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Die
Erfindung betrifft eine Temperatursicherung, eine elektrische Verbindung
mit einer Temperatursicherung sowie eine Signalleitung als Temperatursicherung.
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Elektrische
Bauteile und Baugruppen erzeugen im Betrieb Wärme. So werden
bei elektrischen Kabeln zulässige Nennströme für
den Betrieb definiert, damit eine zulässige maximale Temperatur nicht überschritten
wird. Auch elektrische Kabelverbindungen sind so dimensioniert,
dass im Nennbetrieb eine maximal zulässige Temperatur nicht überschritten
wird. Wenn allerdings durch z. B. Oxidation, Korrosion oder Lockerung
ein höherer Übergangswiderstand an der Verbindungsstelle
entsteht, wird die maximal zulässige Temperatur überschritten
mit der Folge, dass die Gefahr von Hitze- oder Brandschäden
entsteht. Elektrische Sicherungen, die auf Überschreiten
eines maximal zulässigen Stromes ansprechen, können
in diesem Fall einen Schaden nicht verhindern.
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Besondere
Vorkehrungen müssen bei den Leitungsverbindungen für
die Gradientenfeldspulen in Magnetresonanzgeräten getroffen
werden, die im Betrieb auf sehr hoher Spannung im Kilovolt-Bereich liegen.
Aufgrund der hohen geschalteten Ströme in den Gradientenspulen – die
Ströme liegen im Bereich von mehreren hundert Ampere – bei
einem gleichzeitig starken statischen Magnetfeld treten starke Rüttelkräfte
auf, die im Laufe der Zeit die Kabelverbindungen lockern können.
Der Übergangswiderstand der elektrischen Verbindung erhöht
sich dadurch mit der Folge, dass an den Verbindungen unzulässig hohe
Temperaturen entstehen, die die Kabelverbindungen und auch in der
Nähe angeordnete Bauteile schädigen und im schlimmsten
Fall verbrennen lassen.
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Wegen
der starken magnetischen und elektrischen Felder sind die Möglichkeiten
einer Überwachung der Leitungsverbindungen bei Magnetresonanzgeräten,
insbesondere bei diagnostischen Magnetresonanzgeräten eingeschränkt.
So können magnetische Bauteile die Bildqualität
des Magnetresonanzgeräts verschlechtern, zusätzlich
unterliegen sie aufgrund der auftretenden Magnetfelder starken mechanischen
Kräften. Elektrische Felder von entsprechenden elektrischen
Sensoren können ebenfalls die Bildqualität stören.
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Diagnostische
Magnetresonanzgeräte werden aus Gründen der elektromagnetischen
Verträglichkeit in Hochfrequenz-Abschirmkabinen betrieben. Sie
sind einerseits sehr empfindlich gegen hochfrequente elektromagnetische
Störfelder und stellen andererseits selbst eine starke
elektromagnetische Störquelle dar. Elektrische Signalleitungen,
so auch jene von eventuell innerhalb der Hochfrequenz-Abschirmkabine
betriebenen Temperatursensoren, müssen über Hochfrequenzfilter
aus der Hochfrequenz-Abschirmkabine geführt werden.
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Auch
sind ebenfalls aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit
dem Einsatz von elektrisch leitenden oder metallischen Temperatursensoren
in der Nähe von Magnetresonanzgeräten enge Grenzen
gesetzt sind. Es ist demnach vorteilhaft, in einer derartigen Umgebung
unmagnetische und elektrisch nicht leitende Sensoren oder mit anderen Worten
MR-kompatible Sensoren einzusetzen.
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Da
generell eine Überhitzung von elektrischen Bauteilen oder
auch hohe Temperaturen in der Nähe von brennbaren oder
leicht entflammbaren Stoffen kritisch ist, ist es vorteilhaft direkt
die Temperatur zu überwachen.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 196 20 168 A1 ist ein Sensorkopf für
eine Temperaturmessvorrichtung mit einem Lichtwellenleiter beschrieben.
Der Lichtwellenleiter umfasst eine temperatursensible Zone, die über
eine erste Anschlussleitung an eine Lichtquelle und über
eine zweite Anschluss leitung an einen Lichtdetektor optisch angeschlossen
ist. Die temperatursensible Zone besteht aus einer halben Windung,
das heißt eine 180°-Schleife, mit einem Windungsdurchmesser
von weniger als dem 100-fachen des Durchmessers des verwendeten
Lichtleiters. Über den Temperaturgang des Brechungsindex
wird in Abhängigkeit der Temperatur das durch die temperatursensible
Zone geführte Lichtsignal mehr oder weniger stark gedämpft.
