DE102009061050A1

DE102009061050A1 - Bimetallteil und damit ausgestattete temperaturabhängige Schalter

Info

Publication number: DE102009061050A1
Application number: DE102009061050A
Authority: DE
Inventors: Marcel Peter Hofsaes
Original assignee: Individual
Current assignee: Hofsaess Marcel P De
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-06-06
Also published as: US9355801B2; DK2304757T3; PL2304757T3; ES2563729T3; US20120126930A1; WO2010139781A1; EP2304757B1; EP2304757A1; DE102009061050B4

Abstract

Beschrieben wird ein Bimetallteil (10) zur Verwendung als aktives Schaltelement in einem temperaturabhängigen Schalter, das einen flexiblen Bereich (21) aufweist, in den eine Kontaktfläche (82) integriert ist (Fig. 8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bimetallteil zur Verwendung als aktives Schaltelement in einem temperaturabhängigen Schalter sowie mit dem Bimetallteil ausgestattete temperaturabhängige Schalter.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Bimetallteil ein mehrlagiges aktives, blechförmiges Bauteile aus zwei, drei oder vier untrennbar miteinander verbundenen Komponenten mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten verstanden. Die Verbindung der einzelnen Lagen aus Metallen oder Metalllegierungen sind stoffschlüssig oder formschlüssig und werden beispielsweise durch Walzen erreicht.
Derartige Bimetallteile sind als Bleche kommerziell verfügbar, siehe beispielsweise die Firma G. Rau GmbH & Co. KG, Kaiser-Friedrich-Str. 7, 75172 Pforzheim, sowie deren entsprechenden Internetauftritt unter www.rau-pforzheim.de.
Aus der EP 0 658 911 B1 ist es in diesem Zusammenhang bekannt, mehrlagige Bimetallteile als Federn und Scheiben in temperaturabhängigen Schaltern einzusetzen, wobei durch entsprechende Materialauswahl und -zusammenstellung eine Erhöhung der möglichen Nennströme und der Schalthysterese erzielt werden soll.
Das Bimetallteil ist dabei Teil eines temperaturabhängigen Schaltwerks, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen zwei an dem Schalter vorgesehenen festen Kontaktteilen eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder öffnet.
Aus dem Stand der Technik sind derartige temperaturabhängige Schalter in unterschiedlichen Konstruktionen bekannt.
Das Bimetallteil ist dabei in der Regel als einseitig eingespannte Feder oder als lose eingelegte Scheibe ausgebildet.
Wenn das Bimetallteil wie in der DE 198 16 807 A1 als Bimetallfederzunge ausgebildet ist, so trägt es an seinem freien Ende ein bewegliches Kontaktteil, das mit einem festen Kontaktteil zusammenwirkt. Das feste Kontaktteil ist elektrisch mit einem ersten Außenanschluss verbunden, wobei ein zweiter Außenanschluss elektrisch mit dem eingespannten Ende der Bimetallfederzunge verbunden ist.
Die Bimetallfederzunge schließt unterhalb ihrer Ansprechtemperatur den elektrischen Stromkreis zwischen den beiden Außenanschlüssen, indem es das bewegliche Kontaktteil gegen das feste Kontaktteil drückt.
Erhöht sich die Temperatur der Bimetallfederzunge, so beginnt sich diese zu strecken und in einer Schleichphase zu verformen, bis sie schließlich in ihre Offenstellung umspringt, in der sie das bewegliche Kontaktteil von dem festen Kontaktteil abhebt. In dieser Schleichphase verringert sich der Kontaktdruck, was zur Bildung von Lichtbögen, Kontaktabbrand und Kontaktflattern führen kann.
Ist das Bimetallteil dagegen als Bimetallscheibe ausgelegt, so wirkt sie in der Regel mit einer Federschnappscheibe zusammen, die das bewegliche Kontaktteil trägt, das in der oben beschriebenen Weise mit dem festen Kontaktteil zusammenwirkt. Die Federschnappscheibe stützt sich mit ihrem Rand an einer Elektrode ab, die mit dem zweiten Außenanschluss verbunden ist. Ein solcher Schalter ist beispielsweise in der DE 21 21 802 A oder der DE 196 09 310 A1 beschrieben.
Unterhalb ihrer Ansprechtemperatur ist die Bimetallscheibe lose eingelegt, ist also mechanisch unbelastet. Der Kontaktdruck zwischen festem und beweglichem Kontaktteil und damit die elektrische Verbindung zwischen den beiden Außenanschlüssen wird über die Federschnappscheibe bereitgestellt. Erhöht sich die Temperatur des bekannten temperaturabhängigen Schalters, so durchläuft die Bimetallscheibe eine Schleichphase, in der sie sich allmählich verformt, bis sie dann schlagartig in ihre Offenstellung umspringt, in der sie so auf die Federschnappscheibe einwirkt, dass sie das bewegliche Kontaktteil von dem festen Kontaktteil abhebt und somit den bekannten Schalter öffnet. Hier hat die Schleichphase keine negativen Auswirkungen auf den Kontaktdruck.
Bei dem oben beschriebenen Schalter mit der Bimetallfederzunge ist das Bimetallteil selbst stromdurchflossen, so dass es sich durch den durch den Schalter fließenden Strom aufheizt. Auf diese Weise reagiert der bekannte Schalter nicht nur auf externe Temperaturerhöhungen, er reagiert auch auf einen zu hohen Stromfluss.
