WO2014067691A1 - Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen kurzschlusses - Google Patents

Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen kurzschlusses Download PDF

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WO2014067691A1
WO2014067691A1 PCT/EP2013/067689 EP2013067689W WO2014067691A1 WO 2014067691 A1 WO2014067691 A1 WO 2014067691A1 EP 2013067689 W EP2013067689 W EP 2013067689W WO 2014067691 A1 WO2014067691 A1 WO 2014067691A1
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film
insulation
exothermic
mass
short circuit
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PCT/EP2013/067689
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Arnd Ehrhardt
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Dehn + Söhne Gmbh + Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/006—Opening by severing a conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/02—Details

Definitions

  • the invention relates to a device for operating voltage-independent generating a safe, low-resistance electrical short circuit, comprising two electrical, in particular plate-shaped
  • connection parts which lead to a different potential, wherein between the connection parts an insulation gap is formed and the desired short circuit via a, at least partially, penetration or destruction of the insulation distance is realized, according to claim 1.
  • the realization of a targeted electrical short circuit is a common method for a variety of electrical devices to ensure a safe switching state.
  • Fail-safe is a well-known and common method for
  • the heating is used to trigger the short-circuit.
  • Usual are here, for example, spring-biased movable contacts, which are released by the heating of solder or wax.
  • the control of semiconductors or of hybrid short-circuiters which consist of semiconductors and mechanical short-circuiters, is also known.
  • the time to reach the short circuit state can be significantly reduced.
  • low cost semiconductors in many cases do not have sufficient current carrying capacity.
  • the realized short circuit is also not low-impedance and it is the effort to control and protect the semiconductor and their EMC-safe use in many applications high.
  • overvoltage protection protective devices are furthermore known in which e.g. heating-expanding materials are used to cause movement of contacts.
  • the targeted control of such materials, for example with an additional heating element is known.
  • the short circuit should be active, that is, it can be deliberately brought about with the help of an external or internal activation, and on the other hand it can also be passive, independently of achieving at least one defined condition.
  • the active control is to be realized by as diverse as possible individual criteria, but also by OR links of these criteria.
  • the short circuit device to be created without expensive mechanical
  • the short circuit to be realized should also enable a selective disconnection of overcurrent protection devices and be suitable for the conduction of continuous currents. Accordingly, it is desired that the device provide a low resistance galvanic connection suitable for persistent currents. Also, the parts required for the short circuit and the control should be executable as a ready-to-connect supplementary unit.
  • the basic idea of the invention is to distinguish between two, e.g.
  • plate-shaped parts which lead a different electrical potential, at least in each case an insulating film and an exothermic mass, which is preferably also executable as a film to arrange.
  • the connecting parts with different potential have a distance of a few 10 ⁇ up to a few 100 ⁇ .
  • the mentioned exothermic mass is preferably close to ground or at ground potential.
  • the mass can now be activated by a voltage pulse, a current pulse, by a mechanical shock or pressure or an intense light pulse or even during or by electrical discharge and diversion processes.
  • the exothermic mass is quasi passively subject to activation even when reaching a defined temperature.
  • the reaction of the exothermic mass leads to melting or to a deformation of the insulating film forming the insulating film within a very short time, whereby the potential separation is canceled and a short circuit between the floating parts can be produced.
  • the realization of the short circuit can be described by additional design measures and in the embodiments
  • connection parts are arranged closely adjacent to the isolation path.
  • the insulation gap can, as already stated, be formed as an insulation film, but also as a film-like coating.
  • the aforementioned exothermic mass which releases its exothermic energy when energized and the
  • At least one of the connecting parts can be under mechanical prestress, so that when the insulation section is destroyed or deformed, the connecting parts come into contact with each other via a mechanical movement that then occurs.
  • this can be a sandwich arrangement with the insulation gap, which in turn can also be formed by a film.
  • the exothermic mass is designed and dimensioned such that sufficient heat is released within a period of about 1 to 10 ms in order to melt or significantly deform the insulation film or insulation layer.
  • the exothermic mass is integrated in one or both of the connecting parts. Furthermore, arranging of easily melting metals or metal layers can take place in the area of the formation or arrangement of the exothermic mass.
  • the short-circuiting device therefore consists of two e.g. plate-shaped electrically conductive parts with generally different potential, between which at least one insulating film and an exothermic mass, which is preferably also formed as a film is brought.
  • the two electrically conductive parts with generally different potential can be connection or connection elements of the device to be protected by short circuits or else a component of a connection-ready supplementary unit "short-circuiter".
  • the electrically conductive parts have a distance of a few 10 ⁇ up to a few 100 ⁇ .
  • One or both parts can be under a mechanical preload, which in the simplest case is created by the joining of the parts and the material properties.
  • the thickness and the material properties of the electrical insulating film determine the maximum rated voltage and the transient dielectric strength of the short-circuiting device. In addition to the breakdown properties of the film are of course the rollover properties and the
  • the exothermic mass develops after its active or passive activation immediately at the activation site within a period of less than 1 ms so much heat that the insulation film melts.
  • the exothermic mass in film form and with active ignition at only one point of the mass, the exothermic reaction within the film continues at high speed, so that even with large required contact surfaces generally one activation point is sufficient. Due to the rapid release of the heat, the influence of the heat capacity and heat conduction of the electrically conductive connection parts (short-circuit contacts) is almost negligible.
  • the energy input can be considered almost adiabatic and the
  • the exothermic mass is preferably close to ground or at ground potential.
  • the mass or film can also be integrated in an electrically conductive connection part, so that only the insulation film determines the spacing of the conductive parts.
  • the film itself may be electrically conductive and similarly thin designed as the insulating film, so that the cost of introducing the exothermic mass is negligible.
  • the insulating film and the exothermic film can also be designed as a composite material in sandwich form with a suitable design of the electrically conductive parts.
  • the insulation film can also be exothermic on both sides
  • Channels can be integrated into the electrically conductive connection plates. In the case of an electrically conductive exothermic mass, it may also be designed to accommodate or specifically displace the melt.
  • the targeted influence on the melt of the insulating material is useful even at low operating or residual stresses in the fault state, eg in arcs, so that even with the low film thicknesses no minimum air or sliding distance remains despite molten film.
  • the pure displacement effect of the melt of the insulating film is supported by the heat of reaction, the first current flow, possibly with minimal discharge formation, and by a minimum bias of the connecting parts.
  • the reaction area also easily melting metals (low heat conduction, low heat capacity, low melting temperature), for example, as a coating of the films, the exothermic film or the connecting parts are used. The resulting molten metal bridges the minimum gap after melting the insulation film.
  • thermal processes are used to melt or move parts.
  • the presented arrangement allows the bi-f unctional use of the exothermic reaction for the preferred realization of a short circuit.
  • the reaction can be triggered on the one hand purposefully and independently of the environmental conditions of the film or the device, for example by a remote control.
  • influence or reference variables of the immediate surroundings of the film or signal quantities of the device can be used directly or indirectly. The application possibilities are therefore almost unlimited.
  • the purely passive reaction of the film upon reaching a limit temperature can be used, for example, in components or devices in which higher temperatures lead to overloading or a fire hazard. This feature has a redundant effect in many applications where active activation fails.
  • the film can be placed in direct thermal contact with the component at risk of overload, or the heat via a thermal coupling.
  • the passive thermal reaction of the film can also be used via an additional heating element. Due to the very low heat capacity and low heat conduction, the exothermic reaction can be achieved only with a nearly selective energy coupling and low power. The required power corresponds to only a fraction of thermally sensitive enamel, such as solders, waxes etc.
  • the mass can, for example, by a
  • Voltage pulse, a current flow, by mechanical shock, an intense light pulse or electric discharge or recharge processes are activated.
  • a voltage pulse can be generated in the simplest case by a defined flashover distance or by means of discrete components which respond to overvoltages.
  • a current flow can be generated by the targeted electronic or mechanical connection, for example, the supply voltage of the device or an available auxiliary snapssario generated in the exothermic mass. For this is the
  • Firing pin or be used by strong vibration These options therefore allow the use of a simple mechanical or electronic shutter, for example by applying the mass with a current flow or a charge, which may be remotely operated. In addition to the remote control and auxiliary sizes can be used.
  • Components such as thermal switches, NTC, PTC, GDT 's , varistors, Hall sensors, piezo elements, etc., which can react to internal load variables defined, are connected internally or deliberately switched from the outside. Also suitable for igniting the mass is the thermal overload of current bridges, for example, fusible conductors, which can be used both for thermal heating or for spark formation.
  • Triggering an activation signal e.g. allow at very fast overload the ignition of the mass can also be done by the destruction of the components themselves and the device can be spent by the realization of a defined short circuit in a safe state.
  • the rollover or destruction of electrical or electronic components generally generates sparks, arcs or hot ionized gases.
  • the accompanying phenomena could be used directly for an activation of the mass.
  • Fig. 1 shows a basic basic arrangement for the realization of a
  • Fig. 2 shows an arrangement in which the insulating film between two sheets of exothermic mass is located
  • Fig. 3 shows an arrangement in which the connecting parts or the film
  • Fig. 4 shows the arrangement of cavities or channels in one
  • Figure 5 is a view similar to that of Figure 4, but with a larger cavity in which a mandrel is additionally attached.
  • FIG. 6 shows an arrangement in which the insulating film has a recess in the region of a cavity
  • Fig. 7 shows an arrangement similar to that of FIG. 6, but after
  • Fig. 8 shows a basic arrangement variant in which the
  • FIG. 9 shows an arrangement similar to that according to FIG. 8, with an additional element being present, for example, as an impedance, spark gap or fusible wire;
  • Fig. 1 a basic principle arrangement for realizing a short circuit is shown.
  • the plate-shaped connection parts 1 and 2 can be existing electrically conductive parts of the device to be protected or also additional parts which are inserted into the device.
  • the essential components provide the exothermic mass, e.g. in
  • Foil form 3 and the insulating film 4 is. Both parts each have a thickness of only a few 10 ⁇ .
  • the part shown as a spring element 5 is not mandatory. Due to the short distances, a clamping connection of the parts or even the intrinsic elasticity of the parts is generally sufficient.
  • the distance between the connecting parts 1 and 2 can be reduced to the thickness of the insulating film 4.
  • the insulation film 4 and the connection parts 2 are designed so that the electrical voltage resistance between the connection parts 1 and 2 corresponds to the electrical breakdown voltage of the insulation film. In Fig.
  • Fig. 1 is limited to the passive triggering of the exothermic reaction, in the case of heating the film 3 to the reaction temperature. This heating could be done for example by thermal conduction through the connection part 1. Upon reaching the reaction temperature, the Foil 3 within a few ⁇ to ms release a sufficient amount of energy to melt the insulating film 4 in the contact area.
  • the exothermic mass 3 is electrically conductive both before the reaction and after the reaction. However, this is not absolutely necessary due to the small dimensions of the film 3. In general, at one
  • melt residues of the film 4 are generally displaced from the contact area by the applied pressure of the clamping connection.
  • the distance between the electrically conductive parts 1 and 2 is also independent of the properties of the mass.
  • Fig. 2 shows an arrangement in which the insulating film 4 is disposed between two sheets of exothermic mass 3.
  • the insulating film can be supplied with the required heat of fusion from both sides.
  • a film 3 may, for. B. are used exclusively for passive triggering by heating and the other film can be actively controlled. If required, both sides can also be used for passive monitoring at the same or different trip temperature.
  • both sides can also be used for passive monitoring at the same or different trip temperature.
  • stronger insulation films can be destroyed and that the destruction of the insulation layer can be accelerated.
  • such a high radiation intensity is produced that the film on the opposite side of the insulating film is automatically activated, e.g. in optically transparent insulation films 4.
  • Fig. 3 an arrangement is shown, in which the connecting parts or the film 3 is additionally coated with an electrically conductive material with low melting temperature 6, for example, low-temperature solder.
  • the solder can also be added as an additional film.
  • This additional material can realize several functions.
  • the material can serve as a defined heat transfer barrier to the terminals to the optimally transfer resulting heat of reaction to the insulation film and the additional material.
  • low-melting material can be used for rapid and large-scale
  • the melt can also serve for permanent soldering of the terminals 1 and 2 and thus in addition to the electrical function and a mechanical function after
  • channels, grooves or cavities in one or both ports can, in particular for larger required contact surfaces between the terminals for receiving melt residues of the insulating film or for their targeted displacement of the
  • FIG. 4 shows such an arrangement of cavities / channels 7 in the connection 2.
  • the real contact surface remains sufficiently large.
  • Fig. 5 a similar arrangement with a larger cavity 7 is shown.
  • a mandrel 8 can be mounted in the cavity.
  • the material 3 deforms very strongly, causing a kind of deep drawing process of the material into the cavity 7.
  • these are already drawn into the cavity before melting and destroyed on the mandrel 8, so that the short circuit is realized even before complete melting of the insulating film and also before the displacement of the remainder of the film.
  • Fig. 6 shows a similar arrangement in which the insulating film has a suitable recess 9 in the region of the cavity, whereby a movement of the insulating film 4 by the exothermic film 3 in the
  • FIG. 7 shows the arrangement according to FIG. 6 after the exothermic reaction and the deformation of the part 3.
  • the active control of the exothermic mass can, as already
  • Fig. 8 shows a possible basic arrangement, wherein the
  • Activation is done relatively centrally on the film 3. This ensures, in particular for relatively large areas, that the necessary heat of fusion for the film 4 is available almost at the same time due to the internal reaction speed within the film at the two edge regions.
  • the film 3 can also be activated at an edge region or at several points. The activation of the film 3 takes place in the arrangement via an electrically conductive connection line 11.
  • This line can be soldered to the film 3, clamped or even just hang up. There may also be a minimum distance between the conduit 11 and the part 3.
  • the cable cross-section can be very small ⁇ 1mm 2 .
  • the requirements of the electrical insulation of the line 11 with respect to the connection part 1 is negligible, as long as the contact or the distance to the part 3 is guaranteed or less.
  • the component 10 in the electrical connection line 11 may be located within the device to be protected or outside.
  • the component 10 itself may be a sensor or a controllable element which responds to requirements within the device to be protected or external conditions or signals.
  • the component 10 may be an electrical switch or mechanical switch. By its operation, a potential is applied to the film 3, which differs from that of the film 3 and the terminal 1, whereby a charge compensation takes place. The film 3 is thereby by the current flow or the discharge
  • the part 10 may also be designed as NTC, PTC, GDT, varistor, Zener diode, thermal switch, piezoelectric elements, etc. Due to the choice of the sensor, various ternal or external variables are used for activation. Due to the very low energy requirement for activation, also wireless methods (transmitter-receiver) can be used without restrictions.
  • the additional element 12 may be designed, for example, as an impedance, spark gap or else as a fused wire with a defined I 2 t value. This allows, regardless of the amount of charge available, a defined generation of sparks, which cause the reaction of the film 3 very effectively and very quickly.
  • the speed of triggering the film can be compared to the heating of the film by a
  • lasers or firing pins can of course also be used, for example. acting analogously to the fuse on the film 3 and trigger targeted.
  • FIG. 10 and Fig. 11 show arrangements with a housing, which for a subsequent attachment of the short-circuiting to a
  • a protective device / component are suitable.
  • the known from Fig. 1 arrangement is introduced into a housing 13 made of metal.
  • Connection element 1 is directly connected to the housing.
  • the housing 13 can also be used as a connection element 1 itself.
  • the terminal 2 is insulated from the housing 13 led to the outside.
  • the bushing 14 serves for insulation and the part 15 for the outer connection.
  • a further connection 23 can be guided through the housing 13, which can be used to actively activate the film 13 with an outer component 10. The passive activation of the film 3 takes place by the heat transfer from the housing or connection 1 to the film 3.
  • Fig. 11 shows a similar arrangement, however, the housing 13 is made of insulating material and has two passages for the outer
  • the passive heating of the film 3 can take place via the connection 16.
  • the housing 13 may also have an outwardly directed heat transfer element 24 include. This can be electrically isolated or electrically connected to the connection element 1.
  • FIGS. 12 and 13 show an exemplary use of the short-circuiting arrangement with a component to be protected in a common housing.
  • the housing has in each case three connections 17, 18, 20, which are all led separately to the outside in a housing made of insulating material 22. This allows separate external wiring of the
  • the short-circuiting device can also be wired inside the housing, whereby the outer connection 20 would be omitted.
  • a surge arrester in particular a varistor 19, has been selected to explain the function. It is well known that varistors can become very hot or overturn at the risk of overloading.
  • a flashover which is connected to a spark discharge 21, indicated.
  • the film 3 is heated directly through the varistor.
  • the connection 1 of the short-circuiter can in this case simultaneously be the connection plate 18 of the varistor.
