DE19837337A1 - Sicherungseinsatz mit exothermer Reaktion - Google Patents

Abstract

Ein Sicherungseinsatz hat wenigstens einen Schmelzleiter (1), der an mindestens einer Stelle elektrisch und mechanisch mit einem anderen Material verbunden ist. DOLLAR A Damit unerwünschte Verzögerungen für das Abschalten nicht auftreten und gegebenenfalls der Abschaltprozeß sogar beschleunigt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das mit dem Schmelzleitermaterial verbundene andere Material eine in einer exothermen Reaktion bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Schmelzleitermaterials reagierende Zusammensetzung (2) ist, deren exotherme Reaktion bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes zugeführter Energie eingeleitet wird und so viel Wärmeenergie freisetzt, daß das Schmelzleitermaterial schmilzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherungseinsatz mit wenigstens einem Schmelzleiter, der an mindestens einer Stelle elektrisch und mechanisch mit einem anderen Material verbunden ist.

Es ist in der Literatur bekannt, daß man die Verlustleistung eines Sicherungseinsatzes kleiner machen kann, wenn bei Überlastströmen eine kleinere Temperatur zum Abschmelzen genügt. Hierzu wird das Schmelzleitermaterial an mindestens einer Stelle durch ein Weichlot ersetzt, oder eine Stelle des Schmelzleiters wird mit einer kleinen Menge des Lotes auf der Oberfläche des Schmelzleiters, zum Beispiel in Form einer Pille, verbunden.

Die bisher verwendeten Weichlote oder anderen Stoffe reagieren endotherm. So werden zum Beispiel Silberschmelzleiter mit einem solchen Lot beschichtet und erhalten eine träge Charakteristik, so daß solche Sicherungen im Überlastbereich gut abschalten.

Allgemein bedeutet ein Endothermeffekt, daß zunächst das Lot erwärmt werden muß, um die Temperatur zu erhöhen, und auch für den Schmelzvorgang ist eine zusätzliche Wärmeenergie erforderlich. Dabei ist außerdem die Wärmekapazität eines solchen Lotes zu berücksichtigen. Diese Wärmeenergie wird dem Schmelzleiter entzogen, bevor der gewünschte Schmelzvorgang beginnen kann, und man muß hier nach Anwendungsfall berücksichtigen, daß diese Energie zum Erwärmen und Schmelzen des Lotes aus dem betreffenden Stromkreis aufgebracht werden muß. Hier kann es zu verzögerten Abschaltungen kommen, die unter Umständen nicht erwünscht sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sicherungseinsatz der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die unerwünschten Verzögerungen für das Abschalten nicht auftreten, bei welchem der Abschaltprozeß dagegen sogar beschleunigt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das mit dem Schmelzleitermate­ rial verbundene andere Material eine in einer exothermen Reaktion bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Schmelzleitermaterials reagierende Zusammensetzung ist, deren exotherme Reaktion bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes zugeführter Energie eingeleitet wird und so viel Wärmeenergie freisetzt, daß das Schmelzleitermaterial schmilzt. Anstelle des bisher verwendeten Lotes, zum Beispiel des vorstehend beschriebenen Weichlotes, schlägt die Erfindung die Verwendung einer Zusammensetzung vor, die in einer exothermen Reaktion reagiert. Man kann einen mit einer solchen Zusammensetzung versehenen Sicherungseinsatz als einen Sicherungseinsatz auffassen, dessen Schmelzleiter mit einer Art exothermes Reaktionsmittel versehen ist, durch dessen exotherme Reaktion eine zusätzliche Wärme freigesetzt wird. Dadurch wird mit Vorteil der Ausschaltprozeß des neuen Sicherungseinsatzes wesentlich beschleunigt. Voraussetzung ist dabei, daß eine Energie zugeführt wird, bis ein bestimmter Grenzwert derselben überschritten ist, denn dann wird die exotherme Reaktion eingeleitet, und die Reaktion ist dann selbstunterhaltend. Die Be­ schleunigung des Ausschaltprozesses des neuen Sicherungseinsatzes wird begünstigt, weil die in Rede stehende neue Zusammensetzung bei einer Temperatur reagiert, die unterhalb des Schmelzpunktes des Schmelzleitermaterials liegt. Während bei den bisher verwendeten Loten eine endotherme Reaktion stattfand und die bekannten Lote Wärme absorbierten, so daß der Schaltvorgang verzögert wurde, wird durch die Maßnahmen der Erfindung der Schaltvorgang des neuen Sicherungseinsatzes beschleunigt, denn die neue Zusammensetzung reagiert in einer exothermen Reaktion und setzt ausreichend viel Wärmeenergie frei.

