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Die Erfindung betrifft einen Schmelzsicherungseinsatz – insbesondere für Halbleiter-Schutz-Sicherungen – welcher einen mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper aufweist. 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 und damit unterbrochen werden. Diese Abschaltung wird mit Hilfe einer sogenannten Überstrom-Schutzeinrichtung gewährleistet.
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Eine Schmelzsicherung ist eine derartige Überstromschutzeinrichtung, bei der durch das Abschmelzen eines oder mehrerer Schmelzleiter der Stromkreis unterbrochen wird, sobald die Stromstärke einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet. Die Schmelzsicherung weist einen Schmelzsicherungseinsatz auf, der aus einem isolierenden Körper besteht, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im Inneren des isolierenden Körpers durch einen oder mehrere Schmelzleiter miteinander verbunden sind. Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der maßgebliche Nennstrom der Sicherung 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. Der isolierende Körper, zumeist als Keramikkörper ausgeführt, 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. Das vom Lichtbogen erzeugte Plasma schlägt sich der Metalldampf des verdampften Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsand-Körner nieder, wodurch der Lichtbogen wiederum abgekühlt wird. 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. Für ein günstiges, d.h. schnelles Abschaltverhalten des Schmelzsicherungseinsatzes ist daher ein möglichst hoher Druck im Lichtbogenplasma erforderlich.
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Die Verfestigung des Sandkörpers erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Kieselsol, einer wässrigen Suspension von amorphem Siliciumdioxid. Dieses verteilt sich jedoch nicht immer gleichmäßig, so dass insbesondere im Bereich der Sicherungsmitte eine homogene Verfestigung des Sandkörpers problematisch ist. Ferner kommt es bei sandverfestigten Schmelzsicherungseinsätzen mit großem Sandvolumen 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 – die höhere Festigkeit und 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 in Herstellung und Verarbeitung.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Schmelzsicherungseinsatz sowie eine Überstrom-Schutzeinrichtung mit einem derartigen Schmelzsicherungseinsatz bereitzustellen, welche sich bei gleichbleibendem Auslöse- und Abschaltverhalten durch eine verbesserte Robustheit sowie günstigere Herstellkosten auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatz sowie die erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Schmelzsicherungseinsatz für eine Überstrom-Schutzeinrichtung weist mehrere Schmelzleiter sowie zumindest ein Montageelement, an dem die mehreren Schmelzleiter befestigt sind, auf. Der Schmelzsicherungseinsatz ist dabei in einem mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper der Überstrom-Schutzeinrichtung anordenbar. Dabei ist mittig in dem Schmelzsicherungseinsatz ein Keramikstab, welcher eine höhere Porosität als der Keramikkörper aufweist, derart angeordnet, dass eine bei einem Verdampfen der Schmelzleiter auftretende Kraft zunächst auf den Keramikstab einwirkt. Die mehreren Schmelzleiter sind dabei um den Keramikstab herum angeordnet.
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Im Auslösefall des Schmelzsicherungseinsatzes werden die Schmelzleiter zunächst aufgeschmolzen und im weiteren Verlauf verdampft. Die damit einhergehende Temperaturerhöhung führt zu einer Temperaturausdehnung des die Schmelzleiter umgebenden verfestigten Sandes. Dadurch erhöht sich der Innendruck innerhalb des Keramikkörpers der Überstrom-Schutzeinrichtung, was Spannungen in dem Keramikkörper zur Folge hat. Diesem Effekt wird mit Hilfe des mittig in dem Schmelzsicherungseinsatz angeordneten Keramikstabs entgegengewirkt. Der Keramikstab ist aus einer einfacheren Keramik gefertigt und weist daher eine höhere Porosität als der Keramikkörper der Überstrom-Schutzeinrichtung auf. Als Porosität wird dabei das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches bezeichnet. Aufgrund der mittigen Anordnung des Keramikstabes sowie der höheren Porosität treffen die durch den erhöhten Innendruck entstehenden Druckkräfte zunächst auf den Keramikstab, der aufgrund seiner höheren Porosität einen Teil des Drucks absorbiert. Der auf den Keramikkörper der Überstrom-Schutzeinrichtung wirkende Druck wird dadurch reduziert, so dass das Risiko einer Beschädigung des Keramikkörpers deutlich reduziert werden kann.
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Weiterhin wird durch die Anordnung des Keramikstabs das Volumen des zu verfestigenden Sandes reduziert, wodurch Inhomogenitäten, d.h. inhomogen verfestigte Bereiche des Sandes – insbesondere in einem mittleren Bereich des Schmelzsicherungseinsatzes – vermieden werden können, was zu einem sichereren Abschaltvorgang des Schmelzsicherungseinsatzes führt. Durch die Reduzierung des Sandvolumens kann ferner ein höherer Druck auf das Plasma der Schmelzleiter ausgeübt werden, wodurch ebenfalls ein verbessertes Abschaltverhalten erreicht wird.
