WO2020127488A1

WO2020127488A1 - Schmelzsicherung mit integrierter messfunktion sowie sicherungskörper

Info

Publication number: WO2020127488A1
Application number: PCT/EP2019/085958
Authority: WO
Inventors: Robert Hüttinger; Jean-Mary Martel
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-06-25
Also published as: CN113196439B; EP3844792A1; US20220093356A1; ES2937138T3; EP3844792B1; CN113196439A

Abstract

Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung (100) mit integrierter Messfunktion weist ein Sicherungsgehäuse (110) auf, welches seinerseits einen von einem Druckkörper (113) begrenzten ersten Aufnahmeraum (115) sowie einen vom ersten Aufnahmeraum (115) räumlich abgegrenzten zweiten Aufnahmeraum (116) aufweist. Dabei ist im ersten Aufnahmeraum (115) ein Schmelzleiter (105), im zweiten Aufnahmeraum (116) eine Messeinrichtung (120) aufgenommen und gehaltert. Die Messeinrichtung (120) weist dabei einen Stromwandler (121) sowie eine mit dem Stromwandler (121) elektrisch leitend verbundene Elektronikbaugruppe (122) auf. In einer Längserstreckungsrichtung (L) gesehen entspricht die Höhe (H) des Stromwandlers (121) dabei im Wesentlichen der Höhe des zweiten Aufnahmeraumes (116), weswegen die Elektronikbaugruppe (122) in einer zur Längserstreckungsrichtung (L) orthogonalen Richtung seitlich des Stromwandlers (121) angeordnet ist. Mit Hilfe der Messeinrichtung (120) wird die Möglichkeit geschaffen, den durch die Schmelzsicherung (100) fließenden elektrischen Strom in unmittelbarer Nähe der Schmelzsicherung (100) zu ermitteln. Die hierfür benötigte Energie wird dabei mit Hilfe des Stromwandlers (121) durch elektromagnetische Induktion aus dem Primärstrom der Schmelzsicherung (100) generiert, so dass keine externe Stromquelle zur energetischen Versorgung der Messeinrichtung (120) benötigt wird.

Description

Beschreibung

Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion sowie Siche rungskörper

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung, in die eine Messfunktion integriert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Sicherungskörper für eine Schmelzsicherung mit inte grierter Messfunktion.

Leiter, die von einem elektrischen Strom durchflossen werden, erwärmen sich. Bei unzulässig hohen Strömen kann es zu einer unzulässig starken Erwärmung des Leiters und infolgedessen zu einem Abschmelzen der den Leiter umgebenden Isolation kommen, was in der Folge zu Beschädigungen bis hin zu einem Kabel brand führen kann. Um dieser Brandgefahr vorzubeugen, muss bei Auftreten eines zu hohen elektrischen Stromes, d.h. eines Überlaststromes oder eines Kurzschlussstromes, dieser elekt rische Strom rechtzeitig abgeschaltet werden. Dies wird mit tels sogenannter Überstrom-Schutzeinrichtungen gewährleistet.

Ein Beispiel für eine derartige Überstromschutzeinrichtung ist beispielsweise eine Schmelzsicherung, die durch das Ab schmelzen eines oder mehrerer Schmelzleiter den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke des durch die Schmelzsiche rung abgesicherten Stromkreises einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet. Die Schmelzsi cherung besteht aus einem isolierenden Körper, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im Inneren des isolie renden Körpers durch einen oder mehrere Schmelzleiter elek trisch leitend miteinander verbunden sind. Der Schmelzleiter, welcher einen im Vergleich zu den übrigen Leitern des Strom kreises reduzierten Querschnitt aufweist, wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der maßgeb liche Nennstrom der Sicherung für eine vorbestimmte Zeitdauer deutlich überschritten wird. Aufgrund seiner guten Isolati onseigenschaften wird als Material für den isolierenden Kör per zumeist Keramik verwendet. Ein derartiger Schmelzsiche- rungseinsatz ist beispielsweise aus der europäischen Patent schrift EP 0 917 723 Bl oder den deutschen Offenlegungs schriften DE 10 2014 205 871 Al sowie DE 10 2016 211 621 Al prinzipiell vorbekannt.

Schmelzsicherungen sind in verschiedenen Bauarten erhältlich. Neben einfachen Gerätesicherungen, welche einen einfachen Glaszylinder, in dem der Schmelzleiter aufgenommen ist, auf weisen, existieren auch Bauformen, bei denen der Keramikkör per mit Sand - zumeist Quarzsand - gefüllt ist: Hierbei wird zwischen Typen mit verfestigtem sowie mit unverfestigtem Quarzsand unterschieden. Bei einer mit Sand verfestigten Schmelzsicherung ist der Schmelzleiter von Quarzsand umgeben. In der Regel ist das Gehäuse der Schmelzsicherung dabei durch einen Keramikkörper, in dem der verfestigte Sand, die

elektrischen Anschlüsse sowie der Schmelzleiter aufgenommen bzw. gehalten sind, gebildet. Der Quarzsand fungiert hierbei als Lichtbogenlöschmittel: wird der Nennstrom der Schmelzsi cherung deutlich überschrittenen - beispielsweise aufgrund eines hohen Kurzschlussstromes - so führt dies zu einem An sprechen der Schmelzsicherung, in dessen Verlauf der Schmelz leiter zunächst schmilzt und anschließend aufgrund der hohen Temperaturentwicklung verdampft. Dabei entsteht ein elek trisch leitendes Plasma, über das der Stromfluss zwischen den elektrischen Anschlüssen zunächst aufrechterhalten wird - es bildet sich ein Lichtbogen. Indem sich der Metalldampf des verdampften Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsand körner niederschlägt, wird der Lichtbogen wiederum abgekühlt. In der Folge steigt der Widerstand im Inneren des Sicherungs einsatzes derart an, dass der Lichtbogen endgültig verlischt. Die durch die Schmelzsicherung zu schützende elektrische Lei tung ist damit unterbrochen.

