소형 고전압 전력 퓨즈 및 그 제조 방법

소형 고전압 전력 퓨즈 및 그 제조 방법{COMPACT HIGH VOLTAGE POWER FUSE AND METHODS OF MANUFACTURE}

[관련 출원의 교차 참조]

본 출원은 2014년 5월 28일에 출원된 미국 특허 출원 제14/289,032호의 일부 계속 출원으로서, 상기 출원의 전체 개시 내용은 그 전문이 본원에 원용되어 포함된다.

본 발명의 분야는 일반적으로 전기 회로 보호 퓨즈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 고전압 전 범위 전력 퓨즈의 제조에 관한 것이다.

퓨즈는 전기 회로에 대한 비용 유발 손상을 방지하는 과전류 보호 장치로서 널리 사용된다. 전형적으로, 퓨즈 단자는 전기 부품 또는 전기 회로에 배치된 부품들의 조합과 전원 또는 전력 공급부 사이의 전기적 연결을 형성한다. 하나 이상의 가용성(fusible) 링크 또는 요소, 또는 퓨즈 요소 조립체가 퓨즈 단자들 사이에 연결됨으로써, 퓨즈를 통한 전류 흐름이 사전에 결정된 한계를 초과할 때, 가용성 퓨즈 요소들이 용융되어 퓨즈를 통한 하나 이상의 회로를 개방하여 전기 부품의 손상을 방지한다.

소위 전 범위 전력 퓨즈는 고전압 전력 분배기에서 작동하여 비교적 높은 고장 전류 및 비교적 낮은 고장 전류 모두를 동일한 효율로 안전하게 차단한다. 전력 시스템에 있어서의 지속적으로 확대되는 변화를 감안할 때, 이러한 유형의 공지된 퓨즈는 몇 가지 면에서 불리하다. 시장의 요구를 충족시키기 위해서는 전 범위 전력 퓨즈의 개선이 요구된다.

많은 것들 중에서 특히 전기 자동차 기술에 있어서의 최근의 발전은 퓨즈 제조업체들에게 독특한 도전을 제시하고 있다. 전기 자동차 제조업체들은 종래의 차량용 전력 분배 시스템보다 훨씬 높은 전압에서 작동하는 전력 분배 시스템용 가용성 회로 보호를 찾고 있으며, 아울러 전기 자동차 사양 및 요구 사항을 충족하기 위해 더 작은 퓨즈를 찾고 있다.

종래의 내연 기관 구동 차량의 전력 시스템은 전형적으로 약 48VDC 이하인 비교적 낮은 전압에서 작동한다. 그러나 본원에서 전기 차량(EV: electric vehicle)이라 칭하는 전기 구동 차량용 전력 시스템은 훨씬 더 높은 전압에서 작동한다. 전기 차량의 비교적 높은(예를 들어, 200VDC 이상) 전압 시스템은 일반적으로 배터리로 하여금 전원으로부터 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 하며, 내연 기관에 사용되는 12볼트 또는 24볼트의 에너지를 저장하는 종래의 배터리보다 그리고 더 최근의 48볼트 전력 시스템보다 손실(예를 들어, 열 손실)을 더 적게 유지하면서 차량의 전기 모터에 더 많은 에너지를 제공한다.

전기 차량 주문자 상표 부착 생산업체들(OEM)은 모든 배터리 전기 자동차(BEV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV)의 전기 부하를 보호하기 위해 회로 보호 퓨즈를 사용한다. 각 유형의 전기 차량 전반에 걸쳐, 전기 차량 제조업체들은 소유 비용을 줄이면서 1회 배터리 충전 당 전기 차량의 주행 거리 범위를 최대화시키려고 한다. 이러한 목표의 달성은, 전기 차량 시스템의 에너지 저장 및 전력 공급뿐만 아니라, 전력 시스템이 지니는 차량 구성 요소들의 크기, 부피 및 질량으로 향하게 된다. 더 작거나 더 가벼운 차량은 이러한 요구를 더 크고 더 무거운 차량에 비해 더 효과적으로 충족시킬 것이고, 그렇기 때문에 이제는 모든 전기 차량 구성 요소들이 잠재적인 크기, 중량 및 비용 절감을 위해 면밀히 조사되고 있다.

일반적으로, 보다 큰 부품들은 관련 재료 비용을 더 높게 하는 경향이 있으며, 전기 차량의 전체 크기를 증가시키는 경향 또는 축소된 차량 부피 내에서 과도한 크기의 공간을 차지하는 경향이 있으며, 1회 배터리 충전 당 차량 주행 거리를 직접적으로 감소시키게 되는 보다 큰 무게를 도입하는 경향이 있다. 그러나 공지된 고전압 회로 보호 퓨즈는 비교적 크고 비교적 무거운 부품이다. 역사적으로, 그리고 좋은 이유로, 회로 보호 퓨즈는 고전압 전력 시스템 수요를 충족시키기 위해 크기를 저전압 시스템과 대비되게 증가시키는 경향이 있었다. 이와 같이, 고전압 전기 차량 전력 시스템을 보호하기 위해 필요한 기존의 퓨즈는 기존의 내연 기관 구동 차량의 저전압 전력 시스템을 보호하는 데 필요한 기존 퓨즈보다 훨씬 크다. 보다 작고 가벼운 고전압 전원 퓨즈는 회로 보호 성능을 희생시키지 않으면서 전기 차량 제조업체의 요구를 충족시키는 것이 필요하다.

현재 기술 상태의 전기 차량용 전력 시스템은 450VDC만큼 높은 전압에서 작동할 수 있다. 증가된 전력 시스템 전압은 1회 배터리 충전 당 더 많은 전력을 전달하는 것이 바람직하다. 그러나 그와 같은 고전압 전력 시스템에서의 전기 퓨즈의 작동 조건은 저전압 시스템보다 훨씬 더 엄격하다. 특히, 퓨즈가 열림에 따른 전기 아크 상태와 관련된 사양들은 더 높은 전압 전원 시스템에 있어서는, 특히 해당 산업계가 선호하는 전기 퓨즈의 크기 감소와 결합할 때에는, 특히 어려워질 수 있다. 현재로서는 공지의 전력 퓨즈가 전기 차량 OEM에 의해 현재 기술 상태의 전기 차량 응용 분야의 고전압 회로에 사용될 수 있지만, 전기 차량용 고전압 전력 시스템의 요건을 충족시킬 수 있는 종래의 전력 퓨즈의 비용은 물론이고 크기 및 중량은 새로운 전기 차량에서 구현하기에는 비실용적으로 크다.

퓨즈 요소가 고전압에서 동작할 때 허용 가능한 차단 성능은 여전히 제공하면서 현재 기술 상태의 전기 차량 전력 시스템의 고전류 및 고전압을 잘 처리할 수 있는 비교적 작은 전력 퓨즈를 제공하는 일은 줄잡아 말을 하자면 도전적이다. 퓨즈 제조업체와 전기 차량 제조업체는 각각 더 작고 가볍고 저렴한 퓨즈로부터 혜택을 받게 된다. 전기 차량의 혁신은 더 작고 더 높은 전압 퓨즈가 요구되는 시장을 이끌어 가고 있지만, 작지만 더 강력한 전기 시스템을 지향하는 추세는 전기 차량 시장을 넘어서고 있다. 다양한 그 밖의 다른 전력 시스템 응용 분야도 종래 방식으로 제조된 대형 퓨즈에 필적하는 성능을 제공하는 더 작은 퓨즈로부터 의심의 여지없이 혜택을 받게 된다. 당해 기술분야에서 오랫동안 충족되지 못한 요구에 대한 개선이 필요하다.

이러한 난제들과 그 밖의 다른 난제들을 해소하는 전기 회로 보호 퓨즈의 예시적인 실시예들을 아래에서 설명한다. 예시적인 퓨즈 실시예들은 공지된 고전압 전력 퓨즈에 비해서 비교적 더 작고 더 밀집된 물리적 포장 크기를 유리하게 제공하며, 이는 결과적으로는 전기 차량 내에서 감소된 물리적 체적 또는 공간을 차지한다. 또한, 예시적인 퓨즈 실시예들은 공지된 퓨즈에 비해서 비교적 더 높은 전력 처리 용량, 더 높은 전압 작동, 전 범위 시간 전류 작동, 더 낮은 단락 회로 통과 에너지 성능, 및 더 긴 수명 작동 및 신뢰성을 유리하게 제공한다. 아래에 설명된 바와 같이, 예시적인 퓨즈 실시예들은 매우 높은 전류 제한 성능뿐만 아니라 긴 사용 수명을 제공하도록, 그리고 귀찮거나 혹은 때 이른 퓨즈 작동으로부터의 높은 신뢰성을 제공하도록 설계되고 공학적으로 다루어진다. 방법의 여러 양태들에 대해서 일부는 명시적으로 논의될 것이며 일부는 아래의 논의로부터 명백해질 것이다.

전기 차량 응용 분야와, 아래에서 논의되는 특정 정격을 갖는 특정 유형의 퓨즈와 관련하여 설명되지만, 본 발명의 이점들은 그러한 전기 차량 응용 분야나, 또는 후술되는 특정 퓨즈 유형 또는 정격에 반드시 제한되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 이점들은 많은 여러 전력 시스템 응용 분야에 더 광범위하게 생겨날 것으로 믿어지며, 본원에서 논의된 것과 유사하거나 혹은 다른 정격을 갖는 여러 유형의 퓨즈를 만들기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 실행될 수도 있다.

다음의 도면을 참조하여 비제한적이고 비포괄적인 실시예들을 설명하는 데, 달리 명시하지 않는 한 도면 전반에 걸쳐 같은 도면 부호는 같은 부품을 나타낸다.
도 1은 공지된 고전압 전력 퓨즈의 측면도,
도 2는 본 발명의 예시적인 고전압 전 범위 전력 퓨즈의 측면도,
도 3은 도 2에 도시된 예시적인 전력 퓨즈의 사시도,
도 4는 도 3과 유사한 도면이지만 도 2 및 도 3에 도시된 전력 퓨즈의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 5는 도 2 내지 도 4에 도시된 전력 퓨즈의 내부 구성을 나타내는 측면도,
도 6은 도 2 내지 도 5에 도시된 전력 퓨즈의 내부 구성을 나타내는 평면도,
도 7은 도 2 내지 도 6에 도시된 예시적인 전력 퓨즈용 퓨즈 요소 조립체의 사시도,
도 8은 도 7에 도시된 퓨즈 요소 조립체의 조립도,
도 9는 도 2 내지 도 6에 도시된 전력 퓨즈의 예시적인 전류 제한 효과를 도시하는 도면,
도 10은 도 2 내지 도 6에 도시된 전력 퓨즈를 포함하는 전기 자동차 전력 시스템의 예시적인 구동 프로파일을 도시하는 도면,
도 11은 도 2 내지 도 8에 따라 형성된 전력 퓨즈의 제 1 버전의 전력 밀도를 도시하는 도면,
도 12는 도 2 내지 도 8에 따라 형성된 전력 퓨즈의 제 2 버전의 전력 밀도를 도시하는 도면,
도 13은 도 2 내지 도 8에 따라 형성된 전력 퓨즈의 제 3 버전의 전력 밀도를 도시하는 도면,
도 14는 도 2 내지 도 8에 도시된 예시적인 전력 퓨즈를 제조하는 제 1 예시적 방법의 흐름도,
도 15는 도 2 내지 도 8에 도시된 예시적인 전력 퓨즈를 제조하는 제 2 예시적 방법의 흐름도,
도 16은 도 2 내지 도 8에 도시된 전력 퓨즈용 규산염 충전제 재료의 접합을 부분적으로 도시하는 도면,
도 17은 도 2에 도시된 전력 퓨즈용 예시적인 단자 조립부품 조립체의 사시도,
도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 도 2에 도시된 전력 퓨즈 제조의 예시적인 단계를 도시하는 도면,
도 19는 도 2에 도시된 전력 퓨즈용 대안적인 단자 조립부품의 사시도,
도 20은 도 17에 도시된 조립체에 대한 대안적인 단자 조립부품 조립체의 사시도,
도 21은 전력 퓨즈에 설치된 도 20에 도시된 단자 조립부품 조립체의 사시도,
도 22는 도 20에 도시된 단자 조립부품에 대한 대안적인 단자 조립부품의 사시도,
도 23a, 도 23b, 도 23c, 도 23d 및 도 23e는 도 22에 도시된 단자 구조를 포함하는 전력 퓨즈의 제조의 예시적인 단계들을 도시하는 도면.

도 1은 공지된 전력 퓨즈(100)를 도시하는 반면, 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 형성된 전력 퓨즈(200)를 도시한다. 도시된 예에서 전력 퓨즈(100)는 공지된 UL 등급 J 퓨즈이고, 종래의 방식으로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전력 퓨즈(100)는 하우징(102), 라인 및 부하 측 회로에 연결되게 구성된 단자 블레이드(104, 106), 및 단자 블레이드들(104, 106) 사이의 전기 접속을 완성하는 하나 이상의 퓨즈 요소를 포함하는 퓨즈 요소 조립체(도 1에 도시되지 않음)를 포함한다. 퓨즈 요소(들)는 사전에 결정된 전류 상태를 겪을 때에 용융되거나, 붕괴되거나, 아니면 구조적으로 고장 나서, 단자 블레이드들(104, 106) 사이의 퓨즈 요소(들)를 통해 회로 경로를 개방한다. 따라서, 부하 측 회로가 퓨즈 요소(들)의 작동을 통해 라인 측 회로로부터 전기적으로 절연되어, 전기적 고장 상태가 발생할 때에 부하 측 회로 부품들과 회로를 손상으로부터 보호한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 퓨즈(200)는 하우징(202), 라인 및 부하 측 회로에 연결되게 구성된 단자 블레이드(204, 206), 및 단자 블레이드들(204, 206) 사이의 전기 접속을 완성하는 퓨즈 요소 조립체(208)(도 4 내지 도 8에 도시됨)를 포함한다. 퓨즈 요소 조립체(208)가 사전에 결정된 전류 상태를 겪을 때에 그의 적어도 일부가 용융되거나, 붕괴되거나, 아니면 구조적으로 고정 나서, 단자 블레이드들(204, 206) 사이의 회로 경로를 개방한다. 따라서, 부하 측 회로가 라인 측 회로로부터 전기적으로 절연되어, 전기적 고장 상태가 발생할 때에 부하 측 회로 부품들과 회로를 손상으로부터 보호한다.

상기 두 퓨즈(100, 200)는 500VDC의 전압 정격 및 150A의 전류 정격을 제공하도록 공학적으로 설계된다. 그러나 퓨즈(100, 200)의 치수는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이 엄청나게 다른데, 아래의 표에서 L _H 는 퓨즈의 대향 단부들 사이의 퓨즈의 하우징의 축 방향 길이이고, R _H 는 퓨즈의 하우징의 외경이고, L _T 는 하우징의 양측에서 서로 대향되는 블레이드 단자들의 말단부들 사이에서 측정된 퓨즈의 총 전체 길이이다.

표 1은 전력 퓨즈(200) 대 퓨즈(100)에 대해 표로 작성된 치수들 각각에서의 약 50%의 전체 크기 감소를 보이고 있다. 표 1에서 표로 나타내지 않았지만, 퓨즈(200)의 체적은 퓨즈(100)의 체적으로부터 약 87% 감소된다. 따라서, 퓨즈(200)는 크기 및 체적 감소를 제공하고, 그러면서도 퓨즈(100)에 필적하는 퓨즈 보호 성능을 제공한다. 퓨즈(200)의 크기 및 체적 감소는 퓨즈(100)에 비해 그 구성에 사용되는 재료의 감소를 통해 중량 및 비용 절감에도 추가로 기여한다. 따라서, 퓨즈(200)는 그의 더 작은 치수 때문에 전기 차량 전력 시스템 응용 분야에 매우 바람직하다. 이제부터는 크기 및 부피 감소를 가능하게 하는 퓨즈(200)의 설계 및 엔지니어링에 대해 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4는 예시적인 전력 퓨즈(200)의 유사한 도면들이지만, 도 4에서는 하우징 (202)의 일부를 투명하게 도시해서 내부 구성을 내보이고 있다.

하나의 예시적인 실시예에서, 하우징(202)은 유리 멜라민과 같은 당해 기술 분야에 공지된 비도전성 재료로 제조된다. 원하는 다른 실시예에서는 하우징(202)에 적합한 그 밖의 다른 공지 재료가 대안으로 사용될 수 있다. 또한, 도시된 하우징(202)은 일반적으로 원통형 또는 관형이고, 도시된 예시적인 실시예에서 축 방향 길이 치수 L _H 및 L _T (도 2)에 수직인 축을 따라 대체로 원형인 단면을 갖는다. 그러나 하우징(202)은 필요하다면 대안적으로, 서로 직각으로 배치된 4 개의 측벽을 갖는 직사각형 형상을 포함하되 이에 한정되지 않고, 그래서 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는, 그 밖의 다른 형상으로 형성될 수 있다. 도시된 하우징(202)은 제 1 단부(210), 제 2 단부(212), 및 퓨즈 요소 조립체(208, 도 4 참조)를 받아들여서 수용하는 대향 단부들(210, 212) 사이의 내부 보어 또는 통로를 포함한다.

