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Dokumentenidentifikation DE3318588C2 18.03.1993
Titel Varistorsicherungselement
Anmelder Asea Brown Boveri AG, 6800 Mannheim, DE
Erfinder Ziegenbein, Botho, Dr., 6901 Neckarsteinach, DE
DE-Anmeldedatum 21.05.1983
DE-Aktenzeichen 3318588
Offenlegungstag 22.11.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.1993
IPC-Hauptklasse H01C 7/12
IPC-Nebenklasse H01T 1/14   H02H 5/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf Varistorsicherungselemente gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 3.

Derartige Varistorsicherungselemente mit Schutzvorrichtung gegen thermische Überlast sind aus der DE-OS 26 34 479 bekannt. Beim bekannten Varistor liegt eine Kurzschlußfeder, die zwei über einen Federbogen miteinander verbundene Federzungen aufweist, mit einer dieser Federzungen an einer der Außenkontaktflächen des Varistors an. Die zweite Federzunge wird in einem Sicherheitsabstand von der anderen Außenkontaktfläche oder deren Anschlußleitungen durch Mittel gehalten, die bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur eine Federzunge freigeben, so daß aufgrund der gespeicherten Federkraft eine der Federzungen an die andere Kontaktfläche oder die Anschlußleitungen angedrückt wird und derart eine elektrische Kurzschlußbrücke bildet. Als den Sicherheitsabstand aufrechterhaltendes Mittel kann ein isolierendes Schmelzelement dienen, das zwischen der Außenkontaktfläche und der dieser Außenkontaktfläche zugeordneten Federzunge der Kurzschlußfeder angeordnet ist. Alternativ hierzu legt sich eine mit einer Federzunge an einem Isolierrand des Varistors anliegende, mehrfach gebogene Kurzschlußfeder, die mit einem Steg ihres Federbogens an der Außenkontaktfläche mit einem Weichlot-Schmelzmetall angelötet ist und deren zweite Federzunge einen Kontaktlappen aufweist, der in einem Sicherheitsabstand von Anschlußdrähten des Varistors gehalten ist, bei thermischer Einwirkung auf das Weichlot durch dessen Schmelzen aufgrund der gespeicherten Federkraft gegen die Anschlußdrähte an.

Das bekannte Varistorsicherungselement kann den zu schützenden Schaltkreis nach Auftreten einer Überspannung dauerhaft überbrücken, jedoch nicht den relativ hohen Stromfluß schalten und dauerhaft führen, der insbesondere beim parallelen Anschluß an eine Natrium/Schwefel-Batteriezelle einer Hochtemperatur-Batterie auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Varistorsicherungselemente der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen relativ hohen Stromfluß schalten und dauerhaft führen können.

Diese Aufgabe wird alternativ durch die im Anspruch 1 und 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Varistorsicherungselemente sehr einfach aufgebaut und dementsprechend sehr preiswert herstellbar sind. Je nach verwendetem thermischen sicherungsmaterial sind sie auch bei hohen Temperaturen, z. B. bei 400°C, noch zuverlässig einsetzbar, so daß sich die Varistorsicherungselemente zur irreversiblen, niederohmigen Überbrückung ausfallender hochohmiger, in Serie geschalteter Natrium/Schwefel-Batteriezellen einer Hochtemperatur-Batterie eignen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen von thermischen Varistorsicherungselementen,

Fig. 3 den Einsatz von Varistorsicherungselementen bei einer Hochtemperatur-Batterie.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines thermischen Varistorsicherungselementes dargestellt. Ein Varistor 1 ist mit einer ersten zum elektrischen Anschluß dienenden Zuleitung 2 verbunden. Die Zuleitung 2 ist U-förmig ausgebildet und besitzt an ihrem offenen Ende einen ersten Schaltkontakt 3. Der gegenüber diesem Schaltkontakt 3 an der Zuleitung 2 angebrachte Varistor 1 ist über eine als Lotmaterial dienende Schmelzlegierung 4 mit einer zweiten zum elektrischen Anschluß dienenden Zuleitung 5 verbunden.

Als Schmelzlegierungen 4 können z. B. eine Aluminium-Silizium-Zinn-Legierung oder andere allgemein bekannte Aluminiumlote eingesetzt werden. Der Schmelzpunkt derartiger Legierungen liegt vorzugsweise bei 400° bis 500°C.

Die zweite Zuleitung 5 ist als Feder ausgeführt und weist einen zweiten Schaltkontakt 6 an ihrem offenen Ende auf. Eine Kapselung 7 umschließt das Varistorsicherungselement.