Aus dem Stand der Technik sind im Bereich der Schmelzsiche rungen Niederspannungs-Hochleistungssicherungen, sogenannte NH-Sicherungen, aber auch Halbleiterschutzsicherungen, soge nannte HLS-Sicherungen, wie sie beispielsweise unter dem Pro duktnamen SITOR vertrieben werden, prinzipiell vorbekannt. Bei NH-Sicherungen werden üblicherweise ein oder mehrere Schmelzleiter in Form von Metallbändern verwendet. Dabei wei sen die Schmelzleiter zumeist sogenannte Engstellenreihen zur selektiven Ausschaltung der Schmelzsicherung auf. Weiterhin kann auf einen oder mehrere der Schmelzleiter zumindest ein Lotdepot aufgebracht sein, mit dessen Hilfe die Überlastcha rakteristik der Schmelzsicherung beeinflussbar ist. Der für das Abschaltverhalten der Sicherung maßgebliche Durchlas senergiewert I²t ist bei NH-Sicherungen relativ groß, weswe gen diese eine eher trägere Charakteristik aufweisen.

Erwärmt sich der Schmelzleiter durch einen elektrischen Über laststrom auf eine Temperatur, welche oberhalb der Schmelz temperatur des Lotes liegt, so diffundiert dieses Lot in das Schmelzleitermaterial ein und bildet mit diesem eine Legie rung. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand des Schmelzleiters, was zu dessen weiterer Erwärmung führt, wodurch der Diffusionsvorgang solange weiter beschleunigt wird, bis der Schmelzleiter in der Umgebung des Lotdepots vollständig aufgelöst ist, so dass er abreißt, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Bei einem kurzzeitigen, zuläs sigen Überstrom erfolgt keine vorzeitige Ausschaltung durch die NH-Sicherung . Bei Auftreten eines Kurzschluss-Stromes hingegen reißt der Schmelzleiter an den Engstellenreihen auf. Dadurch entstehen gleichzeitig mehrere kleine, in Reihe ge schaltete Lichtbögen, deren Spannungen sich addieren und da mit zu einer schnelleren Ausschaltung der Schmelzsicherung führen. NH-Sicherungen dienen beispielsweise zum Schutz von Anlagen oder Schaltschränken vor Brand, beispielsweise durch überhitzte Anschlussleitungen.

Seitens der Betreiber elektrischer Anlagen wird vermehrt der Wunsch geäußert, den Zustand einer elektrischen Anlage zeit nah erfassen zu können. In der Vergangenheit erfolgte dies oftmals mittels einer Sichtprüfung - im Falle von Schmelzsi cherungen beispielsweise dadurch, dass die Sicherungen mit einem Kennmelder ausgestattet sind, welcher ein Auslösen der jeweiligen Sicherung außen am Gehäuse der betreffenden Siche- rung optisch signalisiert. Für die Zukunft wird jedoch ver mehrt gefordert, diese Information jederzeit und möglichst ortsunabhängig abfragen zu können, beispielsweise über eine Leitwarte. Aus diesem Grund werden elektrische Installations geräte vermehrt dazu ertüchtigt, Informationen über ihren Be triebszustand bereitzustellen. Elektrische Schaltgeräte, bei spielsweise Brandschutzschalter, die bereits über eine eigene Steuerungslogik verfügen, können mit relativ geringem Aufwand dazu ertüchtigt werden, entsprechende Informationen aufzube reiten und bereitzustellen.

Bei Schmelzsicherungen gibt es entsprechende Lösungen, indem mittels eines an die Sicherung anbaubaren Kommunikationsmo duls die vom Kennmelder optisch bereitgestellte „Ausgelöst"- Information aufzunehmen und weiterzuleiten. Anbaubare Lösun gen haben jedoch den Nachteil, dass sie zusätzlichen Bauraum benötigen und daher in bereits bestehenden Installationen nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand eingesetzt werden können. Für einen einfachen Retrofit-Einsatz , bei dem eine bestehende Sicherung herkömmlicher Bauart ohne Kommunikationsmodul durch eine neue Sicherung mit einem entsprechenden Kommunikations modul im Sinne einer Nachrüstung oder Modernisierung der An lage ersetzt wird, kommen diese anbaubaren Lösungen oftmals nicht zum Einsatz, da der hierfür benötigte, zusätzliche Bau raum nicht zur Verfügung steht.

Zur Lösung dieses vor allem bei Retrofit-Anwendungen auftre tenden Problems des begrenzten Bauraums ist in der internati onalen Patentanmeldung WO 2017/078525 Al eine Schmelzsiche rung beschrieben, bei der eine Stromsensor in den Druckkörper der Schmelzsicherung integriert ist. Mit Hilfe dieses Strom sensors kann der im Normalbetrieb auftretende Stromfluss durch die Schmelzsicherung gemessen und an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Abfrage-Einheit übermittelt wer den. Da in einer Schmelzsicherung jedoch auch vergleichsweise hohe Temperaturen auftreten können, ist es fraglich, wie zu verlässig ein in den Druckkörper der Schmelzsicherung inte- grierter Sensor über die Lebensdauer der Schmelzsicherung hinweg funktioniert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schmelz sicherung sowie einen Sicherungskörper bereitzustellen, wel che die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise überwinden .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schmelzsicherung sowie den Sicherungskörper gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung sowie des erfindungsgemäßen Sicherungskör pers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung mit integrierter Mess funktion weist ein Sicherungsgehäuse auf, welches seinerseits einen von einem Druckkörper begrenzten ersten Aufnahmeraum sowie einen vom ersten Aufnahmeraum räumlich abgegrenzten zweiten Aufnahmeraum aufweist. Dabei ist im ersten Aufnahme raum ein Schmelzleiter, im zweiten Aufnahmeraum eine Messein richtung aufgenommen und gehaltert. Die Messeinrichtung weist dabei einen Stromwandler sowie eine mit dem Stromwandler elektrisch leitend verbundene Elektronikbaugruppe auf. In ei ner Längserstreckungsrichtung L gesehen entspricht die Höhe des Stromwandlers dabei im Wesentlichen der Höhe des zweiten Aufnahmeraumes, weswegen die Elektronikbaugruppe in einer zur Längserstreckungsrichtung orthogonalen Richtung seitlich des Stromwandlers angeordnet ist.

Mit Hilfe der Messeinrichtung wird die Möglichkeit geschaf fen, den durch die Schmelzsicherung fließenden elektrischen Strom unmittelbar an der Sicherung zu ermitteln. Der erste und der zweite Aufnahmeraum sind dabei in einer Längserstre ckungsrichtung L der Schmelzsicherung, d.h. in axialer Rich tung, hintereinander angeordnet. Der Druckkörper dient dabei dazu, den bei der Erwärmung oder einer Auslösung der Siche rung auftretenden Druck aufzunehmen. Daher werden hohe Anfor derungen an die mechanische Festigkeit und Stabilität des Schutzgehäuses gestellt. Demgegenüber ist zur Abgrenzung des zweiten Aufnahmeraumes lediglich ein Schutzgehäuse erforder lich, um die Messeinrichtung aufzunehmen, zu fixieren und vor äußeren Beeinträchtigungen wie Feuchtigkeit und/oder Schmutz zu schützen. An die mechanische Stabilität dieses Gehäuses werden daher deutlich geringere Anforderungen gestellt.

Der im zweiten Aufnahmeraum angeordnete Stromwandler dient dabei zum einen als Stromsensor, welcher die erfassten Strom messwerte an die Elektronikbaugruppe weiterleitet, wo die Messwerte weiterverarbeitet werden. Zum anderen wird die hierfür benötigte Energie ebenfalls mit Hilfe des Stromwand lers durch elektromagnetische Induktion aus dem Primärstrom, d.h. dem Betriebsstrom der Schmelzsicherung generiert. Der Stromwandler dient somit auch als Energiequelle für die Elek tronikbaugruppe. Um auch bei geringen Betriebsströmen der Schmelzsicherung ausreichend Energie für die Elektronikbau gruppe bereitzustellen und somit die Zuverlässigkeit der Mes seinrichtung zu gewährleisten, muss der Stromwandler hierzu vergleichsweise groß dimensioniert sein.

