DE2418770A1

DE2418770A1 - Elektrothermische analogtemperaturanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2418770A1
Application number: DE2418770A
Authority: DE
Inventors: Robert Parker
Original assignee: PARKER RESEARCH ROBERT
Current assignee: PARKER RESEARCH ROBERT
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1974-04-18
Publication date: 1975-10-30

Description

Patentanmeldung Elektrothermische A nalogtemperaturanzeigevorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrothermische Analogtemperaturanzeigevorrichtung zur Anzeige der Temperatur einer Heizeinrichtung.
Elektrische Apparaturen sind gefährlich, da es keine visuelle Anzeige bei Temperaturen gibt, die die Haut verbrennen. Da die Abkühlgeschwindigkeit von vielen Apparaturen eine oder mehrere Minuten benötigen kann, gibt es daher normalerweise eine Zeitspanne, wo die Heizvorrichtung oder Heizapparatur potentiell gefährlich ist. Dies ist insbesondere bei elektrischen Heizplatten der Fall, die, wenn sie eingeschaltet sind, häufig rot erscheinen, jedoch wenn sie abgeschaltet sind, rasch die rote Farbe verlieren, jedoch für relativ lange Zeitspannen auf hoher Temperatur bleiben.
Es gibt viele Wege, um die Temperatur der Heizapparatur zu messen und dem Benutzer eine Warnung zukommen zu lassen. Beispielsweise können Thermometer verwendet werden, diese sind jedoch kostspielig, und die Verwendung von Quecksilber in unmittelbarer Nachbarschaft eines Heizelementes ist in hohem Maße gefährlich. Obwohl auch ein Thermoelement verwendet werden kann, ist ein Thermoelement viel zu kostspielig, da relativ teuere Schaltkreise zusammen mit dem Thermoelement verwendet werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer stabIlen, sicheren, billigen Einrichtung zur Lieferung einer gewissen Anzeige der Temperatur der Heizapparatur , die als Varneinrichtung dienen kann, wenn sich die Apparatur auf einer Temperatur befindet, welche die Haut verbrennt. Eine solche apparatur sollte auf die Heizeinrichtung ansprechen, sowohl wenn die Heizeinrichtung eingeschaltet als auch ausgeschaltet ist. Zur sätzlich ist es häufig wünschenswert, daß die Anzeigeeinrichtung nicht nur eine Warnung abgibt, wenn eine Temperatur erreicht wurde, die für die Haut gefährlich ist, sondern auch eine gewisse Anzeige liefert, wenn höhere Temperaturen erreicht wurden und sich die Apparatur auf Betriebstemperatur befindet.
Zusammensetzungen von flüssigen Kristallen sind an sich bekannt.
DieVerwendung von auf Temperatur ansprechenden Zusammensetzungen von flüssigen Kristallen für thermometrische Zwecke sind z. B. in der britischen Patentschrift 1 138 590, der US-atentschrift 3 440 882 und den deutschen Patentanmeldungen P 2350071.2 und P 2346408.6 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine elektrothermische Analogtemperaturanzeigevorrichtung gelöst, die ein auf Strom oder Spannung ansprechendes Heizelement mit Einrichtungen zum Verbinden mit einer Heizapparatur, wenigstens eine Flüssig kristallzusammensetzung in wärmeaustauschender Beziehung mit diesem Heizelement und lsoliereinrichtungen zur Anpassung des Ansprechens der Abkühlung der Flüssigkristallzusammensetzung auf das Ansprechen der Abkühlung der Heizeinrichtung besitzt.
Die untere t'bergangstemperattir der FlüssIuristalzusati:'ensetzung liegt oberhalb der normalen Umgebungstemperatur, die erwartungsgemäß auftreten könnte, und üblicherweise wesentlich unterhalb der Temperaturen, welche von der Heizapparatur erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung sind: sig. 1 eine Querschnittsansictit im Aufriß einer elektrothermischen Analögtemperaturanzeigevorrichtung; Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Schaltkreises zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 und 4 Aufsichten einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Temperaturanzeige vorrichtung, welche eine Vielzahl von Flüssigkristall zusammensetzungen aufweist.
im folgenden werden spezifische Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert.
Diese Temperaturanzeigevorrichtungen sind sicher, stabil und preiswert und sie können für qualitative oder auch praktisch quantitative Bestimmungen der Temperatur einer Heizapparatur angepaßt werden, wobei sie proportional oder in Beziehung zu Temperaturänderungen in der elektrischen Heizeinrichtung ansprechen.
Die Vorrichtung besitzt drei verschiedene Merkmal: eine elektrische Heizeinrichtung, welche ein thermisches Ansprechen der proportional zu/an die Heizapparatur angelegten Strom oder der hieran angelegten Spannung besitzt, eine Flüssigkristallzusammensetzung oder -zusammensetzungen in wärmeaustauschender Beziehung bzw. Anordnung mit dieser Heizeinrichtung, die eine untere tbergangstemperatur und üblicherweise beide Ubergangstemperaturen in dem Bereich von Temperaturen besitzen, die von der Heizeinrichtung entwickelt werden, sowie eine Wärmesenke, die die oben beschriebenen Elemente einschließt, die/in Wärme austauschender Beziehung bzw. Anordnung mit der Umgebung befindet und ein Ansprechen der Abkühlung der Vorrichtung proportional zu dem Ansprechen der Abkühlung der Heizapparatur liefert.
Eine große Vielzahl von Heizelementen kann verwendet werden, und sie können in praktisch direktem oder indirektem Kontakt mit einem Film von einer Flüssigkristallzusammensetzung oder mehreren Flüssigkristallzusammensetzungen angeordnet werden.
