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Schmelzelement für eine elektrische Schmelzsicherung
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Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schmelzsicherungen, insbesondere
auf deren Schmelzelement, welches besonders für den Schutz elektrischer Einrichtungen
geeignet ist, die nur niedrige Strombelastungen vertragen.
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Elektrische Schmelzsicherungen für niedrige Stromwerte sind bekannt
und werden für den Schutz elektrischer Einrichtungen in großem Umfang eingesetzt.
Schmelzsicherungen mit Nennstromwerten in der Größenordnung von 100 mA oder weniger
verwenden gewöhnlich ein Schmelzelement, das aus einem Silberdraht besteht, dessen
Durchmesser im Bereich von 10 ßm oder darunter liegt Silberdrähte von so kleinem
Durchmesser sind aber schwer herzustellen, und sie haben außerdem nur geringe mechanische
Festigkeit und vollständige Einheitlichkeit im Aufbau. Aus praktischer Sicht sind
Silberdrähte mit einem Durchmesser von weniger al-s 45 «m schwierig herzustellen.
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Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden und den Einsatz von Schmelzelementen
aus Silberdraht mit dem gewünschten geringen Durchmesser zu ermöglichen, wurde vorgeschlagen,
als Schmelzelement ein Monofilament aus einem Plastikmaterial wie Polyacrylnitril
zu verwenden und dessen Oberfläche entweder chemisch zu beschichten oder nach einer
chemischen Beschichtung zu Elektroplattieren, um das Monofilament zur Verwendung
als Schmelzelement elektrisch leitend zu machen. Einer der Nachteile dieses Schmelzelementes
ist der relativ niedrige Schmelzpunkt der Beschichtung auf dem Faden, der notwendigerweise
durch den Erweichungspunkt des beschichteten Polyacrylnitrilfadens festgelegt ist,
nämlich z. B. 125 OC oder niedriger.
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Bei einer anderen Art von Schmelzsicherung aus dem Stand der Technik
wird als Trägerelement ein Isolierstoff-Film aus einem hochmolekularem Plastikmaterial
verwendet, dessen Oberfläche mit einem geeigneten Metall beschichtet ist, um dadurch
ein Schmelzelement zu bekommen. Das Problem bei diesem Schmelzelement liegt darin
begründet, daß der hochmolekulare Plastikträger wärmeempfindlich ist und sich leicht
aufgrund der thermischen Ausdehnung bei erhöhtem Stromfluß defomiert. Außerdem kann
starker Stromfluß durch die Metallbeschichtung in dieser Risse hervorrufen, so daß
die Stromleitung bereits vorzeitig unterbrochen ist. Auch hat wiederholter Temperaturanstieg
und Temperaturabfall während des Stromflusses nachteilige Folgen auf die physikalischen
Eigenschaften des Plastikträgermaterials und könnte zu einer permanenten und irreversiblen
Deformation mit der Folge der Instabilität der Schmelzsicherung führen.
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Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige
Schmelz sicherung zum Schutz elektrischer Einrichtungen mit sehr niedriger Stromabschaltleistung
zu schaffen, die ein neuartiges Schmelzelement aufweisen soll, das ausgezeichnete
Eigenschaften und eine verbesserte Schmelzcharakteristik besitzt, wenn die Sicherung
zum Schutz von elektrischen Einrichtungen bei Stromabschaltwerten zwischen etwa
1 mA und 250 mA eingesetzt wird.
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Die Schmelzsicherung soll stabiler und dauerhafter als bisher bekannte
Sicherungen dieser Art sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe geht aus den Merkmalen des Hauptanspruches
hervor. Sie wird anhand der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen verdeutlicht.
