DE60112410T2

DE60112410T2 - Mit einer varistorscheibe versehbare vorrichtung zum überspannungsschutz

Info

Publication number: DE60112410T2
Application number: DE60112410T
Authority: DE
Inventors: Paul Ian ATKINS; Michael Robert BALLANCE; Conrad Jonathan CORNELIUS; I. Sherif KAMEL; Anthony John KIZIS; Benton Clyde MABRY
Original assignee: Raycap SA
Current assignee: Raycap SA
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: EP1261977A1; MXPA02008744A; IL151404A; AR028235A1; RU2002123292A; RU2256971C2; IL151404A0; MY138982A; AU4335001A; BR0109058A; TR200202113T2; CN1307657C; CA2400579C; BRPI0109058B1; KR100747919B1; NO20024261D0; TWI259636B; CA2400579A1; ATE301330T1; ES2245979T3

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf Spannungssicherungsvorrichtungen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Vorrichtungen für den Gebrauch mit einem Wafer aus Varistor-Material, um einen Überspannungsschutz bereitzustellen.
An Hausanschlussleitungen, die an Wohnhäuser und kommerzielle und institutionelle Einrichtungen Strom übertragen, wird häufig eine übermäßige Spannung angelegt. Eine derartige übermäßige Spannung oder derartige Spannungsspitzen können beispielsweise das Ergebnis von Blitzen sein. Die Spannungsstöße sind bei Telekommunikationsverteilungszentren, Krankenhäusern und anderen Einrichtungen von besonderer Bedeutung, wo eine Beschädigung der Einrichtung, die durch Spannungsstöße verursacht wird und zu Ausfallzeiten führt, sehr teuer sein kann.
Typischerweise werden ein Varistor oder mehrere Varistoren (das heißt, spannungsabhängige Widerstände) verwendet, um eine Einrichtung gegen Spannungsstöße zu schützen. Im Allgemeinen ist der Varistor direkt über einen AC-Eingang und parallel mit der Schutzschaltung verbunden. Der Varistor hat eine derartige charakteristische Klemmspannung, dass er, weil er auf einen Spannungsanstieg über eine vorgeschriebene Spannung hinaus anspricht, eine Zweigleitung mit geringem Widerstand für den Überspannungsstrom bildet, welche die Spannung für eine Beschädigung an den empfindlichen Bauteilen verringert. Typischerweise kann in der Schutzschaltung eine Leitungssicherung vorgesehen sein, und diese Leitungssicherung kann durch den im Wesentlichen Kurzschluss, der durch die Zweigleitung verursacht wird, durchbrennen oder geschwächt werden.
Varistoren wurden gemäß verschiedener Ausführungen für unterschiedliche Anwendungen hergestellt. Für Hochleistungsanwendungen (zum Beispiel einer Stoßstromeignung in dem Bereich von ungefähr 60 bis 100 kA), wie zum Beispiel der Sicherung von Telekommunikationseinrichtungen, werden gewöhnlich Blockvaristoren verwendet. Ein Blockvaristor weist typischerweise ein scheibenförmiges Varistor-Element auf, das in einem Kunststoffgehäuse eingekapselt ist. Die Varistor-Scheibe wird durch Pressgießen eines Metalloxidmaterials, wie zum Beispiel Zinkoxid, oder eines anderen geeigneten Materials, wie zum Beispiel Siliziumkarbid, ausgeformt. Auf die gegenüberliegenden Oberflächen der Scheibe wird Kupfer oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material flammgespritzt. An den beschichteten gegenüberliegenden Oberflächen werden ringförmige Elektroden befestigt, und die Scheiben- und Elektrodenanordnung wird in dem Kunststoffgehäuse untergebracht. Beispiele für derartige Blockvaristoren sind in dem Produkt Nr. SIOV-B860K250, das von der Siemens Matsushita Components GmbH & Co. KG erhältlich ist, und in dem Produkt Nr. V271BA60, das von der Harris Corporation erhältlich ist, enthalten.
Die US 4015228 sieht eine Stoßabsorptionsvorrichtung vor, die einen Metalloxid-Varistor, der durch obere und untere elektrische Anschlüsse in einem hohlen Isolator eingeschlossen ist, und eine Leitstange, die sich nach unten erstreckt und mit dem unteren Anschluss elektrisch und mit dem Varistor thermisch verbunden ist, aufweist.
Eine andere Varistor-Ausgestaltung weist eine Hochenergie-Varistor-Scheibe auf, die in einem Scheibendiodengehäuse untergebracht ist. Das Diodengehäuse hat gegenüberliegende Elektrodenplatten, und zwischen diesen ist die Varistor-Scheibe angeordnet. Eine oder beide der E lektroden weist beziehungsweise weisen ein Federbauteil auf, das zwischen der Elektrodenplatte und der Varistor-Scheibe angeordnet ist, um die Varistor-Scheibe ortsfest zu halten. Das Federbauteil oder die Federbauteile schafft beziehungsweise schaffen nur einen relativ kleinen Kontaktbereich mit der Varistor-Scheibe.
Die oben beschriebenen Varistor-Aufbauten sind oft im Betrieb unzulänglich. Oftmals überhitzen die Varistoren und fangen Feuer. Das Überhitzen kann bewirken, dass sich die Elektroden von der Varistor-Scheibe lösen, wodurch ein Elektrodenüberschlag und ferner Feuergefahr verursacht werden. Es kann die Tendenz dazu bestehen, dass bei der Varistor-Scheibe eine Luftbläschenbildung auftritt, was wiederum bewirkt, dass der Varistor außerhalb seines spezifischen Bereichs funktioniert. Bei Hochstromimpulsen können Varistor-Scheiben aus dem Stand der Technik auf Grund des Piezoeffekts reißen, wodurch die Leistung verschlechtert wird. Ein Ausfallen von derartigen Varistoren hat zu neuen Regierungsvorschriften für Minimumsleistungsangaben geführt. Hersteller von Varistoren stellten fest, dass diese neuen Vorschriften schwer einzuhalten sind.
Es ist Aufgabe der Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung, die oben erwähnten Probleme wenigstens teilweise zu verringern.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der gegenwärtigen Erfindung ist eine Vorrichtung für den Gebrauch mit einem Varistor-Wafer vorgesehen, der erste und zweite gegenüberliegende, im Wesentlichen ebene Waferoberflächen aufweist, um einen Überspannungsschutz bereitzustellen, wobei die Vorrichtung das Folgende umfasst:

a) ein Gehäuse, das einen Hohlraum darin bildet und eine Öffnung hat, die mit dem Hohlraum in Verbindung steht, wobei das Gehäuse das Folgende umfasst: eine Seitenwand; und eine Bodenwand mit einer ersten im Wesentlichen ebenen elektrischen Kontaktfläche und einer daran angrenzenden vertieften Oberfläche, wobei die erste elektrische Kontaktfläche eine relativ zu der vertieften Oberfläche erhöhte Plattform bildet; und
b) ein Elektrodenbauteil mit einer zweiten im Wesentlichen ebenen elektrischen Kontaktfläche, die der ersten Kontaktfläche zugewandt und in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei sich ein Teil der Elektrode aus dem Hohlraum und durch die Öffnung erstreckt;
c) worin das Gehäuse und das Elektrodenbauteil relativ zueinander angeordnet und konfiguriert werden können, um einen Wafer in dem Hohlraum aufzunehmen, so dass der Wafer zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche positioniert wäre, wobei die erste und die zweite elektrische Kontaktfläche mit der ersten beziehungsweise der zweiten Waferoberfläche in Eingriff stehen, und dass der Wafer nicht mit der vertieften Oberfläche in Eingriff stehen würde.

Vorzugsweise umgibt die vertiefte Oberfläche im Wesentlichen vollständig die zweite elektrische Kontaktfläche.
Üblicherweise weist die Vorrichtung ferner den Varistor-Wafer auf, der in dem Gehäuse zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche angeordnet ist.
Vorteilhafterweise beinhaltet das Elektrodenbauteil einen Schaft, der sich aus dem Hohlraum und durch die Öffnung erstreckt, wobei der Schaft eine darin gebildete Umfangsschaftnut hat, und wobei die Vorrichtung weiter das Folgende beinhaltet:

a) ein zwischen der zweiten elektrischen Kontaktfläche und der Öffnung angeordnetes Verschlussglied, wobei das Verschlussglied ein darin gebildetes Loch hat; und
b) einen in der Schaftnut angeordneten elastischen O-Ring;
c) worin sich der Schaft durch die Öffnung erstreckt, der O-Ring in dem Loch angeordnet ist und so positioniert ist, dass er für eine Dichtung zwischen dem Schaft und dem Verschlussglied sorgt.

