DE10062028A1 - Thermoelektrischer Biegeschalter und Thermosensor - Google Patents

Abstract

Thermoelektrischer Biegehalter (1) aufweisend mindestens ein druckvorgespanntes Bimetallelement (2), das bei Erreichen einer Schnapptemperatur (T) umschnappt, und das mit einem Piezoelement (3) so verkoppelt ist, das eine Bewegung des Bimetallelements (2) in eine Verformung des Piezoelements (3) überführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Biegeschal­ ter, einen Thermosensor unter Verwendung des thermoelektri­ schen Biegeschalters sowie ein Verfahren zum Betrieb des Thermosensor, insbesondere im Heizungsbereich.

Aus US 5,844,516 sind eine Methode und eine Vorrichtung zur drahtlosen Fernbedienung bekannt, bei denen eine mechanische Handbetätigung in elektrische Energie umgesetzt wird. Die elektrische Energie wird dazu genutzt, zwei unterschiedliche Signale, in denen eine Stärke und eine Richtung der Betäti­ gung enthalten ist, auszusenden. Die mechanische Handbetäti­ gung kann mittels einer Drehbewegung geschehen, bei der Mas­ sepunkte auf einem drehbaren Rad angebracht sind. Bei einer Drehung des Rads werden zwei piezoelektrische Stücke von den Massepunkten so getroffen, dass sie aufgrund ihrer Verformung eine elektrische Spannung generieren, die einen Schwingkreis mit angeschlossener Antenne antreibt.

Aus WO 98/36395 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Er­ zeugung kodierter Hochfrequenzsignale bekannt, bei denen aus der Umgebung verfügbare nicht-elektrische Primärenergie mit­ tels eines Wandlers in niederfrequente elektrische Energie umgesetzt wird. An den Wandler ist ein Element mit nicht- linearer Kennlinie zur Umwandlung der niederfrequenten in hochfrequente elektrische Energie angekoppelt. Am Element mit nichtlinearer Kennlinie wiederum ist eine Kodierungseinrich­ tung zur Erzeugung eines kodierten Signals aus der hochfre­ quenten elektrischen Energie angeschlossen. Als Wandler kann ein piezoelektrisches Element oder ein pyroelektrisches Ele­ ment eingesetzt werden. Als Element mit nichtlinearer Kenn­ linie kann ein Funkenstrecke vorgesehen sein. Bei einer Nut­ zung eines pyroelektrischen Elements wird eine Verwendung mit einem Heizkörper mit elektrostatischer Regelung beschrieben.

Für eine mechanische Handbetätigung ist ein sich unter Fin­ gerdruck verformendes Piezoelement aufgeführt.

Zur Ausnutzung thermischer Primärenergie, beispielsweise zur Verwendung mit einem Heizkörper oder Thermostaten, kann es bei langsamen Temperaturänderungen vorkommen, dass bei einer typischen Verwendung eines pyroelektrischen Elements mit ei­ ner Funkenstrecke ("Knacksensor") die Isolationswiderstände nicht ausreichen, um eine für die Erzeugung des Funkens aus­ reichende Spannung zu liefern, weil elektrische Ladung durch Leckströme über die Zeit abfliesst.

Es ist die Aufgabe der folgenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Ladungserzeugung unter Nutzung auch langsam erfolgender thermischer Energiedifferenzen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen thermoelektrischen Biegeschal­ ter nach Anspruch 1, einen Satz von thermoelektrischen Biege­ schaltern nach Anspruch 5, einen Thermosensor nach Anspruch 6, eine Verwendung des Thermosensors nach Anspruch 7, ein Verfahren nach Anspruch 8, eine Heizung nach Anspruch 12 und ein Heizungssystem nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der thermoelektrische Biegeschalter weist mindestens ein Bi­ metallelement auf, welches bei Erreichen einer Schnapptempe­ ratur T innerhalb kurzer Zeit umschnappt ("Bimetallschal­ ter"). Mit dem Bimetallelement ist ein Piezoelement so ver­ koppelt, das eine Bewegung des Bimetallelements das Piezoele­ ment verformt, an dem dann in bekannter Weise eine Piezospan­ nung abgreifbar ist. Durch das schnelle Umschnappen des Bime­ tallelements wird also eine elektrische Energie am Piezoele­ ment zur Verfügung gestellt. Dieser thermoelektrische Biege­ schalter weist gegenüber dem pyroelektrischen Element den Vorteil auf, dass bei kleinen Temperaturänderungen keine Energie verloren geht, weil diese reversibel als elastische Energie im Bimetallelement gespeichert ist. Es treten keine Leckströme auf. Daher löst der thermoelektrische Biegeschal­ ter bei Erreichen der Schnapptemperatur zuverlässig und auch bei nur kleinen Schaltraten aus.

