DE3638943A1 - Schmelzsicherung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Schmelzsicherung ist
in erster Linie für den Schutz von Schaltungen gedacht, die
mit einer Nennspannung von unter 100 Volt arbeiten.
Schmelzsicherungen der fraglichen Art mit einem
eingeschnürten Schmelzleiter besitzen üblicherweise ein
Schmelzverhalten, das heißt eine Schmelzzeit-Stromkennlinie
entsprechend dem Verlauf A in Fig. 4. Natürlich
unterscheiden sich die Kennlinien einzelner
Schmelzsicherungen im Detail abhängig von den Eigenschaften
der Geräte oder Verdrahtungen, die geschützt werden sollen.
Die Kennlinie A ähnelt im Hochstrombereich I einer
Kennlinie B und im Niederstrombereich II einer Kennlinie
C. Im Mittelstrombereich III sind der Hochstromabschnitt
und der Niedrigstromabschnitt der Kennlinie A verbunden.
Die Kennlinie B ist die eines bandartigen Schmelzleiters
mit gleichförmiger geringer Breite. Diese Kennlinie B
besitzt im Hochstrombereich I eine relativ geringe
Schmelzzeit. Die Kennlinie C ist die eines bandartigen
Schmelzleiters gleichförmiger großer Breite. Diese
Kennlinie C besitzt im Niedrigstrombereich II eine relativ
hohe Schmelzzeit. Wenn man gemäß Darstellung in Fig. 4 die
Breite des Schmelzleiters, dessen Kennlinie die Kurve B
wiedergibt, mit b 1, diejenige des Schmelzleiters, dessen
Kennlinie die Kurve C wiedergibt, mit b 2 und die Breite der
Einschnürung des eingeschnürten Schmelzleiters entsprechend
der Kurve A mit b 3 bezeichnet, dann gilt b 3 ≦ωτ b 1 ≦ωτ b -2.
Der Temperaturanstieg in der Einschnürung im
Hochstrombereich I sehr hoch ist, können die Wärmeableitung
von dem breiten Teil des Schmelzleiters sowie dessen
Wärmeleitung vernachlässigt werden. Da jedoch
im mittleren Strombereich die Wärmeentwicklung in der
Einschnürung nicht so groß ist, hängt die Schmelzzeit in
diesem Strombereich stark von der Wärmeableitung oder
Wärmeleitung des breiten Schmelzleiterteiles ab. Der
Zusammenhang zwischen der Wärmeableit- oder
Wärmeleitwirkung und den Abmessungen des Schmelzleiters
soll nachfolgend quantitativ untersucht werden. Dabei wird
angenommen, daß die Menge der im breiten Schmelzleiterteil
erzeugten Wärme deutlich geringer als die der in der
Einschnürung erzeugten Wärme ist, weshalb erstere
vernachlässigt wird.
