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Die Erfindung betrifft eine Schmelzleiter-Anordnung für einen Schmelzsicherungseinsatz einer Überstrom-Schutzeinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Schmelzsicherungseinsatz, bei dem die Schmelzleiter-Anordnung in einem mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper aufgenommen ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Überstrom-Schutzeinrichtung mit einem derartigen Schmelzsicherungseinsatz.
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Elektrische Leiter, die von einem elektrischen Strom durchflossen werden, erwärmen sich. Bei unzulässig großen Strömen kann es dabei zu einer unzulässig hohen Erwärmung des elektrischen Leiters und damit zu einem Abschmelzen der Isolation bis hin zu einem Kabelbrand kommen. Um dieser Brandgefahr vorzubeugen, muss bei Auftritt eines zu hohen elektrischen Stromes, beispielsweise eines Überlast- oder Kurzschlussstromes, dieser rechtzeitig abgeschaltet werden. Diese Abschaltung wird mit Hilfe einer sogenannten Überstrom-Schutzeinrichtung gewährleistet.
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Zu den Überstromschutzeinrichtungen sind beispielsweise die Schmelzsicherungen zu zählen. Eine Schmelzsicherung weist einen Sicherungseinsatz mit zumindest einem Schmelzleiter mit verhältnismäßig kleinem Leitungsquerschnitt auf. Bei Auftreten eines Überstromes, d.h. wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet, wird der Schmelzleiter aufgeschmolzen, wodurch den Stromfluss unterbrochen wird. Die Schmelzsicherung besteht im Wesentlichen aus einem isolierenden Körper, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im Inneren des isolierenden Körpers durch den Schmelzleiter miteinander verbunden sind. Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden elektrischen Strom erwärmt und schmilzt, wenn der maßgebliche Nennstrom der Schmelzsicherung für eine bestimmte Zeit deutlich überschritten wird. Aufgrund seiner guten Isolationswirkung wird als Material für den isolierenden Körper zumeist Keramik verwendet. Ein derartiger Schmelzsicherungseinsatz ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift
EP 0 917 723 B1 bekannt.
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Bei einem sandverfestigten Schmelzsicherungseinsatz ist der Schmelzleiter von verfestigtem Sand, zumeist Quarzsand, umgeben. Ein Keramikkörper bildet das Gehäuse des Sicherungseinsatzes, in dem der verfestigte Sand, die elektrischen Anschlüsse sowie der Schmelzleiter aufgenommen bzw. gehaltert sind. Der Quarzsand fungiert dabei als Lichtbogenlöschmittel: wird der Nennstrom der Schmelzsicherung deutlich überschrittenen – beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses – so führt dies zu einem Ansprechen der Schmelzsicherung, in dessen Verlauf der Schmelzleiter zunächst schmilzt und anschließend aufgrund der hohen Temperaturentwicklung verdampft. Dabei entsteht ein elektrisch leitendes Plasma, über das der Stromfluss zwischen den elektrischen Anschlüssen zunächst aufrecht erhalten wird – es entsteht ein Lichtbogen. Indem sich der Metalldampf des verdampften Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsand-Körner niederschlägt, wird der Lichtbogen wiederum abgekühlt. In der Folge steigt der Widerstand im Inneren des Schmelzsicherungseinsatzes derart an, dass der Lichtbogen endgültig erlischt. Die durch die Schmelzsicherung zu schützende elektrische Leitung ist damit unterbrochen.
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Bei sandverfestigten Schmelzsicherungseinsätzen mit großem Sandvolumen kommt es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Quarzsandes einerseits sowie des Keramikkörpers andererseits zu Spannungen im Keramikkörper, welche letztendlich bis zum Bruch des Keramikkörpers führen können. Am Markt erhältliche Schmelzsicherungseinsätze begegnen dieser Problematik mit dem Einsatz spezieller, hochwertiger Keramiken, welche sich beispielsweise durch einen höheren Aluminiumoxidgehalt auszeichnen. Derartige Keramiken weisen neben einer höheren Festigkeit auch noch einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten auf als vergleichbare Keramiken mit einem geringeren Aluminiumoxidgehalt. Beide Eigenschaften – sowohl die höhere Festigkeit als auch der höhere Temperaturausdehnungskoeffizient – wirken dem Problem einer Beschädigung des Keramikkörpers entgegen. Jedoch sind die hierfür in Frage kommenden Keramikwerkstoffe aufgrund ihrer besonderen Qualitätseigenschaften relativ teuer.
