EP0013280A1

EP0013280A1 - Selektiv wirkender Thermoschalter, Verfahren zu seiner Auslösung und Verwendung als elektrische Sicherung

Info

Publication number: EP0013280A1
Application number: EP19780200393
Authority: EP
Inventors: Keith Dr. Melton; Olivier Dr Mercier
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-07-23
Also published as: DE7923665U1; EP0013280B1; DE2862188D1

Abstract

Es wird ein selektiv wirkender Thermoschalter und ein Verfahren zum Auslosen eines Schaltvorganges unter Verwendung eines Thermoschalters angegeben, bei dem das einen Schaltvorgang auslösende Schaltelement (18) aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Ein Schaltvorgang wird nur dann ausgelöst, wenn die durch eine Aufheizung bewirkte zeitliche Aenderung der Temperatur in dem Schaltelement im Bereich des Uebergangs von der Niedrig- zur Hochtemperaturphase der Formgedächtnislegierung einen vorgebbaren Grenzwert übersteigt. Bei einem derartigen Uebergang bewirkt der Formgedächtniseffekt eine zum Schalten verwendete, ruckartig verlaufende Gestaltsänderung, z.B. ein zerreissendes Schaltelements, wenn dieses einseitig unbeweglich gehalten ist. Dieses Schaltelement ist mit einer Masse (16) mechanisch gekoppelt, deren Trägheit zur Festlegung der Auslösebedingung massgebend ist. Der Thermoschalter eignet sich zum Abschalten von Ueberströmen, wenn Stromanstieg und -dauer einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermoschalter und ein Verfahren zum Auslosen eines Schaltvorganges unter Verwencang eines Tharmoschalters gemass dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6.
Sekannte Thermaschalter, wie z.B. Bimetallstreifen, Schmelzsicherungen oder Regelventile mit Thermoelementen, lösen einen Schaltvorgang bei einem Ueberschreiten eines vorgeb- taren Tecperaturwertes mit einer relativ grossen zeitli- snen Verzögerung aus. Ueblicherweise werden Thermoschalter r Unterbrechung eines elektrischen Stromkreises verwen.
Fur die Betriebssicherheit von elektrischen Geräten und An= lagen ist insbesondere die Fehlspannung und deren Dauer, Amplitudenanstieg und Repetition von Bedeutung. Ueber das elektrische Verteilernetz können Störspannungen in Geräten und Anlagen zu Störungen oder Zerstörungen an Halbleitern in empfindlichen elektronischen Schaltkreisen, zu Fehlfunktionen in Regelsystemen, zum Verlust von Informationen oder zu Ueberschlägen bei schlechter Isolation oder zu klein gewählten Kriech- oder Luftstrecken führen, Schalter mit grosser Zeitverzögerung sind für einen Schutz derartiger Geräte ungeeignet. Bimetallstreifen zeigen ausserdem bei längerer Benutzung Ermüdungserscheinungen, die zu einer Aenderung der Ansprechtemperatur führen.
Thermoschalter mit relativ kleiner zeitlicher Schaltverzögerung unter Verwendung eines den caltutragang auslösenden Elementes aus einer Formgedächtnislegierung sind unter anderem durch die DE-OS 2 026 629, 2 139 852 und 2 701 884 bekannt. Dabei wird die relativ grosse Formänderung dieses Schaltelementes bei dessen Temperaturerhöhung uber die Anirgstemperatur der Phasenumwandlung von der Niedrig- zur Hochtemperaturphase der Formgedächtnislegierung zum Betätigen eines Schalters verwendet. Das Schaltelement kann direkt von dem zu schaltenden Strom durchflossen und erwärmt sein. Die Erwärmung kann auch durch eine in die Schaltung eingefügte Heizung erfolgen. Durch die DE-OS 2 701 884 ist es bekannt, den Strom in der Schaltung beim Ueberschreiten eines bestimmten Maximalstromwertes zu unterbrechen. Ein Problem bei der Konstruktion von Schaltern insbesondere für den Leitungs- und Ueberstromschutz besteht darin, eine gute Selektivität in den Schaltbedingungen zu gewährleisten, d.h., der Schalter sollte nach Erreichen eines Stromtoleranzwertes nur beim Ueberschreiten eines vorgebbaren Stromanstiegs öffnen und nicht bei allen Ueberströmen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Auslösen eines Schaltvorganges bei hoher Selektivität der Schaltbedingung zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird gemäss dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis der Kinetik des Formgedächtniseffektes. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Schaltvorgang selektiv bezüg-ich des durch einen Ueberstrom verursachten Anfangswertes einer zeitlichen Aenderung der Temperatur in dem Schaltelement und nicht bezüglich der übertragenen Energie ist. Die durch eine Spannvorrichtung auf das Schaltelement aufgebrachte Vorspannung ist so einstellbar, dass das Schaltelement nach dem Durchgang eines unter kritischen Ueberstromes bei Abkühlung zurückverformt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es Zeigen:

