DE3642740A1 - Schmelzsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem ein Federmechanismus einen elektrischen Kontakt unterbricht, sobald ein als Auflage für den Federmechanismus dienender, in einem zylindrischen Hohlraum des Gehäuses angeordneter zylindrischer Schmelzkörper flüssig wird und den Federmechanismus entlastet.

Es gibt im Prinzip zwei Arten von Schmelzsicherungen. Die einen dienen der Strombegrenzung, die anderen der Temperaturbegrenzung. Bei der ersten Art wird der Schmelzkörper durch einen elektrischen Strom so stark erhitzt, daß er bei einer bestimmten, maximal zulässigen Stromstärke schmilzt und den elektrischen Kontakt irreversibel unterbricht. Bei der zweiten Art von Schmelzsicherungen erfolgt die Unterbrechung des Kontaktes nicht durch den Strom, sondern durch Erhitzung von außen bei einer bestimmten, maximal zulässigen Temperatur. Diese thermischen Schmelzsicherungen, auch als Thermosicherungen bezeichnet, werden in zunehmendem Maße in Elektrogeräte eingebaut, um diese vor Überhitzung zu schützen und bei Übersteigen einer bestimmten Temperatur irreversibel auszuschalten. Die Abschalttemperatur wird dabei durch die Schmelztemperatur des Schmelzkörpers bestimmt.

Damit auch über lange Betriebszeiten eine absolut sichere Funktion der Sicherungen gewährleistet werden kann, müssen an den Schmelzkörper als eigentliches Schaltelement folgende besondere Anforderungen gestellt werden:

Geeignete Stoffe müssen einen zur jeweiligen Abschalttemperatur passenden Schmelzpunkt haben. Damit die Schmelzsicherungen schlagartig funktionieren, soll es sich dabei möglichst um einen scharfen Schmelzpunkt und nicht um einen Schmelzbereich handeln.

Beim Schmelzen müssen die Schmelzkörper möglichst leicht und schnell zerfließen, um den Federn innerhalb der Schmelzsicherung den Weg zum Offnen des Kontaktes freizugeben.

Die Schmelzkörper stehen während der gesamten Gebrauchsdauer nicht nur unter einer bestimmten Federspannung, sondern werden in dieser Zeit auch noch einer thermischen Wechselbeanspruchung unterworfen. Sie müssen der Federkraft standhalten, und zwar bei Temperaturen, die zeitweise nur knapp unter dem jeweiligen Schmelzpunkt liegen. Dabei sind die Materialeigenschaften der Schmelzkörper sowie die Form und das Herstellungs­ verfahren von großem Einfluß auf die erreichbare Druckfestigkeit. In jedem Fall muß sichergestellt sein, daß die Schmelzkörper ein Vielfaches der während des Betriebs auftretenden Federspannung aushalten und während der geforderten Betriebszeit keine kritischen Längen- oder Formänderungen erleiden.

Geeignete Stoffe für Schmelzkörper sind z.B. aus der EP-OS 1 71 827 bekannt. Da aber alle Feststoffe kurz unterhalb ihrer Schmelztemperatur schon eine relativ große plastische Verformbarkeit aufweisen, ist für den längeren Betrieb bei den in der Sicherung gegebenen Bedingungen eine dauerhafte Formstabilität des Schmelzkörpers auch durch noch so gute Stoffwahl nicht zu erreichen.

Eine Schmelzsicherung der eingangs genannten Art ist aus dem DE-GM 69 09 484 und der diesem Gebrauchsmuster entsprechenden US-PS 31 80 958 bekannt. Beim Zusammenbau dieser Schmelzsicherung stellt man das noch offene Gehäuse senkrecht und läßt den Schmelzkörper in das Gehäuse hineinfallen. Dies bedingt, daß zwischen den Zylinder­ durchmessern des Gehäuses und des Schmelzkörpers ein kleiner Spielraum vorhanden ist. Der so bedingte Abstand zwischen Schmelzkörper und Gehäusewand bewirkt aber, daß während des Betriebs der Sicherung bei höheren Temperaturen der Schmelzkörper so lange gestaucht wird, bis er vollkommen an der Gehäusewand anliegt.

Bei der aus dem DE-GM 69 09 484 bekannten Schmelzsicherung besteht der Federmechanismus aus einer relativ kräftigen und einer relativ schwachen Feder. Die relativ kräftige Feder hält den elektrischen Kontakt aufrecht, solange der Schmelzkörper fest ist. Die relativ schwache Feder unterbricht den elektrischen Kontakt, wenn der Schmelzkörper flüssig wird.