Gleichzeitig muss die Schmelzsicherung kompakt gehalten wer den, um auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nach rüstung oder Modernisierung bestehender Anlagen, bei denen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung er setzt wird, eingesetzt werden zu können. Da die Schmelzsiche rung dabei idealer Weise die Abmessungen einer standardisier ten NH-Sicherung aufweist, ist der zweite Aufnahmeraum, in dem die Messeinrichtung aufgenommen und gehaltert ist, insbe sondere in axialer Richtung, d.h. in der Längserstreckungs richtung, stark limitiert. Um einen möglichst großen Strom wandler in dem zweiten Aufnahmeraum anordnen zu können, ist die Elektronikbaugruppe seitlich, d.h. in radialer Richtung, neben dem Stromwandler, genauer: zwischen dem Stromwandler und einer Innenwand des zweiten Aufnahmeraumes, angeordnet. Auf diese Weise kann der Stromwandler so dimensioniert wer den, dass seine Höhe der Höhe des zweiten Aufnahmeraumes ent spricht, d.h. der Stromwandler nimmt den zweiten Aufnahmeraum der Höhe nach vollständig ein. Das Volumen des Stromwandlers kann somit dahingehend optimiert werden, dass die für die Elektronikbaugruppe bereitgestellte Energie möglichst groß ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion zu konstruieren, welche keine externe Stromquelle zur energetischen Versorgung der Messein richtung benötigt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung weist die Elektronikbaugruppe eine Leiterplatte auf. Um die Erfordernisse einer möglichst kompakten Gestaltung der Mess vorrichtung bei gleichzeitig möglichst großem Stromwandler- Volumen einzuhalten, ist es notwendig, dass auch die die Elektronikbaugruppe möglichst kompakt gestaltet wird. Dies ist mittels einer kompakt gehaltenen Leiterplatte, beispiels weise durch Verwendung integrierter Schaltkreise möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsi cherung weist die Leiterplatte zumindest zwei starre Ab schnitte auf, welche durch einen flexiblen Bereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Um die Leiterplatte mög lichst platzsparend im zweiten Aufnahmeraum, d.h. im Bereich zwischen dem Stromwandler und der Innenwand des Schutzgehäu ses anordnen zu können, ist es vorteilhaft, die Leiterplatte in mehrere starre Abschnitte aufzuteilen, welche durch fle xible Bereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hierfür kommen sowohl flexible Leiter in Betracht, als auch sogenannte Starr-Flex-Leiterplatten, bei denen die flexiblen Bereiche aus Leiterplattenmaterial besteht, wobei die starren äußeren Schichten entfernt wurden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsi cherung weist die Elektronikbaugruppe eine Übertragungsein richtung auf, um ein von der Messeinrichtung erfasstes Mess signal an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangseinrichtung zu übertragen. Mit Hilfe der Übertragungseinrichtung können die ermittelten Messdaten oder auch auf diesen Messdaten basierende, weiter verarbeitete Daten an eine externe Einheit, beispielsweise eine Datensammeleinrichtung oder eine Leitwarte übertragen werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Betriebszustand der Schmelzsicherung zu jedem Zeitpunkt ermitteln zu können, ohne dass hierzu ein Techniker oder Installateur erforderlich ist, welcher die Sicherung vor Ort inspiziert.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsi cherung erfolgt die Übertragung des Messsignals von der Über tragungseinrichtung an die Empfangseinrichtung drahtlos.

Durch eine drahtlose Übertragung der Daten an die externe Empfangseinrichtung wird der Installationsaufwand der

Schmelzsicherung deutlich vereinfacht. Für die kabellose oder drahtlose Übertragung der Daten - Messwerte oder auf Messwer ten basierende, vorverarbeitete Daten - von der Übertragungs einrichtung an die Empfangsvorrichtung kommen gängige Über tragungsverfahren wie beispielsweise Bluetooth, RFID (sowohl aktiv als auch passiv), ZigBee, etc. in Betracht. Die für die Übertragung benötigte Energie wird dabei vorteilhafter Weise wieder mit Hilfe des Stromwandlers durch elektromagnetische Induktion aus dem Primärstrom gewonnen.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsi cherung entspricht der für die Schmelzsicherung insgesamt be nötigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH-Siche- rung. Indem die erfindungsgemäße Schmelzsicherung mit inte grierter Messfunktion hinsichtlich ihrer Baugröße der Größe einer herkömmlichen NH-Sicherung entspricht, kommt sie auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nachrüstung oder Mo dernisierung bestehender Anlagen, bei denen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung durch eine Schmelzsi cherung mit integrierter Messfunktion ersetzt wird, in Frage.

Der erfindungsgemäße Sicherungskörper für eine Schmelzsiche rung mit integrierter Messfunktion der vorstehend beschriebe- nen Art, weist einen ersten Abschnitt, der als Druckkörper, welcher den ersten Aufnahmeraum zur Aufnahme des Schmelzlei ters begrenzt, ausgebildet ist, sowie einen zweiten Ab schnitt, der als Schutzkörper, welcher den zweiten Aufnahme raum zur Aufnahme der Messeinrichtung begrenzt, ausgebildet ist, auf. Der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum sind dabei räumlich voneinander abgegrenzt in dem Sicherungs körper angeordnet.

Der erste Abschnitt des Sicherungskörpers ist dabei druck stabil, d.h. zur Aufnahme des beim Auslösen der Schmelzsiche rung auftretenden Drucks ausgebildet und stellt somit den ei gentlichen Druckkörper der Schmelzsicherung dar, während der zweite Abschnitt lediglich eine Schutzfunktion für die Mess vorrichtung darstellt, an dessen mechanische Stabilität und Festigkeit deutlich geringere Anforderungen gestellt werden. Die unterschiedlichen mechanischen Festigkeitseigenschaften der beiden Abschnitte sind mittels eines geeigneten Ferti gungsverfahrens, bspw. eines 3D-Druckverfahrens , realisier bar. Der erste und der zweite Abschnitt bilden dabei eine bauliche Einheit, d.h. die beiden Abschnitte müssen bei Aus tausch oder Montage der Schmelzsicherung nicht erst montiert werden, sondern sind bereits fest miteinander verbunden, wodurch der Montageaufwand deutlich vereinfacht wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Sicherungskörper einstückig ausgebildet. Insbesondere im Hinblick auf die Her stellung des Sicherungskörpers mit Hilfe eines Additive-Manu- facturing-Verfahrens , umgangssprachlich auch als „3D-Druck" bezeichnet, ist eine einstückige Ausführung des Sicherungs körpers vorteilhaft, da hierdurch nachgelagerte Montage schritte vermieden werden. Die Montagekosten können dadurch weiter reduziert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Siche rungskörper aus einem keramischen Werkstoff oder einem ther mostabilen Kunststoff gebildet. Keramische Werkstoffe sind aufgrund ihrer hohen Druckfestigkeit zur Herstellung eines Sicherungskörpers besonders geeignet. Thermostabile Kunst stoffe, sofern sie ausreichend wärmestabil sind, zeichnen sich hingegen durch ihre vereinfachte Verarbeitbarkeit bei gleichzeitig vergleichsweise niedrigen Herstellkosten aus.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Siche rungskörper mehrteilig ausgebildet, wobei der Druckkörper fest aber lösbar mit dem Schutzkörper verbunden ist. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass nach einem Auslösen der Siche rung der zweite Aufnahmeraum, in dem die Messvorrichtung auf genommen ist, ggf. wiederverwendet werden kann. Dies ist ins besondere dann interessant, wenn die Material- und Herstell kosten der Messeinrichtung im Vergleich zur restlichen

Schmelzsicherung vergleichsweise hoch sind.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungs körpers sind der Druckkörper und der Schutzkörper aus unter schiedlichen Werkstoffen gebildet. Auf diese Weise sind beide Aufnahmeräume an die unterschiedlichen, jeweils an sie ge stellten Anforderungen anpassbar.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungs körpers sind der Druckkörper und der Schutzkörper von einer zusätzlichen Hülle umgeben. Mit Hilfe der zusätzlichen Hülle, die beispielsweise auch aus Papier oder einem Kunststoff- Überzug bestehen kann, wird die bauliche Einheit des Siche rungskörpers betont. Ferner wird bei mehrteiligen Bauformen die Demontage durch unberechtigte Dritte unterbunden oder zu mindest gekennzeichnet.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungs körpers entspricht der für die Schmelzsicherung insgesamt be nötigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH-Siche- rung. Dadurch kann der Sicherungskörper auch für Retrofit- Schmelzsicherungen, d.h. als Ersatz für eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messfunktion, eingesetzt werden. Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Schmelzsi cherung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläu tert. In den Figuren sind:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten NH-Sicherung;

Figuren

2 bis 4 schematische Darstellungen eines ersten Ausführungs beispiels der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung in verschiedenen Ansichten;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels der Schmelzsicherung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschrei bung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entspre chende Teil ebenfalls zu erkennen ist.

Figur 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer standardisierten NH-Schmelzsicherung, wie sie aus dem Stand der Technik bereits vorbekannt ist. Die Schmelzsicherung 1 weist zwei Anschlusselemente 3 auf, welche aus einem

elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer, beste hen. In den Darstellungen sind die Anschlusselemente 3 als Messerkontakte ausgebildet - dies ist jedoch nicht erfin dungswesentlich. Die Anschlusselemente 3 sind mechanisch fest und dicht mit einem Schutzgehäuse 2 mit der Höhe H verbunden, welches aus einem festen, nichtleitenden und möglichst hitze beständigen Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik, be steht und als Druckkörper für die Schmelzsicherung 1 dient. Das Schutzgehäuse 2 weist im Allgemeinen eine röhren- oder hohlzylinderförmige Grundform auf und ist nach außen druck dicht, beispielsweise mit Hilfe zweier Verschlusskappen 4, verschlossen. Die Anschlusselemente 3 erstrecken sich dabei jeweils durch eine in den Verschlusskappen 4 ausgebildete Öffnung in den Hohlraum des Schutzgehäuses 2. In diesem Hohl- raum ist zumindest ein sogenannter Schmelzleiter 5 angeord net, welcher die beiden Anschlusselemente 3 elektrisch lei tend miteinander verbindet.

Der verbleibende Hohlraum ist zumeist vollständig mit einem Löschmittel 6 befüllt, welches zum Löschen und Kühlen der Schmelzsicherung 1 im Auslösefall dient und den Schmelzleiter 5 vollständig umgibt. Als Löschmittel 6 wird beispielsweise Quarzsand verwendet. Anstelle des in Figur 1 dargestellten einen Schmelzleiters 5 ist es ebenso möglich, mehrere

Schmelzleiter 5 elektrisch zueinander parallel geschaltet in dem Schutzgehäuse 2 anzuordnen und entsprechend mit den bei den Kontaktelementen 3 zu kontaktieren. Durch Art, Anzahl, Anordnung und Gestaltung der Schmelzleiter 3 kann die Auslös- ekennlinie - und damit das Auslöseverhalten - der Schmelzsi cherung 1 beeinflusst werden.

