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Die Erfindung betrifft eine Übertemperatursicherung für eine elektrische Anlage, mit einer bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur platzenden Kapsel und mit durch die Kapsel beeinflussten elektrischen Kontaktelementen. Die Erfindung betrifft des weiteren eine elektrische Anlage, die eine Übertemperatursicherung aufweist.
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Eine derartige Übertemperatursicherung ist aus der deutschen Patentschrift
DE 865 869 bekannt. Das Dokument beschreibt einen Schalter, bei dem ein Kontakt im Stromkreis durch eine bei einer vorbestimmten Temperatur platzende bzw. zu Bruch gehende Kapsel oder Sicherungspatrone geschlossen oder geöffnet gehalten wird. Das Dokument nennt dabei keine Details zur Ausgestaltung einer solchen Kapsel oder Sicherungspatrone; insbesondere ist nicht offenbart, wie ein Platzen oder zu Bruch gehen der Kapsel oder Sicherungspatrone bei einer genau vorbestimmten Temperatur erreicht werden kann.
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Bei einer Übertemperatursicherung, die bei einer elektrischen Anlage im Falle eines Brandes eine Schutzfunktion erfüllen soll, ist es erforderlich, dass die Kapsel zuverlässig bei einer vorbestimmten Temperatur zu Bruch geht. Da im allgemeinen nicht davon auszugehen ist, dass die Übertemperatursicherung direkt der Einwirkung von Flammen ausgesetzt ist, ist es notwendig, dass die Übertemperatursicherung bereits bei einer Temperatur auslöst, die nur wenig über der maximalen normalen Umgebungstemperatur der Vorrichtung liegt.
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Dabei ist für die Auslösetemperatur ein enger Toleranzbereich einzuhalten, da eine Auslösung bei einer zu niedrigen Temperatur eine Fehlalarmierung bewirken kann, aufgrund derer beispielsweise die elektrische Anlage unnötig abgeschaltet wird. Je nach Art der Anlage kann dies erhebliche Folgekosten nach sich ziehen. Ein zu spätes Auslösen der Übertemperatursicherung ist ebenfalls nachteilig, da im Brandfall durch eine zu spät erfolgende Abschaltung der elektrischen Anlage hohe Schäden entstehen können. Darüber hinaus kann sich bei der Brandbekämpfung eine erhebliche Personengefährdung durch hohe Spannungspotentiale ergeben.
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Aus der schweizerischen Patentschrift
CH 670 875 A5 ist eine Temperatursensorvorrichtung bekannt, bei der eine Sprinklerampulle als Berstkörper in ein Gehäuse eingesetzt ist. Ein in einem Metallgehäuse eingekapselter Wippenschalter ist seitlich an das Gehäuse angesetzt, wobei ein Betätigungsstift des Wippenschalters an der Sprinklerampulle anliegt. Birst die Sprinklerampulle, so verschiebt sich der Betätigungsstift und betätigt den Wippenschalter. Diese Temperatursensorvorrichtung eignet sich dazu, das Auftreten hoher Temperaturen elektrisch zu signalisieren.
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Als Übertemperatursicherung für eine elektrische Anlage erscheint diese Temperatursensorvorrichtung jedoch weniger geeignet, da hierbei, je nach zu schützender elektrischer Anlage, mitunter hohe Ströme zu schalten sind. Zum Trennen oder gar zum Kurzschließen hoher Ströme werden elektrische Kontakte benötigt, die möglichst große Kontaktflächen aufweisen. Damit sich bei großflächigen Kontakten möglichst kleine Übergangswiderstände ergeben, ist es günstig, wenn diese durch starke Federkräfte aneinander gepresst werden.
