WO2011054523A1 - Elektrisches gerät - Google Patents

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WO2011054523A1
WO2011054523A1 PCT/EP2010/006737 EP2010006737W WO2011054523A1 WO 2011054523 A1 WO2011054523 A1 WO 2011054523A1 EP 2010006737 W EP2010006737 W EP 2010006737W WO 2011054523 A1 WO2011054523 A1 WO 2011054523A1
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heat
expandable material
component
electrical
conductor sections
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PCT/EP2010/006737
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Christian Depping
Rainer Durth
Gernot Finis
Thomas Meyer
Andreas Christ
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • H01H37/767—Normally open

Definitions

  • the invention relates to an electrical device having a housing, with at least two conductor sections and with a connection element arranged inside the housing, wherein in each case a first end of the conductor sections protrudes from the housing as a connection element.
  • An overload that damages or destroys the component or the electrical or electronic device can be caused by various unforeseeable events. For example, a defect of a upstream or downstream device or another device electrically connected to the device concerned lead to an inadmissibly high power consumption in the affected device, caused by an excessive voltage applied or too large current flowing through the device current. Likewise, by improper use or by incorrect installation of an electrical or electronic device, an overload of the device or a device arranged in the device can be caused. The resulting high power conversion leads to an increasing self-heating of the device, which can eventually lead to ignition of the device and thus the entire device, so that an unacceptably high power conversion in an overloaded device represents an acute fire hazard.
  • the danger of a fire of an electrical or electronic device can also be caused by the aging process of certain electronic components.
  • the self-heating and the increased leakage current can additionally accelerate the aging process of the component.
  • temperature fuses or thermal fuses are used in electrical and electronic devices in which such a risk of fire, whose task is to switch off the power supply of the device at too high a temperature of a monitored component, so that a further self-heating of the device and the resulting risk of fire is prevented.
  • Such thermal fuses usually consist of a housing in which two wires are arranged, which protrude on one side of the housing as connecting wires from the housing. Inside the housing, the two wires are electrically connected to each other via a generally horizontally arranged conductive connecting web, for which purpose the connecting web is soldered at its two end regions in each case with a wire. Below the connecting web, a spring element is arranged, which presses in the normal state of the thermal fuse against the connecting web. The spring element causes a lifting of the connecting web of the two connecting wires and thus an interruption of the conductive connection when the solder joints between the connecting web and the two wires due to heating no longer can muster the required counterforce to the spring force of the spring element.
  • Such a thermal fuse is also known from DE 10 2005 045 778 AI.
  • This temperature fuse has a conductor bar which electrically conductively connects two sections of a current-carrying conductor in the normal state of the temperature fuse by the conductor bar being connected to the ends of the two conductor sections via a respective solder connection.
  • the electrical connection between the conductor bar and the two conductor sections is separated by an opening element, which may, for example, be a prestressed spring element.
  • the spring element In the normal state of the thermal fuse, the spring element is locked by a holding element, the material of which mechanically yields when the critical temperature is exceeded, so that the mechanically prestressed spring element lifts off the conductor bar from the ends of the conductor sections.
  • the known thermal fuse is used as the opening element, a cylinder with a piston.
  • an electrical activation of the piston takes place in such a way that the conductor bar is lifted off the two conductor sections by a protrusion of the piston and thus the electrical bridge realized via the soldered connections is separated.
  • the disadvantage of a conventional thermal fuse in which a spring element permanently presses against the connecting step in the normal state, is that As a result, the solder joints between the connecting step and the connecting wires are permanently mechanically stressed.
  • this disadvantage is avoided in the case of the thermal fuse known from DE 10 2005 045 778 A1, in this temperature fuse the construction of the opening element with an additional holding element or a necessary electrical circuit for controlling a piston is considerably more complicated.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide an electrical device that responds reliably with the simplest possible structure to the overloading and aging of electronic components in electrical or electronic devices, so that an unacceptably high power conversion detected in the monitored component and triggered appropriate security measures can be.
  • This object is achieved in the electrical device described above in that within the housing, a heat-expandable material is arranged such that the connecting member is brought by the heat-expandable material from a first position to a second position when the heat-expandable material due to heating above a certain activation temperature expands.
  • the second ends of two conductor sections are in electrical contact with the connection component, so that these two conductor sections are electrically connected to one another via the connection component.
  • the heat-expandable material arranged inside the housing assumes both the function of a sensor, which detects an inadmissible self-heating of a component to be monitored, and the function of an actuator, which spends the connecting component from its first position to a second position.
  • the heat-expandable material which is preferably composed of a low-melting plastic, such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), and a propellant, is in the normal state, ie in the normal operating state of the device to be monitored, in which this has no elevated temperature , in a solid state.
  • a low-melting plastic such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP)
  • PP polypropylene
  • a propellant is in the normal state, ie in the normal operating state of the device to be monitored, in which this has no elevated temperature , in a solid state.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the heat-expandable material does not expand until it is heated to the desired level, ie. H. extends in the thermal fault, the electrical contact between the connecting member and the second ends of the conductor sections in the normal state is not mechanically stressed by the heat-expandable material.
  • the use of a retaining element or a circuit for activating the heat-expandable material is not required.
  • the connecting component is a conductive contact plate or a conductive connecting web
  • the device represents a switch in the form of an opener.
  • Such an electrical device can be used, for example, as a temperature fuse, for which purpose the device must be arranged in the vicinity of the component to be monitored so that self-heating of the component to be monitored from the heat-expandable material is detected, ie. H. can lead to a corresponding heating of the heat-expandable material.
  • the electrical energy supply of the monitored component can be interrupted from reaching a critical temperature, so that ignition of the device and thus also ignition of an electrical or electronic device, in which the device to be monitored is arranged, can be prevented.
  • the device may also have the function of a closer, in which case the two conductor sections are not electrically connected to each other in the first position of the connecting member, while the Conductor portions are electrically connected to each other in the second position of the connecting member via the connecting member.
  • a normally-open type switch or electrical device an overloaded device may become short-circuited if the self-heating of the device causes the activation temperature of the heat-expandable material to reach such that the heat-expandable material expands, thereby causing the heat-expandable material to expand Moves connecting member to the second position.
  • the electrical device which has a first pair of conductor sections assigned to one another and a second pair of conductor sections assigned to one another, in the first position of the connection component, the two conductor sections of the first pair are electrically connected to one another via the connection component, while the two conductor sections of the second pair are not electrically connected to each other.
  • the two conductor portions of the second pair are electrically connected to each other via the connecting member, while the two conductor portions of the first pair are not electrically connected to each other.
  • the electrical device according to the invention represents a switch whose switch position is changed as a function of the temperature of a component to be monitored.
  • an electrical device formed in this way may, as described in detail above, have the function of an opener, a make contact or a changeover switch.
  • the connection component can also be an electrical or electronic component, for example a resistor or a semiconductor component, or an overvoltage protection element, for example a gas absorber.
  • the connecting component is in electrical contact with the second ends of two conductor sections in its first position. Expansion of the material due to heating of the heat-expandable material then causes the electrical contact between the connection member and the conductor portions to be disconnected, ie the connection component is electrically disconnected.
  • Such an electrical device can then also be used to arrange a connection component arranged in the housing, for example a semiconductor component or an overvoltage protection element, which is in electrical contact with the second ends of the two conductor sections in the normal state, itself from excessive self-heating due to overloading or To protect a too large leakage current.
  • the overloaded connection component disposed in the housing is then separated from the conductor sections by the expanding material, i. H. the flow of current through the connection component is interrupted.
  • the electrical device is not used to detect the inadmissible heating of another component, but to detect the inadmissible heating of the arranged in the housing of the electrical device device and its shutdown to ignite the device - and thus the electrical device - to prevent.
  • the electrical device has an optical status display, for which purpose a viewing window is formed in one side of the housing.
  • the housing is dimensioned in this way and the viewing window is arranged such that the connecting component is in its second position below the viewing window, while the connecting component is arranged in its first position at a distance from the viewing window.
  • the displacement of the connecting component can thus be used to display the functional status of the electrical device or a monitored component.
  • the viewing window is arranged in the housing such that the heat-expandable material is arranged in the expanded state below the viewing window, so that it can be seen through the viewing window.
  • the heat-expandable material is preferably colored, for example reddish-colored, so that it is easy for the user to recognize when the material has expanded by looking at the viewing window.
  • the expansion of the heat-expandable material itself is used to indicate the functional status of the electrical device or a monitored device.
  • the heat-expandable material may also be used to shift a separate status indicator.
  • the electrical device may also have a remotely transferable status indication, within which a telecommunications contact is arranged within the housing, which is activated when the connecting member is moved from the first position to the second by the expanding heat expansive material Position has moved or moved.
  • a remotely transferable status indication within which a telecommunications contact is arranged within the housing, which is activated when the connecting member is moved from the first position to the second by the expanding heat expansive material Position has moved or moved.
  • the telecommunications contact within the housing, the latter is thus actuated either only when the connecting component is in the second position or already at a somewhat earlier point in time when it is moved from the first position to the second position.
  • the electrical device with the housing, the conductor sections, the connecting component and the heat-expandable material may itself be part of a structural unit consisting of several components or assemblies.
  • the heat-expandable material used in the electrical equipment 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. the temperature at which the material expands is between 120 ° C and 150 ° C.
  • the connecting member is to be moved by the heat-expandable material from a first position to a second position.
  • the volume increase of the heat-expandable material is preferably at least 200%, ie at least twice the volume of the heat-expandable material prior to its activation.
  • the heat-expandable material is preferably designed to have a response time of less than one second for activation.
  • the heat-expandable material is preferably a support material and a blowing agent.
  • a thermoplastic polymer which is preferably selected from the group consisting of: acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polyamides (PA), polylacetate (PLA), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate can be used in particular as the carrier (PET), 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
  • 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 smallest hollow bodies filled with gases which are present in liquid phase.
  • Such 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 phase change of the liquid within the hollow body from liquid to gaseous, which leads to a very strong volume increase.
  • 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.
  • the carrier material or the blowing agent is selected such 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 volume increase 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 status display.
  • 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. As citric acid, on the other hand, which are initially separated from each other by a release layer.
  • 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 converted back to its starting state during cooling, so that the volume increase of the material can be reversed.
  • 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
  • the invention also relates to the use of a heat-expandable material as a functional material for detecting an impermissible heating of an electrical or electronic construction. elements due to overloading or aging of the device, 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 component is interrupted.
  • Heat-expandable material in particular intumescent material has hitherto been used primarily in the field of fire protection in buildings.
  • intumescent material has hitherto been used primarily in the field of fire protection in buildings.
  • the segments of a heat-resistant intumescent foam which foams in the event of fire to form a resistant carbon structure and fills the interior of the segments under close enclosure of the lines, which leads to the extinction of a fire within a cable duct and to the extinction of a cable fire.
  • the electrical energy supply of a monitored electrical or electronic component is interrupted when the component has heated excessively.
  • the heat-expandable material takes over as a functional material both a sensory and an actoric function by recognizing the one hand, the critical component state based on an inadmissible heating and on the other hand, the electrical Energy2aicht of the device directly or indirectly interrupts.
  • the component to be monitored may be an overvoltage-limiting component arranged in a housing of an overvoltage protection element, in particular a varistor or a gas-filled surge arrester, the overvoltage protection element having two connection elements for the electrical connection to a power circuit to be protected. or signal path.
  • an overvoltage protection element in particular a varistor or a gas-filled surge arrester
  • the overvoltage limiting component is in the normal state of the overvoltage protection element in a first position, in each of which one pole of the overvoltage limiting component is in electrically conductive contact with a connection element, while the overvoltage limiting device is subject to thermal overload by the Because of the heating expandable heat-expandable material is placed in a second position in which the two poles of the surge-limiting device are no longer in electrical contact with the connection elements.
  • the overvoltage-limiting component is thus moved away from the connection elements, as a result of which the electrical connection of the overvoltage-limiting component is interrupted.
  • the heat-expandable material consists of an insulating material, so that any arc occurring during separation of the electrical contact between the poles of the surge-limiting component and the connecting elements is extinguished by the foaming, heat-expandable material.
  • a heat-expandable material as a functional material for detecting an inadmissible heating of an overvoltage limiting component, in which in the normal state of the overvoltage protection element is also one pole of the overvoltage limiting component in electrically conductive contact with a connection element, it is provided that at least one pole of Overvoltage limiting component via a movable connecting element with a connection element is in electrically conductive contact.
  • the end of the connecting element facing the one pole of the surge-limiting component is deflected in such a way that the pole is no longer in electrically conductive contact with the corresponding connecting element.
  • a conductive slide or a metal tongue can be used as the connecting element, the first end of which is connected to a connection element and the second end in the normal state of the overvoltage protection element via a solder joint to a pole of the overvoltage limiting component. If there is an inadmissible heating of the overvoltage-limiting component, this leads to a melting of the solder joint and the slider or at least one end of the metal tongue is pushed or deflected by the pole, preferably by the expands due to the heating material, so that the pole is no longer in electrically conductive contact with the corresponding connection element.
  • a slider or a metal tongue and a resilient separating tongue can be used as a connecting element which is deflected in the soldered state from its rest position and springs back during melting of the solder joint, so that the free end of the separation tongue moves away from the pole, whereby the overvoltage limiting component also electrically is separated.
  • the force for displacing the surge limiting component or the force for pushing the slider away or deflecting the end of the metal tongue from the heat expandable material itself is applied.
  • this force can also be applied by a separate spring element or by the spring force of the resilient separating tongue.
  • the heat-expandable material can also be used only to bring when moving the surge-limiting component or when deflecting the connecting element in the resulting gap between at least one pole of the surge-limiting component and at least one connection element or the end of the connecting element, so that a when the electrical contact between a pole and a terminal is broken, the arc resulting from the expansion of the heat-expandable material is extinguished.
  • the heat-expandable material can also be used to a in the housing of the overvoltage protection element slidably arranged arc-quenching barrier in case of thermal overload by the expansion of the material between at least one pole of the overvoltage limiting component and at least one connection element or the end of the connecting element move or pivot, so that an emerging when disconnecting the electrical contact arc is interrupted by the barrier and thus deleted.
  • This variant of the use of a heat-expandable material can be realized regardless of whether the overvoltage-limiting element or the movable connecting element is moved in the event of an overload by the heat-expandable material itself or by a spring away from the connecting elements or from the pole of the surge-limiting component.
  • the heat-expandable material may additionally be used to cause a change in an optical status indicator upon thermal overloading by the expansion of the heat-expandable material and / or to actuate a telecommunications contact of a remotely transferable status indicator.
  • the heat-expandable material as the functional material exerts both a sensory function and an actuator function.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an electrical device, with a connecting component in a first position and in a second position,
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an electrical device, with a connecting component in a first position and in a second position,
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of an electrical device, with a connecting component in a first position and in a second position,
  • FIGS. 1 and 2 show two different embodiments of an electrical device 1 with a housing 2 and with two associated conductor sections 3a, 3b, which form the contacts of a switch.
  • Fig. 3 shows an embodiment of an electrical device 1 with a housing 2, which in addition to a first pair of mutually associated conductor sections 3a, 3b additionally has a second pair of mutually associated conductor sections 4a, 4b.
  • a connecting component 5 is also displaceably arranged in such a way that it can be moved from a first position to a second position, wherein FIGS.
  • FIGS. 1b, 2b and 3b show an electrical device 1 with a connecting component 5 in the second position.
  • the first ends 6 a, 6 b of the individual conductor sections 3 a, 3 b, 4 a, 4 b project out of the housing 2 on one side 7 - in the illustrated embodiments of the underside - so that they serve as connecting elements for the electrical device 1.
  • a heat-expandable material 8 in particular a intumescent material, is arranged below the connecting component 5 in the housing 2 in the normal operating state, but first in its normal operating state, but its state of aggregation as the temperature rises changes and becomes fluid.
  • the heat-expandable material 8 reacts with a large volume increase, i. H. the material 8 foams up and expands. This then results in the connecting component 5, which is arranged displaceably in the housing 2, being displaced from the expanding material 8 from its first position (FIGS. 1a, 2a and 3a) into its second position (FIGS. 1b, 2b and 3b).
  • the second ends 9 a, 9 b of the conductor sections 3 a, 3 b contact the connection component 5 in the first position, so that the two conductor sections 3 a, 3 b are electrically connected to one another via the connection component 5.
  • the contact points can be designed as pressure contacts, so that can be dispensed with solder joints.
  • the electrical device 1 corresponds to its function as a normally open switch.
  • the electrical connection between the two conductor sections 3a, 3b is first interrupted by the expansive material 8 pushing up the connecting component 5, i. H. the contact points are opened, and then the heat-expandable material 8, the two conductor sections 3a, 3b against each other.
  • the occurrence of a switching arc when opening the contacts between the connecting member 5 and the second ends 9a, 9b of the conductor sections 3a, 3b is thereby prevented by the expanding, foaming heat-expandable material 8.
  • the two conductor sections 3 a, 3 b in the first position of the connecting component 5 are not electrically connected to one another.
  • An electrically conductive connection of the two conductor sections 3a, 3b via the connecting component 5 takes place in this embodiment only when the connecting member 5 has been displaced by the expanding material 8 in its second - shown in Fig. 2b - position.
  • the connecting member 5 of the two ends 9 a, 9 b of the two conductor sections 3 a, 3 b contacted.
  • the electrical device 1 according to FIG. 2 thus corresponds to its function as a normally open switch.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of an electrical device 1, wherein in this electrical device 1 - in contrast to the two electrical devices 1 according to FIGS. 1 and 2 - in addition to a first pair of mutually associated conductor sections 3a, 3b nor a second pair of associated conductor portions 4a, 4b is provided.
  • the two conductor sections 3a, 4a are in one piece with one another. connected.
  • the electrical device 1 according to FIG. 3 thus corresponds to its function as a switch designed as a changeover switch.
  • the two conductor sections 3 a, 3 b of the first pair are electrically connected to one another via the connecting component 5, while the two conductor sections 4 a, 4 b of the second pair are not electrically connected to one another.
  • the two conductor sections 4a, 4b of the second pair are electrically connected to one another via the connection component 5, while the two conductor sections 3a, 3b of the first pair are not electrically connected to one another.
  • the first switch formed by the two conductor sections 3a, 3b is thus closed and the second switch formed by the two conductor sections 4a, 4b is opened, while in the second position of the connecting component 5, the first through the two conductor sections 3a, 3b formed first switch and the second switch formed by the two conductor sections 4a, 4b is closed.
  • the heat-expandable material 8 is made of an electrically insulating material.
  • elek- fresh device 1 is common that each ' in the top 11 of the housing 2, a viewing window 12 is formed.
  • a viewing window 12 is formed.
  • a corresponding colored marking on the upper side of the connecting component 5 thus makes optical status recognition possible in a simple manner, since the connecting component 5 is arranged in its second position immediately below the viewing window 12 in the upper side 11 of the housing 2. If the connecting component 5 is in its second position, this can be recognized by a user simply by looking at the viewing window 12.
  • the electrical appliance 1 can also be provided with a remote-transmissible condition monitoring.
  • a telecommunications contact can be arranged, which is actuated by the connecting member 5 when the connecting member 5 is in its second position.
  • FIGS. 4 to 7 show four different variants of an electrical appliance 1, which differ from each other only by the formation of the heat-expandable material 8 and from the embodiment according to FIG.
  • 8 conductive particles 13 are arranged in the heat-expandable material, which may be, for example, graphite or copper powder.
  • an intrinsic conductivity of the material 8 is achieved, so that when a voltage is applied, a current flows through the heat-expandable material 8, through which the material 8 is heated to its full volume. If the material 8 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 the volume increase reduces the conductivity of the material 8, preferably to such an extent that at maximum Volumenzu slaughter no current flows through the material 8.
  • a heat pipe 14 and, in the embodiments according to FIGS. 6 and 7, resistance wire 15 is embedded in the heat-expandable material 8, which also causes additional heating of the material 8 when passing through the heat pipe 14 or the resistance wire 15, a current flows.
  • the connections of the heat pipe 14 and the resistance wire 15 can either be led out separately, as shown in FIGS. 5 and 6.
  • the terminals of the resistance wire 15 may also be connected to the conductor sections 3a, 3b.
  • the current via the connecting component 5 is also used for additional heating of the heat-expandable material 8 by the resistance wire 15.
  • heat-expandable material 8 can be used not only in the electrical device 1 according to FIG. 1 but also in an electrical device 1 according to FIG. 2 or 3.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein elektrisches Gerät, mit einem Gehäuse (2), mit mindestens zwei Leiterabschnitten (3a, 3b, 4a, 4b) und mit einem innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Verbindungsbauteil (5), wobei jeweils ein erstes Ende (6a, 6b) der Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) als Anschlusselement aus dem Gehäuse (2) herausragt. Das elektrische Gerät (1) kann bei einfachem Aufbau dadurch zuverlässig auf die Überlastung und Alterung von elektronischen Bauelementen in elektrischen oder elektronischen Geräten reagieren, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein wärmeausdehnbares Material (8) derart angeordnet ist, dass das Verbindungsbauteil (5) durch das wärmeausdehnbare Material (8) aus einer ersten Position in eine zweite Position verbringbar ist, wenn sich das wärmeausdehnbare Material (8) aufgrund einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt, wobei entweder in der ersten Position oder in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die zweiten Enden (9a, 9b) zweier Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) mit dem Verbindungsbauteil (5) in elektrischem Kontakt stehen, so dass die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Elektrisches Gerät
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, mit einem Gehäuse, mit mindestens zwei Leiterabschnitten und mit einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Verbin- dungsbauteil, wobei jeweils ein erstes Ende der Leiterabschnitte als Anschlusselement aus dem Gehäuse herausragt.
Elektrische oder elektronische Geräte weisen häufig Bauelemente auf, die einer potentiellen Überlastungsgefahr ausgesetzt sind. Eine das Bauelement bzw. das elektri- sehe oder elektronische Gerät beschädigende oder zerstörende Überlast kann durch verschiedene unvorhersehbare Ereignisse hervorgerufen werden. Beispielsweise kann ein Defekt eines vor- oder nachgeschalteten Bauelements oder eines mit dem betroffenen Gerät elektrisch verbundenen anderen Geräts zu einem unzulässig hohen Leistungsumsatz in dem betroffenen Bauelement führen, verursacht durch eine zu hohe anliegende Spannung oder einen zu großen, durch das Bauelement fließenden Strom. Ebenso kann durch unsachgemäßen Gebrauch oder durch fehlerhafte Installation eines elektrischen oder elektronischen Geräts eine Überlastung des Geräts bzw. eines in dem Gerät angeordneten Bauelements verursacht werden. Der daraus resultierende hohe Leistungsumsatz führt zu einer ansteigenden Eigenerwärmung des Bauelements, die schließlich zu einem Entzünden des Bauelements und damit des gesamten Geräts führen kann, so dass ein unzulässig hoher Leistungsumsatz in einem überlasteten Bauelement eine akute Brandgefahr darstellt.
Die Gefahr eines Brandes eines elektrischen oder elektronischen Geräts kann darüber hinaus auch durch den Alterungsprozess bestimmter elektronischer Bauelemente hervorgerufen werden. Gegen Ende des Lebenszyklusses kann bei bestimmten elektronischen Bauelementen, beispielsweise bei Halbleitern, eine fortschreitende Impedanzabnahme stattfinden, so dass in zunehmendem Maße Leckströme auftreten können, die zu einer Eigenerwärmung des betroffenen Bauelements führen können. Dabei können die Eigenerwärmung und der erhöhte Leckstrom den Alterungsprozess des Bauelements zusätzlich beschleunigen.
Aus diesem Grunde werden in elektrischen und elektronischen Geräten, bei denen eine derartige Brandgefahr besteht, sogenannte Temperatursicherungen bzw. Thermosi- cherungen eingesetzt, deren Aufgabe es ist, bei einer zu hohen Temperatur eines überwachten Bauelements die Stromversorgung des Bauelements abzuschalten, so dass eine weitere Eigenerwärmung des Bauelements und die sich daraus ergebende Brandgefahr verhindert wird.
Derartige Temperatursicherungen bestehen in der Regel aus einem Gehäuse, in dem zwei Drähte angeordnet sind, die auf einer Seite des Gehäuses als Anschlussdrähte aus dem Gehäuse herausragen. Im Inneren des Gehäuses sind die beiden Drähte über einen in der Regel horizontal angeordneten leitfähigen Verbindungssteg elektrisch miteinander verbunden, wozu der Verbindungssteg an seinen beiden Endbereichen jeweils mit einem Draht verlötet ist. Unterhalb des Verbindungsstegs ist ein Feder- element angeordnet, das im Normalzustand der Temperatursicherung gegen den Verbindungssteg drückt. Das Federelement bewirkt dabei ein Abheben des Verbindungsstegs von den beiden Anschlussdrähten und damit eine Unterbrechung der leitfähigen Verbindung, wenn die Lötstellen zwischen dem Verbindungssteg und den beiden Drähten aufgrund einer Erwärmung nicht mehr die erforderliche Gegenkraft zur Fe- derkraft des Federelements aufbringen können.
Eine derartige Temperatursicherung ist auch aus der DE 10 2005 045 778 AI bekannt. Diese Temperatursicherung weist einen Leitersteg auf, der zwei Abschnitte eines stromführenden Leiters im Normalzustand der Temperatursicherung elektrisch leitend miteinander verbindet, indem der Leitersteg mit den Enden der beiden Leiterabschnitte über jeweils eine Lötverbindung verbunden ist. Im thermischen Fehlerfall wird die elektrische Verbindung zwischen dem Leitersteg und den beiden Leiterabschnitten durch ein Öffnungselement aufgetrennt, bei dem es sich beispielsweise um ein vorgespanntes Federelement handeln kann. Im Normalzustand der Temperatursicherung ist das Federelement dabei durch ein Halteelement arretiert, dessen Material bei Überschreitung der kritischen Temperatur mechanisch nachgibt, so dass das mechanisch vorgespannte Federelement den Leitersteg von den Enden der Leiterabschnitte abhebt.
Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der bekannten Temperatursicherung wird als Öffnungselement ein Zylinder mit einem Kolben verwendet. Im thermischen Fehlerfall erfolgt eine elektrische Ansteuerung des Kolbens derart, dass durch ein Hervorschnellen des Kolbens der Leitersteg von den beiden Leiterabschnitten abgehoben und somit die über die Lötverbindungen realisierte elektrische Brücke aufgetrennt wird. Der Nachteil einer herkömmlichen Temperatursicherung, bei der im Normalzustand ein Federelement permanent gegen den Verbindungsstieg drückt, besteht darin, dass dadurch die Lötverbindungen zwischen dem Verbindungsstieg und den Anschlussdrähten dauerhaft mechanisch beansprucht werden. Dieser Nachteil wird bei der aus der DE 10 2005 045 778 AI bekannten Temperatursicherung zwar vermieden, bei dieser Temperatursicherung ist jedoch der Aufbau des Öffnungselements mit einem zusätzlichen Halteelement oder einer erforderlichen elektrischen Schaltung zur An- steuerung eines Kolbens wesentlich aufwendiger.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät anzugeben, welches bei möglichst einfachem Aufbau zuverlässig auf die Überlastung und Alterung von elektronischen Bauelementen in elektrischen oder elektronischen Geräten reagiert, so dass ein unzulässig hoher Leistungsumsatz in dem überwachten Bauelement detektiert und entsprechende Sicherungsmaßnahmen ausgelöst werden können. Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen elektrischen Gerät dadurch gelöst, dass innerhalb des Gehäuses ein wärmeausdehnbares Material derart angeordnet ist, dass das Verbindungsbauteil durch das wärmeausdehnbare Material aus einer ersten Position in eine zweite Position verbringbar ist, wenn sich das wärmeausdehnbare Material aufgrund einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstempera- tur ausdehnt. Dabei stehen entweder in der ersten Position oder in der zweiten Position des Verbindungsbauteils die zweiten Enden zweier Leiterabschnitte mit dem Verbindungsbauteil in elektrischen Kontakt, so dass diese beiden Leiterabschnitte über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät übernimmt das innerhalb des Gehäuses angeordnete wärmeausdehnbare Material sowohl die Funktion eines Sensors, der eine unzulässigen Eigenerwärmung eines zu überwachenden Bauelements detektiert, als auch die Funktion eines Aktors, der das Verbindungsbauteil aus seiner ersten Position in eine zweite Position verbringt. 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, d. h. im normalen Betriebszustand des zu überwachenden Bauelements, in dem dieses keine erhöhte Temperatur aufweist, in einem festen Zustand. Erhöht sich die Temperatur des wärmeausdehnbaren Materials, aufgrund einer erhöhten Eigenerwärmung des zu überwachenden Bauelements, so wechselt das wärmeausdehnbare Material seinen Aggregatzustand und wird flüssig. Nach Überschreiten einer bestimmten Temperatur, reagiert das wärmeausdehnbare Material mit einer starken Volumenzunahme; das wärmeausdehnbare Material schäumt auf. Diese durch den Temperaturanstieg hervorgerufene starke Volumenzunahme des wärmeausdehnbaren Materials wird bei dem erfindungsgemäßen elektrisch Gerät dazu genutzt, das Verbindungsbauteil aus einer ersten Position in eine zweite Position zu verbringen.
Da sich das wärmeausdehnbare Material erst bei einer einsprechenden Erwärmung, d. h. im thermischen Fehlerfall ausdehnt, wird der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungsbauteil und den zweiten Enden der Leiterabschnitte im Normalzustand durch das wärmeausdehnbare Material mechanisch nicht beansprucht. Darüber hinaus ist auch die Verwendung eines Rückhalteelements oder einer Schaltung zur Aktivierung des wärmeausdehnbaren Materials nicht erforderlich. Gemäß einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektrischen Geräts mit zwei Leiterabschnitten sind die beiden Leiterabschnitte in der ersten Position des Verbindungsbauteils über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte in der zweiten Position des Verbindungsbauteils durch das wärmeausdehnbare Material gegeneinander isoliert sind. Handelt es sich bei dem Verbindungsbauteil um eine leitfähige Kontaktplatte oder einen leitfähigen Verbindungssteg, so stellt das Gerät einen Schalter in Form eines Öffners dar.
Ein derartiges elektrisches Gerät kann beispielsweise als Temperatursicherung verwendet werden, wozu das Gerät in der Nähe des zu überwachenden Bauelements an- geordnet sein muss, damit eine Eigenerwärmung des zu überwachenden Bauelements von dem wärmeausdehnbaren Material detektiert, d. h. zu einer entsprechenden Erwärmung des wärmeausdehnbaren Materials führen kann. Durch die Unterbrechung der leitfähigen Verbindung der beiden Leiterabschnitte über das Verbindungsbauteil kann die elektrische Energiezufuhr des überwachten Bauelements ab Erreichung einer kritischen Temperatur unterbrochen werden, so dass ein Entzünden des Bauelements und damit auch ein Entzünden eines elektrischen oder elektronischen Geräts, in dem das zu überwachende Bauelement angeordnet ist, verhindert werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Gerät auch die Funktion eines Schließers aufweisen, wobei dann die beiden Leiterabschnitte in der ersten Position des Verbindungsbauteils elektrisch nicht miteinander verbunden sind, während die Leiterabschnitte in der zweiten Position des Verbindungsbauteils über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden werden. Mit einem derartigen als Schließer ausgebildeten Schalter bzw. elektrischen Gerät kann beispielsweise ein ü- berlastetes Bauelement kurzgeschlossen werden, wenn die Eigenerwärmung des Bau- elements dazu führt, dass die Aktivierungstemperatur des wärmeausdehnbaren Materials erreicht wird, so dass sich das wärmeausdehnbare Material ausdehnt und dadurch das Verbindungsbauteil in die zweite Position verschiebt.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts, welches ein erstes Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten und ein zweites Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten aufweist, sind in der ersten Position des Verbindungsbauteils die beiden Leiterabschnitte des ersten Paares über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte des zweiten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. In der zweiten Position des Verbindungsbauteils sind dagegen die beiden Leiterabschnitte des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte des ersten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Wenn das Verbindungsbauteil durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials aus seiner ersten Position in seine zweite Position verbracht wird, fuhrt dies somit zu einem Umschalten zweier Kontakte, wobei in der ersten Position des Verbindungsbauteils die beiden Leiterabschnitte des ersten Paares und in der zweiten Position des Verbindungsbauteils die beiden Leiterabschnitte des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil elektrisch miteinander verbunden sind. Anstelle der Ausbildung von vier einzelnen Leiterabschnitten können lediglich drei einzelne Leiterabschnitte vorgesehen sein, wobei dann ein Leiterabschnitt sowohl dem ersten Paar als auch dem zweiten Paar zugeordnet ist.
Wird als Verbindungsbauteil eine leitfahige Kontaktplatte oder ein leitfähiger Verbindungssteg verwendet, so stellt das erfindungsgemäße elektrische Gerät einen Schalter dar, dessen Schalterstellung in Abhängigkeit von der Temperatur eines zu überwachenden Bauelements verändert wird. Ein derart ausgebildetes elektrisches Gerät kann dabei - wie zuvor im Einzelnen beschrieben - je nach Anordnung des Verbindungsbauteils und je nach Anzahl der vorhandenen Leiterabschnitte die Funktion eines Öffners, eines Schließers oder eines Umschalters aufweisen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts kann es sich bei dem Verbindungsbauteil auch um ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, beispielsweise einen Widerstand oder einen Halbleiterbauelement, oder um ein Überspannungsschutzelement, beispielsweise einen Gasabieiter handeln. In diesem Fall ist dann vorzugsweise vorgesehen, dass das Verbindungsbauteil in seiner ersten Position mit den zweiten Enden zweier Leiterabschnitte in elektrischem Kontakt steht. Eine aufgrund einer Erwärmung des wärmeausdehnbaren Materials erfolgende Ausdehnung des Materials führt dann dazu, dass der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungsbauteil und den Leiterabschnitten getrennt wird, d. h. das Verbindungsbauteil wird elektrisch abgetrennt.
Ein derartiges elektrisches Gerät kann dann auch dazu verwendet werden, ein in dem Gehäuse angeordnetes Verbindungsbauteil, beispielsweise ein Halbleiterbauelement oder ein Überspannungsschutzelement, das im Normalzustand mit den zweiten Enden der beiden Leiterabschnitte in elektrischem Kontakt steht, selber vor einer zu starken Eigenerwärmung aufgrund einer Überlastung oder eines zu großen Leckstromes zu schützen. Das in dem Gehäuse angeordnete überlastete Verbindungsbauteil wird dann durch das sich ausdehnende Material von den Leiterabschnitten abgetrennt, d. h. der Stromfluss durch das Verbindungsbauteil wird unterbrochen. In diesem Fall dient das elektrische Gerät nicht zur Detektion der unzulässigen Erwärmung eines anderen Bauelements, sondern zur Detektion der unzulässigen Erwärmung des in dem Gehäuse des elektrischen Geräts angeordneten Bauelements und zu dessen Abschaltung, um ein Entzünden des Bauelements - und damit auch des elektrischen Geräts - zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des elektrischen Geräts, welche unabhängig davon vorgesehen sein kann, wie das Verbindungsbauteil ausgebildet ist, weist das elektrische Gerät eine optische Zustandsanzeige auf, wozu in einer Seite des Gehäuses ein Sichtfenster ausgebildet ist. Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist dabei das Ge- häuse derart dimensioniert und das Sichtfenster so angeordnet, dass sich das Verbindungsbauteil in seiner zweiten Position unterhalb des Sichtfensters befindet, während das Verbindungsbauteil in seiner ersten Position beabstandet vom Sichtfenster angeordnet ist. Die Verschiebung des Verbindungsbauteils kann somit zur Anzeige des Funktionsstatus des elektrischen Geräts bzw. eines überwachten Bauelements genutzt werden. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Sichtfenster derart im Gehäuse angeordnet, dass das wärmeausdehnbare Material im ausgedehnten Zustand unterhalb des Sichtfensters angeordnet ist, so dass es durch das Sichtfenster erkennbar ist. In diesem Fall ist das wärmeausdehnbare Material vorzugsweise eingefärbt, beispielsweise röt- lieh eingefärbt, so dass durch einen Blick auf das Sichtfenster für den Benutzer leicht erkennbar ist, wenn sich das Material ausgedehnt hat. In dieser Ausführungsvariante wird die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials selber zur Anzeige des Funktionsstatus des elektrischen Geräts bzw. eines überwachten Bauelements genutzt. Alternativ dazu kann das wärmeausdehnbare Material auch zur Verschiebung einer separaten Zustandsanzeige benutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der zuvor beschriebenen optischen Zustandsanzeige kann das elektrische Gerät auch eine fernübertragbare Zustandsanzeige aufweisen, wozu innerhalb des Gehäuses ein Fernmeldekontakt angeordnet ist, der dann aktiviert wird, wenn sich das Verbindungsbauteil durch das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material aus der ersten Position in die zweite Position bewegt oder bewegt hat. Je nach Anordnung des Fernmeldekontakts innerhalb des Gehäuses wird dieser somit entweder erst dann betätigt, wenn sich das Verbindungsbauteil in der zweiten Position befindet, oder bereits zu einem etwas früheren Zeitpunkt, wenn es aus der ersten Posi- tion in die zweite Position verschoben wird.
Das elektrische Gerät mit dem Gehäuse, den Leiterabschnitten, dem Verbindungsbauteil und dem wärmeausdehnbaren Material kann selber Teil einer Baueinheit sein, die aus mehreren Bauteilen oder Baugruppen besteht.
Das bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät 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, zwischen 120° C und 150° C.
Wie zuvor bereits ausgeführt, soll das Verbindungsbauteil durch das wärmeausdehnbare Material aus einer ersten Position in eine zweite Position bewegt werden. Erwünscht ist somit eine deutliche Ausdehnung des Materials, wenn dieses seine Akti- vierungstemperatur 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 Fehlerfall eine schnelle Abtrennung des Verbindungsbauteils erforderlich sein kann, 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 Aktivierungstemperatur, 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), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefine, wie z.B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyisobutylen (PIB), Polybutylen (PB), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylchlorid (PVC), Polybutylente- rephtalat (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 physika- lisch wirkendes Treibmittel eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein physikalisch wirkendes Treibmittel eingesetzt, das aus kleinsten Hohlkörpern 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 dif- fusionsdicht und unterhalb der Aktivierungstemperatur starr, bei Erreichung der Aktivierungstemperatur jedoch elastisch. Ein Temperaturanstieg verursacht einen Phasenwechsel 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 Treibmit- tel 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 Treibmit- tel 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 er- reicht 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 Zustandsanzeige. 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, andererseits handeln, die zunächst voneinander durch eine Trennschicht getrennt sind. Wird die Trennung aufgehoben, beispielsweise durch mechanische oder thermische Einwir- kung, so reagieren die beiden Komponenten miteinander, wobei Gas frei wird, was zu einer Volumenzunahme führt. Ahnliche 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 über- führt 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 Wärmekopplung 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 Materials auch dadurch erreicht werden, dass dem Material leitfähige Bestandteile, wie bei- spielsweise 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 Volumenzunahme des Materials erhöht sich dabei der Widerstand, da sich die Anzahl der leitfä- higen Komponenten pro Volumeneinheit reduziert. Vorzugsweise kommt es dadurch zu einem vollständigen Erliegen des Stromflusses, wodurch die zusätzliche Wärmeeinbringung abgeschaltet wird.
Neben dem zuvor beschriebenen elektrischen Gerät betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff zur Detek- tierung einer unzulässigen Erwärmung eines elektrischen oder elektronischen Bau- elements 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 wärmeausdehnbare Materials die elektrische Energiezufuhr des Bauteils unterbrochen wird.
Wärmeausdehnbares Material, insbesondere intumeszentes Material wird bisher in erster Linie im Bereich des Brandschutzes in Gebäuden verwendet. So ist aus der DE 296 17 849 Ul ein Kabelkanal zum Verlegen von elektrischen Leitungen bekannt, dessen Segmente aus einem hitzebeständigen Intumeszenz-Schaumstoff bestehen, der im Brandfall unter Bildung einer resistenten Kohlenstoffstruktur aufschäumt und den Innenraum der Segmente unter dichtem Einschluss der Leitungen ausfüllt, was zum Erlöschen eines Brandes innerhalb eines Kabelkanals sowie zum Erlöschen eines Kabelbrandes führt. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des wärmeausdehnbaren Materials wird dagegen die elektrische Energiezufuhr eines überwachten elektrischen oder elektronischen Bauelements unterbrochen, wenn sich das Bauelement unzulässig stark erwärmt hat. Das wärmeausdehnbare Material übernimmt dabei als Funktionswerkstoff sowohl eine sensorische als auch eine aktorische Funktion, indem es einerseits den kritischen Bauelementezustand anhand einer unzulässigen Erwärmung erkennt und andererseits die elektrische Energie2aifuhr des Bauelements direkt oder indirekt unterbricht.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann es sich bei dem zu überwachenden Bauelement um ein in einem Gehäuse eines Überspannungsschutzelements ange- ordnetes Überspannungsbegrenzendes Bauelement, insbesondere einen Varistor oder einen gasgefüllten Überspannungsabieiter, handeln, wobei das Überspannungsschutzelement zwei Anschlusselemente zum elektrischen Anschluss an einen zu schützenden Strom- oder Signalpfad aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines Überspannungsbegrenzenden Bauelements befindet sich das Überspannungsbegrenzende Bauelement im Normalzustand des Überspannungsschutzelements in einer ersten Position, in der jeweils ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, während das über- spannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung durch das sich auf- grund der Erwärmung ausdehnende wärmeausdehnbare Material in eine zweite Position verbracht wird, in der die beiden Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit den Anschlusselementen in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Durch die Ausdehnung des Materials wird das Überspannungsbegrenzende Bauele- ment somit von den Anschlusselementen weg bewegt, wodurch der elektrische An- schluss des Überspannungsbegrenzenden Bauelements unterbrochen wird. Dabei besteht das wärmeausdehnbare Material aus einem isolierenden Material, so dass ein beim Trennen des elektrischen Kontaktes zwischen den Polen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und den Anschlusselementen eventuell auftretender Licht- bogen durch das aufschäumende, wärmeausdehnbare Material gelöscht wird.
Um das Überspannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung aus der ersten Position in die zweite Position zu verbringen, ist es erforderlich, dass auf das Bauelement eine entsprechende Kraft wirkt, die das Bauelement von den Anschluss- elementen wegbewegt. Diese Kraft wird - wie zuvor ausgeführt - vorzugsweise von dem wärmeausdehnbare Material selber aufgebracht, dass derart im Gehäuse angeordnet ist, dass es bei einer unzulässigen Erwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements das Bauelement von den Anschlusselementen weg drückt, wenn sich das Material ausdehnt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Kraft zum Ver- schieben des Überspannungsbegrenzenden Bauelements von einem separaten Federelement aufgebracht wird, dass zwischen dem Gehäuse und dem Überspannungsbegrenzenden Bauelement angeordnet ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff zur Detektierung einer unzulässigen Erwärmung eines Überspannungsbegrenzenden Bauelements, bei der im Normalzustand des Überspannungsschutzelements ebenfalls jeweils ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, ist vorgesehen, dass mindestens ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements über eine bewegliches Verbindungselement mit einem Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht. Bei thermischer Überlastung wird dabei das dem einen Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements zugewandte Ende des Verbindungselements so ausgelenkt, dass der Pol nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht. Als Verbindungselement kann dabei ein leitender Schieber oder eine Metallzunge eingesetzt werden, dessen erstes Ende mit einem Anschlusselement und dessen zweites Ende im Normalzustand des Überspannungsschutzelements über eine Lötstelle mit einem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements verbunden ist. Kommt es zu einer unzulässigen Erwärmung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements, so führt dies zu einem Aufschmelzen der Lötverbindung und der Schieber oder zumindest das eine Ende der Metallzunge wird von dem Pol, vorzugsweise durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende Material, weggedrückt bzw. ausgelenkt, so dass der Pol nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Anstelle eines Schiebers oder einer Metallzunge kann auch eine federnde Trennzunge als Verbindungselement verwendet werden, die im angelöteten Zustand aus ihrer Ruhelage ausgelenkt ist und beim Aufschmelzen der Lötverbindung zurückfedert, so dass sich das frei Ende der Trennzunge vom Pol wegbewegt, wodurch das Überspannungsbegrenzende Bauelement ebenfalls elektrisch abgetrennt wird.
Wie zuvor ausgeführt worden ist, wird vorzugsweise die Kraft zum Verschieben des Überspannungsbegrenzenden Bauelements oder die Kraft zum Wegdrücken des Schiebers bzw. zum Auslenkens des Endes der Metallzunge von dem wärmeausdehnbaren Material selber aufgebracht. Grundsätzlich kann diese Kraft jedoch auch von einem separaten Federelement bzw. von der Federkraft der federnden Trennzunge aufgebracht werden. In diesem Fall kann das wärmeausdehnbare Material auch lediglich dazu verwendet werden, beim Wegbewegen des Überspannungsbegrenzenden Bauelements bzw. beim Auslenken des Verbindungselements in den entstehenden Zwischenraum zwischen mindestens einem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens einem Anschlusselement bzw. dem Ende des Verbindungselements einzubringen, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen einem Pol und einem Anschlusselement entstehender Lichtbogen durch das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material gelöscht wird.
Alternativ dazu kann das wärmeausdehnbare Material auch dazu verwendet werden, eine im Gehäuse des Überspannungsschutzelements verschiebbar angeordnete lichtbogenlöschende Barriere bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des Ma- terials zwischen mindestens einen Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens ein Anschlusselement bzw. das Ende des Verbindungselements zu verschieben oder zu verschwenken, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts entstehender Lichtbogen durch die Barriere unterbrochen und damit gelöscht wird. Auch diese Variante der Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials kann unabhängig davon verwirklicht werden, ob das Überspannungsbegrenzende Bauelement bzw. das bewegliche Verbindungselement im Überlastfall durch das wärmeausdehnbare Material selber oder durch eine Feder von den Anschlusselementen bzw. von dem Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements weg bewegt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das wärmeausdehnbare Material zusätzlich dazu verwendet werden, bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials eine Änderung einer optischen Zustands- anzeige zu bewirken und/oder einen Fernmeldekontakt einer fernübertragbaren Zu- standsanzeige zu betätigen. Auch bei diesen Ausführungsformen wird von dem wärmeausdehnbare Material als Funktionswerkstoff sowohl eine sensorische Funktion als auch eine aktorische Funktion ausgeübt.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße elektrische Gerät sowie die erfindungsgemäße Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 17 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position,
Fig. 4 - 7 vier Varianten des erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts, mit einem Verbindungsbauteil in einer ersten Position und in einer zweiten Position Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines elektrischen Geräts 1 mit einem Gehäuse 2 und mit zwei einander zugeordneten Leiterabschnitten 3a, 3b, die die Kontakte eines Schalters bilden. Im Unterschied dazu zeigt die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts 1 mit einem Gehäuse 2, welches neben einem ersten Paar einander zugeordneter Leiterabschnitte 3a, 3b zusätzlich noch ein zweites Paar einander zugeordneter Leiterabschnitte 4a, 4b aufweist. Bei den in den Figuren dargestellten elektrischen Geräten 1 ist innerhalb des Gehäuses 2 darüber hinaus ein Verbindungsbauteil 5 derart verschiebbar angeordnet, dass es aus einer ersten Position in eine zweite Position verbracht werden kann, wobei die Fig. la, 2a und 3a jeweils ein elektrisches Gerät 1 mit einem Verbindungsbauteil 5 in der ersten Position und die Fig. lb, 2b und 3b ein elektrisches Gerät 1 mit einem Verbindungsbauteil 5 in der zweiten Position zeigen. Die ersten Enden 6a, 6b der einzelnen Leiterabschnitte 3a, 3b, 4a, 4b ragen jeweils auf einer Seite 7 - in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Unterseite - aus dem Gehäuse 2 heraus, so dass sie als Anschlusselemente für das elektrische Gerät 1 dienen.