Betrachtet man die Schmelzzeitstromkennlinie des neuen Sicherungseinsatzes, dann erkennt man die Möglichkeit, den linken oberen Ast dieser Kennlinie zu kleineren Stromwerten hin auszudehnen. Das bedeutet, daß man die Kennlinie ohne die neue Zusammensetzung, die bei einem bestimmten Stromwert asymptotisch ein Abschalten unter diesem Stromwert verhindert, so zu kleineren Schmelzstromwerten hin ausdehnen kann, daß der Sicherungsein­ satz durch die neue zusätzliche Wärmequelle auch schon bei einem kleineren Schmelzstrom schaltet. Mit anderen Worten läßt sich der senkrechte Asymptotenast der Schmelzzeit­ stromkennlinie zu kleineren Schmelzstromwerten hin verschieben. Damit läßt sich der Schaltstrom praktisch beliebig wählen. Der neue Sicherungseinsatz erlaubt damit ein Auslösen des Abschaltvorganges unabhängig von dem tatsächlichen Laststrom.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die der Zusammensetzung zugeführte Energie Wärmeenergie, so daß bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur der Zusammensetzung die exotherme Reaktion eingeleitet wird. Die exotherme Reaktion der Zusammensetzung beginnt also in dem Augenblick, wenn ein vorbestimmter Grenzwert der zugeführten Wärmeenergie überschritten ist. Das macht sich im Erreichen einer Grenztempera­ tur der Zusammensetzung bemerkbar. Wird letztere überschritten, wird die exotherme Reaktion eingeleitet. Damit erhält man ein passives Sicherungssystem, bei welchem der Abschaltprozeß beschleunigt wird. Sicherungseinsätze mit dem früher verwendeten Weichlot bedingten häufig eine Verzögerung des Abschaltvorganges. Diese bedingt mit Nachteil einen erhöhten Leistungsumsatz. Die Abschaltung ist nämlich umso kritischer, je mehr Wärme bis zum Abschalten in dem Sicherungseinsatz umgesetzt wird, d. h. je höher seine Temperatur wird. Erfindungsgemäß wird nun der Abschaltvorgang beschleunigt mit der vorteilhaften Folge, daß weniger Wärme durch die Schaltung erzeugt wird.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn erfindungsgemäß die der Zusammensetzung zugeführte Energie ein externes elektrisches, magnetisches oder elektromagnetisches Signal ist. Ein solches Signal kann zum Beispiel ein Funke, hochfrequentes Licht, ein angelegter Spannungsimpuls, eine Strahlung oder eine hochfrequente Energie sein. Durch dieses externe Signal, dessen Energie verhältnismäßig gering sein kann, wird die exotherme Reaktion in der Zusammensetzung ausgelöst, und der Schaltvorgang wird eingeleitet. Diese Steuerung ist unabhängig vom Betriebszustand der Sicherung und damit unabhängig von der Temperatur und dem Strom. Auf diese Art kann man einen aktiven Sicherungseinsatz schaffen, der von außen her abgeschaltet werden kann.

Mit einem derart ausgestalteten Schmelzleiter kann erfindungsgemäß ein "intelligenter" Sicherungseinsatz geschaffen werden. Auslösekriterium für den neuen Sicherungseinsatz könnte ein festgestellter Fehler in einer Schaltung sein, zum Beispiel ein Isolationsfehler, eine defekte Klemme oder auch ein unzulässiger Betriebszustand, der über andere Sensoren festgestellt wird. Stellen solche Sensoren zwischen dem Betriebsstrom eines bestimmten Bauteiles und seiner Betriebstemperatur zum Beispiel eine unerwünschte Diskrepanz fest, kann das erwähnte Signal erzeugt werden und den Sicherungseinsatz abschalten, obwohl der festgestellte Fehler von dem Laststrom des Sicherungseinsatzes oder der betreffenden Schaltung unabhängig ist.

Es können dann Sicherungseinsätze gebaut werden, bei denen die Vorzüge der Schmelzsiche­ rung voll aufrechterhalten bleiben, so daß der Sicherungseinsatz beispielsweise bei einem Kurzschlußstom, welcher den Schmelzstrom des Schmelzleiters überschreitet, zuverlässig abschaltet. Diese Vorzüge einer Schmelzsicherung bleiben unabhängig davon erhalten, ob der erfindungsgemäße Sicherungseinsatz als aktives Element von außen ein Signal der genannten Art bekommt oder nicht. Solche Sicherungen kann man als Back-Up-Schutz verwenden, weil im Überlastfalle oder auch bei Auftreten eines anderen Fehlers der neue Sicherungseinsatz sehr schnell infolge der zur Verfügung stehenden Zusatzenergien abschalten kann.

