EP0576836B1 - Strombegrenzendes Element - Google Patents

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EP0576836B1
EP0576836B1 EP93108622A EP93108622A EP0576836B1 EP 0576836 B1 EP0576836 B1 EP 0576836B1 EP 93108622 A EP93108622 A EP 93108622A EP 93108622 A EP93108622 A EP 93108622A EP 0576836 B1 EP0576836 B1 EP 0576836B1
Authority
EP
European Patent Office
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resistance
current
sub
bodies
resistivity
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP93108622A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0576836A3 (en
EP0576836A2 (de
Inventor
Felix Dr. Greuter
Claus Dr. Schüler
Ralf Dr. Strümpler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP0576836A2 publication Critical patent/EP0576836A2/de
Publication of EP0576836A3 publication Critical patent/EP0576836A3/de
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Publication of EP0576836B1 publication Critical patent/EP0576836B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/027—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient consisting of conducting or semi-conducting material dispersed in a non-conductive organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/13—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material current responsive

Definitions

  • the invention is based on a current-limiting element with an electrical resistance body which is arranged between two contact connections and contains first resistance material which exhibits PTC behavior, has a low specific cold resistance below a first temperature and forms at least one current-carrying path running between the two contact connections, and which has a high specific hot resistance compared to its specific cold resistance above the first temperature.
  • Resistors with PTC behavior have long been state of the art and are described for example in DE 2 948 350 C2 or US 4 534 889 A.
  • Such resistors each contain a resistance body made of a ceramic or polymeric material, which exhibits PTC behavior and conducts electrical current well below a material-specific limit temperature.
  • PTC material is, for example, a ceramic based on doped Barium titanate or an electrically conductive polymer, such as a thermoplastic, semi-crystalline polymer, such as polyethylene, with, for example, carbon black as the conductive filler.
  • PTC resistors can therefore be used as overload protection for circuits. Because of their limited conductivity - carbon-filled polymers, for example, have a specific resistance greater than 1 ⁇ cm - their practical application generally limits them to nominal currents up to approx. 8 A at 30 V and up to approx. 0.2 A at 250 V.
  • PTC resistors based on a polymer filled with borides, silicides or carbides with very high specific conductivity at room temperature, which in principle could also be used as current-limiting elements in power circuits with currents of, for example, 50 to 100 A at 250 V.
  • resistors are not commercially available and therefore cannot be implemented without considerable effort.
  • PTC resistor As a current-limiting protective element in an electrical network designed for large operating currents and large operating voltages If a short circuit occurs during the switch-off process, considerable energy is used in the PTC resistance sand. Particularly when the switching process in the PTC resistor is inhomogeneous, this can lead to the PTC resistor forming locally overheated areas, so-called "hot spots", approximately in the middle between the contact connections. In the overheated areas, the PTC resistor switches to the high-resistance state earlier than on not heated areas. The total voltage across the PTC resistor then drops over a relatively small distance at the location of the highest resistance. The associated high electrical field strength can then lead to breakdowns and damage to the PTC resistor.
  • the invention as specified in claim 1, is based on the object of creating a current-limiting element with PCT behavior which, despite its simple and inexpensive construction, is distinguished by homogeneous switching capacity and high nominal current carrying capacity.
  • the current-limiting element according to the invention consists of easily manageable elements, such as a resistor with PTC behavior and a resistor with linear, non-linear or PTC behavior, and is of simple construction. It can therefore not only be manufactured comparatively inexpensively, but can also be of small dimensions at the same time.
  • a resistor with PTC behavior and a resistor with linear, non-linear or PTC behavior
  • PTC resistor with linear, non-linear or PTC behavior By integrating one or more linear, non-linear or possibly PTC resistors arranged in parallel to the PTC resistor, the PTC resistor performing the switching function is relieved. At the same time, the undesirable occurrence of "hot spots" is suppressed by the fact that the current to be limited commutates into the resistor connected in parallel with the PTC resistor. This results in a homogeneous switching behavior and an increase in the permissible energy density.
  • the thermal energy generated in the PTC resistor is also dissipated more quickly, and the nominal current carrying capacity of the current-limiting element according to the invention is considerably increased.
  • the parallel resistor consists of a material with high thermal conductivity, it also ensures a homogenization of the temperature distribution in the resistor according to the invention. This counteracts the risk of local overheating particularly effectively.
  • the current-limiting elements shown in FIGS. 1 to 10 each contain a resistance body 3 arranged between two contact connections 1, 2.
  • Partial resistance bodies identified by reference number 4 contain first resistance material with PTC behavior. This resistance material has a low specific cold resistance below a first temperature and, after installation in an electrical network to be protected by current limitation, forms at least one path running between the two contact connections 1, 2 and preferably carrying a nominal current. Above the first temperature, the resistance material has a high specific resistance compared to its specific cold resistance.
  • Partial resistance bodies identified by reference number 5 are formed by a second resistance material with a specific resistance which lies between the specific cold and the specific hot resistance of the first resistance material forming the partial resistance body 4.
  • the resistance material forming the partial resistance body 5 is brought into intimate electrical contact with the resistance material forming the partial resistance body 4 and forms at least one resistor connected in parallel with at least a partial section of the nominal current.
  • the resistance made of second resistance material connected in parallel to the current-carrying path is several times greater than the cold resistance of the first resistance material.
  • the size of the resistor made of a second resistor material is preferably about 3-10 4 times the size of the Cold resistance of the first resistance material and advantageously has PTC behavior itself.
  • the resistance body 3 can have a matrix which is preferably formed by a polymer, such as a thermoset or thermoplastic.
  • the partial resistance bodies 4, 5 fillers are embedded in this matrix to form the resistance materials.
  • These fillers can be in the form of powder, fibers and / or platelets. Short fibers or platelets are particularly preferred as fillers, since a percolation concentration which is particularly low to achieve the PTC behavior can then be maintained.
  • the fillers provided in the partial resistance bodies 4 are identified as circles and the fillers provided in the partial resistance bodies 5 as squares.
  • the filler provided in the partial resistance body 4 forms current paths through the resistance body 3 and at the same time brings about the PTC effect.
  • the material of the partial resistance bodies 5, on the other hand, depending on the amount added, forms paths that percolate locally or through the entire resistance body 3, into which current commutates as the resistance of the current paths increases during a current limiting process, and thus the undesired formation of overheated areas in the partial resistance bodies 4 exhibiting PTC behavior can be prevented.
  • the filler provided in the first resistance material contains electrically conductive particles in the form of carbon and / or a metal, such as nickel, and / or at least one boride, silicide, oxide and / or carbide, such as TiC 2 , TiB 2 , MoSi 2 or V 2 O 3 , each in undoped or doped form.
