EP3844792B1

EP3844792B1 - Schmelzsicherung mit integrierter messfunktion

Info

Publication number: EP3844792B1
Application number: EP19829139.5A
Authority: EP
Inventors: Robert Hüttinger; Jean-Mary Martel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2023-01-25
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: CN113196439A; ES2937138T3; EP3844792A1; WO2020127488A1; US20220093356A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung, in die eine Messfunktion integriert ist.
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 Kabelbrand führen kann. Um dieser Brandgefahr vorzubeugen, muss bei Auftreten eines zu hohen elektrischen Stromes, d.h. eines Überlaststromes oder eines Kurzschlussstromes, dieser elektrische Strom rechtzeitig abgeschaltet werden. Dies wird mittels sogenannter Überstrom-Schutzeinrichtungen gewährleistet.
Ein Beispiel für eine derartige Überstromschutzeinrichtung ist beispielsweise eine Schmelzsicherung, die durch das Abschmelzen eines oder mehrerer Schmelzleiter den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke des durch die Schmelzsicherung abgesicherten Stromkreises einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet. Die Schmelzsicherung besteht aus einem isolierenden Körper, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im Inneren des isolierenden Körpers durch einen oder mehrere Schmelzleiter elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der Schmelzleiter, welcher einen im Vergleich zu den übrigen Leitern des Stromkreises reduzierten Querschnitt aufweist, wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der maßgebliche Nennstrom der Sicherung für eine vorbestimmte Zeitdauer deutlich überschritten wird. Aufgrund seiner guten Isolationseigenschaften wird als Material für den isolierenden Körper zumeist Keramik verwendet. Ein derartiger Schmelzsicherungseinsatz ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 917 723 B1 oder den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2014 205 871 A1 sowie DE 10 2016 211 621 A1 prinzipiell vorbekannt.
Schmelzsicherungen sind in verschiedenen Bauarten erhältlich. Neben einfachen Gerätesicherungen, welche einen einfachen Glaszylinder, in dem der Schmelzleiter aufgenommen ist, aufweisen, existieren auch Bauformen, bei denen der Keramikkörper 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 Schmelzsicherung deutlich überschrittenen - beispielsweise aufgrund eines hohen Kurzschlussstromes - 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 aufrechterhalten wird - es bildet sich ein Lichtbogen. Indem sich der Metalldampf des verdampften Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsandkörner 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 elektrische Leitung ist damit unterbrochen.
Aus dem Stand der Technik sind im Bereich der Schmelzsicherungen Niederspannungs-Hochleistungssicherungen, sogenannte NH-Sicherungen, aber auch Halbleiterschutzsicherungen, sogenannte HLS-Sicherungen, wie sie beispielsweise unter dem Produktnamen SITOR vertrieben werden, prinzipiell vorbekannt. Bei NH-Sicherungen werden üblicherweise ein oder mehrere Schmelzleiter in Form von Metallbändern verwendet. Dabei weisen 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 Überlastcharakteristik der Schmelzsicherung beeinflussbar ist. Der für das Abschaltverhalten der Sicherung maßgebliche Durchlassenergiewert I²t ist bei NH-Sicherungen relativ groß, weswegen diese eine eher trägere Charakteristik aufweisen.