Derartige Schalter reagieren daher temperaturabhängig und stromabhängig.
Im Gegensatz dazu ist bei dem Schalter mit Bimetallscheibe das Bimetallteil immer stromfrei, es erwärmt sich also durch den fließenden Strom nicht, so dass derartige Schalter weitgehend stromunabhängig schalten.
Es sind aber auch Schalter bekannt, bei denen eine Bimetallfederzunge mit einem Federschnappteil zusammenwirkt, das den fließenden Strom führt, so dass bei diesen Konstruktionen die Bimetallfederzunge selbst keinen Strom führt. Umgekehrt sind auch Schalter bekannt, bei denen eine Bimetallscheibe das bewegliche Kontaktteil trägt und somit stromdurchflossen ist.
Schließlich sind temperaturabhängige Schalter mit zwei Außenanschlüssen bekannt, die jeweils mit einem festen Kontaktteil verbunden sind, wobei eine elektrisch leitende Kontaktbrücke vorgesehen ist, die den fließenden Strom führt, wenn sie an den festen Kontaktteilen anliegt.
Derartige Schalter mit Kontaktbrücke sind z. B. in der DE 197 08 436 A1 beschrieben. Sie sind für Anwendungen vorgesehen, bei denen hohe Nennströme durch den Schalter fließen, die zu einer starken Belastung oder Eigenerwärmung eines stromführenden Federschnappteils oder Bimetallteils führen würden.
Die Kontaktbrücke wird dabei von einer Federschnappscheibe getragen, die mit einer Bimetallscheibe zusammenwirkt. Wenn die Bimetallscheibe sich unterhalb ihrer Ansprechtemperatur befindet, liegt sie ohne mechanische Belastung frei in dem Schalter, die Federschnappscheibe drückt die Kontaktbrücke gegen die festen Kontaktteile, so dass der Stromkreis geschlossen ist. Wenn sich die Temperatur erhöht, schnappt die Bimetallscheibe von ihrer kräftefreien Schließstellung in ihre Offenstellung um, in der sie gegen die Federschnappscheibe arbeitet und die Kontaktbrücke von den festen Kontaktteilen abhebt.
Auch bei dieser Schalterkonstruktion treten die oben erwähnten Probleme im Zusammenhang mit der Schleichphase der Bimetallscheibe auf, wenn diese unmittelbar die Kontaktbrücke trägt und für den Kontaktdruck sorgt. Deshalb ist bei dem bekannten Schalter die Federschnappscheibe vorgesehen, die auch in der Schleichphase der Bimetallscheibe den Kontaktdruck unverändert aufrechterhält.
Die insoweit beschriebenen Schalter werden dazu eingesetzt, um elektrische Geräte wie beispielsweise Haartrockner, Motoren von Laugenpumpen, Bügeleisen etc. vor zu hoher Temperatur und ggf. zu hohem Strom zu schützen. Zu diesem Zwecke werden. die bekannten Schalter mit ihren Außenanschlüssen in Reihe in den Versorgungsstromkreis des zu schützenden elektrischen Gerätes geschaltet und ferner thermisch an das zu schützende Gerät angekoppelt.
Erhöht sich die Temperatur des zu schützenden Gerätes über die Schalttemperatur des Bimetallteils hinaus, so öffnet der temperaturabhängige Schalter den Stromkreis und das geschützte Gerät kann sich wieder abkühlen.
Um ein Wiedereinschalten nach dem Abkühlen des Gerätes und damit auch des Bimetallteiles zu verhindern, ist es ferner bekannt, dem temperaturabhängigen Schalter einen Parallelwiderstand zuzuordnen, der bei geöffnetem Schalter einen Reststrom durchlässt, der den Widerstand soweit aufheizt, dass der Schalter geöffnet bleibt. Derartige Schalter werden als selbsthaltende Schalter bezeichnet.
Ferner ist es bekannt, die bekannten Schalter mit einer definierten Stromabhängigkeit zu versehen, indem in Reihe zu den Außenanschlüssen ein Heizwiderstand geschaltet ist, der vom Betriebsstrom des zu schützenden elektrischen Gerätes durchflossen wird und sich bei zu hohem Betriebsstrom definiert aufheizt und dafür sorgt, dass der Schalter geöffnet wird, da sich auch das Bimetallteil entsprechend erhitzt.
Sowohl bei Schaltern mit stromdurchflossenem Bimetallteil als auch bei Schaltern mit stromfreiem Bimetallteil ist die Umschalttemperatur entscheidend für die durch den Schalter bereitgestellte Sicherheitsfunktion. Für unterschiedliche Anwendungen muss die Schalttemperatur unterschiedliche Werte einnehmen, die jedoch nur in engen Grenzen schwanken dürfen, um die gewünschte Sicherheit bereitzustellen.
Vor diesem Hintergrund wird bei dem Entwurf derartiger temperaturabhängiger Schalter größtes Augenmerk auf die Einhaltung der Sprungtemperatur gelegt.
