-
Die
Erfindung betrifft eine elektrische Schmelzsicherung.
-
Elektrische
Schmelzsicherungen werden in vielen Bereichen zum Schutz von Stromkreisen
gegen Überströme eingesetzt.
Schmelzsicherungen sind insbesondere auch weit verbreitet im Automobilbereich
zur Absicherung des Bordnetzes bzw. von Teilbereichen hiervon. Die
hierbei eingesetzten Schmelzsicherungen sind hierbei oftmals für sehr hohe
Ströme
im zwei- bis dreistelligen Ampere-Bereich ausgebildet. Die eingesetzten
Leitungen sind für
einen vorgegebenen Nennstrom ausgelegt. Wird dieser Nennstrom überschritten,
muss zuverlässig gewährleistet
sein, dass die Schmelzsicherung auslöst, d. h. dass sie aufschmilzt.
Hierbei muss in Abhängigkeit
des Überstroms,
ob also ein lediglich geringer Überstrom
beispielsweise im Bereich bis zum 1,5-Fachen des Nennstroms, oder
ein hoher Überstrom
im Bereich des Vielfachen des Nennstroms vorliegt, beispielsweise
bei einem Kurzschluss, ein Auslösen
zeitnah sichergestellt sein. In Abhängigkeit des Überstroms
bestehen unterschiedliche Anforderungen an das Auslöseverhalten
der Schmelzsicherung. Während
bei einem geringen Überstrom
vergleichsweise lange Auslösezeiten
toleriert und teilweise auch wünschenswert
sind, muss bei hohen Überströmen, wie
beispielsweise bei Kurzschlussströmen, ein unmittelbares Auslösen, d.
h. ein Aufschmelzen in kürzester
Zeit, gewährleistet
sein.
-
Aus
der
DE 10 2004
046 387 A1 ist eine Schmelzsicherung für Hochstromanwendung zu entnehmen,
bei der zwischen zwei Anschlussbereichen ein ringförmiges Schmelzsicherungselement
vorgesehen ist. Aus der
DE
694 15 592 T2 ist eine Schmelzsicherung zu entnehmen, bei
dem auf einen Schmelzkörper
ein niedrigschmelzendes Metall aufgebracht ist, welches zusammen
mit dem Schmelzkörper
eine eutektische Legierung bildet, deren Schmelzpunkt geringer ist
als die des ursprünglichen Schmelzkörpers.
-
Aus
der
US 5,821,847 ist
eine Schmelzsicherung mit einem Schmelzstreifen zu entnehmen, der
in einem Schmelzbereich einen verringerten Querschnitt aufweist.
Aus der
DE 696 03
469 T2 ist eine Schmelzsicherung zu entnehmen, bei der
im Schmelzbereich so genannte Pelletlöcher im Blechstreifen ausgebildet
sind, in die ein „Pellet”, bestehend
aus einem durchschmelzstrom-verringernden Material, wie beispielsweise
Zinn, eingesetzt werden kann.
-
Weitere
bekannten Schmelzsicherungen sind beispielsweise zu entnehmen aus
DE-26 22 085 ,
GB-499 999 und
CH-217 062 .
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzsicherung insbesondere
für den
Einsatz im Kraftfahrzeugbereich, anzugeben, die ein definiertes
Auslöseverhalten
sowohl bei geringen als auch bei hohen Überströmen aufweist.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine elektrische Schmelzsicherung mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Die Schmelzsicherung weist danach einen zwischen zwei Anschlussbereichen
angeordneten Schmelzbereich auf, der einen metallischen Leiterstreifen
umfasst, der gegenüber den
Anschlussbereichen einen verringerten Leiterquerschnitt aufweist.
Der Schmelzbereich weist nunmehr zwei voneinander beabstandete und
unterschiedlich ausgebildete Schmelzzonen auf, wobei die eine, erste
Schmelzzone für
einen hohen Überstrom
und die andere, zweite Schmelzzone für einen geringen Überstrom
ausgelegt ist.
