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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmelzsicherungsbauelement, zum Beispiel eine Stromsicherung zur Überstromsicherung. Vorzugsweise betrifft die vorhergehende Erfindung eine sogenannte Kleinstsicherung für Oberflächenmontage aus der Gruppe der Geräteschutzsicherungen gemäß der IEC 60127 Teil 4 mit Anwendungsschwerpunkt für Gleichspannungen.
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Technologischer Hintergrund
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Schmelzsicherungsbauelemente sind Überstromschutzeinrichtungen, die durch das Abschmelzen eines Schmelzleiters einen Stromkreis unterbrechen, sobald die Stromstärke einen bestimmten Wert für eine vorgegebene Zeit überschreitet.
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Kleinstsicherungen kommen als Geräteschutzsicherungen z. B. in Netzteilen, Fernseh- und Rundfunkgeräten sowie Messgeräten zum Einsatz. Der grundsätzliche Aufbau beinhaltet zwei Anschlusskontakte (Endkappen) verbunden durch das eigentliche Sicherungselement in Form von Draht oder leitenden (metallischen) Schichten, die von einem elektrisch isolierenden Gehäuse derart ummantelt sind, dass heiße Dämpfe oder Funken im Moment des Auslösens der Sicherung keine Gefahr für umliegende Bauteile oder den Sicherungsträge, wie Sicherungshalter und gedruckte Leiterplatten darstellen. Kenngrößen solcher Kleinstsicherungen sind Nennstrom, Nennspannung, Auslösecharakteristik und Ausschaltvermögen, besonders das Bemessungsausschaltvermögen. Um bei Kleinstsicherungen ein hohes Ausschaltvermögen zu gewährleisten, ist der den Schmelzleiter beinhaltende Innenraum des isolierenden Gehäuses mit einem Löschmittel, z.B. Sand gefüllt. Glüht der Schmelzleiter durch, bildet sich ein Lichtbogen aus, der in Richtung der Endkappen läuft. Die impulsartige Energiezufuhr erzeugt ein Lichtbogenplasma beruhend auf Stoßionisation der den Schmelzleiter umgebenden (Gas-)Moleküle, einhergehend mit einer starken Erwärmung und Druckentwicklung im Innenraum der Kapselung. Durch den Druckanstieg wird der Lichtbogen gelöscht, sobald die Lichtbogenbrennspannung die treibende Quellenspannung, die an den Anschlusskontakten der Sicherung anliegt, überschreitet. Ein definierter, sprunghafter Druckanstieg ist daher bis zum einem gewissen Grad, der max. Druckstabilität des Sicherungsgehäuses, erwünscht. Um einen definierten Druckanstieg einzustellen, können Druckausgleichskanäle vorgesehen sein, die einen zu sprunghaften Druckanstieg zur Vermeidung einer Zerstörung der Sicherung verhindern sollen. Die Druckausgleichskanäle dienen dazu, Überdruckspitzen im Innenraum gezielt zu begrenzen.
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Nächstliegender Stand der Technik
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Ein Schmelzsicherungsbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
EP 1 455 375 B1 bekannt. Dieses bekannte Schmelzsicherungsbauelement umfasst einen Schmelzleiter, der im Innenraum eines zylinderförmigen Röhrchens näherungsweise diagonal verlaufend angeordnet ist und an seinen Enden um die Stirnseiten des Röhrchens herumgeführt wird, sodass die Enden des Schmelzleiters auf der Außenwand des Röhrchens aufliegen. Beide Enden des Röhrchens sind jeweils mit einem elastisch verformbaren Dichtungsstopfen versehen, der in die jeweilige stirnseitige Öffnung des Röhrchens eingepresst ist. Der Dichtungsstopfen presst einen kurzen Abschnitt des Schmelzleiters an die Innenwand des Röhrchens an, wodurch Druckausgleichskanäle entstehen. Diese Kanäle bewirken einen langsamen Ausgleich des Innenraumdrucks, so dass ein sprunghafter Druckanstieg im Innenraum sich auf den Schmelzleiter löschend auswirken kann. Auf die jeweiligen Stirnseiten des Röhrchens werden Kunststoffplättchen gelegt und mit elektrisch leitenden Endkappen versiegelt, damit die Endkappen mit dem Schmelzleiter in elektrischem Kontakt stehen. Dieses bekannte Schmelzsicherungsbauelement ist sehr aufwendig im Aufbau und schwierig in der Montage und erfordert komplexe und störungsanfällige automatisierte Montageprozesse.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neuartiges Schmelzsicherungsbauelement zur Verfügung zu stellen, welches bei einer sicheren Funktion eine vereinfachte Montage ermöglicht.