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Die
Erfindung betrifft einen thermischen Auslöser, insbesondere
für ein Installationsschaltgerät, mit einem thermomechanischen
Wandler, welcher zur indirekten Beheizung mit einem stromdurchflossenen
Heizband umwickelt ist.
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Derartige
thermische Auslöser werden insbesondere bei Leitungsschutzschaltern
oder Motorschutzschaltern als Überlastauslöser
eingesetzt. Bei Auftreten eines bestimmten, oberhalb eines vorgebbaren
Nennstroms liegenden Überstroms verbiegt sich der thermomechanische
Wandler so stark, dass er auf ein Schaltwerk einwirkt damit das
Installationsschaltgerät bleibend ausschaltet.
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Es
gibt direkt beheizte und indirekt beheizte thermische Auslöser.
Bei der direkten Beheizung durchfließt der Strom den thermomechanischen Wandler
selbst, so dass der thermomechanische Wandler direkt im zu überwachenden
Hauptstrompfad liegt.
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Wenn
eine elektrische Isolation zwischen dem thermomechanischen Wandler
und dem Hauptstrompfad erwünscht ist, wird die indirekte
Beheizung verwendet. Bei der indirekten Beheizung wird der thermomechanische
Wandler mit einer von dem Strom durchflossenen Heizwicklung umwickelt.
Ein solcher indirekt beheizter thermischer Auslöser mit einem
thermomechanischen Wandler aus Thermobimetall ist beispielsweise
in der
DE 100 02 773
A1 als Auslöser eines Motorschutzschalters gezeigt.
Dort ist der Heizleiter als Draht auf den Thermobimetallstreifen
aufgewickelt.
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Um
einen effektiven Wärmeübergang zwischen dem Thermobimetallstreifen
und dem Heizleiter zu erreichen, ist es bekannt, den Heizleiter
als Heizband aus Blech zu stanzen und ihn um den Thermobimetallstreifen
herum zu falzen und an den Ther mobimetallstreifen anzupressen. Es
entsteht ein flächiger Kontakt zwischen dem Thermobimetall
und dem Heizleiter, welcher einen effizienteren Wärmeübergang
bewirkt als von einem runden Heizdraht auf den Thermobimetallstreifen.
Zwischen dem Thermobimetall und dem Heizband befindet sich dann
eine elektrische Isolation, meistens in Form einer isolierenden
Folie oder eines isolierenden Geflechts, die das Thermobimetall
oder das Blech der Heizwicklung umgeben und über die ganze
Kontaktfläche zwischen dem Thermobimetall und dem Heizband
elektrisch voneinander isolieren. Ein solcher thermischer Auslöser
ist beispielsweise in der
DE 10 2004 054 176 A1 gezeigt. Das Aufbringen
dieser Isolation, beispielsweise in Form einer dünnen Folie
oder eines dünnen Schlauchs, ist aufwändig bei
der Montage. Der Wärmeübergang von dem Heizband
auf das Thermobimetall erfolgt dabei hauptsächlich mittels Wärmeleitung
durch die elektrische Isolationsschicht hindurch und kann deshalb
eingeschränkt sein. Insbesondere kann es bei der Fertigung
einer großen Anzahl von an sich gleichen thermischen Auslösern zu
einer erhöhten Streubreite des thermischen Auslösestromes
und damit der Auslösecharakteristik von unterschiedlichen
Auslösern innerhalb eines Fertigungsloses kommen, was unerwünscht
ist.
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Um
dennoch einen guten und reproduzierbaren Wärmeübergang
zwischen dem Thermobimetallstreifen und dem Heizband zu erreichen,
wird das Heizband großflächig auf den mit Isolation
umgebenen Thermobimetallstreifen aufgepresst. Wegen der daraus resultierenden
großflächigen Berührung des Thermobimetalls
mit dem Heizband kann die Ausbiegung des Thermobimetalls eingeschränkt
oder behindert werden, was unerwünscht ist.
