CH643683A5

CH643683A5 - Bimetalltemperaturschalter.

Info

Publication number: CH643683A5
Application number: CH653179A
Authority: CH
Inventors: Manfred Kurt Klaus Mueller; Tomoyoshi Uchiya
Original assignee: Limitor Ag; Uchiya Thermostat
Priority date: 1978-07-15
Filing date: 1979-07-13
Publication date: 1984-06-15
Also published as: US4278960A; IT1203298B; GB2030771A; GB2030771B; SE7906099L; IT7968463A0; FR2443132A1; DE2831198C2; FR2443132B1; DE2831198A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Bimetalltemperaturschalter, der in einem elektrisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist und eine einseitige eingespannte Kontaktfeder, ein unbewegliches Gegenkontaktstück und eine Bimetallschnappscheibe enthält.

In vielen Anwendungen solcher Schalter wird ein besonders schnelles Ansprechen verlangt. Eine dazu geeignete Massnahme ist die Verbesserung des Wärmeübergangs von der Umgebung auf den Schalter, was bisher mit einem Gehäuse aus einem die Wärme gut leitenden Metall angestrebt wurde.

Aus der DE-OS 14 90 086 ist auch schon bekannt, zur Steigerung der Ansprechgeschwindigkeit eines offenen, d.h. nicht in ein Gehäuse eingebauten Schalters das Bimetallelement an der Aussenseite des Schalters vorzusehen und mit schwarzer Farbe zu überziehen.

Weiter ist aus der US-PS 3 936 788 ein Schalter bekannt, bei dem ein Bimetallelement lose zwischen Laschen auf der Kontaktfeder angeordnet ist. Diese Massnahme dient jedoch nicht der Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit sondern soll ermöglichen, eine lose im Gehäuse angeordnete Kontaktfeder durch eine darauf gehaltene Bimetallschnappscheibe zu betätigen, weshalb diese Art der Anordnung der Bimetallschnappscheibe durch die Verwendung einer losen Kontaktfeder bedingt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders rasch ansprechenden Bimetalltemperaturschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, was erfin-dungsgemäss dadurch erreicht wird, dass das flache Gehäuse aus formbeständigem, transparentem oder transluzentem Kunststoff besteht, und die Bimetallschnappscheibe und die Kontaktfeder mechanisch nicht starr miteinander verbunden sind.

Bei der Entwicklung des erfindungsgemässen Schalters war von der Erkenntnis ausgegangen worden, dass für die Ansprechgeschwindigkeit eine geringe Wärmekapazität wichtiger ist als eine gute Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses und der darin befindlichen Bauelemente. Dies führt dazu, das Gehäuse so klein wie möglich, vor allem flach auszubilden und als Gehäusewerkstoff Kunststoff zu verwenden, der von Natur aus eine geringe Wärmekapazität besitzt. Um der Wärmestrahlung einen möglichst guten Zugang zum Bimetallelement zu verschaffen, ist zusätzlich zu der flachen Bauweise noch vorgesehen, das Gehäuse transparent oder transluzent auszubilden und vorzugsweise das Bimetall - vorzugsweise mit nach aussen weisender aktiver Seite - auf der Aussenseite der Kontaktfeder zu befestigen.

Wegen der flachen Bauweise des Schalters und dem kurzen Schaltweg kommt es in besonderem Masse auf Masshal-tigkeit an, weshalb der für das Gehäuse verwendete Kunststoff eine gute Formbeständigkeit aufweisen muss. Dabei hat sich bei in Kunststoffgehäuse gekapselten Bimetalltemperaturschaltern gezeigt, dass der den Kunststoffen innewohnende Nachteil der schlechten Wärmeleitung durch die gegenüber Metallen geringe Wärmekapazität mehr als ausgeglichen werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung auch für die Dauer, die ein Schalter noch geöffnet bleibt, wenn die Umgebungstemperatur bereits unter die Schalttemperatur abgesunken ist. Ein Metallgehäuse hält die Wärme wesentlich länger als ein vergleichbares Kunststoffgehäuse und reagiert deshalb auf Temperaturwechsel wesentlich träger. Als Kunststoffe für die Schaltergehäuse haben sich Polyamid 6,6 und Polyamid 12 sowie Polyäthylenterephtalat bewährt.