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Mit der Erfindung wird eine Schmelzsicherung von üblicher Art und
Vielfalt geschaffen, die eine an beiden Enden mit einer Kappe verschlossene Hülse
aufweist, die als elektrische
Anschlüsse dienen, wobei das Schmelzelement
die Hülse zwischen den elektrischen Anschlüssen durchzieht. Das Schmelzelement selbst
besteht in neuartiger Weise aus einem Trägerelement in Gestalt eines Monofilamentes
aus Quarzglasfaser, dessen Außenfläche mit einer elektrisch leitenden Legierung
beschichtet ist, die aus Silber, Kupfer, Zinn und Antimon besteht.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im einzelnen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Schaubild, das die Schwankungen der Temperaturfefestigkeit
von Schmelz sicherungen bei Verwendung eines Schmelzelementes in erfindungsgemäßer
Gestaltung zeigt, wobei insbesondere die Vorteile beim Einsatz von Antimon in der
Beschichtungslegierung zum Ausdruck kommen; Fig. 2 zwei Schaubilder zum Vergleich
der Temperaturcharakteristik zweier Schmelz sicherungen, von denen eine nach den
erfindungsgemäßen Merkmalen und die andere gemäß Stand der Technik hergestellt sind;
und Fig. 3 ein Schaubild zum Vergleich der Schmelzcharakteristik eines Schmelzelementes
nach der Erfindung mit einer typischen Schmelzsicherung herkömmlicher Art.
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Das neuartige Schmelzelement kann in jeden herkömmlichen Schmelzsicherungskörper
eingebaut werden. Die Schmelzsicherung besteht wie üblich aus einem isolierenden
Röhrchen oder einer Hülse, die an beiden Enden durch eine Kappe mit elektrisch leitenden
Anschlüssen verschlossen ist. Das Schmelzelement erstreckt sich zwischen den beiden
Anschlußkappen, mit denen es durch Löten elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Besonderheit der Erfindung besteht im Aufbau des Schmelzelementes
selbst, das aus einem Trägerelement hergestellt ist,
welches ein
Monofilamentfaden aus Quarzglas ist, dessen Außenfläche mit einer gleichförmigen
Schicht aus einer Legierung beschichtet ist, die aus Silber (Ag), Kupfer (Cu), Zinn
(Sn) und Antimon (Sb) besteht, so daß auf diese Weise das elektrisch leitende Schmelzelement
entsteht.
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Die Zusammensetzung der Legierung kann innerhalb gewisser Grenzen
schwanken, wobei sie dennoch das gewünschte gute Ergebnis erbringt. Günstige Legierungszusammensetzungen
enthalten etwa 71 bis 73 Gew.-% Silber, 22 bis 24 Gew.-% Kupfer, 2 bis 4 Gew.-%
Zinn und etwa 1 bis 3 Gew.-% Antimon. Die genaue Zusammensetzung wird selbstverständlich
so gewählt, daß sich 100 Gew.-% Silberlegierung ergeben.
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Die Legierung aus Silber, Kupfer, Zinn und Antimon in der vorgenannten
Zusammensetzung ergibt eine ausgezeichnete Beschichtung für das Monofilament mit
guter elektrischer Leitfähigkeit und sonstigen angestrebten Eigenschaften. Ein wesentliches
Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung von Antimon in der Beschichtungslegierung.
Der Vorteil des Gehalts an Antimon wird aus der nachfolgenden Beschreibung anhand
der Schaubilder deutlich.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Schmelzelementes ist seine thermische
Stabilität, die den wiederholten Einsatz der Sicherung über viele Jahre hinweg ermöglicht.
Dies liegt darin begründet, daß die Legierungsbeschichtung einen sehr hohen Schmelzpunkt
(872 0c) und eine sehr hohe Rekristallisationstemperatur (245 °C) aufweist. Diese
Temperaturwerte liegen erheblich höher als Schmelzpunkt und Rekristallisationstemperatur
von niedrig schmelzenden Metallen, die üblicherweise um 150 OC bzw. 20 OC oder darunter
liegen. Bei den üblichen Metallen also führt die niedrige Rekristallisationstemperatur
zu den störenden Rekristallisationseffekten bereits bei Umgebungstemperaturen, so
daß dadurch die physikalischen Eigenschaften der Beschichtung nachteilig beeinflusst
werden, was zu unerwünschten Veränderungen der Schmelzcharakteristik des
Schmelzelementes
führt.
