EP1387381A1

EP1387381A1 - Sicherung

Info

Publication number: EP1387381A1
Application number: EP02405674A
Authority: EP
Inventors: Uwe Kaltenborn; Felix Greuter; Pal Kristian Skryten
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-02-04
Also published as: WO2004013881A1; AU2003245787A1

Abstract

Die Sicherung enthält einen Wickelkörper (2), ein auf den Wickelkörper (2) aufgewickeltes und mit zwei Stromanschlüssen (3, 4) elektrisch leitend verbundenes Sicherungselement (1) aus einem elektrisch leitenden, schmelzbaren Material und ein Hochenergiematerial (11) zum Aufschmelzen des Sicherungselements (1) oberhalb einer Grenztemperatur. Am Wickelkörper (2) ist eine Matrize (8) aus elektrisch isolierendem Material gehalten mit mindestens einer in Wicklungsrichtung erstreckten Kavität (10). Die Kavität (10) ist mit Hochenergiematerial (11) aufgefüllt und vom Sicherungselement (1) bedeckt und zwar derart, dass Hochenergiematerial (11) und Sicherungselement (1) unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind. Da die das Hochenergiematerial (11) tragende Matrize (8) in einem separaten Herstellungsprozess hergestellt werden kann, lässt sich diese Sicherung nicht nur äusserst wirtschaftlich fertigen, sondern kann zugleich in einfacher Weise an eine der Lösung spezieller Strombegrenzungsaufgaben dienende Auslösecharakteristik angepasst werden. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Sicherung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Sicherung enthält einen Wickelkörper, auf den ein mit zwei Stromanschlüssen elektrisch leitend verbundenes Sicherungselement aus einem elektrisch leitenden, schmelzbaren Material aufgewickelt ist. Ferner enthält die Sicherung ein Hochenergiematerial, welches oberhalb einer Grenztemperatur, die durch Aufheizen des Sicherungselementes mit einem langandauernden Überstrom bestimmt ist, das Aufschmelzen des Sicherungselements und damit ein Begrenzen und/oder Abschalten des Überstroms bewirkt.

Eine derartige Sicherung enthält im allgemeinen mehrere in Serie geschaltete Begrenzungsstellen und wird überwiegend in Mittel- und Hochspannungsnetzen eingesetzt, kann aber auch im Niederspannungsbereich (10 V bis 1 kV) verwendet und dort mit Nennströmen bis 10 kA und Abschaltströmen bis 300 kA belastet werden.

STAND DER TECHNIK

Eine Sicherung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in den Figuren 4a und 4b von DE 198 24 851 A1 beschrieben. Bei dieser Sicherung ist ein Sicherungselement als Drahtstreifen ausgeführt. Der Drahtstreifen ist auf einen axialsymmetrisch ausgeführten elektrisch isolierenden Wickelkörper aufgewickelt und trägt in regelmässigen Abständen mit einem Hochenergiematerial, etwa einer Nitroverbindung aus der Gruppe der Guanide, gefüllte Kapseln, welche in axial geführten Nuten des Wickelkörpers angeordnet sind. Die beiden Enden des Streifens sind jeweils mit einem von zwei Stromanschlüssen der Sicherung verbunden. Der bewickelte Wickelkörper ist in einem mit Lichtbogenlöschmittel, wie insbesondere Quarzsand, gefüllten Gehäuse untergebracht. Beim Auftreten eines langandauernden Überstroms geringer Stärke wird das Sicherungselement erwärmt und damit das Hochenergiematerial auf Zündtemperatur aufgeheizt. Beim Erreichen der Zündtemperatur wird das Hochenergiematerial aktiviert und das überstromführende Sicherungselement aufgeschmolzen. Hierbei wird der Überstrom begrenzt, werden auftretende Lichtbögen durch das Löschmittel unterdrückt und wird der Überstrom so schliesslich unterbrochen.

Bei dieser Sicherung wird zum Aufschmelzen des Sicherungselements eine mit Explosivstoff gefüllte Kapselung benötigt und wird darüber hinaus diese Kapselung zudem noch auf dem Sicherungselement fixiert. Dies verteuert die Herstellung der Sicherung nicht nur beträchtlich, sondern ermöglich thermischen Kontakt zwischen dem Sicherungselement und dem Hochenergiematerial nur über die Kapselung. Ein zum Erreichen der Zündtemperatur und damit zum rechtzeitigen Zünden des Hochenergiematerials erforderlicher grosser Wärmefluss ist so erschwert. Das Sicherungselement wird sich daher über die eingestellte Zündtemperatur hinaus erhitzen, um das Hochenergiematerial zu zünden. Im allgemeinen ist daher bei dieser Sicherung mit einer längeren Vorzündzeit zu rechnen, wodurch die Güte der Auslösecharakteristik der Sicherung reduziert wird.

