Beschreibung Schaltereinrichtung mit einem Aktuatorelement aus einer Form- Gedächtnis-Legierung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltereinrichtung mit einem streifenförmigen Aktuatorelement aus einer Form-Ge- dächtnis-Legierung, dem bei einer Glühtemperatur eine vorbe- stimmte Gestalt eingeprägt ist und das mit einem beweglichen Kontaktteil eines Schaltkontaktes verbunden ist, und mit Mit- teln zum Aufheizen des Aktuatorelementes über ein ein Öffnen des Schaltkontaktes auf Grund einer Formänderung des Aktuato- relementes bewirkendes Temperaturniveau. Eine derartige Schaltereinrichtung ist der Veröffentlichung"Engineering Aspects of Shape Memory Alloys", Verlag Butterworth- Heinemann, London (GB) 1990, Seiten 330 bis 337 zu entnehmen.

Standardmäßige Leitungsschutzschalter, wie sie z. B. als Sie- mens-Leitungsschutzschalter-Standardprogramm 5SX2/5SX4 be- kannt sind, weisen in ihrem Strompfad einen magnetisch schnell auszulösenden Kurzschlussschaltkontakt auf. Dieser Schaltkontakt ist darüber hinaus zur Strombegrenzung verzö- gert auszulösen, indem er auch auf thermischem Wege zu öffnen ist. Hierzu ist in den Strompfad im allgemeinen ein Bimetall- streifen integriert, der mit einem beweglichen Kontaktteil des Schaltkontaktes verbunden ist und bei einer Überlast in- direkt aufgeheizt wird. Mit diesem Aufheizen ist eine Krüm- mung des Bimetallstreifens verbunden, die zu einem Öffnen des Schaltkontaktes führt. Nach Wegfall der Beheizung nimmt der Bimetallstreifen wieder seine gestreckte Gestalt unter Schließung des Schaltkontaktes an.

Aus der eingangs genannten Veröffentlichung"Engineering Aspects of Shape Memory Alloys"ist es bekannt, solche Bime- tallstreifen durch streifenförmige Aktuatorelemente aus einer Form-Gedächtnis-Legierung zu ersetzen. Derartige Aktuatorele- mente müssen deshalb entsprechende Krümmungen bei einem Auf-

heizen vollziehen. Man sieht sich deshalb gezwungen, in diese Elemente bei verhältnismäßig hohen Temperaturen von bei- spielsweise 600 bis 850°C eine entsprechend gekrümmte Form einzuprägen. Nach Auslösen des Form-Gedächtnis-Effektes bei erhöhter Temperatur, z. B. über 200°C, findet dann der Über- gang in die eingeprägte gekrümmte Form statt, während bei niedrigeren Temperaturen in einem die Schaltfunktion nicht- auslösenden Betriebszustand zwischen etwa Raumtemperatur bis etwa 200°C eine gestreckte Gestalt des Aktuatorelementes mit- tels eines zusätzlichen Federelementes gewährleistet wird, so dass dann ein mit dem Aktuatorelement mechanisch indirekt verbundener beweglicher Kontaktteil eines Schaltkontaktes an einem ortsfesten Kontaktteil anliegt.

Die Herstellung eines entsprechenden Aktuatorelementes ist jedoch verhältnismäßig kostenintensiv wegen der Glühung bei hoher Temperatur zur Einprägung der gekrümmten Form.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Schal- tereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahinge- hend auszugestalten, dass kostengünstigere Aktuatorelemente aus einer Form-Gedächtnis-Legierung verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Aktuatorelement vorgesehen wird, dem bei der Glühtemperatur eine zumindest weitgehend gestreckte Form eingeprägt ist und das im die Schaltfunktion nicht-auslösenden Betriebszustand eine gekrümmte Gestalt hat und das zwischen seinem einen ortsfest gehaltenen Ende und seinem anderen, dem beweglichen Kontaktteil zugewandten Ende kraftschlüssig an einem Umlenk- element anliegt derart, dass durch das Umlenkelement auf die konkave Innenseite des Aktuatorelementes eine dessen Krümmung teilweise aufhebende Gegenkraft ausgeübt wird.

Die mit dieser Ausgestaltung der Schaltereinrichtung verbun- denen Vorteile sind zum einen darin zu sehen, dass ein kos- tengünstiges Glühen des Aktuatorelementes in einer zumindest

weitgehend gestreckten, d. h. geraden Form (unter Einschluss geringer Abweichungen davon), insbesondere im gewalzten Zu- stand eines entsprechenden Bleches ermöglicht wird. Die Folge davon ist, dass das Aktuatorelement im Betriebszustand bei niedriger Temperatur eine gekrümmte Form annehmen kann. Die Krümmung des Aktuatorelementes kann dabei auf verschiedenem Wege erreicht werden : Entweder zeigt das Aktuatorelement auf Grund entsprechender Präparationsbedingungen einen sogenann- ten 2-Weg-Effekt ; d. h., ihm sind für die beiden unterschied- lichen Temperaturbereiche (des Betriebszustandes bzw. Auslö- sezustandes) in an sich bekannter Weise zwei verschiedene Formen (gekrümmt bzw. gestreckt) eingeprägt worden, so dass sich das Element bei der niedrigeren Temperatur von sich aus krümmt. Oder bei Aktuatorelementen mit sogenanntem 1-Weg- Effekt muß die gekrümmte Ausgangslage durch eine besondere (externe) Rückstellfeder gewährleistet werden. Die hierfür aufzuwendende Kroft ist materialbedingt verhältnismäßig ge- ring. Bei beiden Typen zeigt sich ohne die Verwendung eines erfindungsgemäßen Umlenkelementes aber, dass die elektrische und mechanische Verbindung des Aktuatorelementes an seinem ortsfesten Ende mit einem Teil der Schaltereinrichtung auf Grund einer verhältnismäßig hohen Hebelwirkung bei seiner thermisch bedingten Formänderung belastet wird. Denn die üb- lichen Legierungen von Aktuatorelementen mit Form-Gedächtnis- Eigenschaften neigen auf Grund ihrer im allgemeinen interme- tallischen Kristallstruktur zu sprödem mechanischem Verhal- ten, was sich gerade in der erforderlichen Verbindungstechnik an dem genannten Ende z. B. mittels Schweißens oder Einspan- nens nachteilig auf die Güte der entsprechenden Kontaktstelle auswirkt. Entsprechende Nachteile werden jedoch durch die er- findungsgemäße Verwendung des Umlenkelementes zumindest weit- gehend ausgeschaltet. Denn dieses Umlenkelement ist so orts- fest angeordnet, dass auf das an sich bei der Betriebstempe- ratur sich krümmende Aktuatorelement eine Kraft ausgeübt wird, die das Aktuatorelement in Richtung seiner gestreckten Form zurück zu biegen versucht. Diese Gegenkraft wird dann bei dem Beheizen des Aktuatorelementes aufgehoben, indem das

Aktuatorelement zumindest weitgehend in seine gestreckte Form übergeht. Es ergibt sich auf diese Weise der wesentliche Vor- teil einer mechanischen Entlastung des Aktuatorelementes im mechanischen Verbindungsbereich (Einspannstelle) seines orts- festen Endes bei häufigen Bewegungen zum Öffnen und Schließen des Schaltkontaktes.

Da Form-Gedächtnis-Materialien im allgemeinen nicht so kos- tengünstig wie Bimetall sind, versucht man in der Regel für entsprechende Schutzschaltereinrichtung mit Uberstromauslö- sung durch Aktuatorelemente aus Form-Gedächtnis-Material den Materialeinsatz zu reduzieren. Dabei kommt es beim Einsatz entsprechender Aktuatorelemente wie beim Stand der Technik gemäß der genannten Veröffentlichung"Engineering Aspects of Shape Memory Alloys"zu Problemen hinsichtlich der mechani- schen Stabilität an der Einspannstelle, wenn die streifenför- migen Aktuatorelemente zu schmal und zu dünn ausgelegt wer- den. Denn durch Hebeleffekte treten an diesen Elementen uner- wünschte Verformungen auf, die den Ausfall des Schaltkontak- tes zur Folge haben können. Die erfindungsgemäße teilweise Geradebiegung des Aktuatorelementes mittels des Umlenkelemen- tes wirkt dieser Problematik deutlich entgegen. Denn durch den Auflageeffekt kommt es zu der erwähnten deutlichen Ent- lastung der mechanischen Verbindung an dem ortsfesten Ende.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines entsprechenden Um- lenkelementes besteht in der Kontrolle der Geradebiegung des Aktuatorelementes. Da nämlich die Verbindungsstelle am orts- festen Ende des Aktuatorelementes auf Grund des Hebelarmes eine mechanische Schwachstelle darstellt und sich das strei- fenförmige Aktuatorelement zwar gerade biegen würde, aber das Drehmoment am Kontaktpunkt eine Krümmung hervorruft, ist die Verwendung eines derartigen Umlenkelementes besonders wich- tig.

Darüber hinaus sind die für die Schaltereinrichtung einsetz- baren Aktuatorelemente verhältnismäßig kostengünstig. Denn

das erwünschte Schaltverhalten ist auch mit einer deutlichen Reduzierung des Volumens an dem Form-Gedächtnis-Material zu erreichen, verglichen mit den üblichen Aktuatorelementen z. B. gemäß der eingangs genannten Veröffentlichung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schalter- einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann für die Schalteinrichtung insbesondere eine ihr Aktu- atorelement im Betriebszustand in dessen gekrümmter Gestalt haltende Rüchstellfeder vorgesehen sein. Auf diese Weise sind verhältnismäßig preiswerte Aktuatorelemente aus Form- Gedächtnis-Legierungen mit sogenanntem 1-Weg-Effekt einsetz- bar.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Aktuatorelement mit dem beweglichen Kontaktteil elektrisch über eine Litze und mechanisch über ein Schaltgestänge verbunden ist. Durch die Verwendung der Litze ist die Beweglichkeit des beweglichen Endes des Aktuatorelementes praktisch nicht eingeschränkt.

Das Aktuatorelement kann so in einen Strompfad integriert sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigt deren Figur 1 schematisch die prinzipielle Funktionsweise eines Ak- tuatorelementes für den Einsatz in einem Leitungs- schutzschalter und Figur 2 einen Ausschnitt aus einem konkreten Ausführungsbei- spiel eines entsprechenden Leitungsschutzschalters.

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

Das in Figur 1 gezeigte Aktuatorelement 2 aus einer der be- kannten Form-Gedächtnis-Legierungen hat zweckmäßig eine Streifen-oder Bandform. Es besteht zumindest teilweise aus

einer der bekannten Form-Gedächtnis-Legierungen. Als beson- ders geeignet sind Ti-Ni-Legierungen anzusehen. So gehen z. B. aus"Materials Science and Engineering", Vol. A 202,1995,.

Seiten 148 bis 156 verschieden zusammengesetzte Ti-Ni-und Ti-Ni-Cu-Legierungen hervor. In"Intermetallics", Vol. 3, 1995, Seiten 35 bis 46 und"Scripta METALLURGICA et MATERIALIA", Vol. 27,1992, Seiten 1097 bis 1102 sind ver- schiedene Ti5oNi5o-xPdx-Form-Gedachtnis-Legierungen beschrie- ben. Statt der Ti-Ni-Legierungen sind selbstverständlich auch andere Form-Gedächtnis-Legierungen geeignet. So kommen bei- spielsweise Cu-Al-Form-Gedächtnis-Legierungen in Frage. Eine entsprechende CuZn24Al3-Legierung ist aus"Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10,1988, Seiten 678 bis 683 zu entnehmen. In "Scripta Materialia", Vol. 34, No. 2,1996, Seiten 255 bis 260 ist eine weitere Cu-Al-Ni-Form-Gedächtnis-Legierung be- schrieben. Selbstverständlich können zu den vorerwähnten bi- nären oder ternären Legierungen in an sich bekannter Weise noch weitere Legierungspartner wie z. B. Hf hinzulegiert sein.

Für die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele sei eine Ti-Ni-Formgedächtnis-Legierung ausgewählt.

In an sich bekannter Weise ist in das Aktuatorelement mittels einer Glühung oberhalb von 350°C, z. B. bei einer Temperatur zwischen 400 und 850°C, eine vorbestimmte Gestalt eingeprägt worden. Erfindungsgemäß soll bei dieser Temperatur eine zu- mindest weitgehend gestreckte Form erzeugt werden. Dies führt dann dazu, dass das Aktuatorelement bei niedrigeren Tempera- turen ohne äußere Krafteinwirkung entweder eine gekrümmte Gestalt einzunehmen versucht (beim 2-Weg-Effekt-Typ) oder mittels einer sehr geringen äußeren Kraft zu krümmen ist (beim 1-Weg-Effekt-Typ). Diese niedrigeren Temperaturen lie- gen im allgemeinen in einem Temperaturbereich unter 200°C, der als der einen Schaltzustand noch nicht auslösende Be- triebszustand angesehen werden kann.

Gemäß Figur 1 soll ein entsprechend gekrümmtes, streifenför- miges Aktuatorelement 2 an einem axialen Ende 2a mit einem

ortsfesten Teil 3, beispielsweise einem Gehäuseteil, einer erfindungsgemäßen Schaltereinrichtung starr derart verbunden sein, dass dort ein guter mechanischer und elektrischer Kon- takt zu dem Teil 3 gewährleistet ist. An dem gegenüberliegen- den anderen Ende 2b des Aktuatorelementes 2 befindet sich ein beweglicher Kontaktteil 4a eines Schaltkontaktes 4. Dieser Kontaktteil ist, wie bei dem dargestellten Ausführungsbei- spiel angenommen, entweder unmittelbar an dem Aktuatorelement 2 angebracht oder kann mittelbar über eine Mechanik. von die- sem bewegt werden. Ein zugeordneter ortsfester Kontaktteil des Schaltkontaktes ist in der Figur nicht näher ausgeführt und mit 4b bezeichnet.

Gemäß der Erfindung ist der Krümmung des Aktuatorelementes 2 im Betriebszustand entgegengewirkt, indem zwischen seinen beiden Enden 2a und 2b auf seine konkave (Krümmungs-) Innen- seite eine Gegenkraft G einwirkt. Hierzu ist ein ortsfestes, zylindrisches Umlenkelement 5, ein sogenannter"Umlenkpin", vorgesehen. Die Anordnung dieses"Pins"ist dabei so gewählt, dass die Gegenkraft G dem Krümmmungsbestreben des Aktuatore- lementes 2 teilweise entgegenwirkt. Das Umlenkelement 5 drückt dabei auf das Aktuatorelement 2 z. B. etwa in dessen Mitte zwischen den beiden Enden 2a und 2b. Im allgemeinen be- findet es sich in einem Abstand A von wenigen Zentimetern, beispielsweise von etwa 1 cm, von dem ortsfesten Ende 2a ent- fernt angeordnet. Dabei soll eine Gegenkraft G durch entspre- chende Anordnung des Umlenkelementes 5 von einer solchen Grö- Be ausgeübt werden, dass bei niedrigen Temperaturen immer noch eine Krümmung des Aktuatorelementes 2 gegeben ist. Wird dann das Aktuatorelement über eine für eine Schaltfunktion (durch Öffnen des Schaltkontaktes) hinreichend hohe Tempera- tur, insbesondere über 200°C, aufgeheizt, so nimmt es zumin- dest weitgehend seine in der Figur durch eine Strichelung an- gedeutete, eingeprägte gestreckte Form'an, wobei es einen Krümmungs-oder Bogenwinkel a überstreicht. Dabei wird der Kraftschluss zu dem Umlenkelement 5 zumindest weitgehend auf- gehoben. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, muss also die

Position des Umlenkelementes 5 unter dem Gesichtspunkt eines noch für eine Kontaktöffnung hinreichend groben Weges des be- weglichen Kontaktteils 4a gewählt werden. In die Wahl der Po- sition geht dabei neben dem Abstand A von dem ortsfesten Ende 2a auch die Temperatur der Auf-oder Beheizung im Falle eines Uberstroms ein.

