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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein thermische Sicherungen
bzw. Wärmeschutzsicherungen,
und insbesondere eine Wärmeschutzsicherung
mit einem Paar elektrischer Kontakte, welche über ein thermisch verformbares
Element im Kontakt zueinander gehalten werden.
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Elektrische
Geräte
weisen oft Mechanismen auf, welche den Betrieb eines Motors bei
thermischen Überlastungsbedingungen
einstellen, bei welchen sich ein dauerhafter Schaden des Motors
oder der zugehörigen
Einrichtungen einstellen könnte. Eine
derartige thermische Überlastung,
wie etwa eine außerordentlich
hohe Wicklungs- oder Rotortemperatur, kann das Ergebnis eines blockierten
Rotors, einer hohen mechanischen Last, einer zu hohen Versorgungsspannung,
einer hohen Umgebungstemperatur sein oder bei der Kombination dieser
Bedingungen auftreten.
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Allgemein
bekannte Wärmeschutzsicherungen,
sog. TCO (thermal cut-off) Sicherungen, basieren auf der Verwendung
eines thermisch ansprechenden Elements, das in Reaktion auf eine
thermische Überlastbedingung
schmilzt und dadurch den elektrischen Leistungsstrom zu dem geschützten Gerät hin unterbricht.
Eine bekannte Wärmeschutzsicherung,
wie sie beispielsweise von der Anmelderin für Dritte hergestellt und z.B.
von Elmwood Sensors Inc. (TCO Serie D108 und D149) und Microtemp (G5/E5-Serie)
vertrieben wird, verwendet einen vorgespannten Kontaktstift oder
Kontaktvorsprung, der in einer elektrischen Kontaktver bindung mit
einem gegenüberliegenden
Kontakt über
ein schmelzbares Material, z.B. ein Lötmittel, gehalten wird. Eine
andere auf dem Markt erhältliche
bekannte Wärmeschutzsicherung
verwendet eine oder mehrere Federn, welche unabhängig von den elektrischen Kontakten
sind und die Kontakte in ein verschiebbares schmelzbares Unterbrechungsmaterial
auseinander drücken.
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Aus
GB 747 185 ist ferner eine
Wärmeschutzsicherung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 bekannt, die
im wesentlichen aus einer Grundplatte und zwei darauf befestigten
Blattfedern aufgebaut ist. Die Blattfedern bestehen aus einem elektrisch
leitfähigen
Material. Ihre freistehenden Enden sind als gekrümmte Finger mit jeweils dazwischen
ausgebildeten Aussparungen ausgebildet. Die gekrümmten Finger und die Aussparungen
der beiden Blattfedern sind jeweils zueinander versetzt ausgebildet.
Zur Inbetriebnahme der Wärmeschutzsicherung
werden die Blattfedern unter Überwindung ihrer
Federkraft bis zu einer Position aufeinander zu gebogen, bei der
die gekrümmten
Finger von jeweils einer Blattfeder in die entsprechend ausgebildete Aussparungen
der jeweils anderen Blattfeder hinein ragen, so daß zwischen
den gekrümmten
Fingern ein Stift aus temperaturempfindlicher Legierung hindurchgesteckt
werden kann, um die Blattfedern in gespannter Position zu halten.
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Aus
GB 2 004 124 ist eine Wärmeschutzsicherung
bekannt, bei der thermische Kugeln (thermal pellet) in einem an
einer Seite geöffneten
Gehäuse enthalten
sind. Ein Stempel mit einer zur Öffnung identischen
Fläche
stößt an der
geöffneten
Seite des Gehäuses
unter Federkraft gegen die Kugeln. Unter normalen Temperaturbedingungen
wirken diese Kugeln einer Federkraft entgegen, die auf das Gehäuse wirkt.