Fig. 1 das Prinzip des Formgedächtniseffektes,
- a) den Einwegeffekt,
- b) den Zweiwegeffekt,
Fig. 2 die Dehnung als Funktion der Temperatur,
- a) für den Einwegeffekt,
- b) für den Zweiwegeffekt,
Fig. 3 das Schema eines einfachen Thermoschalters in einer auch für Prüfzwecke geeigneten Ausführungsform,
Fig. 4 die chemische Energie G der zwei Phasen Martensit und Austenit einer Formgedächtnislegierung als Funktion der Temperatur T (schematisch),
Fig. 5 den prozentualen Anteil des Martensits M als Funktion der Temperatur T,
Fig. 6 den elektrischen Widerstand R einer Formgedächtnislegierung (a) vor und (b) nach einem Aufheizen als Funktion der Zeit t,
Fig. 7 das Schema eines mechanischen Modells aus einer Feder K, einer Stossdämpfungseinrichtung mit einer Dämpfungskonstante α und einer Masse m,
Fig. 8a, 8b, 8c eine halbschematische Darstellung eines Thermoschalters in einem thermoelektrischen Schalter mit Zusatzsicherungselement und mechanischer Schaltverstärkung in verschiedenen Stellungen und
Fig. 9 ein Funktionsschaltbild des Thermoschalters.

Fig. la) zeigt den Einweg- und Fig. 1b) den Zweiweg-Formgedächtniseffekt. Diese Effekte treten bei Formgedächtnislegierungen, d.h. bei thermoelastischen Martensiten auf, die nach einer sogenannten pseudo-plastischen Verformung bei niedriger Temperatur wieder zu ihrer ursprünglichen Gestalt zurückkehren, wenn sie über eine kritische Temperatur erwärmt werden. Diese Legierungen existieren in einer martensitischen Tieftemperaturphase niedriger, flächenzentriert orthorhombischer oder monokliner Symmetrie und in einer austenitischen Hochtemperaturphase hoher, kubisch raumzentrierter Symmetrie. In der Martensit-Phase existieren keine Plättchen oder Lamellen, die verschiedene kristallographische Orientierung besitzen. Bei hoher Temperatur von z.B. 600°C bringt man die Legierung in eine gewünschte, z.B. gestreckte Stabform und tempert sie. Während der Abkühlung geht beim Ueberschreiten einer kritischen Temperatur die austenitische in die martensitische Phase über. Wird jetzt bei einer tiefen Temperatur T₁ deformiert, z.B. gebogen, so entsteht durch spannungsinduzierte oder reorientierte Martensitbildung eine quasistabile Form, welche die ursprüngliche gerade Struktur in sich trägt. Beim Aufheizen über eine Temperatur T₂, die über einer kritischen Temperatur liegt, entsteht beim Einwegeffekt aus der gebogenen spontan wieder eine gerade Struktur. Bei
einem anschliessenden Abkühlen findet keine spontane Formänderung mehr statt. Wird jedoch die Legierung bei der Temperatur T₁ erneut verformt, so wiederholt sich der geschilderte Effekt beim Aufheizen auf T₂.
Beim Zweiwegeffekt geht ein bei der Temperatur T verformter, z.B. gebogener Körper aus einer Formgedächtnislegierung beim Aufheizen auf die Temperatur T₂ spontan nur teilweise in die Ursprungsform zurück. Bei einem nachfolgenden Abkühlen auf T₁ verformt er sich wieder spontan, jedoch nicht bis zu dem von aussen aufgebrachten Verformungsgrad. Die beiden temperaturinduzierten, spontanen Formänderungen aind bei aufeinanderfolgenden Temperaturzyklen zwischen T₁ und T₂ wiederholbar.
Fig. 2 zeigt eine andere Darstellung der Gedächtniseffekte. In Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung können für den in Fig. 2a dargestellten Einwegeffekt Dehnungen bzw. pseudo-plastischen Verformungen bis zu etwa 8 % beim Aufheizen zurückgewonnen werden, während für den in Fig. 2b dargestellten Zweiwegeffekt Dehnungen bzw. Verformungen bis zu 1,5 % bekannt sind. Während durch Aufheizen die Verformung beim Einwegeffekt auf Null zurückgeht und beim Abkühlen diesen zurückgebildeten Formzustand beibehält, bleibt beim Zweiwegeffekt eine Verformung von etwa 2 % zurück. Beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur tritt dann eine spontane Verformung von etwa 1,5 % auf, die sich beim Aufheizen der Legierung spontan zurückbildet.
Der Zweiwegeffekt kann durch Erzeugung von Versetzungen und Gitterstörstellen z.B.

a) durch eine irreversible plastische Verformung über den pseudo-plastischen Bereich der Legierung hinaus, d.h. von mehr als etwa 8 %,oder
b) durch eine Temperaturerhöhung um etwa 50 K über die Endtemperatur der Austenitumwandlung hergestellt werden.

