DE19833609A1 - Elektrisches Bauteil mit einer Einschnürung in einem PTC-Polymerelement - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein PTC-Polymerelement (1) als Teil eines elektrischen Bauteils mit einer neuen Struktur, bei denen Öffnungswinkel (alpha) auf beiden Seiten von Einschnürungen (2) in dem PTC-Polymermaterial zumindest 100 DEG betragen. Dadurch läßt sich ein verbessertes Ansprechverhalten erzielen, und in Verbindung mit weiteren Merkmalen wird der Aufbau schneller, stromtragfähiger und spannungsfester PTC-Polymerelemente möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement. Solche Bauteile sind z. B. bekannt aus der EP 0 655 760 A2, gemäß der ein PTC-Polymerelement zur Überstrombegrenzung ver­ wendet und das PTC-Polymerelement dazu mit einem Lasttrennschalter seri­ ell verschaltet wird. Ein Strom über einem durch die Auslegung des PTC-Polymerelements bestimmten Schwellenwert erzeugt dabei ein schnelles nichtlineares Ansteigen des elektrischen Widerstandes des PTC-Polymerelements und begrenzt dadurch die Überströme. Der Lasttrenn­ schalter kann den begrenzten Strom dann vollständig unterbrechen.

Bezüglich des Einsatzes von PTC-Polymerelementen bei höheren Spannun­ gen sind in den US-Patenten 5,313,184 und 5,414,403 verschiedene Mög­ lichkeiten vorgeschlagen worden, durch Widerstandssysteme aus PTC-Polymerelementen und Varistorelementen oder linearen Widerstandsele­ menten lokale Überspannungen im PTC-Polymermaterial zu reduzieren und das nichtlineare Ansprechverhalten des PTC-Polymermaterials örtlich zu verteilen. In Zusammenhang mit der Lehre dieser beiden Dokumente ist fest­ zustellen, daß bei der vorliegenden Erfindung der Begriff PTC-Polymerelement und PTC-Polymermaterial durchaus auch solche Elemente und Materialien mit umfaßt, denen Bestandteile ohne PTC-Verhalten, bei­ spielsweise lineare Widerstandselemente oder Varistorelemente zugesetzt sind.

Weiterhin bezieht sich diese Erfindung auf ein solches elektrisches Bauteil, bei dem das PTC-Polymerelement keine konstante stromtragende Quer­ schnittsfläche aufweist, sondern die Leitungsquerschnittsfläche eingeschnürt ist. Die diese Querschnittsfläche definierende Hauptstromrichtung ist im all­ gemeinen durch äußere Kontakte an dem PTC-Polymerelement oder durch die Geometrie vorgegeben. Sie muß dabei jedoch nicht allen auftretenden lokalen Stromrichtungen entsprechen, sondern gewissermaßen nur deren Mittelwert.

Durch eine solche Einschnürung des Leitungsquerschnitts wird die Strom­ dichte relativ zum übrigen PTC-Polymerelement lokal erhöht, so daß vorge­ geben ist, an welcher Stelle der nichtlineare Widerstandsanstieg des PTC-Effekts beim Erreichen entsprechender Stromschwellenwerte beginnt.

Die EP 0 798 750 A2 zeigt wiederum ein Widerstandssystem aus einem PTC-Polymerelement mit Varistorelementen, bei dem solche Einschnürungen vor­ gesehen sind.

Das US-Patent 3,351,882 zeigt ebenfalls PTC-Polymerelemente mit Ein­ schnürungen, wobei hierzu die Begründung gegeben wird, daß durch geeig­ nete Wahl der Einschnürungen eine Überhitzung in der Nähe der Kontakt­ stellen des PTC-Polymerelements vermieden werden soll.

Weiterhin ist als Stand der Technik zu nennen das Europäische Patent EP 0 038 715 B1, bei dem durch eine bestimmte Auslegung eines PTC-Polymerelements mit einer Einschnürung ein sehr schnelles Ansprechver­ halten im Bereich von einigen Sekunden oder darunter erreicht werden soll.

Ein PTC-Polymerelement mit einer Einschnürung zeigen ferner auch die JP 4-130602 mit Patent Abstract, die DE 196 26 238 A1 sowie die US-Patente 4,317,027 und 4,352,083. Die beiden letztgenannten Druckschriften zeigen insbesondere auch, daß Einschnürungen durch benachbarte Aussparungen in einem PTC-Polymermaterial gebildet sein können. Dabei sind die Ausspa­ rungen mit einem im wesentlichen nichtleitenden Material oder mit Luft gefüllt.

Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, ein elektrisches Bauteil mit ei­ nem PTC-Polymerelement anzugeben, bei dem das PTC-Polymerelement ein besonders schnelles Ansprechverhalten und im normalleitenden Fall eine gute Stromtragfähigkeit sowie im übrigen einen zuverlässigen und dauerhaf­ ten Betrieb zeigt.

Dazu sieht die Erfindung ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement vor, das eine Einschnürung der Querschnittsfläche senk­ recht zu einer Hauptstromrichtung aufweist, wobei ein Öffnungswinkel der Einschnürung in einer die Hauptstromrichtung enthaltenden Längsschnit­ tebene zumindest 100° beträgt.

Die Erfindung bezieht sich also auf PTC-Polymerelemente, bei denen die im Stand der Technik an sich bekannte Einschnürung besonders steil verläuft, also einen besonders großen Öffnungswinkel aufweist. Zunächst ist dabei festzustellen, daß in vielen Fällen, die Einschnürung nur durch Begrenzung der Querschnittsfläche in einer Richtung gebildet ist, das PTC-Polymerelement also sozusagen eine zweidimensionale Grundstruktur hat. Insoweit bezieht sich die Definition der Erfindung auf einen Öffnungswinkel in einer die Hauptstromrichtung enthaltenden Längsschnittebene durch das PTC-Polymerelement.

Es kann natürlich auch eine weitere Einschnürung in einer weiteren Dimensi­ on senkrecht zur Hauptstromrichtung vorliegen. Die Erfindung bezieht sich dabei auf solche PTC-Polymerelemente, bei denen der Wert von 100° für den Öffnungswinkel in zumindest einer Längsschnittebene erreicht oder über­ schritten wird.

Der Öffnungswinkel ist dabei definiert aus der Perspektive der Stelle mit mi­ nimalem Querschnitt in der Einschnürung, also im Sinne einer Verbreiterung von der Stelle minimalen Querschnitts ausgehend. Dabei existiert in der Längsschnittebene zu jeder Seite von der minimalen Querschnittsfläche aus gesehen jeweils ein rechter und ein linker Öffnungswinkel. Bei der Erfindung sind dabei auf einer Seite der rechte und der linke Öffnungswinkel zusam­ mengefaßt zu einem Summenöffnungswinkel von zumindest 100°, der jedoch in zwei Teilen an verschiedenen Scheitelpunkten auftritt. Dabei sind die Scheitelpunkte der beiden Teile des Öffnungswinkels durch die Querausdeh­ nung der minimalen Querschnittsfläche in der betrachteten Längsschnittebe­ ne voneinander getrennt. Es ist dabei nicht notwendig, daß die beiden Teile des Summenöffnungswinkels identisch sind, jedoch bevorzugt. Im übrigen muß nach der Erfindung der (Summen-)Öffnungswinkel von der minimalen Querschnittsfläche aus gesehen zumindest nach einer der beiden Seiten ge­ geben sein, gilt jedoch vorzugsweise für beide Seiten.

Die zur Definition der beiden Teile des Gesamtöffnungswinkels notwendigen zur Hauptstromrichtung gewinkelten Streckenabschnitte beiderseits der Ein­ schnürung müssen nicht unbedingt regelmäßig geformt sein. Es genügt, wenn sich ein die erfindungsgemäße Winkelbedingung erfüllender Strecken­ abschnitt als Mittelwert definieren läßt. Bevorzugt ist es jedoch, daß die Ein­ schnürungsflanken beiderseits der minimalen Querschnittsfläche im wesentli­ chen gerade sind und somit den Öffnungswinkel insgesamt im wesentlichen ohne Mittelwertbildung definieren. Dann kann es nämlich keine deutlichen lokalen Abweichungen von der erfindungsgemäß bevorzugten steilen Ausbil­ dung der Einschnürung geben.

Der erwähnte Wert von 100° für den Gesamtöffnungswinkel (also z. B. ein Teilöffnungswinkel rechts von 50° und ein Teilöffnungswinkel links von 50°) bildet die untere Schranke für die Erfindung. Tatsächlich sind jedoch noch größere Öffnungswinkel günstiger, zunehmend bevorzugt sind also Öff­ nungswinkel von z. B. 105°, 110°, 115° oder 120° und darüber.

Der erfindungsgemäße Effekt besteht dabei (mit größeren Winkeln zuneh­ mend) darin, daß einerseits sehr schnell ansprechende PTC-Polymerelemente realisiert werden können, die andererseits im Vergleich zum Stand der Technik dennoch relativ hohe Stromtragfähigkeiten im nicht ansprechenden bzw. bereits angesprochenen Zustand zeigen.