Eine sehr flache Bauweise ist möglich, wenn das Gehäuse zugleich als isolierender Träger für die elektrisch leitenden Bauteile verwendet wird. Darum wird für eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters

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ein flaches Kunststoffgehäuse verwendet, in welchem auf der einen Breitseite die Kontaktfeder mit dem zur gegenüberliegenden Breitseite weisenden Kontaktstück befestigt ist, während das Gegenkontaktstück an dieser gegenüberliegenden Breitseite befestigt ist und die Anschlussleitungen an entgegengesetzten Enden des Gehäuses herausgeführt sind, so dass. die Zuleitung zum Gegenkontakt das Bimetallelement nicht abschirmt. Sollen beide Zuleitungen am gleichen Ende des Gehäuses herausgeführt werden, so kann dies dadurch ohne Abschirmung des Bimetallelements erreicht werden, dass die Zuleitung zum Gegenkontakt über eine der dem Gegenkontaktstück benachbarten Seitenwände oder die dem Gehäuseausgang gegenüberliegende Wand auf jene Breitseite des Gehäuses geführt wird, auf der auch die Kontaktfeder befestigt ist.

Das lose, nur zwischen Haken oder dergleichen Haltelementen mit der Kontaktfeder verbundene Bimetallelement hat den Vorteil, dass das Bimetallelement und die eine wesentlich grössere Wärmekapazität besitzende Kontaktfeder thermisch weitgehend entkoppelt sind, so dass die Temperatur der Kontaktfeder das Ansprechverhalten des Schalters nur wenig beeinflusst. Das lose Bimetallelement benötigt dabei keinen zusätzlichen Raum, sondern kann in dem Raum untergebracht werden, der der Kontaktfeder zur Öffnung ohnehin zur Verfügung stehen muss. Durch Verwendung von gebogenen Bimetallscheiben, die bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur abrupt ihre Krümmung wechseln (solche Bimetallscheiben werden üblicherweise als «Schnappscheiben» bezeichnet), werden bereits bei einem geringen Kontaktfederhub eine hinreichende Schliesskraft und Trennkraft ermöglicht. Bei einem Schalter, dessen Kontaktfeder aus Bimetall besteht, ist noch die gegenüber einem losen Bimetallelement wesentlich erhöhte Wärmekapazität als Nachteil zu vermerken.

Ein weiterer Vorteil des losen Bimetallelements liegt darin, dass es die Flachbauweise des Schalters begünstigt. Bei einem Schalter, dessen Kontaktfeder aus Bimetall besteht, muss zur Erzielung der nötigen Kontaktschliesskraft wegen der geringen Federsteifigkeit von Bimetallen die Bimetallfeder wesentlich dicker und der Hubweg wesentlich grösser ausgelegt sein, als bei einem Schalter mit losem Bimetallelement, weil bei letzterem die Kontaktfeder aus einem Werkstoff mit guten Federeigenschaften und deshalb sehr dünn hergestellt sein kann.

Schalter mit gesondert neben den Kontaktfedern vorliegenden Bimetallelementen weisen kürzere Ansprechzeiten auf als Schalter, bei denen die Kontaktfedern zugleich Bimetallelemente sind. Das liegt zum einen an der notwendigerweise grösseren Wärmekapazität der Kontaktfedern und zum anderen an den Wärmeleitungsverlusten, die bei den Kontaktfedern über die Kontaktstücke und die Befestigungspunkte erfolgen. Besonders günstig verhält sich ein Schalter, bei dem das Bimetallelement lose zwischen Haken, Laschen oder dgl. Halterungen auf der Aussenseite der Kontaktfeder befestigt ist. Das Temperaturverhalten des Bimetallelements wird auf diese Weise nicht durch seinen Einbau verändert. Ausserdem ist die Berührungsfläche zwischen dem Bimetallelement und der Kontaktfeder nur gering, im Idealfall erfolgt die Berührung nur linienförmig. Deshalb sind Wärmeleitungsverluste durch Wärmeübergang vom Bimetallelement auf die Kontaktfeder gering. Die verwendeten Bimetallelemente können in Anpassung an die Gestalt der Kontaktfeder rechteckig, gegebenenfalls mit abgerundeten Ecken, quadratisch, kreisrund oder oval sein. Sie werden geprägt, so dass sie eine vorbestimmte Krümmung erhalten, durch die bewirkt wird, dass sie oei Überschreiten der vorgegebenen Schalttemperatur sprunghaft ihre Krümmung wechseln.

