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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Steckverbinder, der mit einem ausgasenden Kunststoff ausgestattet ist, dessen Gas bei Öffnung des Stecker unter Last einen gegebenenfalls entstehenden Lichtbogen zu löschen hilft.
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Elektrische Steckverbinder, in der Regel aus einem Stecker und einer Buchse bestehend, werden im Idealfall im strom- und spannungsfreien Zustand voneinander getrennt. Doch nicht in jeder Situation ist dieser Idealfall gegeben, in der Praxis treten nicht selten Bedingungen auf, die ein Trennen von Steckverbindungen auch unter Last erfordern.
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Oberhalb bestimmter Strom- und Spannungsgrenzen führt dies zu einem Schaltlichtbogen, der Temperaturen von bis zu 10.000 K erzeugt. Durch die Lichtbogeneinwirkung entstehen Schäden an dem Kontakt in Form von Abbrand, Materialwanderung, Verschweißen und Ablagerung von Rußpartikeln. Unter Umständen tritt der Lichtbögen beim Ziehen unter Last aus dem Steckergehäuse heraus und gefährdet Personen.
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Besonders kritisch ist der Lichtbogen bei Gleichspannungsanwendungen. Während bei Wechselspannungsanwendungen „natürliche Stromnulldurchgänge” ein schnelles Erlöschen des Lichtbogens fördern, zeichnen sich Gleichstromlichtbögen auf Grund der kontinuierlichen Energiezufuhr durch eine hohe Stabilität aus. In Versuchen wurden bei einer Schaltleistung von 10 kW (1000 VDC, 10 A, Trenngeschwindigkeit 600 mm/s, ohmsche Last) Lichtbogenlängen von mehr als 100 mm erreicht.
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Unter Last betätigbare Schalter sind aus dem Stand der Technik bekannt und sind aufwändig mit entsprechenden konstruktiven Merkmalen zur Vermeidung der oben beschriebenen Effekte ausgestattet. Von ihrer Dimensionierung her sind sie in Relation zu den möglichen Lichtbogenlängen entsprechend groß ausgelegt.
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In bestimmten Anwendungsbereichen ist es erforderlich, eine Steckverbindung nur wenige Male, selten oder nie, d. h. nur im Notfall, unter Last zu betätigen. Die räumlichen Begebenheiten lassen dabei keine – im Bezug zur zu erwartenden Lichtbogenlänge – großen Löschvorrichtungen zu. Entsprechende Anwendungsfälle treten beispielsweise im Automobilbau sowie in der Solartechnik auf.
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Bei der Erhöhung der Betriebsspannung im Automobilbau von einem 14 V Bordnetz auf ein 42 V-Bordnetz besteht die Gefahr, dass der Lichtbogen nicht mehr selbstständig verlöscht. Er kann dadurch zu sehr hohen thermischen Belastungen bis hin zu Brand führen. Der begrenzte Bauraum erfordert dort Steckverbinder, die es vermögen, den Lichtbogen auch auf engem Raum zu löschen.
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Aus dem Stand der Technik ist dazu die Möglichkeit bekannt, den Lichtbogen durch Begasung zu löschen. Die
US 6,926,547 B2 beschreibt einen Steckverbinder, welcher ein Gaselement aufweist, welches bei Erwärmung ausgast. Das Gas kühlt den Lichtbogen und die aus ausgasendem Material ausgeführte Kuppe der Buchse verlängert den Lichtbogenweg.
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Andere Lösungen, wie aus der
DE 34 12 824 A1 bekannt, sehen das Einbringen eines Isolierstoffmaterials in den Lichtbogenweg vor oder wie in
DE 101 49 201 C1 Maßnahmen zur schnellen Trennung von Stecker und Buchse (Erhöhung der Trenngeschwindigkeit) vor, indem bei Trennung der Verbindung ein Fügewiderstand zu überwinden ist.
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Aus der
DE 24 49 035 A1 ist bekannt ein trennbar aufnehmendes Anschlussstück zur Verwendung beim Anschließen oder Trennen eines Hochspannungskreises durch Anschließen oder Lösen eines komplementären Anschlussstückes, das ein Steckkontaktelement aufweist, wobei das aufnehmende Anschlussstück ein Gehäuse hat, welches ein erstes und ein zweites Ende und einen sich axial hindurch erstreckenden Durchlass und eine aufnehmende Kontaktanordnung in dem Durchlass des Gehäuses aufweist.
