本发明涉及到一种限流熔断器的制造方法，该熔断器含有一个导电的可熔断元件，该可熔断元件由无孔硬材料制成的外壳紧密地围绕着，特别是高密度陶瓷。 一般来讲，熔断器是一种电气装置，设计用来导通电流和在电流达到一预定值时遮断该电流，为了防止电路上的过高电流。在故障电流达到它的最大幅值以前，非常高的故障电流就被遮断。一般，熔断器是为了防止危险，限制故障电路中电能的传送。
惯用的高能限流熔断器通常含有一由玻璃纤维或者陶瓷制成的电绝缘的，并由金属封装其二端的管体。这样的封装构成熔断器在被保护电路中的连接端。这种惯用的熔断器至少也含有一个线状或带状形式的导电的可熔断元件，该元件两端分别和两个金属封装端相接。可熔断元件由银，铜，铝等类似金属制成，并被电弧阻塞剂环绕，一般由充满绝缘管的石英砂组成。
当故障电流流过可熔断元件时，元件的金属受热并达到由其几何形状决定的位置上的熔点。然后产生电流遮断电弧，它的阻抗增加足以使电弧电压高于电源电压的数值。当电弧电压有一与电源电压相反的极性时，它促使故障电流变到零值。故障电流下降的这种特点与电弧阻塞剂地特性紧密相关。
当石英砂具有低的热传导率并仅充满绝缘管内部分空间（大约70%）时，导致由电弧产生的热消散量小，因此熔断器遮断电流的时间和熔断器能量的传递增加。由于电弧，可熔断元件的金属被蒸发并产生一内部压力。所产生的内部压力移动石英砂颗粒形成一个大于可熔断元件最初尺寸的空洞。导致电弧电压慢速上升，遮断电流所需的时间增加。
为了增加石英砂的热传导率和机械硬度，美国专利3，838，375（FRIND et AL），1974、9、24颁布，和4、003、129（KOCH et AL）1977、1、18颁布，揭示了借助于无机粘合剂将石英砂粘住。粘合剂是这样选择的，不影响电弧阻塞剂的疏松度。同惯用的利用典型塞充砂料的熔断器相比，利用粘合石英砂为电弧阻塞剂的熔断器，获得了性能上的改进。
本发明的目的仍是改进限流熔断器，特别是高能限流熔断器的性能，通过由无孔硬质材料特别是陶瓷来替代有或没有无机粘合剂的石英砂。该无孔硬质材料紧密围绕可熔断元件并在电弧的高温状态下表现强的绝缘电阻率，对电弧产生的压力和高温的冲击有强的耐力。
更确切地说，按照本发明，所提供的熔断器含有（a）一设计用来导通电流及当电流达到一预定值时熔断并遮断电流的可熔断元件，（b）紧密围绕可熔断元件由无孔硬质材料制成的灭弧外壳，（c）在外壳上安装的一对端子，与可熔断元件相互连接，为在电路中防止过电流给可熔断元件提供联接。如前面已述的，外壳的硬质材料，在可熔断元件熔化，外壳内产生电弧的高温时，具有较高的绝缘电阻率，以及在电弧所产生的压力和高温的冲击下有强的耐力。
更可取的是，外壳的硬质材料为象Al2O3和BeO这样的陶瓷。这样的陶瓷表现更高的热传导率和比热，并能迅速吸收外壳内由电弧产生的热量。
如将要详细描述的，同现有技术中熔断器相比，具有对于电弧的高温强的耐力以及强的机械耐力的陶瓷使电弧电压较快地上升。因此能很快遮断故障电流。
按照本发明，在此还提供了限流熔断器的制造方法，它包括几步：（a）产生一可熔断元件，它被设计用来导通电流和在电流达到一给定值时熔化并遮断电流，（b）制造一由无孔硬质材料造的外壳并确定一和可熔断元件有相同形状和尺寸的空腔，（c）把可熔断元件插到外壳内确定的空腔中使得硬质材料紧密围绕该可熔断元件，（d）安置一对与可熔断材料相连的端子在外壳上，该对端子对于在电路中防止过电流，为可熔断元件提供联接端。再者，外壳的硬质材料在可熔断元件熔化，外壳内产生的电弧的高温时具有高绝缘电阻率，以及对于电弧引起的压力和高温的冲击有较强的耐力。