In diesem Zustand werden zwei Kontakte, die einen Stromfluß ermöglichen,
geschlossen gehalten. Sobald jedoch die Temperaturbedingung einen
Temperaturschwellwert übersteigt,
verschmelzen die thermischen Kugeln und gehen in einen flüssigen Zustand über, wodurch
die beiden Kon takte geöffnet werden
und somit der Stromfluß unterbrochen
wird.
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DE-PS
711 072 zeigt eine Wärmeschutzsicherung,
die zwei aufeinandergelegte Bimetallstreifen umfaßt, die
sich bei Erwärmung
infolge Überstroms
gegeneinander verbiegen und einen durch sie mittig hindurchgeführten ungeteilten
Schmelzleiter mechanisch unterbrechen.
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DE-AS
11 84 407 offenbart eine Vorrichtung zur Sicherung bei unzulässig langem
Stromschluß an elektromagnetisch
aufgezogenen Uhren durch Stromunterbrechung. Diese Vorrichtung sichert
eine Stromunterbrechung im Falle eines Dauerstromes, der durch mechanische
oder elektrische Fehler verursacht wird.
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Diese
bekannten Ansätze
haben Vorteile aber auch mehrere Nachteile. Bei einigen Beispielen fließt der elektrische
Strom direkt durch ein temperaturempfindliches Material. Daher kann
die Eigenerwärmung
des temperaturempfindlichen Materials selbst, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen,
die Eigenschaft der Wärmeschutzsicherung, welche
lediglich auf die Temperatur des geschützten Gerätes ansprechen soll, erheblich
beeinträchtigen. Zum
Teil umfaßt
die Wärmeschutzsicherung
der bekannten Beispiele eine komplexe Anordnung von Federn und Kontaktelementen,
welche in einem Gehäuse
montiert sind. Daher sind diese bekannten Beispiele kostspielig
und ermöglichen
außerdem
nicht die unmittelbare Überprüfung der
thermischen Sicherung, weil das schmelzbare Material und der Zustand der
Kontakte in der Regel nicht durch das Gehäuse hindurch sichtbar sind.
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Die
vorliegende Erfindung möchte
hier Abhilfe schaffen.
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Die
Erfindung erreicht dieses Ziel jeweils durch die Gegenstände der
Ansprüche
1 und 9. Bevorzugte Ausführungs beispiele
der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt eine Wärmeschutzsicherung einen ersten
elektrischen Kontakt mit einer ersten Öffnung, einen zweiten elektrischen
Kontakt mit einer zweiten Öffnung,
wobei sich der erste elektrische Kontakt durch die zweite Öffnung erstreckt
und der erste elektrische Kontakt mit dem zweiten elektrischen Kontakt
in Kontakt steht, wobei eine Feder zwischen dem ersten elektrischen
Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt angeordnet ist und
ein thermisch verformbarer Stift sich durch die erste Öffnung erstreckt
sowie den ersten elektrischen Kontakt und den zweiten elektrischen
Kontakt zusammenhält,
und sich der Stift in Reaktion auf eine Hochtemperaturbedingung derart
verformt, daß die
Feder den ersten und zweiten elektrischen Kontakt voneinander trennt.
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Vorzugsweise
ist der thermisch verformbare Stift aus einem Kunststoffmaterial
gefertigt. Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist die Feder
eine spiralförmige
Druck- bzw. Vorspannfeder.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt eine Wärmeschutzsicherung einen ersten elektrischen
Kontakt mit einer ersten Öffnung,
einen zweiten elektrischen Kontakt mit einer zweiten Öffnung,
eine Feder mit einer dritten Öffnung,
und einen thermisch verformbaren Stift, der sich durch die genannten Öffnungen
erstreckt und mit den elektrischen Kontakten derart in Eingriff
steht, daß die
Feder zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Kontakt komprimiert
ist und einen elektrischen Pfad bildet, wobei der Stift in Reaktion
auf eine Hochtemperaturbedingung sich derart verformt, daß die Feder den
elektrischen Pfad zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Kontakt
unterbricht.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung. In der schematischen Zeichnung zeigen:
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1 eine
Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Ansicht von unten des Ausführungsbeispiels
nach 1;
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3 eine
Seitenansicht des Ausführungsbeispiels
nach 1;
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4 eine
Draufsicht auf einen der elektrischen Kontakte von 1;
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5 eine
Draufsicht auf den anderen elektrischen Kontakt in 1;
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6 eine
Ansicht von unten eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
Draufsicht auf einen der elektrischen Kontakte von 6;
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8 eine
Vorderansicht von einem der elektrischen Kontakte von 6;
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9 eine
Draufsicht von einem der elektrischen Kontakte von 6;
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10 eine
Draufsicht einer Belleville-Scheibe, welche im Ausführungsbeispiel
nach 6 verwendet werden kann; und
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11 eine
Vorderansicht der Belleville-Scheibe nach 10.
