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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetisch betätigten Schwimmerschalter,
der nach Maßgabe
eines sich ändernden
Fluidspiegels betätigt
wird, und insbesondere einen magnetisch betätigten Schwimmerschalter, der
einen Schwimmerstabmagneten nutzt, der zwischen zwei einander abstoßend angeordnete
magnetische Körper
eingebaut werden kann, wobei das entstehende magnetische Zusammenwirken
zur Betätigung
eines Schalters führt.
Der vorliegende magnetisch betätigte
Schwimmerschalter kann betriebsfähig
an eine elektrische Lastvorrichtung, beispielsweise eine Pumpe,
angeschlossen werden.
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Den
Flüssigkeitsspiegel
abfühlende
Schwimmerschalter werden seit einiger Zeit verwendet. Diese Schalter
werden gewöhnlich
in Verbindung mit Pumpen oder anderen elektrischen Lastvorrichtungen
wie Warngeräten,
Magnetventilen, Halbleitervorrichtungen und dergleichen verwendet.
Bei Verwendung in Verbindung mit Pumpen werden die Schalter typischerweise
zum Erfassen eines gewünschten Flüssigkeitsspiegels
verwendet, und wenn der gewünschte
Spiegel erreicht ist oder überschritten
wird, betätigt
der Schalter die Pumpe und aktiviert sie anschließend, und
diese verdrängt
dann die Flüssigkeit so
lange, bis der Spiegel unter das gewünschte Niveau abfällt. Bei
solchen Ausführungsformen
wird der Flüssigkeitsspiegel
typischerweise von einem Schwimmer detektiert, der frei um ein Halteelement oder
einen Stab herum bewegbar ist, wobei der Schwimmer die Betätigung eines
Schalterelementes steuert, wenn er sich nach Maßgabe des Flüssigkeitsspiegels
entlang dem Schwimmerstab vertikal auf und ab bewegt. Wenn der Flüssigkeitsspiegel über einen
Sollwert ansteigt, wird der Schalter in einer ersten Weise betätigt, und
wenn der Flüssigkeitsspiegel
unter einen Sollwert abfällt,
wird der Schalter in einer zweiten Weise betätigt.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass es eine große Vielzahl von Schwimmerschaltern
gibt, und dass bei zahlreichen Schwimmerschaltern Magnete verwendet
werden. Es ist ebenso zu erkennen, dass bekannte Schwimmerschalter
oft mehrere und unterschiedliche Funktionen besitzen.
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In
US 4,836,239 von Kinkead
mit dem Titel "Water
Cooling Tower And Water Level Control System Therefor" werden zwei Magnete
verwendet, die in sich abstoßender
Anordnung ausgerichtet sind, so dass eine starke zusätzliche
Kraft vonnöten
ist, um das distale Ende eines Hebelarms zu bewegen. Diese Art einer
Anordnung sorgt nicht für
einen gleichmäßigen Schaltvorgang,
der für
viele Zyklen sicher wirkt.
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In
US 4,943,210 von Bailey
Jr. et al. mit dem Titel "Pump
Control System, Level Sensor Switch and Switch Housing" werden eine Flüssigkeitspumpe,
eine zum Teil hohle zylindrische Tonne, die um eine Spindel herum
angeordnet ist, und ein Zungenschalter verwendet. Die Spindel ist
leitfähig
mit einer Pumpe verbunden. In der Spindel befindet sich auf einer
vorgegebenen Höhe
ein normalerweise offener Zungenschalter. In der Schwimmertonne
befindet sich ein Ringmagnet, welcher den Schaft umgibt. Wenn die
Schwimmertonne mit dem Flüssigkeitsspiegel
steigt, werden die Zungen in dem Schalter durch die Magnetwirkung
des Ringmagneten von dem Magneten weg abgestoßen und drücken mithin die Zungen zusammen.
Durch den gegenseitigen Kontakt der Zungen wird der Schalter geschlossen und
ein Zeitgeber aktiviert. Diese Art einer Anordnung sorgt nicht für einen
gleichmäßigen Schaltvorgang
und eignet sich nicht gut für
Anwendungen an stark vibrierenden Pumpen.
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Ein
weiteres Beispiel für
einen Schwimmerschalter mit Magneten ist
US 5030803 von Yarbrough mit dem Titel "Offset Float Switch". Yarbrough stellt einen
Schalter bereit, der von zwei Schwimmern betätigt werden kann, und in den
Schwimmern befinden sich Schaltmagnete, mit denen der Schalter betätigt werden
kann, wenn das Fluid auf einen ersten Pegel absinkt, und in eine
zweite Stellung betätigt
werden kann, wenn die Flüssigkeit
auf einen zweiten Pegel absinkt, der über dem ersten Pegel liegt.
Wie Bailey Jr. et al. verwendet Yarbrough eine mittige Spindel, um
welche herum die Schwimmer angeordnet sind, und einen Zungenschalter
in der Spindel. Diese Art einer Anordnung sorgt nicht für einen
gleichmäßigen Schaltvorgang
und eignet sich nicht gut für
Anwendungen an stark vibrierenden Pumpen.