Der zu Versetzungen führende Anteil der Verformung wird beim Aufheizen nicht zurückgewonnen. Beim erneuten Abkühlen begünstigt das Eigenspannungsfeld der Gitterstörstellen die Rückbildung von Martensitorientierungen, die durch die ursprünglich aufgebrachte Spannung erzeugt wurden, und führt dazu, dass beim Abkühlen eine kleinere Formänderung in der Richtung der ursprünglichen Verformung stattfindet. Bei nachfolgenden thermischen Zyklen wird ein kleiner Zweiwegeffekt erzeugt.
Wird auf eine Formgedächtnislegierung eine Spannung ausgeübt, so verschiebt sich der Temperaturbereich der Phasenumwandlung zu höheren Temperaturen, wie in Fig. 2a gestrichelt angedeutet. Unbelastet kann die Umwandlung von der Niedrig- zur Hochtemperaturphase zwischen etwa -180°C und +250 C liegen, in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung.
In Fig. 4 ist die chemische Energie G der Martensit- und Austenitphase als Funktion der Temperatur T dargestellt. Bei niedrigen Temperaturen hat Martensit eine geringere Energie als Austenit. Oberhalb einer Temperatur T₀, bei der beide Phasen in thermodynamischem Gleichgewicht sind und gleiche chemische Energie G aufweisen, hat Austenit eine geringere Energie als Martensit.
Soll durch Abkühlen Austenit in Martensit umgewandelt werden, so muss die Formgedächtnislegierung unterhalb T abgekühlt werden, wie in Fig. 5 dargestellt, da wegen des Volumen Unterschiede elastische bzw. Keimbildungsenergie mitgeliefert werden muss.
Bei einer _Mart_ensit_umwandlung-Starttemperatur T_MS beginnt die Umwandlung, bei einer Martensitumwandlungs-Endzemperatur T_MF ist sie abgeschlossen, d.h., es bleibt kein Austenit zurück. Bereits bei Temperaturen oberhalb T_MS kann jedoch eine von aussen aufgebrachte Spannung einen chemische Energie Beitrag zur Keimbildungs- oder für den Martensit liefern, d.h., es kann ein spannungsinduzierter Martensit erzeugt werden. Wird ein Körper aus einer Formgedächtnislegierung zunächst unterhalb T_MS oder T_MF abgekühlt und dann verformt, so wird unter anderem durch einen Zwillings-Scherungsprozess eine Umorientierung der Martensitplättchen erzeugt, die beim Aufheizen zu einer Rückwandlung der Verformung führt.
Die Umwandlung von Martensit in Austenit beginnt bei einer sogenannten kritischen Temperatur T_AS oberhalb T₀ und endet bei einer Temperatur T_AF.
Um einen grossen Formgedächtniseffekt erzeugen zu können, muss die durch den Phasenübergang bedingte.Volumenänderung gering sein, da sonst viele Versetzungen erzeugt werden, um die Volumenunterschiede anzupassen. Durch eine erhöhte Versetzungsdichte wird der Martensit verfestigt bzw. gehärtet und eine Umorientierung durch eine aufgebrachte Spannung nicht mehr möglich, wie z.B. bei Stahl. Die für eine Anwendung als Schaltelement wichtigste Eigenschaft einer Formgedächtnislegierung besteht darin, dass bei der Rückwandlung der Verformung beim Aufheizen Arbeit geleistet bzw. eine Spannung erzeugt werden kann. Für Ni-Ti-Basislegierungen ist eine Energiedichte von 2 MJ/m³ erreichbar, welche wesentlich höher liegt als die von Bimetall. Durch eine Behinderung der Gestaltänderung beim Aufheizen sind Spannungen von mehr als 650 MPa erzeugbar. Die erreichbare Kraft und der Weg sind von der Probengeometrie abhängig. Bei einem Rundstab, dessen Länge 10 mal so gross ist wie sein Durchmesser, ist die Biegekraft 20 mal kleiner als die Zugkraft, aber die Verschiebung des freien Endes im Falle der Biegung ist 10 mal so gross wie die Verschiebung bei Zugbeanspruchung.
In Fig. 6 zeigt die Kurve a den Widerstand R eines Drahtes aus einer mechanisch belasteten bzw. vorgespannten Formgedächtnislegierung vor einem Aufheizen als Funktion der Zeit t. Die Kurve b wurde dadurch erzeugt, dass ein kurzfristiger Stromimpuls aus einer Kondensatorentladung (875 V, 25 µ F) durch diesen Draht geschickt und dadurch eine Aufheizung bewirkt wurde. Der Widerstand kennzeichnet die Struktur bzw. die Phasenumwandlung der Legierung. Die der gemessenen Widerstandsschwingung entsprechende Bewegung des Drahtes wird anhand eines in Fig. 7 dargestellten mechanischen Modells erklärt, in dem K die Federkonstante einer Feder, m eine Masse, die Dämpfungskonstante, x den Weg. bzw. eine Auslenkung, x bzw. x die erste bzw. zweite Ableitung des Weges nach der Zeit und g die Erdbeschleunigung bedeuten. Für dieses Modell gilt die Differentialgleichung:
mit der Anfangsbedingung:
wobei xmax die maximale Dehnung bedeutet, die durch Aufheizen eines Federkörpers als Ergebnis eines Formgedächtniseffektes erreichbar ist. Unter diesen Voraussetzungen hat die Differentialgleichung (1) die Lösung:
mit