Unter der aktiven Seite des Bimetallelements wird die

Seite mit dem grösseren thermischen Ausdehnungskoeffizienten verstanden. Die Massnahme, die aktive Seite des Bimetallelements nach aussen zu wenden, geht von der Erkenntnis aus, dass die Ansprechgeschwindigkeit eines Bimetalltemperaturschalters wesentlich davon abhängt, wie ungehindert die Wärme auf die aktive Seite des Bimetallelements gelangt und diese erwärmt, während die Erwärmung der inaktiven Seite des Bimetallelements unter dem Gesichtspunkt der Ansprechgeschwindigkeit überhaupt unerwünscht ist. Da die Wärme bei Temperaturschaltern, anders als bei Überstrombimetall-schutzschaltern, bei denen das Bimetallelement von Strom durchflössen und dadurch erwärmt wird, nicht im Schalter erzeugt, sondern von aussen herangebracht wird, ist es für die Erzielung einer hohen Ansprechgeschwindigkeit günstig, wenn die aktive Seite des Bimetallelements nach aussen weist, weil die aktive Seite dann als erste erwärmt wird und nicht mehr durch die inaktive Seite nach aussen abgeschirmt ist.

Als Werkstoff für die inaktive Seite von Bimetallelementen verwendet man gewöhnlich Eisen-Nickel-Legierungen mit hohem Nickelgehalt (ca. 36-48% Nickel). Diese Werkstoffe haben ein helles, blankes Aussehen und reflektieren Wärmestrahlung. Unter den als Werkstoff für die aktive Seite verwendeten Legierungen befinden sich häufig solche mit Anteilen von Mangan; diese Werkstoffe erhalten ein dunkles, stumpfes Aussehen und absorbieren Wärmestrahlung weitaus besser als die blanken Werkstoffe für die inaktive Seite der Bimetallelemente.

Wenn die aktive Seite des Bimetallelements nach aussen weist, dann bewegt sich beim Überschreiten der Schalttemperatur die Kontaktfeder gerade in die entgegengesetzte Richtung als bei den bekannten Schaltern, so dass eine andere Anordnung der Kontakte nötig ist.

Eine deutliche Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit kann auch dadurch erzielt werden, dass das Bimetallelement lose zwischen Haken, Laschen oder dergleichen Halterungen und vorzugsweise auf der Aussenseite der Kontaktfeder befestigt wird. Weiter ist es möglich, das Bimetallelement durch einen elektrisch nicht leitenden und somit auch die Wärme schlecht leitenden Träger von der Kontaktfeder zu trennen, womit erreicht wird, dass das Ansprechen des Schalters praktisch nicht mehr durch in der Kontaktfeder erzeugte elektrische Verlustwärme beeinflusst wird. Der Kontaktdruck, das ist der Druck, mit dem das Kontaktstück auf der Kontaktfeder gegen den Gegenkontakt gedrückt wird, wird von dem Bimetallelement ausgeübt, so dass beim Öffnen des Schalters das Bimetallelement nicht der Federkraft der Kontaktfeder entgegenwirken muss. Von Vorteil ist auch, dass bei einem solchen Schalter die Kontaktfeder sich beim Öffnen des Schalters nach innen, d.h. auf den Träger zu bewegt; dies ermöglicht eine recht kompakte Bauweise. Der Stift braucht grundsätzlich nur an der Kontaktfeder oder am Bimetallelement befestigt zu sein. Ist er jedoch an beiden befestigt, so erhöht dies die Schaltsicherheit.

Zur Verhinderung des Wärmeübergangs von der Kontaktfeder auf das Bimetallelement besteht der Stift zweckmässig aus einem die Wärme schlecht leitenden Werkstoff und weist zum Bimetallelement und zur Kontaktfeder nur geringe Berührungsflächen auf.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben:

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen gekapselten Schalter,

Fig. 2 zeigt den Schnitt V-V durch den Schalter aus Fig. 1 und

Fig. 3 zeigt den Längsschnitt durch einen zum Einbau in ein Gehäuse vorgesehenen Träger, auf dessen entgegengesetzten Aussenflächen eine Kontaktfeder und das Bimetallele-

