DE102009053146B3

DE102009053146B3 - Elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE102009053146B3
Application number: DE200910053146
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Depping; Rainer Dipl.-Ing. Durth; Gernot Dr. Finis; Thomas Meyer; Andreas Dipl.-Ing. Christ
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: DE202010014432U1; WO2011054523A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein elektrisches Gerät, mit einem Gehäuse (2), mit mindestens zwei Leiterabschnitten (3a, 3b, 4a, 4b) und mit einem innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Verbindungsbauteil (5), wobei jeweils ein erstes Ende (6a, 6b) der Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) als Anschlusselement aus dem Gehäuse (2) herausragt. Das elektrische Gerät (1) kann bei einfachem Aufbau dadurch zuverlässig auf die Überlastung und Alterung von elektronischen Bauelementen in elektrischen oder elektronischen Geräten reagieren, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein intumeszentes Material (8) derart angeordnet ist, dass das Verbindungsbauteil (5) durch das intumeszente Material (8) aus einer ersten Position in eine zweite Position verbringbar ist, wenn sich das intumeszente Material (8) aufgrund einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt, wobei entweder in der ersten Position oder in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die zweiten Enden (9a, 9b) zweier Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) mit dem Verbindungsbauteil (5) in elektrischem Kontakt stehen, so dass die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, mit einem Gehäuse, mit mindestens zwei Leiterabschnitten und mit einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Verbindungsbaueil, wobei jeweils ein erstes Ende der Leiterabschnitte als Anschlusselement aus dem Gehäuse herausragt.
Elektrische oder elektronische Geräte weisen häufig Bauelemente auf, die einer potentiellen Überlastungsgefahr ausgesetzt sind. Eine das Bauelement bzw. das elektrische oder elektronische Gerät beschädigende oder zerstörende Überlast kann durch verschiedene unvorhersehbare Ereignisse hervorgerufen werden. Beispielsweise kann ein Defekt eines vor- oder nachgeschalteten Bauelements oder eines mit dem betroffenen Gerät elektrisch verbundenen anderen Geräts zu einem unzulässig hohen Leistungsumsatz in dem betroffenen Bauelement führen, verursacht durch eine zu hohe anliegende Spannung oder einen zu großen, durch das Bauelement fließenden Strom. Ebenso kann durch unsachgemäßen Gebrauch oder durch fehlerhafte Installation eines elektrischen oder elektronischen Geräts eine Überlastung des Geräts bzw. eines in dem Gerät angeordneten Bauelements verursacht werden. Der daraus resultierende hohe Leistungsumsatz führt zu einer ansteigenden Eigenerwärmung des Bauelements, die schließlich zu einem Entzünden des Bauelements und damit des gesamten Geräts führen kann, so dass ein unzulässig hoher Leistungsumsatz in einem überlasteten Bauelement eine akute Brandgefahr darstellt.
Die Gefahr eines Brandes eines elektrischen oder elektronischen Geräts kann darüber hinaus auch durch den Alterungsprozess bestimmter elektronischer Bauelemente hervorgerufen werden. Gegen Ende des Lebenszyklusses kann bei bestimmten elektronischen Bauelementen, beispielsweise bei Halbleitern, eine fortschreitende Impedanzabnahme stattfinden, so dass in zunehmendem Maße Leckströme auftreten können, die zu einer Eigenerwärmung des betroffenen Bauelements führen können. Dabei können die Eigenerwärmung und der erhöhte Leckstrom den Alterungsprozess des Bauelements zusätzlich beschleunigen.
Aus diesem Grunde werden in elektrischen und elektronischen Geräten, bei denen eine derartige Brandgefahr besteht, sogenannte Temperatursicherungen bzw. Thermosicherungen eingesetzt, deren Aufgabe es ist, bei einer zu hohen Temperatur eines überwachten Bauelements die Stromversorgung des Bauelements abzuschalten, so dass eine weitere Eigenerwärmung des Bauelements und die sich daraus ergebende Brandgefahr verhindert wird.
Derartige Temperatursicherungen bestehen in der Regel aus einem Gehäuse, in dem zwei Drähte angeordnet sind, die auf einer Seite des Gehäuses als Anschlussdrähte aus dem Gehäuse herausragen. Im Inneren des Gehäuses sind die beiden Drähte über einen in der Regel horizontal angeordneten leitfähigen Verbindungssteg elektrisch miteinander verbunden, wozu der Verbindungssteg an seinen beiden Endbereichen jeweils mit einem Draht verlötet ist. Unterhalb des Verbindungsstegs ist ein Federelement angeordnet, das im Normalzustand der Temperatursicherung gegen den Verbindungssteg drückt. Das Federelement bewirkt dabei ein Abheben des Verbindungsstegs von den beiden Anschlussdrähten und damit eine Unterbrechung der leitfähigen Verbindung, wenn die Lötstellen zwischen dem Verbindungssteg und den beiden Drähten aufgrund einer Erwärmung nicht mehr die erforderliche Gegenkraft zur Federkraft des Federelements aufbringen können.
Eine derartige Temperatursicherung ist auch aus der DE 10 2005 045 778 A1 bekannt. Diese Temperatursicherung weist einen Leitersteg auf, der zwei Abschnitte eines stromführenden Leiters im Normalzustand der Temperatursicherung elektrisch leitend miteinander verbindet, indem der Leitersteg mit den Enden der beiden Leiterabschnitte über jeweils eine Lötverbindung verbunden ist. Im thermischen Fehlerfall wird die elektrische Verbindung zwischen dem Leitersteg und den beiden Leiterabschnitten durch ein Öffnungselement aufgetrennt, bei dem es sich beispielsweise um ein vorgespanntes Federelement handeln kann. Im Normalzustand der Temperatursicherung ist das Federelement dabei durch ein Halteelement arretiert, dessen Material bei Überschreitung der kritischen Temperatur mechanisch nachgibt, so dass das mechanisch vorgespannte Federelement den Leitersteg von den Enden der Leiterabschnitte abhebt.
Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der bekannten Temperatursicherung wird als Öffnungselement ein Zylinder mit einem Kolben verwendet. Im thermischen Fehlerfall erfolgt eine elektrische Ansteuerung des Kolbens derart, dass durch ein Hervorschnellen des Kolbens der Leiterstieg von den beiden Leiterabschnitten abgehoben und somit die über die Lötverbindungen realisierte elektrische Brücke aufgetrennt wird.
Der Nachteil einer herkömmlichen Temperatursicherung, bei der im Normalzustand ein Federelement permanent gegen den Verbindungsstieg drückt, besteht darin, dass dadurch die Lötverbindungen zwischen dem Verbindungsstieg und den Anschlussdrähten dauerhaft mechanisch beansprucht werden. Dieser Nachteil wird bei der aus der DE 10 2005 045 778 A1 bekannten Temperatursicherung zwar vermieden, bei dieser Temperatursicherung ist jedoch der Aufbau des Öffnungselements mit einem zusätzlichen Halteelement oder einer erforderlichen elektrischen Schaltung zur Ansteuerung eines Kolbens wesentlich aufwendiger.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät anzugeben, welches bei möglichst einfachem Aufbau zuverlässig auf die Überlastung und Alterung von elektronischen Bauelementen in elektrischen oder elektronischen Geräten reagiert, so dass ein unzulässig hoher Leistungsumsatz in dem überwachten Bauelement detektiert und entsprechende Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden können.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen elektrischen Gerät dadurch gelöst, dass innerhalb des Gehäuses ein intumeszentes Material derart angeordnet ist, dass das Verbindungsbauteil durch das intumeszente Material aus einer ersten Position in eine zweite Position verbringbar ist, wenn sich das intumeszente Material aufgrund einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt. Dabei stehen entweder in der ersten Position oder in der zweiten Position des Verbindungsbauteils die zweiten Enden zweier Leiterabschnitte mit dem Verbindungsbauteil in elektrischen Kontakt, so dass diese beiden Leiterabschnitte über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät übernimmt das innerhalb des Gehäuses angeordnete intumeszente Material sowohl die Funktion eines Sensors, der eine unzulässigen Eigenerwärmung eines zu überwachenden Bauelements detektiert, als auch die Funktion eines Aktors, der das Verbindungsbauteil aus seiner ersten Position in eine zweite Position verbringt.
Das intumeszente Material, welches sich vorzugsweise aus einem niedrig schmelzenden Kunststoff, beispielsweise Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), und einem Treibmittel zusammensetzt, befindet sich im Normalzustand, d. h. im normalen Betriebszustand des zu überwachenden Bauelements, in dem dieses keine erhöhte Temperatur aufweist, in einem festen Zustand. Erhöht sich die Temperatur des intumeszenten Materials, aufgrund einer erhöhten Eigenerwärmung des zu überwachenden Bauelements, so wechselt das intumeszente Material seinen Aggregatzustand und wird flüssig. Nach Überschreiten einer bestimmten Temperatur, reagiert das intumeszente Material mit einer starken Volumenzunahme; das intumeszente Material schäumt auf. Diese durch den Temperaturanstieg hervorgerufene starke Volumenzunahme des intumeszenten Materials wird bei dem erfindungsgemäßen elektrisch Gerät dazu genutzt, das Verbindungsbauteil aus einer ersten Position in eine zweite Position zu verbringen.
