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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzsicherung mit einem Schmelzleiter
aus verhältnismäßig hochschmelzendem Metall, wie Kupfer, Silber, der in einer vorbestimmten
Zerstörungszone unter Verwendung eines Weichlotauftrages oder einer Weichlotbrücke
mit wesentlich niedrigerem Schmelzpunkt durch Einwirken der Stromwärme eine auf
metallurgischer Grundlage beruhende Veränderung erfährt, die zur Zerstörung des
Schmelzleiters führt.
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Die elektrischen Schmelzsicherungen, besonders in geschlossener Bauart,
haben in der Regel Silber-oder Kupferschmelzleiter, deren große elektrische Leitfähigkeit
die Verwendung verhältnismäßig dünner Querschnitte erlaubt, so daß auch bei starken
überlastungen und Kurzschlüssen nur eine kleine Menge von Schmelzleitermetall verdampfen
kann und daher keine großen Drücke entstehen, die zu einer Zerstörung der Sicherung
und sogar zu Schaden in der Anlage führen könnten. Die hohen Schmelztemperaturen
der Schmelzleiter bringen jedoch hohe Betriebstemperaturen und damit auch eine entsprechend
hohe Verlustleistung, die unerwünscht sind. Um beide Größen zu mindern, wird bekanntlich
der Schmelzleiter mindestens an einer Stelle mit niedrigschmelzendem Weichlot in
Form eines Auftrages oder einer Brücke versehen. Das Weichlot, beispielsweise als
Zwei- oder Mehrstofflegierung, reagiert dann von einer bestimmten Temperatur ab
metallurgisch mit dem Schmelzleiter, indem eine weitergehende Legierungsbildung
mit diesem erfolgt und dadurch der Schmelzpunkt an der Einwirkungsstelle entsprechend
herabgesetzt wird, so daß durch die gleichzeitige Widerstandserhöhung der Zerstörungszone
diese bei geringerer Temperatur flüssig wird als der übrige Schmelzleiter und, in
Verbindung beispielsweise mit der Kapillarwirkung des umgebenden Sandes bei einer
gefüllten Sicherung, die vor dem Schmelzen im Verhältnis zu ihrer Menge große Oberfläche
so stark infolge der Kugelbildung verringert wird, daß eine Stromunterbrechung an
dieser Stelle erfolgt. Als Weichlote werden die Einzelmetalle Blei, Kadmium, Wismut,
Zinn oder vorzugsweise Legierungen aus den vorgenannten Komponenten benutzt, bei
letzteren wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß der Schmelzpunkt von Legierungen
für das Weichlot vielfach geringer ist als der niedrigste Schmelzpunkt einer der
Komponenten. Bei der Legierungsbildung wird außerdem durch die Erhöhung des Widerstandes
eine entsprechend größere Stromwärme an der Zerstörungszone erreicht, so daß man
für den normalen Betriebsfall mit Schmelzleitern größeren Querschnittes arbeiten
kann und auf diese Weise eine größere Trägheit des Ansprechens bei auftretenden
überströmen erreicht.
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Bei den bekannten Schmelzsicherungen ist es je-,doch nachteilig, daß
die metallurgische Reaktion zwischen dem Weichlot und dem Schmelzleiter einen beträchtlichen
Teil der zum Abschmelzen des #Schmelzleiters erforderlichen Zeit beansprucht. Es
besteht dann die Gefahr, wenn bei Überlastungen die eingeleitete Reaktion des Weichlotes
auf den Schmelzleiter noch nicht zu einer Zerstörung führt, daß bei Rückgang des
überstromes auf den Normalwert eine irreversible Veränderung des Schmelzleiters
im Bereich des Weichlotes eingetreten ist, die die Charakteristik der Schmelzsicherung
in unkontrollierbarer Weise verändert hat, so, daß bei einem neuerlichen Überlastungsfall
die Sicherung schon bei einer wesentlich geringeren Stromstärke, die normalerweise
nicht zum Ansprechen der Sicherung ausreichen würde, ansprechen kann oder daß die
Verzögerungszeit in unerwünschter Weise verkürzt wird. Es wird daher angestrebt,
die Reaktionszeit, d. h. die Zeit in der das Weichlot metallurgisch auf den
Schmelzleiter einzuwirken beginnt, bis zum Zeitpunkt, wo der Schmelzleiter an der
Zerstörungszone zerstört wird, möglichst kurz zu halten. Mit anderen Worten, es
ist wünschenswert, daß der Einleitung des Reaktionsvorganges unmittelbar die Zerstörung
des Leiters folgt. In diesem Fall wäre die Gefahr vermieden, daß eine unkontrollierbare
irreversible Veränderung der Schmelzleitereigenschaften bei einer nicht zum Ansprechen
der Sicherung führenden überlastung aufgetreten ist. Man hat eine Verkürzung der
Reaktionszeit durch in bestimmter Weise ausgebildete Querschnittsschwächungen des
Schmelzleiters angestrebt, wobei der Weichlotvorrat von diesen querschnittsgeschwächten
Stellen getrennt, aber eng benachbart ist.
