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Die Erfindung betrifft einen Temperaturschalter mit hoher Kraft.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt für temperaturempfindliche Bauteile, wie z. B. Überspannungsschutzeinrichtungen, temperatursensibel Schaltvorrichtungen bereitzustellen, die auf thermisch erweichbare Löt- oder Klebe-Verbindungen aufbauen.
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Allerdings ist dabei eine erhebliche Komplexität in der Herstellung festzustellen, da diese Schaltvorrichtungen – sei es als Abtrenneinrichtung oder als Kurzschlußeinrichtung – bei der Herstellung mit der notwendigen Vorspannung versorgt werden müssen, sodass bei einer thermisch induzierten Ablösung der Schaltvorgang auch sicher durchgeführt werden kann.
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Insbesondere bei lötbaren temperaturempfindlichen Bauteilen stellt dies ein ernstes Problem dar, da hier bereits der Lötvorgang zu einer Auslösung der temperatursensiblen Schaltvorrichtungen führen kann.
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Neuerdings wird versucht dieser Komplexität durch die Verwendung von Formgedächtnislegierungen zu begegnen. Allerdings war mit bisherigen Konstruktionen keine ausreichende Kraftwirkung auf vergleichsweise geringem Bauraum zu erzielen, sodass bisherige Lösungen eher für kleine Kräfte und somit geringe zu schaltende Ströme ausgelegt waren.
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Aus der
US 2014/0 339 265 A1 ist ein elektrisch kontrollierter Aktuator für einen Waschmittelspender bekannt, bei der ein Draht aus Formgedächtnismaterial zur Bereitstellung eines großen Betätigungsweges gezeigt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Temperaturschalter mit hoher Kraft bereitzustellen, der einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Temperaturschalters in Bezug auf verschiedene Aspekte der Erfindung in einem ersten Zustand,
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2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Temperaturschalters in Bezug auf verschiedene Aspekte der Erfindung in einem zweiten Zustand,
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3 eine schematische Ansicht eines weiteres Aspektes der Erfindung in einem ersten Zustand,
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4 eine schematische Ansicht des weiteren Aspektes der Erfindung in einem zweiten Zustand, und
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5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Temperaturschalters in Bezug auf verschiedene Aspekte der Erfindung in einem ersten Zustand.
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Die 1, 2 und 5 zeigen einen Temperaturschalter mit hoher Kraft. Der Temperaturschalter weist ein drahtartiges bzw. blechformartiges Bauteil FGL aus einer Formgedächtnislegierung auf.
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Das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL, welches in einem ersten Zustand in 1 und 5 dargestellt ist und der einem nichtausgelösten Zustand entspricht, nimmt eine langgestreckte Form an.
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In einem zweiten Zustand, der in 2 dargestellt ist und der dem ausgelösten Zustand entspricht, nimmt das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL eine kurzgestreckte Form an.
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D. h. der Wechsel vom ersten Zustand in den zweiten Zustand kann dem teilweisen oder vollständigen Phasenübergang entsprechen, wie er für Ein- oder Zwei-Weg-Memory Legierungen bekannt ist.
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Das drahtartige bzw. blechformartige Material FGL ist im Wesentlichen an zwei Endpunkten E1 und E2 befestigt. Dabei ist Befestigung allgemein zu verstehen und kann auch ein Umschlingen bedeuten. Wesentlich ist dabei, dass ein Abstützpunkt gebildet wird Dies wird z. B. aus dem Vergleich der 1 und 5 deutlich. In 5 ist beispielsweise das drahtartige bzw. blechformartige Material FGL um den Endpunkt E2 herum geführt. Es kann nunmehr am drahtartigen bzw. blechformartigen Material FGL selbst oder aber am Stellglied SGL oder einem anderen Punkt, z. B. auf einer Platine P, befestigt sein. Befestigung kann dabei insbesondere ein Anlöten oder Crimpen oder Klemmen, etc. umfassen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann dies auch für beide Endpunkte E1 und E2 bereitgestellt werden. Der Vorteil einer Umschlingung ist, dass eine größere Strecke z. B. genutzt werden kann, wie nachfolgend dargestellt werden wird.
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Wie ohne weiteres ersichtlich ist, können die beiden Endpunkte E1 und E2 als Endpunkte einer Verbindungsachse E1E2 in den 1, 2 und 5 als punktierte Linie dargestellt ist.
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Im Wesentlichen senkrecht zu dieser (virtuellen) Verbindungsache E1E2 ist ein Stellglied SGL angeordnet, das bei einem Übergang des drahtartigen Bauteils FGL von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und/oder von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand betätigt wird, indem das drahtartige bzw. blechformartige Material FGL unter Einfluss von Wärme seine Länge ändert, d. h. beim Übergang vom ersten Zustand in den zweiten Zustand seine Länge verkürzt.
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Dabei unterteil das Stellglied SGL das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL virtuell in einen ersten Abschnitt A1 zwischen dem ersten Endpunkt E1 und dem Stellglied SGL und einen zweiten Abschnitt A2 zwischen dem zweiten Endpunkt E2 und dem Stellglied SGL.
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Im ersten Zustand – dargestellt in 1 und 5 – bildet das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL einen ersten Winkel γ zwischen dem ersten Abschnitt A1 und der Verbindungsachse E1E2. Im zweiten Zustand hingegen – dargestellt in 2 – bildet das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL einen zweiten Winkel γ' zwischen dem ersten Abschnitt A1 und der Verbindungsachse E1E2, wobei der erste Winkel γ größer ist als der zweite Winkel γ'. Diese Winkeländerung ergibt sich durch die thermisch bedingte Verkürzung der Formgedächtnislegierung beim Übergang der Phasen.
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Dabei erweist es sich, dass nunmehr das Stellglied SGL durch das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL mit hoher Kraft verschoben wird. Dabei macht sich die Erfindung zu Nutze, dass der Wegeffekt in quasi normaler Richtung zur Verbindungsachse E1E2 größer ist als die Verkürzung des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteil (FGL). Dabei kann durch das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL sowohl die Funktion des Sensors (Temperaturänderung) als auch des Aktors (direkte oder indirekte Betätigung eines Schalters) ausüben und ist insofern zum einen kostengünstig als auch auf Grund der geringen Anzahl von beweglichen Bauelementen ausfallsicher.
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Sollte eine größere Wegänderung benötigt werden, so kann dies in Ausführungsformen der Erfindung sehr einfach dadurch bereitgestellt werden, dass an dem Stellglied SGL ein Hebel H angeordnet ist, der zu einer Übersetzung der vom Stellglied SGL ausgeübten Kraft in eine Wegänderung dient. Somit kann zu Lasten der Kraft über das Hebelprinzip eine entsprechende Wegänderung bei geringerer Kraftwirkung bereitgestellt werden. Insofern kann das Wirkprinzip ohne weiteres jeder gewünschten Schaltsituation angepasst werden.
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Insbesondere erlaubt es die Erfindung z. B. durch Verlängerung des Weges, wie es in einem nicht limitierenden Beispiel in 5 gezeigt ist, die Kraftwirkung weiter einstellen zu können.
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Dabei kann – wie bereits angedeutet – entweder das Stellglied SGL mittelbar (z. B. über einen Hebel wie in 1, 2 und 5 gezeigt) oder unmittelbar (wie z. B. in 3 und 4 angedeutet) einen Schalter S betätigen, wobei Schalter jede Art von Schalter, wie z. B. ein elektrischer Schalter, ein pneumatischer Schalter, ein mechanischer Schalter bedient werden.
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Ebenso kann das Stellglied SGL mittelbar oder unmittelbar eine Statusanzeige betätigen. Diese kann z. B. einen Farbwechsel oder einen Kontrollstift darstellen, wobei dieser auch am Stellglied oder an einem eventuell vorgesehenen Hebel H angeordnet oder angeformt sein kann.
