EP2497098A1 - Überspannungsschutzelement - Google Patents

Überspannungsschutzelement

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EP2497098A1
EP2497098A1 EP10790719A EP10790719A EP2497098A1 EP 2497098 A1 EP2497098 A1 EP 2497098A1 EP 10790719 A EP10790719 A EP 10790719A EP 10790719 A EP10790719 A EP 10790719A EP 2497098 A1 EP2497098 A1 EP 2497098A1
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EP
European Patent Office
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protection element
overvoltage
overvoltage protection
limiting component
heat
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EP10790719A
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Christian Depping
Rainer Durth
Gernot Finis
Thomas Meyer
Andreas Christ
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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    • H01H37/767—Normally open

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection element having a housing, having at least one overvoltage limiting component arranged in the housing, in particular a varistor or a gas-filled surge arrester, and having at least two connection elements for electrically connecting the overvoltage protection element to the current or signal path to be protected. wherein in the normal state of the overvoltage protection element, the connection elements are in each case in electrically conductive contact with one pole of the overvoltage limiting component.
  • an overvoltage protection element which has a thermal separation device for monitoring the state of a varistor.
  • the first connection element is connected via a flexible conductor to a rigid separation element whose end remote from the flexible conductor is connected via a solder joint to a connection lug provided on the varistor.
  • the other connection element is connected via a flexible conductor fixed to the varistor or a terminal lug on the varistor.
  • the separating element is acted upon by a spring system with a force which causes the separating element to move linearly away from the connecting lug during the separation of the soldering connection, so that the varistor is electrically cut off in the event of thermal overloading.
  • a remote signaling contact is actuated at the same time during the separation of the solder connection, whereby a remote monitoring of the state of the overvoltage protection element is possible.
  • an overvoltage protection element in which the monitoring of the state of a varistor according to the principle of a temperature switch, so that when overheating of the varistor a provided between the varistor and a separator solder joint is separated, resulting in a electrical disconnection of the varistor leads.
  • a plastic element is pushed by the restoring force of a spring from a first position to a second position in which the formed as a resilient metal tongue separating element is thermally and electrically separated from the varistor by the plastic element, so that a possibly between the metal tongue and the contact point of the varistor arcing arc is deleted. Since the plastic element has two color markers arranged side by side
  • BE3T ⁇ T.QUMGSKOP.E gene it also acts as an optical status indicator, whereby the state of the overvoltage protection element can be read directly on the spot.
  • overvoltage protection element with a thermal separation mechanism
  • one end of a rigid spring-loaded slider in the normal state of the overvoltage protection element is soldered both to the first connection element and to a connection lug connected to the varistor.
  • An inadmissible heating of the varistor also leads here to a heating of the solder joint, so that the slider is pulled due to the force acting on it a spring from the junction between the first terminal and the terminal lug, resulting in an electrical separation of the varistor.
  • DE 695 03 743 T2 discloses an overvoltage protection element with two varistors, which has two separating means which can individually separate the varistors at the end of their life.
  • the separating means each have a resilient separating tongue, wherein the first end of the separating tongue firmly connected to the first terminal and the second end of the separating tongue is attached in the normal state of the overvoltage protection element via a solder joint to a connecting tongue on the varistor. If there is an inadmissible heating of the varistor, this leads to a melting of the solder joint.
  • the separation tongue Since the separation tongue is deflected in the soldered state (normal state of the overvoltage protection element) from its rest position and thus biased, the free end of the separation tongue springs when softening the solder joint of the connecting tongue of the varistor, whereby the varistor is electrically disconnected.
  • the largest possible distance between the second end of the separation tongue and the connecting tongue of the overvoltage limiting component is achieved when pivoting the separation tongue.
  • the known overvoltage protection elements are generally designed as a "protective plug", which together with a device lower part form an overvoltage protection device.
  • a surge protection device which is intended to protect, for example, the phase-leading conductors L1, L2, L3 and the neutral conductor N and possibly also the earth conductor PE, corresponding terminals for the individual conductors are provided in the known surge protection devices on the device base. For easy mechanical and electrical the individual conductors provided.
  • the connecting elements are designed as plug pins in the overvoltage protection element, to which corresponding plug terminals connected to the connection terminals are arranged in the device lower part, so that the overvoltage protection element can be simply plugged onto the device lower part ,
  • overvoltage protection devices In such overvoltage protection devices, the installation and assembly by plugging the surge protection elements is very simple and time-saving feasible.
  • overvoltage protection devices partly still have a changeover contact as a signal transmitter for remote signaling of the state of at least one overvoltage protection element as well as an optical status indication in the individual overvoltage protection elements.
  • the status display indicates whether the overvoltage-limiting component arranged in the overvoltage protection element is still functional or not.
  • varistors are used as the surge-limiting component, although it is also possible to use gas-filled surge arresters, spark gaps or diodes depending on the intended use of the overvoltage protection element.
  • thermal separation devices which are based on the melting of a solder joint, have to fulfill several tasks.
  • a secure and good electrical connection between the first connection element and the overvoltage limiting component must be ensured.
  • the separation point must ensure a safe separation of the surge limiting component as well as a permanent insulation resistance and tracking resistance.
  • the problem here is, however, that the solder joint is permanently loaded with a shear stress in the normal state of the overvoltage protection element due to the spring force of the spring element or deflected from its rest position separating tongue.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an initially described overvoltage protection element, in which the aforementioned disadvantages are avoided. It should be both a safe and good electrical connection in the normal state as well as a safe separation of a defective overvoltage limiting component to be ensured.
  • overvoltage protection element in that within the housing, a thermally expandable material is arranged such that upon thermal overload of the overvoltage limiting component, the position of the overvoltage limiting component due to an expansion of the heat-expandable material relative to the position of the connection elements is variable so that at least one pole of the overvoltage limiting component is no longer in electrically conductive contact with the corresponding connection element.
  • the heat-expandable material which is preferably composed of a low-melting plastic, for example polyethylene (PE) or polypropylene (PP), and a propellant is in the normal state of the overvoltage protection element in a solid state.
  • a low-melting plastic for example polyethylene (PE) or polypropylene (PP)
  • PP polypropylene
  • a propellant is in the normal state of the overvoltage protection element in a solid state.
  • the heat-expandable material changes state of aggregation and becomes liquid. After exceeding a certain threshold temperature, the heat-expandable material reacts with a large volume increase; the heat-expandable material foams up.
  • This large increase in volume of the heat-expandable material caused by the temperature increase is used in the overvoltage protection element according to the invention to move the overvoltage-limiting component away from the connection elements so that the overvoltage-limiting component is electrically cut off.
  • the electrical contact between the connection elements and the poles of the surge-limiting component - as in principle from the prior Technology known - realized via a solder joint in the normal state of the overvoltage protection element, the poles of the overvoltage limiting component are each connected to the connection elements via a solder joint.
  • the solder joint then disconnects when the temperature of the overvoltage limiting component exceeds a predetermined limit temperature at which the force acting on the overvoltage limiting component by the expanding material is greater than the remaining holding force of the solder joints.
  • a shock-current carrying plug connection is provided instead of a solder connection.
  • both poles of the overvoltage limiting component are connected via a respective plug connection to a connection element.
  • the heat-expandable material arranged inside the housing assumes both the function of a sensor, which detects an inadmissible self-heating of the overvoltage-limiting component, and the function of an actuator, which moves the overvoltage-limiting component away from the connection elements under thermal overload.
  • the function of the sensor from the solder joint and the function of the actuator are taken over by the spring or the release agent deflected from its Ruhr layer.
  • one pole of the overvoltage limiting component is connected to a connection element via a solder joint, while the other pole is connected to the second connection element, for example via a plug connection or a flexible conductor.
  • one pole of the overvoltage limiting component is connected via a plug connection with a connection element, while the other pole is connected via a flexible conductor to the other connection element.
  • the overvoltage protection element according to the invention is designed so that both poles are separated from the connection elements in the event of thermal overloading of the overvoltage limiting component, so that after separation both poles of the overvoltage limiting component are no longer in electrical contact with the connection elements.
  • the two poles of the overvoltage limiting component are each electrically connected to a terminal lug or a pin. Due to the design of the terminal lugs or pins, both the solder joints and the connections between the poles of the overvoltage limiting component and the connection element can be realized easily.
  • the solder joints are each provided between a terminal lug or a connection pin and a connection element while, in the case of a plug connection, the connection elements have plug sockets on the side facing the connection lugs or the connection pins.
  • the housing has an outer housing and a housing disposed in the outer housing, on one side open inner housing, wherein the inner housing is displaceable relative to the outer housing.
  • the connection elements are fixedly connected to the outer housing, while the overvoltage limiting component is disposed within the inner housing.
  • the hood-shaped inner housing encloses the heat-expandable material in such a way that the inner housing with the overvoltage-limiting component is displaced relative to the outer housing - and thus also to the two connection elements - if the heat-expandable material expands.
  • the inner housing together with the overvoltage-limiting component arranged therein is pushed away from the connection elements so that the poles of the surge-limiting component are no longer in electrically conductive contact with the connection elements.
  • the overvoltage-limiting component is also displaced when the inner housing is displaced, it is preferably connected to the inner housing via a retaining element.
  • the holding element may be formed, for example, web-like and be attached with its two ends to the inner wall of the housing so that it extends in the transverse direction of the overvoltage limiting component.
  • an overvoltage protection element with an outer housing and an inner housing displaceably arranged in the outer housing
  • the change in position of the inner housing is used for optical indication of the state of the overvoltage limiting component.
  • the inner housing in the normal state of the overvoltage protection element, is arranged in its first position within the outer housing such that the upper side of the inner housing does not protrude beyond the upper side of the outer housing.
  • the inner housing In thermal overloading of the overvoltage protection element, however, the inner housing is moved due to the expanding material in a second position in which the top of the inner housing protrudes beyond the top of the outer housing. The displacements of the inner housing in case of thermal overload of the overvoltage protection element is thus used to display the functional status of the overvoltage protection element.
  • the housing has two electrically insulated holding elements, wherein in the normal state of the overvoltage protection element, the holding elements are each in electrical contact with a pole or a terminal pin or a terminal lug of the overvoltage limiting component.
  • the holding elements enclose the heat-expandable material, so that the overvoltage-limiting component is displaced relative to the holding elements in the event of unacceptable heating by the expanding material.
  • the surge limiting device is then no longer with the holding elements in electrically conductive contact and is electrically isolated.