Bei der Entwicklung der Erfindung hat es sich nämlich als wesentlich heraus­ gestellt, diese beiden Kriterien möglichst gleichzeitig gut zu erfüllen, d. h. ei­ nerseits mit begrenztem Gesamtraumangebot für das gesamte elektrische Bauteil bzw. das PTC-Polymerelement eine hohe Stromtragfähigkeit zu reali­ sieren, andererseits jedoch die Verringerung der Leitungsquerschnitte auf ein schnelles Ansprechverhalten hin auslegen zu können. Es hat sich dabei ge­ zeigt, daß besonders starke relative Leitungsquerschnittsverringerungen ein besonders schnelles Ansprechverhalten nach sich ziehen und dabei anderer­ seits besonders steile Einschnürungen, also besonders kurze Ein­ schnürungsstücke, die besten Stromtragfähigkeiten zeigen.

Man kann dies vermutlich mit der deutlich besseren Kühlwirkung kurzer stumpfwinkliger Einschnürungen gegenüber langen eher spitzwinkligen Ein­ schnürungen erklären. Diese haben dabei wohl den Vorteil einer verbesser­ ten Stromtragfähigkeit, weil sich nicht durch einen thermischen Stau bei rela­ tiv hohen Strombelastungen, jedoch unterhalb des Stromschwellenwerts, Stabilitätsprobleme oder ein unbeabsichtigtes Ansprechverhalten ergeben können.

In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten, daß durch starke, aber kur­ ze Einschnürungen eine relativ kurze Gesamtlänge des PTC-Polymerelements in der Hauptstromrichtung erreicht werden kann, was den Ohm'schen Gesamtwiderstand im normalleitenden Zustand verringert. Dies ist vor allem zusammen mit den erfindungsgemäß bevorzugten Einschnürun­ gen auf besonders kleine Leitungsquerschnittsflächen wichtig.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß mit den erfindungsgemäßen Werten für den Öffnungswinkel bei guter Stromtragfähig­ keit derart schnell ansprechende Einschnürungen hergestellt werden können, daß bei einer Serienschaltung von zumindest zwei solcher Einschnürungen auch ohne Parallelschaltung eines Varistor- oder Widerstandselements ein gleichzeitiges Ansprechen garantiert ist und somit wirklich eine Vervielfa­ chung der jeweiligen Spannungsfestigkeit einer Einschnürung möglich ist.

Bei der Entwicklung der Erfindung hat sich nämlich herausgestellt, daß eine Serienschaltung von PTC-Widerstandselementen mit definierten Ansprech­ zonen durchaus nicht unproblematisch ist. Im allgemeinen spricht eine der Ansprechzonen aufgrund geringfügigster Asymmetrien zwischen den ver­ schiedenen Ansprechzonen zuerst an und läßt dann schlagartig die gesamte Spannung an dieser Stelle abfallen, bricht also bei zu hoher anliegender Spannung zusammen. Damit ist das Bauteil zerstört, und der Überstrom nicht begrenzt. Im übrigen ist dann die Serienschaltung der Ansprechstellen durch eine Erhöhung des Nominalwiderstands im leitenden Zustand nur von Nach­ teil. Diesem Problem konnte bislang nur durch die in dem zitierten Stand der Technik beschriebenen Parallelschaltungen von Varistor- oder (Normal-) Wi­ derstandselementen begegnet werden.

Andererseits hat sich herausgestellt, daß die PTC-Materialien offenbar eine gewisse inhärente Restträgheit hinsichtlich des Wärmeübergangs von den typischerweise in diesen PTC-Materialien vorhandenen leitfähigen Partikeln auf die Polymermatrix, die durch ihre Reaktion auf die Temperaturerhöhung den eigentlichen PTC-Effekt erst hervorruft, zeigen. Ist das Ansprechverhal­ ten deutlich schneller als diese inhärente Trägheit, so kann ein wirklich gleichzeitiges Ansprechen seriell geschalteter Ansprechstellen bzw. Ein­ schnürungen gewährleistet werden. Dies ist ein besonders wesentlicher Ge­ sichtspunkt der Erfindung, weil damit eine theoretisch unbegrenzte Erhöhung der Spannungsfestigkeit des gesamten elektrischen Bauteils möglich wird.