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorstehende Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Schmelzsicherungsbauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Das erfindungsgemäße Schmelzsicherungsbauelement nach Anspruch 1 ermöglicht eine besonders einfache und einem automatisierten Prozess zugängliche Montage. Erfindungsgemäß ist der Isolationskörper längsgeteilt. Er umfasst vorzugsweise mehrere, beispielsweise zwei, längsverlaufenden Schalen aus einem elektrisch isolierenden Material. Dies ermöglicht es, den Schmelzleiter in einfacher Weise in eine der Schalen einzulegen und diese mit den weitere(n) Schale(n) zur Komplettierung des Isolationskörpers zusammenzufügen. Im jeweiligen Endbereich des Isolationskörpers bilden die Schalen im zusammengesetzten Zustand einen Kanal, der den Schmelzleiter bis zur jeweiligen Endkappe hin umhüllt. Vorzugsweise besitzt hierzu mindestens eine Schale, vorzugsweise jede der Schalen eine längsverlaufende Ausnehmung. Der Schmelzleiter kann hierdurch zunächst in die Ausnehmung der einen Schale eingelegt werden. Anschließend wird die Schale mit mindestens einer weiteren Schale zusammengefügt, so dass der Schmelzleiter vorzugsweise formschlüssig in dem hierdurch gebildeten Kanal aufgenommen ist. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und auch automatisiert durchführbare Fertigung des Isolationskörpers mit innen liegendem Schmelzleiter.
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Vorteilhafterweise verläuft der Kanal parallel zur Längsrichtung des Isolationskörpers, vorzugsweise entlang der Mittelachse desselben. Diese Anordnung ist durch die erfindungsgemäße Konstruktion in einfacher Weise möglich. Gleichzeitig wird hierdurch erreicht, dass der Schmelzleiter immer den größtmöglichen Abstand zu den Innenwänden des Isolationskörpers aufweist. Ein Kontaktieren des Schmelzleiters mit den Seitenwänden des Isolationskörpers wird in den Belastungsphasen der Sicherung vermieden, in denen sich der Fehlerstrom, der letztendlich zum Auslösen der Sicherung führt, langsam, meistens in Form einer ansteigenden Rampe aufbaut, so dass durch die Materiallängung, bzw. Dehnung des Schmelzleiterelementes, bedingt durch die Fixierung an den Endkappen und definierten Länge des Isolationskörpers eine Biegung im Innenraum des selben auftritt.
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Zweckmäßigerweise besitzen die Schalen ineinandergreifende Formen und bilden durch ihre Symmetrie rotationssymmetrisch eine Einheit.
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Insbesondere sind die Schalen im zusammengesetzten Zustand durch mindestens eine, quer zur Längsachse des Isolationskörpers verlaufende Stufe axial zueinander fixiert. Hierdurch wird ein Zusammenfügen der Schalen erleichtert, da sich die Schalen beim Zusammenfügen hinsichtlich ihrer Längsposition gegenseitig justieren.
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Dadurch, dass die jeweilige Schale eine zumindest im Wesentlichen L-förmige Querschnittsform aufweist, wird zusätzlich auch eine in Umfangsrichtung wirksame Positionierung während des Zusammenfügens erleichtert.
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Zweckmäßigerweise greift ein an der einen Schale vorgesehener Vorsprung in eine an der anderen Schale vorgesehene Ausnehmung ein. Dies unterstützt ein positionsgerechtes Zusammenfügen der einzelnen Schalen miteinander.
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Zweckmäßigerweise wird der Isolationskörper durch zwei Längsschalen bzw. Halbschalen gebildet.
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In vorteilhafter Weise handelt es sich bei den Schalen um Spritzgießteile aus spritzgiessfähigem Material. Als Material wird Polyamid, vorzugsweise wärmebeständiges Polyamid aus der Klasse PA6 eingesetzt. Dieses Material ist spritzgiessfähig und besitzt darüber hinaus eine vorteilsweise selbstverlöschende Eigenschaft. Denkbar sind jedoch weitere Kunststoffgranulate, deren Formstabilität längerfristig in einem Temperaturbereich größer 200°C gegeben ist und deren brandhemmenden Eigenschaften in der Klassifizierung unter UL-94 zu finden sind.