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Eine erhebliche Verbesserung, gegebenenfalls in Verbindung mit einer
solchen Querschnittsschwächung, wird durch die Erfindung dadurch erreicht, daß dem
Schmelzleiter wenigstens im Bereich der Zerstörungszone mindestens ein metallurgisch
reagierendes, im Weichlot nicht oder nicht merklich enthaltenes unedleres Hilfsmetall
als der Schmelzleiter zugeordnet ist, dessen Schmelzpunkt wesentlich niedriger als
der des Schmelzleiters und höher als der des Weichlotes ist.
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Als Hilfsmetalle
kommen z. B. in Betracht (die eingeklammerten Werte sind Schmelztemperaturen):
| Auftrags- oder Schmelzleiter- Hilfsmetalle |
| Verbindungslot metall |
| Zinn (232' C) Silber (960' C) Blei
(327' C) |
| oder oder/und |
| Kupfer (10850C) Kadmium |
| (321- C) |
| Wismut(271'C) |
| Zink (419'C) |
| Zinn-KadmiumSilber (960'C)Blei |
| Legierung aus oder Wismut |
| 80 % Zinn, Kupfer (1085'C) Zink |
| 20 % Kadmium |
| (etwa 183') |
| Legierung aus Silber (960'C) Blei |
| 31 % Zinn oder Wismut |
| 66 % Kadmium Kupfer (1085' C) |
| und 3,1/o Zink |
| (etwa 1631 C) |
Hilfsmetalle können entweder in Kontakt mit dem niedrigschmelzenden Auftrags-(Verbindungs-)Metall
oder mit dem hochschmelzenden Schmelzleitermetall oder mit beiden sein oder sie
können wenigstens im Bereich der Zerstörungszone ganz oder teilweise den Schmelzleiter
bilden.
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Für eine Kontaktgabe bestehen verschiedene Mög-
lichkeiten.
Beispielsweise kann das Schmelzleitermetall bereits vor Anwendung des Auftrags-
oder Verbindungslotes mit einer Schicht eines zugeordneten Hilfsmetalls versehen
sein, z. B. mit einer oberflächlich galvanisch aufgebrachten Schicht, so daß die
Schicht Schmelzleiter und später angewandtes
Lot trennt. Auch kann
eine gemeinsame Deckschicht für Schmelzleiter und Lot z. B. nachträglich durch ein
galvanisches Verfahren aufgebracht werden. Ferner kann das zugeordnete Hilfsmetall
z. B. Draht-oder Streifenform besitzen und vom Lot eingeschlossen sein oder in besonders
zweckmäßiger Weise als Draht mit Überzug aus niedrigschmelzendem Lot verwendet werden.
Ebenso kann das zugeordnete Hilfsmetall in einer Form angewandt werden, bei der
es als Lot dienende Auftrags- oder Verbindungsanteile unterteilt oder trennt.
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In manchen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, den eigentlichen
Schmelzleiter wenigstens in der Zerstörungszone ganz oder teilweise aus erfindungsgemäß
zugeordneten Hilfsmetallen zu bilden, indem dieser Abschnitte aus den genannten
Metallen oder diese als Legierungsbestandteile enthält. Auch Zwischenschichten oder
Oberflächenschichten auf der dem Lot abgewandten Seite von Schmelzbändern oder Füllungen
rohrförmiger Schmelzleiter sind in gleicher Weise wirksam.
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Allen diesen und ähnlichen Anordnungen ist die Wirkung gemeinsam,
daß vor dem Auflösen des eigentlichen Schmelzleitermetalls im Lot zunächst zugeordnete
Hilfsmetalle aufgelöst werden und dadurch neue Lotlegierungen erhöhter Komponentenzahl
entstehen. Nach der gegebenen Regel und insbesondere nach den Beispielen ausgewählte
Hilfsmetalle haben die an sich bekannte Eigenschaft, zum Teil erheblich den Schmelzpunkt
der ursprünglichen Lote zu verringern-, beispielsweise sinkt der Schmelzpunkt von
Zinn durch Auflösen von Zink von 232
bis auf 199' C; durch Auflösen
von Kadmium in Zinn von 232 bis auf 176' C; durch Auflösen von Zink
und Kadmium in Zinn oder des Dritten in einer Legierung aus den beiden anderen sinkt
er bis auf 157' C. Nach Anlaufen dieser Vorgänge entstehen also auch ohne
Temperatursteigerung durch fortdauernde überlastströme fast plötzlich Lotlegierungen,
die sich erheblich über ihren Schmelzpunkt befinden und infolge damit verknüpfter
erhöhter Dünnflüssigkeit das Schmelzleitermaterial in der vorgesehenen Zerstörungszone
in kürzestmöglicher Zeit auflösen. Die Wirkung kann mit der eines chemischen Katalysators
verglichen werden.
