ES2894042T3 - Fusible de potencia y métodos de fabricación con mitigación de arco y gestión térmica mejoradas - Google Patents

Abstract

Un fusible (56) de potencia que comprende: una carcasa (60); terminales conductores (64, 66) primero y segundo acoplados a la carcasa (60); un elemento (62) de fusible conductor en la carcasa (60) y conectado eléctricamente a los terminales conductores (64, 66) primero y segundo, siendo el elemento (62) de fusible conductor una tira plana de material conductor que responde a una condición de corriente eléctrica predeterminada en un sistema (50) de alimentación eléctrica para abrir un circuito entre los terminales conductores (64, 66) primero y segundo, y teniendo el elemento (62) de fusible conductor un área variable en sección transversal que define una pluralidad de puntos débiles para facilitar la división de arco cuando el elemento (62) de fusible conductor falla para abrir estructuralmente el circuito; y un mecanismo de enfriamiento en forma de material (68) de relleno que rodea el elemento de fusible conductor en la carcasa (60); en donde el material (68) de relleno del mecanismo de enfriamiento activo comprende un material de tamiz molecular que se hidrata, y caracterizado por que el material (68) de relleno comprende arena de sílice de cuarzo mezclada con el material de tamiz molecular y un agente aglutinante que comprende silicato de sodio.

Description

DESCRIPCIÓN

Fusible de potencia y métodos de fabricación con mitigación de arco y gestión térmica mejoradas Antecedentes de la invención

El campo de la invención se refiere de forma general a fusibles de protección de circuitos eléctricos y a métodos de fabricación y, más específicamente, a fusibles de protección de circuitos eléctricos y a métodos de fabricación para mejorar la mitigación del arco eléctrico y la gestión térmica cuando el fusible abre una ruta de circuito.

Los fusibles se usan ampliamente como dispositivos de protección de sobreintensidad con el fin evitar que los circuitos eléctricos sufran costosos daños. Los terminales de fusible forman de forma típica una conexión eléctrica entre una fuente de energía eléctrica o fuente de alimentación y un componente eléctrico, o una combinación de componentes dispuestos en un circuito eléctrico. Uno o más enlaces o elementos fusible, o un conjunto de elementos de fusible, está conectado entre los terminales de fusible, de forma que cuando el flujo de corriente eléctrica a través del fusible rebasa un límite predeterminado, los elementos de fusible se funden y abren uno o más circuitos a través del fusible para evitar daños en los componentes eléctricos.

En vista de las variaciones que se expanden constantemente de los sistemas de energía eléctrica, los fusibles eléctricos conocidos presentan desventajas en algunos aspectos. En particular, la industria tiende a proporcionar fusibles de mayor rendimiento sin cambiar el tamaño físico del empaque del fusible en relación con los fusibles convencionales, o de forma alternativa, proporcionar fusibles de mayor rendimiento en un tamaño físico de empaque más pequeño que los fusibles convencionales, lo que presenta dificultades prácticas para los fabricantes de fusibles eléctricos. Las aplicaciones de alta potencia y alta corriente son cada vez más frecuentes en los sistemas de alimentación eléctrica e imponen mayores demandas a los fabricantes de fusibles para proporcionar fusibles capaces de funcionar adecuadamente en tales aplicaciones dentro de las restricciones de tamaño de empaque deseadas. En particular, en aplicaciones de mayor potencia, mayor corriente y/o mayor voltaje, la energía de arco puede aumentar drásticamente cuando el fusible funciona, en relación con los fusibles proporcionados convencionalmente. Las construcciones de fusibles convencionales no están bien equipadas para contener la energía de arco de tales aplicaciones y, por lo tanto, no pueden proporcionarse de forma fiable en determinados tamaños de empaque, o en ninguno. Se desea que las mejoras satisfagan las necesidades del mercado.

Se llama la atención sobre el documento DE 2932570 A, que muestra un fusible de alta potencia y alto voltaje que tiene una carga granular de arena de cuarzo y zeolita dentro de una carcasa estanca a gases.

JP-2011 060687 A describe un fusible montado en un vehículo compuesto de un elemento de fusible con una parte de fusión en el área próxima a su parte central, una carcasa que rodea la parte de fusión y un material de extinción de arco relleno en la carcasa. El material de extinción de arco es una mezcla en la que se mezcla arena de cuartos como composición principal con zeolita dentro de un intervalo de 3-5 % en peso.

Breve descripción de los dibujos

Se describen realizaciones no limitativas y no exhaustivas con referencia a las siguientes figuras, en donde números de referencia similares se refieren a partes similares a lo largo de los diversos dibujos, salvo que se indique lo contrario.

La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de alimentación eléctrica ilustrativo que incluye un fusible. La Figura 2 es un diagrama esquemático ilustrativo del sistema de alimentación mostrado en la Figura 1,

La Figura 3 ilustra esquemáticamente una condición de arco eléctrico durante el funcionamiento del fusible.

La Figura 4 ilustra una estructura cristalina de un ingrediente de zeolita de un material de relleno para el fusible que se muestra en las Figuras 1-3.

La Figura 5 ilustra moléculas de agua que interactúan con un catión metálico en una parte de un material de relleno ilustrativo para el fusible mostrado en las Figuras 1-3.

La Figura 6 ilustra una estructura de material de relleno que incluye las moléculas de agua que interactúan con un catión metálico mostrado en la Figura 5.

La Figura 7 ilustra una estructura cristalina de un ingrediente de zeolita de un material de relleno que proporciona una función de intercambio iónico y de captura de iones en una condición de arco eléctrico.

La Figura 8 ilustra una vista lateral en alzado de un fusible ilustrativo formado según una realización de la presente invención.

La Figura 9 es una vista de extremo del fusible mostrado en la Figura 8.

La Figura 10 es una vista seccional del fusible mostrado en la Figura 8 a lo largo de la línea A-A en la Figura 9. La Figura 11 muestra una parte del fusible mostrado en la Figura 9 en una primera etapa de funcionamiento.

La Figura 12 muestra una parte del fusible mostrado en la Figura 9 en una segunda etapa de funcionamiento.

La Figura 13 ilustra una carga de corriente ilustrativa para el fusible mostrado en la Figura 8.

La Figura 14 ilustra un efecto de calentamiento y enfriamiento en una parte del fusible mostrado en la Figura 8. La Figura 15 ilustra un efecto de tensión térmica en una parte del fusible mostrado en la Figura 14.

La Figura 16 ilustra un diagrama de flujo de un método ilustrativo para fabricar fusibles según la presente invención.

Descripción detallada de la invención

Según la presente invención, se proporciona un fusible de potencia como el que se especifica en la reivindicación 1. Se describen otras realizaciones, entre otras cosas, en las reivindicaciones dependientes. A continuación, se describen en particular realizaciones ilustrativas de fusibles eléctricos que incluyen características mejoradas de mitigación de arco eléctrico y de gestión térmica para facilitar fusibles de mayor rendimiento en aplicaciones de mayor potencia, mayor corriente y/o mayor voltaje. Las características mejoradas de mitigación de arco eléctrico y de gestión térmica facilitan una mayor densidad de energía en fusibles eléctricos que tienen aproximadamente el mismo tamaño que los fusibles convencionales y/o una mayor densidad de energía en fusibles que tienen un tamaño físico más pequeño en comparación con los fusibles convencionales. Las características mejoradas de mitigación de arco eléctrico y de gestión térmica hacen también posible fabricar fusibles de un cierto tamaño físico con capacidades de los fusibles que pueden ser difíciles, si no imposibles, de obtener utilizando técnicas convencionales de fabricación de fusibles.

Estos y otros beneficios se hacen posibles mediante materiales de relleno mejorados para fusibles, denominados a veces medios o materiales de extinción de arco o supresión de arco, descritos con más detalle más adelante. Los aspectos del método asociados a los materiales de extinción de arco o supresión de arco y a los fusibles eléctricos que incluyen tales materiales serán en parte evidentes y en parte se describirán explícitamente a continuación. La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema 50 de alimentación ilustrativo que incluye un circuito 52 de suministro de energía o de lado de línea y circuitos 54 de recepción de energía o de carga interconectados con un fusible eléctrico 56. El fusible eléctrico 56 proporciona protección contra sobrecorrientes a los circuitos 54 de carga. En condiciones operativas normales, el fusible 56 completa la ruta de circuito y facilita el flujo de corriente entre el circuito 52 de lado de línea y el circuito 54 de lado de carga. Como tal, la corriente eléctrica puede fluir a través del fusible 56 desde el lado 52 de línea hasta el lado 54 de carga cuando el circuito 52 de lado de línea recibe energía. Sin embargo, en respuesta a una condición de corriente predeterminada, el fusible 56 abre una ruta de circuito a través del fusible 56 y abre la conexión entre el circuito 52 de lado de línea y el circuito 54 de lado de carga. Es decir, el fusible 56 establece un circuito abierto cuando el fusible opera de su estado normal de transporte de corriente a su estado abierto en el que ya no puede conducir corriente. La condición de corriente predeterminada que hace que el fusible 56 se abra puede variar de una aplicación a otra, y puede ser el resultado de condiciones de fallo eléctrico. En cualquier caso, una vez que el fusible 56 opera para abrir la conexión entre el circuito 52 de lado de línea y el circuito 54 de lado de carga, el circuito 54 de lado de línea se aísla eléctricamente del circuito 52 de lado de línea y se evita el daño potencial del flujo de corriente al circuito 54 de lado de línea.

