[0001] Die Erfindung betrifft einen Schmelzsicherungseinsatz - insbesondere für Halbleiter-Schutz-Sicherungen
- welcher einen mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper aufweist. Ferner betrifft
die Erfindung eine Überstrom-Schutzeinrichtung mit einem derartigen Schmelzsicherungseinsatz.
[0002] Eine Schmelzsicherung ist eine Überstromschutzeinrichtung, die durch das Abschmelzen
eines oder mehrerer Schmelzleiter den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke
einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet. Sie besteht
aus einem isolierenden Körper, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im
Inneren des isolierenden Körpers durch einen Schmelzleiter miteinander verbunden sind.
Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn
der maßgebliche Nennstrom der Sicherung für eine bestimmte Zeit deutlich überschritten
wird. Aufgrund seiner guten Isolationswirkung wird als Material für den isolierenden
Körper zumeist Keramik verwendet.
[0003] Bei einem sandverfestigten Schmelzsicherungseinsatz ist der Schmelzleiter von Quarzsand
umgeben. Ein Keramikkörper bildet das Gehäuse des Sicherungseinsatzes, in dem der
verfestigte Sand, die elektrischen Anschlüsse sowie der Schmelzleiter aufgenommen
bzw. gehaltert sind. Der Quarzsand fungiert dabei als Lichtbogenlöschmittel: wird
der Nennstrom der Schmelzsicherung deutlich überschrittenen - beispielsweise aufgrund
eines Kurzschlusses - so führt dies zu einem Ansprechen der Schmelzsicherung, in dessen
Verlauf der Schmelzleiter zunächst schmilzt und anschließend aufgrund der hohen Temperaturentwicklung
verdampft. Dabei entsteht ein elektrisch leitendes Plasma, über das der Stromfluss
zwischen den elektrischen Anschlüssen zunächst aufrecht erhalten wird - es entsteht
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 Sicherungseinsatzes derart an, dass
der Lichtbogen endgültig verlischt. Die durch die Schmelzsicherung zu schützende Leitung
ist damit unterbrochen.
[0004] Bei sandverfestigten Schmelzsicherungseinsätzen mit großem Sandvolumen kommt es aufgrund
der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Quarzsandes einerseits
und des Keramikkörpers andererseits zu Spannungen im Keramikkörper, welche letztendlich
bis zum Bruch des Keramikkörpers führen können. Am Markt erhältliche Schmelzsicherungseinsätze
begegnen dieser Problematik mit dem Einsatz spezieller, hochwertiger Keramiken, welche
sich beispielsweise durch einen höheren Aluminiumoxidgehalt auszeichnen. Derartige
Keramiken weisen neben einer höheren Festigkeit auch noch einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten
auf als vergleichbare Keramiken mit einem geringeren Aluminiumoxidgehalt. Beide Eigenschaften
- die höhere Festigkeit und der höhere Temperaturausdehnungskoeffizient - wirken dem
Problem einer Beschädigung des Keramikkörpers entgegen. Jedoch sind die hierfür in
Frage kommenden Keramikwerkstoffe aufgrund ihrer besonderen Qualitätseigenschaften
relativ teuer.
[0005] Zur Reduzierung der Spannungen im Keramikkörper aufgrund der Temperaturausdehnung
des verfestigten Sandes werden ferner Schmelzsicherungseinsätze angeboten, bei denen
entlang des Inneren Umfangs des Keramikkörpers ein dämpfendes Element zwischen dem
Keramikkörper und dem verfestigten Sand angeordnet ist. Diese Anordnung hat jedoch
den Nachteil, dass die Wärmeabfuhr des Schmelzsicherungseinsatzes und damit das Auslöse-
und Abschaltverhalten des Schmelzsicherungseinsatzes deutlich verschlechtert werden.
[0006] Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Schmelzsicherungseinsatz
sowie eine Überstrom-Schutzeinrichtung mit einem derartigen Schmelzsicherungseinsatz
bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Robustheit bei gleichzeitig einfacher
und kostengünstiger Herstellbarkeit auszeichnen.