  • the filler provided in the second resistance material contains at least one doped semiconducting ceramic, for example based on ZnO, SnO 2 , SrTiO 3 , TiO 2 , SiC, YBa 2 Cu 3 O 7-x , a metal granulate, an intrinsically electrically conductive or fine one Filler made of electrically conductive plastic and / or short or long fibers.
  • the concentration and the geometric dimensions of the filler provided in the partial resistance bodies 5 are dimensioned such that current commutation can take place locally from a partial resistance body 4 to a partial resistance body 5.
  • the filler provided in the partial resistance bodies 5 can, but need not necessarily, form continuous current paths.
  • the proportion of the filler forming the partial resistance body 4 can be between 15 and 50 vol% and that of the filler forming the partial resistance body 5 between 5 and 40 vol%, the polymer matrix embedding the filler should have a proportion of 20-60 vol% of the resistance body 3 .
  • the particles can be aligned with a strong magnetic field when the polymer matrix hardens or in the melt of the polymer matrix.
  • the field runs in the direction from contact connection 1 to contact connection 2. In this way, chains are formed which act as current paths and consist predominantly of the filler of one or the other partial resistance bodies.
  • the parallel resistor By integrating parallel resistors into the resistor with PTC behavior, this resistance is considerably relieved when switching functions are performed.
  • the addition of the parallel resistor causes a resistance above the step temperature of the resistor with PTC behavior Reduction of the specific total resistance of the current-limiting element from typically 10 8 ⁇ cm to a significantly lower value, which can advantageously be about 3 to 10 4 times the cold resistance of the resistor with PTC behavior. In this way, however, the current to be switched off can already be limited sufficiently and the circuit carrying the current can be mechanically separated.
  • the current-limiting element according to the invention suppresses undesirable "hot spots" in the partial resistance bodies 4 with PTC behavior, the switching behavior is homogenized and the permissible energy density during the switching process is increased. At the same time, part of the heat generated in the partial resistance bodies 4 is dissipated through the partial resistance bodies 5. As a result, the nominal current carrying capacity of the current-limiting element according to the invention is considerably increased compared to a current-limiting element without resistors connected in parallel.
  • the resistance material of the partial resistance bodies 5 generally has a linear or non-linear behavior, but may also have PTC behavior according to the resistance material provided in the partial resistance bodies 4. If the resistance material exhibits PTC behavior, the step temperature is equal to or higher than that of the resistance material contained in the partial resistance bodies 4. This results in a delayed switch-off in two stages. When inductive networks are switched off, overvoltages are reduced because first a rapid partial limitation of the current and only then a complete current limitation takes place.
  • the resistance body 3 is constructed from two or more flat partial resistance bodies 4, 5, which are preferably each formed as a plate.
  • the partial resistance body 5 shown in FIG. 2 is or the partial resistance body 5 shown in FIGS. 3 and 4 are contacted with both connections 1, 2.
  • the partial resistance bodies 5 have a resistance which is several times higher than that of the partial resistance bodies 4.
  • the partial resistance body 4 is also contacted with both connections 1, 2.
  • the partial resistance bodies 4 and 5 have common contact surfaces over their entire areal extension. The partial resistance bodies 4, 5 are brought into intimate electrical contact with one another on these contact surfaces.
  • the resistance bodies 3 can be produced as follows: First, approximately 0.5 to 2 mm thick plates are produced from an electrically conductive doped ceramic by a method customary in the production of resistors, such as by pressing or casting and subsequent sintering. With a shear mixer, epoxy resin and an electrically conductive filler, such as TiC, are used to produce PTC material based on a polymer. This is poured with a thickness of 0.5 to 4 mm onto a previously made plate-shaped ceramic. If necessary, it is possible to cover the poured-on layer with a further ceramic and to repeat the previously described process steps successively. This leads to a stack in which, in accordance with a multilayer arrangement, layers of the two different resistance materials are arranged alternately in succession. The epoxy resin is then cured at temperatures between 60 and 180 ° C to form the resistance body 3.
  • a filled elastomer or thermoplastic or a wire mesh can be used as the material for this.
  • the partial resistance bodies 5 formed from the second resistance material can protrude in a rib-like manner over the partial resistance bodies 4.
  • the protruding parts of the partial resistance bodies 5 then act as cooling fins and bring about a particularly good dissipation of the heat generated in the partial resistance bodies 4.
  • thermoplastic PTC polymer can also be used as the resistance material for the partial resistance bodies 4. This is first extruded into thin plates or foils, which are hot-pressed to form the resistance body 3 when they are assembled with the partial resistance bodies 5.
  • the flat partial resistance bodies 4, 5 can be connected to one another by gluing using an electrically anisotropically conductive elastomer.
  • this elastomer should have a high adhesive strength.
  • this elastomer should only be electrically conductive in the direction of the normal to the flat elements.
  • Such an elastomer is known, for example, from J.Applied Physics 64 (1984) 6008.
  • the resistance bodies 3 can subsequently be cut up by cutting.
  • the resistance bodies produced in this way can have, for example, a length of 0.5 to 20 cm and end faces of, for example, 0.5 to 10 cm 2 .
  • the end faces of the resistance structure 3 having a sandwich structure are smoothed, for example by lapping and polishing, and can be connected to the contact connections 1, 2, for example, by soldering with a low-melting solder or by gluing with a conductive adhesive or by hot pressing.
  • the current-limiting element according to FIGS. 2 and 3 and 4 normally conducts electricity during the operation of a system receiving it.
  • the current flows in an electrically conductive path of a partial resistance body 4 running between the contact connections 1 and 2. If the partial resistance body 4 heats up so much due to an overcurrent that it suddenly increases its resistance by many orders of magnitude, the overcurrent is limited. Since the partial resistance bodies 5 have intimate electrical contact with the partial resistance bodies 4 along their entire length and are connected in parallel with current paths carrying their overcurrent, strongly overheated, inhomogeneous regions in the partial resistance body 4 with PTC behavior are avoided. Before such inhomogeneous regions are formed, at least part of the current to be switched off commutates into the partial resistance bodies 5 made of second resistance material.
  • the comparatively high thermal conductivity of the partial resistance bodies 5 also ensures that the temperature distribution in the partial resistance bodies 4 is homogenized, as a result of which the risk of local overheating is additionally reduced in these parts.
  • the high heat dissipation in the partial resistance bodies 5 contributes to the nominal current carrying capacity of the current-limiting element according to the invention to significantly increase that of a current-limiting element according to the prior art.
  • FIG. 5 shows a tubular resistor according to the invention, which is cut along its tube axis.
