EP0828273A2 - Schalter mit einem Sicherheitselement - Google Patents

Schalter mit einem Sicherheitselement Download PDF

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EP0828273A2
EP0828273A2 EP97109367A EP97109367A EP0828273A2 EP 0828273 A2 EP0828273 A2 EP 0828273A2 EP 97109367 A EP97109367 A EP 97109367A EP 97109367 A EP97109367 A EP 97109367A EP 0828273 A2 EP0828273 A2 EP 0828273A2
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EP
European Patent Office
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temperature
switch
security element
switch according
spring
Prior art date
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EP97109367A
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EP0828273B1 (de
EP0828273A3 (de
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Marcel Peter Hofsäss
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HOFSAESS, MARCEL
Original Assignee
Individual
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Publication of EP0828273A3 publication Critical patent/EP0828273A3/de
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Publication of EP0828273B1 publication Critical patent/EP0828273B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/002—Thermally-actuated switches combined with protective means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H61/00—Electrothermal relays
    • H01H61/01—Details
    • H01H61/0107—Details making use of shape memory materials
    • H01H2061/0115—Shape memory alloy [SMA] actuator formed by coil spring
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H37/32—Thermally-sensitive members
    • H01H37/323—Thermally-sensitive members making use of shape memory materials
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H37/02—Details
    • H01H37/32—Thermally-sensitive members
    • H01H37/52—Thermally-sensitive members actuated due to deflection of bimetallic element

Definitions

  • the present invention relates to a switch with a at a response temperature switching mechanism to open and closing a connectable to external connections of the switch Circuit, the rear derailleur one with one External connection includes electrically connected movable contact, depending on the temperature of a bimetal part is in contact with a fixed contact that is electrically connected to the other external connection is connected.
  • Such switches also called temperature monitors are generally known.
  • the spring element can either be made of bimetal or be made of spring steel.
  • the spring element is made of bimetal, the result is a structurally very simple design, which, however, the The disadvantage is that the switching properties of the bimetal can change through the self-heating of electricity. This prevents if a separate bimetal part is provided, that works against the force of the spring element.
  • Such switches can be used both as openers and Be designed closer, with the bimetallic part above it Response temperature then either of the moving contact pushes away the fixed contact or in contact with it brings.
  • a series resistor gives a switch provided with it additionally a current sensitivity by the switch flowing current namely heats the series resistance, whereby the ohmic heat generated in this increases the Temperature of the bimetal part above the response temperature and thus leads to the opening of the switch when the flowing Current has exceeded a certain limit.
  • Such switches are e.g. with a consumer to be protected connected in series to prevent this from overheating and / or to protect overcurrent. You will find in particular on Protection of electric motors, transformers, electrical Household appliances etc. use.
  • the fuse then opens so that the circuit is irreversibly interrupted by the the electrical consumer to be protected is fed.
  • this object is achieved in the aforementioned Switch solved in that the switching mechanism is a safety element which changes its shape to a high temperature shape, when its temperature reaches a transition temperature that is above the response temperature and that the movable Contact depending on the temperature of the security element is in contact with the fixed contact.
  • the inventor of the present application has recognized that that the integration of a further temperature dependence in the rear derailleur allows, on the one hand, the disadvantageous To waive fuse protection and yet still reliable exceeding a permissible maximum temperature avoid.
  • the use of the security element is the same for switches that open and close at overtemperature applicable. It is particularly advantageous here that only one Component must be mounted on the device to be protected, the Safety function of the fuse is now, so to speak integrated in the new switch.
  • This security element can e.g. another bimetal element be that a significantly higher response temperature than that for has the usual switching operations bimetallic part used.
  • the response temperature of the bimetal element is clear the bimetallic element experiences above that of the bimetallic part not to the same extent the aging processes to which the bimetal part used for switching is subject to. Constructive is it e.g. possible, the bimetal element mechanically parallel to switch to the bimetallic part so that it has the same function how the bimetallic part exercises, but at a higher level Response temperature, here referred to as transition temperature upper safety temperature.
  • the security element in its high temperature form the moving contact in a security situation that he maintains even if the temperature of the security element below the The transformation temperature drops.
  • the advantage here is that mechanical self-retention, so to speak is achieved by the security element once open or closed switches remain in this state, even if the outside temperature drops again.
  • a locking lug on the switch which the movable contact or a part carrying it engages behind.
  • This locking lug can be arranged and designed in this way be that it is only used if that Security element changed into its high temperature form is.
  • Another advantage of this construction is that the Security situation can be unlocked manually, so that a mechanically self-holding but resettable temperature monitor is created.
  • the security element is made from a shape memory alloy.
  • the advantage here is that such shape memory alloys, which are also called memory metal, another switching and Show aging behavior as bimetal parts. Indeed the shape memory alloys show a slower switching behavior as bimetal parts.
  • the bimetal part for the fast Switch and the security element made of shape memory alloy for a safe and irreversible shutdown when exceeded a maximum temperature, namely the transition temperature of the Security element used.
  • Shape memory alloys have been around for several years known, they are characterized in that they are exceeded the transformation temperature its high temperature form again assume no matter what form they are in the cold state have been brought before. More information on such Shape memory alloys can be found e.g. in the theme volume “Alloys with shape memory", contact and study, volume 259, Expertverlag, Ehningen, 1988, or spectrum of science, 1980, Issue 1, pages 48-57, Donald Schetky: "Alloys, who remember shapes ".