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Ferner ist durch eine gleichmäßige Anordnung der mehreren Schmelzleiter um den Keramikstab herum eine homogenere Druckverteilung im Inneren des Keramikkörpers der Überstrom-Schutzeinrichtung realisierbar. Die Druckverhältnisse während einer Abschaltung bzw. Auslösung des Schmelzsicherungseinsatzes können folglich dahingehend optimiert werden, dass sich der Druck in dem verfestigten Sand gleichmäßiger in radialer Richtung ausbreitet, so dass geringere Spitzenkräfte auf den Keramikkörper wirken. Das Risiko einer Beschädigung – beispielsweise eines Berstens des Keramikkörpers – kann dadurch deutlich reduziert werden. Der Schmelzsicherungseinsatz sowie die entsprechende Überstrom-Schutzeinrichtung sind somit auch für stromstärkere Abschaltungen einsetzbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Schmelzsicherungseinsatz eine zu einer Mittelachse im Wesentlichen zylindrische Form auf. Der Keramikstab ist dabei im Wesentlichen entlang der Mittelachse des Schmelzsicherungseinsatzes angeordnet. Unter der „im Wesentlichen zylindrische Form“ des Schmelzsicherungseinsatzes ist auch ein Prisma mit einer polygonalen Grundfläche, die einer Kreisfläche angenähert ist, zu verstehen, beispielsweise ein auf einem regelmäßigen Sechs- oder Achteck basierendes Prisma. Entsprechend weist auch der Keramikkörper der Überstrom-Schutzeinrichtung eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Ein derartiger Keramikkörper kann den bei der Abschaltung bzw. Auslösung des Schmelzsicherungseinsatzes auftretenden Druck besser aufnehmen und kompensieren, ohne dabei selbst beschädigt zu werden. Die mittige Anordnung des Keramikstabs erfolgt dabei folglich entlang der Mittelachse des im Wesentlichen zylindrischen Schmelzsicherungseinsatzes.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist der Keramikstab als im Wesentlichen zylindrischer Körper ausgebildet. Durch die zylindrische Form des Keramikstabs, welcher mittig in dem Keramikkörper angeordnet ist, kann eine möglichst homogene Druckverteilung erreicht werden. Vorzugsweise ist der Keramikstab hierzu als massiver Vollkörper ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist der Keramikstab aus einem minderwertigen Keramikmaterial gebildet. Einfachere Keramikwerkstoffe zeichnen sich insbesondere durch einen geringeren Aluminiumoxidgehalt aus und weisen eine höhere Porosität auf. Auf diese Weise ist eine zumindest teilweise Kompensation des Innendrucks durch den Keramikstab realisierbar, was das Risiko einer Beschädigung des Keramikkörpers der Überstrom-Schutzeinrichtung deutlich reduziert. Weiterhin sind einfache Keramiken deutlich günstiger herzustellen, was sich vorteilhaft auf die Herstellkosten des Schmelzsicherungseinsatzes und damit der Überstrom-Schutzeinrichtung auswirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes weist der Keramikstab an seinen beiden Enden jeweils eine Zentrierhilfe auf. Mit Hilfe der Zentrierhilfe ist der Keramikstab ohne großen Montageaufwand möglichst mittig in dem Schmelzsicherungseinsatz positionierbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist der Keramikstab mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens herstellbar. Ein Extrusionsverfahren stellt eine einfache und überaus kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung des Keramikstabs dar.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist das zumindest eine Montageelement als elektrisches Anschlusselement ausgebildet. Ein zusätzliches elektrisches Anschlusselement ist damit nicht mehr erforderlich. Die zur Montage des Schmelzsicherungseinsatzes benötigte Anzahl an Bauteilen wird dadurch reduziert, was sich positiv auf die Herstell- und Logistikkosten auswirkt.
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Die erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung weist einen mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper, sowie zumindest einen Schmelzsicherungseinsatz der vorstehend beschriebenen Art auf. Hinsichtlich der allgemeinen Vorteile der erfindungsgemäßen Überstrom-Schutzeinrichtung wird an dieser Stelle auf die vorstehenden Ausführungen zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes verwiesen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Überstrom-Schutzeinrichtung ist der Keramikkörper aus einem hochwertigen Keramikwerkstoff mit höherem Aluminiumoxidgehalt hergestellt. Hochwertige Keramiken mit einem höheren Aluminiumoxidgehalt zeichnen sich hinsichtlich ihrer Werkstoffeigenschaften durch eine höhere Festigkeit sowie einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten aus, als vergleichbare Keramiken mit einem geringeren Aluminiumoxidgehalt. Beide Eigenschaften – sowohl die höhere Festigkeit als auch der höhere Temperaturausdehnungskoeffizient – wirken dem Risiko einer Beschädigung des Keramikkörpers entgegen, so dass der Schmelzsicherungseinsatz somit auch bei stromstärkeren Abschaltungen einsetzbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Überstrom-Schutzeinrichtung ist der Keramikkörper mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens herstellbar. Das Extrusionsverfahren stellt auch eine einfache und überaus kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung des Keramikkörpers dar.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes;
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2 schematische Darstellungen eines in dem Schmelzsicherungseinsatz anzuordnenden Keramikstabes;
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3A bis 3D schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes in mehreren Ansichten.