[0007] Diese Aufgabe wird durch den Schmelzsicherungseinsatz sowie die Überstrom-Schutzeinrichtung
gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
[0008] Der erfindungsgemäße Schmelzsicherungseinsatz, insbesondere für Halbleiter-Schutz-Sicherungen,
weist einen mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper auf. Der Keramikkörper weist
seinerseits ein Volumenreservoir auf, welches derart ausgebildet ist, dass bei einer
Erhöhung eines Innendrucks in dem Keramikkörper aufgrund einer Temperaturausdehnung
des verfestigten Sandes durch das Volumenreservoir ein zusätzliches Volumen in dem
Keramikkörper zur Ausdehnung des verfestigten Sandes freigesetzt wird.
[0009] Der Keramikkörper und der verfestigte Sand weisen in der Regel unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten
auf, d.h. der verfestigte Sand dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung stärker aus
als der den verfestigten Sand umgebende Keramikkörper, was bei einer Temperaturerhöhung
zu einer Erhöhung des Innendrucks im Keramikkörper und damit zu Spannungen im Keramikkörper
führt. Durch die Verwendung eines in den Keramikkörper integrierten Volumenreservoirs,
mit dessen Hilfe bei einer Erhöhung des Innendrucks ein zusätzliches Volumen in dem
Keramikkörper bereitgestellt wird, welches zur weiteren Ausdehnung des verfestigten
Sandes zur Verfügung steht, kann der in dem Keramikköper entstehende Innendruck auf
einen tolerierbaren Wert begrenzt werden. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des
Keramikkörpers durch Spannungsrisse, hervorgerufen durch die unterschiedlich starke
Temperaturausdehnung des verfestigten Sandes und des Keramikkörpers, vermieden. Die
Robustheit des Schmelzsicherungseinsatzes wird dadurch deutlich verbessert.
[0010] Weiterhin kann zur Herstellung des Keramikkörpers auf eine Keramik mit einem geringeren
Aluminiumoxidgehalt zurückgegriffen werden. Eine derartige Keramik ist einerseits
preiswerter in der Herstellung und andererseits einfacher in der Verarbeitung, so
dass hierdurch auch die Herstellkosten des Schmelzsicherungseinsatzes deutlich reduziert
werden können. Bei Bauformen für den Standardeinsatz kann somit bei gleicher Leistung
eine einfachere Keramik verwendet werden; spezielle Bauformen für problematische Einsatzbedingungen,
denen selbst hochwertige Keramiken nicht genügen, können durch Einbringen eines Zusatzkörpers
in den verfestigten Sand realisiert werden.
[0011] In einer vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist das Volumenreservoir
an einer inneren Wandung des Keramikkörpers ausgebildet. Der Keramikkörper stellt
ein Gehäuse des Schmelzsicherungseinsatzes dar, dessen Inneres zur Aufnahme des verfestigten
Sandes ausgebildet ist. Durch die Anordnung des Volumenreservoirs an einer inneren
Wandung des Keramikkörpers - und damit in unmittelbarer Nähe des verfestigten Sandes
- wird sichergestellt, dass das durch das Volumenreservoir zusätzlich freigesetzte
Volumen unmittelbar zur Ausdehnung des verfestigten Sandes zur Verfügung steht.
[0012] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist
das Volumenreservoir durch einen Steg des Keramikkörpers von dem verfestigten Sand
getrennt. Dabei ist der Steg derart ausgebildet, dass er bei Erreichen eines vordefinierten
Innendrucks zerbricht, wodurch das zusätzliche Volumen zur Ausdehnung des verfestigten
Sandes in dem Keramikkörper freigesetzt wird.
[0013] Der Steg weist hierzu eine vergleichsweise dünne Wandstärke auf, welche im Falle
eines Druckanstiegs im Inneren des Keramikkörpers als "Sollbruchstelle" wirkt - d.h.
zerbricht - so dass das bis dato vom verfestigten Sand abgeschottete Volumenreservoir
freigegeben wird und für eine weitere Ausdehnung des verfestigten Sandes zur Verfügung
steht. Dabei kann der Keramikkörper auch mehrere, mittels Stegen abgeteilte Volumenreservoirs
aufweisen. Die Stege können dabei unterschiedliche Wandstärken aufweisen, so dass
sie bei einem Anschwellen des Innendrucks nicht gleichzeitig, sondern nacheinander
zerbrechen. Auf diese Weise kann das zusätzliche Volumen zur weiteren Ausdehnung des
verfestigten Sandes kaskadenartig, d.h. in mehreren Portionen, freigegeben werden.
