复合熔丝元件及其制造方法
【专利摘要】—种用于电路保护熔断器中的改进的熔丝元件。熔丝元件能够包括绝缘基底部分和沉积在绝缘基底部分的至少一个表面上的导电金属部分，其中金属部分沿着基底部分延伸并与基底部分处于紧密接触。当出现过电流情况，金属部分熔化且分离时，基底部分桥接由此形成在金属部分中的间隙并且由此提供电弧抑制。
【专利说明】复合溶丝元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本申请公开内容大体上涉及电路保护装置领域，更具体地涉及熔断器，其具有包含绝缘、消弧基底的复合熔丝元件。
【背景技术】
[0002]熔断器长期被用于电气装置中，用来在电力源和电路中需要被保护的元件之间提供可中断的电连接。例如，在电路中出现过载电流的情况时，这可能是由短路或其它的突然电涌引起的，熔断器中的元件可分离并中断电流到被保护的电路组件的流动，由此阻止或减轻如若不然在过电流的情况被允许持续发生时对组件造成的损害。
[0003]一种在本领域中熟知的熔断器包括中空熔断体和置于中空熔断体中的熔丝元件。例如，图1示出了具有中空、管状熔断体110的常规熔断器100的侧视图。熔断器100包括第一端盖130、第二端盖140及置于其中并延伸穿过中空熔断体110的腔150以形成端盖130和140之间的电连接的熔丝元件120。熔丝元件120由具有相对低的熔点的导电材料形成。端盖130和140由导电材料制成并且套在熔断体110的纵向两端上以提供与熔丝元件120的电接触。熔丝元件120通过填角焊料(solder fillet) 155连接到端盖130和140，其设置在熔断体110的相对端。腔150由熔断体110的内表面115限定，包含绝缘填充物160，其可为粉末化或颗粒状的非导电材料，如沙粒。
[0004]当熔丝元件120由于流经熔丝元件120的预定过量的电流而融化或分离时，在元件的未熔化部分之间形成电弧。由于熔丝元件120的分离部分彼此退缩，在长度方向形成电弧，直到维持电弧所 需的电压高于保护电路中的可用电压，由此终止电流流动。因此需要尽快抑制这样的电弧以限制达到过量电流之后直至电流被阻止的时间。绝缘填充材料160通过填充熔丝元件120的融化部分之间的间隙，来抑制在示例性的传统熔断器100中的电弧。然而，由于填充物材料160和熔丝元件120之间有限的接触表面积，电弧熄灭所需的时间可能仍然是过多的(例如，不能足够有效地阻止对于被保护电路组件的损害)。因此显然存在改善熔断器中电孤熄灭的需要。
【发明内容】
[0005]根据本申请公开内容，公开了展现出具有改进的电弧熄灭特性的复合熔丝元件的熔断器以及其制造方法。
[0006]根据本申请公开内容的一个熔断器的示例性实施例,包括限定中央腔体的中空熔断体、设置在腔体中的熔丝元件、绝缘基底部分以及在绝缘基底部分的至少一个表面上设置的导电金属部分。第一端盖连接到金属部分的第一端并且第二端盖连接到金属部分的第二段。
[0007]根据本申请公开内容的一个替代实施例能够包括，绝缘基底部分和具有螺旋形的导电金属部分。金属部分至少部分围绕基底部分并且与基底部分处于连续、紧密的接触。
[0008]根据本申请公开内容的一个用来制造熔丝元件的方法的示例性实施例，能够包括提供绝缘基底部分并将金属部分施用到基底部分的至少一个表面上。金属部分提供从基底部分的第一端到基底部分的第二端的导电通道。
[0009]根据本申请公开内容的一个用来制造熔丝元件的方法的替代实施例，能够包括提供绝缘基底并在基底中形成多个穿孔行。这些行沿平行的、侧向隔开的线延伸，并在基底相对的主面上形成图案化导电的金属部分，其中每个金属部分延伸到至少一个穿孔。该方法可进一步包括在每个穿孔中沉积导电浆料，其中浆料与至少一个金属部分相接触，并且沿着侧向平分每行穿孔的线来将基底切成方块，其中金属部分和浆料沉积物限定螺旋状导电通道，其至少部分围绕每个基底切块部分并与每个基底切块部分处于连续、紧密的接触。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]通过示例的方式，现在将参考相应附图对公开的装置的具体实施例进行描述，其中:
