EP0171827A2 - Thermische Schmelzsicherung - Google Patents
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Classifications
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- H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
- H01H37/764—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material in which contacts are held closed by a thermal pellet
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Definitions
- the invention relates to an electrical fuse with a closed housing, in which a spring mechanism interrupts electrical contact as soon as a melting body serving as a support for the spring mechanism and consisting essentially of an organic substance becomes liquid and relieves the spring mechanism.
- fuses There are basically two types of fuses: one serves to limit the current, the other to limit the temperature.
- a melting body is heated to such an extent by the electric current that it melts at a specific, maximum permissible current and irreversibly interrupts the electrical contact.
- the invention relates exclusively to the second type of fuse, in which the contact is not interrupted by the current but by external heating at a certain, maximum permissible temperature.
- Such fuses are increasingly being installed in electrical devices in order to protect them from overheating and to irreversibly switch them off when a certain temperature is exceeded.
- the switch-off temperature is determined by the melting temperature of the melting body.
- the melting bodies When melting, the melting bodies must flow away as easily and quickly as possible in order to open the way for the springs within the fuse to open the contact.
- the melting bodies are not only under a certain spring tension during the entire period of use, but are also subjected to thermal alternating stress during this time. They have to withstand the spring force at temperatures that are only just below the respective melting point.
- the shape of the melting body (cylinder, hollow cylinder, ball, etc.) and the manufacturing process are of course of great influence on the compressive strength that can be achieved. In any case, it must be ensured that the melting bodies can withstand a multiple of the spring tension that occurs during operation and that they do not undergo any critical changes in length or shape during the required operating time.
- the materials used must not attack the surfaces of the contacts or the housing. Since the fuses are usually sealed airtight during production, no problems will be expected during operation when using hygroscopic substances because moisture can be kept away. Additional measures may be required for the production process.
- the object of the invention is now to create true-to-shape and stable melting bodies which meet all the quality requirements mentioned.
- the melting body consists essentially of a saturated aliphatic dicarboxylic acid with 4 to 14 carbon atoms.
- Particularly suitable dicarboxylic acids are:
- the dicarboxylic acids are distinguished from most other organic compounds by their high chemical stability and particularly low vapor pressure below the melting point.
- glasses or inorganic salts which could generally be considered as melting substances, are not suitable for this temperature range because their melting points are too high.
- the melting bodies can be produced very simply by pouring the molten substances into corresponding casting molds made of metal, graphite or other material suitable for casting molds.
- the melting bodies are also very easy to produce by pressing the pulverized substances into the desired shape at a pressure of about 5000 to 10000 bar, in particular between 1000 and 3000 bar.
- a usable flowability of the powders can be obtained for this purpose by known granulation processes (Römpps Chemie-Lexikon, 7th edition, vol. 2 (1973) p. 1340).
- granulation processes Rosmpps Chemie-Lexikon, 7th edition, vol. 2 (1973) p. 1340.
- a powder for the production of melting bodies which does not adhere, but can easily be poured into molds and metered reproducibly, and which can also be pressed into solid melting bodies which, up to working temperatures, are just below the melting and switching point in terms of shape and length are stable, but it is also expedient to give the pulverized, pure melt substance a fine-grained inorganic oxide or fine-grained
- Ceramic material in amounts of 10 to 75% by weight.
- examples of such materials are aluminum oxide (A1 2 0 3 , corundum) and zirconium oxide with grain sizes between 0.25 and 0.05 ⁇ m.
- the fuse consists of a closed, metallic housing 1, in which a spring mechanism consisting of a cylindrical spring 2, a star spring 3 and a conical spring 4 interrupts the electrical contact between a power supply 5 and the star spring 3 as soon as a melting body 6 serving as a support becomes liquid and the cylindrical spring 2 is relieved.
- Support plates 7 are arranged between the melting body 6 and the cylindrical spring 2 and between the cylindrical spring 2 and the star spring 3, which effect a uniform distribution of the spring pressure.
- the power supply 5 is surrounded by a sealing and insulating body 8 at the level of the wall of the housing 1.
- the spring mechanism When the melting body melts, the spring mechanism operates as follows: The spring 2 is relieved, whereby the conical spring 4 lifts the star spring 3 from the power supply 5 and thus interrupts the electrical contact. In Fig. 1 the contact is closed, in Fig. 2 the contact is open and the melting body is shown melted.
- the powders and powder mixtures are preferably passed through a fine-mesh sieve before use in order to rule out the possibility that larger crystals or clusters present as impurities can impair the measurement or, in practice, the metered filling of the molds.