Im folgenden werden mit W die Stromleitungsverluste, S
die am Wärmeübergang beteiligte Fläche, mit h die
Wärmeübergangszahl, mit q die Wärmekapazität, mit t die
Zeit des Stromflusses, mit R 1 die Temperatur, mit R 0 die
Umgebungstemperatur, mit i der Strom, mit R der Widerstand
und mit H = h · S die Wärmeübergangskapazität bezeichnet. Es
gilt dann folgende Gleichung:
Wdt = qd R 1 + H(R 1 - R 0) dt (1)
Da W = i 2 · R ist, läßt sich der Temperaturanstieg ΔR im
Schmelzleiter durch folgende Beziehung ausdrücken:
ΔR = R 1 - R 0 = (W/H) · (1 - exp(-H · t/q))
= (i 2 · R/H) · (1 - exp(-H · exp (-H · t/q)) (2a)
= (i 2 · R/H) · (1 - exp(-H · exp (-H · t/q)) (2a)
Bezeichnet man die thermische Zeitkonstante mit T, dann
gilt, da T = q/H, folgende Gleichung:
ΔR = (i 2 · R/H) · (1 - exp(-t/T)) (2b)
Setzt man die Länge der Einschnürung 1, die
Querschnittsfläche A und den spezifischen Widerstand des
Schmelzleiters σ, dann kann die Gleichung (2b)
umgeschrieben werden zu
ΔR = (i 2/H) · (1 · σ/A) · (1 - exp(-t/T)) (2c)
Eine unnötige Trennung einer Last von einem Schaltungskreis
beispielsweise bei Betrieb der Schmelzsicherung unter
Überlast, sollte soweit wie möglich vermieden werden, da
hierdurch der Betriebswirkungsgrad für die Last verringert
wird. Deshalb ist der Verlauf entsprechend Kennlinie C bis
zu einem Strom in der Nähe des Bereichs II vom
Überlastbereich, das heißt vom Bereich III erwünscht, und
es ist günstig, H, A und T in Gleichung (2c) so groß wie
möglich zu machen. Im Hochstrombereich jedoch, daß heißt in
einem Strombereich, wo die Schmelzzeit kurz ist und die
Wärmeableitung oder -leitung vernachlässigbar ist, folgt
aus der thermischen Gleichung
Wdt = q · d R 0 (3)
die sich aus Gleichung (1) für den Fall H = 0 ergibt, die
folgende Gleichung
ΔR = (i 2 · R/q) · t + R 0
= i 2 · (1/J · c · A · 1 · d) · (1 · σ/A) · t + R 0
= i 2 · (σ/J · c · d) · (1 · A 2) · t + R 0 (4)
= i 2 · (1/J · c · A · 1 · d) · (1 · σ/A) · t + R 0
= i 2 · (σ/J · c · d) · (1 · A 2) · t + R 0 (4)
In Gleichung (4) bedeuten J das Wärmeäquivalent, c die
spezifische Wärme und d das spezifische Gewicht des
Materials des Schmelzleiters.
Da der Temperaturanstieg des Schmelzleiters bei konstantem
Strom nur von der Querschnittsfläche und nicht von der
Länge der Einschnürung bestimmt wird, ist eine kleine
Querschnittsfläche A dafür günstig, den Schmelzleiter
innerhalb einer möglichst kurzen Zeit auf die vorgegebene
Schmelztemperatur zu erwärmen. Für die Querschnittsfläche A
der Einschnürung des Schmelzleiters besteht daher
einerseits die Forderung nach einer möglichst weitgehenden
Vergrößerung von A zur Vermeidung eines unnötigen
Schmelzens im Überlastzustand und andererseits die
Forderung nach einer möglichst weitgehenden Verringerung
von A, damit der Schmelzleiter bei einem großen Strom so
schnell wie möglich schmilzt. Diese beiden Forderungen
widersprechen sich. Die Forderung der Vermeidung eines
unnötigen Schmelzens im Überlastzustand kann sowohl durch
Vergrößerung der Querschnittsfläche der Einschnürung als
auch die Vergrößerung der Wärmeübergangskapazität H oder
der Zeitkonstante T im Bereich des breiten Teils des
Schmelzleiters erreicht werden. Andererseits kann die
Forderung nach schnellem Schmelzen bei einem großen Strom
nicht erfüllt werden, wenn nicht die Querschnittsfläche der
Einschnürung reduziert wird. Da ferner die Einschnürung aus
Gründen der Isolation der an den
Schmelzsicherungsanschlüssen anstehenden Spannung
standhalten muß, besteht eine unvermeidbare Untergrenze für
die Länge l der Einschnürung.