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Eine gemäß der
CH 670 875 A5 aufgebaute Übertemperatursicherung für hohe Ströme würde somit einen relativ großbauenden Schalter aufweisen und dadurch insgesamt einen vergleichsweise großen Einbauraum beanspruchen. Ungünstig wäre auch, dass die relativ große Federkraft seitlich, also ausgehend vom Krafteinleitungspunkt in Richtung der kürzesten Erstreckung des tragenden Materials, auf die axial eingespannte Sprinklerampulle einwirken würde. Hierdurch stände die Sprinklerampulle unter einer erheblichen mechanischen Spannung. Es müsste bei der Auslegung und Herstellung der Wandstärke des Berstkörpers ein erheblicher Mehraufwand betrieben werden, um ein zu frühes Bersten durch eine zu geringe Wandstärke oder ein zu spätes Bersten durch eine zu starke Wandstärke zu vermeiden.
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Es stellte sich die Aufgabe, eine Übertemperatursicherung für eine elektrische Anlage zu schaffen, die besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist, einen kompakten Aufbau aufweist und sich zugleich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Kapsel eine handelsübliche Sprinklerampulle vorgesehen ist und dass die Sprinklerampulle von einem elektrisch leitenden Körper zumindest teilweise umfasst ist, welcher ein elektrisches Kontaktelement ausbildet, das in Abhängigkeit von der Position des Körpers eine elektrische Verbindung zu einem weiteren Kontaktelement öffnet oder schließt, dass die Kraft einer gespannten Feder auf den Körper wirkt und die Sprinklerampulle axial eingespannt, wobei die intakte Sprinklerampulle den Körper in seiner Position hält.
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Darüber hinaus werden vorteilhafte Anwendungen einer derartigen Übertemperatursicherung beschrieben.
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Handelsübliche Sprinklerampullen sind, entsprechend ihrem ursprünglichen Verwendungszweck, für relativ hohe mechanische Druckbelastungen in axialer Richtung ausgelegt und geprüft.
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Durch die axiale Krafteinleitung, ausgehend vom Krafteinleitungspunkt in Richtung der größten Erstreckung des tragenden Materials, in die Sprinklerampulle können die Wandstärken in üblichen Sprinklerampullen so dimensioniert werden, dass ein Auslösen in einem sehr viel engeren Temperaturfenster stattfinden kann als bei dickwandigeren Berstkörpern. Durch Ausnutzung dieser Eigenschaft ist es möglich, eine kompakt aufgebaute Übertemperatursicherung zu konstruieren, bei der relativ große Federkräfte zum Trennen oder Schließen relativ großflächiger elektrischer Kontakte zum Einsatz kommen.
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Ein kompakter und kostengünstiger Aufbau wird dadurch erreicht, dass die Sprinklerampulle als zentrales Elemente zwischen einer Feder und elektrischen Kontaktelementen angeordnet ist und dort sowohl als Sperrelement zwischen den Kontaktelementen als auch als Auslöseelement zur Aktivierung der Übertemperatursicherung wirksam ist. Hierdurch wird es möglich, eine Übertemperatursicherung aus nur wenigen Einzelteile aufzubauen. Besonders vorteilhaft ist, dass auf ein, normalerweise für einen gänzlich anderen Zweck vorgesehenes, bewährtes Standardbauteil zurückgegriffen werden kann.
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Sprinklerampullen dienen üblicherweise zum Verschluss von Wasseraustrittsdüsen bei automatischen Feuerlöschanlagen, die auch als Sprinkleranlagen bezeichnet werden. Sprinkler werden im allgemeinen in gleichmäßigem Abstand an der Decke eines Raumes installiert und sind mit einem Rohrnetz verbunden, das bei Nassanlagen mit Wasser gefüllt ist und unter Druck steht. Jeder einzelne Sprinkler ist durch eine Sprinklerampulle verschlossen, die als thermischer Sensor dient. Bei einem Feuer erwärmt sich eine Flüssigkeit in der Sprinklerampulle, dehnt sich aus und die Glasampulle zerbirst bei einer genau definierten Temperatur. Zerplatzt der Glaskörper, wird der Sprinkler ausgelöst und der Wasserfluss freigegeben.
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Sprinklerampullen sind Präzisionselemente, die nach strengen Qualitätsstandards gefertigt werden. In speziellen Prüfeinrichtungen werden dazu die Auslösetemperatur, die Wärmebeanspruchung, der Temperaturschock, die Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen und die dynamische Ansprechempfindlichkeit geprüft.
