DE19801251C2 - Thermisches Schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Schaltelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.

Aus DE 35 16 041 ist ein Temperaturbegrenzer bekannt, in dessen Gehäuse in Parallellage eine im wesentlichen kreisförmige Bimetallsprungscheibe und eine bistabil auswölbende Stahlscheibe angeordnet sind, wobei die Bimetallsprungscheibe in herkömmlicher Weise in ihrem Randbereich derart gelagert ist, daß sie sich zentral oberhalb einer Sprungtemperatur in eine erste Richtung (A) und unterhalb eine Rücksprungtemperatur in eine entgegengesetzte zweite Richtung (B) wölbt.

Die zusammen mit der Bimetallsprungscheibe ebenfalls randseitig gelagerte Stahlscheibe ist bei Wölbung der Bimetallsprungscheibe ebenfalls in eine erste Richtung (A) durchstellbar und öffnet dabei über ein sie mittig beaufschlagendes Steilglied einen den Stromfluß zu einem elektrischen Heizelement unterbrechenden Schaltkontakt. Der Schaltkontakt kann durch manuellen zentralen Druck auf das Stellglied in Richtung B geschlossen werden. An der Randzone der Stahlscheibe ist ein Rückstellarm flächig angeordnet, dessen äußeres Ende über einen Ausschalttaster beaufschlagbar ist, so daß der Schaltkontakt auch manuell unterbrochen werden kann.

Bei dem bekannten Stand der Technik führt der gesondert an den Randbereich der Stahlscheibe angebrachte Rückstellarm dazu, daß sich das gesamte Durchstellverhalten der Scheibe verändert und somit reproduzierbare Schalt- oder Stellverhältnisse nur schwer zu erreichen sind. Außerdem ist der Herstellvorgang aufwendig und die Toleranzen für die Stellkräfte sind schwierig zu beherrschen.

Zusätzlich besteht generell die Gefahr, daß ein Luftspalt zwischen der Wärmeübertragungsplatte und der Bimetallsprungscheibe auftritt, so daß sich die Schaltverhältnisse des gesamten Schalters gravierend ändern können.

Aus der gattungsbildenden DE 38 86 141 ist ein Betätigungselement bekannt, das zur Öffnung der Kontaktstrecke eines thermisch gesteuerten Schalters eingesetzt werden kann. Das Betätigungselement umfaßt eine Bimetallsprungscheibe, an deren Rand ein ringartiges Element befestigt ist, von welchem radial nach innen Spreizlappen abstehen. Die Aufgabe dieser Spreizlappen ist es, den die Kontaktstrecke öffenenden Übertragungsstift zu beaufschlagen, wobei durch den Einsatz der Spreizlappen eine Vergrößerung der Übersetzung der Bewegung erzielt wird. Die Spreizlappen haben nicht die Aufgabe, das Bimetallelement in dauerndem Kontakt mit der Wärmeübertragungsplatte zu halten, dazu ist eine gesonderte Schraubenfeder vorgesehen, die aber nur im ausgeschalteten Zustand wirksam ist. Im eingeschalteten Zustand hingegen sorgt diese Schraubfeder lediglich für eine sichere Schließung der Kontakte, die Bimetallsprungscheibe kann sich mit Spiel über der Wärmeübertragungsplatte bewegen.

Aus US 4,908,596 geht ein ringartiges Spreizelement hervor, das mit nach radial außen weisenden Spreizelementlappen eine dauernde Anlage der durch sie beaufschlagten Bimetallsprungscheibe an einer Wärmeübertragungsplatte sicherstellt. Das Spreizelement ist ringartig ausgebildet, neben den radial nach außen abstehenden Spreizlappen sind von der Innenkante des Ringelementes etwa rechtwinklig abstehende Federelemente vorgesehen, die dazu dienen, einen vorläufigen Halt des Federelementes an einem Gehäuseteil in einem Vormontagezustand sicherzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Schaltelement, wie es aus dem geschilderten Stand der Technik bekannt ist, derart weiterzubilden, daß reproduzierbare Schalt- und Stellverhältnisse vorliegen und zugleich der thermische Kontakt der Bimetallsprungscheibe mit der Wärmeübertragungsplatte gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-16.

Erfindungsgemäß ist es in Kombination vorgesehen, daß ein Spreizelement zur Sicherstellung der Kontaktierung der Bimetallsprungscheibe mit der Wärmeübertragungsplatte vorgesehen ist, wobei das Spreizelement als Spreizelementring ausgebildet ist und mindestens einen radial nach innen abstehenden Spreizlappen aufweist und auf der Bimetallsprungscheibe aufliegt. Der Spreizelementring stützt sich somit mit seinen Spreizlappen am Gehäuse ab und drückt mit seinem Randbereich die Bimetallsprungscheibe auf die Wärmeübertragungsplat­ te, so daß der thermische Kontakt der Bimetallsprungscheibe mit der Wär­ meübertragungsplatte stets gewährleistet ist.

