DE102007063650B4

DE102007063650B4 - Temperaturabhängiger Schalter mit Selbsthaltefunktion

Info

Publication number: DE102007063650B4
Application number: DE102007063650A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Hofsaess Marcel P De
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: DE102007042188B3; DE102007063650A1

Abstract

Temperaturabhängiger Schalter mit einem Gehäuse (11), an dem ein fester erster und zumindest ein zweiter Gegenkontakt (23, 22) vorgesehen sind, sowie mit einem in dem Gehäuse (11) angeordneten temperaturabhängigen Schaltwerk (16), das in Abhängigkeit von seiner Temperatur eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Gegenkontakten (23, 22) herstellt, wobei der Schalter (10) mit einer Selbsthaltefunktion versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein bistabiles Federteil (34) mit zwei temperaturunabhängigen, stabilen geometrischen Konfigurationen vorgesehen ist, das in seiner zweitensthaltefunktion geöffnet hält, dass das Schaltwerk (16) ein erstes Federteil (17), an dem ein mit dem festen ersten Gegenkontakt (23) zusammenwirkendes bewegliches Kontaktteil (18) angeordnet ist, und ein erstes bistabiles Schnappteil (19) aufweist, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur auf das erste Federteil (17) einwirkt und dadurch das bewegliche Kontaktteil (18) von dem festen ersten Gegenkontakt (23) abhebt und somit elektrisch von diesem trennt, wobei wirkmäßig zwischen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen temperaturabhängigen Schalter mit einem Gehäuse, an dem ein fester erster und zumindest ein zweiter Gegenkontakt vorgesehen sind, sowie mit einem in dem Gehäuse angeordneten temperaturabhängigen Schaltwerk, das eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Gegenkontakten herstellt, wobei der Schalter mit einer Selbsthaltefunktion versehen ist.
Ein derartiger Schalter ist bspw. aus der EP 0 858 090 A2 bekannt.
Der bekannte Schalter besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse aus Isoliermaterial, in das ein temperaturabhängiges Schaltwerk eingesetzt ist. Das Schaltwerk umfasst als Federteil eine Federscheibe, die etwa mittig einen beweglichen Kontakt trägt, an dem ferner als bistabiles Schnappteil eine Bimetall-Schnappscheibe angeordnet ist.
Das bewegliche Kontaktteil arbeitet mit einem festen ersten Gegenkontakt zusammen, der innen an dem Deckelteil des Gehäuses als Deckelelektrode vorgesehen ist.
An der Federscheibe ist seitlich ein Halteansatz vorgesehen, der mittels eines Zapfens auf einer an dem Unterteil des Gehäuses vorgesehenen Bodenelektrode befestigt ist, die als zweiter Gegenkontakt wirkt. Bodenelektrode und Deckelelektrode weisen dabei jeweils einen Außenanschluss auf, in den das abisolierte Ende eines Anschlussdrahtes eingelegt ist.
In Abhängigkeit von der Temperatur der Federscheibe liegt das bewegliche Kontaktteil an dem festen ersten Gegenkontakt an, so dass über den festen ersten Gegenkontakt, das bewegliche Kontaktteil, die Federscheibe, den Halteansatz und den zweiten Gegenkontakt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Außenanschlüssen hergestellt wird.
Erhöht sich die Temperatur der Bimetall-Schnappscheibe über ihre Ansprechtemperatur hinaus, so springt sie von ihrer konvexen in eine konkave Form um, in der sie sich mit ihrem Rand an dafür vorgesehenen Schultern und Anschlägen im oberen Gehäuseteil abstützt, wobei sie das bewegliche Kontaktteil gegen die Kraft der Federscheibe von dem festen ersten Gegenkontakt abhebt. Dazu ist es erforderlich, dass die Bimetall-Schnappscheibe die Federscheibe durchdrückt, so dass auch diese von ihrer konvexen in die konkave Form übergeht.
Sinkt die Temperatur wieder unter die Ansprechtemperatur ab, so springt die Bimetall-Schnappscheibe in ihre konvexe Form zurück, was es der Federscheibe ermöglicht, ebenfalls ihre Ausgangsform anzunehmen und das bewegliche Kontaktteil wieder gegen den festen ersten Gegenkontakt zu drücken.
Die DE 199 19 648 A1 beschreibt ebenfalls gattungsgemäße temperaturabhängige Schaltwerke, bei denen eine Federscheibe und eine Bimetall-Schnappscheibe über ein bewegliches Kontaktteil zu einer unverlierbaren Einheit zusammengefügt sind.
Aus der DE 21 21 802 A ist es bekannt, derartige Schaltwerke in ein verkapseltes Gehäuse einzusetzen, so dass sie einen druckfesten temperaturabhängigen Schalter bilden, der über das leitende Gehäuseoberteil sowie das leitende Gehäuseunterteil kontaktiert wird. Gehäuseunterteil und Gehäuseoberteil wirken als erster bzw. zweiter Gegenkontakt und sind durch eine Isolationsfolie voneinander getrennt.
