DE102012022562A1

DE102012022562A1 - Schmelzsicherung mit thermomechanischem Ausgleichselement

Info

Publication number: DE102012022562A1
Application number: DE102012022562.8A
Authority: DE
Inventors: Pedro Fernandez; Dr. Freytag Jürgen; Sascha Schulte; Akihiko Shimizu; Dr. Wilstermann Hartung
Original assignee: Daimler AG; Pacific Engineering Corp
Current assignee: Pacific Engineering Corp Jp
Priority date: 2012-11-17
Filing date: 2012-11-17
Publication date: 2014-05-22
Also published as: WO2014076180A1; US20150294829A1; JP2015536546A; KR20150086310A; CN104885184A; US10431411B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung (10), insbesondere für einen Kraftwagen mit einem Hochvoltstromkreis, mit einem elektrisch isolierenden Gehäuse (1), innerhalb welchem ein zwei Kontakte (3) miteinander verbindender Schmelzleiter (5) angeordnet ist, bei der der Schmelzleiter (5) zwischen zwei aneinander angrenzenden Längenbereichen eine Drehstelle (7) aufweist, um welche die Längenbereiche bei einer thermomechanischen Ausdehnung drehbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung, insbesondere für einen Hochvoltstromkreis eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schmelzsicherungen sind seit längerer Zeit bekannt. Sie bilden eine Überstromschutzeinrichtung, die durch ein Abschmelzen eines Schmelzleiters den Stromkreis unterbricht. Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der hindurch fließende Strom während einer bestimmten Zeit deutlich überschritten wird.
Schmelzsicherungen erwärmen sich unter starker elektrischer Last. Dadurch bedingte thermomechanische Dehnungen, können letztlich zu Ermüdungsbrüchen des Schmelzleiters führen.
Zur Absicherung von Hochvoltstromkreisen in Kraftwagen mit elektrischem oder Hybrid-Antrieb werden sehr hohe Anforderungen an Schmelzsicherungen gestellt, die in Hochvoltstromkreise verbaut werden. Ein unkontrollierter Kurzschluss kann zur Zerstörung des gesamten elektrischen Systems führen. Darüber hinaus ist eine potentielle Unfallgefahr für unmittelbar in der Nähe des Hochvoltstromkreises befindliche Personen sehr groß.
Damit eine verlässliche Funktionalität der Schmelzsicherung gewährleistet werden kann, muss sichergestellt werden, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Schmelzsicherung nach mehrfacher Beanspruchung unveränderlich bleiben. Folglich muss verhindert werden, dass eine Sicherung aufgrund von thermomechanischen Dehnungen des Schmelzleiters ihre Eigenschaften verliert, sonst kommt es zu Fehlauslösungen oder frühzeitigen Schmelzleiterbrüchen aufgrund von Materialermüdung.
Es werden viele Entwicklungen verfolgt, die Ermüdungsbrüche von Schmelzleitern in Schmelzsicherungen zu verhindern. Dazu werden Schmelzleiter beispielsweise in einem verfestigten Quarzsand bzw. Zement fixiert, welcher deren Bewegung bei thermomechanischer Dehnung einschränken soll. Dabei wird der Schmelzleiter derart eingespannt, dass Spannungen optimal in die Fixierung übertragen werden. Zum einen werden die Schmelzleiter verwinkelt aufgebaut, was den Nachteil von mechanischen Spannungsspitzen in den einzelnen Winkeln des Schmelzleiters mit sich bringt, welche letztlich zu einem verfrühten Ermüdungsbruch führen können. Andere Schmelzleiter werden wellig bzw. in Spiralform in dem Zement fixiert. Dadurch ist der Spiraldraht als Schmelzleiter zwar von potentiellen Knickstellen frei, weist aber entlang seiner gesamten Länge den gleichen Durchmesser auf, was wiederum ein schnelles und sicheres Auslösen erschwert, da eine so genannte Sollschmelzstelle fehlt. Ein weiterer Nachteil von in Zement bzw. verfestigtem Quarzsand fixierten Schmelzleitern sind die hohen Anforderungen an den Herstellungsprozess einer solchen Schmelzsicherung, was sich wiederum in höheren Herstellungskosten niederschlägt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schmelzsicherung – insbesondere für einen Kraftwagen mit einem Hochvoltstromkreis – bereitzustellen, deren Lebensdauer erheblich verlängert ist und deren Produktionskosten niedrig gehalten werden können.