Der Schmelzleiter 5 besteht im Allgemeinen aus einem gut lei tenden Werkstoff wie Kupfer oder Silber und weist über seine Länge, d.h. in seiner Längserstreckungsrichtung L, mehrere Engstellenreihen 7 sowie ein oder mehrere Lotdepots 8 - soge nannte Lotpunkte - auf. Die Längserstreckungsrichtung L ist somit die Parallele zu einer gedachten Verbindungslinie der beiden Anschlusselemente 3. Über die Engstellenreihen 7 sowie die Lotpunkte 8 kann ebenfalls die Auslösekennlinie der

Schmelzsicherung 1 beeinflusst und an den jeweiligen Anwen dungsfall angepasst werden. Bei Strömen, die kleiner sind als der Nennstrom der Schmelzsicherung 1, wird im Schmelzleiter 5 nur so viel Verlustleistung umgesetzt, dass diese in Form von Wärme schnell über den Löschsand 6, das Schutzgehäuse 2 sowie die beiden Anschlusselemente 3 nach außen abgegeben werden kann. Die Temperatur des Schmelzleiters 5 steigt dabei nicht über dessen Schmelzpunkt hinaus an. Fließt ein Strom, der im Überlastbereich der Schmelzsicherung 1 liegt, so steigt die Temperatur im Inneren der Schmelzsicherung 1 stetig weiter an, bis der Schmelzpunkt des Schmelzleiters 5 überschritten wird und dieser an einer der Engstellenreihen 7 durch

schmilzt. Bei hohen Fehlerströmen - wie sie beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses auftreten - wird so viel Energie im Schmelzleiter 5 umgesetzt, dass dieser praktisch auf der ganzen Länge aufgeheizt wird und infolge dessen an allen Eng stellenreihen 7 gleichzeitig schmilzt.

Da flüssiges Kupfer bzw. Silber noch gute elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, wird der Stromfluss zu diesem Zeit punkt noch nicht unterbrochen. Die aus dem Schmelzleiter 5 gebildete Schmelze wird folglich weiter aufgeheizt, bis sie schließlich in den gasförmigen Zustand übergeht, wodurch sich ein Plasma bildet. Dabei entsteht ein Lichtbogen, um den Stromfluss über das Plasma weiter aufrecht zu erhalten. Im letzten Stadium einer Sicherungsabschaltung reagieren die leitfähigen Gase mit dem Löschmittel 6, welches bei konventi onellen Schmelzsicherungen 1 zumeist aus Quarzsand besteht. Dieser wird aufgrund der durch den Lichtbogen bedingten, ext rem hohen Temperaturen im Umfeld des Lichtbogens aufgeschmol zen, was zu einer physikalischen Reaktion des geschmolzenen Schmelzleitermaterials mit dem umgebenden Quarzsand 6 führt. Da das dabei entstehende Reaktionsprodukt elektrisch nicht leitend ist, sinkt der Stromfluss zwischen den beiden An schlusselementen 3 rasch gegen Null ab. Dabei ist jedoch zu beachten, dass einer bestimmten Masse an Schmelzleitermateri al auch eine entsprechende Masse an Löschmittel erfordert.

Nur so kann sichergestellt werden, dass am Ende der Siche rungsabschaltung noch genügend Löschmittel 6 vorhanden ist, um das gesamte leitfähige Plasma wirksam zu binden.

In den Figuren 2 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 100 schematisch darge stellt. Figur 2 zeigt dabei eine Seitenansicht der Schmelzsi cherung 100; die Figuren 3 und 4 zeigen dazu korrespondieren de Schnittdarstellungen der Schmelzsicherung 100 in Grund- und Aufriss. Die Schmelzsicherung 100 weist ein Sicherungsge häuse 110 mit einem ersten Abschnitt 111 sowie einem zweiten Abschnitt 112 auf, welche in einer Längserstreckungsrichtung L der Schmelzsicherung 100 hintereinander angeordnet sind.

Der erste Abschnitt 111 ist dabei als Druckkörper 113 zur Aufnahme eines Schmelzleiters 105 ausgebildet. Der Druckkör per 113 dient dazu, den bei der Erwärmung oder einer Auslö sung der Schmelzsicherung 100 auftretenden Druck aufzunehmen, weswegen hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit und Stabilität des Druckkörpers 113 gestellt werden. Innerhalb des Druckkörpers 113 ist daher ein ersten Aufnahmeraum 115 gebildet, in dem der Schmelzleiter 105 aufgenommen und gehal tert ist. Der erste Aufnahmeraum 115 wird durch den Druckkör per 113 in radialer Richtung nach außen hin begrenzt und ist in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Längserstreckungs richtung L, durch ein Verschlusselement 104 verschlossen. Die Baugröße des Sicherungsgehäuses 110 entspricht dabei der ei ner standardisierten NH-Sicherung, wie vorstehend zu Figur 1 beschrieben. Aufgrund der identischen Abmessungen ist die er findungsgemäße Schmelzsicherung 100 für Retrofit-Anwendungen, d.h. als Ersatz für eine herkömmliche HN-Sicherung, bestens geeignet .

Zur elektrischen Kontaktierung weist die Schmelzsicherung 100 zwei als Messerkontakte ausgebildete Anschlusselemente 103 auf, welche mechanisch fest und dicht mit dem Sicherungsge häuse 110 verbunden sind. Die Bauform der beiden Anschlus selemente 103 ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Im Inne ren der Schmelzsicherung 100, genauer: im ersten Aufnahmeraum 115, ist der Schmelzleiter 105 mit den beiden Anschlussele menten 103 elektrisch leitend verbunden. Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung um eine sandverfestig te Sicherung, so ist das verbleibende Volumen des ersten Auf nahmeraums 115 mit Sand, in der Regel Quarzsand, gefüllt, welcher den Schmelzleiter 105 vollständig umgibt und als Löschmittel zum Löschen und Kühlen des Schmelzleiters 105 im Auslösefall dient.

