CH642772A5

CH642772A5 - Elektrische schmelzsicherung und deren herstellungsverfahren.

Info

Publication number: CH642772A5
Application number: CH538078A
Authority: CH
Inventors: Olav Noerholm
Original assignee: Knudsen Ak L
Priority date: 1977-05-28
Filing date: 1978-05-18
Publication date: 1984-04-30
Also published as: US4246563A; JPS6248339B2; FR2478369B1; DE2822802C2; BR7803390A; FR2392488B1; SE441133B; DE2822802A1; FR2392488A1; FR2478369A1; JPS5439846A; US4331947A; SE7806059L

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schmelzsicherung mit mindestens einem Schmelzelement, das von einem lichtbogenlöschenden Material umgeben ist und mindestens eine Ausschaltstelle mit verringertem stromführenden Querschnitt hat.

Das lichtbogenlöschende Material besteht am häufigsten aus Quarzsand (SI02), aber auch andere Materialien können verwendet werden.

Die Erfindung will eine Sicherung schaffen und ein Herstellungsverfahren solcher Sicherungen angeben, die sich dadurch auszeichnen, dass sie

- höhere Nennleistung je Volumeneinheit besitzen

- und/oder kompakteren Bau aufweisen

- und/oder schnellere Schmelzcharakteristik haben als es mit der heutigen bekannten Technik möglich ist.

Es ist allgemein bekannt, Ausschaltstellen durch mechanische Reduktion des stromführenden Querschnitts des Schmelzelements durch Breite- und/oder Stärkereduktion zu schaffen. Die USA-Patente Nr. 3 543 209 und 3 543 210 zeigen Sicherungen, wo beide Prinzipien in Kombination angewandt sind.

Es ist ebenfalls bekannt, dass eine Voraussetzung zur

Erreichung einer schnellen Schmelzcharakteristik für die Sicherungen darin besteht, dass das Einengungsverhältnis gross ist - z.B. mehr als 1:10, und es ist schliesslich bekannt, dass diese Reduktion in einer solchen Weise durchgeführt werden muss, dass die Stromdurchgangsfähigkeit der nicht eingeengten Teile des Schmelzelements beibehalten wird.

Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemässe Schmelzsicherung dadurch aus, dass das Schmelzelement einen laminierten, aus mehreren elektrisch leitenden Schichten gebildeten Aufbau aufweist, die auf einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Tragelement angebracht sind und dass die Ausschaltstelle oder -stellen ausschliesslich von der dem Tragelement am nächsten liegenden, elektrisch leitenden Schicht gebildet sind.

Eine solche Sicherung macht es möglich, einen Einengungseffekt zu erreichen, dier viele Male (5-10) grösser als bei herkömmlichen Sicherungen ist, ohne dass die Stromführungsfähigkeit der nicht eingeengten Teile des Schmelzelements verlorengeht. Dieses rührt teils daher, dass man wegen des Tragmaterials sehr dünne Schichten in der Ausschaltstelle verwenden kann und auch daher, dass man durch die Verwendung von geeigneten Materialien mit der Reduktion der elektrischen Leitungsfähigkeit als eine dritte Variante arbeiten kann.

Weiter werden die Ausschaltstellen vom Tragmaterial oder -element effektiv gekühlt durch den intimen Kontakt mit dem elektrisch leitenden Teil des Schmelzelements. Dies erlaubt mit wesentlich höheren Stromdichten als bisher zu arbeiten. Ferner kann das elektrisch isolierende Tragmaterial aus zwei oder mehreren Schichten mit verschiedener Wärmeleitungsfähigkeit bestehen.

Hierdurch wird erreicht, dass die thermische Zeitkonstante der Oberflächenschicht, auf der das elektrisch leitende-und also wärmeerzeugende Element aufgebaut ist, beeinflusst werden kann, wodurch es möglich ist, Sicherungen mit ganz besonderen Schmelzcharakteristiken zu bauen.

Durch die Anpassung der Stärke der verschiedenen Schichten und deren Wärmeleitungsfähigkeit kann man weiter erreichen, dass die thermische Zeitkonstante verschiedenen Strom-Zeit-Kombinationen angepasst werden kann.

Wird beispielsweise eine dünne Schicht von thermisch schlecht leitendem, elektrisch isolierendem Material zwischen die Ausschaltstelle und das Tragelement plaziert, wirkt diese als Wärmebremse und bewirkt, bei kräftigen Überbelastungen, dass die Sicherung in solchen Fällen rasch ausschaltet. Bei kontinuierlich hoher Belastung wird die Wärme durch die Schicht abgeleitet, was durch eine angemessene Dimensionierung der Schichtstärke und der Schichtwärmeleitungsfähig-keit erreicht wird. Durch geeignete Dimensionierung der verschiedenen Schichten im Tragelement ist es möglich, Sicherungen mit verschiedener Charakteristik herzustellen.

