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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsschalter, insbesondere einen Kompaktleistungsschalter, mit
einer elektronischen Auslöseeinheit.
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In
der elektronischen Auslöseeinheit
(ETU) eines Kompaktleistungsschalters (MCCB) befinden sich auf den
Strombahnen Stromwandler, die dazu dienen, Signale zu erfassen und
an eine elektronische Auswerteeinheit zu übertragen. Hierbei entsteht aufgrund
der hohen Ströme
in den Strombahnen eine Verlustleistung, die als Wärme abgegeben
wird. In der ETU kommt es daher zu sehr hohen Temperaturen, die
den Betrieb der elektronischen Auswerteeinheit und insbesondere
die Schalteigenschaften eines mit der Auswerteeinheit verbundenen
elektromagnetischen Auslösesystems
negativ beeinflussen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auch bei hohen Verlustleistungen
einen sicheren Betrieb eines Leistungsschalters mit elektronischer Auslöseeinheit
zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst
der Leistungsschalter eine ETU, die wenigstens eine erste Kammer
und eine von der ersten Kammer thermisch getrennte zweite Kammer
aufweist, wobei in der ersten Kammer eine Anzahl von Stromwandlern
und in der zweiten Kammer eine elektronische Auswerteeinheit und/oder
eine elektromagnetische Auslöseeinheit
oder dergleichen angeordnet sind.
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Eine
Grundidee der Erfindung besteht darin, die ETU eines Leistungsschalters
in eine Anzahl thermisch voneinander isolierter Kammern zu unterteilen und
damit eine voneinander unabhängige
Entwärmung
jeder einzelnen Kammer zu gewährleisten. Durch
Abgabe der Verlustwärme
aus dem Inneren der ETU an de ren Umgebung und eine Zirkulation der
Luft innerhalb der ETU wird für
jede Kammer eine separate Entwärmung
gewährleistet.
Mit anderen Worten werden sowohl die Stromwandler, als auch die
elektronische Auswerteeinheit und/oder das elektromagnetische Auslösesystem
gekühlt.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Entsprechend
einer ersten Ausführungsform der
Erfindung sind die wenigstens zwei Kammern durch eine Trennwand
aus Kunststoffmaterial getrennt. Die räumliche Abschirmung erfolgt
mit anderen Worten durch eine Trennwand aus einem Material mit schlechter
Wärmeleitfähigkeit.
Damit wird sichergestellt, dass der Wärmetransport von einer Kammer
in die andere sehr gering ist.
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Ist
die elektrische Verbindung zwischen den in der ersten Kammer (Anschlusskammer)
angeordneten Stromwandlern und der in der zweiten Kammer (Elektronikkammer)
angeordneten elektronischen Auswerteeinheit über Steckkontakte hergestellt,
so ist eine optimale Trennung dieser beiden Bereiche möglich, da
die Steckkontakte derart ausgebildet sein können, dass ein Wärmeübergang
nahezu ausgeschlossen ist.
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Entsprechend
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung lässt
sich das Innere der ETU in weitere Kammern unterteilen, bis hin
zu einer Ausführungsform,
bei der alle Komponenten einzeln in thermisch isolierten Kammern
angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, jedem einzelnen Stromwandler
eine eigene Kammer zuzuordnen. Darüber hinaus ist es von Vorteil,
wenn die elektronische Auswerteeinheit von der elektromagnetischen
Auslöseeinheit
thermisch getrennt ist, so dass auch ein möglicher Wärmeübergang von der elektronischen
Auswerteeinheit auf die Auslöseeinheit
unterbunden ist.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
das Gehäuse der
ETU zur Ermöglichung
einer Luftzirkulation in jeder Kammer eine Anzahl von Lüftungsöffnungen
auf. Damit findet ein Wärmetransport
in Form freier Konvektion von innen nach außen statt.
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Um
zu vermeiden, dass Luftströmungen
zwischen den einzelnen Kammern außerhalb des Gehäuses der
ETU wieder zu einer Erwärmung
einzelner Kammern führt,
wird in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung vorgeschlagen, am Gehäuse der ETU Luftleitelemente
anzuordnen, welche die Ausbildung derartiger Luftströmungen verhindern.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich auch die elektronische
Auswerteeinheit eine Anzahl von Lüftungsöffnungen aufweist. Somit kann die
im Inneren der elektronischen Auswerteeinheit, beispielsweise durch
elektrische Schaltkreise erzeugte Abwärme an die der elektronischen
Auswerteeinheit zugeordnete Kammer beziehungsweise direkt aus dem
Gehäuse
der ETU abgeführt
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben,
das mit Hilfe von Figuren erläutert
wird. Hierbei zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Leistungsschalters mit ETU,
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2 eine
perspektivische Ansicht der ETU (Oberseite),
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3 eine
perspektivische Ansicht der Load-Seite der ETU (Unterseite),
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4 eine
perspektivische Ansicht einer elektronischen Auswerteeinheit der
ETU.