El circuito 52 de lado de línea y el circuito 54 de lado de carga pueden ser o pueden incluir circuitos de corriente alterna (CA) o de corriente continua (CC) de cualquier tipo. El sistema 50 de alimentación puede ser un sistema de alimentación independiente de cualquier dispositivo, sistema o equipo, que incluya, aunque no de forma limitativa, un sistema de alimentación de vehículos para un vehículo. En el contexto de un vehículo y de diversos dispositivos y aparatos eléctricos conectados al sistema eléctrico del vehículo, el vehículo puede ser, en diversas realizaciones ilustrativas, un vehículo de pasajeros (por ejemplo, motocicletas, automóviles, camiones y autobuses diseñados para su uso en carreteras), un vehículo comercial (por ejemplo, remolques de tractores, camiones de correo, vehículos de suministro, camiones de basura y transportistas, montacargas), vehículos de construcción (por ejemplo, excavadoras, retroexcavadoras, bulldozers, cargadores y equipo de movimiento de tierra, niveladoras, aplanadoras, camiones de volquete), vehículos de todos los tipos equipados para uso militar, vehículos diseñados para uso fuera de la carretera (por ejemplo, tractores y otros vehículos agrícolas, vehículos de cuatro ruedas, vehículos de servicios públicos deportivos, vehículos todoterreno, motos de cross, buggies para dunas, orugas de roca, autotubulares, motos de nieve, carros de golf), varios tipos de vehículos marinos (por ejemplo, buques, barcos, submarinos, embarcaciones acuáticas personales y otras embarcaciones), varios tipos de aeronaves (por ejemplo, aviones y helicópteros), vehículos espaciales (por ejemplo, misiles, cohetes, satélites y lanzaderas), vehículos recreativos (por ejemplo, autocaravanas y remolques de camping), u otros modos de transporte de personas o cosas que están propulsados y/o alimentados por sistemas y subsistemas mecánicos, eléctricos y otros. El fusible 56 puede asociarse a cualquier sistema o subsistema del vehículo, ya sea primario o auxiliar.

El diseño moderno de vehículos y los requisitos de forma general, pero especialmente para vehículos eléctricos y los denominados vehículos híbridos, exigen ahora componentes de menor peso y tamaño reducido para cumplir con los requisitos de kilometraje y objetivos de reducción de costes. Los diseños modernos de vehículos adoptan también sistemas de alimentación a mayores voltajes de funcionamiento, y a veces voltajes y corriente sustancialmente mayores que los sistemas de alimentación de vehículos convencionales. Tales demandas son cada vez más difíciles de satisfacer con el uso de las técnicas de fabricación de fusibles existentes.

El sistema 50 de alimentación puede asociarse igualmente a un dispositivo particular tal como un dispositivo electrónico de cualquier tipo. El circuito 52 de lado de línea puede incluir un suministro de energía de batería u otro dispositivo de almacenamiento de energía o fuente de energía. En algunos casos, el dispositivo electrónico que incluye el sistema 50 de alimentación puede ser un dispositivo portátil o de mano. Tales dispositivos electrónicos portátiles o móviles incluyen dispositivos tales como teléfonos móviles, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles o notebooks, ordenadores tipo tablet, reproductores de DVD portátiles, dispositivos de entretenimiento de medios de audio y vídeo, dispositivos de lector electrónico, dispositivos de juegos portátiles, dispositivos de sistema de posicionamiento global (GPS) portátiles, dispositivos de radio, dispositivos de cámara digital y grabadores de vídeo, entre otros. Por supuesto, los dispositivos electrónicos no portátiles pueden incluir también el sistema 50 de alimentación, tal como, sin limitación, receptores de audio/vídeo, reproductores de DVD, televisores, monitores, sistemas de juegos, ordenadores personales, etc.

De forma alternativa, el sistema 50 de alimentación puede interactuar con distintos sistemas de distribución de energía tales como un sistema de generación de energía (no mostrado) y un sistema de alimentación residencial, empresarial o comercial de cualquier otra forma. El sistema 50 de alimentación puede ser de igual modo un sistema de alimentación industrial sobre el terreno que suministra energía a una instalación industrial, tal como una planta de fabricación.

Independientemente de los diversos sistemas de alimentación contemplados anteriormente, el fusible 56 contemplado es el denominado fusible de potencia y se somete a un voltaje y/o una corriente de funcionamiento relativamente altos, denominados colectivamente en la presente memoria, una aplicación de "alta potencia". Reconocer que los sistemas de alimentación pueden clasificarse a grandes rasgos como alto voltaje, medio voltaje y bajo voltaje, la expresión "alta potencia " no corresponde necesariamente a un sistema de "alto voltaje". En cambio, la expresión "alta potencia" pretende referirse a un aumento relativo de la potencia en relación con un sistema convencional con el que un fusible convencional es compatible. Como ejemplo no limitativo, los sistemas de alimentación eléctrica para vehículos convencionales impulsados por un motor de combustión interna funcionan a voltajes relativamente bajos, de forma típica, a aproximadamente 48 VCC o menos, mientras que los sistemas de energía eléctrica para los nuevos vehículos eléctricos [vehículos eléctricos o (EV)] funcionan con voltajes mucho más altos (por ejemplo, 200 VCC), mientras que los EV del estado de la técnica pueden funcionar a voltajes tan altos como 450 VCC. Además, podrían citarse ejemplos similares y tal vez menos extremos, que incluyen, aunque no necesariamente de forma limitativa, sistemas de alimentación para dispositivos electrónicos cada vez más potentes que tienen una serie de características, funcionalidades y capacidades de comunicación cada vez más amplias con otros dispositivos y sistemas electrónicos.

Como se muestra en la Figura 1 en líneas discontinuas, el fusible 56 puede acoplarse a un accesorio 58 que, a su vez, está conectado a los circuitos 52, 54 de línea y de carga. El accesorio puede ser en diversas realizaciones, un portafusibles, un bloque terminal, un bloque de fusibles, un dispositivo de desconexión, un aparato cargador, un dispositivo electrónico, un enchufe, un cable, un arnés de cableado, un conector o cualquier otro dispositivo o accesorio eléctrico conocido que se proporciona en combinación con el fusible 56 y que facilita la conexión del fusible 56 al circuito 52 de lado de línea y al circuito 54 de lado de carga.

La Figura 2 ilustra el sistema 50 de alimentación con mayor detalle, en donde se observa que el fusible 56 incluye una carcasa 60, un elemento 62 de fusible en la carcasa 60 y los terminales conductores 64, 66, primero y segundo, (indicados en la Figura 2 como Terminal 1 y Terminal 2) acoplados a la carcasa 60 y conectados eléctricamente al elemento 62 de fusible.

El elemento 62 de fusible puede fabricarse a partir de un material conductor conocido utilizando técnicas conocidas y se conecta eléctricamente a los terminales 64, 66 de fusible con, por ejemplo, conexiones con soldadura blanda, conexiones con soldadura autógena, conexiones con soldadura fuerte u otras técnicas conocidas. En condiciones normales de funcionamiento, el elemento 62 de fusible permanece intacto y completa la conexión eléctrica (es decir, proporciona una ruta de circuito de baja resistencia) entre los elementos terminales 64 y 66. Como tal, el elemento 62 de fusible conduce corriente entre el terminal 64 y el terminal 66 cuando el sistema 50 de alimentación funciona normalmente.

El elemento 62 de fusible está normalmente en un estado o condición que transporta corriente que completa una ruta de circuito entre los terminales 64, 66. Sin embargo, el elemento 62 de fusible está configurado para fundirse, vaporizarse, desintegrarse o de otro modo fallar estructuralmente cuando se somete a la condición de corriente eléctrica predeterminada descrita anteriormente. A medida que el elemento 62 de fusible se abre en una aplicación de alta potencia, se produce un arco eléctrico dentro de la carcasa 62. En consecuencia, la carcasa 60 incluye un material de relleno tal como medios 68 de extinción de arco que rodean el elemento 62 de fusible. Los medios 68 de extinción de arco absorben la energía producida por el arco hasta que el arco se extingue de forma segura. Una vez que el elemento 62 de fusible se ha abierto y cualquier arco ha disminuido, el fusible 56 debe ser sustituido por otro fusible para restaurar la conexión eléctrica entre el circuito 52 de lado de línea y el circuito 54 de lado de carga y reanudar el funcionamiento del circuito 58 de lado de carga.

Como se muestra en la Figura 2, el accesorio 58 incluye de forma similar un par de terminales conductores 70 y 72 (indicados en la Figura 2 como Terminal 3 y Terminal 4). El terminal 70 del accesorio (Terminal 3) interactúa con el terminal 64 de fusible (Terminal 1) y el terminal 72 del accesorio (Terminal 4) interactúa con el terminal 66 de fusible (Terminal 2). Los terminales 70 y 72 del accesorio están, a su vez, conectados eléctricamente a los circuitos 52 y 54 de lado de línea y de carga de cualquier forma conocida en la técnica. Los terminales 64 y 66 de fusible pueden acoplarse y desacoplarse mecánica y eléctricamente con los terminales 70, 72 del accesorio con una variedad de estructuras terminales macho y hembra, tales como las descritas a continuación. Los terminales 64, 66 y los terminales 70, 72 también pueden formarse con características de rechazo de fusibles y similares como es familiar para los expertos en la técnica.

