DE3817994A1 - Schmelzleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzleiter für eine elektroni­ sche Sicherung mit träger oder mittelträger Abschaltcharakte­ ristik für mittlere oder kleine Nennströme nach der Metalldif­ fusionsmethode, der aus einem Kern und einem Mantel besteht und zwei gegeneinander isolierte Kappen verbindet.

Elektrische Sicherungen mit trägem und mittelträgem Verhalten unterliegen der DIN 41662 und 41571/3 bzw. 41571/2; sie lassen sich nach Konstruktion und Aufbau des Schmelzleiters in drei Hauptgruppen gliedern:
1. Federkonstruktionen,
2. Metalldiffusionsmethode,
3. Anwendung chemischer Reaktionen.

Für Nennströme unter ca. 1,6 A sind vornehmlich Federkonstruk­ tionen im Einsatz. Bei dieser Methode werden zwei Schmelzlei­ ter durch eine Lötstelle verbunden, die einem axialen Zug aus­ gesetzt ist.

Erreicht die Lötstelle bei einer bestimmten Strombelastung den Schmelzpunkt, unterbricht die Zugfeder die Verbindungsstelle.

Bei der Metalldiffusionsmethode enthält der Schmelzleiter einen niedrig schmelzenden Wirkstoff, der bei einer bestimmten Stromstärke schmilzt und in dem Schmelzleiter eine Legierungs­ bildung bewirkt, wodurch sich sein Widerstand und in der Folge auch seine Temperatur bis zum Durchschmelzen erhöht.

Ein ähnlicher Effekt wird bei der Anwendung chemischer Reak­ tionen ausgenützt. In solchen Schmelzleitern reagieren chemi­ sche Verbindungen bei überhöhten Temperaturen mit dem Metall und wandeln es in nicht leitendes Salz um.

Unabhängig von der Ausführung der Schmelzleiter sind Konstruk­ tion und Herstellung von Sicherungen speziell für kleine Nenn­ ströme problematisch. Die Schmelzleiter sind zwangsläufig dünn und brechen bei der Bearbeitung und während des Transports der Sicherung leicht.

Häufig werden deshalb dünne Schmelzleiter auf einen Isolator gewickelt. Dies bedingt jedoch einen höheren Ferti­ gungsaufwand.

Verunreinigungen des Materials und die oft unvermeidliche Kor­ rosion während der Lager- und Einsatzzeit verändern die Ab­ schaltcharakteristik stark. Die Abschaltcharakteristik wird ferner durch das Einlöten der Schmelzleiter und das damit ver­ bundene Vorlegieren in unerwünschter Weise beeinflußt.

Ein wesentliches Problem stellt die unbefriedigende, nicht vollautomatisierbare Herstellung Fein- und Feinstsicherungen und die hieraus resultierende starke Streuung des Abschaltver­ haltens dar.

Nach der CH-PS 5 53 478 sollen diese Schwierigkeiten für träge Schmelzeinsätze durch Schmelzleiter gelöst werden, bei denen ein Kern aus Kupfer, Bronze oder Kupfer/Silber-Legierung von einem Mantel aus Zinn umgeben wird.

Ein Herstellungsverfahren wird in dieser Patentschrift nicht angegeben. Insbesondere ist unbekannt, auf welche Weise der Durchmesser des Kerns und die Schichtdicke des äußerst dünnen Mantels durch einen vertretbaren Fertigungsaufwand in einem engen Toleranzbereich gehalten werden kann.

Träge Sicherungen mit besser reproduzierbarer Abschaltcharak­ teristik sind aus der CH-PS 6 24 242 bekannt. In dieser Patent­ schrift wird ein Schmelzeinsatz offenbart, der einen ersten, aus Kern und Mantel aufgebauten Schmelzleiter enthält, zu dem ein nicht ummantelter zweiter Schmelzleiter aus einer Nickel­ legierung parallel geschaltet ist. Dem Vorteil der besseren Reproduzierbarkeit steht jedoch ein höherer Fertigungsaufwand entgegen.

Es ist weiterhin bekannt, daß Schmelzleiter für elektrische Sicherungen durch Ziehverfahren hergestellt werden können, doch muß hierbei nach der DE-PS 12 33 477 der Mantel aus dem relativ teuren Edelmetall Silber bestehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Schmelzleiter für Si­ cherungen mit nach DIN träger und mittelträger Abschaltcharak­ teristik anzugeben, die insbesondere in Fein- und Feinstsiche­ rungen verwendbar sind, somit bei Nennströmen unterhalb etwa 1,6 bis 1 A.

Die mechanische Belastbarkeit der Schmelzleiter für kleine und kleinste Nennströme soll ohne Verwendung konstruktiver Hilfs­ mittel erhöht werden. Weiterhin soll die Oberfläche der Schmelzleiter aus einem relativ billigen korrosionsbeständigen Material bestehen, das gut lötbar ist und bei dem durch den Lötvorgang keine oder nur eine minimale Vorlegierung auftritt.

Die Schmelzleiter sollen nach einem einfachen, billigen und automatisierbaren Verfahren herstellbar sein, das enge Tole­ ranzbereiche und somit eine gute Reproduzierbarkeit des Ab­ schaltverhaltens zuläßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Schmelzleiter gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, daß

• a) der Mantel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, vorzugs­ weise Kupfer/Nickel, Kupfer/Arsen/Phosphor oder Neusilber, oder aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise Alumi­ nium/Magnesium/Silicium, besteht,
• b) der Kern aus Aluminium oder Zink oder einer Legierung oder Mischung besteht, die diese beiden Bestandteile enthält,
• c) der Kern für Schmelzleiter für sehr kleine Nennströme einen elektrisch nicht leitenden Zusatz enthält,
• d) der Schmelzleiter durch Hämmern, Ziehen und/oder Walzen ei­ nes mit den Werkstoffen des Kerns gefüllten Mantelrohres (Bramme) hergestellt wurde.

Das Verfahren zur Herstellung derartiger Schmelzleiter ist er­ findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter durch Hämmern, Ziehen und/oder Walzen einer Bramme hergestellt wird, die aus einem Rohr mit den Werkstoffen des Mantels be­ steht, das den (die) Werkstoff(e) des Kerns entweder

• a) in Form von mindestens einer Stange enthält, wobei die Stangen aus dem Werkstoff des Kerns bestehen oder in ihrer Gesamtheit die Zusammensetzung des Werkstoffs des Kerns er­ geben oder
• b) in Form eines auf mindestens 50% der theoretischen Dichte verdichteten Pulvers enthält, das im Fall, daß der Werk­ stoff des Kerns aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist, aus einem gut durchmischten Gemenge dieser Bestand­ teile in Pulverform besteht.

Kupfer und Kupferlegierungen, insbesondere Kupfer/Nickel, Kup­ fer/Arsen/Phosphor oder Neusilber, sind plastisch verformbar und eignen sich deshalb inbesonderer Weise als Mantelmaterial für ein Schmelzdraht-Herstellungsverfahren, das Hämmern, Zie­ hen und/oder Walzen einschließt.

Die hohe Leitfähigkeit von Kupfer kann durch nicht metallische Zusätze stark erniedrigt werden.

Reines Aluminium ist wegen seiner plastischen Verformbarkeit prinzipiell als Mantelmaterial geeignet.

Wegen seiner schlechten Lötbarkeit ist es zur Herstellung von Sicherungen nicht vorteilhaft. Aluminiumlegierungen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit durch metallische und/oder nichtmetallische Zusätze verringert wurde, sind jedoch zur Herstellung von Sicherungen verwendbar, insbesondere, weil die Legierungen besser lötbar sind.

Das Material des Kerns muß - ebenso wie das Mantelmetall - plastisch verformbar sein.

Diese Bedingung erfüllen die Elemente Aluminium und Zink und Legierungen und Mischungen, die diese beiden Metalle enthal­ ten, in besonderer Weise.

Durch Zusatz inerter, elektrisch nicht leitfähiger Bestand­ teile zum Kern kann für sehr kleine Nennströme der Durchmesser des Schmelzleiters vergrößert werden, ohne daß die elektrische Leitfähigkeit zunimmt. Dickere Schmelzleiter, die solche Zu­ sätze enthalten, sind gegen mechanische Beschädigungen wesent­ lich beständiger.

Die elektrisch nicht leitenden Zusätze können plastisch ver­ formbar oder nicht verformbar sein.

Plastisch verformbare Zusätze sind z. B. organische Polymere, insbesondere PVC. Diese Zusätze können in der Bramme als ein­ zelne Stangen oder in Pulverform eingesetzt werden. Im ferti­ gen Schmelzleiter liegen diese Zusätze in langgezogener, bän­ derförmiger Struktur vor.

Wird der Schmelzdraht nach der Pulvermethode hergestellt, kön­ nen auch nicht plastisch verformbare Zusätze wie z. B. ZnO, oxidische Keramiken oder Glas verwendet werden. Diese Zusätze liegen im ausgezogenen Schmelzdraht als fein verteilte, im we­ sentlichen partikelförmige Einschlüsse vor. Es ist offensicht­ lich, daß das Teilchengrößenspektrum des pulverförmigen Zu­ satzes auf den gewünschten Schmelzleiterdurchmesser abgestimmt werden muß; Durchmesser der größten Teilchen muß deutlich kleiner sein als der Durchmesser des fertigen Schmelzdrahtes. Zweckmäßigerweise werden nicht plastisch verformbare Zusätze vor ihrer Verwendung zu einem möglichst feinen Pulver gemah­ len.

Schmelzleiter mit guten Eigenschaften lassen sich - unabhängig von den verwendeten Materialien - dann erhalten, wenn die Querschnittsfläche des Kerns etwa 20 bis 50%, vorzugsweise 30 bis 40% beträgt, doch ist nicht ausgeschlossen, daß bei be­ stimmter Materialkombination auch mit anderen Querschnittsver­ hältnissen gute Ergebnisse erzielt werden.

Durch das angegebene Herstellungsverfahren wird erreicht, daß Schmelzleiter mit den verschiedensten Materialkombinationen mit denselben Verfahrenshilfsmitteln herstellbar sind. Wegen der vielfältigen Variationsmöglichkeiten kann insbesondere der Kern den Erfordernissen auf einfache Weise angepaßt werden. Es hat sich gezeigt, daß die Schmelzleiter bei gleicher Material­ kombination ein trägeres Verhalten zeigen, wenn die Bestand­ teile des Kerns als Pulver eingesetzt werden.

Für sehr kleine Nennströme kann der Schmelzleiter in bekannter Weise gewendelt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen, die in der Tabelle zusammengefaßt sind, näher erläutert.

Die jeweiligen Schmelzzeiten sind in den Fig. 1 bis 19 gra­ phisch dargestellt.

Diese Figuren enthalten außerdem die Grenzwerte für die Schmelzzeiten entsprechend den jeweiligen DIN-Vorschriften.

Tabelle

Claims (6)

1. Schmelzleiter für eine elektrische Sicherung mit träger oder mittelträger Abschaltcharakteristik für mittlere oder kleine Nennströme nach der Metalldiffusionsmethode, der aus einem Kern und einem Mantel besteht und zwei gegeneinander isolierte Kappen verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Mantel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, vor­ zugsweise Kupfer/Nickel, Kupfer/Arsen/Phosphor oder Neu­ silber, oder aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise Aluminium/Magnesium/Silicium, besteht,
• b) der Kern aus Aluminium oder Zink oder einer Legierung oder Mischung besteht, die diese beiden Bestandteile enthält,
• c) der Kern für Schmelzleiter für sehr kleine Nennströme einen elektrisch nicht leitenden Zusatz enthält,
• d) der Schmelzleiter durch Hämmern, Ziehen und/oder Walzen eines mit den Werkstoffen des Kerns gefüllten Mantelroh­ res (Bramme) hergestellt wurde.

2. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer/Nickel-Legierung für den Mantel 10 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.

3. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer/Nickel-Legierung für den Mantel ein oder mehrere weitere Metalle, vorzugsweise Mangan und/oder Eisen, ent­ hält.

4. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter als elektrisch nicht leitenden Zusatz ein plastisch verformtes isolierendes Material, vorzugsweise ein organisches Polymer, insbesondere PVC, enthält.

5. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter als elektrisch nicht leitenden Zusatz ein nicht plastisch verformbares, isolierendes Material, vor­ zugsweise ein Metalloxid, insbesondere eine oxidische Kera­ mik oder Zinkoxid, oder ein Glas in körniger, fein verteil­ ter Form enthält.

6. Verfahren zur Herstellung von Schmelzleitern nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter durch Hämmern, Ziehen und/oder Walzen einer Bramme herge­ stellt wird, die aus einem Rohr mit den Werkstoffen des Mantels besteht, das den (die) Werkstoff(e) des Kerns ent­ weder

• a) in Form von mindestens einer Stange enthält, wobei die Stangen aus dem Werkstoff des Kerns bestehen oder in ihrer Gesamtheit die Zusammensetzung des Werkstoffs des Kerns ergeben oder
• b) in Form eines auf mindestens 50% der theoretischen Dichte verdichteten Pulvers enthält, das im Fall, daß der Werkstoff des Kerns aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist, aus einem gut durchmischten Gemenge dieser Bestandteile in Pulverform besteht.