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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer derartigen Schmelzsicherung.
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Schmelzsicherungen
werden in vielen Bereichen der Technik verwendet, beispielsweise
im Fahrzeugbau. Dabei sind abhängig
von dem entsprechenden Anwendungsbereich genau vorgegebene und normierte
Anschlussgeometrien zu beachten. Neben den Anschlussgeometrien müssen die Schmelzsicherungen
aber auch entsprechend aufgebaut und ausgelegt sein, um in Bezug
auf den Nominalstrom aber auch die Auslösecharakteristika die technischen
Vorgaben zu erfüllen.
Weitere zu erfüllende
Bedingungen folgen aus dem Einsatzfeld von Schmelzsicherungen und
die für
diesen Bereich geeigneten Einsatzmaterialien.
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Im
Fahrzeugbereich werden Schmelzsicherungen eingesetzt, die entsprechend
den aus der Anschlussgeometrie herrührenden Produktspezifikationen
für den
Fachmann beispielsweise unter den Begriffen "SF-30", "SF-51" oder "Multifuse", d.h. einteilig im
Stanzgitter integriert, bekannt sind.
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Für das Material
derartiger oben bezeichneter, im Fahrzeugbau verwendeter Schmelzsicherungen
hat sich Kupfer als geeignet erwiesen. Eine Herstellung aus Zink
ist hingegen ungeeignet, da Zink zu weich ist und eine sichere Stromübertragung
aufgrund des Setzverhaltens von Zink bei Vibrationen nicht gewährleistet
werden kann. Weiterhin ist zu beachten, dass Zink auch aufgrund
des ungünstigen Schmierverhaltens
nicht eingesetzt wird. Schließlich werden
Schmelzsicherungen im Kraftfahrzeugbereich auch im Nassbereich eingesetzt
und müssen daher
gegen Streusalze beständig
sein. Auch hier ist Zink kein geeignetes Material, da die normierten Salz-Sprühnebel-Tests
eine zu hohe Alterung belegen.
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Aus
diesem Grund wird insbesondere im Fahrzeugbau für derartige Schmelzsicherungen meist
Kupfer als Material verwendet. Dabei kann das Kupfer sowohl in reiner
Form eingesetzt werden als auch zum Schutz des Kupfers mit einer
sehr dünnen Zinnschicht
bedeckt sein. Derartiges verzinntes Kupfer weist eine Schutzschicht
aus Zinn auf, die eine geringe Schichtdicke zwischen 3 μm und 5 μm aufweist,
um die gewünschte
Schutzfunktion zu gewährleisten.
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Ein
technisches Problem derartiger aus Kupfer oder verzinntem Kupfer
bestehender Schmelzsicherungen besteht darin, dass diese in Bezug
auf die Schmelzzeiten außerhalb
der in der ISO/DIN-Norm 8820 vorgeschriebenen Toleranzen liegen. Üblicherweise
wird diese Schwierigkeit überwunden,
indem ein Lötpunkt
aus geschmolzenem Zinn in die Mitte des Schmelzbereichs aufgebracht
wird oder aber eine Zinnniete in der Mitte des Schmelzbereichs der Schmelzsicherung
angeordnet wird. Auch ein flächiges
Aufbringen von geschmolzenem Zinn auf dem Schmelzbereich ist bekannt.
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Während das
Anbringung einer Zinnniete in der Mitte des Schmelzbereichs einen
hohen zusätzlichen
Produktionsaufwand darstellt, der bei Massenprodukten wie Schmelzsicherungen
vermieden werden soll, ist auch das einseitige Aufbringen von geschmolzenem
Zinn in Form eines Lötpunktes
oder in flächiger
Weise nachteilig. Zum einen ist die Dosierung einer genau definierten
Menge an Zinn problematisch. Gerade aber die Menge, aber auch genaue Geometrie
des zusätzlichen
Zinnmaterials ist wichtig, um die Schmelzzeit der Schmelzsicherung
gezielt zu verändern.