Son posibles muchas variaciones de los fusibles 56, accesorios 58 y estructuras terminales en numerosas realizaciones contempladas. Por ejemplo, la carcasa 60 de fusible puede ser un tubo generalmente alargado y cilíndrico. La carcasa 60 puede fabricarse de cualquier material eléctricamente aislante o no conductor utilizando técnicas conocidas, que incluyen, aunque no necesariamente limitadas a, plástico, vidrio, cerámica u otros materiales adecuados conocidos en la técnica. En algunas realizaciones, la carcasa 60 de fusible puede conformarse a partir de un material conductor siempre que los terminales 64, 66 puedan aislarse eléctricamente de la carcasa 60 de fusible.

La carcasa 60 de fusible puede fabricarse de forma alternativa en otras formas familiares para los expertos en la técnica según se desee. Por ejemplo, la carcasa 60 puede conformarse en una forma generalmente rectangular u otra forma poligonal que tenga lados planos en vez de una superficie exterior curva con una sección transversal circular. Además, la carcasa 60 de fusible puede conformarse como una carcasa unitaria de una sola pieza, una carcasa de dos piezas o un ensamblaje de alojamiento que incluya partes adicionales. Únicamente a modo de ejemplo, la carcasa 62 de fusible puede proporcionarse como un tubo de fusible cilíndrico cuando el fusible 56 se proporciona como un denominado fusible de cartucho, una pieza de alojamiento base y una pieza de alojamiento de cubierta cuando el fusible 56 se proporciona como un fusible modular tal como un módulo de fusible de potencia CUBEFuse™ comercializado por Bussmann by Eaton, o una pieza de alojamiento base y una tapa cuando el fusible 56 se proporciona como un denominado fusible radial. Se conocen otras diversas configuraciones de alojamientos de múltiples piezas para otros diversos tipos de fusible y aplicaciones, que incluyen, aunque no de forma limitativa, ciertos tipos de fusible de montaje superficial y los denominados fusibles de chip. En algunos casos, los alojamientos 60 de fusible pueden ser modulares y pueden configurarse para ser seguros al tacto y extraíbles de los terminales 70, 72 del accesorio a mano y sin herramientas.

El elemento 62 de fusible se fabrica a partir de un material conductor que tiene una configuración para que se abra en respuesta a la condición de corriente predeterminada. El elemento 62 de fusible en algunas realizaciones más allá del ámbito de la presente invención puede incluir uno o más alambres de fusible que tienen un área en sección transversal seleccionada para abrirse cuando se expone a la condición predeterminada. El alambre de fusible puede enrollarse alrededor de un elemento o núcleo anterior como se conoce en la técnica o puede extenderse entre los terminales 64, 66 de fusible sin ningún elemento de soporte.

En realizaciones según la presente invención, el elemento 62 de fusible se fabrica como una tira de material conductor que tiene un área de sección transversal variable que define uno o más puntos débiles, como se describe adicionalmente más adelante. Es decir, la tira 62 de elemento de fusible puede construirse con una geometría en la que puede predeterminarse la situación o situaciones del elemento de fusible que se funde y las localizaciones correspondientes de arco eléctrico. La tira 62 de elemento de fusible también puede incluir un tratamiento tal como un denominado material M-Effect que afecta al tiempo de abertura del elemento 62 de fusible de forma conocida. Una tira de elemento de fusible de este tipo puede extenderse como un elemento generalmente liso y plano que se extiende entre los terminales 64, 66 de fusibles. En otras realizaciones que no forman parte de la presente invención, la tira de elemento de fusible puede formarse o conformarse con secciones fuera del plano y puede extenderse entre los terminales 62, 64 de fusible con una forma de zigzag de acordeón.

En algunos casos, el elemento 62 de fusible puede estar conformado en la superficie de un material de sustrato usando técnicas conocidas tales como técnicas de impresión o litográficas.

Si bien se han descrito diversos elementos fusibles, más de un elemento 62 de fusible, a veces denominado elemento de fusible o enlace de fusible, puede ensamblarse en combinación y disponerse en serie o en paralelo en el mismo fusible 56. Por lo tanto, el fusible 56 puede estar configurado como un denominado fusible de rango completo, un fusible de retardo de tiempo, un fusible de alta velocidad, o incluso otro tipo de fusible que tenga características de abertura deseadas. Asimismo, el fusible 56 puede incluir, opcionalmente, un indicador de estado local según se desee, con lo que la inspección visual del exterior del fusible 56 puede revelar si el fusible 56 se ha abierto o no.

Con respecto a la estructura terminal, los terminales 64, 66 de fusible pueden ser casquetes o casquillos de extremo generalmente cilíndricos que se extienden en extremos opuestos de la carcasa 60 de fusible. Tales casquillos pueden acoplarse con los terminales 70 y 72 estar formados como clips de fusible elásticos que reciben los casquillos. Sin embargo, son posibles otras configuraciones de terminales 64, 44 de fusibles.

Por ejemplo, los terminales 64, 66 de fusible pueden ser o pueden incluir contactos de hoja de terminal o contactos de hoja de cuchilla que pueden recibirse en los terminales 70, 72 formados como clips de fusible elásticos. En el caso de contactos de hoja de terminal, los contactos de hoja de terminal pueden extenderse axialmente en extremos o lados opuestos de la carcasa 60 de fusible, o pueden extenderse en un lado común de la carcasa 60 de fusible. Tales contactos de hoja de terminal pueden extenderse, además, en una relación coplanar, una orientación separada y paralela, una orientación desplazada, una orientación escalonada o una orientación perpendicular. En algunos casos, los fusibles que incluyen los contactos de hoja del terminal pueden configurarse para su acoplamiento a presión con los terminales 70, 72 del accesorio a mano y sin herramientas.

Los terminales 64, 66 de fusible en otras realizaciones más pueden incluir cables axiales flexibles que se extienden axialmente desde extremos opuestos de la carcasa 60 o desde un lado común de la carcasa. Tales cables axiales pueden conectarse a cables del lado de línea y carga utilizando conectores conocidos, o pueden montarse en una placa de circuito mediante un montaje con orificio pasante.

En otras realizaciones adicionales, los terminales 64, 66 de fusibles pueden ser o pueden incluir terminaciones de montaje de superficie llana y plana que pueden montarse en la superficie de una placa de circuito. Los terminales pueden prefabricarse y ensamblarse con la carcasa 60 de fusible o pueden formarse sumergiendo o revistiendo los extremos de la carcasa 60.

A continuación, con referencia a la Figura 3, cuando el fusible 56 se somete a la condición de corriente eléctrica predeterminada, el elemento 62 de fusible se funde abriéndose en uno más lugares entre los terminales 62, 64 de fusible, pero la corriente sigue fluyendo y forma uno o más arcos eléctricos. Un arco eléctrico o descarga de arco de este tipo es una ruptura eléctrica de un gas que produce una descarga de plasma continua, como resultado de una corriente a través de los medios 68 de extinción de arco normalmente no conductores que rodea el elemento 62 de fusible.

En términos generales, cuando el elemento 62 de fusible opera en un circuito de mayor corriente y mayor potencia, existen cantidades crecientes de energía eléctrica que causan un arco eléctrico de severidad o intensidad creciente. Sin embargo, las condiciones operativas de los fusibles eléctricos en tales sistemas de mayor potencia es mucho más severas que en los sistemas de menor potencia. Más específicamente, las especificaciones relacionadas con las condiciones de arco eléctrico cuando se abre el fusible pueden ser especialmente difíciles de satisfacer para sistemas de mayor potencia, sobre todo cuando vienen acompañadas de la preferencia de la industria por la reducción de tamaño de los fusibles eléctricos. Si bien actualmente se dispone de fusibles de potencia conocidos para una variedad de sistemas de alimentación operables a diferentes voltajes y corrientes, el tamaño y peso, por no mencionar el coste, de los fusibles de potencia convencionales capaces de satisfacer los requisitos de sistemas de alimentación cada vez más altos es demasiado alto para su uso en determinadas aplicaciones.

En particular, si bien existen medios y materiales de extinción de arco conocidos, estos son desfavorables en algunos aspectos para aumentar una densidad de energía del fusible 56 a un nivel necesario para satisfacer los deseos del mercado. Como se usa en la presente memoria, la expresión "densidad de energía" se refiere a amperios por unidad de volumen del fusible. Cuanto más corriente pueda hacerse pasar a través del elemento 62 de fusible en una carcasa 60 de fusible dada que, a su vez, define el volumen del fusible, mayor será la densidad del fusible. Mejorar o aumentar la densidad de energía del fusible 56 ofrece beneficios sustanciales en al menos tres aspectos. En primer lugar, aumentar la densidad de energía del fusible 56 puede facilitar fusibles que tienen capacidades más altas para aplicaciones de alta energía de lo que es convencionalmente posible en determinados tipos de fusibles convencionales.