Um die durch die Erfindung ermöglichte Addition der jeweiligen Spannungs­ festigkeit seriell verschalteter Ansprechstellen an den Einschnürungen voll auszunutzen, ist es weiterhin vorzuziehen, diesen Einschnürungen in der Hauptstromrichtung soviel Abstand voneinander zu lassen, daß sich die je­ weiligen Zonen des nichtlinearen Ansprechens, also des hohen Widerstandes und des Spannungsabfalls, nicht miteinander verbinden, sondern klar von­ einander getrennt bleiben. Dazu ist es erfindungsgemäß insbesondere bevor­ zugt, daß die minimalen Querschnittsflächen voneinander in der Hauptstrom­ richtung um zumindest die doppelte minimale Querlängenausdehnung beab­ standet sind. Noch größere Werte sind vorzuziehen, nämlich das dreifache, vorzugsweise vierfache. Mit der minimalen Querlängenausdehnung ist dabei die die Stelle der kleinsten Leitungsquerschnittsfläche auszeichnende Län­ genausdehnung quer zur Hauptstromrichtung gemeint, bei "zweidimensiona­ len" Einschnürungen die kleinere der beiden.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung sind zudem Parallelschal­ tungen zumindest zweier der Einschnürungen bevorzugt. Dies hat zum einen den Vorteil einer besseren mechanischen Stabilität insbesondere bei größe­ ren Gesamtleitungsquerschnittsflächen. Zum anderen ergibt sich durch die Aufteilung der notwendigen Leitungsquerschnittsfläche auf zwei oder mehrere parallel geschaltete Ansprechstellen auch der Vorteil einer verbesserten Kühlwirkung, d. h. einer besseren thermischen Ankopplung der Ansprech­ stellen bzw. der Stellen der minimalen Leitungsquerschnittsfläche an das restliche Volumen des PTC-Polymerelements.

Bei parallel geschalteten Einschnürungen ist es besonders bevorzugt, sie in der Weise benachbart anzuordnen, daß die jeweiligen Flanken der Ein­ schnürungen insgesamt Aussparungen zwischen den Einschnürungen defi­ nieren, die bei im wesentlichen geraden Flanken eine Rautenform erhalten. Hierzu wird auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.

Erfindungsgemäß können die Parallelschaltungen und Serienschaltungen auch kombiniert werden, wodurch sich ein Feld von Einschnürungen ergibt. Dabei bestimmt/bestimmen die Ausdehnung(en) des Feldes quer zur Haupt­ stromrichtung die Leitungsquerschnittsfläche und zusammen mit anderen Parametern die Stromtragfähigkeit, während die "Tiefe" des Feldes, also die Serienschaltungszahl, die Spannungsfestigkeit bestimmt.

In allen Fällen von zumindest zwei gekoppelten Einschnürungen, also bei Parallelschaltungen, Serienschaltungen und Kombinationen daraus, ist es bevorzugt, alle Einschnürungen in demselben einstückigen PTC-Polymerelement vorzusehen, also zwischen den Einschnürungen keine ver­ meidbaren Materialübergänge entstehen zu lassen.

Hinsichtlich der einzelnen Einschnürungen der Leitungsquerschnittsfläche selbst, ist es bei dieser Erfindung zunächst vorgesehen, die beschriebene Einschnürung der Querschnittsfläche in nur einer Dimension durchzuführen, also nur in einer in der Längsschnittebene enthaltenen Längendimension den Querschnitt zu verringern und in einer dazu senkrechten Längsschnittebene nicht, wobei die Hauptstromrichtung in beiden Längsschnittebenen enthalten ist. Die hat insbesondere den Vorteil der einfacheren Herstellung durch ma­ schinelle Bearbeitung oder auch durch Spritz- oder Gießverfahren.

So können z. B. aus einem PTC-Polymer-Vollmaterial durch Fräsen oder Schneiden entsprechende Ausnehmungen herausgeschnitten werden, um Einschnürungen zu definieren, was bei einer zweidimensionalen Struktur der Einschnürungen sehr viel leichter ist. Bei Guß- oder Spritzgußverfahren ist zumindest die Herstellung der Formen erleichtert, weil auch diese im allge­ meinen spanabhebend erzeugt werden. Aber auch beim Gießen oder Sprit­ zen selbst können sich durch vereinfachte Geometrien Erleichterungen erge­ ben.

Dabei hat sich bei der Erfindung herausgestellt, daß durch ausreichend große Öffnungswinkel auch schon bei einer Leitungsquerschnittseinschnürung in einer Richtung gute Kombinationen aus schnell ansprechenden Ein­ schnürungen einerseits und guter Stromtragfähigkeit andererseits erzielt wer­ den können.

Andererseits können bei elektrischen Bauteilen, bei denen das PTC-Polymerelement sehr schnell ansprechen soll, durch Einschnürungen in zwei Richtungen, also letztlich dreidimensionale Formen, trotz erheblicher relativer Verkleinerungen der Leitungsquerschnittsfläche sehr kleine laterale Längen­ abmessungen vermieden werden, was andererseits die mechanische Stabi­ lität erleichtert und auch bei der Herstellung von Vorteil sein kann. Im übrigen ergeben sich bei solchen Einschnürungen in zwei Richtungen noch kürzere Wärmediffusionswege und damit eine noch bessere Kühlung, insbesondere in Zusammenhang mit der bereits beschriebenen Parallelschaltung mehrerer Einschnürungen.

