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Gebiet der Offenlegung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Schaltungsschutzgeräten und insbesondere eine lötfreie Sicherung zur Oberflächenmontage.
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Gebiet der Offenlegung
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Eine herkömmliche Sicherung zur Oberflächenmontage enthält ein Sicherungselement, das in einem Hohlraum eines Gehäuses angeordnet ist, welcher durch eine Abdeckung und ein Unterteil definiert ist, die in einer vertikal gestapelten Anordnung aneinander befestigt sind. Das Unterteil definiert einen unteren Bereich des Gehäuses und des Hohlraums, und die Abdeckung definiert einen oberen Bereich des Gehäuses und des Hohlraums. Elektroden sind an gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gehäuses angeordnet und mit den Enden des Sicherungselements an der Verbindungsstelle von dem Unterteil und der Abdeckung mit Lot verbunden. Ein „Sicherungsfüllstoff“ (z. B. Sand) kann in dem Unterteil unterhalb des Sicherungselements eingebracht sein, bevor die Sicherung zusammengebaut wird. Der Sicherungsfüllstoff kann beim Ersticken eines elektrischen Lichtbogens helfen, der sich bilden kann, wenn das schmelzbare Element schmilzt oder sich auf andere Weise trennt bei einem Überstromzustand, wodurch das Auftreten von Lichtbögen gemildert und auch Wärme absorbiert wird, die andernfalls die Sicherung verbrennen könnte.
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Die oben beschriebene Sicherungsanordnung ist mit mehreren Schwächen verbunden. So kann beispielsweise das Lot, welches zum Verbinden der Elektroden mit dem Sicherungselement verwendet wird, als ein Ergebnis unsachgemäßer Anwendung, Hochtemperaturbetriebes (z. B. bei Hochstromanwendungen) und/oder mechanischer Beanspruchung verschlechtert werden, was zu einem vorzeitigen Ausfall der Sicherung führt. Hochgradig bleihaltiges Hochtemperaturlot mit einem Schmelzpunkt, der höher ist als die Aufschmelztemperatur der Oberflächenmontage, wurde verwendet, um Verbindungen zwischen Elektroden und Sicherungselementen in Sicherungen zur Oberflächenmontage zu gewährleisten, obwohl bekannt ist, dass dieses Lot Umweltverschmutzung verursacht.
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Eine weiterer Schwäche, die mit der oben beschriebenen Sicherungsanordnung verbunden ist, besteht darin, dass der Sicherungsfüllstoff nur unterhalb des Sicherungselements in dem durch das Unterteil definierten unteren Teil des Gehäuses eingebracht werden kann, wodurch die Oberseite des Sicherungselements unbedeckt bleibt. Die freiliegende Oberseite des Sicherungselements kann beim Auftreten eines Überstromzustands anfällig für das Auftreten von elektrischen Lichtbögen sein. Darüber hinaus wird die von der Oberseite der Sicherung abgegebene Wärme nicht oder nur teilweise vom Sicherungsfüllstoff absorbiert und kann die Sicherung verbrennen, was zu einem gefährlichen Zustand führen kann. Ferner könnte es schädlichen Metalldämpfen, die aus dem Sicherungselement bei seinem Schmelzen hervorgehen, ermöglicht werden, an der Verbindungsstelle von dem Unterteil und der Abdeckung aus dem Gehäuse auszutreten.
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WO 2015 / 030 023 A1 betrifft ein Sicherungselement mit hervorragenden Isolationseigenschaften, das an einem Strompfad angebracht ist und das mittels Selbsterhitzung durchbrennt und den Strompfad unterbricht, wenn ein den Nennstrom übersteigender Strom fließt. Beispielweise verwendet eine Sicherungsvorrichtung ein Sicherungselement mit einer beträchtlichen Größe, um die Leistung zu verbessern, während die Isolationsleistung beibehalten wird. Hierzu ist die Sicherungsvorrichtung mit einem Sicherungselement, einem Aufnahmeraum, in dem das Sicherungselement untergebracht ist, und einer Herausführungsöffnung versehen, durch die beide Enden des Sicherungselements herausgeführt werden. Der Aufnahmeraum hat ein Gehäuse, das das Sicherungselement in einem Hohlraum hält. Ein Abschirmteil ist im Inneren des Gehäuseraums angeordnet und schirmt eine Innenwandfläche, die zur Herausführungsöffnung führt, gegen Ablagerungen von einer Schmelzstelle des Sicherungselements ab.