Um das Problem eines grossen Wärmeflusses zu lösen, wurden bisher zwei Lösungen vorgeschlagen. Das in Form einer gelartigen Flüssigkeit vorliegende Hochenergiematerial wird entweder direkt auf das Sicherungselement aufgestrichen oder aber das Sicherungselement wird in das Hochenergiematerial getaucht. Anschliessend wird Lösungsmittel aus dem Hochenergiematerial verdunstet. Hierzu wird das mit dem Hochenergiematerial versehene Sicherungselement in einem Wärmeschrank bei Temperaturen von typischerweise 80°C über einen Zeitraum von mindestens 24 h getrocknet. Die Dicke der sich hierbei bildenden Schicht von getrocknetem Hochenergiematerial ist jedoch nur schwer zu kontrollieren, so dass häufig mehr Hochenergiematerial als notwendig aufgetragen wird. Aus Kostengründen und aus sicherheitstechnischen Gründen sind diese Lösungen jedoch für eine wirtschaftliche Massenfertigung nicht zu empfehlen. Dies vor allem deswegen, da der Herstellprozess langwierig ist, und da grosse Mengen an Hochenergiematerial in verflüssigtem Zustand benötigt werden. Das Hochenergiematerial kann im getrockneten Zustand zwar völlig gefahrlos verarbeitet werden. Im verflüssigten Zustand besteht wegen des Lösungsmittels hingegen ein grosses Gefahrenpotential, das nur mit aufwendigen Sicherheitsmassnahmen wirksam kontrolliert werden kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in wirtschaftlicher Weise in einem für eine Massenfertigung geeigneten Verfahren und mit einer beliebigen Auslösecharakteristik hergestellt werden kann.

Bei der erfindungsgemässen Sicherung ist am Wickelkörper eine Matrize aus elektrisch isolierendem Material gehalten mit mindestens einer in Wicklungsrichtung erstreckten Kavität und ist die Kavität mit Hochenergiematerial aufgefüllt und vom Sicherungselement bedeckt und zwar derart, dass das Hochenergiematerial und das Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind. Alternativ enthält bei der erfindungsgemässen Sicherung der Wickelkörper mindestens zwei Matrizen aus elektrisch isolierendem Material mit jeweils mindestens einer in Wicklungsrichtung erstreckten Kavität, und ist die Kavität jeder der Matrizen mit Hochenergiematerial aufgefüllt und vom Sicherungselement bedeckt und zwar derart, dass Hochenergiematerial und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind. Hierdurch resultieren folgende Vorteile:
Da die erfindungsgemässe Sicherung als eigenständige Basiskomponente je nach Ausführungsform entweder mindestens eine mit Hochenergiematerial befüllte Matrize oder mindestens zwei mit Hochenergiematerial befüllte Matrizen aufweist, kann die Fertigung der Sicherung ganz wesentlich erleichtert werden. Zum einen können die Matrizen zeitlich und örtlich vollkommen unabhängig vom Fertigungsprozess der erfindungsgemässen Sicherung, beispielsweise bei einem im Umgang mit explosiven Stoffen erfahrenen Zulieferer, hergestellt werden. Hierbei kann die Menge an Hochenergiematerial sehr genau dosiert werden und es können so bei geringem Verbrauch an teurem Hochenergiematerial innerhalb enger Toleranzbereiche Matrizen mit übereinstimmendem Design und übereinstimmenden physikalischen Eigenschaften erreicht werden. Da in diesen Matrizen das Hochenergiematerial in lösungsmittelfreier Form vorliegt, können die Matrizen gefahrenfrei transportiert, gelagert und weiterverarbeitet werden. Bei der Fertigung einer erfindungsgemässen Sicherung mit einer vom Anwender der Sicherung vorgegebenen Spezifikation, können dann aus vorgefertigten Matrizen mit vorbestimmten Abmessungen und Eigenschaften geeignete Matrizen ausgewählt werden. Die Fertigung der erwünschten Sicherung kann dann losgelöst vom Explosivstoffverarbeiter in fertigungstechnisch leicht zu handhabenden Schritten, wie Befestigen, Zusammenstecken, Bewickeln und Kontaktieren, durchgeführt werden.