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Im einzelnen ergeben sich bei den verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten
kleinere Unterschiede im Ablauf des Vorganges und in der erzielbaren Wirkung. Je
nachdem, ob man eine besonders wirtschaftlich herzustellende oder eine besonders
genau arbeitende Sicherung benötigt, wird man die eine oder andere Ausführung bevorzugen.
Besonders genau ansprechende Sicherungen -erhält man mit Schmelzleitern, bei denen
ein Hilfsmetall eine Trennschicht oder Trennstrecke zwischen Lot und Schmelzleitermetall
bildet, weil hierbei eine vorzeitige unerwünschte Einwirkung des Lotes auf das Schmelzleitermetall
völlig verhindert ist.
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Bei den bekannten Maßnahmen mit Auftrags- oder Verbindungsmetallegierungen
als Weichlot wird durch entsprechende Zusammensetzung des Lotes in der Hauptsache
ein niedriger Schmelzpunkt des Weichlotes angestrebt, gegebenenfalls in Verbindung
mit einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Legierung an der Zerstörungszone,
sobald der Schmelzleiter an dieser Stelle mit dem Weichlot legiert hat. Beim Gegenstand
der Erfindung werden Hilfsmetalle jedoch nicht als Legierungsbestandteile des Weichlotes,
sondern als gesonderte Bestandteile der Zerstörungszone vorgesehen, wobei diese
einen höheren Schmelzpunkt als das Weichlot haben, d. h., daß bis zum Schmelzen
des Hilfsmetalls, solange dieses also im bereits vorher geschmolzenen Weichlot noch
nicht aufgelöst ist, eine Reaktion auf den Schmelzleiter unterbleibt. Es wird somit
erreicht, daß eine metallurgische Veränderung des Schmelzleiters bis zu höheren
Temperaturen als bei den bekannten Sicherungen gehemmt ist. Wenn aber Hilfsmetalle
durch die höhere Temperatur in der Weichlotschmelze aufgelöst sind und mit ihr Legierungen
bilden, so werden diese, da sie ihre hohe Temperatur behalten, dünnflüssiger sein
als dies für die ursprüngliche Weichlotschmelze bei deren niedrigerem Schmelzpunkt
gilt. Diese dünnflüssigere Schmelze löst nun ihrerseits den Schmelzleiter in der
Zerstörungszone besonders schnell auf, d. h., es wird in gewünschter Weise
die Reaktionszeit vermindert. Der Effekt kann noch gesteigert werden, wenn durch
entsprechendes Aufeinanderabstimmen der Komponenten des Weichlotes auf die Menge
des Hilfsmetalls eine metallurgisch auf den Schmelzleiter besonders aggressiv einwirkende
Legierung geschaffen wird, wobei für das Weichlot Metalle der üblichen Art oder
Legierungen aus zwei oder mehr solcher Komponenten vorzusehen sind.
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Eine besonders günstige Reaktion läßt sich erzielen, wenn z. B. als
Hilfsmeiall Zink und dieses in einer Menge von wenigstens 1%, vorzugsweise mehr
als 2 1/o der Menge des hochschmelzenden Metalls verwendet wird oder wenn gar der
Schmelzleiter zumindest in der Zerstörungszone überwiegend oder ganz aus Zink besteht.
Durch die dünnflüssige Weichlot-Zink-Legierung wird der Schmelzleiter schnell aufgelöst
und zerfällt durch die Dünnflüssigkeit der nunmehr entstandenen Legierung leicht
unter der Wirkung der Oberflächenspannung in kleine Tropfen. Der Schmelzleiter kann,
wie bereits gesagt, zumindest an der Zerstörungszone ganz aus Zink bestehen, jedoch
genügt es auch für den Fall, daß Kupfer oder Silber als Schmelzleitermetall verwendet
wird, einen ein- oder allseitigen Zinküberzug anzubringen. Letzteres insbesondere
für den Fall von bandförmigen Schmelzleitern. Der Auftrag eines solchen Zinküberzuges
kann galvanisch oder durch Aufschmelzen oder auch mechanisch in Form von Plattieren
od. dgl. vorgenommen werden. Im Fall des Überzuges des Schmelzleiters ändert sich
der spezifisch elektrische Widerstand nicht, was in manchen Fällen vorteilhaft sein
kann.
