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Hintergrund der Erfindung:
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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Detektion von Temperaturen oberhalb einer zulässigen Temperatur.
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Allgemeines:
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In der Technik besteht vielfach das Problem, Körper und Oberflächen vor zu hohen Temperaturen zu schützen da diese durch zu hohen Temperaturen zerstört werden können oder eine Gefahrenquelle darstellen. Um diese zu hohen Temperaturen zu erkennen, werden normalerweise Temperatursensoren eingesetzt, die die zu hohe Temperatur detektieren und eine Sicherungsvorrichtung auslösen, die geeignete Gegenmaßnahmen einleitet.
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Zugrunde liegende Aufgabe:
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine oder mehrere Oberflächen bzw. einen oder mehrere Körper hinsichtlich der Überschreitung einer bestimmten Grenztemperatur zu überwachen und nur bei Überschreitung der Grenztemperatur eine Schutzvorrichtung auszulösen und dabei die bisher gegenüber dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu verhindern. Dazu ist es von besonderer Bedeutung, dass die Schutzvorrichtung nur genau dann ausgelöst wird, wenn an mindestens einer Stelle die Grenztemperatur überschritten wird, die Schutzvorrichtung jedoch nicht ausgelöst wird, wenn beliebig große Oberflächen innerhalb der zu überwachenden Oberflächen bzw. beliebig große Volumina innerhalb der zu überwachenden Körper auf eine beliebige Temperatur unterhalb der Grenztemperatur erwärmt werden.
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Stand der Technik:
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Um Oberflächen oder Körper vor zu hohen Temperaturen zu schützen, können diese durch mehrere separate Temperatursensoren überwacht werden, die an mehreren Orten auf der/den Oberfläche(n) bzw. innerhalb der/des Körper(s) angebracht sind. Solch ein Verfahren ist beispielsweise aus
US6444350B1 bekannt.
US6444350B1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Übertemperaturen in einem Verbund aus mehreren Batteriezellen. Hierzu wird eine Reihenschaltung von Sensoren in Form von Widerständen und/oder PTC-Elementen verwendet, mit denen mehrere Zellen gleichzeitig thermisch überwacht werden. Die Widerstände/PTC-Elemente werden an jede n-te Zelle (mit z. B. n = 4) angebracht und in Serie verbunden. Eine Erhitzung einer einzelnen Zelle führt somit zu einer Erhitzung mindestens eines benachbarten Sensors und damit zu Detektion des thermischen Ereignisses. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Sensoren einzeln angebracht und miteinander verschaltet werden müssen, was den Montageaufwand deutlich erhöht.
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Statt mehrerer separater Temperatursensoren kann auch ein einzelner Sensor verwendet werden, dessen Länge ausreichend lang ist, um an mehreren zu überwachenden Punkten entlang geführt zu werden. Solch ein Verfahren ist aus
US8641273B2 bekannt.
US8641273B2 beschreibt ein Überwachungssystem zur thermischen Überwachung mehrerer Zellen innerhalb eines Zellenverbandes. Als Sensor kommt ein Kabel zum Einsatz, welches aus zwei elektrischen Leitern besteht, die durch einen Kunststoff voneinander isoliert sind. Bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur schmilzt die Kunststoffisolierung und es entsteht eine elektrische Verbindung zwischen den beiden elektrischen Leitern. Nachteilig gegenüber der hier offenbarten Erfindung ist, dass die Detektion des thermischen Ereignisses nicht reversibel ist, d. h. nach einmaligem Überschreiten der Schwelltemperatur ist die Funktion des Sensors nicht mehr gegeben.
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Es ist bekannt, dass zum Vermeiden des Nachteils der nur einmaligen Benutzbarkeit auch Sensoren aus PTC-Material (Positive Temperature Coefficient) eingesetzt werden können, deren Widerstandsänderung reversibel ist. PTC-Materialien weisen üblicherweise mindestens einen Temperaturbereich (102) auf, innerhalb dessen sich ihr elektrischer Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur deutlich stärker verändert, als außerhalb dieses Temperaturbereiches (101). Soll das PTC-Material als Sensor zur Detektion vor schädlichen Übertemperaturen verwendet werden, so wird der Temperaturbereich 102 typischerweise so gewählt, dass die schädliche Übertemperatur innerhalb oder in der Nähe des Bereichs 102 liegt. So ist sichergestellt, dass bei Erreichen der schädlichen Übertemperatur ein deutlicher Anstieg des elektrischen Widerstandes des PTC-Materials messbar ist. Da beim Übergang vom Bereich 101 in den Bereich 102 das Material nicht geschädigt wird, kann das PTC-Material dauerhaft als Sensor eingesetzt werden, ohne nach Auslösen der Sicherungvorrichtung, ersetzt zu werden.
