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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion eines Druckschalters
zum Einsatz im Kühlkreis
einer fahrzeugmontierten Kühlvorrichtung,
der so eingestellt ist, dass der Kompressor abgeschaltet und das
System geschützt
wird, wenn der Kühlmitteldruck
im Kühlkreis
einem vorbestimmten Druck gleich oder höher als dieser bzw. niedriger
als oder gleich diesem wird.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Ein
konventioneller Druckschalter dieser Art ist in 2 und 3 dargestellt.
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2 ist
eine Senkrechtschnittansicht, aus welcher der konstruktive Aufbau
eines Druckschalters ersichtlich ist. 3 ist eine
im größeren Maßstab gezeichnete
Querschnittsansicht des durch einen gestrichelten Kreis gekennzeichneten
Teils in 2. In beiden Zeichnungen ist
der Druckschalter in einer gegenüber
der effektiven Gebrauchsrichtung verkehrten Position dargestellt.
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Gemäß Zeichnung
umfasst der Druckschalter 100 ein Gehäuse 1 mit einem Innenraum,
eine Schalterzelle 2, eine Membran 3, eine erste Schnappscheibe 41,
eine zweite Schnappscheibe 42, ein Aufnehmerelement 5,
einen Antriebsschaft 6, einen ersten Schalterhebel 7 und
einen zweiten Schalterhebel 8.
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Das
Gehäuse 1 weist
einen Kanal 11 für
die Einleitung eines Fluids an einem Ende, einen zum anderen Ende
hin offenen Innenraum 12, einen Anschlag 15 zum
Befestigen eines Dichtungselements 29 und ein Dichtungs-Tragelement 16 auf.
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Das
Dichtungselement 29 ist als ringförmiger elastischer Körper beispielsweise
aus Nitrilbutadien-Kautschuk hergestellt und wird von einem Dichtungs-Tragelement 16 gehalten.
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Die
aus einem elektrisch isolierenden Material wie glasfaserverstärktem Polybutylenterephthalatharz
hergestellte Schalterzelle 2 ist an einem Ende mit einem Öffnungsbereich
versehen, der an dem anderen Ende des Gehäuses 1 mit dem eingeschobenen
Dichtungselement 29 mechanisch aufgepresst ist.
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Die
Schalterzelle 2 weist einen Innenraum 21 mit einem
offenen Ende, in dem ein Druckschaltermechanismus 22 angeordnet
ist, sowie am anderen Ende eine Öffnung 22 für den elektrischen
Anschluss auf. Innenraum 21 und Öffnung 22 sind durch
eine Zwischenwand voneinander getrennt.
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Eine
Führungswand 24 zum
Führen
eines Aufnehmerelements 5 ist um den Innenraum 21 herum
angeordnet. Auf der Führungswand 24 befindet sich
auf der Zwischenwandseite eine begrenzende Abstufung 25,
die nach innen vorspringt und die Bewegung des Aufnehmerelements 5 in
Richtung auf die Zwischenwand begrenzt.
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Weiter
ist eine tragende Abstufung 26 kleineren Durchmessers zum
Abstützen
des Randbereichs einer zweiten Schnappscheibe 42 auf der
Zwischenwandseite der begrenzenden Abstufung 25 nach innen
verlaufend ausgebildet.
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Der
im Innenraum 21 der Schalterzelle 2 untergebrachte
Druckschaltermechanismus weist eine beispielsweise aus Polyimidharzfolie
hergestellte Membran 3, ein beispielsweise aus Polybutylenterephthalatharz
(PBT) bestehendes Aufnehmerelement 5, eine zweite Schnappscheibe 42 aus
Stahl, einen beispielsweise aus Keramikmaterial hergestellten Antriebsschaft 6,
einen ersten Schalterhebel 7, einen zweiten Schalterhebel 8 und
ein Anschlussklemmenpaar 9 auf.
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Der
Randbereich der Membran 3 im Druckschaltermechanismus ist
an einem Ende 27 der den Innenraum 31 umgebenden
Wand in der Schalterzelle 2 mittels eines Dichtungselements 29 auf
dem Dichtungs-Tragelement 16 des Gehäuses 1 luftdicht angeordnet.
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Das
Aufnehmerelement 5 ist scheibenförmig, wobei im Randbereich
der Scheibenoberfläche eine
nach oben vorspringende Außenwand 51 ausgebildet
ist. Ein Durchgangsloch 52 verläuft durch die vordere und die
rückseitige
Fläche
des Aufnehmerelements in dessen Mittebereich und es ist ein um das Durchgangsloch 52 auf
der rückseitigen
Oberfläche verlaufender
zentraler Vorsprung 53 vorgesehen.