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Sprinklerampullen gibt es für verschiedene Auslösetemperaturen, was durch eine unterschiedliche Färbung der Flüssigkeit gekennzeichnet ist. Hellrote Sprinklerampullen lösen schon bei 57°C aus, rote bei 68°C und violette erst bei 182°C. Dazwischen liegen die Kategorien Gelb (79°C), Grün (93°C) und Blau (141°C). In speziellen Anwendungsbereichen werden Sprinkler mit blauschwarzen Sprinklerampulle eingesetzt, die bei 340°C auslösen. Darüber hinaus kann durch bestimmte Parameter in der Gestaltung der Sprinklerampulle (Wandstärke, Berstflüssigkeit, Füllstand mit Gas/Berstflüssigkeit) beinahe jede Temperatur zwischen 57°C und 340°C eingestellt werden. So stehen für nahezu jeden Anwendungsfall geeignete Sprinklerampullen zur Verfügung.
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Sprinklerampullen unterscheiden sich nicht nur durch die Auslösetemperatur, sondern auch durch die Ansprechgeschwindigkeit. Je dünner das Glas ist desto schneller reagiert der Sprinklerampullen auf einen Temperaturanstieg.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen
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1 eine Schnittansicht einer Übertemperatursicherung,
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2 eine Draufsicht auf die Übertemperatursicherung,
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3 eine zweite Ausführung einer Übertemperatursicherung,
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4 eine dritte Ausführung einer Übertemperatursicherung,
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5 eine Anlage mit einer Übertemperatursicherung.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäß aufgebaute Übertemperatursicherung in einer Schnittansicht. Ein Gehäuse 1 der Übertemperatursicherung besteht aus einer Metallhülse 2, die an einem Endabschnitt um einen Isolierkörper 3 gebördelt ist.
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Das Gehäuse 1 enthält als elektrisch leitenden Körper eine metallene Kontakthülse 4, in die eine Sprinklerampulle 5 eingesetzt ist. Ein verjüngter Endabschnitt 6 der Sprinklerampulle 5 durchragt sowohl eine Öffnung der Kontakthülse 4 als auch eine Öffnung in der Metallhülse 2, so dass der verjüngte Endabschnitt 6 die Begrenzungsflächen des Gehäuses 1 überragt.
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Der dem verjüngten Endabschnitt 6 axial gegenüberliegende Endabschnitt 7 der Sprinklerampulle 5 liegt an der Schmalseite eines mittig vom Isolierkörper 3 abstehenden Stegs 8 an. Um die Kontakthülse 4 herum ist eine kräftige Schraubenfeder 9 angeordnet, die sich einerseits an der Innenseite der Metallhülse 2 und andererseits an einem einstückig an die Kontakthülse 4 angeformten Kontaktkragen 10 abstützt, der seitlich von der Kontakthülse 4 absteht. Dem Kontaktkragen 10 gegenüberstehend ist an der Innenfläche des Isolierkörpers 3 eine Kontaktfläche 11 angeordnet, die elektrisch mit einer Anschlussleitung 12 verbunden ist. Die Anschlussleitung 12 ist axial aus dem Isolierkörper 3 herausgeführt; eine weitere elektrische Anschlussleitung 13 steht in elektrischer Verbindung mit der Metallhülse 2.
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Die Schraubenfeder 9 ist in der 1 im vorgespannten Zustand dargestellt. In diesem Zustand drückt sie gegen den Kontaktkragen 10 der Kontakthülse 4, welche durch die Sprinklerampulle 5 in ihrer Position gehalten wird. Dabei wird die Sprinklerampulle 5 axial mit der Federkraft der Schraubenfeder 9 beaufschlagt. Im so hergestellten betriebsbereiten Zustand der Übertemperatursicherung hält die Sprinklerampulle 5 elektrische Kontaktelemente 10, 11 voneinander getrennt, welche durch den Kontaktkragen 10 der Kontakthülse 4 und die Kontaktfläche 11 am Isolierkörper 3 gebildet sind.