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Es ist jedoch auch möglich, Hilfsmetalle, z. B. Zink, mit dem Schmelzleitermetall
vorher zu legieren, wobei als Legierungsbestandteil wieder wenigstens
1 %, vorzugsweise mehr als 2 % Zink zweckmäßig ist. Der Schmelzleiter besteht
in diesem Fall als Draht- oder Bandmaterial aus Messing. Es besteht auch die Möglichkeit,
an der Zerstörungszone zwischen dem Kupfer- oder Silberschmelzleiter einen Zink-
oder zinkhaltigen Einsatz einzuschweißen, einzulöten oder einzuwalzen. In diesem
Fall ist gerade die Zerstörungszone durch den erhöhten spezifischen Widerstand dieses
zinkhaltigen Einsatzes einer höheren Temperatur ausgesetzt, als die übrigen Teile
des Schmelzleiters, wodurch ein besonders gutes und leichtes Ansprechen der Sicherung
erreicht wird, ohne daß die gesamte Sicherung eine erhöhte Temperatur anzunehmen
braucht. Das gleiche gilt auch,
wenn dieser Einsatz aus Reinzink
oder einer hochprozentigen Zinklegierung besteht. Sofern die hierbei beim Ansprechen
der Sicherungen entstehenden Zinkdämpfe nicht stören, kann der Vorteil ausgenutzt
werden, daß hier bei außerordentlich niedrigen Reaktionstemperaturen besonders kurze
Reaktionszeiten für das Ansprechen der Sicherung erzielbar sind. Die sowieso vorhandenen
Weichlotaufträge oder -brücken können dann zinkhaltige Zonen des Schmelzleiters
mit zinkfreien Zonen oder Zonen mit verschiedenem Zinkanteil verbinden.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Zerstörungszone des Schmelzleiters
zumindest überwiegend aus Silber und/oder Kupfer mit einem entsprechenden Zinkanteil
zu versehen. Es besteht auch ferner die Möglichkeit, den im wesentlichen aus Kupfer
bestehenden Schmelzleiter in der Zerstörungszone neben Zink auch noch Silber enthalten
zu lassen. Bei Kupfer für den Schmelzleiter, das mit einem Überzug aus Zink oder
einer zinkhaltigen Verbindung versehen ist, wird das Kupfer an der Oberfläche gegen
Sauerstoffdiffusion und damit gegen Oxydbildung geschützt, und es wird ferner eine
bessere Benetzung zwischen Weichlot und Schmelzleiter erreicht.
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Letzteres gilt auch für Silber oder versilbertes Kupfer als Schmelzleitennaterial.
Der im vorliegenden Fall auf Zink abgestellte Erfindungsgedanke läßt sich dahingehend
erstrecken, daß dem Schmelzleiter zumindest an der Zerstörungszone ein Material
mit niedrigerem Schmelzpunkt als der Schmelzleiter zugeordnet wird, das nicht im
Weichlot enthalten ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Schmelzleiters
läßt sich außer in Verbindung mit einer Querschnittsverengung auch mit einer Maßnahme
verbinden, bei der durch Legierung ein hoher spezifischer Widerstand des Schmelzleiters
erreicht wird, daß dort die Temperatur auch im Zusatz des Wärmegleichgewichts an
vom Weichlot getrennten Stellen, die diesen eng benachbart sind, höhere Temperaturen
als im Weichlot auftreten. Als Weichlot kann zweckmäßig solches von eutektischer
Zusammensetzung dienen, wie es anderweitig vorgeschlagen worden ist.
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Das Hilfsmetall, z. B. Zink, kann auch zwischen gleichartigen oder
verschiedenen Weichlotbestandteilen in Form von verschiedenen Einzelkomponenten
oder verschiedenen Legierungen als trennende Schicht, z. B. als Bleche, eingefügt
sein und das so gestaltete Weichlot als Brücke zwischen gleich- oder verschiedenartigen
Schmelzleitermetallen fungieren. In diesem Fall müssen die Metallbleche höhere Schmelzpunkte
als die benachbarten Weichlotteile haben. Durch einfache oder mehrfache Trennschichten
dieser Art können beliebig viele zunächst gegeneinander verriegelte Lotkomponenten
bereitgestellt werden, die nach Auflösen der Trennwände nahezu augenblicklich sich
zu einer besonders dünnflüssigen und auf das Schmelzleitermetall aggressiven Reaktionslegierung
vereinigen.