  • This resistor contains a partial resistance body 5 serving for current commutation and two partial resistance bodies 4 with PTC behavior.
  • the partial resistance bodies 4, 5 are each hollow cylinders and, together with ring-shaped contact connections, form a tubular current-limiting element.
  • This element can advantageously be produced from a hollow cylindrical ceramic, which is coated in a cylindrical casting mold on the inside and on the outer surface with a polymeric PTC casting compound, for example based on an epoxy resin. Instead of a hollow cylindrical ceramic, a fully cylindrical ceramic can also be used.
  • a current-limiting element equipped with such a partial resistance body 5 is particularly simple to manufacture, whereas a current-limiting element designed as a tube has particularly good heat dissipation by convection and can be cooled particularly well with a liquid. If a thermoplastic polymer is used as the PTC material instead of a thermoset polymer, the PTC material can be extruded directly onto the cylinder or the hollow cylinder. If a polymer / filler composite is used as the resistance material for the partial resistance body 5, for example one with a high degree of filling of C, SiC, ZnO and / or TiO 2 , the current-limiting element according to the invention can be produced in a particularly simple manner by coextrusion.
  • partial resistance body 5 which has long co-extruded wires or fibers, for example based on metal, carbon or silicon carbide.
  • the partial resistance body 5 can also be a simple winding with a conductive fiber or wire. At This embodiment of the invention achieves particularly good mechanical stability.
  • the resistance body 3 each has the shape of a full cylinder with stacked partial resistance bodies.
  • the partial resistance bodies made of second resistance material are designed as circular disks 50 or as ring bodies 51 and the partial resistance bodies 4 with PTC behavior are congruently designed as ring bodies 40 or as circular disks 41.
  • contact disks 6 are additionally provided.
  • Each partial resistance body designed as a disk 50 or annular body 51 is in intimate electrical contact along its entire circumference with a partial resistance body with PTC behavior designed as an annular body 40 or disk 41.
  • Each part 50, 51 and each part 40, 41 contacted with it is either in contact with one of the two contact connections 1, 2 and a contact disk 6 or with two contact disks 6.
  • the ring bodies 50 or the disks 51 with linear resistance behavior or the ring bodies 40 or the disks 41 with PTC behavior are connected in series in each of the embodiments 6 to 8 between the contact connections 1, 2.
  • the current-limiting elements according to FIGS. 6 to 8 can be produced as follows:
  • the disks 50 and ring bodies 51 can be produced from powdered ceramic material, such as from suitable metal oxides, by pressing and sintering.
  • the diameters of the disks can be, for example, between 0.5 and 5 cm and those of the ring bodies between 1 and 10 cm with a thickness of, for example, between 0.05 and 1 cm.
  • the disks 50 are stacked with the contact disks 6 lying between them.
  • the contact washers 6 may have holes 7 of any shape in the edge area and may even be designed as a grid.
  • the stack is placed in a mold.
  • the free space between the contact disks 6 is then filled with polymeric PTC material to form the ring body 40 and the cast stack is cured.
  • the top and bottom of the stack are then contacted.
  • the metal contact disks 6 ensure a low contact resistance in a current path formed by the disks 40 or ring bodies 41 connected in series. Overvoltages that occur can be derived over the entire circular cross section of the disks 50.
  • the holes 7 filled with PTC material reduce the total resistance in the current path of the partial resistance bodies designed as ring bodies 40 with PTC behavior.
  • the ring body 40 can also be sintered from ceramic. There is then no need to punch the contact disks 6. In this case, the contact resistance can be kept low by pressing or soldering.
  • the partial resistance bodies made of second resistance material can be used as ring bodies 51 and Partial resistance bodies with PTC behavior can be designed as circular disks 41.
  • Partial resistance bodies with PTC behavior can be designed as circular disks 41.
  • the partial resistance body 5 is cylindrical and has through bores 8, 9 of, for example, 1 to 5 mm in diameter.
  • the partial resistance body 5 is preferably made of a material that has a high tensile strength and / or is elastic.
  • Partial resistance bodies 4 are cast into the through bores 8, preferably those based on duromer, such as epoxy, or pressed in, preferably those based on thermoplastic, such as polyethylene.
  • the through holes 9 are kept open for cooling purposes.
  • the partial resistance 5, respectively. 50, 51 themselves also have PTC behavior, just as in the embodiments according to FIGS. 1-4.
  • the current-limiting element according to the invention is used in the medium-voltage range, ie in particular in networks with voltages in the kilovolt range, its dimensions perpendicular to the current flow should be small compared to its length parallel to the current flow. If the current-limiting element according to the invention is used in the low-voltage range, ie in particular in networks with voltages of up to 1 kilovolt, its dimensions perpendicular to the current flow should be large compared to its length parallel to the current flow.
  • the current-limiting element is, for example, essentially cylindrically symmetrical, then when used for Voltages in the kilovolt range have a small diameter compared to its axial length and, when used for voltages up to 1000 V, have a large diameter compared to its axial length.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem strombegrenzendes Element mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten elektrischen Widerstandskörper, welcher PTC-Verhalten aufweisendes erstes Widerstandsmaterial enthält, das unterhalb einer ersten Temperatur einen geringen spezifischen Kaltwiderstand besitzt und mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen verlaufenden, stromführenden Pfad bildet, und das oberhalb der ersten Temperatur einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand besitzt.
    • STAND DER TECHNIK
  • Widerstände mit PTC-Verhalten sind schon seit langem Stand der Technik und sind beispielsweise in DE 2 948 350 C2 oder US 4 534 889 A beschrieben. Solche Widerstände enthalten jeweils einen Widerstandskörper aus einem keramischen oder polymeren Material, welches PTC-Verhalten aufweist und unterhalb einer materialspezifischen Grenztemperatur elektrischen Strom gut leitet. PTC-Material ist beispielsweise eine Keramik auf der Basis von dotiertem Bariumtitanat oder ein elektrisch leitfähiges Polymer, etwa ein thermoplastisches, semikristallines Polymer, wie Polyäthylen, mit beispielsweise Russ als leitfähigem Füllstoff. Beim Überschreiten der Grenztemperatur erhöht sich der spezifische Widerstand des Widerstandes auf der Basis eines PTC-Materials sprungartig um viele Grössenordnungen.
  • PTC - Widerstände können daher als Überlastschutz von Schaltkreisen eingesetzt werden. Wegen ihrer beschränkten Leitfähigkeit - kohlenstoffgefüllte Polymere weisen beispielsweise einen spezifischen Widerstand grösser 1 Ωcm auf - sind sie in ihrer praktischen Anwendung im allgemeinen auf Nennströme bis ca. 8 A bei 30 V und bis ca 0,2 A bei 250 V beschränkt.
