Die vorliegende Erfindung betrifft einen trägen Schmelzeinsatz mit einem die durch einen Isolierkörper getrennten Kappen verbindenden durchgehenden Schmelzleiter.
Man unterscheidet nach ihrer Strom-Zeit-Charakteristik gemäss IEC-Norm (IEC = International Electrotechnical Commission) flinke und träge Schmelzeinsätze. Innerhalb dieser beiden sich teilweise im Grenzbereich übergreifenden Bereiche werden nach einer noch nicht vereinheitlichten Nomenklatur auch noch gewisse Feinunterteilungen vorgenommen, die aber im vorliegenden Falle ausser Betracht bleiben.
Die wichtigsten Grundformen träger Schmelzeinsätze sind die folgenden: a) Einfachspiralschmelzeinsätze, bei welchen ein zu einem Wendel gewundener Draht mit seinem einen Ende an der einen Kappe und mit seinem anderen Ende an ein gerades Drahtstück angelötet ist, wobei das gerade Drahtstück seinerseits an der anderen Kappe angelötet ist.
b) Doppelspiralschmelzeinsätze, bei welchen an die Stelle des geraden Drahtes der Einfachspiralschmelzeinsätze ein zweiter Drahtwendel tritt.
c) Schmelzeinsätze mit einem die beiden Kappen durchgehend verbindenden Draht, auf welchen eine Zinnperle aufgeschweisst bzw. auflegiert ist.
d) Schmelzeinsätze mit einem die beiden Kappen durchgehend verbindenden einfachen Zinkdraht.
Ferner sind unzählige Varianten dieser Schmelzeinsätze bekannt, so z. B. solche mit einem um einen Kunststoffstab gewickelten Draht und dergleichen. Sie lassen sich alle in irgendeiner Weise einer der vorgenannten vier Gruppen unter ordnen.
Den bekannten trägen Schmelzeinsätzen haften im wesentlichen folgende Nachteile an:
Zu a) und b): Die Einfach- und die Doppelspiralschmelzeinsätze weisen bei ihrer Herstellung den Hauptnachteil auf, dass die bei ihrer Herstellung in Behältern wirr anfallenden Drahtwendelchen von Hand aus ihrer gegenseitigen Verschlingung gelöst und zumeist auch von Hand miteinander bzw. mit dem geraden Draht verlötet werden müssen, und schliesslich auch von Hand weiterzuverarbeiten sind, wenn sich die Wendelchen nicht wieder ineinanderschlingen sollen. Dabei ist auch die Lötstelle kritisch und oft nicht korrosionsfrei oder korrsionsbeständig herstellbar. Durch Berührung der Wendel am Isolierkörper, zumeist ein Glasröhrchen, können Fehler der Strom-Zeit-Charakteristik infolge Wärmeableitung entstehen, was zu weiterer Unsicherheit führt.
Durch Materialverschiedenheiten können auch Polaritätsprobleme infolge des Peltiereffektes eintreten. All dies führt zu kostspieliger und der Automation nicht zugänglicher Herstellung, wobei die Unsicherheiten trotzdem nicht vollständig ausschaltbar sind.
Zu c): Die Hauptschwierigkeit liegt hier darin, die Zinnperle gerade in jenem Masse aufzuschweissen, dass der gewünschte Legierungszustand erreicht wird, so dass bei Überströmen die Zinnperle schmilzt und der Legierungsvorgang dann weiterschreiten kann, und schliesslich wegen der durch den sich in den Querschnitt des Drahtes einarbeitenden Legierungsvorgangs der Schmelzleiter abschmilzt. Ist die Perle zu wenig aufgeschweisst, so können sich an der Grenzschicht zwischen ihr und dem Draht z. B. Oxydationsschichten bilden, die den Legierungsvorgang im Gebrauch hemmen. Ist die Perle zu stark auflegiert, so wird im Gebrauch möglicherweise ein zu rasches Abschmelzen eintreten können.
Bei sehr dünnen Drähten ist diese Methode überdies nicht gangbar, weil diese feinsten Drähtchen meist schon beim Aufschweissen der Perle durchlegieren und dadurch so brüchig werden, dass sie neben der Perle vielfach schon im Zuge der Schmelzeinsatzherstellung brechen.
Zu d): Der durchgehende Zinkdraht als Schmelzleiter eines trägen Schmelzeinsatzes wäre an sich geeignet, alle diese genannten Unsicherheiten und die kostspielige Fertigung der anderen Schmelzeinsätze zu vermeiden, hat aber den Nachteil besonderer Korrosionsanfälligkeit. Setbst, wenn es gelingt, den Zinkdraht bis zu seiner Einbringung in den Schmelzeinsatz vor Korrosion zu bewahren, so gelingt es doch nicht, bei rationeller Fertigung der Schmelzeinsätze diese stets so sicher abzudichten, dass sie den Zinkdraht korrosionssicher einschliessen. Schon geringe Feuchtigkeitsspuren, deren Eindringen in den Schmelzeinsatz durch die Betriebstemperaturschwankungen begünstigt werden kann, vermögen den im Betrieb warmen Zinkdraht rasch zu korrodieren, so dass sich seine Eigenschaften in unvorhersehbarer Weise verändern.
