CZ19477U1 - Tavný vodič elektrické tavné pojistky - Google Patents

Description

Tavný vodič elektrické tavné pojistky Oblast techniky

Technické řešení se tyká tavného vodiče, zejména pro vložky tavných elektrických pojistek nízkého napětí a vysokého výkonu, vytvořeného obvykle jako pásek s příčnými řadami vyděrova5 ných 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, nejčastéji 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, nej častěji křemičitým pískem, eventuelně zpev10 něným 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 nízkého napětí 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 úžin zo vytvořených ve směru podélné osy vodiče, mezi otvory vyděrovanými v tloušťce pásku, tvořícího tavný vodič. Řečené úžiny jsou často situovány ve směru podélné osy ve více řadách a zaujímají různé tvary, které poskytují úžinové řadě různé odpory. Pájková substance se dávkuje nejčastěji k některé ze středních 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 úžinu, vyvine množství tepla, které se nestačí odvést vedením a prouděním a které zvýší lokálně teplotu úžiny a povrchu pásku tavného vodiče v jejím nejbližším okolí, čímž dojde k roztavení pájkové substance, jakmile teplota povrchu dosáhne teploty tavení substance. Při vhodném složení řečené substance pronikají kovy substance so do základního kovu tvořícího pásek tavného vodiče a v místě úžin s přítomnou 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 úžin v důsledku roztavení vzniklé slitiny teplem akumulovaným, při průchodu proudu. Tento proces je znám z techniky tavných pojistek jako „tavný (melting) efekt“.

Jako dříve nejčastěji tradičně používané pájkové substance jsou známy nízkoteplotní slitiny a směsi kovů cín-kadmium nebo cín-olovo-kadmium nebo cín-kadmium-zinek nebo cín-olovo nebo cín-olovo-bismut 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 soustavný důraz na nalezení náhrady tradičních pájkových substancí substancemi zdravotně nezávadnými a snadno recyklovatelnými, tzv. ekologicky nezávadnými pájkovými substancemi, 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.

V souvislosti s řečeným procesem náhrady těžkých a karcinogenních kovů v pájkové substanci je známo množství ekologicky nezávadných pájkových substancí, které obsahují ve slitině cín a dále jeden nebo více dalších kovů. Přes nesporné výhody plynoucí z ekologické nezávadnosti řečených slitin mají nově aplikované slitiny měkkých pájek také podstatnou nevýhodu, kterou je často jejich vyšší teplota tavení. Dříve tradičně používané pájky obsahující ve slitině s cínem karcinogenní kadmium, například Sn50Pb32Cdl8 s tavnou teplotou 145 °C, SnCd20 s tavnou

- 1 CZ 19477 Ul teplotou 180 °C nebo SnCd31Zn3 s tavnou teplotou 160 °C, mají být nyní nahrazeny ekologicky nezávadnou slitinou cínu a dalších kovů. Mezi další tradiční a dosud často používané pájkové slitiny, obsahující kromě cínu zejména olovo patří například Sn63Pb37 s tavnou teplotou 183 °C. Uvedeným pájkovým slitinám odpovídají na tavném vodiči vždy konkrétní konstrukční řešení zkratových úžin mezi vytvořenými otvory, uspořádanými do úžinových řad podél tavného vodiče a zejména ty, které jsou dislokovány poblíž místa s nanesenou pájkou na jeho povrchu.

Při sledování problematiky řešení náhrad za závadné tj. karcinogenní a těžké kovy které obsahují pájkové slitiny na tavných vodičích elektrických pojistek se lze setkat s návrhy i praktickými realizacemi na použití substancí cín-stříbro, cín-měď, cín-zinek, cín-měď-stříbro, cín-zinek-bisio mut, cín-bismut, cín-indium a cín-měď-bísmut. Vzhledem k tomu, že z toxikologíckého hlediska je bismut dosud také 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 perspektivní a zcela ekologicky nezávadné. Slitina cín-indium vyniká nízkou tavnou teplotou 117 až 150 °C a ekologickou nezávadností, je však velmi cenově nákladná. Proto mezi skutečně perspektivní slitiny tak patří zejména ostatní uvedené, například slitina Sn96Ag4 s tavnou teplotou 221 °C nebo SnCu3 s tavnou teplotou 230 až 250 °C. V porovnání s tavnou teplotou slitin pájek SnPb a SnCd je zřejmé, že uvedené ekologické pájky mají tavnou teplotu z hlediska působení na známých provedeních tavných vodičů výrazně vyšší. Při aplikaci na dříve vyvinuté konstrukce tavných vodičů od nich nelze očekávat správnou funkci tavné pojistky, když tavný efekt zcela selhává nebo vzhledem k opoždění tavného efektu nevykazují takové vložky potřebnou shodu funkce s požadavky na normovanou ampérsekundovou charakteristiku.

