DE3336469C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckschalter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung damit auch eine Membranvorrichtung mit einer magnetisch erzeugten Hysterese-Charakteristik zur Redu­ zierung von Pendelvorgängen.

Eine gattungsgemäße Membranvorrichtung in Form eines Differenzdruckschalters ist aus der DE-OS 23 59 750 be­ kannt. Dieser Differenzdruckschalter für gasförmige oder flüssige Medien weist eine bewegliche Membran auf, welche zwei Kammern voneinander trennt, wobei die Membran durch eine Feder in eine ihrer beiden Endlagen vorgespannt ist. In Abhängigkeit einer Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran kann die Membran zusammen mit oder gegen die Vorspannkraft einer Feder in ihre beiden Endlagen verfahren werden, wobei weiterhin in Abhängigkeit von der jeweili­ gen Endlage der Membran ein elektrisches Schaltglied be­ tätigt wird, um beispielsweise einen Strompfad zu schließen oder zu unterbrechen. Das Schließen oder Un­ terbrechen eines Strompfades erfolgt hierbei durch einen beweglichen Kontakt, der auf der Membran befestigt ist und mit dieser bewegbar ist und einen festgelegten Kon­ takt, der in Abhängigkeit von der Stellung der Membran mit dem beweglichen Kontakt in Anlage bringbar ist.

Bei diesem bekannten Differenzdruckschalter sind ein erster Druckunterschied, welcher den beweglichen Kontakt auf den festgelegten Kontakt drückt und ein zweiter Druckunter­ schied, welcher den beweglichen Kontakt von dem festge­ legten Kontakt abhebt, im wesentlichen gleich, da die Membran nur durch den Druckunterschied zwischen der er­ sten und der zweiten Kammer bewegt wird. Somit wird das Schließen und Öffnen des Strompfades zu oft vorgenommen, da im praktischen Betrieb dieser Differenzdruckschalter auf jede noch so geringe Änderung des Druckes bzw. des Druck­ unterschiedes zwischen den beiden Kammern reagiert. Dies hat zur Folge, daß die Membran und damit auch der beweg­ liche Kontakt Pendelbewegungen ausführen und somit wird die Lebensdauer des beweglichen Kontaktes, des festge­ legten Kontaktes und von über den Differenzdruckschalter betätigter Peripheriegeräte verkürzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdruckschalter zu schaffen, bei dem Pendelbewegungen der Membran vermieden werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Dadurch, daß eine Magnetvorrichtung vorgesehen ist, wel­ che in einer der beiden Endlagen der Membran diese End­ lage derart stabilisiert, daß das Schaltverhalten der Magnetvorrichtung eine Hysterese aufweist, wird das ein­ gangs geschilderte Problem der Pendelbewegungen der Mem­ bran zuverlässig verändert. Mit anderen Worten, wenn sich die Membran in der durch die Magnetvorrichtung stabili­ sierten Endlage befindet, ist ein Druck notwendig, um sie aus dieser Endlage herauszubewegen, der höher ist, als ein Druck, der nötig wäre, wenn diese Magnetvorrichtung nicht vorgesehen wäre. Hierdurch ergibt sich eine aus­ reichend hohe Unempfindlichkeit des Differenzdruckschalters gegenüber kleinen Druckdifferenzen, die bisher das be­ kannte Pendeln der Membran verursacht haben, so daß der Differenzdruckschalter erst bei einer Druckdifferenz an­ spricht, die ihr Ansprechen erst gerechtfertigt scheinen läßt und nicht schon vorher durch unwesentliche Druck­ differenzen aus dem Gleichgewicht gebracht wird.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 in Schnittdarstellung eine Seitenansicht eines herkömmlichen Differenzdruckschalters mit dazugehöri­ gem Schaltkreis;

Fig. 2 in Schnittdarstellung eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differenzdruckschalters;

Fig. 3 in Schnittdarstellung eine Seitenansicht des er­ findungsgemäßen Differenzdruckschalters aus Fig. 2 in einer anderen Arbeitsstellung;

Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Charakteri­ stik der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Differenzdruckschalters aus den Fig. 2 und 3;

Fig. 5 in Schnittdarstellung eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Differenzdruckschalters zur Verwen­ dung als Ventil für Flüssigkeiten in einer Ar­ beitsstellung; und

Fig. 6 in Schnittdarstellung eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdruckschalters zur Verwendung als Ventil für Flüssigkeiten in einem Arbeitszustand.