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Ausgehend
von den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist es
daher wünschenswert, einen indirekt beheizten thermischen
Auslöser zu schaffen, der bei einfacher Montagemöglichkeit
einen guten Wärmeübergang zwischen dem Heizband und
dem thermomechanischen Wandler aufweist. Es ist weiterhin eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Installationsschaltgerät
zu schaffen.
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Die
Aufgabe der Schaffung eines verbesserten indirekt beheizten thermischen
Auslösers wird durch einen thermischen Auslöser
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich
des Installationsschaltgerätes wird die Aufgabe gelöst
durch ein Installationsschaltgerät gemäß Anspruch
7. Weiterbildungen der vorgenannten Gegenstände sind in den
Unteransprüchen ausgeführt.
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Erfindungsgemäß also
ist das Heizband von dem thermomechanischen Wandler beabstandet
gehalten.
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Der
Begriff des Thermomechanischen Wandlers wird hier verwendet, um
allgemein einen Wandler aus Werkstoffen zu bezeichnen, die unter Temperatureinwirkung
ihre Form ändern. Neben den bekannten Bimetallen, welche
aus der Verbindung zweier Metalle mit jeweils unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sind, sollen insbesondere
auch Formgedächtnislegierungen unter diesen Begriff fallen.
Dies sind Metalle, die ab einer bestimmten Temperatur aus einer
ersten Form in eine zweite Form umspringen. In vorteilhafter Ausgestaltung
sind gattungsgemäße thermomechanische Wandler
als einseitig eingespannte Metallstreifen ausgebildet, die beispielsweise
aus Thermobimetall oder aus Formgedächtnismetall bestehen
und sich bei Erwärmung senkrecht zu ihrer Breitseite verbiegen.
Es sind auch thermomechanische Wandler in Form einer Schnappscheibe
bekannt, die aus Thermobimetall oder aus einer Formgedächtnislegierung besteht,
und die sich bei Erwärmung aus einer ersten stabilen Formlage über
eine Totpunktlage in eine zweite stabile Formlage umformt, wobei
das Umformen bei Überschreiten einer bestimmten kritischen Verformung
sehr schnell vonstatten geht, so dass von einem „Umschnappen” zwischen
den beiden stabilen Formlagen gesprochen werden kann. Der Einfachheit
halber wird in dieser Anmeldung, wenn ein konkretes Material erwähnt
wird, anstelle von „Thermobimetall- bzw. Formgedächtnismetall” nur von „Thermobimetall” gesprochen.
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Damit
befindet sich erfindungsgemäß Luft zwischen dem
Heizband und dem thermomechanischen Wandler, also beispielsweise
einem Thermobimetallstreifen, das Heizband ist nicht auf dem Thermobimetallstreifen
aufgepresst. Das Heizband ist erfindungsgemäß vielmehr
mehr oder weniger lose über den Thermobimetallstreifen übergeschoben.
Die Verbiegung des Thermobimetallstreifens wird nicht mehr durch
das Heizband eingeschränkt. Der Wärmeübergang
zwischen dem Heizband und dem Thermobimetallstreifen erfolgt durch
Konvektion, hauptsächlich durch Wärmestrahlung,
und in geringerem Umfang bei ruhender Luft über Wärmeleitung.
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Um
eine kompakte Baueinheit eines thermischen Auslösers zu
realisieren, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung der thermomechanische Wandler als einseitig eingespannter Metallstreifen
aus Thermobimetall oder Formgedächtnismetall ausgeführt
und das Heizband ist im Bereich der Einspannstelle des Thermobimetallstreifens
mit dem Thermobimetallstreifen verbunden.
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Hinsichtlich
der Beabstandung des Heizbandes von dem thermomechanischen Wandler
ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem thermomechanischen Wandler wenigstens ein isolierendes
Ab stützteil gekoppelt ist, an dem das Heizband anliegt
und durch das das Heizband von dem Bimetallstreifen beabstandet
gehalten ist. Das ist insbesondere von Vorteil, wenn das Heizband
selbst eine geringe Steifigkeit besitzt. Das Heizband umgibt das
Thermobimetall in der Art eines Korbes, weshalb im Sinne der Erfindung
auch von einem Heizkorb gesprochen wird. Das Abstützteil
kann beispielsweise ein Kunststoffteil sein, das auf das Thermobimetall
aufgeschnappt und dadurch dort fixiert ist, vorteilhafterweise im
Bereich des freien Endes des Thermobimetallstreifens.
