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Die Erfindung betrifft eine zustandsanzeigende
Schmelzsicherung mit einem Gehäuse, cas wenigstens einen
transparenten Abschnitt aufweist, mit zwei beabstandeten
Anschlüssen am Gehäuse zur Verbindung mit einem externen
Stromkreis, mit einem sich zwischen den Anschlüssen im Gehäuse
erstreckenden Sicherungselement, wobei das Sicherungselement
beim Fließen eines Kurzschlußstroms sofort oder beim Fließen
von progressiv zunehmenden überlastströmen nach verschiedenen
progressiv abnehmenden Zeitspannen schmilzt, um den
Stromkreis zwischen den Anschlüssen zu unterbrechen, und mit einer
Sicherungszustand-Anzeigevorrichtung im Gehäuse, die auf eine
Stromüberbelastung des Sicherungselements anspricht.
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Eine solche zustandsanzeigende Schmelzsicherung ist
aus der US-A-1 857 019 bekannt. Bei dieser bekannten Siche
rung wird durch thermo-chemische Reaktionen eine Farbänderung
hervorgerufen, die die Überlastung oder das Durchbrennen der
Sicherung anzeigt.
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Die Erfindung schafft eine zustandsanzeigende
Schmelzsicherung, bei der die Sicherungszustand-Anzeige
vorrichtung ein den Überlastzustand anzeigendes Material, das
sich anfänglich innerhalb des Gehäuses befindet und das, wenn
es an dem transparenten Abschnitt des Gehäuses abgeschieden
wird, eine sichtbare Beschichtung ergibt, die anzeigt, daß
die Sicherung unnormal hohe Stromwerte geführt hat, eine
Einrichtung, die auf einen Strom-Uberlastzustand anspricht, um
das den Überlastzustand anzeigende Material auf dem
transparenten Abschnitt des Gehäuses abzuscheiden, und eine
Einrichtung aufweist, die auf einen Kurzschlußzustand anspricht, um
Material des Sicherungselements auf dem transparenten
Abschnitt des Gehäuses abzuscheiden, wobei die Sicherung zwei
verschiedene Erscheinungsbilder der Beschichtung auf dem
transparenten Abschnitt, die zur Anzeige verschiedener
Überlastzustände unter diesen Überlastzuständen abgeschieden
wurden, und eine weitere, sich davon unterscheidende endgültige
Zustandsanzeige zeigt, wenn die Sicherung einem Kurzschluß
unterlag.
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Erfindungsgemäß wird eine wirtschaftlich herstellbare
Schmelzsicherung aus ungefährlichen Materialien geschaffen,
die in der Lage ist, eine visuelle Nachprüfung von
elektrischen Lastzuständen, die eine Unterbrechung des
Sicherungselements zur Folge haben (Kurzschluß), und von zwei
verschiedene Erscheinungsbilder ermöglicht, die verschiedene
Überlastzustände anzeigen, zum Beispiel ein Erscheinungsbild, das
einen kleinen Überlaststrom für eine längere Zeitspanne
anzeigt, und ein anderes Erscheinungsbild für einen hohen
Überlaststrom. Die Anzeige der beiden letzten Stromkreiszustände
ermöglicht es den Verantwortlichen, die elektrische Anlage zu
überprüfen, die Quelle des Überstroms zu bestimmen und
Korrekturen einzuleiten, bevor störende Betriebsunterbrechungen
oder Schäden an Komponenten des Stromkreises auftreten.
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Es ist anzumerken, daß die US-A-4 603 315 eine
Schmelzsicherung zeigt, die eine Farbe erzeugt, um eine
Überlast anzuzeigen, und eine Farbe, um einen Kurzschluß
anzuzeigen. Der Stand der Technik, auf den in dieser Druckschrift
hingewiesen wird, nennt zwei angezeigte Zustände, bei denen
die Sicherung unterhalb des Nennwertes betrieben wird, und
einen Zustand, der bei einem Kurzschluß angezeigt wird. Es
wird daher keine "träge " Sicherung oder eine Sicherung
angezeigt, die ohne unmittelbaren Kurzschluß über dem Nennwert
betrieben wird, insbesondere als diese
Zweifarben/Zweizustandsanzeige nicht auf den Gegenstand der US-A-4 603 315
mit einer Überlastzustandsanzeige übertragen wurde.