可取的是，在外壳上安置一对端子的步骤包含对外壳两端进行金属化的步骤。
按照本发明的最佳实施例，可熔断元件是细长的，生产外壳的步骤包括：产生两个由无孔硬质材料制成的互补的部件，每个部件具有相互接触的表面，两个互补部件之一的接触面含有一个有与可熔断元件相同形状和尺寸的凹槽。可熔断元件插入步骤包括把可熔断元件插入凹槽并将两个互补部件通过它们接触面的结合而被装配。
按照本发明的另一方面，提供另一种制造限流熔断器的方法，包括生产一个由无孔硬质材料造的外壳和确定一空腔的步骤，这些材料在高温下有高的绝缘电阻率，以及在内部压力和高温冲击下有强的耐力。该制造限流熔断器的方法进一步包括一个在外壳的凹槽内注入熔化金属形成可熔断元件的步骤，该元件设计用来导通电流和在电流达到一给定值时，熔化并遮断电流，和一个在外壳上安置一对连续可熔断元件的端子的步骤，这对端子在电路上为防止过电流而给可熔断元件提供连接端。
按照限流熔断器后一个制造方法的优选实施例，生产外壳的步骤包括采用具有高熔点金属部件形成外壳内的空腔。
按照本发明，一个玻璃纤维或陶瓷造的护套，可以围绕在熔断器的外壳上，用以增加熔断器产品的刚性。
本发明的主题，优点和其他特征在阅读下面不受限制的最佳实施例的说明以后变得更加明显，参考相应附图仅仅是为了说明的目的。
图1描述的是按照本发明的熔断器的纵向剖视图，包括一个由高密度硬质陶瓷制造的紧紧围绕可熔断元件的外壳。
图2a是描述可熔断元件熔断前，图1所示的熔断器的物理状态
图2b是描述可熔断元件熔断后，图1所示的熔断器的物理状态。
图3表示一典型的波形图，说明电流遮断期间按照本发明的熔断器的工作;
图4、5a和5b是表明相对于现有技术按本发明的熔断器的优点的图示;
图6是说明制造按照本发明的熔断器的陶瓷外壳的第一种方法;
图7说明制造按照本发明的熔断器的陶瓷外壳的第二种方法;
图8a和8b说明制造按照本发明的熔断器的陶瓷外壳的第三种方法;
图9和10说明制造按照本发明的熔断器的方法，在此，通过在向陶瓷外壳中形成的空腔内注入熔化金属来形成可熔断元件。
本发明的高能限流熔断器，如图1的纵向剖视图所示，包括一个带状形式的金属熔断元件1。该可熔断元件包括至少一个宽度方向上的缩口（例如，图1中示出三个这样的宽度方向上的缩口），在该点上的可熔断元件的熔断产生一个电弧。当然，元件1的宽度方向的缩口2范围内首先是容易熔断的。的确，由于减少它们的横截面面积，当电流流过时，迅速加热。
带状式的元件1的宽度方向上，可熔断元件熔断产生电弧的缩口数量能按照给定运行的需要变化，并以常规方法来选择。通过在组成元件1的金属带状物上打孔来代替图1所示的宽度方向上的缩口2也是众所周知的。
下面是关于一个电流遮断电弧的解释，但是，它可适于包括一组宽度方向上的缩口或一组穿孔的带状形式的可熔断元件上的每一个电弧的解释。
熔断元件1由无孔硬陶瓷制成的外壳紧密环绕。虽然硬陶瓷象Al2O3和BeO特别适合于生产外壳3，但其它无孔的和具有下列特征的陶瓷也可以使用。
（a）对于内部压力的冲击有强的耐力;