Die Flüssigkristallzusammensetzung kann in, mit oder auf einer inerten, wenigstens teilweise transparenten, schützenden Beschichtung, Folie oder Gehäuse aufgeschichtet, bedeckt, eingefaßt oder eingeschlossen sein, wobei diese als Hauptteil der Wärmesenke dienen. Einrichtungen für den entweder in Serie oder parallel geschalteten Anschluß des Heizelementes an den Kreis der Heizapparatur sind ebenfalls vorgesehen.
Bei der Herstellung der Temperaturanzeigevorrichtung wird ein eine Flüssigkristallzusammensetzung enthaltendes Teil hergestellt. Vorteilhafterweise wird eine Kunststoff-Folie, vorzugsweise eine Polyäthylenterephthalatfolie (Warenbezeichnung Mylar), als Basis oder Abdeckung verwendet. Die Plastikfolie kann mit einer schwarzen Farbe oder einem schwarzen Lack maskiert sein, welcher transparente Bereiche in Form von Symbolen, Ziffern, Skalen oder dergleichen freiläßt. Die transparenten Bereiche werden dann mit einer oder mehreren Flüssigkristallzusammensetzungen in Abhängigkeit von der Art, in welcher die wärmeaustauschende Beziehung des Teiles mit der Heizeinrichtung hergestellt wird, und in Abhängigkeit von den interessierenden Temperaturbereichen beschichtet. Diese eine Flüssigkristallzusammensetzung oder die mehrerenSlüssigkristallzusammensetzungen werden dann trocknen gelassen. Um die Sichtbarkeit der Flüssigkristallzusammensetzung zu steigern, wird ein schwarzer Untergrund für die Blüssigkristallzusammensetzung vorgesehen, der eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen annehmen kann. Vorteilhafterweise können die Flüssigkristallzusammensetzungen mit einem schwarzen Bilm, üblicherweise einer Farbe oder einem Lack überzogen werden, um die die Flüssigkristallzusammensetzung enthaltenden Teile fertigzustellen.
Die Kunststoff-Folie besitzt normalerweise eine Stärke im Bereich von etwa 0,025 bis 0,51 mm (1 bis 20 mil), während die Flüssigkristallzusammensetzung in einer Stärke von etwa 0,05 bis 0,25 mm (2 bis 10 mil) aufgeschichtet wird. Der schwarze Untergrund muß ausreichen, um einen opaken Untergrund zu liefern, und er variiert von einem Bruchteil von 0,025 mm (1 mil), z. B. 0,013 mm (0,5 mil) bis zu einigen 0,025 mm, z. B. 0,13 mm (5 mil).
Ein Heizelement ist in wärmeaustauschender Beziehung bzw.
Anordnung zu der Flüssigkristallzusammensetzung bzw. -masse vorgesehen. Das Heizelement besitzt Drähte zum Anschluß an den Kreis der Apparatur. Das Heizelement ist normalerweise entgegengesetzt zur Betrachtungsfläche der Blüssigkristallzusammensetzung angeordnet.
Das Heizelement kann in praktisch direktem oder indirektem kontakt mit der Flüssigkristallzusammensetzung sein. Bei einer Ausführungsform befindet sich das Heizelement in direktem Kontakt mit der Flüssigkristallzusammensetzung oder dem dünnen, schwarzen Untergrund bzw. Träger. Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine Folie oder eine Platte eines schlechten oder relativ schlechten Wärmeleiters verwendet werden, wenn das Heizelement eine kleine Oberfläche im Vergleich zu dem Wärmeleiter besitzt. Auf diese Weise wird ein Gradient quer über den Wärmeleiter eingestellt, wobei sich die Temperatur des Wärmeleiters mit dem Abstand von der Wärmequelle verringert.
Wenn eine Schicht oder ein Streifen von Blüssigkristallzusammensetzung in wärmeaustauschender Anordnung mit dem Wärmeleiter vorgesehen ist und sich von der Wärmequelle wegerstreckt, ist der Abstand, bei welcher die Blüssigkristallzusammensetzung ihren tbergang zum Sichtbarwerden erfährt, proportional zu der Temperatur der Wärmequelle.
Die erhaltene Anordnung kann dann in einer geeigneten Gießmasse eingeschlossen werden, welche transparent ist und normalerweise einen gewissen UV-Schutz für die Dlüssigkristallzusammensetzung liefert. Alternativ kann ein Schutzfilm aus Glas oder Kunststoff auf die Kunststoff-Folie aufgebracht werden Bei einer anderen Ausführungsform kann die Kunststoff-Folie weggelassen werden, und irgendeine Maskierung auf den Schutzisolierfilm aufgebracht und die Flüssigkristallmasse direkt auf den Schutzfilm aufgeschichtet werden.
Der Schutzfilm dient nicht nur zum Schutz der Flüssigkristallzusammensetzung, sondern er wirkt auch als Wärme senke oder als thermisches Trägheitselement, um eine wärmeaustauschende -Beziehung mit der Umgebung in Relation zu der wärmeaustauschenden Beziehung der Heizapparätur mit der Umgebung zu schaffen.
Daher spricht die Wärmesenke sowohl auf das Heizelement und die Umgebung in einer auf die Heizapparatur rückbezogenen Weise an. Eine große Vielzahl von Isolationsmaterialien, welche die notwendige Transparenz besitzen, können in wärmeaustauschender Beziehung mit der Flüssigkristallzusammensetzung verwendet werden.
Alternativ kann das Heizelement so ausgelegt sein, daß es ein zu der Heizapparatur analoges Wärmeansprechen sowie eine ausreichend hohe Wärmekapazität im Vergleich zu der Wärmekapazität des restlichen Teiles der Temperaturanzeigevorrichtung besitzt, so daß die Flüssigkristallzusammensetzung praktisch auf der Temperatur des Heizelementes gehalten wird.
