[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement.
Solche Bauteile sind z. B. bekannt aus der EP 0 655 760 A2, gemäß der ein PTC-Polymerelement
zur Überstrombegrenzung verwendet und das PTC-Polymerelement dazu mit einem Lasttrennschalter
seriell verschaltet wird. Ein Strom über einem durch die Auslegung des PTC-Polymerelements
bestimmten Schwellenwert erzeugt dabei ein schnelles nichtlineares Ansteigen des elektrischen
Widerstandes des PTC-Polymerelements und begrenzt dadurch die Überströme. Der Lasttrennschalter
kann den begrenzten Strom dann vollständig unterbrechen.
[0002] Bezüglich des Einsatzes von PTC-Polymerelementen bei höheren Spannungen sind in den
US-Patenten 5,313,184 und 5,414,403 verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden,
durch Widerstandssysteme aus PTC-Polymerelementen und Varistorelementen oder linearen
Widerstandselementen lokale Überspannungen im PTC-Polymermaterial zu reduzieren und
das nichtlineare Ansprechverhalten des PTC-Polymermaterials örtlich zu verteilen.
In Zusammenhang mit der Lehre dieser beiden Dokumente ist festzustellen, daß bei der
vorliegenden Erfindung der Begriff PTC-Polymerelement und PTC-Polymermaterial durchaus
auch solche Elemente und Materialien mit umfaßt, denen Bestandteile ohne PTC-Verhalten,
beispielsweise lineare Widerstandselemente oder Varistorelemente zugesetzt sind.
[0003] Weiterhin bezieht sich diese Erfindung auf ein solches elektrisches Bauteil, bei
dem das PTC-Polymerelement keine konstante stromtragende Querschnittsfläche aufweist,
sondern die Leitungsquerschnittsfläche eingeschnürt ist. Die diese Querschnittsfläche
definierende Hauptstromrichtung ist im allgemeinen durch äußere Kontakte an dem PTC-Polymerelement
oder durch die Geometrie vorgegeben. Sie muß dabei jedoch nicht allen auftretenden
lokalen Stromrichtungen entsprechen, sondern gewissermaßen nur deren Mittelwert.
[0004] Durch eine solche Einschnürung des Leitungsquerschnitts wird die Stromdichte relativ
zum übrigen PTC-Polymerelement lokal erhöht, so daß vorgegeben ist, an welcher Stelle
der nichtlineare Widerstandsanstieg des PTC-Effekts beim Erreichen entsprechender
Stromschwellenwerte beginnt.
[0005] Die EP 0 798 750 A2 zeigt wiederum ein Widerstandssystem aus einem PTC-Polymerelement
mit Varistorelementen, bei dem solche Einschnürungen vorgesehen sind.
[0006] Das US-Patent 3,351,882 zeigt ebenfalls PTC-Polymerelemente mit Einschnürungen, wobei
hierzu die Begründung gegeben wird, daß durch geeignete Wahl der Einschnürungen eine
Überhitzung in der Nähe der Kontaktstellen des PTC-Polymerelements vermieden werden
soll.
[0007] Weiterhin ist als Stand der Technik zu nennen das Europäische Patent EP 0 038 715
B1, bei dem durch eine bestimmte Auslegung eines PTC-Polymerelements mit einer Einschnürung
ein sehr schnelles Ansprechverhalten im Bereich von einigen Sekunden oder darunter
erreicht werden soll.
[0008] Ein PTC-Polymerelement mit einer Einschnürung zeigen ferner auch die JP 4-130602
mit Patent Abstract, die DE 196 26 238 A1 sowie die US-Patente 4,317,027 und 4,352,083.
Die beiden letztgenannten Druckschriften zeigen insbesondere auch, daß Einschnürungen
durch benachbarte Aussparungen in einem PTC-Polymermaterial gebildet sein können.
Dabei sind die Aussparungen mit einem im wesentlichen nichtleitenden Material oder
mit Luft gefüllt.
[0009] Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
das technische Problem zugrunde, ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement
anzugeben, bei dem das PTC-Polymerelement ein besonders schnelles Ansprechverhalten
und im normalleitenden Fall eine gute Stromtragfähigkeit sowie im übrigen einen zuverlässigen
und dauerhaften Betrieb zeigt.
[0010] Dazu sieht die Erfindung ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement vor,
das eine Einschnürung der Querschnittsfläche senkrecht zu einer Hauptstromrichtung
aufweist, wobei ein Öffnungswinkel der Einschnürung in einer die Hauptstromrichtung
enthaltenden Längsschnittebene zumindest 100° beträgt.