Da Schmelzsicherungen im Produktionsprozess aber nur stichprobenartig
einer zerstörenden Materialprüfung zugeführt werden,
muss mit einer sehr aufwändigen
und hochpräzisen
Dosierung eine möglichst
hohe Prozesssicherheit hergestellt werden.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine betriebssichere Schmelzsicherung
vorzuschlagen, welche eine möglichst
genau definierte Auslösecharakteristik
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schmelzsicherung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Das
zur Herstellung einer derartigen Schmelzsicherung verwendete Verfahren
umfasst die Merkmale des Anspruchs 13 oder 14.
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Die
Schmelzsicherung umfasst mindestens zwei getrennte Anbringungsbereiche
zur Anbringung der Schmelzsicherung und mindestens einen Schmelzbereich,
der die getrennten Anbringungsbereiche verbindet. In der Regel sind
zwei Anbringungsbereiche sowie ein einziger, die beiden Anbringungsbereiche
verbindender Schmelzbereich vorgesehen, doch sind auch unterschiedliche
Geometrien denkbar, bei denen mehr als zwei Anbringungsbereiche und/oder
mehr als ein Schmelzbereich vorgesehen sein können.
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Der
Schmelzbereich der Schmelzsicherung besteht aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung. Der mindestens eine Schmelzbereich ist beidseitig
zumindest bereichsweise beschichtet. Die Beschichtung ist so aufgebracht,
dass die Schichtdicke des Beschichtungsmaterials mindestens 6 µm, bevorzugt mindestens
8 µm,
insbesondere zwischen 6 µm
und 15 µm,
bevorzugt zwischen 8 µm
und 13 µm
und am meisten bevorzugt etwa 12 µm beträgt. Indem auf mindestens einen
Bereich der Schmelzzone eine derartige Schicht aufgebracht wird,
ist es möglich,
die Schmelzzeiten so anzupassen, dass die in der ISO-DIN-Norm 8820
verlangten Toleranzen in Bezug auf die Auslösezeiten eingehalten werden.
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Höhere Schichtdicken
von z.B. 20 µm
sind ebenfalls möglich.
Es wurde aber festgestellt, dass die Änderung des Auslöseverhaltens
der Schmelzsicherungen im Vergleich zu Schichtdicken von 10 µm bis 15 µm nur relativ
gering ist und somit den zusätzlichen
Aufwand zum Herstellen einer so höheren Schichtdicke nicht rechtfertigt.
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Der
Vorteil einer Beschichtung mit genau definierter Schichtdicke besteht
aber insbesondere darin, dass eine hohe Prozesssicherheit vorhanden
ist. Die Präzision
des Aufbringens der Beschichtung ermöglicht somit enge Toleranzen
bei den Schmelzzeiten der Schmelzsicherung. Außerdem lässt sich in Bezug auf das hierbei
verwendete Verfahren die Schicht entweder vor dem Ausstanzen der
aus den Anbringungsbereichen und dem mindestens einen Schmelzbereich
bestehenden Rohlingen oder aber auch direkt nach dem Ausstanzen
aber noch vor dem Vereinzeln der einzelnen Rohlinge durchführen. Auf diese
Weise kann der Produktionsprozeß vereinfacht werden.
Insbesondere wenn bereits ein vorbeschichtetes Band aus Kupfer oder
einer Kupferlegierung verwendet wird, kann beim eigentlichen Herstellverfahren
für die
Schmelzsicherungen ein vollständiger Arbeitsschritt
entfallen und gleichzeitig ein sehr viel präziseres Auslöseverhalten
der Schmelzsicherung sichergestellt werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung folgen aus den übrigen
Ansprüchen.