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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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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes 10, welcher in einer Überstrom-Schutzeinrichtung einsetzbar ist. Der Schmelzsicherungseinsatz 10 weist mehrere Schmelzleiter 13 auf, welche eine im Wesentlichen streifenförmige Form aufweisen. An ihren beiden Enden sind die Schmelzleiter 13 jeweils an einem oberen Montageelement 11 und/oder an einem unteren Montageelement 12 befestigt. Mittig, d.h. entlang einer Mittelachse M des Schmelzsicherungseinsatzes 10, ist ein im Wesentlichen zylindrischer Keramikstab 14 angeordnet. Dieser weist an jedem seiner Enden eine Zentrierhilfe 15 in Gestalt einer kegelförmigen Senkung auf. Die Zentrierhilfen 15 korrespondieren dabei mit an dem oberen Montageelement 11 sowie dem unteren Montageelement 12 ausgebildeten kegelförmigen Erhebungen, so dass der Keramikstab 14 zwischen dem oberen Montageelement 11 und dem unteren Montageelement 12 gehalten und zentriert ist. Zur Befestigung und Zentrierung des Schmelzsicherungseinsatzes 10 in der Überstrom-Schutzeinrichtung weisen das obere Montageelement 11 sowie das untere Montageelement 12 jeweils eine zapfenartige Vertiefung 17 auf.
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Die einzelnen Schmelzleiter 13 weisen in ihrer Längserstreckungsrichtung, welche im Wesentlichen parallel zur Mittelachse M des Schmelzsicherungseinsatzes 10 verläuft, mehrere Engstellen 16 auf. An diesen Stellen weisen die Schmelzleiter 13 einen geringeren Querschnitt auf, hervorgerufen durch mehrere, quer zur Längserstreckungsrichtung nebeneinander angeordnete Bohrungen. Bei hohen Fehlerströmen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses, fließen hohe elektrische Ströme durch die Schmelzleiter 13. Dabei wird soviel Energie in den Schmelzleitern 13 umgesetzt, dass diese praktisch auf der ganzen Länge aufgeheizt werden und infolge dessen zunächst an den Engstellen aufschmelzen. Durch eine geeignete Anordnung sowie Dimensionierung der Engstellen wird eine Anpassung der Auslösekennlinie des Schmelzsicherungseinsatzes 10 an ihren jeweiligen Anwendungsfall ermöglicht.
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In 2 ist der in dem Schmelzsicherungseinsatz 10 mittig angeordnete Keramikstab 14 schematisch dargestellt. Der Keramikstab 14 ist als zylindrischer Vollkörper ausgebildet. An seinen beiden Enden ist jeweils die als kegelförmige Senkung ausgebildete Zentrierhilfe 15 zu sehen, mit deren Hilfe der Keramikstab 14 relativ zu dem oberen Montageelement 11 sowie dem unteren Montageelement 12, und damit relativ zu den Schmelzleitern 13 zentriert wird.
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Die 3A bis 3D zeigen schematische Darstellungen des Schmelzsicherungseinsatzes 10 in mehreren Ansichten. In 3B ist dabei die gleichmäßige Anordnung der mehreren Schmelzleiter 13 um den Keramikstab 14 herum gut zu erkennen, wobei sich der Keramikstab 14 entlang der Mittelachse M des Schmelzsicherungseinsatzes 10 erstreckt. Der Schmelzsicherungseinsatzes 10 weist dabei eine orthogonal zur Mittelachse M orientierte Grundfläche in Form eines hexagonalen Polygons auf. Die Form des Schmelzsicherungseinsatzes 10 ist damit als „im Wesentlichen zylindrisch“ – im Sinne der vorliegenden Erfindung – anzusehen. Das obere Montageelement 11 sowie das untere Montageelement 12 bilden den oberen und unteren Abschluss des Schmelzsicherungseinsatzes 10. Die beiden Montageelemente 11 und 12 sind dabei zugleich als elektrische Anschlusselemente ausgebildet, um den Sicherungseinsatz 10 und damit die Überstrom-Schutzeinrichtung mit der zu schützenden elektrischen Leitung elektrisch zu kontaktieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schmelzsicherungseinsatz
- 11
- oberes Montageelement / Anschlusselement
- 12
- unteres Montageelement / Anschlusselement
- 13
- Schmelzleiter
- 14
- Keramikstab
- 15
- Zentrierhilfe
- 16
- Engstelle
- 17
- zapfenartige Vertiefung
- M
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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