[0011] Die Erfindung bezieht sich also auf PTC-Polymerelemente, bei denen die im Stand der
Technik an sich bekannte Einschnürung besonders steil verläuft, also einen besonders
großen Öffnungswinkel aufweist. Zunächst ist dabei festzustellen, daß in vielen Fällen,
die Einschnürung nur durch Begrenzung der Querschnittsfläche in einer Richtung gebildet
ist, das PTC-Polymerelement also sozusagen eine zweidimensionale Grundstruktur hat.
Insoweit bezieht sich die Definition der Erfindung auf einen Öffnungswinkel in einer
die Hauptstromrichtung enthaltenden Längsschnittebene durch das PTC-Polymerelement.
[0012] Es kann natürlich auch eine weitere Einschnürung in einer weiteren Dimension senkrecht
zur Hauptstromrichtung vorliegen. Die Erfindung bezieht sich dabei auf solche PTC-Polymerelemente,
bei denen der Wert von 100° für den Öffnungswinkel in zumindest einer Längsschnittebene
erreicht oder überschritten wird.
[0013] Der Öffnungswinkel ist dabei definiert aus der Perspektive der Stelle mit minimalem
Querschnitt in der Einschnürung, also im Sinne einer Verbreiterung von der Stelle
minimalen Querschnitts ausgehend. Dabei existiert in der Längsschnittebene zu jeder
Seite von der minimalen Querschnittsfläche aus gesehen jeweils ein rechter und ein
linker Öffnungswinkel. Bei der Erfindung sind dabei auf einer Seite der rechte und
der linke Öffnungswinkel zusammengefaßt zu einem Summenöffnungswinkel von zumindest
100°, der jedoch in zwei Teilen an verschiedenen Scheitelpunkten auftritt. Dabei sind
die Scheitelpunkte der beiden Teile des Öffnungswinkels durch die Querausdehnung der
minimalen Querschnittsfläche in der betrachteten Längsschnittebene voneinander getrennt.
Es ist dabei nicht notwendig, daß die beiden Teile des Summenöffnungswinkels identisch
sind, jedoch bevorzugt. Im übrigen muß nach der Erfindung der (Summen-)Öffnungswinkel
von der minimalen Querschnittsfläche aus gesehen zumindest nach einer der beiden Seiten
gegeben sein, gilt jedoch vorzugsweise für beide Seiten.
[0014] Die zur Definition der beiden Teile des Gesamtöffnungswinkels notwendigen zur Hauptstromrichtung
gewinkelten Streckenabschnitte beiderseits der Einschnürung müssen nicht unbedingt
regelmäßig geformt sein. Es genügt, wenn sich ein die erfindungsgemäße Winkelbedingung
erfüllender Streckenabschnitt als Mittelwert definieren läßt. Bevorzugt ist es jedoch,
daß die Einschnürungsflanken beiderseits der minimalen Querschnittsfläche im wesentlichen
gerade sind und somit den Öffnungswinkel insgesamt im wesentlichen ohne Mittelwertbildung
definieren. Dann kann es nämlich keine deutlichen lokalen Abweichungen von der erfindungsgemäß
bevorzugten steilen Ausbildung der Einschnürung geben.
[0015] Der erwähnte Wert von 100° für den Gesamtöffnungswinkel (also z. B. ein Teilöffnungswinkel
rechts von 50° und ein Teilöffnungswinkel links von 50°) bildet die untere Schranke
für die Erfindung. Tatsächlich sind jedoch noch größere Öffnungswinkel günstiger,
zunehmend bevorzugt sind also Öffnungswinkel von z. B. 105°, 110°, 115° oder 120°
und darüber.
[0016] Der erfindungsgemäße Effekt besteht dabei (mit größeren Winkeln zunehmend) darin,
daß einerseits sehr schnell ansprechende PTC-Polymerelemente realisiert werden können,
die andererseits im Vergleich zum Stand der Technik dennoch relativ hohe Stromtragfähigkeiten
im nicht ansprechenden bzw. bereits angesprochenen Zustand zeigen.
[0017] Bei der Entwicklung der Erfindung hat es sich nämlich als wesentlich herausgestellt,
diese beiden Kriterien möglichst gleichzeitig gut zu erfüllen, d. h. einerseits mit
begrenztem Gesamtraumangebot für das gesamte elektrische Bauteil bzw. das PTC-Polymerelement
eine hohe Stromtragfähigkeit zu realisieren, andererseits jedoch die Verringerung
der Leitungsquerschnitte auf ein schnelles Ansprechverhalten hin auslegen zu können.
Es hat sich dabei gezeigt, daß besonders starke relative Leitungsquerschnittsverringerungen
ein besonders schnelles Ansprechverhalten nach sich ziehen und dabei andererseits
besonders steile Einschnürungen, also besonders kurze Einschnürungsstücke, die besten
Stromtragfähigkeiten zeigen.