Da sich das intumeszente Material erst bei einer einsprechenden Erwärmung, d. h. im thermischen Fehlerfall ausdehnt, wird der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungsbauteil und den zweiten Enden der Leiterabschnitte im Normalzustand durch das intumeszente Material mechanisch nicht beansprucht. Darüber hinaus ist auch die Verwendung eines Rückhalteelements oder einer Schaltung zur Aktivierung des das intumeszenten Materials nicht erforderlich.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektrischen Geräts mit zwei Leiterabschnitten sind die beiden Leiterabschnitte in der ersten Position des Verbindungsbauteils über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte in der zweiten Position des Verbindungsbauteils durch das intumeszente Material gegeneinander isoliert sind. Handelt es sich bei dem Verbindungsbauteil um eine leitfähige Kontaktplatte oder einen leitfähigen Verbindungssteg, so stellt das Gerät einen Schalter in Form eines Öffners dar.
Ein derartiges elektrisches Gerät kann beispielsweise als Temperatursicherung verwendet werden, wozu das Gerät in der Nähe des zu überwachenden Bauelements angeordnet sein muss, damit eine Eigenerwärmung des zu überwachenden Bauelements von dem intumeszenten Material detektiert, d. h. zu einer entsprechenden Erwärmung des intumeszenten Materials führen kann. Durch die Unterbrechung der leitfähigen Verbindung der beiden Leiterabschnitte über das Verbindungsbauteil kann die elektrische Energiezufuhr des überwachten Bauelements ab Erreichung einer kritischen Temperatur unterbrochen werden, so dass ein Entzünden des Bauelements und damit auch ein Entzünden eines elektrischen oder elektronischen Geräts, in dem das zu überwachende Bauelement angeordnet ist, verhindert werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Gerät auch die Funktion eines Schließers aufweisen, wobei dann die beiden Leiterabschnitte in der ersten Position des Verbindungsbauteils elektrisch nicht miteinander verbunden sind, während die Leiterabschnitte in der zweiten Position des Verbindungsbauteils über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden werden. Mit einem derartigen als Schließer ausgebildeten Schalter bzw. elektrischen Gerät kann beispielsweise ein überlastetes Bauelement kurzgeschlossen werden, wenn die Eigenerwärmung des Bauelements dazu führt, dass die Aktivierungstemperatur des intumeszenten Materials erreicht wird, so dass sich das intumeszente Material ausdehnt und dadurch das Verbindungsbauteil in die zweite Position verschiebt.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts, welches ein erstes Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten und ein zweites Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten aufweist, sind in der ersten Position des Verbindungsbauteils die beiden Leiterabschnitte des ersten Paares über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte des zweiten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. In der zweiten Position des Verbindungsbauteils sind dagegen die beiden Leiterabschnitte des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte des ersten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Wenn das Verbindungsbauteil durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials aus seiner ersten Position in seine zweite Position verbracht wird, führt dies somit zu einem Umschalten zweier Kontakte, wobei in der ersten Position des Verbindungsbauteils die beiden Leiterabschnitte des ersten Paares und in der zweiten Position des Verbindungsbauteils die beiden Leiterabschnitte des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden sind. Anstelle der Ausbildung von vier einzelnen Leiterabschnitten können lediglich drei einzelne Leiterabschnitte vorgesehen sein, wobei dann ein Leiterabschnitt sowohl dem ersten Paar als auch dem zweiten Paar zugeordnet ist.
Wird als Verbindungsbauteil eine leitfähige Kontaktplatte oder ein leitfähiger Verbindungssteg verwendet, so stellt das erfindungsgemäße elektrische Gerät einen Schalter dar, dessen Schalterstellung in Abhängigkeit von der Temperatur eines zu überwachenden Bauelements verändert wird. Ein derart ausgebildetes elektrisches Gerät kann dabei – wie zuvor im Einzelnen beschrieben – je nach Anordnung des Verbindungsbauteils und je nach Anzahl der vorhandenen Leiterabschnitte die Funktion eines Öffners, eines Schließers oder eines Umschalters aufweisen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts kann es sich bei dem Verbindungsbauteil auch um ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, beispielsweise einen Widerstand oder einen Halbleiterbauelement, oder um ein Überspannungsschutzelement, beispielsweise einen Gasableiter handeln. In diesem Fall ist dann vorzugsweise vorgesehen, dass das Verbindungsbauteil in seiner ersten Position mit den zweiten Enden zweier Leiterabschnitte in elektrischem Kontakt steht. Eine aufgrund einer Erwärmung des intumeszenten Materials erfolgende Ausdehnung des Materials führt dann dazu, dass der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungsbauteil und den Leiterabschnitten getrennt wird, d. h. das Verbindungsbauteil wird elektrisch abgetrennt.
