DE102017105436B3

DE102017105436B3 - Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102017105436B3
Application number: DE102017105436.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Hierl
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: CN110612587B; EP3596746A1; JP2020510296A; WO2018166825A1; JP6991235B2; CN110612587A; US10950401B2; US20200013572A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung, bestehend aus einem wärmeempfindlichen Mittel sowie einem mechanischen Kraftspeicher, wobei das wärmeempfindliche Mittel als ein Schmelzformteil ausgebildet ist und den Bewegungsweg eines als Stößel ausgebildeten Schaltstückes blockiert oder freigibt, weiterhin der Stößel vom mechanischen Kraftspeicher unter Vorspannung steht und mit einem, die vorgenannten Mittel aufnehmenden Gehäuse, wobei das Gehäuse als patronenartige Hülse ausgebildet ist, welche in ihrem Inneren den Stößel aufnimmt, der durch eine erste stirnseitige Öffnung im Gehäuse verschieblich gelagert ist und sich unter Vorspannung gegen das Schmelzformteil abstützt, wobei das Schmelzformteil eine der ersten stirnseitigen Öffnung gegenüberliegende zweite Öffnung verdeckend angeordnet ist, derart, dass mit dem Erreichen der Schmelztemperatur des Schmelzformteiles selbiges durch den Stößel verdrängt wird und der Stößel eine geänderte Lageposition einnimmt.Erfindungsgemäß weist die Hülse in Richtung erster Öffnung einen im Durchmesser verringerten Verjüngungsabschnitt auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung, bestehend aus einem wärmeempfindlichen Mittel sowie einem mechanischen Kraftspeicher, wobei das wärmeempfindliche Mittel den Bewegungsweg eines Schaltstückes blockiert oder freigibt, weiterhin das Schaltstück vom mechanischen Kraftspeicher unter Vorspannung steht und mit einem, die vorgenannten Mittel aufnehmenden Gehäuse gemäß Patentanspruch 1.
Aus der DE P 17 53D AZ ist ein elektrischer selbsttätiger Schalter vorbekannt, welcher als Auslöseelement ein wärmeempfindliches Glied besitzt. Beim vorgenannten Schalter ist ein unter dem Einfluss eines mechanischen Kraftspeichers stehendes Schaltstück in seiner Schaltstellung durch Reibungsschluss festgehalten.
Das wärmeempfindliche Glied ist in Form eines längsgeschlitzten Bimetallrohres ausgeführt und stellt einen der beiden in Reibungsschluss miteinander stehenden Teile dar.
In einer Ausführungsform steht das längsgeschlitzte Bimetallrohr mit einem stabförmigen Körper in unmittelbar zwischen Bimetallrohr und Stabkörper wirksamen Reibungsschluss, wobei einer der beiden Teile ortsfest, das andere Teil hingegen ortsbeweglich angeordnet wird. Diesbezüglich kann das längsgeschlitzte Bimetallrohr auf einem massiv oder als Rohr ausgebildeten, ortsbeweglichen Schaltstück, dieses umschließend, angeordnet werden. Bei Erwärmung weitet sich dann das Bimetallrohr und es wird das Schaltstück zur Schaltbewegung freigegeben. Um die Auslösecharakteristik der bekannten Schalteinrichtung einstellen zu können, besteht die Möglichkeit der Änderung des Querschnittes oder der Länge einer dort vorgesehenen Heizwicklung. Alternativ kann die Wandstärke des Bimetallrohres geändert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel zur Schalteinrichtung wird auf Telefon-Sicherungs-Stöpsel eingegangen, bei denen ein Schaltbolzen durch ein eutektisches Lot festgehalten wird, das in kaltem, erstarrten Zustand einerseits an den Innenwandungen des Stöpselgehäuses und andererseits am Schaltbolzen haftet und dadurch diesen entgegen der Wirkung einer Schaltfeder sperrt. Bei einem Überstromereignis schmilzt das eutektische Lot und gibt die Haftung frei, so dass der Schaltbolzen aus seiner Sperrlage zurückgezogen wird und eine dortige Kontaktfahne freigibt.
