DE2414884B2 - Thermischer Umschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Umschalter mit einem unter Wärmeeinfluß reversibel verformbarer Bimetallschaltelement, welches durch räumliche Verformung vorgespannt und dadurch als Schnappfederelement ausgebildet ist und über ein unter Vorspannung stehendes Federglied auf einen Schaltarm wirkt, der mit zwei einander gegenüber angeordneten Kontaktstükken versehen und zwischen zwei fest angeordneten Kontaktstücken hin und her schwenkbar ist und wobei diese Teile so gekoppelt sind, daß sie zusammen eine bistabile Schaltgliedanordnung bilden.

Es ist bekannt, Schaltvorgänge durch Bimetallschalter einzuleiten, beispielsweise, wenn es in zu schützenden Netzen zu Überströmen durch Kurzschluß od. dgl kommt. Das direkt von dem Strom durchfiossene Bimetallelement, das jedoch auch auf eine Veränderung lediglich der Umgebungstemperatur ansprechen kann, wie sie beispielsweise durch eine besondere Zusatzwär- oder Abkühlung eine Schaltbewegung durch, so daß man Verbrauchergruppen von stromversorgenden Anlagen trennen kann.

Es ist auch bekannt, Bimetailelemente so auszubilden, daß man in etwa eine Momentumschaltung erreicht, d. h. man verwendet in diesem Falle bevorzugt sogenannte Bimetallsprungscheiben, die durch eine besondere Formgebung in einer bestimmten Lage vorgespannt sind und die bei entsprechender Erwärmung erst dann in ι eine andere Lage umspringen können, wenn ein bestimmter Spannungspunkt im Bimetallelement überschritten ist Dieses Umspringen erfolgt ruckhaft und wird zum Lösen von Kontakten bei Ausschaltern benutzt Nachteilig ist allerdings, daß man unter Verwendung solcher Bimetallsprungscheiben zwar zu einem schnellen Umspringen gelangen kann, es kann jedoch dabei zu einem vorherigen Abbau des Kontaktdruckes kommen, bevor der eigentliche Sprung eingeleitet und ausgeführt wird. Dadurch können sich Öffnungsfunken bilden, die schließlich bei häufigen Schaltungen zu Kontaktschädigungen führen können. Auch ergeben sich beim Wiedereinschalten möglicherweise Kontaktprellungen, die ebenfalls schwierig zu beherrschen sind und zu Funkstörungen führen können.

Weiterhin sind unter mechanischer Einwirkung stehende Mikroschalter schon bekannt, bei denen die eigentliche K.ontaktbewegung über ein federndes, eine Schnappcharakteristik herbeiführendes Zwischenglied hervorgerufen wird. Solche bekannten, mechanisch arbeitenden Mikroschalter sind auch als Umschalter bekannt; bei mehrpoligen Schaltern ist jedoch eine synchrone Umschaltung bei diesen Schaltern nicht realisierbar.

Die DE-AS 10 00 093 zeigt einen Bimetallumschalter, bei dem der Bimetallstreifen auch durch eine elektrische Heizung erwärmt werden kann. Wegen der sich ständig ändernden Verformung des Bimetallelementes und der direkten Einwirkung auf die Kontakte, können ein konstanter Kontaktdruck und eine blitzschnelle Umschaltung nicht erreicht werden. Die Anordnung aus unmittelbar miteinander verbundenen Teilen ist herstellungstechnisch schwierig. Auch sind keine parallelen Schaltarme vorhanden, die ein synchrones Umschalten ermöglichen würden.

Aus der DE-OS 19 64 460 ist ein Temperaturreglerelement mit einem Bimetallstreifen bekannt, welches eine Spreizfeder und ein einfaches Bimetallschaltelement mit Umschaitkontakten zeigt. Das sprunghafte Umspringen soll mit einer einfachen Einstellschraube eingestellt werden können. Dies wirkt nur einseitig. Wegen des sich unter der Wärmeeinwirkung stetig verändernden Bimetallelementes kann kein konstanter Kontaktdruck bis zum Umschalten gehalten werden. Eine genaue Einstellung des Umschaltzeitpunktes in beiden Schaltrichtungen ist nicht möglich.

Aus der US-PS 33 22 915 ist ein Bimetallsprungscheibenmikroumschalter mit den eingangs genannten Merkmalen zu entnehmen. Dabei ist ein üblicher Mikroschalter vorgesehen. Er hat ein U-förmiges, unter Vorspannung stehendes Federglied zwischen dem die Kontaktstücke tragenden Schaltarm und einem weiteren Federelement. Auf dieses Federelement wirkt ein Betätigungsstift, der aus dem Gehäuse des eigentlichen Mikroschaiters herausragt. Dieser Beiätigungsstift stützt sich auf der Mitte einer Bimetallsprungscheibe ab, die an ihrem Rand fest im Gehäuse gehalten ist und auf welche die Umgebungswärme einwirkt. Es besteht zwar die Absicht, den Kontaktdruck bis zum plötzlichen

Umschalten konstant zu halten. Geeignete Maßnahmen, jm das jedoch exakt für beide Schaltstellungen zu ermöglichen, fehlen, weil der Stößel zwischen zwei Federelementen eingespannt ist und somit dieser Aufbau für die Rückschaltung in die Schaltcharakteristik eingeht Einstellmittel für den genauen Schaltzeitpunkt sind ebenfalls nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Umschalter mit Bimetallschaltelement zu schaffen, de;· bei konstantem Kontaktdruck eine blitzschnelle, praktisch prellfreie Momentumschaltung zu exakt festlegbaren Bedingungen in beiden Richtungen erlaubt

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Bimetallschnappfederelement an einem Ende ortsfest eingespannt ist und von den beiden Enden des Federgliedes das eine Ende mit dem bewegbaren ersten Ende des Schaltarmes gekoppelt ist und das zweite Ende an dem die reversiblen Verformungsbewegungen ausführenden Ende des Bimetallschnappfederelementes gelenkig befestigt ist, also die Teile direkt gekoppelt sind, und das Bimetallschnappfederelement von einem weiteren zur Einstellung des Schaltzeitpunktes für die symmetrische Umschaltung höhenverstellbaren Halter gehalten ist

Bei einer solchen Lösung, bei der zwischen dem Bimetallschaltelement und einem in zumindest annähernd der gleichen Erstreckungsrichtung sich anschließenden oder parallel dazu angeordneten, quer zu dieser Richtung bewegbaren Schaltarm ein in dieser Richtung federndes Zwischenglied angeordnet ist, welches d\s direkte Kopplung zwischen Bimetallschnappfederelement und Schaltarm bewirkt ergibt sich in beiden Schaltrichtungen die gleiche Schaltcharakteristik, zumal mit Hilfe des höhenverstellbaren Halters der aus drei wesentlichen Elementen, nämlich der bistabilen Schaltgliedanordnung, dem federnden Zwischenglied und der sinnvollen Anordnung der Bimetallsprungscheibe, aufgebaute Umschalter sehr exakt auf die gewünschten Umschaltbedingungen eingestellt werden kann. So läßt sich bis zum Abheben der Kontaktdruck konstant halten, und dabei arbeitet der Schalter prellarm, da wenig bewegte Teile und nur geringe bewegte Massen vorhanden sind. Lange Lebensdauer und hohe Schaltzahlen bei gleichbleibendem Schaltverhalten sind infolge geringer Relativgeschwindigkeit der sich aufeinander bewegenden Teile möglich. Umschalten mit definierten Hin- und Rückschalttemperaturen eines verschleißfrei und frei von mechanischer Abnutzung arbeitenden Schalters mit kurzen Umschaltzeiten ist bei baulich sehr einfacher Ausführung und sehr leicht herzustellenden Teilen mit einfacher Montage und justierung zu erzielen. Kurze Baulänge und im Ganzen kompakte Anordnung sind möglich, und dabei ist man frei in der Wahl der Materialien und Technologien und kann sie den jeweiligen Bedürfnissen anpassen, so daß sich bewährte Systeme und Elemente für die Teilfunktionen verwenden lassen, und sich Schalter mit drei wesentlichen veränderlichen, nämlich Art und Zahl der Kontakte, Kontaktdruck und Schalttemperaturen, wahlweise zusammenstellen lassen, ohne daß die Schaltcharakteristik und Einstellvorteile verloren gehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der höhenverstellbare Halter ein erstes Gewindeteil aufweisen, das mit einem zweiten Gewindeteil zusammenwirkt, welches am Basisteil angeordnet ist. Mit einfachen Mitteln kann so eine leicht sicher einstellbare, selbsthemmende Höhenverstellung realisiert werden, die den Einsteüerfordernissen gut gerecht wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können zwei parallele Schaltarme vorhanden sein, die mit einem Querelement verwindungssteif verbunden > sind. Dabei ist das erste Ende des Federgliedes mit dem Querelement und das zweite Ende des Federgliedes mit dem Bimetallschaltelement gekoppelt So kann ein mehrpoliger Umschalter mit schlagartiger Momentumschaltung ohne Prellen und bei konstantem Anpreß-

iti druck geschaffen werden, wozu ähnliche Versuche bisher nicht in der Lage waren. Das federnde Zwischenglied garantiert nämlich konstanten Anpreßdruck und prellfreie Umschaltung, weil das Zwischenglied die Kontakte am Schaltarm unter ständigem Druck

ι > auf dis Gegenkontakte preßt und zwar solange, bis die zugeordnete Bimetallsprungscheibe effektiv umspringt und einen mechanischen Weg zurücklegt das Zwischenglied spricht also auf veränderte Spannungsbedingungen im Bimetallschaltelement in keiner Weise an

.><> und hält den erforderlichen Kontaktdruck aufrecht bis zu dem Moment an welchem die jeweils eine Schaltarmposition definierende Stellung des Bimetallschaltelementes sich durch Überschreiten einer Totpunktlage so ändert daß das federnde Zwischenglied

r> die in ihm gespeicherte Federkraft zur schlagartigen Umschaltung ausnutzen kann. Da die Schaltarme verwindungssteif verbunden sind und wegen des Aufbaus aus drei einzel variierbaren Elementen auch die übrigen Eigenschaften des Schalters durch die mehreren

in Kontakte nicht beeinflußt werden.

Um einen Umschalter nach der Erfindung unabhängig von Fremdwärme als Umschalter mit durch Zeit und Stromstärke bestimmbaren Umschalteigenschaften auszustatten, kann, wie bei einfachen Bimetallschaltern

r> bekannt, in unmittelbarer Nachbarschaft des Bimetallschaltelementes mindestens eine Wärmequelle angeordnet sein, die je nach der Schaltstellung des Umschalters ein- oder ausgeschaltet ist Es lassen sich dann sehr einfach Zeitglieder für sehr große Schaltlei-

1Ii stungen und hohe Schaltzahlen preiswert und langlebig realisieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. la Ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermi-

i. sehen Umschalters in einer Seitenansicht;

Fig. Ib dem Umschalter nach Fig. lain Draufsicht; F i g. 2 ein Schaltbild für einen möglichen, von dem Umschalter durchzuführenden Umschaltvorgang; F i g. 3 eine schematische Draufsicht eines weiteren

>ii Ausführungsbeispieles eines Umschalters.

In Fig. la und Ib ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermischen MikroUmschalters dargestellt, wobei das Bimetallschaltelement als Bimetallsprungscheibe 1 ausgebildet ist. Die Bimetallsprungscheibe 1 ist in sich

^r>·> vorgespannt und aufgrund ihrer Form in der Lage, zwei definierte Ruhepositionen einzunehmen, wobei die eine Ruheposition in Fig. la mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Die andere Ruheposition ist strichpunktiert. Die Bimetallsprungscheibe kann nicht nur zum

Wi Schalter kleiner Lastströme verwendet, sondern auch zum einwandfreien Umschalten bei sehr großen Lastströmen eingesetzt werden.

Die Bimetallscheibe 1 arbeitet so, daß sie bei einer Temperaturänderung zunächst für einen vorgegebenen

(>■'. Zeitraum in einer gegebenen Liage verharrt, sich in ihr jedoch in der Weise Spannungsänderungen ergeben, daß bei Überschreiten eines bestimmten Temperatur-

ohiacrortirr^c I Imcnrmo

die andere Position erfolgt.

Wie aus der Darstellung der Fig. Ib ersichtlich, ist die Bimetallscheibe in etwa als ovale Scheibe ausgebildet und weist in Längsrichtung verlaufende Erstreckungen la und ib auf, dabei ist die den Schaltarmen und Kontaktstückträgern abgewandte Seite in dem Halter 2 des Umschalters fest eingespannt. Der Halter kann in beliebiger geeigneter Weise am Basisteil 4 des MikroUmschalters befestigt sein.

In ihrer Mitte ist die Bimetallsprungscheibe von einem weiteren, als Zapfen 5 ausgebildeten Halter in ihrer Höhe ortsfest gehalten, der Zapfen 5 ist am Basisteil 4 höhenverstellbar angeordnet, um so den richtigen Schalizeiipunki einstellen zu können. Zu diesem Zweck weist der Zapfen 5 in seinem unteren Bereich ein Außengewinde auf und kann in seiner Position durch mehr oder weniger tiefes Einschrauben in eine Hülse 6 am Basisteil 4 verändert werden.

Am anderen Ende ib der Bimetallscheibe 1 ist dann das federnde Zwischenglied 7 gelenkig in der Weise befestigt, daß eine entsprechend ausgebildete Erstrekkung 8 am äußersten Ende der Bimetallscheibe in eine längliche Öffnung 9 des Zwischengliedes 7 eingreift, wodurch die gelenkige Lagerung bewirkt wird. Das Zwischenglied 7 ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. la und Ib als U-förmige Biegefeder ausgebildet, das andere Ende der ü-förmigen Biegefeder ist an einem Querelement oder Querbügel 10 befestigt, dessen Enden in Verbindung mit dem oder den Schaltarmen 11 und 11'stehen.

Das Querelement 10 ist zu den Schaltarmen, den Kontaktstückträgern und den Kontaktstücken isoliert ausgebildet, besteht bevorzugt selbst aus Isoliermaterial und sichert eine synchrone Umschaltung. Die Verbindung der U-förmigen Biegefeder 7 mit dem Querelement 10 ist in der schon erwähnten Weise ebenfalls gelenkig ausgebildet. Wie ersichtlich, ist die Biegefeder 7 zwischen der Bimetallscheibe 1 und dem Querelement 10 so eingespannt, daß ein beträchtlicher, auch eine nach oben und unten gerichtete Querkomponente aufweisender Druck ausgeübt wird. Es kommt auf diese Weise zu einem Pressen der Kontaktstücke 12 und 12' am Schaitarm 11,11' in jeder Position an die entsprechenden Gegenkontaktstücke 13, 13', 15, 15' an den Kontaktstückträgern 14, 14', 16, 16', wobei die Kontaktstückträger nicht federn und fest in einem weiteren Halter 17 in Form eines Isolierblockes am Basisteil 4 eingespannt sind. Der feste Anpreßdruck zwischen den jeweiligen Kontaktstücken wird so lange aufrechterhalten, wie sich die Anlenkstelle der Biegefeder 7 an der Bimetallscheibe 1 oberhalb oder unterhalb der Anlenkstelle der Biegefeder 7 am Querelement 10 befindet Auch kleine Änderungen in der jeweiligen Vertikalposition des Endes ib der Bimetallscheibe ändern an dem zwischen den Kontaktstücken herrsehenden Kontaktdruck nichts, da dieser im wesentlichen lediglich von der Federkraft der Biegefeder 7. die aus einem entsprechend federndem Material hergestellt ist, herrührt. Erst wenn sich das Ende Xb der Bimetallscheibe ruckartig in die zweite, strichpunktiert dargestellte Position bewegt und damit die jeweilige Obertotpunktstellung überwunden hat, erfolgt eine synchrone und blitzschnelle Momentumschaltung unter Ausnutzung der Schnappcharakteristik, so daß sich nunmehr die Kontaktstücke 12,12' am Schaitarm unter dem gleichen starken Kontaktstücke 12, 12' am Schaltarm unter dem gleichen starken Kontaktdruck und im wesentlichen ohne jegliches Prellen an die Kontaktstücke der anderen Seite anlegen. Man erzielt auf diese Weise eine eine echte Momentschaltung darstellende Umschaltung mit Hilfe eines Bimetallelementes, was bisher als nicht erreichbar angesehen ^r> wurde, eben weil der notwendige Kontaktdruck nicht für jeden Zeitpunkt vor der tatsächlichen Schaltbewegung gesichert werden konnte. Weiterhin ist vorteilhaft, daß bei der hier angestrebten mehrpoligen Umschaltung durch die in der Mitte des Querelementes 10

κι angreifende Federkraft der Biegefeder 7 eine absolut synchrone Schaltbewegung der beiden Schaltarme 11 und 1Γ erreicht wird.

Wie weiter vorn schon erwähnt, sind zwei Schaltarm vorgesehen die federnd im Halter 1? eingespannt sind

ι ·) und an ihren äußersten Endpunkten über das Querelement 10 verwindungssteif miteinander verbunden sind. Das gleichmäßige Aufliegen des Querelementes auf diesen beiden Schaltarmen 11 und 11' verhindert eine Verdrehung derselben und bewirkt die synchrone

_'(i Schaltbewegung.

Auch die Kontaktstückträger 14, 14' und 16, 16' sind in dem Halter 17 fest gelagert, und zwar gegeneinander und gegen die Schaltarm 11,11' isoliert. Das die beiden federnden Schaltarme 11 und 1Γ beim doppelpoligen

.·'> Umschalten verbindende Querelement 10 besteht, wie schon erwähnt, bevorzugt aus isolierendem Material, dabei ist jedoch die Verbindung zwischen Querelement 10 und Biegefeder 7 metallisch ausgebildet.

Die Erwärmung des Bimetallschaltelementes 1 kann

J» über Heizwiderstände 18 und 18' erfolgen, die unterhalb oder doch im Bereich des Bimetallelementes angeordnet sind. Eine Erwärmung kann jedoch auch von einer externen Wärmequelle herrühren.
In Fig.2 ist der elektrische Stromlauf dargestellt,

i) welcher unter Verwendung des beschriebenen Umschalters nach Fig. la und Ib zusammen mit einem Verbraucher entsteht. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich auf die Doppelpoligkeit beziehende Bauelemente jeweils mit einfach gestriche-

->;> nen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei der einen Schaltposition fließt ein Strom von Plus entlang dem Pfeil 19 durch den Widerstand 18, durch den Verbraucher 20 und zurück zum Minuspol, bei der anderen Schaltposition fließt der Strom entlang dem

>■ Pfeil 21 unter Umgehung des Widerstandes 18 in Gegenrichtung durch den Verbraucher. Wie ersichtlich, weist eine solche Schaltung ein Schwingverhalten auf und kehrt periodisch in eine Anfangsposition zurück. Ein solches Schwingverhalten kann in geeigneter Weise

■·» ausgenutzt werden.

Die Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Umschalters, der in seiner Wirkungsweise im wesentlichen dem in den Fig. la und Ib dargestellten Umschalter entspricht, wobei allerdings die Schaltarme

V) und die Kontaktstückträger auf der gleichen Seite wie das Bimetallschaltelement angeordnet sind, jedoch außerhalb desselben, so daß der MikroUmschalter für besondere Anwendungsfälle zwar etwas breiter, jedoch beträchtlicher kürzer baut. Gleiche Teile sind mit

M> gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. la und Ib versehen. Die Einspannung erfolgt in einem gemeinsamen, als Isolierblock ausgebildeten Halter 29.

Es gelingt mit dem beschriebenen thermischen MikroUmschalter also das Hauptproblem solcher

fa5 Schalter zu lösen, nämlich in beiden Schaltstellungen bei einem Umschalter einen notwendigen und vorgegebenen, einheitlichen Kontaktdruck zu erreichen, der sich präzise erst im Moment des Umschaltern durch das

Bimetallschaltelement ändert und wobei in den jeweiligen Arbeitspositionen des oder der Schaltarm ein fester Kontaktdruck ausgeübt wird, so daß auch im Moment des Umschaltens, das gleichzeitig auch immer einen Einschaltvorgang beinhaltet, Prellungen vermieden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 Patentansprüche:

1. Thermischer Umschalter mit einem unter Wärmeeinfluß reversibel verformbaren Bimetallschaltelement, welches durch räumliche Verformung vorgespannt und dadurch als Schnappfederelement ausgebildet ist und über ein unter Vorspannung stehendes Federglied auf einen Schaltarm wirkt, der mit zwei einander gegenüber angeordneten Komtaktstücken versehen und zwischen zwei fesit angeordneten Kontaktstücken hin und her schwenkbar ist und wobei diese Teile so gekoppelt sind, daiS sie zusammen eine bistabile Schaltgliederanordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetallschnappfederelement an einem Ende ortsfest eingespannt ist und von den beiden Enden des Federgliedes (7) das eine Ende mit dem bewegbaren ersten Ende des Schaltarmes (11) gekoppelt ist und das zweite Ende an dem die reversiblen Verformungsbewegungen ausführenden Ende (ib) des Bimetallschnappfederelements (1) gelenkig befestigt ist, also die Teile direkt gekoppelt sind, und das Bimetallschnappfederelement (1) von einem weiteren zur Einstellung des Schaltzeitpunkts für die symetrische Umschaltung höhenverstellbaren Halter (5) gehalten ist

2. Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der höhenverstellbare Halter (5) ein erstes Gewindeteil aufweist, das mit einem zweiten Gewindeteil (6) zusammenwirkt, welches am Basisteil (4) angeordnet ist.

3. Umschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Schaltarme (11, 11') vorhanden sind, die mit einem Querlement (10) verwindungssteif verbunden sind, und daß das erste Ende des Federgliedes (7) mit dem Querelement und das zweite Ende des Federgliedes mit dem Bimetallschaltelement (1, Ib) gekoppelt sind.

4. Umschalter nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nachbarschaft des Bimetallschaltelementes (1) min destens eine Wärmequelle (18, 18') angeordnet ist, die je nach der Schaltstellung des Umschalters ein- oder ausgeschaltet ist.