stellt die elastische Energie der Feder dar, die beim Aufheizen in eine Gestaltänderung innerhalb einer charakteristischen Bewegungszeit
mit einer wirksam werdenden Kraft F umgesetzt wird.
Die Federkonstante K hängt von der Bewegungsart, wie Spannung, Biegung usw., vom Typ der Formgedächtnislegierung und von der Grösse einer mechanischen Vorspannung ab. Ohne Vorspannung ergibt sich K für Spannung bzw. Kompression zu:
mit

q Querschnittsfläche des Formgedächtniskörpers
1 Länge
d relative Dichte
C spezifische Wärmekapazität
Δs spezifische Entropie
Δh spezifische Enthalpie
C spezifische Wärmekapazität
ε_d durch Verformung aufgebrachte relative Formänderung und
ε_M maximale relative Formänderung durch Phasenumwandlung.

Erfolgt das Aufheizen eines aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Körpers bzw. Drahtes durch einen hindurchfliessenden elektrischen Strom I, so gilt für zeitliche Temperaturänderungen dT/dt in einem Temperaturbereich, in dem keine durch einen Formgedächtniseffekt bewirkte Formänderung erfolgt, die Beziehung:
wobei V das Volumen des Körpers bedeutet.
Oberhalb der kritischen Temperatur T_AS für die Rückverformung entsteht in dem Formgedächtniskörper eine mechanische Spannung σ proportional zu T - T_AS:
wobei σ₀ eine Material konstante ist. Diese Spannung σ wird in den in den Fig. 3 und 8a, Bezugsziffer 38, dargestellten Thermoschaltern zur Auslösung eines Schaltvorganges benutzt.
Das Prinzip der Thermoschalter wird anhand der Fig. 9 erläutert. Eine beliebige zeitabhängige physikalische Grösse f(t), die bei einer vorgebbaren Bedingung, z.B. beim Ueberschreiten eines bestimmten Grenzwertes, einen Schaltvorgang auslösen oder ein Schaltsignal y₁ zur Verfügung stellen soll, wird in einem Wandler 41 in eine dieser Eingangsgrösse f(t) zugeordnete zeitabhängige Wärme bzw. thermische Energie Q(t) transformiert, falls sie nicht bereits als Wärme vorgegeben ist. Diese Wärme Q(t) wird in einem weiteren Wandler 42 in eine Beschleunigung x transformiert, welche einem Vergleicher 43 mit einem Beschleunigungsgrenzwert x_G verglichen wird. Für x > x_G liegt am Ausgang y des Vergleichers 43 das Schaltsignal y₁ an, andernfalls das Signal y₂. Gleichbedeutend mit diesen vom Ausgang des Vergleichs abhängigen Signales y₁ bzw. y₂ ist ein "Ein-" bzw. "Ausschalten" oder ein "Umschalten" eines Schalters.
Bei den Thermoschaltern gemäss Fig. 3 und Fig. 8a, Bezugsziffer 38, ist die zeitabhängige physikalische Grösse f(t) ein.elektrischer Strom I(t). Die Wandler 41 und 42 werden durch das Schaltelement 18 aus einer Formgedächtnislegierung gebildet. Der elektrische Strom I(t) wird in diesem Schaltelement gemäss
in Wärme, diese gemäss Gleichung (11) in mechanische Spannung und diese gemäss_den Gleichungen (7) und (1) in Kraft F bzw. Beschleunigung x transformiert. Der Vergleicher 43 wird durch eine einstellbare Masse 16 dargestellt, wobei die Trägheit dieser Masse zur Realisierung des Beschleunigungsgrenzwertes x_G verwendet wird. Erst wenn eine durch'den Formgedëchwriseffent beim Aufheizen des Schaltelementes erzeugue Kraftwirkung bzw. Beschleunigung x' diesen vorgeb- baren Brenwer überschreitet, erfolgt eine Auslösung des Schaltsignals bzw. ein Schaltvorgang. Largsam verlaufende Strom- bzw Temperaturänderungen in Schaltelement 18 lösen somit keinen Schaltvorgang aus. Ebenso lösende Stromänderungen, die Temperaturänderungen ausserhalb der Phasenübergänge zwischen T_AS und T_AF bzw. zwischen T_MS und T_MF entsprechen, keine Schaltsignale aus. Es handelt sich so- 'mit um einen selektiy wirkenden Thermoschalter, der unter anderem für ein schnelles Abschalten von Ueberströmen geeignet ist. Dafür wird der Phasenübergang von Martensit in Austenit entsprechend dem Temperaturbereich von T_AS bis T_AF verwendet Dieser Schaltbereich ist durch Dimensionierung des Schaltelements, Zusammensetzung der Legierung und mechanische Vorspannung einstellbar.
