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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stromkreisunterbrecher, der in einer Leistungshalbleitervorrichtung wie z. B. einem Wechselrichter verwendet wird, der einen grollen Strom führt, und insbesondere auf einen kleinen und kostengünstigen Stromkreisunterbrecher, der einen Stromkreis unabhängig von den Betriebsbedingungen zuverlässig unterbrechen kann und einen geringen Verdrahtungsverlust aufweist.
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Es gibt einen Fall, in dem ein Element eines Wechselrichters zum Treiben eines in einem Hybridmotorfahrzeug oder dergleichen installierten Motors defekt ist, so dass es in einem Kurzschlusszustand ist, und von dem durch eine Motorleistung gedrehten Motor ein Regenerativstrom zurückfließt. Um in dem Fall einer solchen Abnormalität das Fließen eines hohen Stroms in den Stromkreis zu verhindern, wurde ein Stromkreisunterbrecher verwendet. Als Stromkreisunterbrecher wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Sicherung durch die Wärme eines Heizelements unterbrochen wird (s. z. B.
JP 6-119585 ).
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Bei einem bekannten Stromkreisunterbrecher ist ein Heizelement in Serie in einen Strompfad eingesetzt, und eine Sicherung wurde unterbrochen, wenn bei einer Abnormalität ein höherer Strom als im Normalbetrieb fließt. Da es in dem Fall eines Hybridfahrzeugs oder dergleichen jedoch keinen signifikanten Unterschied in dem Stromwert zum Treiben eines Motors im Normalbetrieb und dem Regenerativstromwert von dem Motor bei einer Abnormalität gibt, kann die Sicherung nicht zuverlässig unterbrochen werden. Da ein in Reihe in einen Strompfad eingesetzter elektrischer Widerstand als Heizelement verwendet wird, gibt es ein Problem eines großen Verdrahtungsverlusts. Wenn die Sicherung durch ein Relais ersetzt wird, wird der Stromkreis zwar zuverlässig unterbrochen, aber es gibt Probleme des Kontaktwiderstands, der Kosten und des Platzes.
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DE 198 21 487 C1 beschreibt eine elektrische Sicherung mit ansteuerbarer Trennvorrichtung. Durch eine elektrische Verbindung, bei der die beiden Leitungsabschnitte direkt oder indirekt über eine elektrisch leitfähige, bei einer Temperatur deutlich oberhalb einer Umgebungstemperatur sich auftrennende Verbindung, insbesondere ein Lotmedium, verbunden sind und als Trennvorrichtung ein Heizelement vorgesehen ist, welches sich auf das Trennsignal hin derart erwärmt, dass die Verbindung durchtrennt wird, kann auf einfache Weise eine solche Sicherung realisiert werden. Neben einer direkten Verbindung der beiden Leitungsabschnitte über die Verbindung ist auch eine Ausgestaltung mit einer Kontaktbrücke denkbar, die über eine solche Verbindung jeweils mit den Leitungsabschnitten verbunden ist. Durch eine der Berührung entgegenwirkende Verspannung kann die Trennung der Verbindung, z. B. beim Schmelzen des Lotmediums, noch sicherer und schneller gemacht werden.