[0018] Man kann dies vermutlich mit der deutlich besseren Kühlwirkung kurzer stumpfwinkliger
Einschnürungen gegenüber langen eher spitzwinkligen Einschnürungen erklären. Diese
haben dabei wohl den Vorteil einer verbesserten Stromtragfähigkeit, weil sich nicht
durch einen thermischen Stau bei relativ hohen Strombelastungen, jedoch unterhalb
des Stromschwellenwerts, Stabilitätsprobleme oder ein unbeabsichtigtes Ansprechverhalten
ergeben können.
[0019] In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten, daß durch starke, aber kurze Einschnürungen
eine relativ kurze Gesamtlänge des PTC-Polymerelements in der Hauptstromrichtung erreicht
werden kann, was den Ohm'schen Gesamtwiderstand im normalleitenden Zustand verringert.
Dies ist vor allem zusammen mit den erfindungsgemäß bevorzugten Einschnürungen auf
besonders kleine Leitungsquerschnittsflächen wichtig.
[0020] Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß mit den erfindungsgemäßen
Werten für den Öffnungswinkel bei guter Stromtragfähigkeit derart schnell ansprechende
Einschnürungen hergestellt werden können, daß bei einer Serienschaltung von zumindest
zwei solcher Einschnürungen auch ohne Parallelschaltung eines Varistor- oder Widerstandselements
ein gleichzeitiges Ansprechen garantiert ist und somit wirklich eine Vervielfachung
der jeweiligen Spannungsfestigkeit einer Einschnürung möglich ist.
[0021] Bei der Entwicklung der Erfindung hat sich nämlich herausgestellt, daß eine Serienschaltung
von PTC-Widerstandselementen mit definierten Ansprechzonen durchaus nicht unproblematisch
ist. Im allgemeinen spricht eine der Ansprechzonen aufgrund geringfügigster Asymmetrien
zwischen den verschiedenen Ansprechzonen zuerst an und läßt dann schlagartig die gesamte
Spannung an dieser Stelle abfallen, bricht also bei zu hoher anliegender Spannung
zusammen. Damit ist das Bauteil zerstört, und der Überstrom nicht begrenzt. Im übrigen
ist dann die Serienschaltung der Ansprechstellen durch eine Erhöhung des Nominalwiderstands
im leitenden Zustand nur von Nachteil. Diesem Problem konnte bislang nur durch die
in dem zitierten Stand der Technik beschriebenen Parallelschaltungen von Varistor-
oder (Normal-) Widerstandselementen begegnet werden.
[0022] Andererseits hat sich herausgestellt, daß die PTC-Materialien offenbar eine gewisse
inhärente Restträgheit hinsichtlich des Wärmeübergangs von den typischerweise in diesen
PTC-Materialien vorhandenen leiffähigen Partikeln auf die Polymermatrix, die durch
ihre Reaktion auf die Temperaturerhöhung den eigentlichen PTC-Effekt erst hervorruft,
zeigen. Ist das Ansprechverhalten deutlich schneller als diese inhärente Trägheit,
so kann ein wirklich gleichzeitiges Ansprechen seriell geschalteter Ansprechstellen
bzw. Einschnürungen gewährleistet werden. Dies ist ein besonders wesentlicher Gesichtspunkt
der Erfindung, weil damit eine theoretisch unbegrenzte Erhöhung der Spannungsfestigkeit
des gesamten elektrischen Bauteils möglich wird.
[0023] Um die durch die Erfindung ermöglichte Addition der jeweiligen Spannungsfestigkeit
seriell verschalteter Ansprechstellen an den Einschnürungen voll auszunutzen, ist
es weiterhin vorzuziehen, diesen Einschnürungen in der Hauptstromrichtung soviel Abstand
voneinander zu lassen, daß sich die jeweiligen Zonen des nichtlinearen Ansprechens,
also des hohen Widerstandes und des Spannungsabfalls, nicht miteinander verbinden,
sondern klar voneinander getrennt bleiben. Dazu ist es erfindungsgemäß insbesondere
bevorzugt, daß die minimalen Querschnittsflächen voneinander in der Hauptstromrichtung
um zumindest die doppelte minimale Querlängenausdehnung beabstandet sind. Noch größere
Werte sind vorzuziehen, nämlich das dreifache, vorzugsweise vierfache. Mit der minimalen
Querlängenausdehnung ist dabei die die Stelle der kleinsten Leitungsquerschnittsfläche
auszeichnende Längenausdehnung quer zur Hauptstromrichtung gemeint, bei "zweidimensionalen"
Einschnürungen die kleinere der beiden.
[0024] Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung sind zudem Parallelschaltungen zumindest
zweier der Einschnürungen bevorzugt. Dies hat zum einen den Vorteil einer besseren
mechanischen Stabilität insbesondere bei größeren Gesamtleitungsquerschnittsflächen.
