DE1139921B - Elektrothermische Betaetigungsvorrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

M 38638 Vnic/21g

ANMELDETAG: 14. AUGUST 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 22. NOVEMBER 1962

Die Erfindung betrifft eine elektrothermische Betätigungsvorrichtung, wie sie z. B. zum Betätigen von mechanischen oder elektrischen Schalteinrichtungen oder Ventileinrichtungen Verwendung finden kann. Insbesondere kann eine solche Vorrichtung auch als ein polarisiertes und mit Zeitverzögerung arbeitendes Relais dienen. Derartige Betätigungsvorrichtungen besitzen Betätigungsglieder, die im gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet sind und auf Temperaturänderungen ansprechen. Jedes dieser Glieder weist einen seine Stellung in Abhängigkeit von der Temperatur ändernden Abschnitt auf, und die Stellungsänderungen der zusammenwirkenden Glieder werden zum Betätigen der Vorrichtung ausgenutzt.

Bei einer solchen Betätigungsvorrichtung wird gemaß der Erfindung eine an sich bekannte thermoelektrische Wärmepumpe verwendet, die in der Weise zwischen den beiden Betätigungsgliedern bzw. -schenkein angeordnet ist, daß sie Wärme von dem einen Glied zu dem anderen Glied fördert, um die Temperatur der beiden Einrichtungen gleichzeitig in entgegengesetztem Sinn zu ändern.

Elektrothermische Vorrichtungen, bei denen die Möglichkeit eines Wärmetransports zur Erzielung einer gleichzeitigen Kühlung und Erwärmung ausgenutzt wird, sind an sich bekannt. So hat man bei einer bekannten, auf dem Peltiereffekt beruhenden Wärmepumpe eine Reihe von Thermoelementen in Form von Thermosäulen zusammengeschaltet, um die Förderleistung der Wärmepumpe zu erhöhen. Im vorliegenden Zusammenhang wird eine solche an sich bekannte thermoelektrische Wärmepumpe zum elektrischen Steuern einer Betätigungsvorrichtung der oben beschriebenen Art ausgenutzt. Damit lassen sich bei relativ geringem Energieaufwand relativ große Betätigungskräfte erzielen, die über die Wärmepumpe einfach und genau, willkürlich oder selbsttätig gesteuert werden können. Vorteilhafterweise greifen die beiden ihre Stellung verändernden Betätigungsabschnitte an unterschiedlichen Stellen eines gemeinsamen beweglichen Bauteils, z.B. Schaltarm, an, um auch bei geringen Stellungsänderungen einen merklichen Betätigungsweg hervorzurufen.

Es ist bekannt, die Stellungsänderung von auf Temperaturänderumgen ansprechenden Elementen, wie BimetalHementen, Änderumgskörpern oder -elementen, zum Betätigen anderer Einrichtungen, wie Ventilen oder Schaltern, zu benutzen. Es ist auch schon bekannt, zwei oder mehr im gegenseitigen Abstand angeordnete, auf Temperaturänderungen ansprechende Elemente zu verwenden, um die temperaturabhängige Änderung der Stellungen beider zu-Elektrothermische Betätigungsvorrichtung

Anmelder:

Minnesota Mining

and Manufacturing Company,

St. Paul, Minn. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 15. August 1957 (Nr. 678 279)

Robert Washburn Fritts, St. Paul, Minn. (V. St. A), ist als Erfinder genannt worden

sammenwirkenden Elemente zum Betätigen einer Vorrichtung auszunutzen. Bei einer solchen bekannten Anordnung, die zum selbsttätigen Schließen und Öffnen eines Absperrorgans unter Einwirkung von Lichtstrahlen dient, dient als das eine seine Stellung änderndes Element ein Satz von Ausdehnungszylindern, die an einem Ende fest eingespannt sind und an ihrem anderen Ende eine Tragplatte unterstützen, an der das andere seine Stellung ändernde Element mit einem Ende befestigt ist. Dieses zweite Element besteht ebenfalls aus einem Ausdehnungszylinder, dessen freies Ende auf eine Ventilplatte einwirkt, um diese zu schließen oder zu öffnen. Die Änderungen der Elemente bei Lidhteinfall ist unterschiedlich, so daß die Differenzbewegung auf das Ventilelement als Schaltbewegung übertragen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine derartige elektrothermische Betätigungsvorrichtung mit zwei zusammenwirkenden, auf Wärmeänderungen durch Stellungsänderung ansprechenden Elementen zu schaffen, die relativ rasch und genau ansprechen kann und deren Arbeitsspiel in einfacher und genauer Weise auf elektrischem Wege gesteuert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand sche-

209 708/289

matischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem senkrechten Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Relais und in halbschematischer Darstellung die dem Relais zugeordnete elektrische Schaltung;

Fig. 2 zeigt einen Fig. 1 ähnelnden senkrechten Schnitt, der ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Relais veranschaulicht.

In Fig. 1 ist eine Ausbildungsform des Relais insgesamt mit 5 bezeichnet. Dieses Relais weist ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 6 auf, in dem ein Basisteil bzw. eine Grundplatte 7 angeordnet ist, welche vorzugsweise aus einem Material mit geringer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit besteht. Auf der Grundplatte 7 sind zwei auf Temperaturänderungen ansprechende Glieder 10 und 11 befestigt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form von stehend angeordneten Schenkeln oder Säulen aus Metall besitzen und parallel zueinander angeordnet und im wesentlichen in der gleichen Weise ausgebildet sind. Die Säulen 10 und 11 bestehen vorzugsweise aus einem Metall mit einem hohen Wärmeausdehnungsbeiwert, z.B. aus Aluminium. Die oberen Enden der Säulen 10 und 11 sind mit Abschrägungen versehen, um Schneiden zu bilden, die in entsprechend geformte Rillen 12 und 13 eines L-förmigen Kontaktarms 14 eingreifen. Ferner ist ein nachgiebiges Federglied 15 vorgesehen, dessen eines Ende mit dem Schenkel 10 fest verbunden ist, während sein anderes Ende an dem Kontaktarm 14 angreift, um diesen in Anlage an den Schenkeln 10 und 11 zu halten, wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Der Kontaktarm 14 trägt ein isoliertes Kontaktstück 16 und nimmt gemäß Fig. 1 eine Mittelsteiung ein, in der sich der Kontakt 16 beiderseits in einem Abstand von zwei festen Kontakten 17 und 18 befindet, mit denen der Kontakt 16 zusammenarbeiten kann. Der bewegliche Kontakt 16 kann mit einer Leitung 19 verbunden sein, die ihrerseits z. B. an eine Wechselstromquelle 20 angeschlossen ist. Die festen Kontakte 17 und 18 können jeweils mit Leitungen 21 bzw. 22 verbunden sein, die zu gesteuerten Verbraucherstromkreisen 23 und 24 gehören, die über einen Leiter 25 ebenfalls mit der Wechselstromquelle 20 verbunden sind. Man erkennt aus Fig. 1, daß in der gezeigten Mittelstellung des beweglichen Kontakts 16 die beiden Laststromkreise 23 und 24 nicht eingeschaltet sind, während bei Berührung des Kontakes 16 mit dem Kontakt 17 bzw. 18 der Laststromkreds 23 bzw. der Laststromkreis 24 mit der Wechselstromquelle 20 verbunden ist.

Durch die Defferentialbewegung der oberen Enden der Schenkel 10 und 11 wird veranlaßt, daß der Kontaktarm 14 gesteuerte Bewegungen in Richtung auf den einen oder anderen der Kontakte 17 und 18 ausführt. Zu diesem Zweck sind thermoelektrische Wärmepumpenmittel 26 vorgesehen, die gemäß Fig. 1 zwischen den Schenkeln 10 und 11 angeordnet sind und mehrere negative (N-Type) Thermoelemente 27 sowie abwechselnd mit diesen angeordnete positive (P-Type) Thermoelemente 28 umfassen. Die einander benachbarten Thermoelemente sind jeweils durch Isolatoren 29 von geringer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit voneinander getrennt. Die Thermoelemente 27 und 28 sind insgesamt in Reihe geschaltet, und zwar mit HiKe metallischer Thermosteienglieder 30 mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, die auf der dem Schenkel 10 benachbarten Seite der Thermoelemente angeordnet sind, sowie mittels ähnlicher Thermostellenglieder 31, die sich auf der dem Schenkel 11 benachbarten Seite der Thermoelemente befinden. Die Anschlußstellen der Wärmepumpenmittel 26 werden durch die Thermostellenglieder 32 und 33 gebildet, die bei dem Ausführungsbeispiel nach Figl. 1 auf der dem Schenkel 11 zugewandten Seite liegen.