Dadurch, dass die Matrize aus isolierendem Material besteht, ist gewährleistet, dass Hochenergiematerial mit leitfähigen Bestandteilen eingesetzt werden kann. Barrieren zwischen der Kavität und einer oder mehrerer weiterer Kavitäten bewirken eine Querisolierung von parallel geführten Sicherungselementen und verhindern so einen Kurzschluss zwischen diesen Elementen. Aus Gründen einer ausreichend guten Betriebssicherheit der erfindungsgemässen Sicherung sollte jedoch beachtet werden, dass die Matrize eine Passgenauigkeit im Bereich von ca. 0,5 mm aufweist, dass sie beim Befüllen mit einem flüssigen Hochenergiematerial einen nachfolgenden Trocknungsprozess das Hochenergiematerials formstabil übersteht, dass bei Lichtbogeneinwirkung kein leitfähiges Material, wie etwa Russ entsteht, und dass nach Unterbrechung des Lichtbogens eine der Systemspannung der Sicherung entsprechende Isolierstrecke aufgebaut ist.

Eine fertigungstechnisch und dielektrisch vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Sicherung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wickelkörper im wesentlichen axialsymmetrisch ausgebildet ist und einen zylinderförmigen Kern aufweist mit daran angesetzten, in radialer Richtung geführten Rippen, und dass zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Rippen eine Nut begrenzen, in welche die Matrize mit einer radial nach aussen weisenden Fläche, in die die Kavität einmündet, eingesetzt ist. Aufgrund dieser Ausbildung können bei der Fertigung der Sicherung die Matrizen weitgehend luftspalt- und hohlraumfrei in den Wickelkörper eingesetzt werden. Aus dielektrischen Gründen unerwünschte Luftspalte und Hohlräume werden so praktisch vermieden.

Die an den Flanken der Nut anliegenden Seiten der Matrize im Bereich der Kavität weisen jeweils eine der Führung des Sicherungselements dienende Wandausnehmung auf. Das durch Wickeln auf den Wickelkörper aufgebrachte Sicherungselement ist daher äusserst präzise auf dem Wickelkörper gehalten, wodurch ein sicherer Betrieb der Sicherung gewährleistet ist.

Es empfiehlt sich, die zwischen der Wandausnehmung und dem Grund der Nut erstreckte Länge jeder Seite der Matrize grösser als die Tiefe der Rippen zu bemessen, da so beim Ablegen des Sicherungselementes während des Wickelns ein erwünscht grosser Anpressdruck zwischen dem Sicherungselement und dem in der Kavität vorgesehenen Hochenergiematerial erreicht wird. Ein über das gesamte Hochenergiematerial gleichmässig gross wirkender Anpressdruck stellt sich ein, wenn die radial nach aussen weisende Fläche der Matrize konkav gekrümmt ausgebildet ist.

Die Sicherung weist im allgemeinen ein die Matrize aufnehmendes Gehäuse auf. Ein solches Gehäuse kann eingespart werden, wenn die Matrize auf den das Sicherungselement haltenden Wickelkörper aufgebracht ist. Dies kann zum einen dadurch erreicht werden, dass mindestens zwei jeweils als Segment einer Umhüllung ausgeführte Matrizen auf den Wickelkörper aufgeschoben sind, derart, dass Hochenergiematerial und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind. Zum anderen kann dies aber auch dadurch erreicht werden, dass die Matrize von einem elastisch verformbaren Band gebildet ist, welches mit Hochenergiematerial gefüllte Kavitäten enthält und gebenenfalls mit Vorspannung auf den das Sicherungselement haltenden Wickelkörper gewickelt ist, derart, dass Hochenergiematerial und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.

Eine zur Lösung bestimmter Strombegrenzungsaufgaben günstige Ausführungsform der erfindungsgemässen Sicherung, bei der ein zusätzlicher Wickelkörper eingespart werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen segmentiert ausgebildeten Wickelkörper aufweist und mindestens zwei Matrizen aus elektrisch isolierendem Material enthält mit jeweils mindestens einer in Wicklungsrichtung erstreckten Kavität, und dass die Kavität jeder der Matrizen mit Hochenergiematerial aufgefüllt ist und vom Sicherungselement bedeckt ist, derart, dass Hochenergiematerial und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.