Darüberhinaus ist die den Farbunterschied hervorrufende Änderung
eine chemische Änderung.
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Bei der erfindungsgemäßen Sicherung ist das den
Überlastzustand anzeigende Material vorzugsweise eine
Beschichtung, die auf dem Sicherungselement aufgebracht wird und die
ein Material enthält, das dadurch auf Wärme an der
Übergangsstelle zwischen der Beschichtung und dem Sicherungselement
anspricht, daß es sich zersetzt und Gase erzeugt, die das
darüberliegende, den Überlastzustand anzeigende Material
gegen die transparente Innenseite des Gehäuses drängen.
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Vorzugsweise ruft das den Überlastzustand anzeigende
Material eine fluoreszierende Beschichtung an der Innenseite
des Sicherungsgehäuses hervor.
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Es ist hier anzumerken, daß der Gebrauch eines
fluoreszierenden Materials in einer zustandsanzeigenden Sicherung
an sich aus der DE-A-27 22 008 bekannt ist. Auch bei dieser
bekannten Sicherung wird die Änderung im Zustand durch eine
chemische Reaktion sichtbar gemacht.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung
beinhaltet Einzelheiten über die bevorzugte Beschichtung des
Sicherungselements und das Verfahren des Aufbringens dieser
Beschichtung auf den Sicherungsdraht.
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung gehen aus
der folgenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung
hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnung:
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Die Fig. 1 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch
eine Sicherungspatrone mit einem schnell ansprechenden,
üblichen Sicherungsdraht, der sich diagonal durch das
Sicherungsgehäuse erstreckt und auf dem eine neuartige Beschichtung
aufgebracht ist, die unter dem Einfluß von verschiedenen
Hochstromzuständen, die von geringer Überlast bis zu
wirklichen Kurzschlüssen reichen, verschiedene sichtbare Anzeigen
dieser Fälle durch Übertragen des Beschichtungsmaterials vom
Sicherungsdraht auf die Innenseite des transparenten
Sicherungsgehäuses erzeugt;
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die Fig. 2 ist ein vergrößerter Teil-Längsschnitt
durch die Sicherung der Fig. 1, wenn ein nicht
unterbrechender, jedoch hoher Strom durch den Sicherungsdraht fließt,
wobei die Beschichtung teilweise auf der Innenseite des
Sicherungsgehäuses abgeschieden wird, an der sie für einen
Betrachter der Sicherung sichtbar ist;
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die Fig. 3 ist ein vergrößerter Teil-Längsschnitt
durch die Sicherung der Fig. 1, wenn ein Kurzschlußstrom die
Sicherung sofort durchbrennen hat lassen;
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die Fig. 4 ist eine seitliche Ansicht der Sicherung,
die durch geeignetes, eine Farbe angebendes Schattieren die
Beschichtung am Sicherungsgehäuse zeigt, die anzeigt, daß
durch die Sicherung ein geringer Überlaststrom geflossen ist;
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die Fig. 5 ist eine seitliche Ansicht der Sicherung
der Fig. 4, die eine anders gefärbte Beschichtung zeigt, die
durch einen Kurzschlußzustand erzeugt wurde, der die
Sicherung durchbrennen ließ;
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die Fig. 6 ist ein Schnitt durch eine modifizierte
Sicherung, die der Sicherung der Fig. 1 ähnlich ist mit der
Ausnahme, daß der beschichtete Sicherungsfaden aus einem
besonders zusammengesetzten Material hergestellt wird, das als
Pyrofuze bekannt ist, das, wenn ein Strom ausreichender
Stärke hindurchfließt, eine Temperatur erreicht, bei der eine
schnelle Verbrennung des Drahtes ohne Sauerstoff erfolgt,
wobei die Fig. 6 die Beschichtung an dem teilweise
reagierenden Draht zeigt, wie sie an die gegenüberliegende Wand des
Sicherungsgehäuses getrieben wird; und
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die Fig. 7 zeigt die Sicherung der Fig. 6, wenn die
gesamte Länge des Drahtes verbrannt ist, so daß sich die
freigewordene und übertragene Beschichtung über die ganze
Länge des Sicherungsgehäuses erstreckt.