Vorteilhafterweise stehen dabei die Spreizlappen aus der Ebene des Spreize­ lementrings nach oben heraus, so daß die Spreizlappen gegen das Gehäuse gerichtet sind und so der Spreizelementring mit der notwendigen Kraft auf die Bimetallsprungscheibe drückt. Bei einer Wölbung der Bimetallsprung­ scheibe in Richtung A geben die Spreizlappen leicht nach, so daß das die Bi­ metallsprungscheibe beaufschlagende Stellglied ebenfalls sich in Richtung A bewegt und damit den Kontakt unterbricht.

Bei Temperaturabkühlung springt sodann die Bimetallsprungscheibe in den "kühlen" Zustand in Richtung B zurück, wobei die Spreizlappen weiterhin für den thermischen Kontakt zwischen Bimetallsprungscheibe und Wärme­ übertragungsplatte sorgen.

Der Spreizelementring kann mindestens zwei Spreizlappen aufweisen, die sich radial gegenüber liegen, so daß ein symmetrischer und damit gleichmä­ ßig verteilter Druck auf die Bimetallsprungscheibe ausgeübt wird.

Sind am Spreizelementring im rechten Winkel zu den Spreizlappen zusätzli­ che Verbreiterungen vorgesehen, die in den Ringinnenbereich abstehen und kürzer als die Spreizlappen sind, so dienen diese der Verstärkung des Spreizelementrings und verhindern ein Durchbiegen an dieser stark belasteten Stelle.

Durch die zusätzlich am Spreizelementring vorgesehenen Verbreiterungen bildet der Ringbereich zwischen den Verbreiterungen und den Wurzeln der Spreizlappen Sollbiegestellen, womit eine übermäßige Belastung im Bereich der Verbreiterungen, falls diese nicht vorhanden wären, vermieden wird.

Die Länge l der Verbreiterung kann etwa 5%, die Breite b in Ringumlauf­ richtung etwa 20% des Ringdurchmessers (2r) betragen, so daß die not­ wendige Versteifung am Ringbereich und die Verlagerung der Sollbiegestelle auf den Ringbereich zwischen Verbreiterungen und den Wurzeln der Spreiz­ lappen gewährleistet ist.

Bei dem zwischen Bimetallsprungscheibe und Stahlscheibe angeordneten Spreizelementring setzt sich mindestens einer der Spreizlappen radial vom Spreizelementring nach außen zur Bildung eines Stellflügels fort, um den elektrischen Kontakt manuell von außen über den Stellflügel unterbrechen zu können.

Vorzugsweise beträgt die Länge L1 des/der Stellflügel(s) vom äußeren Um­ fangs des Spreizelementrings etwa mindestens r/2 und höchstens 2r zur Be­ reitstellung der notwendigen Länge für den Hebelarm.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn der Spreizelementring zusammen mit den Spreizlappen in Ruhestellung eben ist und dabei die Bimetallsprungscheibe und die Stahlscheibe auseinanderspreizt, so daß die Bimetallsprung­ scheibe in unerregtem Zustand mit ihrem Zentrum auf der Wärmeübertra­ gungsplatte aufliegt und randseitig den Spreizelementring trägt sowie die in­ neren Enden der Spreizlappen das Zentrum der nach oben gewölbten Stahl­ scheibe abstützen, deren nach oben stehender Randbereich sich am Gehäuse, insbesondere an einem Keramiksockel abstützt.

In dieser Kombination übt der Spreizelementring eine Doppelfunktion aus, nämlich die Stellfunktion und die Spreizfunktion. Die Stellfunktion wird da­ durch erreicht, daß beim Spreizelementring durch Beaufschlagung des Betä­ tigungsendes eines Stellflügels Sollbiegestellen im Bereich zwischen den Verbreiterungen und den Wurzeln der Spreizlappen entstehen, die Spreizlap­ pen jedoch gegenüber dem Ring relativ stabil und steif bleiben und damit eine Stellfunktion auf das Zentrum der Stahlscheibe ausüben. Die Spreizfunktion zwischen Bimetallsprungscheibe und Stahlscheibe wurde oben bereits erläu­ tert.