Der in Fig. 3 schematisch dargestellte Thermoschalter besteht aus dem Schaltelement 18 in Form eines Rundstabes bzw. Drahtes von 6,5 mm Länge und 0,33 mm² Querschnitt aus einer Legierung von 3 M % Ni, 13 M % Al und 84 M % Cu, vergleiche Draht-Nummer 9 in Tabellen 1 und 2. Ein weiteres Beispiel für ein Schaltelement ist dort mit Draht-Nummer 8 bezeichnet. Das obere Ende des Schaltelementes 18 ist in einer oberen Halterung 19 gehalten, die unbeweglich an einer Befestigung 40 angebracht ist. Das untere Ende des Schaltelementes ist über eine Halterung 15 mit einer einstellbaren Masse 16 von 14,8 g und einer Zugfeder 14, die auch entfallen kann und im vorliegenden Beispiel mit der Federkonstante K = 0 angesetzt ist, gekoppelt. Die Zugfeder ist einseitig in einer Befestigung 13 unbeweglich gehalten. Masse 16 und Zugfeder 14 wirken als Spanneinrichtung zusammen und erzeugen eine mechanische Spannung auf das in der Niedrigtemperaturphase durch Dehnung pseudo-plastischer verformterSchaltelemente 18, die unterhalb dessen Zerreissspannung liegt. Durch das Schaltelement wird bei einer Zimmertemperatur von 20⁰C ein Strom I geschickt, der auf das Auftreten eines Ueberstromes zu überwachen ist. Ueberschreitet aas Strom-Zeitintegral
innerhalb eines Zeitintervalles mit 4t = 2 ms den Wert von SZ = ₁₀₀₀ A²s, so zerreisst das Schaltelement 18 und unterbricht den Stromkreis, wie in Fig. 3b dargestellt. Das Schaltelement wirkt hierbei als elektrische Sicherung mit einstellbarer Empfindlichkeit. Wenn der Stromanstieg schneller als ein vorgebbarer Wert ist, überschreitet die mechanische Spannung σ die Zerreisspannung des Schaltelementes bevor sich die Masse 16 zu bewegen beginnt. Die Anfangsgestalt des Schaltelementes ist so gewählt, dass der Abstand zwischen den Bruchstücken nach dem Zerreissen gross genug ist, um eine Trennung des Lichtbogens zu gewährleisten. Bei einem langsam ansteigenden Ueberstrom wird die Masse 16 bewegt und ^G wird niemals die Zerreisspannung des Schaltelementes überschreiten. Die Werte von m und K sind zweckmässig unter Verwendung einer Zweiweg-Gedächtnislegierung für das Schaltelement so gewählt, dass das Schaltelement durch Kühlung zurückverformt wird, vergleiche Fig. 2b, nachdem ein Ueberstrom mit unterkritischem Anstieg vorbei ist. Dieser Thermoschalter kann auch mit einem Schaltelement mit einem Einweggedächtniseffekt verwendet werden, wobei Formänderungen bis zu etwa 8 % nutzbar sind. Anstelle einer direkten Unterbrechung des Stromkreises kann die Lageveränderung beim Zerreissen des Schaltelementes in bekannter Weise als Mittel zum Auslösen eines anderen Schaltvorganges, erforderlichenfalls mit zwischengeschaltsten Verstärkung des Schaltsignals, verwendet werden. Der als elektrische Sicherung wirkende Thermoschaltar gemäss Fig. 3 ist anstelle einer Schmelzsicherung in einem konventionellen thermoelektrischen Schalter 50 gemäss Fig. 8 verwendbar, der zur Sicherung elektrischer Stromkreise gegen langsam oder stossartig zunehmende Ueberströme bekannt ist.
Fig. 8a zeigt einen derartigen thermoelektrischen Schalter 50 in halbschematischer Darstellung, jedoch mit einem Thermoschalter 38, der ein Schaltelement 18 mit einem Zweiweggedächtniseffekt aufweist, das beim Aufheizen nicht zerreissen und somit den Stromkreis nicht direkt unterbrechen kann. Im Unterschied zu dem Thermoschalter gemäss Fig. 3 ist bei dem Thermoschalter 38 die obere Halterung 19 des Schaltelementes 18 nicht unbeweglich gelagert, sondern mit einer Anlenkung 12 im Fangarm 23 über eine mechanische Kopplung 20 verbunden und gegen eine Zugfeder 11 beweglich.
Der elektrische Stromkreis geht von einer Anschlussleitung 7 über einen Festkontakt 6, ein Kontaktende 8 eines Kontaktarmes 4, der um eine Anlenkung 1 schwenkbar ist, über eine Verbindungsleitung 28, ein Zusatzsicherungselement 9, eine Verbindungsleitung 22, die obere Halterung 19 durch das Schaltelement 18 zur unteren Halterung 15 an eine Anschlussleitung 17.
Fliesst durch das Schaltelement ein Ueberstrom, der eine Gestaltänderung bzw. hier zur Kontraktion durch den Formgedächtniseffekt führt, so wird

1) die Anlenkung 12 gegen die Federkraft der Zugfeder 11 nach unten versetzt und
2) die Masse 16 und die mit ihr gekoppelte Zugfeder 14 aufwärts bewegt.

Für die zweite Bewegung, ist die Bewegungszeit Δt_m gemäss Gleichung (8) charakteristisch. Sobald die Bewegung abgeschlossen ist, verschwindet die Spannung σ, vergleiche Gleichung (11).
Die erste Bewegung wird den Schalter 50 nur dann auslösen, wenn σ über einen vorgebbaren kritischen Wert ansteigt, der zur Translation der Anlenkung 12 nach unten um z.B. 1 mm ausreicht. Andernfalls wird das Schaltelement 18 auf Grund der Einstellung der Werte von Masse 16 und Federkraft K der Zugfeder 14 nach dem Durchgang eines unter kritischen Ueberstromes durch Kühlung zurückverformt.
Kommt es jedoch zu einer Auslenkung der Anlenkung 12 nach unten, so wird der Fangarm 23 um eine Anlenkung 21 im Uhrzeigersinn geschwenkt, wie gestrichelt angedeutet, und gibt einen Winkelarm 37 zur Verschwenkung entgegen dem Uhrzeigersinn frei. Diese Verschwenkung ist gesperrt, solange ein Hakenende 25 des Fangarmes 23 an einem Fangende 24 des Winkelarmes 37 anliegt. Unter der Wirkung einer Druckfeder 2, die sich an eine Befestigung 3`abstützt, und den Kontaktarm 4 um seine Anlenkung 1 im Uhrzeigersinn zu bewegen sucht, wird der Winkelarm 37 mittels eines Schubarmes 29 um eine Anlenkung 26 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, wie in Fig. 8b dargestellt. Dabei hebt sich der Kontaktarm 4 vom Festkontakt 6 ab und unterbricht die elektrische Verbindung zwischen der Anschlussleitung 7 und der Verbindungsleitung 28. Der Schubarm 29 ist durch eine Anlenkung 5 mit dem Kontaktarm 4 verbunden. An seinen unteren Ende weist er eine Anlenkung 27 auf, die in einer Durchbrechung 36 des Winkelarmes 37 gleiten kann, wenn der Winkelarm verschwenkt wird. Beim Verschwenken gleitet die Anlenkung 27 in der Durchbrechung 36 nach links,wodurch der ebenfalls um die Anlenkung 27 schwenkbareRückstellhebel 32 mittels eines Schubarmes 30 in eine in Fig. 8c dargestellte Aus-Stellung bewegt wird. Der Rückstellhebel 32 steht unter der Zugspannung einer Zugfeder 34, die in einer Befestigung 37 verankert ist. Er ist über eine bewegliche Anlenkung 31 mit einem Ende des Schubarmes 30 verbunden. Das andere Ende des Schubarmes 30 ist durch die bewegliche Anlenkung 27 mit dem Schubarm 29 verbunden. Der Schalter 50 kann auch mit dem Rückstellhebel 32 wieder eingeschaltet werden, indem er im Uhrzeigersinn geschwenkt wird.
Die Thermoschalter gemäss Fig. 3 und Fig. 8a, Bezugsziffer 38, werden zweckmässig ergänzend zu einem Zusatzschaltelement 9 angewandt, das mittels einer mechanischen Kopplung 10 mit dem Fangarm 23 verbunden sein kann und auf andere schutztechnisch relevante Parameter anspricht.
Bemessungswerte für Schaltelemente 18, die sich zur Verwendung in dem Thermoschalter 38 eignen, sind in den Tabellen 1 und 2 unter den Drahtnummern 1 bis 7 angegeben. Die Werte in Tabelle 1 gelten für eine Zimmertemperatur von 20^oC, eine Auslenkung durch einen der Formgedächtniseffekte von 1 mm und eine Federkonstante K = 0 der Zugfeder 14. Die Zugfeder 14 kann bei beiden beschriebenen Thermoschaltern weggelassen werden, sie eignet sich jedoch zur Lagestabilisierung der Thermoschalter und zur Aufbringung einer Vorspannung auf das Schaltelement 18.
Für die Formgedächtnislegierung des Schaltelementes 18 eignen sich unter anderem von den Materialeigenschaften und vom Preis her besonders Legierungen auf der Basis Ni Ti, Ni Ti Cu gemäss DE-OS 2 644 041, Cu Zn, Cu Al, Ni Zn auch mit ternären und weiteren Komponenten wie Cu Al Ni, Cu Zn Al Ni usw.
Es versteht sich, dass die Erfindung auf das oben Dargestellte nicht beschränkt ist. So kann z.B. Formgebung des Schaltelementes 18 streifenförmig, rohrförmig, spiralförmig, gebogen usw. gestaltet sein. Das Schaltelement kann durch Biegen, Tordieren, Stauchen oder Strecken verformt sein. Die Auslösung eines thermoelektrischen Schalters 50 gemäss Fig. 8 kann durch Zug oder Druck erfolgen. Die durch das Schaltelement bewirkte Lageänderung kann in bekannter Weise z.B. mittels optischer, elektrischer oder hydraulischer Detektoren erfasst, verstärkt und auf ein anderes Schaltorgan übertragen werden.