Der zweite Abschnitt 112 ist als Schutzkörper 114 ausgebil det, welcher zur Aufnahme einer Messeinrichtung 120 dient und einen hierfür vorgesehenen zweiten Aufnahmeraum 116 nach au ßen hin begrenzt. Da der Schutzkörper 114 lediglich dazu dient, die Messeinrichtung 120 aufzunehmen, zu fixieren und vor äußeren Beeinträchtigungen wie Feuchtigkeit und/oder Schmutz zu schützen, werden an die mechanische Stabilität des Schutzkörpers 114 deutlich geringere Anforderungen gestellt als an die des Druckkörpers 113. Der Schutzkörper 114 ist da bei fest mit dem Druckkörper 113 verbunden, wobei der erste Aufnahmeraum 115 und der zweite Aufnahmeraum 116 durch eine Trennwand 117 räumlich voneinander abgegrenzt sind. Bei der Trennwand 117 kann es sich um ein eigenständiges Bauteil han deln; es ist jedoch ebenso möglich, die Trennwand 117 als Be standteil des Druckkörpers 113 oder des Schutzkörpers 114 auszubilden. Entgegen der Längserstreckungsrichtung L ist der zweite Aufnahmeraum 116 durch ein weiteres Verschlusselement 104 verschlossen. Durch das weitere Verschlusselement 104 ist das als Messerkontakt ausgebildete untere Anschlusselement 103 durch den zweiten Aufnahmeraum 116 hindurch bis in den ersten Aufnahmeraum 115 hineingeführt und dort elektrisch leitend mit dem Schmelzleiter 105 verbunden.

Die Messeinrichtung 120 weist einen Stromwandler 121 sowie eine Elektronikbaugruppe 122 auf. Mit Hilfe der Messeinrich tung 120 wird die Möglichkeit geschaffen, den durch die

Schmelzsicherung 100 fließenden elektrischen Strom unmittel bar an der Sicherung zu ermitteln. Hierzu ist in dem im

Schutzkörper 114 ausgebildeten zweiten Aufnahmeraum 116 ein Stromwandler 121 der Messeinrichtung 120 so um das untere An schlusselement 103 herum angeordnet, dass er den zweiten Auf nahmeraum 116 der Höhe nach vollständig ausfüllt. Mit anderen Worten: in der Längserstreckungsrichtung L entspricht die Hö he h des Stromwandlers 121 im Wesentlichen, d.h. innerhalb der bei der Montage üblichen Maßtoleranzen, der Höhe des zweiten Aufnahmeraums 116 - ebenfalls in der Längserstre ckungsrichtung L betrachtet. Auf diese Weise kann das Volumen des Stromwandlers 121 optimiert, d.h. stark vergrößert wer den, um auch bei einem geringen Primärstrom eine zuverlässige Messung sowie Übertragung der Messdaten zu gewährleisten.

Bei genauer Betrachtung der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schnittdarstellungen wird deutlich, dass die Anschlusselemen- te 103 nicht exakt mittig, sondern etwas außermittig im

Druckkörper 113 bzw. im Schutzkörper 114 angeordnet sind. Für die Anordnung des ringförmigen Stromwandlers 121 im zweiten Aufnahmeraum 116 hat dies zur Folge, dass die radiale Ausdeh nung des Stromwandlers 121 einseitig durch die Innenwand des Schutzkörpers 114 begrenzt wird, während auf der gegenüber liegenden Seite noch Bauraum zur Verfügung steht. In diesem zwangsweise freien Bauraum zwischen dem Stromwandler 121 und einer Innenwand des Schutzgehäuses 114 ist eine Elektronik baugruppe 122 der Messeinrichtung 120, welche vorteilhafter Weise als Leiterplatte ausgebildet ist, platzsparend angeord net. Neben einem Mikroprozessor zur Verarbeitung oder Vorver arbeitung der ermittelten Messdaten kann die Elektronikbau gruppe 122 auch eine Übertragungseinrichtung aufweisen, um die Messdaten oder die verarbeiteten Daten an eine außerhalb der Schmelzsicherung 100 angeordnete Empfangseinrichtung (nicht dargestellt) zu übertragen.

In Figur 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Schmelzsicherung 100 schematisch dargestellt.

Der prinzipielle Aufbau der Schmelzsicherung 100 sowie des Sicherungsgehäuses 110 entspricht dabei dem in den Figuren 2 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel. Der wesentli che Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Elektronikbaugruppe 122 als starr-flex-Leiterplatte ausgebildet ist. Unter dem Begriff „starr-flex-Leiterplatte" (engl, „rigid flex PCB") wird eine Kombination von starren und flexiblen Leiterplatten-Abschnitten, welche unlösbar mit einander verbunden sind, verstanden. Vorliegend weist die Elektronikbaugruppe 122 einen zentralen ersten starren Ab schnitt 123 auf, welcher über jeweils einen flexiblen Ab schnitt 124 mit jeweils einem weiteren starren Abschnitt 125 verbunden ist. Auf diese Weise kann die Elektronikbaugruppe 122 3-dimensional gestaltet und damit optimal an die begrenz ten Raumverhältnisse innerhalb des Schutzkörpers 114 ange passt werden. Weiterhin bietet diese Lösung den Vorteil, dass zur Verbindung der einzelnen starren Leiterplattenabschnitte 123, 125 keine Steckverbindungen oder Leitungskomponenten montiert werden müssen, wodurch sowohl der Platzbedarf als auch der Montageaufwand reduziert wird.