Zum anderen ergibt sich durch die Aufteilung der notwendigen Leitungsquerschnittsfläche
auf zwei oder mehrere parallel geschaltete Ansprechstellen auch der Vorteil einer
verbesserten Kühlwirkung, d. h. einer besseren thermischen Ankopplung der Ansprechstellen
bzw. der Stellen der minimalen Leitungsquerschnittsfläche an das restliche Volumen
des PTC-Polymerelements.
[0025] Bei parallel geschalteten Einschnürungen ist es besonders bevorzugt, sie in der Weise
benachbart anzuordnen, daß die jeweiligen Flanken der Einschnürungen insgesamt Aussparungen
zwischen den Einschnürungen definieren, die bei im wesentlichen geraden Flanken eine
Rautenform erhalten. Hierzu wird auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
[0026] Erfindungsgemäß können die Parallelschaltungen und Serienschaltungen auch kombiniert
werden, wodurch sich ein Feld von Einschnürungen ergibt. Dabei bestimmt/bestimmen
die Ausdehnung(en) des Feldes quer zur Hauptstromrichtung die Leitungsquerschnittsfläche
und zusammen mit anderen Parametern die Stromtragfähigkeit, während die "Tiefe" des
Feldes, also die Serienschaltungszahl, die Spannungsfestigkeit bestimmt.
[0027] In allen Fällen von zumindest zwei gekoppelten Einschnürungen, also bei Parallelschaltungen,
Serienschaltungen und Kombinationen daraus, ist es bevorzugt, alle Einschnürungen
in demselben einstückigen PTC-Polymerelement vorzusehen, also zwischen den Einschnürungen
keine vermeidbaren Materialübergänge entstehen zu lassen.
[0028] Hinsichtlich der einzelnen Einschnürungen der Leitungsquerschnittsfläche selbst,
ist es bei dieser Erfindung zunächst vorgesehen, die beschriebene Einschnürung der
Querschnittsfläche in nur einer Dimension durchzuführen, also nur in einer in der
Längsschnittebene enthaltenen Längendimension den Querschnitt zu verringern und in
einer dazu senkrechten Längsschnittebene nicht, wobei die Hauptstromrichtung in beiden
Längsschnittebenen enthalten ist. Die hat insbesondere den Vorteil der einfacheren
Herstellung durch maschinelle Bearbeitung oder auch durch Spritz- oder Gießverfahren.
[0029] So können z. B. aus einem PTC-Polymer-Vollmaterial durch Fräsen oder Schneiden entsprechende
Ausnehmungen herausgeschnitten werden, um Einschnürungen zu definieren, was bei einer
zweidimensionalen Struktur der Einschnürungen sehr viel leichter ist. Bei Guß- oder
Spritzgußverfahren ist zumindest die Herstellung der Formen erleichtert, weil auch
diese im allgemeinen spanabhebend erzeugt werden. Aber auch beim Gießen oder Spritzen
selbst können sich durch vereinfachte Geometrien Erleichterungen ergeben.
[0030] Dabei hat sich bei der Erfindung herausgestellt, daß durch ausreichend große Öffnungswinkel
auch schon bei einer Leitungsquerschnittseinschnürung in einer Richtung gute Kombinationen
aus schnell ansprechenden Einschnürungen einerseits und guter Stromtragfähigkeit andererseits
erzielt werden können.
[0031] Andererseits können bei elektrischen Bauteilen, bei denen das PTC-Polymerelement
sehr schnell ansprechen soll, durch Einschnürungen in zwei Richtungen, also letztlich
dreidimensionale Formen, trotz erheblicher relativer Verkleinerungen der Leitungsquerschnittsfläche
sehr kleine laterale Längenabmessungen vermieden werden, was andererseits die mechanische
Stabilität erleichtert und auch bei der Herstellung von Vorteil sein kann. Im übrigen
ergeben sich bei solchen Einschnürungen in zwei Richtungen noch kürzere Wärmediffusionswege
und damit eine noch bessere Kühlung, insbesondere in Zusammenhang mit der bereits
beschriebenen Parallelschaltung mehrerer Einschnürungen.
[0032] Auch wenn bei einer besonders hohen notwendigen Stromtragfähigkeit Platzprobleme
auftreten, kann durch eine dreidimensionale Gestaltung der Einschnürungen insgesamt
auch eine zweidimensionale Parallelschaltung von Einschnürungen denkbar sein, so daß
sich in Zusammenhang mit einer hinzukommenden Serienschaltung insgesamt ein dreidimensionales
Einschnürungsfeld vorzugsweise in einem einstückigen PTC-Block ergeben kann. Grundsätzlich
ist dies jedoch aufwendiger als eine im übrigen vergleichbare Struktur mit eindimensionalen
Einschnürungen.
