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Die Erfindung betrifft einen thermischen Auslöser, insbesondere für ein Installationsschaltgerät, mit einem thermomechanischen Wandler, welcher zur indirekten Beheizung mit einem stromdurchflossenen Heizband umwickelt ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Derartige thermische Auslöser werden insbesondere bei Leitungsschutzschaltern oder Motorschutzschaltern als Überlastauslöser eingesetzt. Bei Auftreten eines bestimmten, oberhalb eines vorgebbaren Nennstroms liegenden Überstroms verbiegt sich der thermomechanische Wandler so stark, dass er auf ein Schaltwerk einwirkt und damit das Installationsschaltgerät bleibend ausschaltet.
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Es gibt direkt beheizte und indirekt beheizte thermische Auslöser. Bei der direkten Beheizung durchfließt der Strom den thermomechanischen Wandler selbst, so dass der thermomechanische Wandler direkt im zu überwachenden Hauptstrompfad liegt.
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Wenn eine elektrische Isolation zwischen dem thermomechanischen Wandler und dem Hauptstrompfad erwünscht ist, wird die indirekte Beheizung verwendet. Bei der indirekten Beheizung wird der thermomechanische Wandler mit einer von dem Strom durchflossenen Heizwicklung umwickelt. Ein solcher indirekt beheizter thermischer Auslöser mit einem thermomechanischen Wandler aus Thermobimetall ist beispielsweise in der
DE 100 02 773 A1 als Auslöser eines Motorschutzschalters gezeigt. Dort ist der Heizleiter als Draht auf den Thermobimetallstreifen aufgewickelt.
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Um einen effektiven Wärmeübergang zwischen dem Thermobimetallstreifen und dem Heizleiter zu erreichen, ist es bekannt, den Heizleiter als Heizband aus Blech zu stanzen und ihn um den Thermobimetallstreifen herum zu falzen und an den Thermobimetallstreifen anzupressen. Es entsteht ein flächiger Kontakt zwischen dem Thermobimetall und dem Heizleiter, welcher einen effizienteren Wärmeübergang bewirkt als von einem runden Heizdraht auf den Thermobimetallstreifen. Zwischen dem Thermobimetall und dem Heizband befindet sich dann eine elektrische Isolation, meistens in Form einer isolierenden Folie oder eines isolierenden Geflechts, die das Thermobimetall oder das Blech der Heizwicklung umgeben und über die ganze Kontaktfläche zwischen dem Thermobimetall und dem Heizband elektrisch voneinander isolieren. Ein solcher thermischer Auslöser ist beispielsweise in der
DE 10 2004 054 176 A1 gezeigt. Das Aufbringen dieser Isolation, beispielsweise in Form einer dünnen Folie oder eines dünnen Schlauchs, ist aufwändig bei der Montage. Der Wärmeübergang von dem Heizband auf das Thermobimetall erfolgt dabei hauptsächlich mittels Wärmeleitung durch die elektrische Isolationsschicht hindurch und kann deshalb eingeschränkt sein. Insbesondere kann es bei der Fertigung einer großen Anzahl von an sich gleichen thermischen Auslösern zu einer erhöhten Streubreite des thermischen Auslösestromes und damit der Auslösecharakteristik von unterschiedlichen Auslösern innerhalb eines Fertigungsloses kommen, was unerwünscht ist.
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Um dennoch einen guten und reproduzierbaren Wärmeübergang zwischen dem Thermobimetallstreifen und dem Heizband zu erreichen, wird das Heizband großflächig auf den mit Isolation umgebenen Thermobimetallstreifen aufgepresst. Wegen der daraus resultierenden großflächigen Berührung des Thermobimetalls mit dem Heizband kann die Ausbiegung des Thermobimetalls eingeschränkt oder behindert werden, was unerwünscht ist.
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Die
DE 1 513 282 zeigt einen Bimetallauslöser mit indirekter Beheizung des Bimetalls durch einen das Bimetall schraubenförmig umgebenden Heizleiter, wobei der Heizleiter in einem geschlossenen oder nahezu geschlossenen Isolierstoffkörper liegt und sich in seinem Inneren ohne eine Zwischenschicht das Bimetall befindet.