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In
US 5,141,404 von Newcomer
et al. mit dem Titel "Pump
Apparatu" werden
Magnete verwendet, die zur Betätigung
einer Pumpe in einander abstoßender
Anordnung angeordnet sind. Diese hier offenbarte Anordnung sorgt
nicht für
einen gleichmäßigen Schaltvorgang.
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In
US 5,155,311 ist eine Schwimmerschalteranordnung
für eine
Tauchpumpe offenbart, bei welcher die gesamte Schwimmerschalteranordnung
hermetisch mit einer Kappe abgedichtet ist, die in eine Nut passt,
die um den Außenrand
einer Basis herum ausgebildet ist. Die Basis ist an einem Ende eines Schwimmerstabs
vorgesehen.
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In
DE 2062 451 ist ein Schwimmerschalter offenbart,
der mit Magneten versehen ist. Die Magnete des Schwimmers wirken
mit Magneten zusammen, die auf einem Schaft in einem Schwimmerstab
befestigt sind. Das technische Problem der Erfindung besteht darin,
einen verbesserten Schalter zu schaffen, der magnetisch betätigt wird,
für viele
Zyklen sicher ist und für
einen gleichmäßigeren
und beständigeren Schaltvorgang
sorgt.
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Ein
weiteres Problem der Erfindung besteht darin, einen magnetisch betätigten Schwimmerschalter
zu schaffen, der gesondert oder in dem vorhandenen Gehäuse einer
elektrischen Lastvorrichtung, beispielsweise einer Pumpe, verwendet
werden kann.
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Die
oben genannten Probleme werden gemäß den Ansprüchen 1 und 26 gelöst.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG:
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Angesichts
der oben genannten Mängel
und des Ziels der Erfindung wird mit der vorliegenden Erfindung
ein magnetisch betätigter
Schwimmerschalter zum Ein- und
Ausschalten einer elektrischen Lastvorrichtung geschaffen, der sowohl
eine Anziehungskraft als auch eine Abstoßkraft nutzt, die kumulativ die
zur Betätigung
des Schalters notwendige Kraft bereitstellen. Rein abstoßende Magnetanordnungen können leichter
ihren Dienst versagen. Durch Nutzung sowohl der Anziehungskraft als
auch der Abstoßkraft
haben die Anmelder einen Schalter bereitgestellt, der gleichmäßiger und
beständiger
wirkt, so dass das System derart abgeglichen oder konfiguriert werden
kann, dass es im Vergleich zum Stand der Technik sicherer aktiviert
und entaktiviert wird. Das erfolgt mit einem Bügel mit magnetischen Enden,
die in einer einander abstoßenden
Anordnung angeordnet sind. Ein Schwimmerstabmagnet wird von einem
Schwimmerstab getragen, welcher derart angeordnet ist, dass er sich
derart vertikal nach oben und nach unten bewegt, dass der Schwimmerstabmagnet
magnetisch mit den zwei magnetischen Enden des Bügels zusammenwirkt, wenn die
Flüssigkeit über einen
vorgegebenen Pegel ansteigt, wobei der Schwimmerstabmagnet von dem
einen Ende angezogen und von dem anderen abgestoßen wird, so dass eine gleichmäßigere und
beständigere
Kraft erzeugt wird, welche den Schaltvorgang bewirkt. Wenn der Schwimmerstabmagnet
steigt, wird er zu Anfang von dem am nächsten befindlichen magnetischen Ende
des Bügels
nach unten abgestoßen.
Dadurch entsteht ein Translationswiderstand, welcher eine gleichwertige,
nach unten gerichtete Kraft an dem Schwimmer bereitstellt und dadurch
potenzielle Energie in dem Schwimmer speichert. Wenn der Flüssigkeitsspiegel
hoch genug ist, um diese nach unten gerichtete Kraft zu überwinden,
wird der Schwimmerstabmagnet nach oben zwischen die zwei magnetischen
Enden des Bügels
katapultiert, wodurch die in dem Schwimmer gespeicherte potenzielle
Energie in kinetische Energie umgewandelt wird, die eine horizontale
Schnappwirkung und einen Schaltvorgang des Bügels erzeugt, die zu Beginn
der Schaltbewegung für
mehr Schaltkraft sorgt. Während
der Laufbewegung nimmt die Abstoßkraft ab, und die Anziehungskraft
nimmt zu, wodurch eine gleichmäßigere kumulative
Kraft während
des gesamten Laufs bereitgestellt wird.
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Die
größere Kraft
am Ende des Schaltvorgangs ist erwünscht, da die elektrische Lastvorrichtung
eingeschaltet bleibt, bis der Flüssigkeitsspiegel unter
einen bestimmten Pegel abfällt.
Durch die von der Anwendung der Abstoß- wie auch der Anziehungskraft
bereitgestellte größere Schaltkraft
können kleinere Magnete
verwendet werden, und der Schwimmerschalter eignet sich dadurch
gut zu Anwendungen mit starker Vibration, beispielsweise zu einer
Anwendung, bei welcher die Pumpe eine starke Vibration erzeugt,
die zum vorzeitigen Ausfall führen kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass die
Energiemenge, die zum Eindrücken
des Schwimmerstabmagneten zwischen die zwei magnetischen Enden des
Bügels
notwendig ist, stets groß genug
ist, um den vollen Bewegungsbereich des Schalters sicherzustellen.