En segundo lugar, aumentando la densidad de energía del fusible 56 se consiguen mayores capacidades y rendimiento de fusible para aplicaciones de mayor potencia, al tiempo que se obtienen fusibles de tamaño comparable a los fusibles fabricados de forma convencional que tienen capacidades más bajas. Es decir, pueden proporcionarse fusibles 56 mejorados que tienen un tamaño similar a los fusibles existentes y convencionales, pero mayores y posiblemente sustancialmente mayores capacidades y prestaciones del fusible que anteriormente.

En tercer lugar, aumentar la densidad de energía del fusible 56 facilita que un fusible tenga un tamaño más pequeño que un fusible convencional que tiene la misma capacidad. Es decir, pueden proporcionarse fusibles 56 mejorados que tienen un tamaño menor y posiblemente sustancialmente menor en relación con los fusibles existentes, pero que tienen capacidades de fusible iguales o mayores que anteriormente. Por supuesto, cualquier reducción de tamaño en una construcción de fusible proporciona ahorro de material y reduce costes para fabricar fusibles de mayor rendimiento. En los sistemas de energía que incluyen un gran número de fusibles 56, pueden realizarse reducciones sustanciales en el espacio necesario para establecer un sistema de alimentación.

Sin embargo, existe cierta tensión entre el deseo por aumentar la densidad de energía del fusible 56 y las técnicas convencionales de fabricación de fusibles. Históricamente, y con justificación, los fusibles de protección de circuitos han tendido a aumentar de tamaño para satisfacer las demandas de sistemas de energía eléctrica de mayor potencia. Por lo tanto, determinados tipos de fusibles de potencia son componentes relativamente grandes y relativamente pesados. Esto puede atribuirse, al menos en parte, a la necesidad de contener la energía de arco que se hace cada vez más severa en los circuitos de mayor potencia en relación con los circuitos de menor potencia. Los arcos más grandes y más largos, así como los arcos que se mantienen durante períodos más largos en circuitos de mayor potencia, requieren mayores cantidades de medios de extinción de arco para absorber la energía de arco. Sin embargo, los medios de extinción de arco conocidos es, de forma general, incapaces de contener un aumento de la energía de arco en ciertas situaciones y, por lo tanto, presentan un techo práctico para el rendimiento del fusible utilizando los métodos de fabricación existentes. Si la energía de arco no puede contenerse de forma segura en el fusible 56, puede producirse una ruptura inaceptable de la carcasa 60 de fusible.

Por lo tanto, y como se explica más adelante, el relleno del fusible o los medios 68 de extinción de arco en las realizaciones de la presente invención se formulan para proporcionar una mejor mitigación del arco y gestión térmica en el fusible 56 ya que funciona para tener un rendimiento más capaz en circuitos de mayor potencia que presentan una mayor gravedad de arco. Por lo tanto, es posible una mayor densidad de energía en relación con los fusibles fabricados de modo convencional, así como un aumento de las capacidades de los fusibles y/o una reducción del tamaño físico del fusible 56 para satisfacer necesidades antiguas y no resueltas en la técnica.

Volviendo ahora a la Figura 3, y como se ha mencionado anteriormente, el fusible eléctrico 56, y más específicamente el elemento 62 de fusible, se diseña para conducir corrientes de funcionamiento de circuito normales y se diseña para responder a condiciones anormales predeterminadas de sobrecorriente fundiéndose, en respuesta al calor generado por la condición de corriente predeterminada, y abriéndose para detener el flujo de corriente a través del fusible 56. Durante el proceso de apertura, el fusible 56 se ajusta a una calibración de tiempocorriente para el tiempo de fusión del elemento 62 de fusible, pero una vez que se ha completado el proceso de fusión, se enciende, un arco eléctrico 80 y este arco ahora se quemará como respuesta a la energía suministrada por la fuente de voltaje (es decir, el circuito 52 de lado de línea o suministro de energía) y cualquier energía almacenada en el circuito atribuible a la inductancia y/o a la capacitancia. Una vez encendido, el arco 80 (o posiblemente arcos) se quema a varios miles de grados centígrados y si no se mitiga rápidamente puede provocar que el fusible 56, y más específicamente la carcasa 60 de fusible, se rompa y falle catastróficamente.

Los arcos eléctricos 80 pueden funcionar a temperaturas de hasta 49.726,85 0C (50.000 °K) en ciertas condiciones. La extinción o enfriamiento del arco 80 puede lograrse mediante diversos métodos y materiales, incluyendo el uso de material de relleno para absorber energía térmica del arco, características de división de arco para reducir la intensidad del arco en los lugares donde se producen, y mediante la generación de un gas para suprimir las condiciones de arco. Independientemente de cómo se logre, la eliminación de cualquier energía térmica generada por el arco 80 es clave para mejorar la densidad de energía del fusible 56.

En fusibles eléctricos convencionales, se emplea de forma convencional un material de relleno de fusible para ayudar a enfriar o extinguir y acortar el evento de arco cuando se abre el elemento de fusible. A medida que los fusibles se vuelven más pequeños en tamaño y/o con mayor voltaje o potencia de funcionamiento, como desean cada vez más diversos usuarios, poder contener con seguridad el arco 80 dentro del recinto o carcasa 60 del fusible se hace más difícil.

Un material de relleno del fusible muy común y muy eficaz es la arena de sílice de cuarzo en una construcción de fusible convencional, y en particular, la arena de sílice se utiliza hoy en día de forma bastante amplia en la mayoría de los fusibles modernos de potencia para enfriar los arcos eléctricos. El material de relleno de arena de sílice de cuarzo puede, en muchos casos, equilibrar térmicamente el rendimiento operativo tiempo-corriente del elemento de fusible durante la fase de fusión del proceso de apertura del fusible. Además, la arena de sílice de cuarzo proporciona un buen medio absorbente de energía térmica y medio aislante térmico para enfriar y extinguir el arco eléctrico durante la fase de vaporización del proceso de apertura del fusible. Por otro lado, la naturaleza inorgánica de la arena de sílice de cuarzo la hace básicamente inerte al arco eléctrico y al proceso de vaporización cuando el elemento del fusible se abre. Sin embargo, el uso de arena de sílice tiene limitaciones bien conocidas de diseño para que el fusible funcione de forma segura cuando se reduce el tamaño o se aumenta el voltaje nominal. Por lo tanto la arena de sílice de cuarzo es incapaz de mejorar la densidad de energía de los fusibles más allá de las ya obtenidas.

Añadir agua al medio de relleno del fusible puede ayudar al equilibrio térmico y el aspecto de enfriamiento de arco del proceso de apertura del fusible y en algunos casos proporcionar cierta mejora en el rendimiento. Los materiales de relleno que incluyen sales inorgánicas tales como sulfato de aluminio [Ab(SO4)3' 18H2O (octadecahidrato)] y sulfato de calcio [CaSO4-2H2O (dihidrato)] se han utilizado por lo tanto en construcciones de fusibles convencionales debido a su afinidad para retener agua en una forma hidratada de la molécula. Tales compuestos de material hidratado se han utilizado para enfriar arcos eléctricos en fusibles mediante el simple mecanismo de transición de fases de las moléculas de agua que elimina el calor para enfriar un arco.

Sin embargo, las sales hidratadas, tales como sulfato de aluminio o sulfato de calcio, tienen moléculas de agua unidas mediante enlaces débiles o colgantes en la estructura cristalina. Esto es problemático para condiciones de mayor potencia que proporcionan arcos de mayor intensidad y severidad. Especialmente, cuando tales sales hidratadas se calientan ligeramente, por ejemplo, hasta aproximadamente 50 0C, el agua de las moléculas de cristalización unida débilmente comienza a separarse y se convierte en agua libre. A medida que ocurre esto, y dado que estas sales se disuelven fácilmente en agua, estas se licuan rápidamente. Cuando se utiliza como material de relleno de un fusible de extinción de arco, la licuefacción del relleno se filtrará y se fugará desde el recinto del fusible durante la funcionamiento actual normal, lo que lo convierte en un medio de extinción de arco de agua poco fiable, así como de forma general indeseable desde el punto de vista del usuario. En muchos casos, el ligero calentamiento por el uso normal del fusible en su entorno ambiental puede ser suficiente para licuar el relleno. Esto ocurre aún más en circuitos de mayor energía que implican corrientes más altas, puesto que el flujo de corriente a través del elemento de fusible incluso en condiciones normales hará que el calentamiento del elemento de fusible alcance niveles elevados en comparación con los fusibles convencionales diseñados para aplicaciones de menor potencia o menor densidad de energía.

No obstante, el agua en tales materiales de sales hidratadas puede proporcionar un buen relleno de fusible al ofrecer un mecanismo de enfriamiento eficaz para extinguir el arco de fusible en algunas circunstancias en donde no se produce un calentamiento hasta el punto de licuefacción. Controlar las condiciones de calor en el funcionamiento del fusible para evitar esto es, generalmente, poco práctico en la mayoría de las aplicaciones, pero incluso en ausencia de licuefacción puede seguir habiendo problemas.

