DE3739072A1 - Durch eine legierung mit formrueckstellvermoegen betaetigter schutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schutzschalter bzw. Strom­ kreisunterbrecher und betrifft insbesondere einen durch eine Legierung mit Formrückstellvermögen bzw. "Formge­ dächtnis" (shape memory alloy) betätigten Schutzschalter, welcher dann, wenn eine an ein zu schützendes Objekt, z.B. einen elektrischen Stromkreis bzw. eine Schaltung oder einen elektrischen Bauteil, angelegte Spannung eine vorbestimmte Größe erreicht oder übersteigt, eine Strom­ kreisunterbrechung bzw. ein Ausschalten bewirkt.

Ein herkömmlicher Schutzschalter ist mit dem zu schützen­ den Objekt in Reihe geschaltet. Wenn dabei ein durch die­ ses Objekt fließender elektrischer Strom eine vorbestimmte Größe erreicht oder übersteigt, wird der Strom abgeschal­ tet, d.h. der Stromfluß unterbrochen.

Dieser bisherige Schutzschalter ist mit den im folgenden angegebenen Nachteilen behaftet.

In bestimmten Stromkreisarten ist die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung nicht immer vorherbestimmt, d.h. eine bestimmte Spannung kann verschiedene Stromgrößen oder -werten zugeordnet sein. Wenn dabei durch den her­ kömmlichen Schutzschalter eine Überspannung am zu schützen­ den Objekt verhindert werden soll, kann die Stromkreis­ unterbrechung nicht immer genau bei einer vorgesehenen kritischen Spannung erfolgen.

Zudem fließt auch unter Normalbedingungen (im Normalzu­ stand) der Strom durch den Schutzschalter, so daß dieser einen gewissen elektrischen Leistungsverbrauch aufweist. Außerdem ist für die Betätigung (Auslösung) des Schutz­ schalters ein Strom einer gewissen Größe nötig.

Darüber hinaus ist der herkömmliche Schutzschalter kompli­ ziert aufgebaut und aufwendig in der Herstellung.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Schutz­ schalters, bei dem die (Stromkreis-)Unterbrechung(swirkung) in unmittelbarer Abhängigkeit von einer an einem zu schützenden Objekt, z.B. einem elektrischen Stromkreis oder Bauelement, anliegenden Spannung erfolgt.

Dieser Schutzschalter soll dabei unter Normalbedingungen keinen Stromverbrauch aufweisen. Zudem soll bei ihm die Unterbrechung mit einem sehr kleinen Strom auslösbar sein. Ferner soll dieser Schutzschalter auch als Temperatur­ sicherung bzw. thermische Sicherung benutzbar sein. Schließlich soll sich dieser Schutzschalter kostensparend herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird bei einem Schutzschalter der ange­ gebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten und einen zweiten Kontaktteil, eine Kontaktteil-Schließ/- Trenneinrichtung, welche die beiden Kontaktteile normaler­ weise in Kontakt miteinander hält und die beiden Kontakt­ teile fortlaufend voneinander trennt (öffnet), wenn eine Kraft mindestens einer vorbestimmten Größe auf einen vor­ bestimmten Abschnitt (dieser Einrichtung) in einer vor­ bestimmten Richtung einwirkt, und ein zu einem zu schützen­ den Objekt parallelgeschaltetes und dem vorbestimmten Ab­ schnitt der Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung mechanisch zugeordnetes Element aus einer Legierung mit Formrückstell­ vermögen (shape memory alloy) zum Ausüben der Kraft auf den vorbestimmten Abschnitt (obiger Einrichtung) in der vorbestimmten Richtung, wenn in diesem Element der Form­ rückstelleffekt herbeigeführt wird.

Unter der Voraussetzung, daß eine Impedanz der Legierung mit Formrückstellvermögen ausreichend größer (gewählt) ist als die Impedanz des zu schützenden Objekts unter Normalbedingungen, fließt unter Normalbedingungen bzw. im Normalzustand nahezu kein Strom durch diese Legierung. Die Legierung mit Formrückstellvermögen erwärmt sich des­ halb nicht, so daß sie auch ihre Formrückbildungskraft (shape recovering force) nicht ausübt; demzufolge hält die Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung ersten und zwei­ ten Kontaktteil (contactor) in Kontakt miteinander.