Genaue Beschreibung der Erfindung:
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Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine
herkömmliche aufgebaute Sicherungspatrone 2, ausgenommen daß das
Sicherungselement 4 davon eine neuartige Beschichtung 5
aufweist, die die eindeutigen Anzeigen der Erfindung ergibt.
Diese Beschichtung, die vorzugsweise ungefährlich ist, kann
auf jedes Sicherungselement aufgebracht werden, und nachdem
sie aufgebracht ist, zeigt sie über die gesamte Lebensdauer
der Sicherung eine ausgezeichnete Stabilität.
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Bei der gezeigten Konstruktion der Sicherungspatrone
erstreckt sich das Sicherungselement diagonal durch das
Innere eines transparenten Sicherungsgehäuses 6. Der
Sicherungsdraht 4 ist um die gegenüberliegenden Enden des Gehäuses
gebogen, an denen er zwischen dem Gehäuse und den zylindrischen
Rändern 8a-8a von becherförmigen, metallischen Endkappen 8-8
liegt, die über den offenen Enden des Gehäuses 6 angebracht
sind. Die Endes des Sicherungsdrahtes 4 sind auf herkömmliche
Weise physikalisch und elektrisch durch Lötmaterial 12-12 mit
den metallischen Endkappen verbunden. Das Lötmaterial kann
mit einem Klebstoff vermischt sein, der die Endkappen am
Gehäuse 6 haften läßt. Die gezeigten Endkappen haben keine
Zuleitungen und sind daher dafür vorgesehen, in herkömmliche
Federmetallanschlüssen eingesetzt oder direkt an Anschlüsse
auf einer gedruckten Leiterplatte angelötet zu werden (als
Oberflächenanbringung der Sicherung bezeichnet). Alternativ
können die Endkappen mit Zuleitungen versehen sein, die in
eine gedruckte Leiterplatte oder dergleichen eingelötet
werden können. Im letzteren Fall kann die Festigkeit der
Sicherung durch das Aufbringen eines transparenten
Schrumpfschlauches oder einer transparenten Umhüllung erhöht werden, die
sich um die Enden die Endkappen erstreckt, um die Sicherung
dicht zu verschließen und die Festigkeit der Sicherung zu
erhöhen.
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Für den effektivsten Gebrauch der vorliegenden
Erfindung sollte die Innenseite des Sicherungsgehäuses 6 mit einem
geeigneten Lösungsmittel gereinigt sein, so daß kein Material
vorhanden ist, das die wirksame Abscheidung des den
Sicherungszustand anzeigenden Materials stört, das von der darauf
auf
zubringenden Beschichtung 5 stammt. Die Beschichtung 5 des
Sicherungselements ist am vorteilhaftesten über im
wesentlichen die ganze Länge desjenigen Abschnittes des
Sicherungsdrahtes 4 aufgebracht, der sich gegenüber den sichtbaren
Abschnitten des Gehäuses 6 erstreckt. Wie erwähnt, sind die
Endabschnitte des Gehäuses durch die Ränder 8a-8a der
Endkappen 8-8 abgedeckt.
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Die Beschichtung 5 ist in der bevorzugtesten Form der
Erfindung aus einem Material, das auf den Temperaturzustand,
der an der Übergangsstelle zwischen dem Sicherungselement 4
und der Beschichtung 5 herrscht und der durch das
hervorgerufen wird, was als ein geringer Überlaststrom bezeichnet wird,
der keinesfalls die Sicherung durchbrennen läßt, durch
teilweises Verlassen des Sicherungsdrahtes und Ablagern an den
Wänden des Sicherungsgehäuses anspricht, um eine
Sicherungsanzeige einer Farbe oder eines Erscheinungsbildes
hervorzurufen. Wenn ein Kurzschlußstrom oder ein übermäßiger
Überlaststrom durch den Sicherungsdraht fließt, der die Sicherung
sofort durchschmelzen läßt, lagert sich die Beschichtung un
ter Hervorrufen einer anderen Farbe oder Anzeige an der Wand
des Gehäuses ab.