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Die in der Praxis vorherrschend eingesetzten Lösungen basieren dagegen bisher dennoch zumeist auf einer Überdimensionierung der Kontakte.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, einen verbesserten Steckverbinder anzugeben, der bei geringen äußeren Abmaßen bei Trennung unter Last ein zuverlässiges Erlöschen eines (Gleichstrom-)Lichtbogens für Spannungen bis zu 1000 V bei gleichzeitig geringem Abbrand an den Kontakten gewährleistet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung besitzt mehrere Vorteile. Durch die Einengung des Lichtbogens auf einen Spalt, der so dimensioniert ist, dass seine Breite deutlich unter dem Durchmesser des Lichtbogens liegt, wird dieser deutlich geschwächt. Die Lichtbogenquerschnittsfläche – die nicht zwingend rund sein muss – wird durch die Breite des erfindungsgemäßen Spalts, welcher möglichst schmal, kleiner 1/100 mm ausgeführt wird, reduziert. Die Verengung des Lichtbogenkanals führt zu einer Vergrößerung des Widerstands und damit dazu, dass der Lichtbogen bei zunehmender Trennung von Stecker und Buchse in Relation zur ungehinderten Lichtbogenausbreitung früher abbricht.
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Gleichzeitig ist der Spalt durch ausgasendes Material gebildet. Dieses wird vom Lichtbogen erhitzt und setzt ein Gas frei. Das freigesetzte Gas ist derart beschaffen, dass es den Lichtbogen kühlt und/oder den Widerstand im Lichtbogen weiter erhöht.
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Dadurch, dass der Lichtbogenweg zwangsweise durch den Spalt führt, wird ein Ausweichen des Lichtbogens, weg vom ausgasendem Material in Richtung eines Pfades mit einer geringeren Gaskonzentration, verhindert.
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Aufgrund der mangelnden Ausweichmöglichkeit liegt der Lichtbogen eng am ausgasenden Material an, sodass ein guter Wärmeaustausch möglich ist und das ausgasende Material schnell und stark erhitzt wird.
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Ferner bedingt der Spalt, dass das freisetzbare Gas bis in den Plasmakern des Lichtbogens vordringen und dadurch eine besonders gute Löschwirkung erzielen kann.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Strecke des Pfades, auf welcher der Lichtbogen durch den Spalt eingeengt wird, bei Vergrößerung der Distanz zwischen Stecker-Kontaktpunkt und Buchsen-Kontaktpunkt verlängert wird. Dadurch wird erreicht, dass die beschriebenen Löscheffekte der Spaltwirkung nicht nur punktuell, sondern über eine längere Strecke des Lichtbogenwegs auf den Lichtbogen einwirken. Damit wird die Länge des Lichtbogens nicht nur durch die zunehmende Distanz durch die Trennung von Stecker-Kontaktpunkt und Buchsen-Kontaktpunkt vergrößert, sondern zusätzlich wird die Strecke des besonders hohen Widerstands im Spalt verlängert.
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Wirkt der Spalt nur punktuell im Lichtbogen, so besteht die Gefahr, dass an diesem Punkt ausgasendes Material vom Lichtbogen verbrannt wird und sich der Spalt dadurch vergrößert. Diese Gefahr wird durch einen sich über eine längere Strecke wirkenden Spalt, wie er durch entsprechende geometrische Ausgestaltung der ausgasenden Materialien erzeilbar ist, ebenfalls vorteilhaft gemindert.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Spalt so ausgeführt ist, dass das ausgegaste Gas nicht zu den Seiten entweichen kann. Dies ist zum Beispiel bei einem in sich geschlossenen Spalt, einem Ringspalt oder einem hülsenartigen Spalt der Fall.
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Das sich schnell erhitzende Gas führt zu dessen Ausdehnung, sodass zumindest vorübergehend eine Druckerhöhung im Spalt erfolgt. Eine Druckerhöhung führt entsprechend dem Paschen-Gesetz ebenfalls zu einer Erhöhung des Lichtbogenwiderstands und wirkt damit zusätzlich im Sinne einer schnellen Löschung des Lichtbogens. Die Strecke, bis zu der der Lichtbogen bestehen bleibt, wird weiter verkürzt.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, einen mechanischen Verriegelungs- oder Rastmechanismus vorzusehen, welcher in der Regel bei Aufbringung einer hinreichend großen Trennkraft zwischen Stecker und Buchse lösbar ist.