Ein derartiges elektrisches Gerät kann dann auch dazu verwendet werden, ein in dem Gehäuse angeordnetes Verbindungsbauteil, beispielsweise ein Halbleiterbauelement oder ein Überspannungsschutzelement, das im Normalzustand mit den zweiten Enden der beiden Leiterabschnitte in elektrischem Kontakt steht, selber vor einer zu starken Eigenerwärmung aufgrund einer Überlastung oder eines zu großen Leckstromes zu schützen. Das in dem Gehäuse angeordnete überlastete Verbindungsbauteil wird dann durch das sich ausdehnende intumeszente Material von den Leiterabschnitten abgetrennt, d. h. der Stromfluss durch das Verbindungsbauteil wird unterbrochen. In diesem Fall dient das elektrische Gerät nicht zur Detektion der unzulässigen Erwärmung eines anderen Bauelements, sondern zur Detektion der unzulässigen Erwärmung des in dem Gehäuse des elektrischen Geräts angeordneten Bauelements und zu dessen Abschaltung, um ein Entzünden des Bauelements – und damit auch des elektrischen Geräts – zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des elektrischen Geräts, welche unabhängig davon vorgesehen sein kann, wie das Verbindungsbauteil ausgebildet ist, weist das elektrische Gerät eine optische Zustandsanzeige auf, wozu in einer Seite des Gehäuses ein Sichtfenster ausgebildet ist. Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist dabei das Gehäuse derart dimensioniert und das Sichtfenster so angeordnet, dass sich das Verbindungsbauteil in seiner zweiten Position unterhalb des Sichtfensters befindet, während das Verbindungsbauteil in seiner ersten Position beabstandet vom Sichtfenster angeordnet ist. Die Verschiebung des Verbindungsbauteils kann somit zur Anzeige des Funktionsstatus des elektrischen Geräts bzw. eines überwachten Bauelements genutzt werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Sichtfenster derart im Gehäuse angeordnet, dass das intumeszente Material im ausgedehnten Zustand unterhalb des Sichtfensters angeordnet ist, so dass es durch das Sichtfenster erkennbar ist. In diesem Fall ist das intumeszente Material vorzugsweise eingefärbt, beispielsweise rötlich eingefärbt, so dass durch einen Blick auf das Sichtfenster für den Benutzer leicht erkennbar ist, wenn sich das intumeszente Material ausgedehnt hat. In dieser Ausführungsvariante wird die Ausdehnung des intumeszenten Materials selber zur Anzeige des Funktionsstatus des elektrischen Geräts bzw. eines überwachten Bauelements genutzt.
Alternativ oder zusätzlich zu der zuvor beschriebenen optischen Zustandsanzeige kann das elektrische Gerät auch eine fernübertragbare Zustandsanzeige aufweisen, wozu innerhalb des Gehäuses ein Fernmeldekontakt angeordnet ist, der dann aktiviert wird, wenn sich das Verbindungsbauteil durch das sich ausdehnende intumeszente Material aus der ersten Position in die zweite Position bewegt oder bewegt hat. Je nach Anordnung des Fernmeldekontakts innerhalb des Gehäuses wird dieser somit entweder erst dann betätigt, wenn sich das Verbindungsbauteil in der zweiten Position befindet, oder bereits zu einem etwas früheren Zeitpunkt, wenn es aus der ersten Position in die zweite Position verschoben wird.
Neben dem zuvor beschriebenen elektrischen Gerät betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements aufgrund einer Überlastung oder einer Alterung des Bauelements, wobei sich das intumeszente Material bei einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt und durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials die elektrische Energiezufuhr des Bauteils unterbrochen wird.