Wenn beabsichtigt ist, den Temperaturanstieg auf Grund der
Wärmeentwicklung von der so festgelegten Einschnürung mit
möglichst geringer Größe im Strombereich unterhalb des
Überstroms zu unterdrücken, damit ein unnötiges Schmelzen
vermieden wird, dann müssen die Wärmeübergangskapazität H
und die Zeitkonstante T, die vom breiten Teil des
Schmelzleiters bestimmt werden, erhöht werden. Das
bedeutet, es ist erforderlich, die Fläche S des breiten
Teiles zu vergrößern, um die Wärmeübergangskapazität H zu
erhöhen, sowie das Volumen des breiten Teils zu vergrößern,
damit die Zeitkonstante T vergrößert wird. Wenn die Fläche
und das Volumen des Schmelzleiters vergrößert werden, wird
mehr Edelmetall, gewöhnlich Silber oder ähnliches, das als
Material für den Schmelzleiter verwendet wird, benötigt,
was die Schmelzsicherung teuer macht. Deswegen werden
Wärmeableitung (Wärmeübergang) und Wärmeleitung mit Hilfe
hitzebeständiger Keramik ausgeführt, die im Hinblick auf
den Wärmestrom integral mit dem Schmelzleiter verbunden
werden, ohne daß eine zusätzliche Erhöhung der Fläche und
des Volumens des Schmelzleiters selbst erforderlich wäre,
wie es beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist. In Fig. 3 ist
der breite Teil 3 eines mit einer Einschnürung 2 versehenen
Schmelzleiters 1 in ein Wärmeableitelement 4 aus
hitzebeständiger Keramik eingesetzt, und das
Wärmeableitelement 4 und der Schmelzleiter 1 sind mit Hilfe
von Klebstoff 5 zu einem Stück verbunden. Dieser Aufbau hat
jedoch den Nachteil einer großen Form, da das
Wärmeableitelement aus Keramik besteht. Außerdem sind die
Herstellungskosten hoch, weil ein Arbeitsschritt zum
Verbinden von Wärmeableitelement und Schmelzleiter zu einem
einheitlichen Gegenstand erforderlich ist. Da das
Wärmeableitelement groß ist, wird bei Verwendung der
Schmelzsicherung für eine Steuer- oder Betriebsschaltung
etwa eines Fahrzeugs, eine große Kraft aufgrund
mechanischer Schwingungen auf die Verbindung zwischen dem
Schmelzleiter und den Sicherungsanschlüssen ausgeübt, was
zu mechanischen Beschädigungen des Schmelzleiters führen
kann.
Es gibt ferner eine Anordnung, bei der eine bei niedriger
Temperatur schmelzende Legierung anstelle der oben
beschriebenen Keramik als Wärmeableitelement einstückig mit
dem Schmelzleiter verbunden wird. Bei dieser Anordnung
wird die Platte aus der bei niedriger Temperatur
schmelzenden Legierung mit dem breiten Teil des
Schmelzleiters verstemmt, oder es wird eine dicke Schicht
einer solchen Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt
hergestellt und zwischen zwei Plättchen aus
Schmelzleitermaterial integral angeordnet. beabsichtigt
ist, durch Erhöhen der Fläche oder des Volumens des breiten
Teils des Schmelzleiters die Schmelzzeit insbesondere an
der Grenze zwischen dem Niedrigstrombereich II und dem
Mittelstrombereich III zu erhöhen und zu verhindern, daß
die Schmelzzeit in dem Niedrigstrombereich höher wird als
durch die Kennlinie C in Fig. 4 vorgegeben. Da die
Schmelzzeit im Niedrigstrombereich lang ist, wird während
dieser Schmelzzeit zwischen dem als erstes schmelzenden
Metall mit niedrigen Schmelzpunkt und dem Material des
Schmelzleiters eine eutektische Legierung gebildet und
dadurch eine Erhöhung der Schmelzzeit wegen des niedrigeren
Schmelzpunkts der eutektischen Legierung verhindert. An der
Grenze zwischen dem Niedrigstrombereich und dem