[0011]图1是示出现有技术熔断器的侧视图。
[0012]图2a是示出根据本申请公开内容一个实施例的熔断器的侧视图。
[0013]图2b是根据图2a中显示的熔断器实施例介绍电弧时间数据的图表，以及两个传统熔断器的电弧时间数据。
[0014]图3a_3d示出图2a示出的熔断器的示例性制造方法。
[0015]图3e_3f是示出根据本申请公开内容的替代的复合熔丝元件的透视图。 [0016]图4a_4d是示出根据本申请公开内容的替代复合熔丝元件的俯视图和底视图。
[0017]图5a_5f示出图4a_4d示出的复合熔丝元件的示例性制造方法。
[0018]图6示出采用图4a_4d中显示的熔丝元件的示例性熔断器。
【具体实施方式】
[0019]现在将在下文中参考相应的附图，对根据本申请公开内容的具有包括陶瓷基底的复合熔丝元件的熔断器的各种实施例及其制造方法，进行更充分的描述，其中示出的是本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实施，并不限于解释为这里列出的实施例。当然，提供这些实施例以使本申请公开内容透彻完整，并将全面传达本发明的范围给本领域技术人员。在图中，相同的附图标记指代相同的元件。
[0020]出于方便和清楚的原因，术语例如“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“垂直”、“水
平”、“侧向”、“纵向”在此可用于描述各种结构和组件的相对位置和方向。所述术语将包括特别提到的词语、由此派生的词语以及具有相似含义的词语。
[0021]图2a示出了示例性熔断器270的侧视图，其与本申请公开内容的某些实施例相一致。熔断器270包括套在管状熔断体274的纵向相对端上的导电端盖272，例如通过挤压配合或其他紧固接合方式，来限定其中的封闭腔276。端盖272可由任何合适的导电材料整体或部分地形成，包括但不限定于铜或黄铜，并且可被涂覆上如锡或银的附加材料。熔断体274可由任何适合的绝缘材料形成，包括但不限于玻璃、陶瓷、塑料和各种复合材料，并且可具有任何合适的横截面形状，例如圆形、矩形、三角形或不规则形状。端盖272的横截面尺寸和形状可基本上与熔断体274的横截面尺寸和形状相匹配，以便于彼此的匹配接合。熔断体270的腔体276可充满空气、惰性气体、各种粉末化或颗粒状的绝缘材料，或可为真空密封。
[0022]复合熔丝元件278可在端盖272间延伸并且包括绝缘基底部分280和导电金属部分282。熔丝元件278的基底部分280可由任何合适的绝缘材料形成，包括但不限于陶瓷、玻璃、塑料和各种复合材料。金属部分282可由任何已知的可适于用作导电熔丝材料的金属材料形成，包括但不限于锡、铅和锌。基底部分280和金属部分282以平行且平贴紧靠的关系设置在腔体276中，并且相互紧密接触。熔丝元件278的纵向端可通过任何合适的导电粘附装置，例如用填角焊料或用各种导电粘合剂连接到端盖272。
[0023]通过实验发现，相对于具有仅由绝缘填充材料可围绕或可不围绕的导电金属构件限定的传统熔丝元件的熔断器，当过载电流情况发生时，复合熔丝元件278提供了对于电弧形成的改进的电阻。例如，图2b中的图表呈现关于几个具有同一尺寸和额定电流的熔断器的示例性的电弧时间数据。特别地，根据本申请公开内容的具有复合熔丝熔元件的熔断器的电弧时间数据由图2b中的曲线290表示，而图2b中的曲线292和294表示了两个具有传统、非复合熔丝元件的熔断器的电弧时间。当然，本领域普通技术人员应该理解熔断器额定值和熔断器尺寸的变化将导致电弧时间的相应变化。如图2b所示，根据本申请公开内容的熔断器的电弧时间大约为100微秒或更少，而具有传统熔丝元件的熔断器的电弧时间在一毫秒(如曲线292所示)或数毫秒(如曲线294所示)的数量级。由此证明，根据本申请公开内容的复合熔丝元件的电弧熄灭能力要显著优于传统熔丝元件。