Známá řešení tavného vodiče s funkcí přizpůsobenou pro aplikaci ekologicky nezávadné měkké pájky, například slitiny Sn96Ag4 s tavnou teplotou 221 °C nebo SnCu3 s tavnou teplotou 230 až 250 °C a podobně jsou tvořena obvykle základním vodičem ve formě pásku z mědi nebo stříbra či slitin, které uvedené základní kovy obsahují apod., který má podél své podélné osy napříč rozmístěna zúžená místa ve formě úžin. Na známém tavném vodiči jsou v jeho délce umístěny . krajní úžinové, řady_ a v jeho středí části střední úžinoyářada_ v jejíž blízkostije _také dislokovaná pájková substance výše zmíněného ekologického složení. Zkratové úžiny ve střední úžinové řadě jsou vytvořeny často mezi otvory obdélníkového tvaru, tvaru mnohoúhelníku nebo i mezi kruhovými otvory. V krajních úžinových řadách jsou úžiny vytvořeny obvykle mezi kruhovými otvory apod. Vzájemný poměr průřezů úžin v krajních úžinových řadách ve srovnání s průřezem úžin ve střední úžinové řadě se pohybuje v rozmezí od 1 : 1 až po 1 : 3. Na známém provedení tavných vodičů s ekologickou pájkou se obvykle vyskytuje jedna střední úžinová řada a 2 a více krajních úžinových řad, přičemž celkový počet všech úžinových řad je volen v souladu s kon35 strukčními požadavky na tzv. zástavbovou délku vodiče, to je konkrétní délku vodiče do konkrétního tělesného uspořádání tavné pojistkové vložky a na druh a velikost jmenovitého napětí, při němž tavná vložka operuje. Tavný vodič zmíněný výše může být často ve střední úžinové řadě kromě zkratových úžin opatřen dále vybráním vytvořeným symetricky z okrajů tavného vodiče směrem k jeho podélné ose. Tavný vodič zmíněný výše může být proveden také tak, že namísto řečeného vybrání je v blízkosti střední úžinové řady umístěna mimo oblast s nanesenou pájkovou substancí s voleným osovým odstupem nejméně jedna další pomocná úžinová řada obdobného tvaru.

Přes nesporné výhody výše popsaného známého řešení tavného vodiče s ekologickou pájkovou substancí neposkytuje uvedená konstrukce vhodné řešení v případech, kdy je požadována malá zástavbová délka tavného vodiče spolu s vysokou hodnotou jmenovitého napětí a skutečnost, že je nutné při konstrukci krátkého tavného vodiče volit sudý počet úžinových řad. Tehdy se vyskytuje problém, že střední úžinová řada při jedné možné orientaci tavného vodiče vůči jeho tepelnému středu působí optimálně a přetaví tavný vodič pomocí výše popsaného tavného (melting) efektu přímo v místě úžin střední úžinové řady spolu s pouze mírným nárůstem oteplení,

5« zatímco v opačné možné orientaci tavného vodiče leží tepelný střed tavného vodiče nepříznivě mimo pájkovou substanci na povrchu vodiče a tavný efekt se nevyvine v místě úžin střední úžinové řady, nýbrž mimo ní a pájková substance provede tavný efekt v objemu pásku tavného vo. 2 .

OL 19477 Ul diče, což je doprovázeno značným a nepříznivým nárůstem oteplení značné části povrchu tavného vodiče.