Aus der DE 197 27 197 ist ferner ein gattungsgemäßer Schalter bekannt, bei dem die Federscheibe als bewegliches Kontaktteil eine Kontaktbrücke trägt, die unterhalb der Ansprechtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe von der Federscheibe gegen die beiden Gegenkontakte gedrückt wird, die nebeneinander an dem Deckel des Gehäuses angeordnet sind. Diese Schalter sind für hohen Stromfluss ausgelegt, arbeiten aber ansonsten wie die oben diskutierten Schalter.
Die insoweit beschriebenen temperaturabhängigen Schalter und Schaltwerke dienen dazu, ein elektrisches Gerät vor zu hoher Temperatur zu schützen. Zu diesem Zweck wird der Versorgungsstrom für das zu schützende Gerät durch den temperaturabhängigen Schalter bzw. das temperaturabhängige Schaltwerk geleitet, wobei der Schalter bzw. das Schaltwerk thermisch an das zu schützende Gerät angekoppelt sind. Bei einer durch die Sprungtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe vorgegebenen Ansprechtemperatur öffnet das jeweilige Schaltwerk dann den Stromkreis, indem das bewegliche Kontaktteil von dem festen Gegenkontakt bzw. die Kontaktbrücke von den beiden Gegenkontakten abgehoben wird.
Bei allen insoweit beschriebenen Schaltwerken ist von Vorteil, dass der abzuschaltende Strom nicht unmittelbar über die Bimetall-Schnappscheibe fließt, sondern über das Federteil bzw. die Kontaktbrücke geleitet wird. Auf diese Weise wird die Eigenerwärmung der Bimetall-Schnappscheibe reduziert, obwohl immer noch durch die Eigenerwärmung des Federteiles bzw. der Kontaktbrücke Hitze im Inneren der Schalter entsteht, so dass zusätzlich zu der von außen zugeführten Wärme des zu schützenden Gerätes auch diese Eigenerwärmung das Schaltverhalten mit beeinflusst.
Während bei den insoweit beschriebenen Schaltern und Schaltwerken diese Eigenerwärmung häufig unerwünscht ist, sind auch Schalter bekannt, bei denen zusätzlich ein Reihenwiderstand vorgesehen ist, der sich durch den fließenden Strom des zu schützenden Gerätes in definierter Weise erwärmt. Bei zu hohem Stromfluss heizt sich dieser Widerstand so weit auf, dass die Sprungtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe erreicht wird. Neben der Überwachung der Temperatur des Gerätes kann auf diese Weise auch der fließende Strom mit überwacht werden, der Schalter hat also eine definierte Stromabhängigkeit.
Damit ein derartiger Schalter nach dem Abkühlen des Gerätes bzw. des Reihenwiderstandes nicht wieder schließt, ist es ferner bekannt, parallel zu dem temperaturabhängigen Schaltwerk einen weiteren Widerstand, vorzugsweise einen PTC-Widerstand vorzusehen, der bei geschlossenem temperaturabhängigem Schaltwerk durch dieses elektrisch kurzgeschlossen ist. Wenn das Schaltwerk jetzt öffnet, übernimmt der Parallelwiderstand einen Teil des bisher fließenden Stromes und erwärmt sich dabei so weit, dass er hinreichend Wärme erzeugt, um die Bimetall-Schnappscheibe auf einer Temperatur zu halten, die oberhalb der Ansprechtemperatur liegt. Dieser Vorgang wird Selbsthaltung genannt, er verhindert, dass sich ein temperaturabhängiger Schalter unkontrolliert wieder schließt, wenn das zu schützende Gerät sich wieder abgekühlt hat.
Bei allen insoweit diskutierten Konstruktionen ist von Nachteil, dass sich ein Schalter ohne Selbsthaltefunktion nach Abkühlung wieder schließt, so dass für viele Anwendungsfälle eine Selbsthaltefunktion durch einen gesondert vorzusehenden Parallelwiderstand realisiert werden muss, was konstruktiv aufwändig und kostenintensiv ist.