  • In US-A-4,910,389 ist ein PTC-Widerstand beschrieben aus einem Polymer und zwei Füllstoffen, von denen der eine Russ und der andere halbleitendes Material, wie insbesondere ZnO, enthält. Ein derartiger PTC-Widerstand lässt sich in reproduzierbarer Weise leicht innerhalb einer vorgegebenen Fertigungstoleranz seines Kaltwiderstandes herstellen und weist eine gute thermische Stabilität auf.
  • In J. Mat. Sci. 26(1991) 145ff. sind PTC- Widerstände auf der Basis eines mit Boriden, Siliciden oder Carbiden gefüllten Polymers mit sehr hoher spezifischer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur angegeben, welche als strombegrenzende Elemente im Prinzip auch in Leistungsschaltkreisen mit Strömen von beispielsweise 50 bis 100 A bei 250 V einsetzbar sein könnten. Derartige Widerstände sind jedoch kommerziell nicht verfügbar und können daher ohne beträchtlichen Aufwand nicht realisiert werden.
  • Wird ein PTC-Widerstand als strombegrenzendes Schutzelement in einem für grosse Betriebsströme und grosse Betriebsspannungen ausgelegten elektrischen Netzwerk eingesetzt, so wird beim Auftreten eines Kurzschlusses während des Abschaltvorganges im PTC-Widertsand beträchtliche Energie umgesetzt. Dies kann insbesondere dann, wenn der Schaltvorgang im PTC-Widerstand inhomogen erfolgt, dazu führen, dass der PTC-Widerstand etwa in der Mitte zwischen den Kontaktanschlüssen lokal überhitzte Bereiche, sogenannter "hot spots", bildet. In den überhitzten Bereichen schaltet der PTC-Widerstand früher in den hochohmigen Zustand als an nicht erhitzten Stellen. Es fällt dann die gesamte am PTC-Widerstand anliegende Spannung über eine relativ kleine Distanz am Ort des höchsten Widerstandes ab. Die damit verbundene hohe elektrische Feldstärke kann dann zu Durchschlägen und zur Beschädigung des PTC-Widerstandes führen.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein strombegrenzendes Element mit PCT-Verhalten zu schaffen, welches sich trotz einfachen und kostengünstigen Aufbaus durch homogenes Schaltvermögen und hohe Nennstromtragfähigkeit auszeichnet.
  • Das strombegrenzende Element nach der Erfindung besteht aus leicht handhabbaren Elementen, wie einem Widerstand mit PTC-Verhalten und einem Widerstand mit linearem, nichtlinearem oder PTC-Verhalten, und ist einfach aufgebaut. Es kann daher nicht nur vergleichsweise kostengünstig herstellt werden, sondern kann zugleich auch klein dimensioniert sein. Durch Integration eines oder mehrerer parallel zum PTC-Widerstand angeordneter linearer, nichtlinearer oder gegebenenfalls PTC-Verhalten aufweisender Widerstände wird eine Entlastung des die Schaltfunktion ausführenden PTC-Widerstandes erreicht. Zugleich wird das unerwünschte Auftreten von "hot spots" dadurch unterdrückt, dass der zu begrenzende Strom in den parallel zum PTC-Widerstand geschalteten Widerstand kommutiert. Dadurch werden ein homogenes Schaltverhalten und eine Erhöhung der zulässigen Energiedichte erreicht.
  • Lokal auftretende Überspannungen können in einfacher und an die jeweiligen Bedingungen angepasster Weise durch äussere Zusatzbeschaltungen mit Kondensatoren, Varistoren und/oder linearen Widerständen begrenzt werden.
  • Durch die Integration des Parallelwiderstandes wird zugleich die im PTC-Widerstand erzeugte Wärmeenergie rascher weggeleitet und so die Nennstromtragfähigkeit des strombegrenzenden Elementes nach der Erfindung erheblich gesteigert. Wenn der Parallelwiderstand aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, sorgt er zudem für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im erfindungsgemässen Widerstand. Hierdurch wird der Gefahr einer lokalen Überhitzung besonders wirksam entgegengetreten.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigen die
    • Figuren 1 bis 3
    sowie 5 bis 9 jeweils eine Aufsicht auf einen Schnitt durch jeweils eine von acht bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen strombegrenzenden Elementes,
    Fig.4
    eine Aufsicht auf einen längs IV-IV geführten Schnitt durch die Ausführungsform gemäss Fig.3, und
    Fig.10
    eine Aufsicht auf einen längs X-X geführten Schnitt durch die Ausführungsform gemäss Fig.9.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die in den Figuren 1 bis 10 dargestellten strombegrenzenden Elemente enthalten jeweils einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen 1, 2 angeordneten Widerstandskörper 3. Mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Teilwiderstandskörper enthalten erstes Widerstandsmaterial mit PTC-Verhalten. Dieses Widerstandsmaterial besitzt unterhalb einer ersten Temperatur einen geringen spezifischen Kaltwiderstand und bildet nach Einbau in ein durch Strombegrenzung zu schützendes elektrisches Netz mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen 1, 2 verlaufenden und vorzugsweise Nennstrom führenden Pfad. Oberhalb der ersten Temperatur weist das Widerstandsmaterial einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand auf.
  • Mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnete Teilwiderstandskörper sind von einem zweiten Widerstandsmaterial mit einem spezifischen Widerstand gebildet, der zwischen dem spezifischen Kalt- und dem spezifischen Heisswiderstand des die Teilwiderstandskörpers 4 bildenden ersten Widerstandsmaterials liegt. Das die Teilwiderstandskörper 5 bildende Widerstandsmaterial ist in innigen elektrischen Kontakt mit dem die Teilwiderstandskörper 4 bildenden Widerstandsmaterial gebracht und bildet mindestens einen parallel zu mindestens einem Teilabschnitt des Nennstrom führenden Pfades geschalteten Widerstand.
  • Der parallel zum stromführenden Pfad geschaltete Widerstand aus zweitem Widerstandsmaterial ist mehrfach grösser als der Kaltwiderstand des ersten Widerstandsmaterials. Vorzugsweise beträgt die Grösse des Widerstandes aus zweitem Widerstandsmaterial etwa das 3-104-fache der Grösse des Kaltwiderstandes des ersten Widerstandsmaterials und weist mit Vorteil selber PTC-Verhalten auf.