Mittelstrombereich, wo die Schmelzzeit relativ kurz ist,
führt jedoch die eutekische Legierung nicht zu einer
wirksamen Erhöhung der Schmelzzeit, so daß ein unnötiges
Schmelzen während eines Überlastbetriebs verhindert werden
kann. Da jedoch die niedrigschmelzende Legierung und der
Schmelzleiter zu einem Stück zusammengesetzt sind, sind in
diesem Fall sowohl die Materialkosten als auch die
Arbeitskosten höher. Da ferner dem Schmelzleiter ein
zusätzliches Gewicht hinzugefügt ist, kann er durch große
Kräfte, die auf Grund von Vibrationen auf den
Verbindungsteil mit den Schmelzleiteranschlüssen einwirken,
mechanisch beschädigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schmelzsicherung zu
schaffen, die die voranstehend erläuterten Nachteile
bekannter Schmelzsicherungen nicht aufweist, sondern ein
ausgezeichnetes Schmelzverhalten und ausgezeichnete
mechanische Eigenschaften besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schmelzsicherung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Bei dieser Lösung sind kurze Einschnürungsabschnitte, die
hier als Verengungen bezeichnet werden, in Längsrichtung
verteilt und befinden sich abwechselnd an beiden
Längsseiten des Schmelzleiters. Der elektrische Strom muß
zwangsweise in einer Zick-Zack-Form abwechselnd durch die
Verengungen und die jeweils zwischen den Durchgangslöchern
gebildeten breiten Teile fließen. Die verteilte
Wärmeenergie, die in den einzelnen Verengungen erzeugt
wird, wird direkt in den angrenzenden breiten Teil
abgeleitet, wodurch der Temperaturanstieg in der Verengung
wirksam unterdrückt wid. Hierdurch wird ein unnötiges
Schmelzen im Überlastbereich vermieden und die
Notwendigkeit des Zufügens besonderer Gegenstände zur
Verbesserung der Wärmeableitung und Wärmeleitung
überflüssig gemacht.
Die Erfindung ist unter anderm mit den folgenden Vorteilen
verbunden:
(1) Da Verengungen kürzerer effektiver Länge mittels
Durchgangslöchern und Ausnehmungen in Längsrichtung des
bandartigen Schmelzleiters verteilt sind, kann die in den
einzelnen Verengungen erzeugte Wärmemenge wirkungsvoll in
den sich abschließenden breiten Teil abgeleitet werden. Da
ferner diese Wärmeableitwirkung mit einer
Wärmeableitwirkung kombiniert ist, die sich aus der
Existenz eines Bereichs niedriger Temperatur ergibt, der
von dem Durchgangsloch und der Ausnehmung gebildet
wird, deren Breite geringer als die Längsabmessung des
Durchgangslochs ist, und durch den kein elektrischer Strom
fließt, kann ein Temperaturanstieg in der Verengung im
Überlaststrombereich unterdrückt werden und ein unnötiges
Schmelzen des Schmelzleiters im Überlaststrombereich
vermieden werden, ohne daß die Größe des Schmelzleiters
selbst vergrößert werden müßte oder daß dem Schmelzleiter
ein besonderes Wärmeableitelement zugeordnet werden müßte.
Dies wird mit geringen Kosten erreicht. Außerdem tritt
keine Schwächung der mechanischen Festigkeit des
Schmelzleiters aufgrund von Vibrationen ein.
(2) Da mechanische Spannungen im Schmelzleiter aufgrund
seiner Expansion und Kontraktion während des Stromflusses
durch die Ausnehmungen mäßig gehalten werden, die an den
Außenseiten des Schmelzleiters in Verbindung mit den
Durchgangslöchern vorgesehen sind, kann eine Verringerung
der mechanischen Lebensdauer des Schmelzleiters infolge
thermischer Belastung vermieden werden.