Ein weiterer Nachteil besteht bei den bekannten Schaltern mit Selbsthaltefunktion darin, dass der Schalter sich selbsttätig zurücksetzt, wenn der Strom durch den Schalter für eine hinreichende Zeitspanne unterbrochen wird, dass er aber geöffnet bleibt, wenn die Zeitspanne nicht zum Abkühlen ausreicht. Mit anderen Worten, ein bekannter Schalter mit Selbsthaltefunktion kann weder vorhersehbar und definiert im geöffneten Zustand gehalten noch vorhersehbar und definiert in den geschlossenen Zustand zurückgesetzt werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den eingangs erwähnten temperaturabhängigen Schalter derart weiterzubilden, dass er auf konstruktiv einfache Weise mit einer Selbsthaltfunktion versehen werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs erwähnten temperaturabhängigen Schalter dadurch gelöst, dass ein bistabiles Federteil mit zwei temperaturunabhängigen, stabilen geometrischen Konfigurationen vorgesehen ist, das in seiner zweiten Konfiguration den Schalter im Sinne der Selbsthaltefunktion geöffnet hält, dabei weist das Schaltwerk ein erstes Federteil, an dem ein mit dem festen ersten Gegenkontakt zusammenwirkendes bewegliches Kontaktteil angeordnet ist, und ein erstes bistabiles Schnappteil auf, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur auf das erste Federteil einwirkt und dadurch das bewegliche Kontaktteil von dem festen ersten Gegenkontakt abhebt und somit elektrisch von diesem trennt, wobei wirkmäßig zwischen dem festen ersten Gegenkontakt und dem beweglichen Kontaktteil ein zweites temperaturabhängiges Schaltwerk mit dem bistabilen Federteil und einem zweiten bistabilen Schnappteil vorgesehen ist, wobei das bistabile Federteil in seiner zweiten Konfiguration das bewegliche Kontaktteil zu dem festen ersten Gegenkontakt beabstandet hält, und wobei das zweite bistabile Schnappteil eine Ansprechtemperatur aufweist, die oberhalb der Ansprechtemperatur des ersten bistabilen Schnappteiles liegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt, dass ein erfindungsgemäß eingesetztes bistabiles Federteil mit zwei geometrisch stabilen Konfigurationen einem gattungsgemäßen Schalter eine Selbsthaltefunktion verleihen kann, ohne dass ein Parallelwiderstand verwendet werden muss. Dies hat den Vorteil, dass der neue Schalter konstruktiv sehr einfach aufgebaut sein kann.
Dabei kann entweder die Federscheibe des temperaturabhängigen Schaltwerkes bistabil ausgelegt werden, so dass der neue Schalter nach einmaligem Schalten zumindest zunächst geöffnet bleibt, auch wenn die Temperatur wieder sinkt.
Erfindungsgemäß wird ein zweites Schaltwerk mit bistabilem Federteil verwendet, das den neuen Schalter nicht schon nach dem ersten Schalten geöffnet hält, sondern erst dann, wenn das bspw. das erste „übliche” Schaltwerk ermüdet ist oder aus sonstigen Gründen eine Fehlfunktion aufweist, oder wenn eine Sicherheitstemperatur überschritten wird, die oberhalb der Ansprechtemperatur des ersten Schaltwerkes liegt. Die bistabile Federscheibe wird dann als Sicherheitselement verwendet.
Derartige „bistabile” Federscheiben lassen sich durch an sich bekannte Präge- und Wärmebehandlungsverfahren aus an sich ebenfalls bekannten Federscheiben herstellen, wie sie üblicherweise bei temperaturabhängigen Schaltern verwendet werden. Derartige Federscheiben werden üblicherweise durch Kaltverformung des Materials hergestellt, wodurch im Material hohe Spannungskräfte entstehen. Im Anschluss werden die kaltverformten Scheiben hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch sich die Spannungen abbauen und bei entsprechender Vorprägung und Temperaturbehandlung die erfindungsgemäß ausgenutzte Bistabilität auftritt, die temperaturunabhängig ist.
Im Stand der Technik wurden derartige bistabile Federscheiben jedoch bisher nicht bei temperaturabhängigen Schaltern eingesetzt, da ihre in beiden Konfigurationen stabile Ausgestaltung unerwünscht war. Die Möglichkeit, eine bistabile Federscheibe zu verwenden, um einen temperaturabhängigen Schalter mit einer Selbsthalte- und/oder Sicherheitsfunktion zu versehen, wurde bisher nicht erkannt.
Erfindungsgemäß enthält der neue Schalter also zwei temperaturabhängige Schaltwerke, ein erstes Schaltwerk, das für das übliche Öffnen und Schließen zuständig ist, sowie ein zweites Schaltwerk, das lediglich aus einem bistabilen Federteil und einem bistabilen Schnappteil besteht und erst bei Überschreiten der oberhalb der Ansprechtemperatur des ersten Schaltwerkes liegenden eigenen Ansprechtemperatur aktiv wird.
Hier wirkt das bistabile Federteil also als Sicherheitselement, das nur dann den Schalter dauerhaft geöffnet hält, wenn bspw. eine Sicherheitstemperatur überschritten wurde, oder das erste Schaltwerk ermüdet ist, so dass es nicht mehr zuverlässig öffnet.
Derartige Sicherheitselemente sind im Stand der Technik hinreichend bekannt, siehe bspw. EP 0 938 116 A1 , US 4,885,560 oder US 5,196,820 . Die Sicherheitselemente bestehen hier aus Druckfedern, die im zusammengedrückten Zustand durch Schmelzlot gehalten werden, das bei Überschreiten einer Sicherheitstemperatur, die oberhalb der Schalttemperatur des Schalters liegt, schmilzt und dabei die Feder freigibt. Die Feder wirkt dann auf das Schaltwerk derart ein, dass der Schalter dauerhaft geöffnet bleibt. Auch durch Manipulation von außen lässt sich der Schalter dann nicht wieder schließen.
Wird dagegen erfindungsgemäß eine bistabile Federscheibe als Sicherheitselement eingesetzt, so kann der Schalter durch mechanische Manipulation, bspw. durch starke Erschütterungen oder gezielte Schläge wieder geschlossen werden. Dies ist ein weiterer Vorteil, der sich im Stand der Technik nicht realisieren ließ.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines derartigen Federteils mit zwei geometrisch stabilen Konfigurationen als Sicherheitselement in einem temperaturabhängigen Schalter.
Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß auch vorgesehen, auch das erste Schaltwerk mit einem bistabilen Federteil auszurüsten, so dass das erste Schaltwerk die rückstellbare Selbsthaltefunktion und das zweite Schaltwerk die zusätzliche, ggf. ebenfalls rückstellbare Sicherheitsfunktion realisiert, die eine weitere Selbsthaltefunktion bei höherer Temperatur darstellt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist das erste und zweite Schaltwerk das bistabile Federteil, an dem ein mit dem festen ersten Gegenkontakt zusammenwirkendes bewegliches Kontaktteil angeordnet ist, und ein bistabiles Schnappteil auf, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur auf das bistabile Federteil einwirkt und dadurch das bewegliche Kontaktteil von dem festen ersten Gegenkontakt abhebt und somit elektrisch von diesem trennt, wobei das bistabile Federteil in seiner ersten Konfiguration das bewegliche Kontaktteil zumindest auf das feste erste Kontaktteil zu drückt, und in seiner zweiten Konfiguration das bewegliche Kontaktteil zu dem festen ersten Gegenkontakt beabstandet hält.
Bei diesem Schalter wird also in einem an sich bekannten Schaltwerk das üblicherweise verwendete „monostabile” Federteil erfindungsgemäß durch ein bistabiles Federteil ersetzt.
Die mit diesem bistabilen Federteil ausgestatteten neuen Schalter können für eine einmalige Funktion ausgelegt sein, es ist aber auch möglich, sie rückstellbar auszubilden, so dass sie nach dem Öffnen zwar zuverlässig geöffnet bleiben, durch geeignete Manipulation von außen aber wieder in den geschlossenen Zustand überführt werden können. Der neue Schalter muss also nach dem Ansprechen nicht ausgetauscht werden, was erhebliche Einsparungen nicht nur bei den Materialkosten sondern insbesondere beim Arbeitsaufwand mit sich bringt.
Das bistabile Federteil, also insbesondere die bistabile Federscheibe, wird dazu bspw. mit einer derartigen Vorspannung ausgestattet, dass sie eine hinreichende Vibrationsfestigkeit aufweist, um ein Rückspringen in die erste Konfiguration bei im Einsatz üblichen Erschütterungen zu vermeiden. Andererseits wird die Vorspannung so eingestellt, dass eine gezielte Erschütterung oder ein von außen unmittelbar auf die bistabile Federscheibe auszuübender Druck den Rücksprung in die erste Konfiguration auslöst.
Das bewegliche Kontaktteil kann dabei lediglich mit dem festen ersten Gegenkontakt zusammenwirken oder als Kontaktbrücke ausgebildet sein, die beide Gegenkontakte miteinander verbindet.
Bei diesen Maßnahmen ist von Vorteil, dass der neue Schalter zunächst einmal so arbeitet wie übliche Schalter, durch Temperaturerhöhung springt das bistabile Schnappteil von seiner beispielsweise konvexen in seine entgegengesetzte, also konkave Form um und übt dabei einen derartigen Druck auf das bistabile Federteil aus, dass dieses aus seiner ersten Konfiguration, in der es das bewegliche Kontaktteil gegen den ersten festen Gegenkontakt drückt, in die zweite Konfiguration umspringt, in der es das bewegliche Kontaktteil zu dem ersten festen Gegenkontakt beabstandet hält, so dass der Schalter geöffnet ist.
Wenn sich jetzt die Temperatur des zu überwachenden Gerätes wieder normalisiert, so springt zwar das bistabile Schnappteil zurück in die Ausgangslage, das bistabile Federteil bleibt jedoch in seiner zweiten Konfiguration, aus der es beispielsweise durch mechanische Manipulation in die erste Konfiguration zurückgebracht werden kann.
Das bistabile Schnappteil ist jedoch in einer Weiterbildung jetzt erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass es sich bei weiterem Abkühlen unter die Raumtemperatur noch stärker konvex ausbildet und dabei auf das bistabile Federteil einen derartigen Druck ausübt, dass dieses wieder in seine erste Konfiguration zurückspringt. Dieses Abkühlen kann beispielsweise durch Kältespray bewirkt werden.
Damit steht jetzt ein Schalter zur Verfügung, der bei konstruktiv sehr einfachem Aufbau nach dem Öffnen zunächst geöffnet bleibt, aber dennoch durch geeignete Manipulation, wie gezielte Erschütterung oder starkes Abkühlen, wieder in den geschlossenen Zustand versetzt werden kann, so dass er wiederverwendbar ist.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn das bewegliche Kontaktteil unverlierbar an dem bistabilen Federteil gehalten ist, wobei vorzugsweise das erste und/oder zweite bistabile Schnappteil eine Bi- oder Trimetallschnappscheibe ist, die über das bewegliche Kontaktteil gestülpt ist, wobei ferner vorzugsweise das bistabile Federteil eine Federscheibe ist, die etwa zentrisch das bewegliche Kontaktteil trägt und sich in ihrer ersten Konfiguration mit ihrem Rand an dem zweiten Gegenkontakt abstützt.
