DE102014103419B4

DE102014103419B4 - Überspannungsableiter mit Schutz vor Erwärmung

Info

Publication number: DE102014103419B4
Application number: DE102014103419.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Bobert; Peter Heide
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP6313469B2; US20170117703A1; US10148085B2; JP2017508255A; DE102014103419A1; WO2015135731A1

Abstract

Überspannungsableiter mit Schutz vor Erwärmung, umfassend:- eine erste Elektrode (10) zum Anlegen eines ersten Spannungspotenzials an den Überspannungsableiter,- eine zweite Elektrode (20) zum Anlegen eines zweiten Spannungspotenzials an den Überspannungsableiter,- einen Kurzschlussbügel (30) zum Kurzschließen der ersten und zweiten Elektrode (10, 20),- ein Halteelement (40) mit einem Auflagebereich (43) zum Halten des Kurzschlussbügels (30),- einen Hohlkörper (50) mit einem Hohlraum (53) zwischen einer ersten und einer zweiten Öffnung (51, 52) des Hohlkörpers (50),- wobei das Halteelement (40) derart ausgebildet ist, dass der Kurzschlussbügel (30) bei einer Temperatur unter einem Schwellwert auf dem Auflagebereich (43) des Halteelements (40) aufliegt und in einem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) gehalten wird,- wobei sich die Materialien des Halteelements (40) beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur ausdehnen und sich das Halteelement (40) gegenüber dem Kurzschlussbügel (30) derart verschiebt, dass der Kurzschlussbügel (30) von dem Auflagebereich (43) des Haltelements (40) abrutscht und aufgrund einer mechanischen Spannung gegen die erste und zweite Elektrode (10, 20) gedrückt wird, wodurch zwischen der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) ein Kurzschluss entsteht,- wobei das Halteelement (40) einen an dem Hohlkörper (50) anliegenden Bereich (41) aufweist,- wobei das Halteelement (40) einen sich an den anliegenden Bereich (41) anschließenden gebogenen Bereich (42), der von der Oberfläche des Hohlkörpers (50) weg gebogen und zu einem Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) hin gebogen ist, aufweist,- wobei der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) auf dem sich an den gebogenen Bereich (42) anschließenden Auflagebereich (43) des Halteelements (40) aufliegt, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit Schutz vor Erwärmung, sobald ein Schwellwert einer Temperatur des Überspannungsableiters überschritten ist.
Überspannungsableiter werden zum Begrenzen gefährlicher Überspannungen in elektrischen Leitungen oder Geräten eingesetzt. Zum Schutz von Kleingeräten werden oftmals gasgefüllte Überspannungsableiter eingesetzt. Ein gasgefüllter Überspannungsableiter besteht üblicherweise aus einem Röhrchen aus keramischem Material, das an beiden offenen Seiten durch jeweils eine Elektrode luftdicht abgeschlossen ist. Im Inneren des Keramikröhrchens kann sich ein Edelgas befinden. Das Edelgas stellt bei einer zwischen den Elektroden des Ableiters anliegenden Spannung unterhalb eines Schwellwertes einen hohen Widerstand dar, sodass durch den Ableiter kein Strom fließt. Wenn die an den Elektroden anliegende Spannung den Pegel einer Zündspannung überschreitet, fällt der Widerstand des Ableiters innerhalb von Mikrosekunden auf sehr geringe Werte. Im gezündeten Zustand des Ableiters können Stromspitzen bis zu mehreren Kiloampere abgeleitet werden.
Nach dem Zünden des Ableiters fließt durch die Edelgasatmosphäre im Inneren des Ableiters ein Strom zwischen den beiden Elektroden. Der Zeitpunkt, wann der Ableiter zündet, ist festgelegt durch die Art des Edelgases, durch den Druck des Gases und den Abstand der Elektroden zueinander. Aufgrund des durch den Ableiter fließenden hohen Stroms tritt an dem Ableiter im gezündeten Zustand eine Erwärmung auf. Bei einem Rückgang einer an dem Ableiter anliegenden treibenden Spannung unter den Pegel der Bogenbrennspannung beziehungsweise bei einem Rückgang des durch den Ableiter fließenden Stroms unter einen bestimmten Pegel löscht der Ableiter und der Innenwiderstand nimmt seinen ursprünglichen Betriebszustand mit mehreren 100 MΩ wieder an.