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US 4,124,835 beschreibt eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms mit zwei elektrisch leitenden Elementen, zwischen denen ein Pellet aus schmelzbarem Material in elektrischem Kontakt bereitgestellt ist. Ein Heizelement ist in der Nähe bereitgestellt, vorzugsweise umgibt es das Pellet. Wenn dem Heizelement Strom zugeführt wird, schmilzt das Pellet, so dass der Stromfluss zwischen den leitenden Elementen unterbrochen wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kleinen und kostengünstigen Stromkreisunterbrecher bereitzustellen, der einen Stromkreis unabhängig von den Betriebsbedingungen zuverlässig unterbrechen kann und einen geringen Verdrahtungsverlust aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stromkreisunterbrecher gemäß Anspruch 1 oder 7. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein kleiner und kostengünstiger Stromkreisunterbrecher gewonnen werden, der einen Stromkreis unabhängig von den Betriebsbedingungen zuverlässig unterbrechen kann und einen geringen Verdrahtungsverlust aufweist.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
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1 ist eine Draufsicht auf einen Stromkreisunterbrecher gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Draufsicht zum Erläutern eines Betriebs des Stromkreisunterbrechers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Draufsicht auf einen Stromkreisunterbrecher gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 ist eine Schnittansicht des Stromkreisunterbrechers gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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8 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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9 ist eine Schnittansicht des Stromkreisunterbrechers gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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10 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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11 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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12 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 ist eine Draufsicht auf einen Stromkreisunterbrecher gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Stromkreisunterbrecher wird in einer Leistungshalbleitervorrichtung wie z. B. einem Wechselrichter verwendet, die einen großen Strom führt.
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Wie in 1 gezeigt sind ein erster Anschluss 11 und ein zweiter Anschluss 12, die eine günstige elektrische Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer haben, über ein Lot 13 miteinander verbunden. Zum Schmelzen des Lots ist ein Heizelement 14 auf der Rückseite des Endabschnitts des zweiten Anschlusses 12 angebracht. Dabei ist der Endabschnitt des zweiten Anschlusses 12 in einer U-Form gebogen, und das Heizelement 14 ist in dem U-förmigen Abschnitt angebracht. Dadurch kann Wärme von dem Heizelement 14 dem Lot 13 effizient zugeführt werden, und das Heizelement 14 kann leicht befestigt werden. Der Umfang des Heizelements 14 ist mit Keramik oder dergleichen isoliert.
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In dem nicht durch das Lot 13 verbundenen Zustand sind der erste Anschluss 11 und der zweite Anschluss 12 so, wie sie in 2 gezeigt sind. Der erste Anschluss 11 hat eine Form mit Federeigenschaften und ist aus einer Kupferlegierung oder dergleichen gebildet. Die Form des ersten Anschlusses 11 ist so entworfen, dass zwischen dem ersten Anschluss 11 und dem zweiten Anschluss 12 in dem nicht durch das Lot 13 verbundenen Zustand ein Zwischenraum S besteht. In dem durch das Lot 13 verbundenen Zustand ist der erste Anschluss 11 dagegen innerhalb des Betätigungsbereichs der Feder verbogen. Um Zuverlässigkeit sicherzustellen, ist die Federkraft unter Verwendung der Federeigenschaften des ersten Anschlusses 11 auf eine Kraft eingestellt, die nicht die Ermüdungsgrenze des Lots 13 übersteigt, wenn es nicht erhitzt wird.
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Als nächstes wird der Betrieb des Stromkreisunterbrechers gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Wie in 1 gezeigt sind der erste Anschluss 11 und der zweite Anschluss 12 in einem Normalbetrieb zunächst durch das Lot 13 miteinander verbunden. Wenn in der Leistungshalbleitervorrichtung eine Abnormalität auftritt, wird als nächstes dem Heizelement 14 elektrische Energie zugeführt, und das Lot 13 wird geschmolzen. Wie in 2 gezeigt wird der erste Anschluss 11 dann durch die Federkraft unter Verwendung der Federeigenschaften des ersten Anschlusses 11 von dem zweiten Anschluss 12 durch den Zwischenraum S getrennt und isoliert, und der Stromkreis ist unterbrochen.
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Dem Heizelement 14 wird von einem Strompfad aus, der getrennt von den durch den ersten Anschluss 11 und den zweiten Anschluss 12 hindurchtretenden Strompfaden ist, elektrische Leistung zugeführt. Daher kann der Stromkreis unabhängig von Betriebsbedingungen unterbrochen werden. Verglichen mit dem bekannten Stromkreisunterbrecher, der einen in Reihe in einen Strompfad eingesetzten elektrischen Widerstand als Heizelement verwendet, ist der Verdrahtungsverlust des Stromkreisunterbrechers gemäß der ersten Ausführungsform geringer. Ein Stromkreisunterbrecher gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch einen kleinen und kostengünstigen Aufbau verwirklicht werden.
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Auch wenn in dem oben beschriebenen Beispiel das Heizelement 14 an dem ersten Anschluss 11 oder an dem zweiten Anschluss 12 angebracht ist, können auch sowohl an dem ersten Anschluss 11 als auch an dem zweiten Anschluss 12 Heizelemente angebracht sein.
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Auch wenn in dem oben beschriebenen Beispiel die Federeigenschaften des ersten Anschlusses 11 oder des zweiten Anschlusses 12 als Federkraft verwendet werden, können auch die Federeigenschaften des ersten Anschlusses 11 und des zweiten Anschlusses 12 verwendet werden.
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3 ist eine Draufsicht auf einen Stromkreisunterbrecher gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Während der erste Anschluss 11 in der ersten Ausführungsform durch die Federkraft unter Verwendung der Federeigenschaften des ersten Anschlusses 11 von dem zweiten Anschluss 12 getrennt wird, wird die Federkraft in der zweiten Ausführungsform über ein Federelement 15 gewonnen, das von dem ersten Anschluss 11 und dem zweiten Anschluss 12 verschieden ist. So kann ohne Versehen des ersten Anschlusses 11 bzw. des zweiten Anschlusses 12 mit Federeigenschaften eine Wirkung ähnlich der Wirkung der ersten Ausführungsform erzielt werden.
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4 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Leistungshalbleitervorrichtung enthält eine Schaltung zum Wechselrichten des Stroms von der Batterieleistungsquelle 21 unter Verwendung einer Wechselrichterschaltung 22 und zum Ansteuern eines Dreiphasenmotors 23. Sie enthält auch eine Wechselrichtersteuerschaltung 24 zum Steuern der Wechselrichterschaltung 22, eine Unterbrechungssteuerschaltung 25, einen Schalter 26 und einen Stromkreisunterbrecher ähnlich dem Stromkreisunterbrecher der ersten oder zweiten Ausführungsform. Der erste Anschluss 11 und der zweite Anschluss 12 sind jeweils mit dem Dreiphasenmotor 23 und der Wechselrichterschaltung 22 zum Treiben des Dreiphasenmotors 23 verbunden.
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Wenn die Wechselrichtersteuerschaltung 24 die Abnormalität der Wechselrichterschaltung 22 erfasst, überträgt sie Signale zu der Unterbrechungssteuerschaltung 25, und beim Empfang der Signale gibt die Unterbrechungssteuerschaltung 25 ein EIN-Signal an den Schalter 26 aus. Wenn dem Schalter 26 von der Unterbrechungssteuerschaltung 25 das EIN-Signal eingegeben wird, liefert er elektrische Leistung von der Batterieleistungsquelle 21 an das Heizelement 14. Dadurch wird das Lot 13 durch die Wärme des Heizelements 14 geschmolzen, der erste Anschluss 11 wird von dem zweiten Anschluss 12 getrennt und isoliert, und der Stromkreis wird unterbrochen.
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Wenn die Wechselrichtersteuerschaltung 24 daraufhin erfasst, dass in der Wechselrichterschaltung 22 kein Strom mehr fließt, überträgt die Wechselrichtersteuerschaltung 24 ein Signal an die Unterbrechungssteuerschaltung 25, und die Unterbrechungssteuerschaltung 25 gibt nach dem Empfang des Signals ein AUS-Signal an den Schalter 26 aus. Wenn dem Schalter 26 von der Unterbrechungssteuerschaltung 25 das AUS-Signal eingegeben wird, beendet der Schalter 26 die Zufuhr elektrischer Leistung von der Batterieleistungsquelle 21 an das Heizelement 14.
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Dem Heizelement 14 kann eine elektrische Energie auch von einer anderen Leistungsquelle als der Batterieleistungsquelle 21 zugeführt werden, und als Schalter 26 kann ein Halbleiterschalter verwendet werden.
