DE9406806U1

DE9406806U1 - Bimetallschalter, insbesondere stromabhängiger Schalter

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Publication number: DE9406806U1
Application number: DE9406806U
Authority: DE
Original assignee: Thermik Geraetebau GmbH
Current assignee: Thermik Geraetebau GmbH
Priority date: 1994-04-23
Filing date: 1994-04-23
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2004-04-24
Also published as: ATE176832T1; EP0678891A1; ES2130462T3; DE59505108D1; EP0678891B1; DK0678891T3

Description

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DlPL.-PHYS. DR. RER. NAT. JOST LEMPERT D-76207 KARLSRUHE (DURLACH)

POSTFACH 410760

DIPL.-ING. HARTMUT LASCH TELEFON: (O72I] 9432815 TELEFAX: (0721)9432840

Thermik 12578.0/94 Le/es

Gerätebau GmbH 22. April 1994 Im Altgefäll 8

D-75181 Pforzheim

Bimetallschalter, insbesondere stromabhängiger Schalter

Die Erfindung betrifft einen Bimetallschalter, insbesondere stromabhängigen Schalter, mit einer Bimetallscheibe und mit einer von der Bimetallscheibe schaltbaren Schnappscheibe, die in einer Schließstellung des Schalters einen Stromfluß bewirkt und in einer Öffnungsstellung den Stromfluß unterbricht, wobei Bimetall- und Schnappscheibe beide in einem Gehäuse angeordnet sind, sowie mit einem im Stromkreis angeordneten Widerstandselement, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromflusses sich derart aufheizt, daß die Bimetallscheibe von einer Niedertemperatur- in eine Hochtemperaturstellung umschaltet.

Derartige Schalter sind in Ausgestaltungen bekannt, bei denen die Schnappscheibe im Schließzustand des Schalters stromführendes Teil ist und demgemäß einen geringen elektrischen Übergangswiderstand hat. Sie besteht aus einem Material hoher spezifischer elektrischer Leitfähig-

keit, wie insbesondere Kupferberyllium, und ist vorzugsweise versilbert. Dieser erstmals aus der DE-OS 21 21 bekannte Schalter wird in dieser Form als Temperaturschalter eingesetzt. Zur Ausbildung des Schalters als stromabhängig schaltendem Schalter wird an der Außenseite des Gehäuses ein Widerstands-Heizelement angebracht, wie in Form eines Hybridwiderstandes. Nachteilig ist, daß dieser Heizer eine erhebliche Heizleistung von bis zum W benötigt, um den Schalter in hinreichend kurzer Zeit von höchstens 20, vorzugsweise aber weniger als 14 see im Falle eines übermäßigen Stromflusses, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses eines durch einen solchen Schalter zu schützenden Motors, zum Abschalten, d.h. zum Öffnen zu bringen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Schalter dahingehend weiterzuentwickeln, daß er insbesondere als stromabhängiger Schalter bei konstruktiv einfacher Ausgestaltung durch geringere 0 Heizleistung ein schnelles und zuverlässiges Öffnen des Stromweges bewirkt.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Schalter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Widerstandselement an der Schnappscheibe ausgebildet ist. Durch die Anordnung des Widerstandselements an der Schnappscheibe wird erreicht, daß die im Fall eines zu hohen Stromes erzeugte Wärme erst durch das Gehäusematerial von außen ins Innere des Schalters zur Bimetall-0 scheibe dringen muß, um diese zum Schalten zu bringen.

Hierdurch wird erreicht, daß der Schalter bei wesentlich geringerer Heizleistung schaltet und darüber hinaus schneller und zuverlässiger schalten kann, da die im

Falle eines Überstroms bewirkte Wärmequelle näher am wärmeempfindlichen Bimetallelement angeordnet ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Widerstandselement einen Übergangswiderstand > 50 mOhm hat, wobei in weiterer Ausbildung der Übergangswiderstand bei mehr als 100, insbesondere im Bereich von 200 mOhm liegen sollte.

Das die Wärme erzeugende Widerstandselement kann dabei in verschiedener Weise gebildet sein. Eine äußerst bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die Schnappscheibe ausschließlich aus Material geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie Stahl, insbesondere CrNiAl-Stahl, oder Messing, besteht. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann darüber hinaus vorgesehen sein, daß eine Erhöhung des Übergangswiderstandes der Schnappscheibe durch Materialverjüngung (Schlitze) im Bereich von Rändern der Schnappscheibe bewirkt ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß ein Luftweg zwischen Ober- und Unterseite der Scheibe gebildet ist, so daß im Schaltfall Luft durch die vorgesehenen Öffnungen oder Schlitze hindurchtreten kann.

