Bimetallrelais Es ist bereits bekannt, kleine elektrische Ströme oder kleine Spannungen so weit zu verstärken, dass damit robuste Relais mit elektrischen Kontakten, welche für mancherlei Zwecke, so etwa für Regel zwecke, beispielsweise zur Schaltung von Stellmotoren für unstetige elektrische Regler, benutzt werden, ein wandfrei betätigt werden können.
Für die hierzu dienenden Verstärker sind bereits verschiedene Ausführungen bekannt, z. B. Magnet verstärker, empfindliche Nullspannungsrelais mit nachgeschaltetem robustem Schaltrelais usw.
Diese bekannten Verstärker haben jedoch nicht nur den Nachteil hoher Herstellkosten, sondern auch aufgrund ihrer zahlreichen Bauelemente, ihrer mecha nischen Empfindlichkeit usw., den Nachteil der er heblichen Störungsanfälligkeit.
Die Erfindung betrifft ein Bimetallrelais, bei wel chem die erwähnten Nachteile dadurch vermieden sind, dass mindestens eine Bimetallkontakteinrichtung durch ein von einem Messorgan betätigtes und gegen über der Bimetallkontakteinrichtung bewegbar ge lagertes Steuerorgan thermisch gesteuert ist.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Bimetallrelais gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 ein Bimetallrelais für einen Reglerstellmotor, bei welchem das bewegbar gelagerte Steuerorgan als Heizfahne ausgebildet und ein elektrisches Messorgan vorgesehen ist, das aus einer geradlinig bewegbaren Spule besteht, in räumlicher Ansicht und Fig. 2 ein Bimetallrelais, bei welchem das beweg bare Organ als Kühlfahne ausgebildet ist, in einem Ausschnitt einer Seitenansicht.
In der Fig. 1 sind zwischen zwei Kontakten 1 und 2 zwei als Kontaktträger dienende Bimetalle 3 und 4 derart zueinander angeordnet, dass ihre Seiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten aussen liegen. Die Bimetalle 3 und 4 sind mittels einer Tra- verse 5 miteinander mechanisch gekoppelt, so dass Änderungen der Umgebungstemperatur keinen Ein- fluss auf die Lage der Bimetalle 3 und 4 haben, und sie sind mit Kontakten 6 bzw. 7 versehen, welche alternativ mit den Kontakten 1 und 2 zusammen arbeiten und so zwei Bimetallkontakteinrichtungen bilden.
Die Traverse 5, welche die Bimetalle 3 und 4 etwa in der Höhe der beiden Kontakte 6 und 7 mit einander verbindet, dient als Distanzstück und gewähr leistet, dass die Kontakte 6 und 7, unabhängig von der Temperatur der Bimetalle 3 und 4, immer den gleichen Abstand voneinander haben. Die Kontakte 1 und 2 sind auf normalen Kontaktfedern angeordnet, wodurch eine reibende Kontaktgabe gewährleistet ist. Die beiden aus den Kontakten 1 und 6 bzw. 2 und 7 gebildeten Schalter liegen beispielsweise im Stromkreis 8 eines Reglerstelimotors 9.
Zwischen den beiden Bimetallen 3 und 4 ist als gegenüber den letzteren in Pfeilrichtung bewegbar gelagertes Steuerorgan eine Heizfahne 10 angeordnet, welche mit einer Heizspule 11 ausgerüstet ist, die durch Zuleitungen 12 und 13 von einer Stromquelle 14 Spannung erhält. Die Zuleitungen 12 und 13 dienen zugleich der später noch näher zu beschreibenden Lagerung der Heizfahne 10.