[0033] Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich wiederum auf die Spannungsfestigkeit,
jedoch in diesem Fall bezogen bereits auf die einzelne Einschnürung. Hier sieht die
Erfindung vor, im wesentlichen in der Hauptstromrichtung einen Steg im Zentrum der
Einschnürung, also einen Steg mit im wesentlichen der minimalen Querschnittsfläche
der Einschnürung, vorzusehen. Dieser Steg sollte in der Hauptstromrichtung soweit
ausgedehnt sein, daß sich - mit einer Länge abhängig von den jeweiligen Parametern
des verwendeten PTC-Polymermaterials - eine Zone hohen Widerstands vollständig im
Bereich der minimalen Querschnittsfläche aufbauen kann. Wenn nämlich die Querschnittsfläche
zu früh verbreitert wird, so liegt in dem verbreiterten Bereich möglicherweise keine
ein Ansprechen des PTC-Polymermaterials verursachende Stromdichte mehr vor, so daß
die Ausdehnung der Zone hohen Widerstandes in der Hauptstromrichtung durch die Geometrie
und nicht durch die Materialeigenschaften und die elektrischen Parameter begrenzt
ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann sich jedoch die Zone des hohen Widerstandes
in ganzer Länge und damit die maximale für die einzelne Einschnürung jeweils erreichbare
Spannungsfestigkeit aufbauen.
[0034] Dabei ist typischerweise ein Bereich zwischen 0,5 und 4 mm, vorzugsweise zwischen
1 und 2 mm für die Ausdehnung des Steges in der Hauptstromrichtung vorzusehen. Zu
große Steglängen sind nachteilig, weil sie die für die Erfindung wesentliche Kühlwirkung
verschlechtern können.
[0035] Weiterhin haben sich bei der Erfindung Einschnürungen als vorteilhaft herausgestellt,
insbesondere im Hinblick auf das schnelle Ansprechverhalten, die die Leitungsquerschnittsfläche
senkrecht zur Hauptstromrichtung relativ stark einschränken, und zwar um mindestens
den Faktor 3 vorzugsweise 4 bzw. 5. Wie bereits erwähnt, ist eine Aufteilung auf zumindest
zwei parallel geschaltete Einschnürungen schon aus Stabilitätsgründen und zudem wegen
der kürzeren thermischen Diffusionswege vorteilhaft. Dies gilt vor allem für sehr
starke Leitungsquerschnittsflächenverringerungen. Die Ausführungsbeispiele ergänzen
diesen Punkt.
[0036] Ein bevorzugtes Material für das PTC-Polymerelement ist das Material "ETTB" das z.
B. aus 50% ETFE und 50% TiB
2 besteht. Dabei ist ETFE eine Abkürzung für das Polymermaterial
Ethylen-
Tetra-
Fluor-
Ethylen. Im Folgenden werden anhand der Ausführungsbeispiele weitere Erläuterungen
zu der Erfindung gegeben. Dabei offenbarte Einzelmerkmale können auch in anderen Kombinationen
erfindungswesentlich sein. Im einzelnen zeigt:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines PTC-Polymerelements mit drei erfindungsgemäßen
Einschnürungen in Parallelschaltung;
Figur 2 eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen PTC-Polymerelements, das im
wesentlichen einer integrierten Serienschaltung zweier PTC-Polymerelemente nach Figur
1 entspricht;
Figur 3 eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen PTC-Polymerelements mit einer
größeren Zahl seriell verschalteter Einschnürungen, wobei jeweils drei Einschnürungen
in jeder Serienstufe parallel geschaltet sind und wobei gegenüber den Figuren 1 und
2 einige geometrische Abweichungen vorliegen;
Figur 4 eine Ausschnittsdarstellung einer Einschnürung und einer Aussparung aus Figur
3;
Figur 5 eine Kombination aus einer Figur 3 entsprechenden Ansicht eines "dreidimensionalen"
Feldes von Einschnürungen in einem erfindungsgemäßen PTC-Polymerelement mit einer
Seitenansicht dazu; und
Figur 6 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Ansprechzeit und dem Belastungsstrom
für einen erfindungsgemäßen Widerstand.
[0037] Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Bauteil mit einem PTC-Polymerelement.