Bezugszeichenliste :

1 Schmelzsicherung

2 Schutzgehäuse / Druckkörper

3 Anschlusselement

4 Verschlusskappe

5 Schmelzleiter

6 Löschmittel / Löschsand

7 Engstellenreihe

8 Lotdepot

100 Schmelzsicherung

103 Anschlusselement

104 Verschlusselement

105 Schmelzleiter

110 Sicherungsgehäuse

111 erster Abschnitt

112 zweiter Abschnitt

113 Druckkörper

114 Schutzkörper

115 erster Aufnahmeraum

116 zweiter Aufnahmeraum

117 Trennwand

120 Messeinrichtung

121 Stromwandler

122 Elektronikbaugruppe / Leiterplatte

123 erster starrer Abschnitt

124 flexibler Abschnitt

125 weiterer starrer Abschnitt

H Höhe des Sicherungskörpers

h Höhe des Stromwandlers

L Längserstreckungsrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Schmelzsicherung (100) mit integrierter Messfunktion,

- mit einem Sicherungsgehäuse (110), aufweisend einen von einem Druckkörper (113) begrenzten ersten Aufnah meraum (115) sowie einen vom ersten Aufnahmeraum (115) räumlich abgegrenzten zweiten Aufnahmeraum (116),

- mit einem Schmelzleiter (105), welcher in dem ersten Aufnahmeraum (115) aufgenommen und gehaltert ist,

- mit einer Messeinrichtung (120), welche in dem zweiten Aufnahmeraum (116) aufgenommen und gehaltert ist und einen Stromwandler (121) sowie eine mit dem Stromwand ler (121) elektrisch leitend verbundene Elektronikbau gruppe (122) aufweist,

- wobei die Höhe (h) des Stromwandlers (121) in einer Längserstreckungsrichtung (L) im Wesentlichen der Höhe des zweiten Aufnahmeraumes (116) entspricht, und

- wobei die Elektronikbaugruppe (122) in einer zur

Längserstreckungsrichtung (L) orthogonalen Richtung seitlich des Stromwandlers (121) angeordnet ist.

2. Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 1,

wobei die Elektronikbaugruppe eine Leiterplatte (122) aufweist .

3. Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 2,

wobei die Leiterplatte (122) zumindest zwei starre Ab schnitte (123, 125) aufweist, welche durch einen flexib len Bereich (124) elektrisch leitend miteinander verbun den sind.

4. Schmelzsicherung (100) nach einem der vorherigen Ansprü che,

wobei die Elektronikbaugruppe (122) eine Übertragungsein richtung aufweist, um ein von der Messeinrichtung (120) erfasstes Messsignal an eine außerhalb der Schmelzsiche rung (100) angeordnete Empfangseinrichtung zu übertragen.

5. Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 4,

wobei die Übertragung des Messsignals von der Übertra gungseinrichtung an die Empfangseinrichtung drahtlos er folgt.

6. Schmelzsicherung (100) nach einem der vorherigen Ansprü che,

wobei der für die Schmelzsicherung (100) insgesamt benö tigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH- Sicherung entspricht.

7. Sicherungskörper (110) für eine Schmelzsicherung (100), die nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist,

- mit einem ersten Abschnitt (111), der als Druckkörper (113), welcher den ersten Aufnahmeraum (115) zur Auf nahme des Schmelzleiters (105) begrenzt, ausgebildet ist, sowie

- mit einem zweiten Abschnitt (112), der als Schutzkör per (114), welcher den zweiten Aufnahmeraum (116) zur Aufnahme der Messeinrichtung (120) begrenzt, ausgebil det ist,

- wobei der erste Aufnahmeraum (115) und der zweite Auf nahmeraum (116) räumlich voneinander abgegrenzt in dem Sicherungskörper (110) angeordnet sind.

8. Sicherungskörper (110) nach Anspruch 7,

wobei der Sicherungskörper (110) einstückig ausgebildet ist .

9. Sicherungskörper (110) nach Anspruch 8,

wobei der Sicherungskörper (110) aus einem keramischen Werkstoff oder einem thermostabilen Kunststoff gebildet ist .

10. Sicherungskörper (110) nach Anspruch 7,

wobei der Sicherungskörper (110) mehrteilig ausgebildet ist, wobei der Druckkörper (113) fest aber lösbar mit dem Schutzkörper (114) verbunden ist.

11. Sicherungskörper (110) nach Anspruch 10,

bei dem der Druckkörper (113) und der Schutzkörper (114) aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind.

12. Sicherungskörper (110) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Druckkörper (113) und der Schutzkörper (114) von einer zusätzlichen Hülle umgeben sind.

13. Sicherungskörper (110) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der für die Schmelzsicherung (100) insgesamt benö tigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH- Sicherung entspricht.