  • the shape memory alloy maintains its high temperature shape even when its temperature drops below the transition temperature again.
  • the so-called one-way effect is used, which occurs if a shape memory alloy in the martensitic state remains in the area below a critical degree of deformation is deformed.
  • the transition temperature which can be between -150 ° C and + 150 ° C the original form, which then also in Cooling is retained.
  • the advantage here is that the security element itself for this ensures that the movable contact part permanently in its Security situation remains, so that on the latch mentioned above or similar mechanical locking means can be dispensed with can.
  • the security element heated to a temperature above its transition temperature it irreversibly takes its high temperature form, in which it permanently attaches to the movable contact part either with the fixed contact part or out of contact with the fixed Contact part holds, depending on whether the switch is a normally open contact or opener.
  • the advantage of this application is especially in the structurally simple structure that the new Switch using a shape memory alloy Has one-way effect as a security element.
  • the security element is a compression or tension spring.
  • the rear derailleur is one-sided clamped spring element, at the free end of the movable contact is arranged, and if the security element in its high temperature form on the spring element acts.
  • the advantage here is that temperature monitors in the usual design provided with an additional safety function can be.
  • the spring element is either itself Bimetal or made of spring steel, on which Bimetallic part acts.
  • Existing temperature monitors in this Design can be easily redesigned in that additionally a compression or tension spring made of a shape memory alloy is integrated into the rear derailleur. In the simplest If it is possible, it is possible to keep existing constructions and the additional spring on a suitable free space in the area to arrange the rear derailleur.
  • the rear derailleur has a spring snap disk includes the movable contact in the middle carries and is supported circumferentially on a housing part, through which it is electrically connected to the external connection, and if the security element on the spring snap washer acts.
  • This configuration is a different, common one Design of temperature monitors where the moving contact from a spring snap washer either made of bimetal or Spring steel is worn.
  • the spring snap washer is in the Usually inserted freely into a lower part of the housing, which either consists of Metal or has an insert on the bottom, on which the spring snap washer is supported and which is connected to the outside connection to the outside.
  • This Lower part of the housing is closed with a cover part either of electrically conductive material or of insulating Material is made. If both the cover part and the lower part of the housing are electrically conductive, they are through an insulating film electrically isolated from each other. If only one of the contact is made in both housing parts usually once on this electrically conductive Housing part and the other through the wall of the other housing part through it. It is also possible to remove both housing parts electrically insulating or electrically conductive material manufacture.
  • the spring snap washer is usually made of spring steel manufactured. With a temperature monitor designed as a break contact presses this spring snap disc below the response temperature the moving contact against the fixed contact, the current flowing through the switch via the spring washer to be led. A bimetallic snap disc is over the contact put that above the response temperature against the force of the spring snap washer the moving contact pushes away from the fixed contact, which is why it turns around supported on a housing part.
  • Such known temperature monitors can be easily can be provided with the additional safety function by the safety element as an additional part of the rear derailleur is provided and acts on the spring snap washer.
  • the security element is a Is disc which is put over the movable contact and at least in its high temperature form on a housing part supports.
  • the disk is circumferentially on one Housing part is fixed, preferably circumferentially on a Shoulder between a lower housing part and a cover part is held.
  • the advantage here is that the disc is the movements of the Rear derailleur at low temperatures, so as long as there is no mechanical load, such as the transition temperature is not reached. Even on this very simple one This ensures that the bimetal part and Security element subject to different aging processes.
  • Fig. 1 generally 10 denotes a switch that there is shown schematically in longitudinal section.
  • the desk 10 comprises a housing 11 made of insulating material, in which a temperature-dependent switching mechanism 12 is arranged.
  • the switch 10 has two external connections 14, 15, via which he is in series with an electrical consumer to be protected and its supply voltage is switched. Internally the switch 10, two contact rails 17, 18 are arranged, which are electrically connected to the external connections 15 and 14, respectively are.
  • the switching mechanism 12 comprises a movable contact 21 which is connected to a free end 22 one at its other end 23 on the Contact rail 17 attached spring element 24 is arranged.
  • the spring element 24 a bimetallic part 25 in the position shown in FIG. 1 presses the movable contact 21 against a fixed contact 26, which is attached to the upper contact rail 18.
  • the switch 10 In the position shown in Fig. 1, the switch 10 is closed, between the two external connections 14 and 15 via the contact rail 18, the fixed contact 26, the movable Contact 21, the spring element 24 and the contact rail 17 a low-resistance electrically conductive connection.
  • the switch 10 also includes a security element 24 in the form a compression spring 28 made of a shape memory alloy.
  • the Compression spring 28 is via an insulating piece 29 on the upper Contact rail 18 attached.
  • the compression spring 28 In the temperature ranges corresponding to the switch positions 10 corresponds to FIGS. 1 and 2, the compression spring 28 the helical shape shown there. If the However, the temperature of the compression spring is above the response temperature lying transformation temperature increases, so converts their shape into the high temperature shape shown in Fig. 3 31, in which it the spring element 24 in the indicated at 32 Security situation presses.
  • the compression spring 28 is made of a shape memory alloy One-way effect manufactured, which means that the compression spring 28th maintains its high temperature shape 31 even when the Temperature back to well below the transition temperature sinks. This means that the compression spring 28 the Switch 10 keeps open permanently (even if the temperature drops again). Of course, this requires that the Force that the compression spring 28 in its high temperature form 31st exerts on the spring element 24 is greater than the closing force, with which the spring element 24, the movable contact 21 on the to press fixed contact 26.
  • the necessary setting of the spring constant of Spring element 24 and compression spring 28 can be selected by the Adjust alloys and normal deformation.
  • FIG. 4 is a second embodiment of a switch 40 shown, the lower housing part 41 and one of these closing cover part 42 includes.
  • a temperature-dependent switching mechanism indicated at 43 43 arranged in the lower part of the housing 41 .
  • the switching mechanism 43 includes one freely in the lower housing part 41 inserted spring snap disk 45, which is approximately centric carries movable contact 46, over which a bimetallic snap disc 47 is turned over.
  • the spring snap disk 45 supports with its edge 49 on the inside of the lower housing part 41 and presses the movable contact 46 against one inside the fixed part 51 provided for the cover part 42.
  • the fixed contact Contact 51 extends through the rivet 52 Cover part 42 and goes outside into a first outer connection 43 over.
  • Lower housing part 41 has a second external connection 54 since it is made of electrically conductive material is made while the Cover part 42 consists of electrically insulating material.
  • the switching mechanism 43 also has a safety element 55 in Form a disk 56 made of a shape memory alloy.
  • the disc 56 is with its center hole 57 over the movable Contact 46 is turned over and is supported with its edge 58 on one Shoulder 59 of the lower housing part 41. Sitting on edge 58 the cover part 42 with a circular ring projection 61.
  • the cover part 42 is through a flange 62 of the lower housing part 41 held captive on this. So that the edge 58 the disc 56 still has a certain mobility compared to the Receives shoulder 59 is a circumferential on the ring projection 61 Collar 63 is provided, which is directly on the shoulder 59 lies on.
  • the game between ring projection 61 and edge 58 of Disk 56 is not shown in FIG. 4 for reasons of clarity to see.
  • the position of the switch 40 in Fig. 4 corresponds to the position of the switch 10 in FIG. 1, the bimetallic snap disk 57 is below their response temperature. Increases the temperature of the bimetallic snap disk 47 to above Response temperature, this presses with its edge 64 from below against the disc 56 and presses against the force of the spring snap disc 45 the movable contact 46 from the fixed Contact 51 gone. The position that the switch 40 then occupies corresponds to that shown in FIG. 2 for the switch 10.

Abstract

Ein Schalter (10) umfaßt ein bei einer Ansprechtemperatur schaltendes Schaltwerk (12) zum Öffnen und Schließen eines an Außenanschlüsse (14, 15) des Schalters (10) anschließbaren Schaltkreises. Das Schaltwerk (12) umfaßt dabei einen mit einem Außenanschluß (15) elektrisch verbundenen, beweglichen Kontakt (21), der in Abhängigkeit von der Temperatur eines Bimetall-Teiles in Anlage mit einem festen Kontakt (26) ist, der elektrisch mit dem anderen Außenanschluß (14) verbunden ist. Das Schaltwerk (12) umfaßt ferner ein Sicherheitselement (28), das seine Form in eine Hochtemperaturform (31) ändert, wenn seine Temperatur eine Umwandlungstemperatur erreicht, die oberhalb der Ansprechtemperatur liegt. Der bewegliche Kontakt (21) ist dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Sicherheitselementes (28) in Anlage mit dem festen Kontakt (26). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter mit einem bei einer Ansprechtemperatur schaltenden Schaltwerk zum Öffnen und Schließen eines an Außenanschlüsse des Schalters anschließbaren Schaltkreises, wobei das Schaltwerk einen mit einem Außenanschluß elektrisch verbundenen beweglichen Kontakt umfaßt, der in Abhängigkeit von der Temperatur eines Bimetall-Teiles in Anlage mit einem festen Kontakt ist, der elektrisch mit dem anderen Außenanschluß verbunden ist.
Derartige Schalter, die auch als Temperaturwächter bezeichnet werden, sind allgemein bekannt.
Prinzipiell sind zwei unterschiedliche Konstruktionsvarianten derartiger Schalter zu unterscheiden. Bei der ersten Bauform wird der bewegliche Kontakt von einem einseitig eingespannten Federelement gehalten, während bei der zweiten Bauform der bewegliche Kontakt etwa mittig an einer Feder-Schnappscheibe angeordnet ist, die frei in ein Gehäuse eingelegt ist und sich mit ihrem Rand an einem Gehäuseteil des Schalters abstützt.
Wenn der Schalter mit seinen Außenanschlüssen in einen Schaltkreis eingeschaltet ist, so fließt bei geschlossenem Schalter der Strom über den einen Außenanschluß durch den festen und beweglichen Kontakt sowie das Federelement zu dem anderen Außenanschluß. Das Federelement kann dabei entweder aus Bimetall oder aus Federstahl gefertigt sein.
Wenn das Federelement aus Bimetall gefertigt ist, ergibt sich eine konstruktiv sehr einfache Bauform, die jedoch ggf. den Nachteil hat, daß sich die Schalteigenschaften des Bimetalls durch die Stromeigenerwärmung verändern kann. Dies wird verhindert, wenn ein gesondertes Bimetall-Teil vorgesehen ist, das gegen die Kraft des Federelementes arbeitet.
Derartige Schalter können sowohl als Öffner als auch als Schließer ausgelegt sein, wobei das Bimetall-Teil oberhalb seiner Ansprechtemperatur den beweglichen Kontakt dann entweder von dem festen Kontakt wegdrückt oder aber in Anlage mit diesem bringt.