일부 실시예에서, 하우징(202)은 단자 블레이드(204, 206)를 하우징(202)으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 절연 개스킷 등을 필요로 하긴 하지만, 필요하다면 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다.

단자 블레이드들(204, 206)은 각각 하우징(202)의 각 대향 단부(210, 212)로부터 반대 방향으로 연장되고, 서로 대체로 동일한 평면 관계를 가지고 연장되도록 배치된다. 단자 블레이드들(204, 206) 각각은 의도된 실시예에서 구리 또는 황동과 같은 전기 도전성 재료로 제조될 수 있다. 원하는 다른 실시예에서는, 단자 블레이드들(204, 206)을 형성하기 위해 그 밖의 다른 공지된 도전성 재료를 대안적으로 사용할 수 있다. 각각의 단자 블레이드(204, 206)에는 도 3에 도시된 바와 같이 개구(aperture)(214, 216)가 형성되고, 이 개구들(214, 216)은 퓨즈(200)를 전기 차량의 제 위치에 고정시키는 볼트(도시되지 않음)와 같은 체결구를 받아들일 수 있으며, 단자 블레이드들(204, 206)을 통해 라인 및 부하 측 회로와 회로 도체와의 연결을 확립할 수 있다.

예시적인 단자 블레이드들(204, 206)이 퓨즈(200)를 위한 것으로 도시되고 설명되고 있지만, 추가 실시예들 및/또는 대안적 실시예들에서는 그 밖의 다른 단자 구조 및 배치가 마찬가지로 이용될 수 있다. 예를 들어, 개구(214, 216)는 일부 실시예에서는 선택적인 것으로 고려될 수 있고 생략될 수 있다. 도시된 바와 같은 단자 블레이드 대신에 칼날 접촉부가 제공될 수 있고, 이뿐만 아니라 당해 기술분야의 것들과 같은 페룰 단자 또는 단부 캡이 다양한 여러 유형의 종단의 선택적 예들을 제공할 것이라고 이해된다. 또한, 단자 블레이드들(204, 206)은 필요에 따라 이격되고 대체로 평행한 배향으로 배치될 수 있고, 도시된 것과 다른 위치에서 하우징(202)으로부터 돌출될 수 있다.

도 4 내지 도 6은 퓨즈 요소 조립체(208)를 투명한 것으로 도시되어 있는 호스의 일부분을 통해 다양한 유리한 지점에서 볼 수 있는 여러 도면들을 도시하고 있다. 퓨즈 요소 조립체(208)는 단부 플레이트(226, 228) 상에 제공된 단자 접촉 블록(222, 224)에 각각 연결되는 제 1 퓨즈 요소(218) 및 제 2 퓨즈 요소(220)를 포함한다. 단자 접촉 블록(222, 224)을 포함하는 단부 플레이트(226, 228)는 구리, 황동 또는 아연과 같은 전기 도전성 재료로 제조되지만, 그 밖의 다른 도전성 재료가 공지되어 있고, 다른 실시예에서는 그러한 그 밖의 다른 도전성 재료가 마찬가지로 사용될 수 있다. 퓨즈 요소(218, 210) 및 단자 접촉 블록(222, 224)의 기계적 및 전기적 연결은 납땜 기술을 포함하지만 이에 한정되지 않는 공지된 기술을 사용하여 확립될 수 있다.

다양한 실시예에서, 단부 플레이트(226, 228)는 단자 블레이드(204, 206)를 포함하도록 형성되거나, 단자 블레이드들(204, 206)이 개별적으로 제공되어 부착 될 수 있다. 단부 플레이트(226, 228)는 일부 실시예에서는 선택적인 것으로 고려될 수 있고, 퓨즈 요소 조립체(208)와 단자 블레이드(204, 206) 사이의 연결은 다른 방식으로 확립될 수 있다.

단부 플레이트(226, 228)를 하우징(202)에 대해 제 위치에 고정시키는 다수의 고정 핀(230)도 도시되어 있다. 한 예에서 고정 핀(230)은 강철로 제조될 수 있지만, 그 밖의 다른 재료가 공지되어 있어서, 필요하다면 그러한 다른 재료가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 핀(230)은 선택적인 것으로 고려될 수 있고, 그 밖의 다른 기계적 연결 기능부들을 위해 생략될 수 있다.

아크 소화 충전제 매체 또는 재료(232)가 퓨즈 요소 조립체(208)를 둘러싼다. 충전제 재료(232)는 플러그(234)(도 4)로 밀봉된 단부 플레이트들(226, 228) 중 한 플레이트의 하나 이상의 충전 개구를 통해 하우징(202)에 도입될 수 있다. 플러그(234)는 다양한 실시예에서 강철, 플라스틱 또는 그 밖의 다른 재료로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 충전 구멍 또는 충전 구멍들은, 충전제 재료(232)의 도입을 용이하게 하기 위해, 하우징 (202)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 위치에 제공될 수 있다.

하나의 의도된 실시예에서, 충전 매체(232)는 석영 실리카 모래 및 규산나트륨 결합제로 구성된다. 석영 모래는 느슨한 압축 상태에서 비교적 높은 열전도 및 흡수 용량을 가지지만, 개선된 성능을 제공하기 위해 실리카 처리될 수 있다. 예를 들어, 액체 규산나트륨 용액을 상기 석영 모래에 첨가한 다음 유리수를 건조시킴으로써, 다음의 이점을 갖는 규산염 충전제 재료(232)가 얻어질 수 있다.

상기 규산염 재료(232)는 퓨즈 요소(218 및 220), 석영 모래, 퓨즈 하우징(202), 단부 플레이트(226, 228), 및 단자 접촉 블록(222, 224)으로의 규산나트륨의 열전도 접합을 만들어낸다. 이러한 열 접합은 퓨즈 요소(218, 220)로부터 그의 주변, 회로 인터페이스, 및 도체로의 더 높은 열전도를 허용한다. 석영 모래에 규산나트륨을 적용하는 것은 퓨즈 요소(218, 220)로부터 열에너지 멀리 전도시키는 것을 돕는다.

규산나트륨은 모래를 퓨즈 요소, 단자, 및 하우징 튜브에 기계적으로 결합시켜, 이들 재료들 간의 열전도를 증가시킨다. 통상적으로, 모래만을 포함 할 수 있는 충전제 재료는 퓨즈 내의 퓨즈 요소들의 도전성 부분들과의 점접촉이 이루어지게 하는 반면, 충전제 재료(232)의 규산염화 모래는 퓨즈 요소들에 기계적으로 접합된다. 따라서, 퓨즈(100)(도 1)를 포함하지만 이에 한정되지 않으며 필적하는 성능을 제공하는 공지된 퓨즈에 비해, 퓨즈(200)의 실질적인 크기 감소를 부분적으로 용이하게 하는, 규산염화 충전제 재료(232)에 의해, 훨씬 더 효율적이고 효과적인 열전도가 이루어질 수 있다.

도 7은 퓨즈 요소 조립체(208)를 더 상세하게 도시하고 있다. 전력 퓨즈(200)는 조립체(208)의 퓨즈 요소 설계 특징, 즉 퓨즈(200)의 크기 감소를 더욱 용이하게 하는 특징으로 인해 더 높은 시스템 전압에서 작동할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 퓨즈 요소(218, 220) 각각은 일반적으로 전기 도전성 재료의 스트립으로부터, 경사진 부분(242, 244)에 의해 연결된 일련의 동일 평면 부분들(240)로 형성된다. 일반적으로 퓨즈 요소(218, 220)는 실질적으로 동일한 형상 및 기하 구조로 형성되지만, 조립체(208) 내에서 서로에 대해 반전된다. 즉, 도시된 실시예에서 퓨즈 요소들(218, 220)은 서로 거울상 관계로 배치된다. 다르게 말하면, 퓨즈 요소들(218, 220) 중 하나는 우측을 위로 하여 배향되고 다른 하나는 상측을 아래로 하여 배향되어, 결과적으로 밀집되고 공간을 절약할 수 있는 구성이 된다. 특정 퓨즈 요소의 기하 구조 및 배치가 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 그 밖의 다른 유형의 퓨즈 요소, 퓨즈 요소의 기하 구조, 및 퓨즈 요소의 배치가 가능하다. 퓨즈 요소(218, 220)는 모든 실시예에서 서로 동일하게 형성될 필요는 없다. 또한, 일부 실시예에서는 단일 퓨즈 요소가 사용될 수 있다.

도시된 예시적인 퓨즈 요소(218, 220)에 있어서, 경사 부분들(242, 244)이 평면 부분들(240)로부터 평면을 벗어나게 형성 또는 절곡되고, 경사 부분들(242)은 경사 부분들(244)과 동일하지만 반대인 기울기를 갖는다. 즉, 도시된 예에서, 경사 부분들(242) 중 하나는 양의 기울기를 가지며, 경사 부분들(244) 중 다른 하나는 음의 기울기를 갖는다. 경사 부분들(242, 244)은 도시된 바와 같이 평면 부분들(240) 사이에 쌍으로 배열된다. 단자 탭들(246)이 퓨즈 요소(218, 220)의 양쪽 대향 단부 상에 있는 것으로 도시되어 있고, 그래서 단부 플레이트(226, 228)로의 전기 연결은 전술한 바와 같이 확립될 수 있다.

도시된 예에서, 평면 부분들(240)은 당해 기술분야에서 약한 지점(weak spot)이라고 칭하는, 단면적이 감소된 복수의 영역을 한정한다. 도시된 예에서, 상기 약한 지점들은 평면 부분들(240) 내의 원형 개구들에 의해 한정된다. 상기 약한 지점은 인접한 개구들 사이의 부분(240)의 가장 얇은 부분에 대응한다. 상기 약한 지점의 상기 단면 감소 영역들은 전류가 퓨즈 요소(218, 220)를 통해 흐를 때 열 집중을 겪을 것이며, 약한 지점의 단면적은 퓨즈 요소(218, 220)가 특정된 전류 조건을 겪는 경우에 약한 지점의 위치에서 개방될 수 있게 전략적으로 선택된다.

각 부분(240)에 제공된 복수의 부분들(240)과 복수의 약한 지점들은 퓨즈 요소가 작동할 때에 아크 분할을 용이하게 한다. 도시된 예에서, 퓨즈 요소(218, 220)는 부분들(240)에 대응하는 하나가 아닌 세 위치에서 동시에 개방될 것이다. 도시된 예에 따르면, 450VDC 시스템에서, 퓨즈 요소가 퓨즈(200)를 통해 회로를 개방시키도록 작동할 때, 전기 아크가 부분들(240)의 세 위치에 걸쳐 분할되고, 각 위치에서의 아크는 450VDC 대신 150VDC의 아크 전위를 가지게 된다. 더욱이, 각 부분(240)에 제공된 복수의 약한 지점은 약한 지점의 전기 아크를 효과적으로 분할한다. 아크 분할은 충전제 재료(232)의 양을 감소되게 할뿐만 아니라 하우징(202)의 반경을 감소시킬 수 있게 하고, 이에 따라 퓨즈(200)의 크기를 감소시킬 수 있다.

평면 부분들(240) 사이의 절곡된 경사 부분들(242, 244)은 아크가 연소되도록 하기 위한 평탄한 길이부를 여전히 제공하지만, 절곡 각도는 상기 부분들(242, 244)이 위치하는 모서리에서 아크가 결합할 가능성을 피하기 위해 주의 깊게 선택되어야 한다. 절곡 경사 부분들(242, 244)은 또한 단자 탭들(246)의 말단부들 사이에서 평면 부분들(240)에 평행한 방향으로 측정된 퓨즈 요소 조립체(208)의 더 짧은 유효 길이를 제공한다. 상기 짧은 유효 길이는 퓨즈 요소가 굴곡 부분들(242, 244)을 포함하지 않는 경우에 요구되는 퓨즈(200)의 하우징의 축 방향 길이의 감소를 용이하게 한다. 절곡 경사 부분들(242, 244)은 또한 사용 시의 전류의 주기적 동작으로부터 유발되는 열팽창 피로 및 제조 피로로부터의 응력 완화를 제공한다.

높은 전력 취급 양상 및 고전압 작동 양상을 갖는 소형 퓨즈 포장을 유지하기 위해서는, 충전제(232)에 규산염화 석영 모래를 사용하고 그리고 위에서 설명한 바와 같은 형성된 퓨즈 요소의 기하 구조를 사용하는 것 외에, 특수한 요소 처리가 적용되어야 한다. 특히, RTV 실리콘 또는 UV 경화 실리콘과 같은 아크 차단 또는 아크 방벽 재료(250)의 적용은 퓨즈 요소(218, 220)의 단자 탭들(246)에 인접하게 적용된다. 가장 높은 백분율의 이산화규소(실리카)를 산출하는 실리콘이 단자 탭들(246) 근처에서 아크가 다시 연소되는 것을 차단하거나 완화시키는 데 있어 가장 잘 수행되는 것으로 밝혀졌다. 단자 탭들(246)에서의 어떠한 아크도 바람직하지 않고, 그에 따라, 아크 차단 또는 방벽 재료(250)는 단자 탭들(246)에 아크가 도달하는 것이 방지되도록 제공되는 위치들에서 퓨즈 요소(218, 220)의 전체 단면을 완전히 둘러싼다.

이제 도 8을 참조하면, 두 개의 퓨즈 요소 용융 메커니즘, 즉 고전류 작동(또는 단락 회로 결함)을 위한 메커니즘과 저전류 작동(또는 과부하 결함)을 위한 메커니즘을 사용함으로써 전 범위 시간-전류 작동이 달성된다. 이러하므로, 퓨즈 요소(218)는 때때로 단락 회로 퓨즈 요소라고 지칭되고, 퓨즈 요소(220)는 때때로 과부하 퓨즈 요소라고 지칭된다.

과부하 퓨즈 요소(220)는 본 실시예에서는 구리(Cu)로 제조되며 부분들(240) 중 하나의 약한 지점들에 근접하게 연장되는 퓨즈 요소에 순수 주석(Sn)이 가해지는 멧칼프 효과(Metcalf effect, "M 효과") 코팅(252)을 포함한다. 과부하 가열 동안, Sn과 Cu는 공융 재료가 형성될 수 있도록 함께 확산된다. 그 결과, 용융 온도가 Cu의 용융 온도와 Sn의 용융 온도 사이의 어느 온도인 낮은 온도이거나, 또는 의도된 실시예에서는 약 400℃이다. 따라서, M 효과 코팅(252)을 포함하는 부분(240)과 과부하 퓨즈 요소(220)는 단락 회로 퓨즈 요소(218)에 영향을 미치지 않을 전류 조건에 응답할 것이다. M 효과 코팅(252)이 과부하 퓨즈 요소(220)의 세 개의 부분들(240) 중 단지 한 부분의 대략 절반에 적용되지만, 필요하다면 M 효과 코팅은 상기 부분들(240) 중 추가적 부분들에 적용될 수 있다. 또한, M 효과 코팅은 도 8에 도시된 바와 같은 더 큰 코팅과는 대조되는 다른 실시예에서는 약한 지점들의 위치들에서만 지점으로서 적용될 수 있다.

낮은 단락 회로 통과 에너지는 단락 회로 퓨즈 요소(218)의 퓨즈 요소 용융 단면을 감소시킴으로써 달성된다. 이것은 추가된 저항 및 열로 인한 정격 전류 용량을 낮춤으로써 퓨즈 정격에 대한 부정적인 영향을 일반적으로 갖는다. 규산염화 모래 충전제 재료(232)는 퓨즈 요소(218)로부터 열을 더 효과적으로 제거하기 때문에, 이렇게 하지 않았을 때의 결과가 되는 전류 용량 손실을 보상한다. 도 9에는 퓨즈(200)의 예시적인 전류 제한 효과가 도시되어 있다.

도 10은 퓨즈(200)를 부하 전류 주기 피로에 쉽게 영향을 받게 하는 전기 차량 전력 시스템 응용 분야에서의 예시적인 구동 프로파일을 도시하고 있다. 더 구체적으로, 열적 기계적 응력은 퓨즈(200)가 구동 프로파일을 견딤에 따른 크리프 변형으로 인해 주로 퓨즈 요소의 약한 지점들에서 발달할 수 있다. 퓨즈 요소의 약한 지점들에 발생하는 열은 기계적 변형의 시작으로 이어지는 주요 메커니즘이다. 그러나 규산나트륨을 석영 모래에 적용하는 것은 열에너지를 퓨즈 요소의 약한 부분으로부터 멀리 전도시키는 데 도움이 되며, 기계적 응력과 변형을 줄여서 그렇지 않았을 때의 결과가 될 수 있는 부하 전류 주기 피로를 완화시킬 수 있다. 규산나트륨은 모래를 퓨즈 요소, 단자, 및 하우징에 기계적으로 결합시켜, 이들 재료들 간의 열전도를 증가시킨다. 약한 지점들에서 더 적은 열이 발생하고, 이에 따라 기계적 변형의 시작이 지연된다.

