DE2411022C3 - Elektrischer Wärmeschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Wärmeschalter mit getrennt angeordneten Leitern, einem Schaltglied zur Verbindung der Leiter, einer wärmedehnbaren Masse zur Betätigung des Schaltglieds, und einem Kraftübertragungsglied zwischen dem Schaltglied der wärmedehnbaren Masse.

Aus der DE-AS 10 25 676 ist eine Vorrichtung zur Betätigung von Ventilen bekannt, die eine wärmedehnbare Masse aufweist, die auf ein Kraftübertragungsglied wirkt, das einen Kolben betätigt. Um die Vorrichtung bei Absinken der Temperatur in ihre Ausgangsstellung zurückzubringen, ist ein Schraubenfederpaar vorgesehen.

Aus der US-PS 32 12 337 ist ein Wärmeschalter bekannt, der eine wärmedehnbare Masse, ein Kraftübertragungsglied und ein Schaltglied in Form üblicher Schaltkontakte zur Verbindung von Leitern hat. Die Rückstellung des Kraftübertragungsglieds erfolgt durch eine Feder.

Aus der US-PS 27 44 981 ist ein Unterbrecher bekannt, bei dem elektrisch leitende, sich normalerweise berührende Elemente von wärmedehnbaren Halterungen in Berührung gebracht werden. Bei einer bestimmten Expansion dieser Halterungen werden die elektrisch leitenden Elemente voneinander entfernt, um einen Stromkreis zu unterbrechen.

Aus der DE-OS 21 16 935 ist es bekannt, bei einem Schalter ein Schaltglied aus elektrisch nicht leitendem, elastisch verformbarem Material zu verwenden, in dem elektrisch leitende Partikeln dispergiert sind. Das Schaltglied kann dabei so ausgebildet sein, daß es in seinem normalen ungespannten Zustand elektrisch leitend oder nichtleitend ist

Weiterhin ist durch die GBPS 12 90 963(Fi g. 10) ein Wärmeschalter bekannt, bei dem die Kontakte in ein Schaltglied aus elastisch verformbarem Material eingebettet sind, das elektrisch leitende Partikeln enthält und von einer Hülle aus wärmeempfindlichem Material umgeben ist Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur schrumpft diese Hülle, drückt dadurch das die elektrisch ίο leitenden Partikeln enthaltende Schaltglied zusammen und stellt damit eine Stromverbindung zwischen den Kontakten her. Die Rückstellung bei Verringerung der Temperatur erfolgt durch die Eigenelastizität des die leitenden Partikeln enthaltenden Schaltgliedes.
Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß die gesamten Rückstellkräfte durch das Schaltglied aufgebracht werden müssen, was die Materialauswahl beschränkt, eine Änderung der Ansprechtemperatur nur durch Änderung des Schaltgliedes ermöglicht und zu unerwünscht großen Abmessungen des Schaltgliedes führt. Ungünstig ist ferner, daß die Ansprechtemperatur nicht eindeutig definiert ist, was eine umständliche Eichung erforderlich macht.

Zum Stand der Technik gehört schließlich ein Schalter (US-PS 35 09 296, Fig.6, 7) mit einem Schaltglied aus elastisch verformbarem Material, in dem elektrisch leitende Partikeln dispergiert sind. Dieses Schaltglied steht an seinem einen Ende mit dem ersten Leiter und an seinem anderen Ende mit einem Betätigungsknopf in Berührung. Bei nicht betätigtem Knopf ist das Schaltglied durch einen Ringspalt vom zweiten Leiter getrennt. Bei Betätigung des Knopfes wird das Schaltglied elastisch verformt und kommt mit dem zweiten Leiter in Berührung, wobei sich zugleich durch die Kompression die Leitfähigkeit des Schaltgliedes vergrößert.

Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß die Rückstellung des Schalters allein durch die Eigenelastizität des Schaltgliedes erfolgt, was die Materialauswahl beschränkt und zu unerwünscht großen Abmessungen dieses Schaitgliedes führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Wärmeschalter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß er keine mechanischen Elemente wie Rückstellfedern und Federkontakte aufweist, trotzdem jedoch eine hohe Federkraft besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Schalters in einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1, aus der der Schalter im offenen Zustand hervorgeht,
F i g. 3 eine F i g. 2 ähnliche Darstellung, aus der der Schalter in seinem geschlossenen Zustand hervorgeht,

Fig.4 einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform, aus der der Schalter in seinem offenen Zustand hervorgeht, und

F i g. 5 eine F i g. 4 ähnliche Darstellung, aus der der Schalter in seinem geschlossenen Zustand hervorgeht.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform des elektrischen Wärmeschalters, der aus einem Körper

1 aus elektrisch leitendem Material mit einem zylindrisehen Gehäuse 2 besteht. Das eine Ende 3 des Gehäuses

2 verjüngt sich und ist außen mit einem Gewinde 4 versehen, damit es in eine öffnung z. B. im Motorblock eines Kraftfahrzeugs geschraubt werden kann. Das an-

dere Ende des Gehäuses 2 hat einen Flansch 5, der mit Schlüsselflächen 6 versehen ist, um die Montage des Gehäuses 2 am Zylinderkopf zu erleichtern.

