DE4105236A1 - Mechanisches schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Schaltelement für temperaturgesteuerte Schaltvorgänge bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
• - einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylin­ ders,
• - der in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zylin­ der geführt ist,
• - wobei der zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildete Hohlraum und/oder der Hohlraum zwischen dem beweglichen Kolben und dem Deckel des inneren Zylinders eine fluide Masse enthalten,
• - einem Gehäuse, in dem der äußere Zylinder über elasti­ sche Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente gelagert sind,

wobei die fluide Masse thermotrope flüssigkristalline Phasen aufweist.

Bei dem bisher bekannten temperaturgesteuerten Schalter wird in der Regel der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient verschiedener Metallarten ausgenutzt (Bimetallstreifen). Diese Schalter können jedoch nur in relativ engen Tempera­ turbereichen eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Schalter ist, daß sie nicht in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden können, da ein Explosionsschutz hier nahezu unmöglich ist.

Das Problem der Erfindung bestand darin einen temperaturge­ steuerten Schalter aufzuzeigen, wobei die Schalttemperatur in einem breiten Bereich variierbar ist, der zudem in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Schaltelement bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
• - einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylin­ ders,
• - der in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zylin­ der geführt ist,
• - wobei der zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildete Hohlraum und/oder der Hohlraum zwischen dem beweglichen Kolben und dem Deckel des inneren Zylinders eine fluide Masse enthalten,
• - einem Gehäuse, in dem beide Zylinder über elastische Elemente gelagert sind, wobei die fluide Masse thermo­ trope flüssigkristalline Phasen aufweist, gelöst.

Aus der Internationalen Patentanmeldung WO 89/08 136 sind mechanische Bauelemente bekannt, bei denen der Visko­ sitätssprung zwischen unterschiedlichen flüssigkristallinen Phasen zur thermischen Steuerung zwischen beweglichen Körpern ausgenutzt wird.

Jedoch wird dieser Effekt in diesem Dokument lediglich zur Kraftübertragung im Sinne von Kupplungen, Bremsen und hydraulischen Dämpfern beschrieben. Einen Hinweis darauf, daß der Effekt auch in einem temperaturgesteuerten Schalt­ element ausgenutzt werden kann, kann der Fachmann diesem Dokument nicht entnehmen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein mechanisches Schalt­ element für temperaturgesteuerte Schaltvorgänge bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
• - einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylin­ ders,
• - der in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zylinder geführt ist,
• - wobei der zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildete Hohlraum und/oder der Hohlraum zwischen dem beweglichen Kolben und dem Deckel des inneren Zylinders eine fluide Masse enthalten,
• - einem Gehäuse, in dem der äußere Zylinder über elasti­ sche Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente, vorzugsweise beide Zylinder über elastische Elemente, gelagert sind,

wobei die fluide Masse thermotrope flüssigkristalline Phasen aufweist, insbesondere ein Schaltelement, wobei der äußere Zylinder die fluide Masse enthält.

Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind

• a) Schaltelemente, wobei sich die Viskosität der fluiden Masse beim Übergang von der flüssigen in eine flüssig­ kristalline Phase bzw. von einer flüssigkristallinen Phase in eine andere sprunghaft ändert;
• b) Schaltelemente, wobei bei Aufbringen einer Kraft auf den äußeren Zylinder in Richtung des inneren die fluide Masse oberhalb ihres Phasenumwandlungspunkts durch die Bohrungen des Zylinderdeckels in den inneren Zylinder eindringt und den Kolben verdrängt;
• c) Schaltelemente, wobei bei Wegfall der äußeren Kraft auf den äußeren Zylinder die fluide Masse oberhalb ihres Phasenumwandlungspunkts durch die Bohrungen des Zylin­ derdeckels in den äußeren Zylinder eindringt, wobei dieser aufgrund der Krafteinwirkung der elastischen Elemente in die Ruhelage zurückbewegt wird;
• d) Schaltelemente, wobei bei Aufbringen einer Kraft auf den äußeren Zylinder in Richtung des inneren die fluide Masse unterhalb ihres Phasenumwandlungspunkts nicht durch die Bohrungen des Zylinderdeckels eindringt, sondern den inneren Zylinder entgegen der Rückstell­ kräfte der elastischen Elemente bewegt.

Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von thermotropen Flüssigkristallen bei temperaturgesteuerten Schaltvorgängen, wobei das Schaltelement besteht aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
• - einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylin­ ders,
• - der in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zylin­ der geführt ist,
• - wobei der zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildete Hohlraum und/oder der Hohlraum zwischen dem beweglichen Kolben und dem Deckel des inneren Zylinders den thermotropen Flüssigkristall enthalten,
• - einem Gehäuse, in dem der äußere Zylinder über elasti­ sche Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente gelagert sind, insbesondere, wobei das Auslösen eines unter Vorspannung stehenden Schalte­ lementes verhindert wird und beim Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle freigegeben wird.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Vorteile und wesentliche Einzelheiten der Erfindung sind den Merkmalen der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die in schematischer Darstel­ lung bevorzugte Ausführungsformen als Beispiel zeigt.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Schaltelement in geschnit­ tener Seitenansicht (Ausgangslage),

Fig. 2 Temperaturabhängigkeit der Viskosität eines aus­ gewählten Flüssigkristalls.

Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltelement beinhaltet einen inneren Zylinder 1 mit einem in Längsrich­ tung frei beweglichen Kolben 8. Dieser Kolben 8 ist gegen die Umgebung abgedichtet. Die Dichtung ist dabei zweckmäßig aus gummielastischen Material hergestellt. Vorzugsweise werden Elastomere mit geringer Affinität zu den verwendeten fluiden Massen eingesetzt, insbesondere fluorierte Kunst­ stoffe, wie z. B. Polytetraflourethylen.

Dieser innere Zylinder 1 ist in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zylinder 3 geführt. In dem Hohlraum, der von dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildet wird, befindet sich die fluide Masse, welche flüssigkristalline Phasen aufweist.

Es können hierbei dieselben thermotropen Flüssigkristalle eingesetzt werden, die auch in der WO 89/00 141 beschrieben sind. Vorzugsweise werden Flüssigkristalle oder flüssig­ kristalline Mischungen, welche eine smektische Phase, insbesondere eine S_B-Phase, aufweisen eingesetzt. Insbeson­ dere werden trans-trans-4-Alkyl-4′-Alkoxybicyclohexane verwendet. Durch geeignete Wahl des Flüssigkristalls läßt sich die Schalttemperatur nahezu beliebig einstellen. Dabei können auch Mischungen von unterschiedlichen Flüssigkristal­ len zum Einsatz gebracht werden. Die beiden Zylinder befin­ den sich in einem Gehäuse 14 über elastische Elemente 16, 17 gelagert.

Bei der Materialauswahl für die Bauteile des Schaltelementes können prinzipiell alle stabilen Metalle, Legierungen, Kunststoffe, insbesondere Duroplaste, verwendet werden.

Vorteilhaft ist es für die Teile, welche mit den Flüssig­ kristallen in Berührung kommen, relativ inerte Metallegie­ rungen zu verwenden, z. B. CrNi-Stähle. Insbesondere ist der Einsatz von katalytisch wirksamen Materialien, wie z. B. Messing, zu vermeiden.

Die Wahl der Materialien hängt im wesentlichen davon ab, welche Eigenschaften das Schaltelement aufweisen soll.

Hierbei spielen vor allem die spezifischen Wärmeleitfähig­ keiten und -kapazitäten, die einen Einfluß auf das Ansprech­ verhalten des Schaltelementes haben, eine Rolle.

Bei den Bauelementen, die nicht mit den Flüssigkristallen in Berührung kommen, ist die Materialauswahl im wesentlichen unkritisch.

Als elastische Elemente 16 bzw. 17 eignen sich Federn, insbesondere Schraubenfedern oder Gummizüge. Bei Aufbringen einer Kraft auf den Betätiger 4 oberhalb der Umwandlungstem­ peratur des eingesetzten Flüssigkristalls ist dieser nied­ rig-viskos und wird durch die im Oberteil des Zylinders 1 befindlichen Bohrungen in den Hohlraum verdrängt, der sich zwischen Kolben 8 und Zylinder 1 aufgrund der einwirkenden Kraft bildet.

Die Kolbenstange 6 wird dabei nicht betätigt, der Schaltvor­ gang unterbleibt. Nach Loslassen des Schalters wird der Zylinder 1 durch die Feder 17 in die Ausgangslage zurück­ gedrückt, wobei der Flüssigkristall wieder in den Hohlraum zwischen Zylinder 1 und 3 gesaugt wird.

Bei Aufbringen einer Kraft auf den Betätiger 4 unterhalb der Umwandlungstemperatur des Flüssigkristalls ist dieser hoch-viskos und verdrängt somit den Zylinder 1, wodurch die Kolbenstange 6 zur Auslösung des Schaltvorganges betätigt wird.

Nach Loslassen des Betätigers 4 werden die Zylinder 1 (durch das elastische Element 17) und 2 (durch das elastische Element 16) wieder in die Ausgangslage zurückgebracht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Schaltelement auch zu einem "umgekehrten" Schalteffekt eingesetzt werden.

Bei dieser Ausführungsform wird beispielsweise

• - die Kolbenstange 6 am Kolben 8 befestigt,
• - das elastische Element 17 wird durch ein starres Element (z. B. eine Hülse) ersetzt,

dies hat zur Folge, daß das Schaltelement bei einer Tempera­ tur oberhalb des Phasenumwandlungsproduktes schaltet. Dabei bewegt sich der Kolben bei Betätigung des Betätigers 4 zusammen mit der Kolbenstange 6 nach unten. Bei einer Temperatur unterhalb des Phasenumwandlungsproduktes läßt sich der Schalter nicht betätigen, da der Zylinder 1 über die Hülse fest mit dem Gehäuse verbunden ist und die fluide Masse nicht durch die Bohrungen in dem Zwischenzylinder 1 und Kolben 8 gebildeten Hohlraum dringen kann.

