DE4105236C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Betätigungselement für tempera­ turgesteuerte Vorgänge bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
  • -- einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylinders,
• - 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 elastische Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente gelagert sind, und
• - 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 Temperatur­ bereichen eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Schalter ist, daß sie nicht in der Sicherheitstechnik einge­ setzt werden können, da ein Explosionsschutz hier nahezu unmöglich ist.

Ähnliche Schalter, die als selbstrückstellbare thermische Sicherungen arbeiten, sind z. B. aus der DE-OS 30 06 474 bekannt. Dort wird jedoch nicht ein mechanischer Betäti­ gungsvorgang thermisch beeinflußt, sondern es wird der Kon­ takt zwischen zwei stromführenden Teilen aufgrund des Aus­ dehnens einer vorher festen Masse beim Schmelzen unter­ brochen.

Das Problem der Erfindung bestand darin ein, temperaturgesteu­ ertes Betätigungselement aufzuzeigen, wobei die Betätigungs­ temperatur in einem breiten Bereich variierbar ist, der zudem in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Betätigungs­ element bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
  • -- einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylinders,
• - 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 beide Zylinder über elastische Elemente gelagert sind, und wobei die fluide Masse thermotrope flüssigkristalline Phasen aufweist, gelöst.

Aus der Internationalen Patentanmeldung WO 89/08 136 sind mechanische Bauelemente bekannt, bei denen der Viskositäts­ sprung zwischen unterschiedlichen flüssigkristallinen Phasen zur thermischen Steuerung zwischen beweglichen Körpern aus­ genutzt wird.

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

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Betätigungselement für temperaturgesteuerte Vorgänge bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
  • -- einem frei beweglichen Kolben innerhalb dieses Zylinders,
• - 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 elastische Elemente und der innere Zylinder über elastische oder starre Elemente, vorzugsweise beide Zylinder über elasti­ sche Elemente, gelagert sind, und wobei die fluide Masse thermotrope flüssigkristalline Phasen aufweist, insbesondere ein Betätigungselement, wobei der äußere Zylinder die fluide Masse enthält.

Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind

• a) Betätigungselemente, wobei sich die Viskosität der flui­ den Masse beim Übergang von der flüssigen in eine flüssigkristalline Phase bzw. von einer flüssigkristal­ linen Phase in eine andere sprunghaft ändert;
• b) Betätigungselemente, 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) Betätigungselemente, wobei bei Wegfall der äußeren Kraft auf den äußeren Zylinder die fluide Masse oberhalb ihres Phasenumwandlungspunkt s durch die Bohrungen des Zylinder­ deckels in den äußeren Zylinder eindringt, wobei dieser aufgrund der Krafteinwirkung der elastischen Elemente in die Ruhelage zurückbewegt wird.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein Betätigungselement in geschnittener Seitenansicht (Ausgangslage),

Fig. 2 Temperaturabhängigkeit der Viskosität eines aus­ gewählten Flüssigkristalls.

Das in Fig. 1 dargestellte Betätigungselement 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 gummielastischem Material hergestellt. Vorzugsweise werden Elastomere mit geringer Affinität zu den verwendeten fluiden Massen eingesetzt, insbesondere fluorierte Kunststoffe, wie z. B. Polytetrafluorethylen.

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. Insbesondere 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 Flüssigkristallen zum Einsatz gebracht werden. Die beiden Zylinder befinden sich in einem Gehäuse 14 über elastische Elemente 16, 17 gelagert.

Bei der Materialauswahl für die Bauteile des Betätigungs­ elementes können prinzipiell alle stabilen Metalle, Legierun­ gen, Kunststoffe, insbesondere Duroplaste, verwendet werden.

Vorteilhaft ist es für die Teile, welche mit den Flüssig­ kristallen in Berührung kommen, relativ inerte Metallegierun­ gen 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 Betätigungselement aufweisen soll.

Hierbei spielen vor allem die spezifischen Wärmeleitfähig­ keiten und -kapazitäten, die einen Einfluß auf das Ansprech­ verhalten des Betätigungselementes 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, insbe­ sondere Schraubenfedern oder Gummizüge. Bei Aufbringen einer Kraft auf den Betätiger 4 oberhalb der Umwandlungstemperatur des eingesetzten Flüssigkristalls ist dieser niedrig-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 Betäti­ gungsvorgang 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 Kol­ benstange 6 zur Auslösung des Vorganges betätigt wird.

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

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Betätigungselement auch zu einem "umgekehrten" Betätigungseffekt 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 Betätigungselement bei einer Temperatur oberhalb des Phasenumwandlungsproduktes schaltet. Dabei bewegt sich der Kolben bei Betätigung des Betätigers 4 zusammen mit der Kolbenstange 6 nach unten. Bei einer Tempe­ ratur 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 Betätigungsverfahren des Betätigungselements an diesem Umwandlungs­ punkt drastisch ändert.

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

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

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

Die Betätigungselemente können überall dort eingesetzt werden, wo temperaturabhängige Vorgänge benötigt werden.

Vor allem in der Sicherheitstechnik lassen sie sich hervorra­ gend einsetzen, vorzugsweise zum temperaturabhängigen Ein- und Ausschalten von Maschinen, insbesondere im EX-Bereich. Weiterhin ist es möglich die Betätigungs­ elemente für automatische Vorgänge und Brandschutztechniken einzusetzen.

Ein wesentlicher Vorteil der Betätigungs­ elemente liegt darin begründet, daß aufgrund der physikali­ schen Kenndaten des jeweils verwendeten Flüssigkristalls der Betätigungspunkt genau definiert ist und auch durch äußere Einflüsse nicht geändert werden kann.

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

Falls es durch Einwirkung äußerer Gewalt zu einer Beschä­ digung des Betätigungselementes kommt, wobei die fluide Masse ausläuft, verliert das Element gänzlich seine Funktion. Dadurch läßt sich z. B. eine überhitzte Maschine nicht mehr einschalten, bis das defekte Betätigungselement ausgewechselt wird.

Claims (6)

1. Mechanisches Betätigungselement für temperaturgesteuerte Vorgänge bestehend aus

• - einem einseitig offenen inneren Zylinder, dessen Deckel mit Bohrungen versehen ist,
  • -- einem frei beweglichen Kolben, innerhalb dieses Zylinders,
• - 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 eine fluide Masse enthalten,
• - einem Gehäuse, in dem der äußere Zylinder über ela­ stische Elemente und der innere Zylinder über ela­ stische oder starre Elemente gelagert sind, und
• - wobei die fluide Masse thermotrope flüssigkristalline Phasen aufweist.

2. Betätigungselement, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Zylinder die fluide Masse enthält.

3. Betätigungselement, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, 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. Betätigungselement, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Aufbringen einer Kraft auf den äußeren Zylinder in Richtung des inneren die fluide Masse oberhalb ihres Phasen-Umwandlungspunkts durch die Bohrungen des Zylinderdeckels in den inneren Zylinder eindringt und den Kolben verdrängt.

5. Betätigungselement, nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch 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. Betätigungselement, 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 elastischen Elemente bewegt.