EP0138069A2

EP0138069A2 - Schutzschalter

Info

Publication number: EP0138069A2
Application number: EP84110937A
Authority: EP
Inventors: Peter Ruppert; Heinz Schiebelhuth; Erich Horn
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1983-09-17
Filing date: 1984-09-13
Publication date: 1985-04-24
Also published as: EP0138069B1; DE3333620A1; DE3471199D1; EP0138069A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Schutzschalter für elektrisch betriebene Geräte, der zur Verhinderung einer während-des Betriebes auftretenden Überhitzung eines temperaturempfindlichen Bauteils solcher Geräte einen selbsttätigen, temperaturabhängig ansprechenden Stromunterbrecher (Thermoschalter) enthält, der bei Überhitzung die Stromversorgung des Gerätes unterbricht. In an sich bekannter Weise enthält der Schutzschalter einen zum Thermoschalter elektrisch parallelgeschalteten Heizwiderstand, der die Aufgabe hat, nach einer durch Überhitzung ausgelösten selbsttätigen Unterbrechung der Stromversorgung ein unkontrolliertes Wiedereinschalten des Gerätes zu verhindern. Die erfindungsgemäße Verbesserung des Schutzschalters besteht im wesentlichen darin, daß durch geeignete Dimensionierung des Wärmekontaktes zwischen den Teilen des Schutzschalters einerseits sowie zwischen dem Schutzschalter und seiner Umgebung und dem temperaturempfindlichen Bauteil andererseits die für das sichere Funktionieren des Schutzschalters wichtige Dimensionierung des Heizwiderstandes wesentlich weniger kritisch ist. Der erfindungsgemäße Schutzschalter eignet sich aufgrund seines einfachen und preiswerten Aufbaus insbesondere auch für elektrische Geräte, die zu den in großen Stückzahlen hergestellten Konsumgütern zählen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter für elektrisch betriebene Geräte, der eine während des Betriebes auftretende Uberhitzung eines temperaturempfindlichen Bauteils solcher Geräte verhindert und der zu diesem Zweck einen selbsttätigen, temperaturabhängig ansprechenden Stromunterbrecher (Thermoschalter) enthält, der bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur die Stromversorgung des Gerätes unterbricht und anschließend durch einen elektrisch parallelgeschalteten Heizwiderstand in seiner "Offen"-Stellung gehalten wird.
Schutzschalter werden in der Technik sehr häufig eingesetzt, wenn es darauf ankommt, elektrische Geräte vor Überhitzung zu schützen. Bei motorisch angetriebenen elektrischen Haushaltsgeräten besteht z. B. die Gefahr einer Überhitzung der Wicklungen der Motoren, wenn die Geräte überlastet werden oder sogar blockiert sind. Schutzschalter unterbrechen in einem solchen Fall selbsttätig die Stromzuführung des Gerätes, so daß einerseits das Gerät selbst, andererseits aber auch die Umgebung vor Schaden bewahrt wird.
Neben Temperatursicherungen, welche sich bei einem zu hohen Stromfluß so erhitzen, daß sie durchschmelzen und dadurch die Stromzufuhr unterbrechen, sind auch schon Schutzschalter mit einem Thermoschalter bekannt geworden, welche bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur selbsttätig den Strom ausschalten und nach Abkühlung des Gerätes automatisch wieder einschalten.
Ein Nachteil der Schmelzsicherungen besteht darin, daß diese nach jeder Auslösung ausgewechselt werden müssen. Dagegen weisen die bekannten Thermoschalter den Nachteil auf, daß sie - sofern der Betreiber es unterläßt, entweder den Hauptschalter auf die "Aus"-Stellung zurückzustellen oder den Netzstecker zu ziehen - das Gerät zu einem für den Betreiber unerwarteten Zeitpunkt selbsttätig wieder in Betrieb setzen können, sobald die Überhitzung abgeklungen ist.
Zur Vermeidung dieses vom Betreiber nicht steuerbaren selbsttätigen Wiedereinschaltens des Gerätes weist ein beispielsweise aus der DE-A-27 52 430 bekannter Schutzschalter einen zu einem Thermoschalter parallelgeschalteten Heizwiderstand auf, der nach dem Öffnen des Thermoschalters so viel Wärme an diesen abgeben soll, daß dieser erst dann wieder in seine Ausgangsstellung zurückkehren kann, wenn der Benutzer des Gerätes entweder dessen Hauptschalter in die "Aus"-Stellung gebracht oder den Netzstecker gezogen hat.
Ein Nachteil des aus der obengenannten DE-A-27 52 430 bekannten Schutzschalters besteht darin, daß bei ausgelöstem - d.h. geöffnetem - Thermoschalter an den parallelgeschalteten Heizwiderstand hinsichtlich seiner Dimensionierung zwei sich widersprechende Anforderungen gestellt werden müssen: Einerseits soll der Widerstandswert des Heizwiderstandes so groß sein, daß an dem mit ihm in Reihe liegenden Lastwiderstand des Gerätes, beispielsweise den Wicklungen eines Motors, nur noch eine so kleine Spannung abfällt, daß der Motor nach Wegfall der eine Überhitzung seiner Wicklung oder gar seine Blockierung verursachenden Gründe nicht unbeabsichtigt wieder anlaufen kann. Andererseits soll der Widerstandswert des Heizwiderstands so klein sein, daß bei der durch die Netzspannung vorgegebenen Versorgungsspannung in der Reihenschaltung aus Heizwiderstand und Lastwiderstand ein Strom fließt, der ausreichend ist, um im Heizwiderstand eine Heizleistung zu erzeugen, durch die der Thermoschalter sicher in der geöffneten Stellung gehalten wird, und zwar auch dann, wenn sich das betref_- fende Gerät in einem Raum befindet, in dem eine deutlich niedrigere Temperatur als die übliche Raumtemperatur von 20⁰ Celsius herrscht.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, einen Schutzschalter mit einem Thermoschalter und einem dazu elektrisch parallelgeschalteten Heizwiderstand anzugeben, der hinsichtlich der Dimensionierung des Widerstandswertes dieses Heizwiderstandes weniger kritisch ist und der das selbsttätige Wiedereinschalten eines aufgrund einer eingetretenen Überhitzung automatisch abgeschalteten Gerätes auch bei Umgebungstemperaturen, die deutlich unterhalb der üblichen Raumtemperatur von 20° Celsius liegen, verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schutzschalter so aufgebaut wird, daß einerseits der Thermoschalter und der Heizwiderstand so angeordnet sind, daß sie miteinander in sehr gutem Wärmekontakt stehen und daß andererseits diese Anordnung nach außen gut wärmeisoliert ist und nur mit dem im Falle einer Überhitzung eine relativ große Wärmeleistung abgebenden Bauteil in ausreichendem Wärmekontakt steht.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schutzschalters dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine zum Stand der Technik gehörende Anordnung und elektrische Schaltung eines Schutzschalters für einen Elektromotor, die bezüglich des elektrischen Schaltbildes unverändert für den Einsatz des Schutzschalters gemäß der vorliegenden Erfindung übernommen werden kann;
Fig. 2 und 3 in schematischer Darstellung, teilweise geschnitten, einen Querschnitt bzw. Längsschnitt des erfindungsgemäßen Schutzschalters.