  • Der Widerstandskörper 3 kann wie in Fig.1 dargestellt ist , eine vorzugsweise von einem Polymer, wie einem Duro- oder Thermoplast, gebildete Matrix aufweisen. In diese Matrix sind unter Bildung der Widerstandsmaterialien der Teilwiderstandskörper 4, 5 Füllstoffe eingebettet. Diese Füllstoffe können in Form von Pulver, Fasern und/oder Plättchen vorliegen. Besonders zu bevorzugen sind hierbei als Füllstoffe Kurzfasern oder Plättchen, da dann eine zum Erreichen des PTC-Verhaltens besonders niedrige Perkolationskonzentration eingehalten werden kann.
  • In Fig.1 sind die in den Teilwiderstandskörpern 4 vorgesehenen Füllstoffe als Kreise und die in den Teilwiderstandskörpern 5 vorgesehenen Füllstoffe als Quadrate gekennzeichnet. Im Normalbetrieb bildet der im Teilwiderstandskörper 4 vorgesehene Füllstoff durch den Widerstandskörper 3 hindurchgehende Strompfade und bewirkt zugleich den PTC-Effekt. Das Material der Teilwiderstandskörper 5 hingegen bildet je nach Zugabemenge lokal oder durch den ganzen Widerstandskörper 3 hindurch perkolierende Pfade aus, in die bei Zunahme des Widerstandes der Strompfade während eines Strombegrenzungsvorganges Strom kommutieren und somit die unerwünschte Ausbildung überhitzter Bereiche in den PTC-Verhalten aufweisenden Teilwiderstandskörpern 4 verhindert werden kann.
  • Der im ersten Widerstandsmaterial vorgesehene Füllstoff enthält elektrisch leitende Teilchen in Form von Kohlenstoff und/oder eines Metalls, wie beispielsweise Nickel, und/oder mindestens eines Borids, Silizids, Oxids und/oder Carbids, wie etwa TiC2, TiB2, MoSi2 oder V2O3, jeweils in undotierter oder dotierter Form.
  • Der im zweiten Widerstandsmaterial vorgesehene Füllstoff enthält mindestens eine dotierte halbleitende Keramik, etwa auf der Basis von ZnO, SnO2, SrTiO3, TiO2, SiC, YBa2Cu3O7-x, ein Metallgranulat, einen intrinsisch elektrisch leitenden oder durch feinen Füllstoff elektrisch leitend gemachten Kunststoff und/oder Kurz- oder Langfasern.
  • Die Konzentration und die geometrischen Abmessungen des in den Teilwiderstandskörpern 5 vorgesehenen Füllstoffs ist so bemessen, dass lokal jeweils eine Stromkommutierung von einem Teilwiderstandskörper 4 auf einen Teilwiderstandskörper 5 erfolgen kann. Der in den Teilwiderstandskörpern 5 vorgesehene Füllstoff kann, braucht aber nicht notwendigerweise durchgehende Strompfade zu bilden. Der Anteil des die Teilwiderstandskörper 4 bildenden Füllstoffs kann zwischen 15 und 50 Vol% und derjenige des die Teilwiderstandskörper 5 bildenden Füllstoffs zwischen 5 und 40 Vol% betragen, wobei die die Füllstoffe einbettende Polymermatrix einen Anteil von 20-60 Vol% am Widerstandskörper 3 haben sollte.
  • Wenn der Füllstoff eines Teilwiderstandkörpers aus einem paramagnetischen oder ferromagnetischen Material besteht, können die Partikel beim Aushärten der Polymermatrix oder in der Schmelze der Polymermatrix mit einem starken magnetischen Feld ausgerichtet werden. Das Feld verläuft dabei in Richtung von Kontaktanschluss 1 nach Kontaktanschluss 2. Es bilden sich so als Strompfade wirkende Ketten aus, die überwiegend aus dem Füllstoff der einen oder der anderen Teilwiderstandskörper bestehen.
  • Durch die Integration von Parallelwiderständen in den Widerstand mit PTC-Verhalten wird dieser Widerstand bei der Ausübung von Schaltfunktionen erheblich entlastet. Der Zusatz des Parallelwiderstandes bewirkt zwar oberhalb der Sprungtemperatur des Widerstandes mit PTC-Verhalten eine Reduktion des spezifischen Gesamtwiderstandes des strombegrenzendes Elementes von typischerweise 108 Ωcm auf einen deutlich niedrigeren Wert, welcher mit Vorteil etwa das 3 bis 104-fache des Kaltwiderstandes des Widerstandes mit PTC-Verhalten betragen kann. Hierdurch kann aber der abzuschaltende Strom bereits ausreichend begrenzt und der den Strom führende Schaltkreis mechanisch aufgetrennt werden.
  • Je nach Anwendungsfall kann zusätzlich eine Beschaltung mit einem externen Parallelwiderstand, Varistor oder Kondensator vorgesehen sein. In jedem Fall werden jedoch durch das strombegrenzende Element nach der Erfindung unerwünschte "hot spots" in den Teilwiderstandskörpern 4 mit PTC-Verhalten unterdrückt, das Schaltverhalten homogenisiert und die zulässige Energiedichte beim Schaltvorgang erhöht. Zugleich wird ein Teil der in den Teilwiderstandskörpern 4 erzeugten Wärme durch die Teilwiderstandskörper 5 abgeleitet. Hierdurch wird die Nennstromtragfähigkeit des strombegrenzenden Elementes nach der Erfindung gegenüber einem strombegrenzenden Element ohne parallelgeschaltete Widerstände erheblich gesteigert.
  • Das Widerstandsmaterial der Teilwiderstandskörper 5 weist im allgemeinen lineares oder aber auch nichtlineares Verhalten auf, kann aber gegebenenfalls entsprechend dem in den Teilwiderstandskörpern 4 vorgesehenen Widerstandsmaterial ebenfalls PTC-Verhalten aufweisen. Weist das Widerstandsmaterial PTC-Verhalten auf, so liegt die Sprungtemperatur gleich oder höher als diejenige des in den Teilwiderstandskörpern 4 enthaltenen Widerstandsmaterials. Hierdurch wird ein zeitlich verzögertes Abschalten in zwei Stufen erreicht. Beim Abschalten induktiver Netze werden so Überspannungen reduziert, da zunächst eine rasche Teilbegrenzung des Stromes und erst dann eine vollkommene Strombegrenzung erfolgt.
  • Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 2 bis 4 ist der Widerstandskörper 3 aus zwei oder mehreren flächenhaften und vorzugsweise jeweils als Platte ausgebildeten Teilwiderstandskörpern 4, 5 aufgebaut. Der in Fig.2 dargestellte Teilwiderstandskörper 5 ist bzw. die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Teilwiderstandskörper 5 sind mit beiden Anschlüssen 1, 2 kontaktiert. Die Teilwiderstandskörper 5 weisen im Normalbetrieb des strombegrenzenden Elementes einen mehrfach höheren Widerstand als die Teilwiderstandskörper 4 auf. Entsprechend den Teilwiderstandskörper 5 sind auch die Teilwiderstandskörper 4 mit beiden Anschlüssen 1, 2 kontaktiert. Die Teilwiderstandskörper 4 und 5 weisen über ihre gesamte flächenhafte Ausdehnung gemeinsame Auflageflächen auf. An diesen Auflageflächen sind die Teilwiderstandskörper 4, 5 in innigen elektrischen Kontakt zueinander gebracht.
