DE2803776C2

DE2803776C2 - Thermoschalter

Info

Publication number: DE2803776C2
Application number: DE2803776A
Authority: DE
Inventors: Keith Dr. Busslingen Aargau Melton; Olivier Dr. Ennetbaden Aargau Mercier
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1977-12-21
Filing date: 1978-01-28
Publication date: 1982-02-25
Also published as: SE7813068L; US4263573A; CH622380A5; DE2803776A1; DK574378A; FR2412932A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Thermoschalter mit einem den Schaltvorgang auslösenden Element aus einem Material, das beim Überschreiten eines bestimmlen Ternpefaturwertes eine Zustandsänderung erleidet, lind einer mit dem Element zusammenwirkenden Spanneinrichtung,

Bekannte Thermoschalter, deren den Schaltvorgang 'auslösendes Element aus einem bei Überschreitung eines bestimmten Temperaturwertes eine Zustandsänderung zeigenden Material besteht, sind die konventionellen Schmelzsicherungen, d, h. Schalter mit einem den Schaltvorgang — meist die Unterbrechung eines elektrisch überlasteten Stromkreises — auslösenden Element aus einem bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzenden (Fest/FIüssig-Umwandlung) Metall. Bekannt sind ferner die auf Verwendung von sogenannten Formgedächtnislegierungen beruhenden Schalter (US-PS 32 85 470,35 16 082 und 36 52 969 sowie DE-OS 20 26 629 und 21 39 852), bei welchen das Schaltelement bei einer bestimmten Temperatur eine Martensit/Austenit-Umwandlung (fest/fest) des Metallgitters erleidet und dadurch seine äußere Form sprunghaft verändern kann.

Ein Vorteil von Thermoschaltern, deren den Schaltvorgang auslösendes Element aus Formgedächtnislegierung besteht, gegenüber Schmelzsicherungen beruht auf dem Unterschied der Fest/Flüssig- und der Fest/Fest-Zustandsänderung. weil man ein aus Formgedächtnislegierung bestehendes Schaltelement mit einer Spanneinrichtung verbinden und dadurch beim Schaltvorgang eine beispielsweise in einer als Spanneinrichtung verwendeten Feder gespeicherte Kraft freisetzen und zur Verstärkung bzw. Beschleunigung des Schaltvorganges benützen Jann, was bei Schaltelementen mit Fest/Flüssig-Umwandlung praktisch nicht möglich ist. Bei den Schmelzsicherungen ist eine solche Verstärkung bzw. Beschleunigung deshalb praktisch nicht möglich, weil das Schaltelement eine zu geringe Festigkeit bzw. Kriechbeständigkeit besitzt und sich daher auch im festen Zustand bereits unter der Einwirkung mäßiger mechanischer Spannungen verändern würde.

Die Festigkeit bzw. Kriechbeständigkeit von Formgedächtnislegierungen ist zwar besser als die der Metalle bzw. Legierungen, die sich für Schmelzsicherungen eignen; aber abgesehen von der Wünschbarkeit einer weiter erhöhten Festigkeit des fü"" das den Schaltvorgang auslösende Element verwendeten Materials wäre es vorteilhaft, wenn die Temperatur, bei der die Zustandsänderung erfolgt, nicht auf den relativ niedrig liegenden Temperaturbereich der Martensit/Austenit-Umwandlung der Formgedächtnislegierungen beschränkt wäre.

Es wurde gefunden, daß die Umwandlungscharakteristika einer relativ neuen Gruppe von Werkstoffen, den sogenannten »metallischen Gläsern«, die Möglichkeit bieten, die mit den zur Verwendung für Thermoschalter bekannten Materialien verbundenen Beschränkungen auszuschalten bzw. zu vermindern. Diese metallischen Gläser sowie ihre Herstellung und ihre Eigenschaften sind in der Literatur (siehe G. Taylor und D. Taylor in New Scientist vom 12. August 1976. Seiten 323-325; H. A. Davies & H. Jones in Metals and Materials Juni 1976. Seiten 44-45; D. E. PoIk et al in Materials Sc. and Eng., 23/1976/306-316 und E. Coleman, Mat. Sc. and Eng. 23/1976/161 ff) als Metallegierungen beschrieben, die durch extrem rasches Abkühlen aus dem Schmelzzustand in amorphem, glasartigem Zustand erhalten werden können und in diesem Zustand wesentlich höhere Festigkeits- bzw, Härteeigenschaften und bessere Korrosionsbeständigkeiten als im kristallinen Zustand haben. Verschiedene Verwendungen, z. B. als Verstärkungseinlagen in Kunststoffmasse^ für Magnet' werkstoffe und für scharfe Schneidwerkzeuge (DE-OS 26 02 555) sind bereits vorgeschlagen worden. Problematisch bei einigen der vorgeschlagenen Verwendungsarten ist aber die Tatsache, daß der amorphe, glasartige