Es empfiehlt sich, dass das Matrizenmaterial der erfindungsgemässen Sicherung elastisch verformbar ist. Möglicherweise bei der Fertigung der Sicherung gebildete, aus dielektrischen Gründen unerwünschte Luftspalte und Hohlräume können nun besonders leicht durch elastische Verformung der Matrize vermieden werden. Solche Spalte und Hohlräume könnten bei kritischen Situationen dazu führen, dass sich ein beim Strombegrenzen bildender Lichtbogen nicht entlang dem Sicherungselement ausbreitet, sondern entlang einer Luft-lsolierstoff-Grenzfläche und so zum Kurzschluss zwischen parallel geführten Sicherungselementen führt. Bei einer Matrize aus Keramik kann diese Forderung durch das Verbinden der Matrize mit dem Wickelkörper mittels eines Kitts, einer Keramikmasse oder eines Klebstoffs, etwa auf der Basis Silikon, erfüllt werden. Dabei müssen aber die geometrischen Parameter von Wickelkörper und Matrize äusserst geringe Toleranzen aufweisen. Bei der Verwendung von elastisch verformbarem Material werden bei der Fertigung Spalte und Hohlräume durch elastische Verformung der Matrize ausgefüllt. Die Fertigungstoleranzen können so wesentlich grösser sein.

Vorzugsweise enthält das Matrizenmaterial ein vernetztes Silikonpolymer oder ein Gemisch vernetzter Silikonpolymere, in welches ein Füllstoff auf der Basis einer mineralischen Verbindung oder eines Gemisches mehrerer mineralischer Verbindungen in pulvriger Form eingebettet ist. Insbesondere dann, wenn der Anteil des Füllstoffs im Silikonpolymer im Bereich von 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 40 Gew.-% bis 85 Gew.-%, und insbesondere im Bereich von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, berechnet auf das Gesamtgewicht von Füllstoff und Polymer, liegt, und der Füllstoff eine durchschnittliche Partikelgrösse im Bereich von 0,1 bis 500 µm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 250 µm aufweist und speziell im Bereich von 20 bis 150 µm, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 130 µm, oder im Bereich von 0,1 bis 50 µm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm aufweist, weist das Matrizenmaterial bei Wahl eines geeigneten Füllstoffs zugleich lichtbogenunterdrückende Eigenschaften auf. Insbesondere dann, wenn als Füllstoff Metalloxid, vorzugsweise Aluminium- und/oder Titanoxid, Gläser, Glimmer, Keramik-Partikel, Borsäure, Metallhydroxide, vorzugsweise Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid, und/oder Hydratwasser enthaltende mineralische Stoffe, vorzugsweise auf der Basis von Aluminiumund/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumcarbonat, verwendet werden, wird so ein für einen sicheren Betrieb der Sicherung erwünschtes Lichtbogenlöschmedium erreicht. Ein neben dem Matrizenmaterial das Sicherungselement thermisch kontaktierendes, zusätzliches Löschmittel, wie typischerweise Sand, ist dann im allgemeinen nicht mehr erforderlich. Alternativ kann als Matrizenmaterial aber auch ein anderer isolierender Werkstoff eingesetzt werden, wie etwa Keramik, Glas, Oxidpresslinge [Al₂O₃, Al(OH)₃, MgO, Mg(OH)₂], Beton oder Polymere.

Eine Verbesserung der Auslösecharakteristik der Sicherung, insbesondere des Anzündverhaltens, kann dadurch erreicht werden, dass die vom Hochenergiematerial abgewandte Seite der Matrize mit einem Werkstoff beschichtet ist, welcher verglichen mit dem Hochenergie- und dem Matrizenmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und welcher zugleich elektrisch isolierend und lichtbogenbeständig sein sollte.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigt:

Fig.1: in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines Aktivteils einer erfindungsgemässen Sicherung mit einer an einem Wickelkörper gehaltenen und Hochenergiematerial aufnehmenden Matrize und einem auf den Wickelkörper gewickelten Sicherungselement,
Fig.2: einen Abschnitt der Matrize gemäss Figur 1, die jedoch noch kein Hochenergiematerial enthält,
Fig.3: eine Aufsicht auf einen längs III-III geführten Schnitt durch die Matrize nach Figur 2,
Fig.4: eine Aufsicht auf einen längs IV-IV geführten Schnitt durch die Matrize nach Fig.2
Fig.5: ein erste abgeänderte Ausführungsform der Matrize nach Figur 2,
Fig.6: ein zweite abgeänderte Ausführungsform der Matrize nach Figur 2
Fig.7: in perspektivischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des Aktivteils der erfindungsgemässen Sicherung mit einem aus mehreren Matrizen zusammengesetzten Wickelkörper, welcher noch nicht mit dem Sicherungselement bewickelt ist,
Fig.8: eine in Richtung einer Symmetrieachse geführte Aufsicht auf ein Aktivteil einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemässen Sicherung, und
Fig.9: eine in Richtung einer Symmetrieachse geführte Aufsicht auf ein Aktivteil einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemässen Sicherung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1, 7, 8 und 9 dargestellten vier Aktivteile sind jeweils Teil einer mit Nennspannungen aus dem Mittel- oder Hochspannungsbereich belastbaren Sicherung. Das Aktivteil ist im allgemeinen in einem in den Figuren nicht dargestellten Gehäuse untergebracht und weist aus einem stromleitenden, schmelzbaren Flachdraht gefertigte, parallel gewickelte Sicherungselemente 1 auf (nur in Fig.1 dargestellt), welche auf einen axialsymmetrisch ausgeführten Wickelkörper 2 aufgewickelt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig.1 nur jeweils eine Wicklung der Sicherungselemente 1 und von diesen Sicherungselementen nur eines als Flachdraht dargestellt. Anfang und Ende der Sicherungselemente sind jeweils mit einem Stromanschluss 3 bzw. 4 der Sicherung verbunden. Anstelle mehrerer parallel gewickelter Sicherungselemente 1 kann gegebenenfalls auch nur ein einziges Sicherungselement vorgesehen sein.

