DE1640197A1 - Bimetallschalter - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Schemrann Dr.-Ing. R. Roger

73 Essllngen (Neckar), Fabrlkstraöe 9, Postfach 348

28. Dezember 1966

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ι. Ά JV Ι1ΛΗ Stuttgart (0711) S565J?

Talcgrimm· Patentschutz EsilingMMckar

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, . New York 12 305, N.Y. / USA

Bimetallschalter

Die Erfindung betrifft einen Bimetallschalter mit einem durch einen Heizwiderstand zu erwärmenden Bimetallstreifen, der einen Kontakt trägt, der mit einem anderen Kontakt an dem Schalter zusammenwirkt.

Es ist seit langem bekannt, beim Aufbau elektrischer Schalter sich die Wirkungen zunutze zu machen, die sich daraus ergeben, daß verschiedene Metalle verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. So sind z. B. Schalter bekannt bei denen ein Bimetallstrelfen durch Änderungen der Raumtemperatur durchgebogen wird und ein auf dem Streifen angeordneter Kontakt in oder außer Berührung mit einem weiteren Kontakt gebracht wird, der einen Teil des Schalters darstellt. Es ist auch bereits bekannt, besondere Heizwiderstände vorzusehen, um die den Bimetallstreifen umgebende Temperatur zu beeinflussen, so daß die Durchbiegung des Streifens unabhängig von der Raumtemperatur gesteuert werden kann. Bei vielen der bekannten Schalter wird hierzu ein Heizwiderstand verwendet, der schraubenförmig gewickelt um den Bi-

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metallstreifen herum angeordnet 1st. Diese bekannten Schalter sind verhältnismäßig teuer, well es kostspielig ist, den schraubenförmig gewickelten Widerstand herzustellen. Ein weiteres Problem bei der Herstellung dieser Schalter besteht darin, die Widerstandswicklung derart an dem Streifen zu befestigen, daß ein wirksamer Wärmeübergang zustandekommt. Andere bekannte Schalter sind derart ausgebildet, daß der Heizwiderstand unmittelbar neben dem Bimetallstreifen angeordnet ist. Auch bei diesen bekannten Schaltern tritt das Problem auf, einen genügenden und gleichmäßigen Wärmeübergang auf den Bimetallstreifen zu erreichen und In Verbindung hiermit den Schalter in ausreichend kurzer Zeit ansprechen zu lassen. Bei gewissen Schaltern bekannter Art 1st es weiterhin notwendig, den Wärmefluß derart Ort Hch zu begrenzen, daß, während der Bimetallstreifen eine ausreichende Wärmemenge erhält, die anderen mit dem Streifen verbundenen Teile des Schalters nur äußerst geringe Wärmemengen aufnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heizwiderstand unmittelbar an einen Bimetallstreifen derart anzuordnen, daß der Wärmeabfluß im wesentlichen auf den Bimetallstreifen begrenzt ist, wobei Jedoch der Heizwiderstand trotz seiner sicheren Befestigung an dem Bimetallstreifen die Durchbiegung des Streifens auch in dem Befestigungsbereich nicht behindert.

Gemäß der Erfindung ist der Heizwiderstand in einen an dem Bimetallstreifen ausgebildeten Kanal eingelegt, der durch

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bogenförmige Teile gebildet ist, die voneinander durch Schlitze petrennt sind und sich wechselweise nach oben und nach unten von den oberen und den unteren Metallschichten des Blinetallstrelfens aus erstrecken.

Zwecknflßip: ist die Fläche, mit welcher der Heizwiderstand in dem Kanal an der oberen Metallschicht des Bimetallstreifens anliept, etwa pleich der Flache, mit der er an der unteren Metallschicht anliept.

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In der Zeichnung 1st ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Flg. 1 einen Einstellschalter gemäß der Erfindung In perspektivischer Darstellung,

PIg. 2 den Bimetallstrelfen und den Heizwiderstand In perspektivischer Darstellung und'

PIg. 3 den Bimetallstrelfen gemäß PIg. 2 In einer Seltenansicht.

Der Bimetallschalter 10 gemäß PIg. 1 weist ein Gehäuse 11, vorzugsweise aus verformbarem Kunststoff auf, das aus einem Unterteil Ha und einem Deckel 11b besteht. Bimetallstreifen 12 und 13, die sich unter dem Einfluß der Wärme verbiegen, sind an ihren Enden lH und 15 durch die Isolierblöcke 16 im Abstand voneinander gehalten. Die aus dem Block 16 und den Bimetallstreifen 12 und 13 bestehende Einheit ist am Gehäuseunterteil befestigt, wobei weitere Bldcke 17 dazu dienen, die Streifenenden gegenüber dem Oehäuseunterteil zu isolieren. Die Bimetallstreifen können sich innerhalb des Gehäuses entweder gemeinsam oder relativ zueinander unter dem Einfluß der Wärme frei bewegen. Sie tragen elektrische Kontakte 21 und 22, die sich gegeneinander anlegen können, um den Stromkreis über die Bimetallstrelfen zu schließen, wenn der Schalter eingeschaltet 1st. Die Kontakte können mit den Streifen durch Vernieten, Schweißen od. dgl. verbunden sein. Ein elektrischer Heizwiderstand 23 ist mit dem Bimetallstreifen 12 Innig verbunden auf eine Weise, die unten Im einzelnen beschrieben

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werden wird. Der elektrische Heizwiderstand dient dazu, dem Streifen 12 zusätzliche Wärme zuzufil en, wenn erreicht werden soll, daß sich der Streifen 12 mit Bezug auf den Streifen 13 verbiegt.

