DE2136171C3 - Formkörper mit Thermobimetall-Eigenschaften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper mit Thermobimetall-Eigenschaften, bei dem in eine Schicht aus Matrixmaterial Fasern eines anderen Werkstoffes eingelegt sind.

Zur Temperaturanzeige und zur temperaturabhängigen Auslösung von Steuervorgängen sind Thermobi- so metall-Formkörper in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Das Thermobimetall besteht dabei aus mindestens zwei untrennbar miteinander verbundenen Schichten aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Da sich bei der Erwärmung des Formkörpers die eine Schicht stärker ausdehnt als die andere, krümmen sich derartige Thermobimetall-Formkörper bei der Temperaturänderung, wobei die Auslenkung vom Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten in den einzelnen Schichten abhängt.

Bei der Anwendung werden die thermobimetallischen Formkörper entweder in der Weise benutzt, daß ihre freie nicht behinderte, temperaturabhängige Auslenkung verwendet wird (z. B. Thermobimetall-Spiralthermometer) oder dadurch, daß bei einer mehr oder weniger vollständigen Unterdrückung der Auslenkbewegung mechanische Kräfte erzeugt werden, welche beispielsweise Regelorgane verstellen (z. B. thermobimetallische Zündsicherung in Gasgeräten).

Die bekannten Ausführungsformen von Formkörpern mit Thermobimetall· Eigenschaften entstehen im wesentlichen durch flächenhafte Verbindung von Werkstoffen unterschiedlicher thermischer Ausdehnung, wobei diese Verbindung durch Schweißen, Löten, Kleben od. dgl. erfolgen kann.

Zum Stande der Technik gehören nach der deutschen Auslegeschrift 10 98 740 temperaturempfindliche Auslenkelemente, welche aus zwei oder mehreren Kunststoffschichten bestehen, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient einer dieser Kunststoffschichten durch regellos eingelagerte, verschiedenartige Fremdstoffe, unter anderem auch Glasfasern, bestimmt wird.

Die bisher bekannten Formkörper mit Thermobimetall-Eigenschaften können wesentliche Anforderungen der Praxis nicht erfüllen. Ein besonderer Nachteil besteht darin, daß bei relativ breiten thermobimeiallischen Streifen durch die Isotropie der thermischen Ausdehnung außer der gewünschten Längskrümmung eine sehr unerwünschte Querwölbung eintritt, welche eine mechanische Versteifung des Streifens herbeiführt. Dadurch wird die gewünschte Auslenkung teilweise unterdrückt. Bei den bekannten Ausführungsformen von thermobimetallischen Formkörpern, die hauptsächlich auf Werkstoffkombinationen von Eisen-Nickel-Legierungen beruhen, ist die Werkstoffauswahl in erster Linie durch die gewünschten thermischen Eigenschaften der zu verbindenden Schichten bestimmt. Hierbei müssen zwangsläufig nachteilige Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, der Korrosionsbeständigkeit u. dgl. hingenommen werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Formkörper mit Thermobimetall-Eigenschaften zu schaffen, welcher die Nachteile der vorbekannten Ausführungen vermeidet und große Auslenkungen bzw. Verstellkräfte mit hoher Ansprechempfindlichkeit verbindet.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die in parallelen Lagen orientierten Fasern in ein metallisches Matrixmaterial eingebettet sind.

Bei der bevorzugten Verwendung von metallischen Fasern ergibt sich ein Formkörper aus Faserverbundwerkstoff, welcher nach bekannten metallurgischen Verfahren, beispielsweise ausgehend von der Pulvermetallurgie, aber auch besonders zweckmäßig durch gemeinsame Kaltverformung von Matrix- und Fasermaterial hergestellt werden kann. Obwohl in das metallische Matrixmaterial bevorzugt metallische Fasern eingelagert sind, lassen sich für bestimmte Anwendungszwecke auch günstige Werkstoffkombinationen des metallischen Matrixmaterials mit nichtmetallischen Fasern, beispielsweise aus Kunststoffen, vorsehen.

Zur Erreichung der Thermobimetall-Eigenschaften ist es entweder vorteilhaft, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von mindestens zwei im Matrixmaterial eingelagerten Fasergruppen unterschiedlich ist, oder daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Matrixmaterials und mindestens einer eingelagerten Fasergruppe unterschiedlich gewählt wird. Beide Möglichkeiten können auch miteinander kombiniert sein. Die Einlagerung von mindestens zwei Fasergruppen mit unierschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bietet jedoch in vielen Fällen Vorteile.

Die Auswahl des Matrixmaterials kann, sofern der

thermobimetallische Effekt auf den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingelagerten Fasergruppen beruht, völlig entsprechend den gegebenen zusätzlichen Bedingungen erfolgen. Diese sind: Korrosionsbeständigkeit, spezifisches Gewicht, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, gute mechanische Formbarkeit usw. Ebenso läßt sich die Auswahl der Fasern nicht nur in bezug auf den gewünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sondern ferner unter Berücksichtigung mechanischer Eigenschaften, des elektrischen Widerstandes, magnetischer Eigenschaften u. dgl. treffen. Hierbei können auch Werkstoffkombinationen verwendet werden, wie sie bei den bereits bekannten Thermobimetallen gebräuchlich sind. Ein wesentlicher Vorteil des neuartigen Formkörpers ist darin zu ;₅ sehen, daß die Wahl des Matrixmaterials weitgehend unabhängig von der Wahl der die thermische Auslenkung bestimmenden Fasern erfolgen kann. Die aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Formkörper zeigen wegen der Orientierung der Fasergruppen keine durch Isotropie der thermischen Ausdehnung bedingte Querversteifung, wie die bekannten Streifenformen. Sie ergeben hohe Auslenkungen bzw. große Verstellkräfte.