  • Die Widerstandskörper 3 können wie folgt hergestellt werden: Zunächst werden nach einem bei der Herstellung von Widerständen üblichen Verfahren, wie etwa durch Pressen oder Giessen und nachfolgendes Sintern, ca. 0,5 bis 2 mm dicke Platten aus einer elektrisch leitend dotierten Keramik hergestellt. Mit einem Schermischer wird aus Epoxidharz und einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, wie beispielsweise TiC, PTC-Material auf der Basis eines Polymers hergestellt. Dieses wird mit einer Dicke von 0,5 bis 4 mm auf eine zuvor hergestellte plattenförmige Keramik gegossen. Gegebenenfalls ist es möglich, die aufgegossene Schicht mit einer weiteren Keramik abzudecken und die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte sukzessive zu wiederholen. Dies führt zu einem Stapel, in dem entsprechend einer Multilayer - Anordnung wechselweise aufeinanderfolgend Schichten aus den beiden verschiedenen Widerstandsmaterialien angeordnet sind. Das Epoxidharz wird sodann bei Temperaturen zwischen 60 und 180°C unter Bildung des Widerstandskörpers 3 ausgehärtet.
  • Besonders geeignet ist ein Teilwiderstandskörper 5 aus einem Widerstandsmaterial, welches hohe Zugfestigkeit und/oder hohe Elastizität aufweist, da dann in jedem Fall Wärmespannungen vermieden werden, die durch das starke Erhitzen des Widerstandsmaterials mit PTC-Verhalten hervorgerufen werden können. Als Material hierfür kommen beispielsweise ein gefülltes Elastomer oder Thermoplast oder ein Drahtgewebe infrage.
  • Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, können die aus zweitem Widerstandsmaterial gebildeten Teilwiderstandskörper 5 über die Teilwiderstandskörper 4 rippenförmig hervorstehen. Die vorstehenden Teile der Teilwiderstandskörper 5 wirken dann als Kühlrippen und bewirken eine besonders gute Ableitung der in den Teilwiderstandskörpern 4 erzeugten Wärme.
  • Anstelle eines duroplastischen PTC-Polymers kann auch ein thermoplastisches PTC-Polymer als Widerstandsmaterial für die Teilwiderstandskörper 4 eingesetzt werden. Dieses wird zunächst zu dünnen Platten oder Folien extrudiert, welche beim Zusammenbau mit den Teilwiderstandskörpern 5 zum Widerstandskörper 3 heissverpresst werden.
  • Sind die eingesetzte beiden Widerstandsmaterialien jeweils eine Keramik, so können die flächenhaften Teilwiderstandskörper 4, 5 durch Verkleben mittels eines elektrisch anisotrop leitenden Elastomers miteinander verbunden werden. Zwecks Bildung des innigen elektrischen Kontaktes zwischen den unterschiedlichen Keramiken sollte dieses Elastomer eine hohe Klebkraft aufweisen. Zudem sollte dieses Elastomer nur in Richtung der Normalen der flächenhaften Elemente elektrisch leitend sein. Ein derartiges Elastomer ist beispielsweise aus J.Applied Physics 64(1984) 6008 bekannt.
  • Die Widerstandskörper 3 können nachfolgend durch Schneiden zerteilt werden. Die solchermassen hergestellten Widerstandskörper können beispielsweise eine Länge von 0,5 bis 20 cm und Stirnflächen von beispielsweise 0,5 bis 10 cm2 aufweisen. Die Stirnflächen der Sandwich-Struktur aufweisenden Widerstandskörper 3 werden etwa durch Läppen und Polieren geglättet und können etwa durch Auflöten mit einem niedrigschmelzenden Lot oder durch Aufkleben mit einem leitfähigen Kleber oder durch Heisspressen mit den Kontaktanschlüssen 1, 2 verbunden werden.
  • Das strombegrenzende Element gemäss den Figuren 2 bzw. 3 und 4 leitet während des Betriebs eines ihn aufnehmenden Systems normalerweise Strom. Der Strom fliesst hierbei in einem zwischen den Kontaktanschlüssen 1 und 2 verlaufenden elektrisch leitenden Pfad eines Teilwiderstandskörpers 4. Erhitzt sich der Teilwiderstandskörper 4 wegen eines Überstromes so stark, dass er sprungartig seinen Widerstand um viele Grössenordnungen erhöht, so wird der Überstrom begrenzt. Da die Teilwiderstandskörper 5 auf ihrer gesamten Länge innigen elektrischen Kontakt mit den Teilwiderstandskörpern 4 haben und parallel zu deren Überstrom führenden Strompfaden geschaltet sind, werden hierbei stark überhitzte, inhomogene Bereiche in den Teilwiderstandskörper 4 mit PTC-Verhalten vermieden. Vor der Bildung derartiger inhomogener Bereiche kommutiert zumindestens ein Teil des abzuschaltenden Stroms in die Teilwiderstandskörper 5 aus zweitem Widerstandsmaterial. Die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit der Teilwiderstandskörper 5 sorgt zugleich für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung in den Teilwiderstandskörpern 4, wodurch in diesem Teilen die Gefahr lokaler Überhitzungen zusätzlich verringert wird. Darüber hinaus trägt die hohe Wärmeabfuhr in den Teilwiderstandskörpern 5 dazu bei, die Nennstromtragfähigkeit des strombegrenzenden Elementes nach der Erfindung gegenüber derjenigen eines strombegrenzenden Elementes nach dem Stand der Technik erheblich zu vergrössern.