B e z e i c h n u n g s l i s t e

1 Anlenkung von 4
2 Druckfeder
3 Befestigung von 2
4 Kontaktarm
5 Anlenkung
6 Festkontakt
7 Anschlussleitung
8 Kontaktende von 4
9 Zusachsicherungselement
10 mechanische Kopplung
11 Zugfeder
12 Anlenkung
13 Befestigung von 14
14 Zugfeder
15 untere Halterung von 18
16 Masse
17 Anschlussleitung
18 auslösendes Schaltelement
19 obere Halterung von 18
20 mechanische Kopplung
21 Anlenkung von 23
22 Verbindungsleitung
23 Fangarm
24 Fangende von 37
25 Hakenende von 23
26 Anlenkung von 37
27 Anlenkung
28 Verbindungsleitung
29 Schubarm
30 Schubarm
31 Anlenkung
32 Rückstellhebel
33 Anlenkung
34 Zugfeder
35 Befestigung von 34
36 Durchbrechung von 37
37 Winkelarm
38 Thermoschalter
40 Befestigung
41 Wandler
42 Wandler
43 Vergleicher
50 Schalter
A Austenit
C spezifische Wärmekapazität
d relative Dichte
f(t) zeitabhängige physikalischeg Grösse
F Kraft
g Erdbeschleunigung
G chemische Energie
h spezifische Enthalpie
I elektrische Stromstärke
K Federkonstante
1 Länge
m Masse
M Martensit
q Querschnittsfläche
Q(t) zeitabhängige Energie
s spezifische Entropie
t Zeit
t_m mechanische Bewegungszeit
T Temperatur
U elastische Energie der Feder
x Weg, Auslenkung
x Geschwindigkeit
ẍ Beschleunigung
ẍ_G Beschleunigungsgrenzwert
x_max maximale Dehnung
y Schalterausgang, Schaltsignal
y₁ Schaltsignal "Ein"
^y ₂ Signal "Aus"
SZ Strom-Zeitintegral
α Dämpfungskonstante
elastische Verformung
ε_d durch Verformung aufgebrachte
relative Formänderung
ε_M maximale relative Formänderung durch Phasenumwandlung
Dämpfungskonstante
spezifischer elektrischer Widerstand
mechanische Spannung
σ₀ Materialkonstante
Phasenwinkel
ω Kreisfrequenz