  • the electrically conductive holding elements serve both as a housing for receiving the overvoltage limiting component and the heat-expandable material and as connecting elements for electrical connection of the poles of the overvoltage limiting component.
  • the electrically conductive contact between the poles or connected to the poles connecting tabs or pins of the surge arrester and serving as connecting elements holding elements can be realized both via a solder connection and via a plug connection, wherein in the realization of a connector in the connection area of Holding elements can be arranged to the terminal lugs or the pins corresponding female sockets.
  • Such an overvoltage protection element is suitable in particular when using a gas-filled surge arrester as a voltage-limiting component, wherein the surge arrester can be connected to the two holding elements, for example with a printed circuit board.
  • the overvoltage limiting component is pressed by thermal expansion of the expanding material either upwards - perpendicular to its longitudinal extent - or horizontally to the side.
  • the overvoltage-limiting component is pressed by the expanding material both upwards than to the side. In either case, the expansion of the heat-expandable material and the consequent change in position of the surge limiting component causes the poles of the overvoltage-limiting component to no longer be in electrically conductive contact with the holding elements.
  • the overvoltage Protective element in case of thermal overload of Studentsnapssbeskysky device in the forming gap between the at least one pole or a terminal tab or the one pin of the surge limiting component and the at least one connecting element penetrates, so that a when the electrical contact is broken, the arc is prevented from being extinguished by the insulating heat-expandable material.
  • At least one plastic part for example made of POM, may be arranged in the region of the connection elements, which is gassing when heated. If an arc occurs in the vicinity of the plastic part, it is extinguished by blowing it with an extinguishing gas, which is generated by the dissociation of the plastic part.
  • a fernübertragbare status display is provided, for which within the housing a telecommunications contact is arranged, which is actuated when the Position of Studentsnapssbeskynden device changed by the expanding material.
  • the heat-expandable material used in the overvoltage protection element according to the invention preferably has an activation temperature which is more than 80 ° C.
  • the activation temperature of the heat-expandable material i. H. see the temperature at which the material expands between 120 ° C and 150 ° C.
  • the activation temperature of the heat-expandable material is optimally adapted to the maximum permissible operating temperature of the overvoltage protection element, which is often about 80 ° C.
  • the surge limiting feature is intended to be moved away from its first position by the heat expandable material.
  • the volume increase of the heat-expandable material is preferably at least 200%, ie at least twice the volume of the heat-expandable material before it is activated. Since in the case of overload rapid disconnection of the surge-limiting component is required, the heat-expandable material is preferably designed such that that it has a response time of less than one second for activation.
  • the heat-expandable material preferably consists of a carrier material and a propellant.
  • a thermoplastic polymer which is preferably selected from the group consisting of: acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polyamides (PA), polylacetate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC) can be used in particular as a carrier agent.
  • PET Polyethylene terephthalate
  • polyolefins such as Polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyisobutylene (PIB), polybutylene (PB), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK), polyvinyl chloride (PVC), polybutylene terephthalate (PBT) and celluloid.
  • an elastomer having a low Shore A hardness can also be used as the carrier material, the Shore A hardness preferably being less than 20.
  • blowing agent either a chemically acting blowing agent or a physically acting blowing agent can be used.
  • a physically acting blowing agent which consists of the smallest hollow bodies filled with gases which are present in liquid phase.
  • a blowing agent is also referred to as microsphere.
  • the size of the hollow body is in the one to two-digit micrometer range.
  • the shell of the body is diffusion-tight and rigid below the activation temperature, but elastic when the activation temperature is reached. An increase in temperature causes a change in the phase of the liquid within the hollow bodies from liquid to gaseous, which leads to a very strong volume increase.
  • suitable choice of the liquid or of the gas while the activation temperature is adjustable, so that the blowing agent can be adapted to the particular application.
  • the proportion of the blowing agent is preferably about 5 to 15% in relation to the carrier material. With such a mixing ratio, a sufficiently good and practical volume increase of the heat-expandable material consisting of the carrier material and the blowing agent is achieved. Overall, such a volume multiplication by a factor of 5 can be achieved.
  • the support material is selected so that its softening temperature is of the order of the activation temperature of the blowing agent. Also from this point of view, polyethylene (PE) and polypropylene (PP) are particularly suitable as a carrier material. Depending on the application, the carrier material or the blowing agent is chosen so that the activation temperature of the blowing agent is greater or less than the softening temperature of the carrier material.
  • the activation temperature of the blowing agent is slightly lower than the softening temperature of the carrier material. This then leads to the fact that the blowing agent already begins with its reaction before the softening temperature of the carrier material is reached. As a result, a bias voltage is built up in the heat-expandable material, which leads to a very rapid volume increase when the softening temperature is reached.
  • a carrier material and a blowing agent is selected in which the activation temperature of the blowing agent is greater than the softening temperature of the carrier material, this leads to the carrier material already softening before the blowing agent reacts, so that the increase in volume of the material begins upon reaching the activation temperature and then ends when the maximum increase in volume has been reached or the activation temperature has fallen below again.
  • the process runs much slower than in the case when the activation temperature is lower than the softening temperature. Such a slower course of the process is suitable, for example, for changing an optical state indicator.
  • the heat-expandable material consists of two components, which are separated from each other in the non-activated state, wherein the components react with each other with an increase in volume when the separation is canceled.
  • the two components may be, for example, sodium bicarbonate on the one hand and an acid, for. Citric acid, on the other hand, which are initially separated from one another by a separating layer.
  • the two components react with each other, whereby gas is released, which leads to an increase in volume.
  • Similar reactions can also be achieved with multi-component polyurethanes or by means of fast-running oxidations, for example when a combustion process is ignited.
  • the heat-expandable material is designed so that the volume increase is irreversible.
  • the blowing agent and the carrier material it can also be achieved that the carrier material is transferred back to its starting state during cooling, so that the volume increase of the material can be reversed.
  • the activation of the heat-expandable material and in particular of the blowing agent depends on the heat input into the heat-expandable material, good heat coupling to the surge-limiting component to be monitored is required.
  • active heating can be provided by additional energy input from outside into the material.
  • a heating resistor may be embedded in the heat-expandable material, whose own power dissipation results in additional heating of the material.
  • a heat pipe or a conductor with high thermal conductivity, such as copper be embedded in the material.
  • additional heating of the heat-expandable material can also be achieved by adding conductive constituents, such as graphite powder or copper powder, to the material.
  • conductive constituents such as graphite powder or copper powder
  • an intrinsic conductivity of the material is achieved, so that the material is heated in full volume when a voltage is applied through the current flowing through the material.
  • the resistance increases because the number of conductive components per unit volume is reduced. Preferably, this results in a complete cessation of the current flow, whereby the additional heat input is switched off.
  • the invention also relates to the use of a heat-expandable material as a functional material for detecting an inadmissible heating of an electrical or electronic component, due to overloading or aging of the component, wherein the heat-expandable material expands when heated above a certain activation temperature and the expansion of the heat-expandable material, the electrical energy supply of the device is interrupted.
  • the component is preferably an overvoltage limiting component in an overvoltage protection element described above.
  • FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of an overvoltage protection element, in the normal state
  • Fig. 2 is a sectional view of the overvoltage protection element according to FIG.
  • FIG. 3 is a further sectional view of an overvoltage protection element according to FIG. 1, with a separated varistor, FIG.
  • FIG. 4 is a sectional view of a second embodiment of an overvoltage protection element, in the normal state
  • FIG. 5 is a plan view of the overvoltage protection element according to FIG. 4, in FIG.
  • FIG. 6 is a sectional view of the overvoltage protection element according to FIG.
  • FIG. 7 is a sectional view of a third embodiment of an overvoltage protection element, in the normal state
  • the figures show an overvoltage protection element 1 with a housing 2, wherein a surge-limiting component is arranged in the housing 2.
  • the overvoltage-limiting component is a varistor 3
  • the overvoltage protection element 1 according to FIGS. 4 to 12 is a gas-filled surge arrester 3 '.
  • the overvoltage protection element 1 which may be formed as a protective plug, has two connection elements 4, 5, which can be inserted into corresponding connection sockets of a device lower part, not shown here.
  • the connection elements 4, 5 are each connected to one pole of the varistor 3, so that the varistor 3 can be connected via the two connection elements 4, 5 to the current or signal path to be protected.
  • a heat-expandable material 6 which can be, for example, an intumescent material, is arranged in the housing 2, which is initially solid, but with increasing temperature changes its state of aggregation and becomes liquid.
  • the heat-expandable material 6 reacts with a large volume increase, i. the material 6 foams up and expands. This then causes the position of the varistor 3 or of the surge arrester 3 'to change relative to the position of the connecting diaphragms 4, 5, since the heat-expandable material 6 pushes the varistor 3 or the surge arrester 3' away from their first position.
  • the varistor 3 or the surge arrester 3 ' has been pushed away to the side and in the embodiment according to FIG. 9 to the side.
  • the overvoltage protection element 1 according to FIGS. 1 to 3 on the one hand and the overvoltage protection elements 1 according to FIGS. 4 to 12 on the other hand differ initially characterized by the fact that in the first embodiment as Kochwoodsbegrenzendes component, a varistor 3 is used, while in the other exemplary embodiments, a gas-filled surge arrester 3 'is used.
  • the overvoltage protection elements 1 still differ by the type of electrical contact between the varistor 3 and the connection elements 4, 5 on the one hand and the surge arrester 3 'and the connection elements 4, 5 on the other.
  • the two poles of the surge arrester 3 ' are connected to the two connection elements 4, 5 via one solder joint 7, 8, respectively, the two poles of the varistor 3 stand via a plug connection 9, 10 with the two connection elements 4, 5 in electrically conductive contact.
  • the two poles of the varistor 3 are connected via two connecting lugs 11, 12 with the connection elements 4, 5, wherein the connection elements 4, 5 each have a socket 13, 14 on the sides facing the connection lugs 11, 12.
  • the housing 2 has an outer housing 17 and an inner housing 18 which is displaceably arranged in the outer housing 17.
  • the underside of the inner housing 18 is open, so that the inner housing 18 encloses the varistor 3 and the heat-expandable material 6 like a hood. If there is a reduction in the impedance of the varistor 3 due to overloading or due to aging of the varistor 3, then an impermissible leakage current flows through the varistor 3, which leads to a heating of the varistor 3.
