EP1281190B1 - Schmelzleiter und verfahren zu seiner herstellung sowie sicherungsleiter und sicherung - Google Patents

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EP1281190B1
EP1281190B1 EP01919045A EP01919045A EP1281190B1 EP 1281190 B1 EP1281190 B1 EP 1281190B1 EP 01919045 A EP01919045 A EP 01919045A EP 01919045 A EP01919045 A EP 01919045A EP 1281190 B1 EP1281190 B1 EP 1281190B1
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EP
European Patent Office
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conductor
doping
fuse
fusible
fusible conductor
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EP01919045A
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Uwe Kaltenborn
Pal Kristian Skryten
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP1281190A1 publication Critical patent/EP1281190A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/055—Fusible members
    • H01H85/08—Fusible members characterised by the shape or form of the fusible member
    • H01H85/11—Fusible members characterised by the shape or form of the fusible member with applied local area of a metal which, on melting, forms a eutectic with the main material of the fusible member, i.e. M-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/055—Fusible members
    • H01H85/06—Fusible members characterised by the fusible material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49107—Fuse making

Definitions

  • the invention relates to a fuse element for a fuse as well as a fuse conductor and a fuse, such as for Interruption of overcurrents, such as z. B. as a result of Short circuits occur. Furthermore it relates to a method for producing a Fusible conductor and a fuse conductor.
  • This fuse element has at least one Doping point at which on the conductor material of this different doping material is applied.
  • Silver is provided as the conductor material and as Doping material tin.
  • the at least one doping site Has been somewhat stabilized by heat treatment.
  • On the at least one doping point has an alloy formed from conductor material and doping material. This Alloy is obviously not homogeneous Distribution of materials.
  • the invention is based on the object Specify generic fuse element, its at least a doping site stable and controllable Shows properties. This task is due to the characteristics solved in the characterizing part of claim 1.
  • At least one fuse element of this type should be used containing fuse conductor are specified, the at a small overcurrent over the entire length if possible is interrupted as well as a fuse, which one such fuse element or such Safety conductor includes. Ultimately, there should be a trial for the production of a fuse element according to the invention can be specified.
  • the fuse element according to the invention has at least one Doping point, which occurs with the Temperatures is largely stable. In particular, it remains localized. Your electrical properties and you Melting point are not subject to major changes and also no major statistical fluctuations.
  • the doping points occur in this regard, instead of narrowing the cross-section known fuse element, but without the resistance in the same extent would be increased. The power loss is therefore significantly lower.
  • the fuse conductor according to the invention is also included equipped with a burn-off element, which when reached an ignition temperature, which is preferably just below the Melting point of the doping point is, ignites and below Heat release burns off. This means even with smaller ones Overflow an interruption of the safety conductor in the essentially achieved along the entire length and the overcurrent quickly interrupted.
  • the fuse according to the invention has the advantages that derive from the properties of the inventive fuse element or security conductor according to the invention.
  • the fuse according to the invention has (Fig. 1a, b) in one cylindrical housing 1, the z. B. consist of ceramic can have a support body 2 arranged in the axis, which is also made of ceramic or plastic or a composite or other suitable electrical insulating material and a cylindrical or tubular base body 3 with radially projecting ribs 4 having.
  • a first electrical connection and a second electrical connector arranged as caps 5a, b are formed from metal.
  • the caps 5a, b are through a helically wound around the support body 2
  • the housing is like with an extinguishing medium z. B. Filled with quartz sand.
  • the Fuse conductor 6 has a fuse element 7 according to a first embodiment, the base of which Strip from a suitable fusible electrical conductive conductor material 8, preferably silver or a Silver alloy or copper or aluminum.
  • the Strip has a width of between 1 mm and 2.5 mm, its thickness is between 0.05 mm and 0.15 mm.
  • the Fusible conductor 7 has at regular intervals between 5 mm and 20 mm doping points 9, at which on a z. B.
  • the width of between 10% and 100% of the width of the fuse element 7 is that Layer of conductor material 8 weakened, but to Ensuring good mechanical strength throughout while there is a layer on it, which is made of a first connection 10 made of the conductor material 8 or at least one component of the same and one Doping material or a component thereof.
  • the first compound 10 is a solid chemical compound, which each have at least one component of the Conductor material and the doping material in solid contains stoichiometric ratios. Usually is the first compound 10 crystalline and thus forms Mixed crystals from the said components. That in essential unmixed conductor material 8 and the first Compound 10 therefore encounter a fixed phase boundary to each other, whose surface tension diffusion from Doping material in the conductor material at the in operation Usually occurring temperatures of less than 150 ° C almost completely prevented.
  • connection 10 There can also be several such connections between the Conductor material and the doping material occur, for. B. a second connection 11, but usually not directly adjacent to the conductor material 8, but only to the first connection 10. Apart from the Doping points 9 where it passes through the doping material the cross section of the fuse element 7 is enlarged constant over its length.
  • the melting point of the first link 10 should be quite deep, in particular not greater than 250 ° C and their electrical conductivity should preferably be slightly less than that of Conductor material. Overall, however, the resistance per Unit of length at the doping sites i. a. at most by a factor of 1.8, preferably 1.3 greater than outside the same.