Im DE-GM 69 09 484 wird erwähnt, daß die Beziehung der kräftigen Feder zum elektrischen Kontakt der Notwendigkeit enger Toleranzen enthebt und daß die Elastizität und Stärke dieser Feder relativ große Längsvariationen innerhalb der Teile der Sicherung ausgleicht. Ohne das Vorhandensein der starken Feder könnten geringe Abweichungen in der Länge der Teile oder der Genauigkeit beim Zusammenbau ein irrtümliches Öffnen des elektrischen Kontakts bewirken, so daß die normalerweise geschlossene Sicherung außer Betrieb gesetzt wäre.

Bei den Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, wurde jedoch gefunden, daß es nicht möglich ist, das irrtümliche, d.h. vorzeitige Öffnen des Kontakts durch passende Wahl von Elastizität und Stärke der Federn zu verhindern. Wegen der zuvor erwähnten plastischen Verformbarkeit des Schmelzkörpers und wegen des erforderlichen Spielraums zwischen Schmelzkörper und Gehäuse tritt nämlich stets eine Längenänderung des Schmelzkörpers ein und die Federkraft der relativ kräftigen Feder wird geringer. Die relativ schwache Feder, deren Federkraft immerhin zum Verschieben des Kontaktes ausreichen muß, kann dann wegen der geringer gewordenen Federkraft der an sich kräftigen Feder den Kontakt vorzeitig oder frühzeitig öffnen. Eine Überdimensionierung der kräftigen Feder könnte andererseits dazu führen, daß die Sicherung zu spät abschaltet.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Sicherung der eingangs genannten Art anzugeben, die exakt zum gewünschten Zeitpunkt der Überhitzung abschaltet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis des Durchmessers des Hohlraums zu dem des Schmelzkörpers zwischen 1:0,99 und 1:0,96 liegt und daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schmelzkörpers zwischen 1:1,1 und 1:0,9 liegt.

Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Durchmessers des Hohlraums zu dem des Schmelzraums bei 1:0,98, während das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schmelzkörpers vorzugsweise zwischen 1:1,02 und 1:0,98 liegt.

Durch die Erfindung wird eine Verminderung der Längenänderung des Schmelzkörpers nach dessen Einbau in das Sicherungsgehäuse erreicht. Mit anderen Worten: Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung wird die durch Druck und Temperatur bedingte plastische Verformung der Schmelzkörper unwirksam gemacht und eine dauerhafte Formstabilität der Schmelzkörper beim Betrieb der Sicherung garantiert.

Insbesondere wird durch die Erfindung erreicht, daß der Schmelzkörper möglichst eng und flächendeckend von der Gehäusewand aus thermisch stabilem Metall, z.B. Stahl, umschlossen wird. Der Schmelzkörper wird dadurch allseitig von den Metallwänden gestützt, die bei den in Frage kommenden Temperaturen mechanisch vollkommen stabil sind.

Am günstigsten für die Funktion der Sicherung wie auch für die Herstellung von Schmelzkörper und Sicherung ist ein zylindrisch geformter Schmelzkörper mit beidseitig graden Stirnflächen, der so eng wie möglich in das rohrförmige Stahlgehäuse hineinpaßt. Mit einer Zylinderfläche ruht der Schmelzkörper auf dem flachen Boden des Gehäuses, die andere Stirnfläche wird von einem kreisrunden Stahlplättchen abgedeckt, worauf dann die Feder ruht.

Während nun die Zylinderflächen des Schmelzkörpers fest auf dem Gehäuseboden und dem Abdeckplättchen aufliegen, muß, wie bereits erwähnt, zwischen den Zylinderdurchmessern des Gehäuses und des Schmelzkörpers ein kleiner Spielraum gelassen werden. Dies ist nötig und vorteilhaft, damit man auch bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sicherungen den Schmelzkörper und das Abdeckplättchen durch einfaches Hineinfallenlassen in das Gehäuse einbauen kann. Hinzu kommt noch, daß zur Herstellung der Schmelzkörper durch Gießen in eine Gußform eine leicht konische Form des Schmelzkörpers von Vorteil ist, um den erstarrten Schmelzkörper leichter aus der Gußform bringen zu können, wobei die erfindungsgemäßen Toleranzen bezüglich Gehäusedurchmesser und Durchmesser und Länge des Schmelzkörpers ebenfalls eingehalten werden müssen.

Wie bereits erwähnt, bewirkt der Abstand zwischen Schmelzkörper und Gehäusewand, daß während des Betriebs der Sicherung bei höheren Temperaturen der Schmelzkörper solange gestaucht wird, bis er vollkommen an der Gehäusewand anliegt. Danach bleibt aber, wie gefunden wurde, die Schmelzkörpergeometrie für alle praktischen Fälle dauerhaft stabil. Da die thermische Stauchung ein relativ langsamer Vorgang ist, der sich in Abhängigkeit von Temperatur und Schmelzkörpermaterialart über mehrere Stunden bis 100 Stunden hinziehen kann, wird diese nicht bei der Herstellung der Sicherung, sondern erst bei deren späterem Betrieb erfolgen.