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Da Buchse und Stecker in der Regel manuell getrennt werden, führt ein mittels einer Trennkraft zu überwindender Rastmechanismus dazu, dass Stecker und Buchse in dem Moment, in dem eine ausreichend hohe Kraft aufgebracht wird um Stecker und Buchse voneinander zu trennen (Erreichung der Trennkraft), Stecker und Buchse mit einem Mal schlagartig auseinandergerissen werden. Das bedeutet, dass die Zeit, in welcher ein Lichtbogen brennen kann, ausgesprochen kurz ist. Dies wiederum vermindert den Abbrand als den Anteil des Materials, welches vom Lichtbogen verbrannt wird.
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Vorteilhaft kann es weiterhin sein, den Verriegelungs- oder Rastmechanismus so zu gestalten, dass er nur ausschließlich durch Aufbringung einer hinreichend großen Trennkraft überwunden werden kann, oder, mit anderen Worten, dass der Mechanismus nur durch Aufbringung wenigstens einer vorbestimmten Trennkraft zwischen Stecker und Buchse lösbar ist.
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Das heißt, dass keine üblichen Mittel oder Werkzeuge den Verriegelungs- oder Rastmechanismus entriegeln oder entrasten können, um Stecker und Buchse kraftlos, bzw. nur mit geringer Kraft (und geringer Geschwindigkeit) voneinander zu trennen.
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Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass der Verriegelungs- oder Rastmechanismus durch die Ausgestaltung des Stecker- und/oder Buchsengehäuse von außen nicht zugänglich angeordnet ist.
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Zur Erzielung eines schmalen Spaltes ist es vorteilhaft, wenn ein vor dem Kontaktbereich des Steckers liegender Bereich des Steckers aus ausgasendem Material ausgebildet ist, ein vor dem Kontaktbereich der Buchse liegender Bereich der Buchse aus ausgasendem Material ausgebildet ist, und der ausgasende Bereich des Steckers mit dem ausgasenden Bereich der Buchse geometrisch derart, insbesondere kongruent, abschließt, dass für einen Pfad eines zwischen dem Kontaktbereich des Steckers und dem Kontaktbereich der Buchse ausgebildeten Lichtbogens nur ein schmaler Spalt verbleibt.
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Eine so gewählte Konstruktion ist durch wenige Bauteile erstellbar und kann vorzugsweise in einer runden Ausführungsform mit hoher Präzision angefertigt werden.
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Vorteilhaft schließen jeweils Kontaktbereich von Buchse bzw. Stecker möglichst eng und/oder möglichst nahtlos an die von ausgasendem Material gebildeten Bereiche an. Dies führt dazu, dass sich während des Trennvorgangs von Buchse und Stecker unmittelbar nach Abreißen des elektrischen Kontaktes der Lichtbogen nur über einen sehr kurzen Bereich außerhalb des Spaltes erstrecken kann.
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Vorteilhaft passen der Bereich des ausgasenden Materials des Steckers und der Bereich des ausgasenden Materials der Buchse nicht nur an einem oder mehreren Punkten des Trennvorgangs kongruent ineinander, beispielsweise einen oder mehrere hintereinander liegende Ringspalte bildend, sondern auch kontinuierlich über einen längeren Abschnitt, in Trennrichtung sehr tiefe Spalten bildend.
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Vorteilhaft weisen der Bereich des ausgasenden Materials des Steckers und der Bereich des ausgasenden Materials der Buchse in Trennrichtung einen Bereich eines kongruenten Abschlusses, eine Spaltfläche bildend aus.
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Dies ist konstruktiv vorteilhaft durch eine derartige Ausgestaltung erzielbar, bei der der ausgasende Bereich des Steckers als Stift und der ausgasende Bereich der Buchse als Hülse ausgebildet sind.
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Bei Ausbildung als Stift und Hülse entsteht bei der Trennung von Stecker und Buchse in dem Moment, in den der Stift in die Hülse hineingezogen wird, ein Ringspalt, durch den sich der Lichtbogen zwängen muss.
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Dieser Ringspalt dehnt sich flächig aus, je weiter der Stift in die Hülse gezogen wird.
