DE10062028C2 - Thermoelektrischer Signalgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Signalgeber und die Verwendung des thermoelektrischen Signalgebers.

Aus US 4,256,991 ist ein elektronischer Zünder für Gasentla­ dungslampen bekannt, bei dem, angeregt durch einen PTC- Widerstand, eine vorgespannte Bimetallscheibe, bei einer vor­ bestimmten Temperatur schlagartig ihre Form ändert. Mittels einer Kopplungseinrichtung bewirkt diese schlagartige Formän­ derung einen Druck auf einen Kristall mit piezoelektrischen Eigenschaften, so daß eine dadurch induzierte Spannung zur Zündung einer Gasentladungslampe verwendbar ist.

Aus US 3,913,046 sind stromdurchflossene Bimetallelemente be­ kannt, die sich in Abhängigkeit von der elektrischen Strom­ stärke erwärmen und verformen. Die aus der Verformung resul­ tierende Kraft wirkt auf einen Piezokristall, wobei über die dabei induzierte elektrische Spannung ein Relaiskontakt betä­ tigt wird.

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 einem Schwingkreis mit angeschlossenen 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 nichtli­ nearer Kennlinie zur Umwandlung der niederfrequenten in hoch­ frequente 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 Kennli­ nie kann eine 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelek­ trischen Signalgeber vorzusehen, der auch bei langsamen Tem­ peraturänderungen ein zuverlässiges Signal zu Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird durch einen thermoelektrischen Signalgeber mit einem Piezo-Metall-Schichtverbund, der zumindest eine Me­ tallschicht und zumindest eine piezoelektrische Schicht auf­ weist, die gegenüber der Metallschicht einen deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß bei einer vorbestimmten Temperatur der Piezo-Metall- Schichtverbund in einen verformten Zustand umschnappt, ge­ löst.

Der thermoelektrische Signalgeber weist mindestens einen Pie­ zo-Metall-Schichtverbund auf, welcher bei Erreichen einer Schnapptemperatur T innerhalb kurzer Zeit umschnappt ("Bime­ tallschalter"). Durch das schnelle Umschnappen des thermo­ elektrischen Signalgebers wird also eine elektrische Energie an einer Piezoschicht zur Verfügung gestellt. Dieser thermo­ elektrische Signalgeber weist gegenüber einem pyroelektri­ schen Element den Vorteil auf, daß bei kleinen Temperaturän­ derungen keine Energie verloren geht, weil diese reversibel als elastische Energie im Piezo = Metall-Schichtverbund gespei­ chert ist. Es treten keine Leckströme auf. Daher löst der thermoelektrische Signalgeber bei Erreichen der Schnapptempe­ ratur zuverlässig und auch bei nur kleinen Schaltraten aus.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Vorspannvorrichtung vorhanden ist, durch welche die Schnapptemperatur T einstellbar ist. Durch die Vorspannvorrichtung wird der thermoelektrische Si­ gnalgeber unter einer Vorspannung gehalten, welche zum Um­ klappen überwunden werden muß; in der Regel kann durch eine höhere Vorspannung die Schnapptemperatur erhöht werden. Bei­ spielsweise kann die Vorspannvorrichtung eine mit einem Ende eines zweiseitig eingespannten Bimetallelements verbundene Hubvorrichtung sein, durch deren Höhenverstellung eine Durch­ biegung des thermoelektrischen Signalgebers gesteuert wird.

Es ist für einen einfachen Aufbau vorteilhaft, wenn die Pie­ zoschicht eine Piezobiegeschicht ist, weil dann die Bewegung des Piezo-Metall-Schichtverbundes in einfacher Weise in eine analoge Bewegung der Piezoschicht umgesetzt wird.

Vorteilhaft ist die Verwendung des thermoelektrischen Signalgebers in einem Thermosensor, der einen thermoelektri­ schen Signalgeber oder einen Satz von thermoelektrischen Si­ gnalgebern beinhaltet, wobei mindestens ein thermoelektri­ scher Signalgeber, vorzugsweise aber jeder thermoelektrischer Signalgeber, mit einem Sender verbunden ist. Dabei kann jeder thermoelektrische Signalgeber mit einem eigenen Sender ver­ bunden sein, oder mehrere thermoelektrische Signalgeber kön­ nen sich einen Sender teilen. Dadurch ist es möglich, ein in­ dividuelles Sendesignal für jeden thermoelektrischen Signal­ geber auszusenden, vorzugsweise mit einer identifizierbaren Kennung, im folgenden "Identcode" genannt, versehen, günsti­ gerweise durch eine integrierte Kodierungseinrichtung.

Enthalten ist die Verwendung des thermoelektrischen Signalge­ bers zur Heizungsregelung, insbesondere in einem Thermosta­ ten.

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 werden.