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In
den 1 und 2 ist eine Wärmeschutzsicherung 10 dargestellt,
welche Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Wärmeschutzsicherung 10 weist
einen ersten elektrischen Kontakt 12, einen zweiten elektrischen
Kontakt 14, eine spiralförmige Druck- bzw. Vorspannungsfeder 16 und
einen thermisch verformbaren Stift 18 auf, welche alle
bevorzugt in der dargestellten Art und Weise angeordnet sind. Der
erste Kontakt 12 ragt durch eine Schlitzöffnung 13 (welche
besser in 5 dargestellt ist) in dem zweiten
Kontakt 14 und ist mit dem zweiten Kontakt 14 im
elektrischen Kontakt. Die Feder 16 wird in einem komprimierten
Zustand zwischen einer Seite 17 des zweiten Kontaktes 14 und einem
Schulterabschnitt 26 des ersten Kontaktes gehalten. Die
Feder 16 ist vorzugsweise aus Metall gefertigt; sie kann
alternativ aber auch aus einem nicht-metallischen, nicht-leitenden
Material gefertigt sein, welches den Betrieb der Sicherung 10 nicht
beeinträchtigt.
Der thermisch verformbare Stift 18 ragt durch eine erste Öffnung 24 in
den ersten Kontakt 12, und die Feder 16 zwingt
bzw. drückt
eine zweite Seite 19 des zweiten Kontaktes 14 in
Kontakt mit dem Stift 18. Der erste Kontakt kann zusätzlich Montageohren oder
Montagevorsprünge 20, 22 aufweisen,
welche die Anbringung der Sicherung 10 an ein Bauteil (nicht gezeigt)
eines geschützten
elektrischen Gerätes (ebenfalls
nicht gezeigt) erleichtern.
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In 4 ist
eine nähere
Detailansicht des ersten Kontaktes 12 dargestellt. Gemäß 4 weist der
erste Kontakt einen Federführungsabschnitt 28, der
an einem ersten Anschlußende 29 angeordnet ist,
und ein zweites Anschlußende 30 auf.
Das zweite Anschlußende 30 ist
vorzugsweise derart ausgebildet, um eine Standard-Gabelsteckerbuchse
aufzunehmen. Die Federführung 28 ist
ein verlängerter Vorsprung,
der sich von dem Schulterabschnitt 26 des Kontaktes 12 aus
erstreckt. Die Federführung 28 hat
eine Breite, welche kleiner ist, als der innere Durchmesser der
Feder 16, und eine Länge,
welche erheblich kleiner als die freie Länge der Feder 16 ist. Die
erste Öffnung 24 ist
an einem Ende der Federführung 28 angeordnet
und derart dimensioniert, um bequem den Durchmesser oder die Breite
des thermisch verformbaren Stiftes 18 aufzunehmen.