Wenn dagegen aufgrund irgendeiner Störung eine Überspan­ nung an das zu schützende Objekt angelegt wird, steigt eine Spannung zwischen den beiden Enden der Legierung mit Formrückstellvermögen stark an, wobei sich auch der diese Legierung durchfließende Strom vergrößert, so daß diese Legierung durch Joulesche Wärme auf mindestens eine kritische martensitische Temperatur erwärmt wird, bei welcher die Legierung den Formrückstelleffekt zeigt. Auf­ grund dieses Effekts übt diese Legierung die Formrückbil­ dungskraft auf den vorbestimmten Abschnitt der Kontakt­ teil-Schließ/Trenneinrichtung in der vorbestimmten Rich­ tung aus, so daß diese Einrichtung die beiden Kontaktteile voneinander trennt, d.h. öffnet. Das zu schützende Objekt wird dabei von einer Stromquelle abgeschaltet und damit vor der Überspannung geschützt.

Bei diesem Schutzschalter erfolgt also die (Stromkreis-)- Unterbrechung in unmittelbarer Abhängigkeit von der am zu schützenden Objekt anliegenden Spannung.

Da dieser Schutzschalter außerdem parallel zu dem zu schützenden Objekt geschaltet ist, das eine wesentlich größere Impedanz als der Schutzschalter selbst aufweist, fließt im Normalzustand nahezu kein Strom durch den Schutz­ schalter, so daß er auch praktisch keinen Leistungsbedarf besitzt.

Da darüber hinaus nur ein sehr kleiner Strom für die Her­ vorbringung des Formrückstelleffekts in der Legierung mit Formrückstellvermögen nötig ist, kann die Unterbrechung mit einem sehr kleinen Strom ausgelöst werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen im Schließzustand be­ findlichen Schutzschalter gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung des Schutzschal­ ters in seinem Stromkreisunterbrechungs- oder Öffnungszustand,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Ein­ griffabschnitts zwischen erstem und zweitem Kontaktteil (points) beim Schutzschalter nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Darstellung eines Stromkreises bei einer Ausführungsform, bei welcher das zu schützende Objekt u.a. eine Schmelzsicherung (fuse) ist,

Fig. 5 eine Ansicht des Stromkreises nach Fig. 4 nach der Unterbrechung durch den Schutzschalter und

Fig. 6 eine Darstellung eines Stromkreises, bei dem die Verbindung von dem durch die Schmelzsicherung zu schützenden Objekt zur Legierung mit Form­ rückstellvermögen gegenüber derjenigen nach Fig. 4 und 5 abgewandelt ist.

Bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform sind Halte- oder Montage-Schrauben 2, 3, 4 und 5 in eine Grundplatte 1 eingeschraubt. An den (mittels der) Schrauben 2 und 3 ist ein blattfederartiger erster Kontaktteil (contactor) 6 aus einem gut leitenden Werkstoff hoher Elastizität befestigt, dessen einer Endabschnitt als ein freies Ende, in Form eines Hakenteils 6 a gekrümmt, ausge­ bildet ist. An den (mittels der) Schrauben 4 und 5 ist ein blattfederartiger zweiter Kontaktteil 7 aus einem gut leitenden Werkstoff hoher Elastizität befestigt, dessen einer Endabschnitt 7 a ein freies Ende bildet, in dessen Nähe gemäß Fig. 3 eine Eingreiföffnung 7 b ausgebildet ist. Der Hakenteil 6 a des ersten Kontaktteils 6 ist in diese Eingreiföffnung 7 b einhängbar und aus ihr ausrast­ bar. Bei dieser Ausführungsform bilden erster und zweiter Kontaktteil 6 bzw. 7 gemeinsam die Kontaktteil-Schließ/- Trenneinrichtung.

An der Grundplatte 8 ist ein Montage-Anschluß 8 befestigt, an (bzw. mit) welchem ein Drahtelement 9 aus einer Le­ gierung mit Formrückstellvermögen, z.B. einer Ti-Ni-Le­ gierung, mit seinem einen Ende, befestigt ist. Der andere Endabschnitt des Drahtelements 9 ist mittels einer Halte­ rung 10 an einem mittleren Abschnitt des ersten Kontakt­ teils 6 angebracht, so daß das Drahtelement 9 mechanisch und elektrisch mit dem ersten Kontaktteil 6 verbunden ist. Wenn hierbei der Hakenteil 6 a des ersten Kontaktteils 6 gemäß Fig. 1 und 3 in den zweiten Kontaktteil 7 einge­ hängt ist, wird das Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) gegenüber seiner ursprünglichen Länge, auf die es zurückstellbar (remembered thereby) ist, durch Zug verformt oder gelängt.

