WO2002013220A1

WO2002013220A1 - Schalteinrichtung mit einem bauteil aus einer formgedächtnis-legierung und mit mitteln zu dessen erwärmung sowie entsprechende verbindungstechnik

Info

Publication number: WO2002013220A1
Application number: PCT/DE2001/002792
Authority: WO
Inventors: Stefan Kautz; Hannes KÜHL
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2002-02-14
Also published as: EP1305809A1

Abstract

Die Schalteinrichtung (10), insbesondere ein Leitungsschutz-schalter, weist ein Bauteil (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung sowie als Mittel zu dessen indirekter Erwärmung mindestens ein Heizleiterelement (3) auf. Dieses Element ist auf einer Flachseite (f) des Bauteils (2) angebracht und nimmt dort mindestens 40 % der bei einem Schaltvorgang ver-formbaren Fläche dieser Flachseite (f) ein. Als Verbindungs-technik dieser Teile (2, 3) soll eine Punktschweißtechnik (4i) vorgesehen werden unter Verwendung von Elektroden aus einer Cu-Legierung.

Description

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baren Fläche dieser Flachseite einnimmt. Als verformbare Fläche sei hierbei diejenige zugrunde gelegt, die sich auf Grund der Formgedächtnis-Eigenschaft des Bauteils verfor en kann, also nicht (orts)fest gehalten, z.B. eingespannt, oder ander- eits fixiert ist. Das diese Fläche abdeckende Heizleiterelement vollzieht demnach die Verformung mit.

Es wurde nämlich erkannt, dass mittels eines solchen an sich bekannten Heizleiterelementes eine sichere Erwärmung eines zugeordneten Bauteils aus einer Formgedächtnis-Legierung auf indirektem Wege zu erreichen ist. Hierzu ist das Heizleiterelement vorteilhaft mit einem hinreichend großen Teilbereich des Bauteils aus der Formgedächtnis-Legierung thermisch verbunden. Die Wärmeübertragung erfolgt dann unmittelbar zwi- sehen dem Heizleiterelement und dem Teilbereich des Bauteils. Da außerdem das Heizleiterelement und das Bauteil aus der Formgedächtnis-Legierung mechanisch durch Punktschweißen miteinander verbunden sind, ist vorteilhaft eine gute thermische und gegebenenfalls auch elektrische Verbindung zwischen die- sen Teilen gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit dem Bauteil aus der Formgedächtnis-Legierung und dem Heizleiterelement gehen aus den diesbezüglich abhängigen Ansprüchen hervor.

So ist es als günstig anzusehen, wenn das Heizleiterelement zumindest teilweise in den zu schaltenden Strompfad integriert ist. Die vorgesehene Punktverschweißung von dem Bauteil aus der Formgedächtnis-Legierung und dem Heizleiterelement gewährleistet nämlich dabei einen geringen Übergangswiderstand zwischen diesen Teilen.

Daneben ist es gegebenenfalls auch von Vorteil, wenn dem Heizleiterelement ein eigener Heizstromkreis zugeordnet ist. o o IV) IV) P> P>

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Allgemeinen dabei aus Wärmeleitungsgründen oder wegen der Verarbeitungstechnik wie z.B. einer AufWicklungsmöglichkeit verhältnismäßig dünn sein, d.h. eine maximale Dicke vorzugsweise im Verbindungsbereich von insbesondere höchstens 2 mm besitzen.

Die genannten Verfahrensparameter stellen dabei jeweils lediglich einen unteren Grenzwert dar. So ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn eine Stromstärke von über 2000 A einge- stellt wird. Denn es zeigt sich, dass mit höheren Stromstärkewerten eine weitere Verbesserung der Verbindungseigenschaften zu erreichen ist.

Dies trifft insbesondere auch dann zu, wenn ein I²t-Wert von über 8000 A²s vorgesehen wird.

