Leistungsschalter mit Lüftungskanälen für einen effizienten Wärmeabtransport

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit einem Gehäuse, in welchem ein erster Schaltgerätebereich, in welchem eine Löschkammervorrichtung und eine Kontaktschiebervorrichtung mit beweglichen Schaltstücken angeordnet sind, welche gegenüber liegend zu Festschaltstücken positioniert sind, und ein zweiter Schaltgerätebereich angeordnet sind, in welchem eine Stromauslösegruppe aus einem Kurzschlussauslöser und einem Überlastauslöser angeordnet sind. Leistungsschalter, insbesondere Niederspannungsleistungs- schalter sind im Kurzschlussfall elektromagnetische Selbstschalter. Ihre Arbeitsweise entspricht prinzipiell der Arbeitsweise von Leitungsschutzschaltern. Sie sind meist mit einem thermischen und einem magnetischen Auslöser ausgestat- tet und besitzen somit die gleichen konstruktiven Elemente wie Leitungsschutzschalter. Allerdings sind sie für größere Bemessungsströme konstruiert, außerdem sind die Auslöser von Leistungsschaltern, anders als beim Leitungsschutzschalter, teilweise separat einstellbar. Im Niederspannungsbereich wer- den die Schalter auch als Motorschutzschalter eingesetzt.

Die Aufgabe des Leistungsschalters besteht darin, nachgeordnete Anlagen und insbesondere Drehstrommotoren vor Schäden durch Überlast oder Kurzschluss zu schützen. Dabei soll der Leistungsschalter diese Ströme in Verbindung mit den Einrichtungen des Netzschutzes ausschalten. Befindet sich Gas zwischen den beiden Polen, wird es bei entsprechend hoher Spannungsdifferenz zwischen den Polen durch den Überschlag ionisiert, und es bildet sich eine sich selbst erhaltende Gasent- ladung, die auch als Lichtbogen bezeichnet wird. Dieses Plasma leitet nicht nur weiterhin Strom, sondern reduziert auch die Lebensdauer des Bauteils, bei starken Strömen kann es den Schalter sogar zerstören. Im Gegensatz zu Trennern sind Leis- tungsschalter so konstruiert, dass der beim Öffnen der

Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.

Leistungsschalter werden in verschiedenen Baugrößen entwickelt. Eine Baugröße setzt sich dabei aus Gerätevarianten mit einer sinnvoll aufeinander aufbauenden Nennstromreihe zusammen, wobei die Verlustleistung in etwa proportional zum Quad- rat des Nennstroms ist. Die Gerätevariante mit dem höchsten Nennstrom bei einer gegebenen Baugröße ist dadurch bestimmt, dass eben für diesen Strom der Verlustleistungsumsatz bei entsprechendem Gehäusevolumen noch ohne nachteilige Folgen für die Anforderungen des Schaltgerätes über seine Lebenszeit bleibt. Will man zu noch höheren Nennströmen kommen, entwickelt man eine größere Bauform. Aus Kundensicht ist es jedoch wünschenswert, den maximalen Nennstrom innerhalb einer Baugröße noch weiter nach oben zu treiben. Um dies zu erreichen, sind Maßnahmen zu ergreifen, um den Wärmeabtransport aus dem Gehäusevolumen technisch effizienter zu gestalten.

Es gibt im Prinzip zwei Möglichkeiten, mit hohen Temperaturen innerhalb eines Schutzgehäuses auf Grund unvermeidbarer elektrischer Verlustleistung umzugehen. Dabei sieht die eine Möglichkeit vor, alle Materialien so weit zu optimieren, dass sie ihre funktionalen Anforderungen auch auf hohem Temperaturniveau erfüllen. Dies ist jedoch eine sehr kostenintensive Lösung . Die andere Möglichkeit besteht darin, den Abtransport der erzeugten Wärme aus dem Gehäuse durch technische Maßnahmen zu forcieren. Für elektronische Produkte sind aktive Kühlmaßnahmen mittels Gehäuselüfter, Heat-Pipe-Anordnung oder gar Kühlmittelkreisläufe Stand der Technik. Um lokal erzeugte große Wärmemengen auch damit abführen zu können, werden diese Wärmemengen mittels Kühlkörpern auf großen Flächen verteilt. Bei elektromechanisehen Schaltgeräten sind derartige Kühlkörper ungeeignet. Hier wird die Wärme neben den Anschlussleitungen hauptsächlich über die frei zugänglichen Geräteoberflächen, im Wesentlichen Oberseite, Einspeise- und Geräteab- gangsseite, abgeführt. Dies führt in der Praxis auf Grund des langen Wärmeweges häufig zu einem hohen Gerätetemperaturni - veau und zu nachteiligen relativ konzentrierten Wärmenestern.

Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dar- in, einen Leistungsschalter zu schaffen, der ohne zusätzliche Kühlkörper einen effizienten Wärmeabtransport ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leistungs- Schalter mit einem ersten Schaltgerätebereich gelöst, in welchem eine Löschkammervorrichtung und eine Kontaktschiebervorrichtung mit beweglichen Schaltstücken angeordnet sind, welche gegenüber liegend zu Festschaltstücken positioniert sind, und einem zweiten Schaltgerätebereich, in welchem eine Strom- auslösegruppe aus einem Kurzschlussauslöser und einem Überlastauslöser angeordnet sind. Die Erfindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass ein durchgehender Durchlüftungskanal innerhalb sich gegenüber liegender Gehäusewandungen entlang der Festschaltstücke als erster konvektiver Luftstrom durch den Leistungsschalter für den Wärmeabtransport ausgebildet ist .

Erfindungsgemäß wird die Wärme zusätzlich zu den Geräteober- flächen über einen von der Einspeiseseite durch das Gerät hindurch zur Abgangsseite verlaufenden Durchlüftungskanal mit großem Querschnitt abgeführt. In der Vorzugseinbaulage, das heißt, die Montage erfolgt an einer senkrechten Wand, die Einspei sung ist oben, der Abgang ist unten, kann von unten in vorgesehene Öffnungen einströmende Luft Verlustwärme direkt von einigen der Hauptverlustleistungserzeugern aufnehmen, das heißt also von Kontaktübergangsstellen und Strombahnen, und in Richtung Einspeiseseite transportieren und dort nach außen an die Luft abgeben.

Erfindungsgemäß ist ein erster konvektiver Luftstrom entlang der Festschaltstücke vorgesehen. Der konvektive Luftstrom entlang der Festschaltstücke wird durch eine konstruktive Umgestaltung der Festschaltstücke, der Kontaktschiebervorrichtung und der Abdeckungen an den Festschaltstücken gewährleistet. Das Prinzip ist dabei, einen nennenswerten Durchströmungsquerschnitt zu erhalten. Alle nach außen abdichtenden Elemente werden entfernt beziehungsweise umgestaltet. Gleichzeitig wird durch eine entsprechende konstruktive Umgestaltung der offene Querschnitt zwischen dem Durchströmungsquerschnitt und der Schaltkammer möglichst gering gehalten. Konstruktiv sind die Festschaltstücke U-förmig ausgebildet mit zwei Schenkeln und einem die beiden Schenkel verbindenden Übergangsbereich. Der Übergangsbereich ist dabei derart ausgebildet, dass sich zwei gehörnte Konturen parallel gegenüber liegen und von einer Ausnehmung beabstandet sind. Die gehörn- ten Konturen der Festschaltstücke greifen dabei in Gegenkonturen des Schalterinnengehäuses und tragen somit im Kurz- schlussfall zur Stabilisierung des gesamten Leistungsschalters bei. In der Ausnehmung des Übergangsbereichs des Festschaltstückes ist ein Schenkelfortsatz in Form einer Nase ausgebildet, die die Kontaktauflagefläche für den unterseitig am Schenkel angeordneten Kontakt vergrößert . Insbesondere dieser Schenkenfortsatz des Festschaltstückes führt dazu, dass der offene Querschnitt zwischen Durchlüftungskanal und Schaltkammer möglichst gering gehalten wird.

Zudem weist auch der Kontaktschieber eine Ausnehmung in Form einer Durchbohrung oder eines Durchbruches oder einfach nach oben hin U-förmig geöffnet auf, die in der Höhe der Ausneh- mung der Festschaltstücke angeordnet ist und so einen kompletten Durchlüftungskanal über die Festschaltstücke und den Kontaktschieber ausbildet, der über Abdeckungen an den Festschaltstücken und schließlich über Öffnungen im Gehäuse kom- plettiert wird. Somit ergibt sich insgesamt ein erster kon- vektiver Luftstrom entlang der Festschaltstücke durch Ausnehmungen an der Kontaktschiebervorrichtung, an den Festschalt- stücken und an den Abdeckungen, die an den Festschaltstücken angeordnet sind, die insgesamt einen Durchlüftungskanal aus- bilden, der den Wärmeabtransport durch Öffnungen im Gehäuse ermöglicht .

Erfindungsgemäß ist vorzugsweise ein zweiter konvektiver Luftstrom im L-seitigen Anschlussbereich ausgebildet, der vom ersten konvektiven Luftstrom entlang der Festschaltstücke in den zweiten Schaltgerätebereich abzweigt und über einen Klem- menanschluss und Öffnungen im Gehäuse den Wärmeabtransport ermöglicht. Dabei wird im Zuge dieses Vorbeiströmens auch Wärme über die Klemme aufgenommen.

Zudem ist vorzugsweise ein dritter konvektiver Luftstrom im T-seitigen Anschlussbereich ausgebildet, der über einen Kanal am Klemmenanschluss ausgebildet ist und den Wärmeabtransport über Öffnungen im Gehäuse ermöglicht. Dieser konvektive Luft- ström im T-seitigen Anschlussbereich fließt in den Schalter hinein und durch einen Kanal an der heißen Klemme vorbei . Er nimmt dabei Wärme auf und verlässt den Schalter dann durch Öffnungen im Gehäuse. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Durchlüftungskanal Schmutz aufnehmende Elemente angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass sie den Leistungsschalter vor Schmutz schützen, ohne die Luftdurchströmung zu verhindern. Dieses Schmutz aufnehmende Element ist vorzugsweise als Gitter ausgebildet oder als hintereinander angeordnete Flächen, die in der projizierten Ansicht geschlossen erscheinen, und somit einfallenden Schmutz verhindern, jedoch Luftzirkulation ermöglichen. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein durchgehender Durchlüftungskanal innerhalb sich gegenüber liegender Gehäusewandungen entlang der Festschaltstücke als erster konvektiver Luftstrom durch den Leistungsschalter für den Wärmeabtransport ausgebildet ist. Vorzugsweise sind noch zwei weitere konvektive Luftströme im L-seitigen Anschlussbereich sowie im T-seitigen Anschlussbereich vorgesehen. Durch diese erfindungsgemäßen konvektiven Luftströme können größere Verlustleistungen abgeführt werden, so dass höhere Nennstromdichten der Leistungsschalter bei gleichem Bauvolumen ermöglicht werden. Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird bei einer Aufbauweise von nebeneinander angeordneten Leistungsschaltern vermieden, dass Wärmeabgabeflächen beziehungsweise Öffnungen abgedeckt sind. Bei gleicher Gerätebaugröße kommt es durch das hier vorgestellte Wärmeableitungskonzept zu einer deutlichen Senkung des Temperaturniveaus.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung erläutert .

Dabei zeigen schematisch: Fig. 1 in einer perspektivischen Schnittdarstellung einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters mit drei konvektiven Einzelströmen für den Wärmeabtransport;

Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungs- gemäße Anordnung aus Kontaktschiebervorrichtung, Festschaltstücken und Abdeckung;

Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung einen Teilbereich eines L-seitigen Anschlussbereichs mit Klemme;

Fig. 4 in einer perspektivischen Darstellung einen Teilbereich eines T-seitigen Anschlussbereichs mit Klemme; Fig. 5 in einer Schnittdarstellung die Löschkammervorrichtung des Leistungsschalters mit Kontaktschiebervorrichtung und Festschaltstücken; Fig. 6 in einer Draufsicht die Anordnung aus Festschaltstücken und Kontaktschiebervorrichtung.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters mit einem vorzugsweise zweiteiligen Gehäuse, in welchem ein erster Schaltgerätebereich 1 in einem Gehäuseunterteil 2 und ein zweiter Schaltgerätebereich 3 in einem Gehäuseoberteil 4 angeordnet sind. Im ersten Schaltgerätebereich 1 ist eine Löschkammervorrichtung 5 mit übereinander angeordneten Löschblechen 6 angeordnet sowie mittig zwischen den beiden Löschblechpaketen eine Kontaktschiebervorrichtung 7 mit einem auf einer Feder 8 positionierten beweglichen Schaltstück 9. Das bewegliche Schaltstück 9 ist gegenüber liegend zu Festschaltstücken 10 angeordnet. Die Festschaltstücke 10 sind vorzugsweise U-förmig ausgebildet mit zwei Schenkel 11, 12, die durch einen Übergangsbereich 13 miteinander verbunden sind. Der Übergangsbereich 13 der Festschaltstücke 10 ist vorzugsweise in Form von gehörnten Konturen 14 ausgebildet, die vorzugsweise stegförmig ausgebildet sind und durch eine Ausnehmung 15 voneinander beabstandet sind. Die gehörnten Konturen 14 greifen in Gegenkonturen 16 der Gehäuseinnenwand des Leistungsschalters, so dass im Fall eines Kurzschlusses das Gehäuse stabilisiert ist.

