 402 in kontinuierlichem, engem Kontakt mit dem isolierenden Substratabschnitt 404 ist Insbesondere überbrückt der Substratabschnitt 404 jegliche Lücken, die sich in dem Metallabschnitt 402 bei dem Schmelzen oder Brechen bilden können, und wirkt daher als Lichtbogenunterdrücker.
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5a-5d geben ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Sicherung 400 wieder, das mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt. In 5a wird ein Isolationssubstrat 500 bereitgestellt, das zum Beispiel aus einer flachen Lage aus Keramikmaterial, isolierendem organischem Material, biegsamem Substratmaterial oder einem beliebigen anderen geeigneten isolierenden Substratmaterial, wie oben besprochen, gebildet sein kann. In 5b wird in dem Isolationssubstrat 500 eine Reihe von Perforationen oder Schlitzen 502 gebildet, etwa unter Verwendung einer Vielfalt von bekannten Techniken, mit denen Fachleute vertraut sind. Die Schlitze 502 können sich wie gezeigt entlang paralleler, sich longitudinal erstreckender, lateral mit Abstand angeordneter Linien erstecken.
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5c veranschaulicht eine obere Oberfläche 500a des Substrats 500 mit darauf gebildeten beispielhaften gemusterten parallelogrammförmigen Metallabschnitten 504a, wobei jeder Metallabschnitt 504a ein durch ihn hindurch gebildetes Loch aufweist. In ähnlicher Weise veranschaulicht 5d eine untere Oberfläche 500b des Substrats 500 mit darauf gebildeten beispielhaften gemusterten parallelogrammförmigen Metallabschnitten 504b, wobei jeder Metallabschnitt 504b ein durch ihn hindurch gebildetes Loch aufweist. Die gemusterten Metallabschnitte 504a und 504b können unter Verwendung von Schablonendruck, Plattieren, Dampfabscheidung oder anderen bekannten Techniken zum Bilden und Abscheiden von Beschichtungen oder Schichten auf einem Substrat produziert und auf dem Substrat 500 aufgebracht werden. Die lateralen Kanten der Metallabschnitte 504a können vertikal mit den lateralen Kanten der Metallabschnitte 504b in einer Linie ausgerichtet sein.
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Eine Metallpaste 506 kann in jeden der Schlitze 502 abgeschieden werden und kann diesen im Wesentlichen füllen. Die Metallpaste 506 kann aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet sein und kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Abscheidungstechnik in den Schlitzen 502 abgeschieden werden. Die Metallpaste 506 stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Metallabschnitten 504a auf der oberen Oberfläche 500a des Substrats 500 und den Metallabschnitten 504b auf der unteren Oberfläche 500b des Substrats 500 bereit, wie unten weiter beschrieben.
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Wahlweise können die Metallabschlussabschnitte 507a und 507b an den longitudinalen Enden der unteren Oberfläche 500b des Substrats 500 abgeschieden werden. Die Abschlussabschnitte 507a und 507b können aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet sein und können unter Verwendung von beliebigen der oben besprochenen Schichtungs- und/oder Abscheidungstechniken produziert und auf das Substrat 500 aufgebracht werden. Die Abschlussabschnitte 507a und 507b können in direktem oder indirektem elektrisch leitendem Kontakt mit den Metallabschnitten 504a und 504b angeordnet sein, wie etwa mittels der Metallpaste 506, um elektrische Verbindungen zwischen den Metallabschnitten 504a und 504b und den Endkappen einer Sicherung bereitzustellen, wie unten weiter beschrieben.
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Abschließend kann das Substrat 500 zerteilt werden, wie etwa durch Brechen und Schneiden des Substrats 500 entlang sich longitudinal erstreckender Linien, die jede Reihe der mit Metallpaste gefüllten Schlitze 502 halbieren, um einzelne Sicherungselemente 400 zu produzieren, wie in 4a-4d und 5e-5f gezeigt. Obwohl nicht gezeigt, können zuerst Ritzlinien in dem Substrat 500 angebracht werden und während des Zerteilens als Leitlinien verwendet werden.
