DE69601146T2 - Thermostat with probe provided with a spring made of shape memory alloy in the base - Google Patents
Thermostat with probe provided with a spring made of shape memory alloy in the baseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer Sonde versehenen Thermostaten, der beispielsweise zur Regelung der Temperatur von Wasser bestimmt ist, das im Inneren einer elektrischen Wasserheizung vorhanden ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie dieser beispielsweise durch die FR-A-2 579 013 bekannt ist.The invention relates to a thermostat provided with a probe, intended for example for regulating the temperature of water present inside an electric water heater, according to the preamble of claim 1, as known for example from FR-A-2 579 013.
Thermostaten sind zyklisch arbeitende, auf Wärme ansprechende Steuergeräte, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur zwischen zwei speziellen Werten unter normalen Funktionsbedingungen dienen, und in welchen eine Regelung durch den Nutzer vorgesehen sein kann.Thermostats are cyclical, thermally responsive control devices designed to maintain the temperature between two specified values under normal operating conditions and which may be subject to user control.
Die mit Sonde versehenen Thermostate stellen elektromechanische Systeme der Temperaturregelung dar, die einerseits ein metallisches Rohr fit großem Ausdehnungskoeffizienten (Kupfer, Messing), in dessen Inneren ein Metallstab mit geringem Ausdehnungskoeffizienten (Invar) sitzt, und andererseits einen elektrischen Unterbrecher umfassen, der den in die Widerstandsheizung zu sendenden Strom steuert und der durch die unterschiedliche Ausdehnung der beiden die Sonde darstellenden Metalle betätigt wird. Die beiden, die Sonde bildenden Metalle sind aneinander am freien Ende durch Klemmung oder Schweißung verbunden.Thermostats with probes are electromechanical temperature control systems that comprise, on the one hand, a metal tube with a high coefficient of expansion (copper, brass) inside which is a metal rod with a low coefficient of expansion (Invar), and, on the other hand, an electric switch that controls the current to be sent to the resistance heater and that is activated by the differential expansion of the two metals that make up the probe. The two metals that make up the probe are connected to each other at the free end by clamping or welding.
Die bekannten Thermostate mit Sonde für elektrische Wasserheizung arbeiten unter Druck und umfassen Sicherheitseinrichtungen, die die Zuführung des elektrischen Stroms unterbrechen, wenn der elektrische Unterbrecherschalter des Thermostaten mit Sonde anomal arbeitet. Zudem schreibt die Vorschrift vor, daß die Thermostate mit Sonde mit einer wirksamen Stromunterbrechung zur Sicherheit des Benutzers ausgestaltet sein sollen.The well-known thermostats with probe for electric water heating work under pressure and include safety devices that prevent the supply of electric interrupt the current if the electrical circuit breaker of the thermostat with probe is working abnormally. In addition, the regulation requires that the thermostats with probe must be designed with an effective current interruption for the safety of the user.
Man kennt Thermostaten dieser Art, die eine Schmelzsicherung umfassen, die in Serie mit dem Leiter liegt, der die Versorgungsspannung zuführt, dem der elektrische Unterbrecher des Thermostaten zugeordnet ist, während die Schmelzsicherung in dem Kunststoff des Gehäuses in der unmittelbaren Nähe der Sonde eingebettet ist, oder auch nicht, in der Art, um der Entwicklung der Temperatur des Wassers mit minimalen thermischen Gradienten folgen zu können.Thermostats of this type are known which include a fuse in series with the conductor that supplies the power supply to which the thermostat's electrical switch is associated, while the fuse is embedded in the plastic of the casing in the immediate vicinity of the probe, or not, in such a way as to be able to follow the evolution of the water temperature with minimal thermal gradients.
Diese Art von Thermostat bedingt gewisse Nachteile hinsichtlich des Risikos von thermischer Drift im Laufe der Zeit, und zwar wegen der Höhe der Temperatur, die zu einer Überschneidung der Temperatur des Thermostaten mit dessen Arbeitstemperatur und somit unzeitgemäßem Auslösen der Sicherheitsfunktion führen kann.This type of thermostat has certain disadvantages in terms of the risk of thermal drift over time, due to the high temperature, which can lead to an overlap of the thermostat temperature with its working temperature and thus untimely activation of the safety function.