Der zweite Schaltkontakt 6 ist genau gegenüber dem ersten Schaltkontakt 3 angeordnet. Bei unzerstörter Schmelzlegierung 4 sind die Schaltkontakte 3 und 6 geöffnet und die federnde zweite Zuleitung 5 ist über die Schmelzlegierung 4 und den Varistor 1 fest mit der ersten Zuleitung 2 verbunden.

Im normalen Betriebsfall ergibt sich nach Anschluß der beiden Zuleitungen 2 und 5 ein Stromfluß von der ersten Zuleitung 2 über den Varistor 1 und die Schmelzlegierung 4 zur zweiten Zuleitung 5 bzw. umgekehrt. Unter einem "normalen Betriebsfall" wird dabei insbesondere verstanden, daß die zwischen den beiden Zuleitungen 2, 5 anliegende Betriebsspannung einen vorgebbaren zulässigen Grenzwert nicht übersteigt.

Bei Auftreten von Überspannungen (Betriebsspannung zwischen Zuleitungen 2, 5 übersteigt einen zulässigen Grenzwert) jedoch steigt der Durchlaßstrom des Varistors 1 entsprechend der I/U-Varistorkennlinie steil an (zur Varistorkennlinie siehe z. B. Höft, Passive elektronische Bauelemente, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1967, Seite 89). Die dadurch ebenfalls stark zunehmende Verlustleistung im Varistor 1 heizt diesen auf. Diese Temperaturerhöhung wird benutzt, um die als sekundäre, irreversible thermische Sicherung dienende Schmelzlegierung 4 aufzulösen, d. h. zu schmelzen. Hierdurch löst sich die als Feder ausgebildete zweite Zuleitung 5 vom Varistor 1 ab und die Schaltkontakte 3, 6 werden folglich geschlossen.

Nach ausgelöster thermischer Sicherung ergibt sich ein Stromfluß von der ersten Zuleitung 2 über die Schaltkontakte 3, 6 zur zweiten Zuleitung 5 bzw. umgekehrt.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines thermischen Varistorsicherungselements dargestellt. Ein Varistor 8 ist dabei wiederum mit einer ersten U-förmig gebogenen Zuleitung 9 verbunden. Die Zuleitung 9 weist einen ersten Schaltkontakt 10 auf. Desweiteren ist wiederum eine zweite Zuleitung 11 mit einem zweiten Schaltkontakt 12 an ihrem offenen Ende vorgesehen.

Die U-förmige erste Zuleitung 9 besitzt ein im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 über den ersten Schaltkontakt 10 hinaus verlängertes offenes Ende 13. Im Bereich dieses verlängerten Endes 13 der ersten Zuleitung 9 weist die gegenüberliegende zweite Zuleitung 11 eine wannenförmige Ausnehmung 14 auf. Zwischen dem verlängerten Ende 13 und der wannenförmigen Ausnehmung 14 ist ein Isolator 15 eingeschoben bzw. angebracht. Der Isolator 15 besteht z. B. aus einem elastischen Verbund von Glasfasern. Durch das Einlegen des Isolators 15 wird das verlängerte Ende 13 der als Feder ausgebildeten ersten Zuleitung 9 zurückgeschoben, so daß die beiden sich gegenüberliegenden Schaltkontakte 10 und 12 geöffnet werden. Das Varistorsicherungselement ist von einer Kapselung 16 umschlossen.

Im normalen Betriebsfall ergibt sich nach Anschluß der beiden Zuleitungen 9, 11 ein Stromfluß von der ersten Zuleitung 9 über den Varistor 8 zur zweiten Zuleitung 11 bzw. umgekehrt. Bei Auftreten einer Überspannung steigt der Durchlaßstrom entsprechend der I/U-Kennlinie des Varistors 8 steil an, was zur Folge hat, daß der Varistor 8 den Isolator 15 über eine festgelegte Entspannungstemperatur des Isolationsmaterials aufheizt. Nach Überschreiten der Entspannungstemperatur des Isolationsmaterials verliert der Isolator 15 seine Elastizität und die federnd ausgeführte Zuleitung 9 drückt den Isolator 15 über ihr verlängertes Ende 13 zusammen. Folglich schließen sich die beiden Schaltkontakte 10 und 12 und es ergibt sich nach ausgelöster thermischer Sicherung ein Stromfluß von der ersten Zuleitung 9 über die beiden Schaltkontakte 10 und 12 zur zweiten Zuleitung 11 bzw. umgekehrt.

In Fig. 3 ist eine Einsatzmöglichkeit der unter Fig. 1 und 2 beschriebenen thermischen Varistorsicherungselemente bei einer Hochtemperatur-Batterie dargestellt. Die Hochtemperatur-Batterie weist eine Vielzahl in Serie geschalteter Natrium/Schwefel-Zellen 17.1, 17.2, 17.3 . . . 17.n (n = beliebige ganze Zahl) auf. Die beiden Enden der Zellen-Serienschaltung sind mit Hauptklemmen, und zwar einem positiven Hauptanschluß 18 und einem negativen Hauptanschluß 19 verbunden. Jede der Natrium/Schwefel-Zellen 17.1, . . . 17.n wird durch ein thermisches Varistorsicherungselement 20.1 . . . 20.n überbrückt.