Ein Ausfließen des festen Schmelzkörpermaterials durch den engen Spalt zwischen Abdeckplättchen und Gehäusewand ist selbst unmittelbar unter dem Schmelzpunkt um viele Größenordnungen langsamer als die Stauchung. Die Lebensdauer der Sicherung wird also in keinem denkbaren praktischen Fall durch diesen Effekt begrenzt. Andererseits dringt nach dem Schmelzen das flüssige Schmelzkörpermaterial leicht und schnell durch den Spalt und gibt die Feder dadurch sofort frei.

Die durch die thermische Stauchung bedingte Längenänderung des Schmelzkörpers ist gemäß der Erfindung nur so groß, daß die Feder vor der Stauchung die nötige Vorspannung ohne plastische Verformung aufnehmen kann und daß sie nach der Stauchung noch die für den sicheren elektrischen Kontakt nötige Spannkraft besitzt.

Die Funktion und der prinzipielle Aufbau der erfindungs­ gemäßen Schmelzsicherung gehen aus einem in der Zeichnung dargestellten Beispiel hervor.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Schmelzsicherung im normalen Betriebszustand im Schnitt,

Fig. 2 eine Schmelzsicherung nach thermischer Überlastung im Schnitt und

Fig. 3a, 3b und 3c Teilansichten verschiedener Ausführungsformen der Schmelzsicherung nach Fig. 1 im Schnitt.

Die Sicherung besteht aus einem mit einer Stromzuführung 1 versehenen, geschlossenen, metallischen Gehäuse 2, in welchem ein aus einer zylindrischen Feder 3, einer Sternfeder 4 und einer konischen Feder 5 bestehender Federmechanismus den elektrischen Kontakt zwischen einer zweiten Stromzuführung 6 und der Sternfeder 4 unterbricht, sobald ein als Auflage dienender Schmelzkörper 7 flüssig wird und die zylindrische Feder 3 entlastet. Zwischen dem Schmelzkörper 7 und der zylindrischen Feder 3 und der Sternfeder 4 sind Stützplatten 8 und 9 angeordnet, die eine gleichmäßige Verteilung des Federdrucks bewirken. Um dem Schmelzkörper eine feste und gleichmäßige Auflage auf dem Gehäuseboden 10 zu verleihen, ist ein weiteres Stützplättchen 11 zwischen Gehäuseboden 10 und Schmelzkörper 7 angeordnet. Die Stromzuführung 6 ist in Höhe der Wandung des Gehäuses 2 von einem Dichtungs- und Isolierkörper 12 umgeben.

Durch das Schmelzen des Schmelzkörpers betätigt sich der Federmechanismus wie folgt: Die Feder 3 wird entlastet, wodurch die konische Feder 5 die Sternfeder 4 von der Stromzuführung 6 abhebt und so den elektrischen Kontakt unterbricht. In Fig. 1 ist der Kontakt geschlossen, in Fig. 2 ist der Kontakt offen und der Schmelzkörper geschmolzen dargestellt.

Bei der Herstellung des Metallgehäuses (z.B. aus Edelstahl) durch Tiefziehen oder Stanzen wird es schwierig sein, den Übergang von der Gehäusewand auf den Gehäuseboden rechtwinklig und scharfkantig zu machen. Ein verbleibender Kantenradius würde aber, wie in Fig. 3a dargestellt, bewirken, daß der scharfkantige Schmelzkörper 7 nicht flach auf dem Gehäuseboden 10, sondern nur auf dem Außenrand aufliegen würde. Eine zusätzliche Längenänderung beim Betrieb wäre die Folge.

Eine recht wirksame Lösung ist in Fig. 3b dargestellt. Der Schmelzkörper 7 hat hier durch den flach eingedrückten Gehäuseboden 10 eine relativ großflächige Auflage.

Noch wesentlich besser ist es, wie in Fig. 3c gezeigt, zusätzlich ein Stützplättchen 11 von gleicher Form und Größe wie das Stützplättchen 8 als Auflage für den Schmelzkörper 7 zwischen diesen und dem Gehäuseboden 10 einzulegen.

Claims (4)

1. Schmelzsicherung mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem ein Federmechanismus einen elektrischen Kontakt unterbricht, sobald ein als Auflage für den Federmechanismus dienender, in einem zylindrischen Hohlraum des Gehäuses angeordneter zylindrischer Schmelzkörper flüssig wird und den Federmechanismus entlastet, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Hohlraums zu dem des Schmelzkörpers (7) zwischen 1:0,99 und 1:0,96 liegt und daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schmelzkörpers zwischen 1:1,1 und 1:0,9 liegt.

2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Hohlraums zu dem des Schmelzkörpers (7) bei 1:0,98 liegt.

3. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schmelzkörpers (7) zwischen 1:1,02 und 1:0,98 liegt.

4. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Stützplättchen (11) zwischen dem Schmelzkörper (7) und dem Gehäuseboden (10).