DE8812144U1

DE8812144U1 - Kleinstsicherung

Info

Publication number: DE8812144U1
Application number: DE8812144U
Authority: DE
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1988-11-17

Description

Kleinstsicherung

Die Neuerung bezieht sich auf eine Kleinstsicherung mit einem bei überlast schmelzenden Schmelzleiter in einer druckdicht abgeschlossenen, gasgefüllten oder luftleeren Kammer, die aus einem Isolierstoffsockel und einer Metallkappe und zwei durch den Sockel hindurchtretenden Kontakten besteht, die durch den Schmelzleiter üijsrbriicict sind.

Bekannte Kleinstsicherungen der vorstehenden Art (vgl.

DE-GM 85 07 615.5 Fig. 1), bei denen eine Metallkappe auf einen Isolierstoffsockel aufgesetzt ist, weisen nur ein geringes Schaltvermögen auf. Bei höherer Belastung sind sie leicht zerstörbar, so daß Kleinstsicherungen mit Metallkappen nicht verwendet werden, wenn ein hohes Schaltvermögen erforderlich ist.

Statt dessen werden aus einem Isolierstoffsockel mit einer entsprechenden Isolierstoffkappe gebildete Kleinstsicherung verwendet, wenn höher belastbare Kleinstsicherungen verlangt werden, wie sie in Verbindung mit das Schaltvermögen anhebenden Maßnahmen beispielsweise aus der DE-OS 31 18 943.1 bekannt sind.

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Klein- und Kleinstsicherungen werden ihres geringen Platzbedarfs wegen zunehmend bevorzugt. Aber kleinste Abmessungen in Verbindung mit hohem Schaltvermögen engen den Spielraum des Konstrukteurs erheblich ein. Bei einer handelsüblichen Kleinstsicherung mit zylindrischem Gehäuse beträgt der Außendurchmesser nur 8 mm und die Höhe 6 mm. Das Schaltvermögen derartiger Sicherungen beträgt üblicherweise 35 A bei 250 V oder 100 A bei 125 V je nach Norm &iacgr;StandardJ .

Für zahlreiche Anwendungsfälle wird jedoch ein höheres Schaltvermögen, als bisher erreichbar ist, verlangt. Hierfür ist jedoch eine möglichst frühe Löschung des Lichtbogens erforderlich, der sich mit dem Einsetzen des Abschmelzens des Schmelzleiters bildet und über den der Strom trotz der Trennung durch den Schmelzleiter weiterhin fließt. Bei anhaltendem Lichtbogen werden durch die andauernde Energiezufuhr der Druck und die Temperatur im Inneren des Sicherungsgehäuses schließlich ^so groß, daß der maximale Belastungdruck überschritten wird und die Gehäusewandung zerstört wird. Die Sicherung

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Zur Vermeidung einer starken, zur Explosion führenden Druck- und Temperaturerhöhung im Sicherungsgehäuse wird die Sicherungskammer überlicherweise mit einer energieaufnehmenden Masse gefüllt, die beispielsweise aus Sand, Glassplittern oder einem typischen Löschmittel bestehen kann. Diese Füllmittel verändern die Charakteristik in Richtung flink, und der Fertigungsaufwand wird größer.

Insbesondere bei Kleinstsicherungen ist die Verwendung von Füllmitteln zur Erhöhung des Schaltvermögens besonders nachteilig. Auch der Möglichkeit, die Druckfestigkeit des Sicherungsgehäuses zu verbessern, sind Grenzen gesetzt.

Allerdings ist bereits eine deutliche Verbesserung des Schaltvermögens bei Kleinstsicherungen dadurch erreicht worden, daß man das Sicherungsgehäuse innen mit energie-

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absorbierendem Material ausgekleidet hat. Dabei besteht zwischen diesem Material und dem Schmelzleiter sowie den Anschlußkontakten keine mechanische oder elektrische Verbindung. Das Material wird beispielsweise in Form einer Keramikscheibe in ein zylinderförmiges Sicherungsgehäuse eingelegt (DE-OS 31 18 943.1), oder es wird eine Beschichtung der Innenwand des Gehäuses mitttels keramischer Suspension oder durch einen mehrschaligen Aufbau der Znn^pwcL^icl hu &xgr; ^a^erislien iui"*" "ni"oi"enhiorn &iacgr; ^Kom wh vm^* &igr; _&Agr;&iacgr; ^

und Speichervermögen eine Anordnung geschaffen, mit der vor allem eine zusätzliche Wärmeabsorption herbeigeführt wird, die der Entstehung extremer Innendrücke entgegenwirkt. Diese Maßnahme erhöht das Schaltvermögen von Klein- und Kleinstsicherungen bereits beträchtlich.

