DE3504209C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kleinschmelzsicherung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche ist aus der US-PS 19 72 357 bekannt. Dort ist nämlich eine Überstrom-Schutzvorrichtung beschrieben, bei der ein Schmelzelement mit einem Abschnitt eines dünneren Durchmessers zwischen einer Kappe und einer Schraube im Bereich zwischen einem isolierenden Element und einem Rohr 10 gespannt ist. Das isolierende Element und das Rohr 12 sind dabei zueinander koaxial angeordnet. Diese bekannte Überstrom-Schutzvorrichtung besitzt Belüftungs­ öffnungen, die eine Zerstörung verhindern sollen, wenn ein übermäßiger Druck innerhalb des Rohres auftritt.

Die Gehäuse von bisherigen Sicherungen dieser Art sind mit einem Lichtbogenlöschmaterial gefüllt. Wenn ein Überstrom aufgrund eines Kurzschlusses den Schmelzleiter zum Schmelzen bringt und einen (elektrischen) Lichtbogen erzeugt, bewirkt das Lichtbogenlöschmaterial ein schnelles Kühlen des Schmelzleiters und ein Löschen des Lichtbogens und letztlich eine endgültige Stromunterbrechung. Diese bisherigen Sicherungen sind jedoch mit den im folgen­ den geschilderten Mängeln behaftet. Ein solcher Man­ gel ist ein unerwarteter Durchbruch des Schmelzlei­ ters, der im allgemeinen bei Änderungen der Strombe­ lastung einer wiederholten thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung unterworfen ist. Da die beiden Enden des Schmelzleiters mittels Lot an als Elektroden dienenden Anschlüssen befestigt sind, ruft eine sol­ che thermische Wechselbeanspruchung entsprechende Beanspruchungen im Innengefüge des Schmelzleiters hervor. Derartige Beanspruchungen sind, unabhängig davon, ob im Gehäuse ein Lichtbogenlöschmaterial enthalten ist oder nicht, bei allen Schmelzsicherun­ gen unvermeidbar. Die Beanspruchung wird aber durch den Einfluß des den Schmelzleiter eng umschließenden Lichtbogenlöschmaterials erheblich verstärkt, weil dieses Material den Schmelzleiter an einer freien Bewegung hindert und sich dieser somit nicht an die thermischen Wechselbeanspruchungen anpassen kann. Dabei können sich die im Schmelzleiter erzeugten thermischen Beanspruchungen so summieren, daß im Kristallgefüge des Schmelzleiters, als Folge einer Elastizitätsermüdung, Risse auftreten. Dies hat in manchen Fällen einen unerwarteten Durchbruch des Schmelzleiters zur Folge.

Neben diesem Mangel üben Lichtbogenlöschmaterialien die folgenden ungünstigen Einflüsse auf die Leistung oder die Arbeitsweise einer Schmelzsicherung aus:

• 1. Die Oberfläche eines Schmelzleiters kann durch die ständige Berührung mit dem Lichtbogenlösch­ material beschädigt werden. Dies kann manchmal zu einer Änderung der Stromnennleistung der Schmelzsicherung führen.
• 2. Da die Lichtbogenlöschmaterialien in körniger oder pulverartiger Form vorliegen, können sie sich während einer thermischen Wechselbeanspruchung eines Schmelzleiters im Gehäuse bewegen oder ver­ lagern. Infolgedessen können sich Berührungsfläche und Volumen des mit dem Schmelzleiter in Berührung stehenden Lichtbogenlöschmaterials im Laufe der Zeit ändern, was zu einer Instabilität der Betriebseigenschaften der Schmelz­ sicherung führt.
• 3. Löschmaterialien können unter bestimmten Bedingungen einer Lichtbogenlöschung eher entgegenwirken, wenn nämlich der Überstrom unter einer bestimmten Grenze liegt und damit ein "Isolierabstand", d. h. zwischen den Spitzen eines durchgeschmolzenen Schmelzleiters ein Spalt oder Zwischenraum, der weit genug ist, um das Auftreten eines Lichtbogens zu unterbinden, nicht in kurzer Zeit erreicht werden kann. Unter diesen Bedingungen werden beim Durchschmelzen des Schmelzleiters erzeugte Metalldämpfe vom Lösch­ material aufgefangen, um unter Lichtbogenerzeugung in die Nähe des Schmelzleiters zu strömen. Dies hat eine ständige Lichtbogenerzeugung nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters zur Folge. Eine solche längere Lichtbogendauer kann zudem das Löschmaterial in einen halbgeschmolzenen Zu­ stand versetzen, was zu einer Verschlechterung der Isoliereigenschaften des Löschmaterials und häufig zu einem Versagen der Überstromunter­ brechung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäß elektrische Kleinschmelzsicherung derart weiterzuentwickeln, daß ihre Bogen­ löschleistung über einen weiten Bereich von Kurz­ schlußströmen sicher aufrechterhalten und ein Überstrom ohne jedes Lichtbogen-Löschmaterial voll­ ständig unterbrochen wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Pa­ tentanspruch 1 gelöst.

