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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Sicherheitsabschalter eines Wassererhitzers
mit von physikalischen Größen im zu
schützenden
Gerät beeinflußtem Schaltwerk.
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Bei
der drucksensiblen Abschaltfunktion wird der Druck über eine
Membran in eine Kraft gewandelt, wogegen bei der elektrisch betriebenen
Schaltfunktion zunächst
eine Sensorik einen Wert erfaßt, über den
eine Abschaltung erfolgt. Nachdem die Sensorik, ob elektrisch angetrieben
oder über
Druck betätigt,
den Schalter geöffnet
hat, ist eine Wiedereinschaltung nur über ein zusätzliches Stellglied, welches
von Hand betätigt
werden muß,
wieder einschaltbar.
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Aus
der
DE 195 25 313
A1 ist ein mehrpoliger Sicherheitsabschalter bekannt. Hierbei öffnet ein von
einem Fühlerelement
antreibbares Auslöseglied den
Kontaktsatz. Das Auslöseglied
ist hierbei mit einer Auslösefeder
axial belastet und weist eine Auslösekurve auf. Ein radial verschieblicher
Sperrbolzen verhindert, daß die
Schalthülse
den auf Einschaltstellung stehenden Kontaktsatz öffnet. Durch die Gestaltung
der Schaltfeder und damit der Schaltkraft wird bestimmt, wann der
Kontaktsatz sich öffnet.
Als Fühlerelemente
dienen beispielsweise Wasserdruckfühler, Dampfdruckfühler, Ausdehnungsfühler oder
magnetische Antriebe.
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Ein
elektrisches temperatur- bzw. druckabhängig betätigtes Schnappschaltwerk ist
aus der DE-PS 11 65 723 bekannt. Hier hält ein Kontaktträger mehrere
bewegliche Kontakte, die über
vorgespannte Blattfedern bei Überschreitung
der Totpunktlage von einem Fühlerstößel schlagartig
in die jeweils andere Stellung umschaltbar sind. Die elastische
Formänderung
im Schnappschaltwerk wird durch temperatur- oder druckempfindliche
Organe erreicht. Beim Erreichen eines vorbestimmten Wertes kommt es
zum schlagartigen Umspringen der Schaltglieder in ihre entgegengesetzte
Lage. Mit Hilfe eines Wiedereinschalt-Druckknopfes wird von Hand
eine Führungsplatte
in entgegengesetzter Richtung verschoben.
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Ein
Schalter, insbesondere ein temperaturgesteuerter Sicherheitsschalter
für elektrisch
beheizte Wassergeräte
ist aus der DE-AS 24 25 485 bekannt. Die Schaltorgane werden dabei
durch eine betätigbare
Rasteinrichtung in einer vorgespannten Stellung gehalten. Der Schaltvorgang
wird durch einen bewegbaren Steuerschieber erreicht. Die Feder, durch
die eine Kraft auf den Steuerschieber ausgeübt wird, ist dabei nicht axial
zur Bewegungsrichtung des Steuerschiebers angeordnet. Durch eine
Schrägstellung
der Feder wird eine Kraftkomponente zur Verfügung gestellt, die den Steuerschieber
in eine exakt definierte stabile Ausgangslage drückt und dabei die mehr oder
minder große
Lagerluft in der Schieberführung
ausgleicht. Ein U-förmiger
Bügel ist
mit dem Rastelement so gekoppelt, daß ein freier Schenkel die Bewegung
des Steuerschiebers begrenzt. Eine Ausdehnungseinrichtung, die über Druck
betätigt wird,
kann den Bügel
des Rastelementes in die Auslösestellung
bewegen.
