CH616270A5

CH616270A5 -

Info

Publication number: CH616270A5
Application number: CH569877A
Authority: CH
Inventors: Keith N Dr Melton; Olivier Dr Mercier
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1977-05-06
Publication date: 1980-03-14
Also published as: FR2389990B1; JPS53138071A; IT7822578A0; FR2389990A1; US4205293A; DE7716963U1; IT1094117B; GB1597437A; DE2724255A1

Description

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Schalter zu entwickeln, dessen Schalttemperatur von den spezifischen kritischen Ansprechtemperaturen der verwendeten Formgedächtnislegierung bzw. in relativ weiten Bereichen von der Legierungszusammensetzung unabhängig ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die temperaturbedingte reversible Zustandsänderung von Gebilden aus Formgedächtnislegierungen mit Zweiwegeffekt durch von aussen auf das Gebilde einwirkende Kräfte beeinflusst werden kann und dass sich dies in überraschend einfacher Weise zur Festlegung oder Veränderung der Ansprech- bzw. Schalttemperaturen thermoelektrischer Schalter ausnützen lässt, die als den Schaltvorgang auslösendes Element ein solches aus Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt besitzen. Ferner wurde gefunden, dass Auslöseelemente aus Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt die Doppelfunktion der Sicherung gegen langsam zunehmende und gegen schlagartig ansteigende Ströme übernehmen können und daher nicht nur anstelle von Bimetallstreifen verwendet, sondern gleichzeitig auch die Funktion von elektromagnetischen Schaltern oder Schmelzsicherungen und ähnlichen Kurzschlusssicherungen übernehmen können.

Der erfindungsgemässe thermoelektrische Schalter besitzt mindestens ein vom zu schaltenden Strom durchflossenes und den Schaltvorgang auslösendes Element aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt und ist gekennnzeichnet durch mindestens eine mit dem Auslöseelement zusammenwirkende Spanneinrichtung, deren auf das Auslöseelement, zum Beispiel als Zugspannung, Druckspannung oder Torsionsspannung, einwirkende Kraft zur Festlegung der Temperatur des Schaltvorganges dient.

Der hier als Unterscheidungskriterium genannte Zweiweg-

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Effekt ist allgemein dann gegeben, wenn ein Gebilde aus einer Formgedächtnislegierung im mindestens teilweise martensiti-schen Zustand bei Temperaturänderungen einen praktisch reversiblen Formgedächtniseffekt zeigt, wie weiter unten eingehender erläutert.

Es ist aber zu bemerken, dass die Begriffe «martensitisch» bzw. «austenitisch» bestimmten metallurgischen Modellvorstellungen entsprechen, die in ihrer Verallgemeinerung noch nicht vollständig gesichert sind. Sowohl der Einweg-Effekt als auch der Zweiweg-Effekt sind jedoch experimentell gesicherte Befunde von klar unterscheidbaren Zuständen, die sich durch ihre physikalischen Kennwerte, zum Beispiel den weiter unten erläuterte Formänderungsfaktor und dessen Temperaturabhängigkeit, eindeutig definieren lassen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters mit einem sich bei Temperaturerhöhung kontrahierenden Auslöseelement aus Formgedächtnislegierung,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters mit einem sich bei Temperaturerhöhung expandierenden Auslöseelement aus Formgedächtnislegierung,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters mit einem sich bei Temperaturerhöhung verdrehenden Auslöseelement aus Formgedächtnislegierung,

Fig. 4 eine schematisch dargestellte Funktionsweise von Formgedächtnislegierung mit Einweg-Effekt,

Fig. 5 eine schematisch dargestellte Funktionsweise von Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt,

Fig. 6 die Spannungs/Temperatur-Kurve eines Auslöseelementes aus Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt,

Fig. 7a, 7b, 7c die halbschematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters mit mechanischer Schalterverstärkung, und zwar in verschiedenen Stellungen,

Fig. 8 das Beispiel eines Schaltschemas einer Mehrzahl von parallel geschalteten elektrischen Geräten, die durch einen erfindungsgemässen Schalter gegen Kurzschlussströme geschützt werden sollen, und

Fig. 9a, 9b, 9c die halbschematische Darstellung einer für Schaltungen gemäss Fig. 8 geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters in verschiedenen Stellungen.

Der schematisch in Fig. 1 dargestellte Aufbau eines Schalters 10 gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein längliches, zum Beispiel als Draht, Stab, Band oder dergleichen ausgebildetes Auslöseelement 11 aus einer Formgedächtnislegierung mit einer Ms-Temperatur nahe dem unteren Ende des gewünschten Bereiches der Ansprechtemperatur des Schalters. Beispiele geeigneter bzw. bevorzugter Legierungszusammensetzungen werden weiter unten erläutert. Das Auslöseelement 11 zeigt einen Zweiweg-Effekt von beispielsweise 1 -2%, der, wie ebenfalls weiter unten erläutert, durch eine entsprechende Vorbehandlung erzielbar ist und bewirkt, dass sich das Element in einem bestimmten Temperaturbereich bei Temperaturerhöhung kontrahiert bzw. bei Temperaturab-fall wieder verlängert.

Das eine in der Zeichnung oben liegende Ende des Auslöseelementes 11 ist mit einer Befestigung 111, das andere Ende mit einem Schaltarm 12 verbunden. Dieser Schaltarm ist um die mit der Befestigung 121 verbundene Anlenkung 122 schwenkbar und liegt in der nicht durchbrochen gezeichneten Stellung auf einem Kontakt 14, der auf einem Halter 141 befestigt ist. Der Kontakt 14 bzw. dessen Halter 141 ist mit einer nicht dargestellten elektrischen Leitung verbunden und der mit dem Schal-

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ter 10 zu schaltende Strom geht durch den Kontakt 14 über den Arm 12 und durch das Auslöseelement 11 zu der ebenfalls nicht dargestellten Leitung, die über die Befestigung 111 mit dem Auslöseelement 11 verbunden ist.