Mit 11 und 12 sind Stromeingangsklemmen bezeichnet, von denen die eine (11) mit dem zweiten Kontaktteil 7 ver­ bunden ist, während die andere Eingangsklemme 12 über den Montage-Anschluß 8 mit dem einen Ende des Drahtelements 9 und mit der einen Seite eines zu schützenden (oder ab­ zusichernden) Objekts 13, z.B. einem elektrischen Stromkreis oder Bauelement, verbunden ist. Die andere Seite dieses Objekts 13 liegt dabei am ersten Kontaktteil 6. Aufgrund dieser Anordnung ist das Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) zu dem zu schützenden Objekt 13 parallelgeschaltet. Hierbei sei vorausgesetzt, daß das Drahtelement 9 im Normalzustand eine ausreichend höhere Impedanz als das Objekt 13 besitzt.

Die Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 arbeitet wie folgt:

Für den Einsatz dieses Schutzschalters wird gemäß den Fig. 1 und 3 zunächst der Hakenteil 6 a des ersten Kontakt­ teils 6 durch die Eingreiföffnung 7 b im zweiten Kontakt­ teil 7 hindurchgeführt und am Umfangsrand der Eingreif­ öffnung 7 b eingehängt. In diesem Zustand ist der zweite Kontaktteil 7 bogenförmig gewölbt, wobei der Hakenteil 6 b des ersten Kontaktteils 6 und der zweite Kontaktteil 7 aufgrund ihrer jeweiligen Elastizität in sicherem Kontakt miteinander stehen.

Da - wie erwähnt - unter Normalbedingungen bzw. im Normalzustand die Impedanz des Drahtelements 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) ausreichend größer ist als die des zu schützenden Objekts 13, fließt nahezu kein Strom durch das Drahtelement 9. Infolgedessen heizt sich die Legierung mit Formrückstellvermögen nicht auf, so daß in ihr die Formrückbildungskraft nicht entsteht und daher der Hakenteil 6 a des ersten Kontaktteils 6 mit dem zweiten Kontaktteil 7 in Kontakt bleibt.

Falls jedoch aufgrund irgendeiner Störung eine Überspan­ nung an das zu schützende Objekt 13 angelegt wird, erhöht sich auch die Spannung über die beiden Enden des Draht­ elements 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen), so daß sich das Drahtelement 9 durch Joulesche Wärme auf seine kritische Temperatur oder eine höhere Temperatur erwärmt. Aufgrund des Formrückstelleffekts ist daher das Drahtelement 9 bestrebt, seine ursprüngliche Länge wieder herzustellen, wobei es den ersten Kontaktteil 6 in Pfeil­ richtung gemäß Fig. 1 zieht; dabei wird der Hakenteil 6 a des ersten Kontaktteils 6 unter Trennung des letzteren vom zweiten Kontaktteil 7 aus der Eingreiföffnung 7 b her­ ausgezogen, so daß die beiden Kontaktteile 6 und 7 gemäß Fig. 2 voneinander getrennt bzw. geöffnet werden. Infolge­ dessen wird das zu schützende Objekt 13 von der Strom­ quelle getrennt (abgeschaltet) und damit vor der Über­ spannung geschützt.

Dieser Schutzschalter bewirkt somit die (Stromkreis-)Un­ terbrechung in unmittelbarer Abhängigkeit von der am Ob­ jekt 13 anliegenden Spannung.

Der dargestellte Schutzschalter ist zu dem zu schützenden Objekt 13 parallelgeschaltet; im Normalzustand fließt nahezu (praktisch) kein Strom durch das Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen), so daß der Schutzschalter keinen wesentlichen Stromverbrauch hat.

Da für die Hervorbringung des Formrückstelleffekts in der Legierung mit Formrückstellvermögen (shape memory alloy) nur ein sehr kleiner Strom nötig ist, kann die Stromkreis­ unterbrechung unter einem sehr kleinen Strom stattfinden.

Wenn dieser Schutzschalter zudem in Verbindung mit einem herkömmlichen Schutzschalter eingesetzt wird, kann das Objekt 13 unmittelbar in Abhängigkeit von sowohl Span­ nung als auch Strom(stärke) geschützt werden.

Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine Anordnung, bei welcher bei der beschriebenen Ausführungsform ein zu schützendes Objekt 14 u.a. insbesondere eine Schmelzsiche­ rung (fuse) 13′ umfaßt. Das durch die Schmelzsicherung 13′ zu schützende Objekt 14 ist mit dem Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) und der Schmelz­ sicherung 13′ jeweils in Reihe geschaltet.