Beim Vorhandensein von Fasergruppen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann es zweckmäßig sein, die gesamte Querschnittsfläche der Fasergruppe mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer zu wählen als die gesamte Querschnittsfläche der Fasergrupper mit dem höheren Ausdehnungskoeffizienten. Eine solche Bemessung erscheint zweckmäßig, wenn das gewählte Matrixmaterial, wie im allgemeinen gegeben, die Ausdehnung der Fasergruppe mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterstützt.

Die Verteilung der Fasergruppen innerhalb des Matrixmaterials kann in verschiedener Weise und nach der gewünschten Auslenkbewegung erfolgen. Dabei bietet sich die neuartige Möglichkeit, die Fasergruppen zur Schaffung eines Torsions-Bimetallelementes im Querschnitt des Matrixmaterials anzuordnen. Hierbei ist bei einer streifenförmigen Ausbildung eine unsymmetrische Verteilung der Fasergruppen zweckmäßig, so daß entsprechende temperaturabhängige Torsionsmomente erzeugt werden.

Eine weitere wichtige Verbesserung kann gegebenenfalls dadurch erzielt werden, daß in den Formkörper isolierte, elektrisch leitfähige Fasern eingelagert sind. Bei entsprechender Werkstoffauswahl de^ Fasermaterials können die elektrisch leitfähigen Fasern Widerstandsheizelemente bilden, so daß sich ein besonders einfaches thermo-elektrisches, direkt beheizbares Regelglied aufbauen läßt. Die Einbettung leitfähiger Fasern kann jedoch auch für andere Anwendungszwekke, beispielsweise zur Ausnutzung des Peltier-Effektes zur Temperaturmessung oder Beheizung zweckmäßig sein.

Die Formkörper lassen sich in den verschiedensten Querschnittsformen mit eckigen und kreisförmigen Konturen herstellen. Ebenso ist eine Anpassung der Größenabmessungen nach der gegebenen Aufgabenstellung in weiten Grenzen möglich.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Formkörpern mit Thermobimetall-Eigensehaften gemäß der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt:

F i g. 1 eine isometrische Schnittansicht eines Formkörpers,

F i g. 2 einen Formkörper mit Torsionseigenschaften,

F i g. 3 einen Formkörper mit unterschiedlicher Querschnittsbemessung der Fasergruppen.

In F i g. 1 ist ein streifenförmiger Formkörper aus Matrixmaterial 1 dargestellt, in den eine Fasergruppe 2 mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und eine Fasergruppe 3 mit niederem thermischem Ausdehnungskoeffizienten eingelagert sind. Bei der Erwärmung des Formkörpers krümmt sich der Streifen nach unten.

Das Ausführungsbeispiel der F i g. 2 zeigt eine solche Verteilung, bei der die Fasergruppe 2 mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten gegenüber der Fasergruppe 3 mit niederem thermischem Ausdehnungskoeffizienten zur Erzeugung eines Torsionsmomentes unsymmetrisch angeordnet ist. Bei entsprechender Erwärmung verdreht sich der Streifen des Matrixmaterials 1 um seine Längsachse, wodurch in besonders vorteilhafter Weise unmittelbare Drehbewegungen ausgelöst werden können.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3, bei der das Matrixmaterial 1 so gewählt ist, daß es die Ausdehnung der Fasergruppe 2 mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten unterstützt, ist die unterschiedliche Querschnittsverteilung zwischen den beiden Fasergruppen erkennbar, bei der die gesamte Querschnittsfläche der Fasergruppe 3 mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer ist als die gesamte Querschnittsfläche der Fasergruppe 2 mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Zwischen den Fasergruppen sind isolierte Widerstandsheizdrähte 4 eingelagert, so daß eine unmittelbare Beheizung des streifenförmigen Formkörpers erfolgen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Formkörper mit Thermobimetall-Eigenschaften, bei dem in eine Schicht aus Matrixmaterial Fasern eines anderen Werkstoffes eingelegt sind, d a durch gekennzeichnet, daß die in parallelen Lagen orientierten Fasern (2, 3) in ein metallisches Matrixmaterial (1) eingebettet sind.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Matrixmaterial (I) mindestens zwei Fasergruppen (2, 3) eingelagert sind und daß das Fasermaterial dieser beiden Gruppen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweist. '5

3. Formkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Matrixmaterials, welches die Ausdehnung der Fasergruppe (2) mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten unterstützt, die gesamte Querschnittsfläche der Fasergruppe (3) mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer ist als die gesamte Querschnittsfläche der Fasergruppe (2) mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

4. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasergruppen (2,3) zur Schaffung eines Torsions-Bimetallelementes im Querschnitt des Matrixmaterials derart angeordnet sind, daß ein temperaturabhängiges Torsionsmoment hervorgerufen wird.

5. Formkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Matrixmaterial (1) isolierte, elektrisch leitfähige Fasern (4) eingelagert sind.

6. Formkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Fasern Widerstandsheizelemente bilden.

7. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus metallischem Werkstoff besteht.