Die Figur 1 zeigt einen Netzstecker 1, über den ein Elektromotor 2 durch Schließen des Netzschalters 3 mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Der Elektromotor 2 weist eine Statorwicklung 4 auf, an der ein Schutzschalter 5 angebracht ist. Der Schutzschalter 5, dessen wesentliche elektrische Bauteile ein Thermoschalter 6 und ein Heizwiderstand 7 sind, ist über eine vom Netzstecker 1 ausgehende Leitung 16 und eine zum Elektromotor 2 führende Leitung 17 mit dem Elektromotor 2 elektrisch in Reihe geschaltet. Innerhalb des Schutzschalters 5 sind die beiden ihm angehörigen elektrischen Bauteile, nämlich der Heizwiderstand 7 und der Thermoschalter 6 zueinander elektrisch parallelgeschaltet.
Die prinzipielle Funktionsweise des beispielsweise durch eine hier nicht dargestellte Klammer an die Statorwicklung 4 des Elektromotors 2 gepreßten Schutzschalters 5 ist die folgende:

Unter Normalbedingungen, das heißt bei einem sich in etwa auf Raumtemperatur befindlichen Thermoschalter 6 wird bei an das elektrische Netz angeschlossenem Netzstecker 1 der Elektromotor 2 des elektrisch betriebenen Gerätes durch Schließen des Netzschalters 3 eingeschaltet. Durch den Heizwiderstand 7 fließt dabei nur ein vernachlässigbarer Strom, da der elektrisch parallelgeschaltete, geschlossene Thermoschalter 6 nur einen vergleichsweise. minimalen Widerstandswert aufweist. Erhitzt sich nun die Statorwicklung 4 des Elektromotors 2, beispielsweise durch dessen Uberlastung oder gar Stillstand, fließt aufgrund des Wärmekontakts zwischen der Statorwicklung 4 und dem Schutzschalter 5 ein Wärmestrom in den Thermoschalter 6. Dieser öffnet sich dann nach einer bestimmten Zeitspanne, die von der von der Statorwicklung 4 abgegebenen Wärmeleistung, von der Wärmeankopplung des Thermoschalters 6 an die Statorwicklung 4 und von der speziellen Auslegung des Thermoschalters 6 abhängt.