Da auch der Pressdruck in die Qualität der Verbindung eingeht, wird vorteilhaft ein Pressdruck von mindestens 40 MPa, vorzugsweise von mindestens 80 MPa, eingestellt.

Als besonders vorteilhaft ist es anzusehen, wenn eine Kombination von folgenden Parametern vorgesehen wird: Stromstärke: etwa 2000 A, I²t-Wert: etwa 10000 A²s, Pressdruck: etwa 150 MPa.

Jeder der drei genannten Parameter kann dabei auf ± 10 % von dem genannten Wert abweichen, ohne dass sich eine wesentliche Verschlechterung der Verbindungseigenschaften ergibt.

Verwendbare Elektrodenwerkstoffe aus einer Cu-Legierung sind aus DIN ISO 5182 zu entnehmen. Hierfür geeignete Elektrodenformen sind aus DIN ISO 5821 bekannt. Besonders vorteilhaft wird als Elektrodenwerkstoff eine Cu-X-Legierung vorgesehen, die neben Cu als Hauptbestandteil (> 50 Atom-%) als X- Komponente zumindest noch eines der Elemente Ag, Be, Co, Cr, Cd, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Pt, Ta, Ti, V, W, Zn, Zr enthält. Vorzugsweise wird eine CuCoBe-Legierung vorgesehen vom Typ Cu_xCo_yBe_z mit 50 < x 99,8, 0,1 < y < 20 und 0,1 < z < 20 (jeweils in Atom-%) . Dabei gilt x + y + z » 100 (in Atom-%) unter Einschluss geringer Verunreinigungselemente jeweils unter 1 Atom-%. Die zu verwendenden Elektrodenwerkstoffe ge- währleisten eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine besondere Verträglichkeit mit den zu verschweißenden Materialien.

Mit diesen Elektrodenmaterialien lassen sich besonders gut Anschweißungen von Bauteilen aus bekannten Formgedächtnis- Legierungen an Heizleiterelemente in Blech-, Streifen- oder Litzenform vornehmen. Entsprechende thermisch gut leitende und mechanisch belastbare Verbindungen werden insbesondere für Leitungsschutzschalter mit Schaltelementen aus Formge- dächtnis-Legierungen benötigt (vgl. die genannte Textstelle aus dem Buch "Engineering Aspects of Shape Memory Alloys" o- der die eingangs genannte EP-Al-Schrift) . Als Formgedächtnis- Legierungen kommen insbesondere TiNi-, oder TiNiCu-, oder Ti- NiPd-, oder CuAl-, oder CuAlNi- oder CuAlZn-Legierungen in Frage.

Selbstverständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner mit jeweils einem Anteil von unter 5 Atom-% wie z.B. Hf in an sich bekannter Weise hinzulegiert sein.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind Vorrichtungen der gängigen Punktschweißtechnologie zu verwenden. Entsprechende Vorrichtungen zeigt z.B. der genannte Auszug aus dem Buch *Schweißtechnik" .

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schematisch deren Figur 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Bauteil aus einer Formgedächtnis- Legierung und einem Heizleiterelement, Figur 2 eine spezielle Anordnungsmöglichkeit eines solchen