  • the varistor 3 is at least partially surrounded by the heat-expandable material 6, a self-heating of the varistor 3 also leads to a heating of the material 6, so that this greatly expands when a certain activation temperature is exceeded. This leads to an increase in pressure within the space enclosed by the outer housing 17 and the inner housing 18, so that the inner housing 18 is pushed upwards by the expanding material 6 when the holding force of the inner housing 18 within the outer housing 18 is increased. Ses 17 and the contact force between the terminal plates 11, 12 and the sockets 13, 14 is exceeded by the force of the expanding material 6.
  • the varistor 3 In order for the varistor 3 also to move upwards with the inner housing 18, the varistor 3 is connected to the inner housing 18 via a holding element 19, wherein the holding element 19 is arranged below the varistor 3 and in the illustration according to FIGS perpendicular to the plane of the drawing, that extends in the transverse direction of the varistor 3.
  • the inner housing 18 is thus guided like a piston in the outer housing 17, wherein a not shown in the figures stop ensures that the lifting movement of the inner housing 18 is limited upwards.
  • the inner housing 18 is in the normal state of the overvoltage protection element 1 in a first position within the outer housing 17, in which the upper side 20 of the inner housing 18 is substantially flush with the upper side 21 of the outer housing 17, then that the upper side 20 of the inner housing 18 does not protrude beyond the outer housing 17.
  • the inner housing 18 is in thermal overload of the overvoltage protection element 1 after the electrical separation of the varistor 3 in a - shown in Fig. 2 - second position in which the top 20 of the inner housing 18 extends beyond the top 21 of the outer housing 17.
  • the position of the inner housing 18 thus serves as an optical status indicator for indicating the state of the overvoltage protection element 1.
  • FIG. 3 shows the overvoltage protection element 1 according to FIG.
  • the resulting pressure is passed through a formed in the arranged under the varistor 3 holding element 19 opening 23 in the space formed by the outer housing 17, the inner housing 18 and the sealing film 22 space 24.
  • the resulting pressure in this space 24 then causes the inner housing 18 is pushed from its first position to its second position upwards, whereby the varistor 3 is moved away from the connection elements 4, 5, so that the connecting lugs 11, 12 not more with the sockets 13, 14 are in electrically conductive contact.
  • the overloaded varistor 3 is thus reliably and quickly disconnected.
  • the increased pressure existing in the space 24 can escape through the openings 25 formed in the outer housing 17.
  • the openings 25 are arranged in the outer housing 17 such that they are closed by the inner housing 18, as long as the inner housing 18 is not yet in its second position.
  • the housing 2 does not consist of an outer housing and an inner housing, but of two U-shaped retaining elements 26, 27 which, in addition to the accommodation of the heat-expandable material 6, also hold and contact the connection pins 15, 16 of the surge arrester 3 'serve in the normal state of the overvoltage protection element 1.
  • the two electrically insulated holding elements 26, 27 insulated from one another thus simultaneously serve as connection elements 4, 5 for the gas-filled surge arrester 3 '. It can be seen from FIG.
  • the two connection pins 15, 16 are no longer in electrically conductive contact with the holding elements 26, 27, so that the surge arrester 3' is no longer connected to the holding elements 26, 27 connected to be protected signal path.
  • the electrical connection of the holding elements 26, 27 with the signal path to be protected takes place in the exemplary embodiments according to FIGS. 4 to 12 in that the holding elements 26, 27 are connected to a printed circuit board 28.
  • FIGS. 1 to 3 basically a plug connection according to FIGS. 1 to 3 can also be provided.
  • the holding elements 26, 27 would have corresponding plug sockets on the sides facing the connection pins 15, 16. While in the embodiment according to FIGS. 4 to 6, the holding elements 26, 27 are formed and the heat-expandable material 6 is arranged between the holding elements 26, 27 such that upon thermal overload of the surge arrester 3 ', this is caused by the expanding material 6 upwards is pressed, the surge arrester 3 'is pushed away in the embodiment shown in FIGS. 7 to 9 by the expanding material 6 horizontally to the side.
  • an arc can occur, which in the case of an overvoltage protection element 1 can lead to an impermissible current also flowing in the actually disconnected state of the overvoltage-limiting component via the arc.
  • Such an arc is in the embodiment shown in Fig. 2 prevents the overvoltage protection element 1 that the expanding heat-expandable material 6 in thermal overload of the varistor 3 in the forming gap between the terminal lugs 1 1, 12 and the sockets 13, 14 penetrates.
  • Possible switching arcs are erased by the foaming of the connecting lugs 1 1, 12. This also applies correspondingly to the left connection pin 15 of the surge arrester 3 'shown in FIG. 9.
  • the two connection elements 4, 5 are surrounded by a plastic part 29 in that it is gaseous with a pending arc.
  • the dissociation of the plastic parts 29 thus produces a blowing out of the arc, as a result of which the arc is extinguished.
  • conductive particles 30 are arranged in the heat-expandable material 6, which can be, for example, graphite powder or copper powder.
  • the heat-expandable material 6 can be, for example, graphite powder or copper powder.
  • the material 6 reaches its activation temperature, there is an increase in volume, which also leads to a reduction in the number of conductive components per unit volume, so that as the volume increases, the conductivity of the material 6 decreases, preferably to such an extent that at maximum Volume increase no current flows through the material 6.
  • a heat pipe 31 or a resistance wire 32 is embedded in the heat-expandable material 6, which also causes additional heating of the material 6 when a current flows through the heat pipe 31 or the resistance wire 32 .
  • the connections of the heat pipe 31 and the resistance wire 32 can either - as shown in FIGS. 11 and 12 shown - be led out separately or connected to the connection elements 4, 5.
  • the current via the surge arrester 3 ' is also used for additional heating of the heat-expandable material 6 by the heat pipe 31 or the resistance wire 32.
  • heat-expandable material 6 can be used not only for an overvoltage protection element 1 with a gas-filled surge arrester 3 'according to FIG. 6, but also for an overvoltage protection element 1 with a varistor 3 according to FIG.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse (2), mit einem in dem Gehäuse (2) angeordneten Überspannungsbegrenzenden Bauelement (3, 3'), insbesondere einem Varistor oder einem gasgefüllten Überspannungsableiter, und mit zwei Anschlusselementen (4, 5) zum elektrischen Anschluss des Überspannungsschutzelements (1) an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad, wobei im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) die Anschlusselemente (4, 5) jeweils mit einem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Bei dem erf?ndungsgemäßen Überspannungsschutzelement (1) ist sowohl eine sichere und gute elektrische Verbindung im Normalzustand als auch eine sichere Abtrennung eines defekten Überspannungsbegrenzenden Bauelements dadurch gewährleistet, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein wärmeausdehnbares Material (6) derart angeordnet ist, dass sich bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') die Position des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') aufgrund einer Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials (8) relativ zur Position der Anschlusselemente (4, 5) so veränderbar ist, dass mindestens ein Pol des überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement (4, 5) in elektrisch leitendem Kontakt steht.

Description

Überspannungsschutzelement
Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse, mit mindestens einem in dem Gehäuse angeordneten Überspannungsbegrenzenden Bau- element, insbesondere einem Varistor oder einem gasgefüllten Überspannungsablei- ter, und mit mindestens zwei Anschlusselementen zum elektrischen Anschluss des Überspannungsschutzelements an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad, wobei im Normalzustand des Überspannungsschutzelements die Anschlusselemente jeweils mit einem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Aus der DE 42 41 31 1 AI ist ein Überspannungsschutzelement bekannt, das zur Überwachung des Zustands eines Varistors eine thermische Abtrennvorrichtung aufweist. Bei diesem Überspannungsschutzelement ist das erste Anschlusselement über einen flexiblen Leiter mit einem starren Trennelement verbunden, dessen dem flexiblen Leiter abgewandtes Ende über eine Lötstelle mit einer am Varistor vorgesehenen Anschlussfahne verbunden ist. Das andere Anschlusselement ist über einen flexiblen Leiter fest mit dem Varistor bzw. einer Anschlussfahne am Varistor verbunden. Das Trennelement wird von einem Federsystem mit einer Kraft beauf- schlagt, die dazu führt, dass das Trennelement beim Auftrennen der Lötverbindung von der Anschlussfahne linear wegbewegt wird, so dass der Varistor bei thermischer Überlastung elektrisch abgetrennt wird. Über das Federsystem wird beim Auftrennen der Lötverbindung gleichzeitig ein Fernmeldekontakt betätigt, wodurch eine Fernüberwachung des Zustandes des Überspannungsschutzelements möglich ist.
Auch aus der DE 20 2004 006 227 Ul ist ein Überspannungsschutzelement bekannt, bei dem die Überwachung des Zustands eines Varistors nach dem Prinzip eines Temperaturschalters erfolgt, so dass bei Überhitzung des Varistors eine zwischen dem Varistor und einem Trennelement vorgesehene Lötverbindung aufgetrennt wird, was zu einem elektrischen Abtrennen des Varistors führt. Außerdem wird beim Auftrennen der Lötverbindung ein Kunststoffelement durch die Rückstellkraft einer Feder aus einer ersten Position in eine zweite Position geschoben, in der das als federnde Metallzunge ausgebildete Trennelement durch das Kunststoffelement thermisch und elektrisch vom Varistor getrennt ist, so dass ein eventuell zwischen der Metallzunge und der Kontaktstelle des Varistors anstehender Lichtbogen gelöscht wird. Da das Kunststoffelement zwei nebeneinander angeordnete farbige Markierun-
BE3TÄT.QUMGSKOP.E gen aufweist, fungiert es zusätzlich als optische Zustandsanzeige, wodurch der Zustand des Überspannungsschutzelements direkt vor Ort abgelesen werden kann.
Aus der DE 699 04 274 T2 ist ebenfalls ein Überspannungsschutzelement mit einem thermischen Abtrennmechanismus bekannt. Bei diesem Überspannungsschutzelement ist ein Ende eines starren federbelasteten Schiebers im Normalzustand des Überspannungsschutzelements sowohl mit dem ersten Anschlusselement als auch mit einer mit dem Varistor verbundenen Anschlussfahne verlötet. Eine unzulässige Erwärmung des Varistors führt auch hier zu einer Erwärmung der Lötstelle, so dass der Schieber aufgrund der an ihm angreifenden Kraft einer Feder aus der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Anschlusselement und der Anschlussfahne gezogen wird, was zu einer elektrischen Abtrennung des Varistors führt.