Die Ausbildung und Anordnung der Heizfahne 10 ist derart, dass die beiden Bimetalle 3 und 4 von der bewegbaren Heizfahne 10 auf den gleichen Tempe raturwert aufgeheizt werden, wenn die Heizfahne 10 sich in ihrer Mittellage zwischen den beiden Bimetallen 3 und 4 befindet. In dieser Lage, die in der Fig. 1 dargestellt ist, sie die beiden aus den Kontakten 1 und 6 bzw. 2 und 7 gebildeten Schalter geöffnet, d. h.
der Reglerstellmotor 9 ist ohne Spannung und steht still. Findet jedoch eine seitliche Auslenkung der Heizflamme 10 aus der Mittellage nach rechts oder links statt, so bewirkt diese Auslenkung eine unter schiedliche Aufheizung der beiden Bimetalle 3 und 4, und je nachdem, in welcher Richtung die Heizfahne 10 ausgelenkt wurde, wird durch eine entsprechende Formänderung des Bimetallsystems 3/4/5 einer der beiden Schalter 1/6 und 2/7 geschlossen, so dass dementsprechend der Reglerstelhnotor 9 in der einen oder der anderen Drehrichtung anläuft.
Ein elektrisches Messorgan 15 besteht aus einer als Flachspule ausgebildeten Spule 16, welche zwischen zwei permanenten U-Magneten 17 und 18 im Sinne der Richtungspfeile annähernd geradlinig bewegbar angeordnet ist. Die Flachspule 16 ist mittels federnder Bändchen 19 und 20, welche zugleich als elektrische Zuleitungen dienen, und den Zuleitungen 12, 13 hysteresefrei gelagert. Die Flachspule 16 ist bei spielsweise in einer Wheatstone'schen Brücke 21 eingeschaltet, welche ein die Messgrösse erfassendes Messglied 22, z. B. einen temperaturempfindlichen Widerstand, enthält.
Durch die Zuleitungen 12 und 13 ist die Heizfahne 10 starr mit der Flachspule 16 ver bunden, so dass die Heizfahne 10 die annähernd linearen Auslenkbewegungen der Flachspule 16 mit macht.
Die Wirkungsweise der Einrichtung gemäss der Fig. 1 ist folgende: Mit der Diagonalspannung der Wheatstone'schen Brücke 21 wird die Flachspule 16 beaufschlagt. Dadurch wird auf die im Magnetfeld der U-Magnete 17 und 18 linear bewegbar gelagerte Flachspule 16 eine Kraft ausgeübt. Die Richtung dieser Kraft und damit die Bewegungsrichtung der Flachspule 16 ist abhängig von der Stromrichtung. Zusammen mit der Flachspule 16 wird auch die Heizfahne 10 zwischen den Bimetallen 3 und 4 in der einen bzw. in der anderen Richtung bewegt.
Wenn sich nun die Heizfahne 10 beispielsweise nach links gegen das Bimetall 3 hin bewegt, so ergibt sich bei den beiden Bimetallen 3 und 4 eine Temperatur differenz, welche eine Auslenkung des Bimetallsystems 3/4/5 nach rechts zum Kontakt 2 hin bewirkt.
Dadurch wird der Schalter 2/7 geschlossen, und der Reglerstell- motor 9 läuft an, beispielsweise im Uhrzeigerdreh- sinne. Bewegt sich aber die Heizfahne 10 nach rechts, so ergibt sich beim Bimetallsystem 3/4 eine entgegen gesetzte Temperaturdifferenz, welche eine Auslenkung des Bimetallsystems 3/4/5 nach links zum Kontakt 1 hin bewirkt. Dadurch wird der Schalter 1/6 geschlossen und infolgedessen der Reglerstellmotor 9 umgepolt, so dass er jetzt in der entgegengesetzten Drehrichtung anläuft.
Die Bimetalle 3 und 4 könnten auch derart zuein ander angeordnet sein, dass ihre Seiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten innen, also ein ander zugekehrt liegen. Die zuvor beschriebene Anordnung, bei welcher die Seiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten aussen, also voneinander abgekehrt liegen, ist aber besonders günstig, und zwar deshalb, weil sich bei der Auslenkung der Heizfahne 10 das von ihr stärker aufgeheizte Bimetall gegen die Heizfahne 10 hin biegt und deshalb noch erheblich stärker aufgeheizt wird, was eine Beschleunigung der Ausbiegebewegung des Bimetallsystems 3/5/4 und somit auch eine Beschleunigung der Kontaktbewe- gung, d. h. eine störungsfreie Kontaktgabe, zur Folge hat.
