DE3638943A1 - Schmelzsicherung - Google Patents

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)

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)

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.