Der Körper 1 hat eine mehrteilige Kammer 7, die sich in axialer Richtung des Gehäuses 2 erstreckt Vom freien Ende des Gehäuses 2 aus erstreckt iich ein erster Abschnitt 8 mit großer Querschnittsfläche, der mit einem mittleren, sich verjüngenden Abschnitt 9 verbunden ist, der wiederum mit einem zylindrischen Abschnitt 10 mit kleinerer Querschnittsfläche als der Abschnitt 8 verbunden ist Der Abschnitt 10 ist mit einem zylindrischen Kammerabschnitt 11 verbunden, der sich zu dem entgegengesetzten Ende des Körpers 1 erstreckt Ein nach oben gerichteter Flansch 12 umgibt den Kammerabschnitt 11 an dessen Öffnung.

In den Kammerabschnitt 11 ist ein fester Isolierblock 13 eingesetzt durch den sich ein elektrischer Leiter 14 erstreckt, der über eine Signallampe L mit einer Batterie B verbunden ist Der Leiter 14 hat einen Abschnitt 15 mit geringerem Querschnitt, um die relative axiale Bewegung des Leiters und des Isolierblocks 13 zu verhindern, und eine relative axiale Bewegung zwischen dem Isolierblock 13 und dem Körper 1 wird durch eine Schulter 16 am Übergang der Abschnitte 10 und 11 und dadurch verhindert, daß der Flansch 12 über den Isolierblock 13 gebogen ist, wie die F i g. 2 und 3 zeigen. Die Konstruktion und Anordnung der beschriebenen Teile ist derart, daß das innere Ende des Leiters 14 mit dem Abschnitt 10 in Verbindung steht.

Der Körper 1 hat eine Kappe 17 aus wärmeleitendem Material mit einem Boden 18 und einer Seitenwand 19. Die Kappe wird mittels einer Schulter 20, über die ein Flansch 22 greift, und einer Schulter 21 in dem Gehäuse 2 gehalten.

Die Kappe 17 enthält eine wärmedehnbare Masse 23, deren Volumen sich in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg erweitert. Vorzugsweise ist die Masse 23 derart, daß ihre Expansion bis zu einer bestimmten kritischen Temperatur relativ gering ist und darüber sehr schnell ansteigt Eine bekannte wärmedehnbare Masse mit den gewünschten Eigenschaften ist ein mikrokristallines Wachs entweder mit oder ohne Metallpartikeln. Die Masse, die zur Verwendung in einer Vorrichtung geeignet ist, die die Maschinenkühltemperatur erfaßt, kann eine kritische Temperatur von etwa 93° C für nicht mit Druck beaufschlagte Kühlmittelsysteme oder von etwa 104° C für mit Druck beaufschlagte Systeme haben. Derzeit erhältliche Wachsarten haben Kritische Temperaturen etwa bis zu 132° C.

Zwischen der wärmedehnbaren Masse 23 und dem Leiter 14 ist ein Kraftübertragungsglied 24 angeordnet, das aus einem elektrisch nicht leitendem, elastisch verformbaren Material wie Silikongummi besteht. Das Kraftübertragungsglied 24 besteht aus einem etwa kegelstumpfförmigen Körper 25, der einen Umfangsflansch 26 mit einer Ringnut an seiner Unterseite hat. Das freie Ende der Seitenwand 19 der Kappe 17 hat eine ringförmige Rippe 27, die in die Nut des Un-.fangsflansches 26 greift und eine Umfangsdichtung bildet. Die Verjüngung des Körpers 25 entspricht derjenigen des Abschnitts 9, und der Körper 25 endet in einem kurzen zylindrischen Sockel 28, der sich etwas in den Abschnitt 10 erstreckt.

