DE3804916A1

DE3804916A1 - Material fuer sicherungen

Info

Publication number: DE3804916A1
Application number: DE3804916A
Authority: DE
Inventors: Yuuji Hatagishi
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1987-04-06
Filing date: 1988-02-17
Publication date: 1988-10-27
Also published as: DE3804916C2; JPS63250036A; US4869972A

Description

Die Erfindung betrifft ein Material zur Herstellung einer Sicherung, die eine geringe Wärmemenge erzeugt, eine lange Nutzungsdauer aufweist und zur Verwendung in einem Schaltkreis geeignet ist, in welchem ein relativ hoher Strom fließt.

Röhrenförmige oder ebene Sicherungen, die aus Zink hergestellt wurden, sind bislang häufig in unterschiedlichen Schaltkreisen in Kraftfahrzeugen verwendet worden. Ein Nachteil aus Zink bestehender Sicherungen liegt in ihrer kurzen Lebensdauer, obwohl die Sicherung insoweit vorteilhaft ist, daß sie eine geringe Wärmemenge erzeugt, bevor sie den Schaltkreis durch Schmelzen unterbricht sowie während ihrer Verwendung unter normalen stromleitenden Bedingungen. Zur Lösung des voranstehend angegebenen Problems wurde eine Sicherung vorgeschlagen, die aus einer Zink-Kupfer-Legierung mit weniger als 5% von dem Zink zugefügtem Kupfer hergestellt ist, wie in JP-A-53-1 38 918 beschrieben ist. Es wurde jedoch darauf hingewiesen, daß dann, wenn eine Sicherung in einen Schaltkreis geschaltet ist, in dem ein verhältnismäßig großer Strom von beispielsweise 20 A oder mehr fließt, insbesondere bei Verwendung in einem Schaltkreis, bei welchem ein Einschaltstrom infolge wiederholten Ein- und Ausschaltens eines Motors fließt, die Legierungsteilchen zu einer exzessiven Vergrößerung infolge wiederholter thermischer Expansion und Kontraktion neigen, was zu der Entwicklung von Spalten führt. Daher weist die vorgeschlagene, aus einer Zink-Kupfer-Legierung hergestellte Sicherung eine begrenzte nutzbare Lebensdauer auf.

Aus diesem Grunde wird nunmehr allgemein eine Sicherung, die aus einer Kupferlegierung mit einem hohen Schmelzpunkt hergestellt ist, wie sie in der JP-A-58-1 63 127 beschrieben ist, in Schaltkreisen verwendet, in denen ein hoher Strom fließt. Eine aus einer derartigen Kupferlegierung hergestellte Sicherung ist jedoch insoweit nachteilig, als sie eine große Wärmemenge erzeugt, allerdings weist die Sicherung eine hohe nutzbare Lebensdauer auf.

Im allgemeinen tritt die den Stromkreis unterbrechende Wirkung einer aus einem Metall hergestellten Sicherung auf, wenn ein Bereich der Sicherung infolge der Joule'schen Wärme am Schmelzpunkt des Metalls schmilzt und hierdurch den Stromkreis unterbricht. Es ist leicht zu erkennen, daß eine aus einem hochschmelzenden Metall hergestellte Sicherung mehr thermische Beschädigung auf benachbarte Teile ausübt als eine aus einem niedrigschmelzenden Metall hergestellte Sicherung. Wird daher eine aus einem hochschmelzenden Metall hergestellte Sicherung in eine Schaltung geschaltet, welche eine isolierte Leitung zum Leiten von Strom aufweist, so erzeugt der den Schaltkreis unterbrechende herunterschmelzende Bereich der Sicherung mehr Wärme als der übliche Bereich, selbst unter normalen Stromleitungsbedingungen, und die Abschnitte der Isolierabdeckung (deren typisches Material Polyvinylchlorid ist) der Leitung in der Nachbarschaft der Sicherung werden durch die Wärme erhitzt, die von dem den Schaltkreis unterbrechenden Schmelzbereich der Sicherung übertragen wird, und dies führt zu einer fortschreitenden Verschlechterung dieser Abschnitte der Isolierabdeckung. Weiterhin werden in letzter Zeit Kraftfahrzeuge mit Frontmotor und Vorderradantrieb immer populärer, und die Ausgangsleistung der Motoren wird immer höher. Aufgrund dieser Tendenz werden die Umgebungsbedingungen im Motorraum immer schwieriger, und die Umgebungstemperatur steigt weiter an. Aus diesem Grunde wird verlangt, daß die unerwünschte Temperaturerhöhung wärmeerzeugender Teile selbst um solche Mengen wie 1°C unterdrückt wird.