Im übrigen kann die Schmelzsicherung sich mit der Zeit durch die Schwankungen der Temperatur ändern, denen sie ausgesetzt ist.Furthermore, the fuse may change over time due to the temperature variations to which it is exposed.
Man stellt ferner fest, daß Thermostaten mit Schmelzsicherung nicht reversibel sind, denn die Schmelzsicherung schmilzt unter der Wirkung der Wärme, wenn diese schon etwas über der maximal zulässigen Temperatur liegt. Wenn die Sicherung so verdorben ist, muß die Bedienungsperson den gesamten Thermostaten austauschen, denn dieser ist nicht mehr im Zustand der Funktionstüchtigkeit.It is also noted that thermostats with a fuse are not reversible, because the fuse melts under the effect of heat when the temperature is already slightly above the maximum permissible temperature. If the fuse is damaged in this way, the operator must replace the entire thermostat, because it is no longer in working order.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere mit diesen Nachteilen zu tun.The present invention is particularly concerned with these disadvantages.
Der Thermostat gemäß Erfindung umfaßt eine Feder aus Formgedächtnislegierung, die im Inneren eines Lagers untergebracht ist, welches in der unmittelbaren Nähe der Sonde gelegen ist, um einen elektrischen Kontakt der Sicherheitseinrichtung des Thermostaten zu steuern, der über einer der Phasenzuführungen der Widerstandsheizung so angeordnet ist, daß er der Entwicklung der Wassertemperatur mit geringen thermischen Gradienten folgt.The thermostat according to the invention comprises a shape memory alloy spring housed inside a bearing located in the immediate vicinity of the probe to control an electrical contact of the thermostat's safety device, which is arranged above one of the phase leads of the resistance heater so as to follow the evolution of the water temperature with small thermal gradients.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Feder aus Formgedächtnislegierung in einem Lager sitzt, die mit dem Sitz des Rohres der Sonde in Verbindung steht.An advantage of the invention is that the spring made of shape memory alloy sits in a bearing which is connected to the seat of the probe tube.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Thermostat mit Sonde zwischen der Feder und der metallischen und elastischen Blattfeder des Sicherheitsunterbrechers eine Isolierfahne eines Rückstellfingers umfaßt.A further advantage of the invention is that the thermostat with probe comprises an insulating lug of a reset finger between the spring and the metallic and elastic leaf spring of the safety breaker.
Die Erfindung mit ihren charakteristischen Merkmalen und Vorteilen wird anhand eines Ausführungsbeispiels sowie der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:The invention with its characteristic features and advantages is described using an embodiment and the attached drawings. Shown are:
Fig. 1 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung des Thermostaten mit Sonde, der für die Sicherheitseinrichtung aus Formgedächtnislegierung gemäß Erfindung vorgesehen ist;Fig. 1 is an exploded perspective view of the thermostat with probe provided for the shape memory alloy safety device according to the invention;
Fig. 2 eine Ansicht bei weggebrochenen Teilen zur Darstellung der Unterbringung der Sicherungseinrichtung im Inneren des Thermostaten mit Sonde;Fig. 2 a view with parts broken away to show the location of the safety device inside the thermostat with probe;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt zur Darstellung des Thermostaten mit Sonde in der Arbeitsstellung; undFig. 3 is a schematic section showing the thermostat with probe in the working position; and
Fig. 4 einen Schnitt ähnlich zu Fig. 3, jedoch zur Darstellung des Thermostaten mit Sonde außerhalb des Betriebs infolge der Auslösung durch die Sicherheitsvorrichtung.Fig. 4 is a section similar to Fig. 3, but showing the thermostat with probe out of operation due to activation by the safety device.