Die DE 695 03 743 T2 offenbart ein Überspannungsschutzelement mit zwei Varisto- ren, das zwei Trennmittel aufweist, die die Varistoren jeweils an ihrem Lebensende einzeln abtrennen können. Die Trennmittel weisen jeweils eine federnde Trennzunge auf, wobei das erste Ende der Trennzunge mit dem ersten Anschluss fest verbunden und das zweite Ende der Trennzunge im Normalzustand des Überspannungsschutzelements über eine Lötstelle an einer Verbindungszunge am Varistor befestigt ist. Kommt es zu einer unzulässigen Erwärmung des Varistors, so führt dies zu einem Aufschmelzen der Lötverbindung. Da die Trennzunge im angelöteten Zustand (Normalzustand des Überspannungsschutzelements) aus ihrer Ruhelage ausgelenkt und somit vorgespannt ist, federt das freie Ende der Trennzunge beim Erweichen der Lötverbindung von der Verbindungszunge des Varistors weg, wodurch der Varistor elektrisch abgetrennt wird. Um die geforderte Isolations- und Kriechstromfestigkeit zu gewährleisten und einen beim Öffnen der Trennstelle entstehenden Lichtbogen zu löschen, ist es erforderlich, dass beim Verschwenken der Trennzunge ein möglichst großer Abstand zwischen dem zweiten Ende der Trennzunge und der Verbindungszunge des Überspannungsbegrenzenden Bauelement erzielt wird.
Die bekannten Überspannungsschutzelemente sind in der Regel als "Schutzstecker" ausgebildet, die zusammen mit einem Geräteunterteil ein Überspannungsschutzgerät bilden. Zur Installation eines derartigen Überspannungsschutzgeräts, welches beispielsweise die phasenführenden Leiter L1, L2, L3 sowie den Neutralleiter N und gegebenenfalls auch den Erdleiter PE schützen soll, sind bei den bekannten Überspannungsschutzgeräten am Geräteunterteil entsprechende Anschlussklemmen für die einzelnen Leiter vorgesehen. Zur einfachen mechanischen und elektrischen die einzelnen Leiter vorgesehen. Zur einfachen mechanischen und elektrischen Kon- taktierung des Geräteunterteils mit dem jeweiligen Überspannungsschutzelement sind bei dem Überspannungsschutzelement die Anschlusselemente als Steckerstifte ausgebildet, zu denen im Geräteunterteil korrespondierende, mit den Anschluss- klemmen verbundene Steckerbuchsen angeordnet sind, so dass das Überspannungsschutzelement einfach auf das Geräteunterteil aufsteckbar ist.
Bei derartigen Überspannungsschutzgeräten ist die Installation und Montage durch die Steckbarkeit der Überspannungsschutzelemente sehr einfach und zeitsparend durchführbar. Zusätzlich weisen derartige Überspannungsschutzgeräte teilweise noch einen Wechselkontakt als Signalgeber zur Fernmeldung des Zustands mindestens eines Überspannungsschutzelements sowie eine optische Zustandsanzeige in den einzelnen Überspannungsschutzelementen auf. Über die Zustandsanzeige wird angezeigt, ob das in dem Überspannungsschutzelement angeordnete überspannungs- begrenzende Bauelement noch funktionstüchtig ist oder nicht. Als Überspannungsbegrenzendes Bauelement werden dabei insbesondere Varistoren verwendet, wobei jedoch je nach Einsatzzweck des Überspannungsschutzelements auch gasgefüllte Überspannungsabieiter, Funkenstrecken oder Dioden eingesetzt werden können. Die zuvor beschriebenen, bei den bekannten Überspannungsschutzelementen verwendeten, thermische Abtrennvorrichtungen, die auf dem Aufschmelzen einer Lötverbindung beruhen, haben mehrere Aufgaben zu erfüllen. Im Normalzustand des Überspannungsschutzelements, d. h. im nicht getrennten Zustand, muss eine sichere und gute elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusselement und dem Überspannungsbegrenzenden Bauelement gewährleistet sein. Beim Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur muss die Trennstelle eine sichere Abtrennung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements sowie eine dauerhafte Isolationsfestigkeit und Kriechstromfestigkeit gewährleisten. Problematisch ist dabei jedoch, dass die Lötverbindung aufgrund der Federkraft des Federelements oder der aus ihrer Ruhe- läge ausgelenkten Trennzunge im Normalzustand des Überspannungsschutzelements dauerhaft mit einer Scherspannung belastet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs beschriebenes Überspannungsschutzelement zur Verfügung zu stellen, bei welchem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden. Dabei soll sowohl eine sichere und gute elektrische Verbindung im Normalzustand als auch eine sichere Abtrennung eines defekten Überspannungsbegrenzenden Bauelements gewährleistet sein.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsschutzelement dadurch gelöst, dass innerhalb des Gehäuses ein wärmeausdehnbares Material derart angeordnet ist, dass bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements die Position des Überspannungsbegrenzenden Bauelements aufgrund einer Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials relativ zur Position der Anschlusselemente so veränderbar ist, dass mindestens ein Pol des überspannungsbe- grenzenden Bauelements nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Das wärmeausdehnbare Material, welches sich vorzugsweise aus einem niedrig schmelzenden Kunststoff, beispielsweise Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), und einem Treibmittel zusammensetzt, befindet sich im Normalzustand des Überspannungsschutzelements in einem festen Zustand. Erhöht sich die Temperatur des wärmeausdehnbaren Materials aufgrund einer erhöhten Eigenerwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements, so ändert das wärmeausdehnbare Material seinen Aggregatzustand und wird flüssig. Nach Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur reagiert das wärmeausdehnbare Material mit einer starken Volumenzunahme; das wärmeausdehnbare Material schäumt auf. Diese durch den Temperaturanstieg hervorgerufene starke Volumenzunahme des wärmeausdehnbare Materials wird bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement dazu genutzt, das Überspannungsbegrenzende Bauelement von den Anschlusselementen wegzube- wegen, so dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement elektrisch abgetrennt wird.
Da das wärmeausdehnbare Material erst bei einer entsprechenden Erwärmung, d. h. bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements, aktiviert wird, wird der elektrische Kontakt zwischen den Anschlusselementen und den Polen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements im Normalzustand durch das wärmeausdehnbare Material mechanisch nicht beansprucht.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements wird der elektrische Kontakt zwischen den Anschlusselementen und den Polen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements - wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt - über eine Lötverbindung realisiert. Hierzu sind im Normalzustand des Überspannungsschutzelements die Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements jeweils über eine Lötstelle mit den Anschlusselementen verbunden. Dabei trennt die Lötverbindung dann auf, wenn die Temperatur des überspannungsbegren- zenden Bauelements eine vorgegebene Grenztemperatur überschreitet, bei der die durch das sich ausdehnende Material auf das Überspannungsbegrenzende Bauelement wirkende Kraft größer ist als die noch verbleibende Haltekraft der Lötstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungs- schutzelements ist jedoch anstelle einer Lötverbindung eine stoßstromtragfähige Steckverbindung vorgesehen. Hierzu sind im Normalzustand des Überspannungsschutzelements beide Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements über jeweils eine Steckverbindung mit einem Anschlusselement verbunden. Hierbei übernimmt das innerhalb des Gehäuses angeordnete wärmeausdehnbare Material sowohl die Funktion eines Sensors, der eine unzulässigen Eigenerwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements detektiert, als auch die Funktion eines Aktors, der das Überspannungsbegrenzenden Bauelement bei thermischer Überlastung von den Anschlusselementen wegbewegt. Im Unterschied dazu wird bei den bekannten Überspannungsschutzelementen, die auf dem Aufschmelzen einer Lötverbindung beru- hen, die Funktion des Sensors von der Lötstelle und die Funktion des Aktors von der Feder oder dem aus seiner Ruhrlage ausgelenkten Trennmittel übernommen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass ein Pol des Überspannungsbegrenzungen Bauelements über eine Lötstelle mit einem Anschlusselement verbunden ist, wäh- rend der andere Pol beispielsweise über eine Steckverbindung oder einen flexiblen Leiter mit dem zweiten Anschlusselement verbunden ist. Ebenso ist es auch möglich, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements ein Pol des überspan- nungsbegrenzenden Bauelements über ein Steckverbindung mit einem Anschlusselement verbunden ist, während der andere Pol über einen flexiblen Leiter mit dem anderen Anschlusselement verbunden ist. Ist ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements über einen flexiblen Leiter mit einem Anschlusselement verbunden, so führt dies dazu, dass bei der Positionsveränderung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements aufgrund der Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials nur ein Pol nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elekt- risch leitendem Kontakt steht, was jedoch gleichwohl dazu führt, dass das über- spannngsbegrenzende Bauelement elektrisch abgetrennt wird. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement jedoch so ausgebildet, dass bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements beide Pole von den Anschlusselementen getrennt werden, so dass nach erfolgter Abtrennung beide Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements mit den Anschlusselementen nicht mehr in elektrischem Kontakt stehen. Durch die Ausbildung von zwei Trennstellen wird das Verlöschen eines evtl. auftretenden Lichtbogens begünstigt, da die beiden Trennstellen eine Reihenschaltung bilden, so dass sich durch die Reihenschaltung der beiden Trennstellen die gesamte Lichtbogenlänge und damit auch die Lichtbogenbrennspannung vergrößert. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn - wie zuvor bereits ausgeführt - beide Pole des überspannungsbgerenzenden Bauelements über jeweils eine Steckverbindung mit einem Anschlusselement verbunden sind, da dann das Auftrennen der elektrischen Verbindung in erster Linie von dem Temperaturverhalten des wärmeausdehnbaren Materials und nicht (auch) von dem Auftrennverhalten einer Lötstelle abhängt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements sind die beiden Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements jeweils mit einer Anschlusslasche oder einem Anschlussstift elektrisch leitend verbunden. Durch die Ausbildung der Anschlusslaschen bzw. Anschlussstifte lassen sich sowohl die Lötverbindungen als auch die Steckverbindungen zwischen den Polen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und den Anschlusselements einfach realisieren. Im ersten Fall sind die Lötstellen jeweils zwischen einer Anschlusslasche bzw. einem Anschlussstift und einem Anschlusselement vorgesehen während bei einer Steckverbindung die Anschlusselemente auf der den Anschlussla- sehen oder den Anschlussstiften zugewandten Seite Steckerbuchsen aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse ein Außengehäuse und ein im Außengehäuse angeordnetes, einseitig offenes Innengehäuse auf, wobei das Innengehäuse relativ zum Außengehäuse verschiebbar ist. Die Anschlusselemente sind dabei ortsfest mit dem Außengehäuse verbunden, während das Überspannungsbegrenzende Bauelement innerhalb des Innengehäuses angeordnet ist. Im Normalzustand des Überspannungsschutzelements umschließt dabei das haubenförmige Innengehäuse das wärmeausdehnbare Material derart, dass das Innengehäuse mit dem Überspannungsbegrenzenden Bauelements bei einer Aus- dehnung des wärmeausdehnbaren Materials relativ zum Außengehäuse - und damit auch zu den beiden Anschlusselemente - verschoben wird. Durch das sich aufgrund einer Erwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements aktivierte wärmeausdehnbare Material wird somit das Innengehäuse zusammen mit dem darin angeordneten Überspannungsbegrenzenden Bauelements von den Anschlusselementen weggedrückt, so dass die Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit den Anschlusselementen in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Um sicherzustellen, dass bei einer Verschiebung des Innengehäuses auch das über- spannungsbegrenzende Bauelement mit verschoben wird, ist dieses vorzugsweise über ein Halteelement mit dem Innengehäuse verbunden. Das Halteelement kann da- bei beispielsweise stegartig ausgebildet und mit seinen beiden Enden an der Innenwand des Gehäuses befestigt sein, so dass es sich in Querrichtung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements erstreckt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Überspannungs- schutzelements mit einem Außengehäuse und einem in dem Außengehäuse verschiebbar angeordneten Innengehäuse, wird die Positionveränderung des Innengehäuses zur optischen Anzeige des Zustandes des Überspannungsbegrenzenden Bauelements genutzt. Hierzu ist das Innengehäuse im Normalzustand des Überspannungsschutzelements in seiner ersten Position innerhalb des Außengehäuses so an- geordnet, dass die Oberseite des Innengehäuses nicht über die Oberseite des Außengehäuses hinausragt. Bei thermischer Überlastung des Überspannungsschutzelements wird das Innengehäuse dagegen aufgrund des sich ausdehnenden Materials in eine zweite Position verschoben, in der die Oberseite des Innengehäuses über die Oberseite des Außengehäuses hinausragt. Die Verschiebungen des Innengehäuses bei thermischer Überlastung des Überspannungsschutzelements wird somit zur Anzeige des Funktionsstatus des Überspannungsschutzelements genutzt.