Das Betätigungsende des Stellflügels kann auch aus dem Gehäuse herausste­ hen und somit außerhalb des Gehäuses durch ein entsprechendes Stellglied beaufschlagbar sein.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein Stellflügel außerhalb des Ringbereichs des Spreizelementrings nach oben abgebogen, damit nach unten in Richtung Wärmeübertragungsplatte genügend Raum zur Beaufschlagung des Stellflü­ gels bleibt, um die Spreizlappen für die Stellfunktion ausreichend nach oben durchzubiegen.

Eine besonders stabile Ausführungsform des Stellelementrings ergibt sich dann, wenn die Breite B1 eines Stellflügels etwa 35-45% des Scheiben­ durchmessers 2r beträgt und sich etwa ab der halben Länge L1 nach außen konisch bis zu etwa 20-30% des Scheibendurchmessers 2r verjüngt.

Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Bimetallsprungscheibe und ei­ ner Ausführungsart eines Spreizelementrings in Einschalt­ stellung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Spreizelementring gemäß der Ausführungsart in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung mit in einem Gehäuseteil geführten Stellgliedern mit Bimetallsprungscheibe, Spreizelementring und Stahlscheibe in Einschaltstellung;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung gemäß Fig. 3 in Ausschaltstellung;

Fig. 5a und b eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht auf einen Spreize­ lementring entsprechend der Ausführungsart in den Fig. 3 und 4;

Fig. 6a und b eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht auf einen Spreize­ lementring alternativer Ausführungsart sowie

Fig. 7 eine Schnittdarstellung von Bimetallsprungscheibe, Spreize­ lementring und Stahlscheibe mit einem aus dem Gehäuse herausstehenden Betätigungsende des Spreizelementrings.

Bezugsziff. 1 bezeichnet das jeweilige thermische Schaltelement in den Figu­ ren in seiner Gesamtheit. Das thermische Schaltelement 1 in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 4, in welchem auf einer Wärmeübertra­ gungsplatte 5 eine Bimetallsprungscheibe 6 angeordnet ist. Die Bime­ tallsprungscheibe 6 ist in ihrem Randbereich 7 derart gelagert, daß sie sich zentral oberhalb einer Sprungtemperatur in eine erste Richtung A und unter­ halb der Rücksprungtemperatur in eine entgegengesetzte zweite Richtung B wölbt, wobei sie die Kontaktstrecke über ein Stellglied 22 und einem damit verbundenen Bewegungskontakt 3 beeinflußt. Ferner ist ein erfindungsgemä­ ßes Spreizelement zur Sicherstellung der Kontaktierung der Bime­ tallsprungscheibe 6, insbesondere deren Zentrum 6' mit der Wärmeübertra­ gungsplatte S vorgesehen. Das Spreizelement ist als Spreizelementring 8 ausgebildet und weist zwei gegenüberliegende radial nach innen abstehende Spreizlappen 9, 10 auf, die aus der Ebene des Spreizelementrings 8 nach oben herausstehen, sich gegen das Gehäuse abstützen und so die Bime­ tallsprungscheibe 6 auf die Wärmeübertragungsplatte 5 drücken. Durch den so eingefügten Spreizelementring 8 ist die ständige und notwendige thermi­ sche Kontaktierung von Bimetallsprungscheibe 6 und Wärmeübertragungs­ platte 5 gewährleistet.

Der in Fig. 1 angeordnete Spreizelementring 8 ist in Fig. 2 in der Draufsicht dargestellt. Die Spreizlappen 9, 10 stehen über den halben Radius r/2 des Spreizelementrings 8 in dessen Ringinnenbereich 11 hinein, wobei sie sich bis zu einer bestimmten Breite B' konisch verjüngen. Außerdem weist der Spreizelementring 8 im rechten Winkel zu den Spreizlappen 9, 10 zwei Ver­ breiterungen 12, 13 auf, die ebenfalls in den Ringinnenbereich abstehen und wesentlich kürzer als die Spreizlappen 9, 10 sind. Die Länge l der Verbreite­ rungen 12, 13, beträgt etwa 5%, die Breite b etwa 20% des Ringdurchmes­ sers 2r.

Die Verbreiterungen 12, 13 liegen im Gegensatz zu den herausstehenden Spreizlappen 9, 10 mit dem Spreizelementring 8 in einer Ebene. Beim Durchwölben der Bimetallsprungscheibe 6 bildet der Ringbereich zwischen den Verbreiterungen 12, 13 und den Wurzeln 9', 10' der Spreizlappen 9, 10 Sollbiegestellen, damit sich die Bimetallsprungscheibe 6 ausreichend zur Unterbrechung der Kontaktstrecke durchbiegen kann.