  • the strip has the doping points 9 by corresponding deformations of the conductor material 8 produced spherical dome-shaped bulges, which form bowl-like depressions, in each of which two Layers lie on top of each other, which in turn consist of a first Connection 10 and a second connection 11 exist.
  • the combination of silver as conductor material and indium as doping material has proven particularly successful.
  • Ag 2 In forms as the first connection 10, which directly abuts the conductor material 1, to which AgIn 2 adjoins as the second connection 11.
  • the melting point of Ag 2 In is between 187 ° C and 204 ° C, that of AgIn 2 at 166 ° C.
  • Other possible conductor materials are alloys of Ag as well as Cu, Al or alloys thereof.
  • Ge is the most suitable doping material.
  • a fuse element according to the first embodiment made of silver as conductor material and indium as Doping material existed, was at the doping points Melting temperature at about 170 ° C and increasing the Resistance per unit length on average around 5% and consistently below 15%. Both for the melting temperature of the doping points as well as for the resistance pro Unit of length was the mean square deviation significantly lower than when using Ag and Sn, whose Material diffuses into the Ag strip and with it one intermetallic phase of variable composition.
  • the fusible conductor 7 according to the first embodiment is produced in the preferred composition in such a way that rectangular In-platelets with a mass of e.g. B. 5 mg and pressed with the strip.
  • the strip is then placed in an oven and in an oxygen-reduced or oxygen-free protective gas atmosphere - e.g. B. nitrogen or a noble gas such as argon or a mixture of such gases - with a temperature gradient of z.
  • Sintering creates the configuration of the doping points described above, in which a portion of the cross section which is between 10% and 100% is formed by Ag 2 In and AgIn 2 .
  • Sintering temperatures and times can of course be selected differently and adapted to the other conditions. Temperatures between 350 ° C and 960 ° C and in particular between 400 ° C and 600 ° C and times between 0.1h and 10h and in particular 2h and 8h have proven effective.
  • the bowl-like depressions pressed into the strip In powder is in a suitable, the indium before oxidation protective carrier liquid, e.g. B. alcohol or Slurried ethylene glycol dimethyl ether and so in the Filled in wells. With the subsequent one, as above The sintering process evaporates the carrier liquid.
  • the indium before oxidation protective carrier liquid e.g. B. alcohol or Slurried ethylene glycol dimethyl ether
  • the fuse conductor has a fuse element or also several in parallel and possibly in individual places cross-connected fuse element. It also includes a Burning element, which preferably with the fuse element or at least the entire length of the fusible conductors is in contact in places. This preferably exists Burning element made of a burning material 12 (FIG. 2b), the each have a continuous layer on the fuse element 7 forms.
  • the combustion material 12 contains a fuel and an oxidizer which, when an ignition temperature is reached, which is preferably not higher than the melting temperature of the doping sites 9 react with one another, one relatively large amount of heat is released.
  • Guanidines and guanidine derivatives such as diguanidinium-5,5'-azotetrazolate (GZT), guadine nitrate and guanidine acetate, of which mixtures can also be used, have proven particularly useful as fuel.
  • GZT diguanidinium-5,5'-azotetrazolate
  • guadine nitrate and guanidine acetate of which mixtures can also be used, have proven particularly useful as fuel.
  • an additive consisting of at least one metal such as Mg, Al, Zr, Hf, Th can also be added.
  • Suitable oxidizers are oxygen-rich compounds, especially nitrates, chlorates, perchlorates and permanganates such as KNO 3 , NaNO 3 , NH 4 NO 3 , KClO 4 , NaClO 4 , KMnO 4 .
  • Oxidator is present in the erosion material in a stoichiometric amount, its proportion is generally at least by a factor of 1.1, but preferably in a higher ratio, e.g. B. between 10: 1 and 15: 1 superstoichiometric. This leads to complete oxidation of the fuel in a very rapid reaction.
  • the ignition temperature of the Burning material with relatively high accuracy - i. a. can be set to ⁇ 10 ° C. Thereby values between 180 ° C and 260 ° C, preferably not more than 240 ° C prefers.
  • the amount of heat released is at least 200 J / g, preferably at least 300 J / g. Possibly in Metals contained in fuel are made by the previously incineration of the organic part of the same also brought to ignition temperature and then perform one essential contribution to heat release. It will Temperatures of 1,700 ° C and more reached.
  • the erosion material also contain a binder that the Burning material z. B. makes it spreadable or extrudable.
  • a binder that the Burning material z. B. makes it spreadable or extrudable.
  • the binder is heated so far that it becomes kneadable and then using a kneader with the Fuel and the oxidizer mixed.
  • Binder also known for use in pyrotechnics
  • Binder e.g. B. polyethylenes, polyamides, polyimides, Epoxy resins or inorganic substances such as silica gel or Water glass can be used. Especially in this case granules also from the fuel and the oxidizer made and mixed the same with the binder become.
  • the mixture can spread over its entire length the strip-shaped fuse element 7 are applied, z. B. by extrusion, so that the erosion material 12 with the same over its entire length in tight mechanical and thermal contact.
  • it can (Fig. 2b) applied to one of the surfaces of the fuse element 7 so that it completely covers the same or it can layers on both surfaces of the fuse element 7th be applied.