Der O-Ring ist vorzugsweise zusammengedrückt.
Üblicherweise ist der O-Ring aus einem Elastomermaterial geformt.
Vorteilhafterweise beinhaltet das Verschlussglied ein elektrisch isolierendes Glied.
Vorzugsweise umfasst das Verschlussglied eine Endkappe.
Üblicherweise weist die Vorrichtung ferner das Folgende auf:

a) ein zwischen der zweiten elektrischen Kontaktfläche und der Öffnung angeordnetes Verschlussglied, wobei das Verschlussglied eine darin gebildete Umfangsnut hat; und
b) einen in der Umfangsnut angeordneten elastischen O-Ring;
c) worin der O-Ring so positioniert ist, dass er für eine Dichtung zwischen dem Verschlussglied und der Seitenwand des Gehäuses sorgt.

Vorteilhafterweise umfasst das Verschlussglied ein elektrisch isolierendes Glied.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Endkappe, die in der an das Isolierglied angrenzenden Öffnung positioniert ist und mit dem O-Ring in Eingriff steht.
Üblicherweise weist die Nut eine sich radial erstreckende Wand und eine sich axial erstreckende Wand auf, und der O-Ring steht mit der sich radial erstreckenden Wand, mit der sich axial erstreckenden Wand, mit der Seitenwand und mit der Endkappe in Eingriff.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung ferner das Folgende auf:

a) eine in der Öffnung positionierte Endkappe; und
b) einen Clip, der so positioniert ist, dass er die Verschiebung zwischen der Endkappe und dem Gehäuse begrenzt, worin der Clip eine gestutzte Ringform hat und das Folgende aufweist: ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte; eine in jeden der einander gegenüberliegenden Endabschnitte gebildete Öffnung; und in jeder der Öffnungen angeordnetes Füllmaterial.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner das Folgende auf:

a) eine in der Öffnung positionierte Endkappe; und
b) einen Clip, der so positioniert ist, dass er die Verschiebung zwischen der Endkappe und dem Gehäuse begrenzt, worin der Clip eine gestutzte Ringform hat und das Folgende umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte; und ein Paar offener Aussparungen, wobei jede der offenen Aussparungen in einem jeweiligen der einander gegenüberliegenden Endabschnitte gebildet ist und dem anderen der einander gegenüberliegenden Endabschnitte im Allgemeinen zugewandt ist.

Üblicherweise weist die Vorrichtung ferner das Folgende auf:

a) eine in der Öffnung positionierte Endkappe; und
b) einen Clip, der so positioniert ist, dass er die Verschiebung zwischen der Endkappe und dem Gehäuse begrenzt, wobei der Clip eine gestutzte Ringform und ein Paar einander gegenüberliegender Endab schnitte hat, worin die beiden gegenüberliegenden Endabschnitte jeweils frei von Öffnungen sind.

Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung ferner das Folgende auf:

a) eine erste und eine zweite Belleville-Scheibe, welche die wenigstens eine der ersten und zweiten Kontaktflächen zu der anderen hin drücken, wobei jede der Scheiben entlang einer ihrer Achsen verjüngt ist;
b) wobei die ersten und zweiten Belleville-Scheiben axial miteinander fluchten und entgegengesetzt ausgerichtet sind.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der gegenwärtigen Erfindung, welcher durch die Merkmale von Anspruch 22 definiert ist, ist ein Verfahren zum Installieren eines gestutzten ringförmigen Clips in einem Gehäuse vorgesehen, wobei der Clip ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte mit jeweils einer darin gebildeten Öffnung hat, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Zusammendrücken des Clips unter Verwendung der Öffnungen;
Positionieren des Clips relativ zu dem Gehäuse;
Freigeben des Clips, damit der Clip mit dem Gehäuse in Eingriff stehen kann; und
anschließendes Abtrennen der Endabschnitte des Clips.
Vorzugsweise weist der Abtrennschritt ein vollständiges Entfernen der Öffnungen auf.
Üblicherweise beinhaltet der Abtrennschritt das Abtrennen durch die Öffnungen, so dass Teile der Öffnungen zurückbleiben.
Für einen Fachmann werden Aufgaben der gegenwärtigen Erfindung bewusst, wenn er die Figuren und die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen liest, wobei die Beschreibung für die gegenwärtige Erfindung nur zur Veranschaulichung dient.
Die beigefügte Zeichnung, die einen Teil der Beschreibung bildet, stellen Schlüsselausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung dar. Die Zeichnung und die Beschreibung dienen gemeinsam der vollständigen Erklärung der Erfindung. In der Zeichnung zeigen die 1 bis 11 Vorrichtungen, die nicht erfindungsgemäß sind, wobei
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Varistor-Vorrichtung ist;
2 eine perspektivische Draufsicht der Varistor-Vorrichtung von 1 ist;
3 eine Querschnittsansicht der Varistor-Vorrichtung von 1 entlang der Linie 3-3 von 2 ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Varistor-Wafers ist;
5 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Varistor-Vorrichtung ist;
6 eine perspektivische Draufsicht der Varistor-Vorrichtung von 5 ist;
7 eine perspektivische Unteransicht der Varistor-Vorrichtung von 5 ist;
8 eine Ansicht der Varistor-Vorrichtung von 5 ist, in welcher die Varistor-Vorrichtung in einem Wohnungsstromanschlusskasten angeordnet ist;
9 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Varistor-Vorrichtung ist;
10 eine perspektivische Draufsicht der Varistor-Vorrichtung von 9 ist;
11 eine Querschnittsansicht der Varistor-Vorrichtung von 9 entlang der Linie 11-11 von 10 ist;
12 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Vorrichtung gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist;
13 eine Mittenquerschnittsansicht der Vorrichtung von 11 ist, worin die Varistor-Vorrichtung in einer entspannten, teilweise zusammengebauten Position ist;
14 eine Mittenquerschnittsansicht der Vorrichtung von 12 in einer belasteten, vollständig zusammengebauten Position ist;
15 eine perspektivische Draufsicht eines Isolatorrings der Vorrichtung von 12 ist;
16 eine Seitenansicht des Isolatorrings von 15 ist;
17 eine Draufsicht des Isolatorrings von 15 ist;
18 eine perspektivische Draufsicht einer Elektrode der Vorrichtung von 12 ist;
19 eine Mittenquerschnittsansicht eines Gehäuses der Vorrichtung von 12 ist;
20 eine unvollständige Teilquerschnittsansicht der Vorrichtung von 12 ist, die einen ersten Ring davon zeigt;
21 eine unvollständige Teilquerschnittsansicht der Vorrichtung von 12 ist, die einen zweiten O-Ring davon zeigt;
22 eine perspektivische Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist;
23 eine perspektivische Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist; und
24 eine perspektivische Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist.
Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in welcher Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, wird nachfolgend die gegenwärtige Erfindung ausführlicher beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgestaltet sein und sollte nicht so aufgefasst werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen eingeschränkt ist. Die Grundgedanken der Erfindung sind durch die beigefügten Ansprüche definiert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchwegs die gleichen Bauteile. Die Ausdrücke "nach oben", "nach unten", "vertikal", "horizontal" und ähnliches werden hier nur zum Zwecke der Erläuterung verwendet.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ist eine Überspannungsschutzvorrichtung gezeigt und mit 100 bezeichnet. Die Vorrichtung 100 weist ein im Allgemeinen zylindrisches Gehäuse 120 auf. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Aluminium ausgeformt. Es kann jedoch jedes geeignete leitfähige Material verwendet werden. Das Gehäuse hat eine Mittenwand 122 (siehe 3), zylindrische Wandungen 124, die sich von der Mittenwand in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, und eine Gehäuseelektrodenlasche 129, die sich von den Wänden 124 nach Außen erstreckt. Das Gehäuse ist vorzugsweise einheitlich und axial symmetrisch, wie dargestellt ist. Die zylindrischen Wände 124 und die Mittenwand 122 bilden an jeder Seite der Mittenwand Hohlräume 121, wobei jeder Hohlraum mit einer jeweiligen Öffnung 126 in Verbindung steht.
In jedem der Hohlräume 121 ist eine kolbenförmige Elektrode 130 angeordnet. Durch die jeweiligen Öffnungen 126 erstrecken sich Schäfte 134 der Elektroden 130 nach Außen. Die Elektroden 130 sind vorzugsweise aus Aluminium ausgeformt. Es kann jedoch jedes geeignete leitfähige Material verwendet werden. Darüber Hinaus und wie im Folgenden genauer erläutert, sind in jedem Hohlraum 121 ein Varistor-Wafer 110, Federscheiben 140, ein Isolatorring 150 und eine Endkappe 160 angeordnet.
Im Gebrauch kann die Vorrichtung 100 beispielsweise über einen AC- oder DC-Eingang direkt in einem Wohnungsstromanschlusskasten verbunden sein. Wohnungsanschlussleitungen sind mit den Elektrodenschäften 134 und der Ge häuseelektrodenlasche 129 direkt oder indirekt derart verbunden, dass durch die Elektroden 130, die Varistor-Wafer 110, die Gehäusemittenwand 122 und die Gehäuseelektrodenlasche 129 ein Weg für eine elektrische Strömung geschaffen wird. Ohne Überspannungszustand stellen die Varistor-Wafer 110 hohe Widerstände bereit, so dass durch die Vorrichtung 100 kein Strom fließt, wie es elektrisch als Freileitung auftritt. Beim Auftreten eines Überspannungszustandes (in Bezug auf die ausgelegte Spannung der Vorrichtung) verringern sich die Widerstände der Varistor-Wafer rapide, wodurch der Strom durch die Vorrichtung 100 fließen kann und wodurch ein Umleitungsweg für den Stromfluss erzeugt wird, um andere Bauteile eines zugehörigen elektrischen Systems zu schützen. Die allgemeine Verwendung und Anwendung von Überspannungsschutzvorrichtungen, wie zum Beispiel Varistoren, ist einem Fachmann wohl bekannt und wird hier demgemäß nicht weiter näher erläutert.
Wie aus den Figuren erkannt wird, ist die Vorrichtung 100 axial symmetrisch, wobei die oberen und unteren Hälften der Vorrichtung 100 auf die gleiche Art und Weise hergestellt sind. Demgemäß wird die Vorrichtung 100 im Folgenden nur in Bezug auf den oberen Bereich beschrieben, wobei es selbstverständlich ist, dass eine derartige Beschreibung genauso für den unteren Bereich gilt.
Es wird nun auf den Aufbau der Vorrichtung 100 genauer eingegangen. Die Elektrode 130 hat einen Kopf 132 und einen integral ausgeformten Schaft 134. Wie am Besten aus 3 ersichtlich ist, hat der Kopf 132 eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche 132A, die einer im Wesentlichen ebenen Kontaktfläche 122A der Gehäusemittenwand 122 zugewandt ist. Der Varistor-Wafer 110 ist zwischen den Kontaktflächen 122 und 132 angeordnet. Wie im Folgenden erörtert wird, sind der Kopf 132 und die Mittenwand 122 mechanisch gegen den Varistor-Wafer 110 gespannt, um zwischen den Flächen 112 und 132A und zwischen den Flächen 114 und 122A einen festen und gleichförmigen Eingriff sicherzustellen. In dem Ende des Schafts 134 ist eine Gewindebohrung 136 zur Aufnahme eines Bolzens ausgeformt, um eine Schiene oder einen anderen elektrischen Verbinder an der Elektrode 130 zu befestigen.
Unter Bezugnahme auf 4 hat der Varistor-Wafer 110 eine erste, im Wesentlichen ebene Kontaktfläche 112 und eine zweite, gegenüberliegende, im Wesentlichen ebene Kontaktfläche 114. Der Ausdruck "Wafer", so wie er hier verwendet wird, hat die Bedeutung eines Substrats, das eine Dicke aufweist, die im Vergleich zu seinem Durchmesser, seiner Länge oder seiner Breitenabmessung relativ gering ist. Der Varistor-Wafer 110 ist vorzugsweise scheibenförmig. Der Varistor-Wafer kann jedoch auch andere Formen haben. Die Dicke T und der Durchmesser D des Varistors 110 hängen von den Varistor-Eigenschaften ab, die für die spezielle Anwendung erwünscht sind. Vorzugsweise und wie dargestellt, beinhaltet der Varistor-Wafer 110 einen Wafer 111 aus einem Varistor-Material, das an jeder Seite mit einer leitfähigen Beschichtung 112A, 114A versehen ist, so dass die freigelegten Flächen der Beschichtungen 112A und 114A als Kontaktflächen 112 und 114 dienen. Vorzugsweise sind die Beschichtungen 112A, 114A aus Aluminium, Kupfer oder Lot ausgeformt.