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In 1 ist
ein Kompaktleistungsschalter 1 mit einer elektronische
Auslöseeinheit
(ETU) 2 abgebildet, wobei der Leistungsschalter 1 im
montierten Zustand oberhalb der ETU 2 angeordnet ist. Der Leistungsschalter 1 sitzt
sozusagen, wie in 1 abgebildet, auf der ETU 2 auf
und deckt die offene Oberseite 3 der ETU 2 ab.
Die ETU 2 dient quasi als Unterteil des Leistungsschalters 1.
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Durch
den Leistungsschalter 1 werden Stromkreise getrennt oder
zugeschaltet. Diese Stromkreise können beispielsweise Ströme über 1000
A führen.
Mit Hilfe der ETU 2 wird der durch den Leistungsschalter 1 fließende Strom überwacht. Überschreitet
der Strom einen bestimmten Grenzwert, löst der Schalter 1 aus.
Die Überwachung
erfolgt mit Hilfe der ETU 2.
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Die
ETU 2 umfasst, wie in 2 dargestellt, vier
Stromwandler 4, wobei jeder Stromwandler 4 aus einem
Anschlusssteg 5 auf der Primärseite einerseits und aus einer
Vielzahl von Wicklungen 6 auf der Sekundärseite andererseits
gebildet wird. Der Anschlusssteg 5 auf der stromführenden
Seite ist praktisch als durchgehende Schiene ausgebildet. Darüber hinaus
umfasst die ETU 2 eine elektronische Auswerteeinheit 7 und
eine elektromagnetische Auslöseeinheit 8.
Die Anzahl der Stromwandler ist nicht auf vier festgelegt. Die ETU
kann beispielsweise auch ein, zwei oder drei Stromwandler enthalten.
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Das
Arbeitsprinzip ist wie folgt: Der Spannungsabfall auf der Primärseite eines
Stromwandlers 4 wird in eine höhere Spannung bei sehr niedrigem Strom
hoch transferiert. Die Spannung, die auf der Sekundärseite abgegeben
wird, ist mit anderen Worten eine Angabe über die Höhe des Stroms, der auf der
Primärseite
fließt.
Dieses Signal wird über
eine elektrische Verbindung in die elektronische Auswerteeinheit 7 übertragen.
Die elektronische Auswerteeinheit 7 nutzt den Anschluss
an die Stromwandler 4 für
die eigene Stromversorgung. Zugleich wird das eingehende Signal
als zu verarbeitendes Messsignal in die elektronische Auswerteeinheit 7 geführt. Das Messsig nal,
welches nun exakt den Stromverlauf auf der Primärseite abbildet, wird in der
elektronischen Auswerteeinheit 7 erfasst und nach verschiedenen Kriterien überwacht.
Wird eines dieser Kriterien verletzt, dann wird ein elektronischer
Schalter (nicht abgebildet) geschlossen und die elektromagnetische Auslöseeinheit 8 angesteuert.
Die elektromagnetische Auslöseeinheit 8 umfasst
einen Auslösemagneten
(nicht im Einzelnen abgebildet), der als Hubmagnet wirkt. Bei einer
Auslösung
wird dann über
einen nicht näher
dargestellten Auslösemechanismus
der Schalter 1 geöffnet.
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Aufgrund
hoher Ströme
in der Strombahn kommt es zu einer starken Erhitzung der elektronischen
Auswerteeinheit 7 bzw. der elektromagnetischen Auslöseeinheit 8.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten ETUs mit einem nicht
unterteilten Gehäuse
erhöht
sich dann die Temperatur im Inneren der ETU. Da bei diesen bekannten
ETUs keine Öffnungen
nach außen
vorgesehen sind, kühlt
sich die Luft an den Außenwänden des
Gehäuses
ab und wird dann über
die Außenwände nach
außen
abgeführt.
