PROTECTIVE SWITCH

Abstract: 1. A protective switch (5) for preventing overheating of a temperature-sensitive component (4) of an electrical device (2) in operation, which includes a thermostatic switch (6) which is in thermal contact with the temperature-sensitive component (4) and automatically cuts off the supply of current to the device (2) on attainment of a maximum permissible temperature, and a heating resistor (7) which is electrically connected in parallel with the thermostactic switch (6) and in good thermal contact therewith, said heating resistor keeping the thermostatic switch (6), after it is tripped, in the open position as long as voltage is applied to the device (2) characterized in that the arrangement comprising thermostatic switch (6) and heating resistor (7) is held together by a shrink tubing (10) whose area which is in thermal contact with the temperature-sensitive component (4) is thinner than its other areas whereby the arrangement (6, 7) has a good thermal insulation relative to the outside while its thermal contact with the temperature-sensitive component (4) is sufficient to ensure opening of the termostatic switch (6) due to undue heating of the temperature-sensitive component (4).

Description: Die Erfindung betrifft einen Schutzschalter für elektrisch betriebene Geräte, der eine während des Betriebes auftretende Überhitzung eines temperaturempfindlichen Bauteils solcher Geräte verhindert und der zu diesem Zweck einen selbsttätigen, temperaturabhängig ansprechenden Stromunterbrecher (Thermoschalter) enthält, der bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur die Stromversorgung des Gerätes unterbricht und anschliessend durch einen elektrisch parallelgeschalteten Heizwiderstand in seiner "Offen"-Stellung gehalten wird. 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 Uberhitzung 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 sich bei einem zu hohen Stromfluss so erhitzen, dass sie 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 Schmelzsicherungen besteht darin, dass diese nach jeder Auslösung ausgewechselt werden müssen. Dagegen weisen die bekannten Thermoschalter den Nachteil auf, dass sie - 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 setzen können, sobald die Überhitzung abgeklungen ist. Zur Vermeidung dieses vom Betreiber nicht steuerbaren selbsttätigen Wiedereinschaltens des Gerätes weist ein beispielsweise aus der DE-A-27 52 430 bekannter Schutzschalter einen zu einem Thermoschalter parallelgeschalteten 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 gebracht oder den Netzstecker gezogen hat. Ein Nachteil des aus der obengenannten DE-A-27 52 430 bekannten Schutzschalters besteht darin, dass bei ausgelöstem - d.h. geöffnetem - Thermoschalter an den parallelgeschalteten Heizwiderstand hinsichtlich seiner Dimensionierung zwei sich widersprechende Anforderungen gestellt werden müssen: Einerseits soll der Widerstandswert des Heizwiderstandes so gross sein, dass an dem mit ihm in Reihe liegenden Lastwiderstand des Gerätes, beispielsweise den Wicklungen eines Motors, nur noch eine so kleine Spannung abfällt, dass der Motor nach Wegfall der eine Überhitzung seiner Wicklung oder gar seine Blockierung verursachenden Gründe nicht unbeabsichtigt wieder anlaufen kann. Andererseits soll der Widerstandswert des Heizwiderstands so klein sein, dass bei der durch die Netzspannung vorgegebenen Versorgungsspannung in der Reihenschaltung aus Heizwiderstand und Lastwiderstand ein Strom fliesst, der ausreichend ist, um im Heizwiderstand eine Heizleistung zu erzeugen, durch die der Thermoschalter sicher in der geöffneten Stellung gehalten wird, und zwar auch dann, wenn sich das betreffende Gerät in einem Raum befindet, in dem eine deutlich niedrigere Temperatur als die übliche Raumtemperatur von 200 Celsius herrscht. Es war daher Aufgabe der Erfindung, einen Schutzschalter mit einem Thermoschalter und einem dazu elektrisch parallelgeschalteten Heizwiderstand anzugeben, der hinsichtlich der Dimensionierung des Widerstandswertes dieses Heizwiderstandes weniger kritisch ist und der das selbsttätige Wiedereinschalten eines aufgrund einer eingetretenen Überhitzung automatisch abgeschalteten Gerätes auch bei Umgebungstemperaturen, die deutlich unterhalb der üblichen Raumtemperatur von 200 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 eine zum Stand der Technik gehörende Anordnung und elektrische Schal tung eines Schutzschalters für einen Elektromotor, die bezüglich des elektrischen Schaltbildes unver ändert für den Einsatz des Schutzschalters gemäss der vorliegenden Erfindung übernommen werden kann; Fig. 2 und 3 in schematischer Darstellung, teilweise geschnitten, einen Querschnitt bzw. Längsschnitt des erfindungs gemässen 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 parallelgeschaltet. Die prinzipielle Funktionsweise des beispielsweise durch eine hier nicht dargestellte Klammer an die Statorwicklung 4 des Elektromotors 2 gepressten Schutzschalters 5 ist die folgende: Unter Normalbedingungen, 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 Gerätes durch Schliessen des Netzschalters 3 eingeschaltet. Durch den Heizwiderstand 7 fliesst dabei nur ein vernachlässigbarer Strom, da der elektrisch parallelgeschaltete, geschlossene Thermoschalter 6 nur einen vergleichsweise minimalen Widerstandswert aufweist. Erhitzt sich nun die Statorwicklung 4 des Elektromotors 2, beispielsweise durch dessen Uberlastung oder gar Stillstand, fliesst aufgrund des Wärmekontakts zwischen der Statorwicklung 4 und dem 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 wird der Elektromotor 2 ausser Betrieb gesetzt, und er soll erst dann wieder anlaufen, wenn die Bedienungsperson zuvor den Netzschalter 3 geöffnet oder den Netzstecker 1 vom elektrischen Netz getrennt hat. Es ist die Aufgabe des Schutzschalters 5, bei Abkühlung des Elektromotors 2 dessen unkontrollierte oder unerwünschte Inbetriebsetzung zu verhindern, und dies wird dadurch bewirkt, dass bei geschlossenem Netzschalter 3 und an das elektrische Netz angeschlossenem Netzstecker 1 der Thermoschalter 6 durch die vom Heizwiderstand 7 abgegebene Wärmeleistung in seiner geöffneten Stellung gehalten wird. Sobald sich der Thermoschalter 6 geöffnet hat, ist nämlich der Heizwiderstand 7 mit dem Elektromotor 2 in Reihe geschaltet. Der Heizwiderstand 7 muss dann einen solchen Widerstandswert haben, dass einerseits an ihm eine so grosse Spannung abfällt, dass der Elektromotor 2 nicht wieder anlaufen kann und im Falle seiner Blockierung in der Statorwicklung 4 lediglich eine unschädliche Wärmeleistung erzeugt wird. 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. Bei bisher bekannten Schutzschaltern war diese Dimensionierung des Heizwiderstandes äusserst problematisch. Dagegen wird sie in dem Schutzschalter gemäss der vorliegenden Erfindung ohne Schwierigkeiten beherrschbar. Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Schutzschalters 5 enthält einen hier nur schematisch in seinen Umrissen wiedergegebenen 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 Thermoschalter 6 besitzt ein ihn zu einem grossen Teil umhüllendes und gut wärmeleitendes Gehäuse 13, dem eine erste Kontaktfahne 12 angeformt ist, an welcher eine zum Netzstecker 1 führende elektrische Leitung 16 (Fig. 1) angelötet ist. Das Gehäuse 13 stellt somit zusammen mit der Kontaktfahne 12 den netzsteckerseitigen elektrischen Anschluss des Thermoschalters dar. Das Gehäuse 13 ist von einer ebenfalls gut wärmeleitenden Metallhülse 14, beispielsweise aus Bronze- oder Kupferblech umgeben. Die Metallhülse 14 weist einen Schlitz 15 auf, so dass sie durch seitliches Zusammenpressen vorgespannt werden kann und demzufolge eng und daher gut wärme- und elektrischleitend an dem Gehäuse 13 anliegt. Auf der Oberseite der Metallhülse 14 ist ein vorzugsweise aus einem Kaltleiter (PTC) bestehender Heizwiderstand 7 angeordnet, der auf seiner Unter- und Oberseite je 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 der zweiten Kontaktfahne 11 des Thermoschalters 6 elektrisch verbunden. An dieser zweiten Kontaktfahne 11, die den motorseitigen Anschluss des Thermoschalters 6 darstellt, ist auch die zum Elektromotor 2 führende elektrische Leitung 17 (Fig. 1) angelötet. Der Heizwiderstand 7 ist damit einerseits über seine untere Leitschicht 8, die Metallhülse 14 sowie das Gehäuse 13 und andererseits über seine obere Leitschicht 9, die elektrische Leitung 18 und die Kontaktfahne 11 zum Thermoschalter 6 elektrisch parallelgeschaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die mechanische Befestigung des Heizwiderstandes 7 auf der Metall hülse 14 mittels eines sogenannten Schrumpfschlauches 10, der die vorgenannte Anordnung fast vollständig