  • In Fig.5 ist ein rohrförmig gestalteter und längs seiner Rohrachse geschnittener Widerstand nach der Erfindung dargestellt. Dieser Widerstand enthält einen der Stromkommutation dienenden Teilwiderstandskörper 5 und zwei Teilwiderstandskörper 4 mit PTC-Verhalten. Die Teilwiderstandskörper 4, 5 sind jeweils Hohlzylinder und bilden zusammen mit ringförmigen Kontaktanschlüssen ein rohrförmiges strombegrenzendes Element. Dieses Element kann mit Vorteil aus einer hohlzylindrischen Keramik hergestellt werden, welche in einer zylindrischen Giessform auf der Innen- und auf der Mantelfläche mit einer polymeren PTC - Vergussmasse, etwa auf der Basis eines Epoxidharzes, überzogen wird. Anstelle einer hohlzylindrischen kann auch eine vollzylindrische Keramik eingesetzt werden. Ein mit einem solchen Teilwiderstandskörper 5 ausgestattetes strombegrenzendes Element ist besonders einfach herzustellen, wohingegen ein als Rohr ausgebildetes strombegrenzendes Element eine besonders gute Wärmeableitung durch Konvektion aufweist und besonders gut mit einer Flüssigkeit gekühlt werden kann. Wird anstelle eines duromeren Polymers ein thermoplastisches Polymer als PTC-Material verwendet, so kann das PTC-Material direkt auf den Zylinder oder den Hohlzylinder extrudiert werden. Wird als Widerstandsmaterial für den Teilwiderstandskörper 5 ein Polymer/Füllstoff-Komposit verwendet, beispielsweise eines mit einem hohen Füllgrad an C, SiC, ZnO und/oder TiO2, so kann das strombegrenzende Element nach der Erfindung in besonders einfacher Weise durch Koextrusion hergestellt werden. Hierbei ist es auch möglich, einen Teilwiderstandskörper 5 zu schaffen, der lange koextrudierte Drähte oder Fasern, z.B. auf der Basis von Metall, Kohlenstoff oder Siliciumcarbid, aufweist. Der Teilwiderstandskörper 5 kann auch eine einfache Bewicklung mit einer leitenden Faser oder Draht sein. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine besonders gute mechanische Stabilität erreicht.
  • Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 6 bis 8 weist der Widerstandskörper 3 jeweils die Gestalt eines Vollzylinders mit übereinandergestapelten Teilwiderstandskörpern auf. Die Teilwiderstandskörper aus zweiten Widerstandsmaterial sind als kreisförmige Scheiben 50 oder als Ringkörper 51 und die Teilwiderstandskörper 4 mit PTC-Verhalten sind in kongruenter Weise als Ringkörper 40 oder als kreisförmige Scheiben 41 ausgebildet. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen sind zusätzlich Kontaktscheiben 6 vorgesehen. Jeder als Scheibe 50 oder Ringkörper 51 ausgebildete Teilwiderstandskörper steht längs seines gesamten Umfanges in innigem elektrischem Kontakt mit einem als Ringkörper 40 oder Scheibe 41 ausgebildeten Teilwiderstandskörpern mit PTC-Verhalten. Jedes Teil 50, 51 und jedes mit ihm kontaktierte Teil 40, 41 ist entweder mit einem der beiden Kontaktanschlüsse 1, 2 und einer Kontaktscheibe 6 oder mit zwei Kontaktscheiben 6 kontaktiert. Die Ringkörper 50 oder die Scheiben 51 mit linearem Widerstandsverhalten bzw. die Ringkörper 40 oder die Scheiben 41 mit PTC-Verhalten sind so bei jeder der Ausführungsformen 6 bis 8 zwischen den Kontaktanschlüssen 1, 2 in Serie geschaltet.
  • Die strombegrenzenden Elemente nach den Figuren 6 bis 8 können wie folgt hergestellt werden:
    Aus pulverförmigem Keramikmaterial, wie etwa aus geeigneten Metalloxiden, können durch Pressen und Sintern die Scheiben 50 und Ringkörper 51 hergestellt werden. Die Durchmesser der Scheiben können beispielsweise zwischen 0,5 und 5 cm und diejenigen der Ringkörper zwischen 1 und 10 cm bei einer beispielsweise zwischen 0,05 und 1 cm betragenden Dicke liegen. Die Scheiben 50 werden mit den dazwischenliegenden Kontaktscheiben 6 übereinandergestapelt. Die Kontaktscheiben 6 können hierbei im Randbereich beliebig geformte Löcher 7 aufweisen und können gegebenenfalls sogar als Gitter ausgebildet sein. Der Stapel wird in eine Giessform eingebracht. Der noch freie Raum zwischen den Kontaktscheiben 6 wird sodann unter Bildung der Ringkörper 40 mit polymerem PTC-Material ausgegossen und der vergossene Stapel ausgehärtet. Ober- und Unterseite des Stapels werden anschliessend kontaktiert.
  • Bei derart hergestellten strombegrenzenden Elementen gewährleisten die metallenen Kontaktscheiben 6 einen geringen Übergangswiderstand in einem durch die jeweils in Serie geschalteten Scheiben 40 bzw. Ringkörper 41 gebildeten Strompfad. Auftretende Überspannungen können über den gesamten kreisförmigen Querschnitt der Scheiben 50 abgeleitet werden. Durch die mit PTC-Material ausgefüllten Löcher 7 wird der Gesamtwiderstand im Strompfad der als Ringkörper 40 ausgebildeten Teilwiderstandskörper mit PTC-Verhalten herabgesetzt. Lokale Überspannungen bei Überhitzungen im Widerstand werden bei dieser Ausführungsform besonders gut vermieden, da der Widerstand durch die Kontaktscheiben 6 in Teilabschnitte unterteilt ist, und da in jedem Teilabschnitt ein als Scheibe 50 ausgebildeter Teilwiderstandskörper aus zweitem Widerstandsmaterial parallel zu einem als Ringkörper 40 ausgebildeten Teilwiderstandskörper mit PTC-Verhalten und damit parallel zu einem Teilabschnitt des die lokalen Überspannungen hervorrufenden Strompfades geschaltet ist.
  • Die Ringkörper 40 können auch aus Keramik gesintert sein. Ein Lochen der Kontaktscheiben 6 erübrigt sich dann. Der Kontaktwiderstand kann in diesem Fall durch Pressen oder Verlöten klein gehalten werden.
  • Wie aus der Ausführungsform gemäss Fig. 8 ersichtlich ist, können die Teilwiderstandskörper aus zweitem Widerstandsmaterial als Ringkörper 51 und die Teilwiderstandskörper mit PTC-Verhalten als kreisförmige Scheiben 41 ausgebildet sein. Um bei dieser Ausführungsform bei der Verwendung eines polymeren PTC-Materials einen geringen Gesamtwiderstand zu erreichen, empfiehlt es sich, die Löcher 7 in einem zentralen Bereich der Kontaktscheiben 6 vorzusehen.
