-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Erdungselement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Elektroinstallationsbauteil mit einem solchen Erdungselement gemäß Anspruch 11.
-
Elektroinstallationsbauteile wie Klemmkästen, Leuchten, Schalter, Verteileranlagen, Steuergeräte oder dergleichen müssen mit einer Erdung versehen sein. Unter einer Erdung ist die Gesamtheit aller Mittel und Maßnahmen zum Erden, das heißt zum Ableiten von elektrischen Strömen in den Erdboden zu verstehen. Eine „Erdung‟ ist dabei eine elektrisch leitfähige Verbindung, die einen Potentialausgleich vermittelt und so elektrische Potentialunterschiede minimiert. In elektrischen Anlagen ist ein solcher Potentialausgleich bzw. eine solche Erdung nach verschiedenen Normen zum Schutz eines Nutzers gegen einen elektrischen Schlag gefordert. Noch umfassender sind die Anforderungen an den Potentialausgleich in explosionsgeschützten elektrischen Anlagen. Dadurch wird gewährleistet, dass keine gefährlichen Potentialunterschiede entstehen, die zu einem zündfähigen Funken führen können, der wiederum eine Explosion auslösen würde.
-
Bekannte Elektroinstallationsbauteile wie Abzweigdosen, Klemmkästen, Leuchten, Schaltverteileranlagen, Steuergeräte und dergleichen weisen ein isolierendes äußeres Gehäuse auf, welches einerseits dem Schutz der umschlossenen Bauteile dient und andererseits die umschlossenen Bauteile nach außen isoliert und so verhindert, dass ein Nutzer Spannungsteile berühren kann und einen elektrischen Schlag bekommt. Um die geforderte Erdung zu realisieren, ist in bekannten Anlagen ein Erdungselement vorgesehen, welches mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Erdungsanschluss elektrisch verbunden ist.
-
Bekannte Erdungselemente sind als Erdungsplatten ausgebildet, die innerhalb des isolierenden Gehäuses angeordnet sind. Solche Erdungsplatten können aus Messing ausgebildet sein, was den Vorteil bietet, dass eine entsprechende Erdungsplatte auch nach einer längeren Benutzung in einer korrosiven Umgebung aufgrund der noch einen genügenden niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen. So liegt der Kontaktwiderstand auch nach einer Konditionierung in einer Umgebung mit 90 %iger relativer Luftfeuchtigkeit und bei einer Temperatur von 95°C für vier Wochen gefolgt von weiteren zwei Wochen bei 80°C immer noch in einem Bereich unterhalb 5 mOhm.
-
Nachteilig an solchen Erdungsplatten aus Messing sind die hohen Kosten, insbesondere bei größeren Bauteilen, durch das teure Rohmaterial.
-
Alternativ wird deshalb als Ausgangsmaterial galvanisiertes Stahlblech verwendet, wobei insbesondere galvanisierte Zink-Oberflächen Verwendung finden. Dies bietet den Vorteil reduzierter Herstellungskosten in Verbindung mit einer gewissen Korrosionsbeständigkeit.
-
Allerdings ist mit der Verwendung von galvanisierten Zink-Schichten auf einem Stahlblech der Nachteil verbunden, dass solche Schichten in korrosiver Umgebung im Lauf der Zeit nicht akzeptable Kontaktwiderstände entwickeln. Der Grund dafür ist die teilweise Umwandlung des Zinks in Zinkoxid, welches ein Halbleiter ist, und deshalb eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Erdungselement zum elektrischen Erden eines Elektroinstallationsbauteils zu schaffen, wobei das Erdungselement ein Stahlblechbauteil aufweist, welches mit einer Beschichtung versehen ist, mit der diese Nachteile überwunden werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Erdungselement gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1, sowie durch ein Elektroinstallationsbauteil mit einem solchen Erdungselement gemäß Anspruch 11.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Beschichtung des Erdungselements aus einer Legierung. Dies bietet den Vorteil, dass die Eigenschaften der Beschichtung sowohl bezüglich der Korrosionsbeständigkeit als auch bezüglich der Leitfähigkeit optimiert werden können. Während bei bekannten Erdungselementen Bauteile Anwendung finden, die komplett aus Messing gefertigt sind, oder Stahlblechbauteile, welche verzinkt ausgeführt sind, wird bei einem Erdungselement gemäß der vorliegenden Erfindung ein Stahlblechbauteil verwendet (und somit eine Kostenreduktion gegenüber Messingbauteilen erzielt). Durch die Auswahl einer Legierung statt der Verwendung von reinem Zink kann die Korrosionsproblematik reduziert werden.