Die Ausführungsbeispiele zeigen dabei PTC-Polymerelemente für elektrische Widerstände
als eine konkrete Variante eines elektrischen Bauteils. Anwendung finden diese elektrischen
Widerstände als Strombegrenzungseinrichtungen in Sicherungsautomaten. Andere elektrische
Bauteile können natürlich in ähnlicher Weise mit PTC-Polymerelementen versehen sein,
um den PTC-Effekt für bestimmte elektrotechnische Zwecke auszunutzen. Da elektrische
Widerstände mit PTC-Polymerelementen an sich Stand der Technik sind, werden im Folgenden
nur die PTC-Polymerelemente selbst gezeigt und erklärt. Die Verbindung zu Außenkontakten
und die Verwendung in einer äußeren Beschaltung sind dem Fachmann ohne weitere Erklärungen
bekannt. Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ansichten entsprechen dabei einem
Querschnittsprofil, das das PTC-Polymerelement 1 auch in der auf der Zeichenebene
senkrechten Dimension über seine Dicke hinweg beibehält; es handelt sich also um eine
"zweidimensionale Struktur". Die Dicke der Struktur in dieser dritten Dimension beträgt
bei diesem Beispiel 1,5 mm , kann aber auch ohne weiteres verändert werden. Dementsprechend
ändern sich alle Querschnittsflächen proportional und damit auch die Stromtragfähigkeit.
[0038] Figur 1 zeigt nun ein PTC-Polymerelement 1, das für eine Hauptstromrichtung 3 ausgelegt
ist, wie mit den Pfeilen angedeutet, also in der Figur vertikal von oben nach unten
(oder unten nach oben).
[0039] Dementsprechend zeigt Figur 1 eine Längsschnittebene, die die Hauptstromrichtung
3 enthält. In dieser Längsschnittebene sind im Sinne der Figur horizontal nebeneinander
drei bis auf ihre jeweilige Lage im PTC-Polymerelement 1 gleichartige Einschnürungen
2 vorgesehen. Diese Einschnürungen sind gebildet durch zwei in der Längsschnittebene
rautenförmige luftgefüllte Aussparungen 9 im Vollmaterial und zwei weitere Aussparungen
9 rechts und links am Rand (im Sinne von Einkerbungen) des Vollmaterials. Der erfindungsgemäß
wesentliche Öffnungswinkel α tritt, wie bereits weiter oben erläutert, zu beiden jeweiligen
Seiten einer Einschnürung 2 jeweils in zwei Teilen auf, die im vorliegenden Fall gleich
groß sind. Dies bedeutet konkret, daß der Winkel zwischen einer geraden Flanke 8 einer
der insgesamt vier Aussparungen 9 und der Hauptstromrichtung von der Einschnürung
2 aus gesehen (wie in der Figur mit α/2 bezeichnet) 60° beträgt, der gesamte Öffnungswinkel
somit 120°. Dementsprechend betragen die Winkel in den Aussparungen seitlich jeweils
60° und bei den Aussparungen 9 in der Mitte des PTC-Polymerelements 1 oben und unten
120°.
[0040] Bei einer Gesamtbreite des dargestellten PTC-Polymerelements 1 von 40 mm betragen
die kleinsten Leitungsquerschnittflächen 7 in den Einschnürungen 2 in der Breite jeweils
2 mm und sind durch die Breite einer Aussparung 9 im Vollmaterial von 11 mm voneinander
getrennt.
[0041] Figur 2 zeigt eine Figur 1 weitgehend entsprechende Struktur, bei der jedoch das
in Figur 1 dargestellte System aus Einschnürungen 2 und Aussparungen 9 doppelt und
in der Hauptstromrichtung 3 hintereinander liegend vorgesehen ist. Dabei liegen die
Einschnürungen 2 und Aussparungen 9 in der (vertikalen) Hauptstromrichtung 3 fluchtend
hintereinander. Der Abstand 10 zwischen den Stellen der kleinsten Querschnittsflächen
7 in der Hauptstromrichtung 3 voneinander beträgt bei der Struktur in Figur 2 etwa
8 mm. Dieser Abstand von 8 mm beträgt damit das vierfache der minimalen Querausdehnung
der Einschnürungen 2 von 2 mm.
[0042] Figur 3 zeigt ein gegenüber Figur 2 in dreierlei Hinsicht verändertes Ausführungsbeispiel.
Zunächst ist aus einer Serienschaltung von jeweils zwei Einschnürungen 2 eine Serienschaltung
einer Vielzahl von Einschnürungen 2 in jeder "Säule" der Parallelschaltung geworden,
wobei nur die jeweils obersten vier Einschnürungen dargestellt sind. Ferner sind bei
diesem Ausführungsbeispiel alle in den Strukturen aus Figur 1 und Figur 2 weitgehend
scharfen Ecken etwas abgerundet, was bei der mechanischen Bearbeitung eines PTC-Polymerblocks
oder einer Form für ein Spritz- oder Gußverfahren deutliche Vereinfachungen bietet.
Diese Abrundungen ändern nichts Wesentliches an der Funktionsweise der dargestellten
Geometrie.