Unter bestimmten elektrischen Bedingungen können Überspannungsableiter, nach dem sie gezündet wurden, jedoch nicht wieder in den nicht-leitenden Zustand zurückkehren. Dieser Umstand tritt zum Beispiel dann auf, wenn permanent zwischen den Elektroden des Ableiters eine Spannung oberhalb der Zündspannung anliegt. Der dann durch den Ableiter über längere Zeit fließende Strom mit einem hohen Strompegel kann zur Folge haben, dass sich der Ableiter und seine Umgebung stark erwärmen. Wenn der Ableiter nicht rechtzeitig löscht, kann er schließlich so heiß werden, dass er sich selbst zerstört beziehungsweise seine Umgebung, beispielsweise auf einer Schaltungsplatine, so stark erwärmt wird, dass in der Umgebung befindliche Bauelemente zerstört werden. Bei extremer Erwärmung kann sogar die Umgebung des Ableiters in Brand gesetzt wird. Um dies zu verhindern, muss sichergestellt sein, dass der Überspannungsableiter rechtzeitig löscht, sodass eine Überhitzung des Ableiters und seiner Umgebung verhindert werden kann.
Die Druckschrift DE 10 2008 022 794 A1 betrifft ein elektrisches Schutzbauelement mit einer Kurzschlusseinrichtung, die in Form eines Clips auf einem Überspannungsableiter aufgeschnappt ist. In der Druckschrift DE 10 18 521 B ist eine Anordnung zum Schutz von Fernmeldeanlagen gegen direkte Starkstrombeeinflussung unter Verwendung eines Gasentladungsableiters angegeben. Die Druckschrift WO 87/ 06 399 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Schutz eines Überspannungsableiters gegen thermische Überlastung. Die Druckschrift DE 196 20 340 C1 betrifft einen Überspannungs-Schutzstecker, bei dem ein Kontaktbügel auf einem Thermoelement, das ein Bimetall sein kann, aufliegt.
Das Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter mit Schutz vor Erwärmung anzugeben, bei dem sichergestellt ist, dass der Ableiter beim Überschreiten eines Schwellwertes einer Temperatur in Folge einer Erwärmung schnell und zuverlässig löscht.
Eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Schutz vor Erwärmung ist im Patentanspruch 1 angegeben. Gemäß einer möglichen Ausführungsform umfasst der Überspannungsableiter mit Schutz vor Erwärmung eine erste Elektrode zum Anlegen eines ersten Spannungspotenzials an den Überspannungsableiter, eine zweite Elektrode zum Anlegen eines zweiten Spannungspotenzials an den Überspannungsableiter, einen Kurzschlussbügel zum Kurzschließen der ersten und zweiten Elektrode, ein Halteelement zum Halten des Kurzschlussbügels und einen Hohlkörper mit einem Hohlraum zwischen einer ersten und einer zweiten Öffnung des Hohlkörpers. Das Halteelement ist derart ausgebildet, dass es bei einer Temperatur unter einem Schwellwert den Kurzschlussbügel in einem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode hält und sich beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur gegenüber dem Kurzschlussbügel derart verschiebt, dass der Kurzschlussbügel gegen die erste und zweite Elektrode gedrückt wird, wodurch zwischen der ersten und zweiten Elektrode ein Kurzschluss entsteht. Das Halteelement weist einen an dem Hohlkörper anliegenden Bereich auf. Das Halteelement weist darüber hinaus einen sich an den anliegenden Bereich anschließenden gebogenen Bereich, der von der Oberfläche des Hohlkörpers weg gebogen und zu einem Überbrückungsbereich des Kurzschlussbügels hin gebogen ist, auf. Der Überbrückungsbereich des Kurzschlussbügels liegt auf dem sich an den gebogenen Bereich anschließenden Auflagebereich des Halteelements auf, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt.
Der Überspannungsableiter weist aufgrund des Kurzschlussbügels und des Halteelements einen mechanischen Kurzschlussmechanismus auf, durch den er bei erhöhter Temperatur kurzgeschlossen wird, sodass eine übermäßige Erwärmung des Ableiters selbst als auch seiner Umgebung verhindert werden kann. Das Halteelement kann einen bügelförmig gebogenen Bereich und einen Auflagebereich, auf dem der Kurzschlussbügel bei einer Temperatur unterhalb des Schwellwertes der Temperatur aufliegt, aufweisen. Der Kurzschlussbügel kann derart geformt sein, dass er unter einer mechanischen Spannung stehend auf dem Auflagebereich des Halteelements aufliegt.
Beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur dehnen sich die Materialien des Halteelements derart aus, dass der Kurzschlussbügel von dem Auflagebereich des Halteelements abrutscht. Das Halteelement gibt den Kurzschlussbügel frei, sodass dieser nun aufgrund der mechanischen Vorspannung gegen die erste und zweite Elektrode gedrückt wird und einen Kurzschluss zwischen der ersten und zweiten Elektrode hervorruft. Das Halteelement kann dazu Materialien enthalten, die sich bei einer Erwärmung unterschiedlich ausdehnen, so dass das Halteelement, insbesondere der gebogene Abschnitt des Haltelements, gegenüber dem ursprünglichen Zustand verbogen wird. Das Halteelement kann beispielsweise ein Material aus einem Thermo-Bimetall enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Überspannungsableiter einen Hohlkörper mit einem Hohlraum, der an beiden offenen Enden durch die erste und zweite Elektrode hermetisch dicht abgeschlossen ist, umfassen. Im Inneren des Hohlraums kann sich ein Edelgas befinden. Der Kurzschlussbügel und das Halteelement können an mindestens einem ihrer Abschnitte fest miteinander verbunden sein, sodass der Kurzschlussmechanismus aus Halteelement und Kurzschlussbügel nur aus einem einzigen Bauteil besteht. Der Kurzschlussbügel und das Halteelement können beispielsweise an einer Stelle miteinander verschweißt sein.