In Fig. 3 ist ein Spreizelementring 8 zwischen einer Bimetallsprungscheibe 6 und einer Stahlscheibe 14 angeordnet, wobei die Kontaktstrecke zwischen Fest- 2 und Bewegungskontakt 3 geschlossen ist. Der dafür vorgesehene Spreizelementring 8 ist in einer Seitenansicht in Fig. 5a und in einer Drauf­ sicht in Fig. 5b dargestellt. Der zwischen Bimetallsprungscheibe 6 und Stahlscheibe 14 angeordnete Spreizelementring 8 kann jedoch auch gemäß Fig. 6a und b ausgebildet sein. Bimetallsprungscheibe 6, Spreizelementring 8 und Stahlscheibe 14 sind jeweils in ihren Randbereichen durch Gehäusevor­ sprünge derart fixiert bzw. gelagert, daß ein seitliches Verschieben nicht möglich ist, aber ein Durchwölben gewährleistet ist.

Wie die Fig. 5a, b und 6a, b verdeutlichen, setzen sich die Spreizlappen 9, 10 nach außen zur Bildung von Stellflügeln 15, 16 fort, welche außerhalb des Ringbereichs nach oben abgebogen sind. Dabei beträgt die Länge L1 der Stellflügel 15, 16 - vom äußeren Umfang des Spreizelementrings 8 aus - mindestens r/2 und höchstens 2r. Diese Stellflügel 15, 16 dienen nun dazu, die Kontaktstrecke manuell zu unterbrechen, indem auf das Betätigungsende 20 eines Stellflügels 15 über ein Stellglied 21 Druck ausgeübt wird, so daß die Spreizlappen 9, 10 ein Durchwölben der Stahlscheibe 14 und damit ein Unterbrechen der Kontaktstrecke bewirken (vgl. Fig. 4).

Bei der in Fig. 6b dargestellten Ausführungsart der Spreizelementrings 8 be­ trägt die Breite B1 eines Stellflügels etwa 40% des Scheibendurchmessers 2r und verjüngt sich etwa ab der halben Länge L1 konisch bis zu etwa 25% des Scheibendurchmessers 2r, womit der Spreizelementring 8 eine erhöhte Sta­ bilität im Wurzelbereich 9', 10' erhält. Außerdem sind die Stellflügel, wie aus der Seitenansicht in Fig. 6a ersichtlich, Z-förmig ausgebildet.

Ferner weisen auch die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Spreizelementringe 8 Verbreiterungen 12, 13 auf, womit sich die Sollbiegestelle auf den Ringbe­ reich zwischen den Verbreiterungen 12, 13 und den Wurzeln der Spreizlap­ pen 9, 10 verlagert.

In Ruhestellung ist der Spreizelementring 8 zusammen mit den Spreizlappen 9, 10 eben und spreizt dabei die Bimetallsprungscheibe 6 und die Stahlschei­ be 14 auseinander, so daß die Bimetallsprungscheibe 6 in unerregtem Zu­ stand mit ihrem Zentrum 6' auf der Wärmeübertragungsplatte 5 aufliegt und randseitig den Spreizelementring 8 trägt. Die inneren Enden 17, 18 der Spreizlappen 9, 10 stützen das Zentrum 14' der nach oben gewölbten Stahl­ scheibe 14 ab, deren nach oben stehende Randbereiche 19 sich wiederum am Gehäuse 4 abstützen. Somit übernimmt der Spreizelementring 8 eine Doppel­ funktion, nämlich die Spreizfunktion (vgl. Fig. 3) und die Steilfunktion (vgl. Fig. 4).

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, daß zumindest einer der Stell­ flügel 15 nach oben abgebogen ist und aus dem Gehäuse 4 heraussteht, von wo er dann ebenfalls manuell betätigbar ist (vgl. Fig. 7).

BEZUGSZEICHEN

1

thermisches Schaltelement

2

Festkontakt

3

Bewegungskontakt

4

Gehäuse

5

Wärmeübertragungsplatte

6

Bimetallsprungscheibe

6

' Zentrum

7

Randbereich

8

Spreizelementring

9

Spreizlappen

9

' Wurzel

10

Spreizlappen

10

' Wurzel

11

Ringbereich

12

Verbreiterung

13

Verbreiterung

14

Stahlscheibe

14

' Zentrum

15

Stellflügel

16

Stellflügel

17

inneres Ende

18

inneres Ende

19

Randbereich

20

Betätigungsende

21

Stellglied

22

Stellglied

Claims (16)