Intumeszentes Material wird bisher in erster Linie im Bereich des Brandschutzes in Gebäuden verwendet. So ist aus der DE 296 17 849 U1 ein Kabelkanal zum Verlegen von elektrischen Leitungen bekannt, dessen Segmente aus einem hitzebeständigen Intumeszenz-Schaumstoff bestehen, der im Brandfall unter Bildung einer resistenten Kohlenstoffstruktur aufschäumt und den Innenraum der Segmente unter dichtem Einschluss der Leitungen ausfüllt, was zum Erlöschen eines Brandes innerhalb eines Kabelkanals sowie zum Erlöschen eines Kabelbrandes führt.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des intumeszenten Materials wird dagegen die elektrische Energiezufuhr eines überwachten elektrischen oder elektronischen Bauelements unterbrochen, wenn sich das Bauelement unzulässig stark erwärmt hat. Das intumeszente Material übernimmt dabei als Funktionswerkstoff sowohl eine sensorische als auch eine aktorische Funktion, indem es einerseits den kritischen Bauelementezustand anhand einer unzulässigen Erwärmung erkennt und andererseits die elektrische Energiezufuhr des Bauelements direkt oder indirekt unterbricht.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann es sich bei dem zu überwachenden Bauelement um ein in einem Gehäuse eines Überspannungsschutzelements angeordnetes überspannungsbegrenzendes Bauelement, insbesondere einen Varistor oder einen gasgefüllten Überspannungsableiter, handeln, wobei das Überspannungsschutzelement zwei Anschlusselemente zum elektrischen Anschluss an einen zu schützenden Strom- oder Signalpfad aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines überspannungsbegrenzenden Bauelements befindet sich das überspannungsbegrenzende Bauelement im Normalzustand des Überspannungsschutzelements in einer ersten Position, in der jeweils ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, während das überspannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende intumeszente Material in eine zweite Position verbracht wird, in der die beiden Pole des überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit den Anschlusselementen in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials wird das überspannungsbegrenzende Bauelement somit von den Anschlusselementen weg bewegt, wodurch der elektrische Anschluss des überspannungsbegrenzenden Bauelements unterbrochen wird. Dabei besteht das intumeszente Material aus einem isolierenden Material, so dass ein beim Trennen des elektrischen Kontaktes zwischen den Polen des überspannungsbegrenzenden Bauelements und den Anschlusselementen eventuell auftretender Lichtbogen durch das aufschäumende, intumeszente Material gelöscht wird.
Um das überspannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung aus der ersten Position in die zweite Position zu verbringen, ist es erforderlich, dass auf das Bauelement eine entsprechende Kraft wirkt, die das Bauelement von den Anschlusselementen wegbewegt. Diese Kraft wird – wie zuvor ausgeführt – vorzugsweise von dem intumeszenten Material selber aufgebracht, dass derart im Gehäuse angeordnet ist, dass es bei einer unzulässigen Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements das Bauelement von den Anschlusselementen weg drückt, wenn sich das intumeszente Material ausdehnt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Kraft zum Verschieben des überspannungsbegrenzenden Bauelements von einem separaten Federelement aufgebracht wird, dass zwischen dem Gehäuse und dem überspannungsbegrenzenden Bauelement angeordnet ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines überspannungsbegrenzenden Bauelements, bei der im Normalzustand des Überspannungsschutzelements ebenfalls jeweils ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, ist vorgesehen, dass mindestens ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements über eine bewegliches Verbindungselement mit einem Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht. Bei thermischer Überlastung wird dabei das dem einen Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements zugewandte Ende des Verbindungselements so ausgelenkt, dass der Pol nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Als Verbindungselement kann dabei ein leitender Schieber oder eine Metallzunge eingesetzt werden, dessen erstes Ende mit einem Anschlusselement und dessen zweites Ende im Normalzustand des Überspannungsschutzelements über eine Lötstelle mit einem Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements verbunden ist. Kommt es zu einer unzulässigen Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements, so führt dies zu einem Aufschmelzen der Lötverbindung und der Schieber oder zumindest das eine Ende der Metallzunge wird von dem Pol, vorzugsweise durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende intumeszente Material, weggedrückt bzw. ausgelenkt, so dass der Pol nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Anstelle eines Schiebers oder einer Metallzunge kann auch eine federnde Trennzunge als Verbindungselement verwendet werden, die im angelöteten Zustand aus ihrer Ruhelage ausgelenkt ist und beim Aufschmelzen der Lötverbindung zurückfedert, so dass sich das frei Ende der Trennzunge vom Pol wegbewegt, wodurch das überspannungsbegrenzende Bauelement ebenfalls elektrisch abgetrennt wird.
Wie zuvor ausgeführt worden ist, wird vorzugsweise die Kraft zum Verschieben des überspannungsbegrenzenden Bauelements oder die Kraft zum Wegdrücken des Schiebers bzw. zum Auslenkens des Endes der Metallzunge von dem intumeszenten Material selber aufgebracht. Grundsätzlich kann diese Kraft jedoch auch von einem separaten Federelement bzw. von der Federkraft der federnden Trennzunge aufgebracht werden. In diesem Fall kann das intumeszente Material auch lediglich dazu verwendet werden, beim Wegbewegen des überspannungsbegrenzenden Bauelements bzw. beim Auslenken des Verbindungselements in den entstehenden Zwischenraum zwischen mindestens einem Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens einem Anschlusselement bzw. dem Ende des Verbindungselements einzubringen, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen einem Pol und einem Anschlusselement entstehender Lichtbogen durch das sich ausdehnende intumeszente Material gelöscht wird.