Es ist weiter bekannt, derartigen Schaltern Reihen- und/oder Parallelwiderstände zuzuordnen, um weitere Schalteigenschaften zu erzielen. Ein parallel geschalteter Widerstand verleiht einem bei Übertemperatur öffnenden Schalter eine Selbsthaltefunktion, das Bimetall-Teil wird durch die in dem Widerstand erzeugte Ohm'sche Wärme auf einer Temperatur oberhalb seiner Ansprechtemperatur und damit im geöffneten Zustand gehalten.
Ein Reihenwiderstand verleiht einem damit versehenen Schalter zusätzlich eine Stromempfindlichkeit, der durch den Schalter fließende Strom erwärmt nämlich den Reihenwiderstand, wobei die in diesem erzeugte Ohm'sche Wärme zu einer Erhöhung der Temperatur des Bimetall-Teiles über die Ansprechtemperatur hinaus und damit zum Öffnen des Schalters führt, wenn der fließende Strom einen bestimmten Grenzwert überschritten hat.
Derartige Schalter werden z.B. mit einem zu schützenden Verbraucher in Reihe geschaltet, um diesen vor Übertemperatur und/oder Überstrom zu schützen. Sie finden insbesondere zum Schutz von Elektromotoren, Transformatoren, elektrischen Haushaltsgeräten etc. Verwendung.
Es ist bekannt, daß sich das Schaltverhalten des Bimetall-Teiles mit der Zeit verändert, infolge der Alterung verschiebt sich die Schalttemperatur um bis zu 30°C nach oben, was zu Sicherheitsproblemen führen kann. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bereits bekannt, mit einem derartigen Schalter eine gesonderte Schmelzsicherung in Reihe zu schalten, die oberhalb der Ansprechtemperatur des Schalters, aber unterhalb der zulässigen Höchsttemperatur öffnet. Derartige Schmelzsicherungen werden insbesondere im Transformatorenbereich eingesetzt, wo die Verwendung von Temperaturwächtern ohne Selbsthaltung nur im Zusammenhang mit einer in Reihe geschalteten Schmelzsicherung erfolgt.
Wenn infolge der Alterung des Bimetall-Teiles oder eines sonstigen Defektes der Schalter bei der gewünschten Ansprechtemperatur nicht schaltet, so erhöht sich die Temperatur des zu überwachenden Gerätes, mit dem der Schalter in thermischer Verbindung steht, solange, bis die Schmelztemperatur der Schmelzsicherung erreicht ist. Die Schmelzsicherung öffnet dann, so daß der Stromkreis irreversibel unterbrochen ist, durch den der zu schützende elektrische Verbraucher gespeist wird.
Der zusätzliche Einsatz einer derartigen Schmelzsicherung bringt jedoch eine Reihe von Nachteilen mit sich. Zum einen müssen zwei getrennte Bauteile an dem zu schützenden Gerät montiert werden, was nicht nur den zeitlichen Montageaufwand erhöht sondern zusätzlich an dem Gerät auch weiteren Montageplatz erfordert. Dies ist insbesondere deshalb von Nachteil, weil die bekannten Schmelzsicherungen sehr voluminös sind, so daß entsprechender Raum an dem zu schützenden Gerät vorgesehen werden muß.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs genannten Schalter derart weiterzubilden, daß auf konstruktiv einfache Weise die oben erwähnten Sicherheits- und Montageprobleme beseitigt werden. Der neue Schalter soll insbesondere bei konstruktiv einfachem Aufbau eine zusätzliche Sicherung gegen Alterung des Bimetall-Teiles aufweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Schalter dadurch gelöst, daß das Schaltwerk ein Sicherheitselement umfaßt, das seine Form in eine Hochtemperaturform ändert, wenn seine Temperatur eine Umwandlungstemperatur erreicht, die oberhalb der Ansprechtemperatur liegt, und daß der bewegliche Kontakt in Abhängigkeit von der Temperatur des Sicherheitselementes in Anlage mit dem festen Kontakt ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt, daß die Integration einer weiteren Temperaturabhängigkeit in das Schaltwerk es ermöglicht, einerseits auf die nachteilige Schmelzsichervng zu verzichten und andererseits dennoch zuverlässig das Überschreiten einer zulässigen Höchsttemperatur zu vermeiden. Der Einsatz des Sicherheitselementes ist gleichermaßen für bei Übertemperatur öffnende und schließende Schalter einsetzbar. Von besonderem Vorteil ist hier, daß nur ein einziges Bauteil an dem zu schützenden Gerät montiert werden muß, die Sicherheitsfunktion der Schmelzsicherung ist jetzt sozusagen in den neuen Schalter mit integriert.
Dieses Sicherheitselement kann z.B. ein weiteres Bimetall-Element sein, daß eine deutlich höhere Ansprechtemperatur als das für die üblichen Schaltvorgänge verwendete Bimetall-Teil aufweist. Da die Ansprechtemperatur des Bimetall-Elementes deutlich oberhalb der des Bimetall-Teiles liegt, erfährt das Bimetall-Element nicht in dem gleichen Maße die Alterungsvorgänge, denen das zum Schalten verwendete Bimetall-Teil unterliegt. Konstruktiv ist es z.B. möglich, das Bimetall-Element mechanisch parallel zu dem Bimetall-Teil zu schalten, so daß es die gleiche Funktion wie das Bimetall-Teil ausübt, dies jedoch bei einer höheren Ansprechtemperatur, der hier mit Umwandlungstemperatur bezeichneten oberen Sicherheitstemperatur.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn das Sicherheitselement in seiner Hochtemperaturform den beweglichen Kontakt in einer Sicherheitslage hält, die er auch dann beibehält, wenn die Temperatur des Sicherheitselementes wieder unter die Umwandlungstemperatur absinkt.
Hier ist von Vorteil, daß sozusagen eine mechanische Selbsthaltung erreicht wird, der durch das Sicherheitselement einmal geöffnete oder geschlossene Schalter bleibt in diesem Zustand, auch wenn die Außentemperatur wieder absinkt. Hier ist es z.B. möglich, eine Verriegelungsnase an dem Schalter vorzusehen, die der bewegliche Kontakt oder ein ihn tragendes Teil hintergreift. Diese Verriegelungsnase kann so angeordnet und ausgestaltet sein, daß sie nur dann zum Einsatz kommt, wenn das Sicherheitselement in seine Hochtemperaturform übergegangen ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, daß die Sicherheitslage manuell wieder entriegelt werden kann, so daß ein mechanisch selbsthaltender, aber zurücksetzbarer Temperaturwächter geschaffen ist.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn das Sicherheitselement aus einer Formgedächtnis-Legierung gefertigt ist.
Hier ist von Vorteil, daß derartige Formgedächtnis-Legierungen, die auch als Memory-Metall bezeichnet werden, ein anderes Schalt- und Alterungsverhalten als Bimetall-Teile aufweisen. Allerdings zeigen die Formgedächtnis-Legierungen ein langsameres Schaltverhalten als Bimetall-Teile. In vorteilhafter Weise werden bei diesem Ausführungsbeispiel das Bimetall-Teil für das schnelle Schalten und das Sicherheitselement aus Formgedächtnis-Legierung für ein sicheres und irreversibles Abschalten bei Überschreiten einer Höchsttemperatur, nämlich der Umwandlungstemperatur des Sicherheitselementes verwendet.
Derartige Formgedächtnis-Legierungen sind seit einigen Jahren bekannt, sie zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei Überschreiten der Umwandlungstemperatur ihre Hochtemperaturform wieder annehmen, unabhängig davon, in welche Form sie im kalten Zustand zuvor gebracht worden sind. Weitere Informationen zu derartigen Formgedächtnis-Legierungen finden sich z.B. in dem Themenband "Legierungen mit Formgedächtnis", Kontakt und Studium, Band 259, Expertverlag, Ehningen, 1988, oder Spektrum der Wissenschaft, 1980, Heft 1, Seiten 48-57, Donald Schetky: "Legierungen, die sich an Formen erinnern".
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Formgedächtnis-Legierung ihre Hochtemperaturform auch dann beibehält, wenn ihre Temperatur wieder unter die Umwandlungstemperatur absinkt.
Hier wird der sogenannte Einwegeffekt ausgenutzt, der auftritt, wenn eine Formgedächtnis-Legierung im martensitischen Zustand im Bereich unterhalb eines kritischen Verformungsgrades bleibend verformt wird. Bei Erwärmung auf die Umwandlungstemperatur, die im Bereich zwischen -150°C und +150°C liegen kann, stellt sich die ursprüngliche Form wieder ein, die dann auch bei Abkühlung erhalten bleibt.
Hier ist von Vorteil, daß das Sicherheitselement selbst dafür sorgt, daß das bewegliche Kontaktteil dauerhaft in seiner Sicherheitslage bleibt, so daß auf die oben erwähnte Rastnase oder ähnliche mechanische Arretierungsmittel verzichtet werden kann. Mit anderen Worten, wenn das Sicherheitselement einmal auf eine Temperatur oberhalb seiner Umwandlungstemperatur erhitzt wurde, nimmt es irreversibel seine Hochtemperaturform ein, in der es das bewegliche Kontaktteil dauerhaft entweder in Anlage mit dem festen Kontaktteil oder aber außer Anlage mit dem festen Kontaktteil hält, je nachdem, ob der Schalter ein Schließer oder Öffner ist. Der Vorteil dieser Anwendung liegt also insbesondere in dem konstruktiv einfachen Aufbau, den der neue Schalter durch Verwendung einer Formgedächtnis-Legierung mit Einwegeffekt als Sicherheitselement aufweist.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn das Sicherheitselement eine Druck- oder Zugfeder ist.
Auch diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, die inzwischen kommerziell erhältliche Druck- oder Zugfeder aus Formgedächtnis-Legierung muß lediglich geeignet in dem Gehäuse z.B. zwischen einem gehäusefesten Anschlag und dem Federelement angeordnet werden. Weitere konstruktive Änderungen an bekannten Schaltern sind nicht erforderlich.
Insgesamt ist es bevorzugt, wenn das Schaltwerk ein einseitig eingespanntes Federelement umfaßt, an dessen freiem Ende der bewegliche Kontakt angeordnet ist, und wenn das Sicherheitselement in seiner Hochtemperaturform auf das Federelement einwirkt.
Hier ist von Vorteil, daß Temperaturwächter in üblicher Ausgestaltung mit einer zusätzlichen Sicherheitsfunktion versehen werden können. Das Federelement ist dabei entweder selbst aus Bimetall oder aber aus Federstahl gefertigt, auf den das Bimetall-Teil einwirkt. Bestehende Temperaturwächter in dieser Ausgestaltung können leicht dadurch umkonstruiert werden, daß zusätzlich eine Druck- oder Zugfeder aus einer Formgedächtnis-Legierung in das Schaltwerk integriert wird. Im einfachsten Falle ist es möglich, bestehende Konstruktionen beizubehalten und die zusätzliche Feder an einem geeigneten Freiraum im Bereich des Schaltwerkes anzuordnen.