Erwärmt sich der Schmelzleiter durch einen elektrischen Überlaststrom auf eine Temperatur, welche oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegt, so diffundiert dieses Lot in das Schmelzleitermaterial ein und bildet mit diesem eine Legierung. 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, zulässigen 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 geschaltete Lichtbögen, deren Spannungen sich addieren und damit 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 zeitnah erfassen zu können. In der Vergangenheit erfolgte dies oftmals mittels einer Sichtprüfung - im Falle von Schmelzsicherungen beispielsweise dadurch, dass die Sicherungen mit einem Kennmelder ausgestattet sind, welcher ein Auslösen der jeweiligen Sicherung außen am Gehäuse der betreffenden Sicherung optisch signalisiert. Für die Zukunft wird jedoch vermehrt gefordert, diese Information jederzeit und möglichst ortsunabhängig abfragen zu können, beispielsweise über eine Leitwarte. Aus diesem Grund werden elektrische Installationsgeräte vermehrt dazu ertüchtigt, Informationen über ihren Betriebszustand bereitzustellen. Elektrische Schaltgeräte, beispielsweise Brandschutzschalter, die bereits über eine eigene Steuerungslogik verfügen, können mit relativ geringem Aufwand dazu ertüchtigt werden, entsprechende Informationen aufzubereiten und bereitzustellen.
Bei Schmelzsicherungen gibt es entsprechende Lösungen, indem mittels eines an die Sicherung anbaubaren Kommunikationsmoduls die vom Kennmelder optisch bereitgestellte "Ausgelöst"-Information aufzunehmen und weiterzuleiten. Anbaubare Lösungen 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 Kommunikationsmodul im Sinne einer Nachrüstung oder Modernisierung der Anlage ersetzt wird, kommen diese anbaubaren Lösungen oftmals nicht zum Einsatz, da der hierfür benötigte, zusätzliche Bauraum nicht zur Verfügung steht.
Zur Lösung dieses vor allem bei Retrofit-Anwendungen auftretenden Problems des begrenzten Bauraums ist in der internationalen Patentanmeldung WO 2017/078525 A1 eine Schmelzsicherung beschrieben, bei der eine Stromsensor in den Druckkörper der Schmelzsicherung integriert ist. Mit Hilfe dieses Stromsensors kann der im Normalbetrieb auftretende Stromfluss durch die Schmelzsicherung gemessen und an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Abfrage-Einheit übermittelt werden. Da in einer Schmelzsicherung jedoch auch vergleichsweise hohe Temperaturen auftreten können, ist es fraglich, wie zuverlässig ein in den Druckkörper der Schmelzsicherung integrierter Sensor über die Lebensdauer der Schmelzsicherung hinweg funktioniert.
Aus der Druckschrift US 2008/0042796 A1 ist eine Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion bekannt, welche ein Sicherungsgehäuse mit einem darin angeordneten Schmelzleiter sowie einer Messeinrichtung mit einem Stromwandler sowie einer mit diesem elektrisch leitend verbundene Elektronikbaugruppe aufweist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzsicherung bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schmelzsicherung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion 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 Aufnahmeraum ein Schmelzleiter, im zweiten Aufnahmeraum eine Messeinrichtung aufgenommen und gehaltert. Die Messeinrichtung weist dabei einen Stromwandler sowie eine mit dem Stromwandler elektrisch leitend verbundene Elektronikbaugruppe auf. In einer 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 geschaffen, den durch die Schmelzsicherung fließenden elektrischen Strom unmittelbar an der Sicherung zu ermitteln. Der erste und der zweite Aufnahmeraum sind dabei in einer Längserstreckungsrichtung L der Schmelzsicherung, d.h. in axialer Richtung, hintereinander angeordnet. Der Druckkörper dient dabei dazu, den bei der Erwärmung oder einer Auslösung der Sicherung auftretenden Druck aufzunehmen. Daher werden hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit und Stabilität des Schutzgehäuses gestellt. Demgegenüber ist zur Abgrenzung des zweiten Aufnahmeraumes lediglich ein Schutzgehäuse erforderlich, 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 Strommesswerte an