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Die
DE 712 203 zeigt einen Thermostat mit Bimetallstreifen, der im Inneren eines rohrförmigen, als Träger des Heizdrahtes dienenden Hohlkörpers angeordnet ist, wobei der rohrförmige Hohlkörper aus Aluminium besteht, dessen Außenfläche oxydiert ist und als unmittelbare Auflagefläche für den Heizdraht dient, dessen beide Enden durch starre Anschlussmittel in unmittelbarer Berührung mit dem rohrförmigen Hohlkörper festgehalten sind.
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Ausgehend von den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist es daher wünschenswert, einen indirekt beheizten thermischen Auslöser zu schaffen, der bei einfacher Montagemöglichkeit einen guten Wärmeübergang zwischen dem Heizband und dem thermomechanischen Wandler aufweist. Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Installationsschaltgerät zu schaffen.
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Die Aufgabe der Schaffung eines verbesserten indirekt beheizten thermischen Auslösers wird durch einen thermischen Auslöser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bezüglich des Installationsschaltgerätes wird die Aufgabe gelöst durch ein Installationsschaltgerät gemäß Anspruch 6. Weiterbildungen der vorgenannten Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Erfindungsgemäß also ist im Bereich des freien Endes des Metallstreifens ein isolierendes Abstützteil mit dem thermomechanischen Wandler gekoppelt, an dem das Heizband anliegt und durch das das Heizband auch im Bereich zwischen dem Abstützteil und der Einspannstelle von dem thermomechanischen Wandler beabstandet gehalten ist.
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Der Begriff des Thermomechanischen Wandlers wird hier verwendet, um allgemein einen Wandler aus Werkstoffen zu bezeichnen, die unter Temperatureinwirkung ihre Form ändern. Neben den bekannten Bimetallen, welche aus der Verbindung zweier Metalle mit jeweils unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sind, sollen insbesondere auch Formgedächtnislegierungen unter diesen Begriff fallen. Dies sind Metalle, die ab einer bestimmten Temperatur aus einer ersten Form in eine zweite Form umspringen. In vorteilhafter Ausgestaltung sind gattungsgemäße thermomechanische Wandler als einseitig eingespannte Metallstreifen ausgebildet, die beispielsweise aus Thermobimetall oder aus Formgedächtnismetall bestehen und sich bei Erwärmung senkrecht zu ihrer Breitseite verbiegen. Es sind auch thermomechanische Wandler in Form einer Schnappscheibe bekannt, die aus Thermobimetall oder aus einer Formgedächtnislegierung besteht, und die sich bei Erwärmung aus einer ersten stabilen Formlage über eine Totpunktlage in eine zweite stabile Formlage umformt, wobei das Umformen bei Überschreiten einer bestimmten kritischen Verformung sehr schnell vonstatten geht, so dass von einem „Umschnappen” zwischen den beiden stabilen Formlagen gesprochen werden kann. Der Einfachheit halber wird in dieser Anmeldung, wenn ein konkretes Material erwähnt wird, anstelle von „Thermobimetall- bzw. Formgedächtnismetall” nur von „Thermobimetall” gesprochen.
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Damit befindet sich erfindungsgemäß Luft zwischen dem Heizband und dem thermomechanischen Wandler, also beispielsweise einem Thermobimetallstreifen, das Heizband ist nicht auf dem Thermobimetallstreifen aufgepresst. Das Heizband ist erfindungsgemäß vielmehr mehr oder weniger lose über den Thermobimetallstreifen übergeschoben. Die Verbiegung des Thermobimetallstreifens wird nicht mehr durch das Heizband eingeschränkt. Der Wärmeübergang zwischen dem Heizband und dem Thermobimetallstreifen erfolgt durch Konvektion, hauptsächlich durch Wärmestrahlung, und in geringerem Umfang bei ruhender Luft über Wärmeleitung.