Es ist wünschenswert, daß sich die Bimetallstreifen nicht relativ zueinander verbiegen, wenn von dem Heizwiderstand nicht zusätzliche Wärme zugeführt wird. Zu diesem Zweck bestehen die Streifen aus Materialien mit ähnlichen Biegeeigenschaften und sind in dem Gehäuseunterteil 11a derart angeordnet, daß sie sich bei^hormalen Änderungen der umgebungstemperatur in der gleichen Richtung um den gleichen Betrag durchbiegen. Der Kontakt 22 des Streifens 13 befindet sich demgemäß auf der Oberfläche des Metalls, das einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, während der Kontakt 21 auf dem Streifen 12 sich auf der Oberfläche des Metalls befindet, das einen großen Wärmeausdehungskoeffizienten hat.

Der Schalter enthält weiterhin elektrische Leitungen zur Zuführung des Stroms über die Streifen zu den Kontakten 21 und 22 und für die Zuführung des Stroms zu dem Heizwiderstand 23. Zu diesem Zweck sind an den Enden der Bimetallstreifen Lappen 24 und 25 vorgesehen, an welche die elektrischen Leitungen 26 und 27 angeschlossen sind. Von den gegenüberliegenden Enden des Heizwiderstandes 23 führen Leitungen 28 und 29 zu einer Klemmleiste 30 auf dem Schalter, von der die zur Stromquelle führenden Leitungen 31 und 32 ausgehen.

Der Bimetallschalter gemäß Pig. I arbeitet folgendermaßen:

Die Leitungsschalter 33 und 3¹» sind offen, und es fließt kein 009849/0550

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Strom durch den Heizwiderstand 23 oder die Last 35. Die Kontakte 21 und 22 des Bimetallschalters sind geschlossen. Wenn der Leitungsschalter 33 geschlossen wird, fließt Strom über die Kontakte 21 und 22 und durch die Last 35. Wenn nunmehr der Wunsch besteht, bei geschlossenem Leitungsschalter 33 die Stromzuführung zu der Last 35 zu unterbreche^ wird der Leitungsschalter 3^ geschlossen, so daß durch den Heizwiderstand 23 Strom fließt. Der Heizwiderstand gibt seine Wärme in erster. Linie an d*n Bimetallstreifen 12 ab. Dieser wird unter dem Einfluß des Heizwiderstandes schnell erwärmt und zwar in größerem Maße als der Streifen 13, so daß er den Kontakt 21 von dem Kontakt 22 weg bewegt, infolge der Verbiegung, die der Streifen 12 im Verhältnis zum Streifen 13 erfährt. Zum öffnen und Schließen der Leitungsschalter 33 und 3¹* können beliebige von Hand oder selbsttätig wirkende Mittel verwendet werden. In gewissen Fällen«, ?. B. wenn ein periodischer Betrieb gewünscht wird, kann der Heizwiderstand in Reihe mit der Last geschaltet sein und von derselben Stromquelle versorgt werden wie diese.

Zum Verständnis der Grundlagen der vorliegenden Erfindung mag folgende kurze Beschreibung des Ansprechens eines gekrümmten Teils eines Bimetallstreifens auf die Wärmezufuhr beitragen: Wenn das Metall mit einem verhältnismäßig hohen Wärmeausdehungskoeffizienten sich längs des inneren Radius des gekrümmten Teiles befindet und das Metall mit dem verhältnismäßig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten längs des äußeren Radius angeordnet ist, dann sind die Enden des gekrümmten Teils bei der Zuführung von Wärme bestrebt, sich voneinander zu entfernen, und die Krümmung ist bestrebt, sich 009849/0550

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einer ebenen Fläche anzunähern. V/enn dagegen die Metalle vertauscht sind, so daß das Metall mit einem verhältnismäßig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sich am Inneren Radius des gekrümmten Teiles befinden, sind die Enden des gekrümmten Teiles bestrebt, sich gegenseitig zu nähern oder mit anderen Worten, die Krümmung wird unter dem Einfluß der Wärme stärker.