  • Bei der Ausführungsform gemäss den Figuren 9 und 10 ist der Teilwiderstandskörper 5 zylinderförmig ausgebildet und weist Durchgangsbohrungen 8, 9 von beispielsweise 1 bis 5 mm Durchmesser auf. Der Teilwiderstandskörper 5 besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine hohe Zugfestigkeit aufweist und/oder elastisch ist. In die Durchgangsbohrungen 8 sind Teilwiderstandskörper 4 eingegossen, vorzugsweise solche auf Duromerbasis, wie etwa Epoxy, oder eingepresst, vorzugsweise solche auf Thermoplastbasis, wie etwa Polyäthylen. Die Durchgangsbohrungen 9 sind zu Kühlzwecken offen gehalten.
  • In allen Ausführungsformen nach den Figuren 5-10 kann der Teilwiderstand 5 resp. 50, 51 selbst auch PTC-Verhalten aufweisen, genauso wie in den Ausführungsformen gemäss den Figuren 1-4.
  • Wird das strombegrenzende Element nach der Erfindung im Mittelspannungsbereich eingesetzt, d.h. insbesondere in Netzen mit Spannungen im Kilovoltbereich, so sollten seine Abmessungen senkrecht zum Stromfluss klein sein im Vergleich zu seiner Länge parallel zum Stromfluss. Wird das strombegrenzende Element nach der Erfindung im Niederspannungsbereich eingesetzt, d.h. insbesondere in Netzen mit Spannungen bis zu 1 Kilovolt, so sollten seine Abmessungen senkrecht zum Stromfluss gross sein im Vergleich zu seiner Länge parallel zum Stromfluss. Ist das strombegrenzende Element beispielsweise im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildet, so weist es bei Einsatz für Spannungen im Kilovoltbereich einen im Vergleich zu seiner axialen Länge kleinen Durchmesser und bei Einsatz für Spannungen bis 1000 V einen im Vergleich zu seiner axialen Länge grossen Durchmesser auf.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1, 2
    Kontaktanschlüsse
    3
    Widerstandskörper
    4, 5
    Teilwiderstandskörper
    6
    Kontaktscheiben
    7
    Löcher
    8, 9
    Durchgangsbohrungen
    40, 51
    Ringkörper
    41, 50
    Scheiben

Claims (10)

  1. Strombegrenzendes Element mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen (1, 2) angeordneten elektrischen Widerstandskörper (3), welcher PTC-Verhalten aufweisendes erstes Widerstandsmaterial enthält, das unterhalb einer ersten Temperatur einen geringen spezifischen Kaltwiderstand besitzt und mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen (1, 2) verlaufenden, stromführenden Pfad bildet, und das oberhalb der ersten Temperatur einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (3) zusätzlich zweites Widerstandsmaterial enthält mit einem spezifischen Widerstand, der zwischen dem spezifischen Kalt- und dem spezifischen Heisswiderstand des ersten Widerstandsmaterials liegt, dass das erste Widerstandsmaterial mindestens einen ersten Teilwiderstandskörper (4) und das zweite Widerstandsmaterial mindestens einen zweiten Teilwiderstandskörper (5) bildet, dass der erste und der zweite Teilwiderstandskörper (4, 5) jeweils mit beiden Kontaktanschlüssen (1, 2) kontaktiert sind oder der erste und/oder der zweite Teilwiderstandskörper (4, 40, 41, 5, 50, 51) entweder mit einem ersten (1) der beiden Kontaktanschlüsse und einer Kontaktscheibe (6) oder mit zwei Kontaktscheiben (6) oder mit einer Kontaktscheibe (6) und einem zweiten (2) der beiden Kontaktanschlüsse kontaktiert ist, und dass der zweite Teilwiderstandskörper (5, 50, 51) mit dem ersten Teilwiderstandskörper (4, 40, 41) in innigen elektrischen Kontakt gebracht ist und einen parallel zu mindestens einem Teilabschnitt des mindestens einen stromführenden Pfades geschalteten Widerstand bildet.
  2. Strombegrenzendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Teilwiderstandskörper (4, 5) jeweils als Platte ausgebildet sind, und dass die Teilwiderstandskörper (4, 5) wechselweise aufeinanderfolgend in Form eines Stapels angeordnet sind (Fig.2 bis 4).
  3. Strombegrenzendes Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus zweitem Widerstandsmaterial bestehenden Platten unter Bildung von Kühlrippen über die aus erstem Widerstandsmaterial bestehenden Platten herausragen (Fig.4).
  4. Strombegrenzendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teilwiderstandskörper (4, 5) jeweils als Hohl- oder Vollzylinder ausgebildet sind, und dass die Teilwiderstandskörper (4, 5) wechselweise aufeinanderfolgend in Form eines Rohrs oder eines Vollzylinders angeordnet sind (Fig.5).
  5. Strombegrenzendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilwiderstandskörper (5) Durchgangsbohrungen (8) aufweist, welche zumindest teilweise der Aufnahme eines oder mehrerer erster Teilwiderstandskörper (4) dienen oder zumindest teilweise zu Kühlzwecken offen gehalten sind (Fig. 9, 10).
  6. Strombegrenzendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilwiderstandskörper (4) von einer Keramik gebildet ist, welche unter Bildung des innigen elektrischen Kontakts mittels eines elektrisch anisotrop leitenden Materials, wie insbesondere eines Elastomers, auf dem zweiten Teilwiderstandskörper (5) befestigt ist.
  7. Strombegrenzendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilwiderstandskörper (4) ein gefülltes Polymer enthält, welches unter Aufgiessen auf den zweiten Teilwiderstandskörper (5) und nachfolgendes Aushärten oder durch Auflegen als platten- oder folienartiges Element auf den zweiten Teilwiderstandskörper (5) und nachfolgendes Heissverpressen hergestellt ist.
  8. Strombegrenzendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilwiderstandskörper jeweils als kreisförmige Scheibe (50) ausgebildet ist, und dass mehrere Scheiben (50) jeweils von je einem als Ringkörper (40) ausgebildeten ersten Teilwiderstandskörper umgeben sind, oder dass der zweite Teilwiderstandskörper als Ringkörper (51) ausgebildet ist, und dass mehrere Ringkörper (51) jeweils von je einem als kreisförmige Scheibe (41) ausgebildeten ersten Widerstandskörper umgeben (Fig.6 bis 8).
  9. Strombegrenzendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstoff des ersten und/oder zweiten Widerstandsmaterials zumindest teilweise aus para- oder ferromagnetischem Material besteht und aus erstem und/oder zweitem Widerstandsmaterial gebildete Ketten aufweist, welche längs der Feldlinien eines die Kettenbildung verursachenden magnetischen Feldes erstreckt sind.
  10. Strombegrenzendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Widerstandsmaterial unterhalb einer zweiten Temperatur, welche gleich oder höher als die erste Temperatur ist, einen geringen spezifischen Kaltwiderstand und oberhalb der zweiten Temperatur einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand aufweist.
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