Statt des Piezoelements kann auch ein allgemeines elektro­ mechanisches Element verwendet werden, bei dem eine Verfor­ mung, z. B. eine Durchbiegung, ein elektrisches Signal gene­ riert, beispielsweise eine elektro- oder magnetostriktives Element.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Vorspannvorrichtung vorhanden ist, durch welche die Schnapptemperatur T einstellbar ist. Durch die Vorspannvorrichtung wird das Bimetallelement unter einer Vorspannung gehalten, welche zum Umklappen überwunden werden muss; in der Regel kann durch eine höhere Vorspannung die Schnapptemperatur erhöht werden. Beispielsweise kann die Vorspannvorrichtung eine mit einem Ende eines zweiseitig ein­ gespannten Bimetallelements verbundene Hubvorrichtung sein, durch deren Höhenverstellung eine Durchbiegung des Bimetall­ elements gesteuert wird.

Es ist für einen einfachen Aufbau vorteilhaft, wenn das Pie­ zoelement ein Piezobiegeelement ist, weil dann die Bewegung des Bimetallelements in einfacher Weise in eine analoge Bewe­ gung des Piezoelements umgesetzt werden.

Insbesondere ist es günstig, wenn der thermoelektrische Bie­ geschalter einen biegsamen Piezo-/Metall-Schichtenverbund be­ inhaltet, bei dem mindestens eine Metallschicht des Bimetall­ elements durch ein piezoelektrisches Material, z. B. eine Piezokeramik, ersetzt ist. In der Regel wird eine Metall­ schicht mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten durch das piezoelektrische Material ersetzt. Beim Umschnappen des Pie­ zo-/Metall-Schichtenverbunds kann dessen Biegeänderung sofort in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Piezo-/Metall- Schichtenverbund ersetzt somit die gekoppelten aber separaten Bimetall- und Piezoelemente.

Die Aufgabe wird auch durch einen Satz von mehreren thermo­ elektrischen Biegeschaltern gelöst. Dabei ist es vorteilhaft, wenn jeder thermoelektrische Biegeschalter eine andere Schnapptemperatur T1, T2, . . . aufweist. Dies kann z. B. durch eine Kombination unabhängiger thermoelektrischer Biegeschal­ ter mit unterschiedlichen Vorspannungen realisiert werden. Insbesondere zur gleichmässigen Temperaturmessung ist es vor­ teilhaft, wenn die jeweiligen Schnapptemperaturen T1, T2, . . . äquidistant sind, z. B. um 1°C verschoben.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch einen Thermosensor gelöst, der einen thermoelektrischen Biegeschalter oder einen Satz von thermoelektrischen Biegeschaltern beinhaltet, wobei min­ destens ein thermoelektrischer Biegeschalter, vorzugsweise aber jeder thermoelektrische Biegeschalter, mit einem Sender verbunden ist. Dabei kann jeder thermoelektrische Biegeschal­ ter mit einem eigenen Sender verbunden sein, oder mehrere thermoelektrische Biegeschalter können sich einen Sender tei­ len. Dadurch ist es möglich, ein individuelles Sendesignal für jeden thermoelektrischen Biegeschalter auszusenden, vor­ zugsweise mit einer identifizierbaren Kennung, im folgenden "Identcode" genannt, versehen, günstigerweise durch eine in­ tegrierte Kodierungseinrichtung.

Enthalten ist die Verwendung des Thermosensors zur Heizungs­ regelung, insbesondere in einem Thermostaten.

Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Betrieb des Thermosensors gelöst, bei dem beim Umschnappen des Bimetall­ elements bzw. des Piezo-/Metall-Schichtenverbunds das Piezo­ element verformt wird. Dadurch wird elektrische Energie in den Sender eingespeist, worauf er eine Funksequenz abstrahlt.

Es ist günstig, wenn die Funksequenz von der Richtung des Um­ schnappens abhängt; also eine unterschiedliche Funksequenz in Abhängigkeit vom Über- oder Unterschreiten der Schnapptempe­ ratur T abgestrahlt wird. Dadurch kann beispielsweise ein Über- oder Unterschreiten einer Temperaturgrenze gemeldet wer­ den.

Zur Erhöhung der Übertragungssicherheit ist es günstig, wenn beim Umschnappen des Bimetallelements bzw. des Piezo-/Metall- Schichtenverbunds mehrere gleichartige Funksequenzen zeitlich hintereinander abstrahlt werden.

Zur Identifizierung des thermoelektrischen Biegeschalters und/oder Thermosensors ist es günstig, wenn die Funksequenz einen Identcode beinhaltet, die den thermoelektrischen Biege­ schalter bzw. Sender und/oder den gesamten Thermosensor iden­ tifiziert. Dadurch kann z. B. eine Heizung einen bestimmten Thermosensor und/oder dessen Schnapptemperatur T1, T2 erkennen und entsprechend heizen.