oder korngrenzenfreie Zustand bei der Rekristallisationstemperatur, die je. B. im Bereich von 200 bis 700⁰C liegen kann, praktisch irreversibel in den normalen kristallinen Zustand (Wiedererscheinen von Korngrenzen) übergeht, was mit einer erheblichen Festigkeitsabnähme verbunden ist

Materialien, deren Festigkeit bzw. Härte mit ansteigender Temperatur stark abnimmt, sind aus der Literaturstelle Lieneweg »Handbuch der technischen Temperaturmessung«, 1976, Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, S. 132—133, bekanntgeworden, welche Materialien keramischer oder metallischer Natur sind. Die keramischen Materialien werden als sogenannte Segerkegel ebenso wie die Metallegierungen lediglich zur Temperaturmessung verwendet und insbesondere die Metallegierung verlieren bei Erreichen der Schmelztemperatur infolge der Gravitation und der Oberflächenspannung ihre ursprüngliche Form. Weitere metallische Materialien verlieren unter Temperatureinwirkung ihre Härte. Diese eben bescnriebenen Materialien werden für Thermoschalter nicht benu' Ί und sind auch keine Metallgläser.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die für die Verwendung häufig nachteiligen Eigenschaften der metallischen Gläser große Vorteile ermöglichen, wenn 2i man diese Werkstoffe als Elemente von Thermoschaltern der eingangs genannten Art verwendet.

Der Thermoschalter gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das den Schaltvorgang auslösende Element aus einer glasartigen Metallegierung besteht, die in einem ersten, niedrigen Temperaturbereich glasig-amorph ist und sich bei einem zweiten, höheren Temperaturbereich in einen kristallinen Zustand umwandelt, wobei in an sich bekannter Weise die Zugfestigkeit des Elementes im ersten Bereich größer a ist als im zweiten Bereich, daß die mit dem Element zusammenwirkende Spanneinrichtung auf das Element eine Zugkraft ausübt, die größer als die für den Bruch des Elementes im kristallinen Zustand, aber kleiner als die für den Bruch des Elementes im glasig-amorphen Zustand ist und das Element bei einer Temperatur in der Nähe des Überganges vom ersten in den zweiten Temperaturbereich zur Auslösung des Schaltvorganges durch die Einwirkung der Zugkraft zerbricht

Ein Element, dessen Bruch zum Abschalten von Strom ausgenutzt ist ist die sogenannte »ESTI-Patrone« (Firmenschrift der Firma Ing. Sebastian Thielmann, ESTI-Apparatebau, Berlin-Wilmersdorf, Berliner Str. 18). Diese Patrone bzw. die ESTI-Temperatursicherung besteht aus einer mit einer Flüssigkeit gefüllten kleinen Glaskugel, die bei Erreichen der kritischen Temperatur durch Innendruck zerstört wird und dadurch eine Blockierung eines Schalters freigibt so daß dieser in seine Nullstellung zurückspringen kann. Die Verwendung von metallischen Gläsern für Thermoschalter wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, ist in der Firmenschrift nicht beschrieben.

Glasartige Metallegierungen, die sich für erfindungsgemäße Thermoschalter eignen, sind erhältlich, z. B. von der Firma Allied Chemical Corporation, Morristown, N], USA, unter der Markenbezeichnung »Metglas« in Form von Bändern. Diese Bänder, ζ B. mit Dicken von etwa 0,03 bis etwa 0,15 mm und Breiten von etwa 1 bis etwa G mm, können direkt als zusammenhängende Gebilde mit Längen von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern für erfindungsgemäße Thermoschalter verwendet werden. Eine bandartige Form des zusammenhängenden Gebildes ist aber nicht kritisch. Auch Drähte, Plättchen oder Blätter aus glasartiger Metallegierung sind als zusammenhängende Gebilde geeignet.