Im Normalzustand (Fig. la, 2a, 3a) des elektrischen Geräts 1 ist unterhalb des Verbindungsbauteils 5 ein wärmeausdehnbares Material 8, insbesondere ein intumeszen- tes Material im Gehäuse 2 angeordnet, dass im normalen Betriebszustand zunächst fest ist, bei ansteigender Temperatur jedoch seinen Aggregatzustand ändert und flüssig wird. Bei Überschreiten einer Aktivierungstemperatur reagiert das wärmeausdehnbares Material 8 mit einer starken Volumenzunahme, d. h. das Material 8 schäumt auf und dehnt sich aus. Dies führt dann dazu, dass das verschiebbar in dem Gehäuse 2 angeordnete Verbindungsbauteil 5 von dem sich ausdehnenden Material 8 aus seiner ersten Position (Fig. la, 2a und 3a) in seine zweite Position (Fig. lb, 2b und 3b) verschoben wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten elekrischen Gerät 1 kontaktieren die zweiten Enden 9a, 9b der Leiterabschnitte 3a, 3b das Verbindungsbauteil 5 in der ersten Position, so dass die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b über das Verbindungsbauteil 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Kontaktstellen können dabei als Druckkontaktierungen ausgebildet sein, so dass auf Lötverbindungen verzichtet werden kann. Wird die Aktivierungstemperatur des wärmeausdehnbaren Materials 8 überschritten, so beginnt der in der Regel nicht reversible Prozess der Volumenzunahme, was dazu führt, dass sich in dem von dem Gehäuse 2 und dem Verbindungsbauteil 5 umschlossenen Raum, in dem das wärmeausdehnbare Material 8 angeordnet ist, ein Überdruck aufbaut. Über- steigt die aus dem Überdruck resultierende Kraft auf das Verbindungsbauteil 5 die Kontaktkraft zwischen dem Verbindungsbauteil 5 und den zweiten Enden 9a, 9b der beiden Leiterabschnitte 3a, 3b, so öffnen die Kontaktstellen und das Verbindungsbauteil 5 wird aus seiner ersten Position in seine zweite Position verschoben. Das elektri- sehe Gerät 1 gemäß Fig. 1 entspricht von seiner Funktion somit einem als Öffner ausgebildeten Schalter.
Da das verwendete wärmeausdehnbare Material 8 isolierend ist, wird die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterabschnitten 3a, 3b zunächst dadurch unterbro- chen, dass das sich ausdehnende Material 8 das Verbindungsbauteil 5 nach oben drückt, d. h. die Kontaktstellen geöffnet werden, und dann das wärmeausdehnbare Material 8 die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b gegeneinander isoliert. Das Auftreten eines Schaltlichtbogens beim Öffnen der Kontakte zwischen dem Verbindungsbauteil 5 und den zweiten Enden 9a, 9b der Leiterabschnitte 3a, 3b wird dabei durch das sich ausdehnende, aufschäumende wärmeausdehnbare Material 8 unterbunden.
Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten elektrischen Gerät 1 sind bei dem in Fig. 2 dargestellten elektrischen Gerät 1 die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b in der ersten Position des Verbindungsbauteils 5 elektrisch nicht miteinander verbunden. Eine elektrisch leitende Verbindung der beiden Leiterabschnitte 3a, 3b über das Verbindungsbauteil 5 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel erst dann, wenn das Verbindungsbauteil 5 durch das sich ausdehnende Material 8 in seine zweite - in Fig. 2b dargestellte - Position verschoben worden ist. In der zweiten Position wird das Verbindungsbauteil 5 von den beiden Enden 9a, 9b der beiden Leiterabschnitte 3 a, 3 b kontaktiert. Das elektrische Gerät 1 gemäß Fig. 2 entspricht von seiner Funktion somit einem als Schließer ausgebildeten Schalter. Bei dieser Ausführungsform des elektrischen Geräts 1 ist es nicht erforderlich, dass das wärmeausdehnbare Material 8 elektrisch isolierend ist, da die Leiterabschnitte 3a, 3b derart in einer Ausnehmung in der Gehäusewandung 10 angeordnet sind, dass nur die zweiten Enden 9a, 9b aus der Ge- häuse wandung 10 heraus ins Innere des Gehäuses 2 ragen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts 1, wobei bei diesem elektrischen Gerät 1 - im Unterschied zu den beiden elektrischen Geräten 1 gemäß den Fig. 1 und 2 - neben einem ersten Paar von einander zugeordneten Leiter- abschnitten 3a, 3b noch ein zweites Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten 4a, 4b vorgesehen ist. Die beiden Leiterabschnitte 3a, 4a sind dabei einstückig mitein- ander verbunden. Das elektrische Gerät 1 gemäß Fig. 3 entspricht von seiner Funktion somit einem als Umschalter ausgebildeten Schalter.
In der ersten Position des Verbindungsbauteils 5 (Fig. 3 a) sind die beiden Leiterab- schnitte 3a, 3b des ersten Paares über das Verbindungsbauteil 5 elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b des zweiten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Im Unterschied dazu sind in der zweiten Position des Verbindungsbauteils 5 (Fig. 3b) die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil 5 elektrisch miteinander verbunden, während die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b des ersten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind. In der ersten Position des Verbindungsbauteils 5 ist somit der durch die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b gebildete erste Schalter geschlossen und der durch die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b gebildete zweite Schalter geöffnet, während in der zweiten Position des Verbindungsbauteils 5 der durch die beiden Leiterabschnitte 3a, 3b gebildete erste Schalter geöffnet und der durch die beiden Leiterabschnitte 4a, 4b gebildete zweite Schalter geschlossen ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das wärmeausdehnbare Material 8 aus einem elektrisch isolierenden Material.
Den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen elek- frischen Geräts 1 ist gemeinsam, dass jeweils'in der Oberseite 11 des Gehäuses 2 ein Sichtfenster 12 ausgebildet ist. Durch die Verschiebung des Verbindungsbauteils 5 durch das sich ausdehnende Material 8 wird dabei nicht nur ein Kontakt geöffnet oder geschlossen, sondern zugleich auch der Zustand des elektrischen Geräts 1 angezeigt. Durch eine entsprechende farbige Markierung auf der Oberseite des Verbindungsbau- teils 5 ist somit auf einfache Art und Weise eine optische Zustandserkennung möglich, da das Verbindungsbauteil 5 in seiner zweiten Position unmittelbar unterhalb des Sichtfensters 12 in der Oberseite 11 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Befindet sich das Verbindungsbauteil 5 in seiner zweiten Position, so ist dies von einem Benutzer einfach durch einen Blick auf das Sichtfenster 12 erkennbar.
Zusätzlich oder alternativ zu einer optischen Zustandsanzeige kann bei dem elektrischen Gerät 1 auch eine fernübertragbare Zustandsüberwachung vorgesehen sein. Hierzu kann innerhalb des Gehäuses 2, vorzugsweise unterhalb der Oberseite 11, ein Fernmeldekontakt angeordnet sein, der durch das Verbindungsbauteil 5 betätigt wird, wenn sich das Verbindungsbauteil 5 in seiner zweiten Position befindet. Die Fig. 4 - 7 zeigen vier verschiedene Varianten eines elektrischen Geräts 1 , die sich jeweils nur durch die Ausbildung des wärmeausdehnbaren Materials 8 voneinander und von der Ausführung gemäß Fig. 1 unterscheiden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind in dem wärmeausdehnbaren Materials 8 leitfähige Partikel 13 angeordnet, bei denen es sich beispielsweise um Graphitoder Kupferpulver handeln kann. Durch die Beimischung der leitfähigen Partikel 13 wird eine Eigenleitfähigkeit des Materials 8 erreicht, so dass bei Anliegen einer Spannung ein Strom durch das wärmeausdehnbare Material 8 fließt, durch den das Materi- al 8 vollvolumig aufgeheizt wird. Erreicht das Material 8 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 8 verringert, vorzugsweise so weit, dass bei maximaler Volumenzunahme kein Strom mehr durch das Material 8 fließt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist eine Heatpipe 14 und bei den Ausfüh- rungsbeispielen gemäß den Fig. 6 und 7 Widerstandsdraht 15 in dem wärmeausdehnbaren Material 8 eingebettet, wodurch es ebenfalls zu einer zusätzlichen Erwärmung des Materials 8 kommt, wenn durch die Heatpipe 14 bzw. den Widerstandsdraht 15 ein Strom fließt. Die Anschlüsse der Heatpipe 14 und des Widerstandsdrahts 15 können dabei entweder - wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt - separat herausgeführt sein. Alternativ dazu können auch gemäß Fig. 7 die Anschlüsse des Widerstandsdrahts 15 auch mit den Leiterabschnitten 3a, 3b verbunden sein. Im zweiten Fall wird der Strom über das Verbindungsbauteil 5 auch zur zusätzlichen Erwärmung des wärmeausdehn- baren Materials 8 durch den Widerstandsdraht 15 genutzt.
Es ist ersichtlich, dass die zuvor beschriebenen Varianten bzw. Ausgestaltungen des wärmeausdehnbaren Materials 8 nicht nur bei dem elektrischen Gerät 1 gemäß Fig. 1 sondern auch bei einem elektrischen Gerät 1 gemäß Fig. 2 oder 3 eingesetzt werden können.

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrisches Gerät, mit einem Gehäuse (2), mit mindestens zwei Leiterabschnitten (3a, 3b, 4a, 4b) und mit einem innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Verbin- dungsbauteil (5), wobei vorzugsweise jeweils ein erstes Ende (6a, 6b) der Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) als Anschlusselement aus dem Gehäuse (2) herausragt, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb des Gehäuses (2) ein wärmeausdehnbares Material (8) derart angeordnet ist, dass das Verbindungsbauteil (5) durch das wärmeausdehnbare Material (8) aus einer ersten Position in eine zweite Position verbringbar ist, wenn sich das wärmeausdehnbare Material (8) aufgrund einer Erwärmung oberhalb einer bestimmten Aktivierungstemperatur ausdehnt,
wobei entweder in der ersten Position oder in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die zweiten Enden (9a, 9b) zweier Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) mit dem Verbindungsbauteil (5) in elektrischem Kontakt stehen, so dass die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b, 4a, 4b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, mit zwei Leiterabschnitten (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3 a, 3b) über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander ver- bunden sind, während in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) durch das wärmeausdehnbare Material (8) gegeneinander i- soliert sind.
3. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, mit zwei Leiterabschnitten (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position des Verbindungsbauteil (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) elektrisch nicht miteinander verbunden sind, während in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) ü- ber das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
4. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, mit einem ersten Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten (3 a, 3b) und mit einem zweiten Paar von einander zugeordneten Leiterabschnitten (4a, 4b), dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) des ersten Paares über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind, während die beiden Leiterabschnitte (4a, 4b) des zweiten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind, und
dass in der zweiten Position des Verbindungsbauteils (5) die beiden Leiterabschnitte (3a, 3b) des ersten Paares elektrisch nicht miteinander verbunden sind, während die beiden Leiterabschnitte (4a, 4b) des zweiten Paares über das Verbindungsbauteil (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
5. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (5) eine leitfähige Kontaktplatte oder ein leitfähiger Verbindungssteg ist.
6. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil (5) ein elektrisches Bauelement, beispielsweise einen
Widerstand, oder ein elektronisches Bauelement, beispielsweise einen Halbleitebauelement oder ein Überspannungsschutzelement aufweist.
7. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Seite (11) des Gehäuses (2) ein Sichtfenster (12) ausgebildet ist, und dass das Verbindungsbauteil (5) in seiner zweiten Position unterhalb des Sichtfensters (12) angeordnet ist.
8. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Seite (11) des Gehäuses (2) ein Sichtfenster (12) ausgebildet ist, und dass das wärmeausdehnbare Material (8) im ausgedehnten Zustand unterhalb des Sichtfensters (12) angeordnet ist, wobei das wärmeausdehnbare Material (8) vorzugsweise eingefärbt ist.
9. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) ein Fernmeldekontakt angeordnet ist, der betätigt wird, wenn sich das Verbindungsbauteil (5) durch das sich ausdehnende wärmeausdehnbare Material (8) aus der ersten Position in die zweite Position bewegt oder bewegt worden ist.
10. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungstemperatur des wärmeausdehnbaren Materials (8) mehr als 80°C, insbesondere zwischen 120°C und 150°C, beträgt.
11. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (8) eine Volumenzunahme von mindestens 200 % aufweist.
12. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (8) ein Trägermittel, insbesondere ein thermoplastischer Polymer oder ein Elastomer mit geringer Shore-A Härte, und ein Treibmittel aufweist.
13. Elektrisches Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Treib- mittel ein physikalisch wirkendes Treibmittel, insbesondere Mikrosphären verwendet werden.
14. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (8) zwei Komponenten aufweist, die im nicht aktivierten Zustand voneinander getrennt sind, wobei die Komponenten miteinander unter Volumenzunahme reagieren, wenn die Trennung aufgehoben ist.
15. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des wärmeausdehnbaren Materials (8) durch eine aktive Erwär- mung durch zusätzlichen Energieeintrag von außen unterstützt wird.
16. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material (8) ein intumeszentes Material ist.
17. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff zur De- tektierung 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.
18. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauelement um ein in einem Gehäuse eines Uberspannungsschutzelements angeordnetes Überspannungsbegrenzendes Bauelement, insbesondere einen Varistor oder einen gasgefüllten Über- spannungsableiter handelt, wobei das Überspannungsschutzelement zwei Anschlusselemente zum elektrischen Anschluss des Überspannungsschutzelements an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad aufweist.
19. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Überspannungsbegrenzende Bauelement im Normalzustand des Überspannungsschutzelements in einer ersten Position befindet, in der jeweils ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht, und
dass das Überspannungsbegrenzende Bauelement bei thermischer Überlastung durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende wärmeausdehnbare Material in eine zweite Position verbracht wird, in der die beiden Pole des Überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit den Anschlußelementen in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
20. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand des Überspannungsschutzelements jeweils ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Anschlusselement steht,
dass dabei mindestens ein Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements über eine bewegliches Verbindungselement mit einem Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht, und
dass zumindest das dem einen Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements zugewandte Ende des Verbindungselements bei thermischer Überlastung ausgelenkt wird, vorzugsweise durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende wärmeausdehnbare Material, so dass zumindest der eine Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht mehr mit dem korrespondierenden Anschlusselement in elektrisch leitendem Kontakt steht.
21. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeausdehnbare Material bei thermischer Überlastung des Überspannungsbegrenzenden Bauelements zwischen mindestens einen Pol des Überspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens ein Anschlusselement bzw. das Ende des Verbindungselements eindringt, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen mindestens einem Pol und ei- nem Anschlusselement bzw. dem Ende des Verbindungselements entstehender Lichtbogen durch das isolierende wärmeausdehnbare Material unterbunden bzw. gelöscht wird.
22. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach Anspruch 19 oder 20, mit einer im Gehäuse des Überspannungsschutzelements verschiebbar angeordneten lichtbogenlöschenden Barriere, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere bei thermischer Überlastung durch das sich aufgrund der Erwärmung ausdehnende wärmeausdehnbaren Material zwischen mindestens einen Pol des ü- berspannungsbegrenzenden Bauelements und mindestens ein Anschlusselement bzw. das Ende des Verbindungselements verschoben oder verschwenkt wird, so dass ein beim Auftrennen des elektrischen Kontakts zwischen mindestens einem Pol und einem Anschlusselement bzw. dem Ende des Verbindungselements entstehender Lichtbogen durch die Barriere gelöscht wird.
23. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials eine Änderung einer optischen Zustandsanzeige bewirkt wird.
24. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer Überlastung durch die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials ein Fernmeldekontakt einer fernübertragbaren Zustandsanzeige betätigt wird.
25. Verwendung eines wärmeausdehnbaren Materials als Funktionswerkstoff in einem elektrischen Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
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