Gemäß Fig. 1 weist eine bekannte Membranvorrichtung in Form eines Differenzdruckschalters eine Membran 4 auf, welche im Inneren eines Gehäuses 1 angeordnet ist. Wenn der Innendruck in einem Vakuumtank T einen eingestellten Wert übersteigt, d. h., wenn die Druckdifferenz zwischen einer ersten Kammer A, welche mit dem Vakuumtank T in Ver­ bindung steht und einer zweiten Kammer B, die normalem Luftdruck ausgesetzt ist, geringer ist, als ein festgeleg­ ter Wert, wird die zwischen den Kammern A und B angeordne­ te Membran 4 durch eine zusammengedrückte Spiralfeder 6 nach rechts gelenkt. Die Spiralfeder 6 ist zwischen einer Anlagescheibe 7, welche an einer radialen Innenwand des Gehäuses 1 angeordnet ist und einer Federhalterung 51, wel­ che im Mittelpunkt der Membran 4 angeordnet ist, einge­ spannt. Ein beweglicher Kontakt 5 wird somit gegen einen festgelegten Kontakt 3, welcher im radialen Mittelpunkt eines Kunststoffdeckels 2 des Gehäuses 1 angeordnet ist, gedrückt. Dies hat zur Folge, daß die Stromversorgung für einen Motor M einer Vakuumpumpe P eingeschaltet wird und die Vakuumpumpe P zu arbeiten beginnt. Erreicht danach der Innendruck im Vakuumtank T den eingestellten niedrigen Wert, wird die Druckdifferenz zwischen den Kammern A und B größer als der festgelegte Wert. Die Membran 4 wird nun axial nach links gelenkt, da die Druckdifferenz die Feder­ kraft der Spiralfeder 6 überwindet. Der bewegliche Kontakt 5 löst sich von dem festgelegten Kontakt 3 und der Motor M der Vakuumpumpe P wird abgeschaltet.

Aus dieser bekannten Anordnung ergeben sich bereits eingangs geschilderte Nachteile.

Anhand von Fig. 2 soll nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzdruckschalters näher erläutert werden.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist ein Gehäuse 1, das aus Metall gefertigt ist, beispielsweise aus Schweißstahl oder einer Legierung, im wesentlichen ein zylindrisches Haupt­ teil 11 auf, welches seinerseits eine Ausnehmung 12 und einen offenen Endabschnitt 13 aufweist. Die äußere Umfangs­ fläche des Gehäuses 1 ist vorzugsweise als Sechskant aus­ gebildet, so daß sie mit einem gewöhnlichen Sechskant- Schraubenschlüssel gedreht werden kann. An dem dem offenen Endabschnitt 13 gegenüberliegenden Teil des Hauptteiles 11 ist ein Anschlußteil 14 ausgebildet, welches einen rohrför­ migen Längsschnitt besitzt und an dessen äußerer Umfangs­ fläche ein Außengewinde 1 b ausgebildet ist. Eine Durch­ gangsöffnung oder ein Durchlaß 1 a, welcher in die Aus­ nehmung 12 des Gehäuses 1 führt und als Luftauslaß dient, ist in dem Anschlußteil 14 ausgebildet. Das Anschlußteil 14 ist mit seinem Außengewinde 1 b so ausgelegt, daß es mit einer Vakuumpumpe oder dergleichen verbunden werden kann. Wenn der Differenzdruckschalter beispielsweise in einem Unterdruck-Bremssystem eines Last­ wagens oder eines Busses verwendet wird, ist das Anschluß­ teil 14 und damit auch der Durchlaß 1 a mit einem Unter­ druckbehälter T und ebenfalls mit einer Unterdruckpumpe P des Bremssystems verbunden. Das Gehäuse 1 weist einen Deckel 2 aus isolierendem Material, beispielsweise aus Kunststoff auf, welcher luftdicht mit dem Gehäuse 1 ver­ bunden ist, indem die Endbereiche des offenen Endabschnit­ tes 13 des Gehäuses 1 über einen radialen Teilbereich des Deckels 2 gebogen werden. Der Kunststoffdeckel 2 weist in seiner radialen Mitte einen axial festgelegten Kontakt 3 aus einem leitfähigen Material wie Messing oder einer Kontaktlegierung auf. Eine Durchgangsöffnung des axial festgelegten Kontaktes 3 dient als Lufteinlaß 3 a der inne­ ren Ausnehmung 12. Eine Membran 4 aus einem elastischen Material, beispielsweise aus Gummi oder einem elastischen Kunststoff, ist luftdicht in der Ausnehmung 12 angeordnet, indem ein Teilbereich seiner radialen Umfangsfläche zwi­ schen dem zylindrisch geformten Endbereich des Kunststoff­ deckels 2 und einem stufenförmigen Abschnitt 15 an der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 1 eingeklemmt ist. Ein Kontakt 5 aus einem leitfähigen Material, wie Messing oder einer Kontaktlegierung ist im radialen Mittelpunkt der Membran 4 angeordnet und seine eine Stirnseite 58 bildet eine Kontaktfläche, welche mit einer anderen Kontaktfläche an der inneren Stirnseite des festgelegten Kontaktes 3 in Anlage gelangen kann. Die Membran 4 teilt die Ausnehmung 12 in zwei voneinander luftdicht abgetrennte Kammern, nämlich eine erste Kammer A, welche mit dem Durchlaß 1 a in Verbin­ dung steht und eine zweite Kammer B, welche mit dem Luft­ einlaß 3 a in Verbindung steht. Die Rückseite des bewegli­ chen Kontaktes 5 bildet eine Federhaltung 51 aus. Eine Druck-Spiralfeder 6 aus einem leitfähigen und federnden Material, wie beispielsweise Phosphorbronze dient als Be­ wegungseinrichtung und ist zwischen der Federhalterung 51 und einer Anlagescheibe 7, welche an einem Teilbereich der Innenwand der ersten Kammer A anliegt, eingespannt.