Der Wickelkörper 2 weist sternförmiges Profil auf und enthält einen zylinderförmigen Kern 5 mit daran angesetzten, in radialer Richtung geführten Rippen 6. Je zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Rippen begrenzen eine Nut 7. In diese Nut ist eine Matrize 8 eingesetzt. Die Matrize 8 ist von einem elastisch verformbaren Isoliermaterial mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften gebildet, wie beispielsweise einem in EP 1 162 640 A1 beschriebenen füllstoffgefüllten Silikonpolymer (Füllstoff beispielsweise 80 Gewichtsprozent Quarz, bezogen auf das Isoliermaterial), und weist mit einer Deckfläche 9 radial nach aussen. In diese Deckfläche 9 münden in Wicklungsrichtung geführte Kavitäten 10 von annähernd trapezförmigem Querschnitt ein, welche jeweils mit Hochenergiematerial 11 gefüllt und jeweils von einem Abschnitt einer Windung eines der Sicherungselemente 1 bedeckt sind. Im Bedeckungsbereich sind Hochenergiematerial 11 und Sicherungselement 1 unter Druck thermisch miteinander kontaktiert.

Das Hochenergiematerial hat die Aufgabe bei einer relativ niedrigen Temperatur von typischerweise 180 bis 240 °C soviel Energie freizusetzen, dass das ein Metall grosser elektrischer Leitfähigkeit, wie Silber, Kupfer oder Aluminium, enthaltende Sicherungselement 1 aufschmilzt. Ein geeignetes Hochenergiematerial ist beispielsweise eine stabilisierte Nitroverbindung aus der Gruppe der Guanide. Der Abstand zwischen den Kavitäten 10 ist so gewählt, dass für ein entsprechendes Design der Sicherung die Sicherungselemente 1 beim Wickeln auf den mit Hochenergiematerial gefüllten Kavitäten 10 zu liegen kommen. Je nach Design der Sicherung liegen daher die in Windungsrichtung erstreckten Kavitäten unter einem Winkel von ca. 20° bis zu 90° zur Achse des Wickelkörpers 2.

Der Aufbau der Matrize 8 ist in den Figuren 2 bis 4 dargestellt. Ersichtlich weist die Matrize zwei Längsseiten 12 und 13 auf. Diese beiden Seiten liegen nach Einbau der Matrize 8 in die Nut 7 an den nach Art von Trapezschenkeln geführten Flanken der Nut 7 an. In Richtung der Trapezschenkel weisen die Seiten eine Länge d₅ auf. Der Abstand d₁ zweier Kavitäten in Achsrichtung ist abhängig vom minimal noch zulässigen Abstand zwischen zwei benachbarten Sicherungselementen 1. Die Dimensionen des Sicherungselements 1 bestimmen die Breite d₂ der Kavität 10 und die Höhe d₃ zweier im Bereich jeder Kavität 10 in den beiden Seite 12, 13 vorgesehener Wandausnehmung 14 bzw. 15. In diesen Wandausnehmungen wird das Sicherungselement ausgerichtet und gehalten. Die zwischen der Wandausnehmung 14 bzw. 15 und dem gerundet ausgebildeten Grund der Nut 7 erstreckte Länge d₅-d₄ jeder Seite 12 bzw. 13 der Matrize ist grösser als die Tiefe der Rippen 6 bemessen. Es wird so beim Bewickeln des Wickelkörpers 2 ein ausreichender Anpressdruck des Sicherungselementes gegen das Hochenergiematerial erreicht. Durch die Tiefe d₄ der Kavität 10 wird die benötigte Menge an Hochenergiematerial bestimmt. Die Form des Wickelkörper, insbesondere die Form und Anzahl der Rippen 6 sowie der Durchmesser des zylinderförmigen Kerns 5 sind durch die vorgegebenen elektrischen Nennwerte der Sicherung, beispielsweise die Nennspannung, vorgegeben.