Der Kurzschlussbügel und das Halteelement können an dem Hohlkörper des Überspannungsableiters befestigt sein. Wie oben ausgeführt, kann der Kurzschlussbügel dabei derart geformt beziehungsweise gebogen sein, dass er mit einer Vorspannung auf dem Auflagebereich des Halteelements in einem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode gehalten wird, solange die Temperatur des Ableiters unterhalb des Schwellwertes liegt. Beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur verschiebt sich das Halteelement beziehungsweise der Auflagebereich des Halteelements derart, dass der unter mechanischer Spannung stehende Kurzschlussbügel unmittelbar freigegeben und somit die Strecke zwischen der ersten und zweiten Elektrode des Ableiters sehr schnell überbrückt wird. Durch den schnell schließenden Kontakt können Funkenüberschläge während der Annäherung und somit ein Materialabbrand verhindert werden.
Der Kurzschlussmechanismus aus Kurzschlussbügel und Halteelement kann insbesondere als Teil eines 3-Elektrodenableiters an einem Hohlkörper des 3-Elektrodenableiters angebracht sein. Bei der Ausführungsform als 3-Elektrodenableiter weist der Hohlkörper einen ersten und zweiten Teilkörper sowie einen zwischen den beiden Teilkörpern angeordneten metallischen Ring, der die dritte Elektrode bildet, auf. Der Kurzschlussbügel ist an einer Stelle an dem Halteelement, das auf dem metallischen Ring angeordnet ist, befestigt. Beim Auslösen des Kurzschlussbügels nach dem Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur schließt der Kurzschlussbügel die erste und zweite Elektrode kurz, so dass die erste, die zweite und die dritte Elektrode leitend miteinander verbunden sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Schutz vor Erwärmung in einer Längsansicht vor dem Auslösen des Kurzschlussmechanismus,
2 eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Schutz vor Erwärmung in einer Queransicht vor dem Auslösen des Kurzschlussmechanismus,
3 eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Schutz vor Erwärmung in einer Längsansicht nach dem Auslösen des Kurzschlussmechanismus,
4 eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Schutz vor Erwärmung in einer Queransicht nach dem Auslösen des Kurzschlussmechanismus.

1 zeigt eine Längsansicht und 2 zeigt die entsprechende Queransicht einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters 1 mit Schutz vor Erwärmung mit einem Kurzschlussmechanismus, durch den der Ableiter bei erhöhter Temperatur kurzgeschlossen werden kann, sodass eine weitere und übermäßige Erwärmung des Ableitersbauteils verhindert wird. Der Überspannungsableiter 1 umfasst eine Elektrode 10 zum Anlegen eines ersten Spannungspotentials an den Ableiter und eine zweite Elektrode 20 zum Anlegen eines zweiten Spannungspotentials an den Ableiter. Die erste und zweite Elektrode 10, 20 sind an den offenen Seiten eines Hohlkörpers 50 des Ableiters angeordnet. Der Hohlkörper 50 weist zwischen einer ersten Öffnung 51 und einer zweiten Öffnung 52 des Hohlkörpers einen Hohlraum 53 auf. Der Hohlkörper 50 kann beispielsweise als ein Röhrchen aus einem keramischen Material ausgebildet sein.
Die erste Öffnung 51 des Hohlkörpers 50 ist von der ersten Elektrode 10 abgedeckt. Die zweite Öffnung 52 des Hohlkörpers 50 ist von der zweiten Elektrode 20 abgedeckt. Die erste und zweite Elektrode 10, 20 sind an den offenen Seiten 51, 52 des Hohlkörpers derart angeordnet, dass der Hohlraum 53 durch die erste und zweite Elektrode hermetisch dicht abgeschlossen ist. In dem Hohlraum 53 kann sich ein Gas, beispielsweise ein Edelgas, befinden. Die Elektrode 10 ist mit einem elektrischen Leiter 2 zum Anlegen des ersten Spannungspotentials an den Ableiter verbunden. An der zweiten Elektrode 20 ist ein elektrischer Leiter 3 zum Anlegen des zweiten Spannungspotentials an den Ableiter angeordnet.
Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist der Überspannungsableiter als ein sogenannter 3-Elektrodenableiter ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform weist der Hohlkörper 50 einen ersten als Hohlzylinder ausgebildeten Teilkörper 54 und einen zweiten als Hohlkörper ausgebildeten Teilkörper 55 jeweils aus einem keramischen Material auf und umfasst zusätzlich einen metallischen Ring 56, der eine dritte Elektrode des Ableiters bildet. An der dritten Elektrode 56 des Ableiters ist eine Leitung 4 zum Zuführen eines dritten Spannungspotentials angeordnet. Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des 3-Elektrodenableiters liegt beispielsweise an der dritten Elektrode ein Erd- beziehungsweise Massepotential an.
Der erste Teilkörper 54 des Hohlkörpers 50 umfasst die erste Öffnung 51, die durch die erste Elektrode 10 abgedeckt ist, sowie eine weitere Öffnung 57. Der zweite Teilkörper 55 des Hohlkörpers 50 weist die zweite Öffnung 52 des Hohlkörpers, die von der zweiten Elektrode 20 bedeckt ist, auf und umfasst zusätzlich eine weitere Öffnung 58. Der metallische Ring 56 ist zwischen der weiteren Öffnung 57 des ersten Teilkörpers 54 und der weiteren Öffnung 58 des zweiten Teilkörpers 55 angeordnet. Somit ist zwischen der ersten Öffnung 51 und der zweiten Öffnung 52 ein durchgehender Hohlraum vorhanden.
Der erste und der zweite Teilkörper 54, 55 können den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Der metallische Ring 56, der die dritte Elektrode des Überspannungsableiters bildet, kann einen größeren Außendurchmesser als der erste und zweite Teilkörper 54, 55 haben. Dadurch ragt ein Rand 560 des metallischen Rings 56 aus der ebenen Oberfläche des ersten und zweiten Teilkörpers 54, 55 hervor. Der Innendurchmesser des metallischen Rings 56 kann kleiner als der Innendurchmesser des ersten und des zweiten Teilkörpers sein, so dass der Innendurchmesser des Hohlkörpers 50 im Bereich des metallischen Rings/der dritten Elektrode 56 kleiner ist als an dem Bereich des ersten und zweiten Teilkörpers 54, 55.
Der in den 1 und 2 gezeigte gasgefüllte Überspannungsableiter 1 arbeitet nach dem gasphysikalischen Prinzip der Bogenentladung. Elektrisch verhält sich der Überspannungsableiter wie ein spannungsabhängiger Schalter. Sobald die zwischen der ersten und zweiten beziehungsweise dritten Elektrode beziehungsweise die zwischen der zweiten und ersten beziehungsweise dritten Elektrode angelegte Spannung den Pegel einer Zünd- beziehungsweise Ansprechspannung überschreitet, bildet sich innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde in dem gasdichten Entladungsraum 53 des Ableiters ein Lichtbogen aus.
Durch die hohe Stromtragfähigkeit und die vom Strom nahezu unabhängige Brennspannung des Lichtbogens wird die zwischen der ersten und zweiten Elektrode anliegende Überspannung kurzgeschlossen. Bei abnehmender Überspannung verarmt der Strom im Lichtbogen, bis der zur Aufrechterhaltung der Bogenentladung erforderliche Pegel eines Minimalstroms des Ableiters unterschritten wird. Die Bogenentladung reißt ab und der Ableiter löscht nach Durchlaufen einer Glimmphase. Der Innenwiderstand des Ableiters nimmt seinen ursprünglichen Betriebszustand mit mehreren 100 MΩ wieder an.
Wenn zwischen den Elektroden des Überspannungsableiters permanent ein hoher Spannungspegel oberhalb des Pegels der Zündspannung anliegt, kann es vorkommen, dass der Überspannungsableiter nach dem Zünden nicht wieder in den nicht-leitenden Zustand zurückversetzt wird. Durch den hohen Strompegel des Stroms, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 oder im Falle des 3-Elektrodenableiters zwischen der ersten beziehungsweise zweiten Elektrode 10, 20 und der dritten Elektrode 30 des Ableiters fließt, kann an dem Ableiter eine übermäßige Erwärmung auftreten, durch die der Ableiter zerstört wird oder sogar ein Brand entstehen kann.
Um die übermäßige Erwärmung des Überspannungsableiters zu verhindern, weist dieser einen mechanischen Kurzschlussmechanismus in Form eines Kurzschlussbügels 30 zum Kurzschließen der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 und ein Halteelement 40 zum Halten des Kurzschlussbügels 30 auf. Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform eines 3-Elektrodenableiters ist der Kurzschlussbügel 30 zum Kurzschließen der ersten Elektrode 10, der zweiten Elektrode 20 und der dritten Elektrode 30 ausgebildet. Der Kurzschlussbügel 30 ist dazu derart geformt, dass er unter einer mechanischen Spannung stehend gegen das Halteelement 40 gedrückt wird, so lange die Temperatur des Ableiters unterhalb des Schwellwertes liegt. Das Halteelement 40 ist derart ausgestaltet, dass es bei einer Temperatur unter dem Schwellwert der Temperatur den Kurzschlussbügel 30, der aufgrund der mechanischen Vorspannung gegen das Halteelement gedrückt wird, in einem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 hält.
