DE69503420T2

DE69503420T2 - Schaltungsschutzvorrichtungen

Info

Publication number: DE69503420T2
Application number: DE69503420T
Authority: DE
Inventors: Leon Gurevich
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1995-04-11
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2015-04-12
Also published as: EP0677862A3; CA2145972A1; EP0677862B1; US5664320A; US5774037A; TW273625B; CA2145972C; DE69503420D1; EP0677862A2; JPH07296709A; KR950034347A; KR100335558B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsschutzvorrichtung sowie eine Schaltungsschutzvorrichtung, die mit dem Verfahren der Erfindung hergestellt wird.
Subminiatur-Schaltungsschutzvorrichtungen sind da nützlich, wo Größen- und Platzbeschränkungen eine Rolle spielen, beispielsweise auf Leiterplatten für elektronische Einrichtungen. Patronen-Schaltungsschutzvorrichtungen, die im wesentlichen Sicherungselemente in Glashülsen umfassen, sind als zuverlässig bekannt, insbesondere dann, wenn das Sicherungselement hermetisch in der Glashülse abgedichtet ist. Die Herstellung von hermetisch abgedichteten Subminiatur-Glashülsen-Schaltungsschutzvorrichtungen in der kleinen Größe, die für Computer-Leiterplatten erforderlich ist, stellt jedoch ein arbeitsintensives und relativ kostenaufwendiges Verfahren dar. Dazu gehört normalerweise die mechanische Anbringung von Zuleitungsdrähten oder Verbindern an dem Sicherungselement und der Einsatz eines mittels Warme ausgehärteten Epoxydharzes zur Herstellung der hermetischen Abdichtung. Des weiteren werden der Miniaturisierung der Schaltungsschutzvorrichtungen durch diese Probleme bei der Herstellung Einschränkungen auferlegt.
Die vorliegende Erfindung schafft im allgemeinen ein einfaches und relativ kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer Subminiatur-Patronen-Schaltungsschutzvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung schafft darüber hinaus eine Subminiatur-Schaltungsschutzvorrichtung, die mit dem Verfahren der Erfindung hergestellt wird und verbesserte Funktionslebensdauer sowie verbesserte Trennfähigkeit (interrupting ability) autweist.
US-A-391 3051 offenbart eine Schaltungsschutzvorrichtung mit einem Sicherungselement als Träger. CH-A-294864 offenbart ein gasgefülltes Sicherungselement.
Aus US-A-3913051 ist insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsschutzvorrichtung bekannt, das die folgenden Schritte umfaßt:
Einführen eines Trägers, der ein Sicherungselement trägt und elektrische Kontakte an einander gegenüberliegenden Endabschnitten aufweist, in eine isolierende Hülse, wobei die isolierende Hülse offene Enden hat;
Positionieren eines Leiters an jedem Endabschnitt des Trägers in Kontakt mit den elektrischen Kontakten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsschutzvorrichtung geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt:
Einführen eines Trägers, der ein Sicherungselement trägt und elektrische Kontakte an einander gegenüberliegenden Endabschnitten aufweist, in eine isolierende Hülse, wobei die isolierende Hülse offene Enden hat;
Positionieren eines Leiters an jedem Endabschnitt des Trägers in Kontakt mit den elektrischen Kontakten;
Einlegen der entstehenden Baugruppe in eine Kammer mit steuerbarem Druck und steuerbarer Temperatur;
wenigstens teilweises Auspumpen der Kammer;
Erwärmen der Baugruppe auf eine Temperatur, die ausreicht, um die isolierende Hülse zu erweichen; und
Erhöhen des Drucks auf einen Druck, der ausreicht, um zu bewirken, daß die offenen Enden der erweichten isolierenden Hülse eine Abdichtung um die Leiter herum bilden.
Die vorliegende Erfindung kann im einzelnen ein Verfahren zum Herstellen einer Subminiatur-Glaspatronen-Schaltungsschutzvorrichtung schaffen, die einen Träger aufweist, der ein Metallfilm-Sicherungselement trägt, das mit Leitern verbunden ist, wobei das Metallfilm-Sicherungselement und Teile der Leiterelemente hermetisch in einer Glashülse abgedichtet sind.
Bei einer Ausführung der Erfindung wird ein Gas in der Glaspatrone eingeschlossen, um eine nicht-oxidierende Umgebung herzustellen, die die Funktionslebensdauer des Sicherungselementes verbessert. Ein Gas mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften kann gewählt werden, um die Stromtrennfähigkeit der Schaltungsschutzvorrichtung zu verbessern.
Als Alternative dazu kann die Atmosphäre in der Glashülse aus Luft bestehen bzw. aus Luft mit einem Druck, der niedriger ist als der atmosphärische Druck.
Vorzugsweise wird ein Träger mit einem Metallfilm-Sicherungselement in eine Glashülse eingesetzt, und Leiter sowie Lotvorformlinge werden in Kontakt mit den Kontakten des Sicherungselementes angeordnet. Die Baugruppe wird in eine Kammer mit steuerbarer Atmosphäre eingelegt, die zumindest teilweise ausgepumpt wird. Anschließend kann ein ausgewähltes Gas in die Kammer gefüllt werden. Die Baugruppe wird auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um das Glas zu erweichen und das Lot zum Schmelzen zu bringen, und der Druck in der Kammer wird so erhöht, daß sich die Enden der Glashülse um die Leiter herum verformen und eine hermetische Abdichtung bilden. Die Erwärmung bewirkt, daß das Lot schmilzt und eine Verbindung zwischen den Leitern und den Kontakten des Sicherungselementträgers herstellt.
Bei der Atmosphäre in der Baugruppe kann es sich um Luft handeln. Der Druck in der Kammer kann auf einen Druck unter dem atmosphärischen Druck verringert werden, um eine Teilvakuum-Atmosphäre herzustellen. Als Alternative dazu kann der Druck im wesentlichen auf atmosphärischen Druck erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird ein ausgewähltes Gas nach dem Auspumpen in die Kammer eingeleitet. Bei einer Ausführung handelt es sich bei dem ausgewählten Gas um ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff. Wenn sich die Abdichtungen bilden, wird das Gas in der Hülse eingeschlossen, so daß eine Atmosphäre entsteht, durch die die Funktionslebensdauer des Sicherungselementes verlängert wird.
Gemäß einer alternativen Ausführung handelt es sich bei dem ausgewählten Gas um Schwefelhexafluorid. Schwefelhexafluorid verbessert die Trennfähigkeit des Sicherungselementes.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um darzustellen, wie selbige umgesetzt werden kann, wird als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Schaltungschutzsvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Baugruppe aus Elementen zum Herstellen der Schaltungsschutzvorrichtung in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Schaltungsschutzvorrichtung ist, bei der eine alternative Form der Glashülse eingesetzt wird;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer Schaltungsschutzvorrichtung ist, bei der alternative Formen einer Glashülse und von Leitern eingesetzt werden;
Fig. 5a eine schematische Ansicht eines ersten Schritts bei einem veranschaulichenden Herstellungsverfahren zum Herstellen eines gedruckten Keramiksicherungselementes der Schaltungsschutzvorrichtung ist, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 5b ein zweiter Schritt des Verfahrens in Fig. 5a ist;
Fig. 5c ein dritter Schritt des Verfahrens in Fig. 5a ist;
Fig. 5d ein vierter Schritt des Verfahrens in Fig. 5a ist.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 zu sehen ist, umfaßt eine Schaltungsschutzvorrichtung 10 ein Sicherungselement 20, das von einem Träger 18 getragen wird und in einer der Erfindung handelt es sich bei dem Sicherungselement 20 um einen Metallfilm, der auf den Träger 18 aufgetragen wird und elektrische Kontaktfelder 22 an einander gegenüberliegenden Abschnitten hat. Ein Schmelzabschnitt 72 (in Fig. 5 dargestellt) verbindet die einander gegenüberliegenden Kontaktfelder miteinander. Die Form des Schmelzabschnitts 72 kann so ausgewählt werden, daß sie die jeweiligen Trennanforderungen für die Schaltungsschutzvorrichtung erfüllt, wie es in der Technik bekannt ist. Ein veranschaulichendes Verfahren zum Herstellen eines Sicherungselementes 20 wird unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
Leiter 40, 42 sind mit jedem der Kontaktfelder 22, 24 verbunden, um einen elektrischen Leitungsweg herzustellen. Die Leiter 40, 42 umfassen elektrisch leitende Drähte bzw. ähnliche Bauteile. Die in Fig. 1 dargestellten Leiter 40, 42 sind so geformt, daß sie Kopfabschnitte 44, 46 aufweisen, die größer sind als der Körper der Leiter. Die Glashülse 30 umschließt, wie in Fig. 1 dargestellt, den das Sicherungselement tragenden Träger 18 sowie die Kopfabschnitte 44, 46 in der Hülse Die Hülsenenden 32, 34 bilden hermetische Abdichtungen um die Leiterelemente 40, 42 herum.
Lotvorformlinge 50, 52 am Ende der Kopfabschnitte 44, 46 erleichtern das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den Leiterelementen 40, 42 und den Kontaktfeldern 22, 24 des Sicherungselementes. Die Vorformlinge 50, 52 bestehen aus Lot und können mit einem geeigneten Verfahren ohne weiteres in einer vorgegebenen Menge aufgetragen werden.
Fig. 3 und 4 stellen alternative Ausführungen der Schaltungsschutzvorrichtung in Fig. 1 dar. In Fig. 3 erstreckt sich eine Glashülse 31 lediglich über die Kopfabschnitte 44, 46, schließt sie jedoch nicht vollständig ein. Wie in Fig. 1 sind die Kopfabschnitte 44, 46 größer als die Leiter 40, 42 ausgebildet, und die Glashülse 31 bildet eine Dichtung um die Kopfabschnitte 44, 46 der Leiter 40, 42 herum. In Fig. 4 erstreckt sich eine Glasröhre 33 darüber hinaus über die Kopfabschnitte 45, 47. Bei dieser Ausführung haben die Leiter 40, 41 und die Kopfabschnitte 45, 47 im wesentlichen den gleichen Durchmesser. Die Glashülse 33 bildet eine Dichtung um die Kopfabschnitte 45, 47 der Leiter 41, 43 herum.
Wie wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 1 zu sehen ist, umgibt das Sicherungselement 20 und den Träger 18 in der Glashülse 30 ein ausgewähltes Gas, das in der Hülse bei der Herstellung der Schaltungsschutzvorrichtung 10 eingeschlossen wird, um eine geeignete Atmosphäre für das Sicherungselement herzustellen. Die Schaltungsschutzvorrichtungen in Fig. 3 und Fig. 4 sind ebenfalls mit einer ausgewählten Atmosphäre versehen, wie sie hier beschrieben ist. Das Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsschutzvorrichtung der Erfindung wird unten weitergehend beschrieben.
Bei einer Ausführung der Erfindung handelt es sich bei dem ausgewählten Gas um ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon. Das inerte Gas verlängert die Funktionslebensdauer der Schaltungsschutzvorrichtung, indem eine inerte, nichtoxidierende Atmosphäre hergestellt wird. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das ausgewählte Gas ein Gas mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften, so beispielsweise Schwefelhexafluorid, das die Trennfähigkeit der Schaltungsschutzvorrichtung verbessert.
Als Alternative dazu kann die Atmosphäre aus Luft bestehen. Die Atmosphäre kann auch aus einem ausgewählten Gas bei einem Druck unter atmosphärischem Druck bestehen, so daß eine Teilvakuum-Atmosphäre entsteht.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsschutzvorrichtung in Fig. 1 beschrieben. Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht einer Baugruppe 60 der Elemente, aus denen die Schaltungsschutzvorrichtung besteht. Die Elemente in Fig. 2 sind die gleichen wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Die Schaltungsschutzvorrichtungen in Fig. 3 und 4 werden im wesentlichen auf die gleiche Weise wie beschrieben hergestellt, wenn dies nicht anders erwähnt wird.
Gemäß dem Verfahren wird ein Träger 18, der ein Metallfilm-Sicherungselement 20 trägt, in eine Glashülse 62 eingeführt. Das Sicherungselement 20 wird mit leitenden Kontakten 22, 24 an einander gegenüberliegenden Enden des Elementes verbunden.
Leiter 40 und 42 sind mit Kopfabschnitten 44, 46 versehen, die sich zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit den Kontakten an dem Ende des Trägers 20 eignen. Die Kopfabschnitte 44, 46 können, wie in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt, vergrößert sein, oder die Kopfabschnitte 45, 47 können, wie in Fig. 4 dargestellt, im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der körper der Leiter haben. Lotvorformlinge 50, 52 werden an dem Ende jedes der Kopfabschnitte 44, 46 angeordnet. Die Kopfabschnitte 44, 46 werden mit den Kontakten 22, 24 des Sicherungselementes 20 in Kontakt gebracht, so daß ein elektrischer Leitungsweg durch das Sicherungselement hindurch ausgebildet wird. Die Glashülse 30, der Träger 18, der das Sicherungselement 20 trägt, und die Leiter 40, 42 bilden eine Baugruppe 60.
Als nächstes wird die Baugruppe 60 in eine Kammer mit steuerbarem Druck und steuerbarer Temperatur eingelegt. Die Kammer dient dazu, eine ausgewählte Atmosphäre für die Sicherung zu erzeugen und Dichtungen zwischen der Glashülse 30 und den Leitern 40, 42 herzustellen. Wenn sich die Atmosphäre für das Sicherungselement von Luft unterscheidet, wird die Kammer vollständig ausgepumpt. Wenn Luft für die Atmosphäre ausgewählt wird, wird die Kammer zumindest teilweise ausgepumpt.
Wenn ein anderes Gas als Luft für die Atmosphäre verwendet wird, wird nach dem Auspumpen ein ausgewähltes Gas in die Kammer mit einem vorgegebenen Druck unter dem atmosphärischen Druck eingeleitet. Das Gas wird, wie oben erläutert, für eine bestimmte Funktion ausgewählt - so kann ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, zugesetzt werden, um die Funktionslebensdauer zu verbessern, oder ein Gas mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid, kann ausgewählt werden, um die Trennfähigkeit zu verbessern.
Anschließend wird die Temperatur der Kammer allmählich über eine vorgegebene Zeit auf eine Temperatur erhöht, die ausreicht, um das Glas zu erwärmen und zu erweichen. Je nach der eingesetzten Glasart liegt die Temperatur, die für diesen Zweck ausreicht, in einem Bereich von ungefähr 500º bis 800º C. Bei dieser Temperatur schmelzen die Lotvorformlinge 50, 52 und bilden eine elektrische Verbindung mit den Kontakten 22, 24.
Wenn die Baugruppe 60 die vorgegebene Temperatur erreicht hat, wird zusätzliches Gas in Kammer die eingeleitet, um den Druck zu erhöhen, so daß die Enden 64, 66 der Glashülse 62 eine hermetische Abdichtung um die Leiter 40, 42 herum bilden. Das Anheben des Drucks auf einen Druck im Bereich von 0,001 bis 1 Atmosphäre reicht aus, damit das Glas die gewünschte Abdichtung herstellt.
Wenn die Abdichtung um die Kopfabschnitte der Leiter herum hergestellt worden ist, ist ein Teil des Gases so in der Glashülse eingeschlossen und bildet die ausgewählte Atmosphäre für das Sicherungselement 20. Nachdem die Abdichtung hergestellt worden ist, wird das Gas in der Kammer entfernt und wieder atmosphärische Luft eingeleitet, und die Temperatur der Kammer wird wieder auf Umgebungstemperatur zurückgeführt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Herstellung kleinerer Patronen-Schaltungsschutzvorrichtungen als sie bisher bekannt waren, und zwar in der Größenordnung eines Durchmessers von 0,050 Inch und einer Länge von 0,250 Inch. Das Verfahren ermöglicht des weiteren die schnelle Verarbeitung einer Vielzahl von Schaltungsschutzvorrichtungsbaugruppen in einer Charge. Durch das Verfahren fallen viele der Nachteile des Standes der Technik einschließlich der mechanischen Anbringungsschritte, mechanischer Abdichtelemente und der langen Wärmeaushärtung von Epoxydharz weg, das normalerweise bei der Herstellung eingesetzt wird. Durch das Verfahren verringern sich Arbeitsaufwand und Bearbeitungszeit und damit die Herstellungskosten für diese Einheiten.
Fig. 5 zeigt ein veranschaulichendes Verfahren zum Herstellen eines Typs eines Sicherungselementes, das in die Schaltungsschutzvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, obwohl auch andere Typen von Sicherungselementen möglich sind. Das Verfahren wird zum Herstellen eines einzelnen aufgetragenen Sicherungselementes beschrieben, die Beschreibung ist jedoch als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu verstehen. Das Verfahren kann bei einer Vielzahl roher oder gebrannter Keramikträger eingesetzt werden, die in einer Plattenform vorliegen können, die nach der Bearbeitung in einzelnen Einheiten getrennt werden kann.
Beginnend mit Fig. 5a wird eine Schwachstelle 72 bzw. ein Schmelzabschnitt auf einen Träger 18 aufgetragen. Die Schwachstelle 72 umfaßt ein leitendes Material, das so ausgewählt und geformt wird, daß es schmilzt und aufhört zu leiten, wenn es einem ausreichenden elektrischen Strom ausgesetzt ist.
Ein erstes leitendes Feld 74, 76 wird, wie in Fig. 5b dargestellt, auf einander entgegengesetzte Endabschnitte der Schwachstelle 72 aufgetragen, so daß ein Mittelabschnitt 78 der Schwachstelle frei bleibt. Die leitenden Felder 74, 76 können aus Gold, Silber oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden.
Ein zweites leitendes Feld 80, 82 wird, wie in Fig. 5c dargestellt, auf die ersten leitenden Felder 74, 76 aufgedruckt. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bestehen die zweiten leitenden Felder 80, 82 aus Silber oder einer Silberlegierung.
Eine Glasabdeckung 84 wird, wie in Fig. Sd dargestellt, auf den freiliegenden Abschnitt 78 der Schwachstelle und die ersten leitenden Felder 74, 76 aufgedruckt, so daß die zweiten leitenden Felder 80, 82 zumindest teilweise frei bleiben. Das in Fig. 5d dargestellte Element ist das Sicherungselement 20, das in den Baugruppen in Fig. 1 und Fig. 2 verwendet wird.
Obenstehend wurden die bevorzugten Prinzipien, Ausführungen und Funktionsweisen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die Erfindung sollte jedoch nicht als auf die erläuterten speziellen Ausführungen beschränkt betrachtet werden. Statt dessen sind die obenbeschriebenen Ausführungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten, und es liegt auf der Hand, daß Abwandlungen, Veränderungen und Äquivalente von anderen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsschutzvorrichtung, das die folgenden Schritte umfaßt:

Einführen eines Trägers (18), der ein Sicherungselement (20) trägt und elektrische Kontakte (22, 24) an einander gegenüberliegenden Endabschnitten aufweist, in eine isolierende Hülse (30, 31, 33), wobei die isolierende Hülse offene Enden hat:

Positionieren eines Leiters (40, 42; 41, 43) an jedem Endabschnitt des Trägers (18) in Kontakt mit den elektrischen Kontakten (22, 24)

Einlegen der entstehenden Baugruppe in eine Kammer mit steuerbarem Druck und steuerbarer Temperatur;

wenigstens teilweises Auspumpen der Kammer;

Erwärmen der Baugruppe auf eine Temperatur, die ausreicht, um die isolierende Hülse zu erweichen; und

Erhöhen des Drucks auf einen Druck, der ausreicht, um zu bewirken, daß die offenen Enden der erweichten isolierenden Hülse (30, 31, 33) eine Abdichtung um die Leiter (40, 42; 41, 43) herum bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das das Absenken der Temperatur auf Umgebungstemperatur nach dem Herstellen der Abdichtung um die Leiterelemente herum umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammer vor dem Erwärmen der Baugruppe im wesentlichen ausgepumpt wird, wobei das Verfahren den Schritt des Einleitens eines ausgewählten Gases in die Kammer bei einem vorgegebenen Druck unter atmosphärischem Druck umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Druck erhöht wird, indem zusätzliches ausgewähltes Gas in die Kammer eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei es sich bei dem ausgewählten Gas um ein inertes Gas handelt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei dem ausgewählten Gas um Stickstoff handelt.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei es sich bei dem ausgewählten Gas um Schwefelhexafluorid handelt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Druck erhöht wird, indem Luft in die Kammer eingeleitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druck der erwärmten Kammer auf einen Druck unter atmosphärischem Druck erhöht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Druck der erwärmten Kammer im wesentlichen auf atmosphärischen Druck erhöht wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhöhen des Drucks bewirkt, daß die erweichte isolierende Hülse (30, 31, 33) eine hermetische Abdichtung um die Leiterelemente (40, 42; 41, 43) herum bildet.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das das Auftragen eines Lotvorformlings (50, 52) auf einen Kopfabschnitt jedes Leiters (40, 42; 41, 43) umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Erwärmens der Baugruppe bewirkt, daß der Lotvorformling (50, 52) auf dem Kopfabschnitt so weit schmilzt, daß er eine Verbindung mit dem entsprechenden Kontakt (22, 24) des Sicherungselementes (20) bildet.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die isolierende Hülse (30, 31, 33) eine Glashülse ist.