(3) Die Schmelzzeit kann bei der Erfindung auch im
Niedrigstrombereich ansteigen. Wenn dies vermieden werden
soll und die Schmelzzeit auf dm üblichen Wert gehalten
werden soll, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor,
daß der erfindungsgemäße Schmelzleiter an seiner Oberfläche
mit einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt plattiert
wird, wodurch eine Erhöhung der Schmelzzeit vermieden
werden kann. Dies wird, verglichen mit dem Fall der
einstückigen Verbindung einer niedrigschmelzenden
Legierungsplatte mit dem Schmelzleiter, mit niedrigen
Kosten und ohne Verringerung der mechanischen Festigkeit
bei Vibrationen erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Seitenaufriß (a) und eine Draufsicht (b)
eines Ausführungsbeispiels des Schmelzleiters
einer Schmelzsicherung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht des Schmelzleiters von Fig. 1 in
abgewickelter Form,
Fig. 3 eine Seitenansicht (a) und eine
Draufsicht (b) zur Erläuterung einer bekannten
Methode zur Erhöhung der Schmelzzeit im
Überlastbereich, und
Fig. 4 ein Diagramm mit Schmelzkennlinien, die die
Unterschiede der Schmelzzeit abhängig von der Größe
und Form des Schmelzleiters zeigen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Fig. 1 zeigt die Form eines Schmelzleiters, wie
er in einer Schmelzsicherung eingesetzt wird, und Fig. 2
ist eine abgewickelte Darstellung des Schmelzleiters.
In der Darstellung von Fig. 2 erkennt man, daß kreisförmige
Durchgangslöcher 16 in den breiten Teilen auf beiden Seiten
einer Verengung 12 im Schmelzleiter 11 ausgebildet sind.
die Verengung 12 ist etwa in der Mitte des Schmelzleiters
11 in Längsrichtung angeordnet und besitzt eine Länge l 1 in
Längsrichtung des Schmelzleiters, die kürzer ist als
üblich. Die jeweiligen Durchgangslöcher 16 stehen über je
eine Ausnehmung 17, deren breite geringer als der
Durchmesser des Durchgangslochs ist, abwechselnd mit den
gegenüberliegenden (äußeren) Seitenrändern in Verbindung.
Auf diese Weise wird an der Stelle jedes der
Durchgangslöcher 16 im Schmelzleiter 11 eine Verengung 18
gebildet, während sich zwischen den Durchgangslöchern 16
jeweils ein breiter Abschnitt 19
befindet, so daß der elektrische Strom in Zick-Zack-Form
durch die Verengungen 18 und die breiten Abschnitte 19
fließen muß, wie es durch eine gestrichelte Linie in Fig. 2
angedeutet ist. Dadurch, daß man den elektrischen Strom
zwingt, nacheinander durch die Verengungen 18 und die
breiten Abschnitte 19 zu fließen, hat der Schmelzleiter 11
einen Aufbau mit einer Hintereinanderschaltung mehrerer
Sätze von Verengungen 18 und breiten Abschnitten 19, wobei
die in den einzelnen Verengungen 18 erzeugte Wärme an den
breiten Abschnitt 19 abgeleitet wird, der mit der Verengung
18 in Verbindung steht und ihr paarweise zugeordnet ist. Da
es lediglich erforderlich ist, für die Summe aller
effektiver Längen der Verengungen 18 in der Längsrichtung
und der Länge l 1 der ursprünglichen Verengung 12 einen Wert
vorzusehen, der zum Zwecke der Isolation der zwischen den
Schmelzsicherungsanschlüssen nach Schmelzen des
Schmelzleiters in den Verengungen anstehenden Spannung
standhält, kann die effektive Länge der einzelnen Verengung
18 in Längsrichtung kurz sein, so daß demzufolge die in
einer Verengung 18 erzeugte Wärmemenge verglichen mit dem
herkömmlichen Fall, wo die Wärme in einer einzigen
Verengung erzeugt wurde, deutlich geringer wird. Da die in
den so aufgeteilten Verengungen erzeugte Wärme von den
breiten Abschnitten 19, die mit den Verengungen direkt in
Verbindung stehen, und von den Wärmeableitabschnitten 19 a,
die sich auf niedriger Temperatur befinden und durch die
überhaupt kein Strom fließt, abgeleitet wird, wird die
Wärme wirkungsvoll abgeführt, wodurch die Unterdrückung des
Temperaturanstiegs im Schmelzleiter im Überstrombereich
unterdrückt und ein unnötiges Schmelzen vermieden wird.