（b）对于高温的冲击有强的耐力;
（c）在高温下有较高的绝缘电阻率，并且有
（d）高的温度传导率和高的比热。
陶瓷外壳3必须有充分的尺寸来承受内部压强和高温的冲击，这是由电流遮断产生的电弧所引起的，即不能破碎也不能膨胀。在此形成一个高度不可渗透的封闭体。另一方面外壳3也能减少尺寸，但是要由用玻璃纤维或使其陶瓷制成的园柱护套4来加强。
熔断器F的外壳3的两端是金属化的，如参数5和6所示。按照普通方法直接在陶瓷上进行金属化处理。这样得到的两个导电端5和6为熔断器F提供了连接端。特别是把可熔断元件1连接在一防止可能发生过电流的电路上。当然，在陶瓷的金属化过程中，金属与可熔断元件1的两端相连，以此将其接在端部5和6之间。
图2a所示的是可熔断元件1熔断前的熔断器F的物理状态，如，在电流导通中。此时，可熔断元件1由陶瓷外壳3紧密环绕。
可熔断元件1一熔断，电流遮断电弧的非常高的温度很快地使元件1蒸发并且在产生电弧的这一点上产生一压力（如在金属带状物的宽度方向上的缩口上），该压力被高度不可渗透性陶瓷外壳3所保持。这样产生的压力引起电弧电压的很快上升，当同一个电压达到一个比电源电压更高的参数值时，与故障电流相反的电流产生了，相反的电流很快地驱使故障电流降为零。金属蒸汽以小滴的形式冷凝在陶瓷外壳的壁面上，在此熔断器F的端子5和6，更具体地讲可熔断元件1的尾部组成的端部，在它的熔化和蒸发部分的每一边上有效地被电绝缘。
按照本发明，Al2O3和BeO是特别适宜制造熔断器F的陶瓷。这些陶瓷能在少于200微秒时间段中保持电弧产生的压强，在这个时间段中能有效地使电弧电压升到它的峰值。在以下的几微秒中，和电弧接触的陶瓷表面承受高温和高压。它的一小部分达到它的熔点。对此可熔断元件1的尺寸更大的某一个内腔是由压力和温度的作用来产生的。空腔的产生促进产生出的气体的分解，并增加元件1的熔断所产生的熔化端部之间的绝缘距离。空腔陶瓷壁面上的金属蒸汽的冷凝正如所述的产生许多小金属滴，彼此以一定距离分开，当电弧被熄灭时，提供一极强的绝缘电阻。在电弧高温下的这些陶瓷的高绝缘阻值有助于熔断器F的介电性能快速恢复。此外，由于它们的高传热率和高比热，这些陶瓷可以很快地吸收由电弧产生的热量，从而减少熔断器的内部温度和有助于减少电流的遮断时间。
图2b表示元件1熔断后熔断器F的物理状态，在元件1的熔化部位形成的空腔是相对小的体积，在此，压力已经被保持在元件1的熔断点上。
图3说明了按照本发明熔断器F运行的典型波形图。该波形图表示随着熔断元件1的熔断，电弧电压V迅速上升，熔断发生在图3中线B所示的瞬间。该波形图还进一步表示了故障电流I快速遮断，由线A表示的最高值。如图3中能看到的，电流I的上升在电弧电压V的幅值达到电源电压S时被遮断。因此波形图证明高密度硬陶瓷具有承受压力和高温冲击的能力，允许外壳3在电弧产生点上保持压力，由于电流遮断产生的电弧，与现有技术的熔断器相比能很快地升高电弧电压V，导致高效率地遮断故障电流I，对此后文有详细描述，实际上减小熔断器F的积分I2t（在给定时间周期内电流I的平方的积分）。
