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Die Erfindung betrifft ein Schaltelement.
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Hintergrund
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In vielen Bereichen der Elektrotechnik, insbesondere jedoch im Überspannungsschutz, werden Schaltelemente eingesetzt, die bei Erreichen einer bestimmten Temperatur schalten.
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Beispielsweise besteht beim Einsatz von Überspannungsschutzeinrichtungen häufig das Problem, Komponenten vor dem Versagen vom Stromnetz zu trennen, um ein unkontrolliertes Zerstören durch Brand oder Explosion zu vermeiden. In der Regel erwärmt sich die Überspannungsschutzeinrichtung bzw. das Bauteil vor dem Versagen.
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In vielen Fällen wurden hierfür vorgespannte Schaltelemente verwendet, bei denen bei Erreichen einer bestimmten Temperatur eine Lötverbindung aufschmolz, sodass die gespeicherte Energie frei wurde.
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Nachteilig an diesen Anordnungen ist jedoch, dass die zur Verfügung gestellten Kräfte eingeschränkt sind, da in aller Regel nur ein beschränkter Bauraum und damit auch nur wenig Raum für Federelemente bleibt.
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Daher wurden durch die Anmelderin in der Vergangenheit bereits Produkte entwickelt, die auf Basis von Formgedächtnismaterialien reversibel schalten. Beispielsweise sei auf die deutschen Patente
DE 10 2013 202 793 B4 ,
DE 10 2013 202 795 B3 ,
DE 10 2013 202 796 B4 verwiesen, die eine reversible Schaltung zur Verfügung stellen.
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Aber auch für irreversible Schaltungen können Formgedächtnismaterialen eingesetzt werden. Hierzu sei beispielhaft auf das deutsche Patent
DE 10 2013 204 039 B4 der Anmelderin verwiesen.
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Wird eine große Kraft benötigt, bzw. bei geringerer Kraft ein größerer Verfahrweg gefordert (z.B. das 5 fache der aktivierten Dehnung des Formgedächtnismaterials) so kann dies durch eine Anordnung erreicht werden, wie sie aus dem deutschen Patent
DE 10 2015 211 324 B4 der Anmelderin bekannt ist.
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Es sind jedoch Anwendungsfälle bekannt, bei denen die Temperatur, bei der ein zuverlässiges Abtrennen auftritt, präzise eingestellt werden muss, während in Bereichen unterhalb dieser Temperatur ein Schalten nicht erfolgen soll. Zugleich ist es häufig notwendig eine hohe Kraft bereitzustellen. Häufig ist aber die Schalttemperatur der Formgedächtnismaterialien inkompatibel mit den gewünschten Schalttemperauren.
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Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Schaltelement zur Verfügung zu stellen, dass einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet und ein besseres Temperaturverhalten zur Verfügung stellt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Stromsensors gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
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Figurenliste
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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
- 1 eine schematische Schnittdarstellung von Aspekten gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
- 2 eine weitere schematische Schnittdarstellung von Aspekten gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
- 3 eine weitere schematische Schnittdarstellung von Aspekten gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
- 4 Verläufe von Temperatur, Kraft, Aktorweg und Martensitanteil bei einer ersten Vorspannung,
- 5 Verläufe von Temperatur, Kraft, Aktorweg und Martensitanteil bei einer zweiten Vorspannung und
- 6 Verläufe von Temperatur, Kraft, Aktorweg und Martensitanteil bei einer dritten Vorspannung.
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender (unter Bezugnahme auf die Figuren) dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordenbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
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Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten, zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.
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„Benachbart“ schließt im Nachfolgenden explizit eine unmittelbare Nachbarschaftsbeziehung ein ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. „Zwischen“ schließt im Nachfolgenden explizit eine Lage ein, in der das zwischenliegende Teil eine unmittelbare Nachbarschaft zu den umgebenden Teilen aufweist.
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Ein erfindungsgemäßes Schaltelement 1 weist ein längliches und im Vergleich zu seiner Länge dünnes Formgedächtnismaterial F auf. Formgedächtnismaterial F kann z.B. die äußere Form eines Drahtes oder Bleches aufweisen. Das Material kann ein Metall oder auch eine Legierung oder auch ein Polymer sein.
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Das Schaltelement 1 weist zumindest drei voneinander beabstandete Punkte P1, P2, P3 auf. Diese Punkte dienen im Nachfolgenden der Orientierung. Sie können jedoch auch als Befestigungspunkte / Umlenkpunkte dienen.
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Nachfolgend wird angenommen, dass das Formgedächtnismaterial F an einem ersten Punkt P1 und einem zweiten Punkt P2 der drei Punkte fixiert ist. Der dritte Punkt P3 befindet sich, gesehen auf einer Strecke von Punkt P1 nach Punkt P2 entlang des Formgedächtnismateriales F, zwischen diesen beiden. Dabei kann zwischen sowohl eine Mittellage mit im Wesentlichen gleichen Abstand als auch jegliche Zwischenlage bezeichnet sein.