-
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Legierung Zink und Aluminium auf. Das Vorsehen von Zink in der Legierung nutzt die guten Eigenschaften dieses Elements als Korrosionsschutz für den darunterliegenden Stahl. Das Hinzufügen von Aluminium führt zu einer deutlichen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Zinkoxid, welches sich insbesondere in korrosiver Umgebung ausbilden kann. Die Leitfähigkeit des Zinkoxids wird dabei um einen Faktor von bis zu 1000 erhöht werden. Der Effekt beruht dabei auf der Eigenschaft des Aluminiums als Dotiermittel für den Halbleiter Zinkoxid. Durch diese Dotierung des Zinkoxids mit Aluminium wird so die elektrische Leitfähigkeit des Zinkoxids wesentlich verbessert. Die Zugabe von Aluminium zum Zink führt weiterhin zu einer Verbesserung der Prozessstabilität bei der Beschichtung des Stahlblechbauteils mit einer solchen Legierung.
-
Besonders bevorzugt ist ein Erdungselement, bei welchem die Legierung mittels eines Schmelztauchverfahrens aufgebracht ist. Das Schmelztauchen ist ein Beschichtungsverfahren, bei welchem das Elektroinstallationsbauteil oder ein entsprechendes Halbzeug zur Herstellung eines solchen Elektroinstallationsbauteils in ein schmelzflüssiges Bad („Heißbad“) der Zink-Aluminiumlegierung eingetaucht wird, sodass nach dem Herausheben des Werkstücks aus dem schmelzflüssigen Bad die flüssige Legierung auf dem Werkstück nach der Abkühlung einen festen metallischen Überzug ausbildet. Die Verwendung eines Schmelztauchverfahrens stellt ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Aufbringung einer bestimmten Legierung dar, da die beiden Komponenten Zink und Aluminium einfach im entsprechenden Verhältnis in der Schmelze enthalten sein müssen.
-
Alternativ kann die Legierung mittels eines Galvanisierungsverfahrens aufgebracht werden.
-
Aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenstruktur von Beschichtungen, die mittels eines Schmelztauchverfahrens bzw. eines Galvanisierungsverfahrens aufgebracht worden sind, kann am fertigen Erdungselement nachvollzogen werden, welches Verfahren angewendet wurde. So weisen Beschichtungen, die mittels eines Schmelztauchverfahrens aufgebracht wurden, typische Oberflächenstruktur („Blumen“) auf. Bei galvanisch aufgebrachte Beschichtungen treten diese nicht auf.
-
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Erdungselement weist die Legierung Zink als Basis auf, einen Anteil von 40 bis 70 Gewichts% Aluminium, sowie einen Anteil von 0 bis 5 Gewichts% Silizium. Der Begriff „Basis“ ist dabei so zu verstehen, dass die Legierung neben den angegebenen Gewichtsprozenten der Komponenten Aluminium und Silizium und Verunreinigungen (bevorzugter Anteil weniger als 1 Gewichts%, besonders bevorzugt weniger als 0,1% oder unter 0,01%) im Wesentlichen nur noch aus Zink besteht.
-
Wie bereits erläutert dient die Zugabe von 40 bis 70 Gewichts% Aluminium der Erhöhung der Leitfähigkeit von Zinkoxid. Die Zugabe von 0 bis 5 Gewichts% Silizium dient der weiteren Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Legierung.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung einer solchen Legierung mit Zink als Basis weist die Legierung einen Anteil von 50 bis 60 Gewichts% Aluminium und einen Anteil von 1 bis 2 Gewichts% Silizium auf.
-
Alternativ kann erfindungsgemäß eine Legierung verwendet werden, bei welcher ebenfalls Zink als Basis vorgesehen ist, das Aluminium jedoch mit einem Anteil von nur 1 bis 10 Gewichts% vorgesehen ist und (statt des Siliziums) 1 bis 10 Gewichts% Magnesium. Der geringe Gewichtsanteil von Aluminium ist ausreichend, um für die gewünschte Dotierung des Zinkoxids zu sorgen. Die Zugabe von 1 bis 10 Gewichts% Magnesium verbessert die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung.