Andererseits ist es bevorzugt, wenn das Schaltwerk eine Feder-Schnappscheibe umfaßt, die etwa mittig den beweglichen Kontakt trägt und sich umfangsseitig an einem Gehäuseteil abstützt, über das sie mit dem Außenanschluß elektrisch verbunden ist, und wenn das Sicherheitselement auf die Feder-Schnappscheibe einwirkt.
Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich um eine andere, übliche Bauform von Temperaturwächtern, bei denen der bewegliche Kontakt von einer Feder-Schnappscheibe entweder aus Bimetall oder aus Federstahl getragen wird. Die Feder-Schnappscheibe ist in der Regel frei in ein Gehäuseunterteil eingelegt, das entweder aus Metall besteht oder aber an seinem Boden einen Einsatz trägt, auf dem sich die Feder-Schnappscheibe randseitig abstützt und das nach außen mit dem Außenanschluß verbunden ist. Dieses Gehäuseunterteil ist mit einem Deckelteil verschlossen, der entweder aus elektrisch leitendem Material oder aus isolierendem Material gefertigt ist. Wenn sowohl Deckelteil als auch Gehäuseunterteil elektrisch leitend sind, sind sie durch eine Isolierfolie gegeneinander elektrisch isoliert. Wenn nur eines der beiden Gehäuseteile elektrisch leitend ist, erfolgt die Kontaktierung in der Regel einmal an diesem elektrisch leitenden Gehäuseteil und zum anderen durch die Wand des anderen Gehäuseteiles hindurch. Es ist auch möglich, beide Gehäuseteile aus elektrisch isolierendem oder elektrisch leitendem Material zu fertigen.
In der Regel ist die Feder-Schnappscheibe aus Federstahl gefertigt. Bei einem als Öffner ausgebildeten Temperaturwächter drückt diese Feder-Schnappscheibe unterhalb der Ansprechtemperatur den beweglichen Kontakt gegen den festen Kontakt, wobei der durch den Schalter fließende Strom über die Federscheibe geführt wird. Über den Kontakt ist eine Bimetall-Schnappscheibe gestülpt, die oberhalb der Ansprechtemperatur gegen die Kraft der Feder-Schnappscheibe den beweglichen Kontakt von dem festen Kontakt wegdrückt, wozu sie sich umfangsseitig an einem Gehäuseteil abstützt.
Derartige, bekannte Temperaturwächter können auf einfache Weise mit der zusätzlichen Sicherheitsfunktion versehen werden, indem das Sicherheitselement als zusätzliches Teil des Schaltwerkes vorgesehen wird und auf die Feder-Schnappscheibe einwirkt.
Dabei ist es dann bevorzugt, wenn das Sicherheitselement eine Scheibe ist, die über den beweglichen Kontakt gestülpt ist und sich zumindest in ihrer Hochtemperaturform an einem Gehäuseteil abstützt.
Bei dieser Maßnahme ist der einfache konstruktive Aufbau von Vorteil, es muß lediglich eine weitere Scheibe in einen bekannten Temperaturwächter eingelegt werden, weitere konstruktive Änderungen sind nicht erforderlich, um den neuen Schalter mit de zusätzlichen Sicherheitsfunktion zu versehen. Hierzu muß also lediglich ein übliches Schaltwerk aus Feder-Schnappscheibe und ggf. Bimetall-Schnappscheibe um eine weitere Scheibe ergänzt werden.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Scheibe umfangsseitig an einem Gehäuseteil festgelegt ist, vorzugsweise umfänglich auf einer Schulter zwischen einem Gehäuseunterteil und einem Deckelteil gehalten wird.
Hier ist von Vorteil, daß die Scheibe die Bewegungen des Schaltwerkes bei niedrigen Temperaturen nicht mit macht, also solange mechanisch nicht belastet wird, wie die Umwandlungstemperatur nicht erreicht wird. Auch auf diese sehr einfache Weise wird sichergestellt, daß das Bimetall-Teil und das Sicherheitselement unterschiedlichen Alterungsprozessen unterliegen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Schalters, wobei sich das Schaltwerk unterhalb der Ansprechtemperatur befindet;
Fig. 2
den Schalter aus Fig. 1, wobei das Schaltwerk eine Temperatur oberhalb der Ansprechtemperatur eingenommen hat;
Fig. 3
einen Schalter wie in den Fig. 1 und 2, wobei das Schaltwerk jetzt eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur eingenommen hat; und
Fig. 4
ein weiteres Ausführungsbeispiel des neuen Schalters, wobei das Schaltwerk eine Temperatur unterhalb der Ansprechtemperatur aufweist.
In Fig. 1 ist allgemein mit 10 ein Schalter bezeichnet, der dort schematisch im Längsschnitt dargestellt ist. Der Schalter 10 umfaßt ein Gehäuse 11 aus Isoliermaterial, in dem ein temperaturabhängiges Schaltwerk 12 angeordnet ist.
Der Schalter 10 weist zwei Außenanschlüsse 14, 15 auf, über die er in Reihe mit einem zu schützenden elektrischen Verbraucher sowie dessen Versorgungsspannung geschaltet wird. Im Inneren des Schalters 10 sind zwei Kontaktschienen 17, 18 angeordnet, die elektrisch mit den Außenanschlüssen 15 bzw. 14 verbunden sind.
