DE102007061338A1

DE102007061338A1 - Schalt- und/oder Schutzeinrichtung, insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, Leistungsschutzschalter, Schütz, Überlastrelais und Lasttrennschalter

Info

Publication number: DE102007061338A1
Application number: DE200710061338
Authority: DE
Inventors: Axel Gerlt; Jörg HASSEL; Vincent Holch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalt- und/oder Schutzeinrichtung, insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schutz, Überlastrelais und Lasttrennschalter, zum Schalten mindestens eines elektrischen Stromes und/oder Schützen einer nachgeordneten elektrischen Einrichtung, die mindestens ein Schalt- und/oder Schutzelement und zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienende Elemente umfasst. Um die Abmessungen der Schalt- und/oder Schutzeinrichtungen zu verkleinern, ohne dass die Stabilität und/oder Wärmeleitfähigkeit darunter leidet, wird vorgeschlagen, dass ein Schalt- und/oder Schutzelement und/oder mindestens eines der zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienenden Elemente CNT aufweisen oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalt- und/oder Schutzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schalt- und Schutzeinrichtungen sind insbesondere als Niederspannungsleistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schütz, Überlastrelais und Lasttrennschalter allgemein bekannt. Sie dienen zum Schalten eines elektrischen Stroms und/oder zum Schützen einer nachgeordneten elektrischen Einrichtung, bei der es sich beispielsweise um einen elektrischen Verbraucher handeln kann. Sie weisen dazu mindestens ein Schalt- und Schutzelement auf. Weiterhin muss für eine entsprechende mechanische Stabilität gesorgt werden, meist verbunden mit einer guten Wärmeableitung. Aus Stabilitätsgründen sind das Gehäuse und das Schaltelement häufig aus dickem glasfaserverstärkten Kunststoff oder aber aus Metallen gefertigt. Die Fertigungskosten sind bedingt durch den erforderlichen Materialeinsatz als auch die aufwendige Herstellung meist relativ hoch. Dies trifft speziell auf die Löschkammern von Niederspannungsleistungsschaltern zu, die meist aus einzelnen voneinander beabstandeten und isolierten Blechen gebildet sind.
Nachteilig ist bei den bekannten Schalt- und/oder Schutzeinrichtungen, dass deren Gehäusewandstärke und deren Gewicht bei begrenzter Wärmeleitfähigkeit und Stabilität relativ hoch sind, insbesondere im Grenzbereich des zulässigen Betriebsfalls. Dasselbe gilt für die bewegten Massen der Schalt- und/oder Schutzeinrichtungen bezüglich ihrer Trägheit.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Abmessungen der Schalt- und/oder Schutzeinrichtungen bzw. die Trägheit ihrer beweglichen Elemente zu verkleinern, ohne dass die Stabilität und/oder Wärmeleitfähigkeit darunter leidet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.
Die Lösung sieht vor, dass ein Schalt- und/oder Schutzelement und/oder mindestens eines der zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienenden Elemente CNT (Kohlenstoffnanoröhren oder Carbon Nanotubes) aufweisen oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind. CNT sind Makromoleküle, die sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzen und in einem Gerüst von Sechsecken zu winzigen langgestreckten Hohlzylindern (Röhren) angeordnet sind. Sie können dabei auch ineinander stecken. Die CNTs können neben der Röhrenform auch als verschlungene Fäden vorliegen. Die Lösung der Aufgabe liegt hier allgemein gesagt in der Verwendung von „intelligenten" Materialien. Solche Materialien sind eben mit CNT-versetzte Stoffe. Diese sind extrem belastbar. Obwohl sie z. B. nur ein Viertel der Masse von Stahl aufweisen, sind sie gegenüber mechanischen Belastungen fünfmal belastbarer und damit stabiler. Insbesondere lassen sich mit den winzigen CNT (Nanoröhrchen) hochstabile Kunststoffe herstellen, die auch nach dem Prinzip von Stahlbeton aufgebaut sein können. Je nach Anforderung kann die Form, Anordnung und Größe der CNTs im Basismaterial so gewählt werden, dass das Material zusätzlich elektrisch leitend ist.
Mit Vorteil wird vorgeschlagen, dass ein Schalt- und/oder Schutzelement und/oder mindestens eines der zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienenden Elemente aus Verbundmaterialien (composite materials) gebildet sind, die zumindest teilweise CNT aufweisen oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind.
Von besonderem Vorteil ist dies für das Gehäuse und die Lichtbogenlöscheinheit und das Schaltschloss der Schalt- und/oder Schutzeinrichtung.
Dies gilt insbesondere für die Löschkammerwand, die Löschbleche, der Löschkammerdeckel und das Löschgitter der Lichtbogenlöscheinheit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher beschrieben.
Ein Beispiel für die Erfindung sind Gehäuse von Schalt- und/oder Schutzeinrichtungen, zu denen u. a. Niederspannungsleistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schütz, Überlastrelais und Lasttrennschalter gehören. Diese dienen zum Schalten eines elektrischen Stromes und/oder zum Schützen einer nachgeordneten elektrischen Einrichtung, bei der es sich um einen elektrischen Verbraucher handeln kann. Das Gehäuse ist gleichsam das äußere Schutzelement der Schalt- und/oder Schutzeinrichtung und dient zur mechanischen Stabilität nach außen. Das Gehäuse kann speziell aus einem Verbundmaterial hergestellt sein, welches teilweise aus CNT gebildet ist oder mit CNT versetzt ist. Die Verwendung von CNT ermöglicht eine Reduzierung der Gehäusewandstärke und damit des Gewichts des Gehäuses ohne Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität und Wärmeabführung. Die CNTs können auch in Gehäuse aus Kunststoffen eingebaut sein, welche aufgrund der durch die CNTs stark erhöhten Festigkeit als Ersatz für metallische Gehäuse dienen können. Außerdem hat das Gehäuse die Aufgabe, die in seinem Inneren entstehende Wärme nach außen abzuleiten. Die höhere Wärmeleitfähigkeit der CNT ermöglicht beim Gehäuse so eine gleichmäßigere und bessere Wärmeableitung als auch Wärmeverteilung und damit Kühlung des Schaltgerätes, was deutlich geringere Gehäusegrößen oder aber höhere Nennströme ermöglicht.
Eine weitere Anwendung der Erfindung mit CNTs besteht darin, die Bauteile der Schalt- und/oder Schutzeinrichtungen zumindest teilweise mit CNTs zu versetzen, insbesondere wenn diese stark beansprucht sind. Auch hier lassen sich das Gewicht und damit das Volumen dieser Bauteile deutlich reduzieren.
Eine weitere wichtige Anwendung der Erfindung ist die Lichtbogenlöscheinheit von Schaltgeräten, insbesondere die Löschkammer. Diese besteht aus einzelnen, voneinander isolierten Blechen, in welche CNTs eingebracht sind. Die Bleche können Metalle oder Kunststoffe als Basis haben. CNT-Composite-Materialien verleihen den Löschblechen eine hohe Wärme- und Stromleitfähigkeit, was eine effizientere Führung des Lichtbogens und Ableitung der entstehenden Wärme ermöglicht.
Bei Schaltschränken führt die Verwendung von CNT-Composite-Materialien zu einer deutlichen Verkleinerung der Abmessungen.
Bei den oben genannten Beispielen lassen sich die Volumina der Geräte bzw. der Aufwand für die Kühlung deutlich reduzieren, was insbesondere auch die Handhabung und Montage der Geräte deutlich vereinfacht.
Als CNT können selbstverständlich auch elektrisch isolierende CNT verwendet werden, unter Beibehaltung der sehr guten Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit. Da die Wärmeleitfähigkeit der CNT in Längsrichtung höher als in Querrichtung ist, ist es vorteilhaft, wenn die Längsausrichtung der CNT in Bezug auf eine Senkrechte zur Oberfläche des Elements im statistischen Mittel kleiner als ein vorgegebener spitzer Winkel ist, wobei der spitze Winkel insbesondere kleiner als 45 Grad ist. Eine spezielle Ausführung sieht vor, dass die Verbundmaterialien aus mindestens zwei Schichten bestehen, wobei in mindestens einer Schicht CNT enthalten ist oder aber wobei mehrere Schichten CNT in unterschiedlicher Konzentration enthalten. Verschiedene Schichten erlauben es, ein Verbundmaterialien mit verschiedenen Eigenschaften zu generieren. Z. B. die innere Schicht eines Gehäuses leitfähig, die äußere Schicht dagegen isolierend. Oder nur die mittlere von drei Schichten ist elektrisch leitfähig, um versteckte Leiterbahnen quasi "in einem Plastikgehäuse" zu realisieren, z. B. für die Verdrahtung von Hilfskontakten.