Por ejemplo, los materiales de sal hidratada, en muchos casos, no retendrán toda su agua durante el calentamiento normal del fusible y la corriente del circuito en funcionamiento y, como tales, son desventajosas para aplicaciones de mayor potencia y mayor corriente. Durante el funcionamiento normal, el flujo de corriente a través del elemento 62 de fusible genera calor, denominado en la presente memoria calentamiento del fusible. A medida que se produce el calentamiento del fusible, se liberan muchas de las moléculas de agua unidas libremente presentes en sales hidratadas tales como sulfato de aluminio y sulfato de calcio. Como se ha mencionado anteriormente, esto puede producirse a temperaturas tan bajas como 50 0C que pueden alcanzarse fácilmente por el calentamiento del fusible y/o por los entornos ambientales operativos en circuitos de alta potencia y alta corriente. Si se produce tal calentamiento del fusible durante un período de tiempo suficiente, el recinto o alojamiento 60 del fusible puede sufrir pérdidas de moléculas de agua de las sales hidratadas y, por lo tanto, estas ya no estarán disponibles para enfriar el arco cuando sea necesario. Por lo tanto, el sulfato de aluminio y el sulfato de calcio tienen una eficacia limitada para aumentar una densidad de energía del fusible 56 a los niveles deseados para las condiciones generales de uso.

Para abordar estos problemas, los medios o material 68 de extinción de arco en la carcasa 60 de fusible del fusible 56 incluyen material de tamiz molecular y, más específicamente, tamices moleculares de zeolita hidratada. Los tamices moleculares son materiales que incorporan orificios o poros muy pequeños y cavidades de geometría y tamaño precisos y uniformes. El tamaño y la geometría de los orificios, poros y cavidades bloquearán las moléculas grandes para que no pasen a través del material al tiempo que permiten el paso de las moléculas más pequeñas.

Los tamices moleculares de zeolita son notables por su capacidad para capturar materiales orgánicos e inorgánicos. Se utilizan comúnmente como desecantes para eliminar la humedad o como adsorbente para capturar un ion o molécula diana. El gel de sílice y el carbón activado son ejemplos. Son diferentes de otros medios filtrantes conocidos porque atrapan o adsorben material a nivel molecular. Por lo tanto, los tamices moleculares de zeolita ofrecen un mecanismo superior para retener y liberar agua unida para el propósito de enfriar un arco 80 dentro del fusible 56.

Como se describe con más detalle a continuación, el agua unida a tamices moleculares de zeolita en el material 68 de relleno enfría de forma ventajosa el arco eléctrico de múltiples formas distintas dependiendo de la energía real de arco experimentada en la abertura del elemento 62 de fusible. Específicamente, el agua puede liberarse para enfriar directamente el arco y generar también presión de vapor cuando se vaporiza. La presión añadida a través de la generación de vapor ayuda a comprimir gas ionizado y aumenta el voltaje del arco rápidamente e impulsa la corriente de fallo a cero.

Si el agua no se vaporiza, los tamices moleculares de zeolita en el material 68 de relleno pueden recuperar o volver a adsorber las moléculas de agua que se liberaron previamente para el enfriamiento. A diferencia de los materiales de sales hidratadas descritos anteriormente, si el fusible 56 se calienta temporalmente hasta un punto de liberación de agua del material de zeolita, el agua no se pierde. Es decir, el agua no se escapa, sino que permanece dentro de la carcasa 60 de fusible y después del enfriamiento del fusible 56 en vez de ello, el agua se une una vez más al material de zeolita. Por lo tanto, cuando el fusible 56 se recalienta suficientemente mediante otro evento de calentamiento, el agua unida puede volver a liberarse del material de zeolita. Especialmente para fusibles que se someten a ciclos repetidos de calentamiento, este proceso de liberación y readsorción puede repetirse indefinidamente para constituir un sistema de enfriamiento de cambio de fase activo con la finalidad de reducir la tensión termomecánica o fatiga en el elemento 62 de fusible, como se describe con mayor detalle más adelante.

En otro aspecto, los tamices moleculares de zeolita son capaces de capturar e intercambiar iones de vapor metálico durante el proceso de arco a medida que el elemento de fusible se abre. La captura de los iones metálicos también ayuda de forma ventajosa a reducir o desionizar el gas o plasma de vapor de metal y a neutralizar eficazmente el potencial del arco.

Los tamices moleculares de zeolita, denominados en la presente memoria zeolitas, existen tanto en formas naturales como sintetizadas. Las zeolitas naturales o sintéticas pueden utilizarse en distintas realizaciones del fusible 56 como material 68 de relleno. En la forma natural, las zeolitas son minerales microporosos de origen natural que tienen afinidad por la adsorción de iones tanto en líquidos como en gases, que se forman, de forma típica, durante la actividad volcánica. Las zeolitas naturales se encuentran en muchas configuraciones moleculares distintas, pero solo en áreas geológicas muy específicas donde han tenido lugar procesos volcánicos tempranos. Sin embargo, las zeolitas naturales son propensas a una desventaja en el sentido de que frecuentemente se contaminan con otros elementos o minerales con propiedades no deseadas para la aplicación de medios de relleno de extinción de arco contemplados actualmente en el fusible 56. Sin embargo, las zeolitas naturales pueden tal vez procesarse para purificarlas o de otro modo eliminar los constituyentes no deseados si es necesario.

Las zeolitas naturales ilustrativas que pueden utilizarse en las realizaciones de la presente invención incluyen, aunque no necesariamente de forma limitativa, las siguientes zeolitas identificadas por a continuación por nombre y fórmula general:

Analcima Na16[Al16Si32O9aH 6(H2O);

Chabasita (Ca0,5,Na,K)4[Al4S¡8O24^12(H2O);

Clinoptilolita (Na,K)6[Al6Si30O72h20(H2O);

Erionita K2(Na,Ca0,5)8[Al10Si26O72^28(H2O);

Faujasita (Na2,Ca,Mg)3,5[Al7Sil7O48^32(H2O);

Heulandita (Na,K)Ca4[Al9Si27O72>24(H2O);

Laumontita Ca4[Al8Sil6O48h18(H2O));

Mesolita (Na16Ca16[Al48Si72O240^64(H2O);

Escolecitina Ca8[Al16Si24O80h24(H2O); y

Estilbita NaCa4[AtaSi27O72^30(H2O).

Para los medios 68 de relleno de extinción de arco del fusible, tal vez se prefieren especies de zeolita inorgánica debido a que el contenido en carbono de las zeolitas orgánicas puede contribuir a un potencial de ionización de arco. Evitando esto, las especies inorgánicas de zeolita pueden contribuir de forma más eficaz y eficiente a la supresión del arco. Tal vez también sea preferible la síntesis de zeolitas porque la composición puede controlarse con precisión, así como el tamaño y la forma granular, para obtener propiedades óptimas.

Las zeolitas sintéticas pueden fabricarse en los ejemplos contemplados por síntesis hidrotermal a partir de materias primas tales como silicato sódico, aluminato sódico, trihidrato de alúmina e hidróxido sódico. Las zeolitas sintéticas pueden fabricarse mediante diversos procesos que emplean, por ejemplo, técnicas de síntesis hidrotermal o síntesis sol-gel.

Actualmente existen cientos de zeolitas sintéticas construidas sobre un "armazón" de aluminosilicato común que se adapta a diversos cationes de Na+, K+, Ca2+, Mg2+ y otros que pueden intercambiarse fácilmente por otros tipos de iones positivos (intercambio iónico) y, por lo tanto, son muy adecuados para fines de supresión de arco en condiciones de mayor potencia cuando se abre el elemento 62 de fusible. Por ejemplo, zeolitas sintéticas conocidas incluyen, aunque no de forma limitativa, las siguientes:

Beta [Na0,92K0,62(TEA)7,6[Al4,53Si59,47O128]];

Linde tipo A {(Na12[(AlO2)12(SiO2)12] : 27 H2O};

Zeolita P [(NaAlO2)7(SiO2)9];

Linde tipo F [(K10(Al10Si10O40) . WH2O (w ~ 8)];

Linde tipo L {K9[AbSi27O72] : WH2O (w = 0 a 36)};

Linde tipo W (K11Al11Si21O64.20H2O);

Linde tipo X [Na86Al86Si106O384 : WH2O (w ~ 260)];

Linde tipo Y (Na56[Al56Si136O384] : 250 H2O);

Silicalita-1 (SÍ96Oi92F4(TPA)4);

^{s s z} -23 ([S^í64O128]); y

ZSM-5 (Na7[A17SÍ89O192] : wH2O).

Las zeolitas que presentan una estructura microporosa cristalina de aluminosilicato tal como la indicada con el número de referencia 100 en el ejemplo de la Figura 4 son ventajosas para mitigar y enfriar arcos eléctricos con propiedades térmicas más eficaces que los materiales de relleno de fusibles convencionales. De forma típica, son estructuras de óxido poroso que tienen un grado muy alto de cristalinidad de dimensiones moleculares únicas. Los aluminosilicatos son minerales compuestos de los óxidos metálicos de aluminio y silicona con 4 aniones de oxígeno que forman su forma de tetraedro única de un catión metálico 102 en el centro y cuatro átomos de oxígeno 104 en los vértices como se muestra en el ejemplo ilustrado. La estructura ilustrada en el ejemplo mostrado se denomina a veces estructura Linde tipo A LTA, que puede combinarse con otras estructuras en una estructura de armazón Linde tipo A LTA.