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

Zur Identifizierung des thermoelektrischen Signalgebers ist es günstig, wenn die Funksequenz einen Identcode beinhaltet, die den thermoelektrischen Signalgeber bzw. gesamten Thermo­ sensor mit Sender identifiziert. Dadurch kann z. B. eine Hei­ zung einen bestimmten Thermosensor und/oder dessen Schnapp­ temperatur T1, T2 erkennen und entsprechend heizen.

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

Fig. 1 zeigt einen nicht zur Erfindung gehörenden thermo­ elektrischen Signalgeber,

Fig. 2 zeigt ein Heizungssystem,

Fig. 3 zeigt einen thermoelektrischen Signalgeber mit einem Piezo-Metall-Schichtverbund,

Fig. 4 zeigt einen weiteren thermoelektrische Signalgeber.

Fig. 1 zeigt als Seitendarstellung einen nicht zur Erfindung gehörenden thermoelektrischen Signalgeber 1, bei dem ein Bimetallelement 2 beidseitig ein­ gespannt ist. Das Bimetallelement 2 besteht aus einer ersten metallischen Schicht 2a, die fest und flächig mit einer zwei­ ten metallischen Schicht 2b mit unterschiedlichem Längenaus­ dehnungskoeffizienten verbunden ist. An einer Seite ist zwi­ schen der Einspannung und einer ersten Endfläche des Bimetal­ lelements 2 eine Druckfeder 5 in Form einer Ω-Feder vorhan­ den; auf dieser Seite ist die Endfläche beweglich. An der an­ deren Endfläche befindet sich eine höhenverstellbare Vor­ spannvorrichtung 4, mittels der eine Durchbiegung des Bimetallelements 2 einstellbar ist. Parallel zum Bimetallele­ ment 2 ist ein Piezoelement 3 in Form eines Piezobiegeele­ ments einseitig eingespannt. Die zwei benachbarten Endflächen 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 eine Richtung gebogen. Erreicht die Umgebung­ stemperatur Tu die Schnapptemperatur T, so schnappt das Bime­ tallelement 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 Schnapptem­ peratur T eingestellt werden.

Diese Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß eine Temperatu­ ränderung 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 um­ fassen, kann das Heizungssystem bei geeigneter Zuordnung von Identcodes die an jedem Thermosensor 7 anliegende Umgebung­ stemperatur Tu über einen Funkempfänger 10 mit Empfangsanten­ ne 15 erfassen und eine Heizvorrichtung 14 entsprechend steu­ ern. 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-Schichtverbund 6 kann alternativ zum mit dem Piezoelement 3 gekoppelten Bimetalle­ lement 2 eingesetzt werden.

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

Claims (10)

1. Thermoelektrischer Signalgeber (1), mit einem Piezo- Metall-Schichtverbund (2), der zumindest eine Metallschicht (2b) und zumindest eine piezoelektrische Schicht (2a) auf­ weist die gegenüber der Metallschicht einen deutlich unter­ schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß bei einer vorbestimmten Temperatur der Piezo-Metall- Schichtverbund in einen verformten Zustand umschnappt.

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

3. Thermoelektrischer Signalgeber (1) nach einem der Ansprü­ che 1 oder 2, bei dem die Piezoschicht (3) eine Piezobiege­ schicht ist.

4. Thermoelektrischer Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Metall-Schichtverbund mit einem Sender (8) verbun­ den ist, der beim Umschnappen des Piezo-Metall- Schichtverbundes ein Signal aussendet.

5. Verwendung eines thermoelektrischen Signalgebers nach An­ spruch 4 in einer Heizung mit
mindestens einen Funkempfänger zum Empfang von mindestens einer von dem thermoelektrischen Signalgeber ausgesandten Funksequenz und,
eine Auswerteelektronik (11) zur Diskriminierung verschie­ dener Identcodes.

6. Verwendung eines thermoelektrischen Signalgebers nach Pa­ tentanspruch 5, bei dem beim Umschnappen des thermoelektri­ schen Signalgebers (1) elektrische Energie in den Sender (8) eingespeist wird, worauf der Sender (8) mindestens eine Funk­ sequenz abstrahlt.

7. Verwendung eines thermoelektrischen Signalgebers nach Pa­ tentanspruch 5-6, bei dem der thermoelektische Signalgeber, insbesondere in einem Thermostat als Temperatursignalgeber, zur Heizungsregelung verwendet wird.

8. Verwendung eines thermoelektrischen Signalgebers nach ei­ nem der Patentansprüche 5 bis 7, bei dem die Form der Funkse­ quenz von der Richtung des Umschnappens abhängt.

9. Verwendung eines thermoelektrischen Signalgebers nach ei­ nen der Patentansprüche 5 bis 8, bei dem beim Umschnappen des thermoelektrischen Signalgebers (1) mehrere gleichartige Funksequenzen hintereinander abstrahlt werden.

10. Verwendung eines thermoelektrischen Signalgebers nach ei­ nem der Patentansprüche 5 bis 9, bei dem die Funksequenz mit einer Identcode codiert wird.