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Mit zunehmender Ringfläche wächst die Strecke, die der Lichtbogen den Spalt durchdringen muss und auf derer er den Effekten zur Löschung ausgesetzt ist. Diese Strecke ist entsprechend der maximal vorgesehenen Schaltleistung zu dimensionieren, sodass verhindert wird, dass der Lichtbogen aus dem Gehäuse heraustritt.
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Um einen konstruktiv einfachen und zugleich möglichst engen und nahtlosen Übergang vom aus ausgasenden Material gebildeten Bereich des Steckers zu dem Kontaktbereich des Steckers zu erzielen, ist es vorteilhaft, das ausgasende Material als Stift auszuführen, wobei der Stift einen Absatz aufweist und in den zylindrisch ausführbaren Kontaktbereich des Steckers eingesteckt und zu diesem axial ausgerichtet ist.
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Als ausgasendes Material wird vorzugsweise ein Kunststoff, beispielsweise Polyoxymethylen (POM) mit Formaldehyd als freisetzbarem Gas verwendet. Durch die Verwendung von Kunststoffen können die Bauteile im Gegensatz zu anderen Materialien wie z. B. Keramiken nicht mechanisch ineinander verschweißen, da nur sehr geringe Materialanhäufungen stattfinden bzw. das Material direkt verdampft.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 den Querschnitt durch den für den Löschvorgang relevanten Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Steckverbindung.
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2 eine bevorzugte Ausführungsform der Steckverbindung in perspektivische Darstellung.
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3 den Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Steckverbindung
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3a Querschnitt durch den Stecker
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3b Querschnitt durch die Buchse
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4 die elektrischen Kontakte sowie die Bereiche ausgasenden Materials einer bevorzugten ausführungsform der Steckverbindung
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4a des Steckers
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4b der Buchse
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5 den Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Steckverbinders in gestecktem Zustand.
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Die 1 zeigt die Momentaufnahme während der Trennung der Steckverbindung 1 unter Last. Die Figur zeigt einen Moment, bei der der Stecker 2 ca. zu Hälfte aus der Buchse 3 herausgezogen wurde. Der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktbereich des Steckers 12 und dem Kontaktbereich der Buchse 13 ist bereits abgerissen. Stattdessen hat sich zwischen einem Stecker-Kontaktpunkt 4 und einem Buchsen-Kontaktpunkt 5 ein Lichtbogen 6 gebildet.
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Der Lichtbogen 6 wird durch einen Spalt 10 in seinem bei freier Ausbreitung, in Luft sonst größeren Querschnitt eingeengt. Dabei wird der ringförmige Spalt 10 durch einen in eine Hülse gesteckten Stift gebildet, wobei Stift und Hülse jeweils aus ausgasendem Material 7, 8 gebildet sind. Der Bereich, in dem sich der Lichtbogen 6 ausbildet, liegt im Inneren des Steckers, der ein umgebendes Gehäuse aufweist. Das Gehäuse ist aus für den Anwendungsbereich durchschlagsfestem Material 9 ausgebildet. Es verhindert, dass der Lichtbogen um den Bereich ausgasenden Materials der Buchse 7 herum schlägt. Die Isolation der Buchse und die Ringstärke des Bereichs des ausgasenden Materials der Buchse 7 müssen daher hinsichtlich Schaltspannung und Schaltleistung ausreichend dimensioniert werden. In der Momentaufnahme wird der Lichtbogen 6 über einen großen Teil seiner Gesamtlänge durch den Spalt 10 eingeengt. Das den Spalt 10 bildende ausgasende Material wird durch den Lichtbogen stark erhitzt und setzt sein Gas frei, welches in den Spalt 10 und somit in den dort befindlichen Lichtbogen 6 strömt. Ein Ausweichen des Lichtbogens 6 in einen Bereich, in dem der nicht begast wird, ist nicht möglich.
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Das in den Spalt 10 strömende Gas unterstützt zusätzlich die aufgrund der Erwärmung der Luftgase stattfindende Druckerhöhung im Spalt 10. Da der Spalt 10 ringförmig ausgebildet ist, können die erhitzten Gase nur an den Enden des Bereiches ausgasenden Materials der Buchse 7 (Hülse) austreten. Dabei ist es für die Druckbildung im Spalt 10 vorteilhaft, den Spalt 10 über die gesamte Länge der Hülse zu bilden. Dabei schließt vorteilhaft der Kontaktbereich des Steckers 12 bündig an den Bereich ausgasenden Materials des Steckers (Stift) 8 an. Alternativ können die Länge des Stiftes und die Länge der Hülse gleich gewählt werden, was jedoch zu einer insgesamt längeren Bauform führt, da der Stecker 2 tiefer in die Buchse 3 eindringen muss, um eine Kontaktierung der Kontaktbereiche von Stecker und Buchse 12, 13 zu erzielen.