Es ist eine Anordnung bekannt, bei der zur Vermeidung des umständlichen Auswechselns einer durchgebrannten Schmelzsicherung gegen eine neue ein Schutzschalter in Kombination mit einer Schmelzsicherung verwendet wird. Wenn ein Überstrom die Schmelzsicherung und den Schutz­ schalter durchfließt, erfolgt die Stromkreisunterbrechung im Schutzschalter vor dem Schmelzen der Schmelzsicherung. Die meisten bisherigen Schutzschalter dieser Art verwenden ein Bimetallelement zum Schließen und Öffnen ihrer Kon­ taktteile. Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß die Einstellung des Bimetallelements für die genaue Bestimmung eines Schwellenwerts des Stroms, bei dem die Stromkreisunterbrechung erfolgen soll, einen großen Ar­ beitsaufwand bedingt.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Schutzschalters auf die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Weise können dagegen die Nachteile bei der bisherigen Anordnung vermieden werden.

Genauer gesagt: im Normalzustand ist der elektrische Wi­ derstand des Drahtelements 9 (aus der Legierung mit Form­ rückstellvermögen) ausreichend größer als derjenige der Schmelzsicherung 13′, so daß durch das Drahtelement 9 nahezu kein Strom fließt. Das Drahtelement 9 wird mithin nicht aufgeheizt, so daß in ihm die Formrückbildungskraft nicht entsteht und damit der Hakenteil 6 a des ersten Kon­ taktteils 6 einwandfrei in Kontakt mit dem zweiten Kontakt­ teil 7 bleibt. Wenn jedoch ein durch die Schmelzsicherung fließender Strom sich dem Schmelzstrom der Schmelzsiche­ rung annähert, steigt deren Temperatur aufgrund Joulescher Wärme an, so daß sich ihr elektrischer Widerstand schlag­ artig erhöht. Dabei erhöht sich schlagartig (auch) die Spannung über die beiden Enden der Schmelzsicherung 13′, womit der Strom(fluß) durch das Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) zunimmt und dieses Drahtelement 9 daher durch Joulesche Wärme auf mindestens seine kritische Temperatur erwärmt wird. Unter dem Form­ rückstelleffekt ist daher das Drahtelement 9 bestrebt, seine ursprüngliche Länge wieder herzustellen, wobei es den ersten Kontaktteil 6 in Pfeilrichtung gemäß Fig. 4 zieht. Hierbei trennt sich das Hakenteil 6 a des ersten Kontaktteils 6 vom zweiten Kontaktteil 7 unter Austritt aus der Eingreiföffnung 7 b, so daß die Kontaktteile 6 und 7 gemäß Fig. 5 voneinander getrennt (geöffnet) werden.

Die Schmelzsicherung 13′ und das durch diese zu schützende (oder abzusichernde) Objekt 14 werden auf diese Weise von der Stromquelle abgeschaltet, so daß das Objekt 14 ohne Durchschmelzen der Schmelzsicherung 13′ vor dem Überstrom geschützt wird oder ist.

Wenn bei diesem Schutzschalter, unabhängig von der Größe des Schmelzstroms der Schmelzsicherung 13′, ein letztere durchfließender Strom sich (größenmäßig) dem Schmelzstrom der Schmelzsicherung 13′ annähert, fließt ein großer Strom durch das Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrück­ stellvermögen), wodurch die beschriebene Stromkreisunter­ brechung ausgelöst wird. Im Gegensatz zum bisherigen Bi­ metall-Schutzschalter ist daher keine umständliche Ein­ stellung der Teile entsprechend der Größe des Schmelz­ stroms der Schmelzsicherung 13′ erforderlich. Dies be­ deutet, daß Auslegung des Schutzschalters und Einstellung oder Justierung des Erzeugnisses unabhängig von der Größe des Schmelzstroms der Schmelzsicherung 13′ möglich sind und infolgedessen eine sehr hohe Fertigungsleistung ge­ währleistet werden kann.

Wenn die kritische Temperatur, bei der im Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) der Form­ rückstelleffekt auftritt, zweckmäßig gewählt oder be­ stimmt wird, kann das Drahtelement 9 auch als Temperatur­ sicherung bzw. thermische Sicherung wirken. Dies bedeutet, daß dieser Schutzschalter die Stromkreisunterbrechung nicht nur bei einem großen, die Schmelzsicherung 13′ durch­ fließenden Strom, sondern auch beim Erreichen einer ab­ normal hohen Umgebungstemperatur durchzuführen vermag.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das durch die Schmelzsiche­ rung 13′ zu schützende Objekt 14 auf die in Fig. 6 ge­ zeigte Weise (auch) parallel zum Drahtelement 9 (aus der Legierung mit Formrückstellvermögen) und in Reihe mit der Schmelzsicherung 13′ geschaltet sein kann.