Los aluminosilicatos también tienen una estructura cristalina microporosa única compuesta de aluminio, silicona y oxígeno más contracationes (Na+, K+, Ca2+, Mg2+). Estas estructuras porosas forman trampas moleculares o iónicas que retienen las moléculas de agua muy bien y a altas temperaturas. La estructura de armazón Al/Si/O no es soluble en agua y permanece sólida durante el ciclo de hidratación y deshidratación haciendo de las zeolitas un sistema ideal de almacenamiento y suministro de agua para un medio 68 de relleno de extinción de arco del fusible. A diferencia de los materiales de relleno de sal hidratada descritos anteriormente, el material 68 de relleno que incluye zeolita no se licuará durante el calentamiento normal del fusible.

Con respecto a su afinidad con el agua, se sabe que las zeolitas pueden retener un 55 % en peso de agua y también retener el agua a temperaturas muy altas, haciéndolas adecuadas de forma única como mecanismo de enfriamiento de arco. Quizás la zeolita puede sintetizarse para que esté aún más fuertemente hidratada, para proporcionar aún más agua retenida que, cuando se libera durante las condiciones de arco, proporciona enfriamiento directo. En algunas realizaciones, para ciertos intervalos de funcionamiento de mayor potencia o densidad de energía deseada, la zeolita se hidrata, preferiblemente, lo más posible para proporcionar un efecto de enfriamiento máximo cuando se produce un arco eléctrico al abrirse el elemento 62 de fusible.

En realizaciones contempladas, el agua retenida puede utilizarse tanto para la absorción de energía térmica en la fase líquida como para la generación de presión en la etapa de vapor. El cambio simple de fase de agua a vapor de vapor de agua o el calor de vaporización de 40,7 kJ/mol pueden proporcionar una cantidad significativa de enfriamiento. De igual modo, el aumento de presión con respecto a la expansión del vapor de agua de vapor proporciona otra función adicional de extinción de arco. Este efecto combinado puede producirse simultáneamente o en etapas dependiendo de la cantidad de hidratación obtenida y de la energía de arco real a medida que se produce. En ciertas realizaciones contempladas, y reconociendo que los efectos de enfriamiento del material 68 de relleno pueden adaptarse a una cantidad esperada de energía de arco cuando se abre el fusible, los tamices moleculares de zeolita pueden hidratarse en una cantidad, o ajustarse en hidratación a una cantidad, para lograr y mantener características tiempo-corriente de fusión específicas del elemento 62 de fusible cuando se rodea con el material 68 de relleno que incluye los tamices moleculares de zeolita. La cantidad de hidratación obtenida puede dirigirse a una cantidad predeterminada con el propósito de desionizar el arco mediante enfriamiento directo del plasma de gas. Dada cualquier zeolita particular propuesta, la cantidad de hidratación puede complementarse o reducirse añadiendo más agua a adsorber o mediante un calentamiento cuidadosamente controlado para liberar una cantidad deseada de agua mientras se mantiene una cantidad de hidratación predeterminada. En la medida en que dos o más materiales de zeolita diferentes pueden hidratarse en cantidades distintas, el material de relleno puede incluir las zeolitas hidratadas de modo distinto en una proporción deseada para proporcionar suficiente liberación general de agua, lo que puede no posible utilizando una sola zeolita individual.

La cantidad de hidratación también puede seleccionarse o determinarse, incluyendo la hidratación aumentada de los tamices moleculares de zeolita con el propósito de generar presión interna de vapor de agua para desionizar el arco reduciendo la movilidad de la partícula cargada y aumentando el voltaje del arco.

Por último, la cantidad de hidratación también puede seleccionarse o determinarse, incluyendo la hidratación aumentada de los tamices moleculares de zeolita con el propósito de crear un mecanismo de enfriamiento activo para reducir la tensión termomecánica (fatiga) en el elemento de fusible y, por lo tanto, aumentar la esperanza de vida útil del fusible cuando se expone a eventos repetidos de ciclos de corriente de carga.

La cantidad de hidratación en el material de zeolita puede seleccionarse para lograr uno de los propósitos anteriores o combinaciones de estos propósitos. En distintos casos, dependiendo de la severidad del arco eléctrico y de cuánto tiempo se mantenga, pueden realizarse todos los propósitos, mientras que en otros casos no pueden realizarse todas ellos. Pueden proporcionarse distintas formulaciones de materiales de relleno, incluyendo zeolitas hidratadas en distintas cantidades para su uso específico en diferentes intervalos (por ejemplo, voltaje o corriente de funcionamiento) de condiciones de mayor potencia.

En realizaciones contempladas adicionales, para medios de relleno de fusible tales como los medios 68 de extinción de arco que incluyen zeolita, la zeolita puede aplicarse a concentraciones del un 100 % o a una concentración reducida cuando se combina según la presente invención con arena de sílice de cuarzo. Sustituir o mezclar el relleno de arena de cuarzo con zeolitas proporcionaría los efectos dobles deseables de extinción del arco que proporciona cada material. Las proporciones relativas de zeolita y arena de sílice (u otro material) pueden proporcionarse con distintos grados de eficacia. Las zeolitas hidratadas se utilizan en combinación con un agente aglutinante que comprende silicato sódico en realizaciones según la presente invención.

Más específicamente, en realizaciones contempladas, las zeolitas y las mezclas de zeolita y arena de cuarzo pueden unirse mecánicamente con una solución aglutinante de silicato de sodio para aumentar la conductividad térmica entre los granos o partículas individuales y el elemento 62 de fusible y otros componentes de fusión tales como el elemento 62 de fusible y los terminales 64, 66. El uso de un agente aglutinante soluble en agua tal como silicato de sodio también proporciona un proceso de hidratación para la zeolita durante la misma operación de unión mecánica. El proceso de unión mecánica con silicato sódico a veces se denomina apedreamiento.

La introducción de tamices moleculares de zeolita en los medios 68 de extinción de arco ayuda a resolver el problema de la salida del agua de los materiales de relleno hidratados convencionales debido a su estructura o armazón únicos de cristal de aluminosilicato. Por diseño y composición, la zeolita se comporta en cierto modo como arena de sílice de cuarzo debido a su alta temperatura de fusión y naturaleza inorgánica.

Todas las zeolitas de aluminosilicato tienen la misma formulación empírica básica:

M2/nO ■ [Al2Ü3 ■ xSiO2] ■ yh^O

en donde M es cualquier metal alcalino o alcalinotérreo, n es el grado de oxidación del metal, en donde x es un número variable que varía, de forma típica, de 2 a 10, e y es un número que varía, de forma típica, de 2 a 7. Las zeolitas que caen fuera de estos intervalos son posibles, sin embargo, por ejemplo, en Clinoptilolita, la zeolita natural más común también citada anteriormente, la fórmula empírica y de células unitarias es:

(Na,K)a ■ [AlaSi30O72] ■ 20(H2O).

Las zeolitas tienen una fuerte afinidad por el agua. Algunas zeolitas pueden adsorber agua en una cantidad de hasta un 55 % en peso. Esto se debe a la atracción del catión del metal térreo (Na+, K+, Ca2+ o Mg2+) y la molécula de agua polar, un extremo es ligeramente negativo y el otro extremo, ligeramente positivo. Los cationes no forman parte del armazón permanente de la zeolita; sin embargo, en las condiciones correctas pueden intercambiarse por otros cationes.

Como se muestra en la Figura 5, se ilustran cuatro moléculas de agua que interactúan con un catión 110 de magnesio. Los extremos negativos de los dipolos de agua se dirigen hacia el ion magnesio de carga positiva. Aquí, las líneas discontinuas no representan enlaces de hidrógeno. Este tipo de interacción se denomina interacción dipolo-carga o ion-dipolo. La interacción que se muestra en la Figura 5 se repite en la estructura que se muestra en la Figura 6, que corresponde al material de zeolita Clinoptilolita en una forma hidratada.

Además, y con referencia ahora al ejemplo de la Figura 7, los tamices moleculares de zeolita en el material de relleno pueden proporcionar una función de intercambio iónico y captura de iones donde, durante la fase de vaporización del elemento de fusible, algunos de los iones metálicos (por ejemplo, iones de cobre indicados como Cu-) pueden capturarse para ayudar en el enfriamiento del arco 80 desionizando el plasma de gas del arco. Las zeolitas pueden diseñarse para facilitar una captura de iones o intercambio de iones particular, esto puede ser beneficioso para neutralizar el arco. En algunas realizaciones, la zeolita puede diseñarse y sintetizarse para adsorber iones de cobre y reducir una conductividad de columna de arco en el arco 80. Como también se observa en la Figura 7, el agua se libera de la zeolita mientras se produce el intercambio iónico. El enfriamiento por plasma de vapor metálico es otro beneficio del enfriamiento con agua, en donde el enfriamiento rápido del elemento de fusible de metal vaporizado reduce el flujo convectivo de iones metálicos en la columna de arco. La estructura particular de zeolita ilustrada en la Figura 7 corresponde a la de una zeolita sintética ZSM-5 citada anteriormente. Al introducir mejores materiales de relleno mitigadores de arco 68 que incluyen zeolitas como se ha descrito anteriormente, pueden diseñarse fusibles de menores dimensiones y/o de mayor voltaje nominal. Además, se cree que los materiales de relleno, incluyendo la zeolita, tales como los descritos anteriormente, pueden proporcionarse a menor coste que otros materiales con prestaciones comparables.