3 zeigt den in 1 dargestellten Überspannungsableiter in einer Längsansicht nach dem Auslösen des Kurzschlussmechanismus. 4 zeigt eine Queransicht des Überspannungsableiters der 3 nach dem Auslösen des Kurzschlussmechanismus. Das Halteelement 40 ist derart ausgebildet, dass sich das Halteelement beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur gegenüber dem Kurzschlussbügel 30 derart verschiebt, dass der Kurzschlussbügel 30 frei gegeben wird und aufgrund der mechanischen Spannung gegen die erste und zweite Elektrode gedrückt wird. Der Kurzschlussbügel bildet dann eine niederohmige Verbindung zwischen der ersten und zweiten Elektrode. Dadurch entsteht zwischen der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 ein Kurzschluss.
Der Kurzschlussbügel 30 weist einen Überbrückungsbereich 31 zum elektrischen Überbrücken einer Strecke zwischen der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 auf. Der Kurzschlussbügel 30 und das Halteelement 40 können derart ausgebildet sein, dass der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels unter einer mechanischen Spannung stehend von dem Halteelement 40 in dem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 gehalten wird, wenn die Temperatur des Ableiters unter dem Schwellwert der Temperatur liegt.
Der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 kann einen ersten Endteil 311 und einen zweiten Endteil 312 sowie einen zwischen dem ersten und zweiten Endteil 311, 312 angeordneten Mittelteil 313 aufweisen. Der erste und der zweite Endteil 311, 312 des Überbrückungsbereichs 31 des Kurzschlussbügels sind von einer Ebene, in der der Mittelteil 313 des Überbrückungsbereichs 31 des Kurzschlussbügels angeordnet ist, weggebogen und in Richtung der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 hingebogen. Der Überbrückungsbereich 31 enthält ein niederohmiges Material, so dass er die Strecke zwischen den Elektroden 10 und 20 kurzschließt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des Überspannungsableiters 1 kann das Halteelement 40 einen an dem Hohlkörper 50 anliegenden Bereich 41 aufweisen. Der Bereich 41 des Halteelements 40 kann beispielsweise an ungefähr einem Viertel des Umfangs des Hohlkörpers 50 anliegen. Des Weiteren kann das Halteelement 40 einen sich an den Bereich 41 anschließenden gebogenen Bereich 42, der von der Oberfläche des Hohlkörpers 50 weggebogen und zu dem Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 hingebogen ist, aufweisen. Das Halteelement 40 kann darüber hinaus einen sich an den gebogenen Bereich 42 anschließenden Auflagebereich 43 aufweisen, an dem der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 auf dem Halteelement 40 aufliegt, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt. Der Auflagebereich 43 kann gegenüber dem gebogenen Bereich 42 eine größere Fläche aufweisen. Der Auflagebereiche 42 kann bei einer anderen Ausführungsform des Überspannungsableiters lediglich als eine Verlängerung des gebogenen Bereichs 42 ausgebildet sein.
Das Halteelement 40 kann gemäß einer möglichen Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass sich der gebogenen Bereichs 42 und/oder zumindest der Auflagebereich 43 des Halteelements 40 bei dem Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur gegenüber dem Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 derart verbiegt, dass der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 von dem Auflagebereich 43 des Halteelements 40 abrutscht und aufgrund seiner mechanischen Vorspannung gegen die erste und zweite Elektrode 10, 20 gedrückt wird.
Das Halteelement 40 kann beispielsweise als ein Drahtbügel ausgebildet sein, auf dessen Auflagebereich 43 der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels bei deaktiviertem Kurzschlussmechanismus aufliegt, sodass der Überbrückungsbereich des Kurzschlussbügels zu der ersten und zweiten Elektrode 10, 20 beabstandet angeordnet ist. Das Halteelement 40 kann beispielsweise ein Material aus einem Thermo-Bimetall enthalten. Dadurch tritt beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur die Verbiegung des Halteelements 40 auf, wodurch der Kurzschlussbügel freigegeben und der Überbrückungsbereich 31 durch die mechanische Vorspannung des Kurzschlussbügels bedingt ohne Verzögerung gegen die Elektroden des Überspannungsableiters schnappt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des Überspannungsableiters kann der Kurzschlussbügel 30 einen Haltebereich 32, an dem der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels angeordnet ist, aufweisen. Der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels kann einen Auflageabschnitt 323, der auf der Oberfläche des Hohlkörpers 50 aufliegt, aufweisen. Des Weiteren kann der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels einen Befestigungsabschnitt 324, der an dem auf der Oberfläche des Hohlkörpers 50 anliegenden Bereich 41 des Halteelements 40 befestigt ist, aufweisen. An dem Befestigungsabschnitt 324 ist der Kurzschlussbügel 30 fest mit dem Halteelement 40 verbunden. Der Kurzschlussbügel kann beispielsweise an dem Befestigungsabschnitt 324 an das Halteelement, insbesondere an den an dem Hohlkörper 50 anliegenden Bereich 41 des Halteelements 40, angeschweißt sein. Der Kurzschlussbügel kann an dem Befestigungsabschnitt 324 an dem Hohlkörper 50 anliegen.