Umgekehrt wird hier aber auch eine in günstiger Weise beschleunigte Kontaktöffnung erzielt, weil sich bei der Zurückbewegung der Heizfahne 10 gegen die Mittellage hin das zuvor stärker aufgeheizte Bimetall gleichzeitig in Richtung auf seine Ausgangsform hin, d. h. von der Heizfahne 10 weg biegt, so dass sich das Bimetallsystem 3/5/4 und damit auch der beweg bare Kontakt aus seiner Schliessstellung mit wachsen der Geschwindigkeit vom feststehenden Gegenkontakt weg bewegt.
In der Fig. 2 ist eine andere Ausführung des Bi metallrelais in einem Ausschnitt gezeigt. Eine nicht beheizte Kühlfahne 23 ist zwischen zwei beheizten, durch eine Traverse 5 miteinander mechanisch gekop pelten Bimetallen 24 und 25 als bewegbar gelagertes Steuerorgan angeordnet. Die Kühlfahne 23 wird von einem nicht gezeichneten Messorgan betätigt und kann von letzterem entsprechend den beiden Richtungs pfeilen ausgelenkt werden. Die nach innen gerichteten Seiten 26 und 27 der Bimetalle 24 und 25 haben den grösseren Ausdehnungskoeffizienten.
Kontakte 28, 29 bzw. 30, 31 bilden mit den beiden Bimetallen 24 und 25 zwei Bimetall .ontakteinrichtun- gen wie bei der Ausführung gemäss der Fig. 1.
Befindet sich die Kühlfahne 23 in ihrer Mittellage zwischen den beiden Bimetallen 24 und 25, dann entzieht sie den letzteren gleiche Wärmemengen, so dass die beiden auf die gleiche Temperatur beheizten Bimetalle 24 und 25 auf die gleiche Temperatur ab gekühlt werden. Die beiden Bimetalle 24 und 25 haben dann ihre in der Fig. 2 gezeigte Ausgangsform, d. h. sie sind nicht gekrümmt, und die beiden Schalter 28/29 und 30/31 sind geöffnet.
Bewegt sich nun die Kühlfahne 23 beispielsweise nach rechts auf das Bimetall 25 hin, dann wird letzteres stärker gekühlt als das Bimetall 24. Dadurch krümmt sich das Bimetallsystem 24/5/25 nach rechts zum Kontakt 31 hin. Dabei wird der von den Kontakten 30/3l gebildete Schalter geschlossen. Bewegt sich aber die Kühlfahne 23 nach links auf das Bimetall 24 hin, dann tritt eine entgegengesetzte Verbiegung des Bi metallsystems 24/5/25 ein, und der Schalter 28/29 wird geschlossen.
Die Bimetalle 24 und 25 könnten auch derart zueinander angeordnet sein, dass ihre Seiten 26 und 27 mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten aussen, also voneinander abgekehrt liegen. Die in der Fig. 2 gezeigte Anordnung, bei welcher die Seiten 26 und 27 mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten innen, also einander zugekehrt licgen, ist aber im vorliegenden Fall besonders günstig und zwar deshalb, weil sich bei der Auslenkung der Kühlfahne 23 das von ihr stärker gekühlte Bimetall gegen die Kühlfahne 23 hin biegt und deshalb noch erheblich stärker abgekühlt wird,
was eine Beschleunigung der Ausbiegebewegung des Bimetallsystems 24/5/25 und somit auch eine Beschleunigung der Kontaktbewegung, d. h. eine störungsfreie Kontaktgabe, zur Folge hat. Umgekehrt wird hier aber auch eine in günstiger Weise be- schleunigte Kontaktöffnung erzielt, weil sich bei der Zurückbewegung der Kühlfahne 23 gegen die Mittel lage hin das zuvor stärker gekühlte Bimetall gleich zeitig in Richtung auf seine Ausgangsform hin, d. h.
von der Kühlfahne 23 weg biegt, so dass sich das Bimetallsystem 24/5/25 und damit auch der beweg bare Kontakt aus seiner Schliessstellung mit wachsen der Geschwindigkeit vom feststehenden Gegenkontakt weg bewegt.