Auch wenn bei einer besonders hohen notwendigen Stromtragfähigkeit Platzprobleme auftreten, kann durch eine dreidimensionale Gestaltung der Einschnürungen insgesamt auch eine zweidimensionale Parallelschaltung von Einschnürungen denkbar sein, so daß sich in Zusammenhang mit einer hinzu kommenden Serienschaltung insgesamt ein dreidimensionales Ein­ schnürungsfeld vorzugsweise in einem einstückigen PTC-Block ergeben kann. Grundsätzlich ist dies jedoch aufwendiger als eine im übrigen ver­ gleichbare Struktur mit eindimensionalen Einschnürungen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich wiederum auf die Span­ nungsfestigkeit, jedoch in diesem Fall bezogen bereits auf die einzelne Ein­ schnürung. Hier sieht die Erfindung vor, im wesentlichen in der Hauptstrom­ richtung einen Steg im Zentrum der Einschnürung, also einen Steg mit im wesentlichen der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung, vorzuse­ hen. Dieser Steg sollte in der Hauptstromrichtung soweit ausgedehnt sein, daß sich - mit einer Länge abhängig von den jeweiligen Parametern des ver­ wendeten PTC-Polymermaterials - eine Zone hohen Widerstands vollständig im Bereich der minimalen Querschnittsfläche aufbauen kann. Wenn nämlich die Querschnittsfläche zu früh verbreitert wird, so liegt in dem verbreiterten Bereich möglicherweise keine ein Ansprechen des PTC-Polymermaterials verursachende Stromdichte mehr vor, so daß die Ausdehnung der Zone ho­ hen Widerstandes in der Hauptstromrichtung durch die Geometrie und nicht durch die Materialeigenschaften und die elektrischen Parameter begrenzt ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann sich jedoch die Zone des hohen Widerstandes in ganzer Länge und damit die maximale für die einzelne Ein­ schnürung jeweils erreichbare Spannungsfestigkeit aufbauen.

Dabei ist typischerweise ein Bereich zwischen 0,5 und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 2 mm für die Ausdehnung des Steges in der Hauptstrom­ richtung vorzusehen. Zu große Steglängen sind nachteilig, weil sie die für die Erfindung wesentliche Kühlwirkung verschlechtern können.

Weiterhin haben sich bei der Erfindung Einschnürungen als vorteilhaft her­ ausgestellt, insbesondere im Hinblick auf das schnelle Ansprechverhalten, die die Leitungsquerschnittsfläche senkrecht zur Hauptstromrichtung relativ stark einschränken, und zwar um mindestens den Faktor 3 vorzugsweise 4 bzw. 5. Wie bereits erwähnt, ist eine Aufteilung auf zumindest zwei parallel geschal­ tete Einschnürungen schon aus Stabilitätsgründen und zudem wegen der kürzeren thermischen Diffusionswege vorteilhaft. Dies gilt vor allem für sehr starke Leitungsquerschnittsflächenverringerungen. Die Ausführungsbeispiele ergänzen diesen Punkt.

Ein bevorzugtes Material für das PTC-Polymerelement ist das Material "ETTB" das z. B. aus 50% ETFE und 50% TiB₂ besteht. Dabei ist ETFE eine Abkürzung für das Polymermaterial Ethylen-Tetra-Fluor-Ethylen. Im Folgen­ den werden anhand der Ausführungsbeispiele weitere Erläuterungen zu der Erfindung gegeben. Dabei offenbarte Einzelmerkmale können auch in ande­ ren Kombinationen erfindungswesentlich sein. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines PTC-Polymerelements mit drei er­ findungsgemäßen Einschnürungen in Parallelschaltung;

Fig. 2 eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen PTC-Polymerelements, das im wesentlichen einer integrierten Serienschaltung zweier PTC-Polymerelemente nach Fig. 1 entspricht;

Fig. 3 eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen PTC-Polymerelements mit einer größeren Zahl seriell verschalteter Einschnürun­ gen, wobei jeweils drei Einschnürungen in jeder Serienstufe parallel ge­ schaltet sind und wobei gegenüber den Fig. 1 und 2 einige geometrische Abweichungen vorliegen;

Fig. 4 eine Ausschnittsdarstellung einer Einschnürung und einer Ausspa­ rung aus Fig. 3;

Fig. 5 eine Kombination aus einer Fig. 3 entsprechenden Ansicht eines "dreidimensionalen" Feldes von Einschnürungen in einem erfindungsgemä­ ßen PTC-Polymerelement mit einer Seitenansicht dazu; und

Fig. 6 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Ansprechzeit und dem Belastungsstrom für einen erfindungsgemäßen Widerstand.

