DE3226251A1

DE3226251A1 - Temperaturempfindliche kapsel und verfahren zu ihrer justierung

Info

Publication number: DE3226251A1
Application number: DE19823226251
Authority: DE
Inventors: Robert James Cheshunt Hertfordshire Hodges; Thomas Meirion Stortford Hertfordshire Jackson
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: ITT Inc
Priority date: 1981-07-21
Filing date: 1982-07-14
Publication date: 1983-02-17
Also published as: GB2103016A; JPS5860228A; GB2103016B; US4423402A; FR2510300A1

Description

T.M.Jackson-R.J.Hodges 73-49

TemperaturempfindLiche Kapsel und Verfahren zu ihrer Justierung

Die Erfindung bezieht sich auf eine temperaturempfindl iehe Kapsel, die insbesondere zur Verwendung in einem temperatura.bhäng i gen elektrischen Schalter bestimmt ist, d.h. in einem Schalter, der anspricht, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht oder überschritten wird.

Solche Schalter enthalten eine Kapsel, die an einem Ende durch eine domförmige oder gebogene Scheibe abgeschlossen ist, die eine Umschnappcharakteristik hat. Die Kapsel enthält eine bestimmte Menge eines geeigneten Gases oder .einer Flüssigkeit, die sich bei Temperaturanstieg ausdehnt und bewirkt, daß die Scheibe umschnappt und dabei elektrische Kontakte betätigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkungsweise und Eigenschaften solcher Kapseln zu verbessern, sie insbesondere leicht justierbar zu machen, sowie ein Verfahren zum Justieren einer solchen Kapsel anzugeben.

Gemäß der Erfindung wird eine Kapsel vorgeschlagen, die als temperaturabhängiges Element verwendet werden kann, bei der ih einer dichten Umhüllung eine Flüssigkeit oder ein Gas

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angeordnet ist, und bei der eine Wand der UmhüLLung durch eine gebogene Scheibe gebildet wird, die bei einer vorbestimmten Temperatur durch den Dampfdruck innerhalb der Umhüllung von einer konkaven Form in eine konvexe Form oder umgekehrt ums.chnappt, wobei die Scheibe aus ausscheidungsgehärtetem rostfreien Stahl oder ausscheidungsgehärtetem Berylliumkupfer besteht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kapsel mit einer minimalen Menge der Flüssigkeit gefüllt, so daß die Kapsel normalerweise im logarithmischen Bereich der Temperatur-Druck-Abhängigkeit arbeitet bis zu einer Grenztemperatur, bei der gesättigter Dampf vorhanden ist, so daß bei Übertemperatur die Füllung sich wie ein Gas verhält und die Temperatur-Druck-Abhängigkeit nach den Gasgesetzen verläuft, so daß die Rate des Druckanstieges mit der Temperatur innerhalb der Kapsel vermindert ist.

Gemäß der Erfindungwird weiter ein Verfahren zum Justieren der Ansprechtemperatur der Kapsel vorgeschlagen, bei dem die Kapsel auf die gewünschte Ansprechtemperatur erhitzt und dabei das Volumen der Umhüllung dadurch vermindert wird, daß eine andere Wand der Umhüllung dauernd so weit verformt wird, bis die gebogene Scheibe ihren Zustand ändert.

Gemäß der Erfindung wird weiter ein Verfahren zum Justieren der Rücksprungtemperatur einer Kapsel vorgeschlagen, die aus einer gebogenen, bei einer bestimmten Temperatur umschnappenden Scheibe besteht, die an einem sich radial nach außen erstreckenden Flansch eines zylindrischen, einseitig geschlossenen Bechers befestigt ist, das darin besteht, daß eine

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dauernde Veränderung des Winkels des Flansches bezüglich der Achse des Zylinders vorgenommen wird, wodurch die Scheibe eine Vorspannung erhält bis zu dem Punkt, wo sie von dem konvexen in den konkaven Zustand umspringt, wenn die Kapsel auf die vorbestimmte Rücksprungtemperatur erhitzt wird.·

Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der Figuren näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen bekannten temperaturabhängigen elektrischen Schalter, dessen wesentliche Teile schematisch dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt einen gleichen Schnitt durch einen anderen bekannten temperaturempfindlichen elektrischen Schalter.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Quetschanordnung für die Kapsel gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt schematisch die Einstellung des Kapselflansches gemäß der Erfindung.

Die Fig. 5a und 5b zeigen schematisch zwei verschiedene Möglichkeiten zum Justieren des Kapselflansches.

Der bekannte Schalter, der in Fig. 1 im Schnitt dargestellt ist, enthält eine zylindrische Kapsel· 1, in der eine flüchtige Flüssigkeit, wie z.B. Dich loridfluormethan

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(CCl₂Fp) enthalten ist, das unter dem eingetragenen Warenzeichen Freon im Handel ist. Der untere Teil der Kapsel wird durch eine dünne metallische Scheibe 2 gebildet, die • nach innen gebogen ist. Die Kapsel ist in einer geeigneten Halterung 3 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Die Scheibe 2 trägt an ihrer äußeren Fläche einen Stift 4, der bewegungsschlüssig mit der Mitte einer geschlitzten Meta ILscheibe 5 verbunden ist. Der Rand dieser Scheibe ist -wie dargestellt- in der 'SchaLterst ruktur befestigt.

Unterhalb der Scheibe 5, jedoch nicht in Kontakt mit dieser, ist eine weitere Metall scheibe 6 angeordnet, welche die Form einer Tellerfeder hat, deren Rand in der Struktur des Schalters befestigt ist. Zwei Anschlußstifte 7 und

15' 8 dienen zum Anschluß an eine elektrische Schaltung. Der erste Schalterkontakt wird durch die Scheibe'5 gebildet, die elektrisch mit dem Stift 8 über das Metallteil 9 verbunden ist, während der zweite Schalterkontakt durch die Scheibe 6 gebildet wird, die elektrisch mit dem Stift 7 verbunden ist.

Wenn die Temperatur den Wert erreicht, für den der Schalter eingestellt ist, wird durch den Dampfdruck in der Kapsel die gebogene Scheibe von der konkaven Form in die konvexe Form umgeschnappt, wobei durch den Stift 4 der Mittelteil der geschlitzten Scheibe 5 in Kontakt mit der Scheibe 6 gebracht wird, so daß der elektrische Stromkreis geschlossen ist.

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Der Schalter, der im Schnitt in Fig. 2 dargestellt ist, ist von ähnlicher Ausführungsform wie der Schalter von Fig. 1, bewirkt jedoch ein öffnen des Kontaktes beim Ansprechen. Die geschlitzte Scheibe 10, welche durch die Kapsel 1 betätigt wird, ist indirekt mit dem Anschlußstift 8 über den Metallträger 12 verbunden. Der Mittelteil der Scheibe steht jedoch in Kontakt mit dem Metallteil 11, das mit dem Anschlußstift 7 durch Lötung bei 7a verbunden ist. Die Kontakte des Schalters sind daher normalerweise geschlossen.

Wenn die Temperatur den Wert erreicht, für den der Schalter eingestellt ist, drückt die Scheibe 2 die Scheibe 10 nach unten, so daß die Verbindung zwischen den Schalterkontakten 10 und 11 unterbrochen wird.

Bei beiden der oben beschriebenen Schalter tritt bei einem Sinken der Temperatur unter den vorbestimmten. Wert eine Kondensation des Dampfes in der Kapsel ein, was bewirkt, daß die gebogene Scheibe 2 in ihre in der Zeichnung dargestellte Ausgangsposition zurückschnappt.

Es sind verschiedene andere Schalter und Vorrichtungen möglieh, bei denen eine solche Kapsel 1 verwendet wird. Durch Kombination der Anordnungen von Fig. 1 und 2 kann ein Umschalter aufgebaut werden. Der Schalter kann auch mittels einer in der Kapsel angeordneten Heizvorrichtung einstellbar gemacht werden. Die Ansprechtemperatur des Schalters kann auch in der Weise eingestellt werden, daß eine Feder in der Kapsel angeordnet wird.