Typische, für die Erfindung geeignete glasartige Metallegierungen bestehen aus einer unterkühlten Schmelze, die z. B. insgesamt 65 bis 80 Atom-% Eisen oder/und Nickel und insgesamt 18 bis 22 Atom-% oder/und Phosphor sowie gegebenenfalls außerdem eines der Elemente Chront, Molybdän oder Aluminium, z. B. in Anteilen von etwa 14 Atom-% Cr, 2 Atom-% Mo oder 3 Atom-% Al, enthält Andere hier geeignete und technisch erhältliche glasartige Metallegierungen bestehen im wesentlichen aus Beryllium, Zirkonium und Titan.

Spezielle Beispiele solcher Legierungen sind in der folgenden Tabelle zusammen mit den Legierungsnummern der genannten Herstellerfirma angegeben.

Legierungszusamrnenset/ung (Atom-¹·)
Fe Ni Cr Mo

Be

Zr Ti

Bezeichnung

»Metglav

40	40
32	36
80
78

40

14
12

10 50

6 6

20 20

2826
2826Λ
2605
2605 A
2204

Weitere spezielle Beispiele solcher Metallegierungen sind in der oben genannten Publikation von Coleman (N175AI3P16B6 bzw. Fe₊UNi₃UAIjPi₆B₆; Indizes= Atom-%) sowie in der DE-OS 26 02 555 zu finden.

Die Zügfestigkeitswerle gläsartiger Metallegierung 6ö gen im glasig-amorphen Zustand liegen, typisch im Bereich von 1500 bis 3000MPa (1 MPa = O₁I kg/mm*) oder darüber, wobei der jeweilige Wert durch Nachbehandlungen, wie Alterung, Polieren und dergleichen, beeinflußt werden kann, So wird beispielsweise für die oben genannte Legierung »Metglas« 2605 ein Roh^Zugfestigkeitswert von 1725 MPa Und ein entspre·¹ chender Wert des kantenpolierten Materials von 315JMPa angegeben. Die Rekristallisationstcmperaturen liegen typisch im Bereich von 300 bis 400° C (z. B. 295°C für »Metghs« 2826 A bzw. 390⁰C für »Metglas« 2605), können aber auch höher liegen und betragen bei den Von Cölefnäri beschriebenen speziellen Legierungen z.B. etwa 700°C Der oben genannte allgemeine Temperaturbereich Von etwa 200 bis 700° C wird als typisch für die meisten bekannten glasartigen Metallegierungen angesehen.

Genaue Werte für die entsprechenden Festigkeits-Werte dieser Legierungen nach dem Kristallisieren (Auftreten von Korngrenzen) lassen sich nicht immer angeben, da dieser Parameter durch die besonderen

metallurgischen Gegebenheiten, wie Korngröße. Kornwachstum und dergleichen, d, h. unter anderem durch die Kristallisationsrate bzw. durch thermische Nachbehandlungen beeinflußt werden kann. Praktische Versuche bestätigen aber, daß die theoretisch zu erwartende Festigkeitsverminderung durch Kristallisation allgemein sprunghaft auftritt, ganz erheblich ist und beispielsweise 75 bis 90% oder mehr betragen kann, d. h. die Zugfestigkeit dieser Legierungen beträgt im kistallinen Zustand nur 25% oder weniger der Zugfestigkeit im amorph-glasigen Zustand.

Für die Erfindung ist es allgemein zweckmäßig, daß die von der Spanneinrichtung auf das als schaltauslösendes Element eines Thermoschalters verwendete zusammenhängende Gebilde aus glasartiger Metallegierung ausgeübte Kraft erheblich größer als für den Bruch des Gebildes an sich erforderlich ist, um mit der restlichen Kraft den Schaltvorgang zu verstärken bzw. zu beschleunigen. Wenn also beispielsweise für den Bruch des Gebildes in kristallinem Zustand eine Kraft entsprechend etwa einem Viertel der Zugfestigkeit im glasig-amorphen Zustand der Legierung ausreichen würde, wird die Spanneinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine zwei- bis dreimal größere Kraft auf das zusammenhängende Gebilde aus der glasartigen Metallegierung ausüben, z. B. 30 bis 90% und vorzugsweise 50 bis 75% des in Megapascal ausgedrückten Zugfestigkeitswertes der glasartigen Metallegierung im glasig-amorphen Zustand.

Eine derartige Kraftreserve der beispielsweise als Zugfeder ausgebildeten Spanneinrichtung erfindungsgemäßer Schalter ist aus den genannten Gründen vorteilhaft und wegen der im typischen Fall außerordentlich hohen Kriechfestigkeit von glasartigen Metallegierungen im glasig-amorphen Zustand auch unbedenklich. So wird beispielsweise für die oben erwähnte, technisch erhältliche Metallegierung »Metglas« 2605A (Fe7eMo₂B2o) mit einer Roh-Zugfestigkeit im glasigamorphen Zustand von 2725 MPa unter einer anliegen- den Spannung von 1380MPa (entsprechend 50% der Roh-Zugfestigkeit) nach 3.6 · 10⁵ see eine Dehnung von nur 038% beobachtet (Angabe der Herstellerfirma) und für die ebenfalls oben genannte Legierung »Metglas« 2826A (Fe32Ni36CruPi2B6) beträgt der angegebene Kriechfestigkeitswert bei 1380MPa und 200⁰C nach 3.6 · 10⁶ see 0,65%. Aus den oben erwähnten Gründen der Schaltverstärkung versteht sich, daß diese sehr geringen Krtechwerte der glasig-amorphen Metallegierungen für erfindungsgemäße Thermoschalter mit so erheblichen Vorteilen für deren Betrieb ausgenützt werden können.

Zweckmäßigerweise wird der für die Schalttemperatur erfindungsgemäßer Thermoschalter wichtige Temperaturwert des Oberganges vom glasig-amorphen in den kristallinen Zustand, d. h. die Kristallisationstemperatur der verwendeten Metallegierung, durch einen einfachen und weiter unten beschriebenen Belastungstest geprüft, auch wenn die diesbezüglichen Angaben der Herstellerfirma vorliegen, weil manchmal unterschiedliche Bewertungskriterien angewendet werden.

Die elektrische Leitfähigkeit von glasartigen Metallegierungen ist zwar meist geringer als die von gleich beschaffenen Legierungen im kristallinen Zustand, liegt aber allgemein in dem für metallische Leiter typischen Bereich; beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand der technischen Legierung »Metglas« 2826A 1,8 μΩ ■ m. Dementsprechend kann das den Schaltvorgang erfindungsgemäßer Thermoschalter auslösende Element aus glasartiger Metallegierung direkt in einen gegen Überstrom zu sichernden Stromkreis eingeschaltet werden, und zwar wahlweise zusammen mit der entsprechend leitfähig ausgebildeten Spanneinrichtung oder ohne diese, um den Stromkreis beim Auftreten von Stromstärken, welche das Element aus der glasig-amorphen Metallegierung durch Joülsche Wärme in den kristallinen Zustand umwandeln, unter der Wirkung der Spanneinrichtung zu zerreißen und den Stromkreis permanent zu unterbrechen.

Der Stromdurchgang durch das den Schaltvorgang auslösende Element ist aber nur zweckmäßig und nicht kritisch, da die den Bruch des mit der Spanneinrichtung zusammenwirkenden Elementes herbeiführende Erwärmung auch durch einen thermischen Kontakt oder durch Konvektion auf das Element übertragen werden kann.

Die Spanneinrichtung ist vorzugsweise eine Zugspanneinrichtung, z. B. eine mechanische oder nicht-mechanische Feder, z. B. eine Metall- bzw. Stahlfeder, oder ein Gewicht, doch können auch kraftspeichernde Einrichtungen verwendet werden, die eine andere Form mechanischer Spannung auf das Gebilde aus der glasig-amorphen Metallegierung zur Einwirkung bringen.