Eine festgelegte Magnetvorrichtung 8, z. B. eine ringförmi­ ge Platte, welche einen oder mehrere segmentartige Perma­ nentmagnete aufweist, ist im äußeren Umfangsbereich der Membran 4 und der inneren Umfangswand des Gehäuses 1 beispielsweise durch Einklemmen und Verbinden zwischen der End­ stirnseite des Kunststoffdeckels 2 und dem äußeren Umfangs­ bereich der Membran 4 angeordnet. Eine bewegliche Magnet­ vorrichtung 9, d. h. eine ring- oder scheibenförmige Platte mit einem oder mehreren segmentartigen Permanent­ magneten ist auf dem beweglichen Teil der Membranvorrich­ tung, nämlich auf dem Umfangsbereich des beweglichen Kon­ taktes 5 angeordnet.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung kann die festgelegte Magnetvorrichtung 8 und die be­ wegliche Magnetvorrichtung 9 eine Kombination aus einer ring- oder scheibenförmigen Platte mit einem oder mehreren segmentartigen Permanentmagneten und einer ring- oder schei­ benförmigen Platte aus einem oder mehreren, auf Magnetkräf­ te reagierenden Material bzw. umgekehrt bestehen. Somit ziehen sich die bewegliche Magnetvorrichtung 9 und die festgelegte Magnetvorrichtung 8 aufgrund der Magnetkräfte an und daher ist der Druck, der benötigt wird, um den be­ weglichen Kontakt 5 nach rechts in Anlage mit dem festge­ legten Kontakt 3 zu bringen größer als derjenige, der be­ nötigt wird, um die gesamte Anordnung nach links zu bewe­ gen, um die Kontakte voneinander zu trennen.

Die einander gegenüberliegenden Flächen der festgelegten Magnetvorrichtung 8 und der beweglichen Magnetvorrichtung 9 können Einrichtungen aufweisen, mit denen ein winziger Luftspalt freigehalten wird, indem beispielsweise ver­ schiedene kleine Erhebungen an den einander gegenüberlie­ genden Seiten der bezüglichen Magnetvorrichtungen ausgebil­ det sind oder durch Abstandshalter, wie beispielsweise einem Überzug aus einem passenden, nichtmagnetischen Metallfilm.

Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die Membranvorrichtung in Form eines Differenzdruckschalters verwendet, d. h., ein Vakuum-Bremssystem eines großen Kraftfahrzeuges, wie eines Omnibus oder eines Lastwagens, und der elektri­ sche Schaltkreis, der durch den festgelegten Kontakt 3 und den beweglichen Kontakt 5 gebildet wird, ist in Serienschal­ tung mit einem Motor M einer Vakuumpumpe P des Vakuum­ systems und einer Strom/Spannungsquelle 20 verbunden.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Differenzdruckschalters wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2, in der ein Zu­ stand gezeigt ist, in dem der bewegliche Kontakt 5 den festgelegten Kontakt 3 berührt und somit den Schalter in den Zustand "EIN" bringt; auf Fig. 3, welche einen Zustand zeigt, in dem der bewegliche Kontakt 5 von dem festgeleg­ ten Kontakt 3 abgehoben ist und somit den Schalter in den Zustand "AUS" bringt und auf Fig. 4, in der die Druck-Kontakt- Charakteristik des beweglichen Kontaktes 5 gegen den fest­ gelegten Kontakt 3 dargestellt ist, beschrieben.