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Um
einen guten Wärmeübergang zwischen dem Heizband
und dem thermomechanischen Wandler zu erreichen, sind gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die sich gegenüberliegenden
Flächen des thermomechanischen Wandlers, beispielsweise
eines Streifens aus Thermobimetall, und des Heizbandes lackiert.
Durch eine Oberflächenbehandlung wie das Lackieren kann
der Wärmeübergang durch Wärmestrahlung
zwischen der dem Thermobimetall zugewandten Seite des Heizbandes
und dem Thermobimetall verbessert werden. Beispielsweise ist der
Strahlungsemissionskoeffizient einer lackierten Metalloberfläche
bis zu 20-mal höher als bei einer blanken Metalloberfläche.
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Gemäß einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
kann ein sehr guter Wärmeübergang auch dadurch
erreicht werden, dass die sich gegenüberliegenden Flächen
des thermomechanischen Wandlers, beispielsweise eines Streifens
aus Thermobimetall, und des Heizbandes verkupfert sind. Die Kupferschicht
oxidiert bei Erwärmung, was den Wärmeübergang
weiter unterstützt. Auch eine verkupferte und anschließend
oxidierte Metalloberfläche hat einen höheren Emissionskoeffizienten
als eine blanke Metalloberfläche.
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Es
sind selbstverständlich auch alle weiteren, im Prinzip
bekannten Oberflächenbehandlungsverfahren von der Erfindung
mit umfasst, die zu einer Erhöhung des Strahlungs-Emissionskoeffizienten der
behandelten Oberfläche führen.
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Um
den Wärmeverlust nach außen zu verringern ist
gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung die Baugruppe umfassend den thermomechanischen Wandler
und das Heizband von einer isolierenden Hülle umgeben,
die von dem Heizband beabstandet gehalten ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Installationsschaltgerät
umfasst wenigstens eine Verklinkungsstelle und einen thermischen
Auslöser, der einen thermomechanischen Wandler, beispielsweise
einen einseitig eingespannten Thermobimetallstreifen, umfasst, welcher
zur indirekten Beheizung mit einem stromdurchflossenen Heizband
umwi ckelt ist, wobei das Heizband von dem thermomechanischen Wandler, beispielsweise
dem Bimetallstreifen, beabstandet gehalten ist, und der sich bei Überschreiten
eines bestimmten Stromes in dem Heizband so ausbiegt, dass er dabei
die Verklinkungsstelle entklinkt.
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Figuren
und Beschreibung dienen dem besseren Verständnis des Gegenstands.
Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im
Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Dabei
zeigen:
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1 Schematisch
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers mit einem mäanderartig umwickelten
Heizband,
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1a Schematisch
eine zweite Ausführungsform eines thermischen Auslösers,
mit einem den Bimetallstreifen U-förmig umgebenden Heizband,
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1b Schematisch
eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers, mit einem einseitig an den Bimetallstreifen
angebrachten Heizband,
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2 Schematisch
eine zweite Ausführungsform eines thermischen Auslösers,
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3 Schematisch
eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers, sowie
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4 Schematisch
eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers.
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1 zeigt
in einen thermischen Auslöser 1 mit einem länglichen
Streifen 2 eines Thermobimetalls, es könnte auch
ein Streifen aus Formgedächtnislegierung sein. An seinem
einen Ende 4 ist der Streifen 2 in Einbaulage
in einem Installationsschaltgerät, beispielsweise in einem
Leitungsschutzschalter oder einem Motorschutzschalter, eingespannt, weshalb
dieses Ende auch als Einspannstelle bezeichnet ist. Der Thermobimetallstreifen 2 ist
mäanderartig von einem Heizband 3 umgeben. Das
Heizband 3 ist aus einem flachen, längserstreckten
Blech ausgestanzt und mäanderförmig um den Thermobimetallstreifen 2 herumgewickelt.