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Diese Übertragung der Beschichtung auf die Innenseite
des Sicherungsgehäuses kann auf eine Anzahl verschiedener
Arten erfolgen. Die Beschichtung kann von einer Art sein, die
unter den Temperaturzuständen teilweise oder vollständig
verdampft und dann an den kühleren Innenwänden des Gehäuses
kondensiert und sich ablagert. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung erfolgt diese Übertragung durch eine
Zersetzung des Beschichtungsmaterials nur an der Übergangs
stelle zwischen Beschichtung und Draht, wobei die erzeugten
gasförmigen Zersetzungsprodukte dann das verbleibende
Beschichtungsmaterial, das die Zersetzungszone umgibt, gegen
die Innenseite des Sicherungsgehäuses treiben. Wenn durch den
Sicherungsdraht fortlaufend ein geringer Überlaststrom
fließt, nehmen größere Abschnitte entlang des Drahtes eine
Temperatur an, die ausreicht, eine oberflächliche Zersetzung
der damit in Kontakt stehenden Beschichtung einzuleiten, so
daß zusätzliches Material übertragen werden kann. Die während
eines bestimmten Überlastfalles vorherrschenden Strombedin
gungen bilden entlang des Drahtes zu jeder Zeit ein
Temperaturprofil aus und bestimmen so die Geschwindigkeit und die
Menge des Materialtransfers und die sich ergebenden
Anzeigeeigenschaften.
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Die Fig. 4 zeigt die Erscheinungsform der Sicherung
unter der Bedingung einer geringen Überlast. In diesem Fall
entwickelt sich auf dem anfänglich farblosen, transparenten
Material des Sicherungsgehäuses eine gefärbte Beschichtung,
die in der Fig. 4 durch die Schattierung 5a angedeutet ist.
Bei einer beispielhaften Form der Erfindung verschiebt sich
die Farbe mit einem Ansteigen eines nicht auslösenden
Überlaststromes im Wert oder dem Fließen für eine längere
Zeitspanne von einem fahlen Gelb zu einem tiefen Gelb mit einem
rötlichen Ton. Wenn sich die Sicherung schließlich bei diesem
geringen Überstrom, der die Sicherung nicht sofort zum
Ansprechen bringt, doch öffnet, bleibt die Anzeige eine
tiefgelbe Version des zugrundeliegenden nicht auslösenden
Überlaststromzustandes. Die optische Untersuchung der Sicherung
ergibt somit eine Information über das Ausmaß des
Stromüberlastzustandes, der im betroffenen Stromkreis geherrscht hat.
Im Kurzschlußfall, der zum sofortigen Unterbrechen
des Sicherungsdrahtes führt, schmilzt der Sicherungsdraht,
verdampft, oxidiert und kondensiert auf der
Gehäuse-Innenseite als schwärzlich erscheinende Abscheidung 5b, wie es in
den Fig. 3 und 5 gezeigt ist. Die schwarze Farbe der Siche
rungsdrahtabscheidung überdeckt dabei die Farbe des ebenfalls
an der Gehäusewand abgeschiedenen Beschichtungsmaterials, so
daß die sich ergebende Beschichtung im wesentlichen schwarz
ist.
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Eine weitere erwünschte Eigenschaft der Beschichtung
5 des Sicherungselements ist, daß sie ein fluoreszierendes
Material enthält, das sich an den Innenwand des
Sicherungsgehäuses 6 anlagert. Wie erwähnt, hat dies den Vorteil, daß
eine große Zahl von Stromkreisen, die mit erfindungsgemäßen
Sicherungen abgesichert sind, durch Inspektion dieser Siche
rungen mit ultravioletter oder anderer Bestrahlung schnell
überprüft werden kann und unnormal hohe Betriebsströme leicht
festgestellt werden können, bevor Ausrüstungsteile Schaden
nehmen. Die Fluoreszenz des Materials, das sich an einem
bestimmten Sicherungsgehäuse angelagert hat, ruft unter der
Bestrahlung ein Aufleuchten hervor und dient dazu, diejenigen
Stromkreise festzustellen, bei denen eine erhebliche
elektrische Überlast aufgetreten ist.