도 11은 500VDC의 전압 정격 및 150A의 전류 정격을 제공하도록 공학적으로 설계된 퓨즈(200)의 제 1 버전을 도시하고 있다. 도 11에서 볼 수 있듯이, 퓨즈는 13.33cm ³ 의 부피와, 본원에서는 단위 부피 당 퓨즈 암페어로 정의되는 150A/13.33cm ³ 또는 11.25A/cm ³ 의 전력 밀도를 갖는다.

도 12는 500VDC의 전압 정격 및 250A의 전류 정격을 제공하도록 공학적으로 설계된 퓨즈(200)의 제 2 버전을 도시하고 있다. 도 12에서 볼 수 있듯이, 증가된 전류 용량 정격은 도 11에 도시된 퓨즈보다 큰 퓨즈를 필요로 한다. 퓨즈의 체적은 26.86cm ³ 이고 전력 밀도는 250A/26.86cm ³ 또는 9.308A/cm ³ 이다.

도 13은 500VDC의 전압 정격 및 400A의 전류 정격을 제공하도록 공학적으로 설계된 퓨즈(200)의 제 3 버전을 도시하고 있다. 도 13에서 볼 수 있듯이, 증가된 전류 용량 정격은 도 12에 도시된 퓨즈보다 큰 퓨즈를 필요로 한다. 퓨즈의 체적은 39.85cm ³ 이고 전력 밀도는 400A/39.85cm ³ 또는 10.04A/cm ³ 이다.

전류 정격에 관계없이, 퓨즈(200)는 아래의 표 2에서 입증된 바와 같이 유사한 정격을 갖는 표준 가용 전력 등급 퓨즈들에 비하여 상당히 높은 전력 밀도를 나타낸다.

³ ) 당 퓨즈 암페어

기민한 독자라면, 유사한 정격의 UL 등급 T 퓨즈, UL 등급 J 퓨즈, 및 UL 등급 R 퓨즈에 비해 더 높은 퓨즈(200)의 전력 밀도는, 그와 동일한 정격의 UL 등급 T 퓨즈, UL 등급 J 퓨즈, 및 UL 등급 R 퓨즈와 대비되는 퓨즈(200)의 크기 감소가 반영된 것이라는 점을 인지할 것이다. 각 정격에서의 퓨즈(200)는 필적하는 전력 회로를 차단하도록 작동 가능한 종래의 퓨즈의 크기의 일부에 불과하다.

전술한 특징들은 위에서 증명된 바와 같은 소정의 정격을 갖는 퓨즈의 크기 감소를 달성하는 데 사용될 수 있거나, 혹은 대안적으로, 특정 크기를 갖는 퓨즈의 정격을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 즉, 전술한 특징들을 개별적으로 또는 조합하여 구현함으로써, 소정의 크기를 갖는 퓨즈의 전력 밀도가 증가될 수 있고, 더 높은 정격이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 유사한 크기를 갖는 더 높은 정격 퓨즈가 제공될 수 있도록 도 1에 도시된 종래의 퓨즈의 전력 밀도를 증가시킬 수 있다.

퓨즈(200)의 예시적인 전류 정격이 위에 기재되었지만, 다른 실시예에서는 여전히 다른 전류 정격 및 전류 용량이 가능하다는 것과, 그리고 이러한 것이 얻어지는 경우에는 전력 밀도의 또 다른 변동이 결과적으로 생길 수 있다는 것이 이해된다. 약한 지점들의 단면적을 증가 또는 감소시키고, 퓨즈 요소의 기하 구조를 변화시키고, 퓨즈 요소의 유효 길이를 증가 또는 감소시키고, 하우징 및 단자의 크기를 그에 맞게 변화시킴으로써, 상이한 전류 용량을 갖는 퓨즈들을 얻을 수 있다. 또한, 설명된 퓨즈(200)는 500V의 전압 정격을 가지지만, 그 밖의 다른 전압 정격이 가능하고, 이러한 다른 전압 정격은 퓨즈의 구성 요소들에 대한 유사한 수정으로 달성될 수 있다.

도 14는 전술한 고전압 전력 퓨즈(200)를 제조하는 예시적 방법(300)의 흐름도를 도시하고 있다.

이 방법은 단계 302에서 하우징을 제공하는 단계를 포함한다. 제공된 하우징은 전술한 하우징(202)에 대응할 수 있다.

단계 304에서, 적어도 하나의 퓨즈 요소가 제공된다. 상기 적어도 하나의 퓨즈 요소는 전술한 퓨즈 요소 조립체(208)를 포함할 수 있다.

단계 306에서, 퓨즈 단자들이 제공된다. 퓨즈 단자들은 전술한 단자 블레이드들(204, 206)에 대응할 수 있다.

단계 308에서는, 단계 302, 단계 304 및 단계 306에서 제공된 구성 요소들이 방법(300)의 나머지 단계에 대한 예비 단계로서 부분적으로 또는 완전히 조립될 수 있다.

추가의 예비 단계들로서, 단계 310에서 충전제 재료가 제공된다. 충전제 재료는 전술한 바와 같이 석영 모래 재료일 수 있다. 그러나 그 밖의 다른 충전제 재료들이 공지되어 있어서, 이들을 마찬가지로 사용할 수 있다.

단계 312에서, 규산염 결합제가 단계 310에서 제공된 충전제 재료에 가해진다. 한 예에서, 규산염 결합제는 충전제 재료에 규산나트륨 액체 용액으로서 첨가될 수 있다. 선택적으로, 규산염 재료는 수분을 제거하기 위해 단계 314에서 건조될 수 있다. 이어서, 단계 316에서 건조된 규산염 재료가 제공될 수 있다.

단계 318에서, 하우징은 단계 316에서 제공되어 퓨즈 요소 주위의 하우징 내에서 느슨하게 압축되는 규산염 충전제 재료로 충전될 수 있다. 선택적으로, 상기 충전제는 단계 320에서 건조된다. 퓨즈가 단계 322에서 밀봉됨으로써 조립체가 완성된다.

도 15는 전력 퓨즈(200)를 제조하는 또 다른 예시적인 방법(350)의 또 다른 흐름도를 도시하고 있다. 예비 단계들(302, 304, 306, 308)은 방법(300)에 있어서 위에서 설명한 단계들과 동일하다.

단계 352에서, 석영 모래와 같은 충전제 재료가 제공된다. 단계 354에서, 하우징은 단계 308의 조립체 내의 퓨즈 요소(들) 둘레에 제공되어 느슨하게 포장된 충전제 재료로 충전된다.

단계 356에서, 규산염 결합제가 가해진다. 상기 규산염 결합제는 하우징 내에 배치된 이후의 충전제 재료에 첨가될 수 있다. 이것은 위에서 설명한 바와 같이 단부 캡들(226, 228)에 제공된 충전 구멍(들)을 통해 액체 규산나트륨 용액을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 단계 354 및 단계 356은 하우징이 원하는 양 및 비율의 충전제와 규산염 결합제로 완전히 충전될 때까지 교대로 반복될 수 있다.

단계 358에서, 규산염화 충전제를 건조시켜 기계적 및 열전도 접합을 완성시킨다. 퓨즈는 전술한 충전 플러그들(234)을 설치함으로써 단계 360에서 밀봉될 수 있다.

방법(300)이나 혹은 방법(350)을 사용하여, 충전제 입자들, 하우징 내의 퓨즈 요소(들), 전술한 단부 플레이트들(226, 228) 및 접촉부들(222, 224)과 같은 임의의 연결 단자 구조체 사이의 열전도 접합을 확립한다. 규산염 충전제 재료는 사용 시에 퓨즈 요소를 냉각시키고 전술한 더 높은 전력 밀도를 용이하게 하는 효과적인 열전달 시스템을 제공한다.