Die Matrize 8 wird unabhängig vom Fertigungsprozess der Sicherung bei einem im Umgang mit explosiven Stoffen erfahrenen Zulieferer innerhalb enger Toleranzbereiche mit dem Hochenergiematerial 11 gefüllt. Die Menge an Hochenergiematerial kann sehr genau dosiert werden und es können so bei geringem Verbrauch an teurem Hochenergiematerial innerhalb enger Toleranzbereiche Matrizen mit übereinstimmendem Design und übereinstimmenden Eigenschaften erreicht werden. Da in den Matrizen das Hochenergiematerial in lösungsmittelfreier Form vorliegt, können die Matrizen problemlos transportiert, gelagert und weiterverarbeitet werden. Bei der Fertigung einer erfindungsgemässen Sicherung mit einer vom Anwender der Sicherung vorgegebenen Spezifikation, kann dann aus einer Vielzahl vorgefertigter Matrizen mit vorbestimmten Abmessungen und Eigenschaften die geeignete Matrize 8 ausgewählt werden. Die Fertigung der erwünschten Sicherung kann dann losgelöst vom Explosivstoffverarbeiter in fertigungstechnisch leicht zu handhabenden Schritten hergestellt werden. Die Schritte umfassen:

Einstecken der mit dem Hochenergiematerial 11 befüllten Matrize 8 sowie weiterer Matrizen in den Wickelkörper 2,

geeignetes Bewickeln des Wickelkörpers 2 mit dem Sicherungselement 1 sowie gegebenenfalls weiterer Sicherungselemente 1,

Umhüllen eines so hergestellten Sicherungsaktivteils mit einem gegebenenfalls noch zusätzliches Löschmittel aufnehmenden Gehäuse,

und Kontaktieren der Enden des Sicherungselements 1 mit den Stromanschlüssen 3 und 4.

Durch Ausbildung der Matrize 8 aus Silikon ist gewährleistet, dass selbst dann, wenn die geometrischen Abmessungen von Ausgangskomponenten für die Fertigung der Sicherung, wie Wickelkörper 2 und Matrize 8, innerhalb sehr grosser Toleranzbereiche liegen, durch elastisches Verformen leicht ein spalt- und hohlraumfreies Aktivteil gebildet werden kann.

Eine auf dem gerundeten Boden der Nut 7 aufliegende Basisfläche 16 der Matrize 8 ist - wie aus Fig.1 ersichtlich ist - ebenfalls gerundet ausgebildet. Alternativ kann die Basisfläche 16 ebenso wie die Deckfläche 9 eben ausgebildet sein und parallel zur Deckfläche 9 verlaufen (Matrize gemäss Fig.5). Der Grund der Nut 7 sollte dann aus dielektrischen Gründen zweckmässigerweise eben ausgeführt sein. Wie aus Fig.6 ersichtlich ist, kann die Deckfläche 9 gerundet, insbesondere konkav gekrümmt, ausgebildet sein. Zwischen dem Hochenergiematerial 11 und dem Sicherungselement 1 wird so beim Wickeln ein besonders guter Formschluss und damit ein besonders guter thermischer Kontakt erreicht.

Bei der in Fig.7 dargestellten Ausführungsform des Aktivteils ist der Wickelkörper 2 noch nicht mit dem Sicherungselement 1 bewickelt und ist der Wickelkörper 2 segmentiert ausgebildet. Jedes von sechs Segmenten des Wickelkörpers 1 ist von einer Matrize 8 gebildet, in der die mit Hochenergiematerial 11 gefüllten Kavitäten 10 eingeformt sind. In Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Kavitäten 10 sind durch isolierende Trennwände 17 voneinander getrennt. Durch den segmentierten Aufbau des Wickelkörpers 2 aus Matrizen 8, können die einzelnen Matrizen zunächst einzeln mit flüssigem Hochenergiematerial befüllt werden, ohne das flüssiges Hochenergiematerial weglaufen kann. Nach dem Trocknen des Hochenergiematerials werden die einzelnen Matrizen 8 formschlüssig zum Wickelkörper 2 zusammengesetzt und der Wickelkörper 2 mit dem Sicherungselement 1 derart bewickelt, dass Hochenergiematerial und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.