Das Varistor-Material kann jedes geeignete Material, das herkömmlicherweise für Varistoren verwendet wird, sein, genauer gesagt, ein Material, das mit angelegter Spannung die Eigenschaft eines nichtlinearen Widerstands aufweist. Vorzugsweise wird der Widerstand sehr niedrig, wenn eine vorgeschriebene Spannung überschritten wird. Das Varistor-Material kann beispielsweise ein dotiertes Metalloxid oder Siliziumkarbid sein. Geeignete Metalloxide beinhalten Zinkoxidbestandteile.
Der Wafer 111 aus Varistor-Material wird vorzugsweise dadurch ausgeformt, dass erst eine Stange oder ein (nicht gezeigter) Block aus dem Varistor-Material ausgeformt wird, und dass anschließend der Wafer 111 von der Stange in dünnen Lagen abgeschnitten wird, wobei ein Diamantschneider oder eine andere geeignete Vorrichtung verwendet wird. Die Stange kann dadurch ausgeformt werden, dass eine Stange aus dem Varistor-Material stranggepresst oder gegossen wird, und dass anschließend die Stange mit hoher Temperatur in einer sauerstoffangereicherten Umgebung gesintert wird. Dieses Herstellungsverfahren gestattet es, dass ein Wafer mit ebeneren Flächen und weniger Verformungen oder Profilschwankungen hergestellt wird, als typischerweise erzielt werden würde, wenn ein Gießverfahren verwendet wird. Die Beschichtungen 112A, 114A sind vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgeformt und können an die gegenüberliegenden Seiten des Wafers 111 flammgespritzt werden.
Während die in 1 gezeigte Vorrichtung 100 zwei Federscheiben 140 aufweist, können mehr oder weniger verwendet werden. Jede Federscheibe 140 weist ein Loch 142 auf, welches den Schaft 134 der Elektrode 130 aufnimmt. Jede Federscheibe 140 umgibt einen Bereich des Schafts 134, der unmittelbar an den Kopf 132 angrenzt, und sie gelangt mit der Rückfläche des Kopfs 132 oder der vorhergehenden Federscheibe 140 in Anlage. Jedes Loch 142 hat vorzugsweise einen Durchmesser, der zwischen ungefähr 0,308 und 0,381 mm (0,012 und 0,015) Inch größer ist als der entsprechende Durchmesser der Welle 134. Die Federscheiben 140 sind vorzugsweise aus einem elastischen Material hergestellt, und die Federscheiben 140 sind vor zugsweise Belleville-Scheiben, die aus Federstahl ausgeformt sind.
Der Isolatorring 150 liegt über der äußersten Federscheibe 140 und gelangt mit dieser in Anlage. Der Isolatorring 150 hat ein ausgeformtes Loch 152, welches den Schaft 134 aufnimmt. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Lochs 152 zwischen ungefähr 0,127 und 0,1778 mm (0,005 und 0,007 Inch) größer als der entsprechende Durchmesser der Welle 134. Der Isolatorring 150 ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeformt, das hohe Schmelz- und Verbrennungstemperaturen hat. Es ist besonders bevorzugt, dass der Isolatorring 150 aus Polykarbonat, Keramik oder einem Hochtemperaturpolymer ausgeformt ist.
Die Endkappe 160 liegt über dem Isolatorring 150 und gelangt mit diesem in Anlage. Die Endkappe 160 hat ein Loch 162, das den Schaft 134 aufnimmt. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Lochs 162 zwischen ungefähr 1,27 und 1,2827 cm (0,500 und 0,505 Inch) größer als der entsprechende Durchmesser des Schafts 134, um einen ausreichenden Zwischenraum 165 zu schaffen (siehe 2), damit bei Nichtüberspannungszuständen zwischen der Endkappe 160 und dem Elektrodenschaft 134 ein Elektrodenüberschlag vermieden wird. Gewinde 168 an der Umfangswand der Endkappe 160 stehen mit Gegengewinden 128, die in dem Gehäuse 120 ausgeformt sind, in Eingriff. In der Endkappe sind Löcher 163 zur Aufnahme eines (nicht gezeigten) Werkzeugs ausgeformt, um die Endkappe 160 in Bezug auf das Gehäuse 120 zu drehen. Anstelle der Löcher 163 oder zusätzlich zu diesen können andere Einrichtungen zur Aufnahme eines Werkzeugs, beispielsweise ein sechseckiger Schlitz, vorgesehen sein. Die Endkappe 160 hat einen ringförmigen Rand 167, der in dem Innendurchmesser des Gehäuses 120 aufgenommen ist. Das Gehäuse 120 beinhaltet eine Rand 127, um eine übermäßige Einführung der Endkappe 150 zu verhindern. Die Endkappe ist vorzugsweise aus Aluminium ausgeformt.
Wie oben angemerkt und in 3 am Besten ersichtlich ist, sind der Elektrodenkopf 132 und die Mittenwand 122 gegen den Varistor-Wafer 110 gespannt, um zwischen den Flächen 112 und 132A und zwischen den Flächen 114 und 122A einen festen und gleichförmigen Eingriff sicherzustellen. Diesen Gesichtspunkt der Vorrichtung 100 kann man zu schätzen wissen, wenn ein Verfahren gemäß der gegenwärtigen Erfindung zum Zusammenbauen der Vorrichtung 100 in Erwägung gezogen wird. Der Varistor-Wafer 100 wird in dem Hohlraum 121 derart angeordnet, dass die Wafer-Fläche 114 mit der Kontaktfläche 122A in Eingriff steht. Die Elektrode 130 wird in den Hohlraum 121 derart eingeführt, dass die Kontaktfläche 132A mit der Varistor-Wafer-Fläche 112 in Eingriff steht. Die Federscheiben 140 werden entlang dem Schaft 134 nach unten verschoben und über dem Kopf 132 angeordnet. Der Isolatorring 150 wird entlang dem Schaft 134 nach unter verschoben und über der äußersten Federscheibe 140 angeordnet. Die Endkappe 160 wird entlang dem Schaft 134 nach unten verschoben und in die Öffnung 126 eingeschraubt, indem die Gewinde 168 mit den Gewinden 128 in Eingriff gebracht und gedreht werden.
Wenn die Vorrichtung 100 einmal zusammengebaut worden ist, wie es eben beschrieben wurde, wird die Endkappe 160 selektiv gedreht, um den Isolatorring 150 nach unten zu drücken, so dass er die Federscheiben 140 teilweise durchbiegt. Die Belastung der Endkappe 160 auf den Isolatorring 150 und von dem Isolatorring auf die Federscheiben 140 wird wiederum auf den Kopf 132 übertragen. Auf diese Art und Weise wird der Varistor-Wafer 110 zwischen dem Kopf 132 und der Mittenwand 132 angeordnet (eingeklemmt).
Die Vorrichtung 100 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die gewünschte Belastung dann erzielt wird, wenn die Federscheiben 150 nur teilweise durchgebogen werden, und vorzugsweise dann, wenn die Federscheiben zu fünfzig Prozent (50%) durchgebogen werden. Auf diese Art und Weise können Schwankungen bei den Herstellungstoleranzen der anderen Bauteile der Vorrichtung 100 angepasst werden.
Der Betrag des auf die Endkappe 160 aufgebrachten Drehmoments wird von dem Sollbetrag der Belastung zwischen dem Varistor-Wafer 110 und dem Kopf 132 und der Mittenwand 122 abhängen. Vorzugsweise beträgt der Betrag der Belastung des Kopfs und der Mittenwand gegen den Varistor-Wafer wenigstens 119,7 kg (264 lbs). Stärker bevorzugt liegt die Belastung zwischen ungefähr 239,5 und 479 kg (528 und 1056 lbs). Vorzugsweise haben die Beschichtungen 112A und 114A ein rauhes Anfangsprofil, und die Druckkraft der Belastung verformt die Beschichtungen, um kontinuierlichere Eingriffe zwischen den Beschichtungen und den Kontaktflächen 122A und 132A zu schaffen.
Als Alternative oder zusätzlich kann der Sollbelastungsbetrag dadurch erzielt werden, dass eine geeignete Anzahl und/oder geeignete Abmessungen von Federscheiben 140 ausgewählt werden. Jede der Federscheiben erfordert einen vorgeschriebenen Belastungsbetrag, um bis zu einem vorgeschriebenen Betrag durchgebogen zu werden, und die Gesamtbelastung ist die Summe aus den Federdurchbiegungsbelastungen.
Der Bereich des in Eingriff Stehens zwischen der Kontaktfläche 132A und der Varistor-Wafer-Fläche 112 beträgt vorzugsweise wenigstens 3,7 Quadratzentimeter (1,46 Quadratinch). Ebenso beträgt der Bereich des in Eingriff Stehens zwischen der Kontaktfläche 122A und der Varistor-Wafer-Fläche 114 vorzugsweise wenigstens 3,7 Quadratzentimeter (1,46 Quadratinch). Vorzugsweise hat der Elektrodenkopf 132 eine Dicke H von wenigstens 1,27 cm (0,50 Inch). Die Mittenwand 122 hat vorzugsweise eine Dicke W von wenigsten 0,635 cm (0,25 Inch).
Die zusammengefasste thermisch wirksame Masse des Gehäuses 120 und der Elektrode 130 sollte im Wesentlichen größer sein als die thermisch wirksame Masse des Varistor-Wafers 110. Der Ausdruck "thermisch wirksame Masse", wie er hier verwendet wird, bedeutet das Produkt aus der spezifischen Wärme des Materials oder der Materialien des Gegenstandes (wie zum Beispiel dem Varistor-Wafer 110) multipliziert mit der Masse oder den Massen des Materials oder der Materialien des Gegenstands. Das heißt, die thermisch wirksame Masse ist die Energiemenge, die notwendig ist, um ein Gramm des Materials oder der Materialien des Gegenstands um ein Grad Celsius mal der Masse oder Massen des Materials oder der Materialien in dem Gegenstand zu erhöhen. vorzugsweise sind die thermisch wirksamen Massen von sowohl dem Elektrodenkopf 132 als auch der Mittenwand 122 im Wesentlichen größer als die thermisch wirksame Masse des Varistor-Wafers 110. Vorzugsweise sind die thermisch wirksamen Massen von sowohl dem Elektrodenkopf 132 als auch der Mittenwand 122 im Wesentlichen zwei (2) mal die thermisch wirksame Masse des Varistor-Wafers 110, und stärker bevorzugt wenigstens zehn (10) mal so groß.