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Das
Aufnehmerelement 5 ist im Innenraum untergebracht in der
Weise, dass es in Mittelachsenrichtung des Schalterkastens unter
Führung
durch die Führungswand 24 desselben
gleiten kann.
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Die
erste Schnappscheibe 41 ist so angeordnet, dass sie von
der Oberfläche
des Aufnehmerelements 5 abgestützt wird und weiterhin durch
die Außenwand 51 positioniert
mit der Membran 3 in Kontakt steht. Der Antriebsschaft 6 ist
im Innern des Durchgangslochs 52 des Aufnehmerelements 5 angeordnet,
steht mit der rückseitigen
Oberfläche
der ersten Schnappscheibe 41 in Verbindung und ist in Richtung
auf den zweiten Schalterhebel 8 weitergeführt.
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An
der Außenseite
des zentralen Vorsprungs 53 des Aufnehmerelements 5 befindet
sich in der Mitte der konvex geformten zweiten Schnappscheibe 42 eine
zentrale Öffnung 43.
Das Ende des zentralen Vorsprungs 53 ist gegenüber der
zentralen Oberfläche
des ersten Schalterhebels 7 vorgesehen.
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Der
Antriebsschaft 6 ist beispielsweise aus Keramikmaterial
hergestellt, wobei der Randbereich seiner Stirnfläche abgefast
sein kann. Die Fase kann wie in der Zeichnung dargestellt linear
oder bogenförmig
verlaufen.
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Der
erste Schalterhebel 7 besteht aus einem leitfähigen Körper, der
beispielsweise aus Phosphorbronze hergestellt ist, und ist mit einem
Endbereich auf der Umgebungswand des Innenraums 21 befestigt.
Ein Kontakt 71 ist am anderen Ende des ersten Schalterhebels 7 vorgesehen
und es ist eine Öffnung 72 in
dem Bereich zwischen den beiden Enden ausgebildet, durch welche
der Antriebsschaft 6 geführt ist.
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Ein
zweiter Schalterhebel 8 besteht aus einem leitfähigen elastischen
Körper,
der beispielsweise aus Phosphorbronze hergestellt ist, und mit einem Endabschnitt
auf der Umgebungswand des Innenraums 21 befestigt. Ein
Kontakt 81 befindet sich am anderen Ende des zweiten Schalterhebels 8 und
ein Kontaktbereich 82 in dem Abschnitt zwischen den beiden
Enden, den die Stirnfläche
des Antriebsschafts 6 kontaktiert.
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Ein
Anschlussklemmenpaar 9 ist mit dem ersten bzw. zweiten
Schalterhebel 7, 8 verbunden, wobei die Klemmen
durch die Zwischenwand 23 hindurch und über die Öffnung 22 nach außen geführt sind.
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Der
erste Schalterhebel 7 und der zweite Schalterhebel 8 bilden
den Schaltmechanismus.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist der auf dem zweiten Schalterhebel 8 angeordnete
Kontaktbereich 82 beispielsweise durch Formpressen hergestellt und
ist seine Oberfläche
als flache Fläche 89 ausgebildet.
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Es
folgt eine Beschreibung der Funktionsweise eines herkömmlichen
Druckschalters.
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Der
Fluiddruck, welcher der Membran 3 über den Fluidkanal 11 beaufschlagt
wird, drückt
die Membran 3 und damit auch das die erste Schnappscheibe 41 tragende
Aufnehmerelement 41 nach unten. Erreicht dieser Druck beispielsweise
0,25 MPa, so wird die zweite Schnappscheibe 42 aus ihrer
ursprünglichen
ersten Position, in der sie (wie in der Zeichnung dargestellt) in
Richtung Membran vorsteht, in eine zweite Position verschoben, in
welcher der zentrale Bereich der Scheibe zur Zwischenwand hin verschoben
wird. Bei dieser Verlagerung der Schnappscheibe 42 wird
das Aufnehmerelement 5 durch den Fluiddruck in Richtung
Zwischenwand verschoben und drückt
der zentrale Vorsprung 53 auf den ersten Schalterhebel 7,
wodurch die Schaltung erfolgt.