Wenn eine Sicherung schnell abschalten soll, muß sie nahe an der Schmelzzeitstromkennlinie betrieben werden. Je dichter man aber an der Kennlinie liegt, umso höher ist zwangsläufig die Erwärmung der Sicherung. Dadurch aber, daß erfindungsgemäß auch kleinere Energien, zum Beispiel kleinere Ströme über ein externes Signal infolge der zusätzlichen exothermen Energie zum Abschalten führen, braucht der neue Sicherungseinsatz nicht so nahe an der Schmelzzeit­ stromkennlinie betrieben zu werden, um die gewünschte schnelle Abschaltung zu haben. Man kann damit eine schnelle und einfache Teilbereichssicherung oder Kurzschlußsicherung schaffen.

Der erfindungsgemäße Sicherungseinsatz als aktives Schaltelement läßt sich besonders vorteilhaft bei einem batteriegespeisten Kreis verwenden. Wenn zum Beispiel die Umgebung, eine Schaltung und ihre Batterie sehr kalt sind und eventuell dazu die Batterie nur teilweise geladen ist, dann ist der Kurzschlußstrom oder ein Fehlerstrom sehr klein und häufig nicht größer als ein normaler Laststrom. Ein Fehlerstrom wäre dann gegebenenfalls nicht ausreichend, um einen Sicherungseinsatz normaler Art zu schalten. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Maßnahmen mit der erwähnten Zusammensetzung, die in einer exothermen Reaktion reagiert, reicht nun mit Vorteil ein externes Erkennungssystem und Erzeugung eines Fehlersignals aus, welches den erfindungsgemäßen Sicherungseinsatz von außen abschaltet. Während eine herkömmliche Sicherung einen zu geringen Strom oder einen Fehlerstrom nicht erkennen und daher nicht abschalten kann, wenn er kleiner als der Nennstrom oder ein entsprechender Laststrom, ein Betriebsstrom, der normalen Sicherung ist, ist erfindungsgemäß der Sicherungseinsatz sozusagen intelligent, weil er durch das elektronische Signal eine Abschaltung hervorruft.

Durch an sich bekannte Erkennungsmerkmale, zum Beispiel eine Erdstoßüberwachung, eine Isolationsüberwachung, eine Temperaturüberwachung oder eine Kombination von Strom und Temperatur kann eine logische Schaltung einen Fehler erkennen und den neuen Sicherungsein­ satz zum Ausschalten bringen. Dies kann herkömmlich nur durch sehr aufwendige und teure Leistungsschalter erreicht werden, ein Aufwand, der erfindungsgemäß nicht erforderlich ist.

Günstig ist es, wenn erfindungsgemäß die Zusammensetzung in sich selbst reagiert. Es werden dann für die Zusammensetzung Stoffe eingesetzt, welche durch Zufuhr geringer externer Energie eine extotherme Reaktion beginnen und unabhängig von ihrer Umgebung die erforderliche Wärmeenergie freisetzen.

Alternativ kann man aber auch eine andere Zusammensetzung schaffen, die erfindungsgemäß mit ihrer Umgebung reagiert. Die Zusammensetzung kann dann neben Stoffen angebracht werden, die nach Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge von außen die exotherme Reaktion beginnen und die erforderliche Wärmeenergie freisetzen.

Zweckmäßig ist erfindungsgemäß die Verwendung von intermetallischen Zusammensetzungen, vorzugsweise für Zusammensetzungen, die in sich selbst reagieren. Als solche intermetallische Zusammensetzungen können folgende Systeme eingesetzt werden:

Ni-Al-System (u. a. Ni₃Al),
Ti-Al-System (u. A. TiAl₂),
Ti-Ni-System,
Mo-Si-Al-System (u. a. MoSi₂),
Ti-C-System, Si-C-System,
Ti-B-System.

Manche dieser Systeme, reagieren in einer exothermen Reaktion bevorzugt in Gasumgebung.

Günstig ist es erfindungsgemäß auch, wenn man als Werkstoff für die Zusammensetzung oxidierbare Stoffe verwendet, die in einer sauerstoffhaltigen Umgebung reagieren. Für solche Zusammensetzungen kann man folgende Stoffe verwenden:

Se-Mischmetall,
Lanthan,
Neodym
Magnesium,
Präsodym,
Aluminium,
Cer.