-
Besonders bevorzugt ist dabei eine Legierung, die neben Zink als Basis 3 bis 4 Gewichts% Aluminium (insbesondere 3,5 %), sowie 2 bis 4 Gewichts% Magnesium (insbesondere 3 Gewichts%) aufweist.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Beschichtung eine Schichtdicke von 2 bis 25 µm, insbesondere von 5 bis 10 µm auf. Mindestschichtdicken von 5 bis 10 µm bieten einerseits den Vorteil, dass sie bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Legierung dauerhaft einen guten Korrosionsschutz für das Stahlblechbauteil bieten und andererseits eine kostengünstige Lösung bezüglich des Materialverbrauchs für die Beschichtung darstellen.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Erdungselement einen Kontaktwiderstand von weniger als 6 mOhm auf. Dies bietet den Vorteil, dass gute Erdungseigenschaften realisiert und die entsprechenden Vorgaben und Normen für den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung eingehalten werden können.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Elektroinstallationsbauteil ist dieses insbesondere als Abzweigdose, Klemmkasten, Leuchte, Schalter, Schaltverteileranlage oder Steuergerät ausgebildet und weist ein Gehäuse auf, sowie ein Erdungselement nach einem der vorherigen Ausführungsformen.
-
Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Erdungselements ist das Elektroinstallationsbauteil insbesondere zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen ausgebildet. Dies kann durch entsprechende Dichtungen realisiert werden, die für eine gas-, wasser-, druck- und /oder staubdichte Abdichtung des Gehäuses sorgen
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines entsprechenden Elektroinstallationsbauteils ist das Gehäuse als äußeres, isolierendes Gehäuse ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass das Gehäuse einerseits elektrische Bauteile schützt, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Andererseits werden Personen vor der Berührung mit spannungsführenden Teilen geschützt und spannungsführende Teile gegenüber einer explosionsgefährdeten Umgebung abschirmt. Dabei ist das Erdungselement innerhalb des Gehäuses angeordnet, weist allerdings eine elektrische Verbindung mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Erdungsanschluss des Elektroinstallationsbauteils auf. Damit wird vorteilhafter Weise gewährleistet, dass das Erdungselement zum Potentialausgleich geerdet werden kann.
-
Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen dem Erdungselement und dem außerhalb befindlichen Erdungsanschluss so ausgeführt, dass der entsprechende IP-Schutzgrad des isolierenden Gehäuses aufrechterhalten wird. Dies kann durch entsprechende Dichtungen realisiert werden, die für eine gas-, wasser-, druck- und /oder staubdichte Abdichtung einer elektrisch leitenden Durchführung durch das Gehäuse sorgen.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Elektroinstallationsbauteils ist das isolierende Gehäuse elektrostatisch ableitend ausgebildet. Darunter ist zu verstehen, dass das Gehäuse eine etwaige elektrische Aufladung kontrolliert abbauen kann. Dafür bildet es einen Widerstand aus, der gegen Erde geschaltet ist.
-
Ein Oberflächen- oder Ableitwiderstand des Gehäuses liegt hierzu vorzugsweise oberhalb dem eines elektrisch leitenden Gehäuses, aber unterhalb dem Ableitwiderstand eines vollständig isolierenden Gehäuses. Besonders bevorzugt ist dabei ein Oberflächen- oder Ableitwiderstand zwischen 106 Ohm und 109 Ohm.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
-
Dabei zeigt:
- 1 ein erfindungsgemäßes Erdungselement, und
- 2 einen Klemmkasten mit einem solchen Erdungselement.
-
1 zeigt in eine perspektivischen Ansicht ein Erdungselement 10 mit Seitenflächen 12, 14, 16 und 18, die unter einem rechten Winkel an einer Grundplatte 20 des Erdungselements 10 angeordnet sind. Die Grundplatte 20 ist dabei im Wesentlichen quadratisch oder rechteckig ausgebildet und die Seitenflächen 12, 14, 16 und 18 erstrecken sich im Wesentlichen alle in derselben Richtung von der Grundplatte 20 weg.