도 16에 부분적으로 도시된 바와 같이, 충전제 재료(이 예에서는 석영 모래)의 입자(370)는 규산염 결합제(372)(이 예에서는 규산나트륨)와 함께 기계적으로 결합되고, 규산염 결합제(372)는 추가로 충전제 재료 입자(370)를 퓨즈 요소(218, 220)의 표면에 기계적으로 접합시킨다. 결합제(372)는 또한 충전제 입자(370)를 단부 플레이트(226, 228) 및 단자 접촉부(222, 224)의 표면뿐만 아니라 하우징(202)의 내부 표면에 기계적으로 접합시킨다. 이러한 요소들의 상호 접합은, 퓨즈의 하우징 내에서 느슨하게 압축될 때 단순히 점접촉을 확립하는 것인, 종래 기술에서 적용되고 있는 비규산염화 충전제보다, 열을 전달하는 데 있어 훨씬 더 효과적이다. 규산염화 충전제 입자에 의해 확립된 열전도 접합의 증가된 유효성은 퓨즈 요소들(218, 220)로 하여금 이와 다르게 가능한 경우보다 더 높은 전압 상태 및 더 높은 전류 상태를 견딜 수 있게 한다.

도 17은 도 2에 도시된 전력 퓨즈(200)용 예시적인 단자 조립부품 조립체(terminal fabrication assembly)(400)의 사시도이다. 도시된 예에서, 단자 조립체(400)는, 상기한 바와 같은 재료를 가지고 독립적인 피스(piece)로 제조되어 별도로 제공되게 형성된, 단자(204)와 단부 플레이트(226)를 포함한다. 단자(204)는 단부 플레이트(226)에 형성된 개구(404) 내에 수용되는 커넥터 부분(402)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 단자(204) 피스 및 단부 플레이트(226) 피스를 공지된 형성 기술을 이용하여 각각 형성한 후에, 커넥터 부분(402)을 단부 플레이트(226)의 개구(404)를 통과시키고, 그 다음 상기 두 부품을, 용접 및 납땜 공정을 포함하되 이에 국한되지 않는 공지된 기술을 이용하여, 서로 기계적 및 전기적으로 결합시킨다. 2 피스 조립체(400)는 단자와 단부 플레이트가 단일 피스로 제조되는 실시예에 비해 경제적인 조립체를 제공한다.

2 피스 조립체(400)가 조립될 때, 커넥터 부분(402)은 단부 플레이트(226)를 완전히 통과하고, 또한 커넥터 부분(402)은 이것이 삽입되는 단부 플레이트(226)의 반대 측면에서 연장된다. 이러한 배치에 있어서, 단자 피스의 단자(204)의 커넥터 부분(402)은 단부 플레이트(226)의 한 측면 상에서 연장되는 반면, 개구(214)를 포함하는 단자 블레이드는 반대 측면에서 연장된다. 이와 같이, 단부 플레이트(226)에 조립되었을 때의 커넥터 부분(402)은 결국에 가서는 퓨즈 요소 조립체(208)의 한 단부에 연결되는 접촉 블록(222)(도 5에 도시됨)으로서 효과적으로 기능한다. 그러나, 다른 실시예에서 접촉 블록(222)은 단부 플레이트(226) 상에 제공될 수 있거나, 혹은 또 다른 실시예에서 접촉 블록(222)은 별도로 제조되어서 제공되는 단자 피스 및 단부 플레이트와 조립될 수 있는 제 3 피스로서 제공될 수 있다.

하나의 단자 조립체(400)가 단자(204) 및 단부 플레이트(226)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 도시된 단자(400)에 대향된 퓨즈(200)의 단부에 결합된 단자(206) 및 단부 플레이트(228)로서 역할을 하는 또 다른 단자 조립체(400)가 제공될 수 있다. 즉, 전력 퓨즈(200)는 퓨즈 요소 조립체(208)가 사이에 연결되어 있는 퓨즈 하우징(202)의 대향 단부들에 실질적으로 동일한 단자 조립체들(400)이 구비되어 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단자 조립체들은 요구된다면 퓨즈 하우징(202)의 대향 단부들에서 서로 다르게 할 수 있지만, 이는 제조비용을 증가시킬 수 있다.

도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 도 17에 도시된 단자 조립체 (400)를 포함하는 전력 퓨즈(200) 제조의 예시적인 단계들을 도시한다. 이들 도면은 도 14 및 도 15에 도시된 단계 302 내지 단계 308에 도시된 방법의 단계들을 더 구체적으로 도시하고 있다.

도 18a에서, 길이 방향 주요 부분(412), 상기 주요 부분(412)으로부터 각각의 단부가 수직으로 연장되는 측 방향 부분들(414, 416), 및 상기 주요 부분(412)에 평행하게 연장되고 상기 측 방향 부분들(414, 416)의 각각의 단부로부터 서로를 향하여 연장되는 조립체 다리들(418, 420)을 포함하는 조립체 프레임(410)이 마련된다. 조립체 프레임(410)은 시각적인 유사성 때문에 때때로 C-프레임이라고 칭한다. 도시된 예에서, 조립체 다리(420)는 조립체 다리(418)보다 길고, 다음에 설명되는 퓨즈(200)의 조립이 용이하도록 조립체 다리(418, 420)의 단부들 사이에서 간극이 연장된다.

도 18a에서, 퓨즈 하우징(202)은 프레임(410)의 긴 조립체 다리(420) 위로 연장되는 것으로 도시되어 있다. 단자 조립체들(400)이 전술한 바와 같이 조립되고, 각각의 조립체 다리(418, 420)에 부착된다. 예시된 실시예에서, 조립체 프레임(410)의 조립체 다리(418, 420)는 단자 블레이드(204, 206)의 개구(214, 216)를 통과하는 체결구들(424)을 수용하는 개구들을 포함한다. 예를 들어, 체결구(426)는 조립체 다리(418, 420)의 반대 측면 상의 각각의 너트와 결합될 수 있는 나사일 수 있다. 너트가 조여질 때, 단자 블레이드(204, 206)는 각각의 조립체 다리(418, 420)에 고정된다. 도 18a에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 단자 조립체(400)의 커넥터 부분들(402)은 서로 마주보며 서로 정렬된다. 퓨즈 요소 조립체(208)가 조립될 수 있는 커넥터 부분들(402) 사이에서 간극이 연장된다. 상기 간극은 퓨즈 조립체(208)의 유효 길이를 수용하도록 사전에 결정되지만 그 유효 길이 이하이다. 도 18b는 단자 조립체들(400) 사이에 구성된 퓨즈 요소 조립체(208)를 도시한다. 전술한 퓨즈 요소의 단자 탭들(246)(도 7)이 단자 조립체들(400)의 커넥터 부분(402)(도 18a)에 기계적 및 전기적으로 결합된다.

도 18c에서, 하우징(202)이 조립체 다리(420) 상의 그의 초기 위치(도 18a)로부터 퓨즈 요소 조립체(208)를 둘러싸는 그의 최종 위치까지 활주 가능하게 이동된다. 하우징(202)은 의도된 실시예에서는 핀(230)(도 4에도 도시됨)을 통해 제 위치에 고정될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 전술한 바와 같은 하우징(202)은 필요에 따라서 당해 기술분야에 공지된 다른 기술을 통해 제 위치에 고정될 수 있다. 그 다음, 규산염화 충전제 재료를 적용하고 퓨즈를 밀봉하는 것과 관련된 도 14 또는 도 15에 도시된 방법의 나머지 부분은 퓨즈 하우징(202)이 제 위치에 놓인 후에 완료될 수 있다.

도 18d는 조립체 프레임(410)으로부터 제거된 완성된 전력 퓨즈(200)를 도시한다. 체결구(422, 424)(도 18a)는 조립체 프레임(410)으로부터 퓨즈(200)가 분리될 수 있도록 하기 위해 쉽게 제거된다. 조립체 프레임(410)으로부터의 분리는 규산염화 충전제 적용이 완료된 후, 퓨즈의 밀봉이 완료된 후, 또는 임의의 시점 이전에 발생할 수 있다. 즉, 조립체가 조립체 프레임(410)으로부터 분리되는 동안, 규산염화 충전제의 적용 및 퓨즈의 밀봉이 전체적으로 또는 부분적으로 발생할 수 있다.

도 19는 전력 퓨즈(200)용 대안적인 단자 조립부품(terminal fabrication)(430)의 사시도이다. 도 19에 도시된 바와 같이, 조립부품(430)은 단자(204), 단부 플레이트(226), 및 접촉 블록(222)(도 19에 도시되지 않음)을 포함하도록 기계 가공되는 단일 피스 재료를 포함한다. 상기 단일 피스 조립부품은 하나의 부품 수준에서 도 17에 도시된 2 피스 조립부품보다 생산 비용이 더 비싸지만, 2 피스 단자 조립체를 납땜 또는 용접을 통해 조립 및 고정하는 필요성을 없애 줌으로써 퓨즈(200)의 조립을 단순화한다. 단일 피스 단자 조립부품(430)은 도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d의 2 피스 조립부품(400)을 대체해서 감소된 수의 공정 단계로 퓨즈(200)를 만들 수 있다.