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Das Formgedächtnismaterial F ist um den dritten Punkt P3 herumgeführt. Dabei kann das Formgedächtnismaterial anliegen oder auch dort befestigt sein. Anliegen bedeutet dabei, dass das Formgedächtnismaterial F an zumindest einem Ort an einem Element anliegt.
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Das Formgedächtnismaterial F weist in einem ersten Zustand bei einer ersten Temperatur eine erste Länge auf. In einem zweiten Zustand bei einer zweiten Temperatur weist das Formgedächtnismaterial eine zweite Länge auf. Durch die Zustandsänderung vom ersten Zustand in den zweiten Zustand interagiert das Formgedächtnismaterial F mit dem dritten Punkt P3, wobei die Interaktion zum Schalten verwendet wird.
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Dabei wird das Formgedächtnismaterial zur Zustandsänderung erwärmt. Diese Erwärmung kann durch eine äußere Quelle, z.B. ein sich erhitzendes Bauelement mit einer geeigneten Wärmekopplung, und/oder durch Eigenerwärmung, z.B. durch Stromfluß durch das widerstandsbehaftete Formgedächtnismaterial, bereitgestellt werden.
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Dem Formgedächtnismaterial F kommen dabei zwei Eigenschaften zu. Zum einen erfasst es die Temperatur, zum anderen kann es als Aktor wirken.
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Insbesondere Formgedächtnislegierungen haben die Eigenschaft mit geringem Material- bzw. Gewichtseinsatz sehr hohe Kräfte zu erzeugen. Diese Kräfte werden durch Gefügeumwandlungen im Material bereitgestellt.
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Das Schaltelement 1 weist ein Formgedächtnismaterial F auf, welches im ungespannten Zustand eine niedrige Austenit-Start-Temperatur hat. Durch ein definiertes Vorspannen, z.B. einem Federelement D, kann die Austenit-Start-Temperatur des Formgedächtnismaterials F erhöht werden. Die so von dem Federelement D erzeugte Kraft behindert die Phasenumwandlung (von der martensitischen in die austenitische Phase). Dadurch wird die Austenit-Start-Temperatur erhöht.
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Dieser Effekt kann genutzt werden, um eine höhere Schalttemperatur, z.B. > 80°C, insbesondere > 140° C, zu erlangen.
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Beispielhaft sein dies im Folgenden für eine irreversible Schaltung skizziert. Es sei jedoch angemerkt, dass auch reversible Schaltungen möglich sind, wenn an der Schaltstelle ein Rückstellelement vorgesehen ist. Z.B. kann anstatt eines Bruches an einer Soll-Bruchstelle ein Rastmechanismus (schlagartig nachgebender Bewegungswiderstand) und ein Rückstellelement, z.B. eine Feder, vorgesehen sein, welche den Schaltmechanismus wieder in die Ausgangslage zurückversetzt. Dadurch kann der Schaltmechanismus mehrmals benutzt werden.
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Ein Formgedächtnismaterial F wird mit einer definierten Kraft (dauerhaft) gespannt. In diesem Fall wird die Dauerkraft durch ein Federelement D in einem Gehäuse G realisiert. Dieses Federelement D kann aus Kunststoff bestehen und im Gehäuse integriert sein oder aber ein separates metallisches Federelement sein. Beispielsweise ist in 3 ein an einem Gehäuse G angeformtes Federelement D gezeigt.
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Die Vorspannung D kann bereits bei Raumtemperatur präsent sein. Durch geeignete Gestaltung kann die Vorspannung D aber auch erst bei Erreichen einer höheren Temperatur zur Verfügung gestellt werden.
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In 1 und 2 sind zwei alternative Ausführungsformen für Interagieren gezeigt.
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In 1 wird angenommen, dass das Formgedächtnismaterial F auf den Punkt P3 einwirkt, sodass der Punkt P3 seine Position verändert. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Punkt P3 eine (an einem Gehäuse G) angeformte Umlenkung aufweist. Diese Umlenkung kann geeignet dimensioniert sein und/oder aber über eine Sollbruchstelle verfügen, sodass bei Erreichen einer entsprechenden Kraft durch das sich umwandelnde Formgedächtnismaterial F die Haltekräfte des Punktes P3 relativ zu einem Gehäuse G oder einer anderen Haltestruktur / Federstruktur überschritten werden. D.h., die Interaktion ist ein Bewegen des dritten Punktes P3, wobei das Formgedächtnismaterial F im Wesentlichen intakt bleibt. Mittels geeigneter Dimensionierung kann erreicht werden, dass das Formgedächtnismaterial F so auf den dritten Punkt P3 einwirkt, dass der dritte Punkt P3 schlagartig deformiert oder abgetrennt wird. Deformation kann dabei auch als ein Nachgeben / Abscheren verstanden werden.