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Wird die über die aus Metall geformte Kontakthülse 4 gut wärmeleitend an die Metallhülse 2 angekoppelte Sprinklerampulle 5 einer Temperatur ausgesetzt, die einen vorgegebenen Auslösewert überschreitet, so zerplatzt diese nach kurzer Zeit. Das Bersten des mit einer Flüssigkeit gefüllten Glaskörpers der Sprinklerampulle 5 beruht auf dem Prinzip der Wärmeausdehnung. Bei steigender Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit wie bei einem Thermometer aus, der Innendruck steigt in dem geschlossenen Glaskörper bis zum Berstdruck an, wodurch die Sprinklerampulle 5 platzt.
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Nach dem Zerplatzen der Sprinklerampulle 5 ist die Kontakthülse 4 nicht mehr gegen den Isolierkörper 3 abgestützt, wodurch die Schraubenfeder 9 den Kontaktkragen 10 der Kontakthülse 4 gegen die Kontaktfläche 11 des Isolierkörpers 3 presst und eine elektrische gut leitende und hoch belastbare Verbindung zwischen den Anschlussleitungen 12 und 13 herstellt. Dabei werden die Trümmerstücke der Sprinklerampulle 5 in der Kontakthülse 4 gehalten, wodurch keine Trümmer zwischen die Kontaktelemente 10, 11 gelangen können.
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Die Sprinklerampulle 5 wirkt sowohl als Sperrelement als auch als Auslöser der vorgespannten Schraubenfeder 9. Die Kontakthülse 4 übernimmt ebenfalls mehrere Funktionen: sie nimmt als Halter die Sprinklerampulle 5 auf und wirkt als Widerlager zum Spannen der Schraubenfeder 9. Nach dem Auslösen der Sprinklerampulle 5 kapselt sie als Trümmerfänger die Trümmer der ausgelösten/geplatzten Sprinklerampulle 5 und bildet außerdem als Schaltelement einen Teil des elektrischen Strompfads.
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Eine Außenansicht der in der 1 im Schnitt dargestellten Übertemperatursicherung zeigt die 2. Die Metallhülse 2 bildet ein fast vollständig geschlossenes Gehäuse 1 aus, welches die übrigen Bauteile der Übertemperatursicherung einkapselt. Eine derartige Bauform ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn davon auszugehen ist, dass nach einer erfolgten Notabschaltung die mit der Übertemperatursicherung verbundene elektrische Anlage nicht wieder in Betrieb genommen werden kann und auch eine Wiederherstellung der Übertemperatursicherung durch Einsetzen einer intakten Sprinklerampulle nicht mehr zweckmäßig oder nicht mehr möglich ist.
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Besonders bei sehr empfindlich ansprechenden Übertemperatursicherungen, die schon bei relativ niedrigen Temperaturen auslösen, kann eine Wiederherstellung durch Einsetzen einer neuen Sprinklerampulle sinnvoll sein. Hierzu ist es zweckmäßig, die Metallhülse zweiteilig auszubilden, wie dies in der 3 dargestellt ist. Die beiden Metallhülsenteile 2a, 2b sind durch einen Bajonettverschluss 14 oder eine andere selbsthaltenden Verriegelung miteinander verbunden, so dass das Gehäuse 1a mehrfach geöffnet und wieder verschlossen werden kann.