ίο Die Wärmepumpenmittel 26 und insbesondere die zugehörigen Thermostellenglieder 30 bis 33 sind von den Schenkeln 10 und 11 elektrisch isoliert, stehen jedoch in guter wärmeleitender Verbindung mit ihnen. Bei 34 und 35 erkennt man verhältnismäßig dünne Schichten aus einem Material mit einem relativ hohen elektrischen Widerstand. In Fig. 1 ist die Dicke dieser Schichten übertrieben dargestellt. Diese Schichten 34 und 35 können als Grenzschichten ausgebildet sein, die durch eine anodische Behandlung der Schenkel 10 und 11 aus Aluminium entstanden sind und daher aus Aluminiumoxyd bestehen, das von Natur aus einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand aufweist. Da die genannten Grenzschichten sehr dünn sind, können sie einen erhebliehen Wärmeübergang vermitteln.

Die Wärmepumpenmittel 26 können mit einer in Fig. 1 als Batterie schematisch angedeuteten Gleichstromquelle 36 verbunden werden. Zu diesem Zweck ist das Thermostellenglied 33 mittels einer Leitung 37 und das Thermostellenglied 32 mittels einer Leitung 38 an die Stromquelle angeschlossen. In den Leitungen 37 und 38 kann ein zum Umpolen dienender Umschalter 39 (liegen, und in die Leitung 38 kann zu einem noch zu erläuternden Zweck ein veränderbarer Widerstand 40 eingeschaltet sein.

Die Wärmepumpenmittel 26 haben die Aufgabe, Wärme von einem der Schenkel 10 und 11 zu dem betreffenden anderen Schenkel zu pumpen, und zu diesem Zweck ist es erwünscht, daß die Thermoelemente 27 und 28 aus einem Material bestehen, das einen hohen Peltierkoeffizienten, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist. Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesen Materialien um halbmetallische Legierungen oder Kompositionen, die man als binäre metallische Verbindungen von geringfügig unvollkommener Zusammensetzung bezeichnen kann. Sie besitzen erwünschte Verunreinigungen, indem eines der Metalle in Abweichung von den genauen stöchiometrischen

Verhältnissen gegenüber dem anderen im Überschuß vorhanden ist und/oder indem sie zusätzliche Verunreinigungssubstanzen enthalten, die im folgenden als »Förderungssubstanzen« bezeichnet sind. Derartige halbmetallische Kompositionen besitzen eine Leitfähigkeit, die derjenigen eines Halbleiters ähnelt, und zwar sowohl in bezug auf die elektrische als auch auf die thermische Leitfähigkeit. Halbmetallische Legierungen oder Kompositionen umfassen auch Gemische von derartigen binären metallischen Verbindüngen, die man als ternäre Metallegierungen oder -kompositionen bezeichnen kann. Einige dieser Legierungen oder Kompositionen zeigen negative elektrische Eigenschaften, während andere dagegen positive elektrische Eigenschaften erkennen lassen.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß ein Teil der Thermoelemente, hier z.B. die Thermoelemente28, positive elektrische Eigenschaften aufweisen, während die anderen Thermoelemente, z. B. die bei 27 ange-

deuteten, negative elektrische Eigenschaften zeigen. Der Grund hierfür besteht darin, daß ein durch ein positive elektrische Eigenschaften zeigendes Element fließender Strom bewirkt, daß Wärme in der gleichen Richtung gepumpt wird, wie der Strom fließt. Wenn ein Strom jedoch durch ein negative elektrische Eigenschaften zeigendes Thermoelement fließt, wird Wärme in einer zur Flußrichtung des Stromes entgegengesetzten Richtung gepumpt. Wenn ein Strom von der Anschlußstelle 32 aus über die Wärmepumpenmittel 26 zu der Anschlußstelle 33 fließt, wird somit Wärme von dem Schenkel 10 zu dem Schenkel 11 gepumpt, wobei jedes der Thermoelemente 27 und 28 zu diesem Vorgang beiträgt, so daß eine Längung des Schenkels 11 und gleichzeitig eine Zusammen-Ziehung des Schenkels 10 erfolgt, da der Schenkel 11 erwärmt und der Schenkel 10 abgekühlt wird. Dies führt zu einer Absenkung des oberen Endes des Schenkels 10 und zu einer Hebung des oberen Endes des Schenkels 11, mit dem Ergebnis, daß der Kontaktarm 14 entgegen dem Uhrzeigersinn geschwenkt und der bewegliche Kontakt 16 zur Anlage an dem festen Kontakt 18 gebracht wird. Wie bereits erwähnt, wird hierdurch die Last 24 eingeschaltet. Wenn man die Polarität des dem Relais zugeführten Stromes umkehrt, z. B. durch Betätigen des Umpolungsschalters 39, fließt der Strom von dem Anschluß 33 aus über die Wärmepumpenmittel 26 zu dem Anschluß 32, so daß Wärme von dem Schenkel 11 zu dem Schenkel 10 durch jedes der Thermoelemente 27 und 28 hindurchgepumpt wird, was zu einer gleichzeitigen Längung des Schenkels 10 und einer Zusammenziehung des Schenkels 11 führt. Dadurch wird der Kontaktarm 14 im Uhrzeigersinn geschwenkt und das Kontaktstück 16 in Anlage an den Kontakt 17 gebracht. Wenn man den Umpolungsschalter 39 geöffnet läßt, werden sich die Temperaturen der Schenkel 10 und 11 allmählich ausgleichen, und der Kontaktarm 14 wird in seine aus Fig. 1 ersichtliche Mittelstellung zurückgeführt. Während sich die oberen Endabschnitte der Schenkel 10 und 11 in ihrer Längsrichtung bewegen, findet eine gleitende Berührung zwischen den Grenzschichten 34 und 35 einerseits und den sie berührenden Tihermostellengliedern statt.