Durch das Öffnen des Thermoschalters 6 wird der Elektromotor 2 außer Betrieb gesetzt, und er soll erst dann wieder anlaufen, wenn die Bedienungsperson zuvor den Netzschalter 3 geöffnet oder den Netzstecker 1 vom elektrischen Netz getrennt hat. Es ist die Aufgabe des Schutzschalters 5, bei Abkühlung des Elektromotors 2 dessen unkontrollierte oder unerwünschte Inbetriebsetzung zu verhindern, und dies wird dadurch bewirkt, daß bei geschlossenem Netzschalter 3 und an das elektrische Netz angeschlossenem Netzstecker 1 der Thermoschalter 6 durch die vom Heizwiderstand 7 abgegebene Wärmeleistung in seiner geöffneten Stellung gehalten wird.
Sobald sich der Thermoschalter 6 geöffnet hat, ist nämlich der Heizwiderstand 7 mit dem Elektromotor 2 in Reihe geschaltet. Der Heizwiderstand 7 muß dann einen solchen Widerstandswert haben, daß einerseits an ihm eine so große Spannung abfällt, daß der Elektromotor 2 nicht wieder anlaufen kann und im Falle seiner Blockierung in der Statorwicklung 4 lediglich eine unschädliche Wärmeleistung erzeugt wird. Andererseits muß der Widerstandswert des Heizwiderstands 7 so bemessen sein, daß die von ihm erzeugte Heizleistung ausreicht, den Thermoschalter 6 in der geöffneten Stellung zu halten.
Bei bisher bekannten Schutzschaltern war diese Dimensionierung des Heizwiderstandes äußerst problematisch. Dagegen wird sie in dem Schutzschalter gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Schwierigkeiten beherrschbar.
Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schutzschalters 5 enthält einen hier nur schematisch in seinen Umrissen wiedergegebenen Thermoschalter 6, beispielsweise einen der von Texas Instruments hergestellten, im Katalog "Motor-Wicklungs-Protektoren Serie 15 AM" (Copyright Texas Instruments Holland B.V. 2000/3-82) aufgeführten Thermoschalter. Der Thermoschalter 6 besitzt ein ihn zu einem großen Teil umhüllendes und gut wärmeleitendes Gehäuse 13, dem eine erste Kontaktfahne 12 angeformt ist, an welcher eine zum Netzstecker 1 führende elektrische Leitung 16 (Fig. 1) angelötet ist. Das Gehäuse 13 stellt somit zusammen mit der Kontaktfahne 12 den netzsteckerseitigen elektrischen Anschluß des Thermoschalters dar. Das Gehäuse 13 ist von einer ebenfalls gut wärmeleitenden Metallhülse 14, beispielsweise aus Bronze- oder Kupferblech umgeben. Die Metallhülse 14 weist einen Schlitz 15 auf, so daß sie durch seitliches Zusammenpressen vorgespannt werden kann und demzufolge eng und daher gut wärme- und elektrischleitend an dem Gehäuse 13 anliegt. Auf der Oberseite der Metallhülse 14 ist ein vorzugsweise aus einem Kaltleiter (PTC) bestehender Heizwiderstand 7 angeordnet, der auf seiner Unter- und Oberseite je eine, beispielsweise aus Aluminium oder Silber bestehende, aufgedampfte Leitschicht 8 bzw. 9 aufweist. Die auf der Oberseite des PTC-Heizwiderstands 7 angebrachte Leitschicht 9 ist mittels einer an ihr angelöteten elektrischen Leitung 18 mit der zweiten Kontaktfahne 11 des Thermoschalters 6 elektrisch verbunden. An dieser zweiten Kontaktfahne 11, die den motorseitigen Anschluß des Thermoschalters 6 darstellt, ist auch die zum Elektromotor 2 führende elektrische Leitung 17 (Fig. 1) angelötet.
Der Heizwiderstand 7 ist damit einerseits über seine untere Leitschicht 8, die Metallhülse 14 sowie das Gehäuse 13 und andererseits über seine obere Leitschicht 9, die elektrische Leitung 18 und die Kontaktfahne 11 zum Thermoschalter 6 elektrisch parallelgeschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die mechanische Befestigung des Heizwiderstandes 7 auf der Metallhülse 14 mittels eines sogenannten Schrumpfschlauches 10, der die vorgenannte Anordnung fast vollständig umhüllen kann, da nur die beiden elektrischen Leitungen 16 und 17 herausgeführt werden müssen. Der Schrumpfschlauch 10 kann beispielsweise aus einer Polyesterfolie bestehen, die nach ihrer Erwärmung und Wiederabkühlung unter einer gewissen Spannung an dem Heizwiderstand 7 und der Metallhülse 14 anliegt und dieselben daher in elektrisch leitender Verbindung und in gutem Wärmekontakt hält.
