DE3817994C2

DE3817994C2 -

Info

Publication number: DE3817994C2
Application number: DE19883817994
Authority: DE
Inventors: Stefan 7507 Pfinztal De Kreuzberger; Gerhard Prof. Dr. 5100 Aachen De Ondracek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1990-06-13
Also published as: DE3817994A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Manteldraht-Schmelzleiters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Elektrische Sicherungen mit trägem und mittelträgem Verhalten unterliegen der DIN 41 662 und 41 571/3 bzw. 41 571/2; 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 Federkonstruktionen im Einsatz. Bei dieser Methode werden zwei Schmelzleiter durch eine Lötstelle verbunden, die einem axialen Zug ausgesetzt 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 Legierungsbildung bewirkt, wodurch sich sein Widerstand und in der Folge auch seine Temperatur bis zum Durchschmelzen erhöht.

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

Ein Schmelzleiter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der CH 5 53 478 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, einen drahtförmigen Schmelzleiter auszubilden, der um einen ein- oder mehrschichtigen Metallkern einen Mantel aus unedlem Metall aufweist. Der Kern des Schmelzleiters kann homogen aus legiertem oder unlegiertem Metall (z. B. aus Kupfer oder aus Bronze bzw. aus einer Kupfer-Silber-Legierung bestehen, wobei sowohl unedle als auch edle Metalle in Betracht kommen. Er kann aber auch heterogen, z. B. aus mehreren Schichten, aufgebaut sein, wobei wiederum unlegierte und legierte unedle und edle Metalle in Betracht kommen können.

Unabhängig von der Ausführung der Schmelzleiter sind Konstruktion und Herstellung von Sicherungen speziell für kleine Nennströme problematisch. Die Schmelzleiter sind zwangsläufig dünn und brechen leicht bei der Bearbeitung und während des Transports der Sicherung. Häufig werden deshalb dünne Schmelzleiter auf einen Isolator gewickelt. Dies bedingt jedoch einen höheren Fertigungsaufwand.

Ein Herstellungsverfahren wird in der CH-5 53 478 nicht angegeben. Insbesondere ist unbekannt, auf welche Weise der Durchmesser des Kerns und die Schichtdiccke des äußerst dünnen Mantels durch einen vertretbaren Fertigungsaufwand in einem engen Toleranzbereich gehalten werden können.

Aus der DE 31 47 770 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Manteldraht-Schmelzleiters gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4 bekannt. Hierbei ist der Leiterkern in eine Matrix aus unedlerem Metall eingebettet. Als Matrixmaterial werden Kupfer und Kupferlegierungen sowie Aluminium und Aluminiumlegierungen vorgeschlagen. In einer Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Silberstab oder -draht in ein Kupferrohr gesteckt wird, wonach der sich so ergebende Manteldraht durch geeignete Verformungsbehandlungen wie z. B. Hämmern, Drahtziehen oder Walzen auf den gewünschten Querschnitt gebracht wid.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß zuvor aus dem Werkstoff des Kerns ein Stab oder Draht hergestellt werden muß, der von dem Rohr formschlüssig umfaßt werden kann. Dieser Nachteil ist vor allem dann schwerwiegend, wenn der Kern aus mehreren Stoffen mit definiertem Mischungsverhältnis bestehen soll.

Aus der DE-AS 16 38 101 ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem verschiedene Schmelzleiterquerschnitte von einzelnen Rollen abgewickelt, gemeinsam durch ein Flußmittel geleitet, dann durch eine erhitzte flüssige Weichmetall-Legierung geführt und anschließend durch eine kalibrierte Ziehmatrize auf den gewünschten Gesamtquerschnitt gezogen werden.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das Material des Mantels zuvor in den schmelzflüssigen Zustand gebracht werden muß. Dadurch wird die Auswahl für das Mantelmaterial stark eingeschränkt.

Das Material des Kerns muß bei diesem Verfahren chemisch und physikalisch ausreichend inert sein, um den bei hoher Temperatur durchgeführten Ziehschritt zu überstehen.

Träge Sicherungen sind weiterhin aus der CH 6 24 242 bekannt. Dort wird ein Schmelzeinsatz offenbart, der einen ersten, aus Kern und Mantel aufgebauten Schmelzleiter enthält, dem ein nicht ummantelter zweiter Schmelzleiter aus einer Nickellegierung parallel geschaltet ist. Dem Vorteil der besseren Reproduzierbarkeit steht jedoch ein höherer Fertigungsaufwand entgegen.