Las Figuras 8-10 ilustran diversas vistas del fusible 150 ilustrativo formado según una realización de la presente invención. El fusible incluye una carcasa 150 formada como un tubo de fusible generalmente alargado y cilíndrico que tiene una sección transversal generalmente circular y una superficie exterior redonda. Los casquetes o casquillos 152, 154 de extremo conductores están acoplados a cada extremo opuesto del tubo del fusible y, como se observa en la Figura 10, un elemento 158 de fusible se extiende entre, y completa, una conexión eléctrica entre los elementos terminales 152, 154 del casquillo.

En el ejemplo mostrado, el elemento 158 de fusible está conformado como una tira plana 160 de metal conductor. La tira 160 de elemento de fusible se forma, además, con un número de aberturas separadas 162 que, a su vez, definen áreas de área en sección transversal reducida, denominadas en la técnica puntos débiles 164. Los puntos débiles 164 corresponden a la parte más fina de la tira 160 de elemento de fusible entre las aberturas adyacentes 162. Las áreas en sección transversal reducidas en los puntos débiles 164 experimentarán una concentración de calor cuando la corriente fluye a través del elemento 158 de fusible y el área en sección transversal de los puntos débiles 164 se selecciona estratégicamente para hacer que el elemento 158 de fusible se abra en uno o más de las localizaciones de puntos débiles 164 si se experimentan las condiciones especificadas de corriente eléctrica.

La pluralidad de las aberturas 162 y la pluralidad de puntos débiles 164 proporcionados en la tira 160 de elemento de fusible facilita la división de arco cuando actúa el elemento 158 de fusible y se abre en respuesta a una condición de corriente predeterminada. En el ejemplo ilustrado, el elemento 158 de fusible puede abrirse simultáneamente en cada uno de los cuatro puntos débiles 164. El potencial de arco en cada ubicaciones se divide entre el número de puntos débiles 164. La división de arco permite una cantidad reducida de material 68 de relleno, así como una reducción en el radio de la carcasa 150 de forma que puede reducirse el tamaño del fusible 150. El enfriamiento de arco incrementado del material 68 de relleno que incluye una combinación de zeolita 170 y arena 172 de cuarzo, como se ha descrito anteriormente, proporciona más posibilidades de una reducción aún mayor en el radio de la carcasa 150 del fusible.

La Figura 11 muestra una parte del elemento 160 de fusible en una primera etapa de funcionamiento. En la etapa mostrada, los arcos 80 se encienden en los puntos débiles 164 cuando el elemento de fusible se somete a la condición de corriente predeterminada y el elemento de fusible está en el proceso de abertura en las localizaciones de los puntos débiles 164. Se observa que el agua se libera del material de zeolita más cercano a los puntos débiles calentados por los arcos encendidos 80. El agua liberada comienza a enfriar los arcos 80. El material de zeolita más alejado de los puntos débiles 164 aún han retenido su agua y a medida que esas partículas se calientan hasta el punto de liberación, dependiendo de la intensidad real de los arcos 80, se liberará agua adicional para enfriar aún más los arcos 80. A medida que el arco calienta el agua liberada, comienza a convertirse en vapor de agua y el enfriamiento del arco se produce debido a la transición de fase. Al mismo tiempo, las zeolitas que no están directamente en el arco también liberarán su agua líquida debido al calentamiento, parte puede vaporizarse, parte puede condensarse fuera de la zeolita, todo ello proporcionará una absorción adicional de energía térmica.

La Figura 12 muestra una parte del elemento 160 de fusible en una segunda etapa de funcionamiento en donde el arco 80 sigue quemándose y genera aún más calor en el material 68 de relleno. El agua liberada más cercana a los puntos débiles ahora se convierte en vapor y se elimina calor adicional, mientras aumenta la presión para desionizar los arcos 80 en cada punto débil 164. Cuando el agua de hidratación de la zeolita se vaporiza, aumenta la presión dentro del fusible, y también aumenta la densidad de los gases dentro de la columna de arco. Por ejemplo, la vaporización del agua unida se expandirá aproximadamente 1700 veces y presurizará significativamente el recinto del fusible como resultado de ello. Este aumento de presión, junto con la disminución de la temperatura del arco, son cruciales para desionizar el plasma de gas en el arco.

Específicamente, el aumento en la presión del gas significa que las partículas de gas en el arco 80 se acercan más entre sí, lo que permite reducir también la ruta libre intermedia de estas partículas. Esta ruta reducida aumenta la velocidad de colisión entre las partículas cargadas, de forma que se reduce su movilidad y aumenta el voltaje para mantener el arco. Este aumento en el voltaje del arco es necesario para llevar la corriente a cero (extinción del arco).

Como también se observa en la Figura 12, los iones metálicos del elemento 158 de fusible abierto se adsorben en el material de zeolita Cuanto mayor sea la densidad de las partículas cargadas, mayor será el número de recombinaciones de las partículas cargadas de manera opuesta, lo que permite una mayor velocidad de desionización del gas en el plasma del arco.

Se destaca que la zeolita Clinoptilolita natural se ha utilizado para el tratamiento de aguas residuales de metales pesados para eliminar Cu, Pb y Zn de soluciones acuosas mediante intercambio iónico con los cationes de zeolita (Na+, K+, Ca2+, Mg2+). En el contexto de arco de funcionamiento de fusible descrito aquí, el gas de plasma del arco es análogo a la solución acuosa. Supongamos que un elemento de fusible de cobre se está vaporizando en el plasma del arco. Los cationes de cobre (Cu2+) están presentes ahora en el plasma de gas y se dispersan por toda la estructura de la zeolita. Algunas zeolitas se vaporizan en el plasma del arco liberando su agua de enfriamiento y algunas se funden cuando el armazón Al/Si absorbe energía térmica significativa. Las zeolitas fuera de la columna de arco también liberan su agua, añadiendo efecto de enfriamiento. Además, estas zeolitas externas adsorben e intercambian cationes de cobre con cationes de zeolita. Esta adsorción de iones de cobre de la columna de gas de plasma de arco externo reduce aún más la ionización térmica del gas.

La Figura 13 ilustra un ciclo de carga de corriente ilustrativo para el fusible mostrado en la Figura 8 que incluye el elemento 158 de fusible mostrado en la Figura 10-12. Se observa que la corriente fluctúa entre cantidades mayores y menores. Debido a que el calentamiento de los fusibles varía con la corriente, esto significa que el elemento 158 de fusible pasa por un ciclo de calentamiento correspondiente y fluctúa entre temperaturas más altas y más bajas. Como se ilustra en la Figura 14, esto crea una onda térmica que se propaga por el elemento 158 de fusible en donde diferentes porciones del elemento 158 de fusible se calientan y enfrían en diferentes momentos y a diferentes velocidades a medida que continúa el ciclo de corriente. En los fusibles convencionales, esto puede producir una tensión térmica indeseable en los puntos débiles del elemento de fusible que podría perturbar el funcionamiento fiable del fusible.

La fatiga del elemento de fusible es un efecto acumulativo de tensión termomecánica que se concentra directamente en los puntos débiles del elemento debido a la presencia de ciclos de corriente de carga. La cantidad de tensión impuesta sobre un punto débil es directamente proposicional a la magnitud de oscilación de la temperatura durante un evento de impulso de corriente. Debido a que el material 68 de relleno que incluye la zeolita actúa como un sistema de enfriamiento activo, como se ha descrito anteriormente, los efectos de la tensión térmica que por lo demás pueden producirse, pueden gestionarse eficazmente incluso cuando la corriente aumenta y somete al elemento de fusible a mayores cantidades de calor durante su uso. La gestión térmica activa proporcionada por las zeolitas en el material puede utilizarse para enfriar el elemento de fusible durante un evento de pulso de corriente y, por lo tanto, reducir la oscilación de la temperatura y la tensión correspondiente.

Las zeolitas y su propiedad de adsorción de agua pueden utilizarse para el enfriamiento activo del elemento de fusible durante los ciclos de calentamiento de corriente de carga y evitar los problemas descritos en relación con las Figuras 13-15. Durante un ciclo de corriente, el elemento de fusible se calienta, con unas temperaturas más altas en los puntos débiles. Las zeolitas presentes alrededor del punto débil se calientan y liberan su agua. Esta agua puede proporcionar un enfriamiento del punto débil y, por lo tanto, reducir la magnitud de tensión termomecánica. Al enfriarse, la zeolita volverá a adsorber el agua de liberación y estará lista para el siguiente ciclo de calentamiento. La Figura 16 ilustra un diagrama de flujo de un método 200 ilustrativo para fabricar el fusible 56 o 150 descrito anteriormente.

El método incluye proporcionar la carcasa en la etapa 202. La carcasa proporcionada puede corresponder a cualquiera de las carcasas descritas anteriormente.

En la etapa 204, se proporciona al menos un elemento de fusible. El al menos un elemento de fusible puede incluir cualquiera de los elementos de fusible o conjuntos de elementos de fusible descritos anteriormente.

En la etapa 206, se proporcionan terminales de fusible. Los terminales de fusible pueden corresponder a cualquiera de las estructuras de terminales descritas anteriormente.

En la etapa 208, los componentes proporcionados en las etapas 202, 204 y 206 pueden ensamblarse parcial o completamente como una etapa preparatoria al resto del método 200.