In Fig. 1 bis 4 ist ein Thermostat mit Sonde 1 dargestellt, der einen Kunststoffsockel 2 und eine metallische Sonde 3 umfaßt. Der Thermostat mit Sonde 1 weist zwei Anschlußklemmen 2a, 2b auf, die am Sockel 2 befestigt sind und die den Anschluß in Serie zu einem Leiter ermöglichen, die eine Phase des elektrischen Versorgungsstromes für den Widerstand 4 eines entsprechenden Wasserheizgerätes (Fig. 3) führt.In Fig. 1 to 4 a thermostat with probe 1 is shown, which comprises a plastic base 2 and a metallic probe 3. The thermostat with probe 1 has two connection terminals 2a, 2b, which are fixed to the base 2 and which allow connection in series to a conductor carrying a phase of the electrical supply current for the resistance 4 of a corresponding water heater (Fig. 3).
Die Sonde 3 umfaßt ein Rohr 3a mit großem Ausdehnungskoeffizienten, das am Sockel 2 im Klemmsitz oder durch Umgießen des Kunststoffmaterials des Sockels befestigt ist. Im Inneren des Rohres 3a ist ein Metallstab 3b mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten angeordnet, dessen eines Ende durch Verquetschen am Rohr 3a befestigt ist, während das andere Ende mit dem Regelorgan 5 zusammenarbeitet.The probe 3 comprises a tube 3a with a high coefficient of expansion, which is secured to the base 2 by a clamping fit or by molding the plastic material of the base. Inside the tube 3a there is a metal rod 3b with a low coefficient of expansion, one end of which is secured to the tube 3a by squeezing, while the other end cooperates with the control element 5.
Der Sockel 2 wird durch einen Deckel 6 aus Kunststoff verschlossen und weist eine Öffnung 6a für den Zugang zum Regelorgan 5 auf. Diese Öffnung 6a wird durch eine Platte 6b verschlossen, die gerade in passende Nuten im Deckel 6 einrastet.The base 2 is closed by a plastic cover 6 and has an opening 6a for access to the control element 5. This opening 6a is closed by a plate 6b which just snaps into matching grooves in the cover 6.
Die erste Anschlußklemme 2a ist über eine elastische Sicherheitsmetalllamelle oder Blattfeder 2c mit einem Sicherheitsschalter 2d verbunden. Der Sicherheitsschalter 2d umfaßt eine weitere feste Platte 2e, die am Sockel 2 des Thermostaten 1 befestigt ist.The first terminal 2a is connected to a safety switch 2d via an elastic safety metal blade or leaf spring 2c. The safety switch 2d comprises another fixed plate 2e which is attached to the base 2 of the thermostat 1.
Die zweite Verbindungsklemme 2b ist über eine feste Platte 2f mit einem anderen elektrischen Unterbrecherschalter 2g verbunden. Dieser umfaßt eine biegsame Metallklinge oder Blattfeder 2h, die sich auf einer Gabel 2i abstützt, welche mit der festen Platte 2e des Sicherheitsunterbrechers 2d fest verbunden ist. Die Blattfeder 2h ist in Kontakt mit einem isoslierenden Hebel 2j, der sich in der Nähe des Regelorgans 5 findet, und der von dem Metallstab 3b der Sonde 3 durchsetzt wird. Der Sockel 2 umfaßt ein Lager oder einen Federsitz 2k, das mit dem Lager des Rohrs 3a der Sonde 3 in Verbindung steht. Das Lager 2k ist unterhalb der Blattfeder 2c des Sicherheitsunterbrechers 2e untergebracht. Im Inneren des Lagers 2k sitzt eine Feder 7, die aus Formgedächtnislegierung besteht.The second connecting terminal 2b is connected via a fixed plate 2f to another electrical circuit breaker 2g. This comprises a flexible metal blade or leaf spring 2h which rests on a fork 2i which is firmly connected to the fixed plate 2e of the safety circuit breaker 2d. The Leaf spring 2h is in contact with an insulating lever 2j located near the regulating member 5 and through which passes the metal rod 3b of the probe 3. The base 2 comprises a bearing or spring seat 2k connected to the bearing of the tube 3a of the probe 3. The bearing 2k is housed under the leaf spring 2c of the safety switch 2e. Inside the bearing 2k there is a spring 7 made of shape memory alloy.
