EP2564407A1

EP2564407A1 - Schaltgerät mit entwärmungsvorrichtung

Info

Publication number: EP2564407A1
Application number: EP11730945A
Authority: EP
Inventors: Rainer Kreutzer; Wolfgang Feil
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-03-06
Also published as: CN103003905B; EP2413338A1; US20130118869A1; CN103003905A; BR112013002339A2; WO2012013440A1; KR101578341B1; US9799462B2; KR20130041282A; BR112013002339A8; EP2413338B1; BR112013002339B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere einen Leistungsschalter mit einem thermischen Auslöser (2), an welchem über einen Kontaktbrückenträger (3) ein bewegliches Schaltstück (4) angeordnet ist, welches auf einem Federkörper (7) gelagert ist und gegenüberliegend von festen Schaltstücken (8, 9) angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Entwärmungsvorrichtung (27, 28, 29) aus einem wärmeableitenden Material jeweils seitlich an den festen Schaltstücken (8, 9) angeordnet ist.

Description

Beschreibung

Schaltgerät mit Entwärmungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere einen Leistungsschalter mit einem thermischen Auslöser, an welchem über einen Kontaktbrückenträger ein bewegliches Schaltstück angeordnet ist, welches auf einem Federkörper gelagert ist und gegenüberliegend von festen Schaltstücken angeordnet ist.

Leistungsschalter werden in verschiedenen Baugrößen entwickelt. Eine Baugröße setzt sich dabei aus Gerätevarianten mit einer sinnvoll aufbauenden Nennstromreihe zusammen. Mit zu^¬ nehmendem Nennstrom eines Gerätes steigt dessen Verlustleis^¬ tungsumsatz überproportional stark an. Die Gerätevariante mit dem höchsten Nennstrom bei einer gegebenen Baugröße ist dadurch bestimmt, dass eben für diesen Strom der Verlustleistungsumsatz bei gegebenem Gehäusevolumen noch ohne nachteilige Folgen für die Anforderung des Schaltgerätes über seine Lebenszeit bleibt. Will man zu noch höheren Nennströmen kommen, entwickelt man eine größere Bauform. Aus Kundensicht ist es jedoch wünschenswert, den maximalen Nennstrom innerhalb einer Baugröße noch weiter nach oben zu treiben. Um dies zu erreichen, sind Maßnahmen zu ergreifen, die den Wärmetransport aus dem Gehäusevolumen technisch effizienter gestalten.

Es gibt im Prinzip zwei Möglichkeiten mit hohen Temperaturen innerhalb eines Schutzgehäuses auf Grund unvermeidbarer elektrischer Verlustleistungen umzugehen. Zum Einen kann man alle Materialien so weit optimieren, dass sie ihre funktiona^¬ len Anforderungen auch auf hohem Temperaturniveau erfüllen. Dies ist jedoch oftmals keine wirtschaftliche Lösung. Das an^¬ dere Vorgehen besteht darin, den Abtransport der erzeugten Wärmen aus dem Gehäuse durch technische Maßnahmen zu forcie^¬ ren. Für elektronische Produkte sind aktive Kühlmaßnahmen mittels Gehäuselüfter, Heat Pipe-Anordnungen oder gar Kühlmittelkreisläufe Stand der Technik. Um lokal erzeugte große Wärmemengen damit auch abführen zu können, werden diese Wär- men mittels Kühlkörpern auf große Flächen verteilt. Dabei sind die Kühlkörper thermisch an die Bauteile mit hoher elektrischer Verlustleistung angebunden, aber elektrisch davon isoliert. Komplett passiv gekühlte Systeme sind dabei so konstruiert, dass die notwendigen Kühlkörper direkt von der Umgebungsluft angeströmt werden können.

Der Nachteil am Stand der Technik besteht darin, dass die bisherigen Entwärmungselemente nicht platzoptimiert im

Schaltgerät angeordnet werden konnten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, ein Schaltgerät zu schaffen, das einen platzoptimierten Entwärmungsprozess ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiter^¬ bildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Schaltgerät, insbesondere einen Leistungsschalter mit einem thermischen Auslöser gelöst, an welchem über einen Kontaktbrückenträger ein bewegliches Schaltstück angeordnet ist, welches auf einem Federkörper gelagert ist und gegenüberliegend von festen Schaltstücken angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich da^¬ bei dadurch aus, dass eine Entwärmungsvorrichtung aus einem Wärme ableitenden Material jeweils seitlich an den festen Schaltstücken angeordnet ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung des Entwärmungsproblems durch Eröffnung eines zweiten nennenswerten Entwärmungsweges entlang der Strombahn, wenn man von der Hauptwärmequelle, al- so der Kontaktbrücke ausgeht. Dieser neben der ins Gerät füh^¬ renden ersten Entwärnungsrichtung zusätzliche zweite Weg, führt die Stromschiene entlang von den Kontaktstellen weg parallel zu den Löschblechen in Richtung der Stirnseiten. Bis- her war dieses Ende der Strombahnausbildung wärmetechnisch gesehen eine Sackgasse und diente nur der Führung des Kurz^¬ schlusslichtbogens in Richtung Löscheinrichtung. Die Reali^¬ sierung eines zweiten Wärmeweges kann mittels Einbringen von großflächigen Kühlelementen, wie zum Beispiel Kühlblechen, vorzugsweise in die Phasentrennwände von Schaltgeräten er^¬ reicht werden. Diese Kühlelemente sind direkt oder indirekt also zum Beispiel elektrisch isoliert und gut wärmeleitend mit den Stromschienen der Geräte verbunden. Sie erstrecken sich dann flächig in Hohlräume in den meist aus Kunststoff bestehenden Kammertrennwänden der Schaltgeräte.

Besonders vorteilhaft ist die Fortführung dieser Kühlfahnen in den Teil der Kammertrennrippen hinein, der außerhalb des Gerätekorpus liegt. Diese außerhalb gelegenen Rippen dienen heute bisher in erster Linie der Vergrößerung der Isolationsstrecke, also der Luft- und Kriechstrecke zwischen den ein^¬ zelnen Polen von Geräten. Wenn die Wärmedecke des thermisch schlecht leitenden Rippenkunststoffes klein bleibt, kann ge- nügend Wärme hindurch an die Umgebung abgegeben werden. Wenn die Rippen zusätzlich über die gesamte Gerätehöhe verlaufen, ist die an die umgebende Luftwärme ableitende Fläche relativ groß. Im Übrigen bleiben diese Rippen bei Anordnung der Geräte dicht an dicht im Gegensatz zu den Geräteseitenflächen un- verdeckt und damit überaus wirkungsvoll. Ein elektrischer Be- diener-Berührschutz der metallischen Kühlfahnen ist durch die Kunststoffummantelung gegeben.

Eine weitere den Wirkungsgrad steigernde Alternative besteht darin, die Kühlfahnen nicht berührungsgeschützt innerhalb der Kunststoffrippen zu verwenden, sondern direkt an Luft zu bringen. Der notwendige Bediener-Berührschutz müsste in diesem Fall über zwischen Strombahn und Kühlfahne elektrisch isolierende, aber thermisch gut leitende Zwischenschichten, wie zum Beispiel aus der Halbleiter-Leistungsmodultechnik bekannte Wärmeleitfolien oder keramische Plättchen sichergestellt werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung beseht darin, dass ein zweiter effektiver Strombahn-Entwär- mungsweg gefunden wurde, damit größere Verlustleistungen ab^¬ führbar sind, so dass höhere Nennstromdichten der Geräte bei gleichbleibendem Bauvolumen ermöglicht werden.

Ein konstruktiver Vorteil besteht darin, dass die Wärmeabga^¬ beflächen nicht verbaubar beziehungsweise nicht abgedeckt werden. Dadurch kann eine effiziente Wärmeabgabe erfolgen. Auf Grund des von der Kontaktstelle aus betrachteten zweiten Entwärmungsweges in die Kühlfläche hinein, erfolgt eine güns tige Entkopplung des thermischen Auslösers, zum Beispiel ei^¬ nes Bimetalls von wärmetechnischen Schwankungen der Kontaktübergangsstelle. Dadurch wird das Auslöseverhalten des Gerä^¬ tes günstig beeinflusst. Durch die erfindungsgemäße Entwär^¬ mungsvorrichtung wird somit sowohl eine Senkung des Temperaturniveaus, als auch eine Verbesserung des Grenzstromauslöse Verhaltens erreicht.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgese hen, dass die Entwärmungsvorrichtung aus einem wärmeleitende Material insbesondere einem Kühlblech ausgebildet ist. Diese großen Kühlbleche ermöglichen es, dass die bisher innerhalb der Schaltgeräte mehr oder weniger punktuell in der Strombah vorhandene Wärmemenge durch verhältnismäßig große Kühl- be^¬ ziehungsweise Wärmeverteilflächen besser abgeleitet werden. Diese Kühlbleche sind in vorteilhafter Weise auch als Kühl^¬ rippen ausgebildet, die ebenfalls einen effizienten Wärme^¬ transport ermöglichen.

In einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Entwär mungsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Entwärmungsvorrich tung an den festen Schaltstücken sowie an einer Verbindungszunge des thermischen Auslösers angeordnet ist. Diese seitli che Platzierung der erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung an den festen Schaltstücken ermöglicht eine platzoptimierte Anordnung, die den effektiven Wärmetransport ermöglicht. Zudem ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Entwär- mungsvorrichtung in Kammertrennwänden des Schaltgeräts angeordnet ist. Die erfindungsgemäßen Kühlflächen sind auf diese Weise isoliert und platzoptimiert zwischen den Phasentrenn- wänden der Schaltgeräte positioniert. Zudem können die Kühl^¬ flächen, wenn sie zwischen den Phasen angeordnet sind, über den Gerätegrundkorpus hinaus, ein- oder beidseitig in außen^¬ liegende, gegebenenfalls isolierte Rippen hinein, ausgedehnt werden. Der Vorteil besteht darin, dass die Wärmeabfuhr über diese außenliegenden großflächigen Rippen wegen des direkten Kontakts zur umgebenden Luft äußerst effizient ist.

Durch die hier vorgestellte erfindungsgemäße Entwärmungsvor- richtung der Schaltgeräte, insbesondere für Leistungsschal- ter, wird ein zweiter effektiver Strombahn-Entwärmungsweg er^¬ möglicht, damit größere Verlustleistungen abführbar sind, so dass höhere Nennstromdichten der Geräte bei gleichbleibendem Bauvolumen möglich sind. Dabei werden die Wärmeabgabeflächen in Form von Kühlblechen so platzoptimiert in das Schaltgerät integriert, dass die Flächen weder verbaut noch abgedeckt werden. Auf Grund des von der Kontaktstelle aus betrachteten zweiten Entwärmungsweges in die Kühlbleche erfolgt in vor^¬ teilhafter Weise eine günstige Entkopplung des thermischen Auslösers von Wärme technischen Schwankungen der Kontaktüber- gangssteile, wodurch auch das Auslöseverhalten des Schaltge^¬ räts günstig beeinflusst wird. Durch die hier beschriebene platzoptimierte Entwärmungsvorrichtung ist somit sowohl eine Senkung des Temperaturniveaus insgesamt, als auch eine Ver^¬ besserung des Grenzstromauslöseverhaltens möglich.

Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowohl anhand der Zeichnung erläutert.

Dabei zeigen schematisch:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung ein Schaltgerät, insbesondere einen Leistungsschalter mit einem nach einem Schaltvorgang dargestellten Wärmeableitverhalten; Fig. 2 in einer Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Schaltgerät mit Entwärmungsvorrichtung nach einem Schaltvorgang mit Wärmeableitverhalten;

Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung ein Schaltgerät mit einer aus Kühlblechen ausgebildeten Entwärmungsvorrichtung; Fig. 4 in einer perspektivischen Darstellung das Schaltgerät nach Fig. 3, wobei die Kühlbleche über die Schaltergrundkontur in Form isolierter Rippen ausgedehnt sind;

Fig. 5 in einer perspektivischen Darstellung eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung mit Kühlflächen, die in phasentrennenden Gehäusezwischenwänden angeordnet sind .

Fig. 1 zeigt ein Schaltgerät 1, insbesondere einen Leistungs- Schalter mit einem thermischen Auslöser 2, an welchem über einen Kontaktbrückenträger 3 ein bewegliches Schaltstück 4 angeordnet ist. Das bewegliche Schaltstück 4 ist als bewegli^¬ che Kontaktbrücke mit zwei Kontaktstellen 5, 6 ausgebildet. Das bewegliche Schaltstück 4 ist auf einem Federelement 7 im Kontaktbrückenträger 3 gelagert und gegenüber liegend zu den festen Schaltstücken 8, 9, angeordnet. Die festen Schaltstü^¬ cke 8, 9 sind rechts beziehungsweise links vom Kontaktbrü^¬ ckenträger 3 angeordnet und weisen jeder eine Kontaktstelle 10, 11 auf, die bei einem Schaltvorgang auf die Kontaktstel- len 5, 6 des beweglichen Schaltstücks 4 treffen.

Das feste Schaltstück 8 ist vorzugsweise U-förmig ausgebildet und weist einen Fortsatz 12 auf, der zu einer Anschlussklemme 13 führt. Das feste Schaltstück 9 ist ebenfalls U-förmig aus- gebildet mit einem langen und einem kurzen Schenkel, wobei der kürzere Schenkel über einen Fortsatz 14 zum thermischen Auslöser 2 führt. Vom thermischen Auslöser 2 führt eine Verbindungszunge 15 zu einer weiteren Anschlussklemme 16. In Fig. 1 ist zudem das Wärmeableitverhalten 17, 18 nach einem Schaltvorgang dargestellt. Nach einem Schaltvorgang bilden sich zunächst große Wärmefelder 19, 20 an den freien Schenkeln 21, 22 des festen Schaltstücks 8, 9 aus, die nicht zur Anschlussklemme 13 sowie zum thermischen Auslöser 2 führen. Weitere Wärmefelder 23, 24, die etwas weniger ausgeprägt sind als die Wärmefelder 19, 20, befinden sich an den anderen zwei Schenkeln 25, 26 der festen Schaltstücke 8, 9. Nach die- sen etwas geringer ausgeprägten Wärmefeldern 23, 24 wird die Wärme in Richtung der Anschlussklemmen 13 sowie über den thermischen Auslöser 2 zur Anschlussklemme 16 weiter abgeführt . Fig. 2 zeigt die Darstellung nach Fig. 1, wobei an den freien Schenkeln 21, 22 der festen Schaltstücke 8, 9 Entwärmungsvor- richtungen 27, 28 angeordnet sind. Diese Entwärmungsvorrich- tungen 27, 28 können beispielsweise als Kühlbleche oder Kühl^¬ rippen ausgebildet sein. Aus Fig. 2 geht weiterhin hervor, dass die Wärmefelder 19, 20 durch die erfindungsgemäße Ent- wärmungsvorrichtung 27, 28 deutlich geringer ausgebildet sind .

In Fig. 3 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung 27, 28 dargestellt. In diesem Beispiel ist die Entwärmungsvorrichtung 27, 28 als Kühlblech 29 dargestellt. Die Kühlbleche 29 sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet und an den festen Schaltstü^¬ cken 8, 9 sowie an der Verbindungszunge 15 angeordnet.

In Fig. 4 ist die Darstellung aus Fig. 3 gezeigt, wobei die Kühlbleche 29 sich über die Schaltergrundkontur hinaus in Form isolierter, ggf. gehäuseintegrierter Rippen 30 ausdehnen .

Fig. 5 zeigt eine weitere, platzoptimierte Gehäuseanordnung der erfindungsgemäßen Kühlbleche 29. Hier sind die Kühlflä- chen vorzugsweise in phasentrennenden Gehäusezwischenwänden 31 angeordnet.

Durch die hier vorgestellte erfindungsgemäße Entwärmungsvor- richtung der Schaltgeräte, insbesondere für Leistungsschal^¬ ter, wird ein zweiter effektiver Strombahn-Entwärmungsweg er^¬ möglicht, damit größere Verlustleistungen abführbar sind, so dass höhere Nennstromdichten der Geräte bei gleichbleibendem Bauvolumen möglich sind. Dabei werden die Wärmeabgabeflächen in Form von Kühlblechen so platzoptimiert in das Schaltgerät integriert, dass die Flächen weder verbaut noch abgedeckt werden. Auf Grund des von der Kontaktstelle aus betrachteten zweiten Entwärmungsweges in die Kühlbleche erfolgt in vor^¬ teilhafter Weise eine günstige Entkopplung des thermischen Auslösers von wärmetechnischen Schwankungen der Kontaktübergangsstelle, wodurch auch das Auslöseverhalten des Schaltge^¬ räts günstig beeinflusst wird. Durch die hier beschriebene platzoptimierte Entwärmungsvorrichtung ist somit sowohl eine Senkung des Temperaturniveaus insgesamt, als auch eine Ver^¬ besserung des Grenzstromauslöseverhaltens möglich.

Claims

Patentansprüche

1. Schaltgerät, insbesondere Leistungsschalter mit einem thermischen Auslöser (2), an welchem über einen Kontaktbrü- ckenträger (3) ein bewegliches Schaltstück (4) angeordnet ist, welches auf einem Federkörper (7) gelagert ist und ge^¬ genüberliegend von festen Schaltstücken (8, 9) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Entwärmungsvorrichtung (27, 28, 29) aus einem wärmeableitenden Material jeweils seitlich an den festen Schaltstücken (8, 9) angeordnet ist.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungsvorrichtung (27, 28, 29) aus einem wärmeableitenden Material als Kühlblech (29) ausgebildet ist.

3. Schaltgerät nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kühlbleche (29) als Kühlrippen ausgebildet sind.

4. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungsvorrichtung (27, 28, 29) an den festen Schaltstücken (8, 9) sowie an der Verbindungszunge (15) des thermi^¬ schen Auslösers (2) angeordnet ist.

5. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Entwärmungsvorrichtung (27, 28, 29) in phasentrennenden Gehäusezwischenwänden (31) angeordnet ist.

6. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Kühlbleche (29) über die Schaltergrundkontur in Form von isolierten Rippen angeordnet sind.