Anwendung findet die Temperaturmessevorrichtungen im Kraftfahrzeugbau
und in der Luft- und Raumfahrt. Diese Temperaturmessvorrichtung
ist jedoch nur für die Messung von relativ niedrigen Temperaturen
geeignet, die keine irreversiblen Materialeigenschaftsänderungen
des Lichtwellenleiters bewirken.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine robuste Temperatursicherung
mit hoher elektromagnetischer Verträglichkeit anzugeben.
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Der
Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische
Leitungsverbindung mit einer robusten Temperatursicherung mit hoher
elektromagnetischer Verträglichkeit anzugeben.
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Schließlich
liegt der Erfindung noch die Aufgabe zu Grunde, eine Signalleitung
anzugeben, die als Temperatursicherung mit integrierter Notabschaltung
wirkt.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist
eine Temperatursicherung mit einem Sicherungs-Lichtwellenleiter
vorgesehen, wobei der Sicherungs-Lichtwellenleiter mindestens ein
Ende zum optischen Verbinden mit einer Lichtquelle und einem Lichtsensor
aufweist und wobei der Sicherungs-Lichtwellenleiter die Eigenschaft
besitzt, bei einer bestimmten Temperatur seine optische Leitfähigkeit
zwischen seinen Enden irreversibel zu verändern.
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In
der Anwendung wird der Sicherungs-Lichtwellenleiter in einem guten
wärmeleitenden Kontakt mit dem zu überwachenden
Bauteil gebracht. Beispielsweise kann der Sicherungs-Lichtwellenleiter
um das zu überwachende Bauteil gewickelt werden. Wenn ein
Umwickeln nicht möglich ist, ist auf andere Weise, wie
zum Beispiel durch Verkleben oder Zusammenbinden, für einen
guten thermischen Kontakt zu sorgen.
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Erhitzt
sich nun das Bauteil in unzulässiger Weise, dann wird auch
der Sicherungs-Lichtwellenleiter so heiß, dass sich seine
Lichtleiteigenschaft irreversibel geändert, beispielsweise
dass er sich geometrisch verformt oder dass er schmilzt oder sonst seine
optischen Eigenschaften ändert. Dadurch kann dann ein Alarm
oder eine andere Sicherungsfunktion wie z. B. Abschalten des die
erhöhte Temperatur verursachenden elektrischen Stroms oder
des erhitzten Bauteils ausgelöst werden.
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Über
die Auswahl der Materialien für den Sicherungs-Lichtwellenleiter
lässt sich die Auslösetemperatur oder die Temperatur,
bei der ein Alarm abgegeben werden kann, beeinflussen. Der übliche
Aufbau eines Lichtwellenleiters besteht aus einem lichtleitenden
Kern und einem darum angeordneten Mantel, der aus dem Kern austretende
Lichtstrahlen wieder in den lichtleitenden Kern zurück
reflektiert. Für handelsübliche Lichtwellenleiter,
die so aufgebaut sind, dass sie eine hohe Lichtdurchlässigkeit
und geringe Dispersion aufweisen, gelten zurzeit etwa 80°C bis
100°C Dauerbetriebstemperatur. Derartige handelsübliche
Lichtwellenleiter ändern dann ab ca. 170°C (Temperatur
zur Formgebung in der Fertigung) bis zur vollständigen
Zerstörung bei 425°C (Entzündtemperatur)
irreversibel ihre Eigenschaften. Durch die Auswahl anderer oder
auch modifizierter Materialien lassen sich auch andere Temperatureigenschaften
schaffen, insbesondere da die oben schon erwähnte hohe
Lichtdurchlässigkeit und geringe Dispersion nur eine untergeordnete
Rolle bei dem Einsatz des Lichtwellenleiters als Sicherung spielen.
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Die
optischen Eigenschaften des Sicherungs-Lichtwellenleiters lassen
sich auch durch thermochrome Zusatzstoffe bei dem lichtleitenden
Kern oder dem reflektierenden Mantel ändern. Thermochrome
Stoffe ändern bei einer bestimmten Temperatur ihre Farbe,
wodurch sich die Lichtleiteigenschaft ändert.
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Zusammengefasst
bietet die Temperatursicherung die folgenden Vorteile:
- – Preiswerter, einfacher und aufwandsarmer Aufbau
- – Leichte Austauschbarkeit des Sicherungs-Lichtwellenleiters
- – Kann auch in kritischer elektrischer Umgebung, z.