Wie bei den konventionellen Schmelzsicherungen üblich, kann man auch die erfindungsgemäßen Thermoschalter zur Sicherung elektrischer Stromkreise zusammen mit einer rückstellbaren Vorsicherung verwenden. Die Anwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer Thermoschalter beschränken sich aber nicht auf elektrische Schaltungen, sondern umfassen auch die Auslösung rein mechanischer, pneumatischer oder hydraulischer Systeme, die gegen Überhitzung gesichert oder durch Überhitzung eingeschaltet werden sollen, wie z. B. Feuerlöschanlagen.

Bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen erfindungsgemäßer Thermoschalter werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. la und Ib das Schema eines einfachen Thermoschalters in einer auch für Testzwecke geeigneten Ausführungsform,

F i g. 2 die schematische Darstellung einer Modifikation des Thermoschalters von Fi g. 1,

F i g. 3 eine schematisch dargestellte Variante des Thermoschalters von F i g. 2 und

F i g. 4 die halbschematische Darstellung eines Thermoschalters in einem thermoelektrischen Schalter mit Vorsicherung und mechanischer Schaltverstärkung.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Thermoschalter 10 besteht aus einem den Schaltvorgang auslösenden Element 11 in Form eines zusammenhängenden bandförmigen Gebildes mit einer Länge von 67 mm und einem Querschnitt von 0,05 mm² aus glasartiger Metallegierung der Zusammensetzung Fe7gMo2B2o (»Metglas« 2605, siehe oben). Das obere Ende des Elementes 11 wird von einer Klemme 14 gehalten. Das am unteren Ende des Elementes 11 befestigte Gewicht 12 dient als die mit dem Element 11 zusammenwirkende Spanneinrichtung und erzeugt eine Spannung von 400 MPa, d. h. eine für das Zerreißen des das Element 11 darstellenden Gebildes in glasig-amorphem Zustand keinesfalls ausreichende Kraft.

Beim raschen Aufheizen des Elementes 11 auf Temperaturen von 100⁰C, 162°C und_212°Czeigen sich keine Veränderungen, aber beim Überschreiten der Kristallisationstemperatur (295° Q reißt das Element

bei einer Temperatur von 300⁰C₁ wie in Fig. Ib schematisch durch die Bruchstücke 111 angedeutet, weil die von der Spanneinrichtung 12 auf das Element 11 einwirkende Kraft bzw. Zugspannung größer ist, als die Zugfestigkeit der Legierung in kristallinem Zustand.

Die eigentliche Schaltfunktion kaiin durch das Zerreißen des Elementes selbst, z. B. in Form der Untefte/echung eines das Element umfassenden Stromkreises, oder durch eine beim Zerreißen eintretende Lageveränderung, z. B. des Gewichtes 12, in an sich bekannter Weise elektrisch, mechanisch oller hydraulisch bewirkt und gewünschtenfalls durch mechanische oder elektrische Mittel verstärkt werden. Beispielsweise kann die Klemme 14 und das Gewicht 12 Teil eines (nicht dargestellten) elektrischen Kreises sein, der beim Reißen des Elementes 11 gemäß Fig. Ib unterbrochen wird. In diesem Fall kann die Joulsche Wärme, die bei einem entsprechenden Stromdurchgang in dem elektrisch iciifuhi~cn Eichen* 1 \ entsteht euch dis für die Kristallisation der glasig-amorphen Legierung erforderliche Temperatur erzeugen.

Die Erwärmung kann aber auch durch Kontakt des Elementes 11 mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium erfolgen und die Schaltfunktion des Thermoschalters 10 kann beispielsweise auch von dem fallenden Gewicht 12 mechanisch, elektrisch oder optisch ausgelöst werden.

Ein Thermoschalter der in den Fig. la, Ib gezeigten Art ist ferner ein einfaches Mittel, um bei einer gegebenen glasartigen Metallegierung die für deren Verw ndung in einem erfindungsgemäßen Thermoschalter zweckmäßigen mechanischen und thermischen Parameter zu bestimmen.