[0024]熔断器270相较传统熔断器的改进的电弧抑制是熔丝元件278的金属部分282连续紧密接触熔丝元件278的绝缘部分280的直接结果。特别地，当过流情况出现时，绝缘部分280不熔化或断开，而是延伸穿过当金属部分融化或断开时(例如，当金属部分282纵向对置的未熔化部分融化和彼此纵向收缩时)形成的金属部分282中的间隙。绝缘部分280因此用作纵向张开间 隙中的电弧抑制器，绝缘部分280和金属部分282间的接触面积大于传统熔断器中的填充物材料和金属熔丝元件间的接触面积(如图1所示)。
[0025]图3a_3d描绘了制造与本申请公开内容一致的熔断器270的示例性方法。首先参考图3a，绝缘基底300，例如可由陶瓷或其它如上讨论的绝缘材料形成，其被提供有叠加的金属部分302。金属部分302可形成为条状，并且可在各种实施例中使用丝网印刷、电镀、气相沉积或其它已知的用于在基底上形成和沉积涂层或层的方法制造并且施用于绝缘基底300上。金属部分302的宽度和厚度可根据待形成的复合熔丝元件的所需特性而改变。例如，被设计成具有相对高电流极限的熔丝元件的金属部分可以比设计成具有较低电流极限的熔丝元件的金属部分形成得更宽和/或更厚。
[0026]在图3b中，基底300制成用于切分以形成几个单个复合熔丝元件278(如图2a和图3c-d中示出)。例如，可在基底300中形成划线304，如所示位于金属部分302的侧面中间。尽管未示出，设想金属部分302可相似地制成为用于切割成所需的宽度。
[0027]参考图3e和3f，设想熔丝元件的替代实施例，其中在金属部分中形成各种薄弱处，由此“切开”在过流情况下由于熔丝元件的金属部分熔化而产生的电弧。特别的，图3e不出包括金属部分385a的熔丝兀件380a,金属部分385a具有一系列沿每个金属部分385a的侧边缘形成的半圆切口 390a，例如通过剪切或刻蚀形成。由此产生的金属部分385a的窄部395a，其侧面位于半圆切口 390a之间，当窄部395a在发生过流情况熔化时，其用来提供切开电弧的薄弱处。[0028]类似的，图3f示出包括金属部分385b的熔丝元件380b，金属部分385b具有一系列沿其每个侧边形成的矩形切口 390b。由此产生的金属部分385b的窄部395b，其侧面位于矩形切口 390b之间，当窄部395b在发生过流情况熔化时，如上所述，用作便于切开电弧的薄弱处。本领域普通技术人员应该理解，与如上所述类似的变薄或变窄的薄弱处可使用各种技术在熔丝元件中形成，并且这样的薄弱处可使用许多不同的形状、尺寸和构造来形成。所有这些变形是能设想的，且可在不偏离本申请公开内容的情况下来实施。
[0029]在图3c中，单个切分的复合熔丝元件278 (从图3b所示的基底300和金属部分302切割而来)的金属部分282被连接到端盖272，例如用焊料、导电环氧胶或其它导电粘附装置(未示出)。金属部分282由此形成端盖272之间的连续导电路径。绝缘基底280可以附加或不附加到端盖272上。当基底部分280被示出具有完全延伸到端盖272的纵向端时，设想基底部分280可替代地比金属部分282短，并且金属部分282的纵向一端或两端可与其各自端盖272间隔开来。在图3d中，熔断体274被安装在端盖272之间以容纳复合熔丝元件278并限定腔体276。如上所述，腔体276可选择地用绝缘材料或气体(未示出)填充，来进一步增强熔断器270的电弧熄灭能力。