Die erfindungsgemäße Anordnung
wird durchweg stets betätigt,
sobald sich der Schalter zu bewegen beginnt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Schwimmerschalter
wird eine Steuervorrichtung geschaffen, die aus einem Befestigungselement,
einem bewegbaren, an dem Befestigungselement befestigten Bügelelement,
das durch Ausüben
einer äußeren Kraft
zwischen einer ersten Bügelposition
(FBP) und einer zweiten Bügelposition
(SBP) bewegbar ist, und aus einem Schalter besteht. Das Bügelelement
weist zwei Enden auf, von denen jedes Magneteigenschaften besitzt.
Die Enden des Bügels
sind in einer einander abstoßenden
Anordnung ausgerichtet. Der Bügel ist
funktionsmäßig derart
mit einem Schalter verbunden, dass sich der Schalter typischerweise
in seinem Ausschaltzustand befindet, wenn sich der Bügel in seiner
ersten Bügelposition
befindet, und sich in seinem Einschaltzustand befindet, wenn sich
der Bügel in
seiner zweiten Bügelposition
befindet. Über
die Steuervorrichtung ist der Schalter mit einer elektrischen Lastvorrichtung
wie einer Pumpe verbunden.
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Der
in der Steuervorrichtung verwendete Schalter weist eine übliche Konstruktion
auf und ist typischerweise ein Mikroschalter, der in der Technik auch
als Präzisions-Schnappschalter
bekannt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Schalter X3M302K2AA
verwendet, der von Burgess SAIA, Inc. in Buffalo Grove, IL 60089,
vertrieben wird, jedoch können
bei Bedarf auch viele andere Schalter verwendet werden. Wie weiter
oben dargelegt, kann der Mikroschalter derart konfiguriert (verdrahtet) sein,
dass der Normalzustand des Schalters der Ausschaltzustand ist, so
dass der Schalter in seinen Einschaltzustand gedreht wird, wenn
der Bügel
in die zweite Bügelposition
bewegt wird. Diese Konfiguration ist im allgemeinen die vorgegebene
Einstellung für die
meisten Schwimmerschalter und eignet sich für Abwärtspumpanwendungen, wie sie
in der Technik wohlbekannt sind. Jedoch kann der Mikroschalter auch
derart verdrahtet sein, dass er die Fähigkeit besitzt, dass der normale
oder erste Zustand der Einschaltzustand ist und der zweite Zustand
der Ausschaltzustand ist. Eine solche Konfiguration eignet sich
für Aufwärtspumpanwendungen,
die ebenfalls in der Technik bekannt sind.
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Der
Mikroschalter besitzt normalerweise auch ein Betätigungselement, das von einem
Vorspannelement vorgespannt ist. Das Vorspannelement wirkt derart,
dass es das Betätigungselement gegen
den Bügel
drückt,
um den Bügel
in seiner ersten Position zu halten. Die zum Bewegen des Bügels in
seine zweite Position ausgeübte
Kraft muss ausreichen, um die Vorspannkraft zu überwinden, um das Betätigungselement
in seine zweite Position herunterzudrücken und den Schalter in seinen
geschlossenen oder Einschaltzustand zu drehen. Wenn die Kraft von
dem Bügel
weggenommen wird, bewirkt die Vorspannkraft, dass das Betätigungselement
und der Bügel
in ihren ersten Zustand zurückkehren,
wodurch mithin der Schalter in seinen Ausschaltzustand oder offenen
Zustand zurück
gedreht wird.
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Die
zum Bewegen des Bügels
aus der ersten Position in seine zweite Position erforderliche Kraft wird
von einem Schwimmerstabmagneten zugeführt, der derart positioniert
ist, dass er magnetisch mit den entgegengesetzt orientierten magnetischen
Bügelenden
zusammenwirkt. Wenn der Schwimmerstabmagnet eingebracht wird, führt das
zu zwei magnetischen Wechselwirkungen, einer Abstoßkraft und
einer Anziehungskraft, die sich verbinden, um eine Kraft in einer
einzigen Richtung bereitzustellen, die ausreicht, um die von dem
Vorspannelement bereitgestellte Vorspannkraft zu überwinden
und den Bügel
aus seiner ersten Position in seine zweite Position zu bewegen.
Diese Kraft reicht aus, um den Bügel in
der zweiten Position zu halten und mithin den Schalter und die elektrische
Lastvorrichtung so lange in ihren Einschaltpositionen zu halten,
bis der Schwimmerstabmagnet entfernt wird.
