WO2015028676A1 - Überspannungsschutzvorrichtung mit thermischer schalteinrichtung - Google Patents

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WO2015028676A1
WO2015028676A1 PCT/EP2014/068551 EP2014068551W WO2015028676A1 WO 2015028676 A1 WO2015028676 A1 WO 2015028676A1 EP 2014068551 W EP2014068551 W EP 2014068551W WO 2015028676 A1 WO2015028676 A1 WO 2015028676A1
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WO
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overvoltage protection
protection device
pcm
phase change
change material
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PCT/EP2014/068551
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Striewe
Original Assignee
Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/126—Means for protecting against excessive pressure or for disconnecting in case of failure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/761—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material with a fusible element forming part of the switched circuit

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection device with thermal switching device.
  • Overvoltage protection devices are usually connected in parallel to a system to be protected, in order to be able to derive a pulse-shaped interference on the system to be protected over.
  • the corresponding electrical components become very low in the short term.
  • these electrical components degrade over time, e.g. also comes in the actual rated operation to a current flow.
  • a not inconsiderable amount of heat is released, which can become a serious danger.
  • Another source of error is, for example, an unpowered line follower.
  • numerous systems of overvoltage protection device have already been proposed with thermal switching devices that allow a shutdown when exceeding a certain temperature, but these devices are very complex in construction and therefore prone to error and also costly. Due to the complex construction, the demands on the installation space are increasing.
  • the impulsestromtrageowski the entire device is limited by the fact that to be able to safely shut down a fault, the Impulse carrying capacity, ie the application range in rated operation, is often limited.
  • the invention is based on the object to provide a simple and inexpensive overvoltage protection device with thermal switching device, which also allows a small size and has an improved range of use.
  • Fig. 1 shows an aspect of the invention in a first schematic view of a
  • FIG. 2 shows a further aspect of the invention in a second schematic view of the embodiment of the invention in plan view
  • Fig. 3 is a side schematic sectional view of another
  • Fig. 4 is a side schematic sectional view of another
  • Fig. 5 is a side schematic sectional view of another
  • Fig. 6 is a schematic time-temperature diagram of an exemplary
  • FIG. 1 shows an overvoltage protection device 1 with a thermal switching device, which according to a first embodiment is shown as a solid top view.
  • the overvoltage protection device has an overvoltage protection device ÜSE.
  • the overvoltage protection device ÜSE has at least two connections A ; A 2 on.
  • a thermally well-conducting triggering device AE is applied by means of a first phase change material PCM II.
  • the triggering device AE stands in a first untriggered State under bias F.
  • the bias F is now a disconnection or short-circuiting of the overvoltage protection device ÜSE causes.
  • a varistor is shown as an overvoltage protection element ÜSE.
  • ÜSE overvoltage protection element
  • ÜSE overvoltage protection element
  • the connection A1 can be configured over the entire surface or, in order to provide better thermal contact with the phase change material PCM II, have a cutout, so that the phase change material PCM II is arranged directly on the varistor, as shown.
  • An immediate arrangement allows a quick heat transfer and thus a quick shutdown.
  • the design of the terminal can be considered as an additional heat buffer, so as to provide a better Pululstrageschreib.
  • a second phase change material PCM I is applied at least in the area of the first terminal A 1 .
  • the second phase change material PCM I softens, the second specific temperature being lower than the first specific temperature, ie T sorta! .
  • the invention uses as a triggering mechanism a material PCM II with a higher melting temperature.
  • PCM II with a higher melting temperature.
  • another phase change material PCM I is applied, which has a lower phase change rate Has melting temperature. Due to the melting enthalpy of the phase change material, a short-term heat input is buffered in rated operation.
  • phase change material PCM II In nominal operation, the phase change material PCM II remains fixed because the melting enthalpy of the phase change material PCM I buffers the temperature. In the event of a fault, the introduction of energy initially leads to the temperature being maintained at the melting temperature of the phase change material PCM I, in order subsequently to lead to a further rise in temperature when this melting enthalpy has been applied, so that the phase change material PCM II melts and releases the triggering device AE.