Die bevorzugte Ausführungsform eines Bimetallstreifens 12 wie sie im einzelnen in den Fig. 2und 3 dargestellt ist, besitzt eine obere Schicht 36 eines Metalls, das einen ande- ä ren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Metall besitzt, das die untere Schicht 37 des Bimetallstreifens bildet. In dem Bimetallstreifen 12 sind zwei parallele Schlitze 38 und 39 vorgesehen. Von dem Schlitz 38 bis zu der einen Seitenkante ¹U des Streifens ist über der oberen Schicht 36 ein bogenförmiger Teil ΊΟ hochgedrückt. Ein zweiter ähnlich gestalteter bogenförmiger Teil Ί2 1st zwischen den Schlitzen

38 und 39 nach unten über die untere Schicht 37 des Streifens herausgedrückt. Ein dtitter bogenförmiger Teil *»3» der dem

ersten bogenförmigen Teil Ί0 gleicht, ist zwischen dem Schlitz "

39 und der gegenüberliegenden Seitenkante UU des Bimetallstreifens 12 ausgebildet. Diese aus dem Streifen geformten Teile bilden einen Kanal U$_f der sich quer über den Streifen erstreckt und dessen Achse durch die Schlitze hindurchgeht. Die Gestalt des Querschnitts des Kanals als Ganzes genommen kann als Im allgemeinen kreisförmig bezeichnet werden. Der Abstand zwischen den beiden Schlitzen 38 und 39 ist annähernd gleich dem Abstand zwischen dem Schlitz 38 und der Seltenkante UU plus dem Abstand zwischen dem Schlitz 39 und der Sei-

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tenkante 44, aus einem Gründender unten näher erläutert werden wird.

Der elektrische Heizwiderstand 23 In Gestalt eines geformten Massewiderstandes von etwa zylindrischer Gestalt ist dichtsitzend in dem Kanal 45 angeordnet und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Bimetallstreifens 12-Der Heizwiderstand soll an einem optimalen Punkt der Länge des Bimetallstrelfens angeordnet sein, um ein Maximum an Durchbiegung bei einer gegebenen Menge von zugeführter Wärme zu erzielen. Dieser optimale Punkt ist eine Funktion solcher Charakteristika wie Wärmeverlust an den Enden des Bimetall-Streifens, Wärmeverluste an den Oberflächen und Gestalt des Bimetallstrelf ens. Bei dem gezeichneten Bimetallstreifen liegt dieser optimale Punkt etwa bei 1/4 bis 1/3 des Abstandes zwischen dem befestigten Ende 14 und dem freien Ende 18. Der Heizwiderstand 23 befindet sich in Flächenberührung mit der oberen Schicht 36 des Bimetallstrelfens 12 in dem Bereich des mittleren bogenförmigen Teils 42 und in Flächenberührung mit der unteren Schicht 37 des Bimetallstreifens In dem Bereich der ersten und dritten Durchbiegung 40 und 43.

Bei der vorgenannten Ausbildung behält der Kanal 45 Im wesentlichen seine Querschnittsgestalt bei, gleichgültig, ob der Heizwiderstand in oder außer Betrieb ist. Das hat seinen Grund darin, daß Jedes Bestreben der bogenförmigen Teile 40 und 43, sich weiter zu öffnen und sich von dem Heizwiderstand wegzuziehen (unter der Annahme, daß die untere Schicht

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37 einen verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt) von dem Bestreben des mittleren bogenförmigen Teils 42 ausgeglichen wird, sich zu schließen und sich gegen den Heizwiderstand zusammenzuziehen. Die Wirkung dieses Kräfteausgleichs kann durch Vermehrung der Zahl der bogenförmigen Teile vergrößert werden, wobei darauf geachtet werden muß, daß die bogenförmigen Teile eine Mindestbreite besitzen müssen,um nicht zu brechen.

Der Heizwiderstand 23 ist außen von einem Material umgeben , das elektrisch isolierend, jedoch wärmeleitend wirkt. Der Heizwiderstand kann dadurch In seiner Lage gehalten werden, daß er gegen die den Kanal ^5 bildenden Flächen unter Reibung anliegt. Jedoch kann es In gewiesen Fällen wünschenswert sein, einen wärmeleitenden Klebstoff zu verwenden, um den Widerstand in seiner Lage zu halten und den Wärmeübergang an den Berührungsflächen zu fördern. Wenn der Heizwiderstand nicht den gesamten Kanal ausfüllt, kann es zweckmäßig

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sein,/die nicht ausgefüllten Teile ein wärmeleitendes Material, z. B. Siliconfett, einzubringen, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Heizwiderstand und den den Kanal begrenzenden Flächen sicherzustellen*

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Bimetallschalter mit einem durch einen Heizwiderstand zu erwärmenden Bimetallstreifen, der einen Kontakt trägt, der mit einem anderen Kontakt an dem Schalter zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (23) in einen an dem Bimetallstreifen (12) ausgebildeten Kanal (45) eingelegt ist, der durch bogenförmige Teile (40, 42, 43) gebildet ist, die voneinander durch Schlitze (38, 39) getrennt sind und sich wechselweise nach oben und nach unten von den oberen und unteren Metallschichten (36, 37) des Bimetallstreifens (12) aus erstrecken.

2. Bimetallschalter nach Anspruch i_t dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche, mit welcher der Heizwiderstand (23) in dem Kanal (45) an der oberen Metallschicht (36) des Bimetallstreifens (12) anliegt, etwa gleich ist der Fläche, mit der er an der unteren Metallschicht (37) anliegt*

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