In einer weiteren Alternative des Aktivteils der erfindungsgemässen Sicherung ist die Matrize 8 auf dem das Sicherungselement haltenden Wickelkörper 2 aufgebracht.

Bei der Ausführungsform gemäss Fig.8 wird dies dadurch erreicht, dass mehrere als Segmente einer Umhüllung ausgeführte Matrizen 8, welche jeweils getrocknetes Hochenergiematerial 11 enthalten, auf dem bereits mit dem Sicherungselement bewickelten Wickelkörper 2 unter Bildung der Umhüllung befestigt werden. Das Hochenergiematerial steht dann in thermischem Kontakt mit dem aus Fig.1 nicht ersichtlichen Sicherungselement 1. Ein das Aktivteil umgebendes Sicherungsgehäuse kann dann im allgemeinen entfallen, da die äussere Mantelfläche des Aktivteils dann nicht mehr das Sicherungselement oder mehrere gegebenenfalls vorgesehene Sicherungselemente enthält, sondern von Isolierstoff, wie insbesondere einem wetterfesten füllstoffgefüllten Silikon, gebildet wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig.9 wird das Aufbringen der Matrize auf den Wickelkörper durch eine von einem elastisch verformbaren Band gebildete Matrize 8 erreicht, wobei das Band auf einer seiner beiden Seiten die mit dem Hochenergiematerial 11 gefüllten Kavitäten 10 enthält. Diese Band wird mit Vorspannung auf den das Sicherungselement haltenden Wickelkörper 2 derart gewickelt, dass Hochenergiematerial 11 und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind. Auch bei dieser Ausführungsform kann ein separates Sicherungsgehäuse entfallen.

Bei allen Ausführungsformen kann zur Verbesserung des Löschverhaltens ein im allgemeinen pulverförmiges Löschmittel, wie etwa Sand, vorgesehen sein. Dieses Löschmittel sollte alle in der Sicherung gegebenenfalls noch vorhandenen Hohlräume auffüllen und freiliegende Flächen des Sicherungselementes 1 thermisch kontaktieren. Bei der Ausführungsform nach Fig.1 befindet sich dieses Löschmittel vor allem zwischen dem bewickelten Wickelkörper 2 und einem nicht dargestellten, den bewickelten Körper 2 aufnehmenden Sicherungsgehäuse, füllt aber zugleich auch alle im Gehäuseinneren vorhandenen Hohlräume aus. Das Löschmittel bedeckt die freiliegenden Flächen des Sicherungselements 1. Hierdurch werden beim Begrenzen von Überströmen auftretende Lichtbögen rasch gelöscht. Durch Auffüllen aller Hohlraume mit Löschmittel werden die dielektrischen Eigenschaften der Sicherung verbessert.

Bei allen Ausführungsformen kann eine Verbesserung des Anzündverhalten des Hochenergiematerials 11 und damit eine Verbesserung der Auslösecharakteristik dadurch erreicht werden, dass die vom Hochenergiematerial abgewandte Seite der Matrize 8 mit einem verglichen mit dem Hochenergie- und dem Matrizenmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Werkstoff beschichtet ist. Dieser Werkstoff sollte zugleich elektrisch isolierend und lichtbogenbeständig sein. Eine entsprechende Wirkung kann auch durch Aufbringen des Werkstoffs auf die vom Hochenergiematerial abgewandte Fläche des Sicherungselements 1 erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1: Sicherungselement
2: Wickelkörper
3, 4: Stromanschlüsse
5: Kern
6: Rippen
7: Nut
8: Matrize
9: Deckfläche
10: Kavität
11: Hochenergiematerial
12, 13: Seiten
14, 15: Wandausnehmungen
16: Basisfläche
17: Trennwände
d₁: Abstand zweier Kavitäten 10
d₂: Breite der Kavität 10
d₃: Tiefe der Kavität 10
d₄: Höhe der Wandausnehmungen 14, 15
d₅: Länge der Seiten 12, 13