Eine Heizung zur Verwendung der thermoelektrische Biegeschal­ ter bzw. Thermosensoren weist mindestens einen Funkempfänger zum Empfang der vom mindestens einen vom Thermosensor ausge­ sandten Funksequenzen auf. Dadurch kann eine drahtlose Fern­ abfrage der jeweils von einem Thermosensor gemeldeten Tempe­ raturen durchgeführt werden. Insbesondere vorteilhaft ist ei­ ne Heizung, die mit einer Auswerteelektronik zur Diskrimi­ nierung verschiedener Identcodes ausgerüstet ist.

Es kann auch ein Heizungssystem verwendet werden, das minde­ stens einen Thermosensor und mindestens eine Heizung beinhal­ tet.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der thermoelek­ trische Biegeschalter schematisch näher ausgeführt.

Fig. 1 zeigt einen thermoelektrischen Biegeschalter,

Fig. 2 zeigt ein Heizungssystem,

Fig. 3 zeigt einen thermoelektrischen Biegeschalter mit ei­ nem Piezo-/Metall-Schichtenverbund,

Fig. 4 zeigt einen weiteren thermoelektrische Biegeschalter.

Fig. 1 zeigt als Seitendarstellung einen thermoelektrischen Biegeschalter 1, bei dem ein Bimetallelement 2 beidseitig eingespannt ist. Das Bimetallelement 2 besteht aus einer er­ sten metallischen Schicht 2a, die fest und flächig mit einer zweiten metallischen Schicht 2b mit unterschiedlichem Län­ genausdehnungskoeffizienten verbunden ist. An einer Seite ist zwischen der Einspannung und einer ersten Endfläche des Bime­ tallelements 2 eine Druckfeder 5 in Form einer Ω-Feder vor­ handen; auf dieser Seite ist die Endfläche beweglich. An der anderen Endfläche befindet sich eine höhenverstellbare Vor­ spannvorrichtung 4, mittels der eine Durchbiegung des Bi­ metallelements 2 einstellbar ist. Parallel zum Bimetall­ element 2 ist ein Piezoelement 3 in Form eines Piezobiege­ elements einseitig eingespannt. Die zwei benachbarten End­ flächen von Bimetallelement 2 und Piezobiegeelement sind durch eine Koppelstange 13 miteinander verbunden, und bewegen sich somit gleichartig bezüglich der Bildebene.

In einem typischen Betriebsablauf ist das Bimetallelement 2 bei einer Umgebungstemperatur Tu kleiner als der Schnapptem­ peratur T in eins Richtung gebogen. Erreicht die Umgebungs­ temperatur Tu die Schnapptemperatur T, so schnappt das Bi­ metallelement 2 schlagartig um, ändert also seine Biegerich­ tung. Dabei bewegt sich das bewegliche Ende des Bimetallele­ ments 2, wodurch das freie Ende des Piezoelements 3 über die Koppelstange 13 gleichartig bewegt wird. Die Verformung des Piezoelements 3 führt zu einer Ladungstrennung, die als elek­ trisches Signal abgreifbar ist (Elektroden sind nicht darge­ stellt). Durch die Vorspannvorrichtung 4 kann der Grad der Durchbiegung des Bimetallelements 2 und damit die Schnapp­ temperatur T eingestellt werden.

Diese Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass eine Tempera­ turänderung ΔTu der Umgebung über lange Zeit als elastische Energie ohne Verluste im Bimetallelement 2 speicherbar ist.

Fig. 2 zeigt ein Heizungssystem mit einem Thermosensor 7 und einer Heizung 9.

Ein Sender 8 wird bei der Durchbiegung des Piezoelements 3 mit elektrischer Energie versorgt und sendet daraufhin über eine Sendeantenne 12 eine Funksequenz. Diese Funksequenz kann einen Identcode enthalten, der den thermoelektrischen Biege­ schalter 1 und/oder den Thermosensor 7 eindeutig identifi­ ziert. Jedesmal bei Erreichen der Schnapptemperatur T wird also eine Funksequenz gesendet, die, je nachdem, ob die Schnapptemperatur T von oben oder von unten erreicht wird, vorteilhafterweise eine andere Form aufweist. Dadurch ist es möglich, die Heizung mit mindestens der gleichen Funktionali­ tät zu regeln wie mit drahtverbundenen Thermosensoren, die einen Kontakt herstellen oder lösen.

Zur verbesserten Signalübertragung werden mehrere gleiche Funksequenzen hintereinander gesendet.

Bei Ausrüstung des Heizungssystems mit mehreren Thermosenso­ ren 7 als drahtlosen Raumthermostaten, die jeweils mehrere thermoelektrische Biegeschalter 1 mit unterschiedlicher Schnapptemperatur T1, T2, . . . und zugehörigen Sendern 8 umfas­ sen, kann das Heizungssystem bei geeigneter Zuordnung von Identcodes die an jedem Thermosensor 7 anliegende Umge­ bungstemperatur Tu über einen Funkempfänger 10 mit Empfangs­ antenne 15 erfassen und eine Heizvorrichtung 14 entsprechend steuern. Dazu ist die Heizung mit einer Auswerteelektronik 11 ausgerüstet. Es entfällt eine aufwendige Verkabelung.

Fig. 3 zeigt einen kompakten Piezo-/Metall-Schichtenverbund 6. Dabei ist die Schicht 2a aus Metall nun gegen eine piezo- elektrische Schicht 2a ausgetauscht worden. Die piezoelektri­ sche Schicht 2a übernimmt also eine Doppelfunktion als Deh­ nungselement und Spannungserzeuger. Die andere Schicht 2b ist aus Metall, vorzugsweise mit hohem Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Aluminium. Dieser Piezo-/Metall-Schichtenverbund 6 kann alternativ zum mit dem Piezoelement 3 gekoppelten Bimetall­ element 2 eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt zwei Piezo-/Metall-Schichtenverbunde 6, die ei­ ne unterschiedliche Schnapptemperatur T1, T2 aufweisen, z. B. durch eine unterschiedliche Länge. Sie können jeweils an ei­ nen eigenen Sender 8 gekoppelt sein.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebe­ nen Ausführungsformen, sondern ist allgemein auf die Umwand­ lung der Bewegung des Bimetallelements in ein Spannungssignal anwendbar. So kann z. B. mittels des Umschnappens ein elek­ tromechanisches Element auch anders verformt, z. B. mittig durchgebogen werden; oder es kann ein pyroelektrisches Ele­ ment betätigt werden, insbesondere zusammen mit einer Funken­ strecke.

Claims (13)

1. Thermoelektrischer Biegeschalter (1), aufweisend mindestens ein druckvorgespanntes Bimetallelement (2), das bei Erreichen einer Schnapptemperatur (T) umschnappt, und das mit einem Piezoelement (3) so verkoppelt ist, das eine Bewe­ gung des Bimetallelements (2) in eine Verformung des Piezo­ elements (3) überführbar ist.

2. Thermoelektrischer Biegeschalter (1) nach Anspruch 1, auf­ weisend eine Vorspannvorrichtung (4), durch welche die Schnapptemperatur (T) einstellbar ist.

3. Thermoelektrischer Biegeschalter (1) nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, bei dem das Piezoelement (3) ein Piezo­ biegeelement ist.

4. Thermoelektrischer Biegeschalter (1) nach Anspruch 3, bei dem statt des Bimetallelements (2) und dem damit verkoppelten Piezoelement (3) ein kombinierter Piezo-/Metall-Schichtenver­ bund (6) vorhanden ist.

5. Satz von mehreren thermoelektrischen Biegeschaltern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder ther­ moelektrische Biegeschalter (1) eine andere Schnapptemperatur (T, T1, T2, . . .) aufweist, insbesondere, wenn die Schnapptempe­ raturen (T, T1, T2, . . .) äquidistant sind.

6. Thermosensor (7), der einen thermoelektrischen Biege­ schalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einen Satz von thermoelektrischen Biegeschaltern (1) nach Anspruch 5 be­ inhaltet, wobei jeder thermoelektrische Biegeschalter (1) mit einem Sender (8) verbunden ist.

7. Verwendung des Thermosensors (7) nach Anspruch 6 zur Hei­ zungsregelung, insbesondere als Thermostat.

8. Verfahren zum Betrieb eines Thermosensors (7), bei dem
beim Umschnappen des thermoelektrischen Biegeschalters (1) elektrische Energie in den Sender (8) eingespeist wird,
worauf der Sender (8) mindestens eine Funksequenz ab­ strahlt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Form der Funksequenz von der Richtung des Umschnappens abhängt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem beim Umschnappen des thermoelektrischen Biegeschalters (1) mehrere gleichartige Funksequenzen hintereinander abgestrahlt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Funksequenz einen Identcode beinhaltet.

12. Heizung (8), aufweisend mindestens einen Funkempfänger (10) zum Empfang der vom min­ destens einen Thermosensor (7) ausgesandten mindestens einen Funksequenz, insbesondere mit einer Auswerteelektronik (11) zur Diskriminierung verschiedener Identcodes.

13. Heizungssystem, aufweisend mindestens einen Thermosensor (7) und mindestens eine Heizung (9).