Diese Aufgabe wird mit einer Schmelzsicherung gelöst, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Eine solche Schmelzsicherung weist ein elektrisch isolierendes Gehäuse auf, innerhalb welchem ein zwei Kontakte miteinander verbindender Schmelzleiter angeordnet ist, wobei der Schmelzleiter zwischen zwei einander angrenzenden Längenbereichen eine Drehstelle aufweist, um welche die Längenbereiche bei einer thermomechanischen Ausdehnung drehbar sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der Schmelzleiter wie ein oder mehrere gleichmäßig knickfrei gebogene Federelemente reagiert, die es erlauben, die aufgrund der thermomechanischen Spannungen auftretenden Ausdehnungen des Schmelzleiters, gezielt in eine Drehbewegung umzusetzen. Dadurch wird eine Knickbewegung vermieden, bei der mechanische Belastungsspitzen aufgenommen werden müssten und somit das Risiko eines frühzeitigen Ermüdungsbruchs des Schmelzleiters minimiert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Schmelzleiter eine punktsymmetrische Form auf. Eine solche Ausführung des Schmelzleiters erlaubt es je nach Dimensionierung, die einzelnen Bewegungsbereiche bzw. Drehbereiche des sich ausdehnenden Schmelzleiters leicht einzukalkulieren. Darüber hinaus erlaubt eine punktsymmetrische Form eine gleichmäßige Verteilung der thermomechanischen Spannungen innerhalb des Schmelzleiters. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sich ein verminderter Querschnitt des Schmelzleiters am Ort der Drehstelle – hier im Symmetriepunkt – also einem Ruhepol befindet, da in einem solchen Fall minimale mechanischen Belastungen im verminderten Querschnitt der Sollschmelzstelle auftreten.
Besonders zweckmäßig ist es, den Schmelzleiter im isolierenden Gehäuse mit einem Lichtbogenlöschmittel zu umgeben. Da bei einem Abschalten des Stromkreises ein Lichtbogen entstehen kann, dessen Intensität unter anderem von der Höhe des anzuschaltenden Stromes abhängt, muss dieser besonders effektiv gekühlt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lichtbogenlöschmittel Quarzsand. Bei einem Kurzschluss kann der Strom durch den Schmelzleiter um mehrere Größenordnungen über dem Nennstrom der Sicherung liegen. Dabei durchläuft der Schmelzleiter während eines Kurzschlusses die drei Aggregatzustände – fest, flüssig, gasförmig. Im gasförmigen Zustand des Schmelzleiters entsteht ein Plasma, über das der Stromfluss erfolgt – es bildet sich ein Lichtbogen der den Quarzsand stark erhitzt. Dabei kühlt der schmelzende Quarzsand den Lichtbogen so intensiv, dass eine erneute Zündung – des Plasmas – wirksam verhindert wird. Dabei erlischt der Lichtbogen und die zu schützende Leitung ist damit von der versorgenden Strom- bzw. Spannungsquelle getrennt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schmelzleiter in dem ihn umgebenden Lichtbogenlöschmittel-Quarzsand – bewegbar. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Schmelzsicherungen, bei denen der Schmelzleiter in einem verfestigten Zement oder Quarzsand fest fixiert ist, ist der Schmelzleiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem Gehäuse und dem darin befindlichen Quarzsand bzw. Lichtbogenlöschmittel beweglich angeordnet. Diese Bewegungsfreiheit erlaubt es dem Schmelzleiter Dehnungen, die durch eine thermomechanische Ausdehnung bedingt sind, in eine federnde Drehbewegung umzusetzen. Dadurch wird die Lebensdauer des Schmelzleiters der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung erheblich verlängert und dessen physikalisch-chemische Eigenschaften über einen längeren Zeitraum gewährleistet. Durch die geringen Anforderungen an den Herstellungsprozess von solchen Schmelzsicherungen können zusätzlich Kosten eingespart werden.
Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Schmelzsicherung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 einen Schmelzleiter mit einer darin ausgeformten Sollschmelzstelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In 1 wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 10 dargestellt, mit einem elektrisch isolierenden Gehäuse 1 in dem ein Schmelzleiter 5 angeordnet ist, der zwei Kontakte 3 miteinander verbindet. In dem Gehäuse 1 ist des Weiteren ein Lichtbogenlöschmittel 11 vorgesehen – hier als gepunktete Fläche angedeutet – welches den Schmelzleiter locker umgibt, d. h. dass der Schmelzleiter 5 in dem Lichtbogenlöschmittel 11 beweglich eingebettet ist.