Zwischen dem Kraftübertragungsglied 24 und dem Leiter 14 ist ein Schaltglied 29 angeordnet, das aus einem elastisch verformbaren elektrisch nicht leitenden Material wie Silikongummi besteht, in dem elektrisch leitende Partikeln dispergiert sind. Die Partikeln bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder Partikeln aus einem anderen Grundmetall, die mit einem Edeimetal wie Silber überzogen sind, das einen niedrigen elektrischen Widerstand hat und das, wenn es oxidiert ein elektrisch leitendes Oxid bildet

Die Querschnittsfläche des Schaltgliedes 29, ist wenn es keiner Druckkraft ausgesetzt ist, geringer als die Querschnittsfläche des Kammerabschnitts 10, so daß ein Zwischenraum 30 zwischen dem Sclialtglieo 29 und der

ίο Kammerwand besteht

Die Druckkraft, der das Schaltglied 29 ausgesetzt werden muß, um es von dem nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand zu bringen, hängt von Faktoren wie der Dicke und der Härte des Materials, der Menge und dem Durchmesser der Metallpartikeln und dem Druck ab, bei dem das Schaltglied ursprünglich geformt wurde. Die Druckkraft die erforderlich ist, um das Schaltglied 29 aus dem nichtleitenden in den leitenden Zustand zu bringen, ist der Dicke und der Härte des Materials direkt proportional und der Größe und der Menge der Partikeln in dem Material umgekehrt proportional.

Bei der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform ist das Schaltglied normalerweise elektrisch nicht leitend, wird jedoch leitend, wenn es einer axialen Druckkraft ausgesetzt wird, die ausreicht, um es radial nach außen zu verformen, bis es an der Wand des Abschnitts 10 angreift. In diesem Zustand wird eine ausreichende Anzahl von elektrisch leitenden Partikeln, die in dem Material des Schaltgliedes enthalten sind, miteinander in Berührung gebracht und bildet eine oder mehrere Ketten verbundener Partikeln, die den Raum zwischen dem Leiter 14 und der Wand des Gehäuses 2 überbrükken und dadurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Leiter 14 und dem Abschnitt des Gehäuses 2 nahe dem Schaltglied 29 herstellen.

Um den insoweit beschriebenen Wärmeschalter in Betrieb zu nehmen kann der Körper 1 in eine öffnung des Maschinenblocks eines Kraftfahrzeugs geschraubt werden, um die Kappe 17 in eine Stellung zu bringen, in der sie der Temperatur z. B. des Kühlmittels ausgesetzt ist In dieser Stellung ist das Gehäuse 2 elektrisch geerdet. Bis die Temperatur der Masse 23 bis zu der vorbestimmten kritischen Temperatur ansteigt, bleibt das Schaltglied 29 relativ unkomprimiert, und es tritt keine elektrische Verbindung in dem Schaltbild auf. Wenn die Temperatur bis zu der kritischen Temperatur der Masse 23 ansteigt, verflüssigt sie sich und ihr Volumen expandiert plötzlich und übt eine Kraft auf das Kraftübertragungsglied 24 aus, dessen Sockel 28 gegen das Schaltglied 29 geschoben wird und dieses zusammendrückt, so daß es radial expandiert und an der Wand des Gehäuses 2 angreift. Die Wand des Gehäuseabschnitis 10 dient dabei für den Sockel 28 als Führung.

Der Abschnitt 9 ist so ausgebildet, daß er einen Neigungswinkel von 90° C hat, so daß ein Teil des Körpers 25 des Kraftübertragungsglieds 24 in den Abschnitt 10 gedrückt und gleichzeitig von der Wand des Abschnitts 9 zusammengedrückt wird. In dem Kraftübertragungsglied 24 wird somit eine erhebliche Federkraft gespeichert, wenn das Schaltglied 29 zusammengedrückt wird. Wenn die Temperatur der expandierten Masse 23 unter die kritische Temperatur fällt, verfestigt sie sich und zieht sich zusammen, so daß die auf das Kraftübertragungsglied 24 wirkende Kraft aufgehoben wird. Die in dem Kraftübertragungsglied gespeicherte Federkraft bewirkt dann, daß der Sockel 28 aus dem Abschnitt 10 zurückgezogen wird, so daß sich das Schaltglied 29

entspannen kann und wieder seinen nicht leitenden Zustand annimmt.

Die Größe und Anzahl der leitenden Partikeln, die in dem Schaltglied 29 enthalten sind, hängen von der Größe des Stroms ab, der von den Partikeln aufgenommen werden muß. Kugelförmige Partikeln mit einem Durchmesser von etwa 0,076 bis 0,2 mm, die etwa 80 bis 93 Gewichtsprozent des Materials des Schaltglieds 29 bilden, haben sich als für Stromwerte zufriedenstellend erwiesen, wie sie bei Kraftfahrzeugen auftreten. Größere Partikeln können bei Schaltern für Kreise verwendet werden, in denen Stromwerte auftreten, die größer als diejenigen bei Kraftfahrzeugen sind.