[0014] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist
das Volumenreservoir mit einem Luft oder Gasgemisch gefüllt. Die Füllung des Volumenreservoirs
mit Luft stellt eine einfach und kostengünstig zu realisierende Möglichkeit zur Verbesserung
des Schmelzsicherungseinsatzes dar. Anstelle von Luft kann auch ein Gasgemisch - beispielsweise
inerte, das heißt reaktionsträge Gase wie Stickstoff oder Edelgase - verwendet werden.
[0015] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist
das Volumenreservoir mit unverfestigtem Sand gefüllt. Auf diese Weise kann das durch
das Volumenreservoir bereitgestellte, zusätzliche Volumen auf einen geringen Wert
limitiert werden, ohne dass dabei die Genauigkeit der Auslösung des Schmelzsicherungseinsatzes
beeinträchtigt wird. Um diese Genauigkeit einzuhalten, d.h. um den Schwellwert des
Innendrucks, ab dem das zusätzliche Volumen zur Verfügung stehen soll, möglichst genau
zu bestimmen, ist eine bestimmte Herstellungsgenauigkeit des Keramikkörpers hinsichtlich
seiner Geometrie sowie seiner Wandstärke erforderlich. Die durch das Herstellverfahren
bedingte Mindestwandstärke bedingt ihrerseits eine Mindestgröße des Volumenreservoirs,
welche bei nur geringem zusätzlichen Volumen schwer zu realisieren ist. Die Füllung
des Volumenreservoirs mit unverfestigtem Sand hingegen erlaubt es, auch bei der oben
beschriebenen, geometrisch bedingten Mindestgröße des Volumenreservoirs, nur ein geringes
zusätzliches Volumen zur weiteren Ausdehnung des verfestigten Sandes zur Verfügung
zu stellen, wobei der Schwellwert des Innendrucks, ab dem das zusätzliche Volumen
zur Verfügung stehen soll, mit relativ guter Genauigkeit vorherbestimmt werden kann.
[0016] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist
das Volumenreservoir mit einem elastischen Material gefüllt. Wie auch die Füllung
mit unverfestigtem Sand stellt die Füllung des Volumenreservoirs mit einem elastischen
Material eine geeignete Möglichkeit dar, um nur ein geringes zusätzliches Volumen
zur weiteren Ausdehnung des verfestigten Sandes zur Verfügung zu stellen. Die Füllung
mit elastischem Material hat dabei den weiteren Vorteil, dass bei der Bereitstellung
des zusätzlichen Volumens keine Hohlräume in dem verfestigten Sand entstehen. Stattdessen
wird die weitere Ausdehnung des verfestigten Sandes bei nahezu gleichbleibendem Innendruck
durch ein Zusammendrücken des elastischen Körpers realisiert.
[0017] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Schmelzsicherungseinsatzes ist
der Keramikkörper durch Extrusion herstellbar. Ein Extrusionsverfahren stellt eine
einfache und überaus kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung des Keramikkörpers
dar, welche insbesondere für die Verarbeitung einfacher Keramikwerkstoffe geeignet
ist. Hochwertige Keramikwerkstoffe, insbesondere solche mit einem hohen Aluminiumoxidgehalt,
sind zur Verarbeitung mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens nur bedingt geeignet oder
sogar gänzlich ungeeignet.
[0018] Die erfindungsgemäße Überstrom-Schutzeinrichtung weist zumindest einen Schmelzsicherungseinsatzgemäß
obigen Ausführungen auf. Hinsichtlich der Vorteile einer derartigen Überstrom-Schutzeinrichtung
wird auf die vorangestellten Ausführungen zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes
verwiesen.
[0019] Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes
unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Figuren 1A und 1B schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes in jeweils perspektivischer Ansicht,
Figuren 2A und 2B schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Schmelzsicherungseinsatzes in jeweils perspektivischer Ansicht.