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WO 2013 / 063 037 A1 betrifft eine Sicherung mit isolierten Stopfen, die einen in einem Sicherungskörper gebildeten Hohlraum abdichten und dazu beitragen, elektrische Lichtbögen zu löschen, wenn ein Überstromzustand auftritt. Hierzu ist eine verbesserte Sicherung mit einem Sicherungskörper versehen, der aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. Der Sicherungskörper definiert einen Hohlraum, der sich von einem ersten Ende des Sicherungskörpers zu einem zweiten Ende des Sicherungskörpers erstreckt. Ein Schmelzelement ist in dem Hohlraum angeordnet und erstreckt sich von einer ersten Endfläche des ersten Endes des Sicherungskörpers zu einer zweiten Endfläche des zweiten Endes des Sicherungskörpers. Isolierte Stopfen sind innerhalb des Hohlraums am ersten und zweiten Ende des Sicherungskörpers angeordnet, wobei die Stopfen an einer Innenfläche des Sicherungskörpers haften und Dichtungen bilden, die den inneren Hohlraum verschließen. Die Sicherung kann ferner Endabschlüsse umfassen, die an den Enden des Sicherungskörpers in elektrischem Kontakt mit dem Schmelzelement angebracht sind.
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In Bezug auf diese und andere Überlegungen können die vorliegenden Verbesserungen nützlich sein.
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Zusammenfassung
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Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine lötfreie Sicherung zur Oberflächenmontage mit verbesserter Lichtbogenlöschung vorzuschlagen.
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Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer lötfreien Sicherung zur Oberflächenmontage gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine beispielhafte Ausführungsform einer lötfreien Sicherung zur Oberflächenmontage gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
- 2 ist eine Draufsicht, die die in 1 dargestellte lötfreie Sicherung zur Oberflächenmontage bei abgenommener Abdeckung veranschaulicht;
- 3 ist eine Seitenansicht vom Querschnitt, die die in 1 gezeigte lötfreie Sicherung zur Oberflächenmontage genommen entlang der Ebene A-A veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung
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Eine lötfreie Sicherung zur Oberflächenmontage in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der lötfreien Sicherung zur Oberflächenmontage dargestellt sind. Die lötfreie Sicherung zur Oberflächenmontage kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie sich auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung genau und komplett ist und den Umfang der lötfreien Sicherung zur Oberflächenmontage Fachleuten vollständig vermittelt. In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Zahlen, sofern nicht anders angegeben, auf ähnliche Elemente.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist eine perspektivische Ansicht einer lötfreien Sicherung zur Oberflächenmontage 10 (nachfolgend „die Sicherung 10“) in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Klarheit können hier Begriffe wie „oben“, „unten“, „höhere“, „niedrigere“, „vertikal“, „horizontal“, „Höhe“, „Breite“ und „Tiefe“ verwendet werden, um die relative Anordnung, Ausrichtung und Abmessungen der Sicherung 10 und ihrer verschiedenen Komponenten zu beschreiben, und zwar jeweils in Bezug auf die Geometrie und Ausrichtung der Sicherung 10, wie sie in 1 dargestellt ist.
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Die Sicherung 10 kann ein Unterteil 12, ein Sicherungselement 14 und eine Abdeckung 16 enthalten. Das Sicherungselement 14 kann zwischen dem Unterteil 12 und der Abdeckung 16 in einer vertikal gestapelten Anordnung „sandwichartig“ angeordnet sein, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Das Unterteil 12 und die Abdeckung 16 können aus jedem geeigneten, elektrisch isolierenden Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Glas, Keramik, Kunststoff usw. Das Sicherungselement 14 kann aus jedem geeigneten, elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Zinn, Nickel, Kupfer, Zink usw.