Die Feder 7 arbeitet wie eine Sicherheitsvorrichtung, wenn der elektrische Unterbrecherschalter 2g fehlerhaft ist und/oder wenn die Temperatur des Wassers oberhalb einer vorbestimmten Sicherheitstemperatur ansteigt.The spring 7 acts as a safety device if the electrical circuit breaker 2g is faulty and/or if the temperature of the water rises above a predetermined safety temperature.
Ein zylindrisches Loch 21 ist im Sockel 2 in der Nähe des Lagers 2k angebracht, um einen Rückstellfinger 8 aus isolierendem Material, wie Kunststoff, aufzunehmen. Der Rückstellfinger 8 ist genügend hoch, um aus einem Loch 6c herauszustehen, das im Deckel 6 in der Nähe der Öffnung 6a angebracht ist.A cylindrical hole 21 is provided in the base 2 near the bearing 2k to accommodate a reset finger 8 made of insulating material such as plastic. The reset finger 8 is sufficiently high to protrude from a hole 6c provided in the cover 6 near the opening 6a.
Der Rückstellfinger 8 ist in seinem unteren Teil und senkrecht zu seiner vertikalen Achse mit einer horizontalen Platte oder Fahne 8a fest verbunden, die zwischen der Feder 7 und der Blattfeder 2c des Unterbrecharschalters 2d zwischengefügt ist. Auf der Höhe der Platte oder Fahne 8a sind Warzen 8b, 8c und 8d vorgesehen, welche die winkelmäßige Festlegung des Rückstellfingers 8 ermöglichen, wenn dieser in dem Kunststoffsockel 1 eingebaut wird.The return finger 8 is secured in its lower part and perpendicular to its vertical axis to a horizontal plate or lug 8a which is interposed between the spring 7 and the leaf spring 2c of the circuit breaker 2d. At the level of the plate or lug 8a, lugs 8b, 8c and 8d are provided which enable the angular fixing of the return finger 8 when it is installed in the plastic base 1.
Wie ersichtlich, ist die Feder 7 in unmittelbarer Nähe der Sonde 3 angeordnet, so daß sie der Entwicklung der Wassertemperatur mit minimalem thermischem Gradienten folgen kann.As can be seen, the spring 7 is arranged in the immediate vicinity of the probe 3 so that it can follow the development of the water temperature with a minimal thermal gradient.
Der zuvor beschriebene Thermostat 1 mit Sonde arbeitet in der gleichen Weise wie solche nach dem Stand der Technik. Unter der Einwirkung der Wärme des Wassers, die vom Regelorgan 5 bestimmt wird, dehnt sich die Stange 3b aus, und wenn die Schalttemperatur für das Wasser erreicht ist, verschiebt sie den Hebel 2j, welcher die Blattfeder 2h anstößt, um den elektrischen Unterbrecherschalter 2g zu öffnen und die elektrische Stromversorgung des Heizwiderstandes 4 abzuschneiden. Bei Erkalten des Wassers zieht sich die Stange 3b zurück, um die Kontakte des Unterbrecherschalters 2g wieder in Anlage zu bringen, um erneut den Heizwiderstand 4 mit Strom zu versorgen.The previously described thermostat 1 with probe works in the same way as those according to the state of the art Technical. Under the effect of the heat of the water, determined by the control element 5, the rod 3b expands and when the switching temperature for the water is reached, it moves the lever 2j, which pushes the leaf spring 2h to open the electric circuit breaker 2g and cut off the electric power supply to the heating element 4. When the water cools, the rod 3b retracts to bring the contacts of the circuit breaker 2g back into contact in order to supply the heating element 4 with power again.
Es kommt vor, daß die Kontakte des elektrischen Unterbrecherschalters 2g aneinander kleben, was zu einer gefährlichen Erhöhung der Wassertemperatur im Inneren des Wassererhitzers führt.It happens that the contacts of the electric circuit breaker 2g stick together, which leads to a dangerous increase in the water temperature inside the water heater.
