DE102017000808A1

DE102017000808A1 - Piezothermische Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102017000808A1
Application number: DE102017000808.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-28
Filing date: 2017-01-28
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-29
Also published as: DE102017000808B4

Abstract

Die mechanische Vorspannung einer Bimetallscheibe wird aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskomponenten der verwendeten Metallkomponenten bei Erreichen einer systemabhängigen Umschnapptemperatur in kinetische Energie umgewandelt, welche auf das piezoelektrische Diaphragma auftrifft und dieses mechanisch deformiert. Das piezoelektrische Diaphragma wird unter mechanische Spannung versetzt und generiert ein elektrisches Ausgangsignal, welches zur Ansteuerung von elektrischen bzw. elektronischen Geräten genutzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches I.
Aus der Offenlegungsschrift DE 100 62 028 A1 und der Patentschrift DE 100 62 028 C2 sind eine Anordnung eines thermoelektrischen Biegeschalters und Thermosensors beschrieben. Dort wird ein druckvorgespanntes Bimetallelement gezeigt, welches mit Hilfe einer Omega-Feder vorgespannt wird und starr mit einem Piezoelement verkoppelt ist. Die Aufgabe besteht darin, eine Möglichkeit zur Ladungserzeugung unter Nutzung auch langsam erfolgender thermischer Energiedifferenzen bereit zu stellen. Bei Erreichen einer Schnapptemperatur des vorgespannten Bimetallstreifens wird das verkoppelte Piezoelement verformt und in bekannter Weise eine Piezospannung erzeugt, welche bei der Kopplung mit einem Sender, ein individuelles Sendesignal für die jeweilige Schnapptemperatur erzeugt. Enthalten ist die Verwendung des Thermosensors zur Heizungsregelung, insbesondere in einem Thermostaten.
Nachteile der beschriebenen Offenlegung sind die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie die aufwendige Einbausituation und Justage im Gehäuse. Zur Festlegung der Schnapptemperatur müssen die thermischen Auslenkungsverhältnisse des Bimetalls, der Omega-Feder und der Koppelstange bekannt sein und zueinander abgestimmt werden. Der Justagevorgang ist entsprechend aufwendig.
In den Patentschriften DE000002158402C3 und DE000002237815C3 wird die Verwendung von Bimetallsprungscheiben beschrieben, die bei Erreichen einer zuvor eingeprägten Schnapptemperatur durchschnappen und ein Führungsstift gegen einen Lastarm bewegt der einen Lastkreis eines Schaltgerätes betätigt. In dieser Anordnung wird kein elektrisches Ausgangssignal beim Umschnappen der Bimetallscheibe bzw. bei der Betätigung des Lastarmes generiert.
Die Aufgabe der folgenden Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals bei Erreichen einer definierten Temperatur zu generiert, welches zur Regelung und/oder zur Steuerung eines elektrischen bzw. elektronischen Gerätes verwendet werden kann. Die Generierung des elektronischen Ausgangsignals erfolgt ohne eine interne oder externe elektrischen Energiequelle, wie z. B. in Form einer Batterie oder eines Netzteils. Das elektrische bzw. elektronische Gerät schaltet sich selbstständig ein oder aus bei Erreichen einer definierten Temperatur. Diese Vorrichtung kann eine Standby-Schaltung bzw. eine Zero-Power-Schaltung ersetzen und reduziert somit den Energieverbrauch von elektrischen bzw. elektronischen Geräten.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches I gelöst.
Diese Aufgabe wird durch eine Bimetallscheibe (1) mit eingeprägter Umschnapptemperatur, einem Kopplungselement (2) und einem piezoelektrischen Diaphragma (3) bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Eine Bimetallscheibe (1) wird so geprägt, dass eine definierte Umschalttemperatur erzeugt wird. Ein axial bewegliches Kopplungselement (2) befindet sich zentrisch oberhalb der Bimetallscheibe (1). Zentrisch oberhalb des Kopplungselementes (2) befindet sich ein piezoelektrisches Diaphragma (3). Das piezoelektrische Diaphragma besteht aus einem metallischen Träger (3a) auf dem eine Piezokeramik (3b) aufgebracht ist. Die Bimetallscheibe (1), das Kopplungselement (2) und das piezoelektrische Diaphragma (3) sind axial zueinander verbaut. Bei Erreichen der Umschnapptemperatur schnappt die Bimetallscheibe (1) schlagartig aus ihrer Aktivposition (7) in ihrer Wölbung um und erreicht ihre Passivposition (8). Dadurch wird das darüber gelagerte Kopplungselement (2) nach oben gegen das piezoelektrische Diaphragma (3) gedrückt, welches eine Druckbeanspannung erfährt. Hierbei entsteht ein elektrischer Impuls in der Piezokeramik (3b), welcher einen Stromkreis aktiviert und ein elektrisches bzw. elektronisches Gerät betriebsbereit schaltet. Unterschreitet die Temperatur die Umschnapptemperatur der Bimetallscheibe (1), schnappt die Bimetallscheibe (1) wieder in ihre Aktivposition (7) zurück. Der hierbei entstehende elektrische Impuls der unter Druckbeansannung stehenden Piezokeramik (3b) kann zum Ausschalten eines elektrischen bzw. elektronischen Gerätes verwendet werden. Im Gegensatz zu Temperaturreglern mit einer relativ kleinen Umschalthysterese von 1K bis 5K, wird bei Temperaturwächtern die Temperaturdifferenz zwischen der unteren Umschnapptemperatur (Aktivposition (7)) und der oberen Umschapptemperatur (Passivposition (8)) wesentlich größer gewählt, beispielsweise größer 10K. Es können sowohl Temperaturregler wie auch Temperaturbegrenzer, je nach Bimetallscheiben-Prägung realisiert werden.
Es zeigen