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement. Die Ausführungsbeispiele zeigen dabei PTC-Polymerelemente für elektrische Widerstände als eine konkrete Variante ei­ nes elektrischen Bauteils. Anwendung finden diese elektrischen Widerstände als Strombegrenzungseinrichtungen in Sicherungsautomaten. Andere elektri­ sche Bauteile können natürlich in ähnlicher Weise mit PTC-Polymerelementen versehen sein, um den PTC-Effekt für bestimmte elektro­ technische Zwecke auszunutzen. Da elektrische Widerstände mit PTC-Polymerelementen an sich Stand der Technik sind, werden im Folgenden nur die PTC-Polymerelemente selbst gezeigt und erklärt. Die Verbindung zu Au­ ßenkontakten und die Verwendung in einer äußeren Beschaltung sind dem Fachmann ohne weitere Erklärungen bekannt. Die in den Fig. 1 bis 4 dar­ gestellten Ansichten entsprechen dabei einem Querschnittsprofil, das das PTC-Polymerelement 1 auch in der auf der Zeichenebene senkrechten Di­ mension über seine Dicke hinweg beibehält; es handelt sich also um eine "zweidimensionale Struktur". Die Dicke der Struktur in dieser dritten Dimensi­ on beträgt bei diesem Beispiel 1,5 mm, kann aber auch ohne weiteres ver­ ändert werden. Dementsprechend ändern sich alle Querschnittsflächen pro­ portional und damit auch die Stromtragfähigkeit.

Fig. 1 zeigt nun ein PTC-Polymerelement 1, das für eine Hauptstromrich­ tung 3 ausgelegt ist, wie mit den Pfeilen angedeutet, also in der Figur vertikal von oben nach unten (oder unten nach oben).

Dementsprechend zeigt Fig. 1 eine Längsschnittebene, die die Hauptstrom­ richtung 3 enthält. In dieser Längsschnittebene sind im Sinne der Figur hori­ zontal nebeneinander drei bis auf ihre jeweilige Lage im PTC-Polymerelement 1 gleichartige Einschnürungen 2 vorgesehen. Diese Ein­ schnürungen sind gebildet durch zwei in der Längsschnittebene rautenförmi­ ge luftgefüllte Aussparungen 9 im Vollmaterial und zwei weitere Aussparun­ gen 9 rechts und links am Rand (im Sinne von Einkerbungen) des Vollmateri- als. Der erfindungsgemäß wesentliche Öffnungswinkel α tritt, wie bereits weiter oben erläutert, zu beiden jeweiligen Seiten einer Einschnürung 2 je­ weils in zwei Teilen auf, die im vorliegenden Fall gleich groß sind. Dies be­ deutet konkret, daß der Winkel zwischen einer geraden Flanke 8 einer der insgesamt vier Aussparungen 9 und der Hauptstromrichtung von der Ein­ schnürung 2 aus gesehen (wie in der Figur mit α/2 bezeichnet) 60° beträgt, der gesamte Öffnungswinkel somit 120°. Dementsprechend betragen die Winkel in den Aussparungen seitlich jeweils 60° und bei den Aussparungen 9 in der Mitte des PTC-Polymerelements 1 oben und unten 120°.

Bei einer Gesamtbreite des dargestellten PTC-Polymerelements 1 von 40 mm betragen die kleinsten Leitungsquerschnittflächen 7 in den Einschnürun­ gen 2 in der Breite jeweils 2 mm und sind durch die Breite einer Aussparung 9 im Vollmaterial von 11 mm voneinander getrennt.

Fig. 2 zeigt eine Fig. 1 weitgehend entsprechende Struktur, bei der jedoch das in Fig. 1 dargestellte System aus Einschnürungen 2 und Aussparungen 9 doppelt und in der Hauptstromrichtung 3 hintereinander liegend vorgesehen ist. Dabei liegen die Einschnürungen 2 und Aussparungen 9 in der (vertika­ len) Hauptstromrichtung 3 fluchtend hintereinander. Der Abstand 10 zwischen den Stellen der kleinsten Querschnittsflächen 7 in der Hauptstromrichtung 3 voneinander beträgt bei der Struktur in Fig. 2 etwa 8 mm. Dieser Abstand von 8 mm beträgt damit das vierfache der minimalen Querausdehnung der Einschnürungen 2 von 2 mm.

Fig. 3 zeigt ein gegenüber Fig. 2 in dreierlei Hinsicht verändertes Ausfüh­ rungsbeispiel. Zunächst ist aus einer Serienschaltung von jeweils zwei Ein­ schnürungen 2 eine Serienschaltung einer Vielzahl von Einschnürungen 2 in jeder "Säule" der Parallelschaltung geworden, wobei nur die jeweils obersten vier Einschnürungen dargestellt sind. Ferner sind bei diesem Ausführungs­ beispiel alle in den Strukturen aus Fig. 1 und Fig. 2 weitgehend scharfen Ecken etwas abgerundet, was bei der mechanischen Bearbeitung eines PTC-Polymerblocks oder einer Form für ein Spritz- oder Gußverfahren deutliche Vereinfachungen bietet. Diese Abrundungen ändern nichts Wesentliches an der Funktionsweise der dargestellten Geometrie.