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ment angeordnet sind.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen gekapselten Schalter. In einem flachen Gehäuse 20 aus glasfaserverstärktem Polyamid befindet sich eine elektrische Leiterbahn 21, welche entlang der unteren Breitseite 22 des Gehäuses in dieses hineinführt, am Ende des Gehäuses nach oben abbiegt und entlang der oberen Breitseite 23 ein Stück weit in Richtung auf den Gehäuseausgang 24 zurückführt. Am Ende dieser Leiterbahn 21 ist ein Kontaktstück 25 angeschweisst, welches nach unten weist. Durch mehrere Isolierkörper 26-28 von der Leiterbahn 21 getrennt führt eine Kontaktfeder 29 in das Gehäuse 20, welche mit ihrem einen Ende zwischen den Isolierkörpern 26 und 27 befestigt ist und am anderen Ende ein Kontaktstück 30 trägt, welches mit dem anderen Kontaktstück 25 zusammenarbeitet. Auf der Oberseite der Kontaktfeder 29 ist durch vier Laschen 31-34 eine Bimetallscheibe 35 lose gehalten.

Ihre aktive Seite weit nach oben, d.h. sie ist der Kontaktfeder 29 abgekehrt. Die Bimetallscheibe 35 ist so gebogen, dass unterhalb der Schalttemperatur die kurzen, durch die Laschen 31 und 32 gehaltenen Ränder der Scheibe 35 nach oben ragen. Bei Überschreiten der Schalttemperatur wechselt die Bimetallscheibe 35 abrupt ihre Krümmung, so dass die kurzen Ränder nun nach unten weisen und die langen Ränder unter die Laschen 33 und 34 stossen. Dadurch wird die Kontaktfeder 29 nach unten gebogen und der Schalter geöffnet. Die Laschen 31-34 sind durch einen Stanzvorgang aus der Kontaktfeder 29 heraus geformt worden.

Die beiden elektrischen Zuleitungen 36, 37 sind aus dem gemeinsamen Gehäuseausgang 24 herausgeführt. Nach dem Einsetzen des Schalters in das Gehäuse 20 wird der Ausgang 24 mit Epoxidharz dicht vergossen.

Statt die Zuleitungen beide am gleichen Ende aus dem Gehäuse herauszuführen, könnte man sie auch an entgegengesetzten Enden in der Weise herausführen, dass anstelle der Leiterbahn 21 eine Leiterbahn parallel zur oberen Breitseite 23 des Gehäuses durch die dem Ausgang 24 gegenüberliegende Wand 38 aus dem Gehäuse 20 herausgeführt wird.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten zum Einbau in ein Gehäuse vorgesehenen Träger 40 wird das Verhalten des Bimetallelements 43 von der in der Kontaktfeder 41 erzeugten elektrischen Verlustwärme praktisch nicht beeinflusst. Dies 5 wird erzielt durch einen Aufbau des Schalters, bei dem die Kontaktfeder 41 auf der einen und das Bimetallelement 43 auf der anderen Seite des elektrisch nicht leitenden Trägers

40 angebracht ist. Das am beweglichen Ende der Kontaktfeder 41 befestigte Kontaktstück 47 weist vom Träger 40 fort

10 und arbeitet mit einem dem Träger 40 zugekehrten unbeweglichen Gegenkontaktstück 42 zusammen. Die Kontaktfeder

41 und das Gegenkontaktstück 42 sind mit je einer Lötfahne 48 bzw. 49 zum elektrischen Anschluss versehen.

Das Bimetallelement 43 ist ein Streifen, der an seinen bei-15 den Enden durch zwei Laschen 44 vom Träger 40 gehalten ist, wobei die aktive Seite 43a nach aussen, die inaktive Seite 43b nach innen weist. In kaltem Zustand ist das Bimetallelement 43 zum Träger 40 hin gebogen, der zu diesem Zweck eine Senke 50 aufweist. Das Bimetallelement 43 drückt dabei mit-20 tels eines in der Mitte des Bimetallelementes 43 befestigten Stiftes 45 aus die Wärme schlecht leitendem Werkstoff die Kontaktfeder 41 gegen den Gegenkontakt 42. Zum Durchtritt des Streifens 45 durch den Träger 40 weist dieser eine Öffnung 46 auf. Der Stift 45 liegt der Kontaktfeder 41 mit einer 25 gründeten Kuppe 51 an.