die Elektronikbaugruppe weiterleitet, wo die Messwerte weiterverarbeitet werden. Zum anderen wird die hierfür benötigte Energie ebenfalls mit Hilfe des Stromwandlers durch elektromagnetische Induktion aus dem Primärstrom, d.h. dem Betriebsstrom der Schmelzsicherung generiert. Der Stromwandler dient somit auch als Energiequelle für die Elektronikbaugruppe. Um auch bei geringen Betriebsströmen der Schmelzsicherung ausreichend Energie für die Elektronikbaugruppe bereitzustellen und somit die Zuverlässigkeit der Messeinrichtung zu gewährleisten, muss der Stromwandler hierzu vergleichsweise groß dimensioniert sein.
Gleichzeitig muss die Schmelzsicherung kompakt gehalten werden, um auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung bestehender Anlagen, bei denen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung ersetzt wird, eingesetzt werden zu können. Da die Schmelzsicherung dabei idealer Weise die Abmessungen einer standardisierten NH-Sicherung aufweist, ist der zweite Aufnahmeraum, in dem die Messeinrichtung aufgenommen und gehaltert ist, insbesondere in axialer Richtung, d.h. in der Längserstreckungsrichtung, stark limitiert. Um einen möglichst großen Stromwandler 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 werden, dass seine Höhe der Höhe des zweiten Aufnahmeraumes entspricht, 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 Messeinrichtung benötigt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung weist die Elektronikbaugruppe eine Leiterplatte auf. Um die Erfordernisse einer möglichst kompakten Gestaltung der Messvorrichtung 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, beispielsweise durch Verwendung integrierter Schaltkreise möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung weist die Leiterplatte zumindest zwei starre Abschnitte auf, welche durch einen flexiblen Bereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Um die Leiterplatte möglichst platzsparend im zweiten Aufnahmeraum, d.h. im Bereich zwischen dem Stromwandler und der Innenwand des Schutzgehäuses anordnen zu können, ist es vorteilhaft, die Leiterplatte in mehrere starre Abschnitte aufzuteilen, welche durch flexible 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 Schmelzsicherung weist die Elektronikbaugruppe eine Übertragungseinrichtung auf, um ein von der Messeinrichtung erfasstes Messsignal an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangseinrichtung zu übertragen.
Mit Hilfe der Übertragungseinrichtung können die ermittelten Messdaten oder auch auf diesen Messdaten basierende, weiterverarbeitete 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 Schmelzsicherung erfolgt die Übertragung des Messsignals von der Übertragungseinrichtung 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 Messwerten basierende, vorverarbeitete Daten - von der Übertragungseinrichtung an die Empfangsvorrichtung kommen gängige Übertragungsverfahren 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.
Der für die Schmelzsicherung insgesamt benötigte Bauraum entspricht dabei dem Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung. Indem die erfindungsgemäße Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion hinsichtlich ihrer Baugröße der Größe einer herkömmlichen NH-Sicherung entspricht, kommt sie auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung bestehender Anlagen, bei denen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung durch eine Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion ersetzt wird, in Frage.
Der Sicherungskörper, d.h. das Sicherungsgehäuse für eine Schmelzsicherung mit integrierter Messfunktion der vorstehend beschriebenen Art, weist einen ersten Abschnitt, der als Druckkörper, welcher den ersten Aufnahmeraum zur Aufnahme des Schmelzleiters begrenzt, ausgebildet ist, sowie einen zweiten Abschnitt, der als Schutzkörper, welcher den zweiten Aufnahmeraum zur Aufnahme der Messeinrichtung begrenzt, ausgebildet ist, auf. Der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum sind dabei räumlich voneinander abgegrenzt in dem Sicherungsgehäuse angeordnet.