Claims

Schalt- und/oder Schutzeinrichtung, insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schütz, Überlastrelais und Lasttrennschalter, zum Schalten mindestens eines elektrischen Stromes und/oder Schützen einer nachgeordneten elektrischen Einrichtung, wobei die Schalt- und/oder Schutzeinrichtung mindestens ein Schalt- und/oder Schutzelement und zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienende Elemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalt- und/oder Schutzelement und/oder mindestens eines der zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienenden Elemente CNT aufweisen oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind.
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalt- und/oder Schutzelement und/oder mindestens eines der zur mechanischen Stabilisierung und/oder Wärmeableitung dienenden Elemente aus Verbundmaterialien gebildet sind, die zumindest teilweise CNT aufweisen oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse und/oder die Lichtbogenlöscheinheit und/oder das Schaltschloss der Schalt- und/oder Schutzeinrichtung CNT aufweist oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind.
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschkammerwand, die Löschbleche, der Löschkammerdeckel und/oder das Löschgitter der Lichtbogenlöscheinheit CNT aufweisen oder zumindest teilweise aus CNT gebildet sind.
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten CNT elektrisch isolierend sind.
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsausrichtung der CNT in Bezug auf eine Senkrechte zur Oberfläche des Elements im statistischen Mittel kleiner als ein vorgegebener spitzer Winkel ist.
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel kleiner als 45 Grad ist.
Schalt- und/oder Schutzeinrichtung nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmaterialien aus mindestens zwei Schichten bestehen, wobei in mindestens einer Schicht CNT enthalten ist oder aber wobei mehrere Schichten CNT in unterschiedlicher Konzentration enthalten.