Bei diesen Maßnahmen ist von Vorteil, dass sich ein sehr einfaches Schaltwerk realisieren lässt, wie es beispielsweise aus der eingangs erwähnten DE 21 21 802 A bekannt ist. Die wesentlichen Teile dieses Schaltwerkes sind unverlierbar miteinander verbunden, wobei sich wegen der Ausbildung des bistabilen Schnappteiles sowie des bistabilen Federteiles jeweils als Scheibe auch eine einfache Montage ergibt, denn das Schaltwerk zentriert sich in dem Gehäuse sozusagen selbst.
Weiter ist es bevorzugt, wenn das bistabile Federteil sich in seiner zweiten Konfiguration an dem zweiten bistabilen Schnappteil oder einem Gehäusevorsprung derart abstützt, dass das bewegliche Kontaktteil zu dem festen ersten Gegenkontakt beabstandet gehalten wird, wobei vorzugsweise das zweite bistabile Schnappteil gegen ein gegenüber dem festen ersten Gegenkontakt isoliertes Teil, vorzugsweise eine Isolierfolie, gedrückt wird, wenn das bistabile Federteil sich in seiner zweiten Konfiguration befindet.
Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, denn sie ermöglicht einen geometrisch einfachen Aufbau des neuen Schalters, der zugleich für die entsprechende Isolation sowie dafür sorgt, dass die beweglichen Teile in den einzelnen Schaltzuständen fixiert gehalten werden.
Im Übrigen gelten für die Merkmale und Anordnungen sowohl der Elemente des ersten Schaltwerkes als auch für die Elemente des zweiten Schaltwerkes die diskutierten Vorteile.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schalter in einem sehr schematisierten, prinzipiellen Längsschnitt, in geschlossenem Zustand;
2 den Schalter in einer Darstellung wie 1, jedoch in geöffnetem Zustand;
3 den Schalter in einer Darstellung wie 1, jedoch im Selbsthaltezustand;
4 den Schalter in einer Darstellung wie 3, jedoch mit stark abgekühlter Bimetall-Schnappscheibe;
5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters in einem sehr schematisierten, prinzipiellen Längsschnitt, in geschlossenem Zustand;
6 den Schalter aus 5 im geöffneten Selbsthaltezustand bei hoher Temperatur; und
7 den Schalter aus 6 bei wieder abgesenkter Temperatur.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen temperaturabhängigen Schalter 10 in stark schematisierter Darstellung. Der Schalter 10 umfasst ein Gehäuse 11 mit einem topfartigen Unterteil 12 sowie mit einem dieses verschließenden Deckelteil 14. Unterteil 12 und Deckelteil 14 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem leitfähigen Metall gefertigt und durch Isolierscheiben 15a, 15b elektrisch voneinander getrennt.
In dem Gehäuse 11 ist ein temperaturabhängiges Schaltwerk 16 angeordnet, das ein Federteil in Form einer Federscheibe 17 aufweist, die unverlierbar ein bewegliches Kontaktteil 18 trägt. Über das Kontaktteil 18 ist ein bistabiles Schnappteil in Form einer Bimetall-Schnappscheibe 19 gestülpt, die in dem in 1 gezeigten Schaltzustand kräftefrei ist.
Die Federscheibe stützt sich mit ihrem Rand 21 innen am Boden 22 des Unterteils 12 ab und drückt dabei das bewegliche Kontaktteil 18 gegen einen festen Gegenkontakt 23, der innen an dem Deckelteil 14 vorgesehen ist. Der Boden 22 wirkt als zweiter Gegenkontakt.
Das Unterteil 14 weist einen umgebördelten Rand 24 auf, durch den das Deckelteil 14 unter Zwischenlage der Isolierscheiben 15a und 15b unverlierbar an dem Unterteil 12 gehalten wird.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die 1 genauso wie die nachstehend diskutierten Figuren als eine Art Explosionszeichnung dargestellt, zwischen den einzelnen Teilen des Schalters 10 sind also Abstände und Zwischenräume gezeigt, die im endgültig montierten Zustand nicht vorhanden sind.
Unterteil 12 und Deckelteil 14 sind elektrisch leitend und wirken über ihre Außenflächen 25, 26 als Außenanschlüsse des Schalters, die beliebig kontaktiert werden können. Es können bspw. Anschlusslitzen angelötet werden, wie dies aus der eingangs erwähnten DE 21 21 802 A bekannt ist.
Die Darstellung des Schalters in 1 und den weiteren Fig. ist lediglich schematisch, um das Funktionsprinzip darzustellen. Bei einem Funktionsmuster ist bspw. zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen insbesondere auf hinreichende Abstände zwischen den elektrisch leitenden Flächen zu achten, was aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
In dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand ist die Bimetall-Schnappscheibe 19 kräfte- und stromfrei. Der Strom fließt von dem Unterteil 12 über die Federscheibe 17 und das bewegliche Kontaktteil 18 zu dem festen ersten Gegenkontakt 23 und von dort in das Deckelteil 14, wenn der neue Schalter 10 in den Versorgungskreislauf eines zu schützenden elektrischen Gerätes eingeschaltet ist.