Gemäß der DE 23 49 019 A1 gehören Anordnungen zur Erfassung mangelnder Betriebsfähigkeit von Vakuumschaltgefäßen zum Stand der Technik. Diesbezüglich ist in wärmeleitender Verbindung mit einem eine geringe Temperatur-Zeitkonstante aufweisenden Teil des Vakuumschaltgefäßes eine auf erhöhte Temperatur ansprechende Einrichtung angeordnet, die eine Signaleinrichtung und/oder das Wirksamwerden einer Schutzeinrichtung steuert.
Die zur Erfassung der erhöhten Temperatur vorgesehene Einrichtung ist beispielsweise als ein temperaturabhängiges elektrisches Bauelement am Gehäuse oder einem der Trägerbolzen von Schaltstücken befestigt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform befindet sich die auf erhöhte Temperatur ansprechende Einrichtung in einer Bohrung eines der Träger der Schaltstücke des Vakuumschaltgefäßes. Als temperaturabhängige Einrichtung kommt gemäß der vorbekannten Lösung ein Schmelzlot und ein durch das Schmelzlot gehaltener, unter Federspannung stehender Stößel zur Anwendung, wobei der Stößel mit einem Schaltkontakt in Verbindung steht. Bei geeigneter Wahl des Schmelzpunktes des Lotes wird der Stößel freigegeben, wenn sich die Schaltstücke unzulässig erwärmen.
Bei der gattungsbildenden mechanischen Schalteinrichtung, ausgebildet als Schmelzsicherung nach DE 495 893 A , wird eine Schmelzmasse durch ein Arbeitsglied verdrängt. Die verdrängte Schmelzmasse wird von einer Kammer aufgenommen, die durch das Arbeitsglied abgeschlossen ist. Die verdrängte Schmelzmasse steht dabei für ein Zurücklöten der Sicherung zur Verfügung.
Dies ist zum Beispiel dadurch möglich, indem eine Erwärmung mittels einer Spule unter entsprechendem Stromdurchfluss erfolgt. Die durch das Erwärmen wieder geschmolzene Masse sammelt sich unter der Aufnahmekammer, um nach dem Erstarren erneut einen Schmelzkörper zu bilden.
Den vorbekannten Einrichtungen und Schaltvorrichtungen ist gemeinsam, dass diese aus einer größeren Anzahl von Einzelteilen bestehen, welche jeweils auf den definierten Anwendungs- und Einsatzfall auszulegen sind.
Die hohe Teileanzahl und die individuelle Anpassung und Auslegung führt weiterhin zu einem hohen Montageaufwand, wobei gleichzeitig die Störanfälligkeit entsprechend realisierter Schalteinrichtungen steigt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte, thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung, bestehend aus einem wärmeempfindlichen Mittel sowie einem mechanischen Kraftspeicher anzugeben, welche mit minimaler Komponentenanzahl auskommt und die quasi als vorgefertigtes Bauteil universell einsetzbar ist. Dabei soll die zu schaffende Schalteinrichtung für die Anwendung im Rahmen einer automatisierbaren Fertigung von elektrotechnischen oder elektronischen Komponenten geeignet sein, bei welchen temperaturbedingt Schaltzustände ausgelöst werden müssen, wobei es sich bei den Schaltzuständen sowohl um ein elektrisches Aktivieren als auch eine mechanische Zustandsanzeige handeln kann.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Gemäß dem eingangs geschilderten Stand der Technik wird demnach von einer thermisch auslösbaren, mechanischen Schalteinrichtung ausgegangen.
Die mechanische Schalteinrichtung weist ein wärmeempfindliches Material sowie einen mechanischen Kraftspeicher, zum Beispiel ausgebildet als Federspeicher, auf.