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Um eine kompakte Baueinheit eines thermischen Auslösers zu realisieren, ist der thermomechanische Wandler als einseitig eingespannter Metallstreifen aus Thermobimetall oder Formgedächtnismetall ausgeführt und das Heizband ist im Bereich der Einspannstelle des Thermobimetallstreifens mit dem Thermobimetallstreifen verbunden.
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Hinsichtlich der Beabstandung des Heizbandes von dem thermomechanischen Wandler ist mit dem thermomechanischen Wandler wenigstens ein isolierendes Abstützteil gekoppelt, an dem das Heizband anliegt und durch das das Heizband von dem Bimetallstreifen beabstandet gehalten ist. Das ist insbesondere von Vorteil, wenn das Heizband selbst eine geringe Steifigkeit besitzt. Das Heizband umgibt das Thermobimetall in der Art eines Korbes, weshalb im Sinne der Erfindung auch von einem Heizkorb gesprochen wird. Das Abstützteil kann beispielsweise ein Kunststoffteil sein, das auf das Thermobimetall aufgeschnappt und dadurch dort fixiert ist, vorteilhafterweise im Bereich des freien Endes des Thermobimetallstreifens.
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Um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Heizband und dem thermomechanischen Wandler zu erreichen, sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die sich gegenüberliegenden Flächen des thermomechanischen Wandlers, beispielsweise eines Streifens aus Thermobimetall, und des Heizbandes lackiert. Durch eine Oberflächenbehandlung wie das Lackieren kann der Wärmeübergang durch Wärmestrahlung zwischen der dem Thermobimetall zugewandten Seite des Heizbandes und dem Thermobimetall verbessert werden. Beispielsweise ist der Strahlungsemissionskoeffizient einer lackierten Metalloberfläche bis zu 20-mal höher als bei einer blanken Metalloberfläche.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein sehr guter Wärmeübergang auch dadurch erreicht werden, dass die sich gegenüberliegenden Flächen des thermomechanischen Wandlers, beispielsweise eines Streifens aus Thermobimetall, und des Heizbandes verkupfert sind. Die Kupferschicht oxidiert bei Erwärmung, was den Wärmeübergang weiter unterstützt. Auch eine verkupferte und anschließend oxidierte Metalloberfläche hat einen höheren Emissionskoeffizienten als eine blanke Metalloberfläche.
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Es sind selbstverständlich auch alle weiteren, im Prinzip bekannten Oberflächenbehandlungsverfahren von der Erfindung mit umfasst, die zu einer Erhöhung des Strahlungs-Emissionskoeffizienten der behandelten Oberfläche führen.
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Um den Wärmeverlust nach außen zu verringern ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Baugruppe umfassend den thermomechanischen Wandler und das Heizband von einer isolierenden Hülle umgeben, die von dem Heizband beabstandet gehalten ist.
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Ein erfindungsgemäßes Installationsschaltgerät umfasst wenigstens eine Verklinkungsstelle und einen thermischen Auslöser, der einen thermomechanischen Wandler, beispielsweise einen einseitig eingespannten Thermobimetallstreifen, umfasst, welcher zur indirekten Beheizung mit einem stromdurchflossenen Heizband umwickelt ist, wobei das Heizband von dem thermomechanischen Wandler, beispielsweise dem Bimetallstreifen, beabstandet gehalten ist, und der sich bei Überschreiten eines bestimmten Stromes in dem Heizband so ausbiegt, dass er dabei die Verklinkungsstelle entklinkt.
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Figuren und Beschreibung dienen dem besseren Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 Schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Auslösers mit einem mäanderartig umwickelten Heizband,
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1a Schematisch eine zweite Ausführungsform eines thermischen Auslösers, mit einem den Bimetallstreifen U-förmig umgebenden Heizband,
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1b Schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen thermischen Auslösers, mit einem einseitig an den Bimetallstreifen angebrachten Heizband,
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2 Schematisch eine zweite Ausführungsform eines thermischen Auslösers,
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3 Schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen thermischen Auslösers, sowie
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4 Schematisch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Auslösers.