[0043] Schließlich sind die Stellen minimaler Leitungsquerschnittsfläche 7 zu Stegen 5 verlängert,
die sich über eine Strecke 6 in der Hauptstromrichtung 3 erstrecken. Dies ist in der
Ausschnittsdarstellung in Figur 4 besser zu erkennen. Die Länge 6 der Stege 5 beträgt
1 mm ohne Einrechnung des Krümmungsansatzes zum Öffnungswinkel hin, unter Berücksichtigung
eines Teils dieser Krümmung zwischen 1-2 mm. Dementsprechend ist der Abstand 10 der
Stellen minimalen Querschnitts 7 in der Hauptstomrichtung 3 bei diesem Ausführungsbeispiel
um 1 mm länger als in Figur 2, wenn man ihn jeweils von der Stegmitte aus berechnet;
die Steglänge ist also zusätzlich zu diesem Abstand vorgesehen (Bezugszeichen 10 ergänzen).
Die übrigen Abmessungen entsprechen den zuvor angegebenen Werten.
[0044] Eine weitere Variation zeigt Figur 5. Dabei ist auch die auf der Zeichenebene der
Figuren 3 und 4 senkrechte Dimension zur Strukturierung der Einschnürungen mitgenutzt;
es handelt sich also um eine "dreidimensionale Einschnürungsstruktur". Im linken Teil
zeigt Figur 5 eine Draufsicht auf diese Figur, die soweit Figur 3 identisch entspricht.
Allerdings ist die Oberfläche und die Unterseite dieses PTC-Polymerelements 1 korrugiert,
d. h. weist seitliche Aussparungen oder Einkerbungen 11 auch auf der Oberseite und
Unterseite auf. Entsprechend gibt es auch in dieser "dritten Dimension" Aussparungen
12 im Vollmaterial des PTC-Polymerelements 1. Die wellenartigen Aussparungen 11 an
der Ober- und Unterseite und die Aussparungen 12 im Vollmaterial ergänzen die bereits
anhand Figur 3 und 4 beschriebenen Aussparungen 9 synchron, haben also sozusagen gleiche
Frequenz und gleiche Phase (vgl. dazu die gestrichelten Hilfslinien in Figur 5). Im
Ergebnis ist die relative Flächenverringerung an den Einschnürungen 2 gewissermaßen
um einen in der dritten Dimension zusätzlich erzielten Faktor verstärkt. Deswegen
ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die zu der obigen Definition analogen Öffnungswinkel
der weiteren Längsschnittebene in der rechten Seite in Figur 5 Werte von zumindest
100° aufweisen.
[0045] Bei den Strukturen aus den Figuren 1, 2, 3 und 4 ergeben sich dabei Leitungsquerschnittsflächenverringerungen
auf 15% der maximalen Leitungsquerschnittsfläche, bei der Struktur aus Figur 5 sogar
auf 5%. Es ist klar, daß die jeweils angedeuteten Verkettungen von Einschnürungen
2 als Serienschaltung in der Hauptstromrichtung 3 und als Parallelschaltung in der
in der Zeichenebene der Figuren 1-4 liegenden Richtung senkrecht hierzu sowie in der
dritten Richtung in Figur 5 beliebig fortgesetzt sein können. Es handelt sich im Grunde
um ein im wesentlichen regelmäßiges Gitter von Einschnürungen, das je nach Anforderungen
an die Gesamtgeometrie, an die Spannungsfestigkeit und an die Stromtragfähigkeit geeignet
angepaßt werden kann. Im übrigen können auch mehrere plattenartige PTC-Polymerelemente
1 nach den Figuren 1-5 in einem elektrischen Bauelement parallelgeschaltet werden.
Dadurch kann eine große Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig einfacher Herstellung
der einzelnen Platten erreicht werden.
[0046] Wie bereits erwähnt ist das PTC-Polymerelement dabei aus dem Material ETTB aus 50%
ETFE und 50% TiB
2 gefertigt. Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen wurde das Material aus
einem Block herausgefräst bzw. geschnitten, für eine Großserienfertigung sind jedoch
auch verschiedene Spritz- und Gießverfahren nach dem Stand der Technik denkbar. Dabei
können die entsprechenden Metallkontakte u. U. in einem Arbeitsgang mit angeformt
werden.
[0047] Dabei ist klar, daß die in Figur 5 dargestellte Struktur eine etwas kompliziertere
Herstellung erforderlich macht. Andererseits bietet sie ein im Vergleich zu den anderen
Strukturen noch weiter verbessertes Ansprechverhalten.