In dieser Hinsicht wird während des Reiz zyklus die Temperatur der Flüssigkristallzusammensetzung hauptsächlich durch das Heizelement bestimmt. Die Isolation ermöglicht eine praktisch direkte Beziehung zwischen der Temperatur des Heizelementes und der Temperatur der Flüssigkristallzusammensetzung. Wenn sich daher die Flüssigkristallzusammensetzung auf einer Temperatur unterhalb von 93 OC (200 0) befindet, ist der Temperatur unterschied zwischen einerseits der Flüssigkristallzusammensetzung und der Isolierung und andererseits der Umgebung relativ gering. Daher ist das Ansprechen der Flüssigkristallzusammensetzung auf das Heizelement direkt und prompt.
Bei dem hbkühlungszyklus ist die Temperatur der Flüssigkristall zu sammensetzung eine Funktion der Temperatur der Wärmesenke, üblicherweise hauptsächlich der Isolierung.
Normalerweise wird der Wärmegradient quer über die Isolierung wesentlich geringer sein als der Temperaturabfall an der Oberfläche der Isolierung in Kontakt mit der Umgebung. Als vernünftige Annäherung kann jedoch angenommen werden, daß die lüssigkristallzusammensetzung innerhalb weniger Grade der Temperatur der Isolatoroberfläche liegt. Daher kann die Abkühlungsgeschwindigkeit der Isolatoroberfläche als der Abkühlungsgeschwindigkeit der Flüssigkristallzusammensetzung annähernd gleich angesehen werden. Durch Auswahl eines geeigneten Isolationsmaterials von geeigneter Größe und Geometrie kann man in einfacher Weise empirisch ihre Geschwindigkeit des Temperaturabfalles von einer bestimmten Temperatur bestimmen. Aus dieser Bestimmung kann man die Größe und Geometrie der Isolierung ableiten, so daß sie ein Temperaturabfallprofil besitzt, welches mit der Abkühlungsrate der Heizapparatur in Beziehung steht.
Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß in den meisten Fällen das Hauptinteresse während des Abkühlungszyklus besteht, ob nämlich die Apparatur sicher ist, obwohl auch ein gewisses Interesse an der Temperatur der Heizapparatur während des Heizzgklus vorhanden ist. Daher kann die Temperaturanzeigevorrichtung in vielen Fällen so ausgelegt werden, daß sie halbquantitativ oder quantitativ die Temperatur während des Heizzyklus anzeigt, wobei sie jedoch hauptsächlich als Warneinrichtung während des Abkühlungszyklus dient. Der Isolator dient dann dazu, einen Teil der Flüssigkristallzusammensetzunganzeigeeinrichtung oberhalb der unteren tibergangstemperatur der Zusammensetzung zu halten, bis die Apparatur sich auf eine sichere Temperatur abgekühlt hat.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen.
In der Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Temperaturanzeigevorrichtung 10 wiedergegeben. Eine dünne Folie 12 aus Polyäthylenterepbthalat (Warenbezeichnung Nylar) ist derart maskiert, daß transparente Bereiche mit den geeigneten Symbolen freigelassen werden. Die Polyäthylenterephthalatfolie wird dann über den transparenten Bereichen mit einem dünnen Überzug einer Flüssigkristallzusammensetzung 14 beschichtet.
Damit die Flüssigkristallzusammensetzungen bzw. -massen en deutlich sichtbar sind, wenn die Zusammensetzung/bzw. fassen vom transparenten Zustand in den sichtbaren und gefärbten Zustand übergehen, wird ein dunkler Untergrund 16 bzw. ein dunkler Träger verwendet, der vorteilhafterweise eine schwarze Farbe oder ein schwarzer Lack sein kann. In Abhängigkeit von der Art des Untergrundes und seinen Wärmeübergangseigenschaften kann eine zusätzliche Folie eines schlechten Wärmeleiters für einen Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkristallzusammensetzung und dem Heizelement vorgesehen werden.
Ein Heizelement 20 wird dann an dem Untergrund oder der Unterlage oder der Wärmeübertragungsfolie aufgebracht oder hieran befestigt, so daß es in wärmeaustauschender Beziehung bzw.
Anordnung mit der Flüssigkristallzusammensetzung ist. Die Auswahl des Reiz elementes ebenso wie die Anordnung des Heizelementes kann in starkem Maße in Abhängigkeit von der Art und Weise, in welcher die wärmeaustauschende Beziehung gewünscht wird, von der Art der Verbindung mit dem Schaltkreis der Reizapparatur, der Art von Strom- oder Spannungs-Wärmebeziehung, welche gefordert wird, und dergleichen, variiert werden.
Die Veränderung im Ansprechen der Flüssigkristallzusammen setzung auf die Wärmequelle oder das Heizelement 20 kann in einer Anzahl von Wegen erreicht werden. Ein einfacher Weg besteht darin, eine mehrzahl von Flüssigkristallzusammensetzungen zu verwenden, welche unterschiedliche Ubergangstemperaturbereiche besitzen, und sie in äquivalenter, wärmeaustauschender Beziehung mit der Wärmequelle anzuordnen. Auf diese Weise beruht das Ansprechen auf der Wärmequelle, welche eine wenigstens der hinimumtemperatur der Flüssigkristallzusammensetzung gleiche Temperatur liefert. Man kann dann Flüssigkristallzusammensetzungen mit sich überlappenden Temperaturbereichen vorsehen, so daß, wenn eine Flüssigkristall zusammensetzung ihre obere Ubergangstemperatur erreicht, die untere Ubergangstemperatur der nächsten Flüssigkristallzusam mensetzung erreicht wird. Sobald die tbergangstemperatur der Flüssigkristallzusammensetzung mit der niedrigsten Ubergangstemperatur erreicht worden ist, ergibt sich daher auf diese Weise eine kontinuierliche Stufenfolge längs des Weges von Flüssigkristallzusammensetzungen bei Anstieg der Temperatur, wobei aufeinanderfolgende Flüssigkristallzusammensetzungen ihre Ubergangstemperaturen durchlaufen.