Die Beheizung kann dabei auf direktem Wege erfolgen, indem ein über das Aktuatorelement 2 geführte Strom I zu dessen Aufheizung aufgrund des ohmschen Widerstandes dieses Elemen- tes führt. Daneben ist aber auch eine indirekte Aufheizung möglich, indem eine von dem Strom abhängige Heizwirkung eines Heizelementes bewirkt wird, das thermisch auf das Aktuatore- lement 2 einwirkt.

Figur 2 zeigt die erfindungswesentlichen Teile einer Schal- tereinrichtung 10. Dabei wird bei den nicht näher dargestell- ten Teilen von einem Aufbau eines bekannten Leitungsschutz- schalters ausgegangen (vgl. das erwähnte Siemens- Standardprogramm der Leitungsschutzschalter 5SX2/5SX4). Die Schaltereinrichtung weist unter anderem folgende Teile auf, nämlich * einen Kurzschlussauslöser mit einem Elektromagneten 11, eine Auslösewippe 12 aus ferromagnetischem Material, die um einen Drehpunkt 13 gelagert ist und an einem Ende von dem Magneten 11 im Kurzschlussfall angezogen wird, * ein mit der Wippe 12 verbundenes Schaltgestänge 14, das mit einem in der Figur nicht ersichtlichen, beweglichen Kontaktteil eines Schaltkontaktes verbunden ist und je nach Drehposition der Wippe den Schaltkontakt öffnet oder ihn geschlossen hält, eine die Schaltfunktion des Schaltkontaktes unterstützende Mechanik 15 mit verschiedenen, in der Figur nicht näher dargestellten Teilen, * eine (Kupfer-) Litze 17 eines zu dem beweglichen Kontakt- teil des Schaltkontaktes führenden Strompfades,

einen ortsfesten Gehäuseteil 3 als Teil des Strompfades in Form eines Stahlrahmens sowie ein streifenförmiges Aktuatorelement 2 aus einer Form- Gedächtnis-Legierung, dessen ortsfest gehaltenes Ende 2a mit dem Gehäuseteil 3 elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden ist und an dessen beweglichem Ende 2b die Litze 17 entsprechend fest angebracht ist. An diesem Ende greift auch die Auslösewippe 12 an.

Da das Aktuatorelement 2 gemäß dem gewählten Ausführungsbei- spiel vom sogenannten 1-Weg-Effekt-Typ sein soll, bedarf es noch einer besonderen Rückstellfeder 18, mit deren Hilfe die Auslösewippe 12 und damit auch das Aktuatorelement 2 in die Ausgangslage des Betriebszustandes (bei'der niedrigeren Be- triebstemperatur) rückgestellt bzw. in dieser Lage gehalten werden. Die von der Feder 18 hierfür aufzubringende Rück- stellkraft ist verhältnismäßig gering.

Das Aktuatorelement 2 ist in der Figur 2 in seiner entspre- chenden, geschlossenen Position gezeigt, in der der mit sei- nem beweglichen Ende 2b über die Litze 17 verbundene, beweg- liche Kontaktteil an dem ortsfesten Kontaktteil des Schalt- kontaktes anliegt. Das Aktuatorelement weist dabei eine ver- hältnismäßig geringe Krümmung auf, da mittels des etwa in der Mitte zwischen den beiden Enden des Aktuatorelementes befind- lichen Umlenkelementes 5 eine Gegenkraft G auf dessen konkave Innenseite beispielweise über ein folienartiges Zwischenele- ment 19 z. B. aus Kapton ausgeübt wird. Durch eine direkte Be- heizung des Aktuatorelementes, indem insbesondere ein über es geführter Strom in einen Uberstrombereich gelangt und eine hinreichende Erwärmung des Elementes auf Grund Joule'scher Verluste hervorruft, geht dann das Aktuatorelement in seine zumindest annähernd gestreckte Gestalt über, wobei es einen Krümmungswinkel a überstreicht. Es nimmt dabei die an seinem Ende 2b angreifende Auslösewippe 12 mit, so dass über das mit der Wippe mechanisch verbundene Schaltgestänge 14 die Öffnung des Schaltkontaktes durch die Abhebung des beweglichen Kon- taktteiles von dem ortsfesten Kontaktteil bewirkt wird. Auf diese Weise erfolgt eine Uberstromauslösung des Leitungs- schutzschalters.