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Vorzugsweise besitzen die Schalen eine identische Form. Hierdurch können die Produktionskosten weiter gesenkt werden.
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Der Schmelzleiter weist vorzugsweise abgewinkelte, insbesondere abgeflachte Enden auf. Mit diesen abgewinkelten, abgeflachten Enden kann der Schmelzleiter auch schon vorgefertigt sein. Die abgewinkelten Enden sind vorteilhaft, da nach Einlegen des Schmelzleiters und dem Zusammensetzen der Halbschalen das jeweilige Ende des Schmelzleiters ohne weitere Bearbeitung mit den nachträglich aufgesetzten Endkappen in Zwischenlage zur Stirnseite des Isolationskörpers und somit in elektrischem Kontakt zur Endkappe eingepresst werden kann und ein nachträgliches axiales Stauchen des Schmelzleiters vermieden wird.
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Vorzugsweise sind die Schalen mittels Verbindungsmittel miteinander unmittelbar unlösbar verbunden. Insbesondere können die Schalen auch miteinander durch Ultraschallschweißen oder ähnliche verbindungstechnologische Verfahren verbunden sein.
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Vorteilhaft ist den Endbereichen der Halbschalen mindestens eine Vertiefung, vorzugsweise in Form mindestens einer entlang des Umfangs quer zur Längsachse des Schmelzsicherungsbauelements verlaufenden Nut, vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, die Endkappe nach deren Aufsetzen auf den Isolationskörper mittels eines in die Vertiefung eingreifenden Vorsprungs sicher zu fixieren.
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Vorzugsweise dient die Vertiefung oder Nut dazu, Material der Endkappe vorzugsweise durch Crimpen, in den Bereich der Vertiefung oder Nut zu verpressen und so neben der axialen Stabilisierung der Gehäusehälften auch eine seitliche Fixierung in Richtung der Montageführungsachse bereitstellt.
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Vorzugsweise nimmt der Kanal den Schmelzleiter spaltfrei auf.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die Endkappe und der Schmelzleiter durch Laserlöten, Widerstandslöten oder Induktionslöten elektrisch miteinander kontaktiert. Es handelt sich dabei um eine indirekte Erwärmung der Materialoberflächen, die zu einer Hartlötverbindung führt. Diese Verbindung wird ohne Zusatzstoffe, wie Lot und Flussmittel erzielt und vermeidet dadurch Rückstände in Form von organischen Massen, die den Lichtbogen negativ beeinflussen können, so dass die Brenndauer, bzw. Druckentfaltung zu einer Explosion des Sicherungsgehäuses führen können. Voraussetzung ist dafür die gleiche Beschaffenheit der zu verbindenden Oberflächen der Materialien. Hinsichtlich thermischer Belastung und Prozesszeiten bei der Fertigung solcher Sicherungen sind Zinnoberflächen auf dem Schmelzleiter und der Endkappe vorzuziehen. Je nach Anpressdruck der Kappen auf den Isolationskörper kann auf den Hartlötprozess verzichtet werden, so dass die langfristig bestehende Flexibilität des Isolationskörpers einen ausreichenden Anpressdruck des Schmelzleiters an die Endkappe ausübt. Jedoch ist eine elektrische Stabilisierung des Schmelzleiters an die Kappe anzustreben, da jegliche nachträgliche Wärmebelastung in Form von Einlöten der Sicherung in elektrische Schaltungen, die Ankopplung unter Umständen so stark verändern kann, dass die Sicherung ihre spezifizierten Eigenschaften verliert.
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In besonders vorteilhafter Weise bilden die beiden Halbschalen im zusammengesetzten Zustand mit montierten Endkappen einen einheitlichen quaderförmigen Isolationskörper aus unter Vermeidung von Stufen oder Absätzen im Bereich des Übergangs von Endkappe zu Isolator. Dadurch wird erreicht, dass eine flächige, insbesondere plane stirnseitige Auflagefläche zwischen Endkappe bzw. Isolationskörper und dem jeweiligen Einsatzbereich entsteht, die für eine Kontaktierung vorteilhaft ist. Außerdem kann der Einsatz von Fixierkleber im Endkappenbereich vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden.
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Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Wiederkehrende Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber lediglich einmal mit einer Bezugsziffer versehen. Es zeigen:
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1 eine Längsschnittdarstellung eines Schmelzsicherungsbauelementes gemäß der Erfindung;
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2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Schmelzsicherungsbauelementes gemäß 1;
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3 eine Teilschnittdarstellung des Schmelzsicherungsbauelementes in der Schnittebene A-A von 1 sowie
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4 eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungsbauelementes im zusammengebauten Zustand.