Oberhalb der Kontaktschiebervorrichtung 7 im zweiten Schalt- gerätebereich 3 ist ein Kurzschlussauslöser 17 angeordnet.

Der Kurzschlussauslöser 17 weist ein Trägerteil 18, vorzugsweise aus Kunststoff auf, in welchem sich ein Anker 19 mit einem Stößel 20, der innerhalb eines Pols 21 angeordnet ist und in die Kontaktschiebervorrichtung 7 hineinragt, befindet. Um das Trägerteil 18 ist eine Spule 22 gewickelt. Die Spule 22 ist von einem Joch 23 und einem Magnetblech 24 umgeben. Oberhalb vom Kurzschlussauslöser 17 ist ein Schaltschloss 25 angeordnet. Neben dem Kurzschlussauslöser 17 befindet sich ein Überlastauslöser 26, der ein Bimetall 27 aufweist, um welches ein Heizleiter 28 gewickelt ist. Jeweils seitlich oberhalb der Löschblechpakete im Gehäuseoberteil 4 befinden sich Klemmanschlüsse 29, 30.

Der erfindungsgemäße Leistungsschalter zeichnet sich nun dadurch aus, dass der konvektive Luftstrom durch den Leistungsschalter für den Wärmeabtransport aus vorzugsweise drei Einzelströmen zusammen gesetzt ist. Erfindungsgemäß ist ein ers- ter konvektiver Luftstrom entlang der Festschaltstücke 10 vorgesehen. Der konvektive Luftstrom entlang der Festschaltstücke 10 wird durch eine konstruktive Umgestaltung der Festschaltstücke 10, der Kontaktschiebervorrichtung 7 und einer Abdeckung 31 erreicht, die an den Festschaltstücken 10 posi- tioniert ist. Das Prinzip ist dabei, einen nennenswerten

Durchströmungsquerschnitt zu erhalten. Alle nach außen abdichtenden Elemente werden entfernt beziehungsweise umgestaltet. Gleichzeitig wird durch eine entsprechende konstruktive Umgestaltung der offene Querschnitt zwischen dem Durch- Strömungsquerschnitt und der Schaltkammer möglichst gering gehalten .

Konstruktiv sind die Festschaltstücke 10 U-förmig ausgebildet mit den zwei Schenkeln 11, 12 und dem die beiden Schenkel 11, 12 verbindenden Übergangsbereich 13. Der Übergangsbereich 13 weist dabei die gehörnten Konturen 14 auf, die parallel gegenüber liegend von der Ausnehmung 15 angeordnet sind.

Auch die Kontaktschiebervorrichtung 7 weist eine Ausnehmung 32 auf in Form einer Durchbohrung, die in der Höhe der Ausnehmung 15 der Festschaltstücke 10 angeordnet ist und so einen kompletten Durchlüftungskanal 33 über die Festschaltstücke 10 und die Kontaktschiebervorrichtung 7 ausbildet, der über die Abdeckung 31 an den Festschaltstücken 10 und

schließlich über Öffnungen 34 im Gehäuse komplettiert wird. Somit ergibt sich insgesamt ein erster konvektiver Luftstrom entlang der Festschaltstücke 10 durch Ausnehmungen 15, 32 an der Kontaktschiebervorrichtung, an den Festschaltstücken und an der Abdeckung 31, die an den Festschaltstücken 10 angeordnet sind, die insgesamt einen Durchlüftungskanal 33 ausbilden, der den Wärmeabtransport durch die Öffnung 34 im Gehäuse ermöglicht .

Erfindungsgemäß ist ein zweiter konvektiver Luftstrom 35 im L-seitigen Anschlussbereich ausgebildet, der vom ersten kon- vektiven Luftstrom entlang der Festschaltstücke 10 in den zweiten Schaltgerätebereich 3 abzweigt und über einen Klem- menanschluss 29 und Öffnungen 36 im Gehäuse den Wärmeabtransport ermöglicht. Dabei wird im Zuge dieses Vorbeiströmens auch Wärme über die Klemme aufgenommen.

Zudem ist ein dritter konvektiver Luftstrom 37 im T-seitigen Anschlussbereich ausgebildet, der über einen Kanal 38 am

Klemmenanschluss 30 ausgebildet ist und den Wärmeabtransport über Öffnungen 39 im Gehäuse ermöglicht. Dieser konvektive Luftstrom im T-seitigen Anschlussbereich fließt in den Schalter hinein und durch einen Kanal an der heißen Klemme vorbei . Er nimmt dabei Wärme auf und verlässt den Schalter dann durch Öffnungen 39 im Gehäuse.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung aus der Kontaktschiebervorrichtung 7, den Festschaltstücken 10 und der Abdeckung 31 an den Festschaltstücken 10 dargestellt, die den ersten konvektiven Luftstrom ermöglichen. Die Festschaltstücke 10 sind dabei U- förmig ausgebildet mit den zwei Schenkeln 11, 12, die über einen Übergangsbereich 13 miteinander verbunden sind. Der Übergangsbereich 13 der Festschaltstücke 10 ist dabei mit gehörnten Konturen 14 ausgebildet, die vorzugsweise stegförmig ausgebildet sind und durch die Ausnehmung 15 voneinander beabstandet sind. Die gehörnten Konturen 14 greifen im montierten Zustand im Leistungsschalter in Gegenkonturen 16 der Gehäuseinnenwand des Leistungsschalters, so dass im Falle eines Kurzschlusses das Gehäuse stabilisiert ist. Auch die Abdeckung 31 an den Festschaltstücken 10 ist mit Ausnehmungen 40 versehen, so dass eine komplette Durchlüftung möglich ist. Zudem ist die Ausnehmung 32 an der Kontaktschie- bervorrichtung 7 in Höhe der Ausnehmung 15 an den Festschaltstücken 10 in Fig. 2 zu sehen.

Fig. 3 zeigt einen Teilbereich eines L-seitigen Anschlussbe- reichs eines Leistungsschalters mit Klemme. Der konvektive Luftstrom 35 im L-seitigen Anschlussbereich zweigt sich vom Strom entlang der Festschaltstücke 10 ab. Er zieht an der Klemme über einen offenen Querschnitt im Schalter vorbei . Dann verlässt er den Schalter über Öffnungen 36 im Gehäuse- Oberteil 4 und Gehäuseunterteil und strömt dabei an der Klemme vorbei. Im Zuge dieses Vorbeiströmens wird noch einmal Wärme über die Klemme aufgenommen.

Fig. 4 zeigt einen Teilbereich eines T-seitigen Anschlussbe- reichs mit Klemme. Der konvektive Luftstrom 37 im T-seitigen Anschlussbereich fließt in den Schalter hinein und dann durch den Kanal 38 an der heißen Klemme vorbei. Er nimmt dabei Wärme auf und verlässt den Schalter dann durch Öffnungen 39 in der Gehäusewand.

In Fig. 5 ist die Löschkammervorrichtung 5 mit Kontaktschiebervorrichtung 7 und Festschaltstücken 10 dargestellt. Insbesondere die Ausbildung der Festschaltstücke 10 ermöglicht eine Abdichtung zwischen dem Durchlüftungskanal 33 und der Schaltkammer. Dazu ist in Fig. 6 dargestellt, dass der Schenkel 11 einen Schenkelfortsatz in Form einer Nase 41 ausbildet, die an die Kontaktschiebervorrichtung 7 heranreicht. Durch diese Nase 41 wird zum Einen die Auflagefläche für die Kontakte unterhalb des Schenkels vergrößert. Zum Anderen wird der offene Querschnitt 42 zur Schaltkammer dadurch minimiert, so dass eine Abdichtung zwischen Durchlüftungskanal 33 und Schaltkammer möglich ist.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein durchgehender Durchlüftungskanal innerhalb sich gegenüber liegender Gehäusewandungen entlang der Festschaltstücke als erster konvektiver Luftstrom durch den Leistungsschalter für den Wärmeabtransport ausgebildet ist. Vorzugsweise sind noch zwei weitere konvektive Luftströme im L-seitigen Anschlussbereich sowie im T-seitigen Anschlussbereich vorgesehen. Durch diese erfindungsgemäßen konvektiven Luftströme können größere Verlustleistungen abgeführt werden, so dass höhere Nennstrom- dichten der Leistungsschalter bei gleichem Bauvolumen ermöglicht werden. Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird bei einer Aufbauweise von nebeneinander angeordneten Leistungsschaltern vermieden, dass Wärmeabgabeflächen beziehungsweise Öffnungen abgedeckt sind. Bei gleicher Gerätebaugröße kommt es durch das hier vorgestellte Wärmeableitungskonzept zu einer deutlichen Senkung des Temperaturniveaus.