-
Dadurch
besteht die Möglichkeit,
die beiden Schmelzzonen jeweils im Hinblick auf die jeweilige Auslöseanforderung
bei einem geringen bzw. hohen Überstrom
optimiert auszubilden, so dass insgesamt ein definiertes Auslöseverhalten
erreicht wird. Von besonderer Bedeutung ist auch, dass die beiden Schmelzzonen
voneinander beabstandet sind, d. h. zwischen ihnen befindet sich
ein Teilstück
des Leiterstreifens, so dass sich die beiden Schmelzzonen nicht
wechselseitig beeinflussen. Es besteht nicht die Gefahr, dass undefinierte
Auslösezustände vorliegen,
die zu einem zu frühen
oder zu späten
Auslösen führen. Durch
die zwei voneinander beabstandeten Schmelzzonen liegt daher ein
definiertes Aufschmelzen an definierten Positionen vor. Insgesamt
ist hierdurch die Auslegung und Herstellung der Schmelzsicherung
im Hinblick auf das definierte Auslöseverhalten vereinfacht und
kann insbesondere prozesssicher reproduzierbar bei einer Massenfertigung
eingestellt werden.
-
Zur
Ausbildung der zweiten Schmelzzone ist auf den Leiterstreifen ein
niedrigschmelzendes Material aufgebracht, welches also eine geringere Schmelztemperatur
als das Material des Leiterstreifens aufweist. Beim Aufschmelzen
des niedrigschmelzenden Materials führt dies zu einem Eindiffundieren
desselben in das Material des Leiterstreifens, wodurch dessen Eigenschaften
verändert
werden. Vorzugsweise wird hierzu Zinn oder eine Zinnlegierung herangezogen.
Durch diese Maßnahme
wird in an sich bekannter Weise das Aufschmelzverhalten bei geringen Überströmen definiert
eingestellt. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei geringen Überströmen zwar
eine Erwärmung
des Leiterstreifen-Materials auftritt, dieses jedoch zunächst nicht
aufschmilzt. Aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur schmilzt lediglich
das aufgebrachte niedrigschmelzende Material auf. Anschließend werden
durch das Eindiffundieren, beispielsweise des Zinns in das Kupfermaterial
des Leiterstreifens, die Materialeigenschaften des Leiterstreifens
in der zweiten Schmelzzone beeinflusst, so dass nunmehr der elektrische
Widerstand im Leiterstreifen erhöht
und/oder die Schmelztemperatur des Leiterstreifens in diesem Bereich
verringert ist.
-
Um
das Material definiert und prozesssicher aufbringen zu können und
im Auslösefall
ein zuverlässiges
Aufschmelzen und Eindiffundieren zu gewährleisten, weist der Leiterstreifen
im Bereich der zweiten Schmelzzone eine Aufnahme oder ein Depot für das niedrigschmelzende
Material auf. Der Leiterstreifen ist hierzu ringförmig ausgebildet
und das niedrigschmelzende Material ist auf diesen Ring nach Art
einer Schmelzperle aufgebracht.
-
Die
beiden Schmelzzonen sind mit einem Verbindungsstück des Leiterstreifens miteinander verbunden,
welches einen deutlich größeren Leitungsquerschnitt
aufweist als der Leiterstreifen in den Schmelzzonen. Zum einen wird
durch das Verbindungsstück
eine ausreichende Beabstandung zwischen den beiden Schmelzzonen
gewährleistet,
so dass diese sich nicht wechselseitig beeinflussen.
-
Zum
anderen wird durch die Ausgestaltung des Leiterstreifens mit dem
größeren Leitungsquerschnitt
auch gewährleistet,
dass ein Aufschmelzen tatsächlich
nur in den Schmelzzonen definiert auftritt.
-
Das
Verbindungsstück
verbreitert sich hierbei kontinuierlich in Richtung zu der ringförmigen Ausbildung
und geht ohne weitere Einschnürung oder
Einkerbung in den Ring der zweiten Schmelzzone über. Auch hierdurch ist gewährleistet,
dass das Aufschmelzen nur an definierten Positionen erfolgt und
keine wechselseitige Beeinflussung der beiden Schmelzzonen stattfindet.