Zwischen dem Einschalten der Wärmepumpenmittel 26 und der Bewegung des Kontaktarms 14 ergibt sich eine bestimmte zeitliche Verzögerung. Diese ist auf die thermisch wirksame Masse der Thermoelemente 27 und 28, der Termostellenglieder 30 bis 33 sowie der Schenkel 10 und 11 zurückzuführen. Die Ansprechgeschwindigkeit des Relais 5 richtet sich nach der Stärke des den Wärmepumpenmitteln 26 zugeführten Stromes, und das Ausmaß der erwähnten zeitlichen Verzögerung läßt sich einfach dadurch variieren, daß man die Größe des in der Leitung 38 liegenden Widerstandes mit Hilfe des Verstellwiderstandes 40 verändert, um so die Stärke des die Wärmepumpenmittel 26 durchfließenden Stromes zu ändern.

Es sei nochmals bemerkt, daß beim Betrieb des beschriebenen Relais 5 die steuernde Bewegung des Kontaktarms 14 durch eine Differentialbewegung der oberen Enden der Schenkel 10 und 11 hervorgerufen wird. Demzufolge wird das Relais durch Änderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen nicht beeinflußt, denn diese Änderungen wirken sich jeweils in gleicher Richtung auf die Schenkel 10 und 11 aus und erzeugen daher keine Differentialbewegung der oberen Enden der beiden Schenkel.

Die Erfindung sieht die Verwendung des Relais 5 nicht nur bei dem gezeigten Anwendungsbeispiel, sondern auch in anderen Anwendungsfällen vor. Die Wärmepumpenmittel 26 bleiben im wesentlichen unbeeinflußt, wenn sie von einem Wechselstrom durchflossen werden, doch sprechen sie in starkem Maße an, wenn ein Gleichstrom durch sie hindurdhfließt. Auf Grund dieser Tatsache eignet sich das Relais 5 sehr gut zum Überwachen von Wechselstrom führenden Stromkreisen, zu welchem Zweck man die Leitungen 37 und 38 statt mit der Stromquelle 36 mit dem betreffenden Stromkreis verbindet. In einem solchen Anwendungsfalle würde der Kontaktarm 14 des Relais normalerweise seine Mittellage einnehmen (Fig. 1), solange in dem zu überwachenden Wechselstromsystem keine Gleichstromkomponente vorhanden ist. Sobald jedoch in dem Stromkreis ein störender Gleichstrom auftritt, sprechen die Wärmepumpenmittel 26 sofort an und pumpen Wärme von einem der Schenkel 10 und 11 zu dem betreffenden anderen Schenkel, so daß eine steuernde Bewegung des Kontaktarms 14 hervorgerufen und das Kontaktstück 16 zur Anlage an einen der Kontakte 17 und 18 gebracht wird.

Eine weitere Variante besteht darin, daß der Umpolungsschalter 39 die Form eines Thermostaten aufweist, mittels dessen das Einschalten der Laststromkreise 23 und 24 entsprechend der Temperatur in der Umgebung des Thermostaten gesteuert wird.

