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1. (WO2012022347) ELECTROMECHANICAL ELEMENT PROTECTING AGAINST EXCESS TEMPERATURE
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters detail.jsfDescription Machine translation

Elektromechanisches Übertemperaturschutzelement

Die Erfindung betrifft ein Übertemperaturschutzelement, das besonders für Photovoltaikanlagen geeignet ist, jedoch auch in anderen frei verdrahteten Elektroanlagen im Innen- und Außenbereich eingesetzt werden kann. In Photovoltaikanlagen dient das Übertemperaturschutzelement zur elektrischen Abtrennung der einzelnen Photovol-taikmodule in Gefahrenfällen. Das Übertemperaturschutzelement erfüllt zudem alle elektro- und sicherheitstechnischen Anforderungen, die an für den Betrieb in Photovoltaikanlagen zertifizierte Verbindungselemente gestellt werden.

In Photovoltaikanlagen sind die einzelnen Photovoltaikmodule üblicherweise in Serie geschaltet. Am Ende der Kette können bei starkem Sonneneinfall Spannungen von bis zu 1000 V Gleichspannung und Ströme von 8 bis 16 A auftreten. In Gefahrenfällen, wie z.B. beim Brand eines Dachstuhls, auf dem eine Photovoltaikanlage instal-liert ist, oder bei der Kollision eines Kraftfahrzeugs mit einer Freifeldanlage, besteht somit für die Rettungskräfte oder die in den Unfall verwickelten Personen eine akute Gefahr, mit lebensgefährlichen elektrischen Spannungen bzw. Strömen in Kontakt zu kommen.

Momentan beschränken sich die Sicherheitsvorkehrungen für Photovoltaikanlagen im Freifeld darauf, dass diese eingezäunt werden. Bei auf Dächern installierten Photovoltaikanlagen wurde bislang auf Sicherheitsvorkehrungen verzichtet, da diese ohnehin schwer erreichbar sind.

Auf Grund der ständigen Zunahme der Anzahl und der Größe von Photovoltaikanlagen erhöht sich auch das Risiko, dass Personen durch von Photovoltaikanlagen verursachte Stromschläge Schaden nehmen und schlimmstenfalls sogar getötet werden. Demnach ist es notwendig, zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für den Betrieb von Photovoltaikanlagen zu treffen.

Aus dem Stand der Technik sind wenige Lösungsvorschläge bekannt, die das Ziel haben, die Gefahr von Stromschlägen durch Photovoltaikanlagen zu verringern, oder die zumindest zu diesem Zweck eingesetzt werden können.

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So wird in US 4,380,001 A eine Sicherung beschrieben, die sowohl beim Überschreiten eines Strom- als auch eines Temperaturwertes eine elektrische Unterbrechung bewirkt. Hierzu sind in einem Gehäuse in jeweils separaten Kammern ein Schmelzdrahtelement und ein temperatursensitives Element untergebracht. Beide Elemente sind in Serie geschaltet. Das temperatursensitive Element kann entweder als mit Kiefernharz überzogenes Lötmetall oder als Bimetall-Thermostatschalter ausgeführt sein. Beim Überschreiten einer kritischen Temperatur schmilzt das Lötmetall und der Thermostatschalter öffnet.

Die Sicherung ist zwar prinzipiell in der Lage, auch bei einer durch Brand verursachten Temperaturerhöhung Stromkreise zu öffnen. Jedoch ist weder durch den Einsatz des Lötmetalls noch des Thermostatschalters eine sichere und dauerhafte Trennung von Spannungen bis 1000 V möglich.

In JP 1 1040838 A wird vorgeschlagen, eine Temperatursicherungseinheit in die ausgehende Leitung von Photovoltaikmodulen mit dem Ziel zu schalten, die während eines Brandes bzw. nach einem Brand für das Rettungs- bzw. Servicepersonal bestehende Gefahr von Stromschlägen zu verringern. Die Funktionsweise der Temperatursicherungseinheit ist nicht näher spezifiziert.

Um Funkenüberschläge beim Auftrennen von Photovoltaikanlagen zu vermeiden, ist wegen der hohen auftretenden Spannungen eine vergleichsweise große Trennstrecke erforderlich. In der Schrift ist jedoch an keiner Stelle beschriebenen, wie mit der Temperatursicherungseinheit eine solche Trennstrecke realisierbar ist. Des Weiteren haben beide vorgenannten Sicherungen den Nachteil, dass sie, wie bei Rettungsaktionen oftmals erforderlich, nicht durch einen von den Rettungskräften ausgeübten Schlag oder Stoß ausgelöst werden können.