Schließlich sind die Stellen minimaler Leitungsquerschnittsfläche 7 zu Stegen 5 verlängert, die sich über eine Strecke 6 in der Hauptstromrichtung 3 er­ strecken. Dies ist in der Ausschnittsdarstellung in Fig. 4 besser zu erkennen. Die Länge 6 der Stege 5 beträgt 1 mm ohne Einrechnung des Krümmungs­ ansatzes zum Öffnungswinkel hin, unter Berücksichtigung eines Teils dieser Krümmung zwischen 1-2 mm. Dementsprechend ist der Abstand 10 der Stellen minimalen Querschnitts 7 in der Hauptstromrichtung 3 bei diesem Ausführungsbeispiel um 1 mm länger als in Fig. 2, wenn man ihn jeweils von der Stegmitte aus berechnet; die Steglänge ist also zusätzlich zu diesem Ab­ stand vorgesehen (Bezugszeichen 10 ergänzen). Die übrigen Abmessungen entsprechen den zuvor angegebenen Werten.

Eine weitere Variation zeigt Fig. 5. Dabei ist auch die auf der Zeichenebene der Fig. 3 und 4 senkrechte Dimension zur Strukturierung der Ein­ schnürungen mitgenutzt; es handelt sich also um eine "dreidimensionale Ein­ schnürungsstruktur". Im linken Teil zeigt Fig. 5 eine Draufsicht auf diese Fi­ gur, die soweit Fig. 3 identisch entspricht. Allerdings ist die Oberfläche und die Unterseite dieses PTC-Polymerelements 1 korrugiert, d. h. weist seitliche Aussparungen oder Einkerbungen 11 auch auf der Oberseite und Unterseite auf. Entsprechend gibt es auch in dieser "dritten Dimension" Aussparungen 12 im Vollmaterial des PTC-Polymerelements 1. Die wellenartigen Ausspa­ rungen 11 an der Ober- und Unterseite und die Aussparungen 12 im Vollma­ terial ergänzen die bereits anhand Fig. 3 und 4 beschriebenen Aussparun­ gen 9 synchron, haben also sozusagen gleiche Frequenz und gleiche Phase (vgl. dazu die gestrichelten Hilfslinien in Fig. 5). Im Ergebnis ist die relative Flächenverringerung an den Einschnürungen 2 gewissermaßen um einen in der dritten Dimension zusätzlich erzielten Faktor verstärkt. Deswegen ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die zu der obigen Definition analogen Öff­ nungswinkel der weiteren Längsschnittebene in der rechten Seite in Fig. 5 Werte von zumindest 100° aufweisen.

Bei den Strukturen aus den Fig. 1, 2, 3 und 4 ergeben sich dabei Lei­ tungsquerschnittsflächenverringerungen auf 15% der maximalen Leitungs­ querschnittsfläche, bei der Struktur aus Fig. 5 sogar auf 5%. Es ist klar, daß die jeweils angedeuteten Verkettungen von Einschnürungen 2 als Serien­ schaltung in der Hauptstromrichtung 3 und als Parallelschaltung in der in der Zeichenebene der Fig. 1-4 liegenden Richtung senkrecht hierzu sowie in der dritten Richtung in Fig. 5 beliebig fortgesetzt sein können. Es handelt sich im Grunde um ein im wesentlichen regelmäßiges Gitter von Ein­ schnürungen, das je nach Anforderungen an die Gesamtgeometrie, an die Spannungsfestigkeit und an die Stromtragfähigkeit geeignet angepaßt wer­ den kann. Im übrigen können auch mehrere plattenartige PTC-Polymerelemente 1 nach den Fig. 1-5 in einem elektrischen Bauelement parallelgeschaltet werden. Dadurch kann eine große Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig einfacher Herstellung der einzelnen Platten erreicht werden.

Wie bereits erwähnt ist das PTC-Polymerelement dabei aus dem Material ETTB aus 50% ETFE und 50% TiB₂ gefertigt. Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen wurde das Material aus einem Block herausgefräst bzw. geschnitten, für eine Großserienfertigung sind jedoch auch verschiede­ ne Spritz- und Gießverfahren nach dem Stand der Technik denkbar. Dabei können die entsprechenden Metallkontakte u. U. in einem Arbeitsgang mit angeformt werden.

Dabei ist klar, daß die in Fig. 5 dargestellte Struktur eine etwas komplizierte­ re Herstellung erforderlich macht. Andererseits bietet sie ein im Vergleich zu den anderen Strukturen noch weiter verbessertes Ansprechverhalten.