Claims

1. Thermoschalter

a) mit einem den Schaltvorgang auslösenden Schaltelement (18) aus einer Formgedächtnislegie ung

b) mit mindestens einer mit diesem Schal eiement zusammenwirkenden Schalteinrichtung (14, 16; 11, 14, 16),

dadurch gekennzeichnet, dass

c) dieses Schaltelement thermisch mit einer zu überwachenden, zeitabhängigen physikalischen Grösse f(t) und

d) mechanisch mit einer einstellbaren Masse (16) gekoppelt ist und dass

e) der Thermoschalter in Abhängigkeit vom Ueberschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes (x_G) der durch eine Temperatur- und Formänderung bedingten Beschleunigung (x) in dem Schaltelement (18) eine diese Ueberschreitung kennzeichnende Schaltposition (y=y₁; Fig. 8b) einnimmt.

2. Thermoschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Schaltelement (18) in einem Stromkreis eines zu schaltenden, elektrischen Stromes angeordnet.

3. Thermoschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Schaltelement (18) mit einer Auslösevorichtung (23) eines Schalters (50) gekoppelt ist.

4. Thermoschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Schaltelement (18) einseitig unbeweglich gelagert ist und

b) der Thermoschalter in Abhängigkeit vom Ueberschreiten der Zerreisspannung des Schaltelementes eine dieses Ueberschreiten kennzeichnende Schaltposition (y=y₁; Fi^g. 8b) einnimmt.

5. Verfahren zum Auslösen eines Schaltvorganges

a) in Abhängigkeit von einer Grenzwertüberschreitung einer zeitabhängigen physikalischen Grösse (f(t)),

b) die unter Verwendung eines Thermoschalters in eine weg- und zeitabhängige Grösse (x) transformiert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

c) diese physikalische Grösse in eine wärme- und zeitabhängige Grösse eines Schaltelementes (18) transformiert wird,

d) dass diese wärme- und zeitabhängige Grösse in eine weg- und zeitabhängige Grösse (x(t)) transformiert und

e) einer Beschleunigungsdetektion (ẍ) unterzogen wird, dass

f) der Beschleunigungswert (ẍ) mit einem vorgebbaren Beschleunigungsgrenzwert (x_G) verglichen und

g) in Abhängigkeit vom Ueberschreiten ubeser Grenzwertes ein Schaltsignal (y=y_l) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Beschleunigungsgrenzwert (x_G) mittels einer Masse (16) eingestellt,

b) die Masse mit dem Schaltelement (18) starr gekoppelt und

c) ein Schaltelement (18) aus einer Formgedächtnislegierung verwendet wird, dass

d) das Schaltelement mit einer Spanneinrichtung (14, 16; 11, 14, 16) zusammenwirkt,

e) deren auf das Schaltelement ausgeübte Spannung zur Erzeugung einer pseudo-plastischen Verformung und damit zur Erzeugung eines Formgedächtniseffektes in diesem Schaltelement ausreicht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

a) für das Schaltelement (18) eine Formgedächtnislegierung mit einem Zweiweg-Gedächtniseffekt verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Schaltelement (18) mit einer Auslösevorrichtung (23) eines Schalters (50) gekoppelt und zusätzlich zu mindestens einem Zusatzsicherungselement (9), das auf andere schutztechnisch relevante Parameter als das Schaltelement (18) anspricht, verwendet wird.

9 . Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Anfangstemperatur (T_AS) des Phasenüberganges der Formgedächtnislegierung des Schaltelementes (18) von der Nieder- zur Hochtemperaturphase durch Wahl der Legierungszusammensetzung und/ oder der mechanischen-Vorspannung des Schaltelementes eingestellt wird und dass

b) diese Anfangstemperatur einem Anfangswert der auf eine Grenzwertüberschreitung zu überwachenden physikalischen Grösse (f(t)) derart zugeordnet wird, dass nur beim Ueberschreiten eines vorgebbaren Anstiegs dieser physikalischen Grösse ein Schaltsignal (y=y_l) ausgelöst wird.

₁₀. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Schaltelement (18) von einem zu schaltenden elektrischen Strom durchflossen wird und

b) ein Schaltsignal erzeugt, wenn der Anfangsanstieg eines Ueberstroms einen vorgebbaren Wert überschreitet.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Schaltelement (18) einseitig unbeweglich gelagert ist,

_b) als Sicherung wirkt und das Ueberschreiten der Zerreisspannung des Schaltelementes als Kriterium für das Auslösen des Schaltsignals (y=y₁) verwendet wird.