Dabei stehen in der Regel nur zwei Seiten der ETU zur Verfügung, nämlich die
Unterseite und die Vorderseite. Oberseite und Rückseite stehen für einen
Wärmeabtransport
in der Regel nicht zur Verfügung,
da sich oberhalb der ETU der Leistungsschalter befindet und die
ETU mit ihrer Rückseite
in der Regel an einer Wand oder dergleichen befestigt ist.
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Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, das Innere der ETU 2 in wenigstens zwei
thermisch voneinander entkoppelte Kammern 11, 12 zu
trennen. Hierzu ist eine Kunststofftrennwand 13 im Innenraum
der ETU 2 vorgesehen. Die Trennwand 13 verläuft auf
der Seite der ETU 2, auf der die elektronische Auswerteeinheit 7 angeordnet
ist, parallel zwischen den seitlichen Längswänden 14, 15 der
ETU 2 zwischen den beiden dieser Seite der ETU 2 zugeordneten
Stromwandlern 4 einerseits und der elektronischen Auswerteinheit 7 andererseits.
Die Trennwand 13 reicht dabei von der den Boden der ETU 2 bildenden
Unterseite 16 bis hin zu der durch die Unterseite des Leistungsschalters 1 gebildeten
oberen Abschluss der ETU 2. Stromwandler 4 und
elektronische Auswerteeinheit 7 sind durch nicht näher gezeigte
Verbindungskabel miteinander verbunden, wobei die Verbindungskabel
mit Hilfe von thermisch dichten Steckverbindern durch die Trennwand 13 hindurchgeführt werden.
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In
Längsrichtung 17 der
ETU 2 gesehen etwa in der Mitte schließt sich an den ersten, parallel
verlaufenden Teil der Trennwand 13 ein zweiter Trennwand-Teil
an, der schräg
zur Längsrichtung 17 der ETU 2 und
weiter in Richtung der vorderen Stirnseite 18 der ETU verlaufend
in Richtung Vorderseite 14 der ETU 2 reicht. Mit
anderen Worten stößt das eine Ende
der Trennwand 13 im wesentlichen senkrecht auf die eine
hintere Stirnseite 19 der ETU 2, während das
andere Ende der Trennwand 13 schräg auf die Vorderseite 14 der
ETU 2 trifft. Auch dieser zweite, schräg verlaufende Teil der Kunststofftrennwand 13 verläuft von
der Unterseite 16 der ETU 2 nach oben und schließt mit der
(gedachten) Abdeckung der ETU 2 ab.
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Durch
diese Trennwand 13 werden im Inneren der ETU 2 zwei
Kammern gebildet. Mit anderen Worten wird das Gehäuse der
ETU 2, welches sich aus den beiden Längsseiten 14, 15,
der Unterseite 16 und den beiden Stirnseiten 18, 19 sowie
der (gedachten) Abdeckung durch den Schalter 1 ergibt,
unterteilt derart, dass die eine, kleinere Kammer (Elektronikkammer) 12 die
elektronische Auswerteeinheit 7 und die elektromagnetische
Auslöseeinheit 8 beinhaltet, während in
der anderen, größeren Kammer
(Anschlusskammer) 11 die vier Stromwandler 4 angeordnet
sind. Der Verlauf der Trennwand 13 ist dahingehend optimiert,
dass eine besonders günstige
Luftströmung
und -zirkulation gewährleistet
ist. Hierzu sind im Gehäuse
der ETU 2 Öffnungen
vorgesehen, die einen Luftein- und -austritt ermöglichen. Die Strömung erfolgt
dabei vorzugsweise von unten nach vorn, dass heißt die Kühlluft tritt an der Unterseite 16 der
ETU 2 in die Kammern 11, 12 ein und an
der Vorderseite 14 der ETU 2 aus den Kammern 11, 12 wieder
aus. Hierzu sind an der Unterseite beider Kammern 11, 12 Lufteintritts öffnungen 21, 22 vorgesehen.
Nach dem Einströmen
kühler
Luft wird diese an den zu kühlenden
Bauteilen 4, 7, 8 entlang geführt und
verlässt
das Innere der ETU 2 durch die hierfür an der Vorderseite 14 der
ETU 2 vorgesehenen Luftaustrittsöffnungen 23, 24.