[0030]图4a_4d描绘了根据本申请公开内容的进一步实施例的可选的复合熔丝元件400的俯视图和底视图。复合熔丝元件400包括具有三维的基本螺旋形状缠绕的金属部分402，并且与绝缘基底部分404处于连续紧密的接触。熔丝元件400的金属部分402可用任何已知适合用作导电熔丝元件的金属材料形成，包括但不限于锡、铅和锌。基底部分404可用任何合适的绝缘材料形成，包括但不限于陶瓷、玻璃、塑料和各种复合制料。 [0031]基底部分404被示出，具有相对的上表面和下表面412和416的矩形横截面形状，但设想基底部分404的形状可以发生变化而不脱离本申请公开内容。例如，基底部分404可替代地具有圆形、三角形或不规则的横截面形状。进一步设想，基底部分404可为具有纵向穿过其中的空腔的管状。无论基底部分404的具体形状和尺寸如何，熔丝元件400的金属部分402将会是以一种紧密一致、平贴紧靠的关系来螺旋缠绕基底部分404。
[0032]参考图4a，复合熔丝元件400的金属部分402的上表面部分408可被设置为在基底部分404的上表面412上均匀间隔、对角定位的长条。参考图4b，金属部分402的下表面部分414可在基底部分404的下表面416上以类似上面部分408的方式设置。通过在上表面部分408和下表面部分414的侧边缘之间垂直延伸的侧边金属部分418，下表面部分414导电连接到上表面部分408。金属部分402由此形成具有基本类似于扁平螺旋带的导电路径，其沿着对应于基底部分404的侧边缘的线而有折痕。因此，当金属部分402的形状不与术语“螺旋”的严格定义一致时，术语“螺旋”和“螺旋的”在此将被定义为如图4a和4b所示的包围金属部分402的形状，以及所有传统的多螺旋线及基变形。
[0033]参考图4a和4b，可以在金属部分402的上表面部分408和下表面部分414中形成孔或洞410。洞410被示出为圆形并穿过上下表面408和414的大部分纵向宽度而延伸，但可以设想洞410的形状和尺寸能够变化而不脱离本申请公开内容。参考图4c和4d，洞410的形成产生了金属部分402中的薄弱处420，其比上下表面408和414的无孔区域明显地更窄。特别地，每个洞410产生两个相邻的薄弱处420，如图示。
[0034]由于金属部分402的薄弱处420相对较窄，在发生过电流情况时，它们比相对更宽的金属部分402的无孔部分更快地熔化或断开。因此，相比提供一整个无孔金属部分，熔丝元件400展现了更迅速的电路中断反应。示例性熔丝元件400的金属部分402的大致螺旋形状提供了总共五个上下表面部分408和412，以及由此而来的总共10个薄弱处420。当然，更多数量的线圈及对应的金属部分402的孔410将提供更多数量的薄弱处420。相应地，相比传统笔直的熔丝元件，螺旋金属部分402中多个薄弱处紧凑地设置在给定纵向长度的熔丝元件中有利于熔丝元件的构造。相比类似尺寸的传统熔丝元件，熔丝元件400由此可增加熔断器的中断能力。“中断能力”在此被定义为指能够被熔断器安全中断的最大电流。同时，如以上参考熔丝元件278的描述，熔丝元件400是抗电弧的，因为金属部分402与绝缘基底部分404处于连续紧密的接触。特别地，基底部分404在熔化或中断时桥接任何可以形成在金属部分402中的间隙，因此其用作电弧抑制器。
[0035]图5a_5d描绘了与本申请公开内容一致的一种制造熔断器400的示例性方法。在图5a中，提供绝缘基底500，例如其可用陶瓷材料、绝缘有机材料、柔性基底材料的平板料或如前所述其他任何适合的绝缘基底材料来制成。在图5b中，一系列穿孔部或槽502被形成在绝缘基底500中，其通过任何为本领域技术人员熟知的已知多种技术形成。槽502可沿所示平行的、纵向延伸的、侧向隔开的线形成。
[0036]图5c示出具有示例性平行四边形图案化金属部分504a形成在其上的基底500的上表面500a，其中每个金属部分504a具有穿过其中形成的孔。类似的，图5d示出具有示例性平行四边形图案化金属部分504b形成在其上的基底500的下表面500b，其中每个金属部分504b具有穿过其中形成的孔。图案化的金属部分504a和504b可通过丝网印刷、涂覆、气相沉积或其它用于在基底上形成和沉积涂层或层的已知技术而被制造和施用到基底500上。金属部分504a的侧边缘可与金属部分504b的侧边缘垂直对齐。