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Somit kann in einer Schaltung zum Wechselrichten eines Stroms von einer Batterieleistungsquelle unter Verwendung einer Wechselrichterschaltung und zum Ansteuern eines Dreiphasenmotors eine ähnliche Wirkung wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform erzielt werden.
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5 ist eine Schnittansicht eines Schaltungsunterbrechers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 gezeigt sind ein erster Anschluss 11 und einer zweiter Anschluss 12 mit günstiger elektrischer Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer über einen räumlichen Abstand zur Isolierung voneinander entfernt auf einem Isolator 31 angeordnet. Eine Brücke 32 (Metallleiter), der durch Formen einer Kupferplatte gebildet ist, ist durch ein Lot 13 mit dem ersten und dem zweiten Anschluss 11, 12 verbunden. Zum Schmelzen des Lots 13 ist ein Heizelement 14 so bereitgestellt, dass es in Kontakt mit der Brücke 32 ist. Hierbei ist das Heizelement befestigt durch Formen eines Teils der Brücke 32. Dadurch kann die Wärme des Heizelements 14 dem Lot 13 effizienter zugeführt werden, und das Heizelement 14 kann leicht befestigt werden. Der Umfang des Heizelements 14 ist ebenfalls durch Keramik oder dergleichen isoliert. An der Brücke 32 ist ein Gewicht 33 so angebracht, dass es eine Kraft aufbringt, um sie sicher von dem Lot 13 zu trennen, wenn dieses schmilzt.
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Als nächstes wird der Betrieb des Stromkreisunterbrechers gemäß der vierten Ausführungsform beschrieben. Wie in 5 gezeigt sind der erste Anschluss 11 und der zweite Anschluss 12 in einem Normalbetrieb zunächst über die Brücke 32 und das Lot 13 miteinander verbunden. Wenn in der Leistungshalbleitervorrichtung eine Abnormalität auftritt, wird als nächstes dem Heizelement 14 elektrische Leistung zugeführt, die Brücke 32 wird als erste erwärmt, und die Wärme wird an das Lot 13 übertragen. Während die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer hierbei 395 W/mK ist, ist die Wärmeleitfähigkeit eines Lots, das hauptsächlich aus Sn besteht, beispielsweise so niedrig wie 66 W/mK, und das Lot wirkt als eine Art Isolator. Daher steigt die Temperatur des Lots, das mit der Brücke 32 in Kontakt ist, und das Lot 13 wird geschmolzen. Die Temperatur an der Brücke 32 erreicht die Temperatur, bei der die an den ersten und zweiten Anschluss 11, 12 übertragene Wärme im Gleichgewicht ist mit dem Wärmeerzeugungswert des Heizelements 14 über das Lot 13. Daher ist die Kapazität des Heizelements 14 so entworfen, dass sie eine Kapazität zum Erreichen der Temperatur ist, bei der das Lot 13 schmilzt.
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Wenn das Lot 13 geschmolzen wird, fällt die Brücke 32 wie in 6 gezeigt durch ihr Eigengewicht oder das Gewicht 33 von dem ersten und zweiten Anschluss 11, 12 und wird getrennt, der erste und zweite Anschluss 11, 12 sind durch einen vorbestimmten räumlichen Abstand getrennt und isoliert und der Stromkreis ist unterbrochen. Da eine stabile Kraft ohne zeitliche Änderung gewonnen werden kann durch Aufbringen der Trennkraft unter Verwendung von Gravitation, solange der Stromkreisunterbrecher auf dem Boden und mit der richtigen Seite nach oben verwendet wird, kann der Stromkreis sicher unterbrochen werden. Da die Belastung des Lots 13 genau kontrolliert werden kann, ist auch ein zuverlässiger Entwurf leicht. Durch Befestigen des Heizelements 14 auf der Seite der Brücke 32 kann eine Wärmeübertragung zu dem ersten und zweiten Anschluss 11, 12 unterdrückt werden, wenn ein Teil des Lots 13 geschmolzen und getrennt wird, die Temperatur der Brücke 32 steigt, und weiter kann das Schmelzen des Lots 13 beschleunigt werden, um das Auslösen sicherzustellen.