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D.h. in diesem Fall kann reversibel oder irreversibel auf den Punkt P3 eingewirkt werden.
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In 2 wird angenommen, dass der Punkt P3 auf das Formgedächtnismaterial F einwirkt, sodass das Formgedächtnismaterial F zerstört wird. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Punkt P3 eine Art Schneide an der (an einem Gehäuse G) angeformten Umlenkung aufweist. Diese Schneide kann geeignet dimensioniert sein, sodass bei Erreichen einer entsprechenden Kraft durch das sich umwandelnde Formgedächtnismaterial F das Formgedächtnismaterial F mittels der Schneide so geschwächt wird, dass es unter Zug aufgetrennt wird oder direkt aufgetrennt wird.
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D.h. in diesem Fall kann irreversibel auf das Formgedächtnismaterial F eingewirkt werden.
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Je nachdem welche Art der Einwirkung gewählt wird, kann ein mechanischer / elektrischer Schalter mittelbar oder unmittelbar mit Punkt P3 oder mit dem Formgedächtnismaterial F realisiert werden.
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Nachfolgend wird kurz ein möglicher Schaltablauf skizziert. Das Formgedächtnismaterial F ist z.B. zu einem (gleichschenkligen) Dreieck mit einer definierten Kraft dauerhaft aufgespannt. Das Federelement D, welches die definierte Kraft erzeugt, behindert die Umwandlung von der martensitischen Phase in die austenitische Phase. Das Formgedächtnismaterial F erfährt nun einen Wärmeeintrag. Dieser Wärmeeintragung kann z.B. durch ein Bauteil oder eine Komponente eines Überspannungsschutzes bereitgestellt werden. Wenn eine bestimmte Temperatur, z.B. 100°C, an der Wärmeeintragsstelle erreicht worden ist, beginnt eine austenitische Gefügeumwandlung in dem Formgedächtnismaterial F, welche ein Verkürzen des Formgedächtnismaterials F bewirkt. Diese Verkürzung wirkt gegen einen festen Anschlag A.
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Bis zum Anschlag A hin können sich die Federelemente D um eine Strecke d aufbiegen. Durch die Blockade des festen Anschlages A werden (große) Kräfte in dem Formgedächtnismaterial F erzeugt, die eine Verkürzung des Formgedächtnismaterials F behindern. Diese großen Kräfte führen zu einem Bruch an der Stelle des Punktes P3. Durch diesen schlagartigen Bruch wird das restliche Martensit quasi unmittelbar in Austenit umgewandelt. Dieser Effekt erzeugt einen großen Weg (negative Dehnung) bzw. Kräfte, womit entsprechende Bauteile wie Pin P3, Schieber oder sonstiges, bewegt werden können. Durch ein entsprechendes Federelement hinter dem Pin P3 können, wenn gewünscht, noch größere Stell-Wege realisiert werden.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann für das irreversible Schalten sowohl ein Einweg- oder ein Zweiwege-Formgedächtnismaterial F verwendet werden. Für ein reversibles Schalten kann ein Zweiwege- Formgedächtnismaterial F verwendet werden.
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Weiterhin können die Punkte P1, P2, P3 in einem Gehäuse G angeordnet / angeformt sein. Beispielsweise kann das Gehäuse G mittels Spritzguss aus einem geeignetem Material wie z.B. Polyethylen, Polyoxymethylen, Polycarbonat geformt sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann vorgesehen sein, dass z.B. der dritte Punkt P3 (und/oder auch andere Punkte P1, P2) veränderlich sind. Somit kann z.B. bei Montage ein geeignetes Temperaturschaltverhalten durch Änderung der Vorspannung D und/oder Einsetzen der Änderung der Vorspannung D erreicht werden.
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Weiterhin kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit vorgesehen sein, dass das Formgedächtnismaterial F vorgespannt ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ab einer bestimmten Krafteinwirkung durch das Formgedächtnismaterial F bzw. durch Temperatur eine Sollbruchstelle und/oder ein Rastmechanismus oder Ähnliches betätigt wird, wobei sich die mechanische Spannung im Formgedächtnismaterial F schlagartig reduziert und die restliche Gefügeumwandlung schlagartig beschleunigt wird.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist das Formgedächtnismaterial F so angeordnet ist, dass bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur das Formgedächtnismaterial F an einem Punkt P3 zum Anliegen kommt, wobei bei einer weiteren Erhöhung der Temperatur das Formgedächtnismaterial durch das Anliegen an dem Punkt P3 unter erhöhten Stress gesetzt wird. D.h. es kann z.B. eine stufenweise Erhöhung der inneren Spannung im Formgedächtnismaterial F zur Verfügung gestellt werden. Hierbei wird das Formgedächtnismaterial F mit zumindest einem Federelement D vorgespannt, siehe z. B. 3.