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Durch
die geometrische Ausgestaltung der ETU 2 und den Verlauf
der Trennwand 13 hat sich eine Gestaltung als besonders
bevorzugt herausgestellt, bei der die Luftaustrittsöffnungen 23, 24 nebeneinander
an auf der den beiden Stromwandlern 4 auf der linken Seite
der ETU 2 gegenüberliegenden
Teil der Vorderseite 14 erfolgt. Die beiden den einzelnen Kammern 11, 12 zugeordneten
und durch die Trennwand 13 voneinander abgetrennten Luftaustrittsöffnungen 23, 24 erscheinen
von außen
als ein einziges Luftaustrittsfenster, das neben der ebenfalls an
der Vorderseite 14 der ETU 2 vorgesehenen Bedieneinheit 25 für die ETU 2 angeordnet
ist.
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Eine
vorteilhafte Luftströmung
von allen vier Stromwandlern 4 hin zu der Luftaustrittsöffnung 23 der
Anschlusskammer 11 wird zudem dadurch erreicht, dass zwischen
den einzelnen Stromwandlern 4 Luftleitelemente 26, 27, 28 vorgesehen
sind. Diese sind als Wandelemente ausgebildet, die sich – ähnlich wie
die Trennwand 13 – von
der Unterseite 16 der ETU 2 bis hin zur Oberkante
des Gehäuses
erstrecken. Dabei verläuft
das erste Trennelement 26 von der Rückseite 15 der ETU 2 in
Richtung Trennwand 13, ohne diese jedoch zu berühren. Das
Trennelement 26 ist zwischen den beiden Stromwandlern 4 angeordnet,
die gegenüber
der elektronischen Auswerteeinheit 7 auf der rechten Seite
der ETU 2 angeordnet sind. Mit anderen Worten verbleibt
hier ein Luftspalt 29 zwischen der Trennwand 13 einerseits und
der Stirnseite des Trennelementes 26 andererseits, durch
den die erwärmte
Luft von dem äußeren rechten
Stromwandler 4 hin zu der Luftabführöffnung 23 der Anschlusskammer 11 geführt wird.
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Das
zweite Trennelement 27 zwischen den beiden mittleren Stromwandlern 4 ist
ebenso wie das erste Trennelement 26 ausgestaltet. Es ragt
jedoch weniger weit in die Anschlusskammer 11 hinein. Entsprechend
ist auch der Abstand von der Stirnseite des Trennelementes 27 hin
zu der Trennwand 13 größer als
bei dem ersten Trennelement 26. Der hierdurch gebildete
Luftdurchtritt 30 dient zur Abführung der erwärmten Luft
insbesondere von dem zwischen den Trennelementen 26 und 27 angeordneten
zweiten Stromwandler 4.
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Das
dritte Trennelement 28, welches zwischen den beiden auf
der linken Seite gegenüber
den Auslassöffnungen 23, 24 angeordneten
Stromwandlern 4 verläuft,
ist wiederum ebenso wie die ersten beiden Trennelemente 26, 27 ausgebildet.
Es ragt jedoch deutlich weiter in die Anschlusskammer 11 hinein,
als das erste und das zweite Trennelement. Dadurch gewährleistet
es einen direkten Abtransport der erwärmten Luft des ganz linke unmittelbar
an der vorderen Stirnseite 18 angeordneten Stromwandlers 4 hin
zu der Luftaustrittsöffnung 23,
ohne dass diese erwärmte
Luft eventuell in Richtung der übrigen
drei Stromwandler geführt
wird.
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Sowohl
die Lufteintritts- als auch die Luftaustrittsöffnungen 21, 22, 23, 24 sind
mit Gittern (nicht abgebildet) versehen, wobei die Gitter einen Öffnungsgrad
von vorzugsweise 40% bis 50% aufweisen. Die Gitter dienen dazu,
eine Berührung
von stromführenden
Teilen im Inneren der ETU 2 zu vermeiden. Ist ein derartiger
Sicherheitsaspekt nicht von Bedeutung, können die Gitter auch weggelassen werden.
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Die
Lufteintrittsöffnungen 21 auf
der Unterseite 16 der ETU 2 sind im Bereich der
Stromwandler 4 als eine einzige große Öffnung ausgebildet, die vollständig mit
einem entsprechenden Gitter verdeckt ist, vgl. 3.
Diese große,
der Anschlusskammer 11 zugeordnete Lufteintrittsöffnung 21,
erstreckt sich in ihrer im Wesentlichen rechteckigen Form über die gesamte
Länge der
ETU 2. Dabei ist jedoch nicht die gesamte Untersei te 16 der
ETU 2 geöffnet.