Erhöht sich nun die Temperatur des Schalters 10, der in thermischem Kontakt mit dem zu schützenden elektrischen Gerät steht, über die Ansprechtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe 19 hinaus, so springt diese von ihrer in 1 gezeigten konvexen Konfiguration in die in 2 gezeigte konkave Konfiguration um. Dabei drückt die Bimetall-Schnappscheibe 19 mit ihrem Rand 28 gegen die Isolierscheibe 15b, die auf einer Schulter 29 des Unterteiles 12 aufliegt, wo sie durch den Bördelrand 24 sowie das Deckelteil 14 fest gehalten wird.
In dieser konkaven Konfiguration drückt die Bimetall-Schnappscheibe 19 jetzt so auf die Federscheibe 17, dass diese in 2 nach unten gedrückt wird, wodurch das bewegliche Kontaktteil 18 von dem festen ersten Gegenkontakt 23 abgehoben wird. Der Schalter 10 ist somit geöffnet, der Stromfluss also unterbrochen.
Insoweit entspricht der Aufbau und die Funktion des beschriebenen Schalters 10 beispielsweise dem aus der eingangs erwähnten DE 21 21 802 A bekannten Schalter.
Bei dem Schalter ist jedoch erfindungsgemäß die Federscheibe 17 als bistabile Federscheibe ausgebildet, sowohl die in 1 gezeigte erste Konfiguration als auch die in 2 gezeigte zweite Konfiguration sind temperaturunabhängige stabile Lagen der Federscheibe 17. Mit anderen Worten, unabhängig von der eigenen Temperatur der Federscheibe 17 ist diese sowohl in der konvexen Konfiguration der 1 als auch in der konkaven Konfiguration der 2 stabil, sie springt also nicht von sich von der einen in die andere Konfiguration über, wie dies bei den Federscheiben im Stand der Technik der Fall ist.
Derartige „bistabile” Federscheiben 17 werden durch bekannte Präge- und Wärmebehandlungsverfahren aus üblichen Federscheiben hergestellt, wie sie ansonsten auch bei temperaturabhängigen Schaltern verwendet werden. Durch entsprechende Kaltverformung des Materials und anschließendes Erwärmen auf hohe Temperaturen wird die erfindungsgemäß ausgenutzte Bistabilität eingestellt, die temperaturunabhängig ist.
Die Konsequenz aus diesem bistabilen Verhalten der Federscheibe 17 ist in der 3 zu erkennen, die einen Schaltzustand zeigt, bei dem die Temperatur des Schalters 10 wieder abgekühlt ist, so dass die Bimetall-Schnappscheibe 19 wieder ihre konvexe Konfiguration eingenommen hat. Die bistabile Federscheibe 17 ist jedoch in ihrer zweiten, konkaven Konfiguration geblieben, so dass das bewegliche Kontaktteil 18 nach wie vor zu dem festen ersten Gegenkontakt 23 beabstandet ist. Der Schalter 10 bleibt also trotz Abkühlung und Rückspringen der Bimetall-Schnappscheibe 19 in geöffnetem Zustand.
Auf diese Weise realisiert die bistabile Federscheibe 17 eine Selbsthaltefunktion für den neuen Schalter 10, die im Stand der Technik bisher immer durch Parallelwiderstände realisiert wurde.
In der in 3 gezeigten Konfiguration stützt sich die bistabile Federscheibe 17 mit ihrem Rand 21 an dem Rand 28 der Bimetall-Schnappscheibe 19 ab, die an der Isolierscheibe 15b anliegt, so dass das Schaltwerk 16 gegenüber dem Deckelteil 14 isoliert ist.
Durch starke Erschütterungen des sich im Selbsthaltezustand gemäß 3 befindlichen Schalters 10 kann die bistabile Federscheibe 17 jetzt dazu gebracht werden, wieder in ihre erste Konfiguration gemäß 1 zurückzuspringen, so dass der Schalter 10 durch eine derartige Manipulation zurückgesetzt werden kann.
Außer durch derartige starke Erschütterungen kann die bistabile Federscheibe 17 auch dadurch wieder in ihre erste Konfiguration gemäß 1 gebracht werden, dass ein in 3 nicht gezeigter Stift durch eine Bohrung 31 in dem Boden 22 des Unterteiles 12 hindurchgeschoben wird, so dass er die bistabile Federscheibe 17 etwa mittig in 3 nach oben drückt. Auch diese Manipulation führt dazu, dass die bistabile Federscheibe 17 wieder ihre erste Konfiguration gemäß 1 annimmt.
Eine weitere Möglichkeit zur Rückstellung des Schalters 10 besteht darin, die Bimetall-Schnappscheibe 19 so auszulegen, dass sie sich in ihrer in 1 und 3 gezeigten konvexen Form noch stärker krümmt, wenn sie deutlich unter Raumtemperatur abgekühlt wird. Dies kann beispielsweise dadurch gezielt erfolgen, dass der Schalter 10 mit Kältespray angesprüht wird.
Die weitere Krümmung der Bimetall-Schnappscheibe 19 sorgt dafür, dass sich ihr Rand 28 weiter nach unten bewegt, wie dies in 4 gezeigt ist.
In dieser Tieftemperaturstellung stützt sich die Bimetall-Schnappscheibe 19 jetzt mit ihrem mittleren Bereich an der Isolierscheibe 15b ab und drückt mit ihrem Rand 28 den Rand 21 der bistabilen Federscheibe 17 auf den Boden 22 des Unterteiles 12, was dazu führt, dass die bistabile Federscheibe 17 schließlich wieder in ihre erste Konfiguration gemäß 1 zurückspringt, so dass der Schalter 10 wieder geschlossen wird.
Der Schalter 10 aus den 1 bis 4 weist also eine durch die bistabile Federscheibe 17 realisierte Selbsthaltefunktion auf, er schließt also nicht wieder automatisch, wenn die Temperatur des zu schützenden Gerätes wieder absinkt, nachdem sie zuvor die Ansprechtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe 19 überstiegen hatte.
Der Schalter 10 bleibt jedoch nicht zwingend dauerhaft geöffnet, durch Manipulationen kann er vielmehr zurückgesetzt werden, so dass er erneut verwendet werden kann.
Damit bietet der Schalter 10 eine über bekannte Schalter hinausgehende Sicherheitsfunktion und Wiederverwendbarkeit. Einerseits schließt der Schalter 10 selbst dann nicht wieder, wenn das zu schützende Gerät für längere Zeit abgeschaltet war, andererseits ist der Schalter 10 aber nicht dauerhaft geöffnet, er kann durch entsprechende Manipulation wieder geschlossen werden.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Schalters 10' gezeigt, bei dem zusätzlich zu dem temperaturabhängigen Schaltwerk 16 aus den 1 bis 4 ein zweites temperaturabhängiges Schaltwerk 33 vorgesehen ist, das als reines Sicherheitselement dient. In 5 sind gleiche Konstruktionsmerkmale wie in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
Das erste temperaturabhängige Schaltwerk 16 ist entweder ein „übliches” temperaturabhängiges Schaltwerk, bei dem die Federscheibe 17 nicht bistabil ist, so dass Bimetall-Schnappscheibe 19 und Federscheibe 17 so zusammenwirken, wie dies aus der eingangs erwähnten DE 21 21 802 A bekannt ist. Andererseits kann das Schaltwerk 16 auch so ausgelegt sein, wie das Schaltwerk 16 gemäß 1 bis 4, wo die Federscheibe 17 bistabil ausgebildet war.
Das zweite temperaturabhängige Schaltwerk 23 umfasst jetzt ein bistabiles Federteil 34 sowie eine Bimetall-Schnappscheibe 35, die zwischen dem bistabilen Federteil 34 sowie der Isolierscheibe 15b angeordnet ist.
Das bistabile Federteil 34 stützt sich mit seinem Rand 36 an einer unterhalb und innerhalb der Schulter 29 gelegenen Schulter 37 in dem Unterteil 12 ab und drückt in der in 5 gezeigten Tieftemperaturstellung die Bimetall-Schnappscheibe 35 gegen die Isolierscheibe 15b. Mit anderen Worten, das zweite temperaturabhängige Schaltwerk 33 verspannt sich in der in 5 gezeigten Tieftemperaturstellung zwischen der Schulter 37 und der Isolierscheibe 15b.
Die Ansprechtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe 35 liegt dabei oberhalb, vorzugsweise deutlich oberhalb der Ansprechtemperatur der Bimetall-Schnappscheibe 19, so dass bei den üblichen Schalttemperaturen das Schaltwerk 33 nicht anspricht, sondern das Verhalten des Schalters 10' durch das Schaltwerk 16 bestimmt wird.
Es ist nun bekannt, dass eine Bimetall-Schnappscheibe nach vielen Schaltspielen sozusagen ermüdet, so dass sich entweder ihre Ansprechtemperatur verschiebt oder sie auf Temperaturerhöhungen überhaupt nicht mehr oder nicht mehr zuverlässig reagiert, so dass die Temperatur des Schalters 10' die Ansprechtemperatur der ersten Bimetall-Schnappscheibe 19 übersteigen kann. Für diesen Fall ist jetzt das zweite temperaturabhängige Schaltwerk 33 als Sicherheitselement vorgesehen.
Erhöht sich nämlich die Temperatur des Schalters 10' auf die Ansprechtemperatur der zweiten Bimetall-Schnappscheibe 35, so geht sie von ihrer in 5 nahezu waagerechten Konfiguration in die konkave Konfiguration der 6 über, wobei sie dabei auch das bistabile Federteil 34 aus der leicht konvexen Konfiguration der 5 in die stark konkave Konfiguration der 6 umspringen lässt. Auf diese Weise wird das Schaltwerk 16 ebenfalls geöffnet, so dass das bewegliche Kontaktteil 18 von dem festen Gegenkontakt 23 abgehoben wird.