Alternativ dazu kann das intumeszente Material auch dazu verwendet werden, eine im Gehäuse des Überspannungsschutzelements verschiebbar angeordnete lichtbogenlöschende Barriere bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials zwischen mindestens einen Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens ein Anschlusselement bzw. das Ende des Verbindungselements zu verschieben oder zu verschwenken, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts entstehender Lichtbogen durch die Barriere unterbrochen und damit gelöscht wird. Auch diese Variante der Verwendung eines intumeszenten Materials kann unabhängig davon verwirklicht werden, ob das überspannungsbegrenzende Bauelement bzw. das bewegliche Verbindungselement im Überlastfall durch das intumeszente Material selber oder durch eine Feder von den Anschlusselementen bzw. von dem Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements weg bewegt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das intumeszente Material zusätzlich dazu verwendet werden, bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials eine Änderung einer optischen Zustandsanzeige zu bewirken und/oder einen Fernmeldekontakt einer fernübertragbaren Zustandsanzeige zu betätigen. Auch bei diesen Ausführungsformen wird von dem intumeszenten Material als Funktionswerkstoff sowohl eine sensorische Funktion als auch eine aktorische Funktion ausgeübt. Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße elektrische Gerät sowie die erfindungsgemäße Verwendung eines intumeszenten Materials auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position, und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position.
Die 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines elektrischen Geräts 1 mit einem Gehäuse 2 und mit zwei einander zugeordneten Leiterabschnitten 3a, 3b, die die Kontakte eines Schalters bilden. Im Unterschied dazu zeigt die 3 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts 1 mit einem Gehäuse 2, welches neben einem ersten Paar einander zugeordneter Leiterabschnitte 3a, 3b zusätzlich noch ein zweites Paar einander zugeordneter Leiterabschnitte 4a, 4b aufweist. Bei den in den Figuren dargestellten elektrischen Geräten 1 ist innerhalb des Gehäuses 2 darüber hinaus ein Verbindungsbauteil 5 derart verschiebbar angeordnet, dass es aus einer ersten Position in eine zweite Position verbracht werden kann, wobei die 1a, 2a und 3a jeweils ein elektrisches Gerät 1 mit einem Verbindungsbauteil 5 in der ersten Position und die 1b, 2b und 3b ein elektrisches Gerät 1 mit einem Verbindungsbauteil 5 in der zweiten Position zeigen. Die ersten Enden 6a, 6b der einzelnen Leiterabschnitte 3a, 3b, 4a, 4b ragen jeweils auf einer Seite 7 – in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Unterseite – aus dem Gehäuse 2 heraus, so dass sie als Anschlusselemente für das elektrische Gerät 1 dienen. Im Normalzustand (1a, 2a, 3a) des elektrischen Geräts 1 ist unterhalb des Verbindungsbauteils 5 ein intumeszentes Material 8 im Gehäuse 2 angeordnet, dass im normalen Betriebszustand zunächst fest ist, bei ansteigender Temperatur jedoch seinen Aggregatzustand ändert und flüssig wird. Bei Überschreiten einer Aktivierungstemperatur reagiert das intumeszente Material 8 mit einer starken Volumenzunahme, d. h. das Material 8 schäumt auf und dehnt sich aus. Dies führt dann dazu, dass das verschiebbar in dem Gehäuse 2 angeordnete Verbindungsbauteil 5 von dem sich ausdehnenden intumeszenten Material 8 aus seiner ersten Position (1a, 2a, 3a) in seine zweite Position (1b, 2b und 3b) verschoben wird.
Bei dem in 1 dargestellten elekrischen Gerät 1 kontaktieren die zweiten Enden 9a, 9b der Leiterabschnitte 3a, 3b das Verbindungsbauteil 5 in der ersten Position, so dass die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b über das Verbindungsbauteil 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Kontaktstellen könne dabei als Druckkontaktierungen ausgebildet sein, so dass auf Lötverbindungen verzichtet werden kann. Wird die Aktivierungstemperatur des intumeszenten Materials 8 überschritten, so beginnt der nicht reversible Prozess der Volumenzunahme, was dazu führt, dass sich in dem von dem Gehäuse 2 und dem Verbindungsbauteil 5 umschlossenen Raum, in dem das intumeszente Material 8 angeordnet ist, ein Überdruck aufbaut. Übersteigt die aus dem Überdruck resultierende Kraft auf das Verbindungsbauteil 5 die Kontaktkraft zwischen dem Verbindungsbauteil 5 und den zweiten Enden 9a, 9b der beiden Leiterabschnitte 3a, 3b, so öffnen die Kontaktstellen und das Verbindungsbauteil 5 wird aus seiner ersten Position in seine zweite Position verschoben. Das elektrische Gerät 1 gemäß 1 entspricht von seiner Funktion somit einem als Öffner ausgebildeten Schalter.