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5e und 5f veranschaulichen perspektivische Ansichten der Ober- und Unterseite des Sicherungselements 400, nachdem das Substrat 500 zerteilt worden ist. Wie oben besprochen, stellt die Metallpaste 506, die in den Schlitzen 502 abgeschieden wurde, eine elektrische Verbindung zwischen den Metallabschnitten 504a und 504b an der Ober- und Unterseite des Sicherungselements 400 dar, wodurch ein kontinuierlicher, im Allgemeinen spiralförmiger Pfad, der sich um das isolierende Substrat des Sicherungselements 400 wickelt und der in engem Kontakt damit ist, geschaffen wird. Die Größe und/oder Form der Schlitze 502 und die Menge der Metallpaste 506, die darin abgeschieden wird, kann angepasst werden, um die durch die Metallpaste 506 geschaffenen elektrischen Pfade zu verkleinern oder zu erweitern und/oder um breitere oder schmalere laterale Ränder zwischen einzelnen Sicherungselementen 400 für den Zerteilungsvorgang bereitzustellen. Wie oben besprochen, befinden sich die Metallabschlussabschnitte 507a und 507b zum Bereitstellen von elektrischen Verbindungen mit den Endkappen einer Sicherung an den longitudinalen Enden des unteren Sicherungselements 400.
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6 veranschaulicht eine seitliche Querschnittsansicht einer beispielhaften Sicherung, die das oben beschriebene Sicherungselement 400 einsetzt, wobei das Sicherungselement 400 innerhalb eines röhrenförmigen Sicherungskörpers 574 angeordnet ist. Die Sicherung 270 umfasst leitende Endkappen 572a und 572b, die über gegenüberliegende longitudinale Enden des Sicherungskörpers 574 passen, etwa durch Pressverbindung oder andere Mittel des gesicherten Eingriffs. Die Endkappen 572a und 572b können ganz oder teilweise aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kupfer oder Messing, das mit Zinn oder Silber beschichtet sein kann oder nicht. Der Sicherungskörper 574 kann aus einem beliebigen geeigneten isolierenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Glas, Keramik, Kunststoff und verschiedene Verbundstoffe, und kann eine beliebige Querschnittsform aufweisen, wie etwa rund, rechteckig, dreieckig oder unregelmäßig. Die Größe und Form des Querschnitts der Endkappen 572a und 572b kann im Wesentlichen mit der Größe und Form des Querschnitts des Sicherungskörpers 574 übereinstimmen, um den Fügungseingriff dazwischen zu erleichtern. Der Sicherungskörper 574 kann wahlweise mit Luft, reaktionsträgem Gas, verschiedenen pulverförmigen oder körnigen isolierenden Materialien gefüllt sein oder kann vakuumdicht sein.
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Das Verbundsicherungselement 400 kann sich zwischen den Endkappen 572a und 572b erstrecken und eine Lötkehle 555a kann den Abschlussabschnitt 507a des Sicherungselements 400 elektrisch mit der Endkappe 572a verbinden. In ähnlicher Weise kann eine Lötkehle 555b den Abschlussabschnitt 507b des Sicherungselements 400 elektrisch mit der Endkappe 572b verbinden.
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Wie hierin verwendet, sollte ein Element oder Schritt, das/der im Singular erwähnt ist und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorangeht, als Elemente oder Schritte im Plural nicht ausschließend verstanden werden, es sein denn, eine derartige Ausschließung wird explizit erwähnt. Des Weiteren ist nicht beabsichtigt, dass Bezüge auf „eine Ausführungsform“ der vorliegenden Erfindung als das Vorhandensein von zusätzlichen Ausführungsformen, die die erwähnten Merkmale ebenfalls inkorporieren, ausschließend interpretiert werden.
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Während bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung hierin beschrieben worden sind, wird nicht beabsichtigt, dass die Offenbarung darauf beschränkt ist, da beabsichtigt ist, dass die Offenbarung in ihrem Bereich so breit ist, wie dies das Fachgebiet ermöglicht, und dass die Beschreibung in diesem Sinn verstanden wird. Daher sollte die obenstehende Beschreibung nicht als beschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als beispielhafte Erläuterungen von bestimmten Ausführungsformen. Fachleute werden sich andere Modifikationen innerhalb des Bereichs und Wesens der hierin angefügten Patentansprüche vergegenwärtigen.