  • Another option is to add over the room temperature, e.g. B. between 40 ° C and 130 ° C crosslinking elastomers, e.g. B. silicone or also strong when heated to such temperatures shrinking materials, especially polymers such as Polyethylene or polypropylene as a binder, which also mixed with the fuel and the oxidizer become.
  • the combustion material 12 can then be in the form of a Heat shrink tubing brought over the Fusible conductor 7 is pulled and cross-linked or shrunk.
  • the at least one fuse element 6 melts the doping sites 9 very quickly, so that a number shorter arcs occur.
  • the base voltage of the many serial arcs becomes the Fuse voltage driven by the system voltage and the electricity interrupted. Play the doping points 9 the role of punching or the like. manufactured cross-sectional constrictions known Fuse element. The meltdown is mainly caused by lowering the melting point and not how only in the case of the constrictions Resistance increase, so that the inventive Melting conductor significantly lower in normal operation Power losses caused.
  • the fuse element will continue to work melted by the burn over the entire length, see above that a long arc is formed. After burning down of the erosion material gives it a lot of heat surrounding extinguishing medium. This cools the plasma and the resistance of the arc increases until its Voltage reaches the system voltage and the arc goes out.
  • the burn element is an optional element that is not is required in any case.
  • the electrical connections the backup can also be done by just one Fusible conductor or several parallel fusible conductors connected his. However, it ensures that the backup is also at small overcurrents and thus one represents versatile multi-range security.

Landscapes

  • Fuses (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schmelzleiter für eine Sicherung sowie einen Sicherungsleiter und eine Sicherung, wie sie zur Unterbrechung von Überströmen, wie sie z. B. als Folge von Kurzschlüssen auftreten, eingesetzt werden. Ausserdem betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung eines Schmelzleiters und eines Sicherungsleiters.
Stand der Technik
Es ist seit langem bekannt (s. z. B. US-A-3 705 373), an einer Dotierungsstelle, meist etwa in der Mitte des Schmelzleiters einer Sicherung, Dotierungsmaterial, z. B. Zinn oder aus Zinn und Blei bestehendes Lot aufzubringen und damit dort den Schmelzpunkt zu erniedrigen und zugleich den Widerstand zu erhöhen, so dass der Schmelzleiter bei kleinem Überstrom an der Dotierungsstelle zuerst durchschmilzt. Aus der US-A-4 357 588 ist ein weiterer derartiger Schmelzleiter bekannt, der mehrere in Längsrichtung aufeinanderfolgende Dotierungsstellen aufweist, die jeweils an einem Arm des dort durch einen Längsschlitz geteilten, in seinem Querschnitt reduzierten Schmelzleiters angebracht sind. Das Zinn oder Lot geht an der Dotierungsstelle mit dem Leitermaterial, z. B. Silber oder Kupfer, eine intermetallische Verbindung ein, d. h. es wird im Leitermaterial mehr oder weniger stark gelöst.
Derartige Verbindungen sind jedoch, vor allem bei etwas höheren Temperaturen, wie sie in diesem Anwendungsbereich auftreten, Alterungsprozessen unterworfen, die auch die elektrischen Eigenschaften des Schmelzleiters in unerwünschter oder nicht deutlich vorhersehbarer Weise verändern können. Insbesondere kann das Dotierungsmaterial sich durch Diffusion im Leitermaterial ausbreiten, so dass schliesslich die lokale Begrenzung der Dotierungsstellen mehr oder weniger stark aufgelöst wird.
Zur Unterbrechung eines grossen Überstroms weisen die in den obengenannten Schriften beschriebenen Schmelzleiter durch runde Ausstanzungen hergestellte, in gleichen Abständen aufeinanderfolgende Querschnittsverengungen auf, an denen der Schmelzleiter dann rasch durchschmilzt. Die Ausstanzungen bilden jedoch Schwächungen und erhöhen den Widerstand des Schmelzleiters beträchtlich, so dass dort verhältnismässig hohe Verlustleistungen auftreten.
In der Schrift DE-C- 624 633 ist ein Herstellverfahren für einen Schmelzleiter beschrieben, der in einer Schmelzsicherung eingesetzt wird. Dieser Schmelzleiter weist mindestens eine Dotierungsstelle auf, an welcher auf das Leitermaterial ein von diesem verschiedenes Dotierungsmaterial aufgebracht wird. Als Leitermaterial ist hier Silber vorgesehen und als Dotierungsmaterial Zinn. Die mindestens eine Dotierungsstelle Ist durch eine Wärmebehandlung etwas stabilisiert worden. An der mindestens einen Dotierungsstelle hat sich eine Legierung aus Leitermaterial und Dotierungsmaterial ausgebildet. Diese Legierung weist offensichtlich keine homogene Materialverteilung auf.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemässen Schmelzleiter anzugeben, dessen mindestens eine Dotierungsstelle stabile und kontrollierbare Eigenschaften zeigt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Ausserdem soll ein mindestens einen derartigen Schmelzleiter enthaltender Sicherungsleiter angegeben werden, der bei einem kleinen Überstrom möglichst über die ganze Länge unterbrochen wird sowie eine Sicherung, welche einen derartigen Schmelzleiter oder einen derartigen Sicherungsleiter umfasst. Schliesslich soll ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Schmelzleiters angegeben werden.
