DE102017000808B4

DE102017000808B4 - Piezothermische Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102017000808B4
Application number: DE102017000808.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-28
Filing date: 2017-01-28
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2037-01-29
Also published as: DE102017000808A1

Abstract

Piezothermische Schalteinrichtung mit einer Bimetallscheibe (1) und einem piezoelektrischen Diaphragma (3), welches aus einem metallischen Träger (3a) besteht, auf dem eine Piezokeramik (3b) aufgebracht ist, wobeidie Bimetallscheibe (1) bei Erreichen einer definierten Temperatur von der Aktivposition (7) in die Passivposition (8) umschnappt bzw. zurückschnappt, die Bimetallscheibe (1) direkt mit dem piezoelektrischen Diaphragma (3) gekoppelt ist und das piezoelektrische Diaphragma (3) unter Spannung setzt bzw. das unter Spannung stehende piezoelektrische Diaphragma (3) spannungsfrei macht, sodass die Piezokeramik (3b) einen elektrischen Impuls aussendet, und wobeies sich um eine zentrische Anordnung der Bimetallscheibe (1) und des piezoelektrischen Diaphragmas (3) handelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetallscheibe (1) rund ist,ein runder metallischer Träger (3a) des piezoelektrischen Diaphragmas (3) vorgesehen ist undin der Aktivposition (7) zumindest im mittigen Bereich die Bimetallscheibe (1) vom piezoelektrischen Diaphragma (3) beabstandet ist und nach dem Umschnappen in der Passivposition (8) gegen das piezoelektrische Diaphragma (3) drückt und dadurch das piezoelektrische Diaphragma (3) unter Spannung setzt.

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 DE 21 58 402 C3 und DE 22 37 815 C3 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 US 8 951 425 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung gekrümmter rechteckiger Bimetallplatten, die mit einer Piezokeramik beschichtet sind.
Die US 9 461 564 B2 offenbart einen Thermo-mechano-elektrischen Wandler mit einer Vielzahl von bistabilen Elementen mit Formgedächtnis, die in ein elastisches Material eingebettet sind, das mit einem piezoelektrischen Material verbunden ist.
Die DE 1 180 446 A zeigt einen Knopfthermostat mit einer gewölbten, am Rande eines metallischen Gehäuses festgelegten Bimetall-Schnappscheibe mit Mittelkontakt sowie einer kontakt- und gehäuseverbindenden, flexiblen Stromleitung in Form eines mit geschwungenen Schlitzen versehenen leitenden Tellers, welcher an seinem Mittelstück mit dem Schnappscheiben-Mittelkontakt verbunden und an seiner Randzone neben dem Rand der Schnappscheibe eingeklemmt ist.
Aus der DE 10 2011 119 637 A1 ist ein temperaturabhängiges Schaltwerk für einen temperaturabhängigen Schalter bekannt, welches eine Schnappscheibe umfasst, an der ein Auflagebereich vorgesehen ist. An dem Auflagebereich ist ein bewegliches Kontaktteil unverlierbar gehalten. Die Schnappscheibe hebt das bewegliche Kontaktteil in Abhängigkeit ihrer Temperatur von einer Gegenkontaktfläche ab.
Die DE 2 121 802 C betrifft einen Temperaturwächter zum Ein- und Ausschalten von elektrischen Stromkreisen bei Über- bzw. Unterschreiten vorbestimmter Temperaturen. Der Temperaturwächter umfasst ein Gehäuse, eine darin umfangseitig geführte, kalottenförmige Bimetall-Schnappscheibe sowie ein von deren Zentrum bewegtes Stromübertragungsglied. Das Stromübertragungsglied ist als eine der Bimetallscheibe zugeordnete, in ihrer Mitte einen Kontakt tragende, kalottenförmige Feder-Schnappscheibe ausgebildet, deren Kontakt die Bimetall-Schnappscheibe zentrisch durchgreift und deren Federkraft weniger geringer ist als die Stellkraft der Bimetall-Schnappscheibe.
Die EP 2 958 125 A1 zeigt einen temperaturabhängigen Schalter mit einem ein Oberteil sowie ein Unterteil umfassendes Gehäuse und einem eine Bimetall-Schnappscheibe sowie ein Stromübertragungsglied umfassendes Schaltwerk. Zwischen dem Oberteil und dem Unterteil ist ein Widerstandsring angeordnet, der bei geschlossenem Schaltwerk in Reihe mit dem Stromübertragungsglied zwischen einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche liegt.
Schließlich ist aus der DE 10 2009 043 251 A1 eine Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements mit einem Werkstück mit einer Auflagefläche mit mindestens einer konvexen Wölbung, einem Gegen-Werkstück mit einer Gegen-Auflagefläche mit einer zur konvexen Wölbung der Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung sowie einer Vorrichtung zu einem relativen Gegeneinanderbewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks bekannt. Hierdurch kann die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegen-Auflagefläche geführt werden. In einem zwischen Zwischenwerkstück und Gegen-Werkstück befindlichen Zwischenraum kann das Biegeelement angeordnet werden, welches aufgrund der vorgenannten Bewegung verbogen wird. Die konvexe sowie konkave Wölbung weisen einen kreisrunden Fußumfang auf.
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 einzigen Anspruches 1 gelöst.
Eine Bimetallscheibe (1) wird so geprägt, dass eine definierte Umschalttemperatur erzeugt wird. Zentrisch oberhalb der Bimetallscheibe (1) 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) 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 drückt die Bimetallscheibe (1) nach oben gegen das piezoelektrische Diaphragma (3), 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 Druckbeanspannung 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, nicht zur Erfindung gehörende Schalteinrichtung mit Koppelelement (2) in der Aktivposition
2: Piezoelektrische, nicht zur Erfindung gehörende Schalteinrichtung mit Koppelelement (2) in der Passivposition
3: Piezoelektrische Schalteinrichtung gemäß der Erfindung ohne Koppelelement (2) in der Aktivposition
4: Piezoelektrische Schalteinrichtung gemäß der Erfindung ohne Koppelelement (2) in der Passivposition