Obwohl zwischen benachbarten Partikeln bei Bildung bzw. Unterbrechung der elektrischen Verbindung durch das Schaltglied 29 eine Lichtbogenbildung auftreten kann, die zu einer Abnutzung oder sogar Zerstörung eines oder mehrerer solche Partikeln führen kann, enthält das Schaltglied so viele Partikeln, daß andere als zv/ischen den Leitern 44 und 45 sitzt.

Eine wärmedehnbare Masse 47 gleich der Masse 23 befindet sich in der Kammer 38. Zwischen dem Schaltglied 46 und der Masse 47 befindet sich ein Kraftübertragungsglied 48 gleich dem Kraftübertragungsglied 24, das einen Körper 49 hat, der mit einem Umfangsflansch 50 in die Ringnut 39 greift, um die Kammer 38 abzudichten. Der Körper 49 verjüngt sich entsprechend dem Kammerabschnitt 43 und endet in einem Sockel 51, der etwas in die Kammer 42 vorsteht. Eine Scheibe 52 aus Isoliermaterial, die am Boden der Kammer 42 angeordnet ist, bildet eine Auflagefläche gegenüber dem Sockel 51. Das Schaltglied 46 ist somit zwischen zwei Isolierteilen angeordnet. Die Scheibe 52 verhindert die Berührung zwischen dem Schaltglied und den Leitern, bis das Schaltglied ausreichend radial verformt wird und den Raum zwischen den Leitern verbindet.

Um den Schalter in Betrieb zu nehmen, wird der Körper 33 in eine Öffnung z. B. des Motorblocks eines

diejenigen, die durch die Lichtbogenbildung beschädigt 20 Kraftfahrzeug geschraubt, dessen Temperatur erfaßt

werden können, eine leitende Verbindung bilden. Folglich überschreitet die Nutzlebensdauer des Schaltglieds 29 erheblich diejenige üblicher Kontakte, die wiederholt aneinander angreifen und wieder gelöst werden.

Die Menge der Wachsmasse 23, die in der Kappe 17 enthalten ist, und die Kompression, die erforderlich ist, um das Schaltglied vom nichtleitenden in den leitenden Zustand zu bringen, ist derart, daß der Schalter in Abhängigkeit von einem Temperaturanstieg der Masse 23 innerhalb weniger Grade der kritischen Temperatur der Wachsmasse leitend wird. Somit ist eine Eichung des Schalters normalerweise nicht erforderlich, da es die kritische Temperatur der Wachsmasse ist, die den Betrieb des Schalters auslöst Wenn es erwünscht ist, den Betrieb des Schalters bei der kritischen Temperatur sicherzustellen, kann dies jedoch dadurch erreicht werden, daß der Boden 18 der Kappe 17 nach innen gewölbt wird, wie in gestrichelten Linien in F i g. 3 gezeigt ist, um das Kraftübertragungsglied 24 leicht vorzuspannen.

Die in den Fig.4 und 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der der F i g. 1 bis 3 dadurch, daß der Körper des Schalters selbst keinen Teil der elektrischen Verbindung bildet. Die abgewandelte Ausführungsform hat einen Körper 33, der aus einem sich verwerden soll. Der Leiter 44 wird durch eine Leitung 53 mit einer Batterie B verbunden, und der Leiter 45 wird über eine Leitung 54 mit einer geerdeten Lampe L' verbunden. Die wärmedehnbare Masse 47 ist so zusammengesetzt, daß sie ein normales, nicht expandiertes Volumen hat, bis eine vorbestimmte kritische Temperatur erreicht wird. Im nicht expandierten Zustand der Masse 47 wird das Schaltglied 46 nicht zusammengedrückt und ist elektrisch nicht leitend.

Wenn die Temperatur der Masse 47 den kritischen Wert erreicht, dehnt sie sich plötzlich aus und verschiebt dadurch den Sockel 51 des Kraftübertragungsglieds 48 in die Kammer 42 in der gleichen Weise, wie zuvor beschrieben wurde. Das Schaltglied 46 wird dadurch zwischen dem Sockel 51 und der Scheibe 52 zusammengedrückt, so daß es elektrisch leitend wird, und radial expandiert, so daß es die Leiter 44 und 45 berührt. Somit wird ein elektrischer Kreis zwischen der Batterie B und der Lampe L 'gebildet.