Der in F i g. 2 schematisch dargestellte Thermoschalter 20 besteht aus dem schaltauslösenden Element 21 in Form eines zusammenhängenden Bandes wie in Fig. 1, dessen oberes Ende in der Halterung 24 befestigt ist und an dessen unterem Ende die Spanneinrichtung 22, hier eine an ihrem unteren Ende in der Halterung 24 befestigte Zugfeder, angreift. Wie bei den Fig. la, Ib erläutert, reißt das Element 21 des Thermoschalters 20. wenn die auf das Element 21 einwirkende Zugkraft der Spanneinrichtung 22 größer ist, als die Festigkeit des für das Element 21 verwendeten zusammenhängenden bandförmigen Gebildes aus der Metallegierung nach deren temperaturbedingten Umwandlung aus dem glasig-amorphen Zustand in den kristallinen Zustand. Wiederum kann der Thermoschalter 20 Teil eines elektrischen Kreises sein und auch hier kann die Schaltfunktion auf unterschiedliche Weise direkt durch Stromunterbrechung oder mechanisch ausgelöst werden, etwa indem der bei 28 gelagerte und mit der Spanneinrichtung 22 verbundene Arm 29 nac^ dem Zerreißen des Elementes 21 in die gebrochen gezeichnete Stellung verlagert wird und dabei direkt oder indirekt eine Schaltveränderung bewirkt

Der in F i g. 3 schematisch dargestellte Thermoschalter 30 besitzt als schaltauslösendes Element 31 wiederum ein bandförmig zusammenhängendes Gebilde aus glasig-amorpher Metallegierung wie oben beschrieben. Die beiden Teile 321, 322 der Spanneinrichtung sind jeweils an einem Ende mit einer Halterung 34, 38 und am anderen Ende mit dem Element 31 verbunden, so daß sie dieses unter Zugspannung halten. Die Teile 321,322 der Spanneinrichtung können gleiche oder unterschiedliche Energiespeicher, z. B. in Form von Federn oder dergleichen sein und beanspruchen das Element 31 insgesamt mit einer Kraft, die zum

Zerreißen des bandförmigen Gebildes bei der temperaturbedingten Umwandlung der glasig-amorphen Legierung in den kristallinen Zustand ausreicht und vorzugsweise eine Überschußkraft zur Verstärkung bzw. Beschleunigung des durch das Zerreißen des Elementes 31 ausgelösten Schaltvorganges umfaßt.

F i g. 4 zeigt in halbschematischer Darstellung einen thermoelektrischen Schalter 40, wie er seiner Funktion nach zur Sicherung elektrischer Stromkreise gegen langsam oder stoßartig zunehmende Stromüberlastungen bekannt ist und der anstelle einer konventionellen Schmelzsicherung einen erfindungsgemäßen Thermoschalter zusammen mit einer üblichen rückstellfähigen Vorsicherung aufweist. Der Schalter 40 ist über die Anschlußleitungen 430, 431 mit dem zu sichernden (nicht gezeichneten) Stromkreis verbunden.

Im dargestellten eingeschalteten Zustand geht der Strom von der Anschlußleitung 430 über den Festkon-

verschwenkbar ist und von der bei 443 befestigten Druckfeder 442 zur Unterbrechung der Verbindung mit dem Festkontakt 43 bewegt wird, wenn die Abstützung des Kontaktarmes 44 durch den Schubarm 45 aufgehoben wird.

Der durch die Anlenkung 451 mit dem Kontaktarm 44 verbundene Schubarm 45 trägt an seinem unteren Ende einen in Fig.4 nicht erkennbaren Stift, der in der Durchbrechung 453 des Winkelarmes 452 nach links gleiten kann, wenn der Winkelarm 452 entgegen dem Uhrzeigersinn um die Anlenkung 454 verschwenkt wird. Diese Verschwenkung ist aber gesperrt, solange das hakenförmige Ende 461 des Fangarmes 46 am Fangende 455 des Winkelarmes 452 anliegt

Der um die Anlenkung 462 schwenkbare Fangarm 46 wird von der Zugfeder 463 in der durchgezogen gezeichneten Stellung gehalten, solange weder die Vorsicherung 48 noch der Thermoschalter 49 aktiviert wird. Tritt einer der Schalter 48,49 in Funktion, so wird der Fangarm 46 gegen die Wirkung der Feder 463 im Uhrzeigersinn in die durchbrochen gezeichnete Lage verschwenkt und gibt den Winkelarm 452 zur Verschwenkung entgegen dem Uhrzeigersinn frei, so daß sich der Kontaktarm 44 unter der Wirkung der Feder 442 vom Festkontakt 43 abhebt und die elektrische Verbindung zwischen den Anschlußleitungen 430, 431 unterbrochen wird. Diese unterbrechende Schaltfunktion kann entweder von der Vorsicherung 48 oder dem Thermoschalter bewirkt werden, die beide über die Verbindungsleitungen 431, 433, 434 an dem Kontaktarm 44 und dem Fangarm 46 angeschlossen sind.