Das wärmeempfindliche Material blockiert den Bewegungsweg eines Schaltstückes oder gibt einen solchen Bewegungsweg frei. Weiterhin steht das Schaltstück vom mechanischen Kraftspeicher unter Vorspannung. Die vorgenannten Baugruppen oder Bauteile sind von einem gemeinsamen, die Bauteile aufnehmenden Gehäuse umgeben.
Das Gehäuse ist als patronenartige Hülse in zylindrischer Form ausgebildet.
Im Inneren der patronenartigen Hülse befindet sich ein Stößel, der durch eine erste stirnseitige Öffnung im Gehäuse verschieblich gelagert ist und sich unter Vorspannung gegen ein ebenfalls im Gehäuse bzw. der Hülse befindliches Schmelzformteil abstützt.
Das Schmelzformteil ist einer der ersten stirnseitigen Öffnung gegenüberliegenden zweiten Öffnung und diese verdeckend angeordnet, derart, dass mit dem Erreichen der Schmelztemperatur des Schmelzformteiles selbiges durch den Stößel verdrängt wird. Im Ergebnis dieses Verdrängungsvorganges kann der Stößel eine geänderte Lageposition einnehmen und beispielsweise eine mechanische Zustandsanzeige oder eine elektrische Schalteinrichtung betätigen.
Der in der Hülse befindliche Stößel ist mit einer Kragung umgeben oder weist einen diesbezüglichen Flansch auf, an welchem sich eine Schraubenfeder als Kraftspeicher abstützt.
In Richtung der ersten Öffnung weist die Hülse erfindungsgemäß einen im Durchmesser verringerten Verjüngungsabschnitt auf, der einerseits in die erwähnte erste Öffnung übergeht und der andererseits innenseitig einen weiteren Anschlag für die Schraubenfeder darstellt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung durchdringt der Stößel nach dem Verdrängen des Schmelzformteiles die zweite Öffnung derart, dass das entsprechende Stößelende aus der Öffnung austritt und in der Lage ist, eine elektrische oder mechanische Anzeige oder Schalteinrichtung, quasi als Betätigungs- oder Freigabeelement auszulösen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schmelzformteil als bezogen auf die zweite Öffnung diese verschließender, im Hülseninneren befindlicher Pfropfen ausgebildet.
Durch die Bewegung des Stößels bezogen auf dessen Position zur ersten und/oder zweiten Öffnung kann wie bereits dargelegt, ein externer Schaltvorgang ausgelöst werden. Der Stößel kann insofern einen elektrischen Schalter unmittelbar oder mittelbar oder eine Schaltzustandsanzeige unmittelbar oder mittelbar betätigen.
Die Hülse besteht bevorzugt aus einem thermisch leitfähigen Material, wobei das Ansprechverhalten der Einrichtung über die Wärmekapazität der Hülse in Verbindung mit dem Material des Schmelzformteiles vorgebbar oder einstellbar ist.
Bevorzugt besteht das Schmelzformteil aus einem elektrisch leitfähigen Lotmaterial.