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Es
ist bevorzugt, als Beschichtungsmaterial Zinn oder eine Zinnlegierung
einzusetzen. Mögliche Zinnlegierungen
sind SnAg oder SnPb. Reines Zinn besitzt den Vorteil gegenüber Zinnlegierungen,
dass die Herstellung einer Beschichtung in einem galvanischen Bad
sehr einfach durchgeführt
werden kann. Die Zinnschicht wird in einem galvanischen Bad oder Trommelbad
mit geschmolzenem Zinn auf die zwei geraden Hauptflächen oben
und unten des Schmelzbereichs aufgebracht. Im Betrieb erhitzt sich
der Schmelzbereich bei Stromdurchfluss. Bei hohem Stromdurchfluss
erwärmt
sich das Schmelzteil, so dass das Zinn mit niedrigem Schmelzpunkt
schmilzt und sich mit dem darunter liegenden Kupfer verbindet, wobei
zwei dünne
Legierungsfilme (Bronze) oben und unten im Schmelzbereich gebildet
werden. Der spezifische elektrische Widerstand von Bronze ist 4-5
mal höher
als derjenige von Kupfer. Das oben beschriebene Phänomen erlaubt
es, dass die leitende Oberfläche
einen höheren
elektrischen Widerstand erhält,
wodurch die Schmelzsicherung aufgrund der höheren Wärmeentwicklung flinker anspricht.
Die Schmelzzeiten lassen sich somit so verändern, dass diese innerhalb
der in ISO 8820 vorgegebenen Korridore liegen, insbesondere bei
den Funktionsprüfungen
mit langen Zeiten, wie dem 1,35-fachen oder 1,5-fachen des Nennstroms.
Daher beeinflusst eine vergleichsweise dünne Zinnbeschichtung auf einem
Schmelzbereich aus Kupfer in nennenswerter Weise das gesamte Auslöseverhalten
der Schmelzsicherung.
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Die
Anbringungsbereiche weisen nach einer bevorzugten Ausführungsform
jeweils eine Öffnung zum
Durchtritt eines Befestigungselementes auf. Auf diese Weise lassen
sich die Schmelzsicherungen an normierte Anschlussgeometrien anpassen.
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Alternativ
ist es auch möglich,
mindestens einen Anbringungsbereich als Steckanschluss auszugestalten.
Es sind somit sämtliche
verschiedenen Alternativen denkbar, nach denen alle Anbringungsbereiche
Befestigungsöffnungen
aufweisen, alle Anbringungsbereiche als Steckanschlüsse ausgestaltet sind
oder eine beliebige Mischung der verschiedenen Anschlussgeometrien
vorgesehen ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung können
die Anbringungsbereiche mit einem zweiten Beschichtungsmaterial
beschichtet sein, insbesondere vergoldet, versilbert oder mit Zink beschichtet
sein. Diese Maßnahme
kann ergriffen werden, um diese Bereiche besonders gegen Korrosion
zu schützen
oder um dem verwendeten Material oder der Beschichtung des Gegenkontaktes
zu entsprechen.
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In
Bezug auf den Schmelzbereich sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar.
So besteht eine Option darin, den Schmelzbereich und die Anbringungsbereiche
aus einem einzigen Blech auszustanzen und anschließend die
Materialstärke
im Schmelzbereich zu verringern. Alternativ oder ergänzend kann
der Schmelzbereich auch in Bezug auf die Breite des Schmelzbereichs
eine oder mehrere Abschnitte aufweisen, in denen die Breite gezielt
verringert ist, so dass Bereiche mit einer gezielten Verringerung
des Materialquerschnitts bestehen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Schmelzbereich so gestaltet, dass dessen Länge zwischen
den aufgrund der Anschlussgeometrie örtlich vorgegebenen Anbringungsbereichen
erhöht
ist. Dies kann insbesondere erfolgen, indem der Schmelzbereich nicht
eine gerade Verbindung zwischen Anbringungsbereichen darstellt,
sondern eine geschwungene Form aufweist oder aus in Längsrichtung
aneinander angrenzenden Abschnitten besteht, die winklig zueinander
angeordnet sind. Derartige Geometrien sind als V-Form oder S-Form
in der Technik bekannt.