Aufgrund des speziellen, vereinfachten Innen­ aufbaus der Kleinschmelzsicherung (Schmelzsicherung) können die beim Durch­ schmelzen des drahtförmigen Schmelzleiters erzeugten Metalldämpfe eher in Richtung auf den weitesten Bereich des Innenraums entweichen, als sich in Richtung auf die Anschlüsse verbreiten. Mit der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann mit­ hin ein Lichtbogen wesentlich stabiler bzw. sicherer als bei den bisherigen Schmelzsicherungen gelöscht werden, auch wenn erstere kein Lichtbogen-Lösch­ material enthält. Die erfindungsgemäße Schmelz­ sicherung ist demzufolge frei von allen Mängeln, mit denen die bisherigen Schmelzsicherungen behaftet sind. Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung kann somit aufgrund ihres sehr stark vereinfachten Aufbaus ihre Lichtbogen-Löschleistung in einem weiten Be­ reich von Kurzschlußströmen sicher aufrechterhal­ ten und einen Überstrom ohne die Verwendung eines Löschmaterials vollständig unterbrechen. Die erfin­ dungsgemäße Schmelzsicherung gewährleistet somit sehr stabile bzw. sichere Betriebs- und Strom- Unterbrechungseigenschaften.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Kleinschmelzsicherung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schmelzsicherung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene, der Fig. 2 ähnelnde Darstellung zur Ver­ anschaulichung der Strömung von in Metall­ dampf enthaltenen Metallteilchen.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht ein rohrförmiges Ge­ häuse 1 aus einem Isoliermaterial, und es ist an seinen beiden Enden mit zwei als Elektroden dienen­ den Klemmen oder Anschlüssen 5 überkappt. Im Gehäuse 1 ist ein aus Isoliermaterial hergestellter zylindri­ scher Körper oder Zylinder 2 so angeordnet, daß er nicht koaxial (sondern exzentrisch) zum Gehäuse 1 liegt. Wie in den Querschnittsansichten von Fig. 2 und 3 dargestellt, ist der Zylinder 2 derart im Ge­ häuse 1 angeordnet, daß der zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 und dem Zylinder 2 festgelegte Innen­ raum 3 einen nahezu halbmond- oder sichelförmigen Querschnitt besitzt. Der Innenraum 3 besteht näm­ lich aus einem engsten Bereich 3 (a), in welchem ein aus Draht bestehender Schmelzleiter 4 gespannt ist, einem weitesten Bereich 3 (b) an der gegenüberliegenden Seite des Zylinders 2 sowie zwei mittelbreiten Bereichen 3 (c) und 3 (c)′ zwischen dem weitesten und dem engsten Be­ reich 3 (b) bzw. 3 (a).

Fig. 3 veranschaulicht die Lage und die Strömungs­ richtung von im Metalldampf enthaltenen Metallteil­ chen 6. Wenn ein Schmelzleiter 4 durch einen Überstrom zum Schmelzen gebracht wird, geht be­ kanntlich der Schmelzleiter 4 in Metalldämpfe über, die kleinste Metallteilchen 6 enthalten, welche ihrerseits eine Lichtbogenbildung herbeiführen. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Metallteilchen 6 gemäß Fig. 3 durch die Zwischen- Bereiche 3 (c) und 3 (c)′ in einer Richtung längs der Umfangsfläche des Zylinders 2 geleitet, so daß die Ausbreitung des Lichtbogens in Richtung auf die Anschlüsse 5 wirksam unterdrückt wird.

Infolgedessen wird die Lichtbogenerzeugung am ge­ schmolzenen Element bzw. Schmelzleiter 4 verringert, und die Lichtbogenwärme wird von der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses 1 und vom Zylinder 2 absorbiert.

Mit diesem einfachen, aber äußerst zweckmäßigen Aufbau der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung wird somit ein sehr sicheres Unterbrechen eines im Schmelzleiter auftretenden Überstroms auch ohne Verwendung von Lichtbogen-Löschmaterial im Ge­ häuse erzielt.

Im folgenden ist der Mechanismus der Lichtbogen­ bildung nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters 4 im einzelnen erläutert. Wenn der Schmelzleiter 4 unter dem Einfluß der durch einen Überstrom erzeug­ ten Jouleschen Wärme seinen Schmelzpunkt erreicht, beginnt er durchzuschmelzen, wobei seine geschmolze­ nen Abschnitte in Metalldämpfe übergehen und sich im Innenraum des Gehäuses 1 verteilen. Daraufhin wird den Elektroden oder Anschlüssen 5 an den beiden Enden des Gehäuses 1 eine große Wiederzündspannung aufgeprägt. Wenn sich in diesem Augenblick in den Metalldämpfen enthaltene (Metall-)Teilchen 6 in dich­ ter Anhäufung in der Nähe der Anschlüsse 5 ansammeln, tritt zwischen den einander benachbarten Metall­ teilchen 6 ein dielektrischer Durchbruch oder Durch­ schlag auf, der sich kettenreaktionsartig durch die Metallteilchen 6 ausbreitet, bis ein Lichtbogen entsteht. Wenn die Dichte der Metallteilchen 6 groß ist, wächst der Lichtbogen zu einer großen Bogen­ säule an, die nicht einfach gelöscht werden kann.