1: Piezoelektrische Schalteinrichtung mit Koppelelement (2) in der Aktivposition
2: Piezoelektrische Schalteinrichtung mit Koppelelement (2) in der Passivposition
3: Piezoelektrische Schalteinrichtung ohne Koppelelement (2) in der Aktivposition
4: Piezoelektrische Schalteinrichtung ohne Koppelelement (2) in der Passivposition
5: Piezoelektrische Schalteinrichtung mit Dämmscheibe (5) in Aktivposition
6: Piezoelektrische Schalteinrichtung mit Isolationsplatte (6) in Passivposition

1): Bimetallscheibe
2): Kopplungselement
3): piezoelektrisches Diaphragma
3a): piezoelektrische Keramik
4a): Anschluss piezoelektrische Keramik
4b): Anschluss piezoelektrisches Diaphragma
5): Dammscheibe
6): Isolationsplatte
7): Aktivposition
8): Passivposition

Anlagen: 1, 2, 3, 4, 5, 6
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10062028 A1 [0002]
DE 10062028 C2 [0002]
DE 000002158402 C3 [0004]
DE 000002237815 C3 [0004]

Claims

Piezothermische Schalteinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine Bimetallscheibe (1) bei erreichen eine definierten Temperatur von der Aktivposition (6) in die Passivposition (7) umschnappt bzw. zurückschnappt und über ein Kopplungselement (2) ein piezoelektrisches Diaphragma (3) unter Spannung setzt bzw. das unter Spannung stehende piezoelektrische Diaphragma (3) spannungsfrei macht, sodass die Piezokeramik (3b) einen elektrischen Impuls aussendet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen zentrische bzw. nicht zentrische Anordnung der Bimetallscheibe (1), des Kopplungselementes (2) und des piezoelektrischen Diaphragmas (3) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die runde Bimetallscheibe (1) durch eine andere Geometrie, z. B. durch einen Bimetallstreifen, ersetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der runde metallische Träger (3a) des piezoelektrische Diaphragmas (3) durch eine andere Geometrie, z. B. durch eine rechteckige Gestalt ersetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das piezoelektrische Diaphragma (3) aufgebrachte Piezokeramik (3b) durch eine andere Geometrie, z. B. durch eine rechteckige Gestalt ersetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetallscheibe (1) direkt mit dem piezoelektrischen Diaphragma (3) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Bimetallscheibe (1) und dem piezoelektrischen Diaphragma (3) eine deformierbare Dämmscheibe (5) mit z. B. runder Gestalt aus einem Elastomer befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Bimetallscheibe (1) und dem piezoelektrischen Diaphragma (3) eine deformierbare elektrische Isolationsplatte (6) mit z. B. rechteckiger Gestalt aus einem Polymer befindet.