如图3所示的，由线A表示的电流的最大值和由线B代表的电弧激发瞬间的遮断电流值之间的差值低于1%。当故障电流被遮断时，代表故障电流I的曲线的斜率变为负值，电弧电压V的增加也中止。因此，关于按照本发明的熔断器F，故障电流I的幅值被电弧电压V的快速上升而迅速限制，在发展的电压V的峰值上没有过多地增加，实验证明发展的电弧电压的峰值与使用包括或不包括无机粘合剂的石英砂的现有技术中的快速限流熔断器相比大大降低。
图4是按照本发明的熔断器与现有技术中使用包括或不包括无机粘合剂石英砂的熔断器相比的一组运行比较曲线。值得注意的是，不同的熔断器包括有类似的可熔断元件。
图4中，曲线c表示对于不同的熔断器在瞬时t0的假设故障电流的斜率。更确切地说，曲线c表示一短路电流和当它没有遮断时，它的发展是时间的函数。每一个熔断器的可熔断元件在同一瞬间t1熔化。
图4中的曲线D是惯用的装有无粘合剂石英砂做为电弧阻塞剂的熔断器中电流相对于时间的变化曲线。曲线D证明在这样的熔断器中，可熔断元件熔断后故障电流继续增加，在此以后慢慢地减小到瞬时t2下的零值。这种现象是由于在这样的熔断器中电弧电压慢速上升造成的，也是由于该电弧电压的峰点幅值相对低，图图4中曲线E所示。
曲线R是如美国专利3、838、375（FRIND et Al）所述的熔断器相对于时间的故障电流的变化曲线。与使用无结合剂石英砂的熔断器相比，曲线R清楚地表明利用包括无机结合剂的石英砂做为电弧阻塞剂的熔断器对于过电流，能够得到较好的保护。由于输送给保护电路的能量相应于在瞬间t0和t2之间时间段内积分I2t，与使用无结合剂的石英砂做为电弧阻塞剂的现有技术中的熔断器相比，容易理解美国专利3，838，375（FRIND et Al）的熔断器相对减小了输送给保护电路的能量的数量。按照美国专利3，838，375（见图4中曲线G），这是由于电弧电压极快上升，熔断器得到一较高的电弧电压峰值所引起的。这样导致了流过可熔断元件的电流立刻和逐步的减少，直到t2时电流达到零值。
按照本发明的熔断器相对于时间，故障电流的变化以图4中S所示。曲线S证明了按照本发明的熔断器F的基本优势。通过利用高密度硬陶瓷外壳而获得改进，对于以上讨论的不同原因，在电弧电压的峰值上没有过多地增长，（见图3）。积分I2t有意义地减小，电弧电压的顶值的少量增加，构成了熔断器F的明显优点。
在图5a和5b中，比较二个不同的熔断器，一个使用无结合剂的石英砂为电弧阻塞剂（左边曲线）和另一个按照本发明采用高密度硬陶瓷外壳（右边曲线）。
图5a中，曲线H和I1分别表示使用无粘合剂的石英砂的熔断器和本发明的熔断器的电流变化曲线。两个熔断器具有类似的可熔断元件，垂线9和10分别指出两个不同熔断器的可熔断元件熔断的瞬间。曲线I1的阴影区域表示按照本发明的熔断器F的积分I2t的减小部分。
当使得I2t积分减小不重要时，金属可熔断元件1的质量能为了推迟熔断而增加。在此方法中，遮断电流的最大幅值及积分I2t两者都被增加。在图5b中，表示了两种熔断器内电流是时间的函数的变化曲线，也就是说按照本发明的熔断器（曲线K）和利用无粘合剂的石英砂为电弧阻塞剂的惯用的熔断器（曲线J），按照本发明的熔断器F的可熔断元件的质量（曲线K）相对于普通熔断器的熔断元件的质量被增加了，以致于这两种熔断器有相同的总积分I2t，然而，按照本发明的熔断器（曲线K）呈现一个比普通熔断器（曲线J）大2或3倍的弧前积分I2t。由于不增加I2t积分的总值，构成了一重要的优点，值得注意的是，图5b中垂线11和12分别指示普通熔断器的可熔断元件的熔断瞬间和按照本发明的熔断器的熔断瞬间。