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Bisher wurde die Art des Temperatureintrages in das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL nicht näher beleuchtet. Hier kann je nach Erfordernis der Schaltgeschwindigkeit vorgesehen sein, dass z. B. ein zu überwachendes Bauteil ÜSE benachbart zum drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteil FGL angeordnet ist. Hierbei kann z. B. vorgesehen sein, dass ein Bereich mit besserer Wärmeleitung WL, z. B. eine Kupferkaschierung oder ein Kupferblech, ein Verbesserung darstellt – siehe beispielsweise 1 und 2. Andererseits ist es auch alternativ oder zusätzlich möglich z. B. den Strom durch ein zu überwachendes Bauteil ÜSE durch die elektrisch leitfähige Formgedächtnislegierung selbst zu leiten, sodass durch Eigenerwärmung der Formgedächtnislegierung der Schaltvorgang ausgelöst werden kann. D. h. durch den Stromfluss ändert sich die Temperatur des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL und somit mittelbar die Länge des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL und somit wird ein Übergang von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und/oder von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand veranlasst.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der erste Winkel γ kleiner oder gleich 30° ist, da dann die Wegwirkung in normaler Richtung hoch ist.
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Ohne weiteres kann bei genauerer Kenntnis ein nahezu optimaler Winkel, d. h. ein Winkel mit nahezu maximaler Kraftwirkung/Wegwirkung ermittelt werden, wie nachfolgend kurz erläutert werden wird.
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Dazu kann der erste Winkel γ nach folgender Formel (iterativ) bestimmt werden
wobei der Winkel zunächst ganz allgemein γ ≤ 45° annimmt,
wobei b die halbe längenhafte Erstreckung des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL in dem ersten Zustand bezeichnet, und wobei Δb die halbe Verkürzung in Bezug auf längenhafte Erstreckung des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL in dem zweiten Zustand gegenüber dem ersten Zustand bezeichnet.
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Nun kann durch Variation des Winkels bestimmt werden, wo das Maximum bzw. der gewünschte Wert der Verschiebung des Stellgliedes SGL beim Wechsel vom ersten Zustand in den zweiten Zustand zu finden ist.
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Beispielsweise würde sich bei einer halben längenhafte Erstreckung des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL mit b = 20 mm (entsprechend z. B. Abschnitt A1) und einer 5% Verkürzung des Drahtes Δb = 1 mm ein maximaler Winkel bei circa 18,177° ergeben, wobei zu diesem Wert hin von γ ≤ 45° absteigend der Wert der Verschiebung des Stellgliedes SGL stark (asymptotisch) ansteigen würde.
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Die Verkürzung des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL Δb kann dabei zuvor geeignet festgelegt worden sein. Entsprechende Werte können aus entsprechenden Materialdatenblättern oder Lehrbüchern entnommen sein. Beispielsweise kann aus einem Diagramm für Spannungs-/Dehnungsbelastungszyklen ein entsprechender Wert bestimmt werden. Entsprechende Diagramme können z. B. dem Buch Konstruktionspraxis Formgedächtnistechnik, Springer Verlag, ISBN 978-3-8348-1957-4 entnommen werden. Dabei kann in aller Regel die Anzahl der Belastungszyklen (z. B. für einen einmaligen Gebrauch, etwa 10 Belastungszyklen) für die Designparametrisierung gehalten werden, sodass eine vergleichsweise große Dehnung (z. B. 6%) und damit eine entsprechende Kraft erreicht werden kann.
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Anschließend kann wie zuvor erläutert iterativ der Winkel bestimmt werden.
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Ohne weiteres kann für unterschiedliche Schaltzwecke vorgesehen sein, dass nicht nur eine Einweg-Memory-Effekt für drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL verwendet wird, sondern für reversible Schaltzwecke auch ein Zweiweg-Memory-Effekt. Ohne weiteres kann aber auch vorgesehen sein, dass für reversible Schaltzwecke z. B. ein Einweg-Memory-Effekt Material mit einem Rückstellelement, wie z. B. einer Feder, alternativ oder unterstützend kombiniert wird.
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Besonders vorteilhaft kann der Temperaturschalter auf einer Platine P angeordnet sein. Hierdurch sind besonders kompakte Bauformen möglich.
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Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Temperaturschalter zur Absicherung von Überspannungsschutzeirichtungen ÜSE, wobei der Begriff der Überspannungsschutzeinrichtungen breit zu verstehen ist und insbesondere Varistoren, Transient Voltage Supressor-Dioden, Funkenstrecken, gasgefüllte Überspannungsableiter, etc. umfasst. Diese können entweder ihre Zuleitung über das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil (FGL) aus einer Formgedächtnislegierung aufweisen und/oder in (un)mittelbaren thermischen Kontakt mit dem drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteil (FGL) aus einer Formgedächtnislegierung stehen.