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Die
gesamte Schmelzsicherungen kann so ausgestaltet sein, dass der mindestens
eine Schmelzbereich und die Anbringungsbereiche im Wesentlichen
in einer Ebene liegen. Dies stellt die einfachste Bauform dar, weil
nach dem Ausstanzen eines Rohlings bestehend aus dem mindestens
einen Schmelzbereich und den Anbringungsbereichen aus Bandmaterial
kein weiterer Verformungsschritt benötigt wird, um Schmelzbereich
und Anbringungsbereiche in unterschiedliche Ebenen zu bringen.
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Wie
bereits oben erwähnt
wurde, ist es auch denkbar, die Schmelzsicherung so auszugestalten, dass
mehrere getrennte Schmelzbereiche zwischen den Anbringungsbereichen
vorgesehen sind. Generell ist in Bezug auf die Formgebung ein weiter
Bereich von Möglichkeiten
gegeben. Vorzugsweise werden allerdings die Schmelzsicherungen als
Schraubverbindungen nach ISO 8820 ausgeführt und können beispielsweise auch eine
Würfelform
aufweisen.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann durchgeführt werden,
indem zunächst
ein Band aus Kupfer oder einer Kupferlegierung beidseitig mit einer Schicht
aus Zinn oder einer Zinnlegierung beschichtet wird und anschließend mindestens
ein Grundkörper
der Schmelzsicherung bestehend aus den Anbringungsbereichen und
dem mindestens einen Schmelzbereich aus dem beschichteten Band ausgestanzt
wird. Alternativ kann aber die Verfahrensreihenfolge umgekehrt werden.
Mit anderen Worten kann auch zunächst
mindestens ein Grundkörper
der Schmelzsicherung bestehend aus den Anbringungsbereichen und
dem mindestens einen Schmelzbereich aus dem beschichteten Band ausgestanzt
werden und anschließend
der mindestens eine Grundkörper
mit einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung beschichtet
werden. Der Unterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin,
dass bei der Verfahrensabfolge des Ausstanzens nach dem Beschichten
die schmalen Seitenflächen
des Schmelzbereichs nicht beschichtet sind, während bei einem Beschichten
nach dem Schritt des Ausstanzens auch diese Bereiche beschichtet
werden können.
Das Verfahren besitzt allerdings ungeachtet der beiden alternativen
Verfahrensabfolgen den Vorteil, dass durch das kontinuierliche Aufbringen
von Zinn auf das Band und nicht auf jedes einzelne Teil eine höhere Zuverlässigkeit
der Schmelzsicherung bei gleichzeitig verringerten Kosten erzeugt
werden kann.
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Der
wesentliche Gesichtspunkt besteht bei der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung
wie auch den Beschichtungsverfahren stets darin, dass die Schichtdicke
des Beschichtungsmaterials mindestens 6 µm, bevorzugt mindestens 8 µm beträgt. Bevorzugte
Bereiche für
die Dicke des Beschichtungsmaterials liegen zwischen 8 µm und 12 µm und bevorzugt
zwischen 8 µm
und 10 µm.
Eine Beschichtung mit größerer Schichtdicke
als etwa 15 µm
hat sich in Bezug auf die Änderung
des Schmelzverhaltens als wenig wirkungsvoll erwiesen, während eine zu
geringe Schichtdicke ebenfalls nicht geeignet ist, um das Schmelzverhalten
nennenswert zu beeinflussen. Der Umstand, dass schon eine relativ
geringe Schichtdicke von über
6 µm,
beispielsweise an Zinn, auf dem Schmelzbereich aus Kupfer eine wesentliche
Beeinflussung des Schmelzverhaltens ermöglicht, ist unerwartet und
entgegen der bisherigen Fachmeinung der betreffenden Fachwelt.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren
beschrieben, in denen
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1 ein
Beispiel für
eine erfindungsgemäße Schmelzsicherung
im gebrauchsfertigen Zustand darstellt;
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2 eine
Ausführungsform
eines aus den Anbringungsbereichen und dem Schmelzbereich bestehenden
Grundkörpers
der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung
zeigt;
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3 ein
anderes Beispiel eines aus den Anbringungsbereichen und dem Schmelzbereich
bestehenden Grundkörpers
der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung
zeigt; und
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4 eine
alternative Ausführungsform
eines beschichteten Kupferrohlings einer erfindungsgemäßen Schmelzsicherung
zeigt, die im Rahmen der späteren
Weiterverarbeitung in eine Schmelzsicherung in Würfelform eingebunden wird.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In
den nachfolgenden Figuren werden jeweils dieselben Bauelemente mit
denselben Referenzziffern bezeichnet werden.