Das Heizband berührt dabei den Thermobimetallstreifen 2 nicht,
es ist von ihm beabstandet, es befindet sich Luft zwischen dem Thermobimetallstreifen 2 und
dem Heizband 3. An der Ein spannstelle 4 ist der
Thermobimetallstreifen 2 mit dem Heizband 3 über
ein Leiterstück 9 verbunden. Es könnte
auch das Heizband 3 ohne Zwischenschaltung eines Leiterstückes
direkt auf dem Thermobimetallstreifen 4 aufgeschweißt
sein. In Einbaulage in einem Installationsschaltgerät fließt
beispielsweise der Strom des Hauptstrompfades auf seinem Weg von
der Eingangs- zur Ausgangsklemme über das Leiterstück 9 und
die Heizwicklung, wodurch die Heizwicklung erwärmt wird.
Die Wärme der Heizwicklung 3 geht hauptsächlich
durch Strahlung von der Innenseite der Heizwicklung 3 auf
den Thermobimetallstreifen 2 über und erwärmt
diesen. Aufgrund der Erwärmung wird dieser sich senkrecht zu
seiner Breitseite, hier in 1 also senkrecht
zur Zeichenebene, verbiegen, und zwar umso stärker, je wärmer
er wird. Bei Überschreiten einer kritischen Stromstärke
ist die Ausbiegung so stark, dass der Thermobimetallstreifen 2 mit
seinem Betätigungsende 6 eine Verklinkungsstelle
in einem Schaltwerk des Installationsschaltgerätes entklinken
kann. Das Betätigungsende 6 wirkt dabei entweder
direkt auf die Verklinkungsstelle ein, oder sie wirkt mit einem
Hebel oder einem Hebelsystem zusammen und beeinflusst somit indirekt
die Verklinkungsstelle.
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An
dem der Einspannstelle gegenüberliegenden freien Ende des
Thermobimetallstreifens 2 ist ein Abstützteil 5,
hier eine Kunststoffhülse 5, auf den Thermobimetallstreifen
aufgeschoben, an der sich das Heizband 3 abstützt.
Die Kunststoffhülse 5 wirkt damit als isolierendes
Abstützteil. Sie gewährleistet, dass das Heizband 3 und
der Thermobimetallstreifen 2 auf Abstand voneinander gehalten
bleiben, auch wenn das Heizband etwas weniger steif ist. Die Baueinheit
aus dem Heizband 3 und dem Abstützteil 5 wird
auch als Heizkorb bezeichnet, da sie den Thermobimetallstreifen 2 in
Art eines Korbes umgibt. Das Abstützteil 5 kann
an dem Thermobimetallstreifen 2 oder dem Heizband 3 zusätzlich
verrastet oder auf Pressung aufgeschoben sein, so dass es an dem Thermobimetallstreifen
gehalten ist und sich auch bei Verbiegung desselben nicht verschiebt.
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Der
Thermobimetallstreifen 2 kann sich unbeeinflusst von dem
Heizband 3 verbiegen, da das Heizband 3 nicht
an den Thermobimetallstreifen angedrückt ist. Zur Verbesserung
des Wärmeübergangs zwischen dem Heizband 3 und
dem Thermobimetallstreifen 2 sind die aufeinander zuweisenden Flächen
beider Elemente lackiert, beispielsweise schwarz oder in einer anderen
Farbe, oder verkupfert und anschlie ßend oxidiert, oder
anderweitig oberflächenbehandelt. Dadurch erhöht
sich das Emissionsvermögen der Oberflächen. Die
Fertigung eines erfindungsgemäßen thermischen
Auslösers ist vereinfacht, denn es muss keine elektrisch
isolierende Hülle mehr auf den Thermobimetallstreifen 2 oder
das Heizband 3 aufgebracht werden. Die elektrische Isolierung
beider Teile ist durch den räumlichen Abstand gewährleistet.
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Eine
Variante der Ausführungsform nach 1 zeigt 1a.