Der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels kann des Weiteren einen Endabschnitt 325, an dem der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels angeordnet ist, aufweisen. Der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels kann beispielsweise als ein Draht oder eine Platte ausgebildet sein, die sich an den Endabschnitt 325 des Haltebereichs 32 anschließt. Der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels kann beispielsweise an den Endabschnitt 325 des Haltebereichs des Kurzschlussbügels angelötet oder angeschweißt sein. Der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels kann beispielsweise rechtwinkelig an dem Haltebereich 32 angeordnet sein.
Der Kurzschlussbügel 30 kann derart gebogen sein, dass ein Abschnitt zwischen dem Auflageabschnitt 323 und dem Befestigungsabschnitt 324 von dem Hohlkörper 50 weggebogen und zu diesem beabstandet ist, sodass dieser Bereich nicht an dem Hohlkörper anliegt. Des Weiteren kann der Kurzschlussbügel 30 derart gebogen sein, dass der Endabschnitt 325 sowie ein Abschnitt zwischen dem Endabschnitt 325 und dem Befestigungsabschnitt 324 von dem Bereich 41 des Halteelements 40 beabstandet ist.
Der Kurzschlussbügel 30 ist zwischen dem Auflageabschnitt 323 und dem Endabschnitt 325 des Haltebereichs 32 derart gebogen, dass der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels unter mechanischer Spannung stehend gegen den Auflagebereich 43 des Halteelements 40 gedrückt wird, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt. Der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels kann als ein Draht ausgebildet sein, der wie in den 1 bis 4 gezeigt, um den Hohlkörper 50 gebogen ist. Der Haltebereich 32 kann beispielsweise c-förmig um den Hohlkörper gebogen sein. Der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels kann an dem Befestigungsabschnitt 324 an dem Hohlkörper 50 anliegen.
Bei der Ausführungsform des Überspannungsableiters als 3-Elektrodenableiter liegt der Bereich 41 des Halteelements 40 auf dem metallischen Ring 56 des Hohlkörpers 50, der die dritte Elektrode des Ableiters bildet, an. Wie anhand der 2 und 4 gezeigt ist, liegt der Bereich 41 des Halteelements 40 an circa einem Viertel des Umfangs des metallischen Ringes 56 des Hohlkörpers 50 an. Das Halteelement 40 ist an dem Bereich 41 fest mit dem Hohlkörper 50, insbesondere dem metallischen Ring 56, verbunden. Der Bereich 41 des Halteelements 40 kann beispielsweise bei der Ausführungsform des 3-Elektrodenableiters an den metallischen Ring 56 angeschweißt sein.
Der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels 30 ist bei der Ausführungsform des Überspannungsableiters als 3-Elektrodenableiter an dem Befestigungsabschnitt 324 mit dem an der dritten Elektrode 56 anliegenden Bereich 41 des Halteelements verbunden. Dadurch ist der Kurzschlussbügel elektrisch leitend mit der dritten Elektrode 56 verbunden. Beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur verbiegt sich der gebogene Bereich 42 und/oder der Auflagebereich 43 des Haltelements 40 gegenüber dem Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 derart, dass der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels 30 von dem Auflagebereich 43 des Halteelements 40 abrutscht, sodass der Kurzschlussbügel freigegeben und gegen die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 20 gedrückt wird. Somit sind die erste Elektrode 10, die zweite Elektrode 20 und die dritte Elektrode 30 über den Kurzschlussbügel leitend miteinander verbunden.
Wie bereits erläutert, weist der metallische Ring 56 bei der Ausführungsform des Überspannungsableiters als 3-Elektrodenableiter einen größeren Außendurchmesser als der erste und zweite Teilkörper 54, 55 auf, wodurch der Rand 560 des metallischen Rings aus der Oberfläche des ersten und zweiten Teilkörpers 54, 55 hervorragt. Gemäß der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform des 3-Elektrodenableiters weist der Haltebereich 32 des Kurzschlussbügels 30 einen ersten Steg 321 und einen zweiten Steg 322 auf, wobei der zweite Steg 322 zu dem ersten Steg 321 um eine Spaltbreite beabstandet ist. Der Kurzschlussbügel 30 ist insbesondere derart an dem Hohlkörper 50 des 3-Elektrodenableiters angeordnet, dass der metallische Ring 56 und das Halteelement 40 zwischen dem ersten und zweiten Steg 321, 322 des Haltebereichs 32 des Kurzschlussbügels angeordnet sind. Der Überbrückungsbereich 31 des Kurzschlussbügels ist an den jeweiligen Endabschnitten 325 des ersten und zweiten Stegs 321, 322 angeordnet. Wie anhand der 1 und 3 gezeigt ist, können der erste und zweite Steg 321, 322 durch einen schmalen Zwischensteg 326 hinter dem jeweiligen Auflageabschnitt 323 der beiden Stege miteinander verbunden sein.