Eine alternative Methode besteht darin, eine einzige Flüssigkristallzusammensetzung und eine Zonenwärmequelle in Kontakt mit einem Wärmeleiter zu verwenden, der einen Temperaturgradienten liefert. Bei dieser Ausführungsform befindet sich der Wärmeleiter in wärmeaustauschender Beziehung mit der Umgebung, so daß ein Temperaturgradient quer über die Flüssigkristallzusammensetzung vorhanden ist. Die Temperatur ist am höchsten in der Nähe des Heizelementes und am niedrigsten von dem Heizelement am weitesten weg entfernt. Daher wird, wenn die Temperatur der Wärmequelle ansteigt, die untere Ubergangstemperatur der Flüssigkristallzusammensetzung immer weiter weg von der Wärmequelle erreicht.
Ein Schutzüberzug, eine Schutzfolie oder ein Gehäuse 22 wird dann aufgebracht, um einen zusätzlichen Schutz für die Flüssigkristallzusammensetzung zu liefern, um die Temperaturanzeigevorrichtung in eine geeignete Größe für eine Randhabung zu bringen-und weiterhin um eine Isolierung aLs Wärmesenke oder thermisches Element oder Trägheitselement vorzusehen, welches zur Steuerung des thermischen Ansprechens der Flüssigkristallzusammensetzungen während der Abkühlungszyklen dient. Die Isolierung kann über dem Element der Blüssigkristallzusammensetzung liegen oder die Einrichtung vollständig einschließen.
Die Wärmesenke besitzt normalerweise die größte Wärmekapazität der verschiedenen Elemente der anzeigevorrichtung, und sie befindet sich in wärmeaustauschender Beziehung mit dem Reizelement und der Umgebung, so daß sie wärme aus dem Reiz element absorbiert, wenn das heizelement eingeschaltet ist, und die Vorrichtung durch Austausch mit der umgebenden Reizumgebung kühlt, sowohl während des Aufheizzyklus als auch des Abkühlzyklus. Der Einfluß des Isolators auf die Temperatur der Flüssigkristalle während des Keizzyklus ist klein im Vergleich zu der Wirkung des Heizelementes.
Die Schicht in unmittelbarer Nähe des Heizelementes spricht relativ rasch auf die Temperatur des Reiz elementes an, wenn das Heizelement eingeschaltet ist. Wenn das Heizelement abgeschaltet ist, hängt die Abkühlungsrate von der thermischen Trägheit des Isolators und dem Temperaturdifferential zwischen dem Isolator und der Umgebung ab.
Die Wärmequelle kann eine große Vielzahl von verschiedenen Elementen sein. Geeigneterweise ist die Wärmequelle eine Widerstandsheizplatte, -film oder -folie. Ein Typ von Heizelement wird unter der Bezeichnung "'wem sheet" in den Handel gebracht, wobei dies ein mit Kohlenstoff imprägniert es Papier ist. Alternativ können dünne lsletallfolien mit dem gewünschten spezifischen Widerstand verwendet werden. Widerstandsdrähte können zur Schaffung einer linienförmigen Wärmequelle verwendet werden, insbesondere wenn ein Temperaturgradient quer über die i1lüssigkristallzusammensetzung gewünscht wird.
Andere Typen von Heizeinrichtungen können ebenfalls mit Vorteil verwendet werden. Meistenteils ist die Heizeinrichtung eine Heizeinrichtung mit hohem spezifischen Widerstand mit geringer Wärmekapazität. Die Temperatur des Heizelementes verläuft parallel zur Temperatur der Heizapparatur, jedoch auf einer viel niedrigeren Temperatur als die Heizapparatur und normalerweise über einem viel kleineren Temperaturbereich.
Üblicherweise liefert die Heizeinrichtung Temperaturen unterhalb von 204 °C (400 °F), üblicherweise unterhalb von 149 oC (300 °F).
Die Flüssigkristallzusammensetzungen, welche verwendet werden, besitzen normalerweise minimale Übergangstemperaturen von wenigstens 37,8 °C (100 °F), üblicherweise wenigstens von 40,6 OC (105 °F), welche normalerweise 93,3 oC (200 °X) nicht übersteigen, und sie liegen meistens im Bereich von etwa 40,6 OC (105 °F) bis 76,7 OC (170 °F). Es können in Mikrokapseln eingekap s elte Flüs sigkri stallzusammensetzungen verwendet werden, und sie sind sogar bevorzugt, obwohl die Verwendung von in Mikrokapseln eingekapselten Passen nicht notwendig ist. Die i'lüssigkristallzusammensetzungen sind hauptsächlich tholesterylester, und sie sind an sich bekannt.
Flüssigkristallzusammensetzungen können so hergestellt werden, daß sie schmale oder relativ breite tbergangstemperaturbereiche, äe nach Wunsch, besitzen. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung variiert die Größe des tbergangstemperaturbereiches in Abhängigkeit von der Weise, in welcher die Blüssigkristallzusammensetzung verwendet wird. Normalerweise werden relativ breite Bereiche verwendet, insbesondere wenn die Temperaturanzeigevorrichtung als Warneinrichtung verwendet wird. Auf diese Weise wird das Warnsymbol über einem relativ breiten Temperaturbereich der Heizapparatur beibehalten. Wenn eine halbquantitative oder quantitative Bestimmung der Temperatur der Heizapparatur gewünscht wird, besitzt die Blüssigkristallzusammensetzung normalerweise relativ schmale Bereiche für ihren tbergangstemperaturbereich.
Der Ubergangstemperaturbereich gibt den Bereich der Temperatur an, über welchem die Flüssigkristallzusammensetzung Licht polarisiert und streut. Daher ist die Flüssigkristallzusammensetzung in diesem Temperaturbereich sichtbar.
