DE19537418A1 - Thermisch geregelte elektrische Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch geregelte elektrische Schaltvor­ richtung mit einem Temperaturregler, der einen Schnappschalter aufweist, der mit einem festen Kontakt und einem mit einer Schnappschaltfeder aus Metall verbundenen beweglichen Kontakt versehen ist, einem Bimetallelement, das die Bewegung des beweglichen Kontaktes beeinflußt, wobei die Schnappschaltfeder von einem Streifen gebildet wird, der zwei in Längsrichtung des Streifens liegende U-förmige Aussparungen hat, die voneinander durch ein Überbrückungsstück getrennt sind, wobei die Basen der U-förmigen Aussparungen an das Überbrückungsstück grenzen, so daß sich zwischen Seitenrändern der Streifen und den Schenkeln des U schmale Randteile und zwischen den Schenkeln des U Zungen bilden, welcher Streifen am Ort des Überbrückungsstücks umgebogen ist, wobei die eine Zunge über der anderen Zunge liegt und die freien Enden der Zungen schwenkbar miteinander verbunden sind.

Eine solche Schaltvorrichtung ist aus GB-B-2 211 353 bekannt. Schnapp­ schaltfedern von Schaltvorrichtungen müssen den elektrischen Strom gut leiten können. Der elektrische Strom bewirkt jedoch eine Wärmeentwicklung in den Schaltfedern. Wenn derartige Schaltvorrichtungen in Geräten verwendet werden, die zudem bei einer hohen Umgebungstemperatur arbeiten, tritt in der Schaltfeder eine erhebliche Wärmeentwicklung auf, wodurch die Gesamttemperatur der Schaltfeder äußerst hoch wird. Die Schaltfedern müssen daher ausreichende Kriechstärke haben, um Relaxation zu verhindern. Hierzu werden die Federn aus gehärtetem Chromnickelstahl hergestellt. Ein solches Material hat jedoch einen relativ hohen spezifischen Widerstand (ca. 730 nΩm), wodurch die Wärmeentwicklung in der Schaltfeder nur noch größer wird. Wenn die Schaltvorrichtung bei Geräten wie Bügeleisen verwendet wird, die sowohl bei hohen Stromstärken als auch bei hoher Umge­ bungstemperatur arbeiten, dann ist die dabei entstehende Wärmeentwicklung so groß, daß dies zu einer so hohen Temperatur führen kann, daß dadurch Kriechen vor allem der mecha­ nisch belasteten Teile, insbesondere der unter Druckspannung stehenden gebogenen Zunge auftreten kann. Hierdurch verringert sich die Druckspannung, wodurch die Schaltvorrichtung nicht mehr gut funktioniert. Bei hohen Stromstärken können sogar die schwenkbar in einander gehakten freien Enden der Zungen miteinander verschweißen, wodurch die Feder in ihrer Bewegung behindert wird und ihre Schaltfunktion nicht mehr erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung, wie eingangs beschrieben, zu verschaffen, wobei im Betrieb in den mechanisch belasteten Teilen der Schnappschaltfeder nur eine geringe Wärmeentwicklung auftritt.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist hierzu dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung mit Mitteln versehen ist, die die Stromstärke in den Zungen begren­ zen.

Eine Begrenzung der Stromstärke in den Zungen verringert einen zu star­ ken Temperaturanstieg der Zungen und damit die Wahrscheinlichkeit einer Relaxation des Federstahls. Vor allem in den unter Biegespannung stehenden Zungen tritt nun weniger Wär­ meentwicklung auf, wodurch die vorstehend genannten Schwierigkeiten vermieden werden. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Schaltvorrichtung nicht oder schlecht funktioniert, wird damit verkleinert. Natürlich muß die Stromstärke so begrenzt werden, daß die höchste Temperatur der Schaltfeder unterhalb der Relaxationstemperatur (ca. 3300 C) von Federstahl bleibt.

Nach einer ersten Ausführungsform werden die Mittel zum Begrenzen der Stromstärke von einer elektrisch leitenden Schicht auf den genannten Randteilen der Schaltfeder gebildet. Der Strom wird jetzt hauptsächlich durch diese elektrisch gut leitende Schicht fließen und weniger durch die nicht mit dieser Schicht bedeckten Teile, wie die mechanisch belasteten Teile. Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Schicht aus Kupfer. Diese Kupferschicht kann beispielsweise mit Hilfe eines elektrolytischen Prozesses oder eines Aufwalzprozesses auf den Randteilen des Streifens angebracht werden, bevor mit Bearbei­ tungsprozessen, wie Stanzen und Biegen, die endgültige Schaltfeder gebildet wird. Die elek­ trisch leitende Schicht könnte jedoch auch aus Silber sein.