Bei dem in 6 gezeigten Zustand drückt die zweite Bimetall-Schnappscheibe 35 mit ihrem Rand 38 gegen die Isolierscheibe 15b, wobei sie mit ihrem inneren Bereich auf das zweite bistabile Federteil 34 drückt, das seinerseits auf die erste Bimetall-Schnappscheibe 19 drückt, die wiederum das erste bistabile Federteil 17 in 6 nach unten auf den Boden 22 des Unterteiles 12 drückt.
Weil das zweite Federteil 34 bistabil im Sinne der obigen Erklärungen zur bistabilen Federscheibe 17 ausgebildet ist, behält es die in 6 gezeigte Konfiguration auch dann bei, wenn die Temperatur des Schalters 10 wieder absinkt, so dass die zweite Bimetall-Schnappscheibe 35 wieder ihre nahezu ebene Position annimmt, wie dies in 7 gezeigt ist. In dieser Sicherheitsposition verspannt sich das bistabile Federteil 34 mit ihrem Rand 36 gegen die Bimetall-Schnappscheibe 35, die an der Isolierscheibe 15b anliegt, und dem offenen gehaltenen ersten temperaturabhängigen Schaltwerk 16.
Die Federkraft der bistabilen Federscheibe 34 in der in 7 gezeigten zweiten Konfiguration ist dabei so gewählt, dass sie nicht von der Federkraft des ersten temperaturabhängigen Schaltwerkes 16 überwunden werden kann.
Bei Überschreiten der Ansprechtemperatur der zweiten Bimetall-Schnappscheibe 35 bleibt der Schalter 10' also dauerhaft geöffnet, wobei auch hier durch mechanische Erschütterungen oder zusätzliche Manipulationen ein gewolltes Rücksetzen möglich sein kann.

Claims

Temperaturabhängiger Schalter mit einem Gehäuse (11), an dem ein fester erster und zumindest ein zweiter Gegenkontakt (23, 22) vorgesehen sind, sowie mit einem in dem Gehäuse (11) angeordneten temperaturabhängigen Schaltwerk (16), das in Abhängigkeit von seiner Temperatur eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Gegenkontakten (23, 22) herstellt, wobei der Schalter (10) mit einer Selbsthaltefunktion versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein bistabiles Federteil (34) mit zwei temperaturunabhängigen, stabilen geometrischen Konfigurationen vorgesehen ist, das in seiner zweiten Konfiguration den Schalter (10) im Sinne der Selbsthaltefunktion geöffnet hält, dass das Schaltwerk (16) ein erstes Federteil (17), an dem ein mit dem festen ersten Gegenkontakt (23) zusammenwirkendes bewegliches Kontaktteil (18) angeordnet ist, und ein erstes bistabiles Schnappteil (19) aufweist, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur auf das erste Federteil (17) einwirkt und dadurch das bewegliche Kontaktteil (18) von dem festen ersten Gegenkontakt (23) abhebt und somit elektrisch von diesem trennt, wobei wirkmäßig zwischen dem festen ersten Gegenkontakt (23) und dem beweglichen Kontaktteil (18) ein zweites temperaturabhängiges Schaltwerk (33) mit dem bistabilen Federteil (34) und einem zweiten bistabilen Schnappteil (35) vorgesehen ist, wobei das bistabile Federteil (34) in seiner zweiten Konfiguration das bewegliche Kontaktteil (18) zu dem festen ersten Gegenkontakt (23) beabstandet hält, und wobei das zweite bistabile Schnappteil (35) eine Ansprechtemperatur aufweist, die oberhalb der Ansprechtemperatur des ersten bistabilen Schnappteiles (18) liegt.
Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite bistabile Schnappteil (19, 35) eine Bi- oder Trimetall-Schnappscheibe ist.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Federteil (34) rückstellbar ausgebildet ist, so dass es bei entsprechender Manipulation aus seiner zweiten in die erste Konfiguration zurückspringt.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite bistabile Schnappteil (35) geometrisch zwischen dem festen ersten Gegenkontakt (23) und dem bistabilen Federteil (34) angeordnet ist.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Federteil (34) sich in seiner zweiten Konfiguration an dem zweiten bistabilen Schnappteil (35) oder einem Gehäusevorsprung derart abstützt, dass das bewegliche Kontaktteil (23) zu dem festen ersten Gegenkontakt (18) beabstandet gehalten wird.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite bistabile Schnappteil (35) gegen ein gegenüber dem festen ersten Gegenkontakt (23) isoliertes Teil, vorzugsweise eine Isolierfolie (15b), gedrückt wird, wenn das bistabile Federteil (34) sich in seiner zweiten Konfiguration befindet.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federteil (17) ein bistabiles Federteil mit zwei temperaturunabhängigen, stabilen geometrischen Konfigurationen ist, das in seiner zweiten Konfiguration den Schalter im Sinne der Selbsthaltefunktion geöffnet hält.
Verwendung eines Federteils (17, 34) mit zwei geometrisch stabilen Konfigurationen zur Herstellung eines temperaturabhängigen Schalters nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung eines Federteils (17, 34) mit zwei geometrisch stabilen Konfigurationen als Sicherheitselement in einem temperaturabhängigen Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7.