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Die
Erfindung betrifft eine thermische Auslöseeinheit für ein Schaltgerät, wobei
die Auslöseeinheit
ein insbesondere streifenförmiges
Dehnelement zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Auslöseweges aufweist. Es ist ein
erstes Längsende
des Dehnelementes zumindest in einem stromführenden Bereich des Schaltgerätes befestigt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Schaltgerät mit einer derartigen Auslöseeinheit.
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Aus
dem Stand der Technik sind thermische Auslöseeinheiten bekannt, welche
die Verbiegung eines Bimetallstreifens bei Wärmeeinwirkung zum Auslösen insbesondere
eines Schaltschlosses eines Schaltgerätes ausnutzen. Wenn ein freies
Ende des Bimetallstreifens bei Wärmeeinwirkung
um einen vorgegebenen Wert ausgelenkt wird, löst dieses typischerweise eine
Auslösemechanismus
eines Schaltschlosses des Schaltgerätes aus. Üblicherweise ist der Bimetallstreifen
im Bereich einer stromführenden Schiene
oder eines stromführenden
Leiters im oder am Schaltgerät
angeordnet. Der Bimetallstreifen kann dabei von dem zu unterbrechenden
Strom selbst durchflossen und aufgeheizt werden. Er kann alternativ
indirekt durch Wärmeabstrahlung
oder Wärmeleitung
des stromführenden
Leiters aufgeheizt werden. Die Auslösezeit, das heißt die Zeit,
die benötigt
wird, um bei einem Überstrom
das Schaltschloss auszulösen,
ist dabei abhängig
von der Höhe
des Überstroms.
Eine Auslösung
kann erst nach einigen Minuten erfolgen, wenn der zu unterbrechende Strom
geringfügig über einen
betrieblichen Nennstrom liegt, wie z. B. 10%. Eine Auslösung kann
bereits auch im Sekundenbereich erfolgen, wenn der zu unterbrechende
Strom z. B. 50% oder mehr des betrieblichen Nennstroms beträgt.
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Nachteilig
bei den bisherigen Schaltgeräten bzw.
Auslöseeinheiten
ist es, dass eine Auslösung
in einem Überstromfall
zu lange dauern kann.
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Ausgehend
von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe
der Erfindung, eine schnellere und zugleich kraftvollere thermische Auslöseinheit
anzugeben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Schaltgerät, insbesondere
ein Leistungsschaltgerät,
mit einer derartigen thermischen Auslöseeinheit anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einer thermischen Auslöseinheit
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Auslöseeinheit
sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
11 angegeben. Im unabhängigen Anspruch
12 ist ein Schaltgerät,
insbesondere ein Leistungsschaltgerät, mit einer erfindungsgemäßen thermischen
Auslöseinheit
genannt. Im abhängigen Anspruch
13 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des
Schaltgerätes
angegeben.
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Erfindungsgemäß weist
die thermische Auslöseinheit
einen dreh- oder biegbar am Schaltgerät angebrachten Auslösehebel
auf. Das Dehnelement ist derart mechanisch mit dem Auslösehebel
verbunden, dass eine vergleichsweise kleine temperaturabhängige Längenänderung
des Dehnelementes in den Auslöseweg übersetzbar
ist.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Übersetzung
der thermischen Ausdehnung des Dehnmaterials in den Auslöseweg eine
erheblich schnellere Auslösung,
insbesondere eines Schaltschlosses des Schaltgerätes, möglich ist. Ein weiterer Vorteil
ist, dass dabei die Auslösekraft
erheblich größer ist
als die Biegekraft am Ende eines Bimetallstreifens. Insbesondere
beträgt
die erzielbare Auslösekraft
ein Vielfaches der herkömmlichen
Biegekraft, wie z. B. mehr als zehn.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass an Stelle eines Bimetallstreifens aus
zwei unterschiedlichen Materialschichten, die miteinander stoffschlüssig oder
formschlüssig
verbunden sind, ein Streifen aus vorzugsweise nur einem einzigen
Material verwendet werden kann. Ein derartiges streifenförmiges oder
plattenförmiges
Dehnelement ist im Vergleich zu einem Bimetallstreifen erheblich
einfacher in der Herstellung.
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Nach
einer Ausführungsform
ist ein zweites Längsende
des Dehnelementes gelenkig mit einem Hebelangriffspunkt des Auslösehebels
verbunden. Dadurch ist vorteilhaft eine besonders reibungsarme Übersetzung
der vergleichsweise kleinen Längenänderung
des Dehnelementes in den Auslöseweg
möglich.