Die Überspannungsschutzvorrichtung 100 schafft eine Anzahl von Vorteilen, um extreme und wiederholte Überspannungszustände sicher, dauerhaft und gleichbleibend handzuhaben. Die relativ großen thermisch wirksamen Massen des Gehäuses 120 und der Elektrode 130 dienen dazu, um einen relativ großen Wärmebetrag von dem Varistor- Wafer 100 zu absorbieren, wodurch eine wärmeinduzierte Zerstörung oder Verschlechterung des Varistor-Wafers, sowie jede Neigung des Varistor-Wafers, Funken oder Flammen zu erzeugen, verringert werden. Die relativ großen thermisch wirksamen Massen und die beträchtlichen Kontaktflächen zwischen der Elektrode und dem Gehäuse und dem Varistor-Wafer schaffen in dem Varistor-Wafer eine gleichförmigere Temperaturverteilung, wodurch überhitzte Stellen und eine resultierende lokale Verarmung des Varistor-Materials minimiert werden.
Die Belastung der Elektrode und des Gehäuses gegen den Varistor-Wafer sowie die relativ großen Kontaktbereiche schaffen durch den Varistor-Wafer 10 eine gleichmäßigere Stromverteilung. Als ein Ergebnis hieraus spricht die Vorrichtung 100 auf Überspannungszustände effizienter und besser vorhersagbar an, und es ist wahrscheinlicher, dass Hochstromstellen vermieden werden können, die eine Lufbläschenbildung verursachen. Die Neigung des Varistor-Wafers 110, sich als Reaktion auf Hochstromimpulse zu verziehen, wird durch die mechanische Verstärkung verringert, die durch den belasteten Kopf 132 und die Mittenwand 122 geschaffen wird. Die Federscheiben können sich vorübergehend durchbiegen, wenn sich der Varistor-Wafer ausdehnt, und sie können in ihren Zustand zurückkehren, wenn der Varistor-Wafer sich wieder zusammenzieht, wodurch die Belastung die ganze Zeit hindurch und zwischen den verschiedenen Überspannungsereignissen beibehalten wird. Darüber hinaus schafft die Vorrichtung 100 während eines Überspannungsereignisses eine geringere Induktion und einen geringeren Widerstand auf Grund der gleichförmigeren und effizienteren Stromverteilung durch den Varistor-Wafer.
Die Vorrichtung 100 dient auch dazu, das Entfernen von Flammen, Funken und/oder von Varistor-Material bei einem Überspannungsausfall des Varistor-Wafers 100 zu verhindern oder zu minimieren. Die Festigkeit des Metallgehäuses sowie der Aufbau der Elektrode 130, des Isolatorrings 150 und der Endkappe 160 dienen dazu, die Produkte eines Varistor-Wafer-Ausfalls aufzunehmen. In dem Fall, dass die Zerstörung des Varistors so stark ist, dass die Elektrode 130 von dem Varistor weggedrückt wird und der Isolatorring 150 schmilzt, wird die Elektrode 130 in direkten Kontakt zu der Endkappe 160 verschoben, wodurch die Elektrode 130 und das Gehäuse 120 verkürzt werden und wodurch ein (nicht dargestelltes) Schmelzen in der Leitung zum Durchbrennen verursacht wird.
Während das Gehäuse 120 zylinderförmig dargestellt ist, kann es unterschiedlich ausgestaltet sein. Die untere Hälfte der Vorrichtung 100 kann entfernt werden, so dass die Vorrichtung 100 nur eine obere Gehäusewand 124 und einen einzelnen Varistor-Wafer, eine Elektrode, eine Federscheibe oder einen Satz von Federscheiben, einen Isolatorring und eine Endkappe aufweist.
Für einen Fachmann werden aus der vorhergehenden Beschreibung Verfahren zur Herstellung der verschiedenen Bestandteile der Vorrichtung ersichtlich. Es können beispielsweise das Gehäuse 120, die Elektrode 130 und die Endkappe 160 durch spanende Formgebung, durch Gießen oder durch Schlagpressen ausgeformt werden. Jedes dieser Bauteile kann als Einheit oder aus mehreren Bestandteilen, die beispielsweise durch Schweißen fest verbunden sind, ausgeformt sein.
Unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 ist eine Varistor-Vorrichtung 200 gezeigt. Die Varistor-Vorrichtung 200 beinhaltet Bauteile 210, 230, 240 und 260, die den Bauteilen 110, 130, 140 beziehungsweise 160 der Varistor-Vorrichtung 100 entsprechen. Die Varistor-Vorrichtung 200 unterscheidet sich von der Varistor-Vorrichtung 100 darin, dass die Vorrichtung 200 nur einen einzigen Varistor-Wafer 210 und entsprechende Bauteile aufweist. Die Varistor-Vorrichtung 200 beinhaltet ein Gehäuse 220, welches das Gleiche ist, wie das Gehäuse 120, mit Ausnahme dem Folgenden. Das Gehäuse 220 bildet nur einen einzigen Hohlraum 221 und hat nur eine einzige umgebende Wand 224, die sich von ihrer Mittenwand (oder Endwand) 222 erstreckt. Das Gehäuse 220 hat eher auch einen Gewindebolzen 229 (siehe 7), der sich von der unteren Fläche der Mittenwand (oder der Endwand) 222 erstreckt, als eine sich seitwärts erstreckende Elektrodenlasche, die der Elektrodenlasche 129 entspricht. Der Bolzen 229 ist dafür geeignet, dass er mit einer Gewindebohrung eines herkömmlichen Wohnungsstromanschlusskastens in Eingriff steht.
Die Varistor-Vorrichtung 200 unterscheidet sich außerdem von der Varistor-Vorrichtung 100 dadurch, dass ein Isolatorring 251 vorgesehen ist. Der Isolatorring 251 hat einen Hauptkörperring 252, welcher dem Isolatorring 150 entspricht. Der Ring 251 weist ferner eine Hülse 254 auf, die sich von dem Hauptkörperring 252 nach oben erstreckt. Der Innendurchmesser der Hülse 254 ist derart bemessen, dass er die Welle 234 der Elektrode 230 vorzugsweise in Spielpassung aufnimmt. Der Außendurchmesser der Hülse 254 ist derart bemessen, dass er durch das Loch 262 der Endkappe 260 mit einem vorgeschriebenen Zwischenraum 265 (siehe 6), der die Hülse 254 umgibt, hindurchgeht. Der Zwischenraum 265 erlaubt einen Zwischenraum zum Einführen des Schaftes 134 und kann weggelassen werden. Der Hauptkörperring 252 und die Hülse 254 sind vorzugsweise aus dem gleichen Material ausgeformt wie der Isolatorring 150. Der Hauptkörperring 252 und die Hülse 254 können geklebt oder einstückig gegossen werden.
Unter Bezugnahme auf 8 ist die Varistor-Vorrichtung 200 gezeigt, die in einem Wohnungsstromanschlusskasten 10 angebracht ist. Die Varistor-Vorrichtung 200 ist auf einer Metallplattform 12 angebracht, die mit der Erde elektrisch verbunden ist. Der Elektrodenbolzen 229 steht mit der Gewindebohrung 12A in der Plattform 12 in Eingriff und erstreckt sich durch diese. An dem Elektrodenschaft 234 ist eine Schiene 16, die mit einem ersten Ende einer Sicherung 14 elektrisch verbunden ist, durch einen Gewindebolzen 18 befestigt, der in die Gewindebohrung 236 der Elektrode 230 eingeführt ist. Ein zweites Ende der Sicherung kann mit einer elektrischen Wohnungsanschlussleitung oder Ähnlichem verbunden sein. Wie in 8 dargestellt ist, kann eine Vielzahl von Varistor-Vorrichtungen parallel in einem Anschlusskasten 10 verbunden sein.
Unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 ist eine Varistor-Vorrichtung 300 gezeigt. Die Varistor-Vorrichtung 300 beinhaltet Bauteile 310, 330, 340 und 351, die den Bauteilen 210, 230, 240 beziehungsweise 251 entsprechen. Die Varistor-Vorrichtung 300 beinhaltet auch eine flache Metallscheibe 345, die zwischen der obersten Federscheibe 340 und dem Isolatorring 351 angeordnet ist, wobei sich der Schaft 334 durch ein in der Scheibe 345 ausgeformtes Loch 346 erstreckt. Die Scheibe 345, die in den Vorrichtungen 100, 200 untergebracht werden kann, dient dazu, die mechanische Belastung der obersten Federscheibe 340 zu verteilen, um zu verhindern, dass die Federscheibe in den Isolatorring 351 schneidet. Das Gehäuse 320 ist das Gleiche wie das Gehäuse 220, mit Ausnahme dem Folgenden.
Das Gehäuse 320 der Vorrichtung 300 hat weder einen Rand, der dem Rand 127 entspricht, noch Gewinde, die den Gewinden 128 entsprechen. Das Gehäuse 320 hat auch einen inneren ringförmigen Schlitz 323, der in der umgebenden Seitenwand 324 ausgeformt ist und sich in der Nachbarschaft der Öffnung 326 davon erstreckt.
Die Varistor-Vorrichtung 300 unterscheidet sich auch von den Varistor-Vorrichtungen 100, 200 darin, dass die Elektrode 330 und die Mettenwand 322 gegen den Varistor-Wafer 310 gespannt sind. Anstelle der Endkappen 160, 260 hat die Varistor-Vorrichtung 300 eine Endkappe 360 und einen elastischen, gestutzten, ringförmigen Clip 370. Der Clip 370 wird teilweise in dem Schlitz 323 aufgenommen, und er erstreckt sich von der Innenwand des Gehäuses 320 teilweise radial nach Innen, um eine Nachaußenverschiebung der Endkappe 360 zu begrenzen. Der Clip 370 ist vorzugsweise aus Federstahl ausgeformt. Die Endkappe 360 ist vorzugsweise aus Aluminium ausgeformt.
