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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter, der dazu geeignet ist, in Abhängigkeit von einer von dem elektrischen Schalter erfassten Temperatur einen Stromkreis zu öffnen bzw. zu schließen.
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Derartige elektrische Schalter sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Insbesondere weisen diese ein Messelement auf, dessen Widerstand sich beispielsweise temperaturabhängig ändert, wobei der erfasste Widerstand dazu dient, über eine entsprechende Schaltung den erwähnten Stromkreis zu betätigen. Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltern ist es oftmals, dass diese mit einer Spannungsversorgung ausgestattet werden müssen, damit die Information des Messelements entsprechend verarbeitet werden kann. Darüber hinaus sind die aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Schalter oftmals mechanisch sowie mit Blick auf die rauen Umgebungsbedingungen (zum Beispiel beim Vorhandensein von aggressiven Medien) relativ empfindlich. Dadurch ist die Lebensdauer der bekannten Schalter oftmals nur relativ kurz.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schalter bereitzustellen, der dazu geeignet ist, einen Stromkreis temperaturabhängig zu unterbrechen oder zu schließen, wobei der elektrische Schalter beständig gegen Medien und korrosionsbeständig sein soll. Darüber hinaus sind eine möglichst einfache Herstellbarkeit sowie die Einstellbarkeit der Schalttemperatur zur Unterbrechung bzw. zum Schließen des Stromkreises erwünscht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem elektrischen Schalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der elektrische Schalter einen Messkörper umfasst, der aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Hierbei besteht das eine Material aus elektrisch leitenden Teilchen, insbesondere aus metallischen Partikeln, während das andere Material, das als Trägermaterial für das zuerst genannte Material dient, elektrisch nichtleitend ist. Durch eine entsprechende Anordnung der elektrisch leitenden Teilchen in dem Trägermaterial wird dabei der Effekt erzielt, dass infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere bei einer Erniedrigung der Temperatur, es zu einer zunächst nicht vorhandenen elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Teilchen kommt, die dazu genutzt werden kann, beispielsweise den Stromkreis zu schließen. Erhöht sich demgegenüber die Temperatur (bezogen auf eine Ausgangstemperatur), so nimmt der Abstand der elektrisch leitenden Teilchen untereinander zu, wodurch ein gegebenenfalls zunächst geschlossener Stromkreis unterbrochen wird. Durch eine entsprechende Anordnung der Partikel mit vorzugsweise gleichmäßigen Abständen lässt sich eine Schalttemperatur relativ einfach einstellen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Damit ein Stromkreis geschlossen bzw. unterbrochen wird, ist es erforderlich, den aus den beiden unterschiedlichen Materialien bestehenden Messkörper elektrisch zu kontaktieren. Hierzu ist es in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Messkörper auf einander abgewandten Endbereichen, insbesondere Stirnseiten, jeweils wenigstens eine Elektrode aufweist, die mit den elektrisch leitenden Teilchen verbindbar sind, und dass die Elektroden die Einrichtung zur Erfassung des Zustands der elektrischen Verbindung ausbilden. Dabei ist es zum Beispiel möglich, dass die Elektroden nach der Herstellung des eigentlichen Messkörpers mit den entsprechenden Stirnseiten auf geeignete Art und Weise (z.B. Verkleben) verbunden wird. Hierbei muss jedoch sichergestellt sein, dass zwischen der Elektrodenfläche und den elektrisch leitenden Teilchen, die an der Stirnfläche des Messkörpers angeordnet sind, kein elektrisch nichtleitendes Material angeordnet ist. Daher ist es eventuell vorteilhaft, die Elektroden bereits während des Herstellungsprozesses des Messkörpers als integralen Bestandteil des Messkörpers auszubilden, so dass die Elektroden relativ einfach unmittelbar in Kontakt mit einigen elektrisch leitenden Teilchen angeordnet werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, mit der es grundsätzlich möglich ist, unterschiedliche Temperaturen durch den elektrischen Schalter zu erfassen bzw. auszuwerten, ist es vorgesehen, dass zusätzlich in einem Bereich zwischen den Endbereichen bzw. Stirnseiten des Messkörpers wenigstens eine zusätzliche Zwischenelektrode angeordnet ist. Dadurch lässt sich der Effekt erzielen, dass durch eine entsprechende Anordnung und/oder Konzentration der elektrisch leitenden Teilchen in dem Bereich zwischen der Elektrode an der einen Stirnseite und der Zwischenelektrode einerseits, und den elektrisch leitenden Teilchen zwischen der anderen Elektrode und der Zwischenelektrode andererseits, temperaturabhängig unterschiedliche Stromflüsse zu ermöglichen, so dass in Abhängigkeit davon, über welche Elektroden ein Stromfluss erfolgt, auf eine entsprechende Temperatur geschlossen werden kann.