Alternative Ausgestaltungen sehen ein Schnappteil sehr hohen spezifischen Widerstandes und eine auf diesen aufgebrachte Widerstandsschicht definierten Übergangswiderstandes oder aber ein eine Schnappwirkung bewirkendes 0 Schnappteil sowie eine unter Zwischenlage einer Isolierung aufgebrachte Widerstandsschicht definierten Widerstandes, wobei die Isolierschicht das Schnappteil gegen Stromfluß isoliert, vor. Insbesondere bei der ersten Alternative, aber auch bei der zweiten Alternative kann

die Widerstandsschicht aus gut leitfähigem Material bestehen. Sie ist aber so ausgebildet, daß der gewünschte definierte relativ hohe Übergangswiderstand für den Stromweg gegeben ist. Dabei wird die Widerstandsschicht vorzugsweise nicht vollflächig auf dem Schnappteil ausgebildet sein, sondern eine Struktur haben, beispielsweise in Form von Leiterrippen, Mäanderführung oder dergleichen. In beiden Fällen werden die Schnappeigenschaften und Widerstandseigenschaften konstruktiv getrennt und verschiedenen Elementen, die selbstverständlich miteinander verbunden sind, zugeordnet. Dadurch können beide Eigenschaften mit hoher Genauigkeit reproduzierbar eingestellt werden, insbesondere der Übergangswiderstand der Widerstandsschicht.

Während der Schalter grundsätzlich in jeder Ausgestaltung ausgebildet sein kann, beispielsweise in einer solchen, bei der Bimetall- und Schnappscheibe einseitig eingespannt sind und an ihrem gegenüberliegenden Ende die 0 Schnappscheibe einen Kontaktknopf trägt, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, daß der Schalter achssymmetrisch ausgebildet ist und Bimetallscheibe sowie Schnappscheibe kreisringförmig ausgebildet sind. Hierbei liegt in der Regel die Schnappscheibe mit ihrem äußeren Umfangsrand in einer Niedertemperaturstellung in einem Bodenbereich eines leitfähigen Gehäuses auf und drückt mit ihrem inneren Umfangsrand gegen den Bund eines beweglichen Kontaktknopfes und über diesen den Kontaktknopf gegen einen stationären Gegenkontakt, der an einem iso-0 liert gegenüber dem Gehäuseunterteil angeordneten, ebenfalls leitfähigen Deckel ausgebildet ist. Die Bimetallscheibe umgibt ebenfalls kreisringförmig den beweglichen Kontaktknopf und zwar auf der der Schnappscheibe gegenüberliegenden Seite des Bundes des Kontaktknopfes.

Eine äußerst bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß der Schalter als selbsthaltender Schalter mit einem dem aus Bimetall- und Schnappscheibe gebildeten Schaltwerk parallel geschalteten Widerstand geringerer elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist. Dies beinhaltet die Anwendung des erfindungsgemäß an der Schnappscheibe vorgesehenen Widerstandselements bei einem derartigen selbsthaltenden Schalter.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bimetallschalters unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt: 15

Figur 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters im Schnitt;

Figur 2 eine Draufsicht auf eine spezielle

Ausbildung einer erfindungsgemäßen Schnappscheibe;

Figuren 3+4 Schnitte durch andere Ausführungsformen einer erfindungsgemäß verwendeten

Schnappscheibe.

Der erfindungsgemäße Bimetallschalter 1 weist in der dargestellten Ausführungsform ein topfförmiges Gehäuse 0 aus elektrisch leitendem Material auf. Eine Schnappscheibe 3 liegt mit ihrem äußeren Umfangsrand auf der Innenseite des Gehauseumfangsrandes auf und drückt mit ihrem eine mittlere Öffnung umgebenden Rand gegen den Bund eines Kontaktknopfes 4. Auf der der Schnappscheibe 3

abgewandten Seite des Bundes 4a des Kontaktknopfes 4 liegt eine Bimetallscheibe 6 auf, die in der Fig. 1 in ihrer spannungslosen Tieftemperaturstellung gezeigt ist. Das Gehäuse 2 ist durch einen ebenfalls elektrisch leitenden Deckel 7 verschlossen, der gegenüber dem Gehäusetopf 2 durch eine Isolierfolie 8, wie vorzugsweise aus Kapton, elektrisch isoliert ist. Auf dem Deckel 7 befindet sich eine Isolierscheibe 9, wie aus Nomex. Auf der Innenseite des Deckels 7 befindet sich mittig ein stationärer Kontakt 11. Die Schnappscheibe 3 drückt in der dargestellten Schließstellung des Schalters 1 über den Bund 4a den Kontakt 4 gegen den stationären Gegenkontakt 11. Hierdurch wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Gehäuse 2 und dem Deckel 7 über Schnappscheibe 3, Kontakt 4 und Gegenkontakt 11 hergestellt.