Wenn im ersten Fall der Druck in dem Vakuumtank T ausrei­ chend höher ist, als ein vorherbestimmter Betrag P ₁, wie in Fig. 4 dargestellt, d. h., wenn die Druckdifferenz zwi­ schen einem Unterdruck in der ersten Kammer A und dem Nor­ malluftdruck in der zweiten Kammer B ausreichend geringer ist, als ein vorherbestimmter Druckdifferenzwert, wird die Membran 4 durch die Spiralfeder 6 nach rechts geschoben, wodurch der bewegliche Kontakt 5 in Anlage mit dem fest­ gelegten Kontakt 3 gerät. Daher beginnt der Motor M der Vakuumpumpe P zu arbeiten und der Vakuumtank T wird leer­ gepumpt.

Wenn, im zweiten Fall der Druck in dem Vakuumtank bis auf den Druckwert P ₁, wie in Fig. 4 dargestellt, verringert wurde, d. h., wenn die Differenz zwischen den Drücken in der ersten Kammer A und der zweiten Kammer B einen vorher­ bestimmten Wert erreicht, wird die Membran 4 in Richtung der ersten Kammer A gelenkt, wobei die Federkraft der Spiralfeder 6 überwunden wird. Somit hebt der bewegliche Kontakt 5 von dem festgelegten Kontakt 3 ab, und somit wird der Motor M der Vakuumpumpe P abgeschaltet. Bei dieser Be­ wegung, d. h., während sich die Membran 4 in Richtung der Kammer A bewegt, werden die magnetischen Anziehungskräfte zwischen der beweglichen Magnetvorrichtung 9 und der fest­ gelegten Magnetvorrichtung 8 stufenweise größer. Ab einer Lage, in der die bewegliche Magnetvorrichtung 9 sich der festgelegten Magnetvorrichtung 8 nähert, wird die Summe der magnetischen Anziehungskräfte und der Kraft, die von der Druckdifferenz zwischen den Kammern A und B erzeugt wird, so hoch, daß sie die Federkraft der Spiralfeder 6 über­ windet. Dies hat zur Folge, daß die bewegliche Magnetvor­ richtung 9 von der festgelegten Magnetvorrichtung 8 stark angezogen wird. Da üblicherweise die Magnetanziehungskräfte sehr hoch werden, wenn die bewegliche Magnetvorrichtung 9 und die festgelegte Magnetvorrichtung 8 in Anlage mit­ einander geraten, wird eine große Druckdifferenz zwischen den Drücken in der ersten Kammer A und der zweiten Kammer B notwendig, um die Bewegung der Membran 4 von der Lage wie in Fig. 3 dargestellt, d. h. in der die bewegliche Magnetvorrichtung 9 die festgelegte Magnetvorrichtung 8 berührt, in die Lage wie in Fig. 2 dargestellt, d. h. in der die bewegliche Magnetvorrichtung 9 von der festgeleg­ ten Magnetvorrichtung 8 abgehoben ist, auszulösen. Dies hat zur Folge, daß im Anfangsbereich eines langsamen An­ wachsen des Druckes in dem Vakuumtank T, d. h. auch in der ersten Kammer A, die Membran 4 in der Lage gemäß Fig. 3 zurückgehalten wird. Der Grund dafür ist der, daß die bewegliche Magnetvorrichtung 9 von der festgelegten Magnet­ vorrichtung 8 stark angezogen wird und die magnetischen Anziehungskräfte größer sind als die Rückstellkräfte der Membran 4, d. h. der Kraftdifferenz zwischen der Federkraft der Spiralfeder 6 und der Kraft, die von dem Druckunter­ schied zwischen der ersten Kammer A und der zweiten Kam­ mer B erzeugt wird. Dann, nach einem beträchtlichen Anwachsen des Druckes in dem Vakuumtank T auf einen höheren Wert P ₂, wie in Fig. 4 dargestellt, d. h., nach einem we­ sentlichen Absinken der Differenz zwischen dem Druck in der ersten Kammer A und dem Druck in der zweiten Kammer B, überwindet die Summe der Druckkraft der Spiralfeder 6 und der Membrandruckkraft die magnetische Anziehungskraft. Die bewegliche Magnetvorrichtung 9 löst sich nun von der festgelegten Magnetvorrichtung 8 und der be­ wegliche Kontakt 5 bewegt sich nach rechts und gerät in Anlage mit dem festgelegten Kontakt 3. Somit weist die Arbeitsweise des beweglichen Kontaktes 5 bezüglich des festgelegten Kontaktes 3 während des Anwachsens und Nach­ lassens des Druckes in dem Vakuumtank T eine Hysterese- Charakteristik, wie in Fig. 4 dargestellt, auf. Diese Charakteristik der Hysterese-Kurve kann durch Auswahl ver­ schiedener Federkonstanten für die Spiralfeder 6, die Größe der Magnetanziehungskräfte der Magnetvorrichtungen 8 und 9 und das Material der Membran 5 eingestellt werden.