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Zur Reduzierung der Spannungen im Keramikkörper aufgrund der Temperaturausdehnung des verfestigten Sandes werden ferner Schmelzsicherungseinsätze angeboten, bei denen entlang des inneren Umfangs des Keramikkörpers ein dämpfendes Element zwischen dem Keramikkörper und dem verfestigten Sand angeordnet ist. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass die Wärmeabfuhr des Schmelzsicherungseinsatzes und damit das Auslöse- und Abschaltverhalten der Schmelzsicherung deutlich verschlechtert werden.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schmelzleiter-Anordnung für einen Schmelzsicherungseinsatz einer Überstrom-Schutzeinrichtung, einen Schmelzsicherungseinsatz sowie eine Überstrom-Schutzeinrichtung mit einem derartigen Schmelzsicherungseinsatz bereitzustellen, welche sich bei gleichbleibendem Auslöse- und Abschaltverhalten durch eine verbesserte Robustheit auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch die Schmelzleiter-Anordnung, den Schmelzsicherungseinsatz sowie die Überstrom-Schutzeinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Schmelzleiter-Anordnung für einen Schmelzsicherungseinsatz weist eine Mehrzahl streifenförmiger Schmelzleiter auf. Diese Schmelzleiter sind im Wesentlichen rotatorisch um eine Mittelachse einer im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäusewand des Schmelzsicherungseinsatzes herum angeordnet. Die Zwischenräume innerhalb der zylinderförmigen Gehäusewand des Schmelzsicherungseinsatzes sind mit verfestigtem Sand, zumeist Quarzsand, verfüllt. Das Gehäuse des Schmelzsicherungseinsatzes ist dabei zumeist aus Keramik gefertigt. Durch die rotatorische Anordnung der Schmelzleiter um die Mittelachse des Schmelzsicherungseinsatzes herum werden die Druckverhältnisse während einer Abschaltung bzw. Auslösung der Schmelzsicherung dahingehend optimiert, dass sich der Druck in dem verfestigten Sand gleichmäßiger in radialer Richtung ausbreitet, so dass geringere Kräfte auf die aus Keramik gefertigte Gehäusewand wirken. Ein Bersten des Keramikkörpers kann dadurch vermieden werden. Die Schmelzleiter-Anordnung kann somit auch für stromstärkere Abschaltungen eingesetzt werden. Weiterhin wird durch die rotatorische Anordnung der Schmelzleiter der Druck auf den zu löschenden Lichtbogen erhöht, was zu einer höheren Bogenspannung und infolgedessen zu einer schnelleren Abschaltung führt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzleiter-Anordnung weist jeder der Schmelzleiter eine Flächennormale auf. Die Flächennormalen sind dabei im Wesentlichen tangential zu einer im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäusewand des Schmelzsicherungseinsatzes orientiert. Bei dieser Ausführung sind die Schmelzleiter strahlenförmig angeordnet, derart, dass sie – ausgehend von einer Mittelachse der Schmelzleiter-Anordnung bzw. der zylinderförmigen Gehäusewand radial nach außen, d.h. zu der Gehäusewand des Schmelzsicherungseinsatzes hin, orientiert sind. Diese Anordnung ist hinsichtlich der Druckverteilung im Auslösefall besonders vorteilhaft.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzleiter-Anordnung weisen die Schmelzleiter zumindest eine Engstelle auf. Entlang einer Längserstreckungsrichtung, welche im Wesentlichen parallel zur Mittelachse oder Drehachse der Schmelzleiter-Anordnung bzw. der zylinderförmigen Gehäusewand – und damit quer zu der radialen Erstreckungsrichtung – orientiert ist, weisen die Schmelzleiter eine oder mehrere Engstellen, d.h. Stellen geringeren Querschnitts, auf. Bei hohen Fehlerströmen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses, wird soviel Energie in den Schmelzleitern umgesetzt, dass diese praktisch auf der ganzen Länge aufgeheizt werden und infolge dessen an den Engstellen gleichzeitig aufschmelzen. Durch die Anordnung der Engstellen ist somit eine Anpassung der Auslösekennlinie des Sicherungseinsatzes an den jeweiligen Anwendungsfall realisierbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzleiter-Anordnung weisen die Schmelzleiter über ihre Länge jeweils einen oder mehrere Lotpunkte auf. Durch das Aufbringen von Lotpunkten an definierten Stellen der Schmelzleiter ist eine trägere Auslösekennlinie realisierbar. Dadurch kann die Auslösekennlinie des Sicherungseinsatzes an verschiedene Anwendungsfälle angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Schmelzleiter-Anordnung zumindest ein Montageelement, an dem die streifenförmigen Schmelzleiter befestigt sind, auf. Hierdurch wird die Montage der Schmelzleiter-Anordnung deutlich vereinfacht. Die Herstellkosten können dadurch reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzleiter-Anordnung ist das Montageelement als elektrisches Anschlusselement ausgebildet. Ein zusätzliches elektrisches Anschlusselement ist damit nicht mehr erforderlich. Die zur Montage der Schmelzleiter-Anordnung benötigte Anzahl an Bauteilen wird dadurch reduziert, was sich positiv auf die Logistikkosten auswirkt.