Im normalen Betriebsfall gibt jede der Natrium/Schwefel-Zellen 17.1 . . . 17.n eine festgelegte Spannung ab. Diese Betriebsspannung jeder Zelle hat einen geringen Stromfluß über die überbrückenden thermischen Varistorsicherungselemente 20.1 . . . 20.n zur Folge. Steigt der Innenwiderstand einer ausfallenden Natrium/Schwefel-Zelle an, so ergibt sich eine Überspannung an den Anschlußklemmen dieser Zelle, was, wie beschrieben, eine irreversible Auslösung des betreffenden Varistorsicherungselements und anschließend eine niederohmige Überbrückung der hochohmigen Zelle zur Folge hat.

Entsprechend der Ansprechtemperatur und der Ansprechzeit kann die thermische Sicherung aus einem leitfähigen Material, z. B. einer Metallegierung wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 oder einem isolierenden Material, z. B. einem Glasfaserverbund wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bestehen. Durch Auswahl geeigneter leitfähiger bzw. isolierender Materialien ergeben sich zahlreiche Variationsmöglichkeiten bezüglich der gewünschten Ansprechtemperatur bzw. -zeit.

Die beschriebenen Varistorsicherungselemente eignen sich nicht nur zum spannungsabhängigen, sondern auch zum temperaturabhängigen Schutz von elektrischen Schaltkreisen, d. h. bei Überschreiten der kritischen Temperatur (z. B. Schmelzpunkt der Schmelzlegierung 4 oder Entspannungstemperatur des Isolators 15) löst das Varistorsicherungselement auch aus, ohne daß eine Überspannung am elektrischen Schaltkreis ansteht.


Anspruch[de]
  1. 1. Varistorsicherungselement mit zwei Zuleitungen, mit einem zwischen den beiden Zuleitungen liegenden Varistor und mit einer durch die Joulsche Verlustwärme des Varistors auslösbaren thermischen Sicherung, wobei durch das Auslösen der thermischen Sicherung der Varistor irreversibel überbrückt wird und wobei ein bei Wärmeeinwirkung durch Federkraft verformbarer Isolator als thermische Sicherung dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (8) direkt sowohl mit dem ersten Seitenschenkel einer als Feder ausgebildeten U-förmigen ersten Zuleitung (9) als auch mit der zweiten Zuleitung (11) verbunden ist, daß der nach Überschreiten einer Entspannungstemperatur seine Elastizität verlierende und hierdurch zusammendrückbare Isolator (15) zwischen dem verlängerten zweiten Seitenschenkel (13) der ersten Zuleitung (9) und einer wannenförmigen Ausnehmung (14) der zweiten Zuleitung (11) eingeschoben ist, daß der zweite Seitenschenkel (13) der ersten Zuleitung (9) und die zweite Zuleitung (11) mit einander gegenüberliegenden Schaltkontakten (10, 12) ausgerüstet sind, und daß nach Überschreiten der Entspannungstemperatur des Isolators (15) die federnd ausgeführte erste Zuleitung (9) den Isolator (15) zusammendrückt und die beiden Schaltkontakte schließen.
  2. 2. Varistorsicherungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Einsatz eines elastischen Verbundes aus Glasfasern als Isolator (15).
  3. 3. Varistorsicherungselement mit zwei Zuleitungen, mit einem Varistor und mit einer durch die Joulsche Verlustwärme des Varistors auslösbaren thermischen Sicherung, wobei durch das Auslösen der thermischen Sicherung der Varistor irreversibel überbrückt wird und wobei eine elektrisch leitfähige Schmelzlegierung als thermische Sicherung dient, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Seitenschenkel der U-förmigen ersten Zuleitung (2) über den Varistor (1) und die Schmelzlegierung (4) mit der unter Federspannung stehenden zweiten Zuleitung (5) verbunden ist, daß der zweite Seitenschenkel der ersten Zuleitung (2) und die zweite Zuleitung (5) mit einander gegenüberliegenden Schaltkontakten (3, 6) ausgerüstet sind, und daß sich nach Schmelzen der leitfähigen Schmelzlegierung (4) die zweite Zuleitung (5) vom Varistor abhebt und der Schaltkontakt (6) der zweiten Zuleitung (5) federnd gegen den Schaltkontakt (3) am zweiten Seitenschenkel der ersten Zuleitung (2) drückt.






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