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Die
in 1 allgemein mit Referenzziffer 10 dargestellte
Schmelzsicherung weist zwei Anbringungsbereiche 12 auf,
zwischen denen sich ein in 1 nicht
sichtbarer Schmelzbereich erstreckt. Die Anbringungsbereiche sind über den
Schmelzbereich einstückig
miteinander verbunden und bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,
die optional auch beschichtet sein kann. Wie nachfolgend anhand
der 2 bis 4 erläutert werden wird, ist insbesondere
der Schmelzbereich mit einer Beschichtung aus Zinn oder Zinnlegierung
versehen, wohingegen die Anbringungsbereiche 12 entweder
unbeschichtet sein können,
mit einer Beschichtung aus einem anderen Material, wie z.B. Silber
versehen sein können oder
aber auch nur zum Teil mit der Zinnbeschichtung des Schmelzbereiches
versehen sein können.
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Die
Anbringungsbereiche können
mit Durchgangsöffnungen 14 versehen
sein, welche dem Durchtritt von Befestigungsschrauben dienen. Die Nennweiten
zwischen den Bohrungen 14 sind für bestimmte Anwendungsgebiete
normiert und werden beispielsweise nach dem Abstand zwischen den Achsen
der Bohrungen 14 von 30 mm oder 51 mm nach ISO 8820 mit
SF30 oder SF51 bezeichnet. Der in 1 nicht
ersichtliche Schmelzbereich ist mit einem Isolierkörper aus
Kunststoff umgeben, auf dem sich zudem relevante Angaben wie z.B.
der Nominalstrom in Ampere befinden können. Die Durchmesser der Bohrungen 14 sind
ausreichend bemessen, um den Nominalstrom der Schmelzsicherung sicher
in eine nicht dargestellte Anbindungsgeometrie überführen zu können.
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Das
Herzstück
der erfindungsgemäßen Schmelzsicherungen
ist ein Grundkörper 18,
der beispielhaft in 2 dargestellt ist. Zwischen
den beiden Anbringungsbereichen 12 befindet sich eine stegartige
Verbindung, welche der Schmelzbereich 20 der Schmelzsicherung
ist. Der Schmelzbereich ist sowohl in Bezug auf die in der Zeichenebene
der 2 dargestellten Breite wie auch möglicherweise
in Bezug auf die senkrecht zur Zeichenebene der 2 verlaufende
Höhe des
Grundelementes 18 gegenüber
den Anbringungsbereichen 12 verringert.
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Das
Grundelement 18 wird aus einem Band aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung hergestellt, das vor oder nach dem Ausstanzen oder
aber Vorstanzen der in 2 dargestellten Form des Grundelementes 18 galvanisch
mit einer Schicht aus Zinn mit einer Schichtdicke von mindestens
6 µm,
bevorzugt 8 µm,
versehen wird. Die letzten Ergebnisse werden mit einer Schichtdicke
zwischen 11 µm
und 13 µm
erzielt.
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Je
nach dem erforderlichen Nominalstrom und den gewünschten Eigenschaften der Schmelzsicherung
sind der Querschnitt des Schmelzbereichs 20, aber auch
die Schichtdicke der Zinnschicht auf dem Schmelzbereich 20 anzupassen.
Je höher die Schichtdicke
ist, desto flinker wird das Auslöseverhalten
der Sicherung. Die Schmelzzeiten können entscheidend durch das
Aufbringen von Zinn verkürzt werden.
Eine weitere Möglichkeit
zur Beeinflussung des Schmelzverhaltens der Sicherung besteht darin, die
Länge des
Schmelzbereichs zu variieren. Da die Anbringung der Sicherung an
einem vorgegebenen Bauteil durch die Position der Bohrungen 14 vorgegeben
ist, lässt
sich der Schmelzbereich 20 nur dadurch verlängern, dass
er keine kürzestmögliche Verbindung
zwischen den beiden Anbringungsbereichen 12 darstellt,
sondern geschwungen oder geknickt ausgeführt wird, wie in 2 dargestellt
ist. Eine alternative Gestaltungsmöglichkeit für den Schmelzbereich 20 lässt sich
der Ausführungsform
nach 3 entnehmen, in der der Schmelzbereich einen verjüngten Bereich 20a besitzt.
Derartige Geometrien dienen dazu, das Ansprechverhalten der Schmelzsicherung
gezielt durch die Beeinflussung der Materialquerschnitte im Schmelzbereich
zusätzlich
zur Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit
einzustellen, um die lokale Wärmeerzeugung
bei zu hoher Stromstärke
im Hinblick auf den gewünschten
Zeitpunkt des Abschmelzens einzustellen.
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Selbstverständlich ist
es auch denkbar, den Schmelzbereich 20 zwischen den Anbringungsbereichen 12 gerade
auszugestalten, wie im Ausführungsbeispiel
nach 4 gezeigt ist.
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Während die
Ausführungsformen
in den 1 bis 3 jeweils Schmelzsicherungen
zeigen, bei denen sich die Anbringungsbereiche und der Schmelzbereich
im Wesentlichen in einer Ebene befinden, wird das in 4 dargestellte
Grundelement nach dem Ausstanzen so gebogen, dass eine dem Fachmann
bekannte und auch DIN 27581 dargestellte Sicherung in Würfelform
entsteht.
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Die
in 4 dargestellte Form wird so verformt, dass die
beiden Bohrungen 14 miteinander fluchtend ausgerichtet
werden und die entsprechende Sicherung mit nur einer einzigen Schraube
befestigt werden kann.
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Die
in den 2 bis 4 dargestellten Grundelemente
werden hergestellt, indem als Ausgangsprodukt ein Band aus Kupfer
oder einer Kupferlegierung gewählt
wird, woraufhin das aus Anbringungsbereichen und dem Schmelzbereich
bestehende Grundelement ausgestanzt wird. Nach dem Stanzen kann
in einem weiteren Arbeitsschritt die Stärke des Schmelzbereichs verringert
werden. Die Beschichtung aus Zinn kann vor oder nach dem Stanzen
aufgebracht werden und, im Falle einer nachgeschalteten Reduzierung
der Stärke
des Schmelzbereiches, auch vor oder nach diesem Arbeitsschritt aufgebracht
werden. Somit ist man in Bezug auf den Zeitpunkt des Aufbringens
der Beschichtung sehr flexibel. Bevorzugt ist allerdings, bereits
vor dem Stanzen ein entsprechend beschichtetes Band aus Kupfer oder
einer Kupferlegierung als Ausgangsmaterial zu verwenden.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen sollen
beispielhafte Geometrien zeigen. So ist für den Fachmann offensichtlich,
dass die Grundprinzipien der Erfindung für jegliche Form verwendet werden können. Wesentlich
ist lediglich, dass die Zinnschicht eine Mindeststärke von
mehr als 8 µm
besitzt, wobei die besten Ergebnisse bei einer Schichtdicke zwischen
8 µm und
13 µm
erzielt werden und insbesondere bei einer Schichtdicke von etwa
12 µm.