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Der erfindungsgemäße Schmelzsicherungseinsatz weist einen mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper sowie eine Schmelzleiter-Anordnung der vorstehend beschriebenen Art auf. Durch die strahlenförmige Anordnung der Schmelzleiter kann sich der Druck in dem verfestigten Sand bei einer Abschaltung bzw. Auslösung der Schmelzsicherung gleichmäßiger in radialer Richtung ausbreiten. Die dadurch auf den Keramikkörper wirkende Kraft ist entsprechend geringer, so dass ein Bersten des Keramikkörpers vermieden werden kann. Weiterhin wird durch die strahlenförmige Anordnung der Schmelzleiter der Druck auf den zu löschenden Lichtbogen erhöht, was zu einer höheren Bogenspannung und infolgedessen zu einer schnelleren Abschaltung führt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist der Keramikkörper im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und mittels zweier im Wesentlichen kreisförmiger Verschlusselemente verschließbar. Durch die zylindrische Form kann der Keramikkörper den bei der Abschaltung auftretenden Druck besser aufnehmen und kompensieren, ohne dabei beschädigt zu werden. Die Verschlusselemente dienen dabei im Wesentlichen zum sicheren Verschließen des Keramikkörpers nach außen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes weisen die Verschlusselemente jeweils eine Öffnung zur Aufnahme der elektrischen Anschlusselemente der Schmelzleiter-Anordnung auf. Durch die in dem jeweiligen Verschlusselement ausgebildete Öffnung kann das jeweilige elektrische Anschlusselement der Schmelzleiter-Anordnung aus dem Schmelzsicherungseinsatz herausgeführt werden. Hierdurch wird eine einfache elektrische Kontaktierung des Schmelzsicherungseinsatzes ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist der Keramikkörper durch Extrusion herstellbar. Das Extrusionsverfahren stellt eine einfache und überaus kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung des Keramikkörpers dar.
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Die erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung weist zumindest einen Schmelzsicherungseinsatz der vorstehend beschriebenen Art auf. Hinsichtlich der Vorteile der erfindungsgemäßen Überstrom-Schutzeinrichtung wird auf die eingangs genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Schmelzleiter-Anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes verwiesen.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Schmelzleiter-Anordnung sowie des Schmelzsicherungseinsatzes unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1 eine schematische Darstellung der Schmelzleiter-Anordnung in einer Seitenansicht;
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2 eine schematische Darstellung der Schmelzleiter-Anordnung in perspektivischer Ansicht;
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3 eine schematische Darstellung eines geöffneten Schmelzsicherungseinsatz mit darin angeordneter Schmelzleiter-Anordnung.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch die erfindungsgemäße Schmelzleiter-Anordnung 1 zum Einbau in einem Schmelzsicherungseinsatz 10 (siehe 3) in einer Seitenansicht (1) sowie in perspektivischer Ansicht (2). Die Anordnung 1 weist mehrere Schmelzleiter 2 auf, welche zwischen einem oberen Montageelement 4 und einem unteren Montageelement 5 montiert sind. Die Schmelzleiter 2 sind dabei rotatorisch um eine Mittelachse M der Schmelzleiter-Anordnung 1, welche einer Mittelachse des Schmelzsicherungseinsatzes entspricht, herum angeordnet. Der Schmelzsicherungseinsatz 10 ist zur Aufnahme der Schmelzleiter-Anordnung 1 ausgebildet und weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäusekörper (nicht dargestellt) auf, wobei die Mittelachse M der Zylinderachse des zylinderförmigen Gehäusekörpers entspricht. Die dargestellte Schmelzleiter-Anordnung 1 zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Schmelzleiter 2 jeweils strahlenförmig – von der Mittelachse M radial nach außen hin – orientiert sind. Jeder der streifenförmigen Schmelzleiter 2 weist dabei eine ihm zugeordnete Flächennormale N1, N2, N3 auf, welche im Wesentlichen tangential zu dem zylinderförmigen Gehäusekörper orientiert sind.