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Der
Schwimmerstabmagnet wird auf Grund seiner Position oben an einem
vertikal befestigten Schwimmerstab in die notwendige Nähe zu den
Bügelelementen
gebracht. Der Schwimmerstab bewegt sich auf Grund dessen, dass ein
Schwimmer zwangsweise in einen entlang der Länge des Schwimmerstabs angeordneten
oberen Schwimmeranschlag eingreift, durch einen Schwimmerturm hindurch
in die Steuervorrichtung. Der Schwimmer greift in den oberen Schwimmeranschlag
ein, wenn das Fluid über
einen ersten vorgegebenen Pegel hinaus ansteigt. Wenn der Fluidspiegel
unter den ersten vorgegebenen Pegel abfällt, greift der Schwimmer nicht
mehr in den oberen Schwimmeranschlag ein, sondern bleibt auf Grund
der vergrößerten Kraftmenge,
welche durch die beschriebenen kombinierten Wechselwirkungen bereitgestellt
wird, in seiner zweiten Position. Erst wenn die Flüssigkeit
unter einen zweiten vorgegebenen Pegel absinkt und der Schwimmer
auf einem unteren Schwimmeranschlag zu liegen kommt, wird der Schwimmerstabmagnet veranlasst,
von den Bügelenden
abzufallen. Das erfolgt deshalb, weil mit dem gegen den unteren Schwimmeranschlag
wirkenden Gewicht des Schwimmers die Magnetkräfte mit einem Spielraum überwunden
werden.
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Die
Festigkeit der Vorspannkraft sowie die Magnetkräfte, wie sie oben beschrieben
sind, führen dazu,
dass sich der Bügel
entweder aus der ersten oder der zweiten Position mit einem Schnappvorgang
in die jeweils andere Position bewegt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird eine ausführliche
Beschreibung der Erfindung insbesondere an Hand der Zeichnungen
gegeben, in denen:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht der erfindungsgemäßen, magnetisch betätigten Schwimmerpumpe
in einer Anwendung als abwärts pumpende
Haltebeckenpumpe ist;
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2 eine
Ansicht von oben auf den erfindungsgemäßen Schwimmerschalter ist,
die den Bügel
in seiner ersten oder offenen Position zeigt;
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3 eine
Ansicht von oben auf den erfindungsgemäßen Schwimmerschalter ist,
die den Bügel
in seiner zweiten oder geschlossenen Position zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Schwimmerschalters ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht des Innenmechanismus des Schwimmerschalters
ist;
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6 eine
Ansicht von oben auf den Schalter ist;
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7 eine
Seitenansicht des Schalters ist;
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8 ein
elektrisches Schaltbild des Schalters ist;
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9 eine
Ansicht des Mikroschalters von oben nach unten ist, welche die alternative
Schließkontaktanordnung
und eine Ruhekontaktanordnung zeigt;
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10 eine
zum Teil auseinandergezogene Seitensicht ist, die den Schwimmerstab
und den von dem Schwimmerstabturm abgenommenen Schwimmerstabstift
zeigt;
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11 ein
Diagramm ist, das die Vergleichsfestigkeiten des magnetisch betätigten Schwimmerschalters
mit den einzelnen und den kumulativen Wirkungen einer Abstoßkraft eines
Magneten und einer Anziehungskraft eines Magneten an einem dritten Magnetkörper darstellt,
und
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12 die
gleiche Ansicht wie die in 10 gezeigte
ist, die zeigt, dass der Schwimmerstab von dem Schwimmerstabstift
in dem Schwimmerstabturm gelagert wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zwar
verkörpert
sich die Erfindung in vielen verschiedenen Formen, jedoch sind hier
spezielle, bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ausführlich
beschrieben. Diese Beschreibung ist eine beispielhafte Darstellung
der Prinzipien der Erfindung und soll die Erfindung nicht auf die
speziellen dargestellten Ausführungsformen
beschränken.
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1 zeigt
den erfindungsgemäßen, magnetisch
betätigten
Schwimmerschalter, der allgemein bei 10 gezeigt ist und
an einem Ablassrohr 12 befestigt ist, um den Spiegel einer
Flüssigkeit
in einem Haltebecken 14 unterhalb eines vorgegebenen Pegels 16 aufrechtzuerhalten.
Der Schwimmerschalter 10 umfasst einen Schwimmerstab 18 und
einen Schwimmer 20. Wenn der Flüssigkeitsspiegel in dem Haltebecken 14 ansteigt,
bewegt sich der Schwimmer 20 vertikal entlang dem Schwimmerstab 18 von dem
Flüssigkeitspegel 21 zu
dem Flüssigkeitspegel 16,
bis er in den Schwimmerstabmagneten 22 eingreift und diesen
vertikal hochsteigen lässt,
bis der Schwimmerschalter betätigt
wird und die Pumpe 24 zum Absenken des Flüssigkeitsspiegels
einschaltet. Der innere Schaltmechanismus ist in einem Gehäuse 23 versiegelt,
der mit Ultraschall an einer Basis 25 angeschweißt ist.
Zwar wird die bevorzugte Ausführungsform
in Zusammenhang mit einer Abwärtspumpanwendung
beschrieben, es sollte sich jedoch verstehen, dass der erfindungsgemäße Schwimmerschalter
zum Ein- und Ausschalten einer beliebigen elektrischen Lastvorrichtung,
beispielsweise einer Warnvorrichtung, verwendet werden könnte, um
ein Magnetventil oder eine andere gewünschte Anwendung zu betätigen. Der
Schwimmer 20 kann jeder standardmäßige Schwimmer sein, beispielsweise
ein festes Element, das aus leichtgewichtigem Material mit einer
Dichte von weniger als der des zu pumpenden Fluids besteht, oder
ein unten offener Schwimmer, die beide in der Technik wohlbekannt
sind. Es sollte sich verstehen, dass der erfindungsgemäße, magnetisch
betätigte
Schwimmerschalter in Verbindung mit jeder Flüssigkeit verwendet werden kann, jedoch
im Folgenden in Verbindung mit Wasser oder Abwasser beschrieben
ist.
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2, 3 und 4 zeigen
die verschiedenen freiliegenden Teile des erfindungsgemäßen, magnetisch
betätigten
Schwimmerschalters 10. Wie gezeigt ist, ist das bewegbare
Bügelelement 26 an
einem Drehzapfen 30 verschwenkbar an dem Befestigungselement 28 gelagert.
Das bewegbare Bügelelement 26 kann
entweder einschnappend an dem Drehzapfen 30 passen oder
kann derart angeordnet sein, dass es sich auf den Drehzapfen 30 absenkt. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
bestehen das Befestigungselement 28, das bewegbare Bügelelement 26 und
der Drehzapfen 30 aus geformtem Kunststoff, obwohl sie
aus jedem gewünschten
Material bestehen können.
Das bewegbare Bügelelement 26 weist
ein erstes magnetisches Ende 32, ein zweites magnetisches
Ende 34 und einen Hebelarm 36 auf, der gegen ein
Betätigungselement 38 anliegt. Das
Betätigungselement 38 ist
funktionsmäßig mit dem
Präzisionsmikroschalter 40 verbunden.
Der Mikroschalter 40 kann durch Drücken des Betätigungselement 38 aus
seiner normalerweise offenen ersten Position in seine gedrückte zweite
Position zwischen seinen beiden Zuständen umgeschaltet werden. Bei der
bevorzugten Ausführungsform
ist der Mikroschalter 40 elektrisch derart konfiguriert,
dass er eine Schließkontaktanordnung
aufweist (die weiter unten in Verbindung mit 9 erläutert ist).
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In 5–8 ist
der Mikroschalter 40 nunmehr ausführlicher gezeigt, wobei zu
sehen ist, dass das Vorspannelement 42 das Betätigungselement 38 in
normalerweise offener Position hält.
Wenn das Betätigungselement 38 gedrückt wird,
bringt dessen Basisabschnitt 43 Spannung zum Schalten von
Schalterelementen 45, 47 und 49 auf.
Die auf das mittige Element 47 aufgebrachte Spannung reicht
aus, um die Kraft gebogener Elemente 53 und 55 zu überwinden,
wodurch sich der Schalterkontakt 57 dem Kontakt 52 entgegen
bewegt. Wenn das Betätigungselement 38 losgelassen
wird, drückt
ein Vorspannelement oder eine Feder 42 gegen das Betätigungselement 38 und
bewirkt, dass sich der Schalterkontakt 57 dem Kontakt 52 entgegen
bewegt. 8 zeigt das elektrische Schaltbild,
das zeigt, dass der Kontakt 50 zwischen Kontakt 52 und
Kontakt 54 schaltet.
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Wie
in 9 gezeigt ist, funktioniert der Mikroschalter,
wenn der gemeinsame Kontakt 50 in der mit der Linie 100 angegebenen
Weise elektrisch mit dem Kontakt 52 verbunden wird, mit
einer Schließkontaktanordnung,
so dass die elektrische Lastvorrichtung ausgeschaltet ist, sofern
nicht der Mikroschalter 40 durch Drücken des Betätigungselementes 38 in
seinen zweiten Zustand gebracht ist. Eine Schließkontaktanordnung wird weithin
für Anwendungszwecke
wie abwärts
pumpende Haltebeckenpumpen verwendet. Obwohl nicht im Einzelnen
erläutert,
kann an dem Mikroschalter 40 in der mit der Linie 102 angegebenen
Weise der Kontakt 50 als Alternative auch elektrisch mit
dem Kontakt 54 verbunden sein, wodurch der Mikroschalter
zu einer Ruhekontaktanordnung umkonfiguriert wird, so dass die elektrische
Lastvorrichtung eingeschaltet ist, sofern nicht der Mikroschalter 40 durch
Drücken
des Betätigungselementes 38 in
seinen zweiten Zustand gebracht ist. Eine Ruhekontaktanordnung wird
weithin für
Anwendungszwecke wie aufwärts
pumpende Haltebeckenpumpen verwendet.
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Wie
in 2 und 5–7 gezeigt
ist, wird das Betätigungselement 38 durch
Ausübung
einer Vorspannkraft, die von einem Vorspannelement 42 geliefert
wird, normalerweise in der vollständig ausgefahrenen Position
gehalten. Wenn das Betätigungselement 38 auf
diese Weise vollständig
ausgefahren ist, befindet sich der Schalter 40 allgemein
in seinem ausgeschalteten Zustand. Die Vorspannkraft, die von dem
Vorspannelement 42 entgegen dem Betätigungselement 38 geliefert
und auf den Hebelarm 36 übertragen wird, reicht aus,
um das bewegbare Bügelelement 26 gegen
den Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 30 herum zu drücken. Der
Umfang dieser Bewegung wird dadurch beschränkt, dass die erste Außenwand 44 des
Schwimmerstabturms 46 entgegen dem ersten magnetischen
Ende 32 des bewegbaren Bügelelementes 26 vorhanden
ist. Wenn das erste magnetische Ende 32 gegen die erste
Außenwand 44 anliegt,
ist das bewegbare Bügelelement
als in seiner ersten oder offenen Position befindlich definiert.