Die Vorsicherung 48, beispielsweise ein üblicher Magnet- oder Bimetallschalter, der über eine mechanische Kopplung 481 den Fangarm 46 verschwenken

kann, bewirkt die öffnung des Schalters 40, wenn der durchfließende Strom einen ersten kritischen Wert entsprechend einem normalen Oberstrom überschreitet Beim Freigeben des Winkelarmes 452 durch den Fangram 46 bei Auslösung der Vorsicherung 48 gleitet der Führungsstift am unteren Ende des Schubarmes 45 in der Durchbrechung 453 nach links; dadurch wird zusätzlich zum oben erläuterten Abheben des Kontaktarmes 44 vom Festkontakt 43 auch der um die Anlenkung 471 verschwenkbare Rückstellhebel 47 in eine nicht dargestellte Aus-Stellung bewegt Der Rückstellhebel 47 steht unter dem Zug einer Feder 472 und ist über die bewegliche Anlenkung 475 mit dem einen Ende des Schubarmes 474 verbunden, dessen

anderes Ende durch die bewegliche Anlenkung 476 mit dem Schubarm 45 verbunden ist. Wenn dessen unteres Ende mit dem Führungsstift in der Ausnehmung 453 nach links ausgelewnkt wird und sich der Schalter 40 öffnet, wird der Rückstellhebel 47 entgegen dem Uhrzeigersinn in Aus-Stellung bewegt. Der Schalter 40 kann aber mit dem Rückstellhebel wieder eingeschaltet werden, sol'äld der Fangarfn 46 bei Rückstellung der Versicherung 48 wieder in die Stellung zurückgekehrt ist, in welcher er in das Ende 455 des Winkelarmes 452 eingreifen kann.

Wenn der durch den Schalter 40 fließende Überstrom »oweit ansteigt, daß er einen zweiten kritischen Wert iberschreitet, tritt der Thermoschalter 49 in Funktion: Der über die Verbindungsleitung 431, die Spanneinrichtung 42, hier als Zugfeder ausgebildet, bzw. die Halterung 421 durch das Element 41 und über der Verbindungsleitung zum Fangarm 46 fließende Überitrom erwärmt das Element 41 nun bis auf die Kristaliisationstemperatur. Da die Spanneinrichtung 42 das als zusammenhängendes Gebildes aus glasartiger Metallegierung ausgebildete und in der Befestigung 411 gehaltene Element 41 unter einer als Zugspannung wirkenden Kraft hält, die größer ist als die Zugfestigkeit der Metallegierung in kristallinischem Zustand, reißt das Element 41. Das mit einem Zugstab 413 verbundene untere Ende der Spanneinrichtung 42 schnellt nach oben und verschwenkt den Fangarm 46 unter Überwindung der Feder 463 im Uhrzeigersinn. Wiederum wird dadurch der Winkelarm 452 freigegeben, der Schalter 40 geöffnet und der Rückstellhebel 47 in Aus-Stellung gebracht. Eine Rückstellung ist jetzt nicht mehr möglich, weil die Spanneinrichtung 42 den Fangarm 46 in der durchbrochen gezeichneten Stellung hält. Das untere Ende des Zugstabes 413 ist mit einem Endstück 414 versehen, das in der länglichen Ausnehmung 415 des Bügels 416 bey eglich ist, solange der Thermoschalter 49 noch nicht ausgelöst worden ist und der Fangarm 46 nur von der Vorsicherung 48 betätigt wird:

Es versteht sich, daß der anhand von F i g. 4 erläuterte Aufbau eines thermoelektrischen Schalters mit rückstellbarer Vorsicherung und nicht rückstellbarer Hauptsicherung unter Verwendung glasartiger Metallegierungen erheblich abgeändert werden kann, ohne daß dies die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile aufhebt.

