DE3725907A1 - Schmelzsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung zum Abschalten eines Überstromes in einem elektrischen Leiter, die aus einem Gehäuse und zwei Kontaktdurchführungen besteht, an denen im Inneren des Gehäuses ein Schmelzleiter angebracht ist.

Derartige Schmelzsicherungen sind seit langem bekannt und werden in den unterschiedlichsten Bauformen am Markt ange­ boten. An derartige Schmelzsicherungen werden die unter­ schiedlichsten Anforderungen gestellt. Neben einer hohen Schaltfähigkeit werden bestimmte Abschaltcharakteristiken gewünscht, darüber hinaus soll eine entsprechende Schmelz­ sicherung alterungsbeständig sein, also auch nach sehr langer Betriebsdauer die ursprünglich vorhandene Charakte­ ristik beim Abschalten aufweisen.

Insbesondere aus Gründen einer hohen Alterungsbeständigkeit werden als Schmelzleiter Edelmetalle eingesetzt, insbeson­ dere Silber, das oftmals legiert ist oder in dessen Nähe Legierungsbestandteile bereitgehalten werden, die im Falle des Ansprechens der Schmelzsicherung eine die Schmelztem­ peratur absenkende Legierung und damit ein noch schnelleres Ansprechen zur Folge haben. Die Legierungselemente müssen jedoch oftmals von dem eigentlichen Schmelzleiter getrennt werden, damit nicht eine unkontrollierte, sehr langsame Legierungsbildung eintritt, die wiederum vergleichbar ist mit einer Alterung.

Bei besonders kleinen, abzusichernden Strömen müssen die Schmelzleiter wegen ihrer sehr guten Leitfähigkeit extrem dünn ausgebildet werden, so daß sie besonders schwierig zu handhaben sind. Neben teuren Maschinen zur Aufbereitung der Schmelzleiter zu einer handhabbaren Form beispiels­ weise durch Aufwickeln auf einen Glasfaserkern und der­ gleichen sind die Ausschußquoten relativ hoch, so daß zur Absicherung besonders kleiner Ströme relativ teure Schmelzsicherungen eingesetzt werden müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schmelzsicherung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Empfind­ lichkeit gegen Alterung stark herabgesetzt ist und infolge der damit möglichen Auswahl an einsetzbaren Werkstoffen für den Schmelzleiter die genannten Schwierigkeiten bei der Herstellung vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Gehäuse gasdicht ausgebildet und mit Wasserstoff ge­ füllt ist.

Wasserstoff verhält sich gegenüber Metallen im wesentlichen neutral, wenn man von einer Versprödung bestimmter Messing­ sorten und hochlegierter Stähle einmal absieht. In dem hier interessierenden Zusammenhang konmt es darauf an, daß der Wasserstoff mit dem metallischen Schmelzleiter keine Verbindung eingeht und auch keine Legierungsbildung fördert. Er kann daher im Sinne einer Schmelzsicherung als Schutzgas betrachtet werden. Das eröffnet die Möglich­ keit, Schmelzleiter einzusetzen, die bisher wegen ihrer Oxidationsneigung und damit wegen ihrer geringen Alterungs­ beständigkeit für Schmelzsicherungen nicht geeignet waren.

Der Wasserstoff hat gegenüber der Umgebungsluft, die in der Regel die Gehäuse herkömmlicher Schmelzsicherungen füllt, die Eigenschaft, daß die Wärmeleitfähigkeit annähernd identisch ist in einem Temperaturbereich, der dem Arbeits­ temperaturbereich der Schmelzsicherung entspricht. Diese Wärmeleitfähigkeit steigt jedoch außerordentlich an im Temperaturbereich von etwa 4000°C, also im Bereich von Lichtbogentemperaturen. Dieser Vorteil kann für eine Schmelzsicherung in folgender Weise genutzt werden:

Die stark gesteigerte Wärmeleitfähigkeit im Bereich von Lichtbogentemperaturen führt zu einer guten Löschwirkung, die gleichbedeutend damit ist, daß die Schaltsicherheit besonders hoch ist, also auch bei extremen Strombe­ lastungen ein sicheres Abschalten gewährleistet ist. Da­ mit bietet der molekular vorliegende Wasserstoff Vor­ teile als Kühl- und Löschmedium, die andere, bisher be­ nutzte Löschnittel nicht vorzuweisen haben.

Ein gewisser Nachteil einer Wasserstoffüllung bei einer Schmelzsicherung liegt darin, daß die Wasserstoffmoleküle extrem klein sind und damit das Entweichen des Wasserstoffs aufgrund einer Diffusion beherrscht werden muß. Aus diesem Grunde sind Gehäuse aus Metall vorteilhaft, die hermetisch dicht zugeschweißt sind und bei denen die Kontaktdurch­ führung mit Hilfe von Glas bewirkt wird, beispielsweise als Boden eines napfartigen Gebildes oder als röhrchen­ artige Gebilde in einem metallischen Boden. Außerdem können Keramikkörper, insbesondere Keramikröhrchen ein­ gesetzt werden, deren Stirnenden metallisiert sind, so daß an diesen Stellen eine Metallplatte oder eine Metallkappe hart aufgelötet werden kann. In dieser Weise entstehen ausreichend gasdichte Gehäuse, die die Wasserstoffüllung für einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren in ausreichender Konzentration beibehalten. Selbst wenn eine geringe Menge des Wasserstoffs aus dem Gehäuse herausdiffundieren würde, bedeutet das nicht, daß in gleichem Maße z.B. Sauerstoff oder Stickstoff in das Gehäuse eindringt. Wegen der ge­ nannten Molekülgröße bestehen nämlich für den Sauer­ stoff und den Stickstoff wesentlich größere Diffusions­ sperren bei metallischen oder keramischen Gehäusen als für den Wasserstoff.

Eine Ausdünnung der Wasserstoffüllung infolge des Her­ ausdiffundierens eines Teils des Wasserstoffs führt selbst­ verständlich zu einer Verschlechterung der Wärmeleitung im Betriebszustand, so daß Sicherungen mit einem geringen Abschalt-Überstrom im Nennbetrieb selbsttätig abschalten. Damit zerstört sich die Sicherung selbst, wenn aufgrund eines geringen Leckes oder aufgrund einer Diffusion die Randbedingungen sich soweit verändert haben, daß die vorausberechnete Funktion nicht mehr eintritt. Die Selbstzerstörung verlangt das Auswechseln der Sicherung gegen eine neue, die dann wiederum die erwünschte Funktion erfüllt. Dabei ist besonders wichtig, das die Schmelz­ sicherung gemäß der Erfindung bei diesem Defekt im Nenn­ betrieb abschaltet und nicht etwa leitend bleibt bei nicht mehr gewährleisteter Sicherungsfunktion.

Eine geringe, in das Gehäuse eindiffundierte Menge an Sauerstoff kann zur Vermeidung eines Knallgasgemisches mit Hilfe von in dem Sicherungsgehäuse deponierten Erd­ alkalimetallen oder Alkalimetallen gebunden werden. Die Bindung eventuell eingedrungener Sauerstoffmoleküle ist auch dann besonders wichtig, wenn ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Füllung einer Schmelzsicherung mit Hilfe von Wasserstoff genutzt wird. Wegen des quasi iner­ ten Verhaltens des Wasserstoffs gegenüber Metallen können erstmals minderwertige elektrische Leiter wie Zinn, Blei, Wismut, Aluminium oder Legierungen daraus sowie Schmelz­ leiter aus Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen verwendet werden, da deren Oxidation nicht mehr befürchtet werden muß. Wenn dennoch Sauerstoff in das Gehäuse einer erfin­ dungsgemäßen Schmelzsicherung eingedrungen sein sollte und gleichzeitig Schmelzleiter dieser oder ähnlicher Art benutzt worden sind, ist die Bindung des Sauerstoffs für die Erhaltung der Alterungsbeständigkeit unerläßlich.