Bei Verwendung eines als Kühlfahne ausgebildeten Steuerorganes ist also die Schliess- und öffnungs- charakteristik der Schalter besonders günstig, wenn die Bimetallseiten mit dem grösseren Ausdehnungs koeffizienten einander zugekehrt angeordnet sind, während bei Verwendung eines als Heizfahne aus gebildeten Steuerorganes aus den gleichen physika lischen Gründen die Schaltcharakteristik besonders günstig ist, wenn die Bimetallseiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten voneinander abgekehrt an geordnet sind.
Es sind auch andere konstruktive Ausführungs formen des Bimetallrelais möglich. So kann beispiels weise das gegenüber den Bimetallen bewegbar ge lagerte Steuerorgan derart ausgebildet sein, dass es aus zwei Heizfahnen besteht, welche ausserhalb des Bimetallsystemslinks und rechts neben den Bimetallen angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt sind. Das Messorgan bewegt hierbei das Heizsystem, wobei sich die eine Heizfahne dem einen Bimetall nähert und sich zugleich die andere Heizfahne von dem anderen Bimetall entfernt. Auf entsprechende Weise könnte man auch ein aus zwei miteinander mechanisch gekoppelten Kühlfahnen gebildetes beweg bar gelagertes Steuerorgan verwenden.
Anstelle von zwei Bimetallkontakteinrichtungen können auch meh rere oder es kann auch nur eine einzige Bimetallkon- takteinrichtung vorgesehen sein, und anstelle eines Reglerstellmotors können auch andere Einrichtungen gesteuert werden. Das beschriebene Bimetallrelais kann ausser von der Messgrösse auch zusätzlich durch eine Rückführeinrichtung beeinflusst sein.
Die beschriebenen Ausführungen des Bimetallrelais lassen sich in vorteilhafter Weise auch bei anderen Messorganen anwenden. So kann beispielsweise das Messorgan als Drehspulinstrument ausgeführt sein, bei welchem die Spule drehbar gegen eine federnde Rückstellkraft im Magnetfeld eines permanenten Magneten gelagert ist. Die Spule des Messorganes kann statt einer einzigen Wicklung auch mehrere Wicklungen aufweisen zwecks Addition bzw. Sub traktion von elektrischen Grössen.
Zwischen dem Messorgan und dem gegenüber den Bimetallen bewegbar gelagerten Steuerorgan kann ferner eine Hebelübersetzung vorgesehen sein, durch welche die Auslenkbewegung des Messorganes bei der Übertragung auf das Steuerorgan nach Weg und Geschwindigkeit vergrössert wird. Diese Hebelüber setzung, welche bei einem als Messorgan dienenden Drehspulinstrument unter Anwendung des Prinzips des einarmigen Hebels besonders leicht verwirklicht werden kann, vergrössert die Empfindlichkeit des Bimetallrelais.
Als Messorgan kann auch ein beliebiges an deres permanentdynamisches System, beispielsweise mit einer Tauchspule, dienen, und es können auch elektrodynamische, mechanische, z. B. Haar-Hygro- meter, oder thermische Systeme als Messorgan dienen.
Das gezeigte Bimetallrelais hat den Vorteil, dass mit ihm auf einfache, billige und betriebssichere Weise mit kleinen Messgrössen robuste Kontakte mit grossem Kontaktdruck betätigt werden können. Es zeichnet sich dadurch aus, dass von der Eingangs- grösse lediglich ein kleines, leichtes und reibungsarm gelagertes Steuerorgan von sehr geringer Massenträg heit bewegt werden muss, wozu nur sehr geringe Kräfte erforderlich sind.
Der notwendige Kontakt druck wird von den Bimetallen erzeugt, so dass das System gewissermassen wie ein einfaches Servo- system wirkt, bei welchem von der Eingangsgrösse lediglich die sehr kleinen Kräfte, z. B. etwa 0,1 g, zur linearen Verschiebung der als bewegbar gelagertes Steuerorgan dienenden Heiz- bzw. Kühlfahne auf gebracht werden müssen und bei welchem trotzdem eine um ein Vielfaches grössere Kontaktkraft, z. B. etwa 10 g, bei reibender Kontaktgabe erzielt wird.