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Das
in Richtung Zwischenwand bewegte Aufnehmerelement 5 stößt gegen
die begrenzende Abstufung 25 auf der Innenwand der Schaltzelle 2, wodurch
die Weiterbewegung des Aufnehmerelements selbst bei steigenden Fluiddruck
eingeschränkt
wird. Damit wird der zweiten Schnappscheibe 42 keine weitere
Kraft beaufschlagt und erfährt diese
Scheibe 42 keinerlei unnötige Verformung, die ihre Funktion
beeinträchtigen
könnte.
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Wird
der Druck reduziert und fällt
der Fluiddruck auf 0,21 MPa ab, so verlagert sich die zweite Schnappscheibe 42 aus
der ersten in die zweite Position (wie in der Zeichnung dargestellt),
bewegt sich das Aufnehmerelement 5 zum Kanal 11 hin
und wird der zentrale Vorsprung 53 nicht länger gegen
den ersten Schalterhebel 7 gedrückt. Der Schalter wird somit
geöffnet.
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Steigt
der Fluiddruck in der Phase, da das Aufnehmerelement gegen die begrenzende
Abstufung 25 stößt und die
Schaltung erfolgt, auf 2,7 MPa an, so verschiebt sich die erste
Schnappscheibe 41 aus ihrer ersten Position, in der sie
gegen die Membran vorgespannt ist (wie aus der Zeichnung ersichtlich),
in die zweite Position, in welcher der mittlere Abschnitt zur Zwischenwand
hin vorspringt. Die Verschiebung wird über den Antriebsschaft 6 auf
den zweiten Schalterhebel 8 übertragen, der nach unten gedrückt wird
und damit den Schalter öffnet.
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Wie
bereits erläutert,
wird der konventionelle Druckschalter in der Weise betätigt, dass
die Schaltung bei einem vorgegebenen Druck erfolgt und der Schalter
bei zwei Druckhöhen
geöffnet
wird, nämlich bei über und
unter dem vorbestimmten Druck liegenden Druckhöhen.
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Die
US-PS 5 153 396 beschreibt eine Kombination aus einem Druckschalter
und einer Ventileinrichtung. Unter Druckeinwirkung kann ein Stift
verschoben werden und den Schalter öffnen oder schließen, dessen
Schaltmechanismus aus einer Blattfeder und einem Kontakt besteht.
Der Kontaktbereich, in dem der Stift die Blattfeder kontaktiert,
besteht aus einem "abgerundeten
Vorsprung" auf der
Blattfeder. Die US-PS 4 581. 509 offenbart einen "zustandsgesteuerten
Schalter", der auf
Temperatur oder Druck anspricht. In der US-PS 3 720 090 ist ein
auf Druck ansprechender Schalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
vorbeschriebene Druckschalter 100 nach dem Stand der Technik
weist einen Kontaktbereich 82 auf, der auf dem zweiten
Schalterhebel 8 mit einer flachen Oberfläche 89 ausgebildet
ist. Bei schlechter Verarbeitungsgenauigkeit der den Druckschalter
bildenden Bauteile oder ungenauem Zusammenbau des Schaltermechanismus
kann wie beispielsweise aus 4 ersichtlich
die Stirnfläche
des Antriebsschafts 6 unter Umständen nicht parallel zur Oberfläche des
Kontaktbereichs 82 zu liegen kommen, wodurch ein Versatz
des Schafts 6 bewirkt wird.
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4 zeigt
einen typischen Kontaktzustand des Antriebsschafts mit dem Kontaktbereich
des Schalterhebels, wobei die durchgezogene Linie den Zustand aufzeigt,
in dem der Antriebsschaft nicht parallel zur Oberfläche des
Kontaktbereichs liegt (Versatz), die doppelt-gestrichelte Linie
dagegen den Zustand eines parallelen Kontakts des Antriebsschafts mit
der Oberfläche
des Kontaktbereichs. Wie aus 4 ersicht lich,
ist eindeutig vorzuziehen, dass ein breiter Abschnitt der Stirnfläche 62 des
Antriebsschafts 6 die Oberfläche 89 des auf dem
zweiten Schalterhebel 8 ausgebildeten Kontaktbereichs 82 berührt.
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Bei
ungenauem Zusammenbau des Schalters oder ungenauer Verarbeitung
seiner Komponenten besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Mittelachse 63 des
Antriebsschafts 6 verkippt wird und wie durch die durchgezogene
Linie in 4 dargestellt die Oberfläche 8 des
Kontaktbereichs 82 nicht senkrecht schneidet, in welchem
Falle der Antriebsschaft 6 verkantet wird und nur ein Punkt 62 auf
dem Umfang der Stirnfläche 61 des
Schafts mit der Oberfläche 89 des
Kontaktbereichs 82 in Kontakt gelangt.