Der elektrisch leitende Teil des Schmelzelements kann aus mehreren Schichten bestehen, wobei die einzelne Schicht entsprechend den spezifischen Materialeigenschaften gewählt ist, die in den einzelnen Bereichen des Schmelzelements wünschenswert sind. Es ist natürlich möglich, die einzelnen Schichten so zu dimensionieren, dass sie die Ausdehnung des ganzen Elementes nicht decken.

Zum Beispiel kann man in der Ausschaltstelle selbst Metalle oder Legierungen verwenden, die eine wohldefinierte und passend gute elektrische Leitungsfähigkeit haben. Insbesondere ist es erwünscht, dass sie wärmebeständig sind. Silber und Aluminium und deren Legierungen sind sehr geeignet. In den Bereichen neben den Ausschaltstellen und besonders in den dickeren und mehr materialverbrauchenden Bereichen wird grösserer Wert auf den Preis gelegt, weshalb Kupfer und Aluminium in Frage kommen. Als obere Deckschicht könnte man wieder ein Material verwenden, das dadurch schützt.

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dass es wärmebeständig ist, wozu Aluminium und verschiedene keramische Materialien in Frage kommen. Das Schmelzelement kann auch ganz oder teilweise mit einer vor Korrosion schützenden Deckschicht überzogen sein.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren für eine elektrische Schmelzsicherung, das sich dadurch auszeichnet, dass das wärmeleitende, elektrisch isolierende Tragelement aus Aluminium- oder Berylliumoxid besteht, auf das die einzelnen Schichten durch Aufdämpfen Kathodenzerstäubung, Dickfilmtechnik oder Siebdruck, galvanischen Niederschlag oder chemische Fällung aufgebracht werden.

Die Erfindung wird näher unter Hinweis auf die Zeichnung erklärt, wo

Fig. 1-3 einige herkömmliche Aufbauformen von Sicherungselementen zeigen, während

Fig. 4-10 eine Reihe von Ausführungsformen der erfin-dungsgemässen Sicherungen darstellen.

Sämtliche Sicherungselemente und Sicherungen sind mit einer übertriebenen Stärke gezeigt.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Sicherungselement, aus einem Metallstreifen 1 mit Ausschnitten 2 und 3, die eine Querschnittsreduktion zur Bildung einer Ausschaltstelle 4 ergeben.

Fig. 2 zeigt ein anderes bekanntes Sicherungselement, das aus einem Metallstreifen 5 besteht, in dem die Löcher 6,7, 8 und 9 ausgestanzt sind. Die Querschnitte, in denen die Löcher plaziert sind, bilden Ausschaltstellen.

Fig. 3 zeigt ein drittes bekanntes Sicherungselement, das aus einem Metallstreifen 10 besteht, der zwischen zylindrischen Backen geklemmt worden ist, so dass die Stärke bei der Ausschaltstelle 11 reduziert ist.

Fig. 4 zeigt eine erfmdungsgemässe Sicherung, die auf einem Tragelement 12 aufgebaut ist, das aus einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material besteht. Es sei hier betont, dass es überall in dieser Beschreibung und in diesen Ansprüchen so dargestellt ist, als wäre das Schmelzelement derart orientiert, dass das Tragelement 12 unten liegt. Dieses ist ausschliesslich aus sprachlichen- und Bequemlichkeitsgründen so, es ist natürlich gleichgültig, wie die Sicherung orientiert ist. Die einzelnen Schichten sind ebenfalls als ebene Schichten dargestellt. Dies ist nicht unbedingt erforderlich, die Schichten können auch anders geformt sein. Das Tragelement besteht aus einem elektrischen Isolator aus geeignetem lichtbogenbeständigen, vorzugsweise thermisch gut leitendem Material, z.B. quarz-, aluminiumoxid-, berylliumoxidhaltigen keramischen Materialien. Auf das Tragelement 12 ist durch eine an sich bekannte Laminierungstechnik eine zweite Schicht 13 angebracht und auf diese Schicht 13 sind die Schichten 14 und 15 plaziert, die durch eine Rinne 16 voneinander getrennt sind, die eine Ausschaltstelle mit einer Querschnittsreduktion, wie beim Schmelzelement nach Fig. 3 darstellt.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen prinzipiell dasselbe wie Fig. 4 und die einzelnen Teile tragen dieselben Bezugszahlen. Die Figuren sind im selben Massstab dargestellt. Das Massstabverhältnis im senkrechten, dass heisst die Stärke oder die Höhe der Schmelzelemente ist jedoch stark übertrieben dargestellt. Fig. 5 zeigt ein Schmelzelement mit einer Querschnittsreduktion von 1:16 allein durch Stärkereduktion. Das Tragelement 12 ist ein keramisches Substrat, das z.B. aus Aluminiumoxid besteht.

