CZ13299U1 - Tavný vodič elektrické tavné pojistky s pájkovou substancí - Google Patents

Description

Tavný vodič elektrické tavné pojistky s pájkovou substancí

Oblast techniky

Technické řešení se týká tavného vodiče, zejména pro vložky tavných elektrických pojistek nízkého napětí a vysokého výkonu, vytvořeného obvykle jako pásek s příčnými řadami vyděrovaných otvorů a zkratových úžin mezi nimi, podílejícími se na vypínání proudových přetížení, nadproudů a zkratových proudů, přičemž tavný vodič je opatřen dále pájkovou substancí a je umístěn v dutině tělesa elektrické pojistky, nejčastěji keramického, a je spojen s kontaktními částmi sloužícími k přívodu proudu a uzavírajícími dutinu tělesa pojistky. Dutina tělesa tavné elektrické pojistky je obvykle vyplněna funkčním hasivem, nejčastěji křemičitým pískem, eventuelně zpevněným zvláštním procesem do pevného útvaru, které účinně zháší elektrické oblouky vyvíjené při činnosti tavné elektrické pojistky.

Dosavadní stav techniky

Při konstrukci tavných elektrických pojistek, zejména těch, které jsou používány k jištění elektrických obvodů do 1000 V a.c. se používají konvenční, cenově snadno dostupné materiály, které umožňují bezpečnou funkci tavných pojistek v celém rozsahu tavné charakteristiky. Tavné vodiče elektrických tavných pojistek jsou obvykle zhotoveny z pásků, kde základní kov tvoří materiál měď nebo také stříbro, či slitina stříbra s niklem apod. Pro zajištění správné funkce pojistek v rozsahu určeném normovanou ampérsekundovou charakteristikou je nutné velmi často používat pájkové substance nanesené zpravidla na povrch tavného vodiče v kombinaci se systémem zkratových úžin vytvořených ve směru podélné osy vodiče, mezi otvory vyděrovanými v tloušťce pásku, tvořícího tavný vodič. Řečené zkratové úžiny jsou často situovány ve směru podélné osy ve více řadách a zaujímají různé tvary, které poskytují úžinové řadě různé odpoiy. Pájková substance se dávkuje nej častěji k některé ze středních zkratových úžinových řad a může zaujímat podobu stopy nanesené na povrchu pásku se základním kovem, ale jsou známy i provedení tvaru kapek na povrchu nebo i perel umístěných v otvoru před vlastní zkratovou úžinou. Při přetížení pojistky se vlivem nadproudu v zúženém místě mezi dvěma sousedními otvory, tvořícími zkratovou úžinu, vyvine množství tepla, které se nestačí odvést vedením a prouděním a které zvýší lokálně teplotu zkratové úžiny a povrchu pásku tavného vodiče v jejím nejbližším okolí. Následně dojde k roztavení pájkové substance, jakmile teplota povrchu dosáhne teploty tavení substance. Při vhodném složení řečené substance pronikají kovy substance do základního kovu tvořícího pásek tavného vodiče a v místě zkratových úžiny s pájkou prostřednictvím tavícího metalurgického procesu přetváří základní kov tavného vodiče na slitinu s vyšším elektrickým odporem a nižší teplotou tavení. Pomocí řečeného metalurgického procesu dojde k urychlenému přerušení zkratových úžin v důsledku roztavení vzniklé slitiny teplem akumulovaným při průchodu proudu. Tento proces je znám z techniky tavných pojistek jako tavný (melting) efekt.