Solche Materialien und auch die intermetallischen Systeme für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind zwar an sich zum Zünden von Sprengladungen und zum Schweißen und Löten an sich bekannt. Der Einsatz dieser Systeme mit dem Schmelzleiter eines Sicherungseinsatzes bringt aber unerwartete und die oben erwähnten überraschenden Vorteile. Mit diesen Stoffen kann man zum Beispiel zwischen Nickel und Aluminium eine exotherme Reaktion einleiten, die im Sekundenbereich abläuft und dabei so hohe Energien freisetzt, daß eine Engstelle in einem Schmelzleiterbereich schmilzt oder gar ein ganzer Schmelzleiter zum Schmelzen gebracht wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung in Form einer Niet oder Strombrücke in dem Schmelzleiter angebracht ist oder in Form einer Pille, eines Streifens oder einer Folie an dem Schmelzleiter angebracht ist. Die in dieser Form an dem Schmelzleiter befindliche Zusammensetzung erzeugt die gewünschte Wärmeenergie und ruft das Schmelzen des Schmelzleitermateriales hervor.

Als Werkstoffe für die neue Zusammensetzung eignen sich Seltene Erdmetalle, auch Seltenerd- Mischmetalle, die relativ preiswert sind. Man kann zum Beispiel auch Gemische aus Aluminium und Eisenoxid einsetzen. Sehr hohe Energien werden auch durch exotherme Reaktionen bei der Oxidation von Eisen, Magnesium oder Aluminium erzeugt. Erfindungsgemäß läßt man die Reaktionen im Millisekunden- bis zum Sekundenbereich ablaufen, damit eine Explosion vermieden wird, und trotzdem für die Beseitigung des Schmelzleiters gesorgt ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Bei diesen zeigen:

Fig. 1 eine Schmelzzeitstromkennlinie mit Darstellung der Verschiebemöglichkeit der senkrechten Asymptote zu kleineren oder größeren Schmelzströmen hin,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Schmelzleiters mit angebrachter Zusammensetzung in Form einer Strombrücke,

Fig. 3 die Anbringung einer Zusammensetzung an einem Schmelzleiter in Form einer Pille,

Fig. 4 die Anbringung einer Zusammensetzung am Schmelzleiter in Form einer Niet und

Fig. 5 die Anbringung einer Zusammensetzung am Schmelzleiter in Form eines Streifens.

Mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung kann man durch die Auswahl der Stoffe, die Geometrie der Engstellen und der Zusammensetzung, die Wahl des Schmelzleitermaterials und dessen Geometrie usw. die in Fig. 1 dargestellte Schmelzzeitstromkennlinie beeinflussen. Über dem Schmelzstrom I ist die Zeit bis zum Schmelzen aufgetragen. Rechts von dem Knickpunkt 1 liegt der Bereich der adiabatischen Grenzlinie, bei welcher die gesamte Energie im Schmelzleiter gespeichert wird und keine Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt. Je größer der Schmelzstrom wird, umso kürzer wird folglich die Schmelzzeit.

Links von dem Knickpunkt 1 bzw. über diesem erkennt man die vertikale Asymptote, d. h. für den in Fig. 1 gezeigten Sicherungseinsatz denjenigen kleinsten Schmelzstrom, bei welchem diese Schmelzzeitstromkurve in den asymptotischen Wert übergeht. Bei diesem Wert wird die im Schmelzleiter erzeugte Wärme unter Stabilisierung des Systemes nach außen abgegeben. Unterhalb dieses Schmelzstromes schaltet der Sicherungseinsatz den Strom nicht mehr ab.

Setzt man jetzt die Zusammensetzung nach der Erfindung ein und stattet den neuen Sicherungseinsatz mit dem veränderten Schmelzleiter aus, dann kann dieser vertikal dargestellte Asymptotenwert in Richtung des Doppelpfeiles 2 nach links oder rechts verschoben werden, je nachdem welchen Stoff man für die Zusammensetzung verwendet. Bei Verwendung der bekannten Weichlote der eingangs beschriebenen Art wird ein Teil der Wärme abgeführt, der Schmelzleiter wird intensiver gekühlt. Dadurch wird das thermische Gleichgewicht, bei welchem die vorstehend erwähnte Stabilisierung erfolgt (erzeugte Wärme = abgegebene Wärme) zu größeren Strömen hin nach rechts in Richtung des Doppelpfeils 2 verschoben.