Der erste Abschnitt des Sicherungsgehäuses ist dabei druckstabil, d.h. zur Aufnahme des beim Auslösen der Schmelzsicherung auftretenden Drucks ausgebildet und stellt somit den eigentlichen Druckkörper der Schmelzsicherung dar, während der zweite Abschnitt lediglich eine Schutzfunktion für die Messvorrichtung darstellt, an dessen mechanische Stabilität und Festigkeit deutlich geringere Anforderungen gestellt werden. Die unterschiedlichen mechanischen Festigkeitseigenschaften der beiden Abschnitte sind mittels eines geeigneten Fertigungsverfahrens, bspw. eines 3D-Druckverfahrens, realisierbar. Der erste und der zweite Abschnitt bilden dabei eine bauliche Einheit, d.h. die beiden Abschnitte müssen bei Austausch 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 das Sicherungsgehäuse einstückig ausgebildet. Insbesondere im Hinblick auf die Herstellung des Sicherungsgehäuses mit Hilfe eines Additive-Manufacturing-Verfahrens, umgangssprachlich auch als "3D-Druck" bezeichnet, ist eine einstückige Ausführung des Sicherungsgehäuses vorteilhaft, da hierdurch nachgelagerte Montageschritte vermieden werden. Die Montagekosten können dadurch weiter reduziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Sicherungsgehäuse aus einem keramischen Werkstoff oder einem thermostabilen Kunststoff gebildet. Keramische Werkstoffe sind aufgrund ihrer hohen Druckfestigkeit zur Herstellung eines Sicherungsgehäuses besonders geeignet. Thermostabile Kunststoffe, sofern sie ausreichend wärmestabil sind, zeichnen sich hingegen durch ihre vereinfachte Verarbeitbarkeit bei gleichzeitig vergleichsweise niedrigen Herstellkosten aus.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Sicherungsgehäuse mehrteilig ausgebildet, wobei der Druckkörper fest aber lösbar mit dem Schutzkörper verbunden ist. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass nach einem Auslösen der Sicherung der zweite Aufnahmeraum, in dem die Messvorrichtung aufgenommen ist, ggf. wiederverwendet werden kann. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn die Material- und Herstellkosten der Messeinrichtung im Vergleich zur restlichen Schmelzsicherung vergleichsweise hoch sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind der Drucckörper und der Schutzkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet. Auf diese Weise sind beide Aufnahmeräume an die unterschiedlichen, jeweils an sie gestellten Anforderungen anpassbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungsgehäuses sind der Druckkörper und der Schutzkörper von einer zusätzlichen Hülle umgeben. Mit Hilfe der zusätzlichen Hülle, die beispielsweise auch aus Papier oder einem KunststoffÜberzug bestehen kann, wird die bauliche Einheit des Sicherungsgehäuses betont. Ferner wird bei mehrteiligen Bauformen die Demontage durch unberechtigte Dritte unterbunden oder zumindest gekennzeichnet.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungsgehäuses entspricht der für die Schmelzsicherung insgesamt benötigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung. Dadurch kann das Sicherungsgehäuse auch für Retrofit-Schmelzsicherungen, d.h. als Ersatz für eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messfunktion, eingesetzt werden.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Schmelzsicherung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. 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 Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung in verschiedenen Ansichten;
Figur 5: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Schmelzsicherung.