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Gemäß 5 weist
der zweite Kontakt 14 ein erstes Anschlußende 32 auf,
der vorzugsweise derart ausgeführt
ist, um eine Standard-Gabelsteckerbuchse aufzunehmen. Die Schlitzöffnung 13 ist in
der Nähe
eines zweiten Anschlußendes 34 angeordnet
und weist eine Abmessung auf, um die Breite und Dicke der Federführung 28 des
ersten Kontaktes 12 aufzunehmen. Demnach kann sich die
Federführung 28 des
ersten Kontaktes einfach durch den zweiten Kontakt 14 über die
Schlitzöffnung 13 hindurch
erstrecken. Obwohl die Schlitzöffnung 13 mit einer
rechteckigen Geometrie abgebildet ist, kann das gewünschte Ergebnis
mit einer Vielzahl von Geometrien erreicht werden, ohne von dem
Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise
kann die Öffnung
eine abgerundete Rechtecksgeometrie aufweisen und/oder unbefestigt
bzw. unbegrenzt (d. h. offen) an einer oder mehreren Seiten sein.
Der erste Kontakt 12 und der zweite Kontakt 14 sind
vorzugsweise aus metallischen Kontaktmaterialien hergestellt, welche
im Stand der Technik bekannt sind. Es kann eine spezielle Materialzusammensetzung
ausgewählt
werden, um das Kontaktverhalten bei spezifischen Anwendungsbedingungen
für Strom,
Spannung, Umgebungsbedingungen, etc. zu optimieren. Die Kontakte 12, 14 werden
vorzugsweise unter Verwendung eines Stanzverfahrens hergestellt,
um die Ko sten niedrig zu halten. Beispielsweise können die
Montagevorsprünge 20, 22 Semi-Perforationen
sein, welche unmittelbar aus dem metallischen Stanzstück ausgebildet
werden, welches zur Herstellung des ersten Kontaktes 12 verwendet
wird.
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Der
thermisch verformbare Stift 18 ist bevorzugt (aber nicht
notwendiger Weise) zylindrisch ausgebildet und aus einem thermoplastischen
Material gefertigt mit einem Schmelzpunkt oberhalb der normalen
Betriebstemperatur des geschützten
Geräts, aber
auf oder unterhalb einer Betriebstemperatur, welche z.B. unter Überlastungsbedingungen
auftritt. Beispielsweise kann die Sicherung 10 an einem
elektrischen Motor montiert sein; und das Stiftmaterial kann so
ausgewählt
sein, daß es
in Reaktion auf erhöhte
Wicklungstemperaturen aufweicht, die durch einen blockierten Rotorzustand
verursacht werden.
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Für den Fachmann
ist klar, daß eine
Vielfalt von anderen Konfigurationen und Materialien für den Stift 18 verwendet
werden kann, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
kann der Stift 18 ein rechteckiges Profil haben oder eine Kunststoffniete
oder ein Kunststoffzapfen sein. Alternativ kann der Stift 18 eine
Gewindeschraube oder ein Gewindebolzen sein, der in die erste Öffnung 24 geschraubt
ist oder hindurchtritt, oder ein tannenbaumförmiger Bolzen. Außerdem kann
der Stift 18 aus einer Vielfalt von anderen Materialien
als Thermoplast gefertigt werden. Beispielsweise können Metalle,
die einen niederen Schmelzpunkt haben, z.B. Blei oder Bleiverbindungen,
verwendet werden, um ähnliche
Ergebnisse zu erzielen.
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Im
Betrieb wird die Sicherung 10 am oder in Nähe des geschützten Gerätes (nicht
gezeigt) befestigt. Beispielsweise kann die Sicherung 10 an
dem Gehäuse
eines elektrischen Motors (nicht gezeigt) über die Montagevorsprünge 20, 22 montiert
werden. Eine Leistungszuführungslei tung
für den
Motor ist mit dem zweiten Anschlußende 30 des ersten
Kontaktes 12 verbunden; und ein Spulendraht von der Motorwicklung
ist mit dem ersten Anschlußende 32 des zweiten
Kontaktes 14 verbunden. Demnach ist die Sicherung 10 in
Serie in der Leistungsversorgung des Motors zwischengeschaltet.