Dále je známé jiné řešení tavného vodiče s ekologickou pájkou, které reaguje na situaci, kdy je požadována malá zástavbová délka tavného vodiče spolu s vysokou hodnotou jmenovitého napětí například v provedení válcové pojistkové vložky průměru 10,3 mm a délky 38 mm působící při stejnosměrném napětí 900 V. S odvoláním na uvedené jmenovité napětí má tavný vodič 6 úžinových řad, kdy úžiny jsou shodného průřezu a provedeny mezi kruhovými otvory shodně podél celé délky tavného vodiče. Celkový počet úžinových řad je sudý a nejčastěji roven šesti s odvoláním na požadavky optimální funkce při požadovaném jmenovitém napětí a současně nízkých io elektrických ztrátách tavného vodiče a pojistkové vložky. Známé řešení tavného vodiče má tak ve svém středu tzv. středový úsek, který neobsahuje na svém povrchu ekologickou pájkovou substanci a který je ohraničen z každé strany jednou úžinovou řadou. Teprve na dalším úseku tavného vodiče přiléhajícímu k řečenému středovému úseku je ňa povrchu nanesena pájková substance. Při působení nadproudu, dosahuje nejvyšší teploty nejdříve řečený středový úsek a i5 teprve s jistým časovým i lokálním odstupem také k němu přiléhající úsek s pájkovou substancí na povrchu. Pájková substance přechází během tavného procesu z pevného do tekutého stavu, prakticky v celém svém objemu. Po roztavení pájky dochází k pronikání pájky do objemu základního kovu přilehlého úseku na němž je nanesena a část z roztavené pájkové substance na povrchu přilehlého úseku je mimo to tepelným spádem na povrchu vodiče nucena k povrchové20 mu tečení směrem k povrchu úžin úžinové řady oddělující středový úsek. Přes povrch úžin pokračuje roztavená pájka v tečení po povrchu tavného vodiče, jmenovitě po povrchu středového úseku, kde je nejvyšší teplota na tavném vodiči. Během uvedeného procesu tavení pájkové substance a povrchovému tečení pájky směrem k místu s nejvyšší teplotou na středovém úseku, dochází k pronikání pájkové substance do základního kovu a s ní související změně základního kovu pásku tavného vodiče na slitinu s vyšším elektrickým odporem a nižší teplotou tavení. Pomocí dříve zmíněného metalurgického procesu dochází k roztavení slitiny vzniklé v objemu tavného vodiče v úseku povrchově smáčeném pájkou a k následnému přerušení proudu. Nevýhodou popsaného řešení je skutečnost, že povrch smáčený pájkou protékající z přiléhajícího do středového úseku je natolik rozsáhlý a místo, kde nejčastěji dojde k proniknutí pájky do základního kovu za vzniku slitiny a tím k přetavení pásku tavného vodiče je natolik neurčité, že může dojít ke vzniku širokého lokálního objemového roztavení tavného vodiče spolu s jeho značným povrchovým oteplením. To má negativní vliv na keramické těleso i kontaktní části včetně pojistkového spodku či pojistkového držáku v němž je pojistková vložka umístěna, a které všechny jsou vystaveny nadměrnému oteplení pojistkové vložky v důsledku vypínání poruchového proudu

35, výše uvedeným tavným vodičem.

Podstata technického řešení

Cílem technického řešení je nalezení nových technických řešení tavného vodiče, které by odstraňovaly nevýhody známých řešení pro aplikaci, kdy je požadována malá zástavbová délka tavného vodiče v pojistkové vložce spolu s vysokou hodnotou jmenovitého napětí a s ohledem na opti40 mální dimenzování je použit sudý počet úžinových řad v délce tavného vodiče. Podstata užitného vzoru spočívá v tom, že na povrch tavného vodiče z mědi, stříbra nebo elektricky vodivé slitiny je aplikována pájková substance, která sestává ze slitiny dvou a více složek, z nichž jedna převažující je tvořena cínem a druhá je z mědi, stříbra, zinku, india a nebo jejich vzájemných kombinací, přičemž tavná teplota takové cínové slitiny dosahuje hodnot 185 až 250 °C. Při aplikaci řečené ekologicky nezávadné cínové slitiny je nutné nově přistoupit k řešení uspořádání úžin a úžinových řad v délce tavného vodiče a zejména pak těch, které jsou dislokovány v místě aplikace pájkové slitiny na povrchu tavného vodiče.

Řešení požadavků na moderní tavný vodič s ekologicky nezávadnými cínovými pájkami o vyšší tavné teplotě pomocí konkrétního uspořádání soustavy úžin ve střední části tavného vodiče při minimalizaci elektrických ztrát je podstatou technického řešení.