Aufgrund der Fixierung des Kurzschlussbügels 30 im Bereich des Befestigungsabschnitts 324 an dem Halteelement 40 besteht der gesamte Kurzschlussmechanismus bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter nur aus einem einzigen Bauteil, das beim Zusammenbau des Überspannungsableiters als Ganzes auf dem Hohlkörper und bei der Ausführungsform des 3-Elektrodenableiters insbesondere auf dem metallischen Ring 56 des Hohlkörpers befestigt werden kann. Mit dem Kurzschlussmechanismus aus dem Kurzschlussbügel 30 und dem Halteelement 40 ist es möglich, das Überschreiten eines Schwellwertes einer Temperatur zu detektieren und den Kurzschluss zwischen der ersten und zweiten Elektrode zu aktivieren. Im Unterschied zu einer Ausführungsform eines Kurzschlussmechanismus, bei dem eine Lotpille einen Kurzschlussbügel von dem Kontakt mit den Elektroden des Überspannungsableiters abhält, solange die Temperatur unter dem Schwellwert liegt, erfolgt der Kurzschluss bei dem Kurzschlussmechanismus aus Kurzschlussbügel 30 und Halteelement 40 deutlich schneller, da das Weichlot einer Lotpille bei erhöhter Temperatur nur langsam schmilzt, während der Kurzschlussbügel 30 nach dem Verbiegen des Halteelements schlagartig freigegeben und auf die Elektroden des Überspannungsableiters aufschlägt, wenn der Schwellwert der Temperatur des Ableiters überschritten wird. Aufgrund der schnellen Bewegung des Kurzschlussbügels wird das Auftreten eines Funkenüberschlags und somit eines Materialabbrands während der Bewegung des Überbrückungsbereichs 31 des Kurzschlussbügels gegen die Elektroden des Überspannungsableiters verhindert.
Bezugszeichenliste

1: Überspannungsableiter
2, 3, 4: Leiterbahn
10, 20: Elektrode
30: Kurzschlussbügel
31: Überbrückungsbereich
32: Haltebereich
40: Halteelement
41: anliegender Bereich des Halteelements
42: gebogener Bereich des Halteelements
43: Auflagebereich des Halteelements
50: Hohlkörper
51, 52: Öffnung des Hohlkörpers
53: Hohlraum
54, 55: Teilkörper des Hohlkörpers
56: metallischer Ring
57, 58: weitere Öffnung der Teilkörper des Hohlkörpers

Claims

Überspannungsableiter mit Schutz vor Erwärmung, umfassend: - eine erste Elektrode (10) zum Anlegen eines ersten Spannungspotenzials an den Überspannungsableiter, - eine zweite Elektrode (20) zum Anlegen eines zweiten Spannungspotenzials an den Überspannungsableiter, - einen Kurzschlussbügel (30) zum Kurzschließen der ersten und zweiten Elektrode (10, 20), - ein Halteelement (40) mit einem Auflagebereich (43) zum Halten des Kurzschlussbügels (30), - einen Hohlkörper (50) mit einem Hohlraum (53) zwischen einer ersten und einer zweiten Öffnung (51, 52) des Hohlkörpers (50), - wobei das Halteelement (40) derart ausgebildet ist, dass der Kurzschlussbügel (30) bei einer Temperatur unter einem Schwellwert auf dem Auflagebereich (43) des Halteelements (40) aufliegt und in einem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) gehalten wird, - wobei sich die Materialien des Halteelements (40) beim Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur ausdehnen und sich das Halteelement (40) gegenüber dem Kurzschlussbügel (30) derart verschiebt, dass der Kurzschlussbügel (30) von dem Auflagebereich (43) des Haltelements (40) abrutscht und aufgrund einer mechanischen Spannung gegen die erste und zweite Elektrode (10, 20) gedrückt wird, wodurch zwischen der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) ein Kurzschluss entsteht, - wobei das Halteelement (40) einen an dem Hohlkörper (50) anliegenden Bereich (41) aufweist, - wobei das Halteelement (40) einen sich an den anliegenden Bereich (41) anschließenden gebogenen Bereich (42), der von der Oberfläche des Hohlkörpers (50) weg gebogen und zu einem Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) hin gebogen ist, aufweist, - wobei der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) auf dem sich an den gebogenen Bereich (42) anschließenden Auflagebereich (43) des Halteelements (40) aufliegt, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, wobei der Kurzschlussbügel (30) und das Halteelement (40) an mindestens einem Abschnitt des Kurzschlussbügels und des Halteelements fest miteinander verbunden sind.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste Öffnung (51) von der ersten Elektrode (10) und die zweite Öffnung (52) von der zweiten Elektrode (20) derart abgedeckt sind, dass der Hohlraum (53) hermetisch dicht abgeschlossen ist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 3, wobei das Halteelement (40) an dem Hohlkörper (50) befestigt ist.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Halteelement (40) ein Material aus einem Thermo-Bimetall enthält.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - wobei der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) zum elektrischen Überbrücken einer Strecke zwischen der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) dient, - wobei der Kurzschlussbügel (30) derart ausgebildet ist, dass der Überbrückungsbereich (31) unter der mechanischen Spannung stehend von dem Halteelement (40) in dem Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) gehalten ist, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt.
