Schaltgerät

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Es sind Schaltgeräte bekannt, welche bei überhöhten Strömen in einem Leitungsnetz, welche über eine vorgebbare Zeit andauern, dieses Leitungsnetz von einem Versorgungsnetz trennen, um die weitere Zufuhr elektrischen Stromes zu verhindern. Dadurch wird ein Schaden, etwa ein Kabelbrand, welcher aufgrund der erhöhten Erwärmung der Leiter zufolge des überhöhten Stromflusses, entstehen könnte, vermieden. Derartige Schaltgeräte weisen daher eine sog. überstromauslösevorrichtung auf, welche etwa ein Bimetallelement umfasst, welches unter der Einwirkung des Stromflusses in dem Leitungsnetz erwärmt wird, wodurch das Bimetallelement verbogen wird. Bei einem vorgebbaren Grad der Verbiegung des Bimetallelements, welcher proportional einer vorgebbaren Erwärmung des Leitungsnetzes ist, löst das Bimetallelement eine mechanische Auslösevorrichtung aus, welche die Schaltkontakte des Schaltgeräts trennt, und den weiteren Stromfluss verhindert. Nachteilig an derartigen bekannten Schaltgeräten ist, dass vor allem bei einem nur geringen überstrom die Genauigkeit der Auslösung des Schaltgeräts sowie die Reproduzierbarkeit der Auslösung des Schaltgeräts sehr gering ist. Bei bekannten Schaltgeräten tritt oftmals das Problem auf, dass - vor allem bei geringen überströmen, bei welchen eine Auslösung des Schaltgeräts erst nach geraumer Zeit erfolgen soll - das Schaltgerät zu spät ausgelöst wird. Dies führt zu einer Gefährdung von Menschen und Anlagen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Schaltgerät der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, und mit welchem die Genauigkeit und der Grad der Reproduzierbarkeit der Auslösung des Schaltgeräts, sowie die Justage der überstromauslösevorrichtung verbessert werden kann. Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Dadurch kann die Wärmeabfuhr bzw. Kühlung des Bimetallelements über dessen Befestigung vermindert werden. Die Wärmeabfuhr bzw. Kühlung des Bimetallelements über dessen Befestigung führt dazu, dass die Verbiegung des Bimetallelements nicht nur von der Größe bzw. Höhe des Stromes in dem Strompfad durch das Schaltgerät abhängt, sondern eben auch von weiteren Größen, welche nicht zwingend in Relation zu der Höhe des Stromes stehen, was zur Folge hat, dass die Auslösung bekannter Schaltgeräte ungenau und wenig reproduzierbar sein kann. Durch die Merkmale des Patentanspruches 1 kann die Genauigkeit und der Grad der Reproduzierbarkeit der Auslösung des Schaltgeräts durch das

Bimetallelement erhöht werden. Dadurch kann die Justage des Bimetallelements bzw. der

überstromauslösevorrichtung verbessert werden.

Die Unteransprüche, welche ebenso wie der Patentanspruch 1 gleichzeitig einen Teil der

Beschreibung bilden, betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts in axonometrischer Explosionsdarstellung;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung aus Bimetallelement und erstem

Schaltkontakt in teilweise geschnittener axonometrischer Darstellung;

Fig. 3 die Anordnung gemäß Fig. 2 in ungeschnittener axonometrischer Darstellung;

Fig. 4 ein Detail der Anordnung gemäß Fig. 2 im Seitenriss mit bereichsweise aufgebrochener

Darstellung;

Fig. 5 die Darstellung gemäß Fig. 2 mit einem zusätzlichen Bauteil; und

Fig. 6 die Darstellung gemäß Fig. 3 mit einem zusätzlichen Bauteil.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltgerät 1, vorzugsweise Leistungsschalter, mit wenigstens einer

Eingangsklemme 2 und wenigstens einer Ausgangsklemme 3 zum Anschluss elektrischer

Leiter, sowie mit einem ersten Schaltkontakt 4 und einem zweiten Schaltkontakt, wobei die

Schaltkontakte 4 in einer geschlossenen Stellung einen Strompfad zwischen der

Eingangsklemme 2 und der Ausgangklemme 3 schließen, wobei eine

überstromauslösevorrichtung 6 zum Trennen des ersten Schaltkontaktes 4 und des zweiten

Schaltkontaktes vorgesehen ist, und wobei die überstromauslösevorrichtung 6 wenigstens ein

Bimetallelement 7 umfasst, welches durch den elektrischen Stromfluss beheizt ist, wobei im

Bereich einer Befestigung 8 des Bimetallelements 7 wenigstens ein Wärmeisolator 9 zur

Verminderung der Wärmeabfuhr von dem Bimetallelement 7 angeordnet ist.

Dadurch kann die Wärmeabfuhr bzw. Kühlung des Bimetallelements 7 über dessen

Befestigung 8 vermindert werden. Die Wärmeabfuhr bzw. Kühlung des Bimetallelements 7 über dessen Befestigung 8 führt dazu, dass die Verbiegung des Bimetallelements 7 nicht nur von der Größe bzw. Höhe des Stromes in dem Strompfad durch das Schaltgerät 1 abhängt, sondern eben auch von weiteren Größen, welche nicht zwingend in Relation zu der Höhe des

Stromes stehen, was zur Folge hat, dass die Auslösung bekannter Schaltgeräte 1 ungenau und wenig reproduzierbar sein kann. Durch die erfindungsgemäßen Merkmale kann die

Genauigkeit und der Grad der Reproduzierbarkeit der Auslösung des Schaltgeräts 1 durch das Bimetallelement 7 erhöht werden. Dadurch kann die Justage des Bimetallelements 7 bzw. der überstromauslösevorrichtung 6 verbessert werden.

Fig. 1 zeigt eine Reihe von Baugruppen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 1 in axonometrischer Explosionsdarstellung. Dargestellt ist eine Ausführung eines Schaltgeräts 1 mit drei Schaltstrecken bzw. Strompfaden, wobei jede vorgebbare Anzahl an Schaltstrecken bzw. schaltbaren Strompfaden vorgesehen sein kann. Vorzugweise sind erfϊndungsgemäße Schaltgeräte 1 mit einem, zwei, drei oder vier Strompfaden vorgesehen. Entsprechend der Anzahl an Strompfaden sind jeweils die selbe Anzahl an Eingangsklemmen 2 bzw. Ausgangsklemmen 3 vorgesehen. In den Fig. 1 bis 4 sind jeweils lediglich gehäusefeste Teile der Eingangsklemmen 2 bzw. Ausgangsklemmen 3 dargestellt. Die betreffenden Eingangsklemmen 2 bzw. Ausgangsklemmen 3 umfassen in Regel zusätzlich zu den dargestellten Teilen, jeweils wenigstens eine Klemmschraube, sowie bevorzugt jeweils wenigstens ein mittels der Klemmschraube bewegliche Klemmenkäfig. Das Schaltgerät 1 umfasst in der dargestellten bevorzugten Ausführung ein Isolierstoffgehäuse, welches in der bevorzugten Ausführungsform eine untere Gehäuseschale 15 und eine obere Gehäuseschale 16 umfasst. Der wenigstens eine erste Schaltkontakt 4 liegt in einer geschlossenen Stellung auf dem wenigstens einen zweiten Schaltkontakt, welcher bei der dargestellten Ausführungsform nicht sichtbar innerhalb der Baugruppe der Lichtbogenlöschkammer 14 angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bimetallelement 7 an einer vorgebbaren Stelle innerhalb des Schalgeräts 1 befestigt ist. Bevorzugt ist - wie dargestellt - vorgesehen, dass das Bimetallelement 7 an einem ersten Leiter 10 des Strompfades befestigt ist, welcher vorzugsweise der Eingangsklemme 2 und/oder der Ausgangsklemme 3 zugeordnet ist. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird das Bimetallelement 7 direkt von Strom durchflössen, ist also selbst Teil des Strompfades, und wird unmittelbar vom Strom erwärmt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Bimetallelement vollständig oder zusätzlich indirekt beheizt wird, indem etwa ein stromdurchflossener Leiter auf dem Bimetallelement 7 angeordnet ist. Durch die Befestigung des Bimetallelements 7 an dem ersten Leiter 10 wird die bevorzugte Ausführungsform vorteilhaft unterstützt, da dies zu einer besonders einfachen und kostenschonend herstellbaren Konstruktion führt.

Mit steigender Erwärmung des Bimetallelements 7 aufgrund des Stromflusses, wird dieses immer weiter verbogen. Bei einem vorgebbaren Grad der Verbiegung des Bimetallelements 7,

welcher proportional einer vorgebbaren Erwärmung des Leitungsnetzes ist, verursacht das Bimetallelement 7 eine Auslösung der überstromauslösevorrichtung 6, welche entweder direkt, oder aber über eine weitere, mit der überstromauslösevorrichtung 6 zusammenwirkende bzw. von dieser gesteuerte mechanische Auslösevorrichtung die Schaltkontakte 4 des Schaltgeräts 1 trennt, und den weiteren Stromfluss verhindert. Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines Schaltgeräts 1 weist hiezu einen Klapphebel 18 auf. Der Klapphebel 18 kann dabei direkt von dem Bimetallelement 7 angesteuert werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Bimetallelement 7 - wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt - eine Justierschraube 23 aufweist, und dass die Justierschraube 23 bei einer vorgebbaren Verbiegung des Bimetallelements 7 die Auslösewelle 13 betätigt. Mittels der Justierschraube 23 kann auch die für eine Betätigung der Auslösewelle 13 notwendige Verbiegung des Bimetallelements 7 vorgegeben bzw. justiert werden. Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Auslösewelle 13 auch einem vorzugsweise weiters in dem Schaltgerät 1 angeordneten Kurzschlussauslöser 19 zugeordnet ist, und dieser Kurzschlussauslöser 19 dazu ausgebildet ist mittels eines Klapphebels 18 die Auslösewelle 13 zu betätigen. Bei einem vorgebbaren Maß der Verbiegung des Bimetallelements 7 bewegt dieses mit der Justierschraube 23 die Auslösewelle 13, welche das Schaltschloss 5 betätigt. Das Schaltschloss 5 dient zum manuellen öffnen und Schließen der Schaltkontakte 4 mittels des Betätigungshebels 17, sowie zum Trennen der Schaltkontakte 4 bei Auslösung der überstromauslösevorrichtung 6 bzw. des Kurzschlussauslösers 19.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen unterschiedliche Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform einer Anordnung aus Bimetallelement 7 und erstem Schaltkontakt 4, wobei im Bereich einer Befestigung 8 des Bimetallelements 7 wenigstens ein Wärmeisolator 9 zur Verminderung der Wärmeabfuhr von dem Bimetallelement 7 angeordnet ist. Das Bimetallelement 7 ist mit einem ersten Ende 21 an dem ersten Leiter 10 befestigt, wobei neben der dargestellten Befestigung mittels einer Verbindungsniete 12 auch die Befestigung mittels Schrauben, Klemmen, Schweißen oder Löten vorgesehen sein kann. An dem, dem ersten Ende 21 gegenüber liegenden zweiten Ende 22 des Bimetallelements 7 ist ein flexibler Leiter 20 angeordnet, welcher das Bimetallelement 7 mit dem ersten Schaltkontakt 4 verbindet. Zur Verminderung der Wärmeabfuhr von dem Bimetallelement 7 kann jede Art eines Wärmeisolators 9 vorgesehen sein. Etwa bei Verwendung zusammen mit einem indirekt beheizten Bimetallelement 7 können etwa Isolatoren umfassend Glas und/oder Keramik vorgesehen sein. Bei der bevorzugten dargestellten Ausführungsform, bei welcher das

Bimetallelement 7 im direkten Strompfad stromdurchflossen wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmeisolator 9 als metallischer elektrischer Leiter ausgebildet ist, wobei weiters bevorzugt vorgesehen ist, dass der Wärmeisolator 9 zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes im Bereich der Befestigung 8 ausgebildet sind. Dadurch kann neben der Verminderung der Wärmeabfuhr bzw. Kühlung des Bimetallelements 7 durch den ersten Leiter 10 bzw. die Eingangs- bzw. Ausgangsklemme 2, 3 zusätzlich erreicht werden, dass das Bimetallelement 7 durch den Wärmeisolator 9 zusätzlich erwärmt wird. Da diese zusätzliche Erwärmung am ersten Ende 21, und somit besonders weit entfernt vom zweiten Ende 22 stattfindet, ist die mechanische Wirkung, welche diese zusätzliche Erwärmung in Form einer vermehrten Verbiegung, sowie eines vergrößerten Drehmomentes, welches das Bimetallelement 7 aufzubringen im Stande ist, besonders hoch. Dadurch kann nicht nur die mechanische Wirksamkeit des Bimetallelements 7 erhöht werden, sondern darüber hinaus die Auslösegenauigkeit durch die weitere Verminderung des Einflusses äußerer physikalischer Einflüsse auf die Erwärmung des Bimetallelements 7 verbessert werden. Besonders bevorzugt, und wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist vorgesehen, dass der Wärmeisolator 9 eine Platte 11 umfasst, welche zwischen dem ersten Leiter 10 und dem Bimetallelement 7 angeordnet ist. Durch eine solche Platte 11 bzw. ein solches Blech kann sowohl eine hohe mechanische Stabilität, als auch ein hohes Maß an thermischer Isolation erreicht werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Platte 11 eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, welche kleiner als 350 W/(m*K), insbesondere kleiner als 200 W/(m*K), vorzugsweise kleiner als 85 W/(m*K), ist. „W" bezeichnet dabei die Leistung in Watt, „m" die Längenausdehnung in Meter, „K" die absolute Temperatur in Kelvin, und „*" den Operator für eine Multiplikation. Dadurch ist die Wärmeabfuhr über die Platte geringer als die Wärmeabfuhr bei direktem Kontakt mit dem - in der Regel aus Kupfer gebildeten - ersten Leiter 10. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, dass die Platte 11 jeden Werkstoff mit einem geringeren Wärmeleitwert als Kupfer umfassen kann, wobei gemäß einer bereits dargestellten weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform vorgesehen sein kann, dass die Platte 11 weiterhin ein metallischer elektrischer Leiter im technischen Sinn ist, daher einen spezifischen elektrischen Widerstand kleiner als 0,5 ω*mm ² /m, vorzugsweise kleiner als 0,2 ω*mm ² /m, aber größer als der spezifische elektrische Widerstand von Kupfer (ca. 0,01724 ω*mm ² /m) aufweist. Bei den bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 1 kann daher vorgesehen sein, dass die Platte 11 umfassend wenigstens einen Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe: Aluminium, Messing, Zink, Stahl, vorzugsweise nicht rostender