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Abstract
Bei einer zur Temperaturbegrenzung dienenden elektrischen Schmelzsicherung mit einem geschlossenen Gehäuse (1), in welchem ein Federmechanismus (2, 3, 4) einen elektrischen Kontakt unterbricht, sobald ein als Auflage für den Federmechanismus dienender Schmelzkörper (6) flüssig wird und den Federmechanismus entlastet, besteht der Schmelzkörper im wesentlichen aus einer gesättigten aliphatischen Dicarbonsäure mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine elektrische Schmelzsicherung mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem ein Federmechanismus einen elektrischen Kontakt unterbricht, sobald ein als Auflage für den Federmechanismus dienender, im wesentlichen aus einem organischen Stoff bestehender Schmelzkörper flüssig wird und den Federmechanismus entlastet.
- Eine derartige Schmelzsicherung ist aus der US-PS 29 34 628 bekannt.
- Es gibt im Prinzip zwei Arten von Schmelzsicherungen: Die einen dienen zur Strombegrenzung, die anderen zur Temperaturbegrenzung. Bei der ersten Art wird durch den elektrischen Strom selbst ein Schmelzkörper so stark erhitzt, daß er bei einer bestimmten, maximal zulässigen Stromstärke schmilzt und den elektrischen Kontakt irreversibel unterbricht. Die Erfindung bezieht sich aber ausschließlich auf die zweite Art von Schmelzsicherungen, bei denen die Unterbrechung des Kontaktes nicht durch den Strom, sondern durch Erhitzung von außen bei einer bestimmten, maximal zulässigen Temperatur erfolgt. Solche Schmelzsicherungen werden in zunehmendem Maße in Elektrogeräte eingebaut, um diese vor Oberhitzung zu schützen und bei Übersteigen einer bestimmten Temperatur irreversibel auszuschalten. Die Abschalttemperatur wird dabei durch die Schmelztemperatur des Schmelzkörpers bestimmt.
- Damit auch über lange Betriebszeiten eine absolut sichere Funktion der Sicherungen gewährleistet werden kann, müssen an den Schmelzkörper als eigentliches Schaltelement folgende besondere Anforderungen gestellt werden:
- Geeignete Stoffe müssen einen zur jeweiligen Abschalttemperatur passenden Schmelzpunkt haben. Damit die Schmelzsicherungen schlagartig funktionieren, soll es sich dabei möglichst um einen scharfen Schmelzpunkt und nicht um einen Schmelzbereich handeln. Deshalb sind die in der US-PS 29 34 628 genannten Wachse als Schmelzkörper-Material ungeeignet.
- Beim Schmelzen müssen die Schmelzkörper möglichst leicht und schnell zerfließen, um den Federn innerhalb der Schmelzsicherung den Weg zum Öffnen des Kontaktes freizugeben.
- Die Schmelzkörper stehen während der gesamten Gebrauchsdauer nicht nur unter einer bestimmten Federspannung, sondern werden in dieser Zeit auch noch einer thermischen Wechselbeanspruchung unterworfen. Sie müssen der Federkraft standhalten, und zwar bei Temperaturen, die zeitweise nur knapp unter dem jeweiligen Schmelzpunkt liegen. Dabei sind natürlica die Form der Schmelzkörper (Zylinder, Hohlzylinder, Kugel usw.) sowie das Herstellungsverfahren von großem Einfluß auf die erreichbare Druckfestigkeit. In jedem Fall muß sichergestellt sein, daß die Schmelzkörper ein Vielfaches der während des Betriebs auftretenden Federspannung aushalten und während der geforderten Betriebszeit keine kritischen Längen- oder Formänderungen erleiden.
- Für ein sicheres Funktionieren der Schmelzkörper müssen bei der Herstellung verschiedene Toleranzgrenzen eingehalten werden. Es dürfen also keine Stoffe verwendet werden, die beim Erwärmen unregelmäßige oder irreversible Längenänderungen verursachen und die z.B. unterhalb der Betriebstemperatur einen Phasenwechsel mit damit verbundener Volumenänderung aufweisen (z.B.α KNO3 → βKNO3, Phasenwechsel bei 129"C).
- Bezüglich der Korrosion innerhalb der Schmelzsicherungen ist zu beachten, daß die verwendeten Stoffe keinesfalls die Oberflächen der Kontakte oder des Gehäuses angreifen dürfen. Da die Schmelzsicherungen bei der Herstellung meist luftdicht abgeschlossen werden, wird man während des Betriebes bei Verwendung hygroskopischer Substanzen keine Probleme zu erwarten haben, weil Feuchtigkeit ferngehalten werden kann. Für den Produktionsprozeß können aber zusätzliche Maßnahmen erforderlich werden.