Der erfindungsgemässe Schmelzleiter weist mindestens eine Dotierungsstelle auf, welche bei den auftretenden Temperaturen weitgehend stabil ist. Insbesondere bleibt sie lokalisiert. Ihre elektrischen Eigenschaften und ihr Schmelzpunkt unterliegen keinen grösseren Aenderungen und auch keinen grösseren statistischen Schwankungen.
Er kann auch viele in regelmässigen Abständen aufeinanderfolgende Dotierungsstellen aufweisen, an welchen er bei grossem Überstrom sehr rasch durchschmilzt, so dass sich eine hohe Spannung entsprechend der Summe sämtlicher Lichtbogenspannungen aufbaut. Die Dotierungsstellen treten diesbezüglich an die Stelle der Querschnittsverengungen bekannter Schmelzleiter, ohne dass jedoch der Widerstand im gleichen Ausmass vergrössert würde. Die Verlustleistung ist daher deutlich geringer.
Der erfindungsgemässe Sicherungsleiter ist ausserdem mit einem Abbrandelement ausgestattet, welches bei Erreichen einer Zündtemperatur, welche vorzugsweise knapp unter dem Schmelzpunkt der Dotierungsstelle liegt, zündet und unter Wärmefreisetzung abbrennt. Dadurch wird auch bei kleineren Überströmen eine Unterbrechung des Sicherungsleiters im wesentlichen auf der ganzen Länge erzielt und der Überstrom rasch unterbrochen. Die erfindungsgemässe Sicherung weist die Vorzüge auf, die sich aus den Eigenschaften des erfindungsgemässen Schmelzleiters oder des erfindungsgemässen Sicherungsleiters ergeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1a
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Sicherung gemäss einer ersten Ausführungsform,
Fig. 1b
einen Längsschnitt längs B-B in Fig. 1a,
Fig. 2a
eine Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Schmelzleiter oder Sicherungsleiter gemäss einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2b
einen Schnitt längs B-B in Fig. 2a durch den Sicherungsleiter gemäss der ersten Ausführungsform,
Fig. 3a
eine Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Schmelzleiter oder Sicherungsleiter gemäss einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 3b
einen Querschnitt längs B-B in Fig. 3a.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die erfindungsgemässe Sicherung weist (Fig. 1a,b) in einem zylindrischen Gehäuse 1, das z. B. aus Keramik bestehen kann, einen in der Achse angeordneten Stützkörper 2 auf, welcher ebenfalls aus Keramik oder auch aus Kunststoff oder einem Verbundstoff oder sonst einem geeigneten elektrisch isolierenden Material besteht und einen zylindrischen oder rohrförmigen Grundkörper 3 mit radial abstehenden Rippen 4 aufweist. An den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 1 sind ein erster elektrischer Anschluss und ein zweiter elektrischer Anschluss angeordnet, die als Kappen 5a,b aus Metall ausgebildet sind. Die Kappen 5a,b sind durch einen schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewickelten Sicherungsleiter 6 - es kann sich auch um mehrere parallelgeschaltete Sicherungsleiter handeln - elektrisch leitend verbunden. Das Gehäuse ist mit einem Löschmedium wie z. B. Quarzsand aufgefüllt.
Gemäss einer ersten Ausführungsform (Fig. 2a,b) des Sicherungsleiters 6 weist derselbe einen Schmelzleiter 7 gemäss einer ersten Ausführungsform auf, dessen Basis ein Streifen aus einem geeigneten schmelzbaren elektrisch leitenden Leitermaterial 8, vorzugsweise Silber oder eine Silberlegierung oder auch Kupfer oder Aluminium ist. Der Streifen weist eine Breite von zwischen 1 mm und 2,5 mm auf, seine Dicke liegt zwischen 0,05 mm und 0,15 mm. Der Schmelzleiter 7 weist in regelmässigen Abständen von zwischen 5 mm und 20 mm Dotierungsstellen 9 auf, an welchen auf einer z. B. rechteckigen Fläche, deren Breite zwischen 10% und 100% der Breite des Schmelzleiters 7 beträgt, die Schicht des Leitermaterials 8 geschwächt, aber zur Gewährleistung guter mechanischer Festigkeit durchgehend ist, während auf derselben eine Schicht liegt, welche aus einer ersten Verbindung 10 aus dem Leitermaterial 8 oder wenigstens einem Bestandteil desselben und einem Dotierungsmaterial oder einem Bestandteil desselben besteht.
Die erste Verbindung 10 ist eine feste chemische Verbindung, welche den jeweils mindestens einen Bestandteil des Leitermaterials und des Dotierungsmaterials in festen stöchiometrischen Verhältnissen enthält. In der Regel ist die erste Verbindung 10 kristallin und bildet mithin Mischkristalle aus den besagten Bestandteilen. Das im wesentlichen unvermischte Leitermaterial 8 und die erste Verbindung 10 stossen daher an einer festen Phasengrenze aneinander, deren Oberflächenspannung Diffusion von Dotierungsmaterial in das Leitermaterial bei den im Betrieb üblicherweise auftretenden Temperaturen von unter 150°C fast vollständig verhindert.
