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Die Erfindung betrifft ein Installationsschaltgerät, das einen zwischen einer Zugangs- und einer Abgangsklemme geführten Strompfad mit wenigstens einer von einem festen und einem beweglichen Kontaktstück gebildeten Kontaktstelle sowie wenigstens ein Schaltwerk zur Öffnung und Offenhaltung der Kontaktstelle umfasst, mit einem thermomechanischen Wandler, wobei der thermomechanische Wandler einen ersten Streifen aus Thermobimetall oder aus einer Formgedächtnislegierung umfasst, der direkt oder indirekt von dem Strom durch den Strompfad erwärmbar ist und sich bei einem über dem Nennstrom liegenden Strom ausbiegt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Erfindung betrifft weiter einen thermomechanischen Wandler für ein Installationsschaltgerät, beispielsweise einen Leitungsschutzschalter, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Die
DE 44 45 170 A1 zeigt ein solches Installationsschaltgerät mit einem thermomechanischen Wandler, auch als thermischer Auslöser bezeichnet, der ein Thermobimetall aufweist, welches einseitig eingespannt ist und sich bei einem Überstrom, d. h., bei einem über dem Nennstrom liegenden Strom, ausbiegt und ein Schaltschloß, auch Schaltwerk genannt, betätigt, wodurch eine Kontaktstelle bleibend geöffnet wird. Thermobimetalle können dabei direkt oder indirekt beheizt sein. Bei direkter Beheizung durchfließt der Strom das Thermobimetall, bei indirekter Beheizung ist ein von dem Strom durchflossener Leiter nahe des Thermobimetalls angeordnet, und die Stromwärme wirkt indirekt auf das Thermobimetall ein, meistens über Wärmestrahlung oder Konvektion.
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Die
DE 904 909 zeigt einen thermischen Auslