DE3333620A1 - Schutzschalter - Google Patents

Description

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Schutzschalter

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Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter für elektrisch betriebene Geräte, der zur Verhinderung einer während des Betriebs auftretenden Überhitzung eines temperaturempfindlichen Bauteils solcher Geräte durch einen selbsttätigen, temperaturabhängig schaltenden Stromunterbrecher (Thermoschalter) ausgelöst wird und infolge davon die Stromversorgung des Geräts unterbricht.

Schutzschalter werden in der Technik sehr häufig eingesetzt, wenn es darauf ankommt, elektrische Geräte vor Überhitzung zu

schützen. Bei motorisch angetriebenen elektrischen Haushaltsgeräten besteht z. B. die Gefahr einer Überhitzung der Wicklungen der Motoren, wenn die Geräte überlastet werden oder sogar blockiert sind. Schutzschalter unterbrechen in einem solchen Fall selbsttätig die Stromzuführung des Gerätes, so daß einerseits das Gerät selbst, andererseits aber auch die Umgebung vor Schaden bewahrt wird.

Neben Temperatursicherungen, welche bei einem zu hohen Stromfluß sich erhitzen, durchschmelzen und dadurch die Stromzufuhr unterbrechen, sind auch schon Schutzschalter mit einem Thermoschalter bekannt geworden, welche bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur selbsttätig den Strom ausschalten und nach Abkühlung des Gerätes automatisch wieder einschalten.

Ein Nachteil der Temperatursicherungen besteht darin, daß diese nach jeder Auslösung ausgewechselt werden müssen. Dagegen weisen

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Thermoschalter wiederum den Nachteil auf, daß - sofern der Betreiber es unterläßt, entweder den Hauptschalter auf die "Aus"-Stellung zurückzustellen oder den Netzstecker zu ziehen - das Gerät zu einem für den Betreiber unerwarteten Zeitpunkt selbsttätig wieder in Betrieb gesetzt wird.

Zur Vermeidung dieses vom Betreiber nicht steuerbaren selbsttätigen Wiedereinschaltens des Geräts weist ein beispielsweise aus der DE-OS 27 52 430 bekannter Schutzschalter einen elektrisch parallel zu einem Thermoschalter geschalteten Heizwiderstand auf, der nach dem Öffnen des Thermoschalters so viel Wärme an diesen abgeben soll, daß dieser erst dann wieder in seine Ausgangsstellung zurückkehren kann, wenn der Benutzer des Gerätes entweder dessen Hauptschalter in die "Aus"-Stellung bringt oder den Netzstecker zieht.

Ein Nachteil des aus der obengenannten DE-OS bekannten Schutzschalters besteht darin, daß bei ausgelöstem Thermoschalter an den parallel geschalteten Heizwiderstand hinsichtlich seiner Dimensionierung zwei sich widersprechende Anforderungen gestellt werden. Zum einen soll der Widerstandswert des Heizwiderstandes so groß sein, daß am Lastwiderstand des Gerätes, beispielsweise den Wicklungen eines Motors, nur noch eine solch kleine Spannung abfällt, daß der Motor nach Wegfall der eine Überhitzung seiner Wicklung oder gar seine Blockierung verursachenden Gründe nicht wieder unbeabsichtigt anläuft.

Andererseits wiederum soll der Widerstandswert des Heizwiderstands so klein sein, daß bei gegebener Versorgungsspannung in der Reihenschaltung aus Heizwiderstand und Lastwiderstand ein genügend großer Strom fließen kann. Genügend groß genug ist dieser Strom dann, wenn im Heizwiderstand eine Heizleistung er-

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zeugt werden kann, die dazu ausreicht, den Thermoschalter sicher in der geöffneten Stellung zu halten, und zwar auch dann, wenn sich das betreffende Gerät in einem Raum befindet, in dem eine deutlich niedrige Temperatur als die übliche Raumtemperatur von 20° Celsius herrscht.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, einen Schutzschalter mit einem Thermoschalter und einem einen dazu elektrisch parallel geschalteten Heizwiderstand anzugeben, der hinsichtlich der Dimensionierung des Widerstandwerts dieses Heizwiderstandes weniger kritisch ist und der das selbsttätige Wiedereinschalten eines aufgrund einer eingetretenen Überhitzung automatisch abgeschalteten Geräts auch bei Umgebungstemperaturen, die deutlich unterhalb der üblichen Raumtemperatur von 20 Celsius liegen, verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schutzschalter so aufgebaut wird, daß einerseits der Thermoschalter und der Heizwiderstand so angeordnet sind, daß sie miteinander in sehr gutem Wärmekontakt stehen und daß andererseits diese Anordnung nach außen gut wärmeisoliert ist und nur mit dem, im Falle einer Überhitzung eine relativ große Wärmeleistung abgebenden Bauteil in ausreichendem Wärmekontakt steht.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schutzschalters dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die zum Stand der Technik gehörende Anordnung und elektrische Schaltung eines Schutzschalters für einen Elektromotor,

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die Fig. 2 bzw. 3 in schematischer Darstellung, teilweise geschnitten, einen Querschnitt bzw. Längsschnitt des erfindungsgemäßen Schutzschalters.

Die Figur 1 zeigt einen Netzstecker 1, über den ein Elektromotor 2 durch Schließen des Netzschalters 3 mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Der Elektromotor 2 weist eine Statorwicklung 4 auf, an der ein Schutzschalter 5 angebracht ist. Der Schutzschalter 5, dessen wesentliche elektrische Bauteile ein Thermoschalter 6 und ein Heizwiderstand 7 sind, ist über eine vom Netzstecker 1 ausgehende Leitung 16 und eine zum Elektromotor 2 führende Leitung 17 mit dem Elektromotor 2 elektrisch in Reihe geschaltet. Innerhalb des Schutzschalters 5 sind die beiden ihm angehörigen elektrischen Bauteile, nämlich der Heizwiderstand 7 und der Thermoschalter 6 zueinander elektrisch parallel ge- . schaltet.

Die prinzipielle Funktionsweise des beispielsweise durch eine hier nicht dargestellte Klammer an die Wicklung 4 gepreßten Schutzschalters 5 ist die folgende:

Unter Normal bedingungen, das heißt bei einem sich in etwa auf Raumtemperatur befindlichen Thermoschalter 6 wird bei an das elektrische Netz angeschlossenem Netzstecker 1 der Elektromotor 2 des elektrisch betriebenen Geräts durch Schließen des Netzschalters 3 eingeschaltet. Durch den Heizwiderstand 7 fließt dabei nur ein vollkommen vernachlässigbarer Strom, da der elektrisch parallel geschaltete, geschlossene Thermoschalter 6 nur einen vergleichsweise minimalen Widerstandswert aufweist. Erhitzt sich nun die Statorwicklung 4 des Elektromotors 2, beispielsweise durch dessen Überlastung oder gar Stillstand, fließt aufgrund des Wärmekontakts zwischen der Statorwicklung 4 und dem

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Schutzschalter 5 ein Wärmestrom in den Thermoschalter 6. Dieser öffnet sich dann nach einer bestimmten Zeitspanne, die von der von der Statorwicklung 4 abgegebenen Wärmeleistung, von der Wärmeankopplung des Thermoschalters 6 an die Statorwicklung 4 und von der speziellen Auslegung des Thermoschalters 6 abhängt.

Durch das Öffnen des Thermoschalters 6 soll der Elektromotor 2 außer Betrieb gesetzt werden und erst dann wieder anlaufen, wenn die Bedienungsperson zuvor den Netzschalter 3 geöffnet oder den Netzstecker 1 vom elektrischen Netz getrennt hat. Diese Forderung, die ein unkontrolliertes oder unerwünschtes Inbetriebsetzen des Elektromotors 2 verhindert, wird dadurch erfüllt, daß bei geschlossenem Netzschalter 3 und an das elektrische Netz angeschlossenem Netzstecker 1 der Thermoschalter 6 durch die vom Heizwiderstand 7 abgegebene Wärmeleistung in der geöfneten Stellung gehalten wird.

Sobald sich der Thermoschalter 6 geöffnet hat, ist nämlich der Heizwiderstand 7, in Reihe mit dem Elektromotor 2 geschaltet. Der Heizwiderstand 7 muß dann einen solchen Widerstandswert haben, daß einerseits an ihm ein solch große Spannung abfällt, daß der Elektromotor 2 nicht wieder anlaufen kann oder im Falle seiner Blockierung eine unschädliche Wärmeleistung in der Statorwicklung 4 erzeugt. Andererseits muß der Widerstandswert des Heizwiderstands 7 so bemessen sein, daß die von ihm erzeugte Heizleistung ausreicht den Thermoschalter 6 in der geöffneten Stellung zu halten.

Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schutzschalters 5 zeigt einen hier nur schematisch dargestellten Thermoschalter 6, beispielsweise einen der von Texas Instruments hergestellten, im Katalog "Motor-Wicklungs-Protektoren Serie 15 AM" (Copyright Texas Instruments Holland B.V. 2000/3-82) aufgeführten Thermoschalter. Der

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Thermoschalter 6 weist einen ihn zu einem großen Teil umhüllendes und gut wärmeleitendes Kontaktblech 13 auf, dem eine erste Kontaktfahne 12 angeformt ist, an welcher eine vom Netzstecker 1 zum Schutzschalter 5 führende elektrische Leitung 16 (Fig. 1) angelötet ist. Das Kontaktblech 13 stellt zusammen mit der Kontaktfahne 12 den netzsteckersei ti gen elektrischen Eingang des Thermoschalter dar. Das Kontaktblech 13 ist von einer ebenfalls gut wärmeleitenden Metall hülse 14, beispielsweise aus Bronze- oder Kupferblech umgeben. Die Metallhülse 14 weist einen Schlitz 15 auf, so daß die Metallhülse 14 durch seitliches Zusammenpressen vorgespannt werden kann und demzufolge eng und daher gut wärme- und elektrischleitend an dem Kontaktblech 13 anliegt. Auf der Oberseite des Kontaktblechs 14 ist ein Kaltleiter (PTC)-Heizwiderstand 7 angeordnet, der auf seiner Unter- bzw. Oberseite eine, beispielsweise aus Aluminium oder Silber bestehende, aufgedampfte Leitschicht 8 bzw. 9 aufweist. Die auf der Oberseite des PTC-Heizwiderstands 7 angebrachte Leitschicht 9 ist mittels einer an ihr angelöteten elektrischen Leitung 18 mit einer zweiten Kontaktfahne Π wiederum durch eine Lötstelle elektrisch verbunden. An der zweiten Kontaktfahne 11, die den motorsei ti gen Eingang des Thermoschalter 6 darstellt, ist weiterhin auch noch die zum Elektromotor 2 führende elektrische Leitung 17 (Fig. 1) angelötet.

Der PTC-Heizwiderstand 7 ist damit einerseits über das Kontaktblech 13, die Metallhülse 14 und seine untere Leitschicht 8 und andererseits über seine obere Leitschicht 9, der elektrischen Leitung 18 und der Kontaktfahne Π elektrisch parallel zum Thermoschalter 6 geschaltet.

Die mechanische Befestigung des PTC-Heizwiderstands 7 auf der Metallhülse 14 erfolgt mittels eines sogenannten Schrumpfschlauches 10, der die vorgenannte Anordnung fast vollständig umhüllen kann, da nur die beiden elektrischen Leitungen 16 und

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herausgeführt werden können müssen. Der Schrumpfschlauch 10 kann beispielsweise aus einer Polyesterfolie bestehen, die nach ihrer Erwärmung und Wiederabkühlung unter einer gewissen Spannung an dem PTC-Heizwiderstand 7 und der Metall hülse 14 anliegt und dieselben daher in elektrisch leitender Verbindung und in gutem Wärmekontakt hält.

Der wie vorstehend beschrieben aufgebaute Schutzschalter 5 wird durch eine oder mehrere in der Zeichnung nicht dargestellte Klammern gegen die Windungen der Statorspule 4 des Elektromotors 2 gepreßt.

Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau des Schutzschalters 5 wird erreicht, daß der Thermoschalter 6 und der PTC-Heizwiderstand 7 miteinander in gutem Wärmekontakt stehen, nach außen aber durch den Schrumpfschlauch 10 wärmeisoliert sind. Dabei reicht aber der Wärmekontakt zwischen dem Schutzschalter 5 und der Statorwicklung 4 angesichts der von der Statorwicklung 4 im Falle einer Überlastung oder gar Stillstand des Elektromotors 2 abgegebenen Wärmeleistung immer noch dazu aus, um beim Auftritt dieser unerwünschten Betriebszustände den Thermoschalter 6 auszulösen.

Bei dem durch lokale Wärmeanwendung erfolgenden Schrumpfen des Schrumpfsch!auchs 10 kann überdies auch so verfahren werden, daß die Dicke des Schrumpfsch!auchs 10 auf der der Statorwicklung 4 zugewandten Seite geringer ausfällt, als auf der den PTC-Heizwiderstand überdeckenden Seite.

Als Folge der vorstehend beschriebenen Verhältnisse hinsichtlich des Wärmeübergangs zwischen den beteiligten Bauelementen ergibt sich, daß der PTC-Heizwiderstand 7 nur eine relativ kleine Heizleistung abgeben muß, um den Thermoschalter 6 auch bei Raumtemperaturen deutlich unterhalb der üblichen etwa 20° Celsius

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sicher in der geöffneten Stellung zu halten. Dies bedeutet, daß der PTC-Heizwiderstand im stationären erhitzten Zustand, den er in wenigen Sekunden erreicht, einen relativ hohen Widerstandswert haben darf. Das hat wiederum zur Folge, daß die an ihm abfallende Spannung so groß ist, daß am Elektromotor 2 nur noch eine solch kleine Spannung abfallen kann, daß dieser nicht wieder anlaufen kann oder im Falle seiner Blockierung in der Statorwicklung 4 nur eine vernachlässigbare Wärmeentwicklung auftritt.

Es ist nicht unbedingt notwendig für den erfindungsgemäßen

Schutzschalter als Heizwiderstand ein PTC-Element zu verwenden. Die bekannten Vorteile eines PTC-Heizelements, nämlich die kurze Aufheizzeit und die schnelle Erhöhung der Heizleistung bei einer Temperaturerniedrigung seiner Oberfläche ergeben aber zusammen mit den übrigen Merkmalen des erfindungsgemäßen Schutzschalters eine noch größere Sicherheit dafür, daß der erfindungsgemäße Schutzschalter die in der Beschreibungseinleitung genannte Aufgabe erfüllen kann.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Schutzschalters ist nicht auf dessen Anbringung an Statorwicklungen von Elektromotoren beschränkt. Er kann vielmehr auch an elektrisch angetriebenen mechanischen Bauteilen angebracht werden, die heißlaufen können oder an anderen unbeweglichen elektrischen oder mechanischen Bauteilen, sofern durch die Unterbrechung der Stromzuführung die Ursache für deren Überhitzung beseitigt wird.

Claims (5)

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   Patentansprüche

   Schutzschalter zur Verhinderung der Überhitzung eines temperaturempfindlichen Bauteils eines in Betrieb genommenen elektrischen Geräts mit,einem selbsttätig, temperaturabhängig schaltenden Stromunterbrecher (Thermoschalter) und einem zum Thermoschalter elektrisch parallel geschalteten Heizwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoschalter (6) und der Heizwiderstand (7) so angeordnet sind, daß sie mit einander in gutem Wärmekontakt stehen und daß diese Anordnung (6, 7) nach außen gut wärmeisoliert ist und lediglich mit dem temperaturempfindlichen Bauteil (4) in ausreichendem Wärmekontakt steht.
2. 2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gute Wärmekontakt zwischen dem Thermoschalter (6) und dem Heizwiderstand (7) dadurch erreicht wird, daß beide mit einem Wärmeleitblech (14) in Berührung stehen und daß der Thermoschalter (6) und der Heizwiderstand (7) in einem gut wärme- isolierenden Schrumpfschlauch (10) eingekapselt sind.
3. 3. Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitblech als eine den Thermoschalter (6) formschlüssig umhüllende Metall hülse (14) ausgebildet ist und daß der Heizwiderstand (7) durch den Schrumpfschlauch (10) auf die Aussenseite der Metall hülse (14) gepreßt wird.
4. 4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrumpfschlauch (10) in dem mit dem temperatur empfindlichen Bauteil (4) in Wärmekontakt stehenden Bereich dünner ausgebildet ist als in seinen übrigen Bereichen.
5. 5. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrumpfschlauch (10) mittels einer oder mehrerer Klammern gegen das temperaturempfindliche Bauteil (4) gepreßt wird.