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Das hier als Metallhülse bezeichnete Bauteil muss nicht notwendigerweise einen umlaufend geschlossenen Aufbau aufweisen und kann beispielsweise auch durch ein geeignet geformtes Stanzbiegeteil gebildet sein. Ausschlaggebend ist die Gestaltung aus einem elektrisch leitendem Material, das die übrigen Komponenten umgibt, um im Fehlerfall als Kontakt zur Verfügung zu stehen. Die 4 zeigt eine entsprechende Ausführungsvariante einer Übertemperatursicherung. Die Metallhülse 2' ist hierbei durch ein geformtes Stanzbiegeteil ausgebildet. Eine innerhalb der Metallhülse 2' angeordnete Kontakthülse 4' umfasst die Sprinklerampulle 5 abschnittsweise und wird von der Sprinklerampulle 5 auf Abstand zu einem innerhalb der Metallhülse 2' isoliert angeordneten Kontakt 18 gehalten. Die Kontakthülse 4' trägt einem aus der Metallhülse 2' herausstehenden Endabschnitt einen senkrecht abstehenden Kontaktbügel 19, der nach Auslösen der Übertemperatursicherung einen Kontakt 20 elektrisch mit der Metallhülse 2' verbindet. Die Kontakte 18, 20 sowie die Metallhülse 2' sind über angeformte Kontaktfahnen 21a, 21b, 21c elektrisch anschließbar.
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Eine elektrische Anlage, in der eine Übertemperatursicherung auf vorteilhafte Weise zur Anwendung kommt, ist in 5 andeutungsweise gezeigt. Erkennbar ist eine geöffnet dargestellte Anschlussdose 15, welche zu einer Photovoltaikanlage gehört.
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Photovoltaikanlagen enthalten üblicherweise mehrere Photovoltaikmodule aus miteinander zu so genannten Panelstrings verbundenen Solarzellen, die miteinander in Reihe zu Modulsträngen, auch als Strings bezeichnet, verschaltet sind. Die Modulstränge liefern eine Gleichspannung, die, zumeist nach einer Anpassung der Spannungshöhe durch einen Gleichspannungswandler, mittels eines Wechselrichters in eine Wechselspannung umgesetzt wird. Die vom Wechselrichter abgegebene Wechselspannung kann in das Netz eines Energieversorgers eingespeist werden.
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Ein Problem jedes Photovoltaikgenerators ist, dass dieser eine beinahe ideale Stromquelle ist, solange er von einer beliebigen Lichtquelle beschienen wird. Das bedeutet auch, dass im Brand- bzw. Gefahrenfall weiter Energie erzeugt wird. Dabei können die Modulstränge insbesondere Gleichspannungen in einer Höhe von mehreren hundert Volt liefern, welche lebensgefährlich wirken können. Personengefährdungen entstehen insbesondere dann, wenn ein Feuer Isolierungen zerstört oder wenn bei der Brandbekämpfung Löschwasser an elektrische Leiter gelangt, die hohe Spannungspotentiale gegen das Erdpotential aufweisen.
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Es sei angenommen, dass die in der 5 erkennbaren Zuleitungen 16, 17 der Anschlussdose 15 eine hohe Spannung relativ zueinander und zumindest teilweise auch gegen das Erdpotential aufweisen. Bereits durch eine teilweise Zerstörung der Isolierung der Zuleitungen 16, 17 oder der aus Kunststoff bestehenden Anschlussdose 15 können gefährliche Spannungspotentiale zugänglich werden.
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Zum Schutz vor derartigen Potentialen ist in die Anschlussdose 15 eine Übertemperatursicherung entsprechend der in der 1 dargestellten Ausführung eingesetzt. Die Anschlussleitungen 12, 13 der Übertemperatursicherung sind entweder durch Schweißen oder durch rein mechanisch wirkende, dann vorzugsweise federnd selbsthaltende Verbindungselemente mit den Zuleitungen 16, 17 der Anschlussdose 15 elektrisch leitend verbunden, da derartige Verbindungen, im Gegensatz zu Lötverbindungen, nicht durch die bei einem Brand auftretenden Temperaturen zerstört werden können.
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Wie bereits erwähnt, kommt es durch eine erheblich erhöhte Temperatur in der Nähe der Übertemperatursicherung zu einer Zerstörung der in deren Inneren angeordneten Sprinklerampulle und dadurch zum einer elektrisch gut leitenden Verbindung zwischen den Anschlussleitungen 12, 13 der Übertemperatursicherung. Hierdurch werden die mit den Anschlussleitungen 12, 13 verbunden Zuleitungen 16, 17 der Anschlussdose 15 miteinander kurzgeschlossen.