Mit dem Schaltarm 12 ist das eine Ende der Spanneinrichtung 16 verbunden, zum Beispiel eine Feder, deren anderes Ende von der Befestigung 161 gehalten wird. Die von der Spanneinrichtung 16 auf den Schaltarm 12 bzw. über dessen Hebellänge entsprechend auf das Auslöseelement 11 einwirkende Kraft bzw. Spannung ist der durch Temperaturerhöhung im Auslöseelement 11 durch Austenitbildung auslösbaren Kontraktionsspannung entgegengesetzt, das heisst die Spanneinrichtung übt auf das Auslöseelement 11 eine Zugkraft aus.

Es versteht sich, dass anstelle (oder zusätzlich zu) einer in bezug auf die Verschwenkungsrichtung des Schaltarmes 12 bei temperaturbedingter Formgedächtnis-Kontraktion des Auslöseelementes 11 gegensinnig wirkenden Zugkraft der Spanneinrichtung 16 die entsprechende, gleichsinnig wirksame Druckkraft einer Druckspanneinrichtung verwendet werden kann, wie sie in Fig. 1 in durchbrochen gezeichneten Linien als Spanneinrichtung 18 dargestellt ist. Diese zusätzlich oder wahlweise verwendete Einrichtung 18, zum Beispiel eine Druckfeder oder dergleichen, ist einerseits mit dem Schaltarm 12 und andererseits mit der Befestigung 181 verbunden.

Wenn die Temperatur des stromdurchflossenen Auslöseelementes 11 durch Joulsche Erwärmung über ihre Ansprechtemperatur ansteigt, kommt es zu der für Formgedächtnislegierungen mit Zweiweg-Effekt charakteristischen Umwandlung des martensitischen Gefüges der Legierung, oder von martensi-tischen Teilbereichen dieses Gefüges, in ein mehr oder weniger austenitisches Gefüge. Da das hier dargestellte Auslöseelement 11 in seinem mindestens teilweise austenitischen Gedächtnis-formzustand eine geringere Länge hat, als im ganz oder teilweise martensitischen Dehnungszustand, in welchem es den Zweiweg-Effekt zeigt, wird der Schaltarm 12 dann aus der Einschaltstellung in die Ausschaltstellung bewegt, wenn die durch Bildung der austenitischen Phase im Auslöseelement 11 bzw. in Teilbereichen hiervon ausgelöste Zugspannung grösser ist, als die von der Spanneinrichtung 16 oder/und 18 über den Schaltarm auf das Auslöseelement 11 einwirkende Zugkraft bzw. Zugspannung. Dabei ist selbstverständlich die durch den an sich nicht erforderlichen Abstand zwischen den jeweiligen Angriffstellen der Spanneinrichtung 16 oder/und 18 am Schaltarm 12 einerseits und der Angriffstelle des Auslöseelementes 11 am Schaltarm 12 andererseits bedingte Hebelwirkung zu berücksichtigen.

Die für die Festlegung bzw. Veränderung der Schalttemperatur erforderliche Kraft der Spanneinrichtung 16 oder/und 18 wird weiter unten erläutert. Dabei ist aber bereits hier zu vermerken, dass anstelle von Zug- oder Druckfedern für die Spanneinrichtung andere bekannte Einrichtungen verwendet werden können, die eine vorbestimmbare Zug-, Druck- oder Torsionsspannung auf das Auslöseelement mit oder ohne Hebelübertragung ausüben können, einschliesslich solchen hydraulischer, pneumatischer oder magnetischer Art.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung weitere Ausführungsformen erfindungsgemässer Schalter 20 bzw. 30, bei welchen die den Schaltvorgang auslösenden Auslöseelemente 21 bzw. 31 als Folge einer durch Temperaturerhöhung bedingten Formgedächtnisumwandlung im Bereich des Zweiweg-Effektes der für das Auslöseelement verwendeten Formgedächtnislegierung eine Druckspannung (Fig. 2) bzw. eine Torsionsspannung (Fig. 3) auslösen können. Die Darstellungsweise von Fig. 2 entspricht derjenigen von Fig. 1, während das Auslöseelement 31 von Fig. 3 zur besseren Verständlichkeit als Torsionsstab perspektivisch gezeichnet ist. In beiden Fällen wird das Auslöseelement 21,31 vom zu schaltenden Strom durchflössen, der den Schaltern 20,30 durch nicht dargestellte

Leitungen über die Befestigungen 241,341 der Kontakte 24,34 und die Befestigungen 211,311 der Auslöseelemente 21,31 zugeführt wird.

Die vom Auslöseelement 21 bzw. 31 erzeugte Druck- bzw. Torsionsspannung kann analog wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert durch eine entgegenwirkende Zugkraft der Spanneinrichtung 26 bzw. 36 oder/und durch eine entgegenwirkende Druckkraft der Spanneinrichtung 26 bzw. 36 sowie durch eine entgegenwirkende Torsionsspanneinrichtung bis zum Erreichen der gewünschten Schalttemperatur kompensiert werden.

Die Fig. 4 und 5 dienen der Erläuterung des Einweg- bzw. Zweiweg-Effektes von Formgedächtnislegierungen anhand von Kurven, bei welchen der prozentuale Änderungsfaktor F, zum Beispiel die prozentuale Längenänderung A L/L ( x 100) auf der Ordinate gegen die Temperatur auf der Abszisse für bestimmte Formgedächtnislegierungen aufgetragen ist. Dieser Änderungsfaktor kann für durch Dehnung oder Stauchung erzielte Formgedächtniseffekte auch als Verformungsgrad bezeichnet und aus positiven oder negativen Längenänderungen bestimmt werden. Für die durch Torsionsspannung erzielten Formgedächtniseffekte ist jedoch die in Längenänderungen ausdrückbare Aussenformänderung weniger bedeutsam und die Angabe eines Verformungsgrades unter Umständen irreführend.