Gemäß einer alternativen konstruktiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements weist das Gehäuse zwei voneinander isolierte, elektrisch leitende Halteelemente auf, wobei im Normalzustand des Überspannungsschutzelements die Halteelemente jeweils mit einem Pol bzw. einem Anschlussstift oder einer Anschlusslasche des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Dabei umschließen die Halteelemente das wärmeausdehnbare Material, so dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement bei einer unzulässigen Erwärmung durch das sich ausdehnende Material relativ zu den Halteelementen verschoben wird. Das Überspannungsbegrenzende Bauelement steht dann nicht mehr mit den Halteelementen in elektrisch leitendem Kontakt und ist elektrisch abgetrennt. Bei dieser Ausfuhrungsvariante dienen die elektrisch leitenden Halteelemente sowohl als Gehäuse zur Aufnahme des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und des wärmeausdehnbaren Materials als auch als Anschlusselemente zum elektri- sehen Anschluss der Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements.
Der elektrisch leitende Kontakt zwischen den Polen bzw. den mit den Polen verbundenen Anschlusslaschen oder Anschlussstiften des Überspannungsabieiters und den als Anschlusselemente dienenden Halteelementen kann dabei sowohl über eine Löt- Verbindung als auch über eine Steckverbindung realisiert sein, wobei bei der Realisierung einer Steckverbindung im Anschlussbereich der Halteelemente zu den Anschlusslaschen oder den Anschlussstiften korrespondierende Steckerbuchsen angeordnet sein können. Ein derartiges Überspannungsschutzelement eignet sich insbesondere bei der Verwendung eines gasgefüllten Überspannungsabieiters als über- spannungsbegrenzendes Bauelement, wobei der Überspannungsabieiter über die beiden Halteelemente beispielsweise mit einer Leiterplatte verbunden werden kann.
Je nach Ausgestaltung der Halteelemente und je nach Anordnung des überspan- nungsbegrenzenden Bauelements sowie des wärmeausdehnbaren Materials zwischen den Halteelementen wird das Überspannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung durch das sich ausdehnende Material entweder nach oben - senkrecht zu seiner Längserstreckung - oder horizontal zur Seite gedrückt. Selbstverständlich ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei der das überspannungsbegrenzen- de Bauelement durch das sich ausdehnende Material sowohl nach oben als zur Seite gedrückt wird. In jedem Fällen wird durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials und die sich daraus ergebende Positionsveränderung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements dafür gesorgt, dass die Pole des überspannungsbegren- zenden Bauelements nicht mehr mit den Haltelementen in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Um eine hohe Isolations- und Kriechstromfestigkeit zu gewährleisten und einen beim Öffnen der Kontakte zwischen den Polen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und den Anschlusselementen entstehenden Lichtbogen zu löschen, muss im Stande der Technik ein möglichst großer Abstand zwischen den Polen bzw. den Anschlusslaschen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und den Anschlusselementen erzielt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungs- schutzelement ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass das wärmeausdehnbare Material bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in den sich bildenden Zwischenraum zwischen dem mindestens einen Pol bzw. der einen Anschlusslasche oder dem einen Anschlussstift des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und dem mindestens einen Anschlusselement eindringt, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts entstehender Lichtbogen durch das isolierende wärmeausdehnbare Material unterbunden bzw. gelöscht wird. Alternativ oder zusätzlich dazu kann im Bereich der Anschlusselemente mindestens ein Kunststoffteil, beispielsweise aus POM, angeordnet sein, das bei Erwärmung gasend ist. Tritt in der Nähe des Kunststoffteils ein Lichtbogen auf, so wird dieser durch Beblasen mit einem Löschgas gelöscht, welches über die Dissoziation des Kunststoffteils erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Über- spannungsschutzelements, die hier noch kurz erwähnt werden soll, ist alternativ oder zusätzlich zu der zuvor beschriebenen optischen Zustandsanzeige eine fernübertragbare Zustandsanzeige vorgesehen, wozu innerhalb des Gehäuses ein Fernmeldekontakt angeordnet ist, der betätigt wird, wenn sich die Position des Überspannungsbegrenzenden Bauelements durch das sich ausdehnende Material verändert.
Das bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement verwendete wärmeausdehnbare Material weist vorzugsweise eine Aktivierungstemperatur auf, die mehr als 80°C beträgt. Vorzugsweise liegt die Aktivierungstemperatur des wärmeausdehnbaren Materials, d. h. die Temperatur, bei der sich das Material ausdehnt, zwi- sehen 120° C und 150° C. Damit ist die Aktivierungstemperatur des wärmeausdehnbaren Materials optimal an die maximal zulässige Betriebstemperatur des Überspannungsschutzelements, die häufig bei etwa 80° C liegt, angepasst.
Wie zuvor bereits ausgeführt, soll das Überspannungsbegrenzende Bauelement durch das wärmeausdehnbare Material aus seiner ersten Position weg bewegt werden. Erwünscht ist somit eine deutliche Ausdehnung des Materials, wenn dieses seine Aktivierungstemperatur erreicht hat. Die Volumenzunahme des wärmeausdehnbaren Materials beträgt dabei vorzugsweise mindestens 200 %, d. h. mindestens das zweifache des Volumens des wärmeausdehnbaren Materials vor dessen Aktivierung. Da im Überlastfall eine schnelle Abtrennung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements erforderlich ist, ist das wärmeausdehnbare Material vorzugsweise so ausgebildet, dass es eine Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde für die Aktivierung aufweist.
Um die zuvor genannten Randbedingungen, d. h. die gewünschte Aktivierungstem- peratur, die Volumenzunahme und die Reaktionszeit zu erreichen, besteht das wärmeausdehnbare Material vorzugsweise aus einem Trägermaterial und einem Treibmittel. Als Trägermittel kann dabei insbesondere ein thermoplastisches Polymer verwendet werden, welches vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe aufweisend: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylacetat (PLA), Poly- methylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Po- lyolefine, wie z.B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyisobutylen (PIB), Po- lybutylen (PB), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylenterephtalat (PBT) und Celluloid. Alternativ dazu kann auch ein Elastomer mit einer geringen Shore-A Härte als Trägermaterial verwendet werden, wobei die Shore-A Härte vorzugsweise kleiner als 20 ist.