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Um eine zuverlässige und eindeutige Erkennung der entsprechenden Temperatur zu ermöglichen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass die elektrisch leitenden Teilchen innerhalb des Messkörpers eine regelmäßige Struktur ausbilden. Unter einer regelmäßigen Struktur wird dabei, unabhängig von der eigentlichen Form der Teilchen verstanden, dass diese insbesondere möglichst gleichmäßige Abstände zueinander aufweisen oder in einer bestimmten Richtung zueinander orientiert angeordnet sind.
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Eine besonders zuverlässige Funktion des elektrischen Schalters lässt sich erzielen, wenn zwischen den elektrisch leitenden Teilchen in dem Messkörper wenigstens eine elektrisch leitende Zwischenschicht angeordnet ist, die bei der zweiten Temperatur (Schalttemperatur) mit den Teilchen elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch lässt sich insbesondere eine Vielzahl von elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen Teilchen untereinander herstellen, so dass selbst zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen verursachte Unterschiede in den Abständen zwischen den einzelnen Teilchen zu einem Strompfad bzw. zu einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden an den Stirnseiten angeordneten Elektroden führen.
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Der soweit beschriebene elektrische Schalter kann Bestandteil einer elektrischen Schaltung sein, die zum Betätigen eines Aggregats dient. Dazu sind die Elektroden des Messkörpers zumindest mittelbar mit der elektrischen Schaltung verbunden. Das hat zur Folge, dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur zum Beispiel ein Stromkreis geschlossen oder aber unterbrochen wird. Eine derartige Stromkreisunterbrechung ist insbesondere zum Schutz von Batterien vor Überhitzung, zum Schutz von Solarmodulen, zum Schutz bei Feuer oder ähnlichem erwünscht. Alternativ kann jedoch auch eine Stromkreisschließung erwünscht sein, beispielsweise um Photovoltaik-Module bei Eis und Schnee zu beheizen, um vor Vereisungen in Verkehrs-, Automobil-, Luft- und Raumfahrtssektor zu warnen, um eine in einer Kleidung angeordnete Heizeinrichtung zum Schutz vor Unterkühlung zu aktivieren, oder generell bei Warnsystemen. Wenn ein Stromkreis bei Erreichten einer bestimmten Temperatur geschlossen wird, hat dies den Vorteil, dass der Schalter bzw. eine mit dem Schalter verbundene elektrische Schaltung keine elektrische Energie verbraucht, solange die Temperatur nicht erreicht ist.
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Grundsätzlich kann der Messkörper unterschiedlichste bzw. beliebige Formen aufweisen. Als besonders vorteilhaft haben sich jedoch regelmäßige Körper, insbesondere blockförmige Körper oder zylindrisch ausgebildete Körper erwiesen, da derartige Körper sich besonderes einfach und genau erstellen lassen.
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In bevorzugter Ausgestaltung des Messkörpers ist es vorgesehen, dass das als Trägermaterial dienende zweite Material aus Silikon besteht. Die Verwendung von Silikon als Trägermaterial hat den Vorteil, dass ein besonders großer Temperaturenbereich von etwa –40°C bis 250°C erzielt werden kann. Darüber hinaus ist Silikon sehr oxidations- und chemikalienbeständig mit oliophoben, d.h. ölabweisenden und zusätzlich wasserabweisenden Eigenschaften. Um das Eigenschaftsspektrum des Silikons zu erweitern, kann es auch vorgesehen sein, dem Silikon Zusätze, insbesondere in Form von Fluorbestandteilen, beizumengen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine Prinzipdarstellung unterschiedlicher erfindungsgemäßer elektrischer Schalter,
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2 und 3 einen ersten erfindungsgemäßen elektrischen Schalter in Prinzipdarstellung bei unterschiedlichen Temperaturen,
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4 und 5 einen gegenüber den 2 und 3 abgewandelten elektrischen Schalter bei unterschiedlichen Temperaturen, wobei der Schalter zwei elektrisch leitende Zwischenschichten zwischen den Außenelektroden aufweist und
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6 und 7 einen weiteren, gegenüber den 2 und 3 abgewandelten elektrischen Schalter mit einer zwischen den Außenelektroden angeordneten Zwischenelektrode zur Erfassung unterschiedlicher Temperaturen.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 10 dargestellt. Der elektrische Schalter 10 umfasst einen Messkörper 11, der einen zentralen Bereich 12 sowie zwei, an gegenüberliegenden Endbereichen des zentralen Bereichs 12 angeordnete (Außen-)Elektroden 13, 14 umfasst. Entsprechend der Darstellung der 1 ist es denkbar, dass der Messkörper 11 beispielsweise in Form eines Würfels 15, einer Platte 16 oder eines zylindrischen Drahtes 17 ausgebildet ist. Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung jedoch beliebige Formen des Messkörpers 11 möglich.