  • the insulating film 4 melted and causes a short circuit between the terminals 18 and 20. Will the
  • Varistor is bridged by a spark discharge 21, the terminals 18 and 20 are also low-resistance short-circuited after the activation of the film 3 by the flashover, whereby the bursting of the
  • Housing 22 can be prevented due to an open arc.
  • the insulating film 4 may be cast in the housing 22 to increase the flashover resistance between the terminal 18 and the terminal 2 or 20.
  • Fig. 13 shows a similar arrangement as Fig. 12, but the supernatant of the insulating film 4 between the terminal 1 and the film 3 and the terminal 2 is pronounced as a sliding spark gap.
  • the spark gap can be dimensioned so that with a corresponding connection of the terminals 17, 18, 20 avoided an undefined flashover of the varistor between the terminals 17 and 18 and the film 3 is ignited immediately to realize a short circuit.
  • the endangerment of the housing 22 due to the development of pressure during an undefined Impact can be further reduced by this measure.
  • GDT "s or other voltage switching elements can be used.
  • for a bi-f unctional triggering of the short within a device can be used for activation of course other internal or external sensors.
  • pure OR operations can Even discrete components can also be used to implement AND operations for activating the short circuiter (without logic or PLC units).
  • the terms used in the description and in the embodiment of an active or passive activation of the exothermic mass are based on the manner of introducing a corresponding activation energy. Passive mechanisms are to be understood here, which result in the usual use of the device to be protected without specific intervention in the risk of overloading or by the overload itself. This can be the case of a varistor, for example, the heating due to a current load.
  • the exothermic mass e.g. designed as a reaction foil ignites it as a result of the passive heat input at its ignition temperature without additional ignition aid.
  • the protective mechanism can optionally be triggered against damage to the component to be protected. Under passive activation but also the triggering due to the sparking at an outer rollover of the varistor should be understood, in which case there is already a damage to the actual component and the protective measure is only to mitigate damage, for. to avoid a bursting of a housing.
  • Active mechanisms are those that are independent of the state of the components. These can be current, voltage, power of the corresponding component, which should be protected accordingly. However, active mechanisms are also those which can be used outside the passively protected component for triggering.
  • Short circuiter which is used passively to protect an overvoltage protection device, also be used by an active control to extinguish an external arc fault, which would not operate on the passive release mechanisms, eg due to the local distance the short circuiter.
  • an active control but also no separate ignition device is necessary. With an active ignition, the activation always takes place via a separate ignition device.
  • the preferred reaction film used as an exothermic mass should have a small thickness and allow a fast, self-propagating exothermic reaction.
  • the film should be both passive and active to their exothermic reaction initiation can be performed, with a pressure to avoid development and primarily to ensure heat development.
  • reaction foil e.g. the product Nanofoil (registered trademark) can be used.
  • Dielectric strength and has a continuous use temperature that corresponds to the application of the device to be protected.
  • PE, PET, PS, PP, PSU, PA6 and PC films with an electrical breakdown strength of> 30 KV / mm are suitable here.
  • reaction film as an exothermic mass and the electrical insulation film can be sandwiched, i. also such that reaction films are located on both sides of the insulating film.
  • Overvoltage protection element e.g. varistor

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses, umfassend zwei elektrische, insbesondere plattenförmige Anschlussteile (1, 2), welche ein unterschiedliches Potential führen, wobei zwischen den Anschlussteilen eine Isolationsstrecke ausgebildet ist und der gewünschte Kurzschluss über eine, mindestens teilweise, Durchdringung oder ein Zerstören der Isolationsstrecke realisiert ist. Die Anschlussteile sind erfindungsgemäß eng benachbart und unter Einschluss der Isolationsstrecke angeordnet und es ist die Isolationsstrecke als Isolationsfolie (4) oder folienartige Beschichtung ausgebildet. Weiterhin befindet sich in unmittelbarer Nähe der Isolationsstrecke eine exotherme Masse (3), welche bei Energiebeaufschlagung ihre exotherme Energie freisetzt und zum Schmelzen oder Deformieren der Isolations- strecke führt, so dass die Potentialtrennung zwischen den Anschlussteilen (1, 2) aufgehoben ist und der Kurzschlussfall entsteht.

Description

Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses, umfassend zwei elektrische, insbesondere plattenförmige
Anschlussteile, welche ein unterschiedliches Potential führen, wobei zwischen den Anschlussteilen eine Isolationsstrecke ausgebildet ist und der gewünschte Kurzschluss über eine, mindestens teilweise, Durchdringung oder ein Zerstören der Isolationsstrecke realisiert ist, gemäß Patentanspruch 1.
Die Realisierung eines gezielten elektrischen Kurzschlusses ist bei unterschiedlichsten elektrischen Einrichtungen zur Gewährleistung eines sicheren Schaltzustands eine verbreitete Methode.
Anwendung findet diese Methode u.a. bei der Überlastung von elektrischen Bauteilen zur Vermeidung von Überhitzungen oder Bränden, bei der
Realisierung definierter Impedanzverhältnisse zur Vermeidung von gefährlichen Spannungen oder zur Gewährleistung definierter Abschaltbedingungen, beispielsweise durch Überstromschutzeinrichtungen oder auch zur Löschung von fehlerhaft entstehenden Lichtbögen.
Die Maßnahme„Kurzschluss" ist jedoch ein Mittel, das im Allgemeinen erst dann eingeleitet wird, wenn eine übliche und normale Funktion von elektrischen Geräten infolge einer Überlastung oder Alterung nicht mehr gegeben ist. Die Möglichkeiten und der Aufwand zur Realisierung einer solchen zusätzlichen Maßnahme außerhalb von Grundfunktionen der elektrischen Einrichtungen sind an sich begrenzt. Häufig soll ein gezielter Kurzschluss auch dann erreichbar sein, wenn keine oder nur eine Undefinierte
Netzenergie mehr verfügbar ist. Die Anforderungen bezüglich der
Sicherheit und der Wirksamkeit der Maßnahme eines gezielten
Kurzschlusses sind mithin sehr hoch.
Die Realisierung eines Kurzschlusses zur Herstellung eines sicheren
Zustands (Fail-safe) ist ein bekanntes und übliches Verfahren zur
Vermeidung größerer Schäden, z.B. bei Überlastgefahr von Bauteilen.
Die Methoden des Standes der Technik zur Realisierung eines Kurzschlusses sind recht unterschiedlich, wie auch die damit bezweckte jeweilige Schutzfunktion.
Vielfach werden mechanisch betätigte Schalteinrichtungen zur Realisierung eines niederohmigen und dauerstromtragf ähigen Kurzschlusses eingesetzt. Diese Schalteinrichtungen benötigen jedoch insbesondere bei dem Wunsch der gezielten Ansteuerung im Allgemeinen eine Hilfsenergie zur Betätigung und sind konstruktiv sehr aufwendig ausgeführt.
Der Platzbedarf derartiger Einrichtungen ist neben der Spannungsfestigkeit und der Stromtragfähigkeit häufig auch von der Art der Betätigung abhängig. Bei hoher Stromtragfähigkeit ist in vielen Fällen die zu bewegende Masse recht hoch, wodurch die Schließzeit und der Aufwand zur Betätigung steigen.
Um diese Betätigungszeiten zu reduzieren, wird häufig weiterer Aufwand für eine beschleunigte Bewegung bis hin zu Antrieben auf der Basis von Sprengkapseln getrieben.
Die konzeptionellen und physikalischen Nachteile können trotz vielfältiger Lösungen im Stand der Technik nicht vollständig beseitigt werden.
Bei einer passiven Auslösung wird in vielen Fällen, insbesondere bei überlastgefährdeten Bauteilen, die Erwärmung zur Auslösung des Kurzschlusses genutzt. Üblich sind hier z.B. federvorgespannte bewegliche Kontakte, welche mittels der Erwärmung von Lot oder Wachs freigegeben werden. Alternativ zu rein mechanischen Antrieben ist auch die Ansteuerung von Halbleitern bzw. von hybriden Kurzschließern, welche aus Halbleitern und mechanischen Kurzschließern bestehen, bekannt.
Durch die Nutzung von Halbleitern kann die Zeit bis zum Erreichen des Kurzschlusszustands deutlich reduziert werden. Kostengünstige Halbleiter besitzen jedoch in vielen Fällen keine ausreichende Stromtragfähigkeit. Der realisierte Kurzschluss ist zudem nicht niederohmig und es ist der Aufwand zur Ansteuerung sowie zum Schutz der Halbleiter sowie deren EMV-sichere Nutzung in vielen Anwendungsfällen hoch.
Weiterhin wird der Einsatz durch physikalische Grenzen, z.B. Spannungsfestigkeit, Spannungs- und Stromsteilheit und Weiterem erschwert. Neben diesen Lösungen ist auch die Nutzung von Plasmaschaltern oder zündbaren Funkenstrecken zur Realisierung von Kurzschlüssen vorbekannt.
Solche Lösungen besitzen den Vorteil einer hohen Zündgeschwindigkeit und einer hohen Impulsstromtragfähigkeit sowie einer relativ gut einstellbaren Spannungsfestigkeit. Nachteilig ist jedoch, dass kein galvanischer Kurzschluss realisiert werden kann und die Dauerstromtragfähigkeit aufgrund des Abbrandes begrenzt ist. Der Aufwand zur raschen Zündung derartiger Lösungen ist zudem sehr hoch und erfordert im Allgemeinen eine Hilfsenergie als Energiespeicher. Da das Prinzip dieser bekannten Lösungen zudem auf der Nutzung eines Schaltlichtbogens beruht, ist der Kurzschluss nur begrenzt zum Schutz bei sehr niederohmigen Fehlern geeignet.
Aus dem Bereich des Überspannungsschutzes sind weiterhin Schutzeinrichtungen bekannt, bei denen z.B. sich bei Erwärmung ausdehnende Materialien genutzt werden, um eine Bewegung von Kontakten zu bewirken. Auch die gezielte Ansteuerung solcher Materialien, beispielsweise mit einem zusätzlichen Heizelement, ist bekannt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses anzugeben, welche platzsparend, kostengünstig und unabhängig von der Betriebsspannung den gewünschten Kurzschluss realisiert.
Der Kurzschluss soll dabei einerseits aktiv, also mit Hilfe einer externen oder internen Ansteuerung gezielt herbeigeführt werden können und andererseits aber auch unabhängig davon beim Erreichen mindestens einer definierten Bedingung sich passiv ergeben. Die aktive Ansteuerung soll durch möglichst verschiedene einzelne Kriterien, aber auch durch Oder- Verknüpfungen dieser Kriterien realisierbar sein. Weiterhin soll die zu schaffende Kurzschlussvorrichtung ohne aufwendigen mechanischen
Antrieb auskommen und sehr schnell reagieren, so dass Reaktionszeiten ähnlich derjenigen von elektronischen Schaltelementen gegeben sind. Der zu realisierende Kurzschluss soll auch eine selektive Abschaltung von Überstromschutzorganen ermöglichen und für das Führen von Dauerströmen geeignet sein. Demnach ist es gewünscht, dass die Einrichtung eine niederohmige galvanische Verbindung, welche für Dauerströme geeignet ist, bereitstellt. Auch sollen die für den Kurzschluss und die Ansteuerung benötigten Teile als anschlussfertige Ergänzungseinheit ausführbar sein.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zwischen zwei, z.B.
plattenf örmigen Teilen, die ein unterschiedliches elektrisches Potential führen, mindestens jeweils eine Isolationsfolie und eine exotherme Masse, welche bevorzugt ebenfalls als Folie ausführbar ist, anzuordnen.
Die Anschlussteile mit unterschiedlichem Potential besitzen einen Abstand von wenigen 10 μηι bis zu wenigen 100 μηι.
Die erwähnte exotherme Masse befindet sich bevorzugt erdnah bzw. auf Massepotential. Die Masse kann nun durch einen Spannungsimpuls, einen Strompuls, durch mechanischen Schlag oder Druck oder einen intensiven Lichtimpuls oder aber auch bei oder durch elektrische Entladungs- und Umleitungsprozesse aktiviert werden. Zusätzlich soll die exotherme Masse auch bei Erreichen einer definierten Temperatur quasi passiv einer Aktivierung unterliegen.
Die Reaktion der exothermen Masse führt zum Schmelzen bzw. zu einer Deformation der die Isolationsstrecke bildenden Isolationsfolie innerhalb einer sehr kurzen Zeit, wodurch die Potentialtrennung aufgehoben wird und ein Kurzschluss zwischen den potentialbehafteten Teilen herstellbar ist. Die Realisierung des Kurzschlusses kann durch zusätzliche gestalterische Maßnahmen und in den Ausführungsbeispielen beschriebene
Varianten unterstützt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind demnach die Anschlussteile eng benachbart unter Einschluss der Isolationsstrecke angeordnet. Die Isolationsstrecke kann, wie bereits dargelegt, als Isolationsfolie, aber auch als folienartige Beschichtung ausgebildet werden. In unmittelbarer Nähe der Isolationsstrecke befindet sich die erwähnte exotherme Masse, welche bei Energiebeaufschlagung ihre exotherme Energie freigibt und zum
Schmelzen oder Zerstören bzw. Deformieren der Isolationsstrecke führt, so dass die Potentialtrennung zwischen den Anschlussteilen aufgehoben ist und der gewünschte eindeutige Kurzschlussfall eintritt.
Mindestens eines der Anschlussteile kann unter mechanischer Vorspannung stehen, so dass bei Zerstörung oder Deformation der Isolationsstrecke die Anschlussteile über eine dann eintretende mechanische Bewegung miteinander in Kontakt gelangen.
Bei einer Ausführungsform der exothermen Masse als Folie kann diese mit der Isolationsstrecke, die wiederum auch durch eine Folie gebildet werden kann, eine Sandwichanordnung darstellen.
Die exotherme Masse ist derart ausgelegt und dimensioniert, dass innerhalb einer Zeitdauer von ca. 1 bis 10 ms ausreichend Wärme freigegeben ist, um die Isolationsfolie bzw. Isolationsschicht zu schmelzen oder maßgeblich zu deformieren.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die exotherme Masse in einem oder in beiden der Anschlussteile integriert. Weiterhin kann im Bereich der Ausbildung oder Anordnung der exothermen Masse das Anordnen von leichtschmelzenden Metallen oder Metallschichten erfolgen.
Die Kurzschlusseinrichtung besteht demnach aus zwei z.B. plattenf örmigen elektrisch leitenden Teilen mit im Allgemeinen unterschiedlichem Potential, zwischen welchen mindestens jeweils eine Isolationsfolie und eine exotherme Masse, welche bevorzugt ebenfalls als Folie ausgebildet ist, gebracht wird. Die beiden elektrisch leitenden Teile mit im Allgemeinen unterschiedlichem Potential können Anschluss- bzw. Verbindungselemente des durch Kurzschluss zu schützenden Gerätes sein oder auch Bestandteil einer anschlussfertigen Ergänzungseinheit „Kurzschließer".
Die elektrisch leitenden Teile besitzen einen Abstand von wenigen 10 μηι bis zu wenigen 100 μηι. Eines oder beide Teile, können unter einer mechanischen Vorspannung stehen, welche im einfachsten Fall durch die Fügung der Teile und die Materialeigenschaften erzeugt wird. Die Dicke und die Materialeigenschaften der elektrischen Isolationsfolie bestimmen die maximale Nennspannung und die transiente Spannungsfestigkeit der Kurzschlusseinrichtung. Neben den Durchschlagseigenschaften der Folie sind selbstverständlich auch die Überschlagseigenschaften und die
Einflüsse der entsprechenden Umgebungsbedingungen zu beachten. Der Betriebsspannungsbereich kann jedoch leicht vom Bereich der Schutzkleinspannung bis über den Niederspannungsbereich hinaus ohne
funktionale Einschränkungen gewählt werden.
Die exotherme Masse entwickelt nach ihrer aktiven oder passiven Aktivierung unmittelbar am Aktivierungsort innerhalb einer Zeitdauer kleiner 1 ms so viel Wärme, dass die Isolationsfolie schmilzt. Bei der Verwendung der exothermen Masse in Folienform und bei aktiver Zündung an nur einer Stelle der Masse setzt sich die exotherme Reaktion innerhalb der Folie mit hoher Geschwindigkeit fort, so dass auch bei großen benötigten Kontaktflächen im Allgemeinen eine Aktivierungsstelle ausreichend ist. Durch die rasche Freisetzung der Wärme ist der Einfluss der Wärmekapazität und Wärmeleitung der elektrisch leitenden Anschlussteile (Kurzschlusskontakte) nahezu vernachlässigbar. Der Energieeintrag kann als nahezu adiabatisch betrachtet und die
Energiemenge der exothermen Masse muss nur zum Schmelzen der Folie bemessen werden. Dies erlaubt eine sehr einfache Integration der
Vorrichtung in zahlreiche bestehende zu schützende Geräte, da der
Platzbedarf im üblichen Toleranzbereich der Einzelteile von technischen Geräten besteht.
Die exotherme Masse befindet sich bevorzugt erdnah bzw. auf Massepotential. Die Masse oder Folie kann auch in einem elektrisch leitenden Anschlussteil integriert werden, so dass nur die Isolationsfolie den Abstand der leitenden Teile bestimmt. Bei der Ausbildung der exothermen Masse als Folie kann die Folie auch selbst elektrisch leitend und ähnlich dünn wie die Isolationsfolie gestaltet sein, so dass auch der Aufwand zur Einbringung der exothermen Masse vernachlässigbar ist. Die Isolationsfolie und die exotherme Folie kann auch als Verbundmaterial in Sandwichform bei geeigneter Gestaltungsform der elektrisch leitenden Teile gestaltet werden. Die Isolationsfolie kann auch beidseitig von einer exotherm
reagierenden Masse (Folie) umgeben sein. Dies intensiviert den Schmelz- prozess der Isolationsfolie.
Sollen großflächige elektrische Verbindungen, beispielsweise für höhere Dauerströme realisiert werden, ist es sinnvoll für das Material der geschmolzenen Isolationsfolie einen oder mehrere Bereiche zu schaffen, in welche die Schmelzrückstände gedrängt werden können, um den
Kurzschluss möglichst niederohmig zu gestalten. Die Hohlräume bzw.
Kanäle können in die elektrisch leitenden Anschlussplatten integriert werden. Bei einer elektrisch leitenden exothermen Masse kann auch diese zur Aufnahme oder gezielten Verdrängung der Schmelze gestaltet sein.
Der gezielte Einfluss auf die Schmelzmasse des Isolationsmaterials ist auch bei geringen Betriebs- bzw. Restspannungen im Fehlerzustand, z.B. bei Lichtbögen sinnvoll, damit auch bei den geringen Folienstärken keine minimale Luft- bzw. Gleitstrecke trotz geschmolzener Folie vorhanden bleibt. Der reine Verdrängungseffekt der Schmelze der Isolationsfolie wird durch die Reaktionswärme, den ersten Stromfluss, gegebenenfalls bei minimaler Entladungsbildung, und durch eine minimale Vorspannung der Anschlussteile unterstützt. Zusätzlich können im Reaktionsbereich auch leicht schmelzende Metalle (geringe Wärmeleitung, geringe Wärmekapazität, geringe Schmelztemperatur) beispielsweise als Beschichtung der Folien, der exothermen Folie oder der Anschlussteile eingesetzt werden. Die dabei entstehende Metallschmelze brückt die minimalen Spalte nach dem Schmelzen der Isolationsfolie.
Bei vielen Anwendungen ist es jedoch ausreichend, nur die Isolationsfolie und die exotherme Masse als Folie nur zwischen die elektrisch leitenden Anschlussteile zu stapeln. Selbst bei unzureichender Verdrängung der Schmelze der Reaktionsfolie tritt bei minimalen Spannungsdifferenzen nach der Reaktion der Folie ein Überschlag der Foliereste ein. Eine Unstetig- keitsstelle, welche diesen Gleitüberschlag bei minimaler Spannung fördert, ist beispielsweise der Überlappungsbereich zwischen Isolationsfolie und exothermer Folie/n, welcher insbesondere bei einfachen Stapelanordnungen ohnehin zur Gewährleistung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit der Gleitstrecke des zu schützenden Gerätes im Normalbetrieb erforderlich ist.
Neben dem bevorzugten Schmelzen einer definierten Isolationsschicht kann die exotherme Reaktion aber auch zur Beschleunigung von
thermischen Prozessen zum Schmelzen bzw. zur Bewegung von Teilen genutzt werden.
Die vorgestellte Anordnung erlaubt die bi-f unktionale Nutzung der exothermen Reaktion zur bevorzugten Realisierung eines Kurzschlusses. Die Reaktion kann einerseits gezielt und unabhängig von den Umgebungsbedingungen der Folie oder des Gerätes, beispielsweise durch eine Fernbetätigung ausgelöst werden. Andererseits können Einfluss- bzw. Bezugsgrößen der unmittelbaren Umgebung der Folie bzw. Signalgrößen des Gerätes direkt oder indirekt genutzt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind daher nahezu unbegrenzt.
Die rein passive Reaktion der Folie bei Erreichen einer Grenztemperatur kann beispielsweise bei Bauteilen oder Geräten genutzt werden, bei denen höhere Temperaturen zu einer Überlastung oder einer Brandgefahr führen. Diese Funktion besitzt in vielen Anwendungen gleichzeitig eine redundante Wirkung, bei welchen eine aktive Aktivierung fehlschlägt. Zur passiven thermischen Aktivierung kann die Folie in direkten thermischen Kontakt mit dem überlastgefährdeten Bauteil, oder die Wärme über eine thermische Kopplung eingebracht werden. Die passive thermische Reaktion der Folie kann auch über ein zusätzliches Heizelement genutzt werden. Aufgrund der sehr geringen Wärmekapazität und geringen Wärmeleitung kann die exotherme Reaktion auch nur mit einer nahezu punktuellen Energieeinkopplung und mit einer geringen Leistung erreicht werden. Die benötigte Leistung entspricht hierbei nur einem Bruchteil von thermisch sensiblen Schmelzmassen, wie Lote, Wachse etc.
Neben der bereits beschriebenen reinen Reaktion der Folie bei einer definierten Temperatur bestehen zusätzlich zahlreiche Möglichkeiten zur aktiven Aktivierung. Die Masse kann beispielsweise durch einen
Spannungsimpuls, einen Stromfluss, durch mechanischen Schlag, einen intensiven Lichtimpuls oder auch elektrische Entladungs- bzw. Umladungsprozesse aktiviert werden.
Die benötigte Aktivierungsenergie ist dabei jeweils äußerst gering. Dies erlaubt zahlreiche Möglichkeiten zur gezielten internen Aktivierung der Masse in Abhängigkeit von spezifischen Funktionen der zu schützenden Geräte bzw. auch zur externen Aktivierung. Ein Spannungsimpuls kann im einfachsten Fall durch eine definierte Überschlagsstrecke oder auch mittels diskreten Bauteilen, welche auf Überspannungen reagieren, generiert werden. Ein Stromfluss kann durch die gezielte elektronische oder mechanische Zuschaltung beispielsweise der Versorgungsspannung des Gerätes oder einer zur Verfügung stehenden Hilf sspannungsquelle generiert in der exothermen Masse erzeugt werden. Hierzu ist die
Umladung einer Kapazität, eine Batterie oder Ähnliches ebenfalls
ausreichend.
Neben der Nutzung von Strom und Spannung bzw. auch der damit verbundenen Funkenbildung kann auch beispielsweise ein Laserimpuls oder auch ein starker mechanischer Impuls beispielsweise direkt durch einen
Schlagbolzen oder auch durch starke Erschütterung genutzt werden. Diese Möglichkeiten erlauben daher den Einsatz eines einfachen mechanischen oder auch elektronischen Schließers z.B. durch Beaufschlagung der Masse mit einem Stromfluss bzw. einer Ladung, welcher fernbetätigt sein kann. Neben der Fernbetätigung können auch Hilfsgrößen genutzt werden.
Bauteile, wie Thermoschalter, NTC, PTC, GDT' s, Varistoren, Hallsensoren, Piezoelemente etc., welche auf interne Belastungsgrößen definiert reagieren können, intern angeschlossen werden oder auch bewusst von außen zugeschaltet werden. Ebenfalls zur Zündung der Masse ist die thermische Überlastung von Strombrücken z.B. Schmelzleitern geeignet, welche sowohl zur thermischen Aufheizung bzw. zur Funkenbildung genutzt werden können.
Bei Geräten oder Bauteilen, welche keine (oder keine rechtzeitige)
Auslösung eines Aktivierungssignals z.B. bei sehr schneller Überlastung erlauben, kann die Zündung der Masse auch durch die Zerstörung der Bauteile selbst erfolgen und das Gerät durch die Realisierung eines definierten Kurzschlusses in einen sicheren Zustand verbracht werden. Bei dem Überschlag bzw. der Zerstörung von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen entstehen im Allgemeinen Funken, Lichtbögen oder heiße ionisierte Gase. Die Begleiterscheinungen könnten für eine Aktivierung der Masse unmittelbar genutzt werden.
Neben den bisher beschriebenen Maßnahmen, welche insbesondere auf das Schmelzen einer Isolationsfolie durch die Reaktion der Masse hinzielen, kann ein weiterer Effekt zur Realisierung eines Kurzschlusses genutzt werden. Bei der Gestaltung der Masse als elektrisch leitfähige Folie führt die exotherme Kettenreaktion innerhalb der Folie zu schlagartigen Verformungen. Durch diesen Effekt wird die Folie in zur Verfügung stehende Hohlräume hineingedrückt, ähnlich einem Tiefziehprozess. Die dabei auftretende Verformung und Kraftentwicklung kann zur gezielten direkten oder indirekten Überbrückung von Isolationsdistanzen genutzt werden, wodurch bereits vor dem vollständigen Schmelzen einer Isolationsfolie ein Kurzschluss realisiert werden kann. Die Realisierung des Kurzschlusses kann daher durch entsprechende zusätzliche gestalterische Maßnahmen und Ausgestaltungsvarianten der Kontakte unterstützt werden. Aufgrund der zahlreichen Anwendungs- und Ausführungsmöglichkeiten können die dargestellten Varianten nur einen groben und nicht einschränkenden Überblick geben. Die Darstellungen beschränken sich aus Übersichtlichkeit zudem auf die Ausführung der exothermen Masse als Folie. Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die den Erfindungsgedanken nicht einschränkend interpretieren, näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen hierbei:
Fig. 1 eine prinzipielle Grundanordnung zur Realisierung eines
Kurzschlusses mit exothermer Masse;
Fig. 2 eine Anordnung, bei der die Isolationsfolie zwischen zwei Folien aus exothermer Masse befindlich ist;
Fig. 3 eine Anordnung, bei welcher die Anschlussteile bzw. die Folie
zusätzlich mit einer elektrisch leitenden Masse mit niedriger Schmelztemperatur beschichtet ist;
Fig. 4 die Anordnung von Hohlräumen oder Kanälen in einem
Anschlussteil ;
Fig. 5 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 4, jedoch mit einem größeren Hohlraum, in dem ergänzend ein Dorn angebracht ist;
Fig. 6 eine Anordnung, bei welcher die Isolationsfolie eine Ausnehmung im Bereich eines Hohlraums besitzt,
Fig. 7 eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 6, jedoch nach
erfolgter exothermer Reaktion und Verformung;
Fig. 8 eine grundsätzliche Anordnungsvariante, bei der die
Aktivierungsteile relativ zentral an der Folie befindlich sind, um bei relativ großen Flächen zu gewährleisten, dass durch die interne Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb der Folie an den Randbereichen die notwendige Schmelzwärme für die Folie nahezu zeitgleich zur Verfügung steht; Fig. 9 eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 8, wobei ein zusätzliches Element z.B. als Impedanz, Funkenstrecke oder Schmelzdraht vorhanden ist;
Fig. 10 und 11 Anordnungen mit einem Gehäuse, welches für eine
nachträgliche Anbringung des Kurzschließers an das zu schützende Gerät oder Bauteil geeignet sind, und
Fig. 12 und 13 einen beispielhaften Einsatz der Kurzschließeranordnung mit einem zu schützenden Bauteil in einem gemeinsamen Gehäuse.
In Fig. 1 wird eine prinzipielle Grundanordnung zur Realisierung eines Kurzschlusses dargestellt. Die plattenförmigen Anschlussteile 1 und 2 können vorhandene elektrisch leitfähige Teile des zu schützenden Gerätes oder auch zusätzliche Teile, welche in das Gerät eingefügt werden sein. Die wesentlichen Komponenten stellen die exotherme Masse z.B. in
Folienform 3 und die Isolationsfolie 4 dar. Beide Teile besitzen jeweils eine Stärke von nur einigen 10 μηι. Das als Federelement 5 dargestellte Teil ist nicht zwingend erforderlich. Aufgrund der geringen Distanzen reicht im Allgemeinen eine Klemmverbindung der Teile oder bereits die Eigenelastizität der Teile aus. Bei der Integration der exothermen Masse 3 in das Anschlussteil 1 beispielsweise in eine muldenförmige Ausnehmung kann die Distanz zwischen den Anschlussteilen 1 und 2 auf die Dicke der Isolationsfolie 4 reduziert werden. Die Isolationsfolie 4 und die Anschlussteile 2 sind so gestaltet, dass die elektrische Spannungsfestigkeit zwischen den Anschlussteilen 1 und 2 der elektrischen Durchschlagsspannung der Isolationsfolie entspricht. In Fig. 1 wird die beispielsweise ausschließlich durch die entsprechende Bemessung des Überstandes der Isolationsfolie, also einer entsprechenden Bemessung der Gleitstrecke der Folie 4 von Teile 1 zu Teil 2 realisiert. Alternativ hierzu können selbstverständlich alle üblichen Maßnahmen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit zwischen den Teile 1 und 2 genutzt werden.
Die Fig. 1 beschränkt sich auf die passive Auslösung der exothermen Reaktion, im Falle der Erwärmung der Folie 3 auf die Reaktionstemperatur. Diese Erwärmung könnte beispielsweise durch Wärmleitung über das Anschlussteil 1 erfolgen. Bei Erreichen der Reaktionstemperatur würde die Folie 3 innerhalb von einigen με bis ms eine ausreichende Energiemenge freisetzen, um die Isolationsfolie 4 im Kontaktbereich zu schmelzen.
Hierdurch wird die elektrische Isolationsfestigkeit der Folie zwischen den Teilen 1 und 2 aufgehoben und es kommt zum Kurzschluss zwischen den beiden Anschlussteilen. Bei der Anordnung entsprechend Fig. 1 ist die exotherme Masse 3 sowohl vor der Reaktion, als auch nach der Reaktion elektrisch leitfähig. Dies ist aufgrund der geringen Abmessungen der Folie 3 jedoch nicht zwingend erforderlich. Im Allgemeinen ist bei einer
Klemmverbindung die Eigenspannung der Teile ausreichend, um eine niederohmige metallische Verbindung der Teile 1 und 2 mit ausreichender Stromtragfähigkeit zu realisieren. Die Schmelzrückstände der Folie 4 werden im Allgemeinen aus dem Kontaktbereich durch den anstehenden Druck der Klemmverbindung verdrängt. Bei einer Integration der Masse 3 in das Anschlussteil 1 ist die Distanz zwischen den elektrisch leitenden Teilen 1 und 2 zudem unabhängig von den Eigenschaften der Masse 3.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Isolationsfolie 4 zwischen zwei Folien aus exothermer Masse 3 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann der Isolationsfolie die benötigte Schmelzwärme von beiden Seiten zugeführt werden. Dies besitzt mehrere Vorteile. Eine Folie 3 kann z. B. ausschließlich zur passiven Auslösung durch Erwärmung genutzt werden und die andere Folie kann aktiv angesteuert werden. Ebenfalls können beide Seiten bei Bedarf zur passiven Überwachung bei gleicher oder auch unterschiedlicher Auslösetemperatur genutzt werden. Neben den Vorteilen der alternativen Auslösung ergibt sich auch der Vorteil, dass stärkere Isolationsfolien zerstört werden können und dass die Zerstörung der Isolationsschicht beschleunigt werden kann. Bei der Reaktion einer Folie 3 entsteht eine so hohe Strahlungsintensität, dass die Folie auf der gegenüberliegenden Seite der Isolationsfolie automatisch aktiviert wird, z.B. bei optisch durchlässigen Isolationsfolien 4.
In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher die Anschlussteile bzw. auch die Folie 3 zusätzlich mit einer elektrisch leitenden Masse mit niedriger Schmelztemperatur 6 z.B. Niedertemperaturlot beschichtet ist. Das Lot kann auch als zusätzliche Folie angefügt sein. Dieses zusätzliche Material kann mehrere Funktionen realisieren. Das Material kann als definierte Wärmeübergangsbarriere zu den Anschlüssen dienen, um die entstehende Reaktionswärme optimal auf die Isolationsfolie und das zusätzliche Material zu leiten. Die entstehende Schmelze des
niederschmelzenden Materials kann zur raschen und großflächigen
Brückung des Isolationsspalts genutzt werden. Die Schmelze kann zudem zur dauerhaften Verlötung der Anschlüsse 1 und 2 dienen und damit neben der elektrischen Funktion auch eine mechanische Funktion nach der
Reaktion zur Realisierung eines dauerhaften Kurzschlusses übernehmen.
Die Einarbeitung von Kanälen, Nuten oder Hohlräumen in einen oder beiden Anschlüssen kann insbesondere bei größeren benötigten Kontaktflächen zwischen den Anschlüssen zur Aufnahme von Schmelzrückständen der Isolationsfolie bzw. zu deren gezielten Verdrängung aus dem
Kontaktbereich dienen.
Fig. 4 zeigt in dem Anschluss 2 beispielsweise eine solche Anordnung von Hohlräumen/Kanälen 7. Hierbei muss jedoch beachtet, dass die reale Kontaktfläche ausreichend groß bleibt.
In Fig. 5 wird eine ähnliche Anordnung mit einem größeren Hohlraum 7 gezeigt. In dem Hohlraum kann zudem ein Dorn 8 angebracht sein. Bei dem Einsetzen der exothermen Reaktion verformt sich das Material 3 sehr stark, wodurch eine Art Tiefziehprozess des Materials in den Hohlraum 7 bewirkt wird. Bei dünnen bzw. relativ elastischen Folien 4 werden diese bereits vor dem Schmelzen in den Hohlraum gezogen und am Dorn 8 zerstört, so dass der Kurzschluss bereits vor dem vollständigen Schmelzen der Isolationsfolie und auch vor der Verdrängung der Reste der Folie realisiert wird.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei welcher die Isolationsfolie eine geeignete Ausnehmung 9 im Bereich des Hohlraums besitzt, wodurch eine Bewegung der Isolationsfolie 4 durch die exotherme Folie 3 bei der
Reaktion nicht notwendig ist. Der Kurzschluss zwischen der elektrisch leitfähigen exothermen Masse 3 wird durch die Berührung des Dorns 8 bzw. auch direkt des Anschlusses 2 nach der Verformung der Folie 3 realisiert. Fig. 7 zeigt die Anordnung entsprechend Fig. 6 nach der exothermen Reaktion und der Verformung des Teiles 3.
Die aktive Ansteuerung der exothermen Masse kann, wie bereits
beschrieben, auf sehr unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Es können auch hier nur einige beispielhafte und nicht einschränkende Ausführungen aufgezeigt werden.
Fig. 8 zeigt eine mögliche grundsätzliche Anordnung, wobei die
Aktivierungsstelle relativ zentral an der Folie 3 erfolgt. Damit ist insbesondere bei relativ großen Flächen gewährleistet, dass durch die interne Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb der Folie an den beiden Randbereichen die notwendige Schmelzwärme für die Folie 4 nahezu zeitgleich zur Verfügung steht. Prinzipiell kann jedoch die Folie 3 auch an einem Randbereich oder auch an mehreren Stellen aktiviert werden. Die Aktivierung der Folie 3 erfolgt in der Anordnung über eine elektrisch leitende Anschlussleitung 11.
Diese Leitung kann an die Folie 3 angelötet, geklemmt oder auch nur aufgelegt sein. Es kann auch eine minimale Distanz zwischen der Leitung 11 und dem Teil 3 bestehen. Der Leitungsquerschnitt kann dabei sehr gering sein << 1mm2. Die Anforderungen der elektrischen Isolation der Leitung 11 gegenüber dem Anschlussteil 1 ist vernachlässigbar, solange der Kontakt bzw. die Distanz zum Teil 3 gewährleistet bzw. geringer ist. Das Bauteil 10 in der elektrischen Anschlussleitung 11 kann sich innerhalb des zu schützenden Gerätes oder auch außerhalb befinden. Das Bauteil 10 selbst kann ein Sensor bzw. ein ansteuerbares Element sein, welches auf Anforderungen innerhalb des zu schützenden Gerätes oder auch externe Bedingungen bzw. Signale reagiert. Das Bauteil 10 kann ein elektrischer Schalter bzw. mechanischer Schalter sein. Durch seine Betätigung wird ein Potential an die Folie 3 angelegt, welches sich von dem der Folie 3 bzw. des Anschlusses 1 unterscheidet, wodurch ein Ladungsausgleich erfolgt. Die Folie 3 wird dabei durch den Stromfluss bzw. die Entladung
(Funkenbildung durch Stromfluss bzw. Spannungsüberschlag) im
Kontaktbereich Teil 3 und Teil 11 aktiviert. Das Teil 10 kann ebenfalls als NTC, PTC, GDT, Varistor, Z-Diode, Thermoschalter, Piezoelemente etc. ausgeführt sein. Durch die Wahl des Sensors können verschiedenste in- terne bzw. externe Größen zur Aktivierung herangezogen werden. Durch den sehr geringen Energiebedarf zum Aktivieren sind auch leitungslose Methoden (Sender-Empfänger) uneingeschränkt nutzbar.
In Fig. 9 wird eine ähnliche Anordnung gezeigt. Das zusätzliche Element 12 kann beispielsweise als eine Impedanz, Funkenstrecke oder auch als Schmelzdraht mit definiertem I2t-Wert ausgelegt sein. Dies erlaubt unabhängig von der zur Verfügung stehenden Ladungsmenge eine definierte Generierung von Funken, welche sehr effektiv und sehr schnell die Reaktion der Folie 3 bewirken. Die Geschwindigkeit zur Auslösung der Folie kann dabei gegenüber der Aufheizung der Folie durch einen
Stromfluss ohne Funkenbildung deutlich erhöht werden.
Alternativ zu der Aktivierung entsprechend Fig. 8 und 9 können selbstverständlich auch Laser oder Schlagbolzen z.B. analog zur Sicherung auf die Folie 3 einwirken und diese gezielt auslösen.
Die Fig. 10 und Fig. 11 zeigen Anordnungen mit einem Gehäuse, welche für eine nachträgliche Anbringung des Kurzschließers an ein zu
schützendes Gerät / Bauteil geeignet sind. In Fig. 10 wird die aus Fig. 1 bekannte Anordnung in ein Gehäuse 13 aus Metall eingebracht. Das
Anschlusselement 1 ist dabei unmittelbar mit dem Gehäuse verbunden. Das Gehäuse 13 kann jedoch auch selbst als Anschlusselement 1 genutzt werden. Der Anschluss 2 wird gegenüber dem Gehäuse 13 isoliert nach außen geführt. Zur Isolierung dient die Durchführung 14 und zum äußeren Anschluss das Teil 15. Durch das Gehäuse 13 kann ein weiterer Anschluss 23 geführt werden, welcher zur aktiven Aktivierung der Folie 13 mit einem äußeren Bauteil 10 genutzt werden kann. Die passive Aktivierung der Folie 3 erfolgt durch den Wärmeübergang vom Gehäuse bzw. Anschluss 1 auf die Folie 3.
Fig. 11 zeigt eine ähnliche Anordnung, jedoch ist das Gehäuse 13 aus Isolationsmaterial und besitzt zwei Durchführungen für die äußeren
Anschlüsse 15, 16 der Anschlusselemente 1 und 2. Die passive Erwärmung der Folie 3 kann über den Anschluss 16 erfolgen. Alternativ kann das Gehäuse 13 auch ein nach außen geführtes Wärmeübergangselement 24 beinhalten. Diese kann elektrisch isoliert oder auch elektrisch leitend mit dem Anschlusselement 1 verbunden sein.
Fig. 12 und Fig. 13 zeigen einen beispielhaften Einsatz der Kurzschließeranordnung mit einem zu schützenden Bauteil in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Gehäuse besitzt jeweils drei Anschlüsse 17, 18, 20, welche bei einem Gehäuse aus Isolationsmaterial 22 alle separat nach außen geführt werden. Dies erlaubt eine separate äußere Verdrahtung des
Kurzschließers über die äußeren Anschlüsse. Prinzipiell kann der Kurzschließer jedoch auch innerhalb des Gehäuses verdrahtet werden, wodurch der äußere Anschluss 20 entfallen würde. Als zu schützendes Bauelement wurde zur Erklärung der Funktion ein Überspannungsabieiter, insbesondere ein Varistor 19 ausgewählt. Es ist allgemein bekannt, dass Varistoren bei der Gefahr einer Überlastung sich stark erwärmen oder auch überschlagen können. In Fig. 12 ist ein Überschlag, welcher mit einer Funkenentladung 21 verbunden ist, angedeutet. Bei der Anordnung des Kurzschließers entsprechend Fig. 12 wird die Folie 3 direkt durch den Varistor erwärmt. Der Anschluss 1 des Kurzschließers kann hierbei gleichzeitig das Anschlussblech 18 des Varistors sein. Bei dem Erreichen der Reaktionstemperatur des Teiles 3 wird die Isolationsfolie 4 geschmolzen und ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen 18 und 20 bewirkt. Wird der
Varistor durch eine Funkenentladung 21 gebrückt, werden ebenfalls die Anschlüsse 18 und 20 nach der Aktivierung der Folie 3 durch den Funkenüberschlag niederohmig kurzgeschlossen, wodurch das Bersten des
Gehäuses 22 infolge eines offenen Lichtbogens verhindert werden kann. Die Isolationsfolie 4 kann zur Erhöhung der Überschlagsfestigkeit zwischen dem Anschluss 18 und dem Anschluss 2 bzw. 20 in dem Gehäuse 22 vergossen sein.