Vielmehr befindet sich die Öffnung
21 im Wesentlichen nur in unmittelbarer Nähe der Stromwandler 4.
Insbesondere die Längshälfte der
ETU 2, die nicht mit Stromwandlern 4 versehen
ist, weist die Öffnung 21 nicht auf.
Dies betrifft insbesondere ein Gebiet, was im Wesentlichen durch
die Elektronikkammer 12 definiert wird. Jedoch auch ein
Teil der Anschlusskammer 11, der im Wesentlichen durch
eine gedachte Verlängerung
der parallel zu den Seitenwänden 14, 15 verlaufenden
Trennwand 13 definiert ist, ist frei von Lufteintrittsöffnungen.
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In
der Elektronikkammer 12 befindet sich eine im Wesentlichen
rechteckige Lufteintrittsöffnung 22 direkt
unterhalb der elektronischen Auswerteeinheit 7. Die Lufteintrittsöffnung 22 erstreckt
sich darüber
hinaus auch teilweise unter die Position der elektromagnetischen
Auslöseeinheit 8.
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Auf
der Unterseite 16 der ETU 2 befinden sich die
beiden, den zwei Kammern 11, 12 zugeordneten Lufteintrittsöffnungen 21, 22 in
unmittelbarer Nachbarschaft zueinander. Um einen Übertritt
von Kühlluft
von der ersten Luftzirkulation durch die Anschlusskammer 11 und
einer zweiten Luftzirkulation durch die Elektronikkammer 12 zu
verhindern, sind zwischen den in Fortsetzung der Trennelemente 26, 27, 28 auf
der Rückseite 16 angeordneten,
in Querrichtung 31 verlaufenden Verstrebungen zwei Leitstege 33 in
Form von Luftableitkanten angeordnet. Diese sind derart ausgebildet,
dass erwärmte
Luft, die sich bereits an den Anschlussstegen 5 der beiden benachbarten
Stromwandler 4 erwärmt
haben, nicht von der in die Elektronikkammer 12 einströmenden Luft
mitgenommen und in die Elektronikkammer 12 angesaugt wird.
Mit anderen Worten wird – neben
der thermischen Entkopplung im Inneren der ETU 2 mit Hilfe
der Kunststofftrennwand 13 – durch den Einsatz der Leitstege 33 ein
getrenntes Durchströmen
der Kammern 11, 12 erreicht.
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Die
elektromagnetische Auslöseeinheit 8 mit ihrem
Auslösemagneten
ist in der gleichen Kammer 12 wie die elektronische Auswerteeinheit 7 angeordnet,
damit sie nicht von der sehr warmen Luft umströmt wird, die von den Stromwandlern 4 herrührt, sondern
von der etwas kühleren
Luft, nämlich
die der Elektronikkammer 12. Zusätzlich weist die elektronische
Auswerteeinheit 7 an ihrer Unterseite 34 Öffnungen 35 auf,
vgl. 4, durch welche die durch die Lufteintrittsöffnung 22
im Boden 16 der ETU 2 eintretende Kühlluft direkt
in die elektronische Auswerteeinheit 7 eintreten kann.
Für den
Austritt der Kühlluft aus
der elektronischen Auswerteeinheit 7 weist diese Luftaustrittsöffnungen 36 an
ihrer Oberseite 37 sowie an der in Richtung Luftaustrittsöffnung 24 der
Elektronikkammer 12 weisenden Stirnseite 38 auf.
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Durch
die Trennung der Komponenten 4, 7, 8 mit
Hilfe der Trennwand 13 und die weiteren Ausgestaltungen
der ETU 2 wird eine voneinander unabhängige Durchströmung der
Kammern 11, 12, eine Durchströmung der elektronischen Auswerteeinheit 7 und
eine Umströmung
des Auslösemagneten 8 ermöglicht.
Damit wird erreicht, dass in unmittelbarer Umgebung der elektronischen
Auswerteeinheit 7 beziehungsweise der elektromagnetischen
Auslöseeinheit 8 die
Umgebungstemperatur für
diese hitzeempfindlichen Komponenten um ca. 50°C bis 100°C gesenkt werden im Vergleich
zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
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Das
erfindungsgemäße Entwärmungskonzept
ist vor allem für
Leistungsschalter 1 mit integrierter Elektronik vorteilhaft
einsetzbar. Der Einsatz in anderen Anwendungsgebieten ist jedoch
ebenfalls nicht ausgeschlossen.