단일 피스 단자 조립부품(430)의 높은 부품 비용은 허용되는 낮은 조립 비용에 의해 상쇄될 수 있다. 단일 피스 조립부품(430)은 전술한 2 피스 조립부품(400)에 비해 성능상의 이점들, 즉 조립된 퓨즈(200)의 전기 저항 감소 및 열 흐름 개선을 추가로 제공한다. 단일 피스 단자 조립부품(430)의 개선된 열 흐름 및 감소된 저항은 전술한 다른 특징들과 조합되어서, 전술한 것과 같은 응용 분야에 있어서의 높은 전류 및 전압에서도 성능이 여전히 잘 발휘되게 하면서 퓨즈의 물리적 크기를 감소시킬 수 있게 한다.

도 20은 도 17에 도시된 단자 조립부품 조립체(400)에 대한 대안적인 단자 조립부품 조립체(440)의 사시도이다. 조립체(400)와 마찬가지로, 조립체(440)는 전술한 것과 같은 재료를 가지고 별도로 독립되게 제조된 2 개의 피스를 포함한다.

단자 조립부품 조립체(440)의 제 1 피스는 접촉 블록(222)을 포함하도록 형성된 단부 플레이트(226)로 인식될 수 있다. 즉, 단부 플레이트(226)와 접촉 블록(222)은 도시된 형상으로 기계 가공되는 단일 피스 재료를 가지고 제조된다. 도시된 예에서, 단부 플레이트(226)에는 이 단부 플레이트(226)의 둥근면을 직경 방향으로 가로질러 연장되는 슬롯(441)이 형성된다. 슬롯(441)은 후술하는 제 2 단자 피스의 일부를 수용한다.

제 2 단자 피스(442)는 도 20에서는 제 1 평면에서 연장되는 제 1 부분(444) 및 제 1 평면에 수직 인 단면 평면에서 연장되는 제 2 부분(446)을 구비하는 블레이드 단자로서 도시되어 있다. 이와 같이, 블레이드 단자(442)는 단자 블레이드(442)가 L형이 되도록 직각 절곡부를 포함한다. 제 1 부분(444)은 제 2 부분(446)보다 축 방향에서 짧다. 제 1 부분(444)의 말단부(448)는 도시된 예에서는 이 말단부(448)가 슬롯(441)에 삽입될 때 단부 플레이트(226)와의 기계적 및 전기적 연결을 용이하게 하는 탭을 포함하고, 2 개의 부품들은 의도된 실시예에서는 용접 또는 납땜 기술을 사용하여 결합된다. 도 20에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 슬롯(441)은 부품들이 결합될 때에 그 슬롯이 수용하는 부분(444)보다 넓다.

도 20에서는 하나의 단자 조립체(440)가 단자(442) 및 단부 플레이트(226)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 도 21에 도시된 퓨즈(200)의 대향 단부에 조립되어 결합될 수 있는 단부 플레이트(228) 및 유사한 단자(442)를 포함하도록 한 또 다른 단자 조립체(440)가 제공될 수 있다. 즉, 전력 퓨즈(200)는 퓨즈 요소 조립체(208)가 사이에 연결되어 있는 퓨즈 하우징(202)의 대향 단부들에 실질적으로 동일한 단자 조립체들(440)이 구비되어 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단자 조립체들은 요구된다면 퓨즈 하우징(202)의 대향 단부들에서 서로 다르게 할 수 있지만, 이는 제조비용을 증가시킬 수 있다.

도 21에서 볼 수 있는 바와 같이, 블레이드 부분들(446)이 퓨즈 하우징(202)의 대향 단부들에서 일반적으로 이격되어 있되 서로 평행한 관계로 연장된다. 이러한 단자 배치는 때로는 전기 차량 제조업체에 의해서 도 2 내지 도 6과 도 17 내지 도 18에 도시된 블레이드 단자(204, 206)에 비해 선호될 수 있다.

도 22는 도 20 및 도 21에 도시된 조립체(440)에 대한 대안적인 단자 조립부품(460)의 사시도이다. 도 19에 도시된 조립부품(430)과 유사하게, 조립부품(460)은 단자(442), 단부 플레이트(226), 및 접촉 블록(222)을 포함하도록 기계 가공되는 단일 피스 재료를 포함한다. 상기 단일 피스 조립부품은 하나의 부품 수준에서 도 20에 도시된 2 피스 조립부품보다 생산 비용이 더 비싸지만, 2 피스 단자 조립체를 납땜 또는 용접을 통해 조립 및 고정하는 필요성을 없애 줌으로써 퓨즈(200)의 조립을 단순화한다. 단일 피스 단자 조립부품(460)은 2 피스 조립부품(430)을 대체해서 감소된 수의 공정 단계로 퓨즈(200)를 만들 수 있다.

단일 피스 단자 조립부품(460)의 높은 부품 비용은 허용되는 낮은 조립 비용에 의해 상쇄될 수 있다. 상기 단일 피스 조립부품(460)은 전술한 2 피스 조립부품(430)에 비해 성능상의 이점들, 즉 조립된 퓨즈의 전기 저항 감소 및 열 흐름 개선을 추가로 제공한다. 단일 피스 단자 조립부품의 개선된 열 흐름 및 감소된 저항은 전술한 다른 특징들과 조합되어서, 전술한 것과 같은 응용 분야에 있어서의 높은 전류 및 전압에서도 성능이 여전히 잘 발휘되게 하면서 퓨즈(200)의 물리적 크기를 감소시킬 수 있게 한다.

도 23a, 도 23b, 도 23c, 도 23d 및 도 23e는 도 22에 도시된 단자 조립부품(460)을 포함하는 전력 퓨즈(200)의 제조의 예시적인 단계들을 도시하고 있다. 이들 도면은 도 14 및 도 15에 도시된 단계 302 내지 단계 308에 도시된 방법의 단계들을 더 구체적으로 도시하고 있다.

도 23a에서, 때때로 C-프레임이라고 칭하는 조립체 프레임 (410)이 도 18a와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 제공된다. 도 23a에서, 퓨즈 하우징(202)은 프레임(410)의 긴 조립체 다리(420) 위로 연장되는 것으로 도시되어 있다. 단자 조립부품들(460)은 전술한 바와 같이 단일 피스로서 형성되고, 공지된 체결구에 의해 조립체 프레임(410)의 각 조립체 다리(418, 420)에 부착된다. 도 23a에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 단자 조립체(460)의 접촉 블록들(222, 224)은 서로 마주보며 서로 정렬된다. 퓨즈 요소 조립체(208)가 조립될 수 있는 접촉 블록들(222, 224) 사이에서 간극이 연장된다. 상기 간극은 퓨즈 조립체(208)의 유효 길이를 수용하도록 사전에 결정되지만 그 유효 길이 이하이다.

도 23b는 단자 조립부품들(460) 사이에 구성된 퓨즈 요소 조립체(208)를 도시한다. 전술한 퓨즈 요소의 단자 탭들(246)(도 7)이 단자 조립부품들(460)의 연결 블록들(222, 224)(도 23a)에 기계적 및 전기적으로 결합된다.

도 23c에서, 하우징(202)이 프레임(410)의 조립체 다리(420) 상의 그의 초기 위치(도 23a)로부터 퓨즈 요소 조립체(208)를 둘러싸는 그의 최종 위치까지 활주 가능하게 이동된다. 하우징(202)은 의도된 실시예에서는 핀(230)(도 4에도 도시됨)을 통해 제 위치에 고정될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 전술한 바와 같은 하우징(202)은 필요에 따라서 당해 기술분야에 공지된 다른 기술을 통해 제 위치에 고정될 수 있다. 그 다음, 규산염화 충전제 재료를 적용하고 퓨즈를 밀봉하는 것과 관련된 도 14 또는 도 15에 도시된 방법의 나머지 부분은 퓨즈 하우징(202)이 제 위치에 놓인 후에 완료될 수 있다.

도 23d는 조립체 프레임(410)으로부터 제거 또는 분리된 완성된 전력 퓨즈(200)를 도시한다. 조립체 프레임(410)으로부터의 분리는 규산염화 충전제 적용이 완료된 후, 퓨즈의 밀봉이 완료된 후, 또는 임의의 시점 이전에 발생할 수 있다. 즉, 조립체가 조립체 프레임(410)으로부터 분리되는 동안, 규산염 충전제의 적용 및 퓨즈의 밀봉이 전체적으로 또는 부분적으로 발생할 수 있다.