Ziehverfahren für Schmelzleiter sind außerdem aus der DE-PS 12 33 477 bekannt, doch muß hier der Mantel aus dem relativ teuren Edelmetall Silber bestehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Schmelzleiter für Sicherungen mit nach DIN träger und mittelträger Abschaltcharakteristik anzugeben, die in Fein- und Feinstsicherungen, somit bei Nennströmen unterhalb etwa 1,6 bis 1 A, verwendbar sind, die eine erhöhte mechanische Belastbarkeit, eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und enge Toleranzbereiche im Ansprechverhalten aufweisen sowie einfach und kostengünstig herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schmelzleiter gemäß der CH-5 53 478 durch das kennzeichnende Merkmal im Anspruch 1 gelöst.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Manteldraht-Schmelzleiters gemäß der DE-31 47 770 C2 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 4 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Kupfer und Kupferlegierungen, insbesondere Kupfer/Nickel, Kupfer/ Arsen/Phosphor oder Neusilber, sind plastisch verformbar und eignen sich deshalb in besonderer Weise als Mantelmaterial für ein Schmelzdraht-Herstellungsverfahren, das Hämmern, Ziehen und/oder Walzen einschließt.

Die hohe Leitfähigkeit von Kupfer kann durch nichtmetallische 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 sowie Legierungen und Mischungen, die diese beiden Metalle enthalten, in besonderer Weise

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

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

Plastisch verformbare Zusätze sind z. B. organische Polymere, insbesondere PVC. Diese Zusätze können in der Bramme als einzelne Stangen oder in Pulverform eingesetzt werden. Im fertigen Schmelzleiter liegen diese Zusätze in langgezogener, bänderförmiger Struktur vor.

Wird der Schmelzdraht nach der Pulvermethode hergestellt, können 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 wesentlichen partikelförmige Einschlüsse vor. Es ist offensichtlich, daß das Teilchengrößenspektrum des pulverförmigen Zusatzes auf den gewünschten Schmelzleiterdurchmesser abgestimmt werden muß. Der 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 gemahlen.

Schmelzleiter mit guten Eigenschaften lassen sich - unabängig 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 bestimmter Materialkombination auch mit anderen Querschnittsverhältnissen 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 Materialkombination ein trägeres Verhalten zeigen, wenn die Bestandteile 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 24 graphisch dargestellt.

Diese Figuren enthalten außerdem die Grenzwerte für die Schmelzzeiten entsprechend den jeweiligen DIN-Vorschriften (mit einem Pfeil gekennzeichnete Kurven).

Tabelle

Claims

1. Schmelzleiter für eine elektrische Sicherung mit träger oder mittelträger Abschaltcharakteristik für Nennströme unterhalb 1 A, der aus einem Metallkern und einem Mantel aus unedlem Metall aufgebaut ist und der zwei am Gehäuse isoliert angeordnete Kappen verbindet, bei dem während des Ansprechens des Schmelzleiters eine Metalldiffusion stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern einen elektrisch nicht leitenden Zusatz enthält.

2. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch nicht leitende Zusatz aus einem plastisch verformten isolierenden Material besteht.

3. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch nicht leitende Zusatz aus einem nicht plastisch verformbaren, isolierenden Material besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines Manteldraht-Schmelzleiters, der aus einem Mantel und einem Kern besteht, bei dem ein Rohr aus dem Werkstoff des Mantels mit dem Werkstoff, der den Kern des Manteldrahtes bildet, gefüllt wird, wonach das gefüllte Rohr durch Hämmern, Ziehen und/oder Walzen auf einen gewünschten Durchmesser gebracht wird, wobei für das Rohr eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Kern des Manteldrahtes ein auf mindestens 50 % der theoretischen Dichte verdichtetes Pulver verwendet wird, das aus Aluminium und/oderZink besteht und das wenn es aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist, zuvor gut durchgemischt wurde, wobei die Verwendung von Aluminium als Werkstoff für den Kern und einer Aluminiumlegierung als Werkstoff für den Mantel ausgeschlossen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Manteldraht-Schmelzleitern für Nennströme unterhalb 1 A dem Pulver als dem Werkstoff für den Kern ein elektrisch nicht leitender Zusatz beigemischt wird.