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In
diesem Versatzzustand kontaktiert nur ein Punkt 62 auf
dem Randbereich der Stirnfläche 61 des Schafts 6 die
Oberfläche 89 des
Kontaktbereichs 82 und wird der Punkt 62 wiederholt
mit dem aufgelaufenen Druck beaufschlagt. Nach längerem Einsatz wird der Punkt 62 zerrieben
und geht so verloren.
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Beim
Auftreten eines derartigen Problems wird nicht nur die Funktionsgenauigkeit
des Schaltvorgangs beeinträchtigt,
sondern auch die Kontaktfunktion als solche zerstört.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt die Ausschaltung der vorgeschilderten
Probleme. Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Druckschalters
ohne größere konstruktive
Veränderung
des konventionellen Schalters, der auf einfache Weise ohne unnötige Verbesserung
der Genauigkeit bei der Montage der einzelnen Bauteile zusammengebaut und
montiert werden kann und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird der in Anspruch 1 offenbarte Druckschalter bereitgestellt.
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In
Anspruch 2 wird gemäß der vorliegenden Erfindung
in Druckschalter nach Anspruch 1 beschrieben, dessen kugelförmige Oberfläche einen Krümmungsradius
im Bereich 2,0 bis 0,5 aufweist.
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KRUZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
im größeren Maßstab gezeichnete
Querschnittsansicht, aus welcher der Aufbau des Hauptteils des Druckschalters
(die Formen des Antriebsschafts und des Schalterhebels) nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist;
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2 eine
Senkrechtschnittansicht, aus der sich der Aufbau des Druckschalters
ergibt;
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3 eine
im größeren Maßstab gezeichnete
Querschnittsansicht, die im Ausschnitt der konstruktiven Gestaltung
des Antriebsschafts sowie des Kontaktbereichs des Schalterhebels
im Druckschalter zeigt; und
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4 eine
im größeren Maßstab gezeichnete
Querschnittsansicht, aus der im Ausschnitt der Kontaktzustand des
Antriebsschafts mit dem Kontaktbereich des Schalterhebels in einem
Druckschalter nach dem Stand der Technik ersichtlich ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUGNSFORMEN
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Es
folgt eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckschalters
mit Bezug auf 1. Bei dieser 1 handelt
es sich um eine im größeren Maßstab gezeichnete
Querschnittsansicht, welche den Aufbau des Hauptteils eines erfindungsgemäßen Druckschalters mit
einem Antriebsschaft 6 und einem auf einem Schalterhebel 8 ausgebildeten
Kontaktbereich 82 zeigt. In dieser Zeichnung nicht dargestellte
weitere konstruktive Ausgestaltungen dieses Druckschalters sind
wie in 2 dargestellt.
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Wie
aus 1 ersichtlich, ist der erfindungsgemäße Druckschalter 100 dadurch
gekennzeichnet, dass ein Kontaktbereich 82 auf einem zweiten
Schalterhebel 8, den der Antriebsschaft 6 kontaktiert,
eine gegenüber
dem des konventionellen Druckschalters unterschiedliche Form aufweist.
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Wie
aus 1 ersichtlich, besitzt der vom Antriebsschaft 6 kontaktierte
Kontaktbereich 82 eine kugelartige Form. Durch diese kugelförmige Ausbildung
der Oberfläche
des Kontaktbereichs 82 kontaktiert eine Stirnfläche 61 des
Antriebsschafts 6 selbst dann eine kugelförmige Oberfläche 83 des
Kontaktbereichs 82 in einem Kontaktpunkt 64, wenn
die Mittelachse des Antriebsschafts 6 infolge ungenauer Montage
usw. verkantet ist.
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Anders
ausgedrückt
befindet sich der Kontaktpunkt 64 an einer Stelle, an welcher
eine von einem Mittelpunkt 84 der kugelförmigen Oberfläche parallel
zur Mittelachse 63 des verkippten Antriebsschafts 6 gezogene
Linie die kugelförmige Oberfläche 83 schneidet.
Da der Kontaktpunkt 64 um eine Entfernung D von einem Randbereich 62 der
Stirnfläche
des Antriebsschafts 6 nach innen verlagert ist, erfolgt
keine Spannungskonzentration um die Randfläche herum. Damit wird der Randbereich 62 des Antriebsschafts 6 auch
dann nicht abgesplittert, wenn die Montagegenauigkeit relativ gering
ist.