Bezugszeichenliste

1: Bimetallscheibe
2: Kopplungselement
3: piezoelektrisches Diaphragma
3a: metallischer Träger
3b: Piezokeramik
4a: Anschluss piezoelektrische Keramik
4b: Anschluss piezoelektrisches Diaphragma
7: Aktivposition
8: Passivposition

Claims

Piezothermische Schalteinrichtung mit einer Bimetallscheibe (1) und einem piezoelektrischen Diaphragma (3), welches aus einem metallischen Träger (3a) besteht, auf dem eine Piezokeramik (3b) aufgebracht ist, wobei die Bimetallscheibe (1) bei Erreichen einer definierten Temperatur von der Aktivposition (7) in die Passivposition (8) umschnappt bzw. zurückschnappt, die Bimetallscheibe (1) direkt mit dem piezoelektrischen Diaphragma (3) gekoppelt ist und das piezoelektrische Diaphragma (3) unter Spannung setzt bzw. das unter Spannung stehende piezoelektrische Diaphragma (3) spannungsfrei macht, sodass die Piezokeramik (3b) einen elektrischen Impuls aussendet, und wobei es sich um eine zentrische Anordnung der Bimetallscheibe (1) und des piezoelektrischen Diaphragmas (3) handelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetallscheibe (1) rund ist, ein runder metallischer Träger (3a) des piezoelektrischen Diaphragmas (3) vorgesehen ist und in der Aktivposition (7) zumindest im mittigen Bereich die Bimetallscheibe (1) vom piezoelektrischen Diaphragma (3) beabstandet ist und nach dem Umschnappen in der Passivposition (8) gegen das piezoelektrische Diaphragma (3) drückt und dadurch das piezoelektrische Diaphragma (3) unter Spannung setzt.