Es können auch mehrere derartige Verbindungen zwischen dem Leitermaterial und dem Dotierungsmaterial auftreten, z. B. eine zweite Verbindung 11, die jedoch in der Regel nicht direkt an das Leitermaterial 8 angrenzt, sondern lediglich an die erste Verbindung 10. Abgesehen von den Dotierungsstellen 9, wo er durch das Dotierungsmaterial vergrössert ist, ist der Querschnitt des Schmelzleiters 7 jeweils über dessen Länge konstant. Der Schmelzpunkt der ersten Verbindung 10 sollte ziemlich tief sein, insbesondere nicht grösser als 250°C und ihre elektrische Leitfähigkeit sollte vorzugsweise etwas geringer sein als die des Leitermaterials. Insgesamt sollte jedoch der Widerstand pro Längeneinheit an den Dotierungsstellen i. a. höchstens um einen Faktor 1,8, vorzugsweise 1,3 grösser sein als ausserhalb derselben.
Gemäss einer zweiten Ausführungsform des Schmelzleiters 7 (Fig. 3a,b) weist der Streifen an den Dotierungsstellen 9 durch entsprechende Deformationen des Leitermaterials 8 hergestellte kugelkalottenförmige Ausbeulungen auf, welche schalenartige Vertiefungen bilden, in denen jeweils zwei Schichten übereinanderliegen, die wiederum aus einer ersten Verbindung 10 und einer zweiten Verbindung 11 bestehen.
Besonders bewährt hat sich die Kombination von Silber als Leitermaterial und Indium als Dotierungsmaterial. In diesem Falle bildet sich als erste Verbindung 10, die unmittelbar an das Leitermaterial 1 anstösst, Ag2In, an welche als zweite Verbindung 11 AgIn2 anschliesst. Der Schmelzpunkt von Ag2In liegt je nach Struktur des Mischkristalls zwischen 187°C und 204°C, der des AgIn2 bei 166°C. Es kann sich natürlich auch noch eine Schicht anschliessen, die entweder ausschliesslich aus dem Dotierungsmaterial oder aus sonstigen Verbindungen desselben, z. B. einem Oxid besteht. Andere mögliche Leitermaterialien sind Legierungen von Ag sowie Cu, Al oder Legierungen davon. Als Dotierungsmaterial kommt neben In vor allem noch Ge in Frage.
Bei einem Schmelzleiter gemäss der ersten Ausführungsform, der aus Silber als Leitermaterial und Indium als Dotierungsmaterial bestand, lag an den Dotierungsstellen die Schmelztemperatur bei etwa 170°C und die Erhöhung des Widerstandes pro Längeneinheit im Durchschnitt bei ca. 5% und durchwegs unter 15%. Sowohl für die Schmelztemperatur der Dotierungsstellen als auch für den Widerstand pro Längeneinheit war die mittlere quadratische Abweichung deutlich tiefer als bei der Verwendung von Ag und Sn, deren Material in den Ag-Streifen eindiffundiert und mit ihm eine intermetallische Phase von variabler Zusammensetzung bildet.
Die Herstellung des Schmelzleiters 7 gemäss der ersten Ausführungsform in der bevorzugten Zusammensetzung erfolgt so, dass auf einen Ag-Streifen von gleichbleibendem rechteckigen Querschnitt in regelmässigen Abständen rechteckige In-Plättchen mit einer Masse von z. B. 5 mg aufgelegt und mit dem Streifen verpresst werden. Anschliessend wird der Streifen in einen Ofen gebracht und in einer sauerstoffreduzierten oder sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre - z. B. Stickstoff oder einem Edelgas wie Argon oder einer Mischung solcher Gase - mit einem Temperaturgradienten von z. B. 500°C/h auf 400°C erwärmt und 3h auf bei dieser Temperatur gesintert. Anschliessend wird er wiederum mit einem Temperaturgradienten von 500°C/h abgekühlt. Durch die Sinterung entsteht die oben beschriebene Konfiguration der Dotierungsstellen, bei der ein Anteil des Querschnitts, der zwischen 10% und 100% liegt, von Ag2In und AgIn2 gebildet wird. Sintertemperaturen und -zeiten können natürlich unterschiedlich gewählt und an die sonstigen Bedingungen angepasst werden. Bewährt haben sich Temperaturen zwischen 350°C und 960°C und insbesondere zwischen 400°C und 600°C sowie Zeiten zwischen 0,1h und 10h und insbesondere 2h und 8h.
Beim Schmelzleiter gemäss der zweiten Ausführungsform werden die schalenartigen Vertiefungen in den Streifen eingedrückt. In-Pulver wird in einer geeigneten, das Indium vor Oxidation schützenden Trägerflüssigkeit, z. B. Alkohol oder Ethylenglykoldimethylether aufgeschlämmt und so in die Vertiefungen eingefüllt. Bei der anschliessenden, wie oben ablaufenden Sinterung verdampft die Trägerflüssigkeit.