Bei der Formgedächtnislegierung, deren Änderungsfaktor/ Temperaturkurve in Fig. 4 dargestellt ist, handelt es sich um eine bekannte Formgedächtnislegierung aus Ni/Ti/Fe in gewichtsprozentualen Anteilen von 53/45/2 in Form eines zylindrischen Stabes, der in Achsenrichtung bei tiefer Temperatur um 8% seiner Länge gestaucht («gespannt») ist und sich bei Erwärmung über die kritische Temperatur wieder bis nahezu auf seine Länge vor dem Stauchen (Gedächtnisform) dehnt. Bei einer nachfolgenden erneuten Abkühlung auf Temperaturen unter —70°C wird der vorher durch Spannen erzielte Zustand nicht mehr erreicht, wenn der Stab nicht erneut bei tiefer Temperatur gespannt wird. Man nimmt an, dass dieser für verschiedene Legierungssysteme und -Zusammensetzungen beschriebene Effekt auf einer bestimmten Art von Phasenumwandlung (Martensitumwandlung) beruht. Martensit wird als Niedrigtemperaturphase angesehen, die durch Abkühlen einer Hochtemperaturphase (Austenit) mittels eines Scherungspro-zesses erzeugt wird. Für die Martensitbildung wird Keimbildungsenergie benötigt. Bei Formgedächtnislegierungen ist diese Energie weitaus geringer als bei der Martensitbildung von Stählen, die keinen nutzbaren Formgedächtniseffekt zeigen. Das Vorhandensein einer Keimbildungsenergie bedeutet, dass Martensit sich beim Abkühlen erst bei einer Temperatur Ms unterhalb der Temperatur To, bei welcher die zwei Phasen sich im thermodynamischen Gleichgewicht befinden würden, bildet. Die Umwandlung hört bei einer Temperatur Mf<Ms<To auf. Bei Temperaturen knapp oberhalb Ms kann eine aufgebrachte Spannung einen Beitrag zur Keimbildungsenergie für den Martensit liefern.

Beim Aufheizen verhalten sich die Formgedächtnislegierungen umgekehrt: Austenit bildet sich erst bei einer Temperatur As>To, und die Austenitumwandlung ist bei einer Temperatur Af> As>To abgeschlossen.

Beim Aufheizen des Martensits können nur die ursprünglichen Orientierungen des Austenits erzeugt werden. Dies bedeutet, dass bei einem spannungsinduzierten Martensit die durch Verformung erzeugte Formänderung beim Aufheizen zurückgewonnen werden kann. Der Einweg-Effekt beruht somit auf der Herstellung einer neuen Phase (Martensit) oder neuer Orientierungen des Martensits durch Verformen, und auf der Rückbildung der ursprünglichen Phase durch Aufheizen.

Wenn ein Gebilde aus Formgedächtnislegierung über eine kritische Dehnung weiterverformt wird, kommt es zu einer

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irreversiblen plastischen Verformung, aber beim Aufheizen wird die Form des Gebildes dennoch teilweise zurückgewonnen. Dies ist wahrscheinlich dadurch bedingt, dass ein Teil der durch plastische Verformung erzeugten Gitterstörstellen auch nach dem Aufheizen nicht völlig ausheilt und dass deren Eigen-spannungsfeld beim Abkühlen die Rückbildung von Martensit-orientierungen begünstigt, die durch die ursprüngliche aufgebrachte Spannung erzeugt wurden. Bei nachfolgenden thermischen Zyklen wird in einem engeren Bereich eine rein thermisch bedingte Reversibilität beobachtet, was hier als Zweiweg-Effekt bezeichnet ist. Die bisher bekannten maximalen Dehnungen für den Zweiweg- und den Einweg-Effekt betragen etwa 1,5 bzw. etwa 8%.

Die der Kurve von Fig. 5 zugrundeliegende Formgedächtnislegierung ist eine von der Anmelderin entwickelte neue Legierung, die weiter unten eingehender erläutert ist und ausser Ni und Ti noch Cu in Anteilen bis 30 Gew.-% sowie weitere fakultative Modifikatoren enthält.

Es ist aber zu betonen, dass der für das auslösende Element erfindungsgemässer Schalter erforderliche Zweiweg-Effekt nicht nur bei diesen, sondern auch bei anderen Formgedächtnislegierungen, zum Teil mit einer anderen Deutung, aus der Literatur an sich bekannt ist (siehe zum Beispiel US-PS 3 567 523, DT-AS 2 261 710 und DT-OS 2 516 749) und nach grundsätzlich bekannten Methoden erzielt werden kann.

Die für die Messung der Kurve von Fig. 5 verwendete Probe ist ein zylindrischer Stab aus Formgedächtnislegierung (45 Gew.-% Ni, 45 Gew.-% Ti, 10 Gew.-% Cu), der bei Raumtemperatur über die Grenze von 8% hinaus gestaucht ist, bis zu der ein Einweg-Effekt der in Fig. 4 dargestellten Art erzielbar ist, hier um etwa 10% seiner Länge.

Beim Erwärmen über die kritische Temperatur dehnt sich der so behandelte Stab sprungartig bis nahezu auf seine Länge vor dem Spannen (Gedächtnisform) aus und der durch die Überspannung erzielbare Zweiweg-Effekt äussert sich dadurch, dass bei nachfolgenden Abkühlungs- und Wiederer-wärmungszyklen unter bzw. über die kritische Temperatur jeweils die dargestellte Hysteresiskurve von Kontraktion und Expansion durchlaufen wird, das heisst ein Zweiweg-Effekt mit einem Änderungsfaktor (hier wiederum A L/L [x 100]) von etwa 1,5% gegeben ist.