Das Relais besitzt einen hohen Wirkungsgrad, und zwar nicht nur deshalb, weil die Wärmepumpenmittel 26, bezogen auf die Einheit der aufgewendeten elektrischen Energie, eine große Wärmemenge pumpen, sondern auch weil bei der beschriebenen Anordnung die Wirksamkeit der Wärmepumpenmittel 26 dadurch im wesentlichen verdoppelt wird, daß sowohl die Wärmeabsorptionswirkung als auch die Wärmeabstrahlwirkung dieser Mittel ausgenutzt wird, um einem der Schenkel 10 und 11 Wärme zu entziehen und diese Wärme dem betreffenden anderen Schenkel zuzuführen. Die Umsteuerbarkeit der Arbeitsweise der Wärmepumpenmittel 26 entsprechend der Polarität des Speisestromes ermöglicht es, das Relais 5 als Zweistellungsrelais oder als polarisiertes Relais zu verwenden.

Fig. 2 ist eine Teildarstellung einer weiteren Ausbildungsform des Relais, die hier mit 5' bezeichnet ist. In Fig. 2 bezeichnen die mit Kennstrichen versehenen Bezugsziffern jeweils Teile, die in Fig. 1 die gleichen Bezugsziffern, jedoch ohne Kennstrich, tragen. Das Relais 5' ist in jeder Beziehung im wesentlichen mit dem Relais S identisch, abgesehen davon, daß bei dem Relais 5' die Schenkel 10' und 11' zusammen mit dem Kontaktarm 14' aus einem Stück bestehen. Das obere Ende des Schenkels 11' ist oberhalb der Wärmepumpenmittel 26' in Richtung auf den Schenkel 10' abgewinkelt und mit dem Kontaktarm 14' nahe dem oberen Ende des Schenkels 10' verbunden. Bei dieser Ausbildungsform werden die aus Fig. 1 ersichtlichen, schneidenförmige Kanten und V-förmige Rillen umfassenden Verbindungen zwischen den Schenkeln 10 und 11 einerseits und dem Kontaktarm 14 andererseits nicht benötigt. Die Arbeitsweise des Relais 5' ist jedoch im wesentlichen identisch mit derjenigen des Relais 5. Bei dem Relais 5' wird die Relativbewegung des Kontaktarms 14'

durch die elastischen Eigenschaften des Metalls ermöglicht, aus dem das die Glieder 10', 1Γ und 14' umfassende einheitliche Bauteil hergestellt ist.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrothermische Betätigungsvorrichtung mit im gegenseitigen Abstand angeordneten, auf Temperaturänderungen ansprechenden Betätigungsglieder, von denen ein jedes einen seine Stellung in Abhängigkeit von der Temperatur ändernden Abschnitt aufweist, und bei der die temperaturabhängige Änderung der Stellungen dieser Abschnitte der beiden zusammenwirkenden Glieder zum Betätigen der Vorrichtung ausgenutzt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung einer an sich bekannten thermoelektrischen Wärmepumpe (26 bzw. 26'), die in der Weise zwischen den beiden Betätigungsgliedern bzw. -schenkein (10, 11 bzw. 10', 11') angeordnet ist, daß sie Wärme von dem einen Glied zu dem anderen Glied fördert, um die Temperatur der beiden Glieder gleichzeitig in entgegengesetztem Sinn zu ändern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ihre Stellung verändernden Betätigungsglieder (10,11 bzw. 10', 1Γ) an unterschiedlichen Stellen eines gemeinsam betätigten Bauteils (14 bzw. 14'), z.B. eines Schaltarms, angreifen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsglieder aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoefnzienten bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsglieder (10', 11') und der von ihnen gemeinsam betätigte Bauteil (14') eine Einheit bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Thermostellenelement der Wärmepumpe bzw. die eine Gruppe von Thermostellenelementen (30) mit dem einen Betätigungsglied (10) und das andere Element bzw. die andere Gruppe (31 bis 33) mit dem anderen Betätigungsglied (11) in gleitender Berührung steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den Berührungsflächen zwischen einem Thermostellenglied und einem Betätigungsglied eine dünne wärmedurchlässige Zwischenschicht (34 bzw. 35) aus einem Material mit hohem elektrischem Widerstand vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsglieder aus Aluminium und die Zwischenschicht aus Aluminiumoxyd besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speiseleitung der thermoelektrischen Wärmepumpe ein veränderbarer Strombegrenzungswiderstand (40) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speiseleitung der thermoelektrischen Wärmepumpe ein Polumschalter (39) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von den beiden Betätigungsgüedern gemeinsam betätigte Bauteil als Schaltarm (14 bzw. 14') ausgebildet ist, der an seinem freien Ende einen Kontakt (16 bzw. 16') trägt und bei abgeschalteter Wärmepumpe eine Mittelstellung zwischen zwei in seiner Bewegungsbahn angeordneten festen Kontakten (17,18 bzw. 17', 18') einnimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 242155, 280 696.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 708/289 11.62