Beispielsweise können mehrere rückstellbare Vorsicherungen oder/und Einrichtungen Vorgesehen werden, die ein einfaches Auswechseln der Hauptsicherung erleichtern. Ferner können Einrichtungen zur Modifikation der mechanischen oder thermischen Charakteristik des Elementes aus der glasartigen Metallegierung verwendet werden. Allgemein kann man in der Spanneinrichtung 42 Kräfte im Megapascal-Bereich ohne Nachteile für den Langzeitbetrieb (hohe Kfiechfestigkeit der glasartigen Metallegierung des Elementes 41) speichern, wobei die gespeicherten Kräfte zum großen oder überwiegenden Teil nicht durch das Zerbrechen der glasartigen Legierung des Elementes 41 beim Überschreiten der Kristaliisationstemperatur und entsprechender Zustandsänderung verbraucht werden. Der so erzielbare Kraftüberschuß beim Auslösen der Hauptsicherung ermöglicht eine entscheidende Verbesserung von Abschaltfunktion, Abschaltsicherheit und Abschaltkinetik von Überstromsicherungen, die eine rückstellbare Vorsicherung beliebiger Art und eine nicht rückstellbare Hauptsicherung in Form des neuen Thermoschalter enthalten. Diese Vorteile sind weder mit Sicherungen, die auf einer Fest/Flüssig-Zustandsänderung beruhen noch mit Sicherungen, die den Fest/F^st-Formgedächtniseffekt ausnützen, erzielbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoschalter mit einem den Schaltvorgang auslösenden Element aus einem Material, das beim Überschreiten eines bestimmten Temperaturwertes eine Zustandsänderung erleidet, und einer mit dem Element zusammenwirkenden Spanneinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das den Schaltvorgang auslösende Element (11,21) aus einer glasartigen Metallegierung besteht, die in einem ersten, niedrigen Temperaturbereich glasig-amorph ist und sich bei einem zweiten, höheren Temperaturbereich in einen kristallinen Zustand umwandelt, wobei in an sich bekannter Weise die Zugfestigkeit des Elementes im ersten Bereich größer ist als im zweiten Bereich, daß die mit dem Element zusammenwirkende Spanneinrichtung (12, 22) auf das Elerccnt eine Zugkraft ausübt, die größer als die IDr den Bruch des Elementes im kristallinen Zustand. aber kleiner als die für den Bruch des Elementes im glasig-amorphen Zustand ist und das Element bei einer Temperatur in der Nähe des Überganges vom ersten in den zweiten Temperaturbereich zur Auslösung des Schaltvorganges durch die Einwirllung der Zugkraft zerbricht

2. Thermoschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die glasartige Metallegierung eine unterkühlte Schmelze aus einer insgesamt •5 bis 80 Atom-% Eisen oder/und Nickel und insgesamt 18 bis 22 Atom-% Bor oder/und Phosphor enthaltenden Legierung ist.

3. Thermoschalter .lach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dit Legierung außerdem eines der Elemente Chrom, Molybdän oder Alumini-■m, z. B. in Anteilen von etwa 14 Atom-% Cr, 2 Atom-% Mo bzw. 3 Atom-% Al, enthält.

4. Thermoschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die glasartige Metallegierung eine unterkühlte Schmelze aus Beryllium, Zirkon und Titan, vorzugsweise in Anteilen von etv/a 40 Atom-% Be, etwa 10 Atom-% Zr und etwa 30 Atom-% Ti, ist.

5. Thermoschalter nach einem der Patentansprüche I —4. dadurch gekennzeichnet, daß das zusammenhängende Gebilde ein Band ist

6. Thermoschalter nach einem der Patentansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Element (11) einwirkende Kraft der Spanneinrichtung (12) in Megapascal 30 bis 90% und vorzugswei-■e 50 bis 75% des entsprechenden Zugfestigkeitswertes in Megapascal der Metallegierung im glasig-amorphen Zustand beträgt.

7. Thermoschalter nach einem der Patentansprüche I -6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann- « einrichtung (22) eine Feder ist.