Dennoch besteht der Wunsch nach einer v/eiteren Steigerung des Schaltvermögens insbesondere von Kleinstsicherungen, ohne daß die Abmessungen und der Fertigungsaufwand zunehmen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von der eingangs genannten Kleinstsicherung mit Metallkappe neuerungsgemäß voroesehen. daß Form und Wankel-Mi-W&ogr; ^{&Lgr;&thgr;&Iacgr;}~ Metallkannp sowie die Lage ihrer Innenwandung zu dem Schmelzleiter bzw. zu den Kontakten derart gewählt sind, daß ein beim Abschalten der Sicherung am Schmelzleiter entstehender Lichtbogen auf die Innenwandung der Metallkappe übergeht und verlöscht.

Es hat sich gezeigt, daß dieser neue von der Neuerung eingeschlagene Weg eine bedeutende Anhebung des Schaltvermögens von Kleinstsicherungen ohne Änderung der Abmessungen ermöglicht. Abweichend von den bisher eingeschlagenen Wegen wird die beim Abschmelzen des Schmelzleiters in der Kammer der Sicherung freiwerdende Energie aus dem von der Kammer umschlossenen Raum abgeführt, ohne das den Schmelzleiter umhüllende gasförmige Medium als Energietransportmittel zu benutzen. Bisher war ohne Füllmittel, die aus den oben angegebenen Gründen insbesondere bei

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Kleinsteicherungen nicht in Betracht kommen, nicht zu vermeiden, daß der Lichtbogen nach dem vollstMndingen Abschmelzen des Schmelzleiters zwischen den beiden inneren Kontakten der Sicherung weiter brennt, und zwar mit der Folge, daß die Energieabgabe an das Medium in der Kammer und damit die weitere Zunahme des Innendrucks in der Kammer anhält.

Neuerungsgemäß w-irrl statt dessen durch sine entsprechende IQ Form der Metallkappe sowie eine entsprechende Bemessung der Wandstärke der den Schmelzleiter umgebenden, wärmeabsorbierenden und elektrisch leitenden Metallkappe und durch Anordnung ihrer Innenwandung in entsprechender Lage gegenüber dem Schmelzleiter bzw. den Kontakten erreicht, daß der Lichtbogen unmittelbar nach Abschmelzen eines ausreichendem Teils des Schmelzleiters auf die Innenwandung überspringt und nunmehr, um den elektrischen Kreis zu schließen, zwei Lichtbogen bildet, die jedoch nicht mehr den Schmelzleiter erfassen, sondern von den inneren Enden der Kontakte bzw. der Kontaktstifte, zwischen denen der Schmelzleiter verläuft, ausgehen und sich von dort zu der Innenwandung der Metallkappe erstrecken.

Bei der Zündung und Aufrechterhaltung der Lichtbogen, die auf die im Nebenschluß liegende Metallkappe übergehen, wird das Material der Metallkappe im Bereich der Fußpunkte der Lichtbögen auCjeheizt, wobei bereits Energie verzehrt wird. Je nach Art des Materials, aus dem die Metallkappe besteht, bringen die Lichtbögen das Material in den ₃Q Fußpunktbereichen zum Schmelzen, so daß ein weiterer Energieanteil in Schmelzwärme umgesetzt wird. Hierfür ist außerordentlich wichtig, daß die Wandstärke der Metallkappe ausreichend bemessen ist, damit die Metallk nicht durchschmilzt und Löcher entstehen, durch die g₅ der Metalldampf und die Gase aus der Kammer ausgeblasen werden.

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Bei entsprechender Wahl der Form des Materials und der Wandstärke der Metallkappe sowie der Anordnung der Innenwandung der Metallkappe gegenüber den inneren Kontakten der Sicherung vergrößert sich die Gesamtlänge der beiden Lichtbögen, und die Energiezufuhr wird somit gesenkt. Ein beträchtlicher Teil der zugeführten Energie, die sonst das Aufheizen der Gasfüllung in der Kammer und dadurch das unerwünschte Anwachsen des Innendrucks bewirkt, wird damit als Schmelzwärme verbraucht, so daß der maximale Belastungsdruck des Sicherungsgehäuses nicht überschritten wird. Anders ausgedrückt, dient die Metallkappe in entsprechender Auswahl der Bemessung und Anordnung der Abkühlung des Lichtbogens dadurch, daß dem Lichtbogen Energie entzogen wird, die vor allem direkt auf die Metallkappe übergeht. An der Innenwandung der Metallkappe bilden sich mindestens zwei neue Fußpunkte des Lichtbogens, so daß die Lichtbogenspannung insgesamt zunimmt.