En la etapa 210, se proporciona un material de relleno. El material de relleno puede ser el material 68 de relleno descrito anteriormente y, en consecuencia, puede incluir una o más zeolitas solamente, o una combinación de material de zeolita y un material de arena de cuarzo u otro material como se ha descrito anteriormente. La etapa 210 según se contempla puede incluir una síntesis de zeolita. Como se ha descrito anteriormente, el tipo de zeolita y el tamaño de partícula pueden variarse para controlar cuánto volumen de agua está presente en el fusible completado y, en particular, alrededor del elemento de fusible en los lugares donde se iniciará el arco durante la interrupción del fusible. La etapa 210 según se contempla, también incluye las etapas del método de hidratación, ajuste o alteración de una cantidad de agua adsorbida para obtener un material de zeolita que se hidrata a una cantidad o grado predeterminado.

En la etapa 212, se aplica un aglutinante de silicato al material de relleno proporcionado en la etapa 210. En un ejemplo, el aglutinante de silicato puede añadirse al material de relleno como una solución líquida de silicato de sodio. Opcionalmente, el material de silicato puede secarse para eliminar la humedad, y puede proporcionarse después para los propósitos de la etapa 210.

En la etapa 214, la carcasa puede rellenarse con el material de relleno de silicato proporcionado en la etapa 212 y compactarse de forma suelta en la carcasa alrededor del elemento de fusible. Puede proporcionarse una abertura en la carcasa, o en otro componente externo del fusible de forma que el material de relleno pueda introducirse en la carcasa. Opcionalmente, el relleno se seca después del rellenado para solidificar el silicato y crear una unión entre el material de relleno y las partes del elemento de fusible. En algunas realizaciones, una solución líquida de silicato de sodio puede añadirse después de rellenar el fusible con los medios de relleno y se seca para crear una unión entre el material de relleno y las partes del elemento de fusible.

El fusible se sella en la etapa 216 para completar el ensamblado.

Se entiende que el método 200 mostrado es meramente ilustrativo y no es limitativo. Determinadas etapas mostradas pueden considerarse opcionales en algunas realizaciones y pueden incluirse otras etapas. El método, etapas y procesos descritos pueden combinarse con otros métodos, etapas y procesos para lograr algunos, si no todos, los beneficios y ventajas de los conceptos inventivos descritos en la presente memoria.

En resumen, la estructura molecular de la zeolita tiene una gran afinidad para atraer y retener las moléculas de agua estrechamente dentro de su único armazón cristalino. A diferencia de los materiales de relleno de sulfato de aluminio y sulfato de calcio, el agua atrapada de la zeolita solo se libera a temperaturas mucho más altas que las de las sales inorgánicas y, al liberarse, la estructura cristalina de la zeolita no se licua. Además, el agua liberada de la zeolita puede readsorberse al enfriarse y estar disponible nuevamente cuando sea necesario. Esta capacidad de la zeolita para liberar agua al calentarse y, después, volver a adsorber la misma agua al enfriarse puede proporcionar un mecanismo de enfriamiento de fase activa para que el fusible lo utilice durante eventos altamente térmicos temporales resultantes de eventos de sobrecorriente transitoria. Reducir la tensión de fatiga mecánica térmica en el sistema de elementos fusibles durante eventos de corriente transitoria es un beneficio de este mecanismo de enfriamiento activo.

Se cree que los beneficios y ventajas de los conceptos de la invención describe ya se han ilustrado ampliamente en relación con las realizaciones ilustrativas descritas.

Se ha descrito una realización de un fusible de potencia que incluye una carcasa, unos terminales conductores, primero y segundo, acoplados a la carcasa, y un elemento de fusible conductor en la carcasa y conectados eléctricamente a los terminales conductores primero y segundo. El elemento de fusible conductor se construye para fallar estructuralmente cuando se somete a una condición de corriente eléctrica predeterminada en un sistema de alimentación eléctrica, y un relleno de extinción de arco rodea el elemento de fusible conductor en la carcasa. El material de relleno de extinción de arco incluye un material de tamiz molecular que se hidrata en una cantidad predeterminada, o se ajusta en hidratación a una cantidad predeterminada, para lograr y mantener una característica predeterminada de tiempo de fusión-corriente del elemento de fusible conductor en respuesta a la condición de corriente eléctrica predeterminada.

Opcionalmente, el material de tamiz molecular puede incluir material de zeolita hidratada. Según la invención reivindicada, el material de relleno de extinción de arco incluye arena de sílice de cuarzo. El material de relleno de extinción de arco también incluye un agente aglutinante que comprende silicato de sodio.

Como opciones adicionales, el material de tamiz molecular puede incluir un material de tamiz molecular natural. El material de tamiz molecular natural puede ser un material de zeolita inorgánica.

Opcionalmente, el material de tamiz molecular puede incluir también un material de tamiz molecular sintético. El material de tamiz molecular sintético puede presentar una estructura microporosa cristalina de aluminosilicato. Opcionalmente, el material de tamiz molecular comprende dos o más materiales de zeolita distintos. El material de tamiz molecular puede incluir Clinoptilolita. El elemento de fusible conductor se construye para facilitar la división del arco cuando el elemento de fusible falla estructuralmente cuando este se somete a la condición de corriente eléctrica predeterminada.

Se ha descrito también una realización de un fusible de potencia que incluye una carcasa, unos terminales conductores, primero y segundo, acoplados a la carcasa y un elemento de fusible conductor en la carcasa y conectados entre los terminales conductores, primero y segundo. El elemento de fusible se construye para facilitar la división del arco cuando el elemento de fusible se abre en una condición de sobrecorriente predeterminada, y un relleno de extinción de arco que rodea el elemento de fusible en la carcasa. El material de relleno de extinción de arco incluye al menos un material de zeolita que se hidrata en una cantidad predeterminada, o se ajusta en hidratación a una cantidad predeterminada, para lograr y mantener una característica predeterminada de tiempo de fusión-corriente del elemento de fusible conductor en respuesta a la condición de corriente eléctrica predeterminada. Según la invención, el relleno de extinción de arco incluye además arena de sílice de cuarzo y silicato de sodio. El al menos un material de zeolita puede incluir un primer material de zeolita y un segundo material de zeolita distinto del primer material de zeolita. Al menos un material de zeolita puede ser Clinoptilolita.

Se ha descrito también un método para fabricar un fusible de potencia eléctrica que incluye un elemento de fusible conductor que se extiende internamente por una carcasa entre los terminales conductores primero y segundo. El método incluye: rodear el elemento de fusible en la carcasa con un material de relleno de extinción, que incluye al menos un material de zeolita que se hidrata en una cantidad predeterminada, o se ajusta en hidratación a una cantidad predeterminada, para lograr y mantener una característica predeterminada de tiempo de fusión-corriente del elemento de fusible conductor en respuesta a la condición de corriente eléctrica predeterminada.

Opcionalmente, el método puede incluir mezclar el al menos un material de zeolita con arena de cuarzo.

Esta descripción escrita utiliza ejemplos para describir la invención, incluyendo el mejor modo, y también para permitir que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo la fabricación y uso de cualquier dispositivo o sistema y la ejecución de los métodos incorporados. El ámbito patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

   i. Un fusible (56) de potencia que comprende:

   una carcasa (60);

   terminales conductores (64, 66) primero y segundo acoplados a la carcasa (60);

   un elemento (62) de fusible conductor en la carcasa (60) y conectado eléctricamente a los terminales conductores (64, 66) primero y segundo, siendo el elemento (62) de fusible conductor una tira plana de material conductor que responde a una condición de corriente eléctrica predeterminada en un sistema (50) de alimentación eléctrica para abrir un circuito entre los terminales conductores (64, 66) primero y segundo, y teniendo el elemento (62) de fusible conductor un área variable en sección transversal que define una pluralidad de puntos débiles para facilitar la división de arco cuando el elemento (62) de fusible conductor falla para abrir estructuralmente el circuito; y

   un mecanismo de enfriamiento en forma de material (68) de relleno que rodea el elemento de fusible conductor en la carcasa (60);

   en donde el material (68) de relleno del mecanismo de enfriamiento activo comprende un material de tamiz molecular que se hidrata, y

   caracterizado por que el material (68) de relleno comprende arena de sílice de cuarzo mezclada con el material de tamiz molecular y un agente aglutinante que comprende silicato de sodio.
2. 2. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 1, en donde el material de tamiz molecular comprende un material de zeolita que se hidrata en una cantidad seleccionada.
3. 3. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 1, en donde el material de tamiz molecular comprende un material de tamiz molecular natural.
4. 4. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 3, en donde el material de tamiz molecular natural es un material de zeolita inorgánica.
5. 5. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 1, en donde el material de tamiz molecular comprende un material de tamiz molecular sintético.
6. 6. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 5, en donde el material de tamiz molecular sintético presenta una estructura microporosa cristalina de aluminosilicato.
7. 7. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 1, en donde el material de tamiz molecular comprende dos o más materiales de zeolita distintos.
8. 8. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 7, en donde los dos o más materiales de zeolita diferentes se hidratan hasta cantidades distintas y las zeolitas hidratadas de forma distinta se proporcionan en proporciones deseadas.
9. 9. El fusible (56) de potencia de la reivindicación 1, en donde el material de tamiz molecular comprende Clinoptilolita.