Um das Verlangen der Minimalisierung der Mängel erzeugter Wärme als auch das Verlangen nach einer langen nutzbaren Lebensdauer zu erfüllen, gibt es einen Vorschlag, nach welchem ein Metall mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt, beispielsweise Silber oder Aluminium, zur Herstellung einer Sicherung verwendet wird. Allerdings besteht bei einer Sicherung aus Silber das Problem hoher Kosten. Weiterhin bildet Aluminium, wenn es zur Herstellung einer Sicherung verwendet wird, einen festen Oxidfilm, und es kann eine Brücke aus Aluminiumoxid in einem ungeschmolzenen Zustand verbleiben, selbst wenn die Sicherung durch einen erhöhten Strom erwärmt wird, bis schließlich der Schmelzpunkt erreicht wird. Da Aluminium leicht korrodiert, selbst wenn kein Oxidfilm gebildet wird, besteht eine Neigung zu elektrolytischer Korrosion zwischen der Sicherung und einem Verbindungsanschluß oder einer Leitung, mit der die Sicherung verbunden ist. Deshalb sind Silber und Aluminium nicht als Material zur Herstellung von Sicherungen geeignet, und aus Silber oder Aluminium bestehende Sicherungen werden heutzutage kaum praktisch eingesetzt.

In vorteilhafter Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Material zur Herstellung einer Sicherung bereitgestellt, welche eine geringe Wärmemenge erzeugt, eine lange nutzbare Lebensdauer aufweist, die mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden kann und zur Verwendung in Schaltkreisen geeignet ist, in denen ein verhältnismäßig hoher Strom fließt.

Der Erfinder hat beim Versuch, die beim Stand der Technik bestehenden voranstehend angegebenen Probleme zu lösen, Untersuchungen und Studien unternommen und festgestellt, daß eine Sicherung, die aus mit Kupfer beschichtetem (plattiertem) Aluminium oder aus einer walzbaren Aluminiumlegierung, welche mit Kupfer beschichtet ist, hergestellte Sicherung eine geringe Wärmemenge erzeugt, eine lange nutzbare Lebensdauer aufweist und eine steile Schmelzcharakteristik zur Stromkreisunterbrechung aufweist, selbst wenn sie in einen Schaltkreis geschaltet ist, welcher einen verhältnismäßig hohen Strom leitet.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich daher durch die Tatsache aus, daß Aluminium oder eine walzbare Aluminiumlegierung mit einer Kupferbeschichtung als Material zur Herstellung einer Sicherung verwendet wird.

Die erforderliche Dicke der Kupferbeschichtung beträgt nur etwa 1 bis 5 µm. Eine derartige Kupferbeschichtung kann einfach auf einer Oberfläche oder beiden Oberflächen des stromkreisunterbrechenden Schmelzbereichs der Sicherung durch eines der bekannten Verfahren einschließlich Elektroplattieren, Vakuumbedampfung und Verbindung durch Kaltwalzen abgelagert werden. Der Temperaturanstieg der Sicherung kann weiter durch Ablagerung einer Zinnbeschichtung auf der Kupferbeschichtung unterdrückt werden.

Die walzbare Aluminiumlegierung, welche vorzugsweise zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sicherung verwendet wird, ist beispielsweise Al : A 1200 oder Al : A 2218, welches als zur Herstellung von Blechen, Stangen, Platten, Streifen und dergleichen geeignetes Material in JIS (Japanese Industrial Standards) angegeben ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

Es zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Beispiel für eine aus einem Material unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellte Sicherung;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Anordnung aus dem Beispiel für eine Sicherung gemäß Fig. 1 und einem zugehörigen Anschlußteil;

Fig. 3 den Aufbau eines Geräts, welches zur Untersuchung der nutzbaren Lebensdauer und des Temperaturanstiegs der in Fig. 2 dargestellten Anordnung verwendet wird;

Fig. 4 einen Graphen einer Stromsignalform, welche in einem zyklischen Motorstromtest für die in Fig. 2 dargestellte Anordnung verwendet wird.

Fig. 1 ist eine Aufsicht auf ein Beispiel einer Sicherung A, welche durch Stanzen erhalten wurde. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht die Sicherung A aus einem länglichen Körper 2 mit einer Länge L₂ und einer Breite W₂ und einem Paar von Leiterverbindungsabschnitten 3, welche sich in entgegengesetzten Richtungen von dem Körper 2 erstrecken und eine Breite aufweisen, die größer ist als die des Körpers 2. Der Körper 2 umfaßt einen zentralen stromkreisunterbrechenden Schmelzabschnitt 1 mit einer Länge L₁, die geringer ist als L₂, und einer Breite W₂, die geringer ist als W₂. Es wurden verschiedene Materialien einschließlich des Materials gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Tabelle 1 dargestellt, verwendet, um derartige Sicherungsproben A herzustellen mit einer Dicke von 0,4 mm, und die Abmessungen von L₁, W₁ und L₂, W₂ wurden so gewählt, daß sich eine Strombelastbarkeit von 45 A ergab. Die Einheit der Abmessungen in den Klammern von Fig. 1 ist mm.

Jede dieser Sicherungsproben A wurde in eine symmetrische U-Form gebogen, wie in Fig. 2 dargestellt ist, und wurde mit einem Anschlußteil 4 zusammengebaut, welcher ein Paar elastischer Leiterhaltearme 6 aufweist, welche sich von einer Basis 5 aus erstrecken. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung B wurde in einem Plastikgehäuse 7 befestigt, wie in Fig. 3 angegeben ist, und ein Paar von Anschlußzungen 8, an welche Leiter 9 angekrimpt wurden, wurde in das Plastikgehäuse 7 eingefügt, um die Sicherungsprobe A zu testen.