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Da die Umgebungstemperatur mehr oder weniger die physikalischen Eigenschaften
des bei der Herstellung des Schmelzelementes verwendeten Metalls beeinflusst, ist
es vorzuziehen, für diesen Zweck Metalle zu verwenden, die durch die Umgebungstemperatur
nur wenig beeinflusst werden und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Ein Metall
mit höherem Schmelzpunkt hat stabilere Eigenschaften bei seinem Einsatz in einer
Sicherung, denn grob gesagt, haben derartige Metalle entsprechend dem hochliegenden
Schmelzpunkt auch höher liegende Kristallisationstemperaturen, bei denen sich die
physikalischen Eigenschaften des Metalls zu vermindern beginnen, welche dann bei
hoch liegenden Schmelzpunkten auch weit genug über der Umgebungstemperatur liegen.
Es hat sich gezeigt, daß Silber und Silberlegierungen bevorzugte Meta-le für die
Herstellung von Schmelzelementen sind, da sie einen hohen Schmelzpunkt haben und
durch Umgebungsbedingungen nicht wesentlich beeinflusst werden. Sie haben darüber
hinaus noch andere bekannte ausgezeichnete Eigenschaften.
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Das erfindungsgemäße Schmelzelement mit seiner neuartigen Legierungsbeschichtung
sowie hohem Schmelzpunkt und hoher Rekristallisationstemperatur ist stabiler und
zeigt keine nachteiligen Beeinflussungen seiner physikalischen Eigenschaften auch
bei Temperaturen, die beträchtlich über der üblichen Umgebungstemperatur liegen,
und dies auch während längerer Gebrauchszeit. Ein weiterer Vorteil ist seine erhöhte
Stabilität bei Kurzzeitgebrauch, was aus dem Zusatz von etwa 2 Gew.-% Antimon zur
Silberlegierung resultiers Ein zusätzlicher Vorteil ist in der Verwendung eines
Quarzglasfaser-Monofilamentes als Träger für die Legierungsbeschichtung begründet.
Quarzglasfasern besitzen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmefluß und
ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber wiederholten Temperaturanstiegen
auf
1000 OC, was höher als der Schmelzpunkt der Silberlegierungsbeschichtung ist. Quarzglas
ist sogar gegenüber mehrfachen aufeinanderfolgenden Belastungen von Temperaturen
bis 1000 OC beständig und hält eine vergleichbar hohe Viskosität von 4,5 x 107 Poise
sogar bei einer Temperatur von 1500 °C. Dadurch wird im Gegensatz zu metallbeschichteten
hochmolekularen Plastikträgerelementen, deren Schmelzpunkt gewöhnlich niedriger
als der Schmelzpunkt der Metallbeschichtung ist, beim Schmelzelement nach der Erfindung
der Schmelzpunkt der Silberlegierung durch den Schmelzpunkt des Trägerelementes
nicht beeinflusst.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Schmelzelementes
liegt in der Genauigkeit und der stark verhesserten Schmelzcharakteristik begründet,
was die folgende Tabelle zeigt, die die Wärmeausdehnung von Quarzglasfasern bei
verschiedenen Temperaturspannen zeigt.
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7j Temperatur spanne Wärmeausdehnungskoeffizient x 10 OC ob -1 0
- 30 4,2 30 - 100 5,3 100 - 500 5,8 500 - 900 5,0 Der kleine Wärmeausdehnungskoeffizient
bei einer Quarzglasfaser steht im Gegensatz zu den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Plastikmaterial (5 - 2 x 10-5 °C -1) und Metall ( 4 - 60 x 10 6 OC 1). So ruft
der sogenannte Joul'sche Erwärmungseffekt weniger thermische Probleme in der Quarzglasfaser
als in Plastik oder Metall hervor.
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Die Vorteile der Erfindung werden nachfolgend weiter anhand der Schaubilder
der Figuren 1 bis 3 erläutert.