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Die Teile der KapseL sind durch Schweißen miteinander vei— bunden. Oben wurde zwar gesagt, daß die KapseLfüLLung aus CCL₂Fp besteht. Dieser Stoff ist jedoch nur einer von einer AnzahL von fLuorierten Ha Logenwasser stoff en oder anderen FLüssigkeiten oder Gasen, die aLs FüLLung für die KapseL verwendet werden können. Durch geeignete Auswahl des FüllmitteLs kann die Ansprechtemperatur des SchaLters in weiten Grenzen gewähLt werden, beispieLsweise zwischen + 30 C und + 200 C, obwohL die theoretischen Grenzen, die durch die FLuoride bestimmt sind, zwischen - 200 ⁰C und + 200 ⁰C Liegen. Die KennLinien, weLche die Wirkungsweise bestimmen, sind die Kurven, weLche den Zusammenhang zwischen Temperatur und Dampfdruck angeben, und diese Kurven haben, anders aLs die für die Gasgesetze, einen Logarithmischen VerLauf.

Gemäß der Erfindung werden verschiedene Abwandlungen der bekannten KapseLn vorgesch Lagen., durch die sich eine wesentLiche Verbesserung bei der Wirkungsweise von SchaLtern oder anderen temperaturempfindLichen Vorrichtungen mit soLchen KapseLn ergeben.

Die gebogene Scheibe, die so ausgebiLdet ist, daß sie umschnappt, wenn der auf sie wirkende Druck einen bestimmten Wert erreicht, kann aus' einem MateriaL bestehen, das eine große ELastizität hat und eine genügende Dehnbarkeit, so daß es in die benötigte Form gebracht werden kann. Bisher wurden drei verschiedene Materialien hierfür verwendet, und zwar BeryILiumkupfer, Phosphorbronze und hartgewaLzter

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rostfreier Stahl,. Von diesen drei Stoffen, wurde dem hartgewalzten rostfreien. Stahl, der Vorzug gegeben, weil er im Vergleich mit den kupferhaItigen Stoffen verhäItnismäßig preiswert ist. Leider haben Scheiben, die aus hartgewalztem rostfreien StahL hergestellt sind, den Nachteil, daß sich ihre Spannung vermindert, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, so daß sich eine Temperaturabweichung bei dem fertigen Schalter ergibt.

Dieses Problem kann gemäß der Erfindung dadurch gelöst werden, daß die Scheibe 2 aus ausscheidungsgehärtetem rostfreien Stahl hergestellt wird, wie z.B. einem Stahl, der unter der Bezeichnung ARMCO 17-7 PH im Handel ist. Die Scheibe wird aus diesem Material in ausgeglühtem Zustand hergestellt und ist daher spannungsfrei. Nach der Formung wird die Scheibe dadurch gehärtet, daß sie einer Wärmebehandlung unterworfen wird, so daß sie federnde Eigenschaften erhält.

Diese Wärmebehandlung umfaßt typischerweise die folgenden Verfahrensschritte:

a) Erhitzen auf 760 + 14 ⁰C und Halten auf dieser Temperatur für 90 Minuten.

b) Kühlen auf 15,5 + 0 ⁰C Coder - 5,6 ⁰C) innerhalb einer Stunde und HaCten auf dieser Temperatur für eine Stunde.

c) Erhitzen auf 565,5 + 5,6 ⁰C und Halten für 9o Minuten und

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d) KühLen in Luft auf Zimmertemperatur. (Dieses Verfahren wird von den HerstelLern empfohLen.)

Diese so hergesteLLten Scheiben haben eine gute Stabilität bis etwa 200 C. Bei einem bekannten Thermoschalter, der in einem Heizlüfter eingebaut war, zeigten sich wesentliche Änderungen bei der Ansprech- und Rücksprungtemperatur, wenn er 48 Stunden lang einer Temperatur von 100 C ausgesetzt wurde (was 20 ⁰C Übertemperatur entspricht), während die Änderungen bei Schaltern unter Verwendung von Kapseln mit Scheiben aus ausscheidungsgehärtetem rostfreien Stahl vernachlässigbar waren. Daraus ergibt sich, daß ein solches Material eine wesentlich verbesserte Temperaturstabilität ergibt. Anstelle von ausscheidungsgehärtetem rostfreien Stahl kann auch ausscheidungsgehärtetes Berylliumkupfer für die Scheiben verwendet werden.