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Der
Schwimmerschalter ist in 3 in seinem zweiten Zustand
gezeigt, in dem der Bügel 26 durch
eine äußere Kraft,
die weiter unten ausführlicher
erläutert
wird, in seine zweite oder geschlossene Position gedreht wurde,
in der die zweite Außenwand 48 des
Schwimmerstabturms 46 an die Innenseite 51 des
magnetischen Endes 34 anstößt. Der Schwimmerstab, der
den Schwimmerstabmagneten 64 trägt, wird weiter unten ausführlicher
erläutert.
Jedoch befindet sich der Schwimmerstabmagnet 64, wie er
in 2 gezeigt ist, weit genug unterhalb der magnetischen
Enden 32 und 34, so dass er nicht magnetisch mit
diesen zusammenwirkt. In 3 hat der Flüssigkeitsspiegel den Schwimmerstabmagneten 64 ausreichend
angehoben, so dass er magnetisch mit den magnetischen Enden 32 und 34 zusammenwirkt
und den Bügel 26 in
seine geschlossene Position drehen lässt. Wenn sich der Bügel 26 dreht,
liefert der Hebelarm 36 genug Kraft zu dem Betätigungselement 38,
dass es die Vorspannkraft des Vorspannelementes 42 überwindet.
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In 10 ist
nunmehr der Schwimmerstab 18 vor dem Zusammenfügen mit
dem Schwimmerstabturm 46 gezeigt. Oben an dem Schwimmerstab 18 ist
ein Schwimmerstabmagnetträger 22 befestigt, der
den Schwimmerstabmagneten 64 trägt. Wie am besten in 2 und 3 zu
sehen ist, befindet sich das magnetische Ende 32 in abstoßender Anordnung
mit dem Magneten 64, und das magnetische Ende 34 befindet
sich in anziehender Anordnung mit dem Magneten 64. Das
führt auch
dazu, dass die magnetischen Enden 32 und 34 einander
abstoßend
angeordnet sind. Wie festgestellt wurde, weist diese Anordnung,
die sowohl eine Anziehungskraft als auch eine Abstoßkraft nutzt,
die in der gleichen Richtung wirken, mehrere Vorteile gegenüber dem
Stand der Technik auf.
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Die
in 11 gezeigte Graphik zeigt die Summe 90 der
Anziehungskraft 92 und der Abstoßkraft 94 zwischen
den magnetischen Enden 32, 34 und dem Schwimmerstabmagneten 64.
Da sich die Stärke
jedes magnetischen Zusammenwirkens je nach dem Abstand zwischen
jedem beteiligten Magneten ändert,
kann die Summe der Anziehungs- und der Abstoßkraft dafür sorgen, dass eine einheitlichere
und gleichmäßigere Kraft
auf den Bügel 26 ausgeübt wird,
um diesen aus seiner offenen in seine geschlossene Position zu bewegen.
Durch das Zusammenwirken zwischen den magnetischen Enden 32, 34 und
dem Schwimerstabmagneten 64 wird auch der Schwimmerstabmagnet
bei seiner Steigbewegung abgestoßen, wodurch ein Widerstand
entsteht, der eine abwärts
gerichtete Kraft an dem Schwimmer herstellt. Wenn der Flüssigkeitsspiegel
hoch genug ist, um diese abwärts
gerichtete Kraft zu überwinden, wird
der Schwimmerstabmagnet nach oben zwischen die beiden magnetischen
Enden des Bügels katapultiert
und erzeugt einen einschnappend wirkenden Schaltvorgang, der mehr
Schaltkraft zu Beginn und am Ende des Schaltvorgangs sowie eine gleichmäßigere Kraft
dazwischen bereitstellt. Auf Grund der größeren Schaltkraft, die durch
Anwendung der Abstoß-
wie auch der Anziehungskraft bereitgestellt wird, können kleinere
Magnete verwendet werden und kann sich der Schwimmerschalter auch für Anwendungen
mit hoher Vibration sehr gut eignen, beispielsweise für eine Anwendung,
bei der eine Pumpe eine starke Vibration erzeugt, durch welche sich
der Schalter vorzeitig ausschalten kann. Auch kommt durch Kombination
der Abstoß-
und der Anziehungskraft eine größere Kraft
als durch Verwendung eines einzigen magnetischen Endes an dem Bügel 26 zustande.
Weiterhin führt
der Bügel 26 durch
Beschleunigung während
der Bewegung des magnetischen Endes 34 und des Schwimmerstabmagneten 64,
so dass die Innenseite 51 an die Außenseite 48 des Schwimmerstabturms 46 anstößt, einen "Einschnappvorgang" aus, der sich als
wünschenswert
erwiesen hat.