In einem Überlastungszustand
nimmt die Temperatur des Motors und der unmittelbaren Umgebung zu.
Weil die Kontakte 12, 14 der Sicherung thermisch
leitend und in einem thermischen Kontakt mit dem Motor und der umliegenden Umgebung
stehen, erwärmen
diese den thermisch verformbaren Stift 18. Der Stift 18 weicht
in Reaktion auf die Überlastungstemperaturen
auf, und falls die erhöhte
Temperatur hoch genug ist und für
eine ausreichende Zeit anhält,
trennt die Spann- bzw. Ausdehnungskraft der Feder 16 den
Pin 18 dort ab, wo dieser die die erste Öffnung 24 begrenzenden
Wände kontaktiert.
Nachdem der Pin 16 abgeschert wurde, dehnt sich die Feder 16 zu
ihrer freien Länge
aus und löst
den zweiten Kontakt 14 von dem ersten Kontakt 12.
Zusätzlich
drängt
die Leitung, die an dem ersten Anschlußende 32 des zweiten
Kontaktes 14 befestigt ist, den zweiten Kontakt weg von
dem freien Ende der Feder 16 und dem Federführungsabschnitt 28 des
ersten Kontaktes 12, wodurch eine Unterbrechung in dem
elektrischen Pfad durch die Sicherung 10 sichergestellt
wird.
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In
der 6 ist eine andere Wärmeschutzsicherung 60 dargestellt,
welche Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Wärmeschutzsicherung 60 umfaßt einen
ersten elektrischen Kontakt 62, einen zweiten elektrischen
Kontakt 65, einen thermisch verformbaren Stift 70,
eine erst elektrisch leitende Belleville-Scheibe 72 und
eine zweite elektrisch leitende Belleville-Scheibe 74,
welche allesamt vorzugsweise in der dargestellten Weise angeordnet sind.
Die Belleville-Scheiben 72, 74 befinden sich in einem
komprimierten Zustand zwischen dem ersten und zweiten Kontakt 62, 65.
Der Stift 70 ragt durch die Scheiben 72, 74 und
die Kontakte 62, 65 hindurch. Der Stift 70 steht
mit den Kontakten 62, 65 in Eingriff, wodurch
die Scheiben 72, 74 in einem komprimierten Zustand
gehalten werden und ein elektrischer Pfad zwischen dem ersten und
zweiten Kontakt 62, 65 gebildet wird. Der erste
Kontakt 72 kann zusätzlich
die Montageohren bzw. Montagevorsprünge 20, 22 aufweisen.
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In
der 7 ist eine detailliertere Ansicht des ersten Kontaktes 62 dargestellt.
Gemäß 7 hat der
erste Kontakt 62 ein erstes Anschlußende 63 und ein zweites
Anschlußende 76.
Das erste Anschlußende 63 ist
vorzugsweise derart ausgebildet, daß es eine Standard-Gabelsteckerbuchse
aufnehmen kann. Um einen geeigneten elektrischen Kontakt und eine
gleichmäßige Kompression
der ersten Belleville-Scheibe 72 sicherzustellen, ist das
zweite Anschlußende 76 vorzugsweise
derart dimensioniert, daß es
mit einer Seite der ersten Belleville-Scheibe 72 in ihrem
komprimierten Zustand vollständig
in Kontakt steht. Demnach ist die Länge und Breite des zweiten
Anschlußendees 76 vorzugsweise
gleich oder größer als
die Länge
und Breite oder des Durchmessers der ersten Belleville-Scheibe 72.
Das zweite Anschlußende 76 weist
ferner eine erste Öffnung 69 auf,
welche von einem ersten gespritzten Ring 68 (siehe auch 8)
umgeben ist.