Die Varistor-Vorrichtung 300 kann auf die gleiche Art und Weise wie die Varistor-Vorrichtungen 100, 200 zusammengebaut werden, mit Ausnahme dem Folgenden. Die Endkappe 360 ist über dem Schaft 334 und der Hülse 354 angeordnet, die beide in einem Loch 362 aufgenommen sind. Die Scheibe 345 wird über dem Schaft 334 angeordnet, bevor der Isolatorring 351 angeordnet wird. Eine am Werkzeug befestigte Aufspannvorrichtung (die nicht dargestellt ist) oder eine andere geeignete Vorrichtung wird dafür verwendet, die Endkappe 360 nach unten zu drücken, wodurch wiederum die Federscheiben 340 durchgebogen werden. Während sich die Endkappe 360 noch unter der Belastung der Vorrichtung befindet, wird der Clip 370 zusammengedrückt, vorzugsweise dadurch, dass Öffnungen 372 mit Zangen oder einem anderen geeigneten Werkzeug in Eingriff stehen, und er wird in den Schlitz 323 eingeführt. Anschließend wird der Clip 370 gelöst, und er darf in seinem ursprünglichen Durchmesser zurückkehren, woraufhin er teilweise den Schlitz ausfüllt und sich von dem Schlitz 323 teilweise radial nach Innen in den Hohlraum 321 er streckt. Der Clip 370 und der Schlitz 323 dienen dadurch dazu, die Belastung an der Endkappe 360 aufrechtzuerhalten.
Unter Bezugnahme auf die 12 bis 21 ist eine Varistor-Vorrichtung 400 gemäß der gegenwärtigen Erfindung dargestellt. Die Varistor-Vorrichtung 400 beinhaltet die Bauteile 410, 420, 422, 423, 424, 430, 440, 445, 451, 460 und 470, wie sie allgemein unter Bezugnahme auf die Bauteile 310, 320, 322, 323, 324, 330, 340, 345, 351, 360 beziehungsweise 370 beschrieben wurden, mit Ausnahme des im folgenden Erörterten. Die Vorrichtung 400 beinhaltet ferner ein Paar zusätzlicher Federscheiben 441 und O-Ringe 480 und 482.
Wie am Besten in den 12 und 19 zu sehen ist, bildet das Gehäuse 420 einen Hohlraum 421, der mit der Seitenwand 424 und der Elektrodenwand 422 verbunden ist. In der Innenfläche der Seitenwand 424 ist eine ringförmige Nut 425 ausgeformt. Die Nut 425 steht mit der Öffnung des Gehäuses 420 in Verbindung. Vorzugsweise ist die Nut 425 in der Seitenwand 424 spanabhebend gefertigt oder anderweitig ausgeformt, so dass entlang der vollen Höhe der Nut 425 eine glatte und gleichförmige vertikale Fläche bereitgestellt wird. Vorzugsweise weicht der Durchmesser der Nut 425 nicht um mehr als 0,127 mm (0,005 Inch) ab. Die Nut 425 ist derart bemessen, dass sie die Endkappe 460 und den Isolatorring 451 aufnimmt, so dass die Endkappe 460 und der Isolatorring 451 darin zwar verschiebbar sind, aber dass sie, wie im Folgenden erläutert, einen relativ kleinen Zwischenraum zeigen.
Die Elektrodenwand 422 beinhaltet eine Kontaktfläche 422A mit erhöhter Plattform, die von einer ringförmigen vertieften Fläche 422B umgeben ist. Vorzugsweise hat die vertiefte Fläche eine Breite R (siehe 13), die zwi schen ungefähr 1,085 und 1,105 cm (0,427 und 0,435 Inch) liegt, und eine Tiefe S, die zwischen ungefähr 1,575 und 1,778 mm (0,062 und 0,070 Inch) liegt.
Wie am Besten in 18 und 21 zu sehen ist, beinhaltet die Elektrode 430 einen Kopf 432 und einen Schaft 434. In dem Schaft 434 ist eine ringförmige Nut 433 ausgeformt. Die Nut 433 ist vorzugsweise halbkreisförmig (siehe 21). Vorzugsweise hat die Nut 433 eine Tiefe L, die zwischen ungefähr 1,143 und 1,27 mm (0,045 und 0,050 Inch) liegt, und eine Höhe M (siehe 21), die zwischen ungefähr 2,286 und 2,413 mm (0,090 und 0,095 Inch) liegt. Die Nut 433 kann in der Elektrode 430 formgepresst, spanabhebend bearbeitet oder anderweitig ausgeformt sein.
Wie am Besten in den 15 bis 17 und 20 bis 21 zu sehen ist, beinhaltet der Isolatorring 451 einen Hauptkörperring 452 und eine Hülse 454. Alternativ kann die Hülse 454, weggelassen werden, wie in dem Isolatorring 150. Der Außendurchmesser der Hülse 454 kann entworfen sein, um die Herstellung zu erleichtern (vorzugsweise sind die unteren 9,525 mm (3/8 Inch) nicht gezeichnet). Eine Innenfläche 451A des Rings 451 umgibt einen Durchgang 451B (siehe 12), der sich durch den Isolatorring 45 erstreckt. In dem Hauptringkörper 452 ist eine ringförmige Umfangsnut 453 ausgeformt. Es wird nun auf 20 Bezug genommen. Die Nut 453 hat eine nach oben gerichtete (das heißt, eine sich radial erstreckende) Haltefläche 453B und eine nach außen gerichtete (das heißt, sich axial erstreckende) Haltefläche 453A, so dass die Nut 453 nach oben und nach außen offen ist. Die Nut 453 kann in dem Körperring 452 formgepresst, spanabhebend bearbeitet oder anderweitig ausgeformt sein. Die Haltefläche 453A hat vorzugsweise eine Höhe H, die zwischen ungefähr 2,0066 und 2,0574 mm (0,079 und 0,081 Inch) liegt, und die Haltefläche 453B hat eine Tiefe I, die zwischen ungefähr 1,6764 und 1,7272 mm (0,066 und 0,068 Inch) liegt.
Wie am Besten in den 13, 14 und 20 zu sehen ist, ist der O-Ring 480 in der Nut 453 derart positioniert, dass er zwischen der Haltefläche 453A, der Haltefläche 452B, der unteren Fläche der Endkappe 460 und der vertikalen Fläche der Nut 425 des Gehäuses 420 aufgenommen ist. Der O-Ring ist aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus einem Elastomer, ausgeformt. Es wird stärker bevorzugt, dass der O-Ring aus Gummi hergestellt ist. Es wird am meisten bevorzugt, dass der O-Ring aus einem Flurkarbon-Gummi hergestellt ist, wie zum Beispiel VITON^TM, der von DuPont erhältlich ist. Es kann auch anderer Gummi verwendet werden, wie zum Beispiel Butylgummi. Der Gummi hat vorzugsweise einen Härtemesser von zwischen 60 und 90.
Der O-Ring 480 hat dann, wenn er entspannt ist (das heißt, unbelastet ist), vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt und einen Durchmesser, der zwischen ungefähr 0,100 und 0,105 Inch liegt. Wie am Besten in 20 zu sehen ist, ist der Abstand zwischen der unteren Fläche der Endkappe 460 und der Haltefläche 453B (das heißt, die Höhe H) geringer als der entspannte Durchmesser des O-Rings 480. Als ein Ergebnis hieraus wird der O-Ring 480 verformt, und indem er durch die Haltefläche 453A begrenzt ist, wird er nach außen und mit der Fläche der Nut 425 in Eingriff gedrückt. Vorzugsweise ist der Spalt J zwischen der Umfangskante der Haltefläche 453B und der vertikalen Fläche der Nut 425 ausreichend gering, dass der O-Ring 480 zusammengedrückt wird. Der Spalt J beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,6096 mm (0,024 Inch).
Wie am Besten in den 13, 14 und 21 zu sehen ist, ist der O-Ring 482 in der Nut 433 derart positioniert, dass er zwischen der Nut 433 und der Innenfläche 451A aufgenommen wird. Der O-Ring 482 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt, das die gleichen Eigenschaften hat, wie es oben für den O-Ring 480 beschrieben wurde.
Der O-Ring 482 hat dann, wenn er entspannt ist (das heißt, wenn er unbelastet ist), vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt und einen Durchmesser, der zwischen ungefähr 1,651 und 1,905 mm (0,065 und 0,075 Inch) liegt. Wie am Besten in 21 zu sehen ist, ist die Tiefe L der Nut 433 geringer als der entspannte Durchmesser des O-Rings 482. Außerdem ist der zusammengefasste Abstand aus der Tiefe L und dem Spalt N zwischen dem Elektrodenschaft 434 und der Innenfläche 451A geringer als der entspannte Querschnittsdurchmesser des O-Rings 482, so dass der O-Ring 482 zusammengedrückt wird. Der Spalt N beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,127 mm (0,005 Inch).
Es wird auf die 13 und 14 Bezug genommen. Die Varistor-Vorrichtung 400 kann auf die gleiche Art und Weise wie die Vorrichtung 300 zusammengebaut werden, mit Ausnahme dem folgend Beschriebenen. Es ist anzumerken, dass jede Federscheibe 440, 441 in den dargestellten Ausführungsformen eine Belleville-Scheibe ist, die sich entlang einer Mittelachse davon verjüngt. Bevor oder nachdem die Elektrode 430 über dem Wafer 410 angeordnet wird, wird die erste Gruppe von Federscheiben 441 über dem Kopf 432 angeordnet. Die Federscheiben 441 werden derart ausgerichtet, dass ihre Außenumfänge 441B angrenzend an die obere Fläche des Kopfes 432 oder in Eingriff mit dieser angeordnet sind, und dass ihre Innenumfänge 441A von dem Kopf 432 beabstandet sind. Die zweite Gruppe von Federscheiben 440 wird anschließend über den Federscheiben 441 angeordnet. Die Federscheiben 440 werden derart ausgerichtet, dass ihre Innenumfänge 440 angrenzend an den Innenumfang 441A der obersten Federscheibe 441 oder mit diesem in Eingriff stehend angeordnet sind, und dass ihre Außenumfänge 440B angrenzend an die untere Fläche der Scheibe 441 oder mit dieser in Eingriff stehend angeordnet sind. Demgemäß sind die Mittelachsen der Federscheiben 441, 442 entlang der vertikalen Achse der Vorrichtung 400 zwar aufeinander angepasst, aber die Scheiben 440 sind entgegengesetzt ausgerichtet. Das heißt, die Scheiben 440 verjüngen sich nach unten und die Scheiben 441 verjüngen sich nach oben.
Bevor der Isolatorring 451 über der Elektrode 430 positioniert wird, wird der O-Ring 482 in der Nut 433 angebracht. Vorzugsweise wird der Isolatorring 451 über der Elektrode 430 und über dem O-Ring 482 angeordnet (so dass der O-Ring 482 derart aufgenommen wird, wie es in 21 gezeigt ist), bevor die Elektrode 430 in dem Hohlraum 421 angeordnet wird.
Der O-Ring 480 wird in der Nut 453 angeordnet, vorzugsweise bevor der Isolatorring 451 in das Gehäuse 420 eingeführt wird. Anschließend wird die Endkappe 460 über dem O-Ring 480 und dem Isolatorring 451 angeordnet, auch vorzugsweise bevor der Isolatorring 451 in das Gehäuse 420 eingeführt wird.