[0020] In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen
das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
[0021] In den Figuren 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schmelzsicherungseinsatzes 10 dargestellt. Figur 1A zeigt hierzu eine Draufsicht,
während in Figur 1B der Schmelzsicherungseinsatz 10 in perspektivischer Ansicht dargestellt
ist. Der Schmelzsicherungseinsatz 10 weist einen Keramikkörper 11 in Form eines röhrenförmigen
Hohlkörpers auf, an dessen beiden Enden sich jeweils eine Öffnung 15 befindet. Der
von dem röhrenförmigen Hohlkörper umgebene Innenbereich des Keramikkörpers 11 dient
im Wesentlichen als Aufnahmeraum 12 zur Aufnahme von verfestigtem Sand (nicht dargestellt),
welcher als Löschmittel zur Löschung eines bei Auslösen des Schmelzsicherungseinsatzes
10 auftretenden Lichtbogens dient. An jeder der beiden Öffnungen 15 des röhrenförmigen
Keramikkörpers 11 kann jeweils ein Kontaktelement (nicht dargestellt) angeordnet werden,
über das der Schmelzsicherungseinsatz 10 mit einer abzusichernden elektrischen Leitung
kontaktierbar ist. Mit Hilfe jeweils einer Abdeckplatte (nicht dargestellt, welche
über eine Mehrzahl an in dem Keramikkörper 11 ausgebildeten Bohrungen 19 an dem Keramikkörper
befestigbar ist, wird das jeweilige Kontaktelement relativ zum Keramikkörper 11 zentriert
und gehalten. Ferner dienen die beiden Abdeckplatten dazu, die beiden Öffnungen 15
des Keramikkörpers 11 in einem fertig montierten Zustand druckdicht zu verschließen.
In dem Aufnahmeraum 12 ist im Allgemeinen ein sogenannter Schmelzleiter (nicht dargestellt)
angeordnet, welche die beiden Kontaktelemente im Inneren des Schmelzsicherungseinsatzes
elektrisch leitend miteinander verbindet. Der Schmelzleiter ist im fertig montierten
Zustand mit verfestigtem Sand, beispielsweise Quarzsand, umgeben, der jedoch aus Gründen
der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht dargestellt ist.
[0022] Ferner weist der Keramikkörper 11 ein Volumenreservoir in Form mehrerer Kammern 14
auf, welche in der Wandung des Keramikkörpers 11 ausgebildet und jeweils durch einen
Steg 13 von dem verfestigten Sand getrennt sind. Übersteigt der Innendruck im Inneren
des Keramikkörpers 11 - beispielsweise aufgrund einer Temperaturausdehnung des verfestigten
Sandes während einer Auslösung des Schmelzsicherungseinsatzes 10 - einen vordefinierten
Schwellwert, so zerbrechen die Stege 13, wodurch das hinter den Stegen 13 liegende
Kammervolumen als zusätzliches Volumen in dem Keramikkörper zur Ausdehnung des verfestigten
Sandes zur Verfügung steht.
[0023] Bei Strömen, die kleiner sind als der Nennstrom des Schmelzsicherungseinsatzes 10,
wird in den Schmelzleitern nur soviel Verlustleistung umgesetzt, dass diese in Form
von Wärme schnell über den Sand, den Keramikkörper 11 und die Kontaktelemente nach
außen abgegeben werden kann. Die Temperatur der Schmelzleiter steigt dabei nicht über
deren Schmelzpunkt hinaus an. Fließt jedoch ein Strom, der im Überlastbereich des
Schmelzsicherungseinsatzes 10 liegt - beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses
- so steigt die Temperatur im Inneren des Schmelzsicherungseinsatzes 10 stetig weiter
an, bis der Schmelzpunkt der Schmelzleiter überschritten ist und die Schmelzleiter
durchschmelzen. Da die flüssige Schmelze noch gute elektrisch leitende Eigenschaften
aufweist, fließt der Strom weiterhin über die Schmelze, bis diese verdampft und ein
Lichtbogen entsteht. Durch die dabei auftretenden extrem hohen Temperaturen wird der
umgebende Quarzsand aufgeschmolzen, was zu einer chemischen Reaktion des geschmolzenen
Metalls mit dem Quarzsand führt. Das hieraus entstehende Reaktionsprodukt ist ein
guter Isolator, welcher den Stromfluss schließlich zum Erliegen bringt.