  • a temperature profile is shown in FIG.
  • thermal separation device triggers with appropriate heat development in case of failure, but at the same time a short-term high heat input, as occurs in a pulse event in nominal operation, not to a
  • the triggering of a trigger device AE can additionally be used to pass on the switching state to a telecommunication device. Furthermore, a direct optical readability of the state on the basis of the triggered triggering device AE itself can also be provided.
  • phase change material PCM I is shown only on one side, it goes without saying that the attachment can also be more extensive and can also enclose the entire overvoltage protection device ÜSE.
  • phase change material PCM II is shown relatively small compared to the phase change material PCM I, this is not a condition. However, it has proved to be advantageous if the temperature-buffering phase change material PCM I covers a larger area and thus contributes to a better cooling.
  • the phase change material PCM I and / or the phase change material PCM II can also be applied to an insulating layer ISO, which protects the connection A f at least in sections in the contact area with the overvoltage protection device UESE against contact. This can prevent inadvertent contact.
  • An exemplary insulating layer may be, for example, an epoxy material.
  • the second phase change material PCM I be applied directly to the terminal A, the overvoltage protection device ÜSE, so as to enable a direct and rapid heat transfer.
  • the triggering device AE on metal.
  • the triggering device AE is a metal strip which actuates a switch or is itself part of a switch, or a metal wire which actuates a switch or is itself part of a switch.
  • the triggering device AE at the same time as the electrical connection A1 executed.
  • the switch is realized as an interruption switch directly with the triggering device AE as port A1. If the temperature of the overvoltage protection device USE exceeds the temperature of the phase change material PCM II, the thermal switching device is activated.
  • the first phase change material (PCM II) selected from a group comprising:
  • PE polyethylene
  • APAO Amorphous Polyalphaolefins
  • EVAC Ethylene Vinyl Acetate Copolymers
  • Vinyl pyrrolidone / vinyl acetate copolymers application melting point ⁇ 130 ° C, water-soluble
  • the second phase change material (PCM I) is preferably selected from a
  • Tricosan (C22H46), application / melting temperature ⁇ 48 ° C
  • Nonacosan (C29H60), application / melting temperature ⁇ 64 ° C
  • Pentatriacontane (C35H72), application / melting temperature ⁇ 75 ° C
  • phase change material PCM I is chosen so that
  • the material is in the solid state at normal operating temperatures of the surge protective device ÜSE (melting temperature> ⁇ 40 ° C), and / or
  • the enthalpy of fusion of the phase change material PCM I is high in order to absorb a high amount of energy and to represent an effective temperature buffer, and / or
  • the specific heat capacity of the phase change material PCM I is high in order to be able to absorb a high amount of energy, and / or
  • the melting temperature of the phase change material PCM I (significantly) below that of the phase change material PCM II is to ensure even at a certain temperature gradient between the phase change materials PCM II and PCM I that the phase change material PCM II does not melt.
  • This will be at impulse loads of the overvoltage protection device ÜSE prevents melting (triggering) of the phase change material PCM II over a wide energy range.
  • the phase change material PCM II is chosen such that
  • phase change material PCM II has a melting point above the storage and operating temperature range of the overvoltage protection device ÜSE (usually> 80 ⁇ C), and / or
  • phase change material PCM II over the entire storage and operating temperature range (usually - 40 ° .. + 80 ° C) has sufficient mechanical strength, and / or
  • the melting point of the phase change material PCM II is low enough to ensure rapid tripping in the event of permanent overloading of the overvoltage protection device ÜSE (eg due to leakage currents, temporary overvoltage).
  • a first release tape for example a copper tape
  • EVA ethylene vinyl acetate, eg DuPont TM Elvax® 760Q with an application / melting temperature 82-100 ° C.
  • a second equally sized release tape may also be adhered to a first adjacent adhesive zone by means of EVA (ethylene vinyl acetate, e.g., DuPont TM Elvax® 440, with an application / melt temperature of 53-84 ° C).
  • EVA ethylene vinyl acetate, e.g., DuPont TM Elvax® 440, with an application / melt temperature of 53-84 ° C).
  • a glass nonwoven fabric eg ISOLA VR 391 GI6224 / 1 impregnated with docosan (C22H46, application / melting temperature 42 ⁇ C) is placed over this first release strip and if present also the second release strip and the further varistor surface.
  • docosan C22H46, application / melting temperature 42 ⁇ C
  • the varistor is permanently damaged by overheating.
  • the triggering can be perceived visually or else be forwarded to another location, eg by means of a remote message.
  • the second triggering belt has the task of triggering a signaling and / or a remote message even before the separation by the first-mentioned triggering belt and thus to generate an early warning.
  • the invention is particularly suitable for overvoltage protection device ÜSE, eg for varistors or suppressor diodes.
  • the invention uses phase change materials quasi for cooling an overvoltage protection device USE.
  • an overvoltage protection device ÜSE in a housing encapsulated with a suitableijnêtdend phase change material PCM I are housed. This improves the reversibility.
  • the electrical component USE can also be provided with a coating of phase change material PCM I.
  • the overvoltage protection device USE can be provided with a coating of phase change material PCM I, this coating of phase change material PCM I being provided by an absorbent carrier material, e.g. a flow, even in a liquid state on the surface of the surge protective device ÜSE is maintained. This improves the reversibility.
  • the invention makes it possible to provide overvoltage protection devices with thermal switching devices, which are inexpensive to produce, in particular have a simple construction, and are therefore less error-prone.
  • the overvoltage protection devices according to the invention are to be constructed particularly suitable space-optimized, since the cooling provided by a larger application area is provided.
  • the construction of the overvoltage protection devices according to the invention enables safe switching off in the event of a fault, without restricting the pulsed current carrying capability in rated operation of the entire arrangement. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Überspannungsschutzvorrichtung (1) mit thermischer Schalteinrichtung. Die Überspannungsschutzvorrichtung (1) weist eine Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) auf, wobei die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) zumindest zwei Anschlüsse (A1, A2) aufweist. Im Bereich eines ersten Anschlusses (A1) ist eine thermisch gut leitende Auslöseeinrichtung (AE) mittels eines ersten Phasenwechselmaterials (PCM II) aufgebracht, wobei die Auslöseeinrichtung (AE) unter Vorspannung (F) steht, wobei, wenn die Temperatur des ersten Phasenwechselmaterials über eine erste bestimmte Temperatur (Tschalt, PCM II) steigt, das erste Phasenwechselmaterial (PCM II) erweicht und somit die Auslöseeinrichtung freigibt, so dass mittels der Vorspannung (F) ein Trennen oder Kurzschließen der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) bewirkt wird. Weiterhin ist ein zweites Phasenwechselmaterial (PCM I) zumindest im Bereich des ersten Anschlusses (A1) aufgebracht, wobei, wenn die Temperatur des zweiten 1 Phasenwechselmaterials über eine zweite bestimmte Temperatur (Tschalt, PCM I) steigt, das zweite Phasenwechselmaterial (PCM I) erweicht, wobei die zweite bestimmte Temperatur niedriger ist als die erste bestimmte Temperatur.

Description

Uberspannungsschutzvorrichtung mit thermischer Schalteinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit thermischer Schalteinrichtung.
Beim Betrieb elektrischer Komponenten mit ohmschen Widerstandsanteilen, fallen üblicherweise Wärmeverluste in diesen Bauteilen an. Diese Wärmeverluste führen zu einer Erwärmung der Bauteile selbst sowie durch Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion auch zu einer Erwärmung der Umgebung der jeweiligen Bauteile.
Diese thermische Verlustleistung ist in aller Regel nicht zu vermeiden und wird bei der Konstruktion entsprechender elektrischer Komponenten für den Nennbetrieb berücksichtigt.