Weiterhin sind die Strukturen nach den Fig. 3, 4 und 5 gegenüber den Strukturen in den Fig. 1 und 2 durch die Ausbildung der Einschnürungen 2 in der beschriebenen Stegform hinsichtlich der Spannungsfestigkeit im An­ sprechzustand verbessert. Ein typischer Wert für eine einzelne Einschnürung 2 liegt dabei je nach Material im Bereich von 150-300 V (Effektivwert). Für einen typischen Anwendungsfall, ein Niederspannungssicherungssystem im Bereich von z. B. 690 V sind dementsprechend mehrere, maximal fünf seriell verschaltete Einschnürungen 2 notwendig.

Zur Illustration des Ansprechverhaltens zeigt Fig. 6 Meßwerte an einem Versuchsmuster der Struktur aus Fig. 2, und zwar für die Ansprechzeit an der Ordinate gegenüber dem Quotienten aus dem tatsächlichen Belastungs­ strom und dem maximalen Auslegungsstrom im normalleitenden Zustand. Man erkennt, daß die Kurve bei kleinen Überströmen zu stark verlängerten Ansprechzeiten hin ansteigt, das PTC-Polymerelement 1 also im Bereich kleiner Vielfacher des Nennstroms nur träge anspricht. Dieses Verhalten ist grundsätzlich typisch für PTC-Polymermaterialien; bei dem erfindungsgemä­ ßen Muster ist das Ansprechverhalten in der unmittelbaren Umgebung, etwa unterhalb des 1,3-fachen des Nennstroms, jedoch noch langsamer als bei konventionellen Vergleichsstücken. Dies verdeutlicht die verbesserte Kühlwir­ kung aufgrund der erfindungsgemäßen Geometrie, die eine Dauerbelastung in der Nähe des Nennstroms für längere Zeit möglich macht.

Andererseits ist das Ansprechverhalten des erfindungsgemäßen PTC-Polymerelements 1 oberhalb eines Werts etwa des 1,3-fachen bis 2-fachen des Nennstroms erheblich schneller, und zwar um 1-2 Zehnerpotenzen schneller, als bei konventionellen Beispielen. Dies gilt etwa bis zum 100fachen Nennstrom; danach ist das erfindungsgemäße Muster immer noch besser als der Stand der Technik, verliert jedoch an Vorsprung.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß das gleichzeitige Ansprechen seriell geschalteter erfindungsgemäßer Einschnürungen über Infrarot-Frame-Ka­ meraaufnahmen verifiziert wurde.

Claims (13)

1. Elektrisches Bauelement mit einem PTC-Polymerelement (1), das eine Einschnürung (2) der Querschnittsfläche senkrecht zu einer Haupt­ stromrichtung (3) aufweist, wobei ein Öffnungswinkel (α) der Ein­ schnürung (2) in einer die Hauptstromrichtung (3) enthaltenden Längs­ schnittebene zumindest 100° beträgt.

2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Öffnungswin­ kel (α) zumindest 110° beträgt.

3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 mit zumindest zwei seriell geschalteten der Einschnürungen (2).

4. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, bei dem minimale Quer­ schnittsflächen (7) der seriell geschalteten Einschnürungen (2) vonein­ ander in der Hauptstromrichtung (3) um zumindest die doppelte, vor­ zugsweise die vierfache minimale Querlängenausdehnung der mini­ malen Querschnittsfläche beabstandet (10) sind.

5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche mit zumindest zwei parallel geschalteten der Einschnürungen (2).

6. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Ein­ schnürungen (2) in demselben einstückigen PTC-Polymerelement (1) gebildet sind.

7. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung (2) die Querschnittsfläche in nur einer in der Längsschnittebene enthaltenen Längendimension (4) reduziert.

8. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung (2) einen in der Hauptstromrichtung (3) über ei­ ne kurze Strecke (6) ausgedehnten Steg (5) mit dem wesentlichen der minimalen Querschnittsfläche (7) der Einschnürung (2) entlang dem Steg (5) aufweist.

9. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 8, bei dem die kurze Strecke (6) zwischen 0,5 mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm lang ist.

10. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung (2) die Querschnittsfläche senkrecht zur Haupt­ stromrichtung (3) um mindestens den Faktor 3, vorzugsweise den Faktor 4 oder 5 reduziert.

11. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Material des PTC-Polymerelements (1) ETTB ist.

12. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung (2) in der den jeweiligen Öffnungswinkel (α) enthaltenden Längsschnittebene beiderseits des minimalen Quer­ schnitts (7) im wesentlichen gerade Einschnürungsflanken (8) aufweist.

13. Elektrisches Bauelement nach den Ansprüchen 5 und 12, bei dem die parallelen Einschnürungen (2) in der Weise unmittelbar benachbart sind, daß sich zwischen ihnen in der Längsschnittfläche eine im we­ sentlichen rautenförmige Aussparung (9) ergibt.