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Aus
DE 297 03 728 U1 ist
eine Schalteinrichtung für
elektrische Durchlauferhitzer bekannt. Mit Hilfe einer Differenzdruckmessdose
wird ein Arbeitskreis mit einer Betriebsschaltkontakt-Einrichtung
geschaltet, und mit einer Sicherheits-Schalteinrichtung wird der
Arbeitskreis mindestens bei einem Überdruck unterbrochen. Der
Arbeitskreis und die Sicherheits-Einrichtung
werden von einem gemeinsamen, mit einer Hubmembran gekoppelten Stößel betätigt, wobei
die Betriebsschaltkontakt-Einrichtung bei in die Dose einwärts bewegtem
Stößel geschlossen, und
die Sicherheits-Schalteinrichtung bei aus der Dose nach außen bewegtem
Stößel aktiviert
ist.
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Aus
DE 199 19 949 A1 geht
eine Vorrichtung mit einem Sicherheitsschalter hervor. Der Sicherheitsschalter
weist eine Stellvorrichtung auf, die zumindest über ein mechanisches Signal
eines verschiebbaren Stößels und über ein
elektrisches Signal betätigbar
ist. Der Stößel wirkt
beim Betätigen
der Stellvorrichtung direkt auf den Anker und/oder direkt auf die
Stellvorrichtung. Der in Längsrichtung
verschiebbare Druckstößel ist
mit einer Druckfeder vorgespannt und liegt an einer Membran an,
die einen Zylinder eines hydraulischen Systems des Durchlauferhitzers
abdichtet.
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Bei
diesen Schaltwerken wirkt jeweils eine Kraft, die über eine
Sensorik erzeugt wird, auf die Auslöseeinheit der Kontakte.
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Der
in den Patentansprüchen
1 und 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, verschiedene
physikalische Größen sensorisch
zu erfassen und auf den Sicherheitsabschalter so zu übertragen,
daß die
Kontakte sicher geöffnet
werden können.
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Dieses
Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale
gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin,
dass verschiedene physikalische Größen erfaßt werden, diese im Sicherheitsabschalter
in mechanische Kräfte
umgewandelt werden und entsprechend einem jeweilig zugeordneten Grenzwert
zu einer sicheren und definierten Öffnung der Kontakte führen. Dabei
ist bei der vorliegenden Erfindung eine unabhängige Funktionsauslösung der verschiedenen
Kräfte
möglich.
Bei gleichzeitiger Einwirkung der Kräfte unterstützen und ergänzen sich diese.
Einerseits werden im Anker Kräfte
induziert, wenn eine Spannungsänderung
in der Spule erfolgt. Diese wird ausgelöst von einem vorgeschalteten Steuergerät, welches
mit beliebigen Signalen, vorzugsweise Temperatursignalen, versorgt
wird. Die zu überwachenden
Druckkräfte
werden jedoch direkt in der Membran sensorisch erfaßt und gleichzeitig
in der Membran in eine Kraft umgewandelt. Die Membran erfüllt also
die Funktionen des Sensors, des Steuergerätes und der krafterzeugenden
Einheit.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung der krafterzeugenden
bzw. kraftübertragenden
Bauteile in einer Achse. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die
Kraftwirkungen beider Elemente in die gleiche Richtung weisen und
die kraftübertragenden
Bauelemente getrennt voneinander arbeiten können.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden
Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
3-poligen Abschalter in einer Schnittdarstellung,
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2 den
Abschalter mit Gehäuse,
Spule und Anschlußteilen,
und
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3 den
drucksensiblen Bereich im Schnitt.
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Ein
Sicherheitsabschalter 1 besteht aus einem mehrteiligen
Gehäuse 2.
Im unteren Bereich ist die Andruckplatte 3 zur Aufnahme
der elektrischen Kontakte 4 und der nicht dargestellten
elektrischen Anschlussklemmen angeordnet. Zur Aufnahme und Positionierung
von Druckfedern 5 ist rechts und links auf der Andruckplatte 3 jeweils
ein Positionierdom 6 ausgebildet. Die an der Andruckplatte 3 befestigten Kontakte 4 sind
nicht beweglich und ortsfest arretiert. Mit Hilfe von vier nicht
dargestellten Schrauben wird die Andruckplatte 3 durch
nicht dargestellte Bohrungen am Gehäuse 2 befestigt.