Es ist wünschenswert, d.aß Schalter oder andere Vorrichtungen, die durch eine mit Dampfdruck betriebene Vorrichtung ausgelöst werden, gegen Übertemperaturen geschützt sind. Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß nur eine minimale Menge der. FLüssigkeit in die Kapsel eingefüllt wird. Eine solche Kapsel arbeitet normalerweise? bis ?ur Bildung von gesättigtem Dampf mit logarithmischer' Abhängigkeit von Temperatur und.Druck, jedoch bei Übertemperatur, welche über den Zustand des gesättigten Dampfes hinausgeht, verhält sich die Füllung wie ein Gas .und folgt den Gasgesetzen. Die Rate des Druckanstieges mit der Temperatur innerhalb der

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• Kapsel ist dann vermindert, so daß kein übermäßiger Druck auftritt. So hält beispielsweise eine Kapsel, die einem Transistorgehäuse vom Typ TO 3 mi.t je einer Höhe von 7 mm entspricht und die mit nur 30,ul Flüssigkeit gefüllt wurde, Übertemperaturen von 50 C aus.

Bei manchen Anwendungen von temperaturempfindlichen elektrischen Schaltern oder anderen Vorrichtungen ist es erwünscht, daß die Aus Lösetemperatur des Schalters oder der Vorrichtung eine geringere Toleranz als +3 C hat, wie sie die bekannten Vorrichtungen haben. Es ist daher wünschenswert, die Ansprechtemperatur während der Herstellung der Kapsel entsprechend einstellen zu können. Dies kann dadurch erzielt werden, daß das Volumen der Kapsel durch Deformierung derselben vermindert wird. Eine Justierung der Ansprechtemperatur kann auf diese Weise vollständig automatisch durchgeführt werden.

Das Verfahren zur Vo.lumenvermi nderung sollanhand von Fig. beschrieben werden. Hier wird ganz einfach eine Kugel 13 in die Endfläche des.Becherteiles 14 der Kapsel 1 eingedrückt. Die· Kapsel 1 ist in einer Halterung gehalten, die schematisch bei 15 dargestellt ist, und die auf der gewünschten Ansprechtemperatur gehalten wird. Die Kugel 13 wird dann Langsam nach unten gedrückt (in Richtung von A), und zwar auf die EndfLäche des Becherteiles 14, um diese zu verformen, bis die KapseL gerade anspricht, d.h., daß die Scheibe 2 umschnappt. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die automatische Justierung der Ansprechtemperatur von KapseLn. Eine automatische Vorrichtung zum Justieren

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enthält grundsätzlich eine geheizte Halterung, Mittel, um eine Mehrzahl von nicht justierten Kapseln nacheinander auf die Halterung aufzubringen, Mittel zum Deformieren des Becherteiles, die langsam gegen den Becher bewegt werden, bis die Scheibe von der konkaven Form in die'konvexe Form umschnappt, wobei das Umschnappen dazu verwendet werden kann, ein weiteres Vorwärtsbewegen der Verformungsmittel gegenüber dem Becher durch Betätigung eines Schalters zu verhindern, und Mittel, um die justierte Kapsel von der Halterung abzunehmen. Durch eine solche Verformungsjustierung kann die Ansprechtemperatur innerhalb von 1 C eingestellt werden. Der maximale Justierbereich einer typischen Kapsel mit der Form eines TO 3-Gehäuses liegt in der Größenordnung von 9 C.

Bei anderen Anwendungen von temperaturempfindlichen elektrischen Schaltern oder anderen Vorrichtungen ist eine engtolerierte Rücksprungtemperatur erforderlich. Es wurde gefunden, daß es möglich ist, die Rücksprungtemperatur einzustellen, ohne im wesentlichen die Ansprechtemperatür zu beeinflussen. Dies wird erreicht durch beliebige Verbiegung des Flansches 16 (Fig. 3) der Kapsel 1, so daß die umschnappbare gebogene Scheibe entweder eine Vorspannung nach innen oder nach außen bezüglich des Bechers 14 der Kapsel erhält. Wie in den Fig. 5a und 5b dargestellt ist, kann entweder ein negativer oder ein positiver Abbiegewinkel θ verwendet werden. Wenn ein negativer Winkel θ verwendet wird, ist es möglich, die Hysterese der Kapsel zu vermindern. Ein typischer Winkel θ hat die Größenordnung von 10 Grad,, obwohl auch Winkel zwischen 5 und 20 Grad verwendet werden können.