B. bei hohen Spannungen eingesetzt werden
- – Kann im Magnetfeld eines Magnetresonanzgeräts
eingesetzt werden
- – Die notwendigen elektrischen Bauteile könne
in unkritischen Bereichen angeordnet werden, z. B. bei Magnetresonanzgeräten
außerhalb der Abschirmkabine
- – Ist an jede beliebige Form anpassbar
- – Der Sicherungs-Lichtwellenleiter kann am Einbauort
in seiner Länge angepasst werden
- – Durch Einsatz eines entsprechenden Materials für
den Sicherungs-Lichtwellenleiter ist die Auslösetemperatur
der Sicherung wählbar.
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Die
oben angegebenen Vorteile machen die Verwendung der Temperatursicherung
auch als Brandmelder in z. B. Holzhäusern interessant.
Der Sicherungs-Lichwellenleiter kann dann gleichzeitig bei entsprechender
Verlegung auch mehrere Räume überwachen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von sechs Figuren erläutert. Es
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1 in
einer Übersichtsdarstellung die wesentlichen Bauteile einer
nicht leitenden und nicht magnetischen Temperatursicherung in thermischem Kontakt
mit einem in seiner Temperatur zu überwachenden elektrischen
Verbindung,
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2 eine
alternative Ausführung der Lichtführung des Sicherungs-Lichtwellenleiters,
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3 einen
Sicherungs-Lichtwellenleiter mit einer vorgespannten Feder,
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4 einen
Sicherungs-Lichtwellenleiter mit eine Druckklammer,
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5 einen
Sicherungs-Lichtwellenleiter mit einem mechanisch vorgespannten
Abschnitt und
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6 eine
Signalleitung, die gleichzeitig als Sicherungs-Lichtwellenleiter
arbeitet.
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1 zeigt
in einer Übersichtsdarstellung als zu überwachendes
Bauteil eine elektrische Verbindungsstelle 100 eines Gradientenspulenanschlusses
eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts. Die elektrische
Verbindungsstelle 100 muss bei hoher Spannung im Kilovolt-Bereich
Ströme von mehren hundert Ampere sicher leiten. Da die
elektrische Verbindungsstelle in einem starken Magnetfeld angeordnet
ist, ist sie zudem durch die geschalteten Ströme Rüttelkräften
ausgesetzt. Die elektrische Verbindungsstelle 100 umfasst
ein Kabelende 102, das über einen Kabelschuh 104 mittels
einer Schraubverbindung 106 mit einer elektrischen Anschlusslasche 108 der
Gradientenspule gut elektrisch leitend verbunden ist.
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Die
Temperatursicherung umfasst eine Lichtwellenleitereinheit 2,
die optisch mit einer Auswertereinheit 4 verbunden ist.
Die Lichtwellenleitereinheit 2 umfasst einen Sicherungs-Lichtwellenleiter 6,
der über gut wärmeleitende Klebestellen 8 mit
der elektrischen Verbindungsstelle 100 verbunden ist. Der
Kleber muss zumindest bis zum Erreichen der Grenztemperatur des
Bauteils einen guten thermischen Kontakt sicherstellen.
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Ein
erstes Ende des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 ist über
einen ersten optischen Koppler 10 und über einen
weiteren Lichtwellenleiter 12 mit einer Lichtquelle in
Form einer Leuchtdiode oder LED (Light Emitting Diode) 14 verbunden.
Das andere Ende des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 ist über
einen zweiten optischen Koppler 10 und einem weiteren Lichtwellenleiter 12 mit
einem Lichtsensor in Form einer Photodiode 16 verbunden.
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Der
erste Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 ist als auswechselbares
Sicherungselement mit den Kopplern 10 über eine
Steckverbindung optisch gekoppelt. Die Steckbarkeit soll durch die
beiden Doppelpfeile 18 symbolisiert werden.
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Die
Photodiode 16 ist mit einem Grenzwertdetektor 20 verbunden,
der an seinem Ausgang 22 ein Alarmsignal abgibt, wenn das
von der Photodiode 16 abgegebene Messsignal einen Grenzwert
Tlimit erreicht. Der Grenzwert Tlimit ist einstellbar. Er kann in Abhängigkeit
der Materialeigenschaften des verwendeten Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 und
damit der zu überwachenden Grenztemperatur des Bauteils 100 geändert
werden.
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Die
vorliegende Ausführung der Temperatursicherung spricht
an, wenn das von der Photodiode 16 gemessene Signal einen
Grenzwert unterschreitet, weil der Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 das
von der Lichtquelle 14 ausgesendete Signal aufgrund thermischer
Veränderung stärker dämpft oder weniger
gut leitet als im unveränderten Zustand.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel soll die zu überwachende
Kabelverbindung auf Überhitzung überwacht werden.