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Es
folgt eine Erläuterung
der Ergebnisse der von den Erfindern bezüglich der Beschädigung (Anbrüche, Absplitterung)
des Antriebsschafts 6 auf der Basis des Krümmungsradius
der kugelförmigen Oberfläche 82 der
Kontakteinheit 82 durchgeführten Versuche.
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Mit
Bezug auf 1 wurde ein Test durchgeführt, um
den Zustand der Absplitterung um den Randbereich 62 der
Stirnfläche
des Antriebsschafts 6 herum unter besonderer Berücksichtigung
des Verhältnisses
zwischen dem Krümmungsradius
der kugelförmigen
Oberfläche 84 des
Kontaktbereichs 82 und dem Abstand D zwischen dem Kontaktpunkt 64 und
dem Rand 62 des Antriebsschafts 6 zu ermitteln, wobei
vorausgesetzt war, dass der Spalt zwischen der Mittelachse 63 des
Antriebsschafts 6 und der Mittelachse der Kontaktbereichs 82 eine
Größe von 0,1 mm
habe.
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Im
Ergebnis zeigte sich, dass bei einem Krümmungsradius von 2,0 mm oder
weniger der Rand 62 der Stirnfläche 61 des Antriebsschafts 6 keine
Absplitterung erfährt.
Andererseits konnte experimentell festgestellt werden, dass bei
einem Krümmungsradius
von weniger als 0,5 mm die Genauigkeit der Verarbeitung des Kontaktbereichs 82 durch Pressformen
geringer wird und weiterhin die Wahrscheinlichkeit besteht, dass
der Kon taktbereich 82 wegen seiner reduzierten Fläche durch
wiederholten Kontakt mit dem Schaft einem Abrieb ausgesetzt ist.
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Das
heißt,
dass mit der Verlagerung des Kontaktpunkts zwischen dem Antriebsschaft 6 und dem
Kontaktbereich 82 vom Rand 62 des Antriebsschafts 6 nach
innen, oder anders gesagt mit der Annäherung des Kontaktpunkts an
die Mittelachse 63 des Schafts 6, eine Verringerung
des auf den Rand 62 konzentrierten Drucks möglich ist
und dass auch die Möglichkeit
des Auftretens von Absplitterungen auf dem Schaft 6 geringer
wird. Da jedoch die Spitzenfläche
des Kontaktbereichs 82 reduziert ist, ist auch die Kontaktfläche zwischen
dem Schaft 6 und dem Kontaktbereich 82 kleiner,
was den Abrieb des Kontaktbereichs 82 verursachen kann.
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Auf
der Grundlage der vorbeschriebenen Untersuchungen haben die Erfinder
herausgefunden, dass der Krümmungsradius
der kugelförmigen Oberfläche des
auf dem Schalterhebel 8 ausgebildeten Kontaktbereichs 82 vorzugsweise
im Bereich 2,0 bis 0,5 mm und unter dem Gesichtspunkt
des Verhinderns von Abrieb und einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit
der Krümmungsradius
im Bereich 2,0 bis 1,5 mm liegen sollte.
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Wie
vorstehend bereits ausgeführt,
erfährt erfindungsgemäß der Randbereich 62 der
Stirnfläche des
Antriebsschafts 6 selbst dann keinerlei Absplitterung,
wenn der Antriebsschaft durch ungenauen Zusammenbau des Druckschalters
bedingt verkantet ist. Somit wird mit der Erfindung ein äußerst zuverlässiger und
einfach zusammenzubauender Druckschalter bereitgestellt.
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Die
vorstehende Beschreibung hat einen doppeltwirkenden Druckschalter
zum Gegenstand. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel
beschränkt,
sondern auch auf andere Druckschalter wie solche in dreifachwirkender
Ausführung anwendbar.
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Wie
gesagt wird mit der vorliegenden Erfindung ein Druckschalter bereitgestellt,
der einfach zusammenzubauen ist und eine hohe Zuverlässigkeit besitzt,
da auf dem Antriebsschaft im Gebrauch keine Absplitterung verursacht
wird.
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Weiter
steht mit der vorliegenden Erfindung ein Druckschalter mit absoluter
Schaltgenauigkeit zur Verfügung,
der in seinem konstruktiven Aufbau gegenüber einem konventionellen Schalter
nicht wesentlich verändert
ist.