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Wesentlich ist, dass der zentrale Bereich 12 des Messkörpers 11 aus zumindest einem ersten Material 1 und einem zweiten Material 2 besteht. Bei dem ersten Material 1 handelt es sich um ein elektrisch nichtleitendes Material, insbesondere um Silikon. Bei dem zweiten Material 2 handelt es sich demgegenüber um ein elektrisch leitendes Material in Form von metallischen Teilchen 3 bzw. Partikeln. Die Teilchen 3 können dabei insbesondere jeweils die gleiche Form bzw. gleiche Größe aufweisen. Sie können grundsätzlich jedoch auch unterschiedliche Formen und Größen besitzen. Wesentlich ist, dass die beiden Materialien 1, 2 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Im vorliegenden Fall weist das erste Material 1 (Silikon) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als die Teilchen 3 bzw. das zweite Material 2. Dies hat zur Folge, dass sich bei einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturerniedrigung die geometrischen Dimensionen des ersten Materials 1 stärker ändern als die des zweiten Materials 2 bzw. der Teilchen 3. Das erste Material 1 dient als Trägermaterial zur Einbettung des zweiten Materials 2 bzw. der Teilchen 3.
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In den 2 und 3 ist ein elektrischer Schalter 10 mit einem Messkörper 11a dargestellt, bei dem die Teilchen 3 in Form von Kügelchen ausgebildet sind. Insbesondere erkennt man anhand der 3, dass im Stromleitungsfall zwischen den beiden Elektroden 13, 14 zwei durchgängige Verbindungsstrecken 18, 19 zwischen den einzelnen Teilchen 3 des zweiten Materials 2 ausgebildet werden. Hierzu sind die Teilchen 3 entsprechend der 2 zunächst in einem Abstand a zueinander angeordnet, der zumindest im Wesentlichen für die Bereiche der Teilchen 3, die in der 3 die Verbindungsstrecken 18, 19 ausbilden, gleich groß ist. Dadurch, dass das erste Material 1 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist als die Teilchen 3 des zweiten Materials 2, zieht sich das erste Material 1 bei einer Temperaturerniedrigung stärker zusammen als sich die Größe der Teilchen 3 verringert. Demgemäß ist in der 2 der Zustand dargestellt, bei dem der Messkörper 11a einer Temperatur T2 ausgesetzt ist, die höher ist als eine Temperatur T1, die der Messkörper 11a in der 3 ausgesetzt ist.
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Die beiden Elektroden 13, 14 sind lediglich rein symbolisch zur Verdeutlichung eines möglichen Stromflusses zwischen den Elektroden 13, 14 mit Leitungen 20, 21 verbunden. Entsprechend der Darstellung der 2 sind die Teilchen 3 untereinander elektrisch nicht leitend verbunden, so dass auch die Elektroden 13, 14 elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Bei einer Temperaturerniedrigung auf die in der 3 dargestellte Anordnung auf die Temperatur T1 hat sich das erste Material 1 demgegenüber soweit zusammengezogen, dass der Abstand a zwischen vielen der Teilchen 3 bis auf null geschrumpft ist, sodass sich die Verbindungsstrecken 18, 19 zwischen den Elektroden 13, 14 ausbilden können. Es ist somit ein Stromfluss zwischen den Elektroden 13, 14 möglich. Wenn der Messkörper 11a mit einem elektrischen Schaltkreis verbunden ist, der mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist, so kann durch den Messkörper 11a bei der Temperatur T1 ein Strom zwischen den Elektroden 13, 14 fließen, der in gewünschter Art und Weise den Schaltkreis beispielsweise schließt und somit eine Funktion auslöst.