Die isolierende Schicht kann eine flache Platte oder eine Platte, Folie oder Tafel von unterschiedlicher Stärke in Abhängigkeit von dem Heizelement, der Art der Flüssigkristallzusammensetzung oder der Flüssigkristallzusammensetzungen und den gewünschten thermischen Ansprüchen auf die Umgebung sein. Ublicherweise besitzt die Tafel, Folie oder Platte eine Stärke von 1,59 mm (1/16 inch) bis 6,35 mm (1/4 inch).
Die Isolierung ist geeigneterweise eine Tafel, Platte oder Folie aus plastischem oder polymerem Material, wovon wenigstens ein Teil transparent ist. Ubliche plastische Materialien oder Kunststoffmaterialien schließen Polymethacrylate, Polycarbonate, Polypropylen, Polyvinylchlorid usw. ein.
In der Fig. 2 ist eine Temperaturanzeigevorrichtung in Reihe mit einem Verbraucher oder einem Apparaturelement gezeigt.
Die Temperaturanzeigevorrichtung 24 ist parallel mit dem Verbraucher 26 verbunden, wobei der Strom aus einer Haushaltsspannungsquelle 30 stammt, die 110 oder 220 V liefert. Ein Schalter 32 ist vorgesehen, um den Verbraucher 26 an- und abzuschalten. Der Schalter ist in offener Stellung gezeigt, und wenn er geschlossen wird, fließt der Strom so, daß der Verbraucher aufgeheizt wird und ebenfalls das Heizelement 34 der Temperaturanzeigevorrichtung 24 erwärmt wird.
Ein Gradnetz 36 ist auf der unteren Oberfläche der oben aufliegenden Schutzfolie 40 aufgedruckt. Wenn das Heizelement 34 die ilüssigkristallzusammensetzung erwärmt, wird die untere Ubergangstemperatur der Flüssigkristallzusammensetzung erreicht und die Flüssigkristallzusammensetzung wird sichtbar.
Die Temperaturanzeigevorrichtung 24 besitzt eine Zone nahe bei dem Heizelement, welche ihre untere Ubergangstemperatur zu Beginn erreicht. Die Schutzfolie 40 befindet sich unter einem Temperaturgradienten, wobei die höchste Temperatur bei dem longitudinalen Zentrum liegt, das durch die Null 42 der Skale angezeigt wird. Wenn die Temperatur ansteigt, durchläuft die Flüssigkristallzusammensetzung am nächsten bei dem Heizelement 34 ihre maximale tbergangstemperatur und wird transparent, während die Flüssigkristallzusammensetzung, die von dem Zentrum entfernt ist, ihre untere Ubergangstemperatur erreicht und sichtbar wird.
Die Flüssigkristallzusammensetzung erscheint als zwei lange Stäbe 44 und 46, welche sich immer weiter von dem Zentrum der Temperaturanzeigevorrichtung entfernen, wenn die Temperatur des Reiz elementes ansteigt. Der Abstand zwischen den Stäben ist daher eine Anzeige für die Temperatur der Heizapparatur.
Je größer die an die Heizapparatur angelegte Spannung ist, um so größer ist die an das Heizelement 34 angelegte Spannung und um so höher ist die im longitudinalen Zentrum 42 der Temperaturanzeigevorrichtung 24 erreichte Temperatur.
Durch Einregulierung der von dem Heizelement 34 erhaltenen Wärmemenge und der wärmeaustauschenden Beziehung zwischen der Flüssigkristallzusammensetzung, der Schutzfolie 40 und der Umgebung kann der Abstand zwischen den Stäben 44 und 46 eine halbquantitative oder quantitative Bestimmung der Temperatur der Apparatur sein. Wenn der Schalter 32 offen ist, wird der Strom abgeschaltet, und das Heizelement 34 und die Schutzfolie 40 beginnen sich abzukühlen. Normalerweise kühlt sich das Heizelement rasch ab, so daß es keinen signifikanten Einfluß auf die Abkühlungsrate der Flüssigkristallzusammen setzung besitzt.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Vorrichtung gezeigt, deren thermisches Ansprechen auf einen Temperaturgradienten über einen schlechten Wärmeleiter, mit welchem sich die Flüssigkristall zusammensetzung oder die Flüssigkristallzusammensetzungen in wärmeaustauschender Beziehung befinden, beruht. Das Heizelement 50 besitzt Drähte, die mit einem nicht gezeigten kreis verbunden sind. Wenn die Heizapparatur oder der Verbraucher angeschaltet ist, erwärmt sich das Heizelement 50, wodurch die Flüssigkristallzusammensetzung und die einen schlechten Wärmeleiter, z. B. Kunststoff, darstellende Schutzfolie 52 erwärmt werden. Bei opaken Materialien, z. B. Keramikmaterialien, kann die Flüssigkristallzusammensetzung auf das Keramikmaterial aufgedruckt und mit einer dünnen, transparenten Eunststoff-Folie, z. B. aus Polyäthylenterephthalat, geschützt werden.
Wenn die Wärme von dem Heizelement 50 weg und längs der i'lüssigkristallzusammensetzung und der Schutzfolie 52 geleitet wird, wird die untere Ubergangstemperatur für die Flüssigkristallzusammensetzung erreicht und die Buchstaben "warm" 54 werden sichtbar. In dieser Stufe hat die Heizapparatur oder der Verbraucher eine bestimmte Temperatur erreicht, wobei bei dieser Temperatur eine Warnung angezeigt werden soll.
Wenn die Heizapparatur oder der Verbraucher weiter erwärmt oder erhitzt wird, wird die Erwärmung der Flüssigkristallzusammensetzung und der Schutzfolie durch das Heizelement 50 fortgeführt, so daß die Ubergangstemperatur der Flüssigkristallzusammensetzung an der Stelle der Buchstaben warm" 54 ihre obere Ubergangstemperatur erfährt und transparent wird.
Die Buchstaben "warm" bei 54 verschwinden dann. Bei einer bestimmten Temperatur, welche durch die Geometrie der emperaturanzeigevorrichtung, der Stärke und der Art der isolierenden Schicht oder Schutzfolie und die Auswahl der Flüssigkristallzusammensetzung gesteuert werden kann, erreicht die Temperatur bei den Buchstaben "heiß" bei 56 die Minimumübergangstemperatur der Flüssigkristallzusammensetzung. Durch geeignete Auswahl des tibergangstemperaturbereiches der Flüssigkristallzusammensetzung und der Art des Reiz elementes 50 und der Schutzfolie 52 können die Buchstaben "heiB" bis zur Iviaximumtemperatur der Heizapparatur oder des Verbrauchers beibehalten werden.
Wenn die Heizapparatur oder der Verbraucher abgeschaltet wird, wird das Heizelement 50 ebenfalls abgeschaltet, und die Temperaturanzeigevorrichtung beginnt sich abzukühlen. Hierbei tritt der umgekehrte Vorgang wie beim Reizzyklus auf. Die Flüssigkristallzusammensetzung hinter den Buchstaben "heim" bei 56 kühlt sich unter ihre untere Ubergangstemperatur ab, und die Flüssigkristallzusammensetzung hinter den Buchstaben "warm" bei 54 befindet sich auf einer Temperatur unterhalb der oberen Übergangstemperatur und wird sichtbar. Bei fortgeführtem Abkühlen passiert die Flüssigkristallzusammensetzung bei den Buchstaben "warm" bei 54 die untere Ubergangstemperatur und wird transparent, so daß die Buchstaben nwarm bei 54 nicht länger sichtbar sind. Wie bereits beschrieben, kann die Temperaturanzeigevorrichtung in einer solchen Weise hergestellt werden, daß sie vernünftigerweise dasselbe Ansprechen auf Abkühlung wie der Verbraucher oder die Apparatur simuliert.
In der Fig. 5 ist eine Temperaturanzeigevorrichtung aufgezeichnet, in welcher eine Zuleitung/65 besitzende Reizelementfolie 60 gezeigt ist. Das Heizelement 60 ist an einem dunklen Untergrund bzw. Träger 64 befestigt, der vorteilhafterweise eine thermisch stabile Farbe oder ein thermisch stabiler Lack ist.
Auf dem schwarzen Untergrund sind drei Stäbe 66, 70 und 72 von unterschiedlichen Blüssigkristallzusammensetzungen mit unterschiedlichen Übergangstemperaturbereichen aufgeschichtet.
Die Anordnung ist derart, daß eine geringe tberlappung zwischen den Ubergangstemperaturbereichen vorhanden ist, so daß bei Annäherung einer klüssigkristallzusammensetzung an ihre obere tbergangstemperatur die benachbarte Flüssigkri stall zusammensetzung ihre untere Ubergangstemperatur erreicht hat. Die Flüssigkristallzusammensetzungen 66 bis 72 werden durch eine darüberliegende, isolierende Glasscheibe oder Kunststoff-Folie 74 geschützt, und das Heizelement wird durch eine Glasscheibe oder Kunststoff-Folie 76 desselben Materials geschützt und isoliert. Die Kante des Elementes kann mit einem bindenden Harz überzogen sein, um die Vorrichtung vollständig einzuschließen und die Elemente der Vorrichtung zusammenzuhalten.
Diese Temperaturanzeigevorrichtung wird gleichmäßig quer über die gesamte Flüssigkristallzusammensetzung erwärmt. Daher befinden sich alle Flüssigkristallzusammensetzungen zum selben Zeitpunkt auf derselben Temperatur. Beim Anstieg der Temperatur wird die Flüssigkristallzusammensetzung mit der niedrigsten Ubergangstemperatur sichtbar. Bei weiterer Steigerung der Temperatur passiert die Flüssigkristallzusammensetzung mit der niedrigsten Ubergangstemperatur ihre obere Übergangstemperatur und wird transparent, während die nächste Flüssigkristallzusammensetzung sichtbar wird. In der Fig. 5 ist die mittlere Flüssigkristallzusammensetzung 70 sichtbar, was anzeigt, daß sich die Apparatur auf einer Zwischentemperatur befindet. Bei weiterem Anstieg der Temperatur wird die dritte Flüssigkristallzusammensetzung sichtbar, während die in der Mitte liegende Flüssigkristallzusammensetzung transparent wird.
Selbstverständlich können 2, 3 oder mehr Streifen, Linien, Ringe oder ähnliche Anordnungen verwendet werden, wobei analoge Ergebnisse erzielt werden.
Eine Vorrichtung zur Verwendung mit einer 110 V Elektrokochplatte wurde wie folgt hergestellt. Zwei Streifen aus Acrylatglas (Warenbezeichnung Lucite) mit einer Stärke von 3,2 mm (1/8 inch), einer Länge von 178 mm (7 inch) und einer Breite von etwa 12,7 mm (1/2 inch) wurden für die Isolierung verwendet. Nit Graphit imprägniertes Papier (Warenbezeichnung Gemsheet) das einen Widerstand von 460 Ohm/Quadrat besaß, wurde auf einer Seite einer der Acrylatglasstreifen (Warenbezeichnung Bucite) befestigt. Geeignete Zuführungen führten von dem mit Graphit imprägnierten Papier zum parallel geschalteten Anschluß mit einer Calrod-Heizeinrichtung. Uber dem mit Graphit imprägnierten Papier (Warenbezeichnung.Temsheet) war ein Streifen des Flüssigkristallzusammensetzungteiles angeordnet, welches einen dunklen Untergrund aus einer Kunststoff-Farbe, die in Kontakt mit dem mit Graphit imprägnierten Papier angeordnet war, die Flüssigkristallzusammensetzung auf den Untergrund aufgeschichtet und eine dünne Folie aus Polyäthylenterephthalat (Warenbezeichnung Nylar), welche die Flüssigkristallzusammensetzung bedeckte und an dem schwarzen Untergrund befestigt war, umfaßt. Der restliche Teil der Platte aus Acrylatglas (Warenbezeichnung Lucite) wurde über den Streifen der Flüssigkristallzusammensetzung angeordnet, um die Einheit zu vervollständigen, und das Ende des Streifens wurde mittels einer Dichtmasse abgedichtet, wobei die elektrischen Zuführungen freiliegend blieben.