Damit der Schalter 1 als solcher in der dargestellten Ausführungsform als Stromschalter wirkt, besteht die Schnappscheibe 3 aus einem Material mit relativ hohem spezifischen Widerstand bzw. geringer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit. Während beispielsweise bei herkömmlichen Temperaturschaltern, die auf externe Temperaturen ansprechen, die Schnappscheibe aus versilbertem Kupferberyllium besteht, kann für den dargestellten 5 erfindungsgemäßen Stromschalter die Schnappscheibe 3 aus Stahl oder Messing, gegebenenfalls versilbert, bestehen, die gegenüber Kupfer einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand, nämlich einen insbesondere vier- bis achtmal so hohen spezifischen Widerstand haben können.

Falls der spezifische Widerstand bei gleichen Flächenmaßen der Schnappscheibe 3 noch höher sein soll, so können andere geeignete Legierungen mit hohem Widerstand eingesetzt werden; darüber hinaus kann bei gleichen mechanischen Schnapp- und Andruckeigenschaften eine Schnapp-

scheibe aus Federstahl dünner gewählt werden als die bekannte Schnappscheibe aus Kupferberyllium.

Im normalen Betriebsfall, in dem ein vorgesehener, nicht allzu hoher Strom fließt, befindet sich die Bimetallscheibe 6 in ihrer dargestellten Niedertemperaturstellung. In dieser Stellung drückt die Federschnappscheibe 3 den Kontaktknopf 4 gegen den Gegenkontakt 11, so daß, wie gesagt, der Stromfluß vom Gehäuseunterteil zum Deckel sichergestellt ist. Wenn bei dem gegen Überstrom zu schützenden Teil, wie beispielsweise einem Motor oder genauer dessen Spulenwicklung, ein Fehler auftritt, beispielsweise eine Kurzschlußverbindung, so erhöht sich der Stromfluß durch den Schalter 1 und insbesondere durch die Schnappscheibe 3; diese erwärmt sich aufgrund ihres relativ hohen Widerstandes, wodurch im Gehäuse eine Temperatur bewirkt wird, die oberhalb der Schalttemperatur der Bimetallscheibe 6 liegt. Diese springt dann in ihre nicht dargestellte Hochtemperaturstellung, bei der 0 sie mit ihrem äußeren Umfangsrand sich an der Unterseite des Deckels 7 (bzw. der dort befindlichen Isolierfolie 8) abstützt und mit ihrem inneren Umfangsrand den Bund 4a des Kontaktknopfes 4 und damit diesen nach unten drückt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen Kontaktknopf 4 und Gegenkontakt 11 geöffnet und damit der Stromfluß unterbrochen wird. Nach Abkühlung springt die Bimetallscheibe 6 wieder in ihre dargestellte Stellung um, so daß der Schalter dann wieder schließt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schnappscheibe mit relativ hohem Über-0 gangswiderstand kann auch bei einem selbsthaltenden Schalter realisiert sein, wie er beispielsweise aus der DE-OS 37 10 672 bekannt ist.

Alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Maßnahmen zur Erhöhung des Übergangswiderstandes der Schnappscheibe 3 sind weitere Ausbildungen möglich. So zeigt die Fig. 2 eine Schnappscheibe 3 mit am Innenumfang vorgesehenen radialen Schlitzen 12. Hierdurch wird der übergangswiderstand zwischen dem Außenumfang der Scheibe 3 und den verbleibenden Innenrandbereichen und damit der Gesamtwiderstand der Scheibe 3 ebenfalls erhöht.

Durch die Schlitze 12 werden Ventilationsöffnungen zwischen dem Bereich oberhalb und unterhalb der Schnappscheibe 3 geschaffen, so daß hier in vorteilhafter Weise ein Temperaturausgleich stattfinden kann; darüber hinaus kann beim Umschalten der Schnappscheibe 3 aus der in Fig. 1 dargestellten (Niedertemperatur-)Stellung unterhalb der Schnappscheibe befindliche Luft zur Oberseite durchtreten, so daß einseitig nicht ein Luftpolster als gegenwirkende (Luft-)Feder wirken kann.