Da das verwendete intumeszente Material 8 isolierend ist, wird die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterabschnitten 3a, 3b zunächst dadurch unterbrochen, dass das sich ausdehnende intumeszente Material 8 das Verbindungsbauteil 5 nach oben drückt, d. h. die Kontaktstellen geöffnet werden, und dann das intumeszente Material 8 die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b gegeneinander isoliert. Das Auftreten eines Schaltlichtbogens beim Öffnen der Kontakte zwischen dem Verbindungsbauteil 5 und den zweiten Enden 9a, 9b der Leiterabschnitte 3a, 3b wird dabei durch das sich ausdehnende, aufschäumende intumeszente Material 8 unterbunden.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten elektrischen Gerät 1 sind bei dem in 2 dargestellten elektrischen Gerät 1 die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b in der ersten Position des Verbindungsbauteils 5 elektrisch nicht miteinander verbunden. Eine elektrisch leitende Verbindung der beiden Leiterabschnitte 3a, 3b über das Verbindungsbauteil 5 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel erst dann, wenn das Verbindungsbauteil 5 durch das sich ausdehnende intumeszente Material 8 in seine zweite – in 2b dargestellte – Position verschoben worden ist. In der zweiten Position wird das Verbindungsbauteil 5 von den beiden Enden 9a, 9b der beiden Leiterabschnitte 3a, 3b kontaktiert. Das elektrische Gerät 1 gemäß 2 entspricht von seiner Funktion somit einem als Schließer ausgebildeten Schalter. Bei dieser Ausführungsform des elektrischen Geräts 1 ist es nicht erforderlich, dass das intumeszente Material 8 elektrisch isolierend ist, da die Leiterabschnitte 3a, 3b derart in einer Ausnehmung in der Gehäusewandung 10 angeordnet sind, dass nur die zweiten Enden 9a, 9b aus der Gehäusewandung 10 heraus ins Innere des Gehäuses 2 ragen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts 1, wobei bei diesem elektrischen Gerät 1 – im Unterschied zu den beiden elektrischen Geräten 1 gemäß den 1 und 2 – neben einem ersten Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten 3a, 3b noch ein zweites Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten 4a, 4b vorgesehen ist. Die beiden Leiterabschnitte 3a, 4a sind dabei einstückig miteinander verbunden. Das elektrische Gerät 1 gemäß 3 entspricht von seiner Funktion somit einem als Umschalter ausgebildeten Schalter.
In der ersten Position des Verbindungsbauteils 5 (3a) sind die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b des ersten Paares über das Verbindungsbauteil 5 elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b des zweiten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Im Unterschied dazu sind in der zweiten Position des Verbindungsbauteils 5 (3b) die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil 5elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b des ersten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. In der ersten Position des Verbindungsbauteils 5 ist somit der durch die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b gebildete erste Schalter geschlossen und der durch die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b gebildete zweite Schalter geöffnet, während in der zweiten Position des Verbindungsbauteils 5 der durch die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b gebildete erste Schalter geöffnet und der durch die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b gebildete zweite Schalter geschlossen ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das intumeszente Material 8 aus einem elektrisch isolierenden Material.
Den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1 ist gemeinsam, dass jeweils in der Oberseite 11 des Gehäuses 2 ein Sichtfenster 12 ausgebildet ist. Durch die Verschiebung des Verbindungsbauteils 5 durch das sich ausdehnende intumeszente Material 8 wird dabei nicht nur ein Kontakt geöffnet oder geschlossen, sondern zugleich auch der Zustand des elektrischen Geräts 1 angezeigt. Durch eine entsprechende farbige Markierung auf der Oberseite des Verbindungsbauteils 5 ist somit auf einfache Art und Weise eine optische Zustandserkennung möglich, da das Verbindungsbauteil 5 in seiner zweiten Position unmittelbar unterhalb des Sichtfensters 12 in der Oberseite 11 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Befindet sich das Verbindungsbauteil 5 in seiner zweiten Position, so ist dies von einem Benutzer einfach durch einen Blick auf das Sichtfenster 12 erkennbar.
Zusätzlich oder alternativ zu einer optischen Zustandsanzeige kann bei dem elektrischen Gerät 1 auch eine fernübertragbare Zustandsüberwachung vorgesehen sein. Hierzu kann innerhalb des Gehäuses 2, vorzugsweise unterhalb der Oberseite 11, ein Fernmeldekontakt angeordnet sein, der durch das Verbindungsbauteil 5 betätigt wird, wenn sich das Verbindungsbauteil 5 in seiner zweiten Position befindet.