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In den 4 und 5 ist ein elektrischer Schalter 10 mit einem Messkörper 11b dargestellt, bei dem die Teilchen 3b stabförmig ausgebildet sind, wobei diese in Längsrichtung senkrecht zu den Elektroden 13, 14 orientiert sind, d.h. eine regelmäßige Anordnung bzw. Struktur aufweisen. Zwischen den Teilchen 3b sind jeweils elektrisch leitende Zwischenschichten 22, 23 angeordnet, die beispielsweise aus demselben Material bestehen wie die Teilchen 3b, d.h. aus dem zweiten Material 2. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Zwischenschichten 22, 23 aus einem anderen Material als die Teilchen 3b bestehen. Wesentlich ist lediglich, dass auch die Zwischenschichten 22, 23 aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Bei einer Temperaturerniedrigung aus dem in der 4 dargestellten Zustand mit der Temperatur T2 auf eine gegenüber der Temperatur T2 geringere Temperatur T1 entsprechend der Darstellung der 5 gelangen die Teilchen 3b in Wirkverbindung bzw. in elektrisch leitenden Kontakt mit den Elektroden 13, 14 sowie den Zwischenschichten 22, 23. Dadurch werden im Ausführungsbeispiel senkrecht zu den Elektroden 13, 14 in dem ersten Material 2 drei elektrisch durchgängige Verbindungsstrecken 24 bis 26 ausgebildet, wobei der Stromfluss zusätzlich über die Zwischenschichten 22, 23 erfolgt.
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Zuletzt ist in den 6 und 7 ein weiterer erfindungsgemäßer elektrischer Schalter 10 mit einem Messkörper 11c dargestellt, bei dem in Abänderung zu dem Messkörper 11a in einem Zwischenbereich zwischen den beiden Elektroden 13, 14 eine Zwischenelektrode 28 angeordnet ist, die parallel zu den beiden Elektroden 13, 14 verläuft, und die im dargestellten Ausführungsbeispiel zu den jeweiligen Elektroden 13, 14 zumindest annäherungsweise denselben Abstand aufweist. Wesentlich ist, dass entsprechend der 6 bei einer Temperatur T2 zwischen der Zwischenelektrode 28 und der Elektrode 13 zwei Bereiche 29, 30 ausgebildet sind, in denen elektrisch leitende Teilchen 3c einen Abstand a1 von größer Null zueinander aufweisen. Ebenso sind zwischen der Zwischenelektrode 28 und der Elektrode 14 Teilchen 3d angeordnet, die innerhalb zweier Bereiche 31, 32 einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen. Während die Teilchen 3d im Bereich 32 den Abstand a1 zueinander aufweisen, der dem Abstand der Teilchen 3c entsprechen soll, sind die Teilchen 3d im Bereich 31 in Anlagekontakt zueinander angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Teilchen 3c, 3d unterschiedlich groß ausgebildet, sie können jedoch auch dieselbe Größe aufweisen. Bei der in der 7 zugrundegelegten Temperatur T1, die geringer ist als die Temperatur T2, befinden sich alle Teilchen 3c, 3d in Anlagekontakt zueinander.
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Die beiden Elektroden 13, 14 sind rein symbolisch zur Verdeutlichung eines möglichen Stromflusses mittels einer ersten elektrischen Verbindung 33 dargestellt. Zusätzlich sind die Elektroden 13, 14 zusammen mit der Zwischenelektrode 28 mit einer zweiten elektrischen Verbindung 34 dargestellt. Aus der Darstellung der 6 erkennt man, dass bei der Temperatur T2 lediglich zwischen den Teilchen 3d im Bereich 31, das heißt zwischen der Elektrode 14 und der Zwischenelektrode 28 eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet ist. Bei einer Temperaturerniedrigung auf die Temperatur T1 entsprechend der Darstellung der 7 ergeben sich demgegenüber elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Teilchen 3c und 3d, d.h. zwischen der Zwischenelektrode 28 und den beiden Elektroden 13, 14 bzw. den beiden Elektroden 13, 14.
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Ist der Messkörper 11c einer Temperatur ausgesetzt, die höher ist als die Temperatur T2 entsprechend der Darstellung der 6, so sind auch die Teilchen 3d im Bereich 31 nicht mehr in Anlagekontakt, sodass auch zwischen der Elektrode 14 und der Zwischenelektrode 28 kein Stromfluss mehr möglich ist. Dadurch eignet sich der Messkörper 11c zur Erfassung/Auswertung von zwei Schalttemperaturen (T1 und T2).