Nachdem die verschiedenen Bauteile so zusammengebaut sind, wie es in 13 dargestellt ist, wird die Endkappe 460 mit Kraft nach unten gedrückt, wie es in Bezug auf die Varistor-Vorrichtung 300 erläutert worden ist. Auf diese Art und Weise werden die Endkappe 460, der Isolatorring 451, die Scheibe 445 und der O-Ring 480 nach unten verschoben, was bewirkt, dass die Federscheiben 440, 441 durchgebogen werden und den Kopf 432 mit einer Last beaufschlagen. Die Relativanordnung der Federscheiben 440, 441, wie oben beschrieben, kann eine zweimal so starke vertikale Durchbiegung (und daher eine Vertikalverschiebung zwischen der Scheibe 445 und dem Kopf 432) mit dem gleichen Betrag der Federkraft gestatten, wie wenn nur die zwei Federscheiben 440 oder die zwei Federscheiben 441 vorgesehen waren. Dieser erhöhte Durchbiegebetrag kann mildere Herstellungstoleranzen der Bauteile in dem Stapel erlauben (das heißt, der Bauteile 410, 422, 432, 445, 454 und 460), wodurch die Herstellung der Varistor-Vorrichtung 400 erleichtert wird. Anschließend wird ein Schnappring oder Clip 470 angebracht, wie es oben unter Bezugnahme auf den Clip 370 erläutert worden ist.
Wenn der Wafer 410 zwischen dem Kopf 432 und der Plattform 422A mit Last beaufschlagt wird, werden die Elektrodenbeschichtungen an den gegenüberliegenden Flächen des Wafers 410 zerdrückt. Die vertiefte Fläche 422B stellt sicher, dass die Grenze der Elektrodenbeschichtung außerhalb der Plattform 422 angeordnet ist, wodurch jegliche Neigung verringert oder beseitigt werden kann, dass auf den Wafer 410 Biegebeanspruchungen aufgebracht werden. Vorzugsweise ist die Peripherie der Plattform 422A im Wesentlichen vom gleichen Umfang wie die Peripherie der Kontaktfläche des Kopfes 432.
Wie oben erläutert, wird der O-Ring 482 von der Nut 433 und der Fläche 451A aufgenommen und zusammengedrückt. Auf diese Art und Weise wird der O-Ring 482 gegen die Fläche 451 und den Schaft 434 vorgespannt, und er bildet dadurch zwischen diesen eine Dichtung. Im Falle einer Überspannung können den Hohlraum 421 Nebenprodukte, wie zum Beispiel heiße Gase und Bruchstücke von dem Wafer 410, füllen oder sie können in diesen streuen. Durch den O-Ring 482 kann begrenzt oder verhindert werden, dass diese Nebenprodukte aus der Varistor-Vorrichtung 400 entlang eines Weges zwischen dem Schaft 434 und dem Isolatorring 451 entkommen.
Als Alternative kann der O-Ring 482 mit der Innenfläche der Endkappe 460 in Eingriff stehen (was nicht gezeigt ist). Diese Anordnung kann beispielsweise dann verwendet werden, wenn der Isolatorring 451 weggelassen wird.
Wie oben beschrieben, wird der O-Ring 480 in der Nut 453, der unteren Fläche der Endkappe 460 und der Nutfläche 425 aufgenommen und von diesen zusammengedrückt. Auf diese Art und Weise wird der O-Ring 480 gegen die Nutfläche 425, die Endkappe 460 und den Isolatorring 451 vorgespannt, und er formt dadurch zwischen diesen eine Dichtung. Durch den O-Ring 480 kann begrenzt oder verhindert werden, dass Nebenprodukte von einem Überspannungsfall aus der Varistor-Vorrichtung 400 entlang eines Weges zwischen der Nutfläche 425 und dem Isolatorring 451 und der Endkappe 460 entkommen. Die spanabhebend gefertigte oder anderweitig geglättete Fläche der Nut 425 kann einen beständigen und effektiven Dichteingriff mit dem O-Ring 480 sicherstellen.
Unter Bezugnahme auf 22 ist eine Varistor-Vorrichtung 500 gemäß weiteren Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung dargestellt. Die Varistor-Vorrichtung 500 kann jeder der vorhergehenden Varistor-Vorrichtungen 300, 400 oder dergleichen entsprechen, die einen Clip zur Sicherung ihrer Endkappe beinhalten. Die Vorrichtung 500 beinhaltet einen Sprengring oder Clip 570, der den Clips 370, 470 entspricht, und sie hat Öffnungen 572, um Zangen oder andere geeignete Presswerkzeuge aufzunehmen. Der Clip 570 kann in der Art und Weise angebracht werden, wie oben beschrieben ist.
Bei der anschließenden Installation wird ein geeignetes Füllmaterial 574, wie zum Beispiel ein Epoxidharz (beispielsweise das Epoxidharz JB Weld^TM) in jeder der Öffnungen 572 angeordnet. Um die Vorrichtung 500 zu öffnen, wenn sie einmal geschlossen wurde, muss der Clip 570 entspannt oder zerstört und anschließend entfernt werden. Um den Clip 570 zu entspannen, muss das Füllmaterial 574 teilweise oder vollständig entfernt werden. Auf diese Art und Weise unterbindet das Füllmaterial 574 ein Öffnen der Vorrichtung 500, und in dem Fall, dass die Vorrichtung 500 geöffnet ist, schafft sie ein Merkmal für ein offensichtliches Herumhantieren, indem sie sicherstellt, dass der Beweis für das Öffnen der Vorrichtung 500 (das heißt für die Zerstörung des Clips 570 oder des Füllmaterials 574) während einer späteren Inspektion sogleich sichtbar ist.
Unter Bezugnahme auf 23 ist eine Varistor-Vorrichtung 600 gemäß weiteren Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung dargestellt. Die Varistor-Vorrichtung 600 kann jeder der vorhergehenden Varistor-Vorrichtungen 300, 400 oder ähnlichem entsprechen, die einen Clip zur Sicherung ihrer Endkappe beinhalten. Die Vorrichtung 600 beinhaltet einen Sprengring oder Clip 670. Am Anfang entspricht der Clip 670 beispielsweise dem Clip 370 (siehe 10), und er hat Öffnungen, die den Öffnungen 372 entsprechen. Diese Öffnungen werden verwendet, um die Zangen oder andere Presswerkzeuge aufzunehmen, um den Clip in der Nut anzubringen, wie es oben in Bezug auf die Vorrichtung 300 beschrieben wurde.
Bei der anschließenden Installation werden die Enden des Clips abgeschnitten, um die Abschnitte davon zu entfernen, die die Öffnungen enthalten. Die Enden des Clips können in der ursprünglichen Lage abgeschnitten werden, wobei ein Meißel, ein Bohrer, ein Hochgeschwindigkeitsdrehwerkzeug (wie zum ein DREMEL^TM-Werkzeug) oder ähnliches verwendet wird. Auf diese Art und Weise wird der Clip 670 ausgeformt, wobei er gekürzte Endabschnitte 674 aufweist. Das Entfernen der Öffnungen kann ein Entspannen des Clips 670 verhindern, so dass der Clip 670 zerstört werden muss, um ihn zu entfernen. Auf diese Art und Weise unterbindet der Clip 670 ein Öffnen der Vorrichtung 600, und in dem Fall, dass die Vorrichtung 600 geöffnet worden ist, kann er ein Merkmal für ein offensichtliches Herumhantieren schaffen, indem sichergestellt wird, dass der Beweis für das Öffnen der Vorrichtung 600 während einer späteren Inspektion ohne weiteres sichtbar ist.
Unter Bezugnahme auf 24 ist eine Varistor-Vorrichtung 700 gemäß weiteren Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung dargestellt. Die Varistor-Vorrichtung 700 entspricht der Varistor-Vorrichtung 600, mit Ausnahme, dass von den Enden des Clips 770 weniger abgeschnitten worden ist. Vielmehr ist ein Abschnitt 772A von jeder Öffnung an jedem gekürzten Ende 774 gelassen. Auf eine Art und Weise, die der von Clip 670 ähnlich ist, kann der Clip 770 verhindern, dass die Vorrichtung 700 geöffnet wird, und er kann einen Beweis für ein Herumhantieren schaffen.
Es können andere Einrichtungen als diese, die oben beschrieben wurden, verwendet werden, um die Elektrode und das Gehäuse gegen den Varistor-Wafer mit Last zu beaufschlagen. Beispielsweise können die Elektrode und die Endkappe zusammengebaut und mit einer Last beaufschlagt werden, und sie können anschließend unter Verwendung einer Stapelverbindung ortsfest angeordnet werden.
In jeder der zuvor beschriebenen Varistor-Vorrichtungen (beispielsweise der Vorrichtungen 100, 200, 300, 400, 500, 600 und 700) können (nicht gezeigte) mehrere Varistor-Wafer gestapelt und zwischen dem Elektrodenkopf und der Mittenwand angeordnet sein. Die Außenflächen der obersten und untersten Varistor-Wafer würden als Waferkontaktflächen dienen. Die Eigenschaften des Varistor-Wafers werden jedoch vorzugsweise eher dadurch modifiziert, dass die Dicke eines einzelnen Varistor-Wafers geändert wird, als dass mehrere Varistor-Wafer gestapelt werden.
Wie oben erläutert, sind die Federscheiben (zum Beispiel die Federscheiben 140, 440 und 441) vorzugsweise Belleville-Scheiben. Belleville-Scheiben können verwendet werden, um eine relativ hohe Belastung aufzubringen, ohne dass ein wesentlicher axialer Raum erforderlich ist. Es können jedoch andere Arten von Vorspaneinrichtungen zusätzlich oder an Stelle der Belleville-Scheibe oder der Belleville-Scheiben verwendet werden. Geeignete alternative Vorspaneinrichtungen beinhalten eine oder mehrere Schraubenfedern, Wellenscheiben oder Spiralscheiben.
Das Vorhergehende dient nur der Illustration der gegenwärtigen Erfindung und ist nicht so aufzufassen, dass sie diese einschränkt. Obwohl ein paar exemplarische Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben worden sind, wird es für einen Fachmann ohne weiteres bewusst, dass viele Modifikationen bei den beispielhaften Ausführungsformen möglich sind, ohne dass materiell die neuen Lehren und Vorteile dieser Erfindung verlassen werden.
Es ist daher selbstverständlich, dass das Vorhergehende zur Illustration der gegenwärtigen Erfindung dient und nicht so aufgefasst werden soll, dass es auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, und es ist beabsichtigt, dass Modifikationen zu den of fenbarten Ausführungsformen sowie anderen Ausführungsformen im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