Die in Fig. 2 gezeigte Temperaturabhängigkeit der Viskosität eines Flüssigkristalls, nämlich trans,trans-4′-Pentyl-4- ethoxy-bicyclohexan, zeigt, daß die Viskosität unterhalb der Phasenumwandlung dieses Flüssigkristalls sprunghaft ansteigt, was zur Folge hat, daß sich das Schaltverfahren des erfindungsgemäßen Schaltelements an diesem Umwandlungs­ punkt drastisch ändert.

Andere Flüssigkristalle weisen eine ähnliche Temperatur­ abhängigkeit der Viskosität auf, jedoch liegen bei diesem die Umwandlungspunkte bei anderen Temperaturen.

Das erfindungsgemäße Schaltelement ist aufgrund seines Konstruktionsprinzips in beliebiger Größe herzustellen. Über die Baugröße sind wiederum die Kenndaten des Schaltelementes zu beeinflussen. Ein Schalter mit relativ großer Masse arbeitet dabei wesentlich träger als ein Schalter mit geringen Abmessungen.

Ebenso sind die Maße der einzelnen Bauteile, wie z. B. der Bohrungen unkritisch.

Die erfindungsgemäßen Schaltelemente können überall dort eingesetzt werden, wo temperaturabhängige Schaltvorgänge benötigt werden.

Vor allem in der Sicherheitstechnik lassen sie sich hervor­ ragend einsetzen, vorzugsweise zum temperaturabhängigen Ein- und Ausschalten von Maschinen, insbesondere im EX-Bereich. Weiterhin ist es möglich die erfindungsgemäßen Schaltele­ mente für automatische Schaltvorgänge und Brandschutztechni­ ken einzusetzen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltele­ mente liegt darin begründet, daß aufgrund der physikalischen Kenndaten des jeweils verwendeten Flüssigkristalls der Schaltpunkt genau definiert ist und auch durch äußere Einflüsse nicht geändert werden kann.

Ein weiterer Vorteil ist in dem "Fail-Safe" Verhalten der erfindungsgemäßen Schaltelemente zu sehen.

Falls es durch Einwirkung äußerer Gewalt zu einer Beschädigung des Schaltelementes kommt, wobei die fluide Masse ausläuft, verliert das Schaltelement gänzlich seine Funktion. Dadurch läßt sich z. B. eine überhitzte Maschine nicht mehr einschalten bis das defekte Schaltelement ausge­ wechselt wird.

Claims (9)

1. Mechanisches Schaltelement für temperaturgesteuerte Schaltvorgänge bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
• - einem frei beweglichen Kolben, innerhalb dieses Zy­ linders,
• - der in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zy­ linder geführt ist,
• - wobei der zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildete Hohlraum und/oder der Hohlraum zwischen dem beweglichen Kolben und dem versehenen Deckel des inneren Zylinders eine fluide Masse ent­ halten,
• - einem Gehäuse, in dem der äußere Zylinder über ela­ stische Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente gelagert sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die fluide Masse thermotrope flüssigkristalline Phasen auf­ weist.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Zylinder die fluide Masse enthält.

3. Schaltelement, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Viskosität der fluiden Masse bei Übergang von der flüssigen in eine flüssigkristalline Phase bzw. von einer flüssigkristallinen Phase in eine andere sprunghaft ändert.

4. Schaltelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufbringen einer Kraft auf den äußeren Zylinder in Richtung des inneren die fluide Masse oberhalb ihres Phasen-Umwandlungspunkts durch die Bohr­ ungen des Zylinderdeckels in den inneren Zylinder ein­ dringt und den Kolben verdrängt.

5. Schaltelement, nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Wegfall der äußeren Kraft auf den äußeren Zylinder die fluide Masse oberhalb ihres Phasen-Umwandlungspunkts durch die Bohrungen des Zy­ linderdeckels in den äußeren Zylinder eindringt, wobei die­ ser aufgrund der Krafteinwirkung der elastischen Elemente in die Ruhelage zurückbewegt wird.

6. Schaltelement, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufbringen einer Kraft auf den äußeren Zylinder in Richtung des inneren die fluide Masse unterhalb ihres Phasen-Umwandlungspunkts nicht durch die Bohrungen des Zylinderdeckels eindringt, sondern den inneren Zylinder entgegen der Rückstellkräfte der ela­ stischen Elemente bewegt.

7. Verwendung von thermotropen Flüssigkristallen bei tem­ peraturgesteuerten Schaltvorgängen, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schaltelement besteht aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
• - einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zy­ linders,
• - der in einem zweiten einseitig offenen, äußeren Zy­ linder geführt ist,
• - wobei der zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder gebildete Hohlraum und/oder der Hohlraum zwischen dem beweglichen Kolben und dem Deckel des inneren Zylinders den thermotropen Flüssigkristall enthalten,
• - einem Gehäuse, in dem der äußere Zylinder über ela­ stische Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente gelagert sind.

8. Verwendung von thermotropen Flüssigkristallen nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösen eines unter Vorspannung stehenden Schaltelementes verhindert wird und beim Erreichen einer bestimmten Temperatur­ schwelle freigegeben wird.