Überspannungsableiter nach Anspruch 6, - wobei der Überbrückungsbereich (31) einen ersten und zweiten Endteil (311, 312) und einen zwischen dem ersten und zweiten Endteil angeordneten Mittelteil (313) aufweist, - wobei der erste und der zweite Endteil (311, 312) des Überbrückungsbereichs (31) von einer Ebene, in der der Mittelteil (313) des Überbrückungsbereichs (31) angeordnet ist, weg gebogen und in Richtung der ersten und zweiten Elektrode (10, 20) hin gebogen sind.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halteelement (40) derart ausgebildet ist, dass sich mindestens einer des gebogenen Bereichs (42) und/oder des Auflagebereichs (43) des Halteelements (40) bei dem Überschreiten des Schwellwertes der Temperatur gegenüber dem Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) derart verbiegt, dass der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels (30) von dem Auflagebereich (43) des Haltelements (40) abrutscht und gegen die erste und zweite Elektrode (10, 20) gedrückt wird, wodurch zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Kurzschluss entsteht.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - wobei der Kurzschlussbügel (30) einen Haltebereich (32), an dem der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels gehalten ist, aufweist, - wobei der Haltebereich (32) des Kurzschlussbügels einen Auflageabschnitt (323), der auf der Oberfläche des Hohlkörpers aufliegt, einen Befestigungsabschnitt (324), der an dem auf der Oberfläche des Hohlkörpers (50) anliegenden Bereich (41) des Halteelements (40) befestigt ist, und einen Endabschnitt (325), an dem der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels angeordnet ist, aufweist, - wobei der Kurzschlussbügel (30) zwischen dem Auflageabschnitt (323) und dem Endabschnitt (325) des Haltebereichs (32) derart gebogen ist, dass der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels unter mechanischer Spannung gegen den Auflagebereich (43) des Halteelements (40) gedrückt wird, wenn die Temperatur unter dem Schwellwert liegt.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Hohlkörper (50) einen ersten und zweiten Teilkörper (54, 55) aus einem keramischen Material und einen metallischen Ring (56) aufweist, - wobei der erste Teilkörper (54) die erste Öffnung (51) des Hohlkörpers (50) und eine weitere Öffnung (57) aufweist, - wobei der zweite Teilkörper (55) die zweite Öffnung (52) des Hohlkörpers und eine weitere Öffnung (58) aufweist, - wobei der metallische Ring (56) zwischen der weiteren Öffnung (57) des ersten Teilkörpers (54) und der weiteren Öffnung (58) des zweiten Teilkörpers (55) angeordnet ist, - wobei der an dem Hohlkörper (50) anliegende Bereich (41) des Halteelements an dem metallischen Ring (56) des Hohlkörpers anliegt.
Überspannungsableiter nach Anspruch 10, wobei das Haltelement (40) fest mit dem metallischen Ring (56) des Hohlkörpers (50) verbunden ist.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der metallische Ring (56) einen größeren Außendurchmesser als der erste und zweite Teilkörper (54, 55) aufweist, wodurch ein Rand (560) des metallischen Rings (56) aus der Oberfläche des ersten und zweiten Teilkörpers (54, 55) hervorragt.
Überspannungsableiter nach Anspruch 12, - wobei der Kurzschlussbügel (30) einen Haltebereich (32), an dem der Überbrückungsbereich (31) des Kurzschlussbügels gehalten ist, aufweist, - wobei der Haltebereich (32) des Kurzschlussbügels (30) einen ersten Steg (321) und einen zweiten zu dem ersten Steg um eine Spaltbreite beabstandeten Steg (322) aufweist, - wobei der Kurzschlussbügel (30) derart an dem Hohlkörper (50) angeordnet ist, dass der metallische Ring (56) des Hohlkörpers und das Haltelement (40) zwischen dem ersten und zweiten Steg (321, 322) des Haltebereichs (32) des Kurzschlussbügels (30) angeordnet sind.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, - wobei der metallische Ring (56) als eine dritte Elektrode des Überspannungsableiters ausgebildet ist, - wobei der Überspannungsableiter als ein 3-Elektrodenableiter ausgebildet ist.