Als Treibmittel kann entweder ein chemisch wirkendes Treibmittel oder ein physikalisch wirkendes Treibmittel eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein physikalisch wirkendes Treibmittel eingesetzt, das aus kleinsten Hohl- körpern besteht, die mit Gasen gefüllt sind, die in Flüssigphase vorliegen. Ein derartiges Treibmittel wird auch als Mikrosphäre bezeichnet. Die Größe der Hohlkörper liegt dabei im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich. Die Hülle der Körper ist diffusionsdicht und unterhalb der Aktivierungstemperatur starr, bei Erreichung der Aktivierungstemperatur jedoch elastisch. Ein Temperaturanstieg verursacht einen Pha- senwechsel der Flüssigkeit innerhalb der Hohlkörper von flüssig nach gasförmig, was zu einer sehr starken Volumenzunahme führt. Durch geeignete Wahl der Flüssigkeit bzw. des Gases ist dabei die Aktivierungstemperatur einstellbar, so dass das Treibmittel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. Der Anteil des Treibmittels beträgt vorzugsweise etwa 5 bis 15 % im Verhältnis zum Trägermaterial. Bei einem derartigen Mischungsverhältnis wird eine hinreichend gute und praxisgerechte Volumenzunahme des wärmeausdehnbaren Materials, bestehend aus dem Trägermaterial und dem Treibmittel, erreicht. Insgesamt ist so eine Volumenvervielfachung um den Faktor 5 erreichbar. Das Trägermaterial ist so ausgewählt, dass dessen Erweichungstemperatur in der Größenordnung der Aktivierungstemperatur des Treibmittels liegt. Auch unter diesem Gesichtspunkt eignen sich Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) besonders gut als Trägermaterial. Je nach Anwendungsfall wird das Trägermaterial bzw. das Treibmittel dabei so gewählt, dass die Aktivierungstemperatur des Treibmittels größer oder kleiner als die Erweichungstemperatur des Trägermaterials ist. Für Anwendungen, die ein möglichst schnelles Abtrennen eines Bauteils oder das Betätigen eines Schalters erfordern, ist es vorteilhaft, wenn die Aktivierungstemperatur des Treibmittels etwas geringer als die Erweichungstemperatur des Trägermaterials ist. Dies führt dann dazu, dass das Treibmittel bereits mit seiner Reaktion beginnt, bevor die Erweichungstemperatur des Trägermaterials erreicht ist. Dadurch wird in dem wärmeausdehnbaren Material eine Vorspannung aufgebaut, was bei Erreichung der Erweichungstemperatur zu einer sehr schnellen Volumenzunahme führt. Wird ein Trägermaterial und ein Treibmittel gewählt, bei denen die Aktivierungstemperatur des Treibmittels größer als die Erweichungstemperatur des Trägermaterials ist, so führt dies dazu, dass das Trägermaterial bereits erweicht, bevor das Treibmittel reagiert, so dass die Volumenzunahme des Materials mit Erreichung der Aktivierungstemperatur beginnt und dann endet, wenn die maximale Volumenzunahme erreicht ist oder die Aktivierungstemperatur wieder unterschritten wird. Der Prozess verläuft dabei deutlich langsamer als bei dem Fall, wenn die Aktivierungstemperatur geringer als die Erweichungstemperatur ist. Ein solcher langsamerer Verlauf des Prozesses eignet sich beispielsweise zur Veränderung einer optischen Zustandsan- zeige. Zur Änderung einer optischen Zustandsanzeige durch die Volumenzunahme eines wärmeausdehnbaren Materials kann eine Materialkombination aus Treibmitteln mit verschiedenen Aktivierungstemperaturen verwendet werden, wodurch eine stufenweise Änderung der Zustandsanzeige in Abhängigkeit von der jeweils aufgetretenen Temperatur möglich ist. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung besteht das wärmeausdehnbare Material aus zwei Komponenten, die im nicht aktivierten Zustand voneinander getrennt sind, wobei die Komponenten miteinander unter Volumenzunahme reagieren, wenn die Trennung aufgehoben ist. Bei den beiden Komponenten kann es sich beispielsweise um Natriumhydrogencarbonat einerseits und eine Säure, z. B. Zitronensäure, ande- rerseits handeln, die zunächst voneinander durch eine Trennschicht getrennt sind. Wird die Trennung aufgehoben, beispielsweise durch mechanische oder thermische Einwirkung, so reagieren die beiden Komponenten miteinander, wobei Gas frei wird, was zu einer Volumenzunahme führt. Ähnliche Reaktionen sind auch mit Mehr- Komponenten Polyurethanen oder mittels schnell ablaufender Oxidationen, beispielsweise bei Zündung eines Verbrennungsprozesses, erreichbar.
In der Regel ist das wärmeausdehnbare Material so ausgebildet, dass die Volumenzunahme irreversibel ist. Durch eine geeignete Auswahl und Anordnung des Treibmittels und des Trägermaterials kann jedoch auch erreicht werden, dass das Trägermaterial bei einer Abkühlung das Treibmittel wieder in seinen Ausgangszustand überführt wird, so dass die Volumenzunahme des Materials rückgängig gemacht werden kann.
Da die Aktivierung des wärmeausdehnbaren Materials und insbesondere des Treibmittels von der Wärmeeinbringung in das wärmeausdehnbare Material abhängig ist, ist eine gute Wärmeankopplung an das zu überwachende Überspannungsbegrenzende Bauelement erforderlich. Um die Wärmeeinbringung in das wärmeausdehnbare Material zu erhöhen bzw. zu verbessern kann eine aktive Erwärmung durch zusätzlichen Energieeintrag von außen in das Material vorgesehen sein. Hierzu kann in dem wärmeausdehnbaren Material beispielsweise ein Heizwiderstand eingebettet sein, dessen eigene Verlustleistungsabgabe zu einer zusätzlichen Erwärmung des Materials führt. Alternativ dazu kann auch eine Heatpipe oder ein Leiter mit großer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer, in dem Material eingebettet sein. Schließlich kann eine zusätzliche Erwärmung des wärmeausdehnbaren Ma- terials auch dadurch erreicht werden, dass dem Material leitfähige Bestandteile, wie beispielsweise Graphitpulver oder Kupferpulver beigemischt sind. Dadurch wird eine Eigenleitfähigkeit des Materials erreicht, so dass das Material bei Anliegen einer Spannung durch den durch das Material fließenden Strom vollvolumig aufgeheizt wird. Mit der bei Erreichen der Aktivierungstemperatur beginnenden Volumenzu- nähme des Materials erhöht sich dabei der Widerstand, da sich die Anzahl der leitfähigen Komponenten pro Volumeneinheit reduziert. Vorzugsweise kommt es dadurch zu einem vollständigen Erliegen des Stromflusses, wodurch die zusätzliche Wärmeeinbringung abgeschaltet wird. Neben dem zuvor beschriebenen Überspannungsschutzelement betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funkti- onswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements, aufgrund einer Überlastung oder einer Alterung des Bauelements, wobei sich das wärmeausdehnbare Material bei einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt und durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials die elektrische Energiezufuhr des Bauelements unterbrochen wird. Bei dem Bauelement handelt es sich vorzugsweise um ein Überspannungsbegrenzendes Bauelement in einem zuvor beschriebenen Überspannungsschutzelement.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsschutzelements, im Normalzustand,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Überspannungsschutzelements gemäß Fig.
1 , mit einem abgetrennten Varistor,
Fig. 3 eine weitere Schnittdarstellung eines Überspannungsschutzelements gemäß Fig. 1 , mit einem abgetrennten Varistor,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsschutzelements, im Normalzustand,
Fig. 5 eine Draufsicht des Überspannungsschutzelements gemäß Fig. 4, im
Normalzustand,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung des Überspannungsschutzelements gemäß Fig.
4, mit einem abgetrennten Überspannungsabieiter,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsschutzelements, im Normalzustand,
Fig. 8 das Überspannungsschutzelement gemäß Fig. 7, in der Draufsicht, Fig. 9 das Überspannungsschutzelement gemäß Fig. 8, mit einem abgetrennten Überspannungsabieiter, in der Draufsicht,
Fig. 10 - 12 drei Varianten des Überspannungsschutzelements gemäß Fig. 6, mit ei- nem abgetrennten Überspannungsabieiter
Die Figuren zeigen ein Überspannungsschutzelement 1 mit einem Gehäuse 2, wobei in dem Gehäuse 2 ein Überspannungsbegrenzendes Bauelement angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 handelt sich es bei dem überspan- nungsbegrenzenden Bauelement um einen Varistor 3, während es sich bei dem Überspannungsschutzelement 1 gemäß den Fig. 4 bis 12 um einen gasgefüllten Über- spannungsableiter 3' handelt.
Das Uberspannungsschutzelement 1 gemäß den Fig. 1 bis 3, das als Schutzstecker ausgebildet sein kann, weist zwei Anschlusselemente 4, 5 auf, die in korrespondierende Anschlussbuchsen eines hier nicht dargestellten Geräteunterteils einsteckbar sind. Die Anschlusselemente 4, 5 sind im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 jeweils mit einem Pol des Varistors 3 verbunden, so dass der Varistor 3 über die beiden Anschlusselemente 4, 5 mit dem zu schützenden Strom- oder Sig- nalpfad verbunden werden kann.
Wie aus den Fig. 1, 4 und 7 ersichtlich ist, ist im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 ein wärmeausdehnbares Material 6, bei dem es sich beispielsweise um ein intumeszentes Material handeln kann, im Gehäuse 2 angeordnet, das zunächst fest ist, bei ansteigender Temperatur jedoch seinen Aggregatzustand ändert und flüssig wird. Bei Überschreiten einer Aktivierungstemperatur reagiert das wärmeausdehnbare Material 6 mit einer starken Volumenzunahme, d.h. das Material 6 schäumt auf und dehnt sich aus. Dies führt dann dazu, dass sich die Position des Varistors 3 bzw. des Überspannungsabieiters 3' relativ zur Position der Anschluss- demente 4, 5 verändert, da das wärmeausdehnbare Material 6 den Varistor 3 bzw. den Überspannungsabieiter 3' aus seiner ersten Position wegdrückt. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 und 6 ist der Varistor 3 bzw. der Überspannungsabieiter 3' dabei nach oben und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 zur Seite weggedrückt worden.
Das Überspannungsschutzelement 1 gemäß den Fig. 1 bis 3 einerseits und die Überspannungsschutzelemente 1 gemäß den Fig. 4 bis 12 andererseits unterscheiden sich zunächst dadurch voneinander, dass bei dem ersten Ausführungsbeispiel als Überspannungsbegrenzendes Bauelement ein Varistor 3 verwendet wird, während bei den anderen Ausfuhrungsbeispielen ein gasgefüllter Überspannungsabieiter 3' eingesetzt ist. Darüber hinaus unterscheiden sich die Überspannungsschutzelemente 1 noch durch die Art der elektrischen Kontaktierung zwischen dem Varistor 3 und den Anschlusselementen 4, 5 einerseits und dem Überspannungsabieiter 3' und den Anschlusselementen 4, 5 andererseits.