- In den jeweiligen Anwendungsbereichen werden Temperaturen erreicht, bei denen schon deutlich merkbare Dampfdrücke der Schmelzkörpersubstanz auftreten können. Dies gilt vor allem für die meisten organischen Stoffe. Durch inhomogene Temperaturen der Schmelzsicherung können so Massentransporte von Schmelzkörpersubstanz über die Gasphase auftreten und die Funktion der elektrischen Kontakte beeinträchtigt werden. Daher ist bei der Auswahl der Stoffe für den Schmelzkörper ein relativ niederer Dampfdruck bei Betriebstemperaturen von ganz entscheidender Bedeutung.
- Die Stoffe müssen schließlich noch möglichst häufig und billig sein und sich leicht durch Gießen oder Pressen zu stabilen Formkörpern verarbeiten lassen.
- Aufgabe der Erfindung ist es nun, formtreue und stabile Schmelzkörper zu schaffen, die alle genannten Qualitätsforderungen erfüllen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schmelzkörper im wesentlichen aus einer gesättigten aliphatischen Dicarbonsäure mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen besteht.
- Besonders geeignete Dicarbonsäuren sind:
- Die Dicarbonsäuren zeichnen sich gegenüber den meisten anderen organischen Verbindungen durch hohe chemische Stabilität und besonders niedrigen Dampfdruck unterhalb des Schmelzpunktes aus.
- Außerdem liegen ihre Schmelzpunkte zwischen 95 und 153°C besonders günstig, da in vielen praktischen Fällen eine Temperaturbegrenzung in diesem Bereich gefordert wird. So ist z.B. zur Vermeidung von gefährlichem Druckanstieg eine Begrenzung in diesem Temperaturbereich nötig, da der Dampfdruck des Wassers und wässriger Lösungen sowie auch vieler gebräuchlicher organischer Stoffe bei diesen Temperaturen über Atmosphärendruck steigt. Außerdem werden viele Materialien, z.B. die meisten Kunststoffe, bei diesen Temperaturen weich, schmelzen oder degradieren.
- Andererseits sind Gläser oder anorganische Salze, die generell als Schmelzsubstanzen in Frage kämen, für diesen Temperaturbereich nicht geeignet, da ihre Schmelzpunkte zu hoch sind.
- Die Schmelzkörper können sehr einfach durch Gießen der geschmolzenen Substanzen in entsprechende Gußformen aus Metall, Graphit oder anderem für Gußformen geeignetem Material gefertigt werden.
- Die Schmelzkörper sind auch sehr leicht herzustellen, indem die pulverisierten Substanzen mit einem Preßdruck von etwa 5000 bis 10000 bar, insbesondere zwischen 1000 und 3000 bar, in die gewünschte Form gepreßt werden.
- Um die in engen Toleranzgrenzen festgelegten Abmessungen der Schmelzkörper zu garantieren, ist es zweckmäßig, eine genau definierte Pulvermenge an Substanz in die Preßform zu geben. In der Serienfertigung sind diese Mengen für alle Preßlinge in denselben engen Toleranzgrenzen zu halten. Dabei kann es vorkommen, daß die Pulverteilchen mehr oder weniger zu Clustern verschiedenster Größe zusammenhaften. Die Substanzen lassen sich dann nur sehr schwer durch Schütten und Schütteln gleichmäßig dosiert auf mehrere Preßformen verteilen, und eine reproduzierbare Serienfertigung gleicher Formkörper wird auf diese Art unmöglich.
- Eine brauchbare Fließfähigkeit der Pulver kann zu diesem Zweck durch bekannte Granulierverfahren erhalten werden (Römpps Chemie-Lexikon, 7. Aufl., Bd. 2 (1973) S. 1340). Um ein Pulver zum Fertigen von Schmelzkörpern herzustellen, das nicht haftet, sondern leicht durch einfaches Schütten in Preßformen gefüllt und reproduzierbar dosiert werden kann, und welches außerdem zu festen Schmelzkörpern gepreßt werden kann, die bis zu Arbeitstemperaturen kurz unterhalb des Schmelz- und Schaltpunktes bezüglich Form und Länge stabil sind, ist es aber auch zweckmäßig, der pulverisierten, reinen Schmelzsubstanz ein feinkörniges anorganisches Oxid oder feinkörniges
- keramisches Material in Mengen von 10 bis 75 Gew.% zuzusetzen. Beispiele für derartige Materialien sind Aluminiumoxid (A1203, Korund) und Zirkoniumoxid mit Korngrößen zwischen 0,25 und 0,05 um.