Die Sicherungsprobe A wurde zwei Arten von Versuchen unterworfen, nämlich einem zyklischen Motorstromtest zur Bestimmung der nutzbaren Lebensdauer der Sicherungsprobe und einem Temperaturanstiegstest zur Messung des Temperaturanstiegs infolge von Wärme, die von der Sicherungsprobe unter normalen Stromleitbedingungen erzeugt wird.

Bei dem zyklischen Motorstromtest wurde die Probe in eine Umgebung gebracht, die auf einer Temperatur von 80°C gehalten wurde, und eine in Fig. 4 dargestellte Stromsignalform wurde in 200 000 Zyklen wiederholt an die Probe angelegt, um festzustellen, ob das stromkreisunterbrechende Durchschmelzen während dieses Belastungstests auftrat oder nicht.

Bei dem Temperaturanstiegsversuch wurde ein Strom von 30 A ständig der Probe zugeführt, die auf einer Temperatur von 80°C gehalten wurde, und ein nicht dargestelltes Thermoelement aus Kupfer-Konstantan, welches an der hinteren Oberfläche des mit dem Leiter gekrimpten Teils C gemäß Fig. 3 verbunden war, wurde zur Messung des Temperaturanstiegs der Probe verwendet.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Aus Tabelle 1 wird deutlich, daß die aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellte Sicherung einen geringeren Temperaturanstieg aufweist als konventionelle Sicherungen sowie eine hervorragende Haltbarkeit zeigt. Insbesondere weist die Sicherung, die zusätzlich zur Kupferbeschichtung mit einer Zinnbeschichtung versehen ist, einen noch weiter verringerten Temperaturanstieg auf.

Die Dicke der Kupferbeschichtung und die des Materials der erfindungsgemäßen Sicherungsproben wurden geändert, und mit derartigen Sicherungsproben wurden entsprechende Untersuchungen angestellt. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Es wird aus Tabelle 2 deutlich, daß eine walzbare Aluminiumlegierung, wenn diese an Stelle des Aluminiums verwendet wird, vorzugsweise als Material für die Sicherung verwendet werden kann, welche eine geringe Wärmemenge erzeugt, eine hohe nutzbare Lebensdauer aufweist und zur Verwendung in einem Schaltkreis geeignet ist, in dem ein verhältnismäßig hoher Strom fließt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellte Sicherung zeigt einen geringeren Temperaturanstieg und weist eine hohe Standfestigkeit auf, aus nachstehend angegebenen Gründen.

Wird die Sicherung in einen Schaltkreis geschaltet, in welchem ein verhältnismäßig hoher Strom fließt, so beginnt ein lokales Schmelzen der Aluminiumbasis zunächst bei etwa 660°C infolge der durch die Stromleitung erzeugten Wärme. Zwar neigt der Strom mehr dazu, durch die Kupferbeschichtung zu fließen als durch die Aluminiumbasis in ihrem geschmolzenen Zustand, jedoch wird der Schmelzpunkt des Kupfers schnell erreicht, da die Stärke der Kupferbeschichtung höchstens 3 µm beträgt. Da sich zu diesem Zeitpunkt die Aluminiumbasis bereits in ihrem lokal geschmolzenen Zustand befindet, wird sie scharf in dem geschmolzenen Bereich abgetrennt, ohne daß ihr Oxidfilm gebildet wird. Obwohl die Sicherung lokal auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, ist daher der bis zur Erreichung einer derartig hohen Temperatur verstrichene Zeitabschnitt sehr kurz. Daher wird ein benachbarter Teil nicht ungünstig durch die von der Sicherung erzeugte Wärme beeinflußt, und die Sicherheit des benachbarten Teils bleibt gesichert.

Auch werden die Metallteilchen der erfindungsgemäßen Sicherung nicht übermäßig groß, anders als solche aus Zink, und die Sicherung weist eine lange nutzbare Lebensdauer auf, wie aus den Tabellen 1 und 2 hervorgeht. Aus der voranstehenden Beschreibung wird deutlich, daß eine aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellte Sicherung eine geringe Wärmemenge erzeugt und eine lange nutzbare Lebensdauer aufweist, wenn sie in eine Schaltung geschaltet ist, in der ein verhältnismäßig hoher Strom fließt. Da die Materialkosten von Aluminium und Kupfer ebenso wie die von Zinn, die zur Herstellung der Sicherung verwendet werden, gering sind, kann darüber hinaus die Sicherung mit geringen Kosten hergestellt werden.

Claims

1. Material für eine Sicherung, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Aluminium mit einer hierauf aufgebrachten Kupferbeschichtung besteht.

2. Sicherungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Zinnbeschichtung auf der Kupferbeschichtung vorgesehen ist.

3. Material für eine Sicherung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer walzbaren Aluminiumlegierung besteht, welche mit einer hierauf aufgebrachten Kupferbeschichtung versehen ist.

4. Sicherungsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Zinnbeschichtung auf der Kupferbeschichtung vorgesehen ist.