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Dem Heizelement 14 wird von einem Strompfad aus, der getrennt von den durch den ersten Anschluss 11 und den zweiten Anschluss 12 hindurchtretenden Strompfaden ist, elektrische Leistung zugeführt. Daher kann der Stromkreis unabhängig von Betriebsbedingungen unterbrochen werden. Verglichen mit dem bekannten Stromkreisunterbrecher, der einen in Reihe in einen Strompfad eingesetzten elektrischen Widerstand als Heizelement verwendet, ist der Verdrahtungsverlust geringer. Ein Stromkreisunterbrecher gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch einen kleinen und kostengünstigen Aufbau verwirklicht werden.
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7 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der fünften Ausführungsform ist ein Abschnitt der Brücke 32 zwischen dem Endabschnitt des ersten Anschlusses 11 und dem Endabschnitt des zweiten Anschlusses 12 angeordnet. Das Heizelement 14 ist in der Vertikalrichtung angeordnet. Dadurch kann die ganze Vorrichtung dünner sein.
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8 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der sechsten Ausführungsform ist das Heizelement 14 so angebracht, dass es Kontakt mit der Oberfläche hat, die der Oberfläche entgegengesetzt ist, bei der das Heizelement 14 für den ersten und zweiten Anschluss 11 mit dem Lot 13 verbunden ist. Dadurch kann die gesamte Vorrichtung dünner sein.
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Wenn das Lot 13 schmilzt, fällt die Brücke 32 wie in 9 gezeigt durch ihr Eigengewicht von dem ersten und zweiten Anschluss 11, 12 und wird von ihnen getrennt, der erste Anschluss 11 ist von dem zweiten Anschluss 12 um einen vorbestimmten räumlichen Abstand getrennt, und der Stromkreis ist unterbrochen. Da das Heizelement 14 direkt mit dem ersten und zweiten Anschluss 11, 12 in Kontakt ist, wird es der Wärme leicht ermöglicht, zu dem ersten und zweiten Anschluss 11, 12 auszuweichen, und der Temperaturanstieg des ersten und zweiten Anschlusses 11, 12 wird flach. Daher kann der Temperaturanstieg des Lots 13 beschleunigt werden durch Verringern des Entkommens von Wärme durch Öffnen eines Lochs in dem Abschnitt A des ersten Anschlusses 11 oder durch Verringern der Breite eines Abschnitts. Auch wenn in der sechsten Ausführungsform das Eigengewicht der Brücke 32 als Trennkraft verwendet wird, können auch ein Gewicht oder eine Feder, die an der Brücke 32 befestigt sind, als Trennkraft verwendet werden.
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10 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der siebten Ausführungsform ist die Brücke 32 in der Querrichtung angeordnet. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie in der sechsten Ausführungsform, und dieselben Wirkungen können erzielt werden.
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11 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der achten Ausführungsform ist das Heizelement 14 befestigt durch Formen eines Abschnitts des ersten und zweiten Anschlusses 11, 12. Die Brücke 32 ist zwischen dem ersten und zweiten Anschluss 11, 12 bereitgestellt. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie bei der sechsten Ausführungsform, und dieselben Wirkungen können erzielt werden.
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12 ist eine Schnittansicht eines Stromkreisunterbrechers gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der neunten Ausführungsform ist das Heizelement 14 befestigt durch Formen eines Abschnitts des ersten und zweiten Anschlusses 11, 12. Die Brücke 32 ist so bereitgestellt, dass sie den ersten und zweiten Anschluss 11, 12 klemmt. Ansonsten ist der Aufbau derselbe wie in der sechsten Ausführungsform, und dieselben Wirkungen können erzielt werden.
