DE3739072C2 - Durch eine Legierung mit Formrückstellvermögen betätigter Schutzschalter - Google Patents
Durch eine Legierung mit Formrückstellvermögen betätigter SchutzschalterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schutzschalter
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruches 1.
Beispielsweise zeigt die Offenlegungsschrift DE-OS 27 24 255
einen thermoelektrischen Schalter mit mindestens einem von zu
schaltendem Strom durchflossenen, den Schaltvorgang
auslösenden Element aus einer Formgedächtnislegierung und mit
einer mit dem Element zusammenwirkenden Spanneinrichtung. Der
dort beschriebene Schalter dient zur Sicherung von
elektrischen Stromkreisen gegen langsam oder stoßartig
zunehmende Stromüberlastungen. Der Schalter ist somit in
Serie mit dem Verbraucher geschaltet.
Aus der Offenlegungsschrift DE-OS 25 52 521 ist ein
Leitungsschutzschalter mit Nullspannungsauslöser der eingangs genannten Art bekannt. Der
Nullspannungsauslöser besitzt eine an der Netzspannung
anliegende Auslöseeinrichtung und ist mit einer Verklinkungs
stelle eines Schaltschlosses des Leitungsschutzschalters
formschlüssig verbunden. Dabei besteht die Auslöseeinrichtung
aus einem direkt oder indirekt beheizten Thermobimetall,
welches mit der Verklinkungsstelle des Schaltschlosses
formschlüssig in Eingriff steht.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines
Schutzschalters, bei dem die Stromkreis-Unterbrechung
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.
Schließlich soll sich dieser Schutzschalter kostensparend
herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im
Patentanspruch 1 beschriebenen Schutzschalter gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Schutzschalters sind in
den Unteransprüchen definiert.
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
nicht ausübt; demzufolge hält
die Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung ersten und zwei
ten Kontaktteil 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 eine Schmelzsicherung 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. Mittels der Schrauben
2 und 3 ist ein blattfederartiger erster Kontaktteil
6 aus einem gut leitenden Werkstoff hoher
Elastizität befestigt, dessen einer Endabschnitt als ein
freies Ende, in Form eines Hakenteils 6a gekrümmt, ausge
bildet ist. Mittels der Schrauben 4 und 5 ist ein
blattfederartiger zweiter Kontaktteil 7 aus einem gut
leitenden Werkstoff hoher Elastizität befestigt, dessen
einer Endabschnitt ein freies Ende 7a bildet, in dessen
Nähe gemäß Fig. 3 eine Eingreiföffnung 7b ausgebildet
ist. Der Hakenteil 6a des ersten Kontaktteils 6 ist in
diese Eingreiföffnung 7b 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 1 ist ein Montage-Anschluß 8 befestigt,
an welchem ein Spannungsauslöseelement (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 6a 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 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 6a des ersten Kontakt
teils 6 durch die Eingreiföffnung 7b im zweiten Kontakt
teil 7 hindurchgeführt und am Umfangsrand der Eingreif
öffnung 7b eingehängt. In diesem Zustand ist der zweite
Kontaktteil 7 bogenförmig gewölbt, wobei der Hakenteil 6b
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 6a 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 6a
des ersten Kontaktteils 6 unter Trennung des letzteren
vom zweiten Kontaktteil 7 aus der Eingreiföffnung 7b 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 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 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 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 das Hakenteil 6a 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 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 6a des ersten
Kontaktteils 6 vom zweiten Kontaktteil 7 unter Austritt
aus der Eingreiföffnung 7b, so daß die Kontaktteile 6 und
7 gemäß Fig. 5 voneinander getrennt 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.
Claims (7)
1. Schutzschalter mit einem ersten und einem zweiten
Kontaktteil (6, 7) einer Kontaktteil-Schließ/Trenn
einrichtung, welche die beiden Kontaktteile (6, 7)
normalerweise in Kontakt miteinander hält und die beiden
Kontaktteile voneinander trennt, wenn eine Kraft eines
wärmeabhängigen Spannungsauslösers auf einen vorbestimmten
Abschnitt dieser Einrichtung in einer vorbestimmten Richtung
einwirkt,
gekennzeichnet durch ein Spannungsauslöseelement (9) aus
einer Legierung mit Formrückstellvermögen zum Ausüben der
Kraft auf den vorbestimmten Abschnitt in der vorbestimmten
Richtung, wenn in dem Spannungsauslöseelement (9) der
Formrückstelleffekt herbeigeführt wird, wobei die
Kontaktteil-Schließ/Trenneinrichtung durch die beiden
miteinander verhakbaren Kontaktteile (6, 7) selbst gebildet
ist.
2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spannungsauslöseelement (9) aus der Legierung mit
Formrückstellvermögen als Drahtelement ausgebildet ist, das
dann, wenn die beiden Kontaktteile (6, 7) in Kontakt
miteinander stehen, einer Längung gegenüber seiner
ursprünglichen Länge unterworfen ist.
3. Schutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Kontaktteil (6)
blattfederförmig ausgebildet ist und an seinem einen
Endabschnitt ein zu einem Hakenteil (6a) gebogenes freies
Ende festlegt, der zweite Kontaktteil (7) blattfederförmig
ausgebildet ist, an seinem einen Endabschnitt (7a) ein
freies Ende festlegt und in einem Bereich nahe seines freien
Endes mit einer Eingreiföffnung (7b) versehen ist, in welche
das Hakenteil (6a) des ersten Kontaktteils (6) in einem
Zustand, in welchem beide Kontaktteile (6, 7) elastisch
verformt sind, einhängbar ist, und bei in die Eingreiföffnung
(7b) eingehängtem Hakenteil (6a) letzterer von der
Eingreiföffnung (7b) trennbar ist, wenn durch das Element (9)
aus der Legierung mit Formrückstellvermögen die Kraft in der
vorbestimmten Richtung auf den vorbestimmten Abschnitt des
ersten Kontaktteils (6) ausgeübt wird.
4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spannungsauslöseelement (9) aus der Legierung mit
Formrückstellvermögen als Drahtelement ausgebildet ist,
dessen eines Ende mechanisch und elektrisch mit dem ersten
Kontaktteil (6) verbunden ist, und dann, wenn der Hakenteil
(6a) des ersten Kontaktteils (6) in die Eingreiföffnung (7b)
des zweiten Kontaktteils (7) eingehängt ist, das Element (9)
aus der Legierung mit Formrückstellvermögen einer Längung
gegenüber seiner ursprünglichen Länge unterworfen ist.
5. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Spannungsauslöseelement (9) aus der
Legierung mit Formrückstellvermögen eine ausreichend höhere
Impedanz als das zu schützende Objekt (13, 13′) aufweist.
6. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das zu schützende Objekt eine
Schmelzsicherung (13′) ist.
7. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Legierung mit Formrückstellvermögen
eine Ti-Ni-Legierung ist.
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