Der Sicherungsleiter weist einen Schmelzleiter oder auch mehrere parallel geführte und eventuell an einzelnen Stellen querverbundene Schmelzleiter auf. Zusätzlich umfasst er ein Abbrandelement, welches vorzugsweise mit dem Schmelzleiter oder den Schmelzleitern auf der ganzen Länge mindestens stellenweise in Kontakt ist. Vorzugsweise besteht das Abbrandelement aus einem Abbrandmaterial 12 (Fig. 2b), das jeweils auf dem Schmelzleiter 7 eine durchgehende Schicht bildet. Das Abbrandmaterial 12 enthält einen Brennstoff und einen Oxidator, welche bei Erreichen einer Zündtemperatur, die vorzugsweise nicht höher ist als die Schmelztemperatur der Dotierungsstellen 9, miteinander reagieren, wobei eine verhältnismässig grosse Wärmemenge freigesetzt wird.
Als Brennstoff besonders bewährt haben sich Guanidine und Guanidinderivate wie Diguanidinium-5,5'-azotetrazolat (GZT), Guadinnitrat und Guanidinazetat, von denen auch Mischungen eingesetzt werden können. Zur Erhöhung der Wärmefreisetzung kann ausserdem ein Zusatzstoff, der aus mindestens einem Metall wie Mg, Al, Zr, Hf, Th besteht, zugegeben werden. Als Oxidator eignen sich sauerstoffreiche Verbindungen, vor allem Nitrate, Chlorate, Perchlorate und Permanganate wie KNO3, NaNO3, NH4NO3, KClO4, NaClO4, KMnO4. Bei Zugabe eines Zusatzstoffs zum Brennstoff ist es günstig, dem Oxidator ein Metalloxid beizugeben, das mit mindestens einem der darin enthaltenen Metalle eine thermitische Reaktion eingeht, z. B. Fe2O3. Oxidator ist im Abbrandmaterial in überstöchiometrischer Menge vorhanden, sein Anteil ist i. a. mindestens um einen Faktor 1,1, vorzugsweise jedoch in einem höheren Verhältnis, z. B. zwischen 10:1 und 15:1 überstöchiometrisch. Dies führt zu einer vollständigen Oxidation des Brennstoffs in einer sehr rasch ablaufenden Reaktion.
Durch Auswahl und Dosierung des Oxidators derart, dass er bei einer bestimmten Temperatur eine ausreichende Menge Sauerstoff freisetzt, kann die Zündtemperatur des Abbrandmaterials mit verhältnismässig grosser Genauigkeit - i. a. auf ±10°C - eingestellt werden. Dabei werden Werte zwischen 180°C und 260°C, vorzugsweise nicht mehr als 240°C bevorzugt. Die freigesetzte Wärmemenge liegt bei mindestens 200 J/g, vorzugsweise bei mindestens 300 J/g. Allfällig im Brennstoff enthaltene Metalle werden durch die vorher beginnende Verbrennung des organischen Anteils desselben ebenfalls auf Zündtemperatur gebracht und leisten dann einen wesentlichen Beitrag zur Wärmefreisetzung. Es werden Temperaturen von 1'700°C und mehr erreicht.
Folgende Abbrandmaterialien wurden beispielsweise untersucht (die Anteile werden in % Masse angegeben):
1:
60% GZT, 40% KMnO4
2:
40% GZT, 6% Mg, 54% KMnO4
3:
30% GZT, 3,5% Guanidinnitrat, 66,5% KMnO4
4:
7,1% Guanidinazetat, 92,9% KMnO4
5:
33,3% Guanidinnitrat, 11,1% Mg, 55,6% KMnO4
6:
27,5% Guanidinnitrat, 9,2% Mg, 16,7% PSA, 46,7% KMnO4
7:
27,5% Guanidinnitrat, 16,7% Guanidinazetat, 9,2% Mg, 46,7% KMnO4
8:
26,8% GZT, 13,4% Guanidinazetat, 59,8% KMnO4
Dabei wurden für die Zündtemperatur und die Wärmefreisetzung folgende Werte ermittelt:
Abbrandmaterial Zündtemperatur [°C] Wärmefreisetzung [J/g]
1 255 330
2 258 580
3 177 862
4 208 402
5 236 714
6 160 294
7 205 862
8 233 760
Zur Herstellung günstiger mechanischer Eigenschaften kann das Abbrandmaterial auch ein Bindemittel enthalten, das das Abbrandmaterial z. B. streich- oder extrudierbar macht. Hier eignet sich vor allem Paraffin oder Bienenwachs, Polyester oder Polyethylen. Das Bindemittel wird so weit erwärmt, dass es knetbar wird und dann mittels eines Kneters mit dem Brennstoff und dem Oxidator vermischt. Daneben können als Bindemittel auch für die Verwendung in Pyrotechnika bekannte Binder, z. B. Polyethylene, Polyamide, Polyimide, Epoxidharze oder anorganische Stoffe wie Silikagel oder Wasserglas eingesetzt werden. Vor allem in diesem Fall kann auch aus dem Brennstoff und dem Oxidator ein Granulat hergestellt und dasselbe mit dem Bindemittel vermischt werden. Die Mischung kann etwa über dessen ganze Länge auf den streifenförmigen Schmelzleiter 7 aufgebracht werden, z. B. durch Extrudieren, so dass das Abbrandmaterial 12 mit demselben auf seiner ganzen Länge in engem mechanischen und thermischen Kontakt steht. Beispielsweise kann es (Fig. 2b) auf eine der Oberflächen des Schmelzleiters 7 aufgetragen werden, so dass es dieselbe vollständig bedeckt oder es können Schichten auf beide Oberflächen des Schmelzleiters 7 aufgebracht werden.