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Die Verwendung solch eines Materials wird z. B. in
DE10225938C1 beschrieben. In
DE10225938C1 wird ein fadenförmig ausgeprägtes PTC-Element bestehend aus einem polymeren PTC-Material beschrieben, welches auf einer räumlich ausgedehnten Oberfläche angeordnet ist. Hiermit sollen lokale Übertemperaturen detektiert werden. Die Detektion erfolgt durch Überwachung des Gesamtwiderstandes des fadenförmigen PTC-Elements. Überschreitet dieses Gesamtwiederstand einen gewissen oberen Grenzwiderstand, wird eine Sicherungsvorrichtung ausgelöst. Dieser obere Grenzwiderstand wird erreicht durch entweder (Fall 1) eine homogene, verhältnismäßig hohe Temperatur T1, die verteilt über die gesamte Länge des Polymerelements vorliegt, oder (Fall 2) durch eine geringe verteilte mittlere Temperatur T2 < T1 und eine lokale Übertemperatur T3 > T2. Zur Lösung der dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist es jedoch zwingend notwendig, Fall 1 und Fall 2 klar zu trennen und die Sicherungsvorrichtung nur in Fall 2 auszulösen, was mit der zitierten Erfindung nicht möglich ist. In Anspruch 3 dieser zitierten Erfindung wird spezifiziert, dass das fadenförmige PTC-Element über die Eigenschaft verfügt, dass bei Vorhandensein einer ausgedehnten mittleren Minimaltemperatur der Oberfläche und einer örtlichen Maximaltemperatur der Oberfläche der Gesamtwiderstand des fadenförmigen Polymerelements einen oberen Grenzwiderstandswert erreicht. Dies erfordert jedoch Kenntnis über bzw. die Spezifikation der ausgedehnten mittleren Minimaltemperatur, was nachteilig für die Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe ist.
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Erfindungsgemäße Lösung:
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Faden, bestehend aus einem PTC-Material sämtliche zu überwachende Orte auf einer oder mehreren Oberflächen bzw. innerhalb eines oder mehrerer Körper miteinander verbindet. Der verwendete PTC-Faden ist hierbei aus einem PTC-Material aufgebaut, welches die spezielle Eigenschaft hat, unterhalb einer gewissen Sprungtemperatur (204) einen zu vernachlässigenden Anstieg des elektrischen Widerstandes mit der Temperatur aufzuweisen, im Augenblick der Überschreitung der Sprungtemperatur (204) seinen Widerstand jedoch schlagartig extrem stark zu erhöhen. Der schlagartige Anstieg zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Widerstand um mindestens den Faktor 100.000, bevorzugt um den Faktor 1.000.000, besonders bevorzugt um den Faktor 10.000.000 ansteigt und dieser Temperaturanstieg innerhalb eines Temperaturfensters von weniger als 5°C, bevorzugt weniger als 3°C, besonders bevorzugt weniger als 1°C erfolgt. Bei einer Erwärmung auf einer beliebigen Länge unterhalb der Sprungtemperatur (204) im Temperaturbereich 201 ändert sich der elektrische Widerstand nur unwesentlich, das heißt um einen Faktor von nicht mehr als 100, bevorzugt nicht mehr als 10, besonders bevorzugt nicht mehr als 1.