In DE 10 2008 027 189 A1 wird ein Übertemperaturschutzelement für Photovoltaik-anlagen vorgestellt, das einzelne Photovoltaikmodule in Gefahrenfällen voneinander trennt. Das Übertemperaturschutzelement besteht aus einem zweiteiligen Sicherungskörper, in dem ein aus einem Steckerstift und einer Buchse bestehendes, trennbares elektrisches Verbindungselement sowie eine vorgespannte Druckfeder angeordnet sind. Bevorzugt weisen die beiden Teile des Sicherungskörpers auf einer

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Seite eine Öffnung auf, wobei die Öffnung des einen Teils aufgeweitet ist und das andere Teil mit seiner offenen Seite in die aufgeweitet Öffnung gesteckt ist. Damit die Druckfeder die beiden Teile nicht auseinander drückt, ist die Außenwand des eingesteckten mit der Innenwand des aufgeweiteten Teils verlötet.

Mit dem Übertemperaturschutzelement werden zwar Photovoltaikmodule bei Bränden sicher voneinander getrennt; auch ein mechanisches Auslösen ist möglich. Da jedoch die Lötstelle, die die beiden Teile des Sicherungskörpers verbindet, neben den hohen, permanenten durch die Feder bewirkten Scherkräften auch Umweltein-flüssen wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und UV-Strahlung ausgesetzt ist, löst sich die Lötstelle oftmals schon nach einigen Monaten und führt zu unkontrolliertem Abschalten der Photovoltaikmodule.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Insbesondere soll ein Übertemperaturschutzelement für Photovoltaikanlagen oder andere frei verdrahtete Elektroanlagen geschaffen werden, das beim Überschreiten einer Temperaturgrenze, wie z.B. im Falle eines Brandes, oder bei Einwirkung eines mechanischen Stoßes bzw. Schlages, sicher eine dauerhafte elektrische Trennung der einzelnen Photovoltaikmodule bewirkt, bei dem jedoch ungewollte Abschaltungen ausgeschlossen sind. Das Übertemperaturschutzelement soll zudem alle elektro-und sicherheitstechnischen Anforderungen erfüllen, die an für den Betrieb in Photovoltaikanlagen zertifizierte Verbindungselemente gestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.

Ausgegangen wird von einem elektromechanischen Übertemperaturschutzelement für Photovoltaikanlagen (das jedoch in gleicher Weise auch für andere frei verdrahtete Elektroanlagen im Innen- und Außenbereich verwendet werden kann) mit einer für Photovoltaikanlagen zertifizierten Steckverbindung, die aus einer Buchse und einem Stecker besteht, sowie einem Gehäuse, das die Steckverbindung koaxial umschließt. Das Gehäuse besteht aus einem Rohrelement, dessen Stirnseiten mit Deckelplatten

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verschlossen sind. Im Gehäuse befindet sich ein auf Druck vorgespanntes Druckkraftelement, wie z.B. eine Spiralfeder, das zwischen den beiden Deckelplatten eingespannt ist.

Nach Maßgabe der Erfindung ist auf der ins Gehäuseinnere gerichteten Seite an der einen Deckelplatte der Stecker und an der anderen Deckelplatte die Buchse der Steckverbindung befestigt. Auf den Außenseiten der Deckelplatten befinden sich jeweils Anschlusselemente, die mit der Buchse bzw. dem Stecker elektrisch verbunden sind. Die Geometrie des Gehäuses ist so mit der Steckverbindung abgestimmt, dass bei geschlossenem Gehäuse auch die Steckverbindung geschlossen ist. Sobald jedoch das Gehäuse geöffnet wird, indem z.B. das Druckkraftelement mindestens eine der Deckelplatten vom Rohrelement wegdrückt, löst sich auch die Steckverbindung, und der elektrische Kontakt wird unterbrochen.

Mindestens eine der Deckelplatten weist, bei geschlossenem Gehäuse und in Längsrichtung des Rohrelements gesehen, einen ersten Abschnitt auf, bei dem die Geometrie der Stirnfläche der Deckelplatte so groß ist, das diese die Öffnung in der Stirnseite des Rohrelements vollständig überdeckt. Üblicherweise ist die Stirnfläche der Deckelplatte in etwa so groß gewählt, wie der Außendurchmesser des Rohrele-ments. Auf der zum Rohrelement gewandten Seite weist die Deckelplatte einen zweiten Abschnitt auf, bei dem die Stirnfläche gerade um so viel kleiner als die lichte Weite des Rohrelements gewählt ist, dass der zweite Abschnitt in das Rohrelement eingeschoben werden kann, dabei jedoch kein größerer Luftspalt zwischen dessen Seitenwand und der Innenwand des Rohrelements entsteht.

In der Seitenwand des zweiten Abschnitts und auf der Innenseite des Rohrelements ist mindestens eine Vertiefung eingebracht. Bei geschlossenem Gehäuse liegt die mindestens eine Vertiefung auf der Seitenwand des zweiten Abschnitts der mindestens einen Vertiefung auf der Innenseite des Rohrelements gegenüber, sodass durch die beiden Vertiefungen ein Hohlraum gebildet wird. Bei jedem derartigen Hohlraum ist in die Wand des Rohrelements ein Durchbruch eingebracht, der im Hohlraum endet. Über den Durchbruch kann der Hohlraum mit einem Schmelzmaterial gefüllt werden, das einen Schmelzpunkt von 120 bis 250 °C hat. Geeignete Materialien sind z.B. kommerzielle Schmelzkleber aus Polyamid Sie haben den Vorteil, dass sie weit- KAUFMANN Patent- und Rechtsanwälte K 41 621/8.1 21.07.201 1

gehend resistent gegenüber Witterungseinflüssen sind, insbesondere resistenter als viele Metalle, wie z.B. Lötzinn.

Solange das in den Hohlraum eingefüllte Schmelzmaterial fest ist, ist die Deckelplat-te, trotz der auf sie wirkenden Federkraft, gegenüber einem Herausdrücken aus dem Rohrelement gesichert. Im Falle eines Brandes erweicht das Schmelzmaterial, die Deckelplatte wird aus dem Rohrelement gedrückt und die Steckverbindung getrennt. Fehlfunktionen sind praktisch ausgeschlossen, da sich das Schmelzmaterial im Innern des Gehäuses befindet und somit gut vor Witterungseinflüssen geschützt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Rohrelement einen kreisrunden Querschnitt. Die mindestens eine Vertiefung auf der Seitenwand des zweiten Abschnitts und auf der Innenseite des Rohrelements ist jeweils als umlaufende Nut ausgeformt, die über eine Bohrung im Rohrelement mit dem Schmelzkleber befüllt werden kann. Durch den erstarrten Schmelzkleber wird ein O-Ring gebildet, durch den, solange der Schmelzkleber fest ist, die Deckelplatte gegenüber einem Herausdrücken gesichert ist.

Es ist vorgesehen, dass das Übertemperaturschutzelement auf der einen Seite die sich bei Hitze lösende Deckelplatte und auf der andern Seite eine fest fixierte Deckelplatte besitzt.

Die fest fixierte Deckelplatte weist, ähnlich wie die sich bei Hitze lösende, in Längsrichtung des Rohrelements gesehen (bei geschlossenem Gehäuse) einen ersten Ab-schnitt auf, der ebenfalls die Öffnung in der Stirnseite des Rohrelements vollständig überdeckt. Auch weist die Deckelplatte auf der zum Rohrelement gewandten Seite einen zweiten Abschnitt auf, bei dem die Stirnfläche kleiner gewählt ist, als die lichte Weite des Rohrelements, d.h., auch der zweite Abschnitt der fixierten Deckelplatte ist in das Rohrelement einschiebbar. Zum Schutz vor einem Herausdrücken durch die Federkraft des Druckelements ist die Deckelplatte mittels Fixierstiften befestigt, die in orthogonal durch die Wand des Rohrelements verlaufenden und in die Seitenwand des zweiten Abschnitts der fixierten Deckelplatte hineinreichende Bohrungen eingebracht sind. Bevorzugt werden hierzu drei Fixierstifte, die bezüglich der kreisrunden

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Geometrie des Querschnitts des Rohrelements jeweils um einen Winkel von 120° zueinander versetzt sind, verwendet.

Denkbar sind auch Varianten, bei denen sich der zweite Abschnitt der Deckelplatten nicht innerhalb des Rohrelements befindet, sondern die Deckelplatten in Art einer Kappe ausgeformt sind, und jeweils der zweite Abschnitt der Deckelplatten über ein Ende des Rohrelements gestülpt ist.

Um auch bei ausgelöstem Übertemperaturschutzelement eine hohe Berührungssi-cherheit sicherzustellen, sind sowohl der Stecker als auch die Buchse der Steckverbindung mit Isolierhülsen umgeben, die die elektrischen Kontakte des Steckers sowie der Buchse zusätzlich, d.h. auch bei geöffnetem Gehäuse, ummanteln.

Des Weiteren ist vorgesehen, das Rohrelement aus einem spröden Material, wie z.B. Keramik oder Steingut, zu fertigen. So können bei Rettungsaktionen, z.B. durch einen gezielten Schlag mit einer Feuerwehraxt, auch Übertemperaturschutzelemente von Photovoltaikmodulen ausgelöst werden, die noch nicht vom Feuer erreicht wurden.

Eine besonders einfache Integration in den elektrischen Stromkreis von Photovol-taikanlagen wird möglich, wenn das Übertemperaturschutzelement als Zwischenstück in bereits bestehende Steckverbindungen eingesetzt wird. Hierzu sind jeweils das Anschlusselement der einen Deckelplatte als Buchse und das Anschlusselement der anderen Deckelplatte als Stecker der bereits bestehenden Steckverbindung aus-zuführen.

Das erfindungsgemäße Übertemperaturschutzelement wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigt die Figur ein Übertemperaturschutzelement im Längsschnitt und in Draufsicht die beiden Deckelplatten.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich, besteht das Gehäuse des Übertemperaturschutzele-ments aus einem Keramikrohr 1 , dessen Stirnseiten mittels einer sich unter dem Ein-fluss von Wärme lösenden Deckelplatte 2 und einer fest mit dem Keramikrohr 1 verbundenen Deckelplatte 3 verschlossen sind. Die beiden Deckelplatten 2, 3 weisen

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jeweils erste Abschnitte 2.1 ,3.1 , die die beiden Öffnungen an den Stirnseiten des Keramikrohrs 1 vollständig überdecken und daran anschließend zweite Abschnitte 2.2,3.2 auf, die in das Keramikrohr 1 eingeschoben sind. Im Innern des Gehäuses befindet sich die auf Druck vorgespannte Spiralfeder 4.

Um zu verhindern, dass die Feder 4 die Deckelplatte 2 nach außen bewegt, ist eine Ringnut 5 auf der Seitenwand des Abschnitts 2.2 der Deckelplatte 2 und eine

Ringnut 6 auf der Innenseite des Keramikrohrs 1 eingebracht. Die beiden Nuten 5, 6 liegen direkt gegenüber und bilden infolgedessen einen Hohlraum, der über die Boh-rung 7 mit dem Schmelzkleber 8 (bzw. mit Polyamid) befüllbar ist. Bei üblichen Betriebstemperaturen ist der Schmelzkleber 8 fest und bildet eine Art O-Ring, der ein Verschieben der Deckelplatte 2 verhindert. Die Deckelplatte 3 ist mit den drei Fixierstiftern 9, die in jeweils um 120° versetzten Bohrungen 10 eingepasst sind, fest (auch bei hohen Temperaturen) mit dem Keramikrohr 1 verbunden.

Auf ihrer nach innen gewandten Seite trägt die Deckelplatte 2 die mit einem Kunst-stoffrohr ummantelte Buchse 1 1 und auf Ihrer Außenseite als Anschlusselement 12 einen standardisierten Photovoltaik-Einbaustecker. Entsprechend sind auf der nach innen gewandten Seite der Deckelplatte 3 der mit einem hitzebeständigen Kunststoff ummantelte Stecker 13 und auf seiner Außenseite als Anschlusselement 14 eine standardisierte Photovoltaik-Einbaubuchse befestigt. Zum Einbau des Übertempera-turschutzelements ist es lediglich erforderlich, die bereits vorhandene standardisierte Steckverbindung des Photovoltaikmoduls zu öffnen und das Übertemperaturschutz-element als Zwischenstück einzusetzen.

Im Falle eines Brandes erweicht der Schmelzkleber 8, die Deckelplatte 2 wird durch die Feder 4 nach außen gedrückt, wodurch die durch die Buchse 1 1 und den Stecker 13 gebildete Steckverbindung geöffnet und die elektrische Verbindung unterbrochen wird. Alternativ dazu ist es auch möglich, das spröde Keramikrohr 1 durch einen ge-zielten Schlag (z.B. mit einer Feuerwehraxt) zu zerstören. Da sowohl die Buchse 1 1 als auch der Stecker 13 mit einem hitze- und schlagbeständigen Kunststoff (Duroplast) ummantelt sind, ist eine ungewollte Berührung der elektrischen Kontakte auch bei einem geöffneten bzw. zerstörten Gehäuse praktisch ausgeschlossen.

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Liste der verwendeten Bezugszeichen

I Rohrelement/Keramikrohr

2 Deckelplatte (mit Schmelzkleber befestigt)

2.1 erster Abschnitt der mit Schmelzkleber befestigten Deckelplatte

2.2 zweiter Abschnitt der mit Schmelzkleber befestigten Deckelplatte

3 Deckelplatte (fest verbunden)

3.1 erster Abschnitt der fest verbundenen Deckelplatte

3.2 zweiter Abschnitt der fest verbundenen Deckelplatte

4 Druckelement/Druckfeder

5 Vertiefung/Ringnut (in der Deckelplatte)

6 Vertiefung/Ringnut (im Keramikrohr)

7 Durchbruch/Bohrung

8 schmelzendes Material/Schmelzkleber

9 Fixierstift

10 Bohrung (für Fixierstift)

I I Buchse

12 Anschlusselement der mit Schmelzkleber befestigten Deckelplat- te/Photovoltaik-Einbaustecker

13 Stecker

14 Anschlusselement der fest verbundenen Deckelplatte/Photovoltaik- Einbaubuchse

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