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1 zeigt in einen thermischen Auslöser 1 mit einem länglichen Streifen 2 eines Thermobimetalls, es könnte auch ein Streifen aus Formgedächtnislegierung sein. An seinem einen Ende 4 ist der Streifen 2 in Einbaulage in einem Installationsschaltgerät, beispielsweise in einem Leitungsschutzschalter oder einem Motorschutzschalter, eingespannt, weshalb dieses Ende auch als Einspannstelle bezeichnet ist. Der Thermobimetallstreifen 2 ist mäanderartig von einem Heizband 3 umgeben. Das Heizband 3 ist aus einem flachen, längserstreckten Blech ausgestanzt und mäanderförmig um den Thermobimetallstreifen 2 herumgewickelt. Das Heizband berührt dabei den Thermobimetallstreifen 2 nicht, es ist von ihm beabstandet, es befindet sich Luft zwischen dem Thermobimetallstreifen 2 und dem Heizband 3. An der Einspannstelle 4 ist der Thermobimetallstreifen 2 mit dem Heizband 3 über ein Leiterstück 9 verbunden. Es könnte auch das Heizband 3 ohne Zwischenschaltung eines Leiterstückes direkt auf dem Thermobimetallstreifen 4 aufgeschweißt sein. In Einbaulage in einem Installationsschaltgerät fließt beispielsweise der Strom des Hauptstrompfades auf seinem Weg von der Eingangs- zur Ausgangsklemme über das Leiterstück 9 und die Heizwicklung, wodurch die Heizwicklung erwärmt wird. Die Wärme der Heizwicklung 3 geht hauptsächlich durch Strahlung von der Innenseite der Heizwicklung 3 auf den Thermobimetallstreifen 2 über und erwärmt diesen. Aufgrund der Erwärmung wird dieser sich senkrecht zu seiner Breitseite, hier in 1 also senkrecht zur Zeichenebene, verbiegen, und zwar umso stärker, je wärmer er wird. Bei Überschreiten einer kritischen Stromstärke ist die Ausbiegung so stark, dass der Thermobimetallstreifen 2 mit seinem Betätigungsende 6 eine Verklinkungsstelle in einem Schaltwerk des Installationsschaltgerätes entklinken kann. Das Betätigungsende 6 wirkt dabei entweder direkt auf die Verklinkungsstelle ein, oder sie wirkt mit einem Hebel oder einem Hebelsystem zusammen und beeinflusst somit indirekt die Verklinkungsstelle.
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An dem der Einspannstelle gegenüberliegenden freien Ende des Thermobimetallstreifens 2 ist ein Abstützteil 5, hier eine Kunststoffhülse 5, auf den Thermobimetallstreifen aufgeschoben, an der sich das Heizband 3 abstützt. Die Kunststoffhülse 5 wirkt damit als isolierendes Abstützteil. Sie gewährleistet, dass das Heizband 3 und der Thermobimetallstreifen 2 auf Abstand voneinander gehalten bleiben, auch wenn das Heizband etwas weniger steif ist. Die Baueinheit aus dem Heizband 3 und dem Abstützteil 5 wird auch als Heizkorb bezeichnet, da sie den Thermobimetallstreifen 2 in Art eines Korbes umgibt. Das Abstützteil 5 kann an dem Thermobimetallstreifen 2 oder dem Heizband 3 zusätzlich verrastet oder auf Pressung aufgeschoben sein, so dass es an dem Thermobimetallstreifen gehalten ist und sich auch bei Verbiegung desselben nicht verschiebt.
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Der Thermobimetallstreifen 2 kann sich unbeeinflusst von dem Heizband 3 verbiegen, da das Heizband 3 nicht an den Thermobimetallstreifen angedrückt ist. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Heizband 3 und dem Thermobimetallstreifen 2 sind die aufeinander zuweisenden Flächen beider Elemente lackiert, beispielsweise schwarz oder in einer anderen Farbe, oder verkupfert und anschließend oxidiert, oder anderweitig oberflächenbehandelt. Dadurch erhöht sich das Emissionsvermögen der Oberflächen. Die Fertigung eines erfindungsgemäßen thermischen Auslösers ist vereinfacht, denn es muss keine elektrisch isolierende Hülle mehr auf den Thermobimetallstreifen 2 oder das Heizband 3 aufgebracht werden. Die elektrische Isolierung beider Teile ist durch den räumlichen Abstand gewährleistet.