Wenn die von der Masse 47 erfaßte Temperatur unter den kritischen Wert fällt, zieht sich die Masse zusammen, so daß die in dem unter Druck stehenden Kraft

übertragungsglied 48 gespeicherte Federkraft dieses in seinen ursprünglichen Zustand zurückbringt. Auf Grund jungenden Metallgehäuse 34 mit Außengewinde be- 45 der Elastizität des Schaltglieds 46 enspannt sich dieses steht, der an einem Ende in einem Temperaturfühler 35 und unterbricht den Kreis zu der Lampe L'.
endet Das andere Ende des Metallgehäuses 34 bildet Es können Fälle auftreten, in denen es erwünscht ist,

eine sich erweiternde Hülse 36, die Schlüsselflächen an Temperaturen zu erfassen, die über den maximalen ihrer Außenseite hat Die Hülse 36 hat einen Hohlraum Temperaturen liegen, die von den derzeit erhältlichen 37, der mit einer Kammer 38 in dem Metallgehäuse 34 50 Wachsmassen erfaßt werden können. Zum Beispiel verbunden ist. Zwischen dem Hohlraum 37 und der kann es erwünscht sein, ein Signal auszulösen, wenn die Kammer 38 ist eine Schulter mit einer Ringnut 39 gebil- Temperatur eines Fahrzeugtransmissionsströmungsdet. mittel über etwa 137" C steigt In diesem Fall kann die

In den Hohlraum 37 ist ein Isolierblock 40 eingesetzt, zuvor beschriebene Wachsmasse durch ein eutektisches der durch einen umgebogenen Flansch 41 der Hülse 36 55 Lötmaterial ersetzt werden, das eine kritische Temperagehalten wird. Nahe dem inneren Ende des Isolierblocks tür von etwa 137 oder 138° C hat Ein derartiges Lötma-40 ist eine Kammer 42 gebildet die mit der Kammer 38 terial verhält sich ähnlich wie die Wachsmasse und hat über einen sich verjüngenden Kammerabschnitt 43 ver- eine sehr geringe Expansion, bis eine kritische Temperabunden ist tür erreicht ist, worauf es sich verflüssigt und plötzlich

In dem Isolierblock 40 sitzen zwei mit Abstand ange- 60 expandiert

ordnete elektrische Leiter 44,45, die sich bis in die Kam- Die kritische Temperatur des Schalters kann auch auf

andere Art geändert werden. Je steifer oder härter z. B. das Material des Kraftübertragungsglieds 24 bzw. 48 ist, desto größer ist der dadurch ausgeübte Widerstand gegen die Expansion der wärmedehnbaren Masse. Daher ist eine höhere Temperatur erforderlich, damit das dehnbare Material die Membran verformen und das Schaltglied leitend machen kann. Die Steifigkeit bzw.

mer 42 erstrecken und deren innere Enden entsprechend der Krümmung der Kammer 42 bogenförmig ausgeschnitten sind, so daß sie Teile der Kammerwand bilden.

In der Kammer 42 befindet sich ein Schaltglied 46, das gleich dem Schaltglied 29 ist eine Querschnittsfläche hat die geringer als die der Kammer 42 ist und das

Härte kann durch übliche Formtechniken wie das Einbringen von nichtleitendem Pulver in ein Silikonharz während der Formung geändert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Wärmeschalter mit getrennt angeordneten Leitern, einem Schaltglied zur Verbindung der Leiter, einer wärmedehnbaren Masse zur Betätigung des Schaltglieds, und einem Kraftübertragungsglied zwischen dem Schaltglied und der wärmedehnbaren Masse,dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsglied (24, 48) aus elektrisch nicht leitendem, elastisch verformbarem Material besteht, daß auch das Schaltglied (29,46) in an sich bekannter Weise aus elektrisch nicht leitendem, elastisch verformbarem Material besteht, in dem elektrisch leitende Partikeln dispergiert sind, daß der Querschnitt des Schaltglieds (29, 46) geringer ist als derjenige der Kammer (10), in der es in dem Scha!*er angeordnet ist, daß das Kraftübertragungsglied (24, 48) einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, der etwas in die zylindrische Kammer (10, 42) vorsteht, in der Schaltglied (29,46) angeordnet ist, und daß der sich verjüngende Abschnitt in einer sich entsprechend verjüngenden Kammer (9, 43) angeordnet ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leiter aus dem Schaltergehäuse (2) besteht.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (44,45) vom Körper (33) des Schaltergehäuses elektrisch isoliert sind.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (29, 46) im nicht verformten Zustand nicht leitend ist.