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.
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, bestehen. In den Darstellungen sind die Anschlusselemente 3 als Messerkontakte ausgebildet - dies ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Die Anschlusselemente 3 sind mechanisch fest und dicht mit einem Schutzgehäuse 2 mit der Höhe H verbunden, welches aus einem festen, nichtleitenden und möglichst hitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik, besteht und als Druckkörper für die Schmelzsicherung 1 dient. Das Schutzgehäuse 2 weist im Allgemeinen eine röhren- oder hohlzylinderförmige Grundform auf und ist nach außen druckdicht, 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 Hohlraum ist zumindest ein sogenannter Schmelzleiter 5 angeordnet, welcher die beiden Anschlusselemente 3 elektrisch leitend 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 beiden Kontaktelementen 3 zu kontaktieren. Durch Art, Anzahl, Anordnung und Gestaltung der Schmelzleiter 3 kann die Auslösekennlinie - und damit das Auslöseverhalten - der Schmelzsicherung 1 beeinflusst werden.
Der Schmelzleiter 5 besteht im Allgemeinen aus einem gut leitenden 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 - sogenannte 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 Anwendungsfall 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 durchschmilzt. 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 Engstellenreihen 7 gleichzeitig schmilzt.
Da flüssiges Kupfer bzw. Silber noch gute elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, wird der Stromfluss zu diesem Zeitpunkt 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 konventionellen Schmelzsicherungen 1 zumeist aus Quarzsand besteht. Dieser wird aufgrund der durch den Lichtbogen bedingten, extrem hohen Temperaturen im Umfeld des Lichtbogens aufgeschmolzen, 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 Anschlusselementen 3 rasch gegen Null ab. Dabei ist jedoch zu beachten, dass einer bestimmten Masse an Schmelzleitermaterial auch eine entsprechende Masse an Löschmittel erfordert. Nur so kann sichergestellt werden, dass am Ende der Sicherungsabschaltung 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 dargestellt. Figur 2 zeigt dabei eine Seitenansicht der Schmelzsicherung 100; die Figuren 3 und 4 zeigen dazu korrespondierende Schnittdarstellungen der Schmelzsicherung 100 in Grund- und Aufriss. Die Schmelzsicherung 100 weist ein Sicherungsgehäuse 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 Druckkörper 113 dient dazu, den bei der Erwärmung oder einer Auslösung 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 gehaltert ist. Der erste Aufnahmeraum 115 wird durch den Druckkörper 113 in radialer Richtung nach außen hin begrenzt und ist in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Längserstreckungsrichtung L, durch ein Verschlusselement 104 verschlossen. Die Baugröße des Sicherungsgehäuses 110 entspricht dabei der einer standardisierten NH-Sicherung, wie vorstehend zu Figur 1 beschrieben. Aufgrund der identischen Abmessungen ist die erfindungsgemäße 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 Sicherungsgehäuse 110 verbunden sind. Die Bauform der beiden Anschlusselemente 103 ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Im Inneren der Schmelzsicherung 100, genauer: im ersten Aufnahmeraum 115, ist der Schmelzleiter 105 mit den beiden Anschlusselementen 103 elektrisch leitend verbunden. Handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung um eine sandverfestigte Sicherung, so ist das verbleibende Volumen des ersten Aufnahmeraums 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 ausgebildet, welcher zur Aufnahme einer Messeinrichtung 120 dient und einen hierfür vorgesehenen zweiten Aufnahmeraum 116 nach außen 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 dabei 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 handeln; es ist jedoch ebenso möglich, die Trennwand 117 als Bestandteil 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 Messeinrichtung 120 wird die Möglichkeit geschaffen, den durch die Schmelzsicherung 100 fließenden elektrischen Strom unmittelbar 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 Anschlusselement 103 herum angeordnet, dass er den zweiten Aufnahmeraum 116 der Höhe nach vollständig ausfüllt. Mit anderen Worten: in der Längserstreckungsrichtung L entspricht die Höhe h des Stromwandlers 121 im Wesentlichen, d.h. innerhalb der bei der Montage üblichen Maßtoleranzen, der Höhe des zweiten Aufnahmeraums 116 - ebenfalls in der Längserstreckungsrichtung L betrachtet. Auf diese Weise kann das Volumen des Stromwandlers 121 optimiert, d.h. stark vergrößert werden, 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 Anschlusselemente 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 Ausdehnung des Stromwandlers 121 einseitig durch die Innenwand des Schutzkörpers 114 begrenzt wird, während auf der gegenüberliegenden Seite noch Bauraum zur Verfügung steht. In diesem zwangsweise freien Bauraum zwischen dem Stromwandler 121 und einer Innenwand des Schutzgehäuses 114 ist eine Elektronikbaugruppe 122 der Messeinrichtung 120, welche vorteilhafter Weise als Leiterplatte ausgebildet ist, platzsparend angeordnet. Neben einem Mikroprozessor zur Verarbeitung oder Vorverarbeitung der ermittelten Messdaten kann die Elektronikbaugruppe 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 erfindungsgemäßen 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 wesentliche 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 miteinander verbunden sind, verstanden. Vorliegend weist die Elektronikbaugruppe 122 einen zentralen ersten starren Abschnitt 123 auf, welcher über jeweils einen flexiblen Abschnitt 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 begrenzten Raumverhältnisse innerhalb des Schutzkörpers 114 angepasst 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 Sicherungsgehäuses
h: Höhe des Stromwandlers
L: Längserstreckungsrichtung