Dabei sind temperaturabhängige Schalter mit nicht stromdurchflossenem Bimetallteil bevorzugt, da sie eine konstantere Umschalttemperatur aufweisen. Dies liegt u. a. daran, dass das Bimetallteil in der Schließstellung mechanisch kräftefrei ist, so dass sie deutlich geringeren Alterungsprozessen ausgesetzt ist als ein Bimetallteil, das in der Schließstellung für den Kontaktdruck sorgen muss, was bei den anderen Konstruktionen das Federschnappteil übernimmt.
Insbesondere bei stromdurchflossenen Bimetallteilen ist die oben erwähnte Schleichphase von Nachteil, denn in der Schleichphase streckt sich das Bimetallteil unvorhersehbar, wodurch der Kontaktdruck nachlässt. Dies kann zu einem unerwünschten Kontaktflackern und damit zu unerwünschtem Kontaktabbrand führen.
Um diese Probleme zu beseitigen, werden stromdurchflossene Bimetallteile mit Einprägungen versehen, die die Schleichphase größtenteils unterdrücken. Diese Einprägungen sorgen dafür, dass sich unterhalb der gewünschten Sprungtemperatur die Längenausdehnungen der beiden Metallschichten kompensieren. Dies führt jedoch zu mechanischen Spannungen innerhalb der Bimetallteile, was sich wiederum nachteilig auf den Alterungsprozess auswirkt.
Diese Probleme treten bei den losen eingelegten Bimetallteilen nicht auf, denn dort ist es nicht erforderlich, die Schleichphase zu unterdrücken.
Die Schaltervarianten mit Bimetallscheibe und Federschnappscheibe haben jedoch den Nachteil, dass die Bimetallscheibe und die Federschnappscheibe bezüglich ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften jeweils neu aufeinander abgestimmt werden müssen, wenn Schalter mit anderen Sprungtemperaturen bzw. anderen zulässigen Betriebsströmen zu entwerfen sind.
Ein weiterer Nachteil bei den Schaltern mit Federschnappscheibe und Bimetallscheibe ist in der Vielzahl der erforderlichen Bauelemente zu sehen, die zudem für eine Bauhöhe sorgt, die in bestimmten Anwendungsfällen problematisch sein kann.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Bimetall und die eingangs erwähnten temperaturabhängigen Schalter derart weiterzubilden, dass die im Stand der Technik anzutreffenden Nachteile vermieden werden, wobei der mechanische Aufbau der Schalter einfach und preiswert sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs erwähnten Bimetallteil dadurch gelöst, dass ein flexibler Bereich vorgesehen ist, in den eine Kontaktfläche integriert ist.
Weil jetzt die Kontaktfläche in den flexiblen Bereich integriert ist, kann auf das gesonderte bewegliche Kontaktteil verzichtet werden, was Kostenvorteile und Montagvorteile mit sich bringt.
Die integrierte Kontaktfläche beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des flexiblen Bimetallteils noch erheblich geringer als ein formschlüssig oder kraftschlüssig befestigtes Kontaktteil.
Durch diese Maßnahme wird ferner für einen guten elektrischen Kontakt zu einem Gegenkontakt gesorgt, mit dem die Kontaktfläche zusammenwirkt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Dabei ist es allgemein bevorzugt, wenn entweder die Kontaktfläche, vorzugsweise durch Plattieren oder Galvanisieren mit einem leitfähigen Material, stoffschlüssig mit dem flexiblen Bereich verbunden ist, oder die Kontaktfläche, vorzugsweise durch Einwalzen eines leitfähigen Materials, formschlüssig mit dem flexiblen Bereich verbunden ist.
Auf diese Weise wird der flexible Bereich des Bimetallteils mit einer elektrisch gut leitenden und einen geringen Übergangswiderstand zu einer anliegenden Kontaktfläche ermöglichenden Kontaktfläche versehen, ohne das die Flexibilitat des Bimetallteils negativ beeinflusst wird.
Das Bimetallteil kann dabei klassisch aufgebaut sein, es kann aber auch zumindest einen inneren Bereich sowie einen den zumindest einen inneren Bereich umgebenden äußeren Bereich aufweisen, wobei innerer und äußerer Bereich abschnittsweise einstückig und abschnittsweise mechanisch voneinander getrennt ausgebildet und gegensinnig geprägt sind, und wobei an dem inneren Bereich der flexible Bereich mit der Kontaktfläche vorgesehen ist.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt, dass es bei Bitmetallteilen möglich ist, sozusagen für eine innere Gegenkraft zu sorgen, indem der innere und der äußere Bereich sich im Bereich des Schaltpunkts entgegengesetzt verformen. Dies wird durch die gegensinnige Prägung sowie dadurch erreicht, dass innerer und äußerer Bereich abschnittsweise voneinander mechanisch getrennt sind, so dass sie sich dort frei gegeneinander bewegen können, andererseits aber auch abschnittsweise einstückig miteinander ausgebildet sind, so dass sie sich in Längs- oder Radialrichtung nicht gegeneinander verschieben können.
Dies führt nach Erkenntnis des Erfinders dazu, dass die Schleichphasen sozusagen abgeblockt werden. Der Schaltpunkt ist langzeitstabil und wird durch mechanische Belastungen, durch Stromfluss oder Alterungsprozesse nicht beeinflusst. Ferner erfolgt die Konformationsänderung zwischen Hoch- und Tieftemperaturstellung sehr schlagartig. Schließlich tritt keine oder nur eine vernachlässigbare Schalthysterese auf.