Das Schaltwerk 12 umfaßt einen beweglichen Kontakt 21, der an einem freien Ende 22 eines an seinem anderen Ende 23 an der Kontaktschiene 17 befestigten Federelementes 24 angeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Federelement 24 ein Bimetall-Teil 25, das in der in Fig. 1 gezeigten Stellung den beweglichen Kontakt 21 gegen einen festen Kontakt 26 drückt, der an der oberen Kontaktschiene 18 befestigt ist.
In der in Fig. 1 gezeigten Stellung ist der Schalter 10 geschlossen, zwischen den beiden Außenanschlüssen 14 und 15 besteht über die Kontaktschiene 18, den festen Kontakt 26, den beweglichen Kontakt 21, das Federelement 24 sowie die Kontaktschiene 17 eine niederohmige elektrisch leitende Verbindung.
Wenn jetzt die Temperatur des Federelementes 24 über die Ansprechtemperatur hinaus erhöht wird, dann bewegt das Federelement 24 infolge der Verformung des Bimetall-Materials den beweglichen Kontakt 21 von dem festen Kontakt 26 weg, so daß der Schalter die in Fig. 2 skizzierte Stellung einnimmt, in der keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Außenanschlüssen 14 und 15 durch den Schalter 10 hindurch mehr existiert. Verringert sich die Temperatur des Federelementes 24 wieder unter die Ansprechtemperatur, so schließt der Schalter 10 wieder.
Der Schalter 10 umfaßt ferner ein Sicherheitselement 24 in Form einer Druckfeder 28 aus einer Formgedächtnis-Legierung. Die Druckfeder 28 ist über ein Isolierstück 29 an der oberen Kontaktschiene 18 befestigt.
In den Temperaturbereichen, die den Stellungen des Schalters 10 aus den Fig. 1 und 2 entspricht, behält die Druckfeder 28 ihre dort gezeigte, schraubenförmige Form bei. Wenn sich die Temperatur der Druckfeder jedoch auf eine oberhalb der Ansprechtemperatur liegende Umwandlungstemperatur erhöht, so wandelt sich ihre Form in die in Fig. 3 gezeigte Hochtemperaturform 31, in der sie das Federelement 24 in die bei 32 angedeutete Sicherheitslage drückt.
Die Druckfeder 28 ist aus einer Formgedächtnis-Legierung mit Einwegeffekt gefertigt, was bedeutet, daß die Druckfeder 28 ihre Hochtemperaturform 31 auch dann beibehält, wenn die Temperatur wieder auf deutlich unterhalb der Umwandlungstemperatur absinkt. Das bedeutet, daß die Druckfeder 28 den Schalter 10 dauerhaft geöffnet hält (auch wenn die Temperatur wieder absinkt). Hierzu ist es natürlich erforderlich, daß die Kraft, die die Druckfeder 28 in ihrer Hochtemperaturform 31 auf das Federelement 24 ausübt, größer ist als die Schließkraft, mit der das Federelement 24 den beweglichen Kontakt 21 auf den festen Kontakt 26 zu drückt.
Die dazu erforderliche Einstellung der Federkonstanten von Federelement 24 sowie Druckfeder 28 läßt sich durch Wahl der Legierungen sowie übliche Verformung einstellen.
In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schalters 40 gezeigt, der ein Gehäuseunterteil 41 sowie ein dieses verschließendes Deckelteil 42 umfaßt. In dem Gehäuseunterteil 41 ist ein bei 43 angedeutetes, temperaturabhängiges Schaltwerk 43 angeordnet.
Das Schaltwerk 43 umfaßt eine frei in das Gehäuseunterteil 41 eingelegte Feder-Schnappscheibe 45, die etwa zentrisch einen beweglichen Kontakt 46 trägt, über den eine Bimetall-Schnappscheibe 47 gestülpt ist. Die Feder-Schnappscheibe 45 stützt sich mit ihrem Rand 49 innen an dem Gehäuseunterteil 41 ab und drückt dabei den beweglichen Kontakt 46 gegen einen innen an dem Deckelteil 42 vorgesehenen festen Kontakt 51. Der feste Kontakt 51 erstreckt sich nach Art eines Nietes 52 durch das Deckelteil 42 hindurch und geht außen in einen ersten Außenanschluß 43 über. Bei dem Schalter 40 aus Fig. 4 bildet das Gehäuseunterteil 41 einen zweiten Außenanschluß 54, da es aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt ist, während das Deckelteil 42 aus elektrisch isolierendem Material besteht.
Das Schaltwerk 43 weist weiter ein Sicherheitselement 55 in Form einer Scheibe 56 aus einer Formgedächtnis-Legierung auf. Die Scheibe 56 ist mit ihrem Mittenloch 57 über den beweglichen Kontakt 46 gestülpt und stützt sich mit ihrem Rand 58 auf einer Schulter 59 des Gehäuseunterteils 41 ab. Auf dem Rand 58 sitzt das Deckelteil 42 mit einem kreisförmigen Ringvorsprung 61 auf. Das Deckelteil 42 ist durch einen Bördelrand 62 des Gehäuseunterteils 41 an diesem unverlierbar gehalten. Damit der Rand 58 der Scheibe 56 noch eine gewisse Beweglichkeit gegenüber der Schulter 59 erhält, ist an dem Ringvorsprung 61 ein umlaufender Kragen 63 vorgesehen, der unmittelbar auf der Schulter 59 aufliegt. Das Spiel zwischen Ringvorsprung 61 und Rand 58 von Scheibe 56 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 4 nicht zu sehen.
Die Stellung des Schalters 40 in Fig. 4 entspricht der Stellung des Schalters 10 in Fig. 1, die Bimetall-Schnappscheibe 57 befindet sich unterhalb ihrer Ansprechtemperatur. Erhöht sich die Temperatur der Bimetall-Schnappscheibe 47 auf oberhalb der Ansprechtemperatur, so drückt diese mit ihrem Rand 64 von unten gegen die Scheibe 56 und drückt dabei gegen die Kraft der Feder-Schnappscheibe 45 den beweglichen Kontakt 46 von dem festen Kontakt 51 weg. Die Stellung, die der Schalter 40 dann einnimmt, entspricht der in Fig. 2 für den Schalter 10 gezeigten.
Wenn die Temperatur der Bimetall-Schnappscheibe 47 wieder absinkt, geht der Schalter 40 wieder in die in Fig. 4 gezeigte Stellung zurück.
Durch Alterungsprozesse kann es jetzt geschehen, daß die Ansprechtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe 47 um bis zu 30°C ansteigt, so daß sie oberhalb einer Umwandlungstemperatur der Scheibe 56 liegt. Erreicht jetzt die Temperatur der Bimetall-Schnappscheibe 47 sowie der Scheibe 56 die Umwandlungstemperatur, so spricht zwar ggf. die Bimetall-Schnappscheibe 47 noch nicht an, dafür geht die Scheibe 56 jedoch in ihre Hochtemperaturform über, in der sie eine konkave Form aufweist und den beweglichen Kontakt 46 gegen die Kraft von Feder-Schnappscheibe 45 sowie Bimetall-Schnappscheibe 47 von dem festen Kontakt 51 wegdrückt. Diese Hochtemperaturform der Scheibe 56 ist irreversibel, sie bleibt auch erhalten, wenn die Temperatur wieder deutlich absinkt, so daß der Schalter 40 dauerhaft geöffnet bleibt, wenn er einmal auf eine Temperatur von oberhalb der Umwandlungstemperatur der Scheibe 56 aufgeheizt wurde.

Claims (11)

  1. Schalter mit einem bei einer Ansprechtemperatur schaltenden Schaltwerk (12; 43) zum Öffnen und Schließen eines an Außenanschlüsse (14, 15; 53, 54) des Schalters (10; 40) anschließbaren Schaltkreises, wobei das Schaltwerk (12; 43) einen mit einem Außenanschluß (15; 44) elektrisch verbundenen beweglichen Kontakt (21; 46) umfaßt, der in Abhängigkeit von der Temperatur eines Bimetall-Teiles (25; 47) in Anlage mit einem festen Kontakt (26; 51) ist, der elektrisch mit dem anderen Außenanschluß (14; 53) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk (12; 43) ein Sicherheitselement (27; 55) umfaßt, das seine Form in eine Hochtemperaturform (31) ändert, wenn seine Temperatur eine Umwandlungstemperatur erreicht, die oberhalb der Ansprechtemperatur liegt, und daß der bewegliche Kontakt (21; 46) in Abhängigkeit von der Temperatur des Sicherheitselementes (27; 55) in Anlage mit dem festen Kontakt (26; 51) ist.
  2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitselement (27; 55) in seiner Hochtemperaturform den beweglichen Kontakt (21; 46) in einer Sicherheitslage (32) hält, die er auch dann beibehält, wenn die Temperatur des Sicherheitselementes (27; 55) wieder unter die Umwandlungstemperatur absinkt.
  3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitselement (27; 55) aus einer Formgedächtnis-Legierung gefertigt ist.
  4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnis-Legierung ihre Hochtemperaturform (31) auch dann beibehält, wenn ihre Temperatur wieder unter die Umwandlungstemperatur absinkt.
  5. Schalter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitselement (27; 55) eine Druckfeder (28) oder eine Zugfeder ist.
  6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk (12) ein einseitig eingespanntes Federelement (24) umfaßt, an dessen freiem Ende (22) der bewegliche Kontakt (21) angeordnet ist, und daß das Sicherheitselement (27) in seiner Hochtemperaturform (31) auf das Federelement (24) einwirkt.
  7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk (43) eine Feder-Schnappscheibe (45) umfaßt, die etwa mittig den beweglichen Kontakt (46) trägt und sich umfangsseitig an einem Gehäuseteil (41) abstützt, über das sie mit dem Außenanschluß (54) elektrisch verbunden ist, und daß das Sicherheitselement (55) auf die Feder-Schnappscheibe (45) einwirkt.
  8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Feder-Schnappscheibe (45) eine Bimetall-Schnappscheibe (47) zugeordnet ist, die über den beweglichen Kontakt (46) gestülpt ist und sich oberhalb der Ansprechtemperatur umfangsseitig an einem Gehäuseteil (41) abstützt.
  9. Schalter nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitselement (55) eine Scheibe (56) ist, die über den beweglichen Kontakt (46) gestülpt ist und sich zumindest in ihrer Hochtemperaturform an einem Gehäuseteil (61) abstützt.
  10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (56) umfangsseitig an einem Gehäuseteil (61, 59) festgelegt ist.
  11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (56) umfangsseitig auf einer Schulter (59) zwischen einem Gehäuseunterteil (41) und einem Deckelteil (42) gehalten wird.
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