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Wie erwähnt, kann die Beschichtung 5 aus
verschiedenen Materialien bestehen. Gemäß einer bevorzugten Form der
Erfindung ist das Basis-Beschichtungsmaterial eine
temperaturempfindliche Substanz, die von der Tempil-Abteilung der
Big Three Industries, Inc. in South Plainfield, New Jersey,
hergestellt wird. Dieses Material mit der Bezeichnung
"Tempilaq" wird unter einer Reihe von
Zusammensetzungen/Spezifikationen verkauft, um Beschichtungen mit
Schmelzeigenschaften erzeugen zu können, die eine bestimmte
Temperatur oder Abweichung anzeigen. Eine Tempilaq-Beschichtung, die
sich als brauchbar herausgestellt hat, ist die Tempilaq-
Zusammensetzung, die bei 33000 (625ºF) anspricht.
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Dieses Tempilaq-Material enthält ein Fluoreszein-
Pigment bzw. einen Farbstoff, der in einem flüchtigen
Lösungsmittel aufgelöst ist. Dieses Tempilaq-Material wird dann
mit einem Klebstoffgemisch und Xylol vermischt. Ein Beispiel
für den Klebstoff ist 40% Xylol (Spezifikationsnr. 1330-20-7)
und 60% Polymethylphenyl-Silikonharz (Spezifikationsnr.
63148-52-7). Das Xylol-Silikonharz kann von Rhone-Poulenc,
Inc. in New Brunswick, New Jersey bezogen werden. Diesem 40-
60%-Gemisch wird eine zusätzliche Menge an xylol zugegeben,
um das Xylol-Silikonharzverhältnis auf etwa 86% zu bringen.
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Das beispielhafte Gemisch aus diesem Tempilaq-
Material und der Silikon-Xylol-Lösung ist 50 Gewichts-%
Tempilaq und 50 Gewichts-% der Silikon-Xylol-Lösung.
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Beispielhaft wurde dieses Gemisch auf einem zu 20 %
versilberten Kupfer-Sicherungsdraht mit etwa 7,5 x 10&supmin;² mm
(0,0034") Durchmesser aufgebracht und an Luft getrocknet. Die
Dicke der Beschichtung betrug etwa 1,3 x 10&supmin;² mm (0,0005")
Der beschichtete Draht wurde dann für 30 Minuten in einem
Ofen bei einer Temperatur von 205ºC (400 Grad Fahrenheit)
getrocknet. Diese Wärmebehandlung diente zur Verbesserung der
Verteilung des Silikonbestandteils in der Beschichtung und
damit zur Verbesserung des Anhaftens der Beschichtung am
darunterliegenden Draht.
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Wenn dieser Sicherungsdraht wie in der Fig. 1 gezeigt
in ein Sicherungsgehäuse mit Endkappen eingebaut und für eine
Minute einer 135%-Stromüberlast unterworfen wurde, erschien
an der Innenwand des Sicherungsgehäuses eine hellgelbe
Abscheidung. Bei einem einfachen Sicherungsdraht, wie er in der
Fig. 1 gezeigt ist, der einer 500%-Überlast unterworfen wur
de, die zum sofortigen Ansprechen der Sicherung führte, war
die Farbe rötlich-braun, obwohl sie bei einem Kurzschlußstrom
schwärzlich war. Wenn das Sicherungselement eine langsam
ansprechende Sicherung aus einer um ein Material gewickelten
Spule aus Sicherungsdraht war, wie es im US-Patent 4 445 106
beschrieben ist, war wegen der unterschiedlichen Zustände,
die von einem solchen Strom in solch verschiedenen
Sicherungselementkonfigurationen hervorgerufen werden, die von
einer solchen 500%-Überlast hervorgerufene Farbe
bräunlichschwarz.