-
Erfindungsgemäß weist das Erdungselement 10, welches als ein Stahlblechbauteil ausgebildet ist, eine Beschichtung auf, die eine Legierung darstellt. Die Beschichtung des Erdungselements 10 ist dabei eine Legierung, welche als Hauptbestandteil, also als Basis, Zink aufweist. Weitere Komponenten der Legierung sind Aluminium und Silizium. Aluminium hat dabei einen Anteil von 55 Gewichts% an der Legierung. Bei einem Anteil von Silizium von 1,6 Gewichts% verbleibt ein Anteil von 43,4 Gewichts% Zink (neben eventuell kleineren Mengen von Verunreinigungen, unterhalb 1 Gewichts%, vorzugsweise unterhalb 0,1% oder besonders bevorzugt unterhalb 0,01%).
-
Alternativ kann neben dem Zink als Basis in der Legierung auch ein Anteil von deutlich weniger Aluminium vorgesehen sein, beispielsweise 3,5 Gewichts%, und statt des Siliziums ein Anteil von 3 Gewichts% Magnesium, wodurch sich ein Zinkanteil von 93,5% ergibt.
-
Bei den erfindungsgemäßen Legierungen dient das Aluminium der Dotierung des Halbleiters Zinkoxid, welches sich nach dem Beschichten des Erdungselements 10 mit der Legierung insbesondere unter korrosiven Bedingungen ausbildet, um so die Leitfähigkeit des Zinkoxids zu erhöhen. Die weiteren Zusätze von Silizium oder Magnesium dienen der Verbesserung der Prozessstabilität und der Korrosionsbeständigkeit der Legierung.
-
2 zeigt einen Klemmkasten 22 mit einem Gehäuse 24, innerhalb dessen das Erdungselement 10 der 1 angeordnet ist. Das Gehäuse 24 ist als Kunststoff- oder Plastikgehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 24 weist dabei vorzugsweise eine Ableitfähigkeit auf, die eine elektrostatische Aufladung verhindert, oder zumindest reduziert.
-
Der Klemmkasten 22 der 2 dient zur elektrischen Verbindung verschiedener Komponenten einer Anlage und kann beispielsweise Klemmleisten (nicht näher dargestellt) aufnehmen. Durch das isolierende Gehäuse 24 ist gewährleistet, dass die im Inneren des Gehäuses 24 angeordneten spannungsführenden Teile nicht bzw. nur mit Werkzeugen zugänglich sind. Die Komponenten im Innenraum des Gehäuses 24 sind gegenüber Staub, Wasser und explosiven Gasen oder Stoffen der Umgebung abgeschirmt. Ein innerhalb des Gehäuses 24 entstehender Funke führt so selbst dann nicht zu einer Explosion wenn der Klemmkasten 22 in einer explosionsgefährdeten Umgebung eingesetzt wird.
-
Um das Erdungselement 10 mit einer elektrischen Erdung bzw. einem entsprechenden Potential außerhalb des Gehäuses 24 verbinden zu können, ist an einer Außenseite des Gehäuses 24 ein Erdungsanschluss 26 angeordnet, der durch einen Durchlass mit dem Erdungselement 10 in elektrisch leitender Verbindung steht. Die Verbindung zwischen dem innerhalb des isolierenden Gehäuses 24 angeordneten Erdungselement 10 und dem außerhalb angeordneten Erdungsanschluss 26 ist dabei so ausgeführt, dass der entsprechende IP-Schutzgrad des isolierenden Gehäuses 24 beibehalten wird. So ist beispielsweise bei einem nach einem bestimmten IP-Code gegen Wasser schützenden Gehäuse 24 eine entsprechende wasserdichte Dichtung vorzusehen. In einer durch explosive Gase oder Stäube gefährdeten Umgebung ist eine entsprechende gas- oder staubdichte Dichtung vorgesehen.
-
Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Erdungselements 10 in Form eines Stahlblechbauteils, welches mit einer Legierung aus Zink und Aluminium beschichtet ist, wird gewährleistet, dass das Erdungselement 10 auch in einer aggressiven und korrosiven Umgebung dauerhaft die Anforderungen bezüglich seiner Leitfähigkeit erfüllt. Andererseits können die Herstellkosten niedrig gehalten werden.
-
Besonders bevorzugt ist dabei ein Erdungselement 10, bei welchem entsprechende Legierung mittels eines Schmelztauchverfahrens bzw. eines Heißbads aufgebracht wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Erdungselement
- 12
- Seitenfläche
- 14
- Seitenfläche
- 16
- Seitenfläche
- 18
- Seitenfläche
- 20
- Grundplatte
- 22
- Klemmkasten
- 24
- Gehäuse
- 26
- Erdungsanschluss