Die Fig. 6 zeigt eine Sicherung, wobei dieselbe Reduktion durch eine Kombination der Strärkereduktion und «Reduktion der Leitungsfähigkeit» erreicht ist. In der Ausschaltstelle, d.h. der Schicht 13 ist ein Material mit einem höheren spezifischen elektrischen Widerstand als in den Schichten 14 und 15 verwendet worden. Das Tragelement 12 besteht aus demselben Material wie bei Fig. 5. Die zweite Schicht 13 besteht aus einer Silber-Platin-Legierung mit einem spezifischen Widerstand von 6,4 x IO-8 £2m, während die Schichten 14 und 15 aus Silber mit einem spezifischen Widerstand von 1,6 x 10~8 Qm bestehen. Die Stärkereduktion ist 1:4.

Schliesslich zeigt die Fig. 7 einen Aufbau, wo sämtliche drei Reduktionsprinzipien verwendet sind, wodurch ein Reduktionsverhältnis von 1:60 erreicht ist, indem nämlich die Stärkereduktion 1:4 ist, die Leitungsfähigkeitsreduktion von 1:5, und die Breitereduktion von 1:3 ist, indem Löcher 17 in der Schicht 13 angebracht sind.

Die Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem Tragmaterial oder -element 18, auf das eine Schicht Silber 19 angebracht ist. An jeder Seite der Ausschaltstelle 24 befinden sich drei Schichten Kupfer 20,21 und 22, die gegen Oxidation durch eine Deckschicht 23 aus wärmebeständigen Material, z.B. Aluminium, geschützt sind.

Die Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform mit einem Tragelement 30, auf das eine dünne, thermisch isolierende Schicht 32 unter die Ausschaltstelleschicht plaziert ist. An jeder Seite der Ausschaltstelle sind leitende Schichten 33 und 34 wie in den vorigen Abbildungen angeordnet. Diese können aus mehreren Schichten und eventuell einer Deckschicht bestehen. Die Schicht 32 wird bei hohen Strömen die Verbreitung der Wärmefront nach unten in das Tragelement 30 vezögern, wodurch sichergestellt ist, dass die in der Ausschaltstelle entwickelte Wärme eine Abschmelzung bewirkt, die den Strom unterbricht.

Die Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, wo sämtliche genannten technischen Effekte ausgenützt sind, indem sie aus einem Tragelement 40 besteht, auf das eine thermisch isolierende Schicht 41 plaziert ist. Auf dieser liegt ein verhältnismässig schlecht elektrisch leitendes Material 42, z.B. eine Pla-tin-Silber-Legierung mit breitereduzierenden Löchern 45. An beiden Seiten der Ausschaltstelle sind die Schichten 43 und 46 angeordnet, die aus einem gut leitenden Material z.B. Kupfer bestehen. Zum Schutz dieser Elemente ist oben eine Deckschicht 44 plaziert, die z.B. aus Aluminium oder einem keramischen Material bestehen kann.

In dieser Beschreibung sind aus Bequemlichkeit Sicherungselemente dargestellt, bei denen das Tragelement immer unten plaziert ist und die Anordnung der übrigen Elemente oben liegend angegeben ist. Es ist aber klar, das die technische Wirkung von der räumlichen Anordnung der Sicherung völlig unabhängig ist. Es ist natürlich nur die Anordnung der Elemente relativ zueinander, die für die technische Wirkung entscheidend ist.

Unter beständigem Material, wie in Anspruch 6 angegeben, ist teils ein Material zu verstehen, das an sich unter den vorliegenden Betriebsbedingungen beständig ist und teils ein Material, das in der Lage ist, das unterliegende Material zu schützen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Elektrische Schmelzsicherung mit mindestens einem Schmelzelement, das von einem lichtbogenlöschenden Material umgeben ist und mindestens eine Ausschaltstelle mit verringertem stromführenden Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement einen laminierten, aus mehreren elektrisch leitenden Schichten (13-15; 19-22; 31, 33,34; 42-46) gebildeten Aufbau aufweist, die auf einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Tragelement (12; 18; 40) angebracht sind und dass die Ausschaltstelle oder -stellen ausschliesslich von der dem Tragelement am nächsten liegenden, elektrisch leitenden Schicht gebildet sind.

2. Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Tragelement am nächsten liegende elektrisch leitende Schicht (16) in voller Breite die Ausschaltstelle bildet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Tragelement am nächsten liegende elektrisch leitende Schicht (16) mehrere Querschnittsverringerungen (17) aufweist, die Ausschaltstellen bilden.

4. Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich der • Ausschaltstelle oder -stellen das elektrisch isolierende Tragelement (30; 40) mit einer Schicht (32; 41) aus elektrisch isolierendem Material versehen ist, dessen Wärmeleitfähigkeit sich von derjenigen des Tragelementes unterscheidet.

5. Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement aus mehreren elektrisch leitenden Schichten (19-22), die aus verschiedenen Materialien besteht, aufgebaut ist.

6. Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement mit einer wärmebeständigen, vor Korrosion schützenden Deckschicht (23) überzogen ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende, elektrisch isolierende Tragelement aus Aluminiumoder Berylliumoxyd besteht, auf das die einzelnen Schichten durch Aufdämpfen, Kathodenzerstäubung, Siebdruck, galvanischer Niederschlag oder chemische Fällung aufgebracht werden.