[0024] Durch die Entstehung des Lichtbogens während der Auslösung des Schmelzsicherungseinsatzes
10 wird viel Wärme erzeugt, was zu einem Temperaturanstieg des verfestigten Sandes
und infolgedessen - aufgrund der Wärmedehnung - zu einer Ausdehnung des verfestigten
Sandes führt. Da der Temperaturausdehnungskoeffizient des verfestigten Sandes in der
Regel größer ist als der Temperaturausdehnungskoeffizient des den verfestigen Sand
umgebenden Keramikkörpers 11, steigt hierdurch der Innendruck in dem Keramikkörpers
11 stark an. Um Beschädigungen - beispielsweise Spannungsrisse - an dem Keramikkörper
11 zu vermeiden, zerbrechen ab einem definierten Schwellwert des Innendrucks die Stege
13, welche die Kammern 14 von dem verfestigten Sand trennen. Hierdurch wird das von
den Kammern 14 eingeschlossene Volumen - welches beispielsweise mit einem Luft- oder
Gasgemisch, mit unverfestigtem Sand oder mit einem elastischen Material gefüllt sein
kann - freigegeben. Da sich der verfestigte Sand nun in dieses Volumen hinein ausdehnen
kann, sinkt der Innendruck wieder auf einen Wert unterhalb des Schwellwertes ab. Bei
richtiger Wahl des Schwellwertes kann somit eine Beschädigung des Keramikkörpers vermieden
werden.
[0025] In den Figuren 2A und 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schmelzsicherungseinsatzes in zwei perspektivischen Ansichten dargestellt. Der Schmelzsicherungseinsatz
10 weist wiederum einen Keramikkörper 11 auf, welcher in diesem Fall als Hohlzylinder
ausgebildet ist. Im Übrigen entspricht der Keramikkörper 11 des zweiten Ausführungsbeispiels
hinsichtlich des technischen Aufbaus sowie seiner Funktion dem Keramikkörper 11 des
in den Figuren 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiels.
[0026] Figur 2B zeigt den Keramikkörper in einer teiltransparenten Darstellung. Dabei wird
deutlich, dass die Kammern 14 sowie die Stege 13 durchgängig über die gesamte Länge
des hohlzylindrischen Keramikkörpers 11 verlaufen. Da der Keramikkörper 11 auch sonst
keine Hinterschneidungen aufweist, kann er - sofern das Keramikmaterial hierzu geeignet
ist - als Strangpressteil bzw. durch Extrudieren hergestellt werden. Beiden Urformverfahren
ist dabei gemein, dass der zu formende Werkstoff zum Zweck der Formgebung mittels
eines Stempels oder Ähnlichem durch eine Matrize gedrückt wird. Beide Herstellverfahren
zeichnen sich dabei durch äußerst geringe Grenzkosten aus und sind vor allem für hohe
Stückzahlen geeignet.
[0027] Anstelle eines Hohlzylinders sind auch andere Hohlformen zur Gestaltung des Keramikkörpers
11, beispielsweise Hohlquader oder Hohlprismen verwendbar.
Bezugszeichenliste
[0028]
- 10
- Schmelzsicherungseinsatz
- 11
- Keramikkörper
- 12
- Aufnahmeraum
- 13
- Steg
- 14
- Volumenreservoir / Kammer
- 15
- Öffnung
- 19
- Bohrung
1. Schmelzsicherungseinsatz (10), insbesondere für Halbleiter-Schutz-Sicherungen, mit
einem mit verfestigtem Sand gefüllten Keramikkörper,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Keramikkörper ein Volumenreservoir aufweist, welches derart ausgebildet ist,
dass bei einer Erhöhung eines Innendrucks in dem Keramikkörper aufgrund einer Temperaturausdehnung
des verfestigten Sandes durch das Volumenreservoir ein zusätzliches Volumen in dem
Keramikkörper zur Ausdehnung des verfestigten Sandes freigesetzt wird.
2. Schmelzsicherungseinsatz (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Volumenreservoir an einer inneren Wandung des Keramikkörpers ausgebildet ist.
3. Schmelzsicherungseinsatz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Volumenreservoir durch einen Steg des Keramikkörpers von dem verfestigten Sand
getrennt ist, welcher Steg derart ausgebildet ist, dass es bei Erreichen eines vordefinierten
Innendrucks zerbricht, wodurch das zusätzliche Volumen zur Ausdehnung des verfestigten
Sandes in dem Keramikkörper freigesetzt wird.
4. Schmelzsicherungseinsatz (10) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Volumenreservoir mit einem Luft oder Gasgemisch gefüllt ist.
5. Schmelzsicherungseinsatz (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Volumenreservoir mit unverfestigtem Sand gefüllt ist.
6. Schmelzsicherungseinsatz (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Volumenreservoir mit einem elastischen Material gefüllt ist.
7. Schmelzsicherungseinsatz (10) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Keramikkörper durch Extrusion herstellbar ist.
8. Überstrom-Schutzeinrichtung, welche zumindest einen Schmelzsicherungseinsatz (10)
nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.