Als Material für den Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 kommt
Polymethylmethacrylat (PMMA) in Frage. Dieses hält einen
Dauerbetrieb von 80°C aus. Erreicht das Material deutlich höhere
Temperaturen, wird es weich, schmilzt und entzündet sich
letztendlich bei 425°C. Im Bereich von 80°C bis
425°C ändern sich definitiv die optischen Eigenschaften,
was zur Auslösung eines Alarms ausgenützt wird.
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2 zeigt
nun eine alternative Lichtführung im Vergleich zur Ausführung
nach 1, wo für die Hinleitung des Lichtsignals
und für die Rückleitung der durch den Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 geleiteten
und modulierten Lichtsignals getrennte Lichtwellenleiter 12 verwendet
werden. Hier erfolgt die Einspeisung des unmodulierten und der Abgriff
des durch den Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 modulierten Lichtsignals
am selben Ende des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6. Dazu
ist am anderen Ende des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 ein
optischer Spiegel 30 angebracht ist, der das eingespeiste
und dann modulierte Lichtsignal reflektiert. Über einen
Y-Koppler 10A werden dann die weiteren Lichtwellenleiter 12 angeschlossen.
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Die 3 bis 5 zeigen
Ausführungsformen des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6,
der bereits beim Erweichen seine Sicherungsfunktion ausübt und
nicht erst bei Auftreten von größeren Hitzeschäden.
Allen Ausführungsformen gemeinsam ist, dass ständig
durch ein Druck- oder Zugelement eine Kraft auf den Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 wirkt,
die das durch Hitzeinwirkung erweichte Material des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 weiter
verformt und damit die Lichtdurchlässigkeit an dieser Stelle
relativ schnell und drastisch vermindert.
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Bei
der Ausführungsform nach 3 ist ein Teil 40 des
Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 mit einer vorgespannten
Schraubenfeder 42 überbrückt. Die beiden
Enden der vorgespannten Schraubenfeder sind über jeweils
eine Schelle 44 fest mit den Enden des Teils 40 verbunden.
Die Schraubenfeder 42 übt ständig eine
dehnende Kraft auf das Teil 40 aus, was durch den Doppelpfeil 46 veranschaulicht
ist. Im Einsatz ist der Teil 40 des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 mit
einem guten wärme leitenden Kontakt zu der zu überwachenden
Wärmequelle angeordnet.
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4 zeigt
eine Ausführungsform des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6,
auf den in Querrichtung dauernd eine Kerbkraft wirkt. Das wird dadurch erreicht,
dass eine Kerbschneide 48 mittels einer vorgespannten Schraubenfeder 42 quer
zur Längsachse des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 auf
den Mantel des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 drückt.
Eine gut wärmeleitende Verbindung vom zu überwachenden
Bauteil auf den Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 muss zumindest
im Bereich der Kerbschneide 48 sichergestellt sein.
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5 zeigt
eine Ausführungsform des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6,
auf den in mechanisch besonders einfacher Weise ständig
eine Kraft ausgeübt wird, die bei Erweichen des Materials
den Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 trennt. Dazu ist der
Sicherungs-Lichtwellenleiter in dem Bereich 49 mit dem minimal
zulässigen Radius über vorliegend 180° gebogen.
Die durch die Biegung verursachte Eigenspannung des Sicherungs-Lichtwellenleiters 6 bewirkt
bei Erweichen des Materials zumindest eine weitere Dehnung und im
Endstadium eine Trennung. Die Eigenspannung und die dadurch verursachte Kraftwirkung
im Bereich 49 ist durch die Pfeile 47 symbolisiert.
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6 zeigt
in einer Übersicht ein Gradientensystem eines Magnetresonanzgeräts
mit einer Gradientenspule 50 und einem Gradientenverstärker 52,
die über elektrische Verbindungsstellen 100 miteinander
verbunden sind. Von einer Gradientensteuerung 54 werden über
eine optische Signalleitung 56 Steuersignale zum Betrieb
des Gradientenverstärkers 52 geleitet. Abschnitte
der Signalleitung 56 werden mit einem guten wärmeleitenden
Kontakt an den elektrischen Verbindungsstellen angeordnet. Diese Abschnitte
sind als Sicherungs-Lichtwellenleiter 6 ausgebildet. Der
Gradientenverstärker 52 liefert nur bei aktiven
Steuersignalen den durch diese Steuersignale vorgegebenen Strom
für die Gradientenspule 50.
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Kommt über
die Signalleitung 56 mit den eingefügten Sicherungs-Lichtwellenleitern 6 kein
optisches Signal an oder nur ein optisches Signal mit einer Intensität
unterhalb eines Schwellwerts, dann schaltet der Gradientenverstärker 52 unverzüglich
ab bzw. erst gar nicht ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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