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Wieder
in 10 wird auch den Schalter durch diese magnetische
Anordnung bequem in seinem geschlossenen oder Einschaltzustand gehalten, bis
der Schwimmerstabmagnet 64 durch einen niedrigeren Flüssigkeitsspiegel
ausreichend abgesunken ist, so dass der Schwimmer 20 ausreichendes
Gewicht auf den unteren Schwimmerstabanschlag 68 aufbringt,
um die Anziehungskraft zwischen dem magnetischen Ende 34 und
dem Schwimmerstabmagneten 64 zu überwinden. Sobald der Flüssigkeitsspiegel
niedrig genug ist, um ausreichendes Gewicht auf den Anschlag 68 aufzubringen,
sinkt der Schwimmerstab 18 vertikal ab, so dass der Schwimmerstabmagnet 64 nicht
mehr mit dem magnetischen Ende 32 oder 34 zusammenwirkt.
Der Schwimmer 20 ist um den Schwimmerstab 18 herum
angeordnet und bewegt sich an dem Schwimmerstab 18 zwischen
einem oberen Schwimmeranschlag 74 und einem unteren Schwimmeranschlag 68 nach
oben und nach unten.
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Der
Schwimmerstabmagnetträger 22 besitzt einen
oberen Abschnitt mit einer derartigen Größe, dass er in den Schwimmerstabturm 46 passt,
und einen schmaleren unteren Abschnitt 70, der in der am besten
in 12 zu sehenden Weise aus dem offenen Boden des
Schwimmerstabturms 46 vorsteht. Ein abnehmbarer Stift 72 bildet
eine Sperre, durch welche der breitere obere Abschnitt von 62 oder
die Schulter 63 nicht unter den Stift 72 absinken
kann. Mithin ist der Schwimmerstabmagnetträger 22 auf einen Bewegungsbereich
zwischen dem Stift 72 und dem geschlossenen Oberteil des
Schwimmerstabturms 46 beschränkt. Der Bewegungsbereich lässt sich ändern, indem
die Höhe
des Schwimmerstabturms 46 geändert wird. Der Boden des unteren
Abschnitts 70 bildet auch einen oberen Schwimmeranschlag 74,
in den der Schwimmer 20 eingreift, um den Schwimmerstabmagnetträger 22 zu
heben, wenn der Flüssigkeitsspiegel
steigt. Es sollte sich verstehen, dass es viele Anordnungen zum
Eingrenzen des Trägers 22 in
dem Schwimmerturm 46 gibt, beispielsweise durch Ersetzen
des Stiftes 72 durch einen Teilboden an dem Schwimmerturm 46.
Um den Schwimmerschalter 10 zusammenzubauen, wird der Träger 22 in
den Schwimmerstabturm 46 eingesetzt, und der Stift 72 wird
in das Loch 76 eingesetzt. Das ist in 10 und 12 gezeigt.
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Wie
ebenfalls in 10 und 12 gezeigt wird,
ist der obere Schwimmeranschlag 74 als geformte Verlängerung
des unteren Abschnitts 70 des Trägers 22 zu sehen.
Dagegen ist der untere Schwimmeranschlag 68 als zylindrischer
Körper
oder als Manschette gezeigt, der/die reibschlüssig um den Schwimmerstab 18 herum
passt und bei Bedarf durch Verschieben in eine neue Stellung einstellbar sein
kann. Es sollte sich verstehen, dass die Schwimmeranschläge 68 und 74 in
verschiedenen Formen ausgeführt
sein können,
wobei die Anschläge 68 und 74 entweder
fest sein oder alternativ entlang dem Schwimmerstab 18 bewegbar
sein können,
so dass der Bewegungsbereich des Schwimmers 20 zwischen
den zwei Schwimmeranschlägen 68 und 74 verändert werden
kann. Bewegliche Anschläge
sind in der Technik wohlbekannt und können Vorrichtungen wie Klammern,
Laschen, Manschetten usw. umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Es
sollte sich verstehen, dass zwar der erfindungsgemäße Schwimmerschalter
in Verbindung mit einem Schwimmerschalter erläutert wurde, der von der elektrischen
Lastvorrichtung, beispielsweise einer Pumpe 24 getrennt
ist, jedoch das Befestigungselement 28, der Bügel 26 und
der Mikroschalter 40 leicht in das Gehäuse der elektrischen Lastvorrichtung,
beispielsweise einer Pumpe, eingebaut werden könnten.
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Funktionsweise:
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Bei
einem Abwärtspumpvorgang,
wenn der Flüssigkeitsspiegel
steigt und sinkt, bewegt sich der Schwimmer 20 entlang
dem Schwimmerstab 18 nach oben und nach unten. Wenn der
Flüssigkeitsspiegel steigt,
steigt der Schwimmer 20 mit diesem. Wenn der Flüssigkeitsspiegel
ausreicht, beispielsweise der in 1 bei 16 gezeigte
Spiegel, greift der Schwimmer 20 in den oberen Schwimmeranschlag 74 ein. Wenn
der Flüssigkeitsspiegel 16 weiter
steigt, bewirkt der Schwimmer 20, dass der Schwimmerstab 18 und
deshalb der Schwimmerstabmagnetträger 22 in dem Schwimmerstabturm 46 vertikal
steigen. Der Träger 22 steigt
mit dem Schwimmer 20 und dem Fluidspiegel 16 weiter,
bis der Träger 22 an
den geschlossenen oberen Abschnitt des Schwimmerstabturms 46 anstößt.
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Wie
oben erläutert,
wird der Schwimmerstabmagnet 64 von dem Schwimmerstabmagnetträger 22 getragen.