Es wurden zwei Streifen aus unterschiedlichen Flüssigkristallzusammensetzungen verwendet. Für die Anzeige "heiß" der Apparatur bei einer qualitativen Temperaturangabe wurde eine Blüssigkristallzusammensetzung verwendet, die einen sichtbaren Bereich von 40,6 OC (105 OF) bis 54,4 OC (130 OF) besaß. Wenn eine Unterscheidung gewünscht wurde zwischen warm, wobei dies beim Durchbruch der Kochtemperatur und einer Warnung gegenüber Berührung vorlag, sowie heiß, wobei dies bei Kochtemperatur gegeben war, wurden zwei verschiedene Flüssigkristallzusammensetzungen als schmale e Streifen verwendet. Eine Flüssigkristallzusammensetzung besaß einen sichtbaren Bereich von 46,6 °C (105 °F) bis 51,7 °C (125 oF), während die andere Flüssigkristallzusammensetzung einen sichtbaren Bereich von 48,9 °C (120 °F) bis 65,6 °C (150 OP) besaß.
Es wurde gefunden, daß beide Vorrichtungen eine Warnung anzeigten, wenn die Apparatur heiß war-, und daß sie eine qualitative oder halbquantitative Temperaturanzeige entsprechend den Veränderungen der Farbe der Flüssigkristallzusammensetzung ergaben. Ein Farbstandard kann zum Vergleich vorgesehen werden, um die angenäherte Temperatur der Heizapparatur anzuzeigen.
Bei der Bestimmung der gewünschten Merkmale der verschiedenen Bauelemente können folgende Gleichungen verwendet werden: Ein mit Graphit imprägniertes Papier (Temsheet) mit einem Widerstand R von 460 Ohm/Quadrat und 6,35 x 305 mm (1/4"-x 12") wird verwendet. Die gebrauchte Leistung P wird durch folgende Gleichung bestimmt: P - V2/R n (110)2/(460/48) - 0,55 Watt wobei V die Spannung bedeutet.
Da 1 Watt-Stunde 0,86 koal (3,41 BTU) entspricht, werden 0,40 kcal/h (1,58 BTU/hr) freigesetzt.
Die Temperaturdifferenz zwischen einer Oberfläche und der Umgebung wird durch folgende Gleichung bestimmt: (22 - T0) s Q in/hA worin: 22 = Temperatur der Materialoberfläche 20 = Umgebungstemperatur h = Konstante (~ 3 BTU/ft² für freie Konvektion) A = Oberfläche (3", verdoppelt für beide Seiten) in = zugeführte Wärme Die Werte werden wie folgt eingesetzt: (T2 - T0) = 1,58/(3/144) (6) = 12,5°F #T Durch Veränderung der Fläche, wobei dies durch Veränderung der Länge L unter gleichzeitigem Konstanthalten der Breite W erreicht werden kann, wird #T verändert. Die folgende Gleichung gibt die Beziehung von tD zur Länge L wieder: (T2 - T0) = #t = V²/hRL² Um den Wert #T zu verdreifachen, würde die Länge auf 178 mm (7") reduziert. Unter Annahme einer Umgebungstemperatur T0 von 21,1 °C (70 °F), würde die Oberflächentemperatur 42,2 °C (108 °F) betragen.
Wenn sich ein Isolator zwischen der Heizeinrichtung und der Umgebung befindet, ist T1 die Temperatur der Isolatoroberfläche in Kontakt mit der Heizeinrichtung. Die folgende Gleichung kann zur Bestimmung von 22 - T1 verwendet werden: (T2 - T1) = Q#X KA worin: X = Stärke (3,2 mm X 1/8") A 8 6,35 x 178 mm (1/4" x 7") K = 0,1 - 0,2 BTU/hr-ft °F für Kunststoffe 22 ~ 21 wird gleich 10 °F gefunden. Bei einer Stärke von 1,59 mm (1/16") ist 22 - T1 n 5 °F.
T1 nähert sich weitgehend der Temperatur der Flüssigkristallzusammensetzung. Daher kann eine Veränderung im Widerstand der Heizeinrichtung und in den Abmessungen der Isolierung dazu verwendet werden, um die Temperatur der Blüssigkristallzusammensetzung für jede beliebige Spannung zu steuern.
Im folgenden werden die Ausgleichszustände betrachtet. Zur Vereinfachung der Berechnung wird angenommen, daß im Isolator kein Temperaturgradient vorliegt, da die Differenz T2 - T1 relativ klein im Vergleich zu der Differenz T2 - T0 ist.
Die das Abkühlen bestimmende Gleichung ist: T - To = e-(h(A)(#cV)# Ti-To worin: T = Temperatur zur Zeit t Ti = Anfangstemperatur Cp = spezifische Wärme A = Fläche Q = Dichte t = Zeit V = Volumen, worin # - Stärke.
Unter Annahme einer Stärke von 3,2 mm (1/8") mit # ~ 1,2 , Cp 0,2 BTU/°F, # = 1 und den anderen Symbolen mit den zuvor angegebenen Werten erfordert eine Abnahme von 32 °h etwa 6 Min..