Der Energieverzehr durch Teilung, Verlagerung und Benutzung des Lichtbogens zum Metallschmelzen ist so effektiv, daß der beim Abschalten der Sicherung im Inneren der Kammer entstehende Druck überraschend niedrig bleibt. Dies trifft selbst dann noch zu, wenn die Strombelastung beim Abschalten der Sicherung in einer Größenordnung liegt, die mit den bisher verfügbaren Klein- und Kleinstsicherungen nicht mehr beherrschbar ist.

Die Neuerung läßt sich prinzipiell bei allen bekannten Klein- und Kleinstsicherungen unabhängig von der jeweiligen Gehäuseform verwirklichen. Wesentlich ist stets, daß der Lichtbogen rechtzeitig von dem Schmelzleiter auf die Innenwandung der Metallkappe überspringt und ein ausreichender Anteil der zugeführten Energie in Schmelz= wärme umgesetzt und im Material der Metallkappe gespeichert wird, so daß diese Energie nicht wir Erhöhung dee Innendrucks in der Kammer .beitrugen kann. Ein rechtzeitiges Überspringen heißt/ daß der Sehnte Is leiter zur Herbeiführung einer sicheren Trennung über eine entsprechende Mindestlänge

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geschmolzen sein muß, ehe der Lichtbogen den Schmelzleiter verläßt. Allerdings soll das überspringen auch nicht später als notwendig erfolgen, um möglichst rasch eine direkte Zufuhr und Speicherung der Energie in der Wandung der Metallkappe zu bewirken.

Mit den bisher bereits bekannten Metallkappen von Sicherungen, denen die neuerungsgemäße Bemessung der Wandstärke und die notwendige Anordnung der Innenwandung gegenüber dem Schmelzleiter und den Kontakten fehlt, ist die neuerungsgemäße Aufgabe nicht lösbar. Denn die vorstehend erläuterten neuerungsgemäß erreichbaren Wirkungen bei der Lichtbogenlöschung sind damit nicht erzielbar. Metallkappen werden auch nur so verwendet, daß der sich beim Abschalten der Sicherung bildende Lichtbogen gerade nicht auf die Innenwandung des Gehäuses überspringen kann. Gewöhnlich übernimmt die Metallkappe nur die Funktion des Gehäuses, für das eine möglichst geringe Wandstärke gewählt wird und das nicht zur Lichtbogenlöschung herangezogen wird. Entsprechend würde eine hohe Schaltbelastung ohne weiteres zur Zerstörung solcher Sicherungen führen.

Durch Wahl der Abstände des Schmelzleiters bzw. der Kontakte von den Seiten der Innenwandung bzw. von der

2b Stirnseite derselben läßt sich vorgeben, ob der Lichtbogen nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters auf die Stirnseite der Innenwandung oder aber auf deren Seiten unmittelbar neben den Kontaktenden überspringt. Wenn ein bestimmter Mindestabstand der Kontakte nicht zu unterschreiten ist und wegen der verlangten Miniaturisierung von Kleinstsicherungen ein vorgegebener Außendurchmesser nicht überschritten werden darf, wird neuerungsgemäß bevorzugt, daß der Abstand des Schmelzleiters bzw. der Kontakte von den Seiten der Innenwandung kürzer als der Abstand von der Stirnseite ist, so daß der Lichtbogen, der den kürzeren Weg wählt, von den Kontakten jeweils seitwärts auf die benachbarte Innenwandung überspringt., so daß statt eines Lichtbogens zwei Lichtbogen an gegenüberliegenden Seiten der Kammer gebildet werden.

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Neuerungsgemäß kann die Metallkappe eine teilweise oder vollständige Auskleidung einer äußeren Kunststoffkappe bilden, wenn eine solche Kapselung gewünscht wird, die gleichzeitig eine elektrische Isolierung bewirkt.

Eine elektrische Isolierung der Außenseite der Metallkappe ist jedoch vorzugsweise durch Vorhandensein oder Aufbringen einer entsprechenden äußeren Isolierschicht herbeizuführen. Hierzu kann bereits das Blech, aus dem die Metallkappe durch Tiefziehen hergestellt wird, eine entsprechende Kunststoffschicht aufweisen. Die Isolierschicht läßt sich jedoch auch durch Besprühen, Umspritzen, Einbetten, Eintauchen oder sonstiges Aufbringen herstellen.