Claims

Sicherung mit einem Wickelkörper (2), einem auf den Wickelkörper (2) aufgewickelten und mit zwei Stromanschlüssen (3, 4) elektrisch leitend verbundenen Sicherungselement (1) aus einem elektrisch leitenden, schmelzbaren Material und mit einem Hochenergiematerial (11) zum Aufschmelzen des Sicherungselements (1) oberhalb einer Grenztemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass am Wickelkörper (2) eine Matrize (8) aus elektrisch isolierendem Material gehalten ist mit mindestens einer in Wicklungsrichtung erstreckten Kavität (10), und dass die Kavität (10) mit Hochenergiematerial (11) aufgefüllt und vom Sicherungselement (1) bedeckt ist, derart, dass Hochenergiematerial (11) und Sicherungselement (1) unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.
Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (2) im wesentlichen axialsymmetrisch ausgebildet ist und einen Kern (5) aufweist mit daran angesetzten, in radialer Richtung geführten Rippen (6), und dass zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Rippen (6) eine Nut (7) begrenzen, in welche die Matrize (8) mit einer nach aussen weisenden Fläche (9), in die die Kavität (10) einmündet, eingesetzt ist.
Sicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Flanken der Nut (7) anliegende Seiten (12, 13) der Matrize im Bereich der Kavität (10) jeweils eine der Führung des Sicherungselements (1) dienende Wandausnehmung (14, 15) aufweisen.
Sicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Wandausnehmung (14, 15) und dem Grund der Nut (7) erstreckte Länge (d₅) jeder Seite (12, 13) der Matrize (8) grösser als die Tiefe der Rippen (6) bemessen ist.
Sicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nach aussen weisende Fläche (9) der Matrize (8) konkav gekrümmt ausgebildet ist.
Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (8) auf dem das Sicherungselement haltenden Wickelkörper (2) aufgebracht ist.
Sicherung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei jeweils als Segment einer Umhüllung ausgeführte Matrizen (8) auf den Wickelkörper aufgeschoben sind, derart, dass Hochenergiematerial (11) und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.
Sicherung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (8) von einem elastisch verformbaren Band gebildet ist, welches mit Hochenergiematerial (11) gefüllte Kavitäten enthält und gebenenfalls mit Vorspannung auf den das Sicherungselement haltenden Wickelkörper (2) gewickelt ist, derart, dass Hochenergiematerial (11) und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.
Sicherung mit einem Wickelkörper (2), einem auf den Wickelkörper (2) aufgewickelten und mit zwei Stromanschlüssen (3, 4) elektrisch leitend verbundenen Sicherungselement (1) aus einem elektrisch leitenden, schmelzbaren Material und mit einem Hochenergiematerial zum Aufschmelzen des Sicherungselements oberhalb einer Grenztemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (2) segmentiert ausgebildet ist und mindestens zwei Matrizen (8) aus elektrisch isolierendem Material enthält mit jeweils mindestens einer in Wicklungsrichtung erstreckten Kavität (10), und dass die Kavität (10) jeder der Matrizen (8) mit Hochenergiematerial (11) aufgefüllt ist, und vom Sicherungselement bedeckt ist, derart, dass Hochenergiematerial (11) und Sicherungselement unter Druck thermisch miteinander kontaktiert sind.
Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenmaterial elastisch verformbar ist.
Sicherung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenmaterial ein vernetztes Silikonpolymer oder ein Gemisch vernetzter Silikonpolymere enthält, in welches ein Füllstoff auf der Basis einer mineralischen Verbindung oder eines Gemisches mehrerer mineralischer Verbindungen in pulvriger Form eingebettet ist.
Sicherung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Füllstoffs im Silikonpolymer im Bereich von 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 40 Gew.-% bis 85 Gew.-%, und insbesondere im Bereich von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, berechnet auf das Gesamtgewicht von Füllstoff und Polymer, liegt, und dass der Füllstoff eine durchschnittliche Partikelgrösse im Bereich von 0,1 bis 500 µm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 250 µm aufweist und speziell im Bereich von 20 bis 150 µm, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 130 µm, oder im Bereich von 0,1 bis 50 µm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm.
Sicherung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Metalloxid, vorzugsweise Aluminium- und/oder Titanoxid, Gläser, Glimmer, Keramik-Partikel, Borsäure, Metallhydroxide, vorzugsweise Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid, und/oder Hydratwasser enthaltende mineralische Stoffe, vorzugsweise auf der Basis von Aluminiumund/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumcarbonat, enthält.
Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Hochenergiematerial abgewandte Seite der Matrize mit einem verglichen mit dem Hochenergie- und dem Matrizenmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Werkstoff beschichtet ist.
Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement mit einem neben dem Matrizenmaterial zusätzlich vorgesehenen Löschmittel thermisch kontaktiert ist.
Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung ein Gehäuse aufweist.
Sicherung nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse von der Matrize (8) gebildet und auf den das Sicherungselement (1) haltenden Wickelkörper (2) aufgebracht ist.