CZ 19477 Ul

Přehled obrázků na výkrese

Provedení technického řešení jsou dále patrná z připojeného výkresu, kde obr. 1 zobrazuje příklad provedení tavného vodiče podle užitného vzoru s jedinou úžinou v krajní, i střední úžinové řadě a jedním otvorem ve středu šíře Ls pájkové substance nanesené ve střední části pásku tav5 ného vodiče.

Na obr. 2 je příklad provedení tavného vodiče podle užitného vzoru se dvěma úžinami v krajní i střední úžinové řadě a jedním otvorem ve středu šíře Ls pájkové substance nanesené ve střední části pásku tavného vodiče.

Na obr. 3 zobrazuje příklad provedení tavného vodiče podle užitného vzoru se čtyřmi úžinami v to krajní i střední úžinové řadě a dvěma otvory orientovanými vůči středu šíře Ls pájkové substance nanesené ve střední části pásku tavného vodiče.

Příklad provedení technického řešení

Tavný vodič tvořený páskem i (obr. 1 až 3), obvykle z mědi nebo stříbra či elektricky vodivé slitiny apod., má podél své podélné osy napříč rozmístěny úžiny 2 a 4 mezi otvory vhodného tvaru tvořící úžinové řady 3 a 5. Na povrchu pásku i tavného vodiče je nanesena pájková substance 6 tvořená ekologickou pájkou s teplotou tavení v rozsahu 120 až 320 °C. Měkká pájka s uvedeným rozsahem teplot tavení obsahuje cín nebo jeho slitinu či směs složenou z minimálně 40 % cínu a dále z příměsí mědi, stříbra, zinku, india a to jednotlivě nebo ve vzájemných kombinacích. Pájková substance 6 zaujímá šíři Ls vymezenou mezi dvěma středními úžinovými řadami

2o 5 umístěnými přibližně ve středu délky L pásku i. Pásek i tavného vodiče obsahuje dále nejméně 2 krajní úžinové řady 3, které jsou uspořádány v délce pásku i tavného vodiče přibližně symetricky z každé strany vůči šíři Ls pájkové substance 6 nanesené na povrchu pásku 1.

Přibližně ve středu šíře Ls pájkové substance 6 je vyděrován v pájkové substanci .6 i pásku i

- - --tavného vodiče otvor 7, který má s-výhodou kruhový.tvar, můžemít vsak.i.jiný. tvar,..například. 25 eliptický čí mnohoúhelníkový apod. Při správně zvolené velikosti D otvoru 7 v pájkové substanci vůči šíři Ls a také s ohledem na optimálně zvolený počet otvorů 7 vůči počtu Ns úžin ve střední úžinové řadě 5 poskytuje řečené uspořádání úžin a otvorů spolu s řečenou pájkovou substancí 6 na pásku i tavného vodiče optimální funkci tavného vodiče při vypínání poruchových proudů s využitím tavného (melting) efektu.

Výše popsané optimální rozmístění pájkové substance 6 a středních úžinových řad 5 zajistí, že pájková substance 6 na povrchu pásku 1 je umístěna v pozici, v níž je na tavném vodiči současně nejvyšší tavná teplota, takže pájková substance se roztaví téměř současně v celém svém objemu. Dvě střední úžinové rady 5 umístěné svými úžinami 4 oboustranně v okrajové části šíře Ls pájkové substance 6 obsahují celkový počet úžin střední úžinové řady Ns o celkovém průřezu střední úžinové řady Ss tak, že zajistí optimální tepelný spád v Šířce Ls. Ten sám o sobě dostačuje k tomu, že roztavená pájková substance 6 během tavného (melting) efektu vytvoří slitinu se základním kovem pásku i v jedné ze dvou středních úžinových řad 5 a to nezávisle na poloze a umístění taného vodiče a pojistkové vložky v elektrickém zařízení, jmenovitě pojistkovém spodku, pojistkovém držáku či pojistkovém odpínači. Řečený vznik slitiny pájky a základního kovu v místě úžin 4 střední úžinové řady 5 způsobí nárůst teploty ná tavném vodiči lokálně právě v místě středové úžinové řady 5 což následně způsobí přerušení celého tavného vodiče. Uvedený razantní lokální nárůst teploty omezený na některou středovou úžinovou řadu 5 je velmi šetrný vůči konstrukci tavné vložky a elektrickému zařízení v němž je při provozu umístěna.