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Der Kurzschluss wird hier durch eine relativ große Metallmenge hergestellt. Durch den resultierenden geringen elektrischen Kurzschlusswiderstand und eine gute Wärmeverteilung wird vermieden, dass die vom Modulstrang zugeführte elektrische Energie – zusätzlich zu den Ursachen des Auslösens – Schäden durch Verlustwärme im Inneren der Anschlussdose 15 hervorrufen kann.
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Die Übertemperatursicherung ist vorteilhafterweise inhärent sicher ausführbar, indem der durch den Isolierkörper 3 in das Gehäuse 1 eingebrachte Anteil an Kunststoffmaterial relativ gering gehalten wird. Jeder Fehler, einschließlich des Nichtauslösens der Sprinklerampulle 5 oder das Verbrennen/Verformen/Zerfließen des Isolierkörpers 3 führt dazu, dass sich ein Strompfad zwischen den Kontaktelementen 10, 11 bildet und die Anschlussleitungen 12, 13 kurzschließt.
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Auch eine Zerstörung der das Gehäuse 1 umgebenden Anschlussdose 15 hätte in der dargestellten Anwendung keine negativen Auswirkungen auf die Funktion der Übertemperatursicherung, da diese stoffschlüssig oder mechanisch formschlüssig mit dem Hauptstrompfad verbunden und in sich selbsttragend ausgeführt ist.
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Käme es in der Anschlussdose 15 oder im Gehäuse 1 der Übertemperatursicherung oder aus an anderer zur Sicherung benachbarter Stelle zur Ausbildung eines Lichtbogens, so würde dieser entweder den Kunststoff des Isolierkörpers 3 zum Schmelzen oder die Sprinklerampulle 5 zum Auslösen bringen und durch den entstehenden Kurzschluss gelöscht werden.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass eine Übertemperatursicherung im Brandfall elektrische Anlagenteile mit dem Erdpotential verbindet. Ein Beispiel dafür könnte wiederum der Gleichspannungsteil einer Photovoltaikanlage sein, in der beispielsweise in Sammel- oder Schaltkästen oder auch an verschiedener anderer Stelle entlang der Leiterwege Sicherungselemente eingesetzt werden, um im Brandfall gezielt elektrische Leiter- oder Anlagenteile auf Erdpotential „gezogen” werden sollen.
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Alternativ zur hier beschriebenen und dargestellten Ausführung der Übertemperatursicherung als Kurzschlussschalter ist diese durch eine geeignete Anordnung von Isolierkörper und Kontaktelementen auch als Trennschalter ausführbar, der auf Basis des oben beschriebenen Mechanismus auslöst. Eine derartige Übertemperatursicherung ist überall dort, wo keine Kurzschlussströme akzeptabel sind, um Schäden zu vermeiden, vorteilhaft einsetzbar, wie beispielsweise zum elektrischen Abtrennen von Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- Gehäuse
- 2, 2'
- Metallhülse (Gehäuseteil)
- 2a, 2b,
- Metallhülsenteile
- 2, 2a, 2b, 2'
- äußere(r) Körper
- 3
- Isolierkörper
- 4, 4'
- elektrisch leitender Körper (Kontakthülse)
- 5
- Sprinklerampulle (Kapsel)
- 6
- verjüngter Endabschnitt
- 7
- Endabschnitt
- 8
- Steg
- 9
- (Schrauben)feder
- 10
- Kontaktkragen (Kontaktelement)
- 11
- Kontaktfläche (Kontaktelement)
- 12
- Anschlussleitung
- 13
- Anschlussleitung
- 14
- Bajonettverschluss
- 15
- Anschlussdose
- 16
- Zuleitung
- 17
- Zuleitung
- 18
- Kontakt
- 19
- Kontaktbügel
- 20
- Kontakt
- 21a, 21b, 21c
- Kontaktfahnen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 865869 [0002]
- CH 670875 A5 [0005, 0007]