Erfindungsgemäß ist außerdem die Kontaktteil-Schließ/- Trenneinrichtung (welche normalerweise die beiden Kon­ taktteile in Kontakt miteinander hält und diese beiden Kontaktteile fortlaufend voneinander trennt, wenn eine Kraft mindestens einer vorbestimmten Größe auf ihren vor­ bestimmten Abschnitt in der vorbestimmten Richtung ausge­ übt wird) nicht notwendigerweise auf die oben beschrie­ bene Ausgestaltung beschränkt, vielmehr kann auch eine passende andere Anordnung angewandt werden, die eine äquivalente Funktion ausübt. Bei der bevorzugten Aus­ führungsform bilden ferner die beiden Kontaktteile selbst die Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung; diese Kontakt­ teile und diese Einrichtung können jedoch auch (jeweils) aus getrennten Bauteilen gebildet sein.

Anstelle der bei der beschriebenen Ausführungsform ver­ wendeten Ti-Ni-Legierung als Legierung mit Formrückstell­ vermögen (oder "Formgedächtnis") können auch andere, ent­ sprechende gleichartige Legierungen verwendet werden.

Claims (8)

1. Schutzschalter, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Kontaktteil, eine Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung, welche die beiden Kontaktteile normalerweise in Kontakt mitein­ ander hält und die beiden Kontaktteile fortlaufend voneinander trennt (öffnet), wenn eine Kraft mindestens einer vorbestimmten Größe auf einen vorbestimmten Ab­ schnitt (dieser Einrichtung) in einer vorbestimmten Richtung einwirkt, und ein zu einem zu schützenden Objekt parallelgeschal­ tetes und dem vorbestimmten Abschnitt der Kontaktteil- Schließ/Trenneinrichtung mechanisch zugeordnetes Ele­ ment aus einer Legierung mit Formrückstellvermögen (shape memory alloy) zum Ausüben der Kraft auf den vor­ bestimmten Abschnitt (obiger Einrichtung) in der vor­ bestimmten Richtung, wenn in diesem Element der Form­ rückstelleffekt herbeigeführt wird.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus der Legierung mit Formrückstell­ vermögen als Drahtelement ausgebildet ist, das dann, wenn die beiden Kontaktteile in Kontakt miteinander stehen, einer Längung gegenüber seiner ursprünglichen (wiederherzustellenden) Länge unterworfen ist.

3. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung durch die beiden Kontaktteile selbst gebildet ist.

4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kontaktteil (contactor) blattfederförmig aus­ gebildet ist und an seinem einen Endabschnitt ein zu einem Hakenteil gebogenes freies Ende festlegt, der zweite Kontaktteil blattfederförmig ausgebildet ist, an seinem einen Endabschnitt ein freies Ende fest­ legt und in einem Bereich nahe seines freien Endes mit einer Eingreiföffnung versehen ist, in welche der Haken­ teil des ersten Kontaktteils in einem Zustand, in wel­ chem beide Kontaktteile elastisch verformt sind, ein­ hängbar ist, und bei in die Eingreiföffnung eingehängtem Hakenteil letzterer vom Einhängteil der Eingreiföffnung trenn­ bar ist, wenn durch das Element aus der Legierung mit Formrückstellvermögen die Kraft in der vorbestimmten Richtung auf den vorbestimmten Abschnitt des ersten Kontaktteils ausgeübt wird.

5. Schutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus der Legierung mit Formrückstellver­ mögen als Drahtelement ausgebildet ist, dessen eines Ende mechanisch und elektrisch mit dem ersten Kontakt­ teil verbunden ist, und dann, wenn der Hakenteil des ersten Kontaktteils in die Eingreiföffnung des zweiten Kontaktteils einge­ hängt ist, das Element aus der Legierung mit Formrück­ stellvermögen einer Längung gegenüber seiner ursprüng­ lichen (wiederherzustellenden) Länge unterworfen ist.

6. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus der Legierung mit Formrückstell­ vermögen eine ausreichend höhere Impedanz als das zu schützende Objekt aufweist.

7. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu schützende Objekt eine Schmelzsicherung ist.

8. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mit Formrückstellvermögen eine Ti-Ni- Legierung ist.