umhüllen kann, da nur die beiden elektrischen Leitungen 16 und 17 herausgeführt werden müssen. Der Schrumpfschlauch 10 kann beispielsweise aus einer Polyesterfolie bestehen, die nach ihrer Erwärmung und Wiederabkühlung unter einer gewissen Spannung an dem Heizwiderstand 7 und der Metallhülse 14 anliegt und dieselben daher in elektrisch leitender Verbindung und in gutem Wärmekontakt hält. Neben dieser rein mechanischen Wirkung, die Teile des Schutzschalters zusammenzuhalten und zusammenzupressen, übernimmt der in dieser bevorzugten Ausführungsform verwendete, den gesamten Schutzschalter einkapselnde Schrumpfschlauch auch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung wesentliche Funktion der guten Wärmeisolation des Schutzschalters nach aussen. Es wird also erreicht, dass der Thermoschalter 6 und der 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 immer noch aus, um im Falle einer Uberhitzung der Statorwicklung infolge Uberlastung oder gar Stillstand des Elektromotors 2 den Thermoschalter 6 auszulösen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Schutzschalters ist der Schrumpfschlauch in seinem mit dem temperaturempfindlichen Gerätebauteil in Wärmekontakt stehenden Bereich dünner ausgebildet als in seinen übrigen Bereichen. Hierdurch kann der Wärmehaushalt des Schutzschalters - d.h., das Verhältnis der Wärmeaufnahme zur Wärmeabgabe - auf besonders einfache Weise im Sinne der vorliegenden Erfindung an die Gegebenheiten des betreffenden elektrischen Gerätes angepasst sein und fertigungstechnisch entsprechend eingestellt werden. Zur Erzielung der angegebenen Dickenverteilung des Schrumpfschlauches kann der Schrumpfungsvorgang bei der Anbringung des Schrumpfschlauches durch lokale Wärmeanwendung so gesteuert werden, dass sich infolge der bereichsweise unterschiedlichen Schrumpf- und Reckverhältnisse die beabsichtigten Wandstärken ergeben. Als Folge der durch die erfindungsgemässe Anordnung erzielten Verhältnisse hinsichtlich des Wärmeübergangs zwischen den beteiligten Bauelementen ergibt sich, dass der Heizwiderstand 7 nur eine relativ kleine Heizleistung abgeben muss, um den Thermoschalter 6 sicher in der geöffneten Stellung zu halten - und zwar auch bei Raumtemperaturen deutlich unterhalb der üblichen etwa 200 Celsius - . Dies bedeutet, dass ein vorzugsweise verwendeter 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 so kleine Spannung abfällt, dass dieser nicht wieder anlaufen kann und 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: Patentansprüche 1. Schutzschalter zur Verhinderung der Uberhitzung eines tempe raturempfindlichen Bauteils eines in Betrieb genommenen eiek trischen Gerätes, der einen mit dem temperaturempfindlichen Bauteil in thermischem Kontakt stehenden, den Betriebsstrom des Gerätes bei Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur selbsttätig abschaltenden Thermoschalter und einen zu dem Thermoschalter elektrisch parallelgeschalteten und zu diesem in thermischem Kontakt stehenden Heizwiderstand aufweist, da durch gekennzeichnet, dass der Thermoschalter (6) und der Heizwiderstand (7) so angeordnet sind, dass sie miteinander in gutem Wärmekontakt stehen und dass diese Anordnung (6, 7) nach aussen gut wärmeisoliert ist, während sie mit dem temperatur empfindlichen Bauteil (4) in einem Wärmekontakt steht, der lediglich ausreicht, um das Öffnen des Thermoschalters (6) infolge einer unzulässigen Erhitzung des temperaturempfind lichen Bauteils (4) sicherzustellen. 2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoschalter (6) und der Heizwiderstand (7) zur Erzeu gung eines guten gegenseitigen Wärmekontaktes mit einem Wärmeleitblech (14) in Berührung stehen und gemeinsam in einem gut wärmeisolierenden Schrumpfschlauch (10) einge kapselt sind. 3. Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech als eine den Thermoschalter (6) form schlüssig umhüllende Metallhülse (14) ausgebildet ist, auf deren Aussenseite der Heizwiderstand (7) durch den Schrumpf schlauch (10) gepresst wird. 4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (10) in dem mit dem temperaturempfind lichen Bauteil (4) in Wärmekontakt stehenden Bereich dünner ausgebildet ist als in seinen übrigen Bereichen.

Inventors: HORN, ERICH, RUPPERT, PETER, SCHIEBELHUTH, HEINZ
Applicants: BRAUN AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: H01H71
IPC codes: H01H1