Während bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4 und 7 im Normal- zustand des Überspannungsschutzelements 1 die beiden Pole des Überspannungsabieiters 3' über jeweils eine Lötstelle 7, 8 mit den beiden Anschlusselementen 4, 5 verbunden sind, stehen die beiden Pole des Varistors 3 über eine Steckverbindung 9, 10 mit den beiden Anschlusselementen 4, 5 in elektrisch leitendem Kontakt. Dabei sind die beiden Pole des Varistors 3 über zwei Anschlusslaschen 11, 12 mit den An- Schlusselementen 4, 5 verbunden, wobei die Anschlusselemente 4, 5 auf der den Anschlusslaschen 11, 12 zugewandten Seiten jeweils eine Steckerbuchse 13, 14 aufweist. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Überspannungsschutzelements 1 sind die beiden Pole des Überspannungsabieiters 3' jeweils mit einem Anschlussstift 15, 16 verbunden, so dass die Lötstellen 7, 8 zwischen den An- schlussstiften 15, 16 und den Anschlusselementen 4, 5 ausgebildet sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements 1 gemäß den Fig. 1 bis 3 weist das Gehäuse 2 ein Außengehäuse 17 und ein im Außengehäuse 17 verschiebbar angeordnetes Innengehäuse 18 auf. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist die Unterseite des Innengehäuses 18 offen, so dass das Innengehäuse 18 den Varistor 3 und das wärmeausdehnbare Material 6 haubenförmig umschließt. Kommt es aufgrund einer Überlastung oder aufgrund von Alterung des Varistors 3 zu einer Verringerung der Impedanz des Varistors 3, so fließt ein unzulässiger Leckstrom durch den Varistor 3, was zu einer Erwärmung des Varistors 3 führt. Da der Varistor 3 zumindest teilweise von dem wärmeausdehnbaren Material 6 umgeben ist, führt eine Eigenerwärmung des Varistors 3 auch zu einer Erwärmung des Materials 6, so dass sich dieses bei Überschreiten einer bestimmten Aktivierungstemperatur stark ausdehnt. Dies führt zu einer Druckerhöhung innerhalb des von dem Außengehäuse 17 und dem Innengehäuse 18 umschlossenen Raumes, so dass das Innengehäuse 18 durch das sich ausdehnende Material 6 nach oben gedrückt wird, wenn die Haltekraft des Innengehäuses 18 innerhalb des Außengehäu- ses 17 und die Kontaktkraft zwischen den Anschlusslaschen 11, 12 und den Steckerbuchsen 13, 14 durch die Kraft des sich ausdehnenden Materials 6 überschritten wird. Damit sich mit dem Innengehäuse 18 auch der Varistor 3 nach oben bewegt, ist der Varistor 3 über ein Halteelement 19 mit dem Innengehäuse 18 verbunden, wobei das Haltelement 19 unterhalb des Varistors 3 angeordnet ist und sich bei der Darstellung gemäß den Fig. 1 bis 3 senkrecht zur Zeichenebene, d.h. in Querrichtung des Varistors 3 erstreckt. Das Innengehäuse 18 ist somit ähnlich wie ein Kolben im Außen- gehäuse 17 gefuhrt, wobei ein in den Figuren nicht dargestellter Anschlag dafür sorgt, dass die Hubbewegung des Innengehäuses 18 nach oben begrenzt ist.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich das Innengehäuse 18 im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 in einer ersten Position innerhalb des Außenge- häuses 17, in der die Oberseite 20 des Innengehäuses 18 im wesentlichen bündig mit der Oberseite 21 des Außengehäuses 17 abschließt, so dass die Oberseite 20 des Innengehäuses 18 nicht über das Außengehäuse 17 hinausragt. Im Unterschied dazu befindet sich das Innengehäuse 18 bei thermischer Überlastung des Überspannungsschutzelements 1 nach der elektrischen Abtrennung des Varistors 3 in einer - in Fig. 2 dargestellten - zweiten Position, in der die Oberseite 20 des Innengehäuses 18 über die Oberseite 21 des Außengehäuses 17 hinausragt. Die Position des Innengehäuses 18 dient somit als optische Statusanzeige zur Anzeige des Zustands des Überspannungsschutzelements 1. Zuvor ist ausgeführt worden, dass als wärmeausdehnbares Material 6 vorzugsweise ein intumeszentes Material verwendet wird, das im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 fest ist und bei einem Temperaturanstieg zunächst flüssig wird. Um ein Austreten des flüssigen intumeszenten Materials 6 sicher zu verhindern, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb der Anschlusselemente 4, 5, d.h. gegenüber der offenen Unterseite des Innengehäuses 18, eine Dichtfolie 22 im Außengehäuse 17 angeordnet. Dabei erstrecken sich die Anschlusslaschen 11, 12 im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 durch in der Dichtfolie 22 vorgesehene Schlitze, so dass die Anschlusslaschen 11, 12 von den Steckerbuchsen 13, 14 kontaktiert und somit mit den Anschlusselementen 4, 5 in elektrisch leiten- dem Kontakt stehen. Fig. 3 zeigt das Überspannungsschutzelement 1 gemäß Fig. 1, bei dem das Innengehäuse 18 sich in der zweiten Position befindet, so dass der Varistor 3 abgetrennt ist. Im Unterschied zu der Darstellung gemäß Fig. 2 ist bei der Darstellung gemäß Fig. 3 der Varistor 3 bzw. das Innengehäuse 18 jedoch nicht durch eine Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials 6 nach oben geschoben worden, sondern aufgrund eines Überdrucks, der durch ein Bersten des Varistors 3 aufgrund einer extremen Überlastung hervorgerufen worden ist. Eine extreme Überlastung kann einen Varistor 3 schlagartig in einen niederimpedantes Zustand versetzen, so dass in diesem Extremfall ein netzgetriebener Strom in der Größe des Kurzschlussstromes durch den Varistor 3 fließen kann. Ein in diesem Fall durch den Varistor 3 fließender Strom kann zu einer Zerstörung und damit zu einem Bersten des Varistors 3 fuhren. Der dabei entstehende Druck wird über eine in dem unter dem Varistor 3 angeordneten Haltelement 19 ausgebildete Öffnung 23 in den durch das Außengehäuse 17, das Innengehäuse 18 und die Dichtfolie 22 gebildeten Raum 24 geleitet. Der in diesem Raum 24 entstehende Druck führt dann dazu, dass das Innengehäuse 18 aus seiner ersten Position in seine zweite Position nach oben gedrückt wird, wodurch auch der Varistor 3 von den Anschlusselementen 4, 5 wegbewegt wird, so dass die Anschlusslaschen 11, 12 nicht mehr mit den Steckerbuchsen 13, 14 in elektrisch leitendem Kontakt sind. Der überlastete Varistor 3 wird somit zuverlässig und schnell abge- trennt.
In der in Fig. 3 dargestellten Position des Innengehäuses 18 kann der in dem Raum 24 bestehende erhöhte Druck durch die im Außengehäuse 17 ausgebildeten Öffnungen 25 entweichen. Die Öffnungen 25 sind derart im Außengehäuse 17 angeordnet, dass sie durch das Innengehäuse 18 verschlossen sind, solange sich das Innengehäuse 18 noch nicht in seiner zweiten Position befindet.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Überspannungsschutzelements 1 besteht das Gehäuse 2 nicht aus einem Außengehäuse und einem Innenge- häuse, sondern aus zwei im Querschnitt U-förmigen Halteelementen 26, 27 die neben der Aufnahme des wärmeausdehnbaren Materials 6 auch zur Halterung und Kontaktierung der Anschlussstifte 15, 16 des Überspannungsabieiters 3' im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 dienen. Bei den in den Fig. 4 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispielen des Überspannungsschutzelement 1 dienen die beiden voneinander isolierten, elektrisch leitenden Halteelemente 26, 27 somit gleichzeitig als Anschlusselemente 4, 5 für den gasgefüllten Überspannungsabieiter 3'. Aus Fig. 4 ist dabei ersichtlich, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements 1 jeweils eine Lötstelle 7, 8 zwischen den beiden Anschlussstiften 15, 16 und den Halteelementen 26, 27 ausgebildet ist. Kommt es bei diesem Übergangsschutzelement 1 zu einer Erwärmung des Über- spannungsableiters 3', so fuhrt dies auch zu einer Erwärmung des unterhalb des Ü- berspannungsableiters 3' angeordneten wärmeausdehnbaren Materials 6, so dass sich dieses bei Erreichen seiner Aktivierungstemperatur ausdehnt. Der Überspannungsabieiter 3' wird dann nach oben gedrückt, wenn die von dem wärmeausdehnbaren Ma- terial 6 ausgeübte Kraft größer als die Haltekraft der sich erweichenden Lötstellen 7, 8 ist. In dieser in Fig. 6 dargestellten zweiten Position des Überspannungsabieiters 3' sind die beiden Anschlussstifte 15, 16 nicht mehr in elektrisch leitendem Kontakt mit den Halteelementen 26, 27, so dass der Überspannungsabieiter 3' über die Halteelemente 26, 27 auch nicht mehr an den zu schützenden Signalpfad angeschlossen ist. Die elektrische Verbindung der Halteelemente 26, 27 mit dem zu schützenden Signalpfad erfolgt bei den Ausfuhrungsbeispielen gemäß den Fig. 4 bis 12 dadurch, dass die Halteelemente 26, 27 mit einer Leiterplatte 28 verbunden sind.
Anstelle der in den Figuren dargestellten Lötverbindung zwischen den Anschlussstif- ten 15, 16 und den Halteelementen 26, 27 kann grundsätzlich auch eine Steckverbindung entsprechend den Fig. 1 bis 3 vorgesehen sein. In diesem Fall würden die Halteelemente 26, 27 auf der den Anschlussstiften 15, 16 zugewandten Seiten entsprechende Steckerbuchsen aufweisen. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 die Halteelemente 26, 27 so ausgebildet und das wärmeausdehnbare Material 6 derart zwischen den Halteelementen 26, 27 angeordnet ist, dass bei thermischer Überlastung des Überspannungsabieiters 3' dieser durch das sich ausdehnende Material 6 nach oben gedrückt wird, wird der Überspannungsabieiter 3' bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7 bis 9 durch das sich ausdehnende Material 6 horizontal zur Seite weggedrückt.
Grundsätzlich kann es beim Öffnen eines elektrischen Kontakts, über den ein Strom fließt, zu einem Lichtbogen kommen, was bei einem Überspannungsschutzelement 1 dazu führen kann, dass auch im eigentlich abgetrennten Zustand des überspannungs- begrenzenden Bauelements über den Lichtbogen noch ein unzulässiger Strom fließt. Ein derartiger Lichtbogen wird bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Überspannungsschutzelements 1 dadurch verhindert, dass das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material 6 bei thermischer Überlastung des Varistors 3 in den sich bildenden Zwischenraum zwischen den Anschlusslaschen 1 1, 12 und den Steckerbuchsen 13, 14 eindringt. Mögliche Schaltlichtbögen werden durch das Um- schäumen der Anschlusslaschen 1 1, 12 gelöscht. Dies gilt entsprechend auch für den in Fig. 9 dargestellten linken Anschlussstift 15 des Überspannungsabieiters 3'.