Der thermisch reversible Formgedächtniseffekt tritt in diesem speziellen Fall zum Beispiel bei Temperaturen von etwa 60°C entsprechend den Werten der As- bzw. Ms-Temperatur auf, und es war aufgrund der Lehren des Standes der Technik zu erwarten, dass sich diese Ansprechtemperatur nur durch Veränderung der Legierungszusammensetzung beeinflussen Hesse. Überraschenderweise ist dies nicht der Fall. Vielmehr kann die Ansprechtemperatur der thermisch reversiblen Formgedächtnisänderung mit Hilfe einer von aussen einwirkenden

Kraft im Sinne einer Verlängerung der Hysteresisschleife von Fig. 5 in Richtung zu höheren Temperaturen verschoben werden, und zwar in erheblichem Masse, zum Beispiel um ein Mehrfaches ihrer Länge. Die Grösse der für eine solche Verän-5 derung erforderlichen Kraft bzw. Spannung hängt von der jeweils verwendeten Legierungszusammensetzung, der thermischen und mechanischen Vorbehandlung bzw. den Abmessungen des aus der Formgedächtnislegierung hergestellten Schaltelementes ab, lässt sich aber jeweils ohne besondere Schwie-10 rigkeiten feststellen, zum Beispiel wie anhand von Fig. 6 erläutert.

Fig. 6 zeigt die Veränderung der Spannung (aufgetragen auf der Ordinate in Megapascal; 1 MPa = 0,1 kg/mm2) eines beidseitig festgehaltenen Schaltelementes aus Formgedächtnis-15 legierung (45,5 Gew.-% Ti, 44,5 Gew.-% Ni, 10 Gew.-% Cu) mit Zweiweg-Effekt in Abhängigkeit von der Temperatur (Abszisse; in °C). Das Auslöseelement ist als rundgehämmerter Draht ausgebildet, dessen Gedächtnisform durch Zug zum Erzielen eines Zweiweg-Gedächtniseffektes von etwa 1 % 20 (Kontraktion bei Erwärmung über den ArWert und thermisch reversible Dehnung bei Abkühlung gemäss Fig. 5) modifiziert worden war.

Anhand der Kurve von Fig. 6 kann diejenige Kraft bzw. Spannung bestimmt werden, welche bei Verwendung dieses 2s Drahtes als auslösendes Element 11 in einem Schalter der in Fig. 1 dargestellten Art zum Erzielen einer gewünschten, über dem ArWert liegenden Ansprech- bzw. Schalttemperatur mit Hilfe der (Zug-) Spanneinrichtung 16 oder/und der (Druck-) Spanneinrichtung 18 geeignet ist.

30 Wie oben angedeutet, können für die auslösenden Elemente erfindungsgemässer thermoelektrischer Schalter ganz unterschiedliche Formgedächtnislegierungen verwendet werden. Aus Kostengründen und wegen der wünschbaren Festigkeit werden zurzeit Formgedächtnislegierungen auf Basis von Ni/ 35 Ti/X oder von Cu/Zn/X bevorzugt, in welchen X mindestens ein Modifikationselement bedeutet. Für Ni/Ti wird Cu als X, für Cu/Zn AI als X bevorzugt.

Die für die vorliegende Erfindung besonders bevorzugten neuen, mit Cu modifizierten Ni/Ti-Formgedächtnislegierungen 40 lassen sich dadurch charakterisieren, dass sie hauptsächlich aus Nickel, vorzugsweise in Anteilen von 23-55 Gew.-%, Titan, vorzugsweise in Anteilen von 40-46,5 Gew.-% sowie Kupfer in Anteilen von bis zu 30 Gew.-% bestehen und gegebenenfalls einen zusätzlichen modifizierenden Zusatz mindestens eines 45 Elementes aus der Gruppe AI, Zr, Co, Cr und Fe enthalten, wobei der fakultative Modifizierungszusatz in Anteilen von bis zu 5 Gew.-% verwendet werden kann.

Bevorzugte Zusammensetzungsbereiche und spezielle Beispiele der bevorzugten Formgedächtnislegierung sind in den so folgenden Tabellen I und II zusammengestellt.

Tabelle I

Nr.

Legierungszusammensetzung in Gew.-% Ni Ti Cu

Al

Zr

Co

Cr

Fe

1

23-55

40-46,5

0,5-30

0-5

2

^23

^46,5

^0,5

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44,5-45,5

0,5-1,5

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• 45,5-46,5

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0,5-10

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Tabelle II

Leg. Legierungszusammen- Ms

Nr. Setzung in Gew.-% (°C)

Ni Ti Cu sonstige

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+35

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+ 52

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5

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+66

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+50

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+55

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+ 55

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Co: 1

+43

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Co: 1

+ 15

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Fe: 1

-21

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Fe: 1

+ 9

111

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Ahl

-13

112

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10

Ahl

0

113

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10

Ahl

+ 12

114

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Cr: 1

-13

115

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Cr: 1

-25

Da die für den Formgedächtniseffekt massgebliche Phasenumwandlung bei den bevorzugten Legierungen sehr rasch verläuft, zum Beispiel in weniger als 10 Millisekunden, ist die Ausschaltgeschwindigkeit erfindungsgemässer Schalter durch die Kinetik dieser Umwandlung für praktische Zwecke nicht beschränkt.

Da beim Formgedächtniseffekt relativ grosse Kräfte erzeugt werden, zum Beispiel bis 70 kp/mm2 für Ni/Ti, ist eine mechanische Schaltverstärkung an sich nicht kritisch. Ein der Fig. 1 im wesentlichen entsprechender Schalter mit dem im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebenen Draht hat sich beispielsweise als geeignet zur wiederholten thermisch ausgelösten Abschaltung von Wechselspannungen (220 bzw. 380 V) mit Minimalströmen von 10-100 A erwiesen und bietet dabei den zusätzlichen Vorteil, dass er nicht nur auf eine langsam ansteigende Stromüberlastung, sondern auch auf Kurzschlussstrom anspricht.

Erfindungsgemässe Schalter können aber auch mit mechanischen Schaltverstärkern an sich bekannter oder modifizierter Art kombiniert werden, beispielsweise für automatisch ausschaltende aber nicht selbsttätig rückstellende Überstrom-sicherungsschalter oder für automatisch rückstellende Schalter zur Sicherung von Stromkreisen gegen kurzzeitig auftretende Kurzschlussströme, wie im folgenden anhand von Beispielen erläutert.

In den Fig. 7a, 7b und 7 c ist halbschematisch ein erfindungsgemässer Schalter 70 zur automatischen Überstromabschaltung in Einschaltstellung (Fig. 7a) bzw. Ausschaltstellung (Fig. 7b) und Rückschaltstellung (Fig. 7c) dargestellt. Das auslösende Element 71 ist ein Draht aus Formgedächtnislegierung mit durch Verformung und Wärmebehandlung erzeugtem Zweiweg-Effekt von etwa 1 % in dem Sinne, dass der Draht bei Erwärmung im Bereich des Zweiweg-Effektes eine reversible Kontraktion von 1 % seiner Länge zeigt.

Das Auslöseelement 71 ist bei 712 am Schaltarm 72 befestigt, der um die ortsfeste Anlenkung 720 schwenkbar ist. Die mit dem Auslöseelement 71 zur Festlegung des Schalttemperaturpunktes zusammenwirkende Spanneinrichtung ist eine Zugfeder 76, deren eines Ende von der Befestigung 761 gehalten ist und deren anderes Ende in der Verbindung 762 auf den Arm 72 einwirkt.

Im dargestellten Einschaltzustand geht der Schalterstrom über die Leitung 742, das Auslöseelement 71, das Endstück 711, die Verbindungsleitung 743, den Anschluss 744, das Kontaktende 739 des Kontaktschaltarmes 73 zum ortsfesten Kontakt 74 bzw. zum Stromanschluss 741 des Kontaktes.

Das Prinzip der hier dargestellten mechanischen Schaltverstärkung beruht auf der Wirkung der Druckfeder 737, deren eines Ende an der Befestigung 738 abgestützt ist und deren anderes Ende über die Befestigung 736 gegen den Arm 73 drückt, der eine ortsfeste Anlenkung 730 besitzt. Die Druckkraft der Feder 737 kann die Verbindung zwischen den Kontakt 74 und dem Kontaktende 739 solange nicht unterbrechen, als der über die schwenkbare Anlenkung 732 auf den Arm 73 einwirkende Verbindungsarm 777 vom Winkelarm 79 in der dargestellten Position gehalten wird.

Als Folge eines langsam oder sprunghaft ansteigenden Stromflusses wird das Auslöseelement 71 erwärmt. Die Ansprech- bzw. Schalttemperatur ist von der entsprechenden Kurve der Temperaturabhängigkeit der mechanischen Spannung (Fig. 6) bzw. von der auf das Schaltelement 61 einwirkenden mechanischen Spannung der hier als Spanneinrichtung verwendeten Zugfeder 76 abhängig.

Bei der Ansprechtemperatur kontrahiert sich das Auslöseelement 71 relativ sprunghaft, so dass der Arm 72 entgegen dem Uhrzeigersinn um die ortsfeste Anlenkung verschwenkt wird, wodurch sich der Fanghaken 721 in der Ausnehmung des Klinkteiles 793 des Winkelarmes 79 nach oben bewegt und den Klinkteil 793 freigibt.

Die von der Druckfeder 737 über den Verbindungsarm 777 einwirkende Kraft drückt über einen in den Fig. 7 a, 7b und 7c nicht erkennbaren Führungsstift an der Rückseite des Verbindungsarmes 777 im Bereich der Anlenkung 775 auf den Führungsteil 791. Sobald der Klinkteil 793 nicht mehr vom Fanghaken 721 gehalten wird, gleitet der Führungsstift in der Durchbrechung 792 des Armes 79 nach links, wodurch der Arm 79 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt und die stromleitende Verbindung zwischen Kontakt 74 und Armende 739 unterbrochen wird. Dies führt zu der in Fig. 7b gezeigten Zwischenstellung des Schalters 70.

Die Zugfeder 778, deren eines Ende in der Befestigung 779 liegt, verschwenkt den Schalthebel 77 um dessen ortsfeste Anlenkung 770 und zieht über die verschwenkbare Anlenkung 772 den Verbindungsarm und damit den an dessen Ende befindlichen Führungsstift an das linke Ende der Ausnehmung 792. Dadurch wird der Winkelarm 79 im Uhrzeigersinn verschwenkt und der Fanghaken 721 greift wieder in den Klinkteil des Armes 79 ein.

Nun ist die in Fig. 7c gezeigte Ruhestellung erreicht. Auf das Auslöseelement 71 wirkt bei dessen Abkühlung keine mechanische Spannung ein, weil das Element 71 gleitend in der Führung 751 des Armes 75 beweglich ist, was zur sicheren Vermeidung der Bildung unerwünschter Gedächtniseffekte im Element 71 zweckmässig ist.

Um den Schalter 70 wieder in Einschaltstellung zu bringen, wird der Schalthebel 77, zum Beispiel durch manuelle Betätigung, nach oben verschwenkt, bis die in Fig. 7a gezeigte Stellung erreicht ist.

Der in den Fig. 7a, 7b und 7c gezeigte Schalter kann die Funktionen eines bekannten Schalters übernehmen, der sowohl einen Bimetallstreifen zur Abschaltung eines langsam ansteigenden Überstromes als auch eine Magnetspule zur Abschaltung von Kurzschlussströmen besitzt. Das Auslöseelement 71 aus Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt hat also den Vorteil der Doppelfunktion und zusätzlich den, dass die Kontakttrennung erst nach Überschreiten einer angelegten mechanischen Spannung erfolgt und dadurch die bei bekannten Schaltern beobachtete Instabilität bei langsam zunehmenden Strömen verhindert wird. Dabei steht für Überstrom und für Kurzschlussstrom die gleiche mechanische Beschleunigungsspannung zur Verfügung.

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Der in Fig. 8 dargestellte Schaltkreis 80 ist ein Beispiel für Leitungen, die zweckmässigerweise durch einen thermoelektrischen Hauptschalter mit automatischer Rückstellung geschützt werden. Im Kreis 80 sind mehrere elektrische Geräte 801 bis 805, zum Beispiel Motoren, nebeneinander geschaltet. Wenn in einem der Stromzweige 811 bis 815, zum Beispiel in Zweig 815, ein Kurzschluss erfolgt, schaltet die zugehörige Stromzweigsicherung 825 den Strom dieses Zweiges aus und das Gerät 805 wird stromlos. Der Kurzschlussstrom fliesst aber auch durch die Hauptleitungsäste 85,86 und ein entsprechender Teil davon durch die Geräte 801 bis 804. Um diese zu schützen, wird eine Hauptsicherung 87 benötigt. Wenn diese sich bei Kurzschlussstrombelastung öffnet und eine automatische Rückstellfunktion hat, kann sie nach Abschaltung des kurzgeschlossenen Zweiges, hier durch den Schalter 825, rasch wieder schliessen, so dass die Geräte 801 bis 804 weiterlaufen können.

Ein erfindungsgemässer Schalter 90, der sich als Sicherung 87 für Stromkreise dieser Art eignet, ist in halbschematischer Darstellung in den Fig. 9a, 9b und 9c gezeigt. Das als Draht gemäss obigen Angaben aus Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt von etwa 1 % ausgebildete auslösende Element 91 wirkt über den Schaltarm 92, der um die ortsfeste Anlenkung schwenkbar ist, mit der als Zugfeder 96 ausgebildeten Spanneinrichtung zur Bestimmung des thermischen Schaltpunktes in der oben erläuterten Weise zusammen.

Das eine Ende der Zugfeder 96 ist in einer Befestigung 961, das andere Ende in der Verbindung 962 am Arm 92 angebracht. Der Stromfluss geht über die Zuleitung 942 und die Befestigung 912 durch das Auslöseelement 92, dessen in der Ausnehmung 951 des Gelenkarmes 95 gleitend geführtes Ende mit einem Anschlagendstück 911 versehen und über die am Arm 93 bei 944 befestigte Verbindungsleitung 943 mit dem Kontaktende 939 des Armes 93 verbunden ist. In Arbeitsstellung wird das Kontaktende 939 von der Druckfeder 937 gegen den über die Leitung 941 angeschlossenen feststehenden Kontakt 94 gepresst.

Bei Kurzschlussstrom kontrahiert sich das Auslöseelement 91 gegen den Zug der Feder 96, so dass der Auslösearm 92 im Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Der am Ende der Abkröp-fung 925 des Armes 92 um die Anlenkung 923 teilweise drehbare Teilarm 922 ist mit einem Fanghaken 921 versehen, der in den durchbrochenen Klinkteil 993 des Winkelarmes 99 eingreift und diesen gegen Verschwenken entgegen dem Uhrzeigersinn hält.

Die Verschwenkbarkeit des Teilarmes 922 ist durch den Anschlag 924 an der Abkröpfung 925 begrenzt und die Feder 926 zieht den Teilarm 922 gegen den Anschlag 924.

Die Druckfeder 937 wirkt einerseits über die Federbefestigung 936 auf den Schaltarm 93 und drückt das Kontaktende 939 des Armes 93 gegen den Kontakt 94. Das andere Ende der Feder 937 wirkt über die Befestigung 938 auf den um die ortsfeste Anlenkung 970 verschwenkbaren Schalthebel 97, der am ortsfesten Anschlag 971 abgestützt ist, und auf den über die verschwenkbare Anlenkung 972 mit dem Schalthebel 97 zusammenwirkenden Verbindungsarm 974. Unter der verschwenkbaren Anlenkung 975 des Verbindungsarmes 974 ist ein in der Zeichnung nicht erkennbarer Führungsstift vorgesehen, mit

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welchem der Verbindungsarm 974 und der Verbindungsarm 977 mit dem Winkelarm 99 in Verbindung stehen. Der Führungsstift kann sich in der Ausnehmung 992 des Führungsteiles 991 verschieben, wenn der Winkelarm 99 nicht durch den Schaltarm 92 fixiert ist.

Wenn der Fanghaken 921 als Folge einer durch Kurzschlussstrom bedingten Kontraktion des Auslöseelementes 91 den Klinkteil 993 freigibt, wird der Winkelarm 99 um die ortsfeste Anlenkung 990 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt und die in Fig. 9b dargestellte Ausschaltstellung des Schalters 90 erreicht.

Nach Abkühlen des Auslöselementes 91 verlängert sich dieses wieder und die Feder 937 stellt den Schalter 90 selbsttätig wieder in die Arbeitsstellung von Fig. 9a, wobei der von der Feder 926 gehaltene Fanghaken 921 in den Klinkteil 993 des Armes 99 einrastet.

Der Schalthebel 97 hat lediglich die Funktion eines Notauslösers, das heisst er kann von Hand in die Fig. 9c dargestellte Ausschaltstellung gebracht werden, ohne dass das in der Durchbrechung 951 des Gelenkarmes 95 gleitend bis zum Anschlag am Endstück 911 geführte Auslöseelemente 91 in Funktion tritt. Der Schalter 90 erfüllt die Teilaufgabe der Stromunterbrechung, wie sie bisher meist von Schmelzsicherungen übernommen wird und hat den grossen Vorteil, ein damit gesichertes Netz sofort wieder funktionsfähig zu machen.

Die in den speziellen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Schalters verwendete Zugspannvorrichtung in Form einer Zugfeder kann durch andere Zugspanneinrichtungen oder/und durch in Gegenrichtung wirkende Druckspanneinrichtungen ersetzt werden. Die Spanneinrichtung kann mit Vorteil so ausgebildet werden, dass die auf das Auslöseelement einwirkende Zugspannung justiert bzw. verändert werden kann. Geeignete Massnahmen, zum Beispiel eine an einem Widerlager geführte Spannmutter auf dem mit einem Gewinde versehenen Ende der Spanneinrichtung, sind dem Fachmann bekannt und bedürfen keiner besonderen Erläuterung.

Auch die Wahl entsprechender Querschnitts- und Längenabmessungen des schaltauslösenden Elementes aus Formgedächtnislegierung unter Berücksichtigung der Nominalstromstärke, für die ein erfindungsgemässer Schalter ausgelegt werden soll, ist eine fachmännische Massnahme, da die Leitfähigkeit geeigneter Legierungen bekannt ist oder durch einfache Versuche ermittelt werden kann.

Die Querschnittsform des schaltauslösenden Elementes ist an sich nicht kritisch. Anstelle der in den Ausführungsbeispielen erläuterten Drähte können für Auslöseelemente aus Formgedächtnislegierung, die sich bei Erwärmung kontrahieren, allgemein längliche Gebilde mit kreisförmigem, ovalem oder eckigem Querschnitt verwendet werden, wobei das Element über seine Länge einen gleichbleibenden oder sich ändernden Querschnitt besitzen kann.

Aus Gründen einer möglichst einfachen Konstruktion des Schalters wird das den Schaltvorgang auslösende Element vorzugsweise meist so ausgebildet, dass seine schaltauslösende Kraft eine Zugkraft ist.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

616270 2 PATENTANSPRÜCHE a) einen Auslösearm (92), der um eine ortsfeste Anlenkung

1. Thermoelektrischer Schalter mit einem vom zu schalten- (920) schwenkbar ist und in lösbarer Verbindung (921,993) mit den Strom durchflossenen und den Schaltvorgang auslösenden einem schwenkbaren Winkelarm (99) steht, wobei das Ausle-Element aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiweg- seelement (91 ) mit dem Auslösearm (92) verbunden ist, um bei effekt, gekennzeichnet durch mindestens eine mit dem Aus- 5 Kontraktion des Auslöseelementes gegen die Wirkung der löseelement (11 ; 21 ; 31 ; 71 ; 91) zusammenwirkende Spannein- Spanneinrichtung (96) die Verbindung (921,993) zu lösen, richtung (16; 26; 36; 76; 96), deren auf das Auslöseelement ein- b) einen Schaltarm (93), der über einen Verbindungsarm wirkende Kraft zur Festlegung der Temperatur des Schaltvor- (977) am Winkelarm (99) anliegt und von mindestens einer wei-ganges dient. teren Spanneinrichtung (937) gegen einen ortsfesten Kontakt

2. Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- 10 (94) zur elektrischen Verbindung dieses Kontaktes (94) mit dem net, dass das Auslöseelement ( 11 ; 21 ; 31 ; 71 ; 91 ) aus einer gege- Auslöseelement (91) und einer damit verbundenen Leitung benenfalls modifizierten Legierung auf Basis von Kupfer, Zink (941) gedrückt wird,

und Aluminium oder auf Basis von Nickel und Titan besteht. c) eine bewegliche Abstützung (974,977) der Spanneinrich-

3. Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- tung (937) am Winkelarm (99) zum Trennen der elektrischen net, dass das Auslöseelement (11 ; 21 ; 31 ; 71 ; 91) aus einer Legie- 15 Verbindung des Kontaktes (94) mit dem Auslöseelement (91) rung besteht, die ausser Nickel und Titan als Hauptbestandteile bei Lösung der Verbindung (921,993) des Auslösearmes (92) noch Kupfer in Anteilen von bis zu 30% des Gewichtes der mit dem Winkelarm (99).

Legierung und gegebenenfalls mindestens eines der Elemente Aluminium, Zirkonium, Kobalt, Kupfer und Eisen als Modifika-

tor enthält. 20

4. Schalter nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung, bezogen auf ihr Gewicht, 23-55% Nikkei, 40 bis 46,5 % Titan und 0,5 bis 30% Kupfer enthält. Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Schalter,

5. Schalter nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeich- wie sie ihrer Funktion nach zur Sicherung von elektrischen net, dass die Legierung aus 45 ± 1 Gew.-% Nickel, 25 Stromkreisen gegen langsam oder stossartig zunehmende 45+1 Gew.-% Titan und etwa 10 Gew.-% Kupfer besteht. Stromüberlastungen wohlbekannt sind.

6. Schalter nach einem der Patentansprüche 1 -5, dadurch Konventionelle Schalter dieser Art enthalten mindestens gekennzeichnet, dass das Auslöseelement ( 11 ; 71 ; 91 ) ein draht-, ein stromdurchflossenes und die Schalt- bzw. Abschaltfunktion stab- oder bandförmiges Gebilde ist und einen Zweiwegeffekt auslösendes Element, z. B. einen Bimetallstreifen, das bzw. der in dem Sinne aufweist, dass es sich beim thermisch bedingten 30 sich als Folge der bei Stromdurchfluss entstehenden Joulschen Übergang aus dem mindestens teilweise martensitischen in den Wärme ändert und bei Überschreitung eines vorbestimmten mindestens teilweise austenitischen Zustand kontrahiert und Maximalwertes die Schaltfunktion auslöst. Zur Sicherung bei Umkehrung des genannten Überganges dehnt. gegen stossartig zunehmende Stromüberlastung, z. B. für Kurz-

7. Schalter nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeich- schlusssicherungen, sind Bimetallstreifen jedoch meist nicht net, dass die Spanneinrichtung (16; 76; 96) eine der Kontraktion 35 geeignet, so dass für eine solche Schaltfunktion andere strom-des Auslöseelementes entgegenwirkende Zug- oder Druckkraft durchflossene Elemente, wie Magnetschalter oder Schmelzerzeugt. Sicherungen, nötig sind.