Wenn das gebogene Bimetallelement 43 über seine Schalttemperatur hinaus erwärmt wird, dann kehrt es sprunghaft seine Biegung um (in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet), wodurch der Stift 45 von der Kontaktfeder 41 abhebt. Die 30 Kontaktfeder 41 ist vorgespannt und hebt daraufhin unter der Wirkung ihrer Vorspannung das Kontaktstück 47 vom Gegenkontaktstück 42 ab. Das freie Ende der Kontaktfeder 41 bewegt sich dabei in eine zu diesem Zweck vorgesehene Ausnehmung 52 des Trägers 40. Sinkt die Temperatur des Bime-35 tallelements 43 unter die Rückschalttemperatur, dann springt das Bimetallelement 43 in seine Ausgangslage zurück und schliesst dadurch den Schalter.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Bimetalltemperaturschalter, der in einem elektrisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist und eine einseitige eingespannte Kontaktfeder, ein unbewegliches Gegenkontaktstück und eine Bimetallschnappscheibe enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit durch Verringern der Wärmekapazität des Schalters und der Wärmeleitung zwischen der Kontaktfeder und der Bimetallschnappscheibe sowie durch Verbessern des Wärmeüberganges von und zur Bimetallschnappscheibe durch Strahlung, das flache Gehäuse (20) aus formbeständigem, transparentem oder transluzentem Kunststoff besteht, und die Bimetallschnappscheibe (35) und die Kontaktfeder (29) mechanisch nicht starr miteinander verbunden sind.

2. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unbewegliche Gegenkontaktstück

(21) an der einen Breitseite des Gehäuses (20) festgelegt ist, und die Bimetallschnappscheibe (35) lose zwischen Halterungen auf der Aussenseite der Kontaktfeder (29) angeordnet ist.

3. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen als Haken oder Laschen (31 bis 34) ausgebildet sind.

4. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Seite der Bimetallschnappscheibe (35) nach aussen gesandt ist.

5. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einen Breitseite (22) des Gehäuses (20) die Kontaktfeder (29) mit dem zur gegenüberliegenden Breitseite (23) weisenden Kontaktstück (30) befestigt ist, während das Gegenkontaktstück (25) an dieser gegenüberliegenden Breitseite (23) befestigt ist und die Anschlussleitungen zu beiden Kontaktstücken (25, 30) aus entgegengesetzten Enden (24,38) des Gehäuses (20) herausgeführt sind.

6. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einen Breitseite (22) des Gehäuses (20) die Kontaktfeder (29) mit dem zur gegenüberliegenden Breitseite (23) weisenden Kontaktstück (30) befestigt ist, während das Gegenkontaktstück (25) an dieser gegenüberliegenden Breitseite (23) befestigt ist und die Anschlussleitungen zu beiden Kontaktstücken (25,30) aus dem gleichen Ende (24) des Gehäuses (20) herausgeführt sind, wobei die Zuleitung (36) zum Gegenkontaktstück (25) über eine der dem Gegenkontaktstück benachbarten Seitenwände oder die dem Ende (24) gegenüberliegende Wand (38) auf jene Breitseite

(22) des Gehäuses (20) geführt ist, auf der auch die Kontaktfeder (29) befestigt ist.

7. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrisch nicht leitenden Träger (40), auf dessen einer Seite die einseitig eingespannte Kontaktfeder (41) und das unbewegliche Gegenkontaktstück (42) und auf dessen anderer Seite die an ihrem Rand oder an gegenüberliegenden Wandbereichen gehaltene Bimetallschnappscheibe (43) angeordnet sind bzw. ist und wobei die Bimetallschnappscheibe durch einen an dieser und/oder an der Kontaktfeder (41) befestigten durch eine Öffnung (46) im Träger (40) hindurchragenden Stift (45) auf die Kontaktfeder (41) einwirkt, und dadurch, dass die aktive Seite (43a) der Bimetallschnappscheibe (43) und das an der Kontaktfeder (41) befestigte Kontaktstück (47) in entgegengesetzte Richtung weisend, nach aussen gewandt sind.

8. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetallschnappscheibe (43) die Form eines Streifens aufweist.

9. Bimetalltemperaturschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetallschnappscheibe (43) mittels Haken oder Laschen (44) an dem Träger (40) angeordnet ist.