Die genannten Werkstoffe weisen gegenüber den bisher üblichen edlen Schmelzleitern aus Silber, Kupfer und dergleichen geringere elektrische Leitfähigkeiten auf, also höhere spezifische Widerstände. Das führt im Ergebnis zu Schmelzleitern mit einem größeren Querschnitt, die folglich auch leichter zu handhaben sind. Auch deren Herstellung ist wesentlich einfacher, da bei dickeren Schmelzleitern leichter engere Toleranzen eingehalten werden können als bei dünnen Schmelzleitern. Darüber hinaus sind mit den genannten Werkstoffen als Schmelz­ leiter träge Charakteristiken erzielbar. Die Deponie eines Gettermaterials in Form der genannten Erdalkalimetalle oder Alkalimetalle ist also in jedem Fall vorteilhaft, sei es, um die Bindung von Knallgas zu verhindern, oder sei es, um die Oxidation und damit die Alterung von billi­ gen Schmelzleitern zu vermeiden.

Aufgrund einer anderen Überlegung kann das Gettermaterial bewußt weggelassen werden, um bei Eindringen von Sauer­ stoff gerade das Oxidieren des minderwertigen Schmelz­ leiters und damit das vorzeitige Durchschmelzen unter Nennbelastung herbeizuführen. Die Oxidation ist nämlich ein Zeichen für eindiffundierten bzw. über ein Leck ein­ geströmten Sauerstoff, so daß die ursprünglich beab­ sichtigte Funktion der Schmelzsicherung nicht mehr voll gewährleistet ist. Sie heilt diesen Mangel insofern selbst, als sie unter Nennbelastung bald zerstört wird, also durch eine funktionsfähige Sicherung ersetzt werden muß. Das Einbringen eines Gettermaterials ist also einer von zwei Wegen, um eingedrungenem Sauerstoff zu begegnen. Bei der Wahl eines entsprechenden Schmelzleiters kann dieser Schritt bewußt unterlassen werden, und dennoch erhält man eine Schmelzsicherung, die einen kritischen Fehler in Form eines unterlassenen Abschaltens nicht aufweisen wird.

Es sei angenommen, daß in einem konkreten Einzelfall ein Schmelzeinsatz gemäß der Erfindung infolge eines fehler­ haften Gehäuses einen Teil seiner Wasserstoffüllung durch Diffusion verloren hat. Unabhängig davon, ob Sauerstoff eingedrungen ist oder nicht und unabhängig von einer evtl. Bindung des eingedrungenen Sauerstoffs mit Hilfe eines Gettermaterials müssen zwei weitere Bedingungen erfüllt sein, ehe der Schmelzeinsatz zu einer kritischen Fehlfunk­ tion führen kann:

• 1. Die Sicherung wurde vor dem Belastungsfall, bei dem der kritische Fehler auftritt, lange Zeit nicht unter Normalbedingungen betrieben, weil zum Beispiel ein zugehöriges Gerät über Jahre abgeschaltet war.
• 2. Der kritische Fehler tritt bei einem Abschaltvorgang ein, bei dem das Grenzschaltvermögen des Schmelzein­ satzes gefordert wird, bei dem also der gerade noch sicher beherrschte Abschaltstrom auftritt.

Das Zusammentreffen dieser beiden Zufälle in Verbindung mit einem undichten Gehäuse weist eine so geringe Wahrschein­ lichkeit auf, daß eine Fehlerquote entsteht, die unterhalb der bisher schon bei Schmelzeinsätzen zu beobachtenden Fehlerquote liegt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung gemäß der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein typisches Ausführungsbeispiel für eine Schmelzsicherung gemäß der Erfindung wieder­ gegeben. Sie besteht im wesentlichen aus einem metallischen Gehäuse 1 mit einem metallischen Boden 2. Die Verbindungs­ stelle ist entweder mit Hilfe von Hartlot 3 zusammengefügt oder geschweißt (nicht dargestellt), wobei insbesondere ein Widerstandsschweißverfahren oder auch ein Elektronen- Schweißverfahren Anwendung findet. An zwei Stellen ist der Boden 2 mit rohrartigen Kontaktdurchführungen 4 aus Glas versehen, durch die Kontaktstifte 5 hindurchgeführt sind. In dieser Weise ist ein hermetisch dichtes Gebilde vorhanden, das vorher mit einer Wasserstoffüllung 10 ver­ sehen worden ist.