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1 zeigt weiterhin, dass Bereich ausgasenden Materials des Steckers 8 einen Absatz 14 aufweist und er in den zylinderartig ausgebildeten Kontaktbereich des Steckers 12 eingesteckt ist.
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2 zeigt die Steckverbindung 1 in perspektivischer Darstellung, wobei Stecker 2 und Buchse 3 voneinander getrennt voreinander angeordnet dargestellt sind. Aus 2 ersichtlich ist zudem ein zweifach vorhandenener und zweiteilig ausgeführten Verriegelungs- oder Rastmechanismus 11, wobei die am Stecker befindlichen Rastnasen in entsprechende Ösen der Buchsen einrasten können.
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3 zeigt die Steckverbindung 1 im axialen Querschnitt getrennt als Stecker 2 (3a) und Buchse 3 (3b).
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Im Querschnitt ist in 3a der in Steckrichtung vor dem Kontaktbereich des Steckers 12 liegende Bereich ausgasenden Materials 8 ersichtlich.
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Im Querschnitt ist in 3b die in Steckrichtung vor dem Kontaktbereich der Buchse 13 liegende Bereich ausgasenden Materials 7 ersichtlich. Wird der Stecker 2 in die Buchse 3 eingeführt, wird der Bereich 8 vollständig durch den Bereich 7 hindurchgeführt, bis der Bereich 12 als Kontaktbereich des Steckers den Bereich 13 als Kontaktbereich der Buchse kontaktiert.
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4 zeigt die elektrischen Kontakte sowie die aus ausgasendem Material ausgeführten Elemente der Steckverbindung 1. Dabei sind die Durchmesser des Kontaktbereichs des Steckers 12 und der Bereich des ausgasenden Materials 8 in etwa gleich groß gewählt, damit sowohl ein schmaler Spalt erzielbar ist, zum anderen aber auch der Bereich des ausgasenden Materials 8 den Kontaktbereich der Buchse 13 gut durchstoßen kann und der Kontaktbereich des Steckers 12 den Kontaktbereich der Buchse 13 trotzdem gut kontaktiert.
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Zu diesem Zweck ist der Kontaktbereich der Buchse 13 als sich in Steckrichtung verjüngender ringartiger Federkontakt ausgeführt, sodass nach Durchführung des ausgasenden Bereiches 8 des Steckers der Federkontakt den dahinterliegenden Kontaktbereich des Steckers 12 ringartig umklammert. Als Vorteil dieser Ausführungsform können Bauteiletoleranzen oder durch Hitzeeinwirkung hervorgerufene Materialverformungen kompensiert werden.
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5 zeigt den Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Steckverbinders in gestecktem Zustand.
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Der Bereich 8 ist vollständig in den Kontaktbereich der Buchse 13 eingeführt. Ein sich in Steckrichtung verjüngender ringartiger Federkontakt umklammert den Kontaktbereich des Steckers 12 und bildet damit eine sichere Kontaktierung.
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Die Rastnasen des Steckers 2 des Verriegelungs- oder Rastmechanismus 11 sind in die Ösen der Buchse 3 eingerastet. Die Nasen sind nicht als Widerhaken ausgeführt, sondern sind gegenteilig in Trennrichtung leicht angefast, sodass sie bei Aufwendung einer genügend hohen Trennkraft in Richtung der Steckverbinder zurückgleiten und damit die Verrastung freigeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Steckverbindung
- 2
- Stecker
- 3
- Buchse
- 4
- Stecker-Kontaktpunkt
- 5
- Buchsen-Kontaktpunkt
- 6
- Lichtbogen
- 7
- Bereich ausgasenden Materials der Buchse
- 8
- Bereich ausgasenden Materials des Steckers
- 9
- Durchschlagsfestes Isolationsmaterial
- 10
- Spalt
- 11
- Verriegelungs- oder Rastmechanismus
- 12
- Kontaktbereich des Steckers
- 13
- Kontaktbereich der Buchse
- 14
- Absatz