Im einfachsten Fall ist die gelenkige Verbindung eine Falz oder
eine Knickstelle im Auslösehebel,
in welche das zweite Längsende
des Dehnelementes greift. Die dadurch entstandene Verbindung kann auch
eine lose Verbindung sein, wobei dann vorzugsweise der Auslösehebel
mittels Federkraft gegen das zweite Längsende gedrückt wird.
Alternativ kann die gelenkige Verbindung dadurch hergestellt werden, dass
das zweite Längsende
im Bereich des Hebelbefestigungspunktes des Auslösehebels festgeklebt oder festgenietet
wird. Vorzugsweise ist dann der Befestigungsbereich des Auslösehebels
derart ausgeformt, dass sich der Auslösehebel im Hebelbefestigungspunkt
leicht biegen lässt,
während
das verbleibende Auslösehebelstück besonders
steif ausgebildet ist, um die übersetzte
Hebelkraft wirksam in das Endstück
zum Auslösen
des Schaltschlosses einleiten zu können. Das Auslösehebel
kann z. B. im Befestigungsbereich eine deutlich geringere Materialdicke
aufweisen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
ist das erste Längsende
des Dehnelementes in einem ersten Dehnelementbefestigungspunkt und
der Auslösehebel
in einem Hebelbefestigungspunkt im oder am Schaltgerät befestigt.
Das Verhältnis
eines ersten Abstandes zwischen den beiden Befestigungspunkten zu
einer Dehnelementlänge
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,2 und 2,5. Die Werte für das Verhältnis können in
besonderen Fällen
auch darüberliegen,
wie z. B. bis 4, oder auch darunter liegen, wie z. B. bis 2. Dadurch
ist gewährleistet,
dass eine durch die Längenausdehnung
des Dehnelementes hervorgerufene Auslenkung des Auslösehebels
im Hebelangriffspunkt in den vielfach größeren Auslöseweg übersetzt werden kann.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
sind das erste und ein zweites Längsende
des Dehnelementes in einem ersten und zweiten Dehnelementbefestigungspunkt
am Schaltgerät
befestigt. Es ist ein zumindest in etwa der Längsmitte des Dehnelementes
angeordneter Ausbiegepunkt gelenkig mit einem Hebelangriffspunkt
des Auslösehebels
verbunden.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist sozusagen das streifenförmige
bzw. das plattenförmige
Dehnelement fest zwischen den zwei Befestigungspunkten am Schaltgerät, das heißt in einem
stromführenden Bereich
des Schaltgerätes,
insbesondere an einem stromführenden
Leiter oder an einer stromführenden Stromschiene
des Schaltgerätes,
befestigt. Vorzugsweise ist das Dehnelement bei Umgebungstemperatur
derart zwischen den beiden Befestigungspunkten eingespannt, dass
dieses eine leichte Krümmung aufweist.
Alternativ kann das Dehnelement eine Knickstelle aufweisen. Dadurch
ist für
beide Varianten be reits eine Vorzugsrichtung weg von der Wärmequelle
bei Erwärmung
des Dehnelementes gegeben.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge ist der Hebelangriffspunkt zwischen dem Hebelbefestigungspunkt
und einem Endstück
des Auslösehebels angeordnet.
Das Verhältnis
einer ersten Hebellänge vom
Hebelbefestigungspunkt zum Endstück
zu einer zweiten Hebellänge
vom Hebelbefestigungspunkt zum Hebelangriffspunkt liegt in einem
Bereich von 2 bis 4. Dadurch ist gewährleistet, dass eine bereits durch
die Längenänderung
des Dehnmaterials bewirkte übersetzte
Ausbiegung nochmals in den Auslöseweg übersetzt
wird.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
liegt das Verhältnis
eines zweiten Abstandes zwischen den beiden Dehnelementbefestigungspunkten
zu einer Dehnelementlänge
im Bereich zwischen 1,2 und 2,5, insbesondere im Bereich um 2. Bei
dieser Ausführungsform
wird erreicht, dass die geringfügige Längenänderung
des Dehnmaterials bereits in eine hohe kraftvolle Ausbiegung mit
einem dazu vielfach höheren
Wert umgesetzt wird.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge ist der Hebelbefestigungspunkt zwischen den beiden Dehnelementbefestigungspunkten
am Schaltgerät angeordnet.