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Es sei angemerkt, dass eine derartige Vorspannung auch in Bezug auf Punkt P1 und nicht nur wie dargestellt in Bezug auf Punkt P2 realisiert sein kann.
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Ab einer definierten Temperatur bzw. Weg läuft, beim Verkürzen des Formgedächtnismaterial F, diese gegen einen festen Anschlag. Das hat zur Folge, dass, wenn z.B. der feste Anschlag bei 100°C positioniert wird, es bis dahin zu geringen Gefügeschädigungen im Formgedächtnismaterial F kommt. Erst ab dem festen Anschlag, bzw. 100°C, kommt es zu größeren Gefügeschädigungen im Formgedächtnismaterial F. Somit kommt es zu einem starken Verschleiß bzw. zu einer stark reduzierten Schaltzyklenanzahl, bzw. es wird der reversible Bereich verlassen.
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Beispielsweise kann das Formgedächtnismaterial F mit einer Vorspannung (z.B. etwa 13 N) bei 50° C vorgespannt sein, siehe 4. Bei einer weiteren Zunahme der Temperatur, z.B. 100 °C verkürzt sich das Formgedächtnismaterial F weiter und das Federelement bewegt / die Federelemente D bewegen sich auf der Strecke d auf den Anschlag A zu. Es bildet sich bereits Austenit, siehe 5. Bei Erreichen einer noch höheren Temperatur, beispielsweise 155 °C, siehe 6, ist nunmehr das Formgedächtnismaterial F soweit verkürzt, dass das Federelement D sich am Anschlag A befindet und somit das Formgedächtnismaterial F wie fixiert verhält. Das Formgedächtnismaterial F übt dabei Spannung auf den dritten Punkt P3 aus, sodass dieser bricht. Dies führt zu einem schlagartigen Umwandeln von restlichen Martensit in Austenitische Phase. Das Formgedächtnismaterial F zieht sich stark und schnell zusammen, und ermöglicht so z.B. einen einmaligen großen Schaltweg.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung kann durch eine Einstellbarkeit von Kraft und Weg in Bezug auf die Federelemente D der Anschlag A die Punkte P1, P2 und P3 die Temperatureigenschaft des Schaltelementes 1 geeignet eingestellt werden.
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Die vorgestellte Erfindung kann besonders vorteilhaft als elektrischer Schalter Verwendung finden.
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Insbesondere erlaubt die Verwendung eines Schaltelements 1 gemäß der Erfindung, dass die Schalttemperatur des Formgedächtnismaterials F heraufgesetzt ist, indem eine Kraft-Komponente (z.B. Federelement D) durch ein Vorspannen des Formgedächtnismaterials F zu einer Verzögerung der Gefügeumwandlung im Formgedächtnismaterial F führt.
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Insbesondere ermöglicht das Schaltelement gemäß der Erfindung eine Verwendung zur Unterbrechung oder Kurzschließung eines Überspannungsschutzelements.
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Es ist zu beachten, dass durch geeignete Gestaltung der Wege und/oder dem Einsetzen einer wegeabhängigen Vorspannung D das Schaltverhalten geeignet eingerichtet werden kann.
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Beispielsweise kann ein erster Schaltvorgang in einem unvorgespannten Bereich erfolgen, sodass z.B. ein moderater Temperaturanstieg erfasst werden kann, während bei Erreichen einer höheren Temperatur das lose Federelement, welches zuvor nur eine geringe Vorspannung zur Verfügung stellt, an einen Anschlag A stößt und nunmehr eine höhere Vorspannung anliegt. Ein weiterer Temperaturanstieg unter Vorspannung kann nun zu einem weiteren Schaltvorgang genutzt werden. Dabei kann der erste Schaltvorgang beispielsweise reversibel gestaltet sein, während der zweite Schaltvorgang auch irreversibel ausgestaltet sein kann. Natürlich ist es auch möglich beide Schaltvorgänge reversibel oder irreversibel auszugestalten.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das Schaltelement 1 mehr als eine Schalttemperatur aufweist. Hierzu können mit weiteren Elementen und durch geeignete mechanische Ausgestaltung weitere Punkte eingerichtet werden.
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Die 4-6 basieren auf Unterlagen des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Nöthnitzer Straße 44, 01187 Dresden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltelement
- F
- Formgedächtnismaterial
- P1, P2, P3
- Punkt
- D
- Federelement
- d
- Strecke
- A
- Anschlag
- G
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013202793 B4 [0006]
- DE 102013202795 B3 [0006]
- DE 102013202796 B4 [0006]
- DE 102013204039 B4 [0007]
- DE 102015211324 B4 [0008]