1. Thermisches Schaltelement (1) mit
einer aus Fest- (2) und Bewegungskontakt (3) gebildeten Kontaktstrecke und
einem Gehäuse (4), in welchem auf einer Wärmeübertragungsplatte (5) eine Bimetallsprungscheibe (6) angeordnet ist, die in ihrem Randbereich (7) derart gelagert ist, daß sie sich zentral oberhalb einer Sprungtemperatur in eine erste Richtung (A) und unterhalb der Rücksprungtemperatur in eine entgegengesetzte zweite Richtung (B) wölbt und dabei die Kontaktstrecke beeinflußt sowie
einem Spreizelement, das als Spreizelementring (8) ausgebildet ist und mindestens einen radial nach innen abstehenden Spreizlappen (9, 10) aufweist sowie auf der Bimetallsprungscheibe (6) aufliegt,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Spreizelement die Bimetallsprungscheibe (6) in beiden Wölbstellungen unter der Kraft des mindestens einen sich am Gehäuse (4) oder einer zwischen Gehäuse (4) und Spreizelementring (8) einliegenden Stahlscheibe (14) abstützenden Spreizlappen (9, 10) federnd in Richtung der Wärmeübertragungsplatte (5) beaufschlagt.

2. Thermisches Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spreizlappen (9, 10) vorgesehen sind, die sich radial gegenüber liegen.

3. Thermisches Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Spreizlappen (9, 10) mindestens über den etwa halben Radius (r/2) des Spreizelementrings (8) in dessen Ringinnenbereich (11) hineinstehen.

4. Thermisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mindestens eine Spreizlappen (9 bzw. 10) in Richtung Ringinnenbereich (11) konisch verjüngt.

5. Thermisches Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Spreizlappen (9 bzw. 10) aus der Ebene des Spreizelementrings (8) heraussteht.

6. Thermisches Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Spreizelementring (8) im rechten Winkel zu dem Spreizlappen (9, 10) zusätzliche Verbreiterungen (12, 13) vorgesehen sind, die in den Ringinnenbereich (11) abstehen und kürzer als der Spreizlappen (9, 10) sind.

7. Thermisches Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringbereich zwischen den Verbreiterungen (12, 13) und der Wurzel (9', 10') des Spreizlappens (9, 10) Sollbiegestellen bildet.

8. Thermisches Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l der Verbreiterungen (12, 13) etwa 5% des Ringdurchmessers (2r) beträgt und die Breite b der Verbreiterungen (12, 13) in Ringumlaufrichtung etwa 20% des Ringdurchmessers (2r) beträgt.

9. Thermisches Schaltelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei dem zwischen Bimetallsprungscheibe (6) und Stahlscheibe (14) angeordnetem Spreizelementring (8) mindestens einer der Spreizlappen (9 bzw. 10) radial vom Spreizelementring (8) nach außen zur Bildung eines Stellflügels (15 bzw. 16) fortsetzt.

10. Thermisches Schaltelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L1 der Stellflügel (15, 16) vom äußerem Umfang des Spreizelementrings (8) etwa mindestens r/2 und höchstens 2r beträgt.

11. Thermisches Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizelementring (8) mit mindestens einem Spreizlappen (9 bzw. 10) in Ruhestellung eben ist und dabei die Bimetallsprungscheibe (6) und die Stahlscheibe (14) auseinander spreizt, so daß die Bimetallsprungscheibe (6) im unerregten Zustand mit ihrem Zentrum (6') auf der Wärmeübertragungsplatte (5) aufliegt und randseitig den Spreizelementring (8) trägt sowie das mindestens eine innere Ende (17 bzw. 18) des mindestens einen Spreizlappens (9 bzw. 10) das Zentrum (14') der nach oben gewölbten Stahlscheibe (14) abstützt, deren nach oben stehender Randbereich (19) sich am Gehäuse (4), insbesondere an einem Keramiksockel abstützt.

12. Thermisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Betätigungsende (20) des/der Stellflügel(s) (15, 16) aus dem Gehäuse (4) heraussteht.

13. Thermisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Betätigungsende (20) des/der Stellflügel(s) (15, 16) durch ein im Gehäuse (4) rechtwinklig zur Ebene des Spreizelementrings (8) verschiebbares Stellglied (21) beaufschlagbar ist.

14. Thermisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite B1 eines Stellflügels (15 bzw. 16) etwa 35-45% des Scheibendurchmessers (2r) beträgt und sich etwa ab der halben Länge L1 nach außen konisch bis zu etwa 20-30% des Scheibendurchmessers (2r) verjüngt.

15. Thermisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stellflügel (15 bzw. 16) außerhalb des Ringbereichs des Spreizelementrings (8) nach oben abgebogen ist.

16. Thermisches Schaltelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stellflügel (15, 16) Z-förmig ausgebildet ist.