Claims

Elektrisches Gerät, mit einem Gehäuse (2), mit mindestens zwei Leiterabschnitten (3a, 3b, 4a, 4b) und mit einem innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Verbindungsbauteil (5), wobei jeweils ein erstes Ende (6a, 6b) der Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) als Anschlusselement aus dem Gehäuse (2) herausragt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein intumeszentes Material (8) derart angeordnet ist, dass das Verbindungsbauteil (5) durch das intumeszente Material (8) aus einer ersten Position in eine zweite Position verbringbar ist, wenn sich das intumeszente Material (8) aufgrund einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt, wobei entweder in der ersten Position oder in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die zweiten Enden (9a, 9b) zweier Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) mit dem Verbindungsbauteil (5) in elektrischem, Kontakt stehen, so dass die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, mit zwei Leiterabschnitten (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind, während in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) durch das intumeszente Material (8) gegeneinander isoliert sind.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, mit zwei Leiterabschnitten (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position des Verbindungsbauteil (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) elektrisch nicht miteinander verbunden sind, während in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, mit einem ersten Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten (3a, 3b) und mit einem zweiten Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten (4a, 4b), dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) des ersten Paares über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind, während die beiden Leiterabschnitte (4a, 4b) des zweiten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind, und dass in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) des ersten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind, während die beiden Leiterabschnitte (4a, 4b) des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (5) eine leitfähige Kontaktplatte oder ein leitfähiger Verbindungssteg ist.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (5) ein elektrisches Bauelement, beispielsweise einen Widerstand, oder ein elektronisches Bauelement, beispielsweise ein Halbleiterbauelement oder ein Überspannungsschutzelement aufweist.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Seite (11) des Gehäuses (2) ein Sichtfenster (12) ausgebildet ist, und dass das Verbindungsbauteil (5) in seiner zweiten Position unterhalb des Sichtfensters (12) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Seite (11) des Gehäuses (2) ein Sichtfenster (12) ausgebildet ist, und dass das intumeszente Material (8) im ausgedehnten Zustand unterhalb des Sichtfensters (12) angeordnet ist, wobei das intumeszente Material (8) vorzugsweise eingefärbt ist.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein Fernmeldekontakt angeordnet ist, der betätigt wird, wenn sich das Verbindungsbauteil (5) durch das sich ausdehnende intumeszente Material (8) aus der ersten Position in die zweite Position bewegt oder bewegt worden ist.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements aufgrund einer Überlastung oder einer Alterung des Bauelements, wobei sich das intumeszente Material bei einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt und durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials die elektrische Energiezufuhr des Bauelements unterbrochen wird.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauelement um ein in einem Gehäuse eines Überspannungsschutzelements angeordnetes überspannungsbegrenzendes Bauelement, insbesondere einen Varistor oder einen gasgefüllten Überspannungsableiter handelt, wobei das Überspannungsschutzelement zwei Anschlusselemente zum elektrischen Anschluss des Überspannungsschutzelements an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad aufweist.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich das überspannungsbegrenzende Bauelement im Normalzustand des Überspannungsschutzelements in einer ersten Position befindet, in der jeweils ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, und dass das überspannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende intumeszente Material in eine zweite Position verbracht wird, in der die beiden Pole des überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit den Anschlußelementen in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements jeweils ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, dass dabei mindestens ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements über eine bewegliches Verbindungselement mit einem Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht, und dass zumindest das dem einen Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements zugewandte Ende des Verbindungselements bei thermischer Überlastung ausgelenkt wird, vorzugsweise durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende intumeszente Material, so dass zumindest der eine Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das intumeszente Material bei thermischer Überlastung des überspannungsbegrenzenden Bauelements zwischen mindestens einen Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens ein Anschlusselement bzw. das Ende des Verbindungselements eindringt, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen mindestens einem Pol und einem Anschlusselement bzw. dem Ende des Verbindungselements entstehender Lichtbogen durch das isolierende intumeszente Material unterbunden bzw. gelöscht wird.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 12 oder 13, mit einer im Gehäuse des Überspannungsschutzelements verschiebbar angeordneten lichtbogenlöschenden Barriere, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere bei thermischer Überlastung durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende intumeszente Material zwischen mindestens einen Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens ein Anschlusselement bzw. das Ende des Verbindungselements verschoben oder verschwenkt wird, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen mindestens einem Pol und einem Anschlusselement bzw. dem Ende des Verbindungselements entstehender Lichtbogen durch die Barriere gelöscht wird.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials eine Änderung einer optischen Zustandsanzeige bewirkt wird.
Verwendung eines intumeszenten Materials als Funktionswerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des intumeszenten Materials ein Fernmeldekontakt einer fernübertragbaren Zustandsanzeige betätigt wird.