Wenn der Schmelzleiter 4 in Metalldämpfe übergeht, diffundieren die in den Metalldämpfen enthaltenen Metallteilchen 6 in dem engsten Bereich 3 (a), durch den sich der Schmelzleiter 4 vor dem Schmelzen erstreckte. Hierbei wird im engsten Bereich 3 (a) ein hoher Druck erzeugt, während in dem auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinders 2 liegenden weitesten Bereich 3 (b) ein niedriger Druck herrscht. Die im Bereich 3 (a) erzeugten Metalldämpfe strömen somit durch die Zwischen-Bereiche 3 (c) und 3 (c)′ auf die durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutete Weise längs der Um­ fangsfläche des Zylinders 2 in den weitesten Bereich 3 (b) hinein. Infolgedessen verringert sich die Dichte der im Bereich 3 (a) zwischen den Anschlüssen 5 vorhan­ denen Metallteilchen 6 unter Vergrößerung der Abstände zwischen den benachbarten Metallteilchen 6. Außerdem haften die diffundierten Metallteilchen 6 an der Ober­ fläche des Zylinders 2 und an der Innenwand des Ge­ häuses 1 an, so daß sie abkühlen. Dies führt zu ei­ ner schnellen Vergrößerung des Isoliergrads des Ge­ häuses 1. Mit der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann somit ein Stromfluß vor der Erzeugung eines großen Lichtbogens unterbrochen werden.

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß eine Klein­ schmelzsicherung der beschriebenen Art, die bei einer Nennbelastbarkeit von 500 mA eine Länge von 12 mm und einen Durchmesser von 2,6 mm besitzt, einen Kurzschlußstrom von 50 A bei 630 V zu unter­ brechen vermag.

Außerdem vermag die erfindungsgemäße Schmelzsiche­ rung unter normalen Einsatzbedingungen ihre Be­ triebseigenschaften unabhängig von Änderungen der Strombelastung oder thermischen Wechselbeanspruchun­ gen (d. h. abwechselnde thermische Ausdehnung und Zusammenziehung) sicher aufrechtzuerhalten. Dies beruht darauf, daß die erfindungsgemäße Schmelz­ sicherung im Gegensatz zu bisherigen Schmelzsiche­ rungen, bei denen der Schmelzleiter von einem Licht­ bogen-Löschmaterial eng umschlossen ist, ohne die Verwendung eines solchen Löschmaterials einen Lichtbogen wirksam zu löschen vermag, wobei sich der Schmelzleiter 4 infolgedessen frei bewegen und sich somit eine Gefahr einer Elastizitätsermüdung an die thermischen Wechselbeanspruchungen anpassen kann.

Claims (3)

1. Elektrische Kleinschmelzsicherung mit

• - einem elektrisch isolierenden Gehäuse (1),
• - zwei als Elektroden dienenden, die beiden Enden des Gehäuses (1) überkappenden Anschlüssen (5),
• - einem zwischen den Anschlüssen (5) gespannten, draht­ förmigen Schmelzleiter (4), dessen Enden jeweils an einem der Anschlüsse (5) angelötet sind,
• - einem aus einem isolierenden Werkstoff hergestellten und zwischen den Anschlüssen (5) im rohrförmigen Ge­ häuse (1) angeordneten zylindrischen Körper (2), und
• - einem Innenraum (3) zwischen dem rohrförmigen Gehäuse (1) und dem zylindrischen Körper (2),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der zylindrische Körper (2) und das Gehäuse (1) nicht koaxial zueinander liegen, und dadurch der Innenraum (3) einen engsten Bereich (3 (a)) und einen weitesten Bereich (3 (b)) aufweist,
• - die Enden des zylindrischen Körpers (2) an jeweils einem der Anschlüsse (5) befestigt sind, und
• - der Schmelzleiter (4) sich durch den engsten Bereich (3 (a)) des Innen­ raums (3) zwischen Gehäuse (1) und zylindrischem Körper (2) erstreckt.

2. Kleinschmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenraum (3) einen nahezu halbmond- oder sichelförmigen bzw. außermittig kreisförmigen Quer­ schnitt besitzt, dessen weitester Bereich (3 (b)) um ein Mehrfaches weiter ist als sein engster Bereich (3 (a)).