Neben dieser rein mechanischen Wirkung, die Teile des Schutzschalters zusammenzuhalten und zusammenzupressen, übernimmt der in dieser bevorzugten Ausführungsform verwendete, den gesamten Schutzschalter einkapselnde Schrumpfschlauch auch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung wesentliche Funktion der guten Wärmeisolation des Schutzschalters nach außen. Es wird also erreicht, daß der Thermoschalter 6 und der Heizwiderstand 7 miteinander in gutem Wärmekontakt stehen, nach außen aber durch den Schrumpfschlauch 10 wärmeisoliert sind. Dabei reicht aber der Wärmekontakt zwischen dem Schutzschalter 5 und der Statorwicklung 4 immer noch aus, um im Falle einer Uberhitzung der Statorwicklung infolge Überlastung oder gar Stillstand des Elektromotors 2 den Thermoschalter 6 auszulösen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schutzschalters ist der Schrumpfschlauch in seinem mit dem temperaturempfindlichen Gerätebauteil in Wärmekontakt stehenden Bereich dünner ausgebildet als in seinen übrigen Bereichen. Hierdurch kann der Wärmehaushalt des Schutzschalters - d.h., das Verhältnis der Wärmeaufnahme zur Wärmeabgabe - auf besonders einfache Weise im Sinne der vorliegenden Erfindung an die Gegebenheiten des betreffenden elektrischen Gerätes angepaßt sein und fertigungstechnisch entsprechend eingestellt werden. Zur Erzielung der angegebenen Dickenverteilung des Schrumpfschlauches kann der Schrumpfungsvorgang bei der Anbringung des Schrumpfschlauches durch lokale Wärmeanwendung so gesteuert werden, daß sich infolge der bereichsweise unterschiedlichen Schrumpf- und Reckverhältnisse die beabsichtigten Wandstärken ergeben.
Als Folge der durch die erfindungsgemäße Anordnung erzielten Verhältnisse hinsichtlich des Wärmeübergangs zwischen den beteiligten Bauelementen ergibt sich, daß der Heizwiderstand 7 nur eine relativ kleine Heizleistung abgeben muß, um den Thermoschalter 6 sicher in der geöffneten Stellung zu halten - und zwar auch bei Raumtemperaturen deutlich unterhalb der üblichen etwa 20° Celsius - . Dies bedeutet, daß ein vorzugsweise verwendeter PTC-Heizwiderstand im stationären erhitzten Zustand, den er in wenigen Sekunden erreicht, einen relativ hohen Widerstandswert haben darf. Das hat wiederum zur Folge, daß die an ihm abfallende Spannung so groß ist, daß am Elektromotor 2 nur noch eine so kleine Spannung abfällt, daß dieser nicht wieder anlaufen kann und im Falle seiner Blockierung in der Statorwicklung 4 nur eine vernachlässigbare Wärmeentwicklung auftritt.
Es ist nicht unbedingt notwendig, für den erfindungsgemäßen Schutzschalter als Heizwiderstand ein PTC-Element zu verwenden. Die bekannten Vorteile eines PTC-Heizelements, nämlich die kurze Aufheizzeit und die schnelle Erhöhung der Heizleistung bei einer Temperaturerniedrigung seiner Oberfläche, ergeben aber zusammen mit den übrigen Merkmalen des erfindungsgemäßen Schutzschalters eine noch größere Sicherheit dafür, daß der erfindungsgemäße Schutzschalter die in der Beschreibungseinleitung genannte Aufgabe erfüllen kann.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Schutzschalters ist nicht auf dessen Anbringung an Statorwicklungen von Elektromotoren beschränkt. Er kann vielmehr auch an elektrisch angetriebenen mechanischen Bauteilen angebracht werden, die heißlaufen können oder an anderen unbeweglichen elektrischen oder mechanischen Bauteilen, sofern durch die Unterbrechung der Stromzuführung die Ursache für deren Überhitzung beseitigt wird.