[0037]金属浆料506可以被沉积并且可基本填充每一个槽502。浆料506可使用任何合适的导电材料并可使用 任何合适的沉积技术沉积在槽502中。浆料506在基底500上表面500a的金属部分504a和基底500下表面500b的金属部分504b之间提供电连接，下文中将进一步描述。
[0038]优选的，金属端接部分507a和507b可被沉积在基底500下表面500b的纵向端部。端接部分507a和507b可用任何合适的导电材料和用上述讨论的任何层叠和/或沉积方法来制造并施用到基底500上。端接部分507a和507b可被沉积成直接或间接导电接触金属部分504a和504b，例如通过浆料506，来提供金属部分504a和504b与熔断器的端盖之间的电连接，下文中将进一步描述。
[0039]最后,基底500可被切分,例如通过沿着侧向平分每行衆料填充槽502的纵向延伸线来折断或切割基底500，以产生如图4a-4d和5e-5f所示的单个熔丝元件400。尽管未示出，可首先在基底500中形成划线并用作切分时的导引。
[0040]图5e和图5f示出基底500被切分之后熔丝元件400的上下透视图。如前面讨论的，沉积在槽502中的金属浆料506提供了熔丝元件400上下侧的金属部分504a和504b之间的电连接，由此产生了连续的、大致螺旋形的电性路径，其缠绕并紧密接触熔丝元件400的绝缘基底。槽502的尺寸和/或形状以及沉积在其中的金属浆料506的量可被调整以使得由浆料506产生的电性路径缩窄或扩张和/或为了切分工序而在单个熔丝元件400之间提供更宽或更窄的侧边余量。如前面讨论的，金属端接部分507a和507b位于底部熔丝元件400的纵向端以提供与熔断器的端盖之间的电连接。[0041]图6示出采用前述熔丝元件400的示例性熔断器的侧面截图，其中熔丝元件400被放置在管状的熔断体574中。熔断器270包括套在熔断体574的相对纵向端上的导电端盖572a和572b，例如通过挤压或其他紧固接合方式形成。端盖572a和572b可由任何合适的导电材料整体或部分的形成，导电材料包括但不限于，可以涂覆或不涂覆有锡或银的铜或黄铜。熔断体574可由任何合适的绝缘材料形成，包括但不限于，玻璃、陶瓷、塑料和各种复合制料，以及可具有任何合适的横截面形状，例如圆形、矩形、三角形或不规则形状。端盖572a和572b的横截面尺寸和形状可基本匹配熔断体574的横截面尺寸和形状，以便于相互之间的匹配接合。熔断体574可选择以空气、惰性气体、各种粉未化或颗粒绝缘材料填充或可进行真空密封。
[0042]复合熔丝元件400可在端盖572a和572b之间延伸，并且填角焊料555a可电连接熔丝元件400的端接部分507a到端盖572a。类似地，填角焊料555b可电连接熔丝元件400的端接部分507b到端盖572b。
[0043]在此使用的，单独列举或与词语“一个”(“a”或“an”)一起使用的一个元件或步骤应被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确指出这种排除。进一步，涉及本发明的“一个实施例”并非为了解释为排除其他同样并入引用特征的实施例的存在。
[0044] 当本申请公开内容的某些实施例在此被描述时，并非为了限制本发明，而是为了本申请公开内容有本领域将允许的尽量宽的范围并且说明书也同样如此解读。因此，上述说明不应当被解释为限制，而仅仅作为特定实施例的示范。本领域的技术人员将在此附加的权利要求的范围和精神内展望其它的修改。
【权利要求】
1.一种熔断器，包括: 限定中央腔体的中空熔断体； 放置在所述腔体中且包括绝缘基底部分和放置在所述绝缘基底部分的至少一个表面上的导电金属部分的熔丝元件；以及 连接到金属部分第一端的第一端盖和连接到金属部分第二端的第二端盖。