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Über der
Andruckplatte 3 angeordnet ist eine Isolier- und Halteplatte 7.
In dieser angeordnet und elastisch über die kontaktkraft-erzeugende Kontaktdruckfeder 8 sind
die Kontakte 9. Die Isolier- und Halteplatte 7 wird
von einem Schieber 10 in eine Position gedrückt, in
der die Kontakte 9 die Kontakte 4 kontaktieren.
Die Position ist weiterhin so gewählt, daß die Kontaktdruckfedern 8 eine
für sicheren
Stromfluß ausreichende
Druckkraft erzeugen. Weiterhin sind die Druckfedern 5 unter
Spannung zusammengedrückt,
so daß zwischen
der Isolier- und Halteplatte 7 und der Andruckplatte 3 eine
weitere Kraft wirkt. Sichergestellt ist in dieser Positionierung,
daß ausreichende
Kontaktkräfte
an den elektrischen Kontakten 4, 9 vorliegen und
dass durch die Druckfedern 5 ausreichend große Kräfte vorhanden
sind, um im Störfall die
Isolier- und Halteplatte 7 mit den Kontakten 9 von der
Andruckplatte 3 mit den Kontakten 4 zu trennen, damit
kein elektrischer Strom mehr fließt.
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Die
Kraftwirkungen, erzeugt durch die Druckfedern 5 und 8 zwischen
der Andruckplatte und der Isolier- und Halteplatte, entstehen durch
die Zwangspositionierung der Bauteile, die durch den Schieber 10 festgelegt
ist. Der Schieber 10 wiederum wird durch das Bolzenende 11 des
Ankers 12 positioniert. Der Anker 12 ist ein runder
Bolzen, der axial beweglich im Spulenträger 13 gehalten ist.
Weiterhin befestigt am Spulenträger 13 ist
die Spule 14, mit der die nötigen Öffnungskräfte im Ankerbolzen 12 erzeugt werden.
Für den
Betrieb "störungsfrei" ist der Ankerbolzen 12 durch
eine Rückstellfeder 15 in
seiner axialen Lage arretiert. Im Betriebszustand "Störfall", wenn das Bolzenende 11 den
Schieber 10 zwangsweise freigibt, wird in dem Ankerbolzen 12 eine
Kraft induziert, die größer als
die Rückstellkräfte der
Rückstellfeder 15 und
der gesamten Reibkräfte
des Systems ist. In diesem Fall wird der Ankerbolzen 12 schlagartig
nach rechts in das Gegenlager 16 geschlagen. Der Schieber 10 wird
ebenfalls schlagartig durch die Kraftwirkung der Druckfedern 5 und 8 über die
Isolier- und Halteplatte 7 nach oben gedrückt. Jetzt
liegt die Isolier- und Halteplatte 7 frei vom Schieber 10 und
ist durch die Kräfte
der Druckfedern 5 so weit abgehoben, daß die Kontakte 4, 9 geöffnet sind.
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Ein ähnliches
Verhalten weist die drucksensible Seite des Abschalters 1 auf.
In gleicher axialer Richtung wie der Ankerbolzen 12 ist
ein Druckstift 17 angeordnet. Er wird durch die Membran 18 gegen das
Bolzenende 11 des Ankerbolzens 12 gedrückt. Damit
die Membran 18 nicht durch zu starke Bewegung des Druckstiftes 17 beschädigt werden
kann, damit also eine eindeutige Endpositionierung des Druckstiftes 17 zur
Membran 18 sichergestellt ist, weist er einen Stiftrand 20 auf,
der über
das Stiftlager 19 hinaus nicht gedrückt werden kann. Die Druckkräfte auf
die Membran 18 treten im Druckraum 21 auf, der
im Bereich der Membran 18 eine Aufweitung aufweist. In
diesem Druckraum 21 kann die Membran 18 auch die
nötige
Axialbewegung durchführen.
Der Druck einer Flüssigkeit
oder eines Gases erreicht den Druckraum 21 durch den Druckkanal 22.