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In 9 ist
der zweite Kontakt 65 im näheren Detail dargestellt. Der
zweite Kontakt 65 weist ein erstes Anschlußende 82 auf,
das vorzugsweise derart konfiguriert ist, um eine Standard-Gabelsteckerbuchse
aufzunehmen. Der zweite Kontakt 65 hat ein zweites Anschlußende 64,
das vorzugsweise gleich wie das zweite Anschlußende 76 des ersten
Kontaktes 62 dimensioniert ist. Daher steht die zweite
Belleville-Scheibe 74 in Kontakt mit dem zweiten Anschlußende 64 des
zweiten Kontaktes 65 in der gleichen Weise wie bei der
Verbindung der ersten Belleville-Scheibe 72 mit
dem zweiten Anschlußende 76 des ersten
Kontaktes 62. Der zweite Kontakt 65 weist eine
zweite Öff nung 80 auf,
welche von einem zweiten gespritzten Ring 66 umgeben ist.
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In
den 10 und 11 sind
Drauf- bzw. Seitenansichten der ersten und zweiten Belleville-Scheiben 72, 74 dargestellt.
Jede der Scheiben 72, 74 weist eine Öffnung 84 mit
einem Durchmesser auf, der beträchtlich
größer als
die größte Querschnittsdimension
des thermisch verformbaren Stiftes 70 ist. Die Belleville-Scheiben 72, 74 sind
bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt, so
daß bei
Komprimierung zwischen dem ersten und zweiten Kontakt 62, 65 ein
elektrischer Pfad zwischen den Kontakten 62, 65 ausgebildet
wird.
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Wie
es in 6 gezeigt ist, ragt der thermisch verformbare
Stift 70 durch die erste und zweite Öffnung 69, 80 und
durch die Öffnungen 84 der
ersten und zweiten Scheibe 72, 74 hindurch. Der
Stift 70 ist derart dimensioniert, daß er mit dem ersten und zweiten
Ring 68, 66 reibschlüssig verbunden oder in diese
gedrückt
ist, wodurch die Scheiben 72, 74 in einem komprimierten
Zustand gehalten werden und ein elektrischer Pfad zwischen dem ersten
und zweiten Kontakt 62, 65 über die leitenden Scheiben 72, 74 bereitgestellt
wird. Die spezifischen Materialien und die Geometrie der Kontakte 62, 65 und
des thermisch verformbaren Stiftes 70 können ähnlich sein, wie diejenigen,
welche in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel, welches oben
diskutiert und in den 1 bis 5 dargestellt
wurde, verwendet wurden.
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Im
Betrieb wird die Sicherung 60 am oder in Nähe des geschützten Gerätes (nicht
gezeigt) in einer ähnlichen
Weise wie bei dem ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel montiert. In
einem Überlastungszustand
bewirkt die Ausdehnungskraft der Scheiben 72, 74,
daß der
Stift 70 nach Art einer Strangpressung auseinander gezogen
wird und entlang seiner Länge
bricht. Wenn der Stift 70 bricht, trennen sich die erste
und zweite Scheibe 72, 74 und hierdurch wird der
elektrische Pfad zwischen dem ersten und zweiten Kontakt 62, 65 unterbrochen.
Zusätzlich
drängt
eine Zuführungsleitung,
welche an dem dritten Anschlußende 82 des
zweiten Kontaktes 65 befestigt ist, den zweiten Kontakt
von dem ersten Kontakt 62 weg, wodurch eine Unterbrechung
im elektrischen Pfad durch die Sicherung 60 gewährleistet
wird.
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Es
ist selbstverständlich,
daß eine
Reihe von Änderungen
und Modifikationen an den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen durchgeführt werden
können.
Beispielsweise können verschiedene
Arten von Federn anstelle der Spiralfeder und den Belleville-Scheiben
verwendet werden, die in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt sind.
Demnach ist die vorstehenden detaillierte Beschreibung lediglich
als beispielhaft zu verstehen, und nicht einschränkend, und daß die nachfolgenden Ansprüche einschließlich aller Äquivalente
den Schutzbereich der Erfindung festlegen.