2.如权利要求1所述的熔断器，其中金属部分与所述基底部分处于连续、紧密的接触。
3.如权利要求1所述的熔断器，进一步包括形成在金属部分中的至少一个切口。
4.如权利要求3所述的熔断器，其中所述至少一个切口是半圆形的形状。
5.如权利要求3所述的熔断器，其中所述至少一个切口是矩形的形状。
6.如权利要求1所述的熔断器，进一步包括形成在金属部分中的至少一个孔洞。
7.如权利要求1所述的熔断元件，其中金属部分具有至少一个薄弱处，该薄弱处配置为当发生过电流情况时比金属部分的其它部分更快地分离。
8.如权利要求1所述的熔断器，其中腔体至少部分地填充有绝缘填充材料。
9.如权利要求1所述的熔断器，其中金属部分具有螺旋形状并且至少部分地围绕基底部分。
10.如权利要求1所述的熔断器，其中基底部分具有圆形的横截面。
11.如权利要求1所述的熔断器，其中基底部分具有矩形的横截面。
12.如权利要求1所述的熔断器，其中基底部分是管状的。
13.—种熔丝元件,包括: 绝缘基底部分；以及 具有螺旋形状的导电金属部分； 其中金属部分至少部分围绕基底部分并且与基底部分处于连续、紧密的接触。
14.如权利要求13所述的熔丝元件，进一步包括形成在金属部分中的至少一个孔洞。
15.如权利要求13所述的熔丝元件，其中金属部分具有至少一个薄弱处，该薄弱处配置为当发生过电流情况时比金属部分的其它部分更快地分离。
16.如权利要求13所述的熔丝元件，其中基底部分具有圆形的横截面。
17.如权利要求13所述的熔丝元件，其中基底部分具有矩形的横截面。
18.如权利要求13所述的熔丝元件，其中基底部分是管状的。
19.一种制造熔丝元件的方法，包括: 提供绝缘基底部分；以及 施用金属部分到基底部分的至少一个表面，其中金属部分提供从基底部分的第一端到基底部分的第二端的导电路径。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括在金属部分中形成至少一个切口。
21.如权利要求19所述的方法，进一步包括在金属部分中形成至少一个孔洞。
22.如权利要求19所述的方法，进一步包括在金属部分中形成至少一个薄弱处，该薄弱处配置为当发生过电流情况时比金属部分的其它部分更快地分离。
23.如权利要求19所述的方法，其中施用金属部分到基底部分的步骤包括将金属部分设置在至少部分围绕基底部分的螺旋结构中。
24.如权利要求19所述的方法，进一步包括施用导电端接部分到基底部分表面的相对端，其中端接部分与金属部分保持接触。
25.—种制造熔丝元件的方法，包括: 提供绝缘基底； 在基底中形成穿孔行，其中所述行沿平行的、侧向隔开的线延伸； 在基底的相对的主表面上形成图案化的导电金属部分，其中每个金属部分延伸到至少一个穿孔； 在每个穿孔中沉积导电浆料，其中浆料与至少一个金属部分保持接触；以及 沿横向平分每个穿孔行的线来切分基底； 其中金属部分和浆料沉积限定螺旋的导电路径，该导电路径至少部分地环绕每个切分出的基底部分并与每个切分出的基底部分处于连续、紧密的接触。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括施用导电端接部分到基底表面的相对端，其中端接部分与金属部分保持接触。
27.如权利要求25所述的方法，进一步包括在金属部分中形成至少一个切口。
28.如权利要求25所述的方法，进一步包括在金属部分中形成至少一个孔洞。
29.如权利要求25所述的方法，进一步包括在金属部分中形成至少一个薄弱处，该薄弱处配置为当发生过电流情况时比金属部分的其它部分更快地分离。
【文档编号】H01H85/044GK104025242SQ201280048993
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年10月19日 优先权日:2011年10月19日
【发明者】B·郑, S·刘, M·阿西阿加, A·米内维尼 申请人:保险丝公司