8. Schalter nach Patentanspruch 6, gekennzeichnet durch Seit Bekanntwerden der sogenannten Formgedächtnis-eine Einrichtung (73,731 ; 75,751), welche die Einwirkung der legierungen im Jahre 1961 (US-PS 3 012 882) wurde wiederholt Spanneinrichtung (76) auf das Auslöseelement (71) während 40 vorgeschlagen, die Fähigkeit dieser neuen Werkstoffe zu durch der Dehnung des Auslöseelementes (71) beim Übergang des Temperatureinwirkung auslösbaren, auf bestimmten Strukturmindestens teilweise austenitischen in den mindestens teilweise änderungen beruhenden Form- bzw. Eigenschaftsveränderun-martensitischen Zustand aufhebt. gen auch für temperaturempfindliche elektrische Schalter aus-

9. Schalter nach einem der Patentansprüche 1-8, gekenn- zunützen (US-PS 3 285 470,3 516 082 und 3 652 969, DT-OS zeichnet durch einen durch das Auslöseelement (11 ; 21 ; 31) aus- 45 2 026 629 und 2139 852 sowie Proceedings of the IEEE, Sep-lösbaren Schaltverstärker. tember 1970, Seiten 1365/66).

10. Schalter nach den Patentansprüchen 7-9, gekennzeich- Die in den eben genannten Publikationen vorgeschlagenen, net durch a) einen Auslösearm (72), der um eine ortsfeste ganz unterschiedlichen Anwendungen von Formgedächtnis-Anlenkung (720) schwenkbar ist und in lösbarer Verbindung legierungen beruhen auf der nicht direkt, das heisst nur durch (721,793) mit einem schwenkbaren Winkelarm (79) steht, wobei50 Temperatureinwirkung, reversiblen und sprunghaft ablaufen-das Auslöseelement (71) mit dem Auslösearm (72) verbunden den Formänderung, die im folgenden als Einweg-Effekt ist, um bei Kontraktion des Auslöseelementes gegen die Wir- bezeichnet wird, weil sich die durch Erhöhung der Temperatur kung der Spanneinrichtung (76) die Verbindung (721,793) des erzielte Form («Gedächtnis-Form») bei einer nachfolgenden Auslösearmes (72) mit dem Winkelarm (79) zu lösen, Temperatursenkung nicht wieder zurückbildet, sondern erst b) einen Schaltarm (73), der von einem Verbindungsarm ss durch mechanische Einwirkung wieder gebildet werden muss. (777), der am Winkelarm (79) abgestützt ist, gegen einen ortsfe- Für thermoelektrische Schalter, deren wärmesensitives Ele-sten Kontakt (74) zur elektrischen Verbindung dieses Kontak- ment aus einer Formgedächtnislegierung besteht, wären daher tes (74) mit dem Auslöseelement (71) und einer damit verbünde- Rücksteileinrichtungen erforderlich, wie dies z. B. in der DT-OS nen elektrischen Leitung (742) gedrückt wird, 2139 852 für ein Schaltelement mit temperaturabhängiger c) einen mit einer Feder (778) verbundenen Schalthebel 60 Schaltstellung durch Kombination eines Schalterelementes aus (77), der über einen Verbindungsarm (774) mit dem Winkelarm NiTi-Formgedächtnislegierung in Form einer Feder, die bei der (79) verbunden ist, und Umwandlungstemperatur ihre Federkraft ändert, mit einem d) mindestens eine weitere Spanneinrichtung (737) zum zweiten Schalterelement, das eine relativ temperaturunabhän-Trennen der elektrischen Verbindung des Kontaktes (74) mit gige Federkraft besitzt, vorgeschlagen ist. Die Umwandlungs-dem Auslöseelement (71) bei Lösung der Verbindung (721,793) es temperato der Formgedächtnislegierung bestimmt dabei die des Auslösearmes (72) mit dem Winkelarm (79). Temperatur, auf die der Schalter anspricht, so dass für unter-

11. Schalter nach den Patentansprüchen 7-9, gekennzeich- schiedliche Schalttemperaturen, die gemäss Stand der Technik net durch zwischen —50 bis + 135°C liegen sollen, jeweils unterschied-

liehe Legierungszusammensetzungen nötig sind.

Diese Abhängigkeit der Ansprechtemperatur von der Zusammensetzung einer als Schalterelement verwendeten Formgedächtnislegierung besteht gemäss Stand der Technik auch in den Fällen, die auf dem später aufgefundenen Zweiweg-Effekt beruhen. Diese weiter unten genauer erläuterte Funktion von Formgedächtnislegierungen beruht auf verschiedenen mechanischen bzw. thermischen Behandlungsmethoden und bedeutet im Ergebnis, dass eine direkte, rein thermisch erzielbare Rückstellung der für Formgedächtnislegierungen charakteristischen, durch Temperaturänderung bedingten Formänderungsfähigkeit in gewissen Grenzen möglich ist (US-PS 3 567 523, DT-OS 2516 749).

Die in den eben genannten Patentschriften ebenfalls vorgeschlagene Verwendung von Formgedächtnislegierungen mit Zweiweg-Effekt anstelle von Bimetallstreifen vermeidet somit zwar die Notwendigkeit einer Einrichtung zur mechanischen Rückstellung des Gedächtnisformzustandes, hat aber ebenfalls den Nachteil, dass die jeweilige Ansprechtemperatur praktisch durch die Legierungszusammensetzung, das heisst deren «kritische Temperatur», festgelegt ist.

Es versteht sich, dass dieser gemäss Stand der Technik als zwangsläufig geltende Zusammenhang zwischen der Ansprechtemperatur von thermoelektrischen Schaltelementen aus Formgedächtnislegierung und der Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung einer praktisch brauchbaren technischen Anwendung im Wege steht, und zwar nicht nur deshalb, weil dann praktisch für jede gewünschte Schalttemperatur eine andere Legierungszusammensetzung bzw. eine andere Erwärmungscharakteristik des den Schaltvorgang auslösenden Elementes erforderlich ist, sondern weil die bei vielen bekannten Formgedächtnislegierungen zum Erzielen einer bestimmten Ansprechtemperatur innerhalb enger Toleranzen kritische Legierungszusammensetzung nicht immer in einfacher Weise reproduzierbar ist.