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Das Unterteil 12 kann ein im Allgemeinen kastenförmiges Element mit einer offenen Oberseite sein. Das Unterteil 12 kann einen Boden 18 und angrenzende Seitenwände 20a, 20b, 20c, 20d enthalten, die einen inneren Hohlraum 22 definieren. Paare von beabstandeten Befestigungspfosten 24a, 24b können sich von den Oberkanten der gegenüberliegenden Seitenwände 20b, 20d nach oben erstrecken (am besten dargestellt in 2).
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Die Abdeckung 16 kann ein im Allgemeinen kastenförmiges Element mit einer offenen Unterseite sein. Die Abdeckung 16 kann eine Decke 26 und angrenzende Seitenwände 28a, 28b, 28c, 28d enthalten, die einen inneren Hohlraum 30 definieren. Die Innenbreite und - tiefe der Abdeckung 16 kann größer sein als die Außenbreite und -tiefe des Unterteils 12, damit die Abdeckung 16 über das Unterteil 12 und das Sicherungselement 14 passen kann, wie in 3 dargestellt und wie im Folgenden näher beschrieben. Paare von beabstandeten Befestigungslöchern 32a, 32b können in der Decke 26 gebildet und zum Aufnehmen der Befestigungspfosten 24a, 24b des Unterteils 12 angeordnet sein, wenn die Sicherung 10 zusammengebaut ist.
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Das Sicherungselement 14 kann aus einem einzigen, zusammenhängenden Stück oder Menge von Material gebildet sein, das gebogen, verpresst, gegossen, geschnitten, gestanzt, gebohrt, abgeformt oder anderweitig geformt wurde, um die dargestellte Form zu definieren, welche einen Trennbereich 34 enthält, der sich horizontal zwischen zwei Elektrodenbereichen 36a, 36b mit elektrischen Verbindungsanschlüssen 38a, 38b erstreckt. Das Sicherungselement 14 kann so eingerichtet sein, dass der Trennbereich 34 innerhalb des Hohlraums 22 des Unterteils 12 angeordnet ist und dass die Anschlüsse 38a, 38b unterhalb und außerhalb der Abdeckung 16 angeordnet sind, wenn die Sicherung 10 zusammengebaut ist, wie im Folgenden näher beschrieben. Insbesondere werden keine Lötmittel, Haftmittel oder andere Befestigungsmittel verwendet, um den Trennbereich 34 mit den Elektrodenbereichen 36a, 36b des Sicherungselements 14 zu verbinden. Im Vergleich zu gelöteten Verbindungen, die üblicherweise bei konventionellen Sicherungen zur Oberflächenmontage verwendet werden, sind die Verbindungen des Trennbereichs 34 und der Elektrodenbereiche 36a, 36b daher weniger anfällig für vorzeitigen Ausfall infolge von Hochtemperaturbetrieb und/oder mechanischer Belastung. Paare von beabstandeten Durchgangsbohrungen 40a, 40b können in den Elektrodenbereichen 36a, 36b gebildet und zum Aufnehmen der Befestigungspfosten 24a, 24b des Unterteils 12 (wie in 2 am besten dargestellt) angeordnet sein, wenn die Sicherung 10 zusammengebaut ist.
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Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 kann der Trennbereich 34 des Sicherungselements 14 im Vergleich zu den Elektrodenbereichen 36a, 36b, die sich von deren Längsenden erstrecken, relativ schmaler und damit kleiner im leitenden Bereich/Volumen sein (siehe auch 2). In dem Trennbereich 34 kann ein Schlitz 41 gebildet sein, um die leitende Fläche/Volumen des Trennbereichs 34 in Bezug auf die Elektrodenbereiche 36a, 36b weiter zu reduzieren, wobei dieses Merkmal aber nicht wesentlich ist. Somit kann der Trennbereich 34 eine „schwache Verbindung“ im Sicherungselement 14 bereitstellen, welche dazu eingerichtet ist, zu brechen oder zu schmelzen, wenn ein Strom, der einen vordefinierten Schwellwert (d. h. den Nennwert der Sicherung) überschreitet, durch das Sicherungselement 14 fließt. Der Schlitz 41 kann das Ausschaltvermögen der Sicherung erhöhen, indem er mehrere Kanäle für das Auftreten von Lichtbögen bereitstellt. In einigen betrachteten Ausführungsformen kann der Trennbereich 34 dünner sein als die Elektrodenbereiche 36a und 36b, so dass die Sicherung 10 schneller auf einen Fehlerstrom reagiert. Darüber hinaus kann es die Verlustleistung der Sicherung und die Temperatur bei Feldanwendung reduzieren. Es wird weiter erwogen, dass auf dem Trennbereich 34 eine Zinnschicht aufgebracht werden kann, um die Verlustleistung der Sicherung und die Temperatur weiter zu reduzieren. Wie von Fachleuten verstanden werden wird, können die entsprechende Größe, das Volumen und das leitfähige Material, das den Trennbereich 34 umfasst, alle zur Sicherungsleistung der Sicherung 10 beitragen.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 ist eine Seitenansicht vom Querschnitt der erfindungsgemäßen zusammengebauten Sicherung 10 veranschaulicht, genommen entlang der Ebene A-A. Mit besonderer Bezugnahme auf das Sicherungselement 14 können sich die Elektrodenbereiche 36a, 36b von den Längsenden des Trennbereichs 34 nach oben erstrecken und in jeweils obersten Aufhängungen 42a, 42b enden, die in einer umgekehrter U-Form gebogen oder anderweitig ausgebildet sind, um nach unten gerichtete Taschen 44a, 44b zum Aufnehmen der Oberkanten der gegenüberliegenden Seitenwände 20b, 20d des Unterteils 12 in enger Abstandsbeziehung dazu zu definieren. Die Seitenwände 46a, 46b können sich von den Aufhängungen 42a, 42b nach unten erstrecken und in jeweils untersten Trägern 48a, 48b (die die Anschlüsse 38a, 38b enthalten) enden, die in einer U-Form gebogen oder anderweitig ausgebildet sind, um nach oben gerichtete Taschen 49a, 49b zum Aufnehmen der Unterkanten der gegenüberliegenden Seitenwände 28b, 28d der Abdeckung 16 zu definieren. Es werden alternative Ausführungsformen der Sicherung 10 erwogen, bei denen die vertikalen Segmente 50a, 50b und/oder die horizontalen Segmente 52a, 52b der Träger 48a, 48b weggelassen sind. Wenn nur die vertikalen Segmente 50a, 50b weggelassen sind, können die horizontalen Segmente 52a, 52b der Träger 48a, 48b die Anschlüsse 38a, 38b der Elektrodenbereiche 36a, 36b definieren. Wenn sowohl die vertikalen Segmente 50a, 50b als auch die horizontalen Segmente 52a, 52b der Träger 48a, 48b weggelassen sind, können die untersten Enden der Seitenwände 46a, 46b die Anschlüsse 38a, 38b der Elektrodenbereiche 36a, 36b definieren.
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Der Hohlraum 22 des Unterteils kann mit einem Sicherungsfüllstoff 54 gefüllt sein, der in den Hohlraum 22 eingebracht sein kann, bevor die Sicherung 10 zusammengebaut wird. Der Sicherungsfüllstoff 54 kann eines aus einer Mehrzahl von Lichtbogen erstickenden Materialien sein oder enthalten, die durch die Fachleute als zur Verwendung in einer Sicherung zur Oberflächenmontage geeignet anerkannt sind. Ein nicht einschränkendes Beispiel für ein solches Material ist Silica.