Hier ist das Umwickeln des Thermobimetallstreifens 2 mit
dem Heizband 3 so gelöst, dass das Heizband 3 den
Thermobimetallstreifen 2 in Art einer einseitig offenen
Einhüllenden U-förmig umgibt.
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Eine
weitere Variante der Ausführungsform nach 1 zeigt 1b.
Hier ist das Umwickeln des Thermobimetallstreifens 2 mit
dem Heizband 3 so gelöst, dass das Heizband 3 auf
einer Seite an dem Thermobimetallstreifen 2 beabstandet
anliegt.
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Die
in der 2 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten
dadurch, dass um die Baueinheit aus dem Heizband 3 und
dem Abstützteil 5 herum eine thermisch isolierende
Hülle 7 angeordnet ist. Diese hält Abstand
von dem Heizband 3 und dem Thermobimetallstreifen 2, sie
könnte aber auch nahe auf das Heizband 3 aufgebracht
sein. Die Hülle 7 kann aus einem Kunststoff oder
aus einer Keramikfolie oder einem dünnen Keramikrohr, oder
aus einem Textil- oder Glasmaterial, in massiver oder gelochter
Ausführung, oder einem anderen wärmeisolierenden
Material oder Materialverbund bestehen. Sie erhöht die
Effizienz des Wärmeübergangs von dem Heizband 3 auf
den Thermobimetallstreifen 2, indem sie die von dem Heizband 3 nach
außen abgestrahlte Wärme im inneren des Heizkorbes
hält.
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Die
in der 3 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten
dadurch, dass um den Thermobimetallstreifen 2 herum doch
eine isolierende Hülle 8 aufgebracht ist. Diese Ausführungsform
zeigt, dass ein erfindungsgemäßer thermischer
Auslöser auch mit elektrisch isolierten Thermobimetallstreifen
aufgebaut werden kann. Zusätzlich kann die elektrisch isolierende
Hülle 8 noch einen hohen Emissionskoeffizienten
besitzen und daher den Wärmeübergang von dem Heizband 3 auf den
Thermobimetallstreifen unterstützen.
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Die
in der 4 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
thermischen Auslösers 11 unterscheidet sich von
der in der 1 gezeigten dadurch, dass als
thermomechanischer Wandler eine Schnappscheibe 41 vorgesehen
ist, die aus einem Bimetall oder einer Formgedächtnislegierung
besteht. Sie ist an ihren Rändern in Einspannstellen 41 gehalten.
Schematisch ist gezeigt, dass die Schnappscheibe 21 mit
einem Betätigungsteil 61, hier einem Stößel,
gekoppelt ist, mit dem sie beim Umschnappen aufgrund der Erwärmung
mit der Verklinkungsstelle des Installationsschaltgerätes
zusammenwirkt, in das sie eingebaut ist. Die Schnappscheibe 21 ist
in der 4 in ihrer ersten stabilen Formlage gezeigt, in
der die mit dem Stößel 61 gekoppelte Seite
konkav gewölbt ist. Wenn der Strom durch das Heizband 31 einen
vorbestimmten Wert und die Erwärmung der Schnappscheibe
daraufhin eine kritische Temperatur überschreitet, so schnappt
die Schnappscheibe 21 in ihre zweite stabile Formlage um,
in der die mit dem Stößel 61 gekoppelte
Seite dann konvex, hier in 4 nach links,
gewölbt sein wird. Der Stößel 61 wird
dadurch dann nach links geschoben und kann mit der Verklinkungsstelle
des Schaltwerks des Installationsschaltgerätes zur dauerhaften
Entklinkung zusammenwirken.
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- 1
- Thermischer
Auslöser
- 2
- Thermobimetallstreifen
- 3
- Heizband
- 4
- Einspannstelle
- 5
- Abstützteil
- 6
- Betätigungsende
- 7
- isolierende
Hülle
- 8
- Isolierung
- 9
- Leiterstück
- 11
- Thermischer
Auslöser
- 21
- Schnappscheibe
- 31
- Heizband
- 41
- Einspannstelle
- 61
- Betätigungsteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10002773
A1 [0004]
- - DE 102004054176 A1 [0005]