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In Fig. 1 ist der Grad der Veränderungen des Widerstandes bei Temperaturveränderung
in Prozent, bezogen auf Umgebungstemperatur, aufgetragen. Die Kurven 1 bis 5 geben
die relative Widerstandsveränderung äußerlich identischer Schmelzelemente mit steigender
Temperatur wieder, wobei lediglich bei den einzelnen Beispielen die in der Silberlegierungsbeschichtung
enthaltene Antimonmenge unterschiedlich ist. Die Antimonmenge in den Silberlegierungen
der einzelnen Beschichtungen gemäß den Kurven 1 bis 5 beträgt 1, 2, 3, 5 und 0 Gew.-%.
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Die Kurven 1, 2 und 3 in Fig. 1 zeigen geringe temperaturabhängige
Schwankungen, somit größere Stabilität als die Kurven 4 und 5 r was zum Ausdruck
bringt, daß die Eigenschaften des Schmelzelementes am besten bei einem Antimonzusatz
zur Silberlegierungsbeschichtung zwischen 1 und etwa 3 Gew.-% sind. Innerhalb dieser
Spanne bleibt der temperaturabhängige Widerstandskoeffizient bis zu Temperaturen
von 150 °C in einem sehr engen Bereich. Höhere Zusätze von Antimon führen zu stärkeren
Widerstands schwankungen in Abhängigkeit von der Temperatur. Darüber hinaus ist
zu erkennen, daß bei Fehlen von Antimon die temperaturabhängigen Widerstands schwankungen
und folglich die Instabilität noch größer sind, was die wesentliche Bedeutung des
Antimonzusatzes innerhalb der günstigen Grenzen zur Silberlegierungsbeschichtung
zum Ausdruck bringt.
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Die Fig. 2 zeigt die Veränderung des Nennstromwertes gegenüber der
Umgebungstemperatur, wobei die mit 6 bezeichnete Fläche für ein Schmelzelement herkömmlicher
Art mit einem Plastikmaterialträger, welcher mit Metall beschichtet ist, steht,
und die Fläche 7 die Temperaturabhängigkeit eines Schmelzelementes verdeutlicht,
das nach den erfindungsgemäßen Merkmalen hergestellt ist, d. h. bei dem ein Quarzglas-Monofilament
mit der Silberlegierung beschichtet ist.
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Ein Nennstromwert von 63 mA wurde bei Einsatz eines Schmelzelementes
mit einer Silberlegierungsbeschichtung
erzielt, deren Dicke 1 wm
auf einem Quarzglasträger mit einem Durchmesser von 80 ßm betrugt. Wie die Fig.
2 zeigt, kann die Veränderung des Nennstromwertes bei 150 °C Umgebungstemperatur
bei einer Sicherung mit herkömmlichem Aufbau bis zu 70 % betragen, während die Veränderung
bei einem erfindungsgemäßen Schmelzelement nur etwa 5 % beträgt.
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Die Fig. 3 zeigt schließlich die auf den Nennstrom bezogene prozentuale
Strombelastbarkeit gegenüber der Stromdauer.
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Sie gibt ein Bild von der Schnelligkeit der Sicherung. Die Kurven
8, 8' umrahmen den Bereich der Schmelzcharakteristik von Sicherungen mit herkömmlichem
Aufbau (entsprechend dem Bereich 6 in der Fig 2), während die Kurven 9, 9' den Schmelzbereich
für ein Schmelzelement mit erfindungsgemäßen Merkmalen umrahmen (entsprechend 7
in Fig. 2). Ein Vergleich der beiden Bereiche verdeutlicht, daß das erfindungsgemäße
Schmelzelement geringere Streuung aufweist als solche herkömmlicher Art.
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Aus der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung wird deutlich,
daß das neuartige Schmelzelement in gewöhnlichen Schmelz sicherungen eingesetzt
werden kann und diese dadurch ausgezeichnetes Temperaturverhalten, höhere thermische
Stabilität und Lebensdauer über lange Gebrauchs zeiten sowie wesentlich verbesserte
Schmelzsicherungseigenschaften erhalten.
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Es wird also zusammenfassend ein Schmelzelement für Schmelzsicherungen
zum Schutz elektrischer Einrichtungen für niedrige Nennstromwerte geschaffen, das
ein Quarzglas-Monofilament enthält, welches mit einer aus Silber, Kupfer, Zinn und
Antimon bestehenden Legierung beschichtet ist.
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