Eine andere Möglichkeit besteht in der Zugabe von bei über der Raumtemperatur liegenden Temperaturen, z. B. zwischen 40°C und 130°C vernetzenden Elastomeren, z. B. Silikon oder auch von bei Erwärmung auf derartige Temperaturen stark schrumpfenden Materialien, insbesondere Polymeren wie Polyethylen oder Polypropylen als Bindemittel, welche ebenfalls mit dem Brennstoff und dem Oxidator vermischt werden. Das Abbrandmaterial 12 kann dann in die Form eines Schrumpfschlauchs gebracht werden, der über den Schmelzleiter 7 gezogen und vernetzt bzw. geschrumpft wird.
Bei Auftreten eines grossen Überstroms, der mindestens dem Fünffachen des Nennstroms entspricht und den Abschaltstrom bei vorgegebener Spannung gemäss IEC 282-1 erreicht - derartige Überströme werden vor allem von Kurzschlüssen ausgelöst -, schmilzt der mindestens eine Schmelzleiter 6 an den Dotierungsstellen 9 sehr rasch durch, so dass eine Reihe kürzerer Lichtbögen entsteht. Durch die Addition der Fusspunktspannungen der vielen seriellen Lichtbögen wird die Spannung der Sicherung über die Systemspannung getrieben und der Strom unterbrochen. Die Dotierungsstellen 9 spielen dabei die Rolle der durch Ausstanzungen o. dgl. hergestellten Querschnittsverengungen bekannter Schmelzleiter. Das Durchschmelzen wird jedoch hauptsächlich durch Schmelzpunkterniedrigung hervorgerufen und nicht wie bei den Verengungen ausschliesslich durch Widerstandserhöhung, so dass der erfindungsgemässe Schmelzleiter im Normalbetrieb deutlich geringere Verlustleistungen verursacht.
Bei einem kleinen Überstrom, gewöhnlich etwa ab dem 1,1-fachen des Nennstroms - es sind jedoch auch die thermischen Verhältnisse zu berücksichtigen -, erwärmt sich dagegen der mindestens eine Schmelzleiter 7 an den Dotierungsstellen 9 verhältnismässig rasch auf die Zündtemperatur der Abbrandmasse 12, was dort eine so ausreichende Freisetzung von Sauerstoff durch den Oxidator auslöst, dass die Verbrennung in Gang kommt. Die dadurch verursachte lokale Wärmefreisetzung führt dann sehr rasch zur Zündung des gesamten Abbrandelements oder gegebenenfalls der Mehrzahl von Abbrandelementen. Dadurch wird der Schmelzleiter bzw. werden die Schmelzleiter zuerst an den weiteren Dotierungsstellen 9, wo die Schmelztemperatur beinahe erreicht ist und die zum Aufschmelzen noch erforderliche Schmelzwärme entsprechend gering ist, sehr rasch aufgeschmolzen, was wiederum zur Ausbildung einer Reihe kürzerer Lichtbögen führt. Falls dies nicht sofort zur Stromunterbrechung führt, wird der Schmelzleiter im weiteren durch den Abbrand auf der ganzen Länge aufgeschmolzen, so dass sich ein langer Lichtbogen bildet. Nach dem Abbrennen des Abbrandmaterials gibt derselbe viel Wärme an das umgebende Löschmedium ab. Dadurch kühlt sich das Plasma ab und der Widerstand des Lichtbogens nimmt zu, bis seine Spannung die Systemspannung erreicht und der Lichtbogen erlischt.
Das Abbrandelement ist ein fakultatives Element, das nicht in jedem Fall erforderlich ist. Die elektrischen Anschlüsse der Sicherung können auch lediglich durch einen Schmelzleiter oder mehrere parallele Schmelzleiter verbunden sein. Es gewährleistet jedoch, dass die Sicherung auch bei kleinen Überströmen sicher anspricht und mithin eine vielseitig einsetzbare Mehrbereichssicherung darstellt.
Bezugszeichenliste
1
Gehäuse
2
Stützkörper
3
Grundkörper
4
Rippe
5a,b
Kappe
6
Sicherungsleiter
7
Schmelzleiter
8
Leitermaterial
9
Dotierungsstelle
10
erste Verbindung
11
zweite Verbindung
12
Abbrandmaterial

Claims (29)

  1. Schmelzleiter für eine Sicherung, mit einem Streifen, welcher im wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen schmelzbaren Leitermaterial (8) besteht und mindestens eine Dotierungsstelle (9) aufweist, an der das Leitermaterial (8) mit einem davon verschiedenen Dotierungsmaterial versetzt ist, welches mit dem Leitermaterial eine Mischung bildet, deren Schmelzpunkt tiefer liegt als derjenige des Leitermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung mit dem Leitermaterial mindestens eine erste Verbindung (10) umfasst, in welchem mindestens ein Bestandteil des Leitermaterials (8) und mindestens ein Bestandteil des Dotierungsmaterials in festen stöchiometrischen Verhältnissen gebunden sind.
  2. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (8) von der ersten Verbindung (10) durch eine Phasengrenze getrennt ist, an welcher dieselben unmittelbar aneinanderstossen.
  3. Schmelzleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindung (10) aus jeweils mindestens einen Bestandteil des Leitermaterials (8) und mindestens einen Bestandteil des Dotierungsmaterials enthaltenden Mischkristallen besteht.
  4. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt der ersten Verbindung (10) nicht über 250°C liegt.
  5. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial (8) im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Bestandteile besteht: Ag, Cu, Al.
  6. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierungsmaterial im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Bestandteile besteht: In, Ge.
  7. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sein Querschnitt an der mindestens einen Dotierungsstelle (9) nicht vermindert und ausserhalb derselben im wesentlichen gleichbleibend ist.
  8. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch an der mindestens einen Dotierungsstelle (9) ein Teil seines Querschnittes von unvermischtem Leitermaterial (8) gebildet wird.
  9. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Dotierungsstellen (9) aufweist, welche, vorzugsweise in gleichen Abständen, in Längsrichtung aufeinanderfolgen.
  10. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sein Widerstand pro Längeneinheit an den Dotierungsstellen (9) um höchstens einen Faktor 1,8, vorzugsweise um höchstens einen Faktor 1,3 grösser ist als ausserhalb derselben.
  11. Sicherungsleiter mit mindestens einem Schmelzleiter (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ein zündbares Abbrandelement umfasst, mit dem der mindestens eine Schmelzleiter (7) mindestens stellenweise über seine ganze Länge in Kontakt ist und das aus einem Abbrandmaterial (12) besteht, welches einen Brennstoff und einen Oxidator enthält, die bei Erreichen einer Zündtemperatur unter Freisetzung von Wärme miteinander reagieren.
  12. Sicherungsleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schmelzleiter (7) über seine ganze Länge durchgehend mit dem Abbrandmaterial (12) in Kontakt ist.
  13. Sicherungsleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial (12) eine durchgehende Schicht auf dem Schmelzleiter (7) bildet.
  14. Sicherungsleiter nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündtemperatur des Abbrandmaterials (12) nicht höher ist als der Schmelzpunkt der ersten Verbindung (10).
  15. Sicherungsleiter nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Abbrandmaterial (12) freigesetzte Wärme mindestens ausreicht, um mindestens die mit dem Abbrandelement in Kontakt stehenden Teile des mindestens einen Schmelzleiters (7) aufzuschmelzen.
  16. Sicherungsleiter nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein Guanidin oder Guanidinderivat enthält, insbesondere im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Stoffe zusammengesetzt ist: Guanidin, GZT, Guanidinazetat, Guanidinnitrat.
  17. Sicherungsleiter nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator im wesentlichen aus mindestens einem Stoff aus einer der folgenden Stoffgruppen zusammengesetzt ist: Nitrate, Chlorate, Perchlorate, Permanganate.
  18. Sicherungsleiter nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis zwischen Oxidator und Brennstoff um einen Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise mindestens 10 überstöchiometrisch ist.
  19. Sicherungsleiter nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial (12) ein Bindemittel wie z. B. Paraffin oder einen Thermoplasten, vorzugsweise Polyethylen oder ein Elastomer, vorzugsweise Silikon oder einen elastisch modifizierten Duroplasten enthält.
  20. Sicherung mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss sowie mit mindestens einem Schmelzleiter (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welcher den ersten elektrischen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbindet.
  21. Sicherung mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss sowie mit mindestens einem Sicherungsleiter (6) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, welcher den ersten elektrischen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbindet.
  22. Verfahren zur Herstellung eines Schmelzleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 10, indem auf einen Streifen aus Leitermaterial (8) mindestens ein Dotierungsmaterial aufgebracht wird welches mit dem Leitermaterial eine Mischung bildet, deren Schmelzpunkt tiefer liegt als derjenige des Leitermaterials, wobei die Mischung mit dem Leitermaterial mindestens eine erste Verbindung (10) umfasst, in welchem mindestens ein Bestandteil des Leitermaterials (8) und mindestens ein Bestandteil des Dotierungsmaterials in festen stöchiometrischen Verhältnissen gebunden sind wobei der Streifen anschliessend gesintert wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung bei einer Temperatur erfolgt, die zwischen 350°C und 960°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 600°C liegt.
  24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung zwischen 0,1h und 10h, vorzugsweise zwischen 2h und 8h dauert.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in einer Schutzgasatmosphäre stattfindet.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre im wesentlichen aus Stickstoff, vorzugsweise mit einer Beimischung von Edelgas, z. B. Argon besteht.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierungsmaterial als Plättchen auf den Streifen aufgebracht wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen mit dem Streifen verpresst wird.
  29. verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Streifen eine Vertiefung angebracht und in dieselbe das Dotierungsmaterial in Form eines in einer Trägerflüssigkeit aufgeschlämmten Pulvers eingebracht wird.
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