-
Zweckdienlicherweise
ist der Schmelzbereich insgesamt asymmetrisch ausgebildet und die erste
Schmelzzone ist dem einen Anschlussbereich zugewandt und die zweite
Schmelzzone dem anderen Anschlussbereich. Die beiden Schmelzzonen sind
daher Platz sparend aneinander gereiht zwischen den beiden Anschlussbereichen
angeordnet. Jede Schmelzzonen-Art ist daher jeweils exakt nur einmal
und nicht etwa redundant angeordnet. Unter Schmelzzonen-Art wird
verstanden, dass die einzelnen Schmelzzonen unterschiedlich im Hinblick
auf unterschiedliche Auslöseverhalten
ausgebildet sind. Vorzugsweise sind exakt zwei unterschiedlich ausgebildete
Schmelzzonen vorgesehen. Prinzipiell können aber auch weitere Arten
von Schmelzzonen vorgesehen sein, die jeweils ein unterschiedliches
Auslöseverhalten
zeigen.
-
Die
erste Schmelzzone ist vorzugsweise gebildet durch einen Engbereich
des Leiterstreifens, in dem dieser den geringsten Leitungsquerschnitt
aufweist. Durch den geringsten Leitungsquerschnitt weist der Leiterstreifen
daher im Engbereich den größten Widerstand
auf, so dass er sich bei einem Überstrom
im Engbereich am stärksten
erwärmt.
Insbesondere bei einem hohen Überstrom,
beispielsweise Kurzschlussstrom, führt dies zu einem schnellen
Ansteigen der Temperatur über
die Schmelztemperatur des Materials des Leiterstreifens, welches bevorzugt
Kupfer ist. Außerhalb
dieses Engbereichs weist der Leiterstreifen einen deutlich größeren Querschnitt
auf derart, dass sichergestellt ist, dass das Aufschmelzen bei hohen Überströmen ausschließlich im
Engbereich erfolgt. Zweckdienlicherweise ist der Engbereich hierbei
durch eine langgestreckte Einschnürung bzw. Verringerung der
Breite des Leiterstreifens ausgebildet.
-
Im
Hinblick auf eine kostengünstige
Ausgestaltung sind die beiden Anschlussbereiche und der sie verbindende
Leiterstreifen als ein Stanzblech aus einem geeigneten Leitermaterial,
insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung, ausgebildet.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in einer schematischen und vereinfachten ausschnittsweisen
Darstellung den Leiterbereich einer Schmelzsicherung.
-
Die
in der Figur ausschnittsweise dargestellte Schmelzsicherung 2 umfasst
zwei gegenüberliegende
Anschlussbereiche 4A, 4B, mit denen die Schmelzsicherung 2 mit
dem zu sichernden Stromkreis verbunden wird. Die beiden Anschlussbereiche 4A, 4B sind über einen
Schmelzbereich 6 miteinander verbunden. Der Schmelzbereich 6 ist üblicherweise
eingehaust, beispielsweise mit einem Kunststoffgehäuse umgeben.
Dieses ist bevorzugt zweischalig aufgebaut und weist Positionierungsstifte
auf, die in entsprechende Positionierlöcher 8 in den Anschlussbereichen 4A, 4B gesteckt
werden.
-
Zum
Anschluss an den zu überwachenden Stromkreis
sind beim Ausführungsbeispiel
in den beiden Anschlussbereichen 4, 4B Kontaktlöcher 10 vorgesehen,
in die Kontaktbolzen eingreifen. Prinzipiell kann die Kontaktierung
mit dem zu überwachenden Stromkreis
auch anderweitig, beispielsweise durch Steckkontakte, etc. erfolgen.
-
Die
hier beschriebene Schmelzsicherung ist für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug
zur Absicherung von hohen Strömen
im zwei- bis dreistelligen Bereich vorgesehen. Insbesondere dient
sie als Vorabsicherung und ist unmittelbar der Batterie nachgeschaltet.
Um hierbei eine zuverlässige
und sichere Kontaktierung in elektrischer als auch in mechanischer
Hinsicht zu gewährleisten,
sind die vergleichsweise großen
Kontaktlöcher 10 vorgesehen,
mit denen die Schmelzsicherung 2 auf entsprechende Kontaktbolzen
aufgesetzt und dann beispielsweise mittels Schrauben befestigt wird.
-
Von
besonderer Bedeutung ist nunmehr die besondere Ausgestaltung des
Schmelzbereichs 6. Dieser umfasst einen Leiterstreifen 12,
welcher die beiden Anschlussbereiche 4A, 4B leitend
miteinander verbindet. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, weist
dieser Leiterstreifen 12 im Vergleich zu den beiden Anschlussbereichen 4A, 4B eine
deutlich geringere Breite auf, die beispielsweise nur 1/10 der Breite der
Anschlussbereiche 4A, 4B beträgt. Insgesamt weist daher der
Leiterstreifen 12 einen deutlich verringerten Leiterquerschnitt
und damit einen erhöhten Widerstandswert
im Vergleich zu den Anschlussbereichen 4A, 4B auf.
Die Anschlussbereiche 4A, 4B sowie der Schmelzbereich 6 sind
als eine einstückige Baueinheit
ausgebildet, und zwar als ein Stanzblech mit gleichbleibender Blechdicke.
Das Material dieses Stanzteils ist vorzugsweise Kupfer oder eine
Kupferlegierung.
-
Von
besonderer Bedeutung ist nunmehr, dass der Schmelzbereich 6 zwei
unterschiedlich ausgebildete und voneinander beabstandete Schmelzzonen,
nämlich
eine erste Schmelzzone 14 und eine zweite Schmelzzone 16,
aufweist.
-
Die
erste Schmelzzone 14 ist gebildet durch einen Engbereich
des Leiterstreifens 12, in dem dieser seinen geringsten
Leiterquerschnitt aufweist. Im Ausführungsbeispiel ist der Engbereich
hierbei durch eine weitgehend langgestreckte Einschnürung gebildet.
Der Engbereich ist hierbei über
ein erstes Anschlussstück 18A mit
dem Anschlussbereich 4A verbunden. Der Leiterstreifen 12 verjüngt sich
kontinuierlich vom ersten Anschlussstück 18A zum Engbereich
der ersten Schmelzzone 14 hin, um sich anschließend wieder
auf die ursprüngliche
Breite kontinuierlich zu verbreitern und in ein Verbindungsstück 20 des
Leiterstreifens 12 überzugehen.
Das Verbindungsstück 20 sowie
das erste Anschlussstück 18A weisen
in etwa die gleiche Breite und damit den gleichen Widerstand auf.
Das Verbindungsstück 20 geht anschließend in
die zweite Schmelzzone 16 über. Hierzu verbreitert sich
das Verbindungsstück 20 zunächst kontinuierlich,
um dann einen Ring auszubilden, welcher anschließend in ein zweites Anschlussstück 18B übergeht, über das
die zweite Schmelzzone 16 mit dem zweiten Anschlussbereich 4B verbunden
ist. Sowohl das Verbindungsstück 20 als
auch das zweite Anschlussstück 18B verbreitern
sich zu der Ringstruktur des Leiterstreifens 12 kontinuierlich, also
ohne Einschnürungen
oder sonstige Einkerbungen. Der durch die beiden Ringarme der Ringstruktur gebildete
Leiterquerschnitt ist hierbei geringer oder allenfalls so groß wie der
Leiterquerschnitt des Verbindungsstücks 20 bzw. des zweiten
Anschlussstücks 18B,
um das Aufschmelzen in der zweiten Schmelzzone 16 zu gewährleisten.
-
Aufgrund
der Ringstruktur der zweiten Schmelzzone 16 weist diese
ein zentrales Ringloch auf, in dem bzw. auf das eine Materialperle
aus einem niedrigschmelzenden Material, insbesondere Zinn oder Zinnlegierung,
in hier nicht näher
dargestellter Weise aufgebracht ist.