In weiterer Ausbildung kann vorgesehen sein, daß die Schnappscheibe 3 mehrschichtig ausgebildet ist. Sie weist nach der Ausführungsform der Fig. 3 ein Schnappteil 13 aus einem Material mit sehr hohem spezifischen Widerstand auf, auf dem eine genau definierte Widerstandsbeschichtung 14 aufgebracht ist, die zur Kontaktierung im äußeren Randbereich gegebenenfalls um die äußere Kante des Schnappteils 13 herumgeführt sein kann, wie dies bei 16 dargestellt ist. Die Beschichtung 14 muß das Schnappteil 0 13 nicht vollflächig bedecken, sondern kann beispielsweise mit einem inneren umlaufenden Rand nach außen hin strahlenförmig ausgebildet sein, wobei der Randbereich 16 wiederum um den gesamten Umfang geführt ist. Hierdurch kann der Übergangswiderstand zwischen dem äußeren Rand 16

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und dem inneren, am Bund 4a des Kontakts 4 (Fig. 1) anliegenden Rand der Schnappscheibe 3 äußerst genau eingestellt werden.

Es ist auch möglich, ein Schnappteil 17 (Fig. 4) an sich aus einem Material mit guter Leitfähigkeit bzw. geringem spezifischen Widerstand auszubilden. In diesem Falle ist dafür zu sorgen, daß das Schnappteil 17 selbst keine durchgehende elektrische Verbindung zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kontakt 4 (Fig. 1) herstellt. Hierzu kann zunächst auf dem Schnappteil 17 der Schnappscheibe 3 eine isolierende Beschichtung 18 aufgebracht sein, die die Innenseite des Schnappteils 17 bei 19 isolierend abdeckt, so daß hier keine elektrische Verbindung zwischen dem Schnappteil 17 und dem Kontakt 4 möglich ist; auf der Isolierschicht 18 befindet sich dann wieder eine Widerstandsschicht 21, die am äußeren Rand (bei 22) in der unter Bezugnahme auf die Fig. 3 beschriebenen Weise um das Schnappteil 17 herumgeführt sein kann, um in diesem Bereich eine gute Kontaktierung mit dem Boden des Gehäuses 2 zu bewirken.

Insgesamt wird durch die genannten Maßnahmen ein äußerst zuverlässiger stromabhangiger Schalter geschaffen, der 5 bei kleinen Heizleistungen ein schnelles und reproduzierbares Schaltverhalten zeigt.

Claims

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DIPL. PHYS. DR. RER. NAT. JOST LEMPERT D-76207 KARLSRUHE (DURLACH)

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Thermik 12578.0/94 Le/es

Gerätebau GmbH 22. April 1994

Im Altgefäll 8

D-75181 Pforzheim

Schutzansprüche

1. Bimetallschalter, insbesondere stromabhängiger Schalter, mit einer Bimetallscheibe und mit einer von der Bimetallscheibe schaltbaren Schnappscheibe, die in einer Schließstellung des Schalters einen Stromfluß bewirkt und in einer Öffnungsstellung den Stromfluß unterbricht, wobei Bimetall- und Schnappscheibe beide in einem Gehäuse angeordnet sind, sowie mit einem im Stromkreis angeordneten Wider-Standselement, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromflusses sich derart aufheizt, daß die Bimetallscheibe von einer Niedertemperatur- in eine Hochtemperaturstellung umschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselemeht (3; 14, 21) an der Schnappscheibe (3) ausgebildet ist.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement einen Übergangswiderstand > 50 mOhm hat.
3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnappscheibe ausschließlich aus Material geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie Stahl oder Messing, besteht.
4. Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung des Übergangswiderstandes der Schnappscheibe (3) durch MaterialVerjüngung (Schlitze 12) im Bereich von Rändern der Schnappscheibe (3) bewirkt ist.
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Schnappteil (13) sehr hohen spezifischen Widerstandes und eine auf diesen aufgebrachte Widerstandsschicht (14) definierten Übergangswiderstandes .
6. Schalter nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch ein eine Schnappwirkung bewirkendes Schnappteil (17) sowie eine unter Zwischenlage einer Isolierung (18) aufgebrachte Widerstandsschicht (21) definierten Widerstandes, wobei die Isolierschicht (18) das Schnappteil (17) gegen Stromfluß isoliert.

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7. Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er achssymmetrisch ausgebildet ist und Bimetallscheibe (6) sowie Schnappscheibe (3) kreisringförmig ausgebildet sind.

Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als selbsthaltender Schalter mit einem dem aus Bimetall- und Schnappscheibe (6, 3) gebildeten Schaltwerk parallel geschalteten Widerstand geringerer elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist.