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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Schneidklemmverbinder und eine Anordnung
oder einen elektrischen Stecker, die bzw. der den Schneidklemmverbinder
umfasst, und die bzw. der zum Herstellen einer elektrischen Verbindung
zu einem elektrischen Kabel verwendet wird.
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Einführung in die Erfindung
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Längliche
Kabel, wie zum Beispiel Spannungsversorgungskabel, Stromversorgungskabel oder
Heizkabel müssen
oft an ein anderes längliches Kabel
oder an eine elektrische Stromquelle, wie zum Beispiel eine Steckdose,
elektrisch angeschlossen werden. Häufig wird ein elektrischer
Stecker verwendet, um die Verbindung zu einer Stromquelle herzustellen.
Das Anschließen
des Kabels an den Verbinder kann oft mühsames und arbeitsintensives
Montieren sowie auch den Einsatz von Spezialwerkzeugen erforderlich
machen, um sicherzustellen, dass eine gute elektrische Verbindung
erhalten wird.
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Heizkabel
sind einer der Kabeltypen, die oft das Anschließen an einen Verbinder oder
Stecker erfordern. Derartige Kabel sind aus der Verwendung beim
Frostschutz und beim Aufrechterhalten der Temperatur von Rohren
bekannt. Besonders dienliche längliche
Heizkabel umfassen (a) eine erste und eine zweite längliche
Elektrode, (b) eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen, die zwischen
den Elektroden parallel geschaltet ist, zum Beispiel einen durchgehenden
Streifen eines leitfähigen
Polymers, in dem die Elektroden eingebettet sind oder der die Elektroden
umhüllt,
und (c) eine Isolationsummantelung, die beispielsweise aus einem
isolierenden Polymer besteht, das die Elektroden und die Heizelemente
umgibt. Zusätzlich
umfassen die Heizkabel zusätzlich
oft eine metallische Erdungsschicht in Form eines Geflechtes oder
eines Einfassbandes, die bzw. das die Isolationsummantelung umgibt
und dazu dient, das Heizkabel elektrisch zu erden und Verschleißfestigkeit
bereitzustellen. Das Heizkabel kann für jede Anwendung in eine angemessene
Länge geschnitten
werden und muss anschließend
an einen Verbinder oder Stecker angeschlossen werden.
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Konventionelle
Verbinder und elektrische Stecker zur Verwendung mit elektrischen
Kabeln, wie beispielsweise Heizkabeln, erfordern oft, dass vor dem
Installieren des Kabels in dem Stecker das leitfähige Polymer von den Elektroden
abgelöst
werden muss. Ein solcher elektrischer Stecker ist in den US-Patenten
Nr. 5.002.501 (Tucker) und Nr. 5.004.432 (Tucker) beschrieben. Das
Ablösen
des Polymers kann schwierig sein, kann Spezialwerkzeuge erfordern
und kann in nicht vollständig „sauberen" Elektroden resultieren,
wodurch eine gute elektrische Verbindung mit dem Stecker schwierig
herzustellen ist. Zusätzlich
können
das Ablösen
des Polymers und das Montieren des Steckers sehr zeitaufwendig sein. Andere
konventionelle Stecker machen es nicht erforderlich, dass das Kabel
vor dem Einführen
in den Stecker abisoliert wird. Das US-Patent Nr. 5.252.081 (Hart)
legt einen Stecker offen, in dem die Verbindung mit den Elektroden
mit leitfähigen
Stecheinrichtungen, die die Isolationsummantelung und das leitfähige Polymer
durchdringen und infolgedessen mit den Elektroden in Berührung kommen,
hergestellt wird. Um einen adäquaten
Kontakt zu erzeugen, ist es erforderlich, dass die Stecheinrichtungen,
beispielsweise Schrauben, ausreichend fest angezogen werden. Außerdem ist
es wichtig, dass die Maßtoleranz
genau ist, um sicherzustellen, dass die Schrauben die Elektroden
direkt kontaktieren und nach Kriechdehnung und/oder Alterung des
Polymers und der Elektroden einen guten elektrischen Kontakt aufrechterhalten.
Das US-Patent Nr. 5.718.600 (D'Amario
u. a.) legt einen weiteren Stecker offen, der vor dem Einführen kein
Ablösen
des Polymers erfordert, der jedoch ein in dem Steckergehäuse angeordnetes rotierendes
Schneidelement verwendet, um das Polymer zu schneiden und von den
Elektroden abzulösen.
Das Drehen des Schneidelementes zwingt die Elektroden zusätzlich in
den physikalischen Kontakt mit elektrischen Kontakten. Das US-Patent
Nr. 5.756.972 (Vranicar u. a.) legt einen Verbinder offen, in dem
ein Kabel in ein Gehäuse
eingeführt
wird und Verbindung zu einem zweiten Kabel hergestellt wird. Um
die Verbindung zwischen den zwei nicht abisolierten Kabeln herzustellen,
werden Schneidklemmverbinder verwendet.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Schneidklemmverbinder
sind zur Verwendung beim Herstellen des elektrischen Kontaktes von elektrischen
Kabeln bekannt. Ein Schneidklemmverbinder (Insulation Displace ment
Connector = IDC) kann jeder Konfiguration sein, hat jedoch oft die
Form einer Gabel mit zwei Zinken, die durch einen Schlitz getrennt
und an der Basis verbunden sind. Die Zinken haben scharte Kanten
an ihren Spitzen, um das die Elektroden umgebende Polymer zu durchdringen.
Wenn ein IDC dieses Typs verwendet wird, kann jedoch das Problem
entstehen, dass sich das Polymer an der Basis des Schlitzes aufbaut
und dabei stört,
eine betriebssichere elektrische Verbindung herzustellen. Während einige
konventionelle IDCs einen Entlastungshohlraum für zusätzliches Material aufweisen,
müssen
diese aus teuren Legierungen, beispielsweise Beryllium-Kupfer, die
eine ausreichende Elastizität
haben, um die erforderliche Federkraft oder Haltekraft bereitzustellen,
hergestellt werden. Wir haben jetzt festgestellt, dass es durch
die Verwendung eines IDCs, der am Boden des Schlitzes zwischen den
Zinken eine konische Nut umfasst, möglich ist, eine zuverlässige Verbindung
zu einem elektrischen Kabel, insbesondere zu einem elektrischen
Kabel, das Drahtlitzenleiter verwendet, einfach herzustellen. Die
konische Nut stellt einen Einschnitt in das die Elektroden umgebende
Polymer bereit, der das Polymer trennt und eine freie Fläche für gute elektrische
Verbindung belässt.
Es besteht kein Bedarf für
einen Entlastungshohlraum und infolgedessen können weniger teure Materialien,
wie zum Beispiel Messing, verwendet werden, während noch immer ein guter
Kontakt erreicht wird. Derartige Verbinder sind sowohl in einer
Anordnung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung als auch
in einem elektrischen Stecker dienlich. Folglich stellt diese Erfindung
in einem ersten Aspekt einen Schneidklemmverbinder in Form einer
Gabel bereit, der Folgendes umfasst:
- (1) eine
erste Zinke, umfassend (a) ein erstes abgeschrägtes Schneidplättchen und
(b) einen ersten Abschnitt mit einer ersten Länge und einer ersten Breite,
- (2) eine zweite Zinke, umfassend (a) ein zweites abgeschrägtes Schneidplättchen und
(b) einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Länge und einer zweiten Breite,
- (3) eine Basis, die die erste und die zweite Zinke verbindet,
- (4) einen Schlitz, der (a) die erste und die zweite Zinke trennt
und (b) zwischen dem ersten und dem zweiten Schneidplättchen ein
offenes Ende hat und an der Basis ein geschlossenes Ende hat, und
- (5) eine konische Nut, umfassend (a) eine Schneidkante, die
sich (b) von dem geschlossenen Ende von dem ersten und dem zweiten Schneidplättchen weg
und entlang einem Teil der Basis erstreckt.
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Um
das Herstellen der elektrischen Verbindung zu erleichtern, ist es
oft dienlich, IDCs auf einer Halterung zu befestigen. Infolgedessen
stellt die Erfindung in einem zweiten Aspekt eine Anordnung zum
Herstellen einer elektrischen Verbindung zu einem elektrischen Kabel,
das eine erste längliche Elektrode
und eine zweite längliche
Elektrode umfasst, wobei die erste und die zweite Elektrode von
einem Polymer umgeben und durch dieses voneinander getrennt sind,
bereit, die Anordnung umfasst:
- (1) einen Kanal,
der bemessen ist, um das Kabel aufzunehmen, enthält,
- (2) fähig
ist, mit dem IDC-Modul in einer unikalen Anordnung zusammengepasst
zu sein, so dass, wenn das Kabel in den Kanal eingeführt ist
und das IDC-Modul und das Drahtführungsmodul
zusammengepasst sind, das erste Stechelement das Kabel durchdringt
und einen elektrischen Kontakt zu der ersten Elektrode herstellt
und das zweite Stechelement das Kabel durchdringt und einen elektrischen
Kontakt zu der zweiten Elektrode herstellt.
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In
einem dritten Aspekt stelle die Erfindung einen elektrischer Stecker
zum Anschließen
eines elektrischen Kabels an eine elektrische Steckdose, wobei das
elektrische Kabel eine erste und eine zweite längliche elektrische Elektrode
umfasst, die erste und die zweite Elektrode von einem Polymer umgeben
und durch dieses voneinander getrennt sind, bereit, der Stecker
umfasst:
- (A) ein Gehäuse, das umfasst:
- (1) einen ersten Gehäuseteil,
- (2) einen zweiten Gehäuseteil,
wobei
der erste und der zweite Gehäuseteil
relativ zueinander zwischen einer Anordnung, in der sie nicht zusammengepasst
sind, und einer unikalen Anordnung, in der sie zusammengepasst sind,
die eine Öffnung
zum Aufnehmen des Kabels bereitstellt, bewegbar sind,
- (B) ein Schneidklemmverbinder-Modul (IDC-Modul), das ein erstes
und ein zweites Stechelement umfasst, von denen jedes einen Schneidklemmverbinder
gemäß Anspruch
1 umfasst, und
- (C) ein Drahtführungsmodul,
das
- (1) in den ersten Gehäuseteil
hineinpasst,
- (2) einen Kanal enthält,
der bemessen ist, um das Kabel zu enthalten, wobei der Kanal mit
der Öffnung,
die gebildet ist, wenn der erste und der zweite Gehäuseteil
zusammengepasst sind, bündig
ist, und
- (3) fähig
ist, mit dem IDC-Modul in einer unikalen Anordnung zusammengepasst
zu werden, so dass, wenn das Kabel in den Kanal eingeführt ist und
das IDC-Modul und das Drahtführungsmodul zusammengepasst
sind, das erste Stechelement das Kabel durchdringt und einen elektrischen Kontakt
zu der ersten Elektrode herstellt und das zweite Stechelement das
Kabel durchdringt und einen elektrischen Kontakt zu der zweiten
Elektrode herstellt, und
das erste Stechelement elektrisch
an einen ersten Anschlussstift, der geeignet ist, um in eine Buchse einer
elektrischen Steckdose eingeführt
zu werden, angeschlossen werden kann und das zweite Stechelement
elektrisch an einen zweiten Anschlussstift, der geeignet ist, um
in eine zweite Buchse einer elektrischen Steckdose eingeführt zu werden,
angeschlossen werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist durch die Zeichnungen dargestellt, in denen
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1 ein
Grundriss eines elektrischen Kabels zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Stecker
oder einer erfindungsgemäßen Anordnung ist,
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2 ein
Grundriss eines erfindungsgemäßen Schneidklemmverbinders
ist,
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3 ein
Querschnitt entlang der Linie 3-3 der 2 ist,
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4 eine
Draufsicht auf das Drahtführungsmodul
der Erfindung ist,
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5 ein
Querschnitt entlang der Linie 5-5 der 4 ist,
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6 eine
Draufsicht des erfindungsgemäßen IDC-Moduls
ist,
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7 und 8 schematisch
eine Querschnittsansicht des Drahtführungsmoduls und des IDC-Moduls
der Anordnung der Erfindung, jeweils bevor und nachdem die Verbindung
mit einem elektrischen Kabel hergestellt ist, zeigen,
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9 eine
schematische Ansicht einer Verbindung mit einer Elektrode eines
elektrischen Kabels zeigt und
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10 eine
schematische Perspektivzeichnung eines erfindungsgemäßen elektrischen
Schalters zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Der
IDC und die Anordnung der Erfindung sind ausgelegt, um eine elektrische
Verbindung zu einem länglichen
elektrischen Kabel herzustellen. Wenn die Anordnung Teil eines elektrischen
Steckers ist, kann die Verbindung zu einer elektrischen Stromquelle,
beispielsweise zu einer Steckdose, hergestellt werden. Das elektrische
Kabel kann ein Heizkabel, ein Stromversorgungskabel oder ein Spannungsversorgungskabel,
eine geerdete Stromversorgungsleitung oder ein anderer Kabeltyp
sein. Dieses Kabel umfasst wenigstens eine längliche Elektrode, vorzugsweise
zwei längliche
Elektroden, d. h. eine erste und eine zweite längliche Elektrode, die von
einem Polymer umgeben und durch dieses voneinander getrennt sind.
Das Polymer ist vorzugsweise kristallin, d. h., hat eine Kristallinität von wenigstens
10% und vorzugsweise höher,
da kristalline Polymere dazu neigen, kerbempfindlicher als amorphe
Polymere zu sein, und diese Kerbempfindlichkeit, wenn die Verbindung
zu den Elektroden hergestellt wird, dienlich ist. Die Elektroden
sind vorzugsweise Drahtlitzenleiter, die, wenn sie in den Schlitz
des IDC eingeführt
werden, durch den Druck der IDC-Schneidplättchen weniger Schädigung als
Massivdrähte
ausgesetzt werden.
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Elektrische
Heizkabel sind elektrische Kabel, die besonders adäquat zur
Verwendung mit dieser Erfindung sind. Elektrische Heizkabel umfassen
eine erste und eine zweite längliche
elektrische Elektrode, eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen,
die ein Polymer umfassen, das zwischen den Elektroden parallel geschaltet
ist, und wenigstens eine Isolationsummantelung, die die Elektroden
und die Heizelemente umgibt. Die Isolationsummantelung ist generell
polymer in Form einer durchgängigen
Polymerschicht, obwohl ebenso ein Polymergeflecht oder ein Polymerband
verwendet werden können.
Bei einigen Anwendungen ist eine Polymer-Isolationsummantelung von
einer zweiten Schicht umgeben, beispielsweise einer zweiten Polymer-Isolationsummantelung,
wie ein Polyestergeflecht oder ein metallisches Band, wie zum Beispiel
ein aluminisiertes Band. Das Heizkabel umfasst oft ein optionales
metallisches Erdungsgeflecht, das die Isolationsummantelung und die
optionale zweite Schicht umgibt. Das metallische Erdungsgeflecht
dient zum elektrischen Erden des Heizkabels und stellt mechanische
Festigkeit und Abriebsfestigkeit bereit. Wenn ein metallisches Erdungsgeflecht
vorhanden ist, ist es generell in Form von geflochtenen Metalldrähten vorhanden,
obwohl es möglich
ist, bei Anwendungen, bei denen Flexibilität nicht kritisch ist, andere
Typen von Metallschichten, beispielsweise eine Hülse oder ein Metallband, zu
verwenden. Der Ausdruck „metallisches
Erdungsgeflecht" ist
in dieser Beschreibung vorgesehen, um nicht geflochtene Metallschichten
einzubeziehen. Bei einigen Anwendungen ist das Erdungsgeflecht selbst von
einer Isolationsummantelung umgeben, um das Heizkabel mit der umgebungsbedingt
erforderlichen und der elektrischen Isolation zu versehen. Selbstregulierende
Streifenheizer, in denen die Elektroden längliche Drahtlitzenleiter sind
und die Heizelemente eine leitfähige
Polymerzusammensetzung umfassen, die einen PTC (positiven Temperaturkoeffizienten des
Widerstands) zeigen, sind besonders geeignete Heizkabel. Die leitfähige Polymerzusammensetzung umfasst
ein hochkristallines Polymer, beispielsweise 40% kristallin, in
dem ein bestimmter leitfähiger
Füller dispergiert
ist. Heizer dieses Typs sind in den US-Patenten Nr. 3.858.144 (Bedard
u. a.), Nr. 3.861.029 (Smith-Johannsen u. a.), Nr. 4.017.715 (Withney
u. a.), Nr. 4.242.573 (Batliwalla), Nr. 4.334.148 (Kampe), Nr. 4.334.351
(Sopory), Nr. 4.426.339 (Kamath u. a.), Nr. 4.574.188 (Midgley u.
a.) und Nr. 5.11.032 (Batliwalla u. a.) und in der internationalen
Patentveröffentlichung
Nr. WO91/17642 (Raychem Corporation, veröffentlicht am 14. November
1991) beschrieben. Die Offenlegung jedes dieser Patente und die Publikationen
sind durch Bezugnahme hierin einbezogen. Das Heizkabel hat generell
einen annähernd rechteckigen
Querschnitt mit zwei generell parallelen Flächen, obwohl andere Geometrien,
wie zum Beispiel rund, oval oder elliptisch, ebenso verwendet werden
können.
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Der
erfindungsgemäße IDC ist
in Form einer Gabel und umfasst eine erste und eine zweite Zinke. Die
erste Zinke umfasst ein erstes abgeschrägtes Schneidplättchen und
einen ersten, mit dem ersten abgeschrägten Schneidplättchen verbundenen
Abschnitt mit einer ersten Länge
und einer ersten Breite. Die zweite Zinke umfasst ein zweites abgeschrägtes Schneidplättchen und
einen zweiten, mit dem zweiten abgeschrägten Schneidplättchen verbundenen Abschnitt
mit einer zweiten Länge
und einer zweiten Breite. Die Gesamtlänge der ersten Zinke, die den ersten
Abschnitt und das erste abgeschrägte Schneidplättchen enthält, ist
vorzugsweise dieselbe wie die der zweiten Zinke, die den zweiten
Abschnitt und das zweite abgeschrägte Schneidplättchen enthält. Die
erste und die zweite Zinke haben vorzugsweise verschiedene Breiten,
wobei die zweite Breite vorzugsweise wenigstens 1,2-mal, insbesondere
wenigstens 1,3-mal, speziell wenigstens 1,5-mal die erste Breite
ist. Die verschiedenen Breiten ermöglichen, dass der IDC mit Kabeln,
die einen kleinen Abstand zwischen den Elektroden, beispielsweise
einen engen Mitte-zu-Mitte-Abstand, haben, verwendet werden kann.
Der Grad der Schräge
des ersten und des zweiten Schneidplättchens wird basierend auf dem
Polymertyp, der von dem Kabel abzulösen ist, gewählt, sollte
jedoch ausreichend sein, um das Polymer, das die Elektroden umgibt
(und alle Polymer-Isolationsummantelungen, falls vorhanden) zu durchstechen.
Die erste und die zweite Zinke sind durch eine Basis verbunden und
durch einen Schlitz, der zwischen dem ersten und dem zweiten Schneidplättchen ein
offenes Ende und an der Basis ein geschlossenes Ende aufweist, getrennt.
Für die
optimale Effektivität
beim Herstellen einer elektrischen Verbindung ist die Breite des
Schlitzes vorzugsweise 0,3-mal bis 0,9-mal der Durchmesser der Elektrode, insbesondere
0,4-mal bis 0,8-mal der Durchmesser der Elektrode und speziell 0,5-mal bis 0,8-mal der Durchmesser
der Elektrode, obwohl die Breite des Schlitzes von dem Typ, der
Konfiguration und der Zusammensetzung des Drahtes abhängig ist.
Beispielsweise wurde für
einen gleichmäßig konzentrischen Draht
eine Schlitzbreite von 0,66-mal des Durchmesser des Drahtes als
dienlich für
einen Drahtlitzenleiter 22 AWG festgestellt.
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Von
dem geschlossenen Ende, weg von dem ersten und dem zweiten Schneidplättchen und
entlang einem Teil der Basis, erstreckt sich eine konische Nut.
Diese Nut, die eine Schneidkante hat, die der des geschlossenen
Endes des Schlitzes gleich ist, dient dazu, zwischen der ersten
und der zweiten länglichen
Elektrode eine Kerbe in dem Polymer bereitzustellen, die eine saubere
Rille für
eine gute elektrische Verbindung aufbricht. Vorzugsweise erstreckt sich
eine konische Nut von dem geschlossenen Ende des Schlitzes auf beiden
Seiten der Basis und vorzugsweise ist die Verjüngung der konischen Nut so, dass
die Nut an der Schneidkante am tiefsten ist und schmal wird, während sich
die Nut entlang der Basis in Richtung nach unten erstreckt. In einer
bevorzugten Ausführung
prägt die
Verjüngung
keine scharfe Kante auf der Basis aus, d. h. an dem Ende der Nut, so
dass die Elektrode nicht beschädigt
wird, wenn der Kontakt mit dem IDC hergestellt ist. An ihrer tiefsten
Stelle, d. h. an der Schneidkante, ist die konische Nut höchstens
60%, vorzugsweise 50%, insbesondere 40% der Dicke der Basis des
IDCs, so dass an der Schneidkante eine ausreichende Kraft beibehalten werden
kann. Wenn konische Nuten auf beiden Seiten der Basis vorhanden
sind, ist zu bevorzugen, dass die Tiefen der Nuten auf beiden Seiten
dieselben sind, obwohl sie bei einigen Anwendungen von verschiedenen
Tiefen, Längen
und Verjüngungen sein
können.
Die Breite der konischen Nut kann dieselbe wie die Breite des Schlitzes
oder verschieden von dieser sein.
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Der
IDC wird vorzugsweise aus Messing oder Messinglegierungen des Typs,
die für
Verbindungsmaterialien verwendet werden, gefertigt.
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Die
Anordnung der Erfindung umfasst ein Schneidklemmverbinder-Modul
(IDC-Modul), das mit dem Drahtführungsmodul
in einer unikalen Anordnung zusammengepasst werden kann. Das IDC-Modul
umfasst ein erstes und ein zweites Stechelement, von denen jedes
einen erfindungsgemäßen Schneidklemmverbinder
umfasst. Das erste und das zweite Stechelement sind asymmetrisch
in dem IDC-Modul positioniert, d. h. voneinander versetzt, so dass
das erste Stechelement vor dem zweiten Stechelement angeordnet ist
und sie nicht in physikalischem Kontakt miteinander sind. Zusätzlich sind
die erste Zinke und die zweite Zinke alternierend positioniert,
d. h., die zweite Zinke des ersten Stechelementes ist so positioniert,
dass sie an eine Außenkante
des Kabels angrenzt, während
die zweite Zinke des zweiten Stechelementes so positioniert ist,
dass sie angrenzend an der gegenüberliegenden
Außenkante
des Kabels positioniert ist. Die Kombination von asymmetrischer Positionierung
und das Alternieren der verschieden breiten Zinken ermöglicht die
Verbindung zu Kabeln, die einen sehr schmalen Mitte-zu-Mitte-Abstand haben, ohne
dass dadurch der dielektrische Abstand der benachbarten Elektroden
zwischen den Zinken beeinträchtigt
wird. Die Stechelemente können
durch jede geeignete Einrichtung, beispielsweise durch eine Druckringverbindung
oder einen Kleber, an dem IDC-Modul befestigt werden.
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Das
Drahtführungsmodul
hat einen Kanal, der bemessen ist, um das Kabel zu enthalten. Der Kanal
weist vorzugsweise einen Querschnitt von derselben Größe wie der
des Kabels auf, so dass das Kabel in den Kanal eingeführt und
dort sicher gehalten werden kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst der Kanal eine erste und eine zweite Öffnung, durch die das erste
und das zweite Stechelement jeweils die Elektroden kontaktieren können. Das
Drahtführungsmodul
kann aus einem transparenten Material gefertigt werden, so dass
die Position des Kabels während
des Installierens überwacht
werden kann. Das Drahtführungsmodul
kann mit dem IDC-Modul in einer unikalen Anordnung zusammengepasst
werden und eine Führungssäule oder
mehrere Führungssäulen kann
bzw. können
Teil des Drahtführungsmoduls
sein, um die richtige Positionierung sicherzustellen. Zusätzlich können weitere Sicherungseinrichtungen
verwendet werden, um Druck anzuwenden, wenn die beiden Module verbunden
sind, um so die Stechelemente zum Durchdringen und zum Kontaktieren
der Elektroden zu zwingen.
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Wenn
die Sicherungseinrichtungen Schrauben sind, kann dies einfach erreicht
werden, indem die Schrauben abwechselnd festgezogen werden, bis
die Stechelemente die Dicke des Kabels durchdringen.
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Während die
Anordnung einzeln verwendet werden kann, wird sie üblicherweise
als Teil eines elektrischen Schalters verwendet. Der Schalter umfasst
ein Gehäuse,
das ein erstes Gehäuseelement und
ein zweites Gehäuseelement
umfasst, die in einer nicht zusammengepassten Anordnung oder in
einer unikalen Anordnung zusammengepasst vorhanden sein können. In
der nicht zusammengepassten Anordnung können die Gehäuseteile
getrennt sein oder durch Gelenke verbunden sein. Wenn zusammengepasst,
sind die Gehäuseelemente
entweder direkt miteinander in Kontakt oder durch Dichtungselemente,
wie zum Beispiel eine Flachdichtung, indirekt miteinander in Kontakt.
Die Gehäuseelemente werden
durch Sicherungseinrichtungen, wie zum Beispiel ein Band, eine Sperrklinke,
eine Federklemme, eine Schraube oder mehrere Schrauben oder eine
integrale Rastung in ihrer zusammengepassten Anordnung gehalten.
Die Sicherungseinrichtungen können
abnehmbar sein, um zu ermöglichen,
dass die Gehäuseelemente
außer
Eingriff gebracht werden können,
und zu ermöglichen,
dass der Stecker erneut eingesetzt werden kann. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
umfassen die Sicherungseinrichtungen Schrauben, die, wenn sie nach
Einführung
des Kabels festgezogen werden, sicherstellen, dass eine gute elektrische
Verbindung erreicht und aufrechterhalten wird.
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Das
erste Gehäuseelement
ist generell ein Einzelstück,
das entweder durch Rippen oder Erhöhungen aufgeteilt ist oder
für verschiedene
Funktionen nominal ist. An einem Ende des ersten Gehäuseelementes
ist eine Aussparung, die eine Öffnung zum
Aufnehmen des Kabels bildet, wenn das erste und das zweite Gehäuseelement
zusammengepasst sind. Das erste Gehäuseelement sollte groß genug sein,
um sowohl das IDC-Modul, das an dem ersten Gehäuseelement befestigt sein kann,
als auch optionale Elemente, wie zum Beispiel Zugentlastungseinrichtungen,
eine Schaltungsunterbrechungseinrichtung, einen Signalgeber, eine
Sicherung oder andere Elemente, aufzunehmen. Diese optionalen Elemente können in
einer zweiten Abteilung des ersten Gehäuseelementes getrennt von dem
IDC-Modul vorhanden sein.
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Das
zweite Gehäuseelement
kann ein Einzelstück
sein, das unterteilt sein kann, das jedoch oft zwei oder mehr Abschnitte
umfasst, die voneinander getrennt sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das zweite Gehäuseelement
einen ersten Abschnitt, der die elektrischen Komponenten (beispielsweise
die Schaltungsunterbrechungseinrichtung, den Signalgeber, die Sicherung)
enthält, und
einen zweiten Abschnitt, der das Drahtführungsmodul abdeckt, wenn es
mit dem IDC-Modul zusammengepasst ist. Der erste Abschnitt wird
vor der Installation des Kabels oft dauerhaft an dem ersten Gehäuseelement
gesichert, während
der zweite Abschnitt einfach abgenommen und ersetzt werden kann.
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Ein
erster und ein zweiter Kontaktstift zum Anschließen in einer Steckdose können direkt
auf dem Gehäuse
des Steckers angeordnet sein oder, wie bevorzugt, von dem Gehäuse kann
sich eine an die Kontaktstifte angeschlossene elektrische Leitung erstrecken.
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Der
Stecker kann des Weiteren elektrische Komponenten für zusätzliche
Funktionalität
und Sicherheit umfassen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist an den ersten und den zweiten Kontaktstift eine Sicherung elektrisch
angeschlossen. Geeignete Sicherungen, die für 120-Volt-Anwendungen ausgelegt
sind, umfassen jene, die eine 7-Ampere-/125-Volt-Nennleistung
haben, wie jene, die unter dem Namen PicofuseTM 7
A/125 V durch die Littelfuse Inc. vertrieben werden, oder solche,
die unter dem Namen MicrotronTM-Sicherung
MCR-7 durch den Bussmann-Unternehmensbereich der Cooper Industries
vertrieben werden. Es ist außerdem
bevorzugt, dass das erste und das zweite Stechelement elektrisch
mit einer Schaltungsunterbrechungseinrichtung verbunden sind, die
eine Gerät-Erdfehlerschutzeinrichtung
(EGFPD) sein kann. Beispielsweise kann eine 27-mA-Nennleistung-EGFPD
verwendet werden, um für
die Anordnung den Erdfehlerschutz bereitzustellen. Zusätzlich kann
für verschiedene
Zwecke, zum Beispiel zum Anzeigen, dass der Stecker mit Leistung
versorgt ist oder dass die Sicherung getrennt ist, ein Signalgeber,
beispielsweise ein Beleuchtungskörper,
elektrisch, beispielsweise an die Sicherung oder an andere Komponenten,
angeschlossen sein.
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Die
mit der erfindungsgemäßen Anordnung und
dem erfindungsgemäßen Stecker
verwendeten Kabel umfassen oft ein metallisches Erdungsgeflecht und
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst der Stecker einen dritten Kontaktstift, der in die Erd buchse
einer elektrischen Steckdose eingeführt werden kann, und einen
Erdkontaktabschnitt, in dem ein Erdungselement, beispielsweise das
Geflecht, angeordnet werden kann. Der Erdkontaktabschnitt kann in
dem ersten Gehäuseelement
angrenzend an die Aussparung angeordnet sein und umfasst eine Metallklammer
oder eine andere Befestigungseinrichtung, die an den dritten Kontaktstift
durch einen Draht, ein Lötmittel
oder eine Metalltrasse elektrisch angeschlossen wird. In Betrieb
wird das metallische Erdungsgeflecht von dem Ende des Kabels weg
gefaltet und verdreht, um ein Endelement zu bilden. Das Kabel wird
dann in den Stecker eingeführt,
um es in einem Hohlraum in dem ersten Gehäuseelement angrenzend an das
IDC-Modul zu positionieren. Das Endelement wird dann in die Klemme
eingeführt
oder anderweitig daran befestigt und stellt eine physikalische und
elektrische Verbindung her.
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In
vielen Ausführungsbeispielen
des Steckers ist ebenso eine Zugentlastungseinrichtung vorhanden.
Wenn die Verbindung des Kabels mit dem Stecker hergestellt wird,
ist es wichtig, dass das Kabel mit ausreichender Kraft in seiner
Position gehalten wird, so dass es nicht leicht aus dem Stecker
herausgezogen werden kann. Für
Routineanwendungen ist generell eine „Auszugskraft" von wenigstens 11,4
kg, vorzugsweise von wenigstens 13,6 kg und insbesondere von wenigstens
15,9 kg erforderlich. Die Auszugskraft kann gemäß einer Prüfung gemessen werden, bei der
ein bekanntes Gewicht, beispielsweise 15,9 kg, in einem Winkel von
180° für eine Minute
an das Ende des Kabels gehängt
wird (nach der Einführung
in den Stecker). Das Gewicht wird dann abgenommen und das Kabel
wird vermessen, um festzustellen, ob Schlüpfen aus dem Stecker oder Furchen-
oder Rissbildung in dem Kabel eingetreten sind. Wenn keine Beschädigung und
kein Schlüpfen
zu beobachten sind, wird die Auszugskraft als wenigstens so groß wie das
Gewicht benannt. Die Zugentlastungseinrichtung ermöglicht,
dass eine adäquate
Auszugskraft erzeugt wird, wenn das Kabel in dem Stecker installiert
ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst die Zugentlastungseinrichtung ein erstes Zugentlastungselement
in Form einer Rippe und ein zweites Zugentlastungselement in Form
einer gegenüberliegenden
Rippe. Wenn das erste Gehäuseelement
mit dem zweiten Gehäuseelement
zusammengepasst wird und durch die Sicherungseinrichtungen gesichert
wird, wird das Kabel in eine Slalomkonfiguration zwischen den einander
gegenüberliegenden
Rippen gezwungen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die
Zugentlastungseinrichtung und der Erdkontaktabschnitt in Form einer
Klemme in einer Einheit kombiniert werden.
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Die
Gehäuseelemente
des Drahtführungsmoduls,
des IDC-Moduls und weiterer struktureller Elemente der Anordnung
oder des Steckers können ein
isoliertes Metall oder Keramik umfassen, umfassen jedoch vorzugsweise
ein Polymer, das, gemessen durch Prüfungen wie UL 746C, eine Schlagfestigkeit
von wenigstens 0,69 kg/m aufweist, wenn es in das bestimmte Element
geformt ist. Bevorzugte leichtgewichtige Polymere können durch
Spritzgießen
oder Spitzpressen oder ähnliche
Verarbeitungstechniken geformt werden und werden dem erforderlichen
Intervall-Einsatz und den kontinuierlichen Betriebstemperaturen
standhalten. Adäquate
Polymere umfassen Polycarbonat, Nylon, Polyester, Polyphenylensulfid,
Polyphenylenoxid und andere verarbeitungsfähige Kunststoffe. Um die Schlagfestigkeit
der Anordnung oder des Steckers zu verbessern, können interne Elemente, wie
zum Beispiel Rippen oder Erhöhungen,
und externe Elemente, wie zu Beispiel Rillen, in die Konstruktion
der verschiedenen Elemente einbezogen werden.
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Die
Erfindung wird in den folgenden Zeichnungen dargestellt, in denen
die 1 ein Grundriss eines elektrischen Kabels 1 ist,
das ein Heizkabel ist, in dem eine erste längliche Elektrode 3 und
eine zweite längliche
Elektrode 5 in einer leitfähigen Polymermatrix 7,
die ein Widerstandsheizelement bereitstellt, eingebettet sind. Die
Isolationsschicht 9, die mehr als eine Schicht umfassen
kann, umgibt die leitfähige
Polymermatrix und eine metallische Erdungsschicht 11 umgibt
die Isolationsschicht.
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Die 2 ist
ein Grundriss eines erfindungsgemäßen IDCs und die 3 ist
ein Querschnitt entlang der Linie 3-3. Der IDC 13 ist in
Form einer Gabel mit einer ersten Zinke 15, die von einem
ersten abgeschrägten
Schneidplättchen
und einem ersten Abschnitt 19 gebildet wird, und einer
zweiten Zinke 21, die von einem zweiten abgeschrägten Schneidplättchen 23 und
einem zweiten Abschnitt 25 gebildet wird. Die erste und
die zweite Zinke 15 und 21 sind durch eine Basis 27 verbunden,
sind jedoch durch einen Schlitz 29 getrennt, der ein offenes
Ende 31 und ein geschlossenes Ende 33, das die
Schneidkante der konischen Nut 35 ist, hat.
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Die 4 ist
eine Draufsicht auf ein Drahtführungsmodul
und die 5 ist ein Querschnitt entlang
der Linie 5-5. Das Drahtführungsmodul 37 enthält den Kanal 39.
Die erste Öffnung 41 und
die zweite Öffnung 43 in
dem Kanal 39 ermöglichen
jeweils den Kontakt zwischen dem ersten Stechelement 53 und
einer ersten Elektrode 3 und dem zwei ten Stechelement 55 und
der zweiten Elektrode 5. Die Löcher 45 für die Sicherungseinrichtungen 47 sind
angrenzend an den Kanal 39 positioniert und an den Ecken des
Drahtführungsmoduls
sind Führungssäulen 49 angeordnet.
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Die 6 ist
eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße IDC-Modul 51. Das
erste und das zweite Stechelement 53 und 55 werden
an ihren asymmetrisch versetzten Positionen gezeigt. Die Hohlräume 57 sind
für die
Sicherungseinrichtungen 47 vorhanden.
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Die 7 und
die 8 zeigen schematisch in Querschnittsansicht jeweils
das Drahtführungsmodul
und das IDC-Modul der Anordnung, bevor und nachdem die Verbindung
zu einem elektrischen Kabel hergestellt ist. Die Sicherungseinrichtungen 47, die
hier als Schrauben gezeigt werden, werden stufenweise festgezogen
und zwingen die erste und die zweite Stecheinrichtung in Kontakt
mit und anschließend
durch die erste und die zweite Elektrode 3 und 5.
In der 8 werden ein erstes Gehäuseelement 65 und
ein erster Abschnitt des zweiten Gehäuseelementes 67 gezeigt,
die Teile des erfindungsgemäßen Steckers
sind.
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Die 9 zeigt
eine schematische Ansicht einer Verbindung mit der ersten Elektrode 3 eines elektrischen
Kabels.
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Die 10 zeigt
eine schematische Perspektivzeichnung eines elektrischen Steckers 61.
Das Gehäuse 63 besteht
aus einem ersten Gehäuseelement 65 und
den zwei Teilen 67 und 69 eines zweiten Gehäuseelementes.
Die Leitung 71 ist an den Kontaktstiften zum Einführen in
eine Steckdose angeschlossen. Die Öffnung 73, die erzeugt
wird, wenn das erste und das zweite Gehäuseelement zusammengepasst
sind, ermöglicht,
dass das Kabel 1 eingeführt
werden kann.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele dargestellt, wobei
das Beispiel 1 ein Vergleichsbeispiel ist.
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Beispiel 1
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Ein
Heizkabel Frostex PlusTM, hergestellt von der
Rychem Corporation, wurde in einen Kanal eines Drahtführungsmoduls
des in den 4 und 5 gezeigten
Typs einge führt.
Das Kabel hatte zwei gleichmäßig konzentrische
nickelbeschichtete Kupferdrähte 22 AWG,
jeder mit einem Nenndurchmesser von 0,81 mm. Die beiden Drähte waren
durch eine leitfähige
Polymermatrix getrennt und von dieser umgeben. Die leitfähige Polymermatrix
wurde von einer ersten isolierenden Polymerummantelung, einer zweiten
isolierenden Polymerummantelung in Form eines dünnen Polyesterfilms und von
einem metallischen Erdungsgeflecht umgeben. Vor dem Einführen wurde
das Erdungsgeflecht der zweiten Isolationsummantelung zurückgeschoben.
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Ein
IDC-Modul, wie in der 6 gezeigt, wurde mit dem Drahtführungsmodul
zusammengepasst. In einer versetzten Konfiguration waren zwei IDCs,
jeder in Form einer Gabel mit zwei Zinken, an dem IDC-Modul befestigt.
Die erste Zinke hatte eine Breite von ungefähr 0,81 mm und die zweite Zinke hatte
eine Breite von ungefähr
1,35 mm und der Schlitz zwischen den beiden Zinken war ungefähr 0,51
mm lang. Von der Basis des Schlitzes erstreckte sich keine konische
Nut. Die Dicke der Basis des IDCs, gefertigt aus Messing, war ungefähr 0,081
mm. Die Schrauben wurden angezogen, so dass die zwei IDCs das Heizkabel
durchstachen und die Drähte kontaktierten
(siehe 7 und 8). Nur 30% der geprüften Proben
wiesen eine gute elektrische Verbindung auf, weil sich das Polymer
im Bereich des Schlitzes aufbaute und den guten Kontakt zwischen den
IDCs und den Drähten
verhinderte.
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Beispiel 2
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Es
wurde vorgegangen wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die
IDCs auf dem IDC-Modul jeder eine konische Nut von ungefähr 0,51
mm Breite und 1,27 mm Länge,
die sich von der Basis des Schlitzes erstreckte, hatten. Die IDCs
hatten auf beiden Seiten der Basis konische Nuten, mit einer Dicke an
der schmalsten Stelle, d. h. an der Schneidkante, von 0,51 mm, so
dass ungefähr
30% der Gesamtdicke der Basis, ungefähr 15% auf jeder Seite, durch die
Nut entfernt wurden. 100% der geprüften Proben mit diesen erfindungsgemäßen IDCs
wiesen eine gute elektrische Verbindung auf.
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Obwohl
die Erfindung ausführlich
für spezielle
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, sollte verstanden werden, dass dies aus Gründen der Übersichtlichkeit
und Einfachheit erfolgte und dass die Offenlegungen hierin alle
adäquaten
Kombinationen von Informationen, die durchgängig in der Beschreibung gefunden
werden, umfassen. Es sollte verstanden werden, dass, wenn ein bestimmtes Merkmal
im Zusammenhang mit einem be stimmten Ausführungsbeispiel oder mit einer
bestimmten Figur offen gelegt ist, ein derartiges Merkmal in angemessenem
Umfang ebenso im Zusammenhang mit einer anderen Figur, in Kombination
mit einem anderen Merkmal oder in der Erfindung generell verwendet werden
kann.