Um darüber hinaus auch bei der in Fig. 3 dargestellten Situation des Überspannungsschutzelements 1 einen beim Auftrennen der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlusslaschen 11, 12 und den Steckerbuchsen 13, 14 anstehenden Lichtbogen zu löschen, sind die beiden Anschlusselemente 4, 5 von einem Kunststoffteil 29 umgeben, dass bei einem anstehenden Lichtbogen gasend ist. Bei einem anstehenden Lichtbogen wird durch die Dissoziation der Kunststoffteile 29 somit eine Beblasung des Lichtbogens erzeugt, wodurch der Lichtbogen gelöscht wird.
Die Fig. 10 - 12 zeigen drei verschiedene Varianten eines Überspannungsschutzelements 1, die sich jeweils nur durch die Ausbildung des wärmeausdehnbaren Materials 6 voneinander und von der Ausführung gemäß Fig. 6 unterscheiden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 sind in dem wärmeausdehnbaren Materials 6 leitfähige Partikel 30 angeordnet, bei denen es sich beispielsweise um Graphitpulver oder Kupferpulver handeln kann. Durch die Beimischung der leitfähigen Partikel 30 wird eine Eigenleitfähigkeit des Materials 6 erreicht, so dass bei Anliegen einer Spannung ein Strom durch das wärmeausdehnbare Material 6 fließt, durch den das Material 6 vollvolumig aufgeheizt wird. Erreicht das Material 6 seine Aktivierungstemperatur, so kommt es zu einer Volumenzunahme, was auch dazu führt, dass sich die Anzahl der leitfähigen Komponenten pro Volumeneinheit reduziert, so dass sich mit der Volumenzunahme die Leitfähigkeit des Materials 6 verringert, vorzugsweise so weit, dass bei maximaler Volumenzunahme kein Strom mehr durch das Material 6 fließt.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 11 und 12 ist eine Heatpipe 31 bzw. ein Widerstandsdraht 32 in dem wärmeausdehnbaren Material 6 eingebettet, wodurch es ebenfalls zu einer zusätzlichen Erwärmung des Materials 6 kommt, wenn durch die Heatpipe 31 bzw. den Widerstandsdraht 32 ein Strom fließt. Die Anschlüsse der Heatpipe 31 und des Widerstandsdrahts 32 können dabei entweder - wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt - separat herausgeführt sein oder mit den Anschlusselementen 4, 5 verbunden sein. Im zweiten Fall wird der Strom über den Überspannungsabieiter 3' auch zur zusätzlichen Erwärmung des wärmeausdehnbaren Materials 6 durch die Heatpipe 31 bzw. den Widerstandsdraht 32 genutzt.
Es ist ersichtlich, dass die zuvor beschriebenen Varianten bzw. Ausgestaltungen des wärmeausdehnbaren Materials 6 nicht nur bei einem Überspannungsschutzelement 1 mit einem gasgefüllten Überspannungsabieiter 3' gemäß Fig. 6 sondern auch bei einem Überspannungsschutzelement 1 mit einem Varistor 3 gemäß Fig. 1 eingesetzt werden können.

Claims

Patentansprüche:
1. Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse (2), mit mindestens einem in dem Gehäuse (2) angeordneten Überspannungsbegrenzenden Bauelement (3), insbe- sondere einem Varistor oder einem gasgefüllten Überspannungsabieiter, und mit zwei Anschlusselementen (4, 5) zum elektrischen Anschluss des Überspannungsschutzelements (1) an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad, wobei im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) die Anschlusselemente (4, 5) jeweils mit einem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3) in elektrisch leitendem Kontakt stehen,
dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb des Gehäuses (2) ein wärmeausdehnbares Material (6) derart ange- ordnet ist, dass bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') die Position des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') aufgrund einer Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials (6) relativ zur Position der Anschlusselemente (4, 5) so veränderbar ist, dass mindestens ein Pol des ü- berspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') nicht mehr mit dem korrespondie- renden Anschlusselement (4, 5) in elektrisch leitendem Kontakt steht.
2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) mindestens ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') über eine Lötstelle (7, 8) mit min- destens einem Anschlusselement (4, 5) verbunden ist, wobei die an der Lötstelle (7, 8) realisierte Lötverbindung zwischen einem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') und einem Anschlusselement (4, 5) dann auftrennt, wenn die Temperatur des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') eine vorgegebene Grenztemperatur überschreitet.
3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) mindestens ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') über eine Steckverbindung (9, 10) mit einem Anschlusselement (4, 5) verbunden sind.
4. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') jeweils mit einer Anschlusslasche (11, 12) oder einem Anschlussstift (15, 16) elektrisch leitend verbunden sind.
5. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ein Außengehäuse (17) und ein im Außengehäuse (17) angeordnetes, einseitig offenes Innengehäuse (18) aufweist, dass die Anschlusselemente (4, 5) ortfest mit dem Außengehäuse (17) verbunden sind, dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement (3, 3') innerhalb des Innengehäuses (18) angeordnet ist, dass das Innengehäuse (18) im Normalzustand des Überspannungs- schutzelements (1) das wärmeausdehnbare Material (6) umschließt, und dass das Innengehäuse (18) mit dem Überspannungsbegrenzenden Bauelement (3, 3') bei einer Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials (6) aufgrund einer Erwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') relativ zum Außengehäuse (17) verschiebbar ist.
6. Überspannungsschützelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement (3, 3') über ein Halteelement (19) mit dem Innengehäuse (18) verbunden ist, wobei das Halteelement (19) mit seinen beiden Enden an der Innenwand des Innengehäuses (18) befestigt ist und sich vorzugs- weise in Querrichtung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3) erstreckt.
7. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (18) im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) in einer ersten Position innerhalb des Außengehäuses (17) angeordnet ist, in der die Oberseite (20) des Innengehäuses (18) nicht über die Oberseite (21) des Außengehäuses (17) hinausragt und dass bei thermischer Überlastung des Überspannungsschutzelements (1) das Innengehäuse (18) in eine zweite Position verschiebbar ist, in der die Oberseite (20) des Innengehäuses (18) über die Oberseite (21) des Außengehäuses (17) hinausragt.
8. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die beiden Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') jeweils mit einer Anschlusslasche (11, 12) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der den Anschlusselementen (4, 5) zugewandten offenen Seite des Innenge- häuses (18) eine Dichtfolie (22) angeordnet ist, wobei sich im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) die Anschlusslaschen (11, 12) durch die Dichtfo- lie (22) erstrecken, so dass die Anschlusslaschen (1 1, 12) mit den Anschlusselement (4, 5) in elektrisch leitendem Kontakt sind.
9. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 8, wobei beide Pole des über- spannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) über jeweils eine Steckverbindung (9, 10) mit einem Anschlusselement (4, 5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem unter dem Überspannungsbegrenzenden Bauelement (3, 3') angeordneten Halteelement (19) eine Öffnung (23) ausgebildet ist, durch die der bei einer Zerstörung des überspannungs- begrenzenden Bauelements (3, 3') aufgrund einer extremem Überlastung entstehende Druck entweichen kann, so dass sich die Position des Innengehäuses (18) mit dem Überspannungsbegrenzenden Bauelement (3, 3') relativ zum Außengehäuse (17) verändert und die Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') nicht mehr mit den Anschlusselementen (4, 5) in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
10. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Außengehäuse (17) mindestens eine Öffnung (25) ausgebildet ist, durch die der Druck entweichen kann, wenn sich das Innengehäuse (18) in der zweiten Position befindet.
11. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zwei voneinander isolierte, elektrisch leitende Halteelemente (26, 27) aufweist, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements (1) die Halteelemente (26, 27) jeweils mit einem Pol bzw. einer An- schlusslasche (11, 12) oder einem Anschlussstift (15, 16) des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') in elektrisch leitendem Kontakt stehen und das wärmeausdehnbare Material (6) umschließen, und dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement (3, 3') bei einer Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials (6) aufgrund einer Erwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') relativ zu den Halteelementen (26, 27) verschiebbar ist.
12. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement (3, 3') bei thermischer Überlastung durch das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material (6) nach oben gedrückt wird, so dass die Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') nicht mehr mit den Halteelementen (26, 27) in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
13. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement (3, 3') bei thermischer Überlastung durch das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material (6) horizontal zur Seite gedrückt wird, so dass die Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') nicht mehr mit den Halteelementen (26, 27) in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
14. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (6) bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') in den sich bildenden Zwi- schenraum zwischen dem mindestens einen Pol bzw. der einer Anschlusslasche (11, 12) oder dem einen Anschlussstift (15, 16) des Überspannungsbegrenzenden Bauelements (3, 3') und dem mindestens einen Anschlusselement (4, 5) eindringt, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen dem mindestens einen Pol und dem mindestens einen Anschlusselement (4, 5) entstehender Lichtbogen durch das isolierende wärmeausdehnbare Material (6) unterbunden bzw. gelöscht wird.
15. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Anschlusselemente (4, 5) mindestens ein Kunst- stoffteil (29) angeordnet ist, das bei Erwärmung gasend ist.
16. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein Fernmeldekontakt angeordnet ist, der betätigt wird, wenn sich die Position des Überspannungsbegrenzenden Bauele- ments (3, 3') durch das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material (6) verändert.
17. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials (6) und/oder die Positionsveränderung des überspannungs- begrenzenden Bauelements (3, 3') eine Änderung einer optischen Zustandsanzeige bewirkt wird.
18. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungstemperatur des wärmeausdehnbaren Materials (6) mehr als 80°C, insbesondere zwischen 120°C und 150°C, beträgt.
19. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (6) eine Volumenzunahme von mindestens 200 % aufweist.
20. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (6) ein Trägermittel, insbesondere ein thermoplastischer Polymer oder ein Elastomer mit geringer Shore-Härte, und ein Treibmittel aufweist.
21. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein physikalisch wirkendes Treibmittel, insbesondere Mikrosphären verwendet werden.
22. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (6) zwei Komponenten aufweist, die im nicht aktivierten Zustand voneinander getrennt sind, wobei die Komponenten miteinander unter Volumenzunahme reagieren, wenn die Trennung aufgehoben ist.
23. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Aktivierung des wärmeausdehnbaren Materials (6) durch eine aktive Erwärmung durch zusätzlichen Energieeintrag von außen unterstützt wird.
24. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (6) ein intumeszentes Material ist.
25. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements, aufgrund einer Überlastung oder einer Alterung des Bauelements, insbesondere eines Überspannungsbegrenzenden Bauelements in einem Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei sich das wärmeausdehnbare Material bei einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt und durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials die elektrische Energiezufuhr des Bauelements unterbrochen wird.
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