Bei starker elektrischer Belastung erwärmt sich der Schmelzleiter 5 der Schmelzsicherung 10. Aufgrund von thermomechanischen Spannungen des Schmelzleiters verformt sich dieser, was im Allgemeinen zu frühzeitigen Ermüdungsbrüchen führen kann. In der Ausführungsform von 1 ist der Schmelzleiter 5 derart ausgeformt, dass er zwischen zwei aneinander angrenzenden Längenbereichen eine Drehstelle 7 aufweist, um welche sich die Längenbereiche bei einer thermomechanischen Ausdehnung drehen können.
In der 1 ist der Schmelzleiter 5 im abgekühlten Zustand durch eine durchgezogene Linie dargestellt, während eine gestrichelte Linie den Zustand des Schmelzleiters 5 unter starker elektrischer Last – d. h. aufgewärmt – darstellt. Durch eine geeignete Wahl der Form des Schmelzleiters 5 können Ausdehnungen die durch thermomechanische Spannungen bewirkt werden, in eine Drehbewegung umgewandelt werden. Der Schmelzleiter 5 „federt” demnach die auftretenden thermischen Spannungen ab.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Schmelzleiter 5 eine punktsymmetrische Form auf, wobei die Drehstelle 7 der Schnittpunkt einer Symmetrieachse mit dem Schmelzleiter ist.
Dadurch dass der Schmelzleiter 5 in dem Gehäuse 1 der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 10 beweglich in dem Lichtbogenlöschmittel gelagert ist, wirkt der Bewegung des Schmelzleiters 5 auch keine nennenswerte Kraft entgegen. Demnach kann sich der Schmelzleiter 5 ungehindert in dem Gehäuse 1 verformen. Ein bevorzugtes Lichtbogenlöschmittel 11 ist in diesem Fall Quarzsand. Der Quarzsand sorgt im Falle eines Kurzschlusses dafür, dass ein entstehendes Plasma – aufgrund der Schmelze des Schmelzleiters 5 – besonders schnell abgekühlt wird.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform, insbesondere die punktsymmetrische Form des Schmelzleiters 5 betreffend, ist nicht auf eine „S”-Form beschränkt, sondern kann mehrere „Wellenbäuche” und „feststehende Knoten” enthalten. Es sind insbesondere alle Formen des Schmelzleiters 5 geeignet, die eine Ausdehnung aufgrund der thermomechanischen Spannungen in dem Schmelzleiter 5 in eine federnde (Dreh-)Bewegung des Schmelzleiters 5 umsetzen.
In 2 wird beispielhaft ein Schmelzleiter 5 herausgegriffen, der eine Sollschmelzstelle 8 aufweist. Die Sollschmelzstelle 8 ist vorzugsweise in dem Bereich der Drehstelle 7 angeordnet. Dies ist vor allem deswegen vorteilhaft, weil im Bereich der Drehstelle 7 die mechanischen Belastungen auf den Schmelzleiter 5 minimal sind, wenn der Schmelzleiter 5 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einem Symmetriepunkt des Schmelzleiters 5 angeordnet ist – hier der Drehstelle 7. Durch die Sollschmelzstelle 8 kann eine schnelle Reaktion des Schmelzleiters 5 gewährleistet werden, wobei der restliche Teil des Schmelzleiters 5 zur Ableitung von entstehender Wärme bei/von der Sollschmelzstelle 8 dient.
Durch eine Schmelzsicherung 10 mit den oben genannten Merkmalen kann die Lebensdauer und Haltbarkeit trotz thermomechanischer Belastungen wesentlich erhöht werden.

Claims

Schmelzsicherung (10), insbesondere für einen Kraftwagen mit einem Hochvoltstromkreis, mit einem elektrisch isolierenden Gehäuse (1), innerhalb welchem ein zwei Kontakte (3) miteinander verbindender Schmelzleiter (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (5) zwischen zwei aneinander angrenzenden Längenbereichen eine Drehstelle (7) aufweist, um welche die Längenbereiche bei einer thermomechanischen Ausdehnung drehbar sind.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (5) eine punktsymmetrische Form aufweist.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (5) im isolierenden Gehäuse (1) von einem Lichtbogenlöschmittel (11) umgeben ist.
Schmelzsicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenlöschmittel (11) Quarzsand ist.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (5) in dem ihn umgebenden Lichtbogenlöschmittel (11) bewegbar ist.