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Entlang einer Längserstreckungsrichtung, welche im Wesentlichen parallel zur Mittelachse M orientiert ist, weist jeder der Schmelzleiter 2 mehrere sogenannter Engstellen 3 auf. Dabei handelt es sich um Stellen geringeren Querschnitts, an denen die Schmelzleiter 2 im Falle eines hohen Fehlerstromes aufschmelzen. Durch die Anordnung, d.h. die Position und/oder die Anzahl der Engstellen 3 ist eine Anpassung der Auslösekennlinie des Schmelzsicherungseinsatzes 10 an den jeweiligen Anwendungsfall realisierbar.
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In 3 ist der geöffnete Schmelzsicherungseinsatz 10 mit der darin angeordneten Schmelzleiter-Anordnung 1 schematisch dargestellt. Der Schmelzsicherungseinsatz 10 weist ein unteres Verschlusselement 11 auf, auf dem die Schmelzleiter-Anordnung 1 positioniert ist. Ein im Wesentlichen zylinderförmiger Gehäusekörper sowie ein weiteres, oberes Verschlusselement des Schmelzsicherungseinsatzes 10 sind aus Darstellungsgründen weggelassen worden. Gleiches gilt für die Füllung des Gehäusekörpers, welche zumeist aus verfestigtem Sand, zumeist Quarzsand, besteht. Ein elektrisches Anschlusselement 6 ist mit Hilfe zweier Verbindungsmittel 7 an dem oberen Montageelement 4 befestigt. Im vollständig montierten Zustand des Schmelzsicherungseinsatzes 10 ist das elektrische Anschlusselement 6 durch eine im Verschlusselement 11 entsprechend ausgebildete Öffnung (nicht dargestellt) von außen zugänglich. Selbiges gilt für ein weiteres, an dem unteren Montageelement 5 befestigtes Anschlusselement. Durch die rotatorische bzw. strahlenförmige Anordnung der Schmelzleiter 2 werden die Druckverhältnisse während einer Abschaltung bzw. Auslösung des Schmelzsicherungseinsatzes 10 dahingehend optimiert, dass sich der Druck in dem verfestigten Sand gleichmäßig bzw. gleichmäßiger in radialer Richtung (bezogen auf die Mittelachse M) ausbreitet, so dass geringere Kräfte auf den, zumeist aus Keramik gefertigten, Gehäusekörper wirken. Ein Bersten des Gehäusekörpers kann dadurch vermieden werden. Die Schmelzleiter-Anordnung 1 kann somit auch für stromstärkere Abschaltungen eingesetzt werden, womit auch ein Schmelzsicherungseinsatz 10 bzw. eine Überstrom-Schutzeinrichtung mit einem derartigen Schmelzsicherungseinsatz 10 für entsprechend höhere Stromstärken realisierbar sind. Weiterhin wird durch die strahlenförmige Anordnung der Schmelzleiter 2 der Druck auf den zu löschenden Lichtbogen erhöht, was zu einer höheren Bogenspannung und infolgedessen zu einer schnelleren Abschaltung führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schmelzleiter-Anordnung
- 2
- Schmelzleiter
- 3
- Engstelle
- 4
- oberes Montageelement
- 5
- unteres Montageelement
- 6
- Anschlusselement
- 7
- Verbindungsmittel
- 10
- Schmelzsicherungseinsatz
- 11
- Verschlusselement
- N1
- Flächennormale
- N2
- Flächennormale
- N3
- Flächennormale
- M
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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