如前面所描述的，所要求的总的I2t总积分由适当确定可熔断元件的质量来得到。在决定这样的质量时，高密度硬陶瓷的高热传导率和高比热将被考虑。的确做为可熔断元件1是与陶瓷接触的，后者在电流稳态导通期间减少可熔断元件1的温度。由于故障电流引起的元件1的熔断由吸收和消耗热的陶瓷外壳3的重要质量而被延迟。
为了进行一些应用，在保持一个小的弧后积分I2t时（图5b），增加弧前积分I2t是需要的。按照本发明的熔断器F可得到这样的运行特征并且构成它的一个重要优点。特征是，在弧前积分I2t上的增加允许熔断器F来保护电机和变压器电路，在这些电路的合闸运行中熔断器没有不适宜的运行。
按照本发明的熔断器表现了另一个有趣的特性，也就是保护直流电路的能力。实际上，实验证明熔断器F在遮断直流的效率高于现有技术中的熔断器。利用按照本发明的熔断器保护高能容量电池组是可能的。做为本发明的熔断器E表现出一小的积分I2t和一低的电弧电压，它应用的另一方面是半导体电路的保护。
按照本发明的熔断器F进一步的优点是它对机械冲击的强的耐力。众所周知，典型的熔断器对于机械冲击的抵抗力取决于没有粘合剂围绕可熔断元件的石英砂或其他颗粒材料的坚实的密度。反复的机械冲击能有效地破坏可熔断元件，特别是小直径的典型熔断器的可熔断元件。按照本发明的熔断器F，不同的元件形成一坚硬和坚实的质量，因此防止了薄的可熔断元件的破裂。
由象Al2O3和BeO这样的高密度陶瓷制成的外壳的制造，需要高压和高温，例如高于1100℃的温度。因此，由于金属可熔断元件的熔点相对较低，在外壳的制造过程中，可熔断元件不能插到陶瓷部件中。
为了满足这一需要，陶瓷部件首先成形一个空腔，它设计用来接收分开制作的可熔断元件1，在可熔断元件插入空腔内以后，不同的陶瓷部件被粘合在一起，被接合的陶瓷部件以一个降低的温度在窑内烧结形成外壳3。
制造外壳3的第一种方法在附图6中表示。第一步中，制造出两个延伸的互补的陶瓷部件13和14，它们由高密度硬陶瓷制成并有一个半月形的横截面。在部件14的平表面上形成一个长度方向上的凹槽141，该凹槽具有同可熔断元件1一样的形状和尺寸。在元件1被放入凹槽141中以后，部件13和14的平面通过无机陶瓷粘合剂结合在一起。如此结合的部件13和14的两个平表面借助于机械压力互相压挤，压挤过的部件13和14以一个比金属元件1的熔点低的温度在窑内焙烧。一个坚硬和不可渗透园柱型外壳产生了。
图7表示了制造外壳3的第2种方法，一个园柱型棒体15以及一管材16首先被制出，二者由高密度硬陶瓷如Al2O3和BeO制成，棒体15具有一长度方向的凹槽151。凹槽151符合元件1的确切形状。在金属元件1插入凹槽151以后，组件棒体15一元件1被推入管体16内，如箭头49所指。在管体16的内直径和棒体15的外直径之间的轻微差距决定了在棒体和管体之间一园筒形的空间，该空间用适当的适用于陶瓷的无机粘合剂填充。为了形成一非常坚硬和不可渗透的园柱形陶瓷外壳，最后的组件以一低于熔断元件的熔点温度的温度，在窑内加热处理。