Vorrichtung (400) für den Gebrauch mit einem Varistor-Wafer (410) des Typs mit einer ersten und einer zweiten einander gegenüberliegenden, im Wesentlichen ebenen Wafer-Oberfläche, um einen Überspannungsschutz bereitzustellen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: a) ein Gehäuse (420), das einen Hohlraum (421) darin bildet und eine Öffnung hat, die mit diesem Hohlraum in Verbindung steht, wobei das Gehäuse Folgendes umfasst: eine Seitenwand (424); und eine Bodenwand (422) mit einer ersten im Wesentlichen ebenen elektrischen Kontaktfläche (422A) und einer daran angrenzenden vertieften Oberfläche (422B), wobei die erste elektrische Kontaktfläche eine relativ zur vertieften Oberfläche erhöhte Plattform bildet; und b) ein Elektrodenglied (430) mit einer zweiten im Wesentlichen ebenen elektrischen Kontaktfläche, die der ersten Kontaktfläche gegenüber liegt und in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei sich ein Teil der Elektrode aus dem Hohlraum und durch die Öffnung erstreckt; c) wobei das Gehäuse und das Elektrodenglied relativ zueinander angeordnet und konfiguriert werden können, um einen Wafer in dem Hohlraum aufzunehmen, so dass der Wafer zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche positioniert wäre, wobei die erste und die zweite elektrische Kontaktfläche jeweils an der ersten beziehungsweise der zweiten Wafer-Oberfläche angreifen, und dass der Wafer nicht an der vertieften Oberfläche angreifen würde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vertiefte Oberfläche die zweite elektrische Kontaktfläche im Wesentlichen vollständig umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei weiter der Varistor-Wafer im Gehäuse zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenglied (430) einen Schaft (434) umfasst, der sich aus dem Hohlraum und durch die Öffnung erstreckt, wobei der Schaft eine darin gebildete Umfangsschaftnut (433) hat, und die Vorrichtung weiter Folgendes umfasst: a) ein zwischen der zweiten elektrischen Kontaktfläche und der Öffnung angeordnetes Verschlussglied (451), wobei das Verschlussglied ein darin gebildetes Loch hat; und b) einen in der Schaftnut angeordneten elastischen O-Ring (482); c) wobei sich der Schaft durch die Öffnung erstreckt, der O-Ring in dem Loch angeordnet ist und der O-Ring so positioniert ist, dass er für eine Dichtung zwischen dem Schaft und dem Verschlussglied sorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der O-Ring zusammengedrückt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der O-Ring aus einem Elastomermaterial geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Verschlussglied ein elektrisch isolierendes Glied umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Verschlussglied eine Endkappe (460) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei weiter der Varistor-Wafer im Gehäuse zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: a) ein zwischen der zweiten elektrischen Kontaktfläche und der Öffnung angeordnetes Verschlussglied (451), wobei das Verschlussglied eine darin gebildete Umfangsnut (453) hat; und b) einen in der Umfangsnut angeordneten elastischen O-Ring (480); c) wobei der O-Ring so positioniert ist, dass er für eine Dichtung zwischen dem Verschlussglied und der Seitenwand des Gehäuses sorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der O-Ring zusammengedrückt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der O-Ring aus einem Elastomermaterial geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Verschlussglied ein elektrisch isolierendes Glied umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die weiter eine Endkappe (460) umfasst, die in der an das Isolierglied angrenzenden Öffnung positioniert ist und an dem O-Ring angreift.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Nut eine sich radial erstreckende Wand (453B) und eine sich axial erstreckende Wand (453A) umfasst und der O-Ring an der sich radial erstreckenden Wand, an der sich axial erstreckenden Wand, an der Seitenwand und an der Endkappe angreift.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei weiter der Varistor-Wafer im Gehäuse zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: a) eine in der Öffnung positionierte Endkappe (460); und b) einen Clip (570), der so positioniert ist, dass er die Verschiebung zwischen der Endkappe und dem Gehäuse begrenzt, wobei der Clip eine gestutzte Ringform hat und Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte; eine in jedem der einander gegenüberliegenden Endabschnitte gebildete Öffnung (572); und in jeder der Öffnungen angeordnetes Füllmaterial (574).
Vorrichtung nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: a) eine in der Öffnung positionierte Endkappe (460); und b) einen Clip (770), der so positioniert ist, dass er die Verschiebung zwischen der Endkappe und dem Gehäuse begrenzt, wobei der Clip eine gestutzte Ringform hat und Folgendes umfasst: ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte (774); und ein Paar offener Aussparungen (772A), wobei jede der offenen Aussparungen in einem jeweiligen der einander gegenüberliegenden Endabschnitte gebildet ist und allgemein zum anderen der einander gegenüberliegenden Endabschnitte weist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: a) eine in der Öffnung positionierte Endkappe (460); und b) einen Clip (670), der so positioniert ist, dass er die Verschiebung zwischen der Endkappe und dem Gehäuse begrenzt, wobei der Clip eine gestutzte Ringform und ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte (647) hat, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Endabschnitte jeweils frei von Öffnungen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: a) eine erste und eine zweite Belleville-Scheibe (440, 441), die die erste und/oder die zweite Kontaktfläche zur anderen Kontaktfläche drücken, wobei die beiden Scheiben jeweils entlang einer Achse derselben verjüngt sind; b) wobei die erste und die zweite Belleville-Scheibe axial miteinander fluchten und entgegengesetzt ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei weiter der Varistor-Wafer im Gehäuse zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktfläche positioniert ist.
Verfahren zum Installieren eines gestutzten ringförmigen Clips in einem Gehäuse einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Clip ein Paar einander gegenüberliegender Endabschnitte mit jeweils einer darin gebildeten Öffnung hat; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zusammendrücken des Clips unter Verwendung der Öffnungen; Positionieren des Clips relativ zum Gehäuse; Freigeben des Clips, damit der Clip im Gehäuse einrasten kann; und anschließendes Abtrennen der Endabschnitte des Clips.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Abtrennens das vollständige Entfernen der Öffnungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Abtrennens das Schneiden durch die Öffnungen umfasst, so dass Teile der Öffnungen zurückbleiben.