-
Durch
diese spezielle Ausgestaltung des Schmelzbereichs 6 sind
zwei definierte, voneinander beabstandete Schmelzzonen 14, 16 ausgebildet,
die ein unterschiedliches, jedoch für sich jeweils definiertes
Auslöseverhalten
für unterschiedliche Überströme aufweisen.
Aufgrund ihrer Beabstandung voneinander sind die beiden Schmelzzonen 14, 16 unabhängig voneinander.
Die beiden Schmelzzonen 14, 16 weisen jeweils
in etwa vergleichbare Längen
auf. Das Verbindungsstück 20 weist in
etwa eine zu der zweiten Schmelzzone 16 vergleichbare Länge auf. Insgesamt
ist daher der Schmelzbereich 6 der aufeinander folgenden
und beabstandeten Anordnung der Schmelzzonen 14, 16 asymmetrisch
aufgebaut. Ausgehend von der Mitte des Leiterstreifens 12 ist
daher der zum ersten Anschlussbereich 4A hin orientierte Teilbereich
des Leiterstreifens 12 grundsätzlich verschieden von dem
zweiten, zum zweiten Anschlussbereich 4B hin orientierten
Teilbereich ausgebildet. Es ist von jeder Art der Schmelzzone 14, 16 auch
jeweils exakt nur eine vorgesehen. Es ist keine redundante Ausgestaltung
von Schmelzzonen ausgebildet, um ein definiertes Aufschmelzen an
definierten Positionen bei definierten Auslösebedingungen sicherzustellen.
-
Der
Schmelzbereich 6 ist durch die Wahl des Materials und der
geometrischen Ausgestaltung auf einen vorgegebenen Nennstrom beispielsweise
im Bereich zwischen 150 und 200 Ampere eingestellt. Als Material
für das
Stanzblech ist vorzugsweise Kupfer eingesetzt, welches eine Schmelztemperatur von
etwa 980°C
hat. Bleibt der Strom unterhalb des Nennstroms, so erfolgt lediglich
eine durch den elektrischen Widerstand bedingte geringfügige Erwärmung des
Materials des Leiterstreifens 12 unterhalb der Aufschmelztemperatur
der Zinnperle, welche bei etwa 220°C liegt. Bei einem geringen Überstrom,
bei dem der Nennstrom beispielsweise um bis zu dem Zweifachen überschritten
wird, übersteigt
die Temperatur des Leiterstreifens 12 die Schmelztemperatur der
Zinnperle, so dass diese aufschmilzt. Durch das Aufschmelzen diffiundiert
Zinn in das Kupfer ein, wodurch sich quasi ein neues Material mit
neuen Materialeigenschaften bildet, so dass sich der elektrische Widerstand
und/oder die Schmelztemperatur des Leiterstreifens 12 im
Bereich der zweiten Schmelzzone 16 verändert. Durch den erhöhten elektrischen Widerstand
nimmt lokal im Bereich der zweiten Schmelzzone 16 die Temperatur
deutlich zu, so dass insgesamt im Bereich der zweiten Schmelzzone
ein Aufschmelzen der Ringarme des Leiterstreifens 12 erfolgt
und die Schmelzsicherung 2 aufgrund des geringen Überstroms
nach einer definierten vorgegebenen Zeitspanne auslöst.
-
Liegt
umgekehrt ein sehr hoher Überstrom im
Bereich des Vielfachen, beispielsweise mehr als Sechsfachen des
Nennstroms vor, so führt
dies zu einem sprung haften Anstieg der Materialtemperatur des Leiterstreifens 12 im
Engbereich der ersten Schmelzzone 14, so dass diese innerhalb
kürzester Zeit
im Bruchteil einer Sekunde aufschmilzt und somit der Stromkreis
unterbrochen wird.
-
- 2
- Schmelzsicherung
- 4A,
B
- Anschlussbereiche
- 6
- Schmelzbereich
- 8
- Positionierlöcher
- 10
- Kontaktlöcher
- 12
- Leiterstreifen
- 14
- erste
Schmelzzone
- 16
- zweite
Schmelzzone
- 18A
- erstes
Anschlussstück
- 18B
- zweites
Anschlussstück
- 20
- Verbindungsstück