Insbesondere ist er in etwa mittig zwischen dem zweiten Dehnelementbefestigungspunkt und
dem Ausbiegepunkt des Dehnelementes angeordnet. Bei dieser Anordnung
ist eine besonders kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Auslöseeinheit
möglich.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Befestigungspunkte
als Drehbefestigungspunkte ausgebildet. Dadurch ist eine mechanische Übersetzung
bei äußerst geringen
Reibungsverlusten möglich.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
weist der Auslösehebel
ein zum Schaltgerät
hin abgewinkeltes Hebelstück
auf. Dadurch ist eine noch kompaktere Bauform der erfindungsgemäßen Auslöseeinheit
möglich.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist das Dehnelement einen Werkstoff mit einem Längenausdehnungskoeffizienten
von mindestens 30·10–6/K
auf. Zur Auslösung
ist typischerweise eine Erwärmung
des Dehnelementes im Vergleich zum Normalbetrieb im Bereich von
50°C bis
150°C erforderlich.
Mit anderen Worten erfolgt bei einer solchen Temperaturänderung
eine Längenänderung
im Bereich von ca. 0,15 bis etwa 0,5 Ein beispielhafter Zinkmetallstreifen
mit einem Längenausdehnungskoeffizienten
von ca. 36·10–6/K
würde sich
dann bei einer gegebenen Streifenlänge von 40 mm und bei einer
Temperaturerhöhung
von ca. 150°C
um ca. 0,2 mm verlängern.
Dennoch ist die vergleichsweise kleine Längenausdehnung des Dehnelementes
durch die zweistufige Hochübersetzung
gemäß der Erfindung,
das heißt
durch die Auslenkung des Hebelbefestigungspunktes und dessen Hochübersetzung durch
das Hebelverhältnis
des Auslösehebels,
sehr schnell und mit besonders hoher Kraft in den Auslöseweg übersetzbar.
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Vorzugsweise
ist das Dehnelement aus einem einzigen Werkstoff gefertigt. Alternativ
kann das Dehnelement zum größten Teil
aus nur einem einzigen Werkstoff gefertigt sein.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Schaltgerät, insbesondere
durch ein Leistungsschaltgerät,
gelöst,
welches eine erfindungsgemäße thermische
Auslöseeinheit
aufweist. Das Leistungsschaltgerät
kann z. B. ein sogenanntes MCCB-Schaltgerät (MCCB für Molded Case Circuit Breaker)
sein. Das Schaltgerät
kann einpolig oder mehrpolig, insbesondere dreipolig, ausgeführt sein.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform weist
das Schaltgerät
ein Schaltschloss zum Öffnen von
Hauptkontakten auf. Die thermische Auslöseeinheit ist dabei zum Auslösen des
Schaltschlosses mit dem Schaltschloss verbunden.
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Alternativ
kann die Auslöseeinheit
auch auf einen elektrischen Schaltkontakt einwirken, welcher eine
elektromagnetische Betätigungseinheit
zum Auslösen
des Schaltschlosses aufweist.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein
Beispiel für
eine thermische Auslöseinheit
nach dem Stand der Technik mit einem Bimetallstreifen,
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2 beispielhaft
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen thermischen
Auslöseinheit
und
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3 beispielhaft
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen thermischen
Auslöseinheit.
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1 zeigt
ein Beispiel für
eine thermische Auslöseeinheit 1' nach dem Stand
der Technik mit einem Bimetallstreifen 10. Der gezeigte
Metallstreifen 10 ist aus zwei Einzelmetallstreifen 11, 12 mit
einem jeweils unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
gefertigt. Der gezeigte Bimetallstreifen 10 weist eine
Länge L
auf und er ist mit einem ersten Längsende fest in einer Einspanneinrichtung 13 eingespannt.
Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
dehnt sich der gezeigte Bimetallstreifen 10 mit zunehmender
Temperatur in Richtung des gezeigten Pfeils. Das rechte freie Ende
des Bimetallstreifens 10 weist bei einer vorgegebenen Temperatur
den gezeigten Auslöseweg
dX auf, der ausreichend ist, um ein nicht weiter dargestelltes Schaltschloss
eines Schaltgerätes
auszulösen.
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2 zeigt
beispielhaft eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen thermischen
Auslöseeinheit 1.
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Im
unteren Teil der 2 ist schraffiert ein Schaltgerät 8 dargestellt.
Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein stromführender Bereich, insbesondere
ein leistungsstromführender
Bereich bezeichnet. Der Bereich 9 kann z. B. eine Oberseite
eines Leiters oder einer Stromschiene sein. Die erfindungsgemäße Ausleseeinheit 1 weist
einen am Schaltgerät 8 angebrachten
Auslösehebel 7 auf,
der beispielhaft in einem als Drehpunkt ausgebildeten Hebelbefestigungspunkt 5 befestigt
ist. Das mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Dehnelement
ist beispielhaft streifenförmig
ausgebildet. Es weist typischerweise eine gleiche Streifenbreite
und eine gleiche Streifendicke auf. Insbesondere ist der Auslösehebel 7 formsteif
ausgebildet, um eine notwendige Auslesekraft auf das zu betätigende
Schaltschloss zu übertragen.
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Erfindungsgemäß ist das
Dehnelement 2 derart mechanisch mit dem Auslösehebel 7 verbunden,
dass eine vergleichsweise kleine temperaturabhängige Längenänderung dL des Dehnelementes 2 in
den mit dX bezeichneten Auslöseweg übersetzt werden
kann. Das Dehnelement 2 weist ein erstes Längsende 21 sowie
ein zweites Längsende 22 auf. Ersteres
ist in einem ersten Dehnmittelbefestigungspunkt 3 am Schaltgerät 8 befestigt.
Der erste Dehnmittelbefestigungspunkt 3 ist im vorliegenden
Beispiel wiederum als Drehpunkt ausgebildet. Das zweite Längsende 22 des
Dehnelementes 2 ist gelenkig mit einem Hebelangriffspunkt 70 des
Auslesehebels 7 verbunden. Mit dem Bezugszeichen 6 ist
ein Gelenk bezeichnet.
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Wie 2 zeigt,
bewirkt nun eine Längenänderung
dL des Dehnelementes 2 aufgrund einer Erwärmung, dass
der durchgezogen gezeichnete Auslösehebel 7 um einen
Winkel W nach oben geschwenkt wird, um die gezeigte gestrichelte
Darstellung des Auslösehebels 7 zu
erreichen. In dieser Position kann ein mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnetes
Endstück
oder Auslöseelement
einen nicht weiter gezeigten Auslösemechanismus eines Schaltschlosses
betätigen.
Die Längenänderung
dL wird somit in einer ersten mechanischen Übersetzung in eine dazu vergleichsweise
große
Ausbiegung dF umgesetzt. Mit anderen Worten bewegt sich der Hebelangriffspunkt 70 um
die Strecke dF von dem Schaltgerät 8 weg.
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In
einer zweiten mechanischen Übersetzung wird
nun diese Ausbiegung dF über
das Hebelverhältnis
h1:h2, das heißt
aus dem Längenverhältnis des
gesamten Auslösehebels 7 zu
einem inneren Hebelstück 71 vom
Hebelbefestigungspunkt 5 zu dem Hebelangriffspunkt 70,
in den Auslöseweg
dX übersetzt.
Der Auslöseweg
dX entspricht dabei in etwa der ersten Hebellänge h1 mal dem Winkel W dividiert durch
180°. Im
vorliegenden Beispiel liegt das Verhältnis von h1:h2 bei einem Wert
von ca. 4. Mit anderen Worten wird durch das gewählte Hebelverhältnis die
Ausbiegung dF um diesen Wert 4 in den Auslöseweg dX umgesetzt. Mit dem
Bezugszeichen 72 ist weiterhin ein äußeres Hebelstück bezeichnet,
an dessen radialem Ende das Endstück 74 befestigt ist. Mit
dem Bezugszeichen S ist die Hebelstücklänge des äußeren Hebelstücks 72 bezeichnet.
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Im
Beispiel der 2 liegt das Verhältnis eines
ersten Abstandes A1 zwischen dem Hebelbefestigungspunkt 5 und
dem ersten Dehnelementbefestigungspunkt 3 zu einer Dehnelementlänge L zwischen
1,2 und 2,5. Im vorliegenden Beispiel beträgt dieses Verhältnis ca.
1,7. Dadurch wird erreicht, dass die Län genausdehnung dL des Dehnelementes 2 in die
vielfache Ausbiegung dF umgesetzt wird.
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Weiterhin
weist der Auslösehebel 7 ein
zum Schaltgerät 8 hin
abgewinkeltes Hebelstück 75 auf. Dadurch
ist eine kompaktere thermische Auslöseeinheit 1 realisierbar.
Das gezeigte Dehnelement 2 weist vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von mindestens 30·10–6/K
auf. Das Material, aus dem zumindest größtenteils das Dehnelement 2 besteht,
ist vorzugsweise ein Metall, wie z. B. Zink. Das Material kann alternativ
auch ein Kunststoff, wie z. B. Polyamid, oder eine Keramik sein.
Im Falle von Polyamid beträgt
der Wärmeausdehnungskoeffizient
ca. 120·10–6/K.