Nach einer zweiten Ausführungsform werden die Mittel zum Begrenzen der Stromstärke gebildet, indem die schwenkbar miteinander verbundenen freien Enden der Zungen mit einer Schicht mit einem bezüglich übriger Teile der Schnappschaltfeder relativ hohen elektrischen Widerstand versehen werden. Die Schicht kann beispielsweise aus kerami­ schem Material sein, das mit bekannten Prozessen wie Sputtern oder einem Sol-Gel- Verfahren auf den Enden der Zungen angebracht wird.

Nach einer dritten Ausführungsform werden die Mittel zum Begrenzen der Stromstärke von einer flexiblen elektrischen Verbindung zwischen dem festen und dem beweglichen Ende der Schnappschaltfeder gebildet. Der elektrische Strom fließt jetzt nahezu vollständig durch diese flexible Verbindung und nicht mehr durch die mechanisch belastete Schaltfeder. Die Verbindung muß flexibel sein, weil eines der Enden der flexiblen Ver­ bindung mit einem beweglichen Teil der Schaltfeder verbunden ist. Die flexible Verbindung kann beispielsweise ein kleines Stück Kupferdraht sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der Schaltvorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Schaltvorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 die Schnappschaltfeder in langgestreckter Form,

Fig. 4 den Streifen für die Schnappschaltfeder mit verkupferten Rand­ teilen,

Fig. 5 die isolierten Enden der Zungen der Schnappschaltfeder und

Fig. 6 ein Detail der Schaltvorrichtung mit einer flexiblen elektrischen Verbindung zwischen den Enden der Schnappschaltfeder.

Die in Fig. 1 gezeigte thermisch geregelte elektrische Schaltvorrichtung umfaßt einen Temperaturregler 1, der im wesentlichen aus einem Schnappschalter 2 besteht, mit einem beweglichen Kontakt 3 und einem festen Kontakt 4 und mit einem Bimetallelement 5. Diese Teile sind an einer Halterung 6 befestigt, die aus drei elektrisch isolierten Abstands­ ringen 7a, 7b, 7c besteht, die von einer Hohlniete 8 zusammengehalten werden. Der Schnappschalter 2 enthält eine Schnappschaltfeder 9, an der der bewegliche Kontakt 3 befe­ stigt ist. Die Schnappschaltfeder 9 ist ein aus Federstahl hergestellter Streifen 10, der, wie in Fig. 3 gezeigt, zwei in Längsrichtung des Streifens liegende, nahezu U-förmige Aussparungen 11, 12 aufweist. Diese Aussparungen sind durch ein Überbrückungsstück 13 so voneinander getrennt, daß die Basen 11a, 12a beider U-förmiger Aussparungen an das Überbrückungsstück grenzen. Zwischen den Seitenrändern 14 des Streifens 10 und den Schenkeln 11b, 12b des U bilden sich hierbei schmale Randteile 15-16, während sich zwischen den Schenkeln des U Zungen 17-18 bilden. Am Ort des Überbrückungsstückes 13 ist der Streifen ca. 180° umgebogen, so daß die eine Zunge 17 über der anderen Zunge 18 liegt. Die freien Enden 19-20 der Zungen haken hierbei in solcher Weise schwenkbar ineinander, daß die Zunge 18 eine gebogene Form erhält. Die Zunge 18 steht dabei ständig unter Druckspannung. Das eine Ende 21 der Schnappschaltfeder 9 ist zwischen den isolierten Abstandsringen 7a, 7b der Halterung 6 befestigt, während am anderen Ende 22 der bewegli­ che Kontakt 3 befestigt ist. Der feste Kontakt 4 ist an einem Ring 23 befestigt, der zwischen den isolierten Abstandsringen 7b, 7c befestigt ist. Der feste Kontakt 4 befindet sich gegenüber dem beweglichen Kontakt 3.

Das Ende 24 des Bimetallelements 5 ist an dem Abstandsring 7c der Halterung 6 befestigt. Zwischen dem freien Ende 25 des Bimetallelements 5 und dem umgebogenen Ende 26 (nahe dem Überbrückungsstück 13) der Schnappschaltfeder 9 ist ein elektrisch isolierter Verbindungsstift 27 zum Übertragen der Bewegungen des Bimetallelements 5 zur Schnappschaltfeder 9 eingeklemmt. Die Schnappschaltfeder steht hierdurch unter einer gewissen Vorspannung.

Die Funktionsweise der Schaltvorrichtung ist die folgende:
Zwischen den Anschlüssen 28 und 29 der Schnappschaltfeder 9 mit dem beweglichen Kontakt 3 bzw. des Ringes 23 mit dem festen Kontakt 4 herrscht eine Spannungsdifferenz. Solange der bewegliche Kontakt 3 mit dem festen Kontakt 4 keinen Kontakt macht, fließt durch die Schnappschaltfeder kein Strom. Bei einem Anstieg der Temperatur biegt das Bimetallelement 5 nach unten. Hierdurch ändert sich die Druckspannung in der gebogenen Zunge 17. Bei einer bestimmten Druckspannung schnappt die Schaltfeder und die Kontakte 3 und 4 berühren einander, wodurch Strom durch die Schnappschaltfeder zu fließen beginnt. Bei einer Erniedrigung der Temperatur ist der Verlauf umgekehrt.