Diese Berechnung zeigt die Empfindlichkeit der Einrichtung gegenüber den Abmessungen des Isolators. Spitzennottemperaturen für die Flüssigkristallzusammensetzungen werden gegenüber einem raschen Ansprechen und geeignetem Abkühlen oder Temperaturabsenkungsraten ausgeglichen.
Die Erfindung liefert eine besonders vorteilhafte, sichere und wirksame Vorrichtung, die für eine große Vielzahl von Heizapparaturen verwendet werden kann, z. B. elektrischen Herden, elektrischen Heizplatten oder anderen elektrischen Apparaturen, bei denen die Temperatur von Interesse oder Belang. sind, und sie liefert eine sichtbare Warnung oder Anzeige der Temperatur der Apparatur oder des Verbrauchers.
Die Semperaturanzeigevorrichtung besitzt ein thermisches Ansprechen gegenüber Spannung oder Strom proportional zu der Temperatur des Verbrauchers oderder Apparatur während des Heizzyklus und weist eine wärmeaustauschende Beziehung mit der Umgebung auf, welche proportional zur Abkühlung des Verbrauchers oder der Apparatur während des Abkühlzyklus ist. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Auslegung der Temperaturanzeigevorrichtung, des Heizelementes und die Auswahl der bei der Herstellung der Temperaturanzeigevorrichtung verwendeten Materialien variiert werden.
Die erfindungsgemäße, elektrothermische Analogtemperaturanzeigevorrichtung besitzt daher ein elektrisches Heizwiderstandselement mit Einrichtungen zur elektrischen Verbindung mit einer Heizapparatur, eine Flüssigkristallzusammensetzung, welche thermisch auf das Heizelement zur Anzeige wenigstens einer Temperatur der Heizapparatur ansprichtXund Einrichtungen zum Isolieren dieser Vorrichtung, um ein Ansprechen der Flüssigkristallzusammensetzung auf Kühlung analog zu dem Ansprechen der Heizapparatur auf Kühlung herbeizuführen, sobald elektrische Energie nicht mehr länger zu dem Reizelement zugeführt wird.

Claims

Patentansprüche

Elektrothermische Analogtemperaturanzeigevorrichtung zur Anzeige der Temperatur einer Reizapparatur, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie umfaßt: eine Schicht wenigstens einer Flüssigkristallzusanitnen setzung; in wärmeaustauschender Anordnung mit dieser Schicht eine Widerstandshei z einrichtung und wenigstens eine teilweise isolierende uberschicht über dieser Schicht mit einer Wärmekapazität, Größe und Geometrie, um, eine Beziehung zur Abkühlung dieser Apparatur herzustellen.
2. Demperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht und die Widerstandsheizeinrichtung miteinander in einem isolierenden Gehäuse praktisch eingeschlossen sind.
3. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Widerstandsheizeinrichtung eine plattenförmige oder folienförmige Widerstandsheizeinrichtung ist.
4. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht der Flüssigkristallzusammensetzung über der plattenförmigen oder folienförmigen Widerstandsheizeinrichtung liegt.
5. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Widerstandsheizeinrichtung in unmittelbarer Nähe der Schicht der Flüssigkristallzusammensetzung liegt und über einem Teil hiervon aufliegt, wobei sich diese Schicht von der Widerstandsheizeinrichtung weg erstreckt.
6. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Widerstandsheizeinrichtung eine plattenförmige oder folienförmige Widerstandsheizeinrichtung ist und wenigstens zwei Schichten von verschiedenen Flüssigkristallzusammensetzungen in derselben Ebene aufweist, wobei diese über der Widerstandsheizeinrichtung liegen.
7. Elektrothermische Analogtemperaturanzeigevorrichtung zur Anzeige der Temperatur einer Heizapparatur, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie umfaßt: eine Schicht wenigstens einer Flüssigkristallzusammen setzung zwischen einem schwarzen Untergrund und wenigstens einem teilweise transparenten Film; eine plattenförmige oder folienförmige Widerstandsheizeinrichtung unmittelbar neben dem schwarzen Untergrund angeordnet, und wenigstens ein teilweise transparentes, isolierendes Gehäuse, welches die Betrachtung wenigstens eines Teiles dieser Schicht ermöglicht, und wobei dieses isolierende Gehäuse eine Wärmekapazität, Größe und Geometrie besitzt, so daß eine Beziehung zur Abkühlung der Vorrichtung zur Abkühlung der Apparatur gegeben ist.
8. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie Mittel zum Anschluß an einen Kreis einer Heizapparatur besitzt, welche mit der Heizeinrichtung betriebsmäßig verbunden ist.
9. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das isolierende Gehäuse aus Kunststoff besteht und eine Stärke von etwa 1,59 mm bis 6,35 mm (1/16 bis 1/4 inch) besitzt.
10. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Widerstandsheizeinrichtung ein Blatt aus mit Graphit imprägniertem Papier ist.
11. Elektrische Wärmeanalogtemperaturanzeigevorrichtung zur Anzeige der Temperatur einer Heizapparatur, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie umfaßt: eine längliche Schicht einer Flüssigkristallzusammen setzung zwischen einem schwarzen Untergrund und einem wenigstens teilweise transparenten Film; eine Widerstandsheizeinrichtung, welche zentral in Beziehung zu der länglichen Schicht angeordnet ist, und ein wenigstens teilweise transparentes, isolierendes Gehäuse mit einer Wärmekapazität, Größe und Geometrie, um eine Beziehung zur hbkuhlung der Vorrichtung zur Abkühlung der Apparatur herzustellen.
12. Temperaturanzeigevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht der Flüssigkristallzusammensetzung von der Reizeinrichtung durch eine Platte oder Folie eines schlechten Wärmeleiters getrennt ist, welche sich über die volle Länge der Schicht erstreckt.