Bauteils und eines Heizleiterelementes und

Figur 3 eine Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Heizlei- terelement nach Figur 2.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das in Figur 1 angedeutete Bauteil 2 einer Schalteinrichtung 10 wie z.B. eines Leitungsschutzschalters hat eine Streifenoder Bandform. Seine Dicke D liegt z.B. in Leitungsschutz- schaltereinrichtungen zwischen 0,1 und 5 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 2 mm. Das Bauteil 2 besteht zumindest teilweise aus einer der bekannten Formgedächtnis-Legierungen. Als besonders geeignet sind Ti-Ni-Legierungen anzusehen. So gehen z.B. aus "Materials Science and Engineering", Vol. A 202, 1995, Seiten 148 bis 156 verschieden zusammengesetzte Ti-Ni- und Ti-Ni-Cu-Legierungen hervor. In " Intermetallics" , Vol. 3, 1995, Seiten 35 bis 46 und "Scripta METALLURGICA et MATERIALIA", Vol. 27, 1992, Seiten 1097 bis 1102 sind verschiedene Ti₅oNi₅o-χPd_x-Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni-Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächtnis-Legierungen geeignet. So kommen beispielsweise Cu-Al-Formgedächtnis-Legierungen in Frage. Eine entsprechende CuZn24A13-Legierung ist aus "Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10, 1988, Seiten 678 bis 683 zu entnehmen. In "Scripta Materialia" , Vol. 34, No. 2, 1996, Seiten 255 bis 260 ist eine weitere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Zu den vorerwähnten binären oder ternären Legie- rungen können in an sich bekannter Weise noch weitere Legierungspartner wie z.B. Hf hinzulegiert sein. Für die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele sei eine Ti-Ni- Formgedächtnis-Legierung ausgewählt .

In an sich bekannter Weise ist in das Bauteil 2 mittels einer Glühung oberhalb von 350°C, z.B. bei einer Temperatur zwischen 400 und 850°C, eine vorbestimmte Gestalt eingeprägt worden. Beispielsweise kann bei dieser Temperatur eine zumindest weitgehend gekrümmte Form erzeugt werden. Dies führt dann dazu, dass das Bauteil bei niedrigeren Temperaturen ohne äußere Krafteinwirkung entweder eine gestreckte Gestalt ein- zunehmen versucht (beim 2-Weg-Effekt-Typ) oder mittels einer sehr geringen äußeren Kraft zu strecken ist (beim 1-Weg- Effekt-Typ) . Diese niedrigeren Temperaturen liegen im allgemeinen in einem Temperaturbereich unter 200°C, der als der einen Schaltzustand eines Schaltkontaktes noch nicht auslö- sende Betriebszustand angesehen werden kann.

Auf einer Flachseite des streifenförmigen Bauteils 2 aus der Formgedächtnis-Legierung ist ein insbesondere band- oder streifenför iges Element 3 aus einem bekannten Heizleiterma- terial angeordnet. Prinzipiell kommen als Heizleitermaterialien metallische Legierungen (z.B. Fe-Cr-Al- und Ni-Cr- Legierungen) , reine hochschmelzende Metalle (z.B. Molybdän, Tantal und Wolfram), hochschmelzende Legierungen (z.B. Rhodium- und Platinlegierungen) und nicht-metallische Werkstoffe (z.B. Siliciumkarbid, Graphit, Molybdändisilicid) in Frage.

Die am häufigsten eingesetzten Werkstoffe für Heizleiter sind die metallischen Legierungen der Systeme Fe-Cr-Al und Ni-Cr. Weitere für das Element 3 geeignete Materialien sind insbesondere auch spezielle Ni-Cu- oder Cu-Al-Legierungen. Allen diesen Legierungen kann gegebenenfalls jeweils noch mindestens eine weitere Komponente wie z.B. Mn mit einem Anteil von unter 5 Atom-% hinzulegiert sein. Als weitere Legierungskomponenten kommen die erwähnten X-Komponenten (wie z.B. Ag, Be, Co ...) der Cu-X-Legierung des Elektrodenwerkstoffs in Frage. Entsprechende Heizleitermaterialien sind z.B. auch in dem

Buch "Funktionswerkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik", Herausgeber: K. Nitzsche und H.-J. Ullrich, 2. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1993, Seiten 168 und 169 sowie in dem Buch von W. Bergmann: "Werkstofftechnik" , Teil 2, Carl Hanser-Verlag, München, 1987, Seiten 434 sowie 512 und 513 angegeben. Die Dicke d des Heizleitermaterials hängt dabei von der Anwendung ab. Im Allgemeinen ist die Dicke d geringer als die Dicke D des Formgedächtnis-Bauteils 2 und liegt beispielsweise zwischen 0,05 und 3 mm. Entsprechende Bänder mit 0,1 mm bis 1 mm Dicke sind üblich.