Allerdings gibt es eine Reihe von elektrischen Komponenten, die im Fehlerfall eine nicht unerhebliche Menge an Energie in Wärme umsetzen. Zu diesen elektrischen Komponenten zählen insbesondere Überspannungsschutzeinrichtungen. Diese
Überspannungsschutzeinrichtungen werden in aller Regel parallel zu einer zu schützenden Anlage geschaltet, um eine impulsförmige Störung an der zu schützenden Anlage vorbei ableiten zu können. Für diese relativ kurze Ableitphase werden die entsprechenden elektrischen Komponenten kurzfristig stark niederohmig. Allerdings degradieren diese elektrischen Komponenten mit der Zeit, so dass es z.B. auch im eigentlichen Nennbetrieb zu einem Stromfluss kommt. Dabei wird jedoch eine nicht unerhebliche Menge Wärme frei, die zu einer ernsten Gefahr werden kann. Eine andere Fehlerquelle ist beispielsweise ein nicht abgeschalteter Netzfolgestrom. Zwar wurden bereits zahlreiche Systeme von Überspannungsschutzvorrichtung mit thermischen Schalteinrichtungen vorgeschlagen, die ein Abschalten bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur ermöglichen, jedoch sind diese Vorrichtungen sehr aufwändig in der Konstruktion und daher fehleranfällig und zudem kostenintensiv. Auf Grund der aufwändigen Konstruktion steigen die Anforderungen an den Bauraum.
Zudem ist bei den bekannten Vorrichtungen die Impulsstromtragefähigkeit der gesamten Vorrichtung dadurch limitiert, dass um einen Fehlerfall sicher abschalten zu können, die Impulsstromtragefähigkeit, d.h. der Einsatzbereich im Nennbetrieb, häufig eingeschränkt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache und kostengünstige Überspannungsschutzvorrichtung mit thermischer Schalteinrichtung bereitzustellen, die zudem eine geringe Baugröße erlaubt und einen verbesserten Einsatzbereich aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Aspekt der Erfindung in einer ersten schematischen Ansicht einer
Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
Fig. 2 ein weiterer Aspekt der Erfindung in einer zweiten schematische Ansicht der Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
Fig. 3 eine seitliche schematische Schnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine seitliche schematische Schnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 eine seitliche schematische Schnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 6 ein schematisiertes Zeit-Temperaturdiagramm einer beispielhaften
Ausführungsform der Erfindung.
In Figur 1 ist eine Überspannungsschutzvorrichtung 1 mit thermischer Schalteinrichtung, gemäß einer ersten Ausführungsform schamtisch in Draufsicht dargestellt. Dabei weist die Überspannungsschutzvorrichtung eine Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE auf. Die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE weist zumindest zwei Anschlüsse A ; A2 auf.
Im Bereich eines ersten Anschlusses A1 ist eine thermisch gut leitende Auslöseeinrichtung AE mittels eines ersten Phasenwechselmaterials PCM II aufgebracht. Die Auslöseeinrichtung AE steht dabei in einem ersten nicht ausgelösten Zustand unter Vorspannung F. Wenn die Temperatur des ersten Phasenwechselmaterials PCM II über eine erste bestimmte Temperatur, die sogenannte Phasenwechseltemperatur Tschal, PCM Ii: steigt, erweicht das erste Phasenwechselmatenal PCM II und somit wird die Auslöseeinrichtung AE freigegeben, Mittels der Vorspannung F wird nun ein Trennen oder Kurzschließen der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE bewirkt.
In Figur 1 ist beispielsweise ein Varistor als Überspannungsschutzelement ÜSE dargestellt. Auf dem Varistor ÜSE ist ein erster Anschiuss A1 aufgebracht. Der Anschluss A1 kann dabei vollflächig ausgestaltet sein oder aber, um einen besseren Wärmekontakt zum Phasenwechselmatenal PCM II bereitzustellen, eine Aussparung aufweisen, so dass das Phasenwechselmatenal PCM II wie dargestellt unmittelbar auf dem Varistor angeordnet ist. Eine unmittelbare Anordnung erlaubt eine schnelle Wärmeübertragung und somit eine schnelle Abschaltung. Im anderen Fall kann jedoch auch die Gestaltung des Anschlusses als zusätzlicher Wärmepuffer angedacht sein, um so eine bessere Impulstragefähigkeit zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin ist, wie in Figur 2 gezeigt, ein zweites Phasenwechselmatenal PCM I zumindest im Bereich des ersten Anschlusses A1 aufgebracht. Wenn die Temperatur des zweiten Phasenwechselmaterials über eine zweite bestimmte Temperatur, die sogenannte Phasenwechseltemperatur
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I, steigt, erweicht das zweite Phasenwechselmatenal PCM I, wobei die zweite bestimmte Temperatur niedriger ist als die erste bestimmte Temperatur, d.h Tsorta!,.PCM , < T n.
Phasenwechselmaterialien haben den Vorteil, dass sie einen relativ hohen Energieeintrag zur Änderung des Aggregatzustandes benötigen. Beispielsweise muss für die Erwärmung von 1 kg Wasser von 0° C auf 80° C eine Wärmemenge von 1 kg * 80 K * 4, 19 kJ/(kg x K) = 335,2 kJ aufgebracht werden. Jedoch ist für die Umwandlung von 1 kg Eis in 1 kg Wasser ungefähr die gleiche Energie erforderlich (1 kg * 333,5 KJ/kg) ohne, dass sich bei diesem Schmelzvorgang die Temperatur ändert. Die für die Änderung des Aggregatzustands von fest nach flüssig notwendige Energie wird als Schmelz-Enthalpie bezeichnet.
D.h. die Erfindung verwendet als Auslösemechanismus ein Material PCM II mit einer höheren Schmelztemperatur. Um ein Auslösen bei Nennbelastung zu verhindern, wird ein weiteres Phasenwechselmatenal PCM I aufgebracht, dass eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist. Aufgrund der Schmelz-Enthalpie des Phasenwechselmaterials wird ein kurzfristiger Wärmeeintrag im Nennbetrieb gepuffert.
Im Schnitt kann diese zu einer Sandwichartigen Struktur, wie in Figur 3 gezeigt, führen, wobei das zweite Phasenwechselmaterial PCM II, welches für ein Auslösen im Fehlerfall zuständig ist, im Wesentlichen von dem ersten Phasenwechselmaterial PCM I umgeben ist.
Im Nennbetrieb bleibt das Phasenwechselmaterial PCM II fest, weil die Schmelz- Enthalpie des Phasenwechselmaterial PCM I die Temperatur puffert. Im Fehlerfall führt der Energieeintrag zunächst zu einem Verharren der Temperatur auf der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials PCM I, um anschließend, wenn diese Schmelz- Enthalpie aufgebracht wurde, zu einem weiteren Temperaturanstieg zu führen, sodass nun das Phasenwechselmaterial PCM II aufschmilzt und die Auslöseeinrichtung AE freigibt. Ein derartiger Temperaturverlauf ist in Figur 6 aufgezeigt.
Hierdurch wird es ermöglicht, dass die thermische Trenneinrichtung bei entsprechender Wärmeentwicklung im Fehlerfall auslöst, zugleich aber ein kurzfristig hoher Wärmeeintrag, wie er bei einem Impulsereignis im Nennbetrieb auftritt, nicht zu einer
Auslösung führt. Hierdurch können hohe Impulsstrom abgeleitet werden, ohne jedoch die Schaltfähigkeit im Fehlerfall zu beeinträchtigen. Hierdurch werden zudem kleine Baugrößen ermöglicht. Das Auslösen einer Auslöseeinrichtung AE kann zusätzlich dazu verwendet werden, den Schaltzustand an eine Fernmeldeeinrichtung weiterzugeben. Weiterhin kann auch eine direkte optische Ablesbarkeit des Zustandes an Hand der ausgelösten Auslöseeinrichtung AE selbst bereitgestellt werden.
Obwohl das Phasenwechselmaterial PCM I lediglich auf einer Seite dargestellt ist, versteht es sich von selbst, dass die Anbringung auch großflächiger sein kann und auch die gesamte Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE umschließen kann.
Auch wenn das Phasenwechselmaterial PCM II im Vergleich zum Phasenwechselmaterial PCM I relativ klein dargestellt ist, so ist dies keine Bedingung. Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn das temperaturpuffernde Phasenwechselmaterial PCM I eine größere Fläche bedeckt und so zu einer besseren Kühlung beiträgt. In einer Weiterbildung der Erfindung kann, wie in Figur 4 gezeigt, das Phasenwechselmaterial PCM I und/oder das Phasenwechselmaterial PCM II auch auf einer isolierenden Schicht ISO aufgebracht sein, die den Anschluss Af zumindest abschnittsweise im Kontaktbereich zur Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE gegen Berührung schützt. Hierdurch kann ein unbeabsichtigtes Berühren verhindert werden. Eine beispielhafte isolierende Schicht kann z.B. ein Epoxy-Werkstroff sein.
Alternativ hierzu kann jedoch, wie bereits zuvor beschrieben, das zweite Phasenwechselmaterial PCM I unmittelbar auf dem Anschluss A, der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE aufgebracht sein, um so eine unmittelbare und schnelle Wärmeübertragung zu ermöglichen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Auslöseeinrichtung AE Metall auf. Beispielsweise ist die Auslöseeinrichtung AE ein Metallband, das einen Schalter betätigt oder selbst Teil eines Schalters ist, oder ein Metalldraht, der einen Schalter betätigt oder selbst Teil eines Schalters ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist, wie in Figur 5 gezeigt, die Auslöseeinrichtung AE zugleich als der elektrische Anschluss A1 ausgeführt. Hierdurch wird der Schalter als Unterbrechungsschalter unmittelbar mit der Auslöseeinrichtung AE als Anschluss A1 realisiert. Übersteigt die Temperatur der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE die Temperatur des Phasenwechselmaterials PCM II so wird die thermische Schalteinrichtung aktiviert. Bevorzug ist das erste Phasenwechselmaterial (PCM II) ausgewählt aus einer Gruppe, die aufweist:
Polymere:
PE (Polyethylen) Applikations-ZSchmelztemperatur von 140 bis 200 °C
APAO (amorphe Polyalphaolefine) Applikations-/Schmelztemperatur ~ 170 °C · EVAC (Ethylenvinylacetat-Copolymere) Applikations-/Schmelztemperatur - 150 °C
Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymere, Applikations-ZSchmelztemperatur ~ 130 °C, wasserlöslich
Harze:
* Kolophonium Applikations-/Schmelztemperatur - 80 bis 125 °C
Wachse (Alkane, CnH2n+2) :
Hexacosan (C26H54), Applikations-ZSchmelztemperatur - 56 °C Nonacosan(C29H60), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 64 °C Pentatriacontan(C35H72), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 75 °C
Dotetracontan(C42H86), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 84 °C
Carbonsäuren
Stearinsäure (C18H3602), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 69 °C
Auch das zweite Phasenwechselmaterial (PCM I) ist bevorzugt ausgewählt ist aus einer
Gruppe, die aufweist:
Wachse (Alkane, CnH2n+2):
Heneicosan (C21 H44), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 40,5 °C
Docosan (C22H46), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 42 °C
Tricosan (C22H46), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 48 °C
Hexacosan (C26H54), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 56 °C
Nonacosan(C29H60), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 64 °C
Pentatriacontan(C35H72), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 75 °C
Dotetracontan(C42H86), Applikations-/Schmelztemperatur ~ 84 °C
Salzhydrate:
Natriumacetat-Trihydrat, Applikations-/Schmelztemperatur ~ 58 °C
Dabei versteht es sich von selbst, dass die Auswahl eines Stoffes für das zweite Phasenwechselmaterial wegen der notwendigerweise tieferen Phasenwechseltemperatur die Auswahl für das erste Phasenwechselmaterial einschränkt.
Bevorzug ist das Phasenwechselmaterial PCM I so gewählt, dass
das Material sich bei üblichen Einsatztemperaturen der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE im festen Zustand befinden (Schmelztemperatur >~40 ° C), und/oder
die Schmelzenthalpie des Phasenwechselmaterial PCM I hoch ist, um eine hohe Energiemenge aufnehmen zu können und einen wirksamen Temperaturpuffer darzustellen, und/oder
die spezifische Wärmekapazität des Phasenwechselmaterial PCM I hoch ist, um eine hohe Energiemenge aufnehmen zu können, und/oder
die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterial PCM I (deutlich) unterhalb derer des Phasenwechselmaterials PCM II liegt, um auch bei einem gewissen Temperaturgradienten zwischen den Phasenwechselmaterialien PCM II und PCM I sicherzustellen, dass das Phasenwechselmaterial PCM II nicht aufschmilzt. Damit wird bei Impulsbelastungen der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE ein Aufschmelzen (Auslösen) des Phasenwechselmaterial PCM II über einen weiten Energiebereich verhindert. Bevorzug ist das Phasenwechselmaterial PCM II so gewählt, dass
das Phasenwechselmaterial PCM II einen Schmelzpunkt oberhalb des Lagerund Einsatztemperaturbereiches der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE (üblich >80 <C) besitzt, und/oder
das Phasenwechselmaterial PCM II über den gesamten Lager- und Einsatztemperaturbereich (üblich - 40 ° ..+ 80° C) eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, und/oder
der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterial PCM II niedrig genug liegt, um bei dauernder Überlastung der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE (z. B. durch Leckströme, temporary overvoltage) eine schnelle Auslösung sicher zu stellen.
Eine beispielhafte Dimensionierung wird nachfolgend an Hand eines Varistors erläutert:
Auf die Oberfläche der, den Varistor umhüllenden, Epoxidbeschichtung wird mittels EVA (Ethylenvinylacetat, z.B. DuPont™ Elvax® 760Q mit einer Applikations- /Schmelztemperatur 82-100 ^) ein erstes Auslöseband (beispielsweise ein Kupferband) der Dimension 0,2 x 3 x 40 mm aufgeklebt.
Zusätzliche kann auch ein zweites gleichdimensioniertes Auslöseband in einer, zu ersterem benachbarten Klebezone mittels EVA (Ethylenvinylacetat, z.B. DuPont™ Elvax® 440 mit einer Applikations-/Schmelztemperatur 53-84 °C) aufgeklebt werden.
Über dieses erste Auslöseband und soweit vorhanden auch das zweite Auslöseband sowie die weitere Varistoroberfläche wird ein Glasvliesgewebe (z. B. ISOLA VR 391 GI6224/1 ), getränkt mit Docosan (C22H46, Applikations-/Schmelztemperatur 42<C) gelegt.
Löst das erste Auslöseband aus, so ist der Varistor nachhaltig durch Überhitzung geschädigt. Die Auslösung kann optisch wahrgenommen werden oder aber geeignet an andere Stelle, z.B. mittels Fernmeldung, weitergeleitete werden. Das zweite Auslöseband hat die Aufgabe, noch vor der Abtrennung durch das erstgenannte Auslöseband, eine Signalisierung und/oder eine Fernmeldung auszulösen und so eine Vorwarnung zu Erzeugen. Die Erfindung ist insgesamt besonders geeignet für Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE, z.B. für Varistoren oder Supressordioden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Erfindung Phasenwechselmaterialien quasi zur Kühlung einer Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE nutzt.
Beispielsweise kann z.B. eine Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE in einem Gehäuse vergossen mit einem geeigneten nichtleitendend Phasenwechselmaterial PCM I untergebracht werden. Hierdurch wird die Reversibilität verbessert.
Alternativ kann die elektrische Komponente ÜSE auch mit einer Beschichtung aus Phasenwechselmaterial PCM I versehen werden.