Das aus der zweiten Öffnung verdrängte Lotmaterial kann darüber hinaus einen elektrischen Schaltvorgang unmittelbar bewirken, indem es beispielsweise eine Anordnung von Kontaktelementen überbrückt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 eine Darstellung der thermisch auslösbaren, mechanischen Schalteinrichtung im Längsschnitt mit in einer Hülse eingesetztem Stößel nebst Vorspannungs-Druckfeder und Lotformteil als Schmelzformteil, wobei das stößelferne Ende der Hülse noch nicht zum Fixieren des Lotformteiles unter Freilassung einer zweiten Öffnung umgebördelt ist;
2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, jedoch mit umgebördelten Hülsenende zum Fixieren des Lotformteiles und der übrigen Elemente der Schalteinrichtung;
3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung, ausgebildet als patronenartige Hülse im Ausgangszustand, das heißt vor thermischer Erwärmung;
4 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 3, jedoch im Zustand nach dem Erreichen der Schmelztemperatur des Schmelzformteiles und erfolgter Verdrängung des geschmolzenen Materials aus der zweiten Öffnung nebst infolgedessen veränderter Lage des Stößels;
5 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung im Längsschnitt mit hülsenartigem Gehäuse, Stößel, Federspeicher und peripheren Kontakt- oder Anzeigeelementen im Zustand nicht ausgelöster Schalteinrichtung; und
6 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 5, jedoch im Zustand nach Aufschmelzen des Schmelzformteiles und Verlagerung des Stößels in Kraftrichtung F mit in Kontakt kommen bezogen auf ein äußeres Anzeige- oder Betätigungselement, beispielsweise einer Zustandsanzeige oder eines Mikroschalters.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung gemäß den figürlichen Darstellungen geht von einer patronenartigen Hülse 1 aus, welche bevorzugt aus einem metallischen und thermisch leitfähigen Material besteht.
Die patronenartige Hülse 1 weist eine überwiegend zylindrische Form auf und nimmt in ihrem Inneren einen Stößel 3 auf.
Der Stößel 3 weist eine Kragung oder einen Flansch 5 auf.
Zwischen dem Flansch 5 und einem Verjüngungsabschnitt 6 der Hülse 1 kann ein Kraftspeicher, ausgebildet als Druckfeder 2 angeordnet werden.
Der Stößel 3 ist innerhalb der Hülse 1 durch eine erste stirnseitige Öffnung 7 hindurchtretend angeordnet und beweglich.
Der Bewegungsweg des federvorgespannten Stößels 3 wird durch ein Schmelzformteil 4 begrenzt.
Das Schmelzformteil 4 ist an dem der ersten stirnseitigen Öffnung 7 gegenüberliegenden Ende der Hülse 1 eingesetzt. Durch eine Umbördelung 8 (siehe 2) wird das Schmelzformteil 4 in der Hülse 1 gesichert, wobei im Bereich der Umbördelung 8 eine der ersten stirnseitigen Öffnung 7 gegenüberliegende zweite Öffnung 9 verbleibt.
Wenn es zum Erreichen der Schmelztemperatur des Schmelzformteiles 4 kommt, verdrängt das diesbezügliche Ende des Stößels 3 die geschmolzene Materialmasse mit der Folge, dass bedingt durch die Vorspannkraft der Feder 2 sich der Stößel 3 in der Darstellung gemäß 2 nach links bewegt.
Es wird also die Arretierwirkung des Schmelzformteiles 4 bei Erwärmung desselben und Übergang in den flüssigen Aggregatzustand aufgehoben.
Den Zustand mit festem Schmelzformteil 4 zeigt die Darstellung nach 3, wobei die 4 erkennen lässt, wie im Zuge der Temperaturerhöhung das Material des Schmelzformteiles 4 durch die stirnseitige Öffnung 9 austritt und quasi vom Stößel 3 verdrängt wird, der sich in diesem Falle in das Innere der Hülse 1 zurückzieht, und zwar bedingt durch die erwähnte Feder 2 und die einwirkende Federkraft.
Anhand der Darstellungen gemäß den 5 und 6 soll verdeutlicht werden, dass der Stößel je nach Zustand des Schmelzformteiles 4 und der sich hieraus ergebenden Position des freien Stößelendes 10 in der Lage ist, beispielsweise einen Mikrotaster 11 zu betätigen, das heißt diesen Taster entweder zu blockieren (siehe 5) oder freizugeben (siehe 6).
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass das Stößelende 12, welches das geschmolzene Material des Formteiles 4 verdrängt hat, über die zweite Öffnung 9 aus der Hülse 1 herausfährt und einen Mikrotaster oder eine Anzeigeeinheit 13 betätigt (siehe 6), welche im nicht thermisch aktivierten Zustand freigegeben ist (siehe 5).
Die Hülse 1 kann ein vorgeformtes Bauteil sein, welches nach Aufnahme der Feder und Stößel sowie Einbringen des Schmelzformteiles oder eines Lotformteiles durch Bördeln verschlossen wird. Mit dem Einbringen des Lotformteiles bzw. des Schmelzformteiles 4 in die noch offene Hülse, wie in der 1 gezeigt, kann gleichzeitig ein Spannen der Druckfeder 2 erfolgen. Die entsprechende Druckfederspannung bleibt im Ergebnis des Verbördelns der Hülse 1 (siehe 2) erhalten.
Aus den figürlichen Darstellungen wird ersichtlich, dass bei Erwärmung das Schmelzformteil seinen Aggregatzustand ändert, wobei durch die Federkraft der Stößel betätigt und das Schmelzformteilmaterial verdrängt wird. Aus der Positionsveränderung des Stößels kann zum Beispiel ein mechanisches Signal abgeleitet werden oder aber auch ein elektrischer Schalter einer Betätigung unterliegen.
Bei der gezeigten Ausführungsform kann der Stößel auf der einen Seite in die Hülse hineingezogen und über die erwähnte zweite Öffnung gleichzeitig aus der Hülse herausgedrückt werden.
Das austretende flüssige Lot, wie in der 4 gezeigt, kann eine Kontaktierung auf einer beispielsweise in der Nähe angeordneten Kontaktanordnung, zum Beispiel einer Leiterplatte, herbeiführen.

Claims

Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung, bestehend aus einem wärmeempfindlichen Mittel sowie einem mechanischen Kraftspeicher, wobei das wärmeempfindliche Mittel als ein Schmelzformteil ausgebildet ist und den Bewegungsweg eines als Stößel ausgebildeten Schaltstückes blockiert oder freigibt, weiterhin der Stößel vom mechanischen Kraftspeicher unter Vorspannung steht und mit einem, die vorgenannten Mittel aufnehmenden Gehäuse, wobei das Gehäuse als patronenartige Hülse (1) ausgebildet ist, welche in ihrem Inneren den Stößel (3) aufnimmt, der durch eine erste stirnseitige Öffnung (7) im Gehäuse verschieblich gelagert ist und sich unter Vorspannung gegen das Schmelzformteil (4) abstützt, wobei das Schmelzformteil (4) eine der ersten stirnseitigen Öffnung gegenüberliegende zweite Öffnung (9) verdeckend angeordnet ist, derart, dass mit dem Erreichen der Schmelztemperatur des Schmelzformteiles (4) selbiges durch den Stößel (3) verdrängt wird und der Stößel (3) eine geänderte Lageposition einnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung erster Öffnung (7) die Hülse (1) einen im Durchmesser verringerten Verjüngungsabschnitt (6) aufweist.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kraftspeicher am Verjüngungsabschnitt (6) im Inneren der Hülse (1) abstützt.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (3) nach dem Verdrängen des Schmelzformteiles (4) durch die zweite Öffnung (9) mit einem Stößelende hindurchtretend verschieblich ist.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzformteil (4) als bezogen auf die zweite Öffnung (9) diese verschließender, im Hülseninneren befindlicher Pfropfen ausgebildet ist.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bewegung des Stößels (3) bezogen auf dessen Position zur ersten und/oder zweiten Öffnung (7; 9) ein Schaltvorgang auslösbar ist.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (3) einen elektrischen Schalter oder eine Schaltzustandsanzeige betätigt.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) aus einem thermisch leitfähigen Material besteht, wobei das Ansprechverhalten der Einrichtung über die Wärmekapazität der Hülse (1) in Verbindung mit dem Material des Schmelzformteiles (4) vorgebbar oder einstellbar ist.
Thermisch auslösbare, mechanische Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzformteil (4) aus einem elektrisch leitfähigen Lotmaterial besteht, wobei das verdrängte Lotmaterial einen elektrischen Schaltvorgang bewirkt.