In anderen Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Membranvorrichtung als druckabhängiges Ventil eingesetzt werden, um einen Flüssigkeitsstrom zu steuern, indem die Bewegung der Membran, wie in Fig. 5 und in Fig. 6 darge­ stellt, genutzt wird. In den Fig. 5 bzw. 6 ist ein erster Flüssigkeitsanschluß 31, ein zweiter Flüssigkeitsanschluß 32 und ein Ventilsitz 59 zum Öffnen bzw. Schließen des ersten Flüssigkeitsanschlusses 31 dargestellt.

Wie anhand der vorliegenden Ausführungsformen erläutert, führt der erfindungsgemäße Differenzdruckschalter die Schalt­ bewegungen für einen elektrischen Schaltkreis oder für einen Flüssigkeitskreis aus, ohne daß dabei unerwünschte Pendelbewegungen auftreten, und zwar aufgrund der Hystere­ se-Charakteristik der Membranbewegung. Somit kann sowohl die Lebensdauer der Differenzdruckschalters als Ganzes, als auch der dazugehörigen Systeme oder Bausteine verlängert werden und somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung da­ für geeignet, eine verbesserte automatische Steuerung oder Regelung auszuführen.

Claims (4)

1. Differenzdruckschalter mit einem Gehäuse, welches einen Innenraum aufweist; mit einer Membran, die innerhalb des Gehäuses derart angeordnet ist, daß zwei luftdicht voneinander getrennte Kammern gebil­ det werden; mit einem ersten Anschluß, der die eine der zwei Kammern mit der Außenseite des Gehäuses verbindet; mit einem zweiten Anschluß, der die an­ dere der zwei Kammern mit der Außenseite des Gehäu­ ses verbindet; mit einem Federelement, welches die Membran in Richtung auf eine ihrer Endlagen vor­ spannt und mit einem elektrischen Schaltelement, das in Abhängigkeit von der Endlage der Membran ein- oder ausgeschaltet ist, wobei die jeweilige Endlage der Membran durch eine Druckdifferenz eingestellt wird, die zwischen der ersten und der zweiten Kammer herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetvorrichtung (8, 9) vorgesehen ist, welche in einer der beiden Endlagen der Membran (4) diese Endlage derart stabilisiert, daß das Schalt­ verhalten des Differenzdruckschalters eine Hysterese aufweist.

2. Differenzdruckschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die festgelegte Magnetvorrichtung (8) eine ring­ förmige Platte aus einem oder mehreren Permanentma­ gneten bildet, welche an der Innenwand des Gehäuses (1) befestigt sind; und
daß die bewegliche Magnetvorrichtung (9) eine scheiben­ förmige Platte aus einem oder mehreren Permanentmagne­ ten darstellt, welche an einem beweglichen Teil der Membran (4) angeordnet ist.

3. Differenzdruckschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die festgelegte Magnetvorrichtung (8) als ringförmige Platte aus einem oder mehreren Permanent­ magneten ausgebildet ist, welche im Inneren des Gehäu­ ses (1) befestigt ist; und
daß die bewegliche Magnetvorrichtung (9) eine schei­ benförmige Platte aus einem auf Magnetkräfte reagie­ renden Material ist.

4. Differenzdruckschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die festgelegte Magnetvorrichtung (8) eine ring­ förmige Platte mit einem oder mehreren auf magneti­ sche Kräfte reagierenden Materialien ist, welche im Inneren des Gehäuses (1) angeordnet ist; und
daß die bewegliche Magnetvorrichtung (9) eine scheiben­ förmige Platte mit einem oder mehreren Permanentmagne­ ten ist.