按照本发明制造熔断器F的外壳的另一种方法在附图8a和8b中所示。在此方法中，首先产产出一管体17以及一组短的园柱形元件18，它们都是由高密度硬陶瓷制成的，每个园柱形元件构成相互联接的两个凹槽，也就是说，以园柱形表面形成长度方向上的凹槽和以每个园柱形元件18的两个平行端面之一形成一横向的凹槽。再者每一个园柱形元件18的凹槽符合可熔断元件1的确切形状。图8的陶瓷外壳的一个优点是能够借助于至少一个园柱形元件18分开可熔断元件1的两个相续的横断面缩口2，而这样的缩口被放置在园柱形外壳的几何轴线上，如图8b所示。在熔断器F中可熔断元件1的横断面上缩口2的熔化所产生的电弧被至少一个园柱形元件18相互分开。这些园柱状元件18沿着可熔断元件1尾尾相接地插入在管体17中，并借助于适当的无机粘合剂与管体17结合在一起。结合后的元件18和管体17在低于熔断元件1熔点的温度下，在窑内焙烧形成一坚硬的和不可渗透的园柱形外壳。
图9表示了两个互补的部件19和20。当它们结合在一起时，形成一由高密度硬陶瓷制成的棒体。该棒体然后插到也由高密度硬陶瓷制成的园柱体21中的园筒22内。
当组合后，部件19和20就决定一个空腔28。熔化的金属23被注入空腔28内形成可熔断元件。利用离心力作用在熔化金属上，使之完全充满空腔28，没有空余的空间形成。在图9中，可熔断元件为包含多个园形穿孔的带状物。
借助于无机粘合剂，部件19、20和21被结合在一起，结合后的部件被进行热处理从而形成坚硬和不可渗透的外壳。在熔化金属注入以前，部件19和20用无机粘合剂结合在一起。结合在一起的部件19和20与园柱形部件21的装配和这些部件的热处理可以在金属注入之前或之后进行。如果热处理在金属注入后进行，记住热处理要在低于形成可熔断元件金属的熔点温度下进行。
园柱形部件21包含三个园筒如22，可以接受象19、20这样的三个棒体，形成具有三个单独可熔断元件的熔断器。
象钨这样的有高熔点的金属可以用来这种高密度硬外壳3的制造，形成一个插入可熔断元件1的空腔。在制造过程中，具有与可熔断元件相同形状和尺寸的钨的棒体或线体被插到陶瓷中。当陶瓷在高压高温下被定型和烧结后，钨棒或线体被抽出，注入熔化的金属在构型好的空腔内，构成可熔断元件。
图10表示利用一组钨线材形成一组在高密度硬陶瓷棒25内如29具有统一截面的平行纤维状空腔。在钨线材抽出之后，注入熔化金属到每一个空腔29内形成相应的可熔断元件。当然，每一个空腔29的直径是按照熔断器运行的所需特性来选择的。另外，在注入熔化金属24的过程中，采用离心力来防止空腔内形成的任何空余空间。棒体25最后被插入园筒27内，27是在高密度硬陶瓷园柱体部件26内形成的，在金属注入之前或之后，借助于无机粘合剂将它们结合在一起。另外，在金属注入之前或之后，结合起来的棒体25和园柱形部件26被热处理形成一坚硬的和不可渗透的外壳。
象图9所示的情况一样，园柱形部件26具有三个园筒27，以用来接收三个象25的棒体，每一个棒体含有一组可熔断元件。
容易理解由图6和图7表示的实施例中的可熔断元件1能够由注入熔化的金属来构成。
当高密度硬陶瓷的外壳制造完成时，外壳紧紧包绕着可熔断元件，外壳的两端被金属化形成两个分别与可熔断元件两端相连的端子（例如图1中的端子5和6）。
然后，一个园筒状的护套象4（图1）被安置在陶瓷外壳上，该护套由陶瓷或玻璃纤维制成，其作用是增加熔断器F的机械强度。
虽然通过最佳实施例在此对本发明进行了描述，但这样的实施例是可以任意变形的，只要不改变和替换本发明的特点和范围，都属于本发明的权利要求的保护范围之内。