Mit anderen Worten ist durch Verwendung eines entsprechenden temperaturbeständigen Werkstoffs
eine vielfach höhere
Längenausdehnung im
Vergleich zu einem Metall realisierbar.
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Ein
Schaltgerät 8 mit
einer derartigen erfindungsgemäßen thermischen
Auslöseeinheit 1 ist durch
die große Übersetzung
folglich besonders schnell und wirkungsvoll auslösbar. Ein solches Schaltgerät 8 weist
typischerweise ein Schaltschloss zum Öffnen von Hauptkontakten auf,
welches zum Auslösen
mit der thermische Auslöseeinheit 1 in
einer mechanischen Wirkverbindung steht. Das Schaltgerät 8 selber
kann ein- oder mehrpolig, insbesondere dreipolig, ausgeführt sein.
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3 zeigt
beispielhaft eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen thermischen
Auslöseeinheit 1.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist im Vergleich zur vorhergehenden Ausführungsform das streifenförmige Dehnelement 2 fest
zwischen einem ersten und zweiten Dehnmittelbefestigungspunkt 3, 4 am Schaltgerät 8 bzw.
in einem Bereich des Schaltgerätes 8 mit
einem stromführenden
Leiter befestigt. Die beiden ge zeigten Dehnmittelbefestigungspunkte 3, 4 sind
bereits zur Verminderung der Reibung gleichfalls als Drehpunkte
ausgeführt.
Die Drehpunkte können
z. B. Scharniergelenke sein.
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Erfindungsgemäß ist ein
zumindest in etwa der Längsmitte
des Dehnelementes 2 angeordneter Ausbiegepunkt 20 gelenkig
mit einem Hebelangriffspunkt 70 des Auslösehebels 7 verbunden.
Der Ausbiegepunkt 20 setzt dabei eine Längenänderung dL des Dehnelementes 2 in
eine entsprechende vielfach größere Ausbiegung
dF um. Im Beispiel der 3 ist die Längenänderung dL auf Grund ihres
kleinen Wertes selbst nicht dargestellt. Es wird nun wiederum die Ausbiegung
dF über
das Hebelverhältnis
h1:h2 entsprechend dem vorhergehenden Beispiel gemäß 2 in
den vielfach größeren, hier
in den vierfach größeren Auslöseweg dX übersetzt.
Der Ausbiegepunkt 20 des Dehnelementes 2 ist im
Beispiel der 3 als Knickstelle ausgeführt. Alternativ
kann der Dehnelementstreifen 2 unter Ausbildung einer Krümmung oder
eines Teilkreises bereits zwischen den beiden Dehnelementbefestigungspunkten 3, 4 eingespannt
sein. In diesem Fall liegt das Maximum der Ausbiegung in etwa der
gezeigten Mitte des Dehnelementes 2. Der Ausbiegepunkt 20 ist
vorzugsweise gelenkig, wie z. B. mittels eines Scharniergelenks, mit
dem Auslösehebel 7 mechanisch
verbunden.
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Das
in den Figuren 2 und 3 dargestellte
streifenförmige
Dehnelement 2 ist vorzugsweise in einer geometrisch auf
die Breite des Dehnelementes 2 abgestimmten Vertiefung,
insbesondere in einem stromführenden
Leiter des Schaltgerätes 8, eingebracht.
Dadurch wird erreicht, dass die im Leiter entstehende Wärme möglichst
schnell an das streifenförmige
Dehnelement 2 abgegeben werden kann.
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- 1,
1'
- thermische
Auslöseeinheit
- 2
- Dehnelement,
Dehnstreifen
- 3,
4
- Dehnelementbefestigungspunkte,
Drehpunkte
- 5
- Hebelbefestigungspunkt,
Drehpunkt
- 6
- Gelenk
- 7
- Auslösehebel
- 8
- Schaltgerät
- 9
- stromführender
Bereich des Schaltgerätes
- 10
- Bimetallstreifen
- 11,
12
- Einzelmetallstreifen
- 13
- Spannbefestigung
- 20
- Ausbiegepunkt
- 21,
22
- Längsenden
des Dehnelementes
- 71
- inneres
Hebelstück
- 72
- äußeres Hebelstück
- 73
- Knickstelle
- 74
- Endstück, Auslöseelement
- 75
- abgewinkeltes
Hebelstück
- W
- Winkel
- A1,
A2
- Abstände
- dX
- Auslöseweg
- dF
- Ausbiegung
- dL
- Längenausdehnung
- h1
- erste
Hebellänge
- h2
- zweite
Hebellänge
- S
- Hebelstücklänge