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Dokumentenidentifikation DE19859095A1 27.07.2000
Titel Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall
Anmelder Moeller GmbH, 53115 Bonn, DE
Erfinder Anheuser, Michael, 53757 Sankt Augustin, DE;
Krätzschmar, Andreas, 53123 Bonn, DE;
Berger, Frank, 53913 Swisttal, DE;
Kremers, Wolfgang, 53229 Bonn, DE
DE-Anmeldedatum 21.12.1998
DE-Aktenzeichen 19859095
Offenlegungstag 27.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2000
IPC-Hauptklasse H01H 29/04
IPC-Nebenklasse H01H 87/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung (10) mit Flüssigmetall (7), die Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mindestens einen mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllten, zwischen den Elektroden (1) angeordneten und durch druckfeste Isolierkörper (5, 11) begrenzten Verdichterraum (4) enthält. Zur Senkung der Erwärmung ohne Verwendung zusätzlicher Bauteile sind die Elektroden (1) an ihren vom Flüssigmetall (7) benetzten Innenflächen (6) oberflächenvergrößernd strukturiert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die zwei zum Inneren der Strombegrenzungseinrichtung eben ausgebildete Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte schlagartig das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeordnet. In der Druckschrift SU 1 094 088 A ist als gut leitendes Material für die Elektroden Kupfer angegeben. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GalnSn-Legierungen zu verwenden.

Zur Senkung der Erwärmung, für die in erster Linie die Bahnwiderstände der Elektroden und des Flüssigmetalls, die Übergangswiderstände zwischen Elektroden und Flüssigmetall sowie die im Begrenzungsfall auftretenden Lichtbögen verantwortlich sind, sind verschiedene Lösungen bekannt. Eine bekannte Strombegrenzungseinrichtung nach Druckschrift SU 1 094 088 A ist mit zwischen den Zwischenwänden angeordneten kupfernen und damit in nachteiliger Weise potentialbehafteten Trennwänden, die zwecks Kühlung des Flüssigmetalls nach außen geführt sind, ausgestattet. Nach Druckschrift DE 29 28 710 A1 weist eine Strombegrenzungseinrichtung im Bereich der Elektroden sowie an der Außenfläche Kühlkörper mit Kühlrippen auf. Bei einer Strombegrenzungseinrichtung nach Druckschrift US-PS 3 991 396 wird in aufwendiger Weise das Flüssigmetall umwälzend durch einen mit Kühlrippen versehenen rohrförmigen Kühlkörper gepumpt. Bei einer Strombegrenzungseinrichtung nach JP-AS 52 014 856 ist die äußere Mantelfläche des Gehäuses mit Kühlrippen versehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Senkung der Erwärmung ohne zusätzliche Bauteile zu erreichen.

Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Die vorgeschlagene Strukturierung der nach innen gewandten Elektrodenoberflächen führt zu einer erheblichen Vergrößerung der vom Flüssigmetall benetzten Innenfläche der Elektroden. Damit sinkt der Übergangswiderstand und damit die Verlustleistung zwischen dem Flüssigmetall und den Elektroden, womit insgesamt eine Absenkung der Erwärmung für die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung erreicht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bestehen in einer gerippten, geriffelten oder waffelartigen Struktur der Innenflächen der Elektroden, wobei diese einfach herstellbaren Strukturen zusätzlich noch aufgerauht sein können.

Derartige Elektroden lassen sich mit Vorteil in Strombegrenzungseinrichtungen einsetzen, bei denen mehrere hintereinander liegende Verdichterräume angeordnet sind, die durch den bzw. die druckfesten Isolierkörper und durch diesen bzw. diese gehaltene isolierende Zwischenwände mit Verbindungskanälen gebildet werden. GalnSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Gewichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel, wobei eine Strombegrenzungseinrichtung teilweise im Längsschnitt in der einzigen Fig. 1 dargestellt ist.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die bezüglich der Längsachse 3 der Strombegrenzungseinrichtung 10 bis auf ihre Innenfläche 6 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von isolierenden Zwischenwänden 12 gebildet werden. Durch ein Formgehäuse 5 werden die Elektroden 1, die Dichtscheiben 11 und die Zwischenwände 12 gehalten, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Formgehäuse 5 gelagerten Elemente 1, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können beispielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind beispielsweise übergreifende Spannmittel. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 begrenzt. Das im allgemeinen mehrteilige Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7, beispielsweise einer GalnSn-Legierung, ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigmetalls 7 befindet sich beispielsweise Vakuum. Die Zwischenwände 12 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbindungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 8 benachbarter Zwischenwände 12 können vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag versetzt sein, um im Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu verhindern.

Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 sind die vom Flüssigmetall 7 benetzten Innenflächen 6 der Elektroden 1 mit Rippen 13 versehen. Durch diese Rippenstruktur werden die Innenflächen 6 erheblich vergrößert, was zu einer wesentlichen Senkung des Übergangswiderstandes Elektrode-Flüssigmetall gegenüber dem Stand der Technik mit unstrukturierten Elektrodeninnenflächen führt. Dadurch wird das Erwärmungsverhalten der Strombegrenzungseinrichtung dahingehend verbessert, daß aus der verringerten Verlustleistung eine verminderte Erwärmung resultiert. Eine weitere Vergrößerung der benetzten Oberfläche ergibt sich durch zusätzlich aufgerauhte Innenflächen 6, was beispielsweise durch Sandstrahlen erfolgen kann.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich beispielsweise durch umfänglich an der Mantelfläche des Isoliergehäuses verlaufende Kühlrippen und/oder durch eine schwarze und/oder eine aufgerauhte äußere Oberfläche des Isoliergehäuses die Erwärmung und damit die Verlustleistung der Strombegrenzungseinrichtung zusätzlich merklich senken.


Anspruch[de]
  1. 1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mindestens einen mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllten, zwischen den Elektroden (1) angeordneten und durch druckfeste Isolierkörper (5, 11) begrenzten Verdichterraum (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1) an ihren vom Flüssigmetall (7) benetzbaren Innenflächen (6) oberflächenvergrößernd strukturiert sind.
  2. 2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (6) der Elektroden (1) gerippt sind.
  3. 3. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Elektroden geriffelt sind.
  4. 4. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Elektroden waffelartig strukturiert sind.
  5. 5. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (6) der Elektroden (1) aufgerauht sind.
  6. 6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere hintereinander liegende Verdichterräume (4) angeordnet sind, die durch den bzw. die druckfesten Isolierkörper (5, 11) und durch diesen bzw. diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden.
  7. 7. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GalnSn-Legierung ist.






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