Im oberen Bereich des Druckkanals 22 befindet sich der
Anschluß-Druckkanal 23.
Der Druckkanal 22, der Anschluß-Druckkanal 23 und
der Druckraum 21 werden vom Anschlußflansch 24 gebildet.
Im Dichtbereich der Membran 18 weist der Anschlußflansch 24 eine Hinterschneidung 25 auf.
Die Hinterschneidung 25 dient zur sicheren Fixierung und
zur Abdichtung des Anschlußflansches 24 zum
Gehäuse 2.
Vorteilhaft ist die Befestigung des Anschlußflansches 24 mit
dem Gehäuse 2 über zwei
Schrauben 31. die in das Stiftlager 19 greifen.
In der Dichtzone 26 werden die in der Membran entstehenden
Zug- und Druckkräfte aufgenommen
und gleichzeitig die Dichtwirkung erzeugt.
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Im "Störfall", wenn eine zu starke
Abweichung des Druckwertes vom Sollwert auftaucht, überträgt die Membran 18 eine
Axialkraft (Auslösekraft)
auf den Druckstift 17, die größer ist als die Summe aus den
Reibkräften
im mechanischen Auslösesystem
(insbesondere zwischen Schieber 10 und Ankerbolzen 12)
und den Federkräften
der Rückstellfeder 15 und
der Druckfeder 27. In diesem Funktionsfall wird der Druckstift 17 in
axialer Richtung und in Richtung des Ankerbolzens 12 bewegt.
Mit der Druckfeder 27, der Rückstellfeder 15 und
den durch Reibung entstehenden Kräften wird eine definierte Gegenkraft
zur Membrankraft erzeugt, womit die Auslösekraft definiert ist. Am Ende
des Druckstiftes 17 befindet sich ein weiterer Stiftrand 28,
der ebenfalls die Axialbewegung des Druckstiftes 17 begrenzt.
Weiterhin wird durch den Stiftrand 28 eine größere Auflagefläche der
Membran 18 auf dem Druckstift 17 und eine Formanpassung
des Druckstiftes 17 zur Membran 18 erreicht.
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Um
eine lange Lebensdauer des Bauelementes zu erreichen, ist es weiterhin
zweckmäßig, wenn
der Stiftrand 28 im Kontaktbereich zur Membran 18 möglichst
glatt und gratfrei ausgebildet ist, damit er die Membran 18 nicht
beschädigt.
Weiterhin ist der Druckstift 17 durch eine Stiftführung 29 so
geführt,
daß er
sich nicht verkanten kann. Tritt nun der durch eine Druckabweichung
bedingte "Störfall" ein, drückt der
Druckstift 17 das Bolzenende 11 des Ankerbolzens 12 so
weit zur Seite, daß ebenfalls
der Schieber 10 frei liegt und damit eine schlagartige Öffnung der
elektrischen Kontakte 4, 9 auslöst.
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Vorteilhaft
ist eine einteilige Ausbildung von Ankerbolzen und Druckstift. Dadurch
ist die Anzahl von Teilen und Lagerpunkten im System vermindert (nicht
dargestellt).
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Sollte
eine Druckabweichung gleichzeitig mit einer Krafteinwirkung auf
den Ankerbolzen 12 (durch eine Sensorik ausgelöst) auftreten,
so ergänzen
sich die auftretenden Kräfte
des Drucks und der Ankerbolzenkräfte
in gleicher Richtung, so daß das
Abschalten auch in diesem Fall sichergestellt ist.
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Eine
selbsttätige
Rückeinschaltung
des Systems ist nicht möglich.
Zur Wiederinbetriebnahme, d.h. zum Schließen der elektrischen Kontakte 4, 9 ist es
erforderlich, den Schieber 10 wieder in seine Sollposition
zu drücken.
Dies wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Rückstellstiftes, der auf die
Wippe 30 wirkt, ausgeführt.
Durch das Überwinden
der Federkräfte
der Kontaktdruckfeder 8 und der Druckfeder 5 wird
das System wieder in die Positionierung "geschlossen" überführt.