Der Strom durch die Schnappschaltfeder fließt nicht nur durch die Randteile 15, 16, sondern über die schwenkbar miteinander verbundenen Enden 19, 20 auch durch die Zungen 17, 18. Der durch die Zungen fließende Strom bewirkt einen Temperatur­ anstieg der Zungen. Wie bereits erläutert, kann bei großen Stromstärken der Temperaturanstieg unzulässig hoch werden. Durch Begrenzung der Stromstärke in den Zungen wird verhindert, daß die Temperatur in den Zungen zu hoch wird.

In einer ersten Ausführungsform (Fig. 4) wird dies durch Beschichten der Randteile 15, 16 der Schnappschaltfeder 9 mit einer elektrisch gut leitenden Schicht 30 rea­ lisiert, vorzugsweise mit einer Kupferschicht. Der größte Teil des Stroms fließt dann durch die Kupferschicht und nicht mehr durch die Zungen. Eine solche Schicht kann auf den Streifen 10 bereits aufgebracht werden, bevor Bearbeitungen wie Stanzen und Biegen stattfinden. Das Aufbringen der Schicht kann beispielsweise in einem elektrolytischen Prozeß oder einem Walzprozeß erfolgen.

In einer zweiten Ausführungsform (Fig. 5) erfolgt dies durch Überziehen der schwenkbar miteinander verbundenen freien Enden 19, 20 der Zungen mit einer Schicht 31 mit hohem elektrischen Widerstand, beispielsweise einer keramischen Schicht. Eine solche Schicht kann mittels Sputtern oder eines Sol-Gel-Verfahrens oder CVD (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht werden.

In einer dritten Ausführungsform (Fig. 6) wird dies realisiert, indem zwischen dem festen Ende 21 und dem beweglichen Ende 22 der Schnappschaltfeder 9 eine flexible elektrische Verbindung 32, beispielsweise ein kleines Stück Kupferdraht, angebracht wird. Der Strom fließt dann nahezu vollständig durch den Kupferdraht und nicht mehr durch andere Teile der Schnappschaltfeder. In der Praxis wird der Kupferdraht jedoch erst im montierten Zustand der Schaltvorrichtung, beispielsweise durch Löten, angebracht werden können. Weiterhin umfaßt die Schaltvorrichtung noch eine Vorrichtung 33 zum Einstellen der Temperatur. Die Vorrichtung ist an einem Träger 34 befestigt, der seinerseits wieder am Ab­ standsring 7a der Halterung 6 befestigt ist; Die Temperatureinstellungsvorrichtung 33 hat einen Drehknopf 35, an dem ein isolierter Stift 36 befestigt ist. Ein Ende des Stiftes 36 drückt gegen die Zunge 17 der Schnappschaltfeder 9. Durch Drehung des Drehknopfes 35 kann der Stift 36 in der Höhe verstellt werden, wodurch die Vorspannung an den Zungen 17- 18 einstellbar ist. Diese Vorspannung beeinflußt das Schnappen der Zunge 18 mit dem beweglichen Kontakt 3.

Claims (4)

1. Thermisch geregelte elektrische Schaltvorrichtung mit einem Temperatur­ regler, der einen Schnappschalter aufweist, der mit einem festen Kontakt und einem mit einer Schnappschaltfeder aus Metall verbundenen beweglichen Kontakt versehen ist, einem Bimetallelement, das die Bewegung des beweglichen Kontaktes beeinflußt, wobei die Schnappschaltfeder von einem Streifen gebildet wird, der zwei in Längsrichtung des Streifens liegende U-förmige Aussparungen hat, die voneinander durch ein Überbrückungsstück getrennt sind, wobei die Basen der U-förmigen Aussparungen an das Überbrückungsstück grenzen, so daß sich zwischen Seitenrändern der Streifen und den Schenkeln des U schmale Randteile und zwischen den Schenkeln des U Zungen bilden, welcher Streifen am Ort des Überbrückungsstücks umgebogen ist, wobei die eine Zunge über der anderen Zunge liegt und die freien Enden der Zungen schwenkbar miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung mit Mitteln versehen ist, die die Stromstärke in den Zungen begrenzen.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel von einer elektrisch leitenden Schicht auf den Randteilen der Schaltfeder gebildet werden.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel gebildet werden, indem die schwenkbar miteinander verbundenen freien Enden der Zungen mit einer Schicht mit einem bezüglich übriger Teile der Schnappschaltfeder relativ hohen elektrischen Widerstand versehen werden.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel von einer flexiblen elektrischen Verbindung zwischen dem festen und dem beweglichen Ende der Schnappschaltfeder gebildet werden.