- Die Funktion und der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung gehen aus einem in der Zeichnung dargestellten Beispiel hervor. In der Zeichnung zeigen
- Fig. 1 eine Schmelzsicherung im normalen Betriebszustand im Schnitt und
- Fig. 2 eine Schmelzsicherung nach thermischer Überlastung im Schnitt.
- Die Sicherung besteht aus einem geschlossenen, metallischen Gehäuse 1, in welchem ein aus einer zylindrischen Feder 2, einer Sternfeder 3 und einer konischen Feder 4 bestehender Federmechanismus den elektrischen Kontakt zwischen einer Stromzuführung 5 und der Sternfeder 3 unterbricht, sobald ein als Auflage dienender Schmelzkörper 6 flüssig wird und die zylindrische Feder 2 entlastet. Zwischen dem Schmelzkörper 6 und der zylindrischen Feder 2 sowie zwischen der zylindrischen Feder 2 und der Sternfeder 3 sind Stützplatten 7 angeordnet, die eine gleichmäßige Verteilung des Federdrucks bewirken. Die Stromzuführung 5 ist in Höhe der Wandung des Gehäuses 1 von einem Dichtungs- und Isolierkörper 8 umgeben.
- Durch das Schmelzen des Schmelzkörpers betätigt sich der Federmechanismus wie folgt: Die Feder 2 wird entlastet, wodurch die konische Feder 4 die Sternfeder 3 von der Stromzuführung 5 abhebt und so den elektrischen Kontakt unterbricht. In Fig. 1 ist der Kontakt geschlossen, in Fig. 2 ist der Kontakt offen und der Schmelzkörper geschmolzen dargestellt.
- Die durch den Zusatz von feinkörnigem anorganischem Oxid oder keramischem Material erreichte gute Fließeigenschaft der pulverisierten Schmelzsubstanzen ist aus den Tabellen zu ersehen, in denen die Zeiten aufgeführt sind, die benötigt werden, bis 3,0 cm3 der lockeren Pulververschüttung von Schmelzsubstanz wie in einer Sanduhr aus einem Glastrichter mit einer Öffnung von 1,5 mm Durchmesser und 20 mm Länge ausgelaufen sind.
- Die Pulver und Pulvermischungen werden vorzugsweise vor dem Gebrauch durch ein feinmaschiges Sieb gegeben, um auszuschließen, daß eventuell als Verunreinigung vorhandene größere Kristalle oder Cluster die Messung oder in der Praxis auch die dosierte Füllung der Preßformen beeinträchtigen können.
- Die Fließfähigkeit der A1203-Mischungen ist also sehr gut, während die Substanzen ohne Zusatz nur sehr schlecht oder gar nicht fließen.
Claims (5)
1. Elektrische Schmelzsicherung mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem ein Federmechanismus einen elektrischen Kontakt unterbricht, sobald ein als Auflage für den Federmechanismus dienender, im wesentlichen aus einem organischen Stoff bestehender Schmelzkörper flüssig wird und den Federmechanismus entlastet,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) im wesentlichen aus einer gesättigten aliphatischen Dicarbonsäure mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen besteht.
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) im wesentlichen aus einer gesättigten aliphatischen Dicarbonsäure mit 4 bis 14 Kohlenstoffatomen besteht.
2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) im wesentlichen aus Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Heptandicarbonsäure oder Sebacinsäure besteht.
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) im wesentlichen aus Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Heptandicarbonsäure oder Sebacinsäure besteht.
3. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) durch Gießen der geschmolzenen Substanzen in entsprechende Gußformen hergestellt ist.
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) durch Gießen der geschmolzenen Substanzen in entsprechende Gußformen hergestellt ist.
4. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) ein feinkörniges anorganisches Oxid oder feinkörniges keramisches Material in Mengen von 10 bis 75 Gew.% enthält.
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) ein feinkörniges anorganisches Oxid oder feinkörniges keramisches Material in Mengen von 10 bis 75 Gew.% enthält.
5. Schmelzsicherung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid mit Korngrößen zwischen 0,25 und 0,05 pm enthält.
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (6) Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid mit Korngrößen zwischen 0,25 und 0,05 pm enthält.
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