Ein zusätzlicher Vorteil stellt sich bei dieser
Ausgestaltung des Schmelzleiters ein. Das heißt, während
des Anstiegs und Abfalls der Temperatur im Schmelzleiter
entsprechend Änderungen der Last treten wiederholt
thermische Expansion und thermische Kontraktion auf. Die
Enden des Schmelzleiters sind festgelegt, so daß der
Schmelzleiter mechanischen Druck- und Zugspannungen
ausgesetzt wird, die eine große Deformation in den die
mechanischen Schwachstellen darstellenden Verengungen
bewirken, welche schließlich aufgrund wiederholter
Deformationen zerstört und erschöpft werden. Bei dem
erfindungsgemäß aufgebauten Schmelzleiter dienen die
Ausnehmungen 17, die in Längsrichtung abwechselnd an den
Seitenrändern ausgebildet sind, als Puffer für die
Spannungen, so daß keine übermäßige Deformation der
erfindungsgemäß zusätzlich versehenen Verengungen 18
sowie der Verengung 12 auftritt. Hierdurch kann eine
Verringerung der mechanischen Lebensdauer vermieden werden.
Wie beschrieben, ist es möglich, die Schmelzzeit im
Überlaststrombereich durch den erfindungsgemäßen Aufbau des
Schmelzleiters zu erhöhen. Es besteht allerdings die
Neigung auch zu einer Erhöhung der Schmelzzeit im
Niedrigstrombereich. Da die Schmelzzeit im
Niedrigstrombereich beim Stand der Technik keine besonderen
Probleme aufwarf, ist es nicht immer günstig daß diese
Zeit länger wird als erforderlich. Um dieser Verlängerung
der Schmelzzeit im Niedrigstrombereich entgegenzuwirken,
wird der erfindungsgemäß aufgebaute Schmelzleiter mit einer
Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt plattiert. Dies führt
dazu, daß im Niedrigstrombereich zunächst die Legierung
schmilzt und daß eine eutektische Legierung zwischen der
geschmolzenen Legierung und dem Schmelzleitermaterial
gebildet wird. Da die Schmelzzeit im Niedrigstrombereich
lang ist, ist bis zum Schmelzen eine ausreichende Bildung
der eutektischen Legierung erfolgt. Da der Schmelzpunkt der
eutektischen Legierung niedriger als der des
Matrixmaterials des Schmelzleiters ist, wird die
Schmelzzeit kürzer als es bei
Verwendung des Schmelzleiters allein der Fall ist. Auf
diese Weise kann mit der beschriebenen Weiterbildung der
Erfindung der Anstieg der Schmelzzeit verhindert werden.
Wenn die niedrigschmelzende Legierung und der Schmelzleiter
durch Plattieren zum Zwecke der Bildung einer eutektischen
Legierung zusammengefügt werden, dann ist dies mit geringen
Herstellungskosten möglich, und man erreicht eine ideale
Schmelzkennlinie vom Niedrigstrombereich bis zum
Hochstrombereich, ohne daß die mechanische Festigkeit des
Elements durch Vibrationen verringert würde.
Wie aus den voranstehenden Erläuterungen hervorgeht, kann
die Verengung 12 von Fig. 2 in Verengungen 18, die
zusätzliche vorgesehen sind, umgesetzt werden, so daß die
Verengung 12 auch ganz eingespart werden könnte.
Claims (2)
1. Schmelzsicherung, umfassend einen bandartigen
Schmelzleiter (11) mit einer Einschnürung (12, 18), dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (11) in
seiner Längsrichtung aufgereihte Durchgangslöcher (16)
aufweist, die mittels einer jeweiligen Ausnehmung (17) zu den
Seitenrändern des Schmelzleiters (11) geöffnet sind, wobei
aufeinanderfolgende Durchgangslöcher (16) zu
entgegengesetzten Seitenrändern geöffnet sind und die Breite
der jeweiligen Ausnehmung kleiner als die größte Abmessung
des Durchgangslochs in Längsrichtung ist, und daß die
Einschnürung, die von den Durchgangslöchern gebildeten
Verengungen (18) umfaßt.
2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (11) mit
einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt plattiert ist.
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