[0048] Weiterhin sind die Strukturen nach den Figuren 3, 4 und 5 gegenüber den Strukturen
in den Figuren 1 und 2 durch die Ausbildung der Einschnürungen 2 in der beschriebenen
Stegform hinsichtlich der Spannungsfestigkeit im Ansprechzustand verbessert. Ein typischer
Wert für eine einzelne Einschnürung 2 liegt dabei je nach Material im Bereich von
150-300 V (Effektivwert). Für einen typischen Anwendungsfall, ein Niederspannungssicherungssystem
im Bereich von z. B. 690 V sind dementsprechend mehrere, maximal fünf seriell verschaltete
Einschnürungen 2 notwendig.
[0049] Zur Illustration des Ansprechverhaltens zeigt Figur 6 Meßwerte an einem Versuchsmuster
der Struktur aus Figur 2, und zwar für die Ansprechzeit an der Ordinate gegenüber
dem Quotienten aus dem tatsächlichen Belastungsstrom und dem maximalen Auslegungsstrom
im normalleitenden Zustand. Man erkennt, daß die Kurve bei kleinen Überströmen zu
stark verlängerten Ansprechzeiten hin ansteigt, das PTC-Polymerelement 1 also im Bereich
kleiner Vielfacher des Nennstroms nur träge anspricht. Dieses Verhalten ist grundsätzlich
typisch für PTC-Polymermaterialien; bei dem erfindungsgemäßen Muster ist das Ansprechverhalten
in der unmittelbaren Umgebung, etwa unterhalb des 1,3fachen des Nennstroms, jedoch
noch langsamer als bei konventionellen Vergleichsstücken. Dies verdeutlicht die verbesserte
Kühlwirkung aufgrund der erfindungsgemäßen Geometrie, die eine Dauerbelastung in der
Nähe des Nennstroms für längere Zeit möglich macht.
[0050] Andererseits ist das Ansprechverhalten des erfindungsgemäßen PTC-Polymerelements
1 oberhalb eines Werts etwa des 1,3fachen bis 2fachen des Nennstroms erheblich schneller,
und zwar um 1-2 Zehnerpotenzen schneller, als bei konventionellen Beispielen. Dies
gilt etwa bis zum 100fachen Nennstrom; danach ist das erfindungsgemäße Muster immer
noch besser als der Stand der Technik, verliert jedoch an Vorsprung.
[0051] Abschließend wird darauf hingewiesen, daß das gleichzeitige Ansprechen seriell geschalteter
erfindungsgemäßer Einschnürungen über Infrarot-Frame-Kameraaufnahmen verifiziert wurde.
1. Elektrisches Bauelement mit einem PTC-Polymerelement (1), das eine Einschnürung (2)
der Querschnittsfläche senkrecht zu einer Hauptstromrichtung (3) aufweist, wobei ein
Öffnungswinkel (α) der Einschnürung (2) in einer die Hauptstromrichtung (3) enthaltenden
Längsschnittebene zumindest 100° beträgt.
2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Öffnungswinkel (α) zumindest
110° beträgt.
3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 mit zumindest zwei seriell geschalteten
der Einschnürungen (2).
4. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, bei dem minimale Querschnittsflächen (7)
der seriell geschalteten Einschnürungen (2) voneinander in der Hauptstromrichtung
(3) um zumindest die doppelte, vorzugsweise die vierfache minimale Querlängenausdehnung
der minimalen Querschnittsfläche beabstandet (10) sind.
5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche mit zumindest zwei parallel
geschalteten der Einschnürungen (2).
6. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Einschnürungen (2)
in demselben einstückigen PTC-Polymerelement (1) gebildet sind.
7. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung
(2) die Querschnittsfläche in nur einer in der Längsschnittebene enthaltenen Längendimension
(4) reduziert.
8. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung
(2) einen in der Hauptstromrichtung (3) über eine kurze Strecke (6) ausgedehnten Steg
(5) mit dem wesentlichen der minimalen Querschnittsfläche (7) der Einschnürung (2)
entlang dem Steg (5) aufweist.
9. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 8, bei dem die kurze Strecke (6) zwischen 0,5
mm und 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm lang ist.
10. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung
(2) die Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptstromrichtung (3) um mindestens den
Faktor 3, vorzugsweise den Faktor 4 oder 5 reduziert.
11. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Material
des PTC-Polymerelements (1) ETTB ist.
12. Elektrisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Einschnürung
(2) in der den jeweiligen Öffnungswinkel (α) enthaltenden Längsschnittebene beiderseits
des minimalen Querschnitts (7) im wesentlichen gerade Einschnürungsflanken (8) aufweist.
13. Elektrisches Bauelement nach den Ansprüchen 5 und 12, bei dem die parallelen Einschnürungen
(2) in der Weise unmittelbar benachbart sind, daß sich zwischen ihnen in der Längsschnittfläche
eine im wesentlichen rautenförmige Aussparung (9) ergibt.