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Das beispielhaft bevorzugte Sicherungselement 4', das
wie beschrieben beschichtet und wärmebehandelt ist, wird in
das Sicherungsgehäuse 6 eingesetzt, wobei die Endkappen 8-8
auf die herkömmliche Weise angebracht werden. Dieser
Zusammensetzungsprozeß schließt das aufeinanderfolgende Anbringen
jeder der Endkappen 8 über einem Ende des Sicherungsgehäuses
6 und das Aufschmelzen eines Lotpellets durch Aufheizen der
Endkappe zum vorübergehenden Schmelzen des Pellets ein. Die
bei diesem Vorgang erzeugte Wärme schmilzt nur den Teil der
Beschichtung des Drahtes weg, der an die Endkappen angrenzt.
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Das ist der Grund dafür, warum die Dicke der Beschichtung an
den Enden des Sicherungselements 4 der Fig. 1 und 2 auf Null
zurückgeht.
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Die gerade beschriebene Form der Erfindung ist die
bevorzugte Form. Anhand der Fig. 6 und 7 wird eine
modifizierte, jedoch weniger bevorzugte Form der Erfindung
erläutert. Diese Ausführungsform der Erfindung zeigt den breiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung, die auch auf eine
Schmelzsicherung anwendbar ist, die nur eine einzige Anzeige der
Unterbrechung des Sicherungselements aufgrund übermäßiger
Stromüberlastung aufweisen kann, während die bevorzugte Form
auch unter geringen, nicht unterbrechenden Überlastzuständen
eine unterscheidende Anzeige ergibt.
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Die in der Fig. 6 und 7 gezeigte Sicherung ist im
wesentlichen die gleiche wie die in der Fig. 1 gezeigte, mit
der Ausnahme, daß das Sicherungselementmaterial 4', anstelle
von einer herkömmlichen Schmelzlegierung zu sein, aus einer
exotischeren zusammengesetzten Kombination von metallischen
Elementen besteht, die bei ausreichender Aufheizung neuartige
Eigenschaften zeigen, wie es der Situation entspricht, wenn
durch einen Draht aus diesem Material ein hoher Strom fließt.
Das spezifische Drahtmaterial, auf das hier Bezug genommen
wird, ist das von der Pyrofuze Corp. unter der Bezeichnung
Pyrofuze verkaufte Material. Es besteht aus einem Kern aus
einer Aluminiumlegierung #5056, der von einer Hülle aus Pal
ladium mit 5% Ruthenium umgeben ist. Ein durch eine Sicherung
mit Pyrofuze-Drahtelementen fließender Überlaststrom erhöht
die Temperatur auf einen Wert, bei dem eine schnelle
Legierung der Komponenten erfolgt, und auch ohne das Vorhandensein
von Sauerstoff erfolgt eine sofortige Verbrennung und ein
Verdampfen der Bestandteile des Drahts. Wenn diese Reaktion
in der Mitte des Sicherungselements ausgelöst wird, pflanzt
sie sich schnell in beiden Richtungen den Draht entlang fort,
bis die beiden gegenüberliegenden Endkappen 8-8 erreicht
sind. Wenn die beschriebenen metallurgischen Reaktionen
erfolgen, befördern die sich bildenden kochenden und
verdampfenden Produkte die Beschichtung 5', die auf der ganzen Länge
des Drahtes aufgebracht ist, an die Innenfläche des Gehäuses
6, wie es am besten in der Fig. 7 zu sehen ist.
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Bei dieser Form der Erfindung, bei der nur elektri
sche Überlastungszustände existieren, die eine Unterbrechung
des Sicherungselementdrahtes hervorrufen, kann die
Beschichtung 5' aus jedem geeigneten, gefärbtem Material sein, das
gegen die Innenwand des Sicherungsgehäuses getrieben wird.
Die Beschichtung 5' kann auch die gleich Beschichtung 5 sein,
wie sie in der vorhergehenden Form der Erfindung beschrieben
wurde, die in den Fig. 1 bis 5 gezeigt ist.
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Die Erfindung wurde anhand einer bevorzugten
Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß die
verschiedensten Änderungen erfolgen können und die einzelnen
Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne daß
von den breiteren Aspekten der Erfindung abgewichen wird. Es
ist auch nicht beabsichtigt, daß breitere Ansprüche, die
keine Einzelheiten der besonderen Ausführungsform enthalten, die
hier als die beste Art der Ausführung der Erfindung
beschrieben ist, auf solche Einzelheiten eingeschränkt werden.