Fig. 13 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 12, jedoch ist der Überstand der Isolationsfolie 4 zwischen dem Anschluss 1 bzw. der Folie 3 und dem Anschluss 2 als Gleitfunkenstrecke ausgeprägt. Die Funkenstrecke kann so dimensioniert sein, dass bei einer entsprechenden Verschaltung der Anschlüsse 17, 18, 20 ein Undefinierter Überschlag des Varistors zwischen den Anschlüssen 17 und 18 vermieden und die Folie 3 zur Realisierung eines Kurzschlusses sofort gezündet wird. Die Gefährdung des Gehäuses 22 durch die Druckentstehung bei einem Undefinierten Über- schlag kann durch diese Maßnahme weiter reduziert werden. Alternativ zur Gleitentladung können selbstverständlich auch GDT" s oder andere spannungsschaltende Elemente eingesetzt werden. Neben diesen Beispielen für eine bi-f unktionale Auslösung des Kurzschließers innerhalb eines Gerätes können selbstverständlich weitere interne oder auch äußere Sensoren zur Aktivierung herangezogen werden. Neben reinen Oder- Verknüpfungen können auch bereits mit diskreten Bauteilen auch Und- Verknüpf ungen zur Aktivierung des Kurzschließers realisiert werden (ohne Logik- bzw. SPS-Einheiten) .
Die in der Beschreibung und im Ausführungsbeispiel verwendeten Begriffe einer aktiven oder passiven Aktivierung der exothermen Masse sind auf die Art und Weise der Einbringung einer entsprechenden Aktivierungsenergie bezogen. Als passiv sind hier Mechanismen zu verstehen, welche sich bei der üblichen Nutzung des zu schützenden Gerätes ohne gezieltes Zutun bei der Gefahr einer Überlastung oder durch die Überlastung selbst ergeben. Dies kann bei einem Varistor beispielsweise die Erwärmung infolge einer Strombelastung sein. Die exotherme Masse, z.B. ausgeführt als Reaktionsfolie, zündet dabei als Folge des passiven Wärmeeintrags bei ihrer Zündtemperatur ohne zusätzliche Zündhilfe. Dabei kann der Schutzmechanismus gegebenenfalls vor einer Schädigung des zu schützenden Bauteils ausgelöst werden. Unter passiver Aktivierung soll aber auch die Auslösung infolge der Funkenbildung bei einem äußeren Überschlag des Varistors zu verstehen sein, wobei in diesem Fall bereits eine Schädigung des eigentlichen Bauteils vorliegt und die Schutzmaßnahme nur zur Schadensbegrenzung dient, um z.B. ein Bersten eines Gehäuse zu vermeiden.
Aktive Mechanismen sind solche, die unabhängig vom Zustand der Bauteile sind. Dies können Strom, Spannung, Leistung des entsprechenden Bauteils sein, das es gilt entsprechend zu schützen. Aktive Mechanismen sind aber auch derartige, die außerhalb des passiv geschützten Bauteils für eine Auslösung nutzbar sind. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße
Kurzschließer, welcher passiv zum Schutz eines Überspannungsschutzgeräts genutzt wird, durch eine aktive Ansteuerung auch zur Löschung eines äußeren Störlichtbogens genutzt werden, der über die passiven Auslösemechanismen, z.B. aufgrund der örtlichen Distanz den Kurzschließer nicht betätigen würde. Bei einer rein passiven Nutzung ist also keine aktive Ansteuerung, aber auch keine separate Zündeinrichtung notwendig. Bei einer aktiven Zündung erfolgt die Aktivierung immer über eine separate Zündeinrichtung.
Die bevorzugt einzusetzende Reaktionsfolie als exothermer Masse soll eine geringe Dicke besitzen und eine schnelle, sich selbst fortpflanzende exotherme Reaktion ermöglichen. Die Folie soll sowohl passiv als auch aktiv zu ihrer exothermen Reaktionsauslösung geführt werden können, wobei eine Druckentwicklung zu vermeiden und primär eine Wärmeentwicklung sicherzustellen ist.
Als Reaktionsfolie kann z.B. das Produkt Nanofoil (eingetragene Marke) verwendet werden.
Als Isolationsfolie kann eine bekannte technische Isolationsfolie für elektrische Verwendungszwecke Anwendung finden, die eine hohe
Durchschlagsfestigkeit besitzt und eine Dauergebrauchstemperatur aufweist, die der Anwendung des zu schützenden Gerätes entspricht.
Beispielsweise geeignet sind hier PE, PET, PS, PP, PSU, PA6 und PC-Folien mit einer elektrischen Durchschlagsfestigkeit von > 30 KV/mm.
Die Reaktionsfolie als exotherme Masse und die elektrische Isolationsfolie können sandwichartig aufgebaut werden, d.h. auch derart, dass beidseitig der Isolationsfolie Reaktionsfolien befindlich sind.
Bezugszeichenliste:
1 erstes plattenförmiges Anschlussteil
2 zweites plattenförmiges Anschlussteil
3 exotherme Masse in Folienform
4 Isolationsfolie
5 elastische bzw. selbstfedernde Masse bzw. Feder mit minimalen
Hubweg
6 leicht schmelzendes elektrisch leitfähiges Material
7 Hohlräume bzw. Kanäle
8 Dorn Öffnung
Sensor; Schaltelement
elektrisch leitfähige Verbindung, Kontakt
Impedanz, Funkenstrecke
Metallisches Gehäuse
elektrisch isolierende Durchführung
Anschlusselement
Anschlusselement
Anschluss des Überspannungsschutzelementes
Anschluss des Überspannungsschutzelementes
Überspannungsschutzelement z.B. Varistor
externer Anschluss des zweiten plattenf örmigen Anschlussteiles 2 Überschlagsweg
Gehäuse des Überspannungsschutzelementes
Anschluss zur Aktivierung der Folie 3
Wärmeübergangselement

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses, umfassend zwei elektrische, insbesondere plattenförmige Anschlussteile, welche ein unterschiedliches Potential führen, wobei zwischen den Anschlussteilen eine Isolationsstrecke ausgebildet ist und der gewünschte Kurzschluss über eine, mindestens teilweise, Durchdringung oder ein Zerstören der Isolationsstrecke realisiert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anschlussteile eng benachbart und unter Einschluss der Isolationsstrecke angeordnet sind und die Isolationsstrecke als Isolationsfolie oder folienartige Beschichtung ausgebildet ist sowie in unmittelbarer Nähe der Isolationsstrecke eine exotherme Masse befindlich ist, welche bei
Energiebeaufschlagung ihre exotherme Energie freisetzt und zum
Schmelzen oder Deformieren der Isolationsstrecke führt, so dass die Potentialtrennung zwischen den Anschlussteilen aufgehoben ist und der Kurzschlussfall eintritt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eines der Anschlussteile unter mechanischer Vorspannung steht, so dass bei Zerstörung oder Deformation der Isolationsstrecke die Anschlussteile miteinander in mechanischen und elektrischen Kontakt gelangen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die exotherme Masse als Folie ausgebildet ist, welche mit der Isolationsstrecke eine Sandwichanordnung bildet.
4. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anschlussteile im kurzschlussfreien Zustand einen Abstand zueinander von wenigen 10 μηι bis zu wenigen 100 μηι besitzen.
5. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Aktivieren der exothermen Masse mittels Spannungsimpuls, Lichtimpuls, Stromfluss, mechanischem Schlag oder Druck, durch elektrische Umladungsprozesse, aber auch bei Überschreiten einer Grenztemperatur erfolgt.
6. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die exotherme Masse derart ausgelegt und dimensioniert ist, dass innerhalb einer Zeitdauer von ca. 1 ms bis 10 ms ausreichend Wärme freigegeben wird, um die Isolationsfolie oder Isolationsschicht zu schmelzen oder maßgeblich zu deformieren.
7. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die exotherme Masse in einem oder in beiden der Anschlussteile integriert oder dort aufgebracht ist.
8. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Ausbildung oder Anordnung der exothermen Masse leichtschmelzende Metalle oder Metallschichten befindlich sind.
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