Claims

1. Schutzschalter zur Verhinderung der Überhitzung eines temperaturempfindlichen Bauteils eines in Betrieb genommenen elektrischen Gerätes, der einen mit dem temperaturempfindlichen Bauteil in thermischem Kontakt stehenden, den Betriebsstrom des Gerätes bei Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur selbsttätig abschaltenden Thermoschalter und einen zu dem Thermoschalter elektrisch parallelgeschalteten und zu diesem in thermischem Kontakt stehenden Heizwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoschalter (6) und der Heizwiderstand (7) so angeordnet sind, daß sie miteinander in gutem Wärmekontakt stehen und daß diese Anordnung (6, 7) nach außen gut wärmeisoliert ist, während sie mit dem temperaturempfindlichen Bauteil (4) in einem Wärmekontakt steht, der lediglich ausreicht, um das Öffnen des Thermoschalters (6) infolge einer unzulässigen Erhitzung des temperaturempfindlichen Bauteils (4) sicherzustellen.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoschalter (6) und der Heizwiderstand (7) zur Erzeugung eines guten gegenseitigen Wärmekontaktes mit einem Wärmeleitblech (14) in Berührung stehen und gemeinsam in einem gut wärmeisolierenden Schrumpfschlauch (10) eingekapselt sind.

3. Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitblech als eine den Thermoschalter (6) formschlüssig umhüllende Metallhülse (14) ausgebildet ist, auf deren Außenseite der Heizwiderstand (7) durch den Schrumpfschlauch (10) gepreßt wird.

4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrumpfschlauch (10) in dem mit dem temperaturempfind- lichen Bauteil (4) in Wärmekontakt stehenden Bereich dünner ausgebildet ist als in seinen übrigen Bereichen.