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Eine Variante der Ausführungsform nach 1 zeigt 1a. Hier ist das Umwickeln des Thermobimetallstreifens 2 mit dem Heizband 3 so gelöst, dass das Heizband 3 den Thermobimetallstreifen 2 in Art einer einseitig offenen Einhüllenden U-förmig umgibt.
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Eine weitere Variante der Ausführungsform nach 1 zeigt 1b. Hier ist das Umwickeln des Thermobimetallstreifens 2 mit dem Heizband 3 so gelöst, dass das Heizband 3 auf einer Seite an dem Thermobimetallstreifen 2 beabstandet anliegt.
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Die in der 2 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Auslösers unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten dadurch, dass um die Baueinheit aus dem Heizband 3 und dem Abstützteil 5 herum eine thermisch isolierende Hülle 7 angeordnet ist. Diese hält Abstand von dem Heizband 3 und dem Thermobimetallstreifen 2, sie könnte aber auch nahe auf das Heizband 3 aufgebracht sein. Die Hülle 7 kann aus einem Kunststoff oder aus einer Keramikfolie oder einem dünnen Keramikrohr, oder aus einem Textil- oder Glasmaterial, in massiver oder gelochter Ausführung, oder einem anderen wärmeisolierenden Material oder Materialverbund bestehen. Sie erhöht die Effizienz des Wärmeübergangs von dem Heizband 3 auf den Thermobimetallstreifen 2, indem sie die von dem Heizband 3 nach außen abgestrahlte Wärme im inneren des Heizkorbes hält.
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Die in der 3 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Auslösers unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten dadurch, dass um den Thermobimetallstreifen 2 herum doch eine isolierende Hülle 8 aufgebracht ist. Diese Ausführungsform zeigt, dass ein erfindungsgemäßer thermischer Auslöser auch mit elektrisch isolierten Thermobimetallstreifen aufgebaut werden kann. Zusätzlich kann die elektrisch isolierende Hülle 8 noch einen hohen Emissionskoeffizienten besitzen und daher den Wärmeübergang von dem Heizband 3 auf den Thermobimetallstreifen unterstützen.
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Die in der 4 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Auslösers 11 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten dadurch, dass als thermomechanischer Wandler eine Schnappscheibe 41 vorgesehen ist, die aus einem Bimetall oder einer Formgedächtnislegierung besteht. Sie ist an ihren Rändern in Einspannstellen 41 gehalten. Schematisch ist gezeigt, dass die Schnappscheibe 21 mit einem Betätigungsteil 61, hier einem Stößel, gekoppelt ist, mit dem sie beim Umschnappen aufgrund der Erwärmung mit der Verklinkungsstelle des Installationsschaltgerätes zusammenwirkt, in das sie eingebaut ist. Die Schnappscheibe 21 ist in der 4 in ihrer ersten stabilen Formlage gezeigt, in der die mit dem Stößel 61 gekoppelte Seite konkav gewölbt ist. Wenn der Strom durch das Heizband 31 einen vorbestimmten Wert und die Erwärmung der Schnappscheibe daraufhin eine kritische Temperatur überschreitet, so schnappt die Schnappscheibe 21 in ihre zweite stabile Formlage um, in der die mit dem Stößel 61 gekoppelte Seite dann konvex, hier in 4 nach links, gewölbt sein wird. Der Stößel 61 wird dadurch dann nach links geschoben und kann mit der Verklinkungsstelle des Schaltwerks des Installationsschaltgerätes zur dauerhaften Entklinkung zusammenwirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermischer Auslöser
- 2
- Thermobimetallstreifen
- 3
- Heizband
- 4
- Einspannstelle
- 5
- Abstützteil
- 6
- Betätigungsende
- 7
- isolierende Hülle
- 8
- Isolierung
- 9
- Leiterstück
- 11
- Thermischer Auslöser
- 21
- Schnappscheibe
- 31
- Heizband
- 41
- Einspannstelle
- 61
- Betätigungsteil