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Aufgrund der oben beschriebenen Konfiguration des Unterteils 12 und des Sicherungselements 14 können die Aufhängungen 42a, 42b der Elektrodenbereiche 36a, 36b auf den Oberkanten der gegenüberliegenden Seitenwände 20b, 20d des Unterteils 12 ruhen, wobei der Trennbereich 34 des Sicherungselements 14 innerhalb des Hohlraums 22 unterhalb der Oberkanten der Seitenwände 20a-d gelagert ist. Wenn also der Hohlraum 22 des Unterteils 12 mit dem Sicherungsfüllstoff 54 gefüllt ist, kann der Sicherungsfüllstoff 54 bis über die Oberseite des Trennbereichs 34 reichen und diese vollständig abdecken. Wärme, die bei einem Überstromzustand in dem Sicherungselement 14 aus dem Trennbereich 34 nach oben entweichen kann, kann daher vom Sicherungsfüllstoff 54 absorbiert werden, wodurch die Erhitzung und Verbrennung der Abdeckung 16 gemildert wird. Darüber hinaus kann der Sicherungsfüllstoff 54 ein Auftreten von Lichtbögen zwischen gebrochenen Enden des geschmolzenen Trennbereichs 34 verhindern, an denen sich ein solches Auftreten von Lichtbögen ansonsten ausbreiten könnte, falls die Oberseite des Trennbereichs 34 freigelegt würde (d. h. nicht durch den Sicherungsfüllstoff 54 abgedeckt ist), wodurch die Sicherung 10 ein verbessertes Ausschaltvermögen bereitstellt.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 3 kann die Abdeckung 16 über das Sicherungselement 14 und das Unterteil 12 mit den Seitenwänden 28b, 28d der Abdeckung 16 in enger horizontaler Angrenzung mit den Seitenwänden 46a, 46b der Elektrodenbereiche 36a, 36b, mit den Seitenwänden 28a, 28c der Abdeckung 16 in enger horizontaler Angrenzung mit den Seitenwänden 20a, 20c des Unterteils 16 passen (siehe 1), und mit den Unterkanten der Seitenwände 28b, 28d der Abdeckung 16, die in den Trägern 48a, 48b sitzen. Die Anschlüsse 38a, 38b können von der Abdeckung 16 von unten hervorragen und so die elektrische Verbindung mit elektrischen Leitungen beispielsweise auf einer Leiterplatte (PCB) erleichtern. Die dicht überlappenden Seitenwände 20a, 20c, 28a, 28c, 28b, 28d, 28d und 46a, 46b des Unterteils 12, der Elektrodenbereiche 36a, 36b und der Abdeckung 16 können das Innere der Sicherung 10 abdichten und effektiv verhindern, dass Gase aus ihm entweichen. Wenn beispielsweise das Trennelement 34 während eines Überstromzustands schmilzt, kann die Dichtung, die durch die überlappenden Seitenwände 20a, 20c, 28a, 28c, 28b, 28d und 46a, 46b gebildet ist, verhindern, dass schädliche Metalldämpfe aus der Sicherung 10 austreten.
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Wenn die Sicherung 10 zusammengebaut ist (d. h. wenn das Unterteils 12, das Sicherungselement 14 und die Abdeckung 16 in einer vertikal gestapelten Anordnung sandwichartig zusammengebaut sind), können sich die Befestigungspfosten 24a, 24b des Unterteils 12 durch die Durchgangslöcher 40a, 40b im Sicherungselement 14 und in die Befestigungslöcher 32a, 32b in der Decke 26 der Abdeckung 16 erstrecken (siehe 1 und 2). Die Befestigungspfosten 24a, 24b können durch Heißnieten an der Decke 26 befestigt sein, um das Unterteil 12, das Sicherungselement 14 und die Abdeckung 16 sicher miteinander zu befestigen. Zusätzlich oder alternativ können verschiedene andere Verfahren, Substanzen und/oder Strukturen zum Befestigen der Komponenten der Sicherung 10 miteinander in der zusammengebauten Konfiguration verwendet werden. Dazu gehören unter anderem verschiedene Haftmittel, verschiedene mechanische Befestigungsmittel, Schweißen und verschiedene strukturelle Merkmale des Unterteils 12, des Sicherungselements 14 und/oder der Abdeckung 16 können Reib-, Schnapp- oder Pressverbindung dazwischen erleichtern.