All dies führt dazu, dass mit dem neuen Bimetallteil ausgestattete temperaturabhängige Schalter über viele Schaltzyklen sehr zuverlässig und reproduzierbar schalten.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung auch einen temperaturabhängiger Schalter mit zwei Außenanschlüssen und einem temperaturabhängigen Schaltwerk, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen den beiden Außenanschlüssen eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder öffnet, wobei in dem Schaltwerk das neue Bimetallteil als aktives Schaltelement vorgesehen ist.
Ein großer Vorteil des neuen Schalters liegt darin, dass auf Federschnappscheiben verzichtet werden kann, so dass der neue Schalter mit wenigen Bauteilen und geringer Bauhöhe aufgebaut werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass Schalter mit unterschiedlichen Ansprechtemperaturen und Nennströmen jetzt mechanisch prinzipiell identisch aufgebaut sein können, nur das jeweilige Bimetallteil muss entsprechend der Sprungtemperaturen und Nennströme unterschiedlich ausgelegt sein. Eine Abstimmung zwischen einem temperaturabhängig schaltenden Bimetallteil sowie einer Federschnappscheibe wie im Stand der Technik ist nicht mehr erforderlich.
Damit kann eine bestehende Produktpalette auch nachträglich problemlos erweitert werden, indem weitere Bimetallteile entwickelt und verbaut werden.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das Bimetallteil über seinen äußeren Bereich mit einem der beiden Außenanschlüsse in Verbindung steht, und an seinen inneren Bereich mit einem festen Kontaktteil zusammenwirkt, das mit dem anderen Außenanschluss in Verbindung steht.
Diese ist eine der beiden ”klassischen” Konstruktionsvarianten für temperaturabhängige Schalter, die jetzt von dem erfindungsgemäßen Bimetallteil Gebrauch macht.
Dabei haben Konstruktionsvarianten mit stromdurchflossenem Bimetallteil den weiteren Vorteil, dass der Kontraktdruck durch das Bimetallteil aufgebracht wird, so dass der Schalter einfach und mit geringer Bauhöhe aufgebaut ist.
Das Bimetallteil kann dabei als etwa rechteckige Feder ausgebildet sein, die vorzugsweise als inneren Bereich zumindest einen sich in Längsrichtung der Feder erstreckenden inneren Steg und als äußeren Bereich zumindest zwei sich in Längsrichtung der Feder erstreckende äußere Stege umfasst, die den inneren Steg zwischen sich aufnehmen und von diesem über je einen sich in Längsrichtung (L) erstreckenden Spalt getrennt sind, wobei weiter vorzugsweise der innere Steg vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist, wie die äußeren Stege zusammen.
Durch diese Maßnahmen wird ein aktives Schaltelement geschaffen, das auch nach vielen Schaltspielen seine mechanischen und elektrischen Eigenschaften nicht verändert und nahezu ohne Schleichphase schaltet, so dass die mit der Schleichphase im Stand der Technik verbundenen Nachteile vermieden werden.
Alternativ ist es bevorzugt, wenn das Bimetallteil als Scheibe ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der innere Bereich von einem Spalt umgeben ist, der abschnittsweise unterbrochen ist, und weiter vorzugsweise der Spalt gezackt, mäanderförmig oder wellenförmig verläuft, wobei der innere Bereich vorzugsweise vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist wie die äußeren Bereich.
Auch diese Maßnahmen schaffen ein langzeitstabiles aktives Schaltelement.
Weitere Vorteile 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 den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bimetallteils in Draufsicht;
2 eine schematische Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bimetallteils in Draufsicht;
3 eine schematische Seitenansicht des Bimetallteils aus 1 in einer ersten Schaltstellung;
4 eine schematische Seitenansicht des Bimetallteils aus 1 in einer zweiten Schaltstellung;
5 in einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines temperaturabhängigen Schalters mit einem Bimetallteil gemäß 1, das nicht Gegenstand er vorliegenden Erfindung ist;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines temperaturabhängigen Schalters mit einem Bimetallteil gemäß 1, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines temperaturabhängigen Schalters mit einem Bimetallteil gemäß 1, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist; und
8 eine Draufsicht auf ein Bimetallteil mit erfindungsgemäß integrierter Kontaktfläche.
1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Bimetallteil 10, das im vorliegenden Fall als rechteckige Feder 11 ausgebildet ist. Die Feder 11 ist in einen äußeren Bereich 12 und einen inneren Bereich 13 unterteilt.
Die beiden Bereiche 12 und 13 sind abschnittsweise einstückig miteinander ausgebildet. Sie sind ferner abschnittsweise durch zwei in Längsrichtung L verlaufende Schlitze oder Spalte 14 und 15 mechanisch so von einander getrennt, dass sich ein innerer Steg 16 bildet, der von zwei äußeren Stegen 17 und 18 umgeben ist.
Die Schlitze oder Spalte 14, 15 werden durch Stanzen, Schneiden oder sonstige, geeignete Trennmaßnahmen erzeugt. Zwischen zwei benachbarten Stegen 16, 17; 16, 18 wird dabei zumindest ein derartiger Freiraum erzeugen, der es diesen Stegen 16, 17, 18 ermöglicht, sich ohne mechanische Behinderung durch den jeweils benachbarten Steg 16, 17, 18 zu verbiegen. Solange diese Bedingung erfüllt ist, können die Schlitze oder Spalte 14, 15 quer zur Längsrichtung L eine lichte Weite zwischen benachbarten Stegen 16, 17, 18 aufweisen, die sich durch das gewählte Trennverfahren ergibt.
Alle drei Stege 16, 17, 18 sind einstückig mit sich in Längsrichtung L gegenüberliegenden Endbereichen 19, 20 des Blechteils 11 verbunden. Auf diese Weise bilden die Stege 17 und 18 sowie die Endbereiche 19, 20 den äußeren Bereich 12, der den Steg 16, also den inneren Bereich 13 vollständig umgibt. Die Stege 16, 17, 18 können sich somit in Längsrichtung L nicht gegeneinander verlagern.
Selbstverständlich ist es möglich, den inneren Bereich 13 in mehrere parallel zueinander verlaufende innere Stege 16 zu unterteilen, die durch weitere Spalte oder Schlitze parallel zur Längsrichtung L mechanisch voneinander getrennt sind.
An dem inneren Steg 16 ist bei 21 ein Bereich angedeutet, an dem entweder ein Kontaktteil kraft- oder formschlüssig befestigt wird, oder aber erfindungsgemäß eine integrierte Kontaktfläche vorgesehen ist, wie dies nachstehend im Zusammenhang mit 8 noch eingeheder erläutert wird.
In einem in 2 dargestellten, zweiten Ausführungsbeispiel ist das Bimetallteil 10 als Scheibe 22 ausgebildet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Draufsicht kreisrund ist. Die Scheibe 22 kann jedoch auch andere Formen annehmen, beispielsweise kann sie oval oder elliptisch ausgeführt sein.
Die Scheibe 22 weist ebenfalls einen äußeren Bereich 12 auf, der einen inneren Bereich 13 umgibt. Die beiden Bereiche 12, 13 sind durch einen Spalt 23 aus umfänglich verteilt angeordneten V-förmige Schlitzen abschnittsweise mechanisch voneinander getrennt, so dass der inneren Bereich 13 die Form eines gezackten Sterns annimmt. Die V-förmigen Schlitze sind an ihren Spitzen 24 unterbrochen, so dass der innere und der äußere Bereich 13, 12 hier abschnittsweise einstückig ineinander übergehen und in Radialrichtung R gegeneinander fixiert sind.
Die V-förmigen Schlitze entsprechen von ihrer Funktion her den Schlitzen oder Spalten 14, 15 in der Feder 11 aus 1 und sind ebenfalls durch Stanzen, Schneiden oder sonstige, geeignete Trennmaßnahmen erzeugt worden. Auf diese Weise können sich der innere Bereich 13 und der äußere Bereich 12 verformen, ohne im Bereich des Spalts 23 durch den am jeweiligen Schlitz gegenüberliegenden Bereich mechanisch behindert zu werden.
Statt der V-förmigen Schlitze können auch mäander- oder wellenförmige Schlitze vorgesehen sein, die abschnittsweise unterbrochen sind, um die einstückige Verbindung zwischen innerem und äußerem Bereich herzustellen.
An dem inneren Bereich 13 ist wieder ein Bereich 21 angedeutet, in dem erfindungsgemäß eine Kontaktfläche so integriert ist, wie dies nachstehend anhand von 8 für eine ansonsten konventionelle Bimetallscheibe, also ohne inneren und äußeren Bereich, erläutert wird.
Die Feder 11 und die Scheibe 22 werden aus einem Blech aus Bimetall ausgestanzt, wodurch sie ihre äußere Form erhalten und ggf. bereits in diesem ersten Arbeitsgang mit den Schlitzen 14, 15, 23 versehen werden. In zwei weiteren Stanzvorgängen werden die inneren und äußeren Bereich 13, 12 dann so geprägt, dass ihre Schleichphasen unterdrückt werden, die dies eingangs erläutert wurde. Einer dieser beiden Stanzvorgänge kann auch während des ersten Arbeitsgangs mit erledigt werden.
Diese Stanzvorgänge werden nun so ausgeführt, dass der äußere und der innere Bereich 12, 13 gegensinnig geprägt werden, aber gleiche Eigenschaften aufweisen. Für die Feder 11 bedeutet dies, dass der innere Steg 16 vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist, wie die äußeren Stege 17 und 18 zusammen.
Wenn sich das Bimetallteil 10 erhitzt, biegt sich folglich der eine Bereich 12, 13 in die eine Richtung und der andere zeitgleich in die andere Richtung, wenn die Sprungtemperatur überschritten wird. Durch die Prägung und die Wahl der Geometrie wird dabei die Schleichphase weitgehend unterdrückt, so dass das Durchbiegen schlagartig und gegensinnig erfolgt.
Durch die gewählte Geometrie, die Abmaße und eine entsprechende Materialauswahl sowie die Prägung enthält das Bimetallteil 10 somit sozusagen sein eigenes Gegenlager. Dadurch ergibt sich ein innerer Kraftausgleich, so dass sich ein Schaltpunkt einstellen lässt, der sehr genau eingehalten wird, da die Schleichphasen effizient unterdrückt werden.
Mit anderen Worten, das Umschalten zwischen der Hoch- und der Tieftemperaturstellung erfolgt schlagartig und über viele Schaltspiele reproduzierbar. Ferner wird die Schalthysterese weitgehend unterdrückt.
Das Bimetallteil 10 kann daher auch über lange Zeiträume mechanische Kräfte aufnehmen und Strom führen, ohne dass sich seine Eigenschaften durch Alterungsprozesse verändern.
Das Bimetallteil 10 kann somit in den beiden Ausführungsformen Feder 11 und Scheibe 22 als aktives Schaltelement in einem temperaturabhängigen Schalter verwendet werden, wie er eingangs ausführlich diskutiert wurde. Der innere Bereich 13 führt dabei die Schaltfunktion aus.
Wegen der gegensinnigen Eigenschaften von innerem und äußerem Bereich 13, 12 ist es nicht erforderlich, dass dem Bimetallteil 10 ein Federschnappteil zugeordnet wird, das im geschlossenen Zustand des Schalters für den Kontaktdruck sorgt und ggf. auch den Betriebsstrom des zu schützenden Gerätes führt.
Die Eigenschaften des neuen Bimetallteils 10 lassen sich besonders effektiv nutzen, wenn die Scheibe 22 an ihrem äußeren Rand 25 bzw. die Feder 11 an ihren in Längsrichtung L voneinander weg weisenden Stirnseiten 26, 27 gegenüber dem Schalter unbeweglich gehalten wird.
Dadurch wird eine konstante Länge der Feder 11 in Längsrichtung L oder der Scheibe 22 in Radialrichtung R erzwungen, so dass innerer und äußerer Bereich 13, 12 nur gleichzeitig und gegensinnig umschnappen können. Dies trägt zur gleichmäßigen Verteilung der mechanischen Belastung und folglich zu einer noch mal verbesserten Langzeitstabilität des Umschaltpunktes bei.
Diese Anordnung ist schematisch in der Seitenansicht gemäß 3 und 4 gezeigt, wo die Feder 11 aus 1 mit ihren Stirnseiten 26, 27 an zwei Widerlagern 28, 29 gehalten ist. In der in 3 gezeigten Tieftemperaturstellung ist der innere Steg 16 nach unten, in der in 4 gezeigten Hochtemperaturstellung nach oben gebogen. Die äußeren Stege 17, 18, von denen in den 3 und 4 nur der Steg 18 zu sehen ist, sind entgegengesetzt gebogen.
Der Übergang zwischen den Schaltstellungen gemäß 3 und 4 erfolgt schlagartig bei Über- bzw. Unterschreiten der Schalttemperatur, die durch Material, Geometrie und Prägung bestimmt wird.
In 5 ist in einer schematischen, geschnittenen Seitenansicht ein temperaturabhängiger Schalter 30 gezeigt, der ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verwendung des Bimetallteils 10, das im vorliegenden Fall als Feder 11 ausgebildet ist, als aktives Schaltelement in einem temperaturabhängigen Schaltwerk ist. Das Ausführungsbeispiel der 5 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Der Schalter 30 umfasst ein topfartiges Unterteil 31 aus leitendem Material, das von einem Oberteil 32 aus ebenfalls leitendem Material verschlossen ist. Das Oberteil 32 ist unter Zwischenlage einer Isolierschicht 33 auf eine Schulter 34 des Unterteiles 31 aufgelegt und über einen umgebördelten Rand 35 fest an dem Unterteil 31 befestigt.
Das Unterteil 31 weist eine umlaufende Seitenwand 36 auf, an der die Schulter 34 ausgebildet ist.
Die Feder 11 stützt sich in der in 5 gezeigten Schließstellung mit ihren Stirnseiten 26 und 27, und damit mit ihrem äußeren Bereich 12, an einem als Elektrode 37wirkenden, inneren Boden des Unterteiles 31 ab und wird durch die Seitenwand 36 in Längsrichtung L fixiert. Die Seitenwand 36 wirkt dabei als Widerlager im Sinne der Widerlager 28, 29 aus 3 und 4.
Die äußeren Stege, von denen in 5 nur der Steg 18 zu sehen ist, sind nach unten gebogen, der innere Steg 16 ist nach oben gebogen und drückt dabei ein von ihm getragenes bewegliches Kontaktteil 38 gegen ein festes Kontaktteil 39, das an dem Oberteil 32 angeordnet ist. Das feste Kontaktteil 39 ist nach Art eines Nietes ausgebildet, dessen außen aufliegender Kopf 41 als erster Außenanschluss dient, mit dem somit der innere Bereich 13 in elektrischer Verbindung steht.
Als zweiter Außenanschluss 42 dient der umgebördelte Rand 35.
Die Feder 11 bildet zusammen mit dem beweglichen Kontaktteil 38 ein temperaturabhängiges Schaltwerk 43, das je nach seiner Temperatur eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Außenanschlüssen 41 und 42 herstellt oder öffnet.
In der in 5 gezeigten Schließstellung, die der in 4 schematisch gezeigten Konfiguration entspricht, sind die Stirnseiten 26, 27 über den Boden 37 in elektrisch leitender Verbindung mit dem zweiten Außenanschluss 42, während das bewegliche Kontaktteil 38 durch Anlage mit dem festen Kontaktteil 39 elektrisch leitend mit dem ersten Außenanschluss 41 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist an dem beweglichen Kontaktteil 38 eine Kontaktfläche 44 vorgesehen, die bei geschlossenem Schalter 30 in Anlage mit einer Kontaktfläche 45 gelangt, die an dem festen Kontaktteil 39 vorgesehen ist.
Auf diese Weise ist über die Feder 11 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Außenanschlüssen 41 und 42 hergestellt.
Wenn sich die Temperatur der Feder 11 über die Ansprechtemperatur hinaus erhöht, schnappt die Feder 11 ohne Schleichphase schlagartig von der in 5 gezeigten Konfiguration in ihre Offenstellung um, die schematisch in 3 gezeigt ist. Der innere Steg 16 biegt sich dabei nach unten durch und hebt das bewegliche Kontaktteil 38 von dem festen Kontaktteil 39 ab, wodurch der Stromkreis geöffnet wird. Zeitgleich schnappen die äußeren Stege 17, 18 ebenfalls um.
Das bewegliche Kontaktteil 38 bewegt sich dabei zusammen mit dem inneren Steg 16 zwischen den äußeren Stegen 17 und 18 hindurch.
6 zeigt einen temperaturabhängigen Schalter 50, wie er aus der eingangs erwähnten DE 197 08 46 A1 bekannt ist, deren Offenbarung hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Das Ausführungsbeispiel der 6 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Der Schalter 50 weist ein Unterteil 51 auf, das von einem Oberteil 52 verschlossen ist. In dem Oberteil 52 sind zwei feste Kontaktteile 53, 54 angeordnet, die mit Außenanschlüssen 55, 56 verbunden sind. Mit den festen Kontaktteilen 53, 54 wirkt eine Kontaktbrücke 57 zusammen, die über einen Niet 58 an dem inneren Steg 16 eines als Feder 11 ausgebildeten, erfindungsgemäßen Bimetallteils 10 befestigt ist.
Die Feder 11 ist mit ihren Stirnseiten 26, 27 in einer Nut 61 des Unterteils 51 fixiert, die somit als Widerlager dient.
Die Feder 11 bildet hier zusammen mit der Kontaktbrücke 57 und dem Niet 58 ein temperaturabhängiges Schaltwerk 62, das das je nach seiner Temperatur eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Außenanschlüssen 55 und 56 herstellt oder öffnet.
In der in 6 gezeigten Stellung ist der Schalter 50 geschlossen, der innere Steg 16 sorgt für den Kontaktdruck zwischen der Kontaktbrücke 57 und den festen Kontaktteilen 53, 54. Erhöht sich die Temperatur des Schalters 50 und damit der Feder 11, so führt dies auch hier nicht zu einer Schleichphase, die den Kontaktdruck beeinträchtigt. Erst wenn die Schalttemperatur erreicht wird, springt die Feder 11 von der in 6 gezeigten Stellung, die der Stellung aus 4 entspricht, in die Stellung gemäß 3 um, in der der inneren Steg 16 die Kontaktbrücke 57 von den festen Kontaktteilen 53, 54 abhebt und den Schalter 50 öffnet.
Die äußeren Stege 17, 18 schnappen dabei ebenfalls in ihre Hochtemperaturstellung um, wobei sich die Kontaktbrücke 57 zusammen mit dem inneren Steg 16 zwischen den äußeren Stegen 17 und 18 hindurchbewegt.
In 7 ist ein temperaturabhängiger Schalter 70 gezeigt, in dem die Scheibe 22 aus 2 als aktives Schaltelement verwendet wird. Die Scheibe wird nicht vom zu schaltenden Strom durchflossen, wie bei dem Schalter 30 aus 5, sie stellt auch nicht den Kontaktdruck her, wie bei dem Schalter 50 aus 6. Das Ausführungsbeispiel der 7 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Der Schalter 70 weist einen Kunststoffkörper 71 auf, der oben und unten durch Bleche 72, 73 verschlossen ist, die auch als Außenanschlüsse dienen. An dem oberen Blech 72 liegt in elektrisch leitender Verbindung eine Federzunge 74 an, die an ihrem freien Ende ein bewegliches Kontaktteil 75 trägt, das in der gezeigten Tieftemperaturstellung mit einem festen Kontaktteil 76 in Anlage ist, das an dem unteren Blech 73 angeordnet ist.
In dem Kunststoffkörper 71 ist durch eine Wand 77 ein Aufnahmeraum 78 gebildet, in dem die Scheibe 22 liegt, die mit ihrem Rand 25 von dem als Widerlager dienenden Rand 77 anliegt und so in Radialrichtung R festgelegt wird.
An der Federzunge 74 ist eine nach unten weisende Kalotte 79 zu erkennen, auf die die Scheibe 22 über ihren inneren Bereich 13 einwirkt, wenn sie infolge Temperaturerhöhung ihre Konfiguration ändert und das bewegliche Kontaktteil 75 von dem festen Kontaktteil 76 abhebt.
Federzuge 74, Scheibe 22 und Kontaktteile 75, 76 bilden dabei ein temperaturabhängiges Schaltwerk 80.
In der in 7 gezeigten Schließstellung des Schalters 70 befindet sich die nicht stromdurchflossene Scheibe 22 in einer Konfiguration ähnlich zu 3, die Kalotte 79 ragt in den äußeren Bereich 12 hinein, aus dem der innere Bereich 13 nach unten gebogen ist. Bei Schalten springt der innere Bereich 13 nach oben, erreicht die Konfiguration der 4 und drückt dabei über die Kalotte 79 die Federzunge 74 nach oben.
Statt ein bewegliches Kontaktteil oder eine Kontaktbrücke zu montieren, wie bei den Schaltern aus den 5 und 6, kann an dem Bimetallteil 10 erfindungsgemäß ein Bereich 21 vorgesehen sein, in dem eine Kontaktfläche integriert ist, wie dies in den 1 und 2 angedeutet ist.
Anhand von 8 soll jetzt für eine ansonsten konventionelle Bimetallscheibe 81, also ohne inneren und äußeren Bereich, erläutert werden, wie in einem etwa zentrischen flexiblen Bereich 21 eine integrierte Kontaktfläche 82 erzeugt werden kann.
Einerseits kann durch Plattieren oder Galvanisieren mit einem leitfähigen Material 83 eine stoffschlüssig mit dem Bereich 21 verbundene Kontaktfläche 82 erzeugt werden.
Andererseits kann die Kontaktfläche 82 durch Einwalzen eines leitfähigen Materials 83, beispielsweise von Golddrähten, erzeugt werden, wodurch die Kontaktfläche formschlüssig mit dem Bereich 21 verbunden wird.
Auf diese Weise wird der flexible Bereich 21 der Bimetallscheibe 81 mit einer elektrisch gut leitenden Kontaktfläche 82 versehen, die einen geringen Übergangswiderstand zu einer anliegenden Kontaktfläche aufweist, wobei die Flexibilität des Bimetallteils nicht negativ beeinflusst wird.
Die Bimetallscheibe 81 kann bei dem Schalter aus 5 oder 6 eingesetzt werden, wobei das bewegliche Kontaktteil 38 bzw. die Kontaktbrücke 57 jetzt sozusagen durch die integrierte Kontaktfläche 82 ersetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0658911 B1 [0004]
- DE 19816807 A1 [0008]
- DE 2121802 A [0011]
- DE 19609310 A1 [0011]
- DE 19708436 A1 [0018]
- DE 1970846 A1 [0101]

Claims

Bimetallteil zur Verwendung als aktives Schaltelement in einem temperaturabhängigen Schalter (30, 50), mit einem flexiblen Bereich (21), in den eine Kontaktfläche (82) integriert ist.
Bimetallteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (82) stoffschlüssig mit dem flexiblen Bereich (21) verbunden ist.
Bimetallteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (82) durch Plattieren oder Galvanisieren mit einem leitfähigen Material (83) stoffschlüssig mit dem flexiblen Bereich (21) verbunden ist.
Bimetallteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (82) formschlüssig mit dem flexiblen Bereich (21) verbunden ist.
Bimetallteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (82) durch Einwalzen eines leitfähigen Materials (83) formschlüssig mit dem flexiblen Bereich (21) verbunden ist.
Bimetallteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen inneren Bereich (13) sowie einen den zumindest einen inneren Bereich (13) umgebenden äußeren Bereich (12) aufweist, wobei innerer und äußerer Bereich (13, 12) abschnittsweise einstückig miteinander und abschnittsweise mechanisch voneinander getrennt ausgebildet und gegensinnig geprägt sind, und wobei an dem inneren Bereich (13) der flexible Bereich (21) mit der Kontaktfläche (82) vorgesehen ist.
Bimetallteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es als etwa rechteckige Feder (11) ausgebildet ist.
Bimetallteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (11) als inneren Bereich (13) zumindest einen sich in Längsrichtung (L) der Feder (11) erstreckenden inneren Steg (16) und als äußeren Bereich (12) zumindest zwei sich in Längsrichtung (L) der Feder (11) erstreckende äußere Stege (17, 18) umfasst, die den inneren Steg (16) zwischen sich aufnehmen und von diesem über je einen sich in Längsrichtung (L) erstreckenden Spalt (14, 15) getrennt sind.
Bimetallteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Steg (16) vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist, wie die äußeren Stege (17, 18) zusammen.
Bimetallteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es als Scheibe (22) ausgebildet ist.
Bimetallteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (13) von einem Spalt (23) umgeben ist, der abschnittsweise (24) unterbrochen ist.
Bimetallteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (23) gezackt, mäanderförmig oder wellenförmig verläuft.
Bimetallteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (13) vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist, wie die äußeren Bereich (12).
Temperaturabhängiger Schalter mit zwei Außenanschlüssen (41, 42; 55, 56; 72, 73) und einem temperaturabhängigen Schaltwerk (43, 62, 80), das in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen den beiden Außenanschlüssen (41, 42; 55, 56; 72, 73) eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder öffnet, wobei in dem Schaltwerk (43, 62, 80) das Bimetallteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 als aktives Schaltelement vorgesehen ist.
Temperaturabhängiger Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetallteil (10) über seinen äußeren Bereich (12) mit einem (42) der beiden Außenanschlüsse (41, 42) in Verbindung steht, und an seinen inneren Bereich (13) mit einem festen Kontaktteil (39) zusammenwirkt, das mit dem anderen Außenanschluss (41) in Verbindung steht.