Gemäß dem Figur 1 zugrundegelegten Ausführungsbeispiel soll bei der Einrichtung 10 das Heizleiterelement 3 für die Beheizung des Bauteils 2 aus der Formgedächtnis-Legierung auf in- direktem Wege durch Beaufschlagung mit einem Strom I sorgen. Bei dem Strom I handelt es sich dabei im Allgemeinen um den mit der Schalteinrichtung zu schaltenden Strom, der längs eines Strompfads s über das Heizleiterelement 3 und das Bauteil 2 geführt wird. Somit sind diese beiden Teile in den zu schaltenden Strompfad integriert. Gegebenenfalls kann jedoch für das Heizleiterelement 3 auch ein separater Heizleiterstromkreis vorgesehen werden. Die Auftrennung des zu schaltenden Strompfades erfolgt in an sich bekannter Weise an in der Figur nicht dargestellten Schaltkontaktstücken, deren Re- lativbewegung über in der Figur ebenfalls nicht veranschaulichte Betätigungsmittel erfolgt. An diese Betätigungsmittel ist mechanisch das Bauteil 2 gekoppelt.

Auf Grund einer verhältnismäßig geringen Eigenerwärmung des Formgedächtnis-Bauteils 2 durch den elektrischen Widerstand, was z.B. bei CuAlNi-Legierungen häufig der Fall ist, oder durch konstruktive Umstände ist es oft notwendig, das Formgedächtnis-Bauteil von außen zu beheizen. Ein Umwickeln des Bauteils 2 mit einem Heizleiter ist in der Regel jedoch mit Schwierigkeiten verbunden: Die Abstände zwischen dem Bauteil und dem Heizleiter sind im Allgemeinen unterschiedlich, so dass zu verschieden rascher Aufheizung an unterschiedlichen Stellen kommt. Auch ist eine Wickeltechnik aufwendig und bedingt einen verhältnismäßig hohen Materialeinsatz. Es wurde erkannt, dass gerade bei gut wärmeleitfähigen Bauteilen aus Formgedächtnis-Legierungen es sich anbietet, auf einer hinreichend großen Fläche in direktem Kontakt zwischen dem Bauteil 2 und dem Heizleiterelement 3 eine gute Wärme- Übertragung bzw. Beheizung zu schaffen. Hierzu wird vorteilhaft zumindest in einem Teilbereich des Bauteils aus der Formgedächtnis-Legierung eine thermische und mechanische Verbindung geschaffen. Es wurde außerdem erkannt, dass der Teilbereich mindestens 40 % der formbaren Fläche zumindest einer der beiden Flachseiten des Bauteils 2 ausmachen sollte, um eine hinreichend effektive Erwärmung des Bauteils zu erreichen und so die erwünschte temperaturbedingte Verformung des Bauteils auf Grund dessen Formgedächtnis-Eigenschaft zu bewirken. Hierbei wird als Fläche nur der Teil des Bauteils be- trachtet, der sich verfor en kann, also nicht irgend wie ortsfest eingespannt oder anderweits so versteift, dass er keinen Beitrag zur Verformung leistet. Die verformbare Fläche stellt somit quasi eine ^λλ freie" Fläche dar, die zumindest teilweise mit dem Heizleiterelement kraftschlüssig verbunden ist. Selbstverständlich macht dann der diesen Teilbereich abdeckende Teil des Heizleiterelementes die Verformung mit. Das Heizleiterelement muss deshalb hinreichend flexibel ausgebildet sein. Dies wird durch eine beschränkte Dicke des Heizleiterelementes gewährleistet. Selbstverständlich kann ein orts- fester, z.B. eingespannter Teil des Bauteils auch mit einem entsprechenden Teil des Heizleiterelementes versehen sein. Dieser Teil bleibt dann aber für die Bemessung des mit dem Heizleiterelement zu versehenden Teilbereichs außer Betracht. Als Verbindungstechniken zwischen dem Bauteil 2 und dem Heiz- element 3 wird vorteilhaft das Punktschweißen mit den vorstehend angegebenen Parametern zum Einsatz gebracht. Diese Verbindungstechnik gewährleistet einen hinreichend geringen thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Heizleiterelement 3 und dem Bauteil 2.