Auf Grund dessen, dass der Schwimmerstab 18 zu dem Oberteil
des Schwimmerstabturms 46 steigt, wirkt der Schwimmerstabmagnet 64 in
der in 3 gezeigten Weise magnetisch mit den abstoßend angeordneten
magnetischen Enden 32 und 34 zusammen. Durch dieses
magnetische Zusammenwirken wird der eine der Pole des Schwimmerstabmagneten 64 an
den Magnetpol des gegenüberliegenden
Bügelendes
angezogen, das hier als 34 gezeigt ist. Gleichzeitig wird
der verbleibende Pol des Schwimmerstabmagneten 64 von dem
gleichartigen Pol des verbleibenden Bügelendes 32 abgestoßen.
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Die
kombinierten abstoßenden
und anziehenden Magnetfelder erzeugen eine ausreichende Kombinationskraft,
um die von dem Vorspannelement 42 gelieferte Vorspannkraft
gegen das Betätigungsglied 38 zu überwinden.
Infolgedessen wird das Bügelelement 26 aus
der in 2 gezeigten, normalerweise ersten oder offenen
Position in die in 3 gezeigte zweite oder geschlossene
Position bewegt und drückt
mithin auf das Betätigungsglied 38 und
bringt den Mikroschalter 40 in den offenen oder Einschaltzustand,
wodurch die Pumpe 24 eingeschaltet wird.
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Das
magnetische Zusammenwirken zwischen den Bügelenden 32 und 34 und
dem Schwimmerstabmagneten 64 reichen aus, um den Schwimmerstab 18 trotz
des anfänglichen
Absenkens des Schwimmers 20 und des Lösens aus dem oberen Schwimmeranschlag 74 in
seiner gehobenen Position zu halten, wenn der Flüssigkeitsspiegel sinkt. Deshalb
bleibt die Pumpe eingeschaltet, bis der Schwimmerstabmagnet 64 in
der weiter unten erläuterten
Weise magnetisch von den Bügelenden 32 und 34 gelöst wird.
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Wenn
der Flüssigkeitsspiegel
weiter fällt,
trifft der Schwimmers 20 schließlich auf den unteren Schwimmeranschlag 68.
Bei fortgesetztem Fallen des Flüssigkeitsspiegels
reicht das auf den unteren Schwimmeranschlag 68 drückende Gewicht
des Schwimmers 20 aus, um das oben beschriebene magnetische
Zusammenwirken zu überwinden
und den Träger 22 zum
Absteigen in den Schwimmerstabturm 46 veranlassen, bis
die Schulter 63 an den Stift 72 in dem Schwimmerstabturm 46 anstößt oder
darauf zu liegen kommt.
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Beim
Entfernen des Schwimmerstabmagneten 64 aus den Bügelenden 32 und 34 reicht
die von dem Vorspannelement 42 ausgeübte Kraft aus, um das Betätigungselement 38 in
seine erste, vollständig ausgefahrene
oder geschlossene Position zurück
zu drücken.
Die von dem Vorspannelement 42 zu dem Betätigungselement 38 geführte Kraft
wird wiederum auf den Hebelarm 36 übertragen. Infolgedessen wird der
Hebelarm 36 von dem Mikroschalter 40 weg geschoben,
was dazu führt,
dass sich der Bügel
mit einem schnellen Schnappvorgang aus der zweiten Position zurück in die
ursprüngliche,
erste Position bewegt.
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Da
das Betätigungselement 38 in
seinen ausgefahrenen Zustand zurück
bewegt wird, werden der Mikroschalter 40 und ebenso die
Pumpe oder eine andere elektrische Lastvorrichtung 24,
die funktionsmäßig mit
dem magnetisch betätigten
Schwimmerschalter verbunden ist, in den normalerweise ersten oder "ausgeschalteten" Zustand zurück gedreht.
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Es
sollte sich verstehen, dass der beschriebene Vorgang bei einer Aufwärtspumpanwendung genutzt
werden könnte,
indem einfach 50 und 54 an Stelle der Kontakte 50 und 52 elektrisch
derart verbunden werden, dass die Pumpe 24 normalerweise eingeschaltet
ist und ausgeschaltet wird, wenn der Mikroschalter von dem Schwimmer 20 betätigt wird.
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Zwar
hat der obige magnetisch betätigte Schwimmerschalter
viele Zwecke und Ausführungsformen,
jedoch besteht der bevorzugte Zweck darin, als Betätigungsmittel
für eine
Pumpe oder eine andere Fluidsteuervorrichtung zu wirken. Beispiele
für andere
Verwendungszwecke des vorliegenden magnetisch betätigten Schwimmerschalters
sind die Verwendung des Schwimmerschalters zum Auslösen eines
Warnalarmgeräts
oder eines Signalisierungsmittels oder als Mittel zum Betätigen eines
Regelventils oder einer Dichtung. Auch können die Bauteile des vorliegenden
magnetisch betätigten
Schwimmerschalters in Abhängigkeit
von dem Zweck verschieden sein. Wenn der Schwimmer beispielsweise
in Wasser verwendet wird, kann er mit anderem Gewicht und anderen
Auftriebseigenschaften als bei Verwendung in Öl oder anderen schweren Fluids konfiguriert
sein.