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Länge und der Durchmesser des verwendeten PTC-Fadens werden erfindungsgemäß so gewählt, dass eine punktförmige Erwärmung des Fadens über die Sprungtemperatur (204) hinweg einen größeren Widerstandsanstieg zur Folge hat, als eine Erwärmung des Fadens auf einer beliebigen Länge unterhalb der Sprungtemperatur. Bevorzugterweise ist die Länge um Faktor mehr als 100, bevorzugter um den Faktor mehr als 1.000, besonders bevorzugt um den Faktor mehr als 10.000 größer als der Durchmesser. Hierdurch kann eine lokale Überhitzung, wie sie z. B. im Fehlerfall auftritt, von einer gesamten Erwärmung des PTC-Fadens im regulären Betrieb unterschieden werden, da die Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur an einer beliebigen Stelle entlang eines Fadens in jedem Fall detektiert wird und zum Auslösen der Sicherungsvorrichtung führt. Hingegen führen Temperaturveränderungen unterhalb der zulässigen Temperatur an beliebig langen Abschnitten zu keinem Einfluss auf die Detektion und somit nicht zum Auslösen der Sicherungsvorrichtung.
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Dies bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass sehr viele Messstellen, typischerweise mehrere tausend, mit einem einzigen Faden gleichzeitig überwacht werden können, und der Faden trotzdem nur zwei Anschlüsse zur Messung seines inneren Widerstandes aufweisen muss. Wenn der Widerstand des gesamten Fadens sich über einen gewissen Schwellwert erhöht, kann von einer punktuellen Überhitzung ausgegangen werden, liegt der Widerstand hingegen unterhalb des Schwellwertes, liegt keine Überhitzung vor. Die Sicherungsvorrichtung wird erfindungsgemäß nur genau dann ausgelöst, wenn der Schwellwert überschritten wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass großflächige Temperaturveränderungen unterhalb der zulässigen Temperatur nicht zu einem irrtümlichen Auslösen der Sicherungsvorrichtung führen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der PTC-Faden von einem weiteren Material ummantelt, welches ihn vor mechanischen, elektrischen und chemischen Einflüssen schützt, jedoch nicht vor thermischen Einflüssen. Hierdurch wird vorteilhaft die Robustheit gegenüber Einflüssen minimiert, die unerwünschte Auswirkungen auf die Detektion haben. Der gewünschte Einfluss der Temperatur auf die Detektion wird hierdurch vorteilhaft jedoch nicht beeinflusst.
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Beschreibung der Diagramme:
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In 1 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Zusammenhand zwischen dem elektrischen Widerstand R eines PTC-Materials und der Temperatur T zeigt. Innerhalb des Bereiches 101 ändert sich der elektrische Widerstand nur langsam mit der Temperatur, ab einer gewissen Temperaturschwelle 104 beginnt ein zweiter Bereich 102, innerhalb dessen sich der elektrische Widerstand deutlich stärker mit der Temperatur ändert. Der Bereich 102 ist nach oben hin durch die Temperatur 105 begrenzt, oberhalb derer der Bereich 103 beginnt, innerhalb dessen der Widerstandsanstieg sich verlangsamt, ganz zum Erliegen kommt, oder sich zurückbildet.
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In 2 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Zusammenhand zwischen dem elektrischen Widerstand eines PTC-Materials und der Temperatur zeigt. Innerhalb des Bereiches 201 ändert sich der elektrische Widerstand nur vernachlässigbar mit der Temperatur, ab einer gewissen Temperaturschwelle 204 beginnt ein zweiter Bereich 202, innerhalb dessen sich der elektrische Widerstand schlagartig extrem stark mit der Temperatur ändert.
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3. zeigt einen flächigen Heizer (302), dessen Temperatur an mehreren Orten (303) mit dem erfindungsgemäßen PTC-Faden (301) überwacht wird.
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4A zeigt exemplarisch mehrere Batteriezellen (402) und den an ihnen entlang geführten erfindungsgemäßen PTC-Faden (401).
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4B zeigt mehrere zu einem Batterieverbund (403) zusammengeschaltete Batteriezellen (402) und den an ihnen entlang geführten erfindungsgemäßen PTC-Faden (401).
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5 zeigt die Wandung eines Behälters (502) und den erfindungsgemäßen PTC-Faden (501), der in die Wandung eingebracht ist. Ebenfalls ist ein Schnitt durch die Wandung abgebildet, die ihn ihr verlaufenden PTC-Fäden sind ebenfalls als Schnitt abgebildet.