Claims

Schmelzsicherung (100) mit integrierter Messfunktion,
- mit einem Sicherungsgehäuse (110),

- mit einem Schmelzleiter (105),

- mit einer Messeinrichtung (120), welche einen Stromwandler (121) sowie eine mit dem Stromwandler (121) elektrisch leitend verbundene Elektronikbaugruppe (122) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Sicherungsgehäuse einen von einem Druckkörper (113) begrenzten ersten Aufnahmeraum (115) sowie einen vom ersten Aufnahmeraum (115) räumlich abgegrenzten zweiten Aufnahmeraum (116) aufweist,

- dass der Schmelzleiter (105) in dem ersten Aufnahmeraum (115) aufgenommen und gehaltert ist,

- dass die Messeinrichtung (120) in dem zweiten Aufnahmeraum (116) aufgenommen und gehaltert ist,

- dass die Höhe (h) des Stromwandlers (121) in einer Längserstreckungsrichtung (L) des Schmelzleiters (105) im Wesentlichen der Höhe des zweiten Aufnahmeraumes (116) entspricht, und

- dass die Elektronikbaugruppe (122) in einer zur Längserstreckungsrichtung (L) des Schmelzleiters (105) orthogonalen Richtung seitlich des Stromwandlers (121) angeordnet ist.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 1,
wobei die Elektronikbaugruppe eine Leiterplatte (122) aufweist.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 2,
wobei die Leiterplatte (122) zumindest zwei starre Abschnitte (123, 125) aufweist, welche durch einen flexiblen Bereich (124) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Schmelzsicherung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Elektronikbaugruppe (122) eine Übertragungseinrichtung aufweist, um ein von der Messeinrichtung (120) erfasstes Messsignal an eine außerhalb der Schmelzsicherung (100) angeordnete Empfangseinrichtung zu übertragen.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 4,
wobei die Übertragung des Messsignals von der Übertragungseinrichtung an die Empfangseinrichtung drahtlos erfolgt.
Schmelzsicherung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sicherungsgehäuse (110)
- einen ersten Abschnitt (111) aufweist, der als Drucckörper (113), welcher den ersten Aufnahmeraum (115) zur Aufnahme des Schmelzleiters (105) begrenzt, ausgebildet ist, sowie

- einen zweiten Abschnitt (112) aufweist, der als Schutzkörper (114), welcher den zweiten Aufnahmeraum (116) zur Aufnahme der Messeinrichtung (120) begrenzt, ausgebildet ist,

- wobei der erste Aufnahmeraum (115) und der zweite Aufnahmeraum (116) räumlich voneinander abgegrenzt in dem Sicherungsgehäuse (110) angeordnet sind.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 6,
wobei das Sicherungsgehäuse (110) einstückig ausgebildet ist.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 7,
wobei das Sicherungsgehäuse (110) aus einem keramischen Werkstoff oder einem thermostabilen Kunststoff gebildet ist.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 6,
wobei das Sicherungsgehäuse (110) mehrteilig ausgebildet ist, wobei der Druckkörper (113) fest aber lösbar mit dem Schutzkörper (114) verbunden ist.
Schmelzsicherung (100) nach Anspruch 9,
bei dem der Druckkörper (113) und der Schutzkörper (114) aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind.
Schmelzsicherung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem der Druckkörper (113) und der Schutzkörper (114) von einer zusätzlichen Hülle umgeben sind.