Zwischen den inneren Enden der Kontaktstifte 5 ist ein Schmelzleiter 6 befestigt, und zwar in üblicher Weise durch Klemmen, Kaltpreßschweißen, Löten, thermisches Schweißen und dergleichen. Der Schmelzleiter kann aus einem Materail minderer Qualität bestehen, also oxidations­ freudig sein, da das Innere des Gehäuses 1 mit der Wasser­ stoffüllung 10 versehen ist. Diese Füllung wirkt wie eine Inertgasfüllung, da Wasserstoff mit Metallen in dem hier interessierenden Maße nicht reagiert.

Zur Unschädlichmachung von evtl. in das Gehäuse 1 einge­ drungenem Sauerstoff ist an der dem Boden gegenüberliegen­ den Innenseite des Gehäuses 1 ein Gettermaterial 7 einge­ bracht, das z.B. aus in einem Bindemittel gefaßten Be­ rylliumspänen besteht. Aufgrund seiner heftigen Reaktion mit Sauerstoff bindet es eingedrungene Sauerstoffmoleküle, die durch Diffusion oder ein unentdecktes Leck eventuell in das Gehäuse 1 eingedrungen sind. In dieser Weise bleibt die Inertwirkung der Wasserstoffüllung erhalten, außerdem bildet sich kein Knallgas.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel wiedergegeben, das insbesondere für eine Schmelzsicherung eingesetzt wird, die in millionenfacher Zahl als Geräte­ sicherung in dieser Form Verwendung findet. Sie besteht im wesentlichen aus einem Keramikrohr 8, das an den Stirn­ seiten metallisiert ist. Mit Hilfe von Hartlot 3 sind Metallkappen 9 aufgelötet, wobei darauf zu achten ist, daß der gewählte Schmelzleiter 6 einen höheren Schmelzpunkt als das Hartlot hat. Beispielsweise besteht der Schmelz­ leiter aus Silber, während das Hartlot einen Schmelz­ punkt zwischen 600 und 700° aufweist.

Wiederum ist eine Wasserstoffüllung 10 vorhanden, außer­ dem enthält die Schmelzsicherung gemäß der Fig. 2 zwei Deponien an Gettermaterial 7, das in das Keramikrohr 8 einge­ bracht ist, und zwar mit einem Bindemittel in der Nähe der Wandung.

Die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Schmelzeinsätze sind wesentlich größer dargestellt als in Wirklichkeit. Der Durchmesser des in der Fig. 1 dargestellten Gehäuses 1 beträgt in Wirklichkeit etwa 6 bis 8 mm bei etwa gleicher Gehäusehöhe. Es ist mit Gehäusen von Transistoren geringer Leistung in den Abmessungen vergleichbar, wobei außerdem Ähnlichkeiten bezüglich der Verschweißung und der herme­ tischen Dichtheit bestehen.

Claims (10)

1. Schmelzsicherung zum Abschalten eines Überstromes in einem elektrischen Leiter, mit einem Gehäuse und zwei Kontaktdurchführungen, an denen im Inneren des Gehäuses ein Schmelzleiter angebracht ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse (1) gasdicht ausgebildet und mit Wasserstoff gefüllt ist.

2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Metall besteht und die Kontaktdurchführung (4) aus Glas.

3. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zugeschweißt ist.

4. Schmelzsicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelz­ leiter (6) aus Sn, Pb, Bi, Al oder aus einer Legie­ rung dieser Elemente besteht.

5. Schmelzsicherung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) ein Gettermaterial (7) zur Bindung von Sauerstoff enthält.

6. Schmelzsicherung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gettermaterial (7) ein Erdalkalimetall und/oder ein Alkalimetall ist.

7. Schmelzsicherung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial (7) in einem Bindemittel gehalten ist.

8. Schmelzsicherung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial (7) als Pellet oder als Granulat vorliegt und in einem abgeteilten Gehäuseabschnitt untergebracht ist.

9. Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem an seinen Stirnseiten metallisierten Keramik­ rohr (8) besteht, und daß auf die Stirnseiten Platten oder Kappen (9) aus Metall aufgelötet sind.

10. Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelz­ leiter (6) aus einem Alkalimetall oder Erdalkalimetall besteht.