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Ausführungsbeispiele:
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Als Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt, wie der erfindungsgemäße PTC-Faden (301) der Überwachung eines flächigen Heizers (302) dient. Auf dem flächigen Heizer (302) befindet sich eine Vielzahl von Orten (303), die hinsichtlich der Überschreitung einer kritischen Temperatur überwacht werden müssen. Dies dient beispielsweise der Detektion von Bränden. Der elektrische Widerstand des PTC-Fadens wird an seinen beiden Enden (305) mit einer geeigneten Vorrichtung (306), die hier nicht näher ausgeführt wird, gemessen. Überschreitet dieser einen gewissen Grenzwert, wird eine Sicherungsvorrichtung (307), die hier nicht näher ausgeführt wird, aktiviert.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4A und 4B dargestellt, wie der erfindungsgemäße PTC-Faden (401) zur Überwachung einzelner Batteriezellen (402) eines Batterieverbandes (403) eingesetzt werden kann. In 4A wir beispielhaft gezeigt, wie der erfindungsgemäße Faden entlang einer Batteriezelle verlegt werden kann. Generell sind jedoch beliebige Pfade möglich. In 4B wird beispielhaft gezeigt, wie der erfindungsgemäße Faden von einer Batteriezelle zur nächsten Zelle geführt wird. Auch hier ist eine Vielzahl abweichender Pfade möglich. Der elektrische Widerstand des PTC-Fadens wird an seinen beiden Enden (405) mit einer geeigneten Vorrichtung (406), die hier nicht näher ausgeführt wird, gemessen. Überschreitet dieser einen gewissen Grenzwert, wird eine Sicherungsvorrichtung (407), die hier nicht näher ausgeführt wird, aktiviert.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Fadens (501) in einen Körper (502) eingebettet werden, um eine oder mehrere lokale Übertemperaturen innerhalb dieses Körpers zu detektieren. Dies ist z. B. in der Wandung (503) von flüssigkeits- bzw. gasgefüllten Tanks vorteilhaft, um lokale von außen einwirkende thermische Ereignisse wie z. B. ein Feuer zu detektieren und von einem gleichmäßigen Erhitzen des Tanks durch z. B. Sonneneinstrahlung zu unterscheiden. Der elektrische Widerstand des PTC-Fadens wird an seinen beiden Enden (505) mit einer geeigneten Vorrichtung (506), die hier nicht näher ausgeführt wird, gemessen. Überschreitet dieser einen gewissen Grenzwert, wird eine Sicherungsvorrichtung (507), die hier nicht näher ausgeführt wird, aktiviert.
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Definitionen:
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Ein Faden im Sinne dieser Erfindung ist ein längliches Gebilde, dessen Dicke bzw. Durchmesser viel kleiner als seine Länge ist, beispielsweise ein Seil, Schnur, Kabel, Zwirn, Band, Draht, längliches Gewebe oder eine auf ein Substrat aufgebrachte Leiterbahn. Der Querschnitt kann dabei rund, oval, halbkreisförmig oder eckig sein oder eine sonstige geometrische Gestalt aufweisen.
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Ein elektrisch leitfähiges Material ist ein Material das elektrischen Strom leiten kann und aus einem homogenen Material besteht oder aus einer Kombination mehrerer Materialien von denen mindestens ein Material elektrisch leitfähig ist bzw. die Kombination mindestens zweier Materialien zu einer elektrischen Leitfähigkeit führt.
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Ein PTC-Material ist ein elektrisch leitfähiges Material im Sinne oben stehender Definition, welches über einen positiven Temperaturkoeffizienten verfügt, d. h. in mindestens einem Temperaturbereich über einen mit der Temperatur ansteigenden elektrischen Widerstand verfügt.
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Eine Sicherungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, deren Funktion im Schützen beliebiger Objekte vor unerwünschten Einflüssen besteht. Eine Sicherungsvorrichtung kann auch aus mehreren Vorrichtungen aufgebaut sein, die unterschiedliche oder gleiche Sicherungsfunktionen erfüllen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6444350 B1 [0004, 0004]
- US 8641273 B2 [0005, 0005]
- DE 10225938 C1 [0007, 0007]