Stahl, Nickel, Eisen, Platin, Zinn, Tantal, Blei und/oder Titan, ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist hiebei die Ausführung der Platte 11 umfassend Stahl, vorzugsweise nicht rostender Stahl, wodurch ein besonders vorteilhaftes Gleichgewicht aus elektrischer Leitfähigkeit, Widerstand und thermischer Wärmeisolation erreicht werden kann. Weiters weist Stahl eine gute mechanische Bearbeitbarkeit und geringe Kosten auf. Wie bereits dargelegt, kann jede Art der Befestigung des Bimetallelements 7 mit dem ersten Leiter 10 vorgesehen sein. Besonders bevorzugt und wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist vorgesehen, dass das Bimetallelement 7 mittels wenigstens einer Verbindungsniete 12 mit dem ersten Leiter 10 verbunden ist. Um die Wirkung des Wärmeisolators 9 noch zusätzlich zu steigern ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmeisolator 9 die Verbindungsniete 12 umfasst. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Wärmeisolator 9 lediglich die wenigstens eine Verbindungsniete 12 umfasst, und frei von Platten 11 zwischen dem Bimetallelement 7 und dem ersten Leiter 10 ist.

Bei der Ausbildung der Verbindungsniete 12 ist bevorzugt vorgesehen, dass diese eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, welche kleiner als 350 W/(m*K), insbesondere kleiner als 250 W/(m*K), vorzugsweise kleiner als 150 W/(m*K), ist. „W" bezeichnet dabei die Leistung in Watt, „m" die Längenausdehnung in Meter, „K" die absolute Temperatur in Kelvin, und „*" den Operator für eine Multiplikation. Dadurch ist die Wärmeabfuhr über eine derart ausgebildete Verbindungsniete 12 geringer als die Wärmeabfuhr bei einer Verbindungsniete 12 aus Kupfer. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsniete 12 jeden Werkstoff mit einem geringeren Wärmeleitwert als Kupfer umfassen kann, wobei gemäß einer bereits dargestellten weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein kann, dass die Verbindungsniete 12 weiterhin ein metallischer elektrischer Leiter im technischen Sinn ist, daher einen spezifischen Widerstand kleiner als 0,5 ω*mm ² /m aufweist. Neben den technischen Parametern die elektrische und thermische Leitfähigkeit betreffend, ist für die Verwendung eines Werkstoffes zur Anwendung bei einer Verbindungsniete 12 weiters die Möglichkeit einer duktilen mechanischen Verformbarkeit wesentlich. Bei den bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 1 kann daher vorgesehen, dass die Verbindungsniete 12 umfassend wenigstens einen Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe: Aluminium, Messing, Zink, Stahl, vorzugsweise nicht rostender Stahl, Nickel, Eisen, Platin, Zinn, Tantal, Blei und/oder Titan, ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verbindungsniete 12 Messing umfasst, wobei hiebei jede Art einer Messinglegierung umfassend Kupfer und Zink vorgesehen sein kann.

Weitere erfindungsgemäße Ausfuhrungsformen weisen lediglich einen Teil der beschriebenen Merkmale auf, wobei jede Merkmalskombination, insbesondere auch von verschiedenen beschriebenen Ausfuhrungsformen, vorgesehen sein kann.