Die auf das Rohr 3b übertragene Temperatur des Wassers wird dann durch Wärmeleitung auf die Feder 7 übertragen, die sich unter der Einwirkung der Wärme ausdehnt, die leicht oberhalb der maximal zulässigen Temperatur liegt (Fig. 4). Die Ausdehnung der Feder 7 in senkrechter Richtung nimmt die Platte 8a des Rückstellfingers 8 in der Verschiebung mit, wobei sich die metallische Blattfeder 2c elastisch verformen kann, um den Sicherheitsschalter 2d zu öffnen. Bei der Ausdehnung der Feder 7 stellt man fest, daß der Rückstellfinger 8 bis oberhalb des Deckels 6 infolge seiner vertikalen Verschiebung gelangt, was der Bedienungsperson anzeigt, daß der Thermostat 1 nicht mehr im Zustand des Funktionierens ist. Die elastische Deformation der Blattfeder 2c unterbricht unmittelbar die elektrische Stromversorgung des Heizwiderstandes 4 und vermeidet so eine gefährliche Erhöhung der Temperatur des Wassers (Fig. 4).The temperature of the water transmitted to the pipe 3b is then transferred by thermal conduction to the spring 7, which expands under the effect of heat slightly above the maximum permissible temperature (Fig. 4). The expansion of the spring 7 in the vertical direction causes the plate 8a of the return finger 8 to move along, allowing the metal leaf spring 2c to deform elastically to open the safety switch 2d. When the spring 7 expands, it is observed that the return finger 8 reaches the top of the cover 6 as a result of its vertical displacement, which indicates to the operator that the thermostat 1 is no longer functioning. The elastic deformation of the leaf spring 2c immediately interrupts the electrical power supply to the heating element 4, thus preventing a dangerous increase in the water temperature (Fig. 4).
Es genügt daraufhin, wenn die Bedienungsperson den Rückstellfinger 8 drückt, um die Feder 7 in ihre Ausgangsstellung zurückzuführen, damit die Blattfeder 2c in Kontakt mit der festen Platte 2e des Sicherheitsschalters 2d gelangt und Strom erneut zu dem Heizwiderstand 4 des Wassererhitzers gelangen kann.It is then sufficient for the operator to press the reset finger 8 to return the spring 7 to its initial position so that the leaf spring 2c comes into contact with the fixed plate 2e of the safety switch 2d and current can again flow to the heating resistor 4 of the water heater.
Die Feder 7 aus Formgedächtnislegierung weist somit keine Betriebsänderung in der Zeit auf, was auch immer die Temperaturen sind, denen sie unterliegt, vorausgesetzt, daß diese unterhalb der Übergangsschwelle liegen. Die Feder 7 zeigt eine reversible Deformation. Wenn demnach die Temperatur unterhalb der Übergangsschwelle abfällt, kann die Bedienungsperson mittels des Rückstellfingers 8 eine Kraft gegen die Feder 7 aus Formgedächtnislegierung ausüben, um diese in die Ursprungsform zurückzuführen (Fig. 4).The shape memory alloy spring 7 thus exhibits no change in operation over time, whatever the temperatures to which it is subjected, provided that these are below the transition threshold. The spring 7 exhibits a reversible deformation. Thus, when the temperature drops below the transition threshold, the operator can exert a force against the shape memory alloy spring 7 by means of the return finger 8 in order to return it to its original shape (Fig. 4).
Es kann vorgesehen sein, daß der Thermostat 1 keinen Rückstellfinger 8 aufweist, jedoch zwischen der Feder 7 und der Blattfeder 2c eine isolierende Platte oder Kappe (nicht dargestellt) vorgesehen ist, um den Kurzschluß zu vermeiden. In diesem Fall ist der Thermostat 1 auszutauschen, wenn die maximal zulässige Temperatur überschritten wird, da sich die Blattfeder 2c von der Platte 2e des Sicherheitsschalters 2d entfernt vorfindet. Man stellt alsdann fest, daß der Thermostat 1 nicht mehr im Zustand des Funktionierens ist und daß die Bedienungsperson ihn austauschen muß.The thermostat 1 may not have a reset finger 8, but an insulating plate or cap (not shown) may be provided between the spring 7 and the leaf spring 2c to prevent short circuits. In this case, the thermostat 1 must be replaced when the maximum permissible temperature is exceeded, since the leaf spring 2c is found to be separated from the plate 2e of the safety switch 2d. It is then found that the thermostat 1 is no longer functioning and that the operator must replace it.
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