Výše popsaná optimální funkce tavného (melting) efektu je s výhodou zesílena vytvořením otvo45 ru 7 ve středu šíře Ls v pájkové substanci 6 i pásku i na němž je nanesena. Řečený otvor 7 optimálně zvýší tepelný spád vzniklý v šíři Ls pájkové substance 6 a způsobí koncentraci tekuté pájkové substance 6 po jejím roztavení do okrajové Části Šíře Ls mezi otvorem 7 a některou střední úžinovou řadou 5. To je výhodné zejména v případech, kdy poruchový proud protékající tavným

- 4 CZ 19477 U1 vodičem je malý, ohřev vodiče je dlouhý a k dosažení tavné teploty pájkové substance 6 na povrchu pásku i tavného vodiče je třeba dlouhého pozvolného ohřevu celého tavného vodiče, což má jinak za následek velmi plochý tepelný spád v Šíři Ls pájkové substance 6 během řečeného tavného (melting) efektu.

Podobně jako každá střední úžinová řada 5 má také každá krajní úžinová řada 3 úžiny 2 přičemž celkový počet úžin krajní úžinové řady Nk a celkový průřez krajní úžinové rady Sk může, ale nemusí být roven celkovému počtu středních úžin střední úžinové řady Ns a celkovému průřezu střední úžinové řady Ss.

Claims (5)

1. io 1. Tavný vodič, zejména pro vložky tavných elektrických pojistek nízkého napětí a vysokého výkonu, vytvořený jako pásek (1) z elektricky vodivého kovu s nejméně dvěma krajními úžinovými řadami (3) otvorů, tvořících mezi sebou úžiny (2) a dvěma středními úžinovými řadami (5) otvorů tvořících mezi sebou úžiny (4) opatřený pájkovou substancí (6) nanesenou na povrchu pásku (1), vyznačující se tím, že pájková substance (6) dosahuje hodnoty teploty

   15 tavení v rozsahu 120 až 320 °C a obsahuje cín nebo jeho slitinu či směs složenou z minimálně 40 % cínu a dále z příměsí mědi, stříbra, zinku, india a to jednotlivě nebo ve vzájemných kombinacích a na pásku (1) tavného vodiče zaujímá šíři (Ls) o velikosti od 2 do 12 mm vymezenou mezi dvěma středními úžinovými řadami (5) umístěnými přibližně ve středu délky (L) pásku (1) tavného vodiče, přičemž řečené krajní úžinové řady (3) jsou uspořádány v délce pásku (1) tav20 ného vodice přibližně symetricky z každé strany vůči šíři (Ls) pájkové substance (6) nanesené na povrchu pásku (1).
2. 2. Tavný vodič podle nároku 1, vyznačující se tím, že pájková substance (6) je spolu s páskem (1) vyděrována a opatřená jedním či více otvory (7) orientovanými ve středu nebo vůči středu šíře (Ls) vymezené mezi dvěma středními úžinovými řadami (5).

   25 3. Tavný vodič podle nároku 2, vyznačující se tím, že řečené otvory (7) mají kruhový, eliptický či mnohoúhelníkový tvar, a jejich velikost (D) dosahuje hodnot 0,3 až 10 mm, přičemž zaujímá současně velikostí 10 % až 80 % šíře (Ls) vymezené mezi dvěma středními úžinovými řadami (5).

   4. Tavný vodič podle nároku 2, vyznačující se tím, že celkový počet úžin střední
3. 3ϋ úžinové řady (Ns) každé jednotlivé střední úžinové řady (5) v poměru k počtu řečených otvorů (7) v pájkové substanci dosahuje hodnot celých čísel v rozsahu 1 až
4. 4.
5. 5. Tavný vodič podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že celkový počet úžin střední úžinové řady (Ns) ve střední úžinové řadě (5) je roven nebo menší celkovému počtu úžin krajní úžinové řady (Nk) v krajní úžinové řadě (3), minimálně vsak dosahuje- hodnoty jedna a

   35 celkový průřez úžin ve střední úžinové řadě (Ss) je roven 1 až 3 násobku celkového průřezu úžin v krajní úžinové řadě (Sk), přičemž tvar úžin (2) v krajní úžinové řadě (3) stejně jako tvar úžin (4) ve střední úžinové řadě (5) je definován otvory kruhového, obdélníkového, mnohoúhelníkového nebo eliptického tvaru.