Es hat sich gezeigt, daß mit Metallkappen aus ferromagnetischen Werkstoffen wie Eisen in der Praxis sehr gute Ergebnisse erzielbar sind. Es kommen jedoch auch andere Metalle, nämlich Kupfer, Aluminium, Titan, Zinn, Zink, Molybdän, Wolfram, Silber, Nickel oder Tantal oder eine Legierung aus einem oder mehreren der vorstehend erwähnten Metalle in Frage.

Neuerungsgemäß kann einer dtr beiden Kontakte, die gewöhnlich frei in der Kammer enden, bis zur Berührung der Stirnseite der Innenwandung der Metallkappe hochgezogen sein. In diesem Fall springt der Lichtbogen nur von dem anderen frei endenden Kontakt auf die Stirnseite oder aber auf die benachbarte Seitenwandung über, je nach dem, welche Abstände gewählt sind.

Ausführungsbeispiele der Neuerung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsanaicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kleinstsicherung;

Fig. 2 eine Querschnitt^ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kleinstsicherung.

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Die Kleinstsicherung besteht aus einem aus Isolierstoff hergestellten, zylindrischen Sockel 1, auf den eine aus Stahlblech (Eisen) bestehende vorzugsweise durch Tiefziehen hergestellte Metallkappe 2 aufgesetzt und druckdicht mit dem Sockel 1 verbunden ist, beispielsweise durch Anwendung eines der aus dem DE-GM 85 07 615.5 bekannten Verbindungsverfahren.

Durch den Sockel 1 hindurch erstrecken sich zwei elektrische Kontakte 3, 4, die im Querschnitt kreisfömig ausgebildet und im Sockel 1 befestigt sind.

An den freien Enden 5, 6 der Kontakte 3, 4 ist in der von dem Sockel 1 und der Metallkappe 2 gebildeten Kammer ein Schmelzleiter 7 vorzugsweise mittels Lot 8, gegebenenfalls zusätzlich zu einem Formschluß, befestigt. Die besondere Form des Schmelzieiters 7 hängt, wie bekannt, von der Nennbelastung und der Charakteristik der Sicherung ab.

Die Metallkappe 2 ist außen mit einer fest anhaftenden Isolierschicht 9 versehen. Hierbei kann es ~'.ch um eine elektrisch isolierende Kunststoffschicht handeln, die bereits vor dem Tiefziehen der Metallkappe 1 auf das Stahlblech aufgobracht ist. Es ist jedoch auch möglich, die Isolierschicht 9 erst später aufzubringen, nämlich beispielsweise am Ende der Sicherungsfertigung durch Tauchen des Kappenbereichs in einem Flüssigkunststoffbad oder durch Aufsprühen einer entsprechenden elektrisch isolierenden Kunststoffschicht auf die gesamte äußere Metalloberfläche der Metallkappe 2.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Abstand Al zwischen dem Schmelzleiter 7 bzw. den Kontakten 3, 4 bzw. dem Lot 8 einerseits und der benachbarten Innenwandung 10 andererseits kleiner gewählt %\b der Abstand der vorgenannten Bauteile gegenüber den übrigen Innenwan dungsbereichen der Metallkappe 2, also beispielsweise

gegenüber der Stirnfläche 11. Die Wandstärke W der Metallkappe 2 weist eine Mindestdicke auf, die sich im wesentlichen, wie noch deutlich wird, nach der Energiebelastung der Metallkappe 2 beim Abschalten der Sicherung richtet. 5

Beim Abschalten der Sicherung im Uberlastfall schmilzt der Schmelzleiter 7, und es bildet sich ein Lichtbogen 12, wie er schematisch in der Zeichnung dargestellt iät. Der Abstand Al del" KünLäkLe 3, 4 bzw. uea Schmelz— leiters 7 von der Innenwandung ist nun so bemessen, daß der Lichtbogen, wenn der Schmelzleiter 7 über eine ausreichend lange Strecke abgeschmolzen ist, von den Kontakten 3, 4 aus die benachbarten Bereiche der Innenwandung 10 überspringt und dort entsprechende neue Lichtbögen 12a und 12b bildet, die ebenfalls schematisch in der Zeichnung dargestellt sind. Die Lichtbögen 12a und 12b erwärmen diese mit 13a und 13b bezeichneten Bereiche der Innenwandung 10 und bringen sie zum Schmelzen, wodurch die Lichtbogenenergie bis zum Verlöschen d^er Lichtbögen 12a und 12b verzehrt wird. Vor. allem bei Sicherungen mit hohem Schaltvermögen entstehen Licht-