Jako nejčastěji používané pájkové substance jsou známy nízkoteplotní slitiny a směsi kovů cínkadmium nebo cín-olovo-kadmium nebo cín-kadmium-zinek nebo cín-olovo nebo cín-olovobismut nebo cín-olovo-měď nebo cín-olovo-stříbro. Vzhledem ke skutečnosti, že kadmium má karcinogenní účinky na živé organismy a že také olovo je z toxikologického hlediska jako těžký kov jedovaté, je kladen důraz na nalezení náhrady tradičních pájkových substancí substancemi zdravotně nezávadnými a snadno recyklovatelnými. Uvedený proces náhrady karcinogenních a těžkých kovů v pájkové substanci se příznivě projevuje při likvidaci výrobku po skončení jeho životnosti, což je u tavných pojistek, které jinak obsahují barevné kovy ve velmi čisté podobě zvláště důležité. Při sledování problematiky nalezení náhrad za závadné kovy v pájkových substancích používaných na tavných vodičích elektrických pojistek se lze setkat s návrhy i praktickými realizacemi na použití substance cín-stříbro, kde podíl stříbra zaujímá do 5 % v celkovém obsahu slitiny. Přesto, že uvedená slitina je skutečně co do složení nezávadná, její nevýhodou je zejména výrazně vyšší cena ve srovnání s běžnými dříve používanými pájkovými substancemi. Ještě větší cenové rozdíly se dosahují s pájkou cín-indium, která byla použita jako pájkové sub-1 CZ 13299 Ul

Stance na tavných vodičích u některých publikovaných pokusů. Ač je indium jinak zdravotně nezávadné, je velmi drahé a ve funkčních slitinách s cínem je nutno použít téměř 50 % tohoto kovu.

Dále je známá pájková substance, deklarovaná jako náhrada karcinogenních a těžkých kovů v pájkové substanci, se složením cín-bismut-měď nebo cín-indium-měď nebo cín-železo-měď. Podíl bismutu zaujímá v uvedené substanci od 3 do 40 % a měď od 0,3 do 1 %. Vzhledem k tomu, že z toxikologického hlediska je bismut považován za těžký kov, který tvoří jedovaté sloučeniny, působící otravu živých organismů s podobnými účinky jako mají sloučeniny olova, nelze takové pájkové substance považovat za zcela ekologicky nezávadné.

Podstata technického řešení

Cílem technického řešení je vytvoření složení pájkové substance, zcela zdravotně nezávadné, recyklovatelné, cenově snadno dostupné a funkčně účinné, která by odstranila řečené nevýhody známých pájkových substancí používaných až dosud k řízení tavného (melting) efektu u tavných vodičů tavných elektrických pojistek, přičemž uvedeného cíle je dosaženo technickým řešením, jehož podstata spočívá v tom, že pájková substance sestává ze slitiny dvou složek, z nichž jedna převažující je tvořena cínem a druhá je z mědi, přičemž podle technického řešení je pro efektivní průběh tavného (melting) efektu postačující, když v kombinaci s vhodnou volbou zkratových úžin a otvorů v pásku tavného vodiče, tvoří podíl mědi v pájkové substanci 0,001 až 30 % její hmotnosti a podíl cínu pak její zbytek.

Další účinky technického řešení spočívají v tom, že pájková substance, která je tvořena pouze dvěma složkami a obsahuje výhradně kovy cín a měď, případně jejich oxidy, je snadno separovatelná při pozdějších recyklačních postupech, nevytváří obtížně od sebe oddělitelné sloučeniny, přičemž k jejímu nanášení na povrch tavného vodiče nebo k natavení do předem vytvarovaného žlábku, či k dávkování do tvaru kapek na povrchu či kapek do otvorů v pásku tavného vodiče, postačují jednoduché natavovací postupy, tavením drátku nebo trubičky z uvedené slitiny.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a účinky technického řešení jsou dále patrny z připojených výkresů, kde značí obr. 1 tavný vodič se zkratovými úžinami a otvory s pájkovou substancí ve tvaru stopy dávkovanou příčně na povrch pásku, obr. 2 tavný vodič s pájkovou substancí ve tvaru stopy dávkovanou do žlábku, obr. 3 tavný vodič v podélném řezu s pájkovou substancí ve tvaru kapek na povrchu pásku, obr. 4 tavný vodič v podélném řezu s pájkovou substancí v podobě kapek dávkovaných v přídavných otvorech vyděrovaných v tloušťce pásku tvořícího tavný vodič.

Příklad provedení technického řešení

Tavný vodič 1 (obr. 1 až 4), obvykle ve formě pásku z mědi nebo stříbra apod., má podél své podélné osy napříč rozmístěna zúžená místa ve formě zkratových úžin 2, která vzniknou mezi nejméně dvěma sousedními otvory 3, které jsou vytvořeny v pásku tavného vodiče i. Po délce tavného vodiče i je rozmístěno několik řad takových zúžených míst, nej častěji v počtu dvou až sedmi řad, například pro napětí až do 1000 V a.c. Na tavném vodiči 1, podle přenášeného jmenovitého výkonu, lze použít v každé řadě jednu a více zkratových úžin 2.

V bezprostřední blízkosti zkratových úžin 2 je na povrchu tavného vodiče i nanesena pájková substance 4. Ta může po jejím natavení zaujímat tvar válcové stopy 5 (obr. 1) nebo stopy ve žlábku 6 (obr. 2) nebo také izolovaných kapek 7 (obr. 3), ale i kapek 8 v podobě perel v přídavném otvoru 9 (obr. 4). K nanášení se použije pájkové substance 4 zformované do podoby drátu nebo trubičky.

Při vypínání přetěžovacího proudu dojde ke zvýšení teploty zkratových úžin 2 a tavného vodiče 1 v jejich okolí, tak, že po určité době dojde k roztavení pájkové substance 4 v bezprostřední

-2CZ 13299 Ul blízkosti zkratových úžin 2. Roztavená pájková substance 4 v místě zkratových úžin 2 difunduje do základního kovu pásku tavného vodiče i tak, že s ním vytvoří velmi rychle slitinu o vyšším odporu a nižší tavné teplotě v porovnáním se základním kovem tavného vodiče L V důsledku dalšího zvyšování teploty dojde zakrátko k přerušení zkratových úžin 2 roztavením.. Tavná pojistka po přetavení zkratových úžin 2 tavného vodiče I přeruší proud elektrického obvodu a odpojí porouchanou část od zdroje. Vhodná volba pájkové substance 4 spolu s volbou zkratových úžin 2 a otvorů 3 vůči základnímu kovu tavného vodiče I má zásadní vliv na rychlost a spolehlivost tavného (melting) efektu, kterým dojde k přerušení elektrického obvodu tavnou pojistkou.

Na základě dlouhodobě prováděných pokusů a zkoušek na nejrůznějších odlišných provedeních tavných vodičů i s různými zkratovými úžinami 2 a otvory 3 bylo zjištěno, že pro uvedený proces roztavení tavného vodiče 1 při působení nadproudu nejlépe vyhovuje pájková substance 4 obsahující větší podíl cínu a menší podíl mědi, přičemž podle technického řešení je pro efektivní průběh tavného (melting) efektu postačující, když v kombinaci s vhodnou volbou zkratových úžin 2 a otvorů 3 v pásku tavného vodiče I, tvoří podíl mědi v pájkové substanci 4 0,001 až 30 % její hmotnosti a podíl cínu pak její zbytek. Kterákoliv z kovových složek pájkové substance 4 může být samostatně nebo v kombinaci nahrazena svým oxidem.

Claims (3)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Tavný vodič (1), zejména pro vložky tavných elektrických pojistek nízkého napětí a vysokého výkonu, vytvořený jako pásek z elektricky vodivého kovu s příčnými řadami .otvorů (3) tvořících mezi sebou zkratové úžiny (2) a opatřený v blízkosti alespoň jedné řady těchto zkratových úžin (2) pájkovou substancí (4), nanesenou na jeho povrch ve formě válcové stopy (5) nebo stopy ve žlábku (6) nebo izolovaných kapek (7) a nebo kapek (8) v podobě perel vpravených do přídavných otvorů (9) vytvořených v tloušťce pásku v blízkosti řečených zkratových úžin (2), vyznačující se tím, že pájková substance (4) sestává ze slitiny dvou složek, z nichž jedna převažující je tvořena cínem a druhá je z mědi.

2. Tavný vodič podle nároku 1, vyznačující se tím, že podíl mědi v pájkové substanci (4) zaujímá 0,001 až 30 % hmotnosti pájkové substance a podíl cínu tvoří zbytek.

3. Tavný vodič podle nároků la2, vyznačující se tím, že kterákoliv z kovových složek pájkové substance (4) je nahrazena svým oxidem.