Wird hingegen die Zusammensetzung gemäß der Erfindung als eine Art exothermes Reaktionsmittel eingesetzt, dann verschiebt sich der senkrechte Ast der Schmelzzeit­ stromkennlinie nach links zu kleineren Strömen hin. Der Sicherungseinsatz schaltet den Strom dann auch bei kleineren Strömen ab, d. h. unabhängig vom tatsächlichen Laststrom der Schaltung. Den Schaltstrom kann man durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Zusammen­ setzung und die dadurch zusätzlich freigesetzte Wärmeenergie in weitem Umfang beliebig wählen. Man braucht von außen nur Wärme zuzuführen im Falle der passiven Sicherung oder ein energieschwaches Signal von außen zur Auslösung der exothermen Reaktion in der Zusammensetzung aktivieren, und schon wird Wärme freigesetzt und der Sicherungseinsatz geschaltet.

Durch die der Zusammensetzung sozusagen von außen zugeführte Wärme verschiebt sich der über dem Knickpunkt 1 in Fig. 1 liegende senkrechte Ast der Schmelzzeitstromkennlinie in Richtung des Doppelpfeiles 2 nach links, umgekehrt bei Verwendung einer endothermen Reaktion und damit einer Wärmeabfuhr: zu größeren Strömen nach rechts in Richtung des Doppelpfeiles 2 hin.

In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils oben eine Seiten- bzw. Querschnittsansicht und unten eine Draufsicht auf den betreffenden Schmelzleiter gezeigt. In Fig. 5 sind die Verhältnisse umgekehrt.

Bei allen Fig. 2 bis 5 sind der Schmelzleiter mit 1 und die Zusammensetzung mit 2 bezeichnet.

Man erkennt, daß in Fig. 2 die Zusammensetzung 2 in Form einer Strombrücke in dem Schmelzleiter 1 mechanisch und elektrisch verbunden angebracht ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 liegt die Zusammensetzung 2 in Form einer Pille in einer Vertiefung in dem Schmelzleiter 1, der hier also nicht unterbrochen ist, sondern durchgehend ausgestaltet ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 4 wurde in den Schmelzleiter 1 ein Loch gebohrt, in welchem die Zusammensetzung 2 in Form einer Niet so eingesetzt ist, daß ein Teil des Materiales der Zusammensetzung 2 über die Oberfläche und auch über die untere Fläche hinausragt.

Eine weitere andere Ausführungsform der Gestaltung ist in Fig. 5 gezeigt. Man erkennt den Schmelzleiter 1 mit seinen Engstellen 3. Zwischen zwei Engstellen ist der Schmelzleiter 1 abgekröpft, und das Material der Zusammensetzung 2 ist dort in Form eines Streifens angebracht.

Claims (10)

1. Sicherungseinsatz mit wenigstens einem Schmelzleiter (1), der an mindestens einer Stelle elektrisch und mechanisch mit einem anderen Material verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Schmelzleitermaterial verbundene andere Material eine in einer exothermen Reaktion bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Schmelzleitermaterials reagierende Zusammensetzung (2) ist, deren exotherme Reaktion bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes zugeführter Energie eingeleitet wird und so viel Wärmeenergie freisetzt, daß das Schmelzleitermaterial schmilzt.

2. Sicherungseinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zusammen­ setzung (2) zugeführte Energie Wärmeenergie ist, so daß bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur der Zusammensetzung (2) die exotherme Reaktion eingeleitet wird.

3. Sicherungseinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zusammen­ setzung (2) zugeführte Energie ein externes elektrisches, magnetisches oder elek­ tromagnetisches Signal ist.

4. Sicherungseinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung (2) in sich selbst reagiert.

5. Sicherungseinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung (2) mit ihrer Umgebung reagiert.

6. Sicherungseinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man intermetallische Zusammensetzungen (2) verwendet.

7. Sicherungseinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Werkstoff für die Zusammensetzung (2) oxidierbare Stoffe verwendet, die in einer sauerstoffhaltigen Umgebung reagieren.

8. Sicherungseinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierbaren Stoffe Seltene Erdmetalle sind.

9. Sicherungseinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung (2) in Form einer Niet oder Strombrücke in dem Schmelzleiter (1) angebracht ist oder in Form einer Pille, eines Streifens oder einer Folie an dem Schmelzleiter (1) angebracht ist.

10. Verwendung der Zusammensetzung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Erzeugung eines aktiven Sicherungsschaltelementes.