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Eine Einspannvorrichtung zur Einstellung des Flansches der Kapsel ist in Fig. 4 dargestel It. Diese besteht nur aus zwei Hohlkörpern 17 und 18, zwischen denen eine Kapsel 1 angeordnet werden kann. Die einander gegenüberliegenden parallelen Flächen 19 und 20 haben einen geeigneten Winkel θ bezüglich der Horizontalen. Die beiden Körper werden durch Einwirkung einer Kraft F langsam gegeneinandergeschoben, wobei der Flansch 16 entsprechend langsam und dauerhaft bis auf den maximalen Winkel verformt wird. Der Flansch der Kapsel kann auch in negativer' Richtung verformt werden, wenn die Kapsel in umgekehrter Richtung in der Halterung angeordnet wird oder wenn der Körper 18 auf dem Körper 17 angeordnet wird und die Kraft F auf den Körper 18 anstelle auf den Körper 17 einwirkt.

Wie bei der Einstellung der Auslösetemperatur der Kapsel kann auch die Rück Sprungtemperatur der Kapsel durch langsame Verformung des Flansches 16 eingestellt werden, . während die Kapsel auf der benötigten Rücksprungtemperatur gehalten wird, bis die Scheibe von der konvexen Form in die konkave Form zurückspringt. Auf diese Weise kann eine Flansch justierung automatisch vorgenommen werden.

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Leerseite

Claims

-X-

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GMBH
FREIBURG

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Patenten Sprüche

Eine eine Flüssigkeit oder ein Gas enthaltende dichteKapsel zur Verwen du ng als temperaturempfindliches Element, deren eine Wand durch eine gebogene Scheibe gebildet ist, die bei einer bestimmten Temperatur infolge einer Dampf druckänderung in der Kapsel von der konkaven Form in die konvexe Form oder umgekehrt umspringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) aus ausscheidungsgehärtetem, rostfreien Stahl oder ausscheidungsgehärtetem Berylliumkupfer besteht.

2. Kapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (2) aus ausscheidungsgehärtetem rostfreien Stahl im geglühten Zustand geformt und danach durch eine Wärmebehandlung gehärtet wurde.

3. Kapsel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer so geringen Menge einer Flüssigkeit gefüllt ist, daß die Ansprechtemperatur im logarithmischen Bereich der Temperatur-Druck-Ä'nderung liegt, daß aber bei Übertemperatur gesättigter Dampf in der Kapsel vorhanden ist, der sich wie ein Gas verhält, so daß die Anstiegsrate des Druckes mit der Temperatur innerhalb der Kapsel (1) vermindert ist.

ZT/P21-Fr/ki

6.7.1982 - 2 -

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4. KapseL nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t , d a ß sie aus einem einseitig geschlossenen zyLindrir sehen Becher (14) mit einem am offenen Ende sich radial nach außen erstreckenden Flansch (16) besteht und die gebogene Scheibe (2) am Flansch (16) befestigt ist.

5. Verfahren zur Justierung der Ansprechtemperatur einer Kapsel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der KapseL (1) dadurch vermindert wird, daß eine permanente Deformierung einer Wand vorgenommen wird bis zu einem Vo lumenwert,-bei dem die gebogene Scheibe (2) umschnappt, wenn die Umhüllung auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (1) auf der vorbestimmten Ansprechtemperatur gehalten wird und dabei das Volumen allmählich dadurch vermindert wird, daß die Wand deformiert wird, bis die gebogene Scheibe (2) von der konkaven Form in die konvexe Form umspringt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Verformung durch allmähliches Eindrücken einer Kugel (13) in die Wand (14) der Kapsel (1), die der gebogenen Scheibe (2) gegenüberliegt, vorgenommen wird.

8. Verfahren zur Justierung der Rücksprungtemperatur einer Kapsel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch

(16) dauernd verformt wird.

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9. Verfahren nach Anspruch-8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kapsel auf die vorbestimmte Rücksprungtemperatur erhitzt
wird und dabei der Flansch (16) allmählich permanent verformt wird, bis die gebogene Scheibe von der konvexen Form in die konkave Form zurückspringt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch C16) von dem einen Ende des Bechers (14) weggebogen wird.