In einer weiteren Variante kann die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE mit einer Beschichtung aus Phasenwechselmaterial PCM I versehen werden, wobei diese Beschichtung aus Phasenwechselmaterial PCM I durch ein saugfähiges Trägermaterial, z.B. ein Fließ, auch in flüssigem Zustand auf der Oberfläche der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE gehalten wird. Hierdurch wird die Reversibilität verbessert.
Durch die Erfindung wird es ermöglicht, Überspannungsschutzvorrichtungen mit thermischen Schalteinrichtungen bereitzustellen, die kostengünstig herstellbar sind, insbesondere eine einfache Konstruktion aufweisen, und daher wenig fehleranfällig sind. Zudem sind die erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtungen besonders geeignet bauraumoptimiert aufgebaut zu werden, da durch die bereitgestellte Kühlung ein größerer Einsatzbereich bereitgestellt wird. Durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtungen wird ein sicheres Abschalten im Fehlerfall ermöglicht, ohne die Impulsstromtragefähigkeit im Nennbetrieb der gesamten Anordnung einzuschränken. Bezugszeichenliste
Überspannungsschutzvorrichtung 1
Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE
Anschluss Ai , A2
Auslöseeinrichtung AE Phasenwechselmaterial PCM I, PCM I I
Vorspannung F isolierende Schicht ISO

Claims

Patentansprüche
1 . Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) mit thermischer Schalteirichtung, aufweisend eine Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE), wobei die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) zumindest zwei Anschlüsse (Ai , A2) aufweist, wobei im Bereich eines ersten Anschlusses (A1 ) eine thermisch gut leitende Auslöseeinrichtung (AE) mittels eines ersten Phasenwechselmaterials (PCM I I) aufgebracht ist, wobei die Auslöseeinrichtung (AE) unter Vorspannung (F) steht, wobei, wenn die Temperatur des ersten Phasenwechselmaterials über eine erste bestimmte Temperatur (Tschait,pcM n) steigt, das erste
Phasenwechselmaterial (PCM I I) erweicht und somit die Auslöseeinrichtung freigibt, so dass mittels der Vorspannung (F) ein Trennen oder Kurzschließen der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) bewirkt wird, wobei weiterhin ein zweites Phasenwechselmaterial (PCM I) zumindest im Bereich des ersten Anschlusses ( ) aufgebracht ist, wobei, wenn die Temperatur des zweiten
Phasenwechselmaterials über eine zweite bestimmte Temperatur (Tschait,pcM i) steigt, das zweite Phasenwechselmaterial (PCM I) erweicht, wobei die zweite bestimmte Temperatur niedriger ist als die erste bestimmte Temperatur.
2. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Anschluss (Ai) zumindest abschnittsweise im Kontaktbereich zur Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) gegen Berührung durch eine isolierende Schicht (ISO) geschützt ist, wobei das erste Phasenwechselmaterial (PCM I I) auf der isolierenden Schicht (ISO) aufgebracht ist.
3. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Phasenwechselmaterial (PCM I) unmittelbar auf dem Anschluss (Ai) der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) aufgebracht ist.
4. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung (AE) Metall aufweist.
5. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung (AE) band- oder drahtartig aufgebaut ist.
6. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung (AE) zugleich als elektrischer Anschluss für die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) dient.
7. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Phasenwechselmaterial (PCM II) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aufweist Polymere, wie Z.B.Polyethylen, amorphe Polyalphaolefine, Ethylenvinylacetat-Coploymere, Vinylpyrrolidon/Vinaylacetat- Coplymere, Harze, wie z.B. Kolpohonium, Wachse, wie z.B. Alkane, insbesondere Hexacosan, Nonacosan, Pentatriacontan, Dotetracontan, Carbonsäuren, wie z.B. Stearingsäure.
8. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Phasenwechselmaterial (PCM I) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aufweist Wachse, wie z.B. Alkane, insbesondere Heineicosan, Docosan, Tricosan, Hexacosan, Nonacosan, Pentatriacontan, Dotetracontan, Salzhydrate, wie z.B. Natriumacetat-Trihydrat.
9. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche aufweist Varistor, Supressordiode.
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