Das Bauteil 2 stellt einen in den schaltenden Strompfad der Schaltereinrichtung integrierten Teil dieses Pfades dar. Im o IV) IV) P¹ P-¹ o Cπ o cπ o Cπ

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Claims

Patentansprüche

1. Schalteinrichtung mit einem in ihrem zu schaltenden Strompfad befindlichen band- oder streifenförmigen Bauteil aus ei- ner Formgedächtnis-Legierung und mit Mitteln zu dessen indirekter Erwärmung und dessen einen Schaltvorgang auf Grund der Formgedächtnis-Eigenschaft auslösender Verformung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erwärmungsmittel mindestens ein Element (3) aus einem Heizleiter- material umfassen, das an einer Flachseite (f) des Bauteils (2) durch Punktschweißen angebracht ist und dort wenigstens 40 % der bei einem Schaltvorgang verformbaren Fläche dieser Flachseite (f) einnimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Heizleiterelement (3) zumindest teilweise in den zu schaltenden Strompfad (s) integriert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Heizleiterelement (3) ein eigener Heizstromkreis zugeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Heizleiterelement (3) mit einer Dicke (d) zwischen 0,05 und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mm.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als

Heizleitermaterial des Heizleiterelementes (3) eine FeCrAl-, oder NiCr-, oder NiCu- oder CuAl-Legierung vorgesehen ist, die gegebenenfalls noch mindestens eine weitere Komponente mit einem Anteil unter 5 Atom-% enthält.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Formgedächtnis-Legierung eine TiNi-, oder TiNiCu-, oder Ti- NiPd-, oder CuAl-, oder CuAINi- oder CuAlZn-Legierung vorgesehen ist, die gegebenenfalls noch mindestens eine weitere Komponente mit einem Anteil unter 5 Atom-% enthält.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Formgedächtnis- Legierung vorgesehen ist, der Hf als weitere Komponente hinzulegiert ist.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Bauteil (2) aus der Formgedächtnis-Legierung mit einer Dicke (D) zwischen 0,1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mm.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t als Teil eines Leitungsschutz- schalters.

10. Verfahren zur Herstellung einer Schalteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Punktschweißtechnik vorgesehen wird unter Verwendung von Elektroden aus einer Cu- Legierung, wobei eine Stromstärke von über 1000 A bei einem I²t-Wert von über 5000 A²s und einem Pressdruck von mindestens 30 MPa eingestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Stromstärke von über 2000 A eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein I²t-Wert von über 8000 A²s eingestellt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Pressdruck von mindestens 40 MPa, vorzugsweise von mindestens 80 MPa, eingestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass eine Stromstärke von etwa 2000 A, ein I t-Wert von etwa 10000 A s und ein Pressdruck von etwa 150 MPa eingestellt werden, wobei die genannten Werte jeweils auf + 10 % genau eingehalten werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Elektrodenwerkstoff eine Cu-Legierung vorgesehen wird, die neben Cu als Hauptbestandteil zumindest noch eines der Elemente Ag, Be, Co, Cr, Cd, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Pt, Ta, Ti, V, W, Zn, Zr enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Elektrodenwerkstoff eine CuCoBe-Legierung vorgesehen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Elektrodenwerkstoff eine Cu_xCθγBe_z-Legierung vorgesehen wird mit 50 < x < 99, 8 und

0,1 < y < 20 und 0,1 < z < 20, wobei gilt x + y + z » 100 (jeweils in Atom-%) unter Einschluss geringer Verunreinigungselemente jeweils unter 1 Atom-%.