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Mittels der vorgestellten Temperaturschalter ist es nunmehr möglich mit geringem Material- bzw. Gewichtseinsatz sehr hohe Kräfte durch Gefüge-Umwandlungen zu erzeugen. Hiermit kann bei einer definierten (Bauteil-)Temperatur ein Schaltmechanismus aktiviert werden.
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Das Verkürzen des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL erzeugt eine resultierende Kraft, welche ein Stellglied SGL bewegt. Dieser Stellglied SGL kann wiederum (optional) einen Hebel H („Hubvervielfacher” bzw. Wegvergrößerungselement), wenn der Verstellweg des Stellglieds SGL nicht ausreichen würde, betätigen. Hierdurch kann ein Schalter S wie in 3 und 4 gezeigt geöffnet werden. Dabei ist z. B. im ersten Zustand der 3 der Schaltkontakt über die Kontakte K1 und K2 durch einen metallischen Leiter oder eine Metallisierung M auf dem Hebel H oder dem Stellglied SGL geschlossen, sodass Strom (wie durch den gestichelten Pfeil angedeutet) fließen kann. Nun führt eine Erwärmung zu einem Phasen-Wechsel und damit zu einer Verstellung des Stellgliedes SGL, weswegen nun die Metallisierung M verschoben (4) oder verschwenkt (2) wird, wodurch nunmehr im zweiten Zustand der Schaltkontakt über die Kontakte K1 und K2 nicht mehr durch einen metallischen Leiter oder eine Metallisierung M auf dem Hebel H oder dem Stellglied SGL geschlossen ist, sodass kein Strom mehr fließen kann. Die Schaltkontakte K1 und K2 sowie M sind nur beispielhaft und es können ohne weiteres auch andere Kontaktformen, wie z. B. Tulpen, verwendet werden.
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Im Betrieb erfährt das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL durch einen Wärmeeintrag eine Temperaturerhöhung. Diese Wärmeeintragung kann z. B. durch eine breite Kupferbahn WL wie in der 1, 2 und 5 zu ersehen ist erreicht werden. Wenn eine bestimmte Temperatur, z. B. 100°C, an der Wärmeeintragstelle WL erreicht worden ist, beginnt eine austenitische Gefüge Umwandlung in dem drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteil FGL, welche ein verkürzen des drahtartigen bzw. blechformartigen Bauteils FGL bewirkt. Diese Verkürzung erzeugt große Kräfte, wenn das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL an der Verkürzung „behindert” wird. In der 5 ist zu ersehen, wie das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL mit einer Drahtaufnahme am Endpunkt E1 und beispielhaft mit einem Umlenkelement am Endpunkt E2 auf einer Platine P befestigt worden ist. Beispielsweise ist die Drahtaufnahme am Endpunkt E1 eingehakt worden. Somit kann sich das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL zusammenziehen und eine resultierende Kraft erzeugen. Die resultierende Kraft wirkt nun auf das Stellglied SGL. Wie in der 1 und 5 zu erkennen ist, drückt dieses Stellglied SGL mit der resultierenden Kraft wiederum mittels eines Hebel H auf einen Schalter S, welcher durch seine Geometrie einen entsprechend benötigten „Schaltweg” absolviert. Die Stromverbindung mit dem Schaltkontakt K1 und K2 ist nun unterbrochen, siehe 2.
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Beispielsweise kann ein Selbsthalteeffekt der Schalterstellung in diesem Fall durch das drahtartige bzw. blechformartige Bauteil FGL mit einem Einweg-Memory-Effekt erreicht werden, wobei dann für eine Rückstellung eine weitere Komponente (z. B. rückstellhebel, Rückstellfeder benötigt wird.
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Je nach Weganforderung kann das Stellglied SGL mit entsprechender Stromleitfähigkeit M (z. B. Metallisierung auf dem Stellglied SGL) auch direkt den Schaltkontakt K1 und K2 betätigen, wenn beispielsweise nur ein kleiner „Schaltweg” benötigt wird, siehe 3 und 4.