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Die Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet das erfindungsgemäße Schmelzsicherungsbauelement in seiner Gesamtheit. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um eine sogenannte Kleinstsicherung gemäß der Anforderungen aus dem für Sicherungen zugrunde liegenden Normenwerk IEC 60/127 Teil 4. Das Schmelzsicherungsbauelement 1 umfasst einen aus einem elektrisch isolierenden Material bestehenden Isolationskörper 3 sowie zwei auf das jeweilige Ende des Isolationskörpers 3 aufgesetzte, elektrisch leitfähige Endkappen 4.
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Der Isolationskörper 3 umfasst zwei in Längsrichtung geteilte, identische Halbschalen 5a, 5b, die gemeinsam einen Hohlraum 14 sowie einen jeweils am Ende des Hohlraums sich anschließenden Kanal, der den Schmelzleiter 2 formschlüssig aufnimmt, bilden. Der Kanal 6 verläuft entlang der Mittelachse des Isolationskörpers 3 und mündet jeweils in die Stirnseite des Isolationskörpers 3.
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Der Isolationskörper 3 besitzt an seinen beiden Endbereichen einen Bereich 13, der den Schmelzleiter 2 formschlüssig und vorzugsweise spaltfrei umschließt und den im Hohlraum 14 freiliegenden Bereich des Schmelzleiters 2 von der zugehörigen Endkappe 4 isoliert. Hierdurch wird erreicht, dass der Lichtbogen nicht zur Endkappe durchschlagen kann, bzw. ein Durchschmelzen dieser bewirkt, so dass das Lichtbogenplasma aus dem Sicherungsinnenraum austreten kann mit einer weiterführenden Beschädigung nahestehender Bauteile.
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Im Bereich der jeweiligen Endkappe 4 ist eine Vertiefung 10 im Isolationskörper 3 vorgesehen, in die ein entsprechender Vorsprung 11 der jeweiligen Endkappe 4 eingreift und Letztere am Isolationskörper 3 fixiert.
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Diese Fixierung entsteht zweckmäßigerweise dadurch, dass die Endkappe 4 auf das Ende des Isolationskörpers 3 aufgecrimpt wird, d. h. Material der Endkappe 4 in die Vertiefung 10 eingepresst wird.
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Der Isolationskörper 3 ist derart geformt, dass er eine plane, stirnseitige Auflagefläche 12 für die jeweilige Kappe 4 bildet. Eine plan ausgeführte Auflagefläche 12 des Isolationskörpers 3 verbessert die Kontaktierung des Schmelzleiters 2 mit der jeweiligen Endkappe.
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Der Schmelzleiter 2 weist an seinen Stirnseiten, vgl. auch 2, zwei abgewinkelte sowie abgeflachte Endbereiche 15a, 15b auf, die sich zwischen der jeweiligen Stirnseite 12 des Isolationskörpers 3 sowie der jeweiligen Kappe 4 im Presssitz befinden. Alternativ oder zudem kann die Endkappe 4 sowie der jeweilige Endbereich 15a, 15b des Schmelzleiters durch ein Lötverfahren, wie zum Beispiel Laserlöten, Widerstandslöten oder Induktionslöten, elektrisch miteinander kontaktiert sein.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung der einzelnen Teile des in 1 dargestellten Schmelzsicherungsbauelements 1. Der Isolationskörper 3 ist bei dieser Ausgestaltung aus zwei in Längsrichtung geteilten Halbschalen 5a sowie 5b aufgebaut.
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Jede der beiden Halbschalen 5a, 5b besitzt je eine langgestreckte halbkreisförmige Ausnehmung 6a, 6b, die zusammen den Kanal 6 zur Aufnahme des Schmelzleiters 2 bilden. Aus der Darstellung gemäß 2 wird weiterhin deutlich, dass jede Halbschale 5a, 5b Formelemente aufweist, die im Zusammenwirken mit entsprechend ausgebildeten Formelementen der benachbarten Halbschale einen Formschluss bewirkt, der die beiden Halbschalen 5a, 5b in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung zueinander in der Fügeposition fixieren. So wird beispielsweise der im Bereich der Abstufung 7 rückgesetzte Bereich der Halbschale 5b durch einen entsprechend vorspringenden (nicht in 2 ersichtlichen) Bereich der Halbschale 5a ausgefüllt und hierdurch eine axiale Verrastung sichergestellt.
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Aus 2 wird ebenfalls ersichtlich, dass die beiden Halbschalen 5a, 5b eine Lförmige Querschnittsform besitzen.
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Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, sind in der jeweiligen Halbschale 5a, 5b Aussparungen bzw. Ausnehmungen 8 sowie entsprechend ausgebildete Vorsprünge bzw. Rastzungen 9 vorgesehen, die in die Ausnehmungen 8 an der gegenüberliegenden Halbschale eingreifen und hierdurch ermöglichen, dass die beiden Halbschalen 5a, 5b zusammengefügt in Position bleiben, was für einen automatisierten Produktionsprozess von großem Vorteil ist. Aus 3 wird ebenso sichtbar, wie die beiden Halbschalen 5a, 5b aufgrund der jeweiligen halbkreisförmigen Kanalabschnitte 6a, 6b den Kanal 6 für den Schmelzleiter 2 bilden, indem der Schmelzleiter 2 formschlüssig und spaltfrei aufgenommen ist.
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In zusammengefügtem Zustand können die beiden Halbschalen 5a, 5b im Bedarfsfall mittels eines Verbindungsmittels unlösbar miteinander verbunden werden. Vorzugsweise geschieht dies durch Ultraschallschweißen. Bei einem Verschweißen der Halbschalen 5a, 5b kann der Innenraum 14 bei Bedarf noch druckstabiler ausgeführt werden.
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Die Verbindung der Enden 15a, 15b des Schmelzleiters 2 mit der jeweiligen Endkappe 4 erfolgt vorzugsweise mittels indirektem Laserlöten. Allerdings kann die Verbindung auch durch Widerstandslöten oder Induktionslöten erfolgen. Das Löten erfolgt vorzugsweise ohne Lötzusatz, wodurch die Produktion von organischen Verbindungen vermieden wird. Auch die sonst erforderliche Verwendung hochschmelzender Lote auf PbSnAg- oder PbAg-Basis kann vermieden werden.
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In zusammengefügtem Zustand der beiden Halbschalen 5a, 5b werden die Endkappen 4 aufgeschoben und, wie bereits eingangs beschrieben, mit dem Isolationskörper 3 vercrimpt. Das fertige Schmelzsicherungsbauelement 1 der vorliegenden Erfindung besitzt die aus der 4 ersichtliche, quaderförmige Form.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Zurverfügungstellung eines neuartigen Schmelzsicherungsbauelements mit lichtbogenbeherrschenden Eigenschaften sowie einer besonders einfach und auch automatisierbar durchführbaren Montage unter Vermeidung von Zusatzstoffen wie Lot- und/oder Löschmittel. Der Aufbau ermöglicht auch eine Skalierung, sodass auch kleinere, insbesondere kürzere Gehäuseabmessungen in einfacher Weise herstellbar sind. Die vorliegende Erfindung stellt daher eine ganz besondere Weiterentwicklung des existierenden Standes der Technik dar und liefert darüber hinaus die Möglichkeiten, neben einem Bemessungsschaltvermögen für Wechselspannungen auch ein solches für Gleichspannungen spezifizieren zu können. Der gesamte konstruktive Aufbau bewirkt eine Begrenzung der Lichtbogenphase unter anstehender / treibender Quellspannung und ist somit nicht auf die Nullpunktdurchgänge der Quellenspannung angewiesen. Insofern liegt der Anwendungsschwerpunkt dieser Sicherungskonstruktion im DC-Bereich der Applikationsebene. Darüber hinaus sind keine weiteren Löschmittel erforderlich, so dass durch die thermische Isolation des Schmelzleiters zum Isolationsgehäuse eine träge Sicherungscharakteristik abgebildet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schmelzsicherungsbauelement
- 2
- Schmelzleiter
- 3
- Isolationskörper
- 4
- Endkappe
- 5a
- Halbschale
- 5b
- Halbschale
- 6
- Kanal
- 7
- Stufe
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Rastzunge
- 10
- Vertiefung
- 11
- Vorsprung
- 12
- Auflagefläche
- 13
- Bereich
- 14
- Hohlraum
- 15a
- Ende Schmelzleiter
- 15b
- Ende Schmelzleiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 60127 Teil 4 [0001]
- IEC 60/127 Teil 4 [0029]