Es ist sogar schon vorgekommen, dass solche Zinkdrähte selbst ausser Betrieb zu Staub zerfallen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schmelzeinsatz zu schaffen, welcher sowohl die komplizierten, zum Teil nur manuell ausführbaren und kostspieligen Herstellungsmethoden der bekannten Schmelzeinsätze vermeidet und es gestattet, bei einfacher und sicherer Herstellung die Ungenauigkeiten und anderen Unsicherheitsfaktoren der bekannten Schmelzeinsätze auch im Gebrauch zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Schmelzeinsatz der ein gangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der drahtförmige Schmelzleiter um einen ein- oder mehrschichtigen Metallkern einen Mantel aus unedlem Metall aufweist.
Die träge Strom-Zeit-Charakteristik eines solchen Schmelzeinsatzes ist um so überraschender, als es bereits bekannt ist, für flinke Schmelzeinsätze Schmelzleiter zu verwen den, welche einen mit einer Silberschicht überzogenen Kupferkern aufweisen.
Der Kern eines Schmelzleiters in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Schmelzeinsatzes kann homogen aus unlegiertem oder legiertem Metall (z. B. aus Kupfer oder aus Bronze bzw. aus einer Kupfer-Silber-Legierung) bestehen, wobei sowohl unedle als auch edle Metalle in Betracht kommen. Er kann aber auch heterogen, z. B. aus mehreren Schichten, aufgebaut sein, wobei wiederum unlegierte und legierte unedle und edle Metalle in Betracht kommen können. Obschon in der Regel runde Kernquerschnitte bevor zugt werden, sind auch andere Querschnittformen nicht ausgeschlossen.
Das Mantelmetall hat vorzugsweise einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Kernmaterial bzw. die ihm nächst liegende Kernschicht, so dass sich bei mehreren konzentrischen Kernschichten vorzugsweise ein Schmelzpunktgefälle der Schichten einschliesslich des Mantels von innen nach aussen ergibt.
Besonders gute Ergebnisse sind mit Kernen aus Kupfer bzw. Silber oder aus Bronze bzw. einer Kupfer/Silber-Legierung im Verhältnis 50/50 mit einem darüber angeordneten Mantel aus Zinn erhalten worden.
Die Dicke eines solchen Zinnmantels sollte den Bereich von etwa einem Hundertstel des mittleren Kerndurchmessers nicht unterschreiten, wobei die Zinnschicht nicht dünner als 0,005 mm sein sollte. Während die Zinnschicht in ihrer Dicke bezogen auf einen bestimmten Kern ausreichend bemessen werden soll, um die Strom-Zeit-Charakteristik träge zu machen, sollte sie nicht so dick gewählt werden, dass ihre Mächtigkeit die Leitfähigkeit dieses Kerns zu stark anhebt, da sonst der Legierungsvorgang nicht rechtzeitig beginnt. Oberhalb der genannten Grenzen sind aber auch Schichtdicken von mindestens einem Sechzigstel des mittleren Kerndurchmessers brauchbar. Werte um ein Zehntel des mittleren Kerndurchmessers können bereits die unteren Grenzwerte für die Zinnschichtdicke bei verhältnismässig dünnen Kernen darstellen.
Die untere Grenze der Zinn schichtdicke des Mantels kann bei gewissen Kernen bei einem Fünfzigstel, einem Vierzigstel oder einem Dreissigstel oder bei einem Zwanzigstel und darüber liegen.
In der Praxis kann sich beim Vergleich flinker und träger Schmelzeinsätze folgendes Bild ergeben:
1. Die mittlere Kennlinie der Strom-Zeit-Charakteristik im IEC-Bereich für flinke Schmelzeinsätze beginnt beim 1,5-facl(en Nennstrom im Bereich von mehreren tausend Sekunden Abschmelzzeit und fällt steil ab, so dass sie bei zweieinhalb- bis dreifachem Nennstrom mittlere Abschmelzzeiten um 1 Sekunde ergibt. Bei etwa vierfachem Nennstrom hat er noch eine mittlere Abschmelzzeit um 0,15 Sekunden und bei zehnfachem Nennstrom eine Abschmelzzeit unter 0,02 Sekunden zu ergeben.
2. Die entsprechende mittlere Kennlinie im IEC-Bereich für träge Schmelzeinsätze beginnt bei dem etwa 1,5machen Nennstrom auch im Bereich von mehreren tausend Sekunden Abschmelzzeit und fällt vorerst nur geringfügig flacher ab als jene des flinken Schmelzeinsatzes. Beim zweieinhalb bis dreifachen Nennstrom ist die mittlere Abschmelzzeit des trägen Schmelzeinsatzes noch im Bereich von eta 5 Sekunden, um dann aber stark flacher zu werden und bei vierfachem bzw. zehnfachem Nennstrom mittlere Abschmelzzeiten in der Grössenordnung von 1,5 Sekunden bzw. 0,15 Sekunden zu ergeben.
3. Würde man nun durch einfache Vergrösserung des Durchmessers eines Schmelzleiters einen flinken Schmelzeinsatz träger zu machen versuchen, so könnte man ihm zwar unter Beibehaltung des gleichen Nennstroms im Bereich des vier- bis zehnfachen Nennstromes eine träge Charakteristik verleihen, dies würde aber dazu führen, dass seine Leitfähigkeit so gross wird, dass er bei geringeren Vielfachen des gleich belassenen Nennstromes erst nach unzumutbar langer Zeit oder gar nicht mehr abschmilzt. Er hat nämlich durch den grösseren Durchmesser und durch die dadurch vergrösserte Leitfähigkeit an sich auch einen anderen Nennstrombereich erhalten. Korrigiert man nun den Nennstrom entsprechend nach oben, so hat der flinke Schmelzeinsatz wieder seine alte Charakteristik.
4. Das Problem liegt also darin, die Abschmelzzeiten bei den höheren bis mittleren Vielfachen des Nennstromes anzuheben, sie aber im Bereich der kleinen Vielfachen des Nennstromes möglichst unverändert zu lassen, wenn man statt eines flinken Schmelzeinsatzes einen trägen Schmelzeinsatz haben will.
5. Dies wurde bislang durch die mehrere Drahtabschnitte verbindenden Lötstellen erreicht, indem bei kleinen Nennstrom-Vielfachen der Draht sich aufheizte, aber nicht selbst schmolz, sondern die Lötstelle zum Schmelzen brachte, wodurch die Drahtabschnitte getrennt wurden. Ferner wurde die auf einen Draht mit an sich zu guter Leitfähigkeit aufgeschweisste Zinnperle, welche den Draht im bereits genannten Sinne durch Legierung beeinflusst, verwendet, um die bei geringen Vielfachen des Nennstromes auftretende Heizleistung für diesen Legierungsvorgang, nicht aber für das primäre Abschmelzen des Drahtes auszunützen. Mit zunehmender Legierungstiefe verringert sich die Leitfähigkeit immer mehr, bis sich der Draht so stark erhitzt, dass er schmilzt. In beiden genannten Fällen ist die Lötstelle bzw.
die Zinnperle bei hohen Überströmen belanglos, weil dann der Draht selbst abschmilzt.
6. Es ist also bei den bekannten Schmelzeinsätzen höchstens eine lokale Querschnittveränderung vorgenommen wor- den, zumal sich ja (wie in 3) vorstehend gezeigt wurde) eine Querschnittvergrösserung des ganzen Drahtes durchwegs leitfähigkeitssteigernd auswirkt und somit zu an sich unbrauchbaren Ergebnissen führt.
7. Um so mehr überrascht es, dass es gelingt, einen Schmelzeinsatz mit träger Strom-Zeit-Charakteristik selbst dadurch zu erhalten, wenn man in ihm einen Schmelzleiter verwendet, welcher um einen an sich flinken Kern einen entsprechenden Mantel (insbesondere einen solchen aus Zinn) hat, obschon dies eine primäre Leitfähigkeitssteigerung des Schmelzleiters mit sich bringen müsste, zumal der Mantel ja auf der ganzen Länge des Schmelzleiters vorgesehen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge mässen Schmelzeinsatzes ist es ausserdem vorgesehen, dass wenigstens jener Teil der Kappen, an welchem die Schmelzleiterenden befestigt sind, wenigstens oberflächlich aus dem gleichen Metall besteht, aus welchem der Mantel des Schmelzleiters, insbesondere aus Zinn, besteht. Wird ein Lot verwendet, so sollte auch dieses nach der bevorzugten Ausführungsform aus dem gleichen Metall wie der Schmelzleitermantel (z. B. Zinn) bestehen.
Die Aussenfläche des Schmelzleitermantels ist nach einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch eine Schutzschicht bedeckt, wobei diese Schutzschicht neben einem Korrosionsschutz bei der Herstellung des Schmelzeinsatzes auch als Schmelzvermittler für das Anlöten der Schmelzleiterenden an den Kappen dienen kann, und z. B. Kolophonium enthält.
Ein erfindungsgemässer Schmelzeinsatz ist neben seiner Verwendbarkeit für die Absicherung jeglicher elektrischer In- stallationen, insbesondere auch als Apparateschutz-Schmelzeinsatz (Geräteschmelzeinsatz) geeignet.