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10 der Metallkappe 2 einbrennen, so daß eine ausreichende Bemessung der Wandstärke W in Abhängigkeit von der zu erwartenden Schaltbelastung unerläßlich ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vor allem dadurch, daß der mit Bezug auf die Zeichnung linke Kontakt 3 bis zur elektrisch leitenden Berührung mit der Stirnfläche 11 der Metallkappe 2 hochgezogen ist. Der Abstand A2 zwischen dem Ende 6 des Kontaktes 4 und der Stirnfläche 11 der Metallkappe 2 ist kleiner gewählt als der seitliche Abstand des Kontaktes 4 sowie des Schmelzleiters 7 von der seitlichen Innenwandung

10. Diese Anordnung wird gewählt, damit der schematisch dargestellte Lichtbogen 12 nach ausreichendem Abbrennen des Schmelzleiters 7 beim Abschalten der Sicherung vom

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Ende 6 des Kontaktes 4 auf die Stirnfläche 11 überspringt und dort den nächstgelegenen Bereich 13c erwärmt und zum Schmelzen bringt, wodurch wiederum die Energie des Lichtbogens 12c bis zum Verlöschen des Lichtboges verzehrt wird.

Ein drittes, nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel ergibt sich, wenn in Figur 2 auch der linke Kontakt 3 mit dem gleichen Abstand A2 von der Stirnfläche 11 endet wie der rechte Kontakt 4.
10

Zur Verdeutlichung, was unter einer ausreichenden Wandstärke W im Zusammenhang mit der Neuerung zu verstehen ist, sowie zur Veranschaulichung der übrigen Größenverhältnisse auch bezüglich des Abstandes Al werden nachstehend Abmessungen und Leistungsdaten eines Ausführungsbeispiels einer neuerungsgemäßen Kleinstsicherung nach Figur 1 angegeben, auf die die Neuerung keineswegs beschränkt ist:

Außendurchmesser der Metallkappe = 7,8 - 7,9 mm

Wandstärke der Metallkappe = 0.5 mm

Durchmesser der Kontakte 3,4 = 0,6 mm

Abstände der Kontakte 3,4 = 5,0 mm

Innenhöhe der Sicherungskammer = 3,2 mm

seitlicher Abstand Al der Kontakte 3, 4 = 0,5 mm

max. Schaltvermögen = 200 A

Charakteristik der Sicherung = FF, F, M, T

Claims

Schutzansprüche :

Kleinstsicherung mit einem bei überlast schmelzenden Schmelzleiter in einer druckdicht abgeschlossenen, gasgefüllten oder luftleeren Kammer, die aus einem Isolierstoffsockel, einer Metallkappe und zwei durch d<;n Sockel hindurchtretenden Kontakten besteht, die durch den Schmelzleiter überbrückt sind, dadurch gekenn.¹ eichnet, daß Form und Wandstärke (W) der Metallkappe (2) sowie die Lage ihrer Innenwandung (10) bzw. (11) zu dem Schmelzleiter (7) bzw. zu den Kontakten (3, 4) derart gewählt sind, daß ein beim Abschalten der Sicherung am Schmelzleiter (7) entstehender Lichtbogen (12) auf die Innenwandung (10) bzw. die innere Stirnfläche (11) übergeht und verlöscht.
2. Kleinstsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Al) des Schmelzleiters (7) bzw. der Kontakte (3, 4) von der Innenwandung (10) der Metallkappe (2) kürzer als der Abstand von der Stirnfläche (11) ist.

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3. Kleinstsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Metallkappe (2) eine teilweise oder vollständige Auskleidung einer äußeren Kunststoffkappe bildet.
4. Kleinsteicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkappe (2) eine äußere Isolierschicht (9) aufweist.
5. Kleinstsicherung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkappe (2) aus Stahlblech besteht.
6· Kleinstsicherung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkappe (2) aus einem der folgenden Metalle, nämlich Kupfer, Aluminium, Titan, Zinn, Zink, Molybdän, Wolfram, Silber, Nickel oder Tantal oder einer Legierung aus einem oder mehreren der

vorstehend erwähnten Metalle besteht oder mindestens eine aus einem oder mehrerer dieser Metalle gebildete Oberfläche aufweist.
7. Kleinstsicherung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kontakte (3, 4) bis zur elektrisch leitenden Berührung der Innenfläche (11) der inneren Wandung der Metallkappe (2) hochgezogen ist und der andere der beiden Kontakte bis auf einen definierten Abstand (A2) an die Innenfläche (11) herangeführt ist, der größer ist als der Abstand des Schmelzleiters (7) und des betreffenden Kontaktes (4) von der seitlichen Innenwandung (10) der Metallkappe (2).

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