Bereich der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung mit einer
"Offenhalte-"Funktion zum Schutz vor Überlastströmen und
Überhitzung.
Hintergrund der Erfindung
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Schutzvorrichtungen
zum Schutz von elektrischen Geräten wie etwa wiederaufladbaren
Batterien, Elektromotoren, etc. zu verwenden, wobei solche
Vorrichtungen durch die Verwendung eines Elements mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) in der Vorrichtung einen
"Selbsthalte-" oder einen "offenen Kontakt-"Zustand
aufrechterhalten, um auch dann für eine Wärmeerzeugung zu sorgen, wenn
die Kontakte offen sind und der durch sie fließende Strom
abgeschaltet ist.
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Typischerweise ist eine solche Schutzvorrichtung aus zwei
Anschlüssen mit einem schnappenden Bimetallteil mit einem
beweglichen, an einem der Anschlüsse befestigten Kontakt aufgebaut.
Der andere Anschluß weist einen an ihm angebrachten
feststehenden Kontakt auf, der so positioniert ist, daß der bewegliche
Kontakt an dem Bimetallteil im allgemeinen in Kontakt mit dem
feststehenden Kontakt steht. Zusätzlich wird ein zwischen den
zwei Anschlüssen positioniertes PTC-Element durch eine
elektrisch leitende Feder festgehalten. Bei Auftreten eines
Überlaststroms und einer Überhitzung wird das Bimetall aufgeheizt
und schnappt in eine Position, in welcher der bewegliche und
der feststehende Kontakt nicht mehr in Kontakt miteinander
stehen, und somit wird die Spannung zwischen den Anschlüssen
vollständig an das PTC-Element angelegt. Das PTC-Element wird dann
bis zu einer festen Temperatur aufgeheizt, bei der der Kontakt
in dem "offenen Zustand" gehalten wird. In einer solchen
Vorrichtung wird eine elektrisch leitende Federplatte benötigt, um
das PTC-Element elektrisch zwischen den Anschlüssen zu halten.
Dieser Aufbau ist teurer in der Herstellung und erhöht die
Gesamtdicke der Vorrichtung.
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Vorrichtungen, bei denen keine Federplatte vorgesehen ist, sind
in der GB-A-1 342 274, die der DE-A-21 13 388 entspricht und
die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet und
welche ein PTC-Element aufweist, und in der GB-A-998 538
beschrieben, welche keines aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
Schutzvorrichtung mit einer dünnen und kleinen Packgröße und einer
reduzierten Anzahl von Teilen zu schaffen, die stabil und verläßlich
arbeitet.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine
kompakte Schutzvorrichtung mit einer "Selbsthalte-"Funktion zu
schaffen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine kompakte
Schutzvorrichtung für eine Last bereit, mit einem Gehäuse, einer
feststehenden und einer beweglichen Elektrode, die in dem Gehäuse
untergebracht sind, wobei eine der Elektroden zur Verbindung mit der
Last und die andere zur Verbindung mit einer Stromquelle
vorgesehen ist und die bewegliche Elektrode ein auf Wärme
ansprechendes Bimetallteil enthält, das einen daran angebrachten
beweglichen Kontakt hat, der so positioniert ist, daß er bei
Bewegung des Bimetallteils in und außer Berührung mit einem an
der feststehenden Elektrode angebrachten feststehenden Kontakt
kommt, und einer Isolierung, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Isolierung einen flachen unteren Abschnitt umfaßt, der
an der feststehenden Elektrode befestigt ist, einen
Stützabschnitt, der sich von dem flachen unteren Abschnitt aus
vertikal nach oben erstreckt und in einer Öffnung in der
beweglichen Elektrode aufgenommen wird und am entfernten Ende einen
verformten oberen Abschnitt hat, um die bewegliche Elektrode
unter Druck gegen eine obere Kontaktfläche eines Blocks zu
haltern, der zwischen dem Stützabschnitt und den Kontakten in der
Vorrichtung positioniert ist und sich von dem flachen unteren
Abschnitt aus nach oben erstreckt, aber bis zu einer Höhe, die
geringer ist als die Höhe des Stützabschnitts, wodurch die
feststehende Elektrode und die bewegliche Elektrode relativ
zueinander genau positioniert werden und ein Hebelstützpunkt
für die Bewegung des Bimetallteils gebildet wird.
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Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung ist der Block ein
integraler Bestandteil der Isolierung.
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Nach einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist der
Stützblock ein PTC-Element, das zur besseren Erfüllung seiner
Funktion vorzugsweise in direkter Wärmetransferbeziehung mit dem
Bimetall zwischen der feststehenden und der beweglichen
Elektrode positioniert und elektrisch parallel mit dem Stromweg
zwischen der feststehenden und der beweglichen Elektrode über
den feststehenden und den beweglichen Kontakt verbunden ist, so
daß ein signifikanter Strom zwischen den Elektroden fließt,
wenn sich der feststehende und der bewegliche Kontakt nicht
berühren, wodurch dem Bimetallteil eine im allgemeinen
konstante Wärme zugeführt wird.
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Bei der oben beschriebenen Schutzvorrichtung wird die
bewegliche Elektrode unter Druck zur präzisen Ausrichtung der
Vorrichtungsteile aneinander festgehalten, und es wird ein konstanter,
präziser Hebelstützpunkt für die genaue Bewegung des
Bimetallteils gebildet. Es wird eine begrenzte Anzahl von Teilen
verwendet, was einen kompakten Aufbau erlaubt.
Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ziele, Vorteile und Details der Schutzeinrichtungen
dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
und der detaillierten Beschreibung ersichtlich, die sich auf
die Zeichnungen bezieht. In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 einen Längsschnitt einer Schutzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit geschlossenen Kontakten;
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Fig. 2 einen Längsschnitt einer Schutzvorrichtung aus Fig. 1
mit offenen Kontakten;
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Fig. 3 eine ausgedehnte Schrägansicht eines wesentlichen Teils
der Schutzvorrichtung aus Fig. 1 in einem nicht
zusammengebauten Zustand;
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Fig. 4 eine Schrägansicht des wesentlichen Teils aus Fig. 3 in
einem teilweise zusammengebauten Zustand; und
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Fig. 5 eine Schrägansicht des wesentlichen Teils aus Fig. 3 in
einem zusammengebauten Zustand.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine Schutzvorrichtung in einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist eine flache, kastenförmige Ummantelung oder
Gehäuse 10 mit einem offenen und einem geschlossenen Ende aus
einem elektrisch isolierenden Material wie etwa Nylon, in dem
die wesentlichen Teile der Vorrichtung untergebracht sind. Ein
Anschlußpaar 12 und 14 aus einem elektrisch leitenden Material
wie etwa Messing oder dergl. ist teilweise in dem Gehäuse 10
enthalten, wobei jeweils ein Ende der Anschlüsse aus dem
offenen Ende des Gehäuses 10 herausragt. Das offene Ende des
Gehäuses 10 ist mit einem elektrisch isolierenden, harzartigen
Material 16 wie etwa ein Epoxidharz fest verschlossen oder
abgedichtet, das die Anschlüsse 12 und 14 fest in Position hält.
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In dem Gehäuse 10 ist eine elektrisch leitende Platte 18
vorgesehen, die sich von dem Anschluß 12 aus entlang einer
Bodenfläche der inneren Wandung des Gehäuses 10 zu dem geschlossenen
Ende des Gehäuses 10 erstreckt und als feststehende Elektrode
für die Schutzvorrichtung wirkt. Ein feststehender Kontakt 20,
der z. B. aus einer Silberlegierung besteht, ist nahe dem Ende
dieser feststehenden Elektrode benachbart zu dem geschlossenen
Ende des Gehäuses angeordnet. Die Spitze der feststehenden
Elektrode 18 ist in eine Nut 10a eingefügt und befestigt, die
an dem geschlossenen Ende des Gehäuses 10 gebildet ist, so daß
die Elektrode 18 dadurch fest in einer geraden Linie gehalten
wird, die entlang der Oberfläche der inneren Wandung des
Gehäuses verläuft, und der feststehende Kontakt 20 an einer
vorgewählten Stelle positioniert ist.
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Banachbart zu dem abdichtenden harzartigen Material 16, das
sich nach innen zu dem geschlossenen Ende des Gehäuses 10
erstreckt und an der feststehenden Elektrode 18 positioniert
ist, ist ein elektrisch isolierender Harzblock 22 vorgesehen.
Vorzugsweise ist der Harzblock 22 mit der feststehenden
Elektrode 18 verbunden. Eine Öffnung 22a ist vorzugsweise an dem
mittleren Teil dieses Harzblocks 22 gebildet, und in dieser
Öffnung 22a ist ein PTC-Thermistorelement 24 installiert. Das
PTC-Element 24 ist typischerweise ein flacher, quaderförmiger
Körper, dessen untere Hälfte in der Öffnung 22a untergebracht
ist. Eine untere Elektrodenanschlußfläche 24a des PTC-Elements
24 steht durch herkömmliche Mittel wie etwa ein elektrisch
leitendes Silberepoxydharz in elektrischem Kontakt mit der
feststehenden Elektrode 18. Es ist jedoch selbstverständlich, daß
die Öffnung 22a und das PTC-Element 24 durch einen isolierenden
Block mit der Form des PTC-Elements 24 ersetzt werden können,
wenn die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung keine
"Selbsthalte-"Funktion haben soll. Dieser Block ist
vorzugsweise als integraler Bestandteil des Harzblocks 22 gebildet.
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Wie in Fig. 3 gezeigt hat der Harzblock einen Basisabschnitt
22b, der sich von dem Anschluß 12 aus bis nahe zu der Position
des feststehenden Kontakts 20 erstreckt und die Öffnung 22a
vollständig umgibt. Dieser Basisabschnitt 22b bedeckt die
feststehende Elektrode 18, es sei denn, die Öffnung 22a ist
innerhalb des Basisabschnitts 22b vorgesehen. Ein vorderer Teil des
Basisabschnitts 22b an dem geschlossenen Ende des Gehäuses 10
hat eine Dicke, die kleiner als die Dicke des PTC-Elements 24
ist. Deswegen ist das PTC-Element 24 gegenüber der
feststehenden Elektrode 18 und seinen umgebenden Teilen adiabatisch
abgetrennt, so daß die Erwärmung des Elements 24 mit der positiven
Charakteristik effektiv zu einer beweglichen Elektrode 26
geleitet wird, wie später beschrieben wird.
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Der Harzblock 22 hat einen quadratischen Säulen- oder
Stützabschnitt 22c, der sich von einem leicht erhöhten Abschnitt des
Basisabschnitts 22b erhebt und neben der Öffnung 22a entfernt
von dem geschlossenen Ende des Gehäuses 10 positioniert ist.
Der Säulenabschnitt 22c hat eine Höhe ausgehend von der
feststehenden Elektrode 18, die höher als eine obere
Elektrodenanschlußfläche 24b des PTC-Elements 24 ist. Außerdem ist ein
Endabschnitt 22d des Blocks 22 vorhanden, der sich nach oben
auf eine Höhe erstreckt, die höher als die obere
Elektrodenanschlußfläche 24b des PTC-Elements 24 ist (im allgemeinen auf
die gleiche Höhe wie der Säulenabschnitt 22c), und neben dem
Dichtharz 16 allgemein dort angeordnet ist, wo der Anschluß 12
und die feststehende Elektrode 18 miteinander verbunden sind.
In dem Endabschnitt 22d ist eine Nut 22e zur Aufnahme des
externen Anschlusses 14 und einer beweglichen Elektrode 26
gebildet.
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Die bewegliche Elektrode 26 besteht aus einem elektrisch
leitenden Material und weist einen Bimetallteil 26a auf, der
typischerweise eine allgemein ovale Form hat. Ein Eingriffsteil 26b
mit der Form eines offenen quadratischen Ringes oder eines
Rahmens ist über einen Basisabschnitt 26d einstückig mit dem
Bimetall 26a verbunden, und ein hakenförmiger Eingriffsteil 26c
erstreckt sich von einem Ende des rahmenförmigen Eingriffsteils
26b gegenüber dem Basisabschnitt 26d aus nach außen. An der
Spitze des Bimetalls 26a, die am weitesten von dem
Ein
griffsteil 26c entfernt ist, ist ein beweglicher Kontakt 28,
der typischerweise aus einer Silberlegierung besteht, an dem
Bimetallteil 26a befestigt.
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Die bewegliche Elektrode 26 ist auf solche Weise an dem Block
22 angeordnet, daß der Säulenabschnitt 22c des Blocks 22 in der
Öffnung des rahmenförmigen Eingriffsteils 26b aufgenommen ist
und daß der hakenförmige Eingriffsteil 26c in der Nut 22e der
Wandung 22d aufgenommen ist. Ferner ist die Elektrode 26 so
angebracht, daß der Basisabschnitt 26d des Bimetallteils 26a
auf der Spitze der Elektrodenanschlußfläche 24b des
PTC-Elements 24 plaziert ist und der bewegliche Kontakt 28 den
feststehenden Kontakt 20 berührt.
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Darüber hinaus ist die Oberfläche des Blocks 22 zwischen den
beiden erhöhten Oberflächen 22c und 22d niedriger als die obere
Elektrodenanschlußfläche 24b des PTC-Elements 24, so daß
dadurch dafür gesorgt ist, daß die bewegliche Elektrode 26
nicht unter Druck an der Oberfläche des Harzblocks 22 haftet.
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Der externe Anschluß 14 weist einen Halteteil 30 auf, der die
Form eines hohlen quadratischen Ringes oder eines Rahmens hat,
der sich von diesem erstreckt und mit diesem einstückig
gebildet ist. An dem äußeren Teil der mittleren Öffnung dieses
rahmenförmigen Halteteils 30 ist eine Nut oder Ausnehmung 30a um
diese Öffnung vorgesehen. Wie in Fig. 4 gezeigt ist dieser
rahmenförmige Halteteil 30 dem rahmenförmigen Eingriffsteil 26b
der beweglichen Elektrode 26 überlagert, wobei ein
Halsabschnitt zwischen dem Teil 30 und dem Anschluß 14 in der Nut 22e
der Wandung 22d zusammen mit dem hakenförmigen Eingriffsteil
26c aufgenommen ist.
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Wie in Fig. 5 gezeigt ist ein Abschnitt 22f des
Säulenabschnitts 22c des Harzblocks 22 typischerweise durch Hitze oder
Ultraschall gefügt, um die Ausnehmung 30a des rahmenförmigen
Halteteils 30 zu füllen und dadurch die bewegliche Elektrode 26
und insbesondere den Basisabschnitt 26d unter Druck gegen die
obere Elektrodenanschlußfläche 24b des PTC-Elements 24 zu
hal
ten. Dementsprechend ist eine elektrische Verbindung zwischen
dem PTC-Element 24 und der beweglichen Elektrode 26 gebildet,
und gleichzeitig ist ein Hebelstützpunkt für die Auslenkung des
Bimetallteils 26a der beweglichen Elektrode 26 gebildet. Im
Falle einer Vorrichtung ohne PTC-Element 24 wie oben erwähnt,
würden die bewegliche Elektrode 26 und insbesondere die Basis
26d unter Druck gegen die obere flache Oberfläche des Blocks
gehalten werden, welcher das PTC-Element 24 ersetzt.
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Wenn der komplette Aufbau wie in Fig. 5 gezeigt in das Gehäuse
10 eingefügt ist, werden die obere Oberfläche des
rahmenförmigen Halteteils 30 und/oder die obere Oberfläche des verformten
Säulenabschnitts 22c des Harzblocks 22 unter Druck an die
Oberflächen der inneren Wandungen des Gehäuses 10 geheftet. Die
Teile der Schutzvorrichtung sind nun innerhalb des Gehäuses
präzise in bezug aufeinander angeordnet.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise der Schutzvorrichtung der
vorliegenden Erfindung erläutert. Die Schutzvorrichtung ist in
Reihe mit einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) verbunden,
wo sie z. B. verwendet wird, um einen Schaden an den Spulen
eines Elektromotors zu verhindern. Dementsprechend ist einer
der beiden externen Anschlüsse 12 und 14 mit einem Anschluß des
Motors verbunden, und der andere ist mit dem Anschluß der
elektrischen Quelle verbunden. Außerdem ist das Gehäuse 10
benachbart zu der Motorspule angeordnet.
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Im normalen Ausgangszustand hält das Bimetall 26a der
beweglichen Elektrode 26 den beweglichen Kontakt 28 in elektrischem
Kontakt mit dem feststehenden Kontakt 20. Der elektrische
Strom, der von dem Anschluß 14 in diesem Ausgangszustand zu dem
Anschluß 12 fließt, fließt durch den rahmenförmigen Halteteil
30, den rahmenförmigen Eingriffsteil 26b der beweglichen
Elektrode 26, die Basis 26d und das Bimetallteil 26a, den
beweglichen Kontakt 28, den feststehenden Kontakt 20 und die
feststehende Elektrode 18.
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Wenn der elektrische Strom zu fließen beginnt, wird das
Bimetall 26a hauptsächlich durch seine eigene Widerstandserwärmung
und in einem weitaus geringeren Ausmaß durch die
Widerstandserwärmung der umgebenden Leiter erwärmt, zusätzlich zu der
Erwärmung, die es von den Motorspulen durch das Gehäuse 10 erfährt.
Trotz dieser Erwärmung bleibt das Bimetallteil 26a in seiner
Ausgangsposition, in der die Kontakte geschlossen sind, es sei
denn die Temperatur erreicht aufgrund eines Überlaststroms
und/oder einer Überhitzung eine Betätigungstemperatur, so daß
der elektrische Strom zwischen den beiden Elektroden 18 und 26
fließt, wobei kein wesentlicher elektrischer Strom durch das
PTC-Element 24 fließt und somit das Element kaum erwärmt wird.
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Wenn die Betätigungstemperatur aufgrund einer Erwärmung durch
einen Überlaststrom oder durch die Erwärmung der Last erreicht
ist, wird das Bimetallelement 26a ausgelenkt und schnappt so
um, daß seine Spitze angehoben ist, wie es in der Fig. 2
gezeigt ist. Aufgrund der Auslenkung des Bimetallteils 26a wird
der bewegliche Kontakt 28 von dem feststehenden Kontakt 20
getrennt, wodurch ein Zustand mit offenem Kontakt hervorgerufen
wird, der den Stromfluß zwischen den Kontakten stoppt.
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Bei den auf diese Weise geöffneten Kontakten wird die Spannung
zwischen den beiden Elektroden 18 und 26 an das PTC-Element
angelegt, und es beginnt Elektrizität zu leiten mit dem
Ergebnis, daß eine Erwärmung stattfindet. Durch geeignete Wahl der
Charakteristika des PTC-Elements 24 fungiert dieses als Heizer
auf eine feste Temperatur. Aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung
wird die Hitze von dem PTC-Element 24 effektiv vollständig auf
das Bimetallteil 26b übertragen.
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Die oben beschriebene Erwärmung des PCT-Elements 24 führt
dazu, daß das Bimetall 26a in der ausgelenkten Stellung
gehalten wird, und die beiden Kontakte 20 und 28 werden in dem
Zustand gehalten, in dem sie voneinander getrennt sind.
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Um diesen selbsterhaltenden offenen Zustand der Kontakte
(Selbsthaltezustand) zu beseitigen, ist es notwendig, die
zwi
schen den beiden externen Anschlüssen 12 und 14 angelegte
Spannung zu entfernen, um eine Abkühlung des Bimetallelements zu
erlauben, wenn es nicht möglich ist, es durch eine Reduzierung
der Last oder durch eine Abkühlung der Schutzvorrichtung
abzukühlen.
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Bei der Schutzvorrichtung dieser Ausführungsform, die oben
beschrieben wurde, ist der Harzblock 22, der an der
feststehende Elektrode 18 befestigt ist, durch Hitze oder dergleichen
an die Ausnehmung 30a des rahmenförmigen Halteteils 30 gefügt,
und die bewegliche Elektrode 26 ist unter Druck an die
Oberfläche des oberen Elektrodenanschlusses 24b des PTC-Elements
geheftet, um für einen guten elektrischen Kontakt zu sorgen und
um einen Hebelstützpunkt für die Auslenkung des Bimetallteils
26a der beweglichen Elektrode 26 zu sorgen.
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Gemäß einem solchen Aufbau kann das PTC-Element 24 einen
ausreichenden elektrischen Kontakt mit der beweglichen Elektrode
26 nicht nur in dem Zustand mit geschlossenen Kontakten,
sondern auch in dem Zustand mit offenen Kontanten
aufrechterhalten. Der Basisteil 26d der beweglichen Elektrode 26 steht
immer unter Druck in Kontakt mit der Kontaktoberfläche 24b des
PTC-Elements 24.
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Angesichts der Tatsache, daß das Bimetallteil 26a der
beweglichen Elektrode 26 nicht durch eine Verbindung, sondern durch
eine Druckhaftung an seinem Basisteil 26d in Kontakt mit dem
PTC-Element 24 gehalten wird, ist es nicht durch die thermische
Ausdehnung eingeschränkt, wodurch es ermöglicht wird, die
Betätigung (Auslenkung) des Bimetalls auf sanfte Weise auszuführen
und ein stabiles und genaues Öffnen und Schließen der Kontakte
zu gewährleisten.
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Darüber hinaus besteht kein Bedarf, eine elektrisch leitende
Feder zwischen den zwei Elektroden 18 und 26 vorzusehen, was
dazu führt, daß es möglich wird, einen dünneren, starren Aufbau
mit einer geringeren Anzahl von Teilen zu konstruieren, wodurch
die Größe und Dicke der Vorrichtung als Ganzes einschließlich
des Gehäuses 10 reduziert wird.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform war ein Bimetall 26a
als ein Teil der beweglichen Elektrode 26 gebildet. Es ist
jedoch möglich, die bewegliche Elektrode und das Bimetall
getrennt auszubilden, wobei die bewegliche Elektrode durch die
Auslenkung des Bimetalls ausgelenkt wird. In diesem Fall wird
es möglich, einen Aufbau zu übernehmen, bei dem die bewegliche
Elektrode unter Druck an das PTC-Element an einer vorbestimmten
Stelle geheftet wird.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform war das
Installationsloch 22a des Harzblocks 22 rechtwinklig für die Anbringung
des Thermistors mit der positiven Charakteristik ausgebildet,
welcher ein flacher rechtwinkliger Quader war. Wenn ein
Thermistor mit positiver Charakteristik mit der Form einer Scheibe
verwendet werden soll, kann das Installationsloch 22a in einer
Kreisform ausgebildet werden. Ferner können mehrere
PTC-Elemente angebracht werden.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform war das Halteteil 30
einstückig mit dem externen Anschluß 14 ausgebildet, wodurch
die Zahl der benötigten Teile reduziert wurde. Es ist jedoch
möglich, beide getrennt auszubilden.
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Es sollte selbstverständlich sein, daß, obwohl im allgemeinen
eine spezielle Ausführungsform dieser Erfindung beispielhaft
für die Erfindung beschrieben wurde, die Erfindung alle
Abänderungen und Äquivalente der offenbarten Ausführungsformen
einschließt, die in den Bereich der angefügten Ansprüche fallen.