도 23e는 부분(444)으로부터 수직으로 연장되는 부분(446)을 형성하도록 절곡되는 각 단자 조립부품(460)의 단자들(442)을 도시하고 있다. 즉, 단자들(442)은 직각 절곡부를 포함하도록 한 형상으로 형성된다. 퓨즈(200)는 이제 완성되어서 사용 준비가 되어 있다. 일부 실시예에서 단자(442)를 사전에 절곡하고 상기 단계를 생략하는 것이 의도될 수 있다. 단자(442)를 사전에 절곡시키는 그러한 실시예에서, 퓨즈(200)를 경제적인 방식으로 제조하는 데에 다른 조립체 프레임(410)이 필요할 수 있다.

개시된 발명 개념의 이점들은 개시된 예시적인 실시예들과 관련하여 이제 충분히 입증 된 것으로 생각된다.

전력 퓨즈의 일 실시예가 개시되었는데, 이 전력 퓨즈는 하우징; 하우징에 결합된 제1 및 제2 단자 조립부품들, 여기서 단자 조립부품들 각각은 단부 플레이트와 단자를 포함하고, 그리고 상기 단자 조립부품 각각은 단일 피스 조립체 및 2 피스 조립체 중 어느 하나임; 상기 하우징 안에서 연장되며 상기 제1 단자 조립부품과 제 2 단자 조립부품 사이에서 연장되는 적어도 하나의 퓨즈 요소; 및 상기 하우징 내에서 적어도 하나의 퓨즈 요소를 둘러싸며 퓨즈 요소 조립체에 기계적으로 접합되는 충전제를 포함한다.

선택적으로, 상기 단자는 블레이드 단자일 수 있다. 블레이드 단자는 직각 절곡부를 포함할 수 있다. 블레이드 단자는 개구를 포함할 수 있다. 단자 조립부품은 단일 피스를 포함할 수 있으며, 충전제는 규산나트륨 모래(sodium silicated sand)를 포함할 수 있다.

적어도 하나의 퓨즈 요소는 선택적으로 단락 회로 퓨즈 요소 및 과부하 퓨즈 요소를 포함할 수 있다. 단락 회로 퓨즈 요소 및 과부하 퓨즈 요소는 서로 거울상으로 하우징 내에 배치된 실질적으로 동일하게 형성된 가용성 요소일 수 있다. 단락 회로 퓨즈 요소 및 과부하 퓨즈 요소 각각은 복수의 경사 부분들에 의해 분리된 복수의 실질적 동일 평면 부분을 포함할 수 있다. 상기 복수의 실질적 동일 평면 부분들 각각이 복수의 약한 지점을 한정하는 복수의 개구를 포함할 수 있다. 상기 과부하 퓨즈 요소의 적어도 일부에 M 효과 처리부가 제공될 수 있다. 상기 단락 회로 퓨즈 요소의 적어도 일부 및 상기 과부하 요소의 적어도 일부에 아크 차단재가 제공될 수 있다.

퓨즈는 선택적으로 적어도 500VDC의 전압 정격을 가질 수 있다. 하우징은 원통형일 수 있고, 약 1.5인치 내지 약 3인치의 축 방향 길이를 가질 수 있다. 퓨즈는 적어도 150A, 적어도 250A, 또는 적어도 400A의 전류 정격을 가질 수 있다. 퓨즈는 적어도 9.0A/cm ³ 의 전력 밀도를 나타낼 수 있다. 퓨즈는 약 11.25A/cm ³ 의 전력 밀도를 나타낼 수 있다.

전 범위 전력 퓨즈의 일 실시예도 개시되어 있는데, 이 전 범위 전원 퓨즈는 대향하는 제 1 및 제 2 단부를 포함하는 하우징; 각각의 제 1 및 제 2 단부에 연결된 제 1 및 제 2 단부 플레이트; 각각의 제 1 및 제 2 단부 플레이트로부터 연장되는 제 1 및 제 2 단자; 상기 하우징 내에서 연장되고 상기 단부 플레이트들 각각에 연결된 전 범위 퓨즈 요소 조립체; 및 하우징 내의 적어도 하나의 퓨즈 요소를 둘러싸며, 상기 퓨즈 요소 조립체, 상기 하우징, 및 상기 제 1 및 제 2 단자에 기계적으로 접합되는 충전제를 포함하고, 상기 적어도 제 1 단부 플레이트와 제 1 단자는 단일 피스 조립부품에 의해 한정된다.

선택적으로, 상기 제 1 단자는 단자 블레이드를 포함할 수 있다. 단자 블레이드는 직각 절곡부를 포함할 수 있다. 제 1 단부 플레이트는 퓨즈 요소 조립체가 연결되는 접촉 블록을 포함한다. 충전제는 규산나트륨 모래를 포함할 수 있다. 전 범위 퓨즈 조립체에는 아크 차단재가 구비될 수 있다. 퓨즈 요소 조립체는 적어도 500VDC의 전압 정격을 가질 수 있다. 비도전성 하우징은 원통형일 수 있고, 상기 원통형 하우징은 약 1.5인치 내지 약 3인치의 축 방향 길이를 가질 수 있다. 퓨즈 요소 조립체는 약 150A 내지 약 400A 범위의 전류 정격을 가질 수 있다. 퓨즈는 적어도 약 9.0A/cm ³ 내지 적어도 약 11.0A/cm ³ 의 전력 밀도를 나타낼 수 있다.

조립체 프레임을 이용한 고전압 전원 퓨즈 제조 방법으로서, 상기 프레임은 제 1 및 제 2 조립체 다리를 포함하고, 상기 퓨즈는 하우징과, 전 범위 퓨즈 요소 조립체와, 제 1 및 제 2 단자 조립부품을 포함하는, 제조 방법. 상기 방법은, 조립체 프레임의 제 1 조립체 다리 위에 하우징을 삽입하는 단계; 조립체 프레임의 제 1 조립체 다리에 제 1 단자 조립부품을 조립하는 단계; 조립체 프레임의 제 2 조립체 다리에 제 2 단자 조립부품을 조립하는 단계; 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 간극 안에 전 범위 퓨즈 요소 조립체를 연결하는 단계; 하우징을 전 범위 조립체 위에서 활주시키는 단계; 전 범위 퓨즈 요소 조립체를 둘러싸도록 하우징을 제 위치에 고정하는 단계; 및 조립된 하우징과 전 범위 퓨즈 요소와 제 1 및 제 2 단자에 규산염화 충전제 재료를 가하여서, 조립된 하우징과 전 범위 퓨즈 요소와 제 1 및 제 2 단자와 규산염화 충전제 재료 사이에 기계적 접합이 확립되도록 하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 조립체 프레임의 제 1 조립체 다리에 제 1 단자 조립부품을 조립하는 단계는 단부 플레이트 및 단자를 포함하는 단일 피스 단자 조립부품을 제공하는 단계와, 조립체 프레임의 제 1 조립체 다리에 상기 단자를 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 조립체 프레임의 제 2 조립체 다리에 제 2 단자 조립부품을 조립하는 단계는, 단부 플레이트를 형성하는 제 2 단자 부품에, 단자를 형성하는 제 1 단자 부품을 조립하는 단계; 및 조립체 프레임의 제 2 조립체 다리의 제 1 단자 부품을 고정하는 단계도 또한 포함한다.

제 1 및 제 2 단자 조립부품 각각은 선택적으로 단자 블레이드를 포함할 수 있고, 이 때 상기 방법은 상기 단자 블레이드들 중 적어도 하나에 직각 절곡부를 형성하는 단계를 더 포함한다.

규산염화 충전제 재료를 가하는 단계는 충전제 재료에 규산염 결합제를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 충전제 재료에 규산염 결합제를 첨가하는 단계는 규산염 결합제를 석영 모래에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 규산염 결합제를 실리카 모래에 첨가하는 단계는 규산나트륨 결합제를 석영 모래에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 규산염 결합제를 충전제 재료에 첨가하는 단계는 규산염 결합제 액체 용액을 첨가하여 충전제 재료와 규산염 결합제의 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 혼합물을 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

이 설명서는, 본 발명을 개시하기 위한 최선의 형태를 포함하며 또한 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위하여 임의의 장치 또는 시스템을 제작 및 사용하는 것과 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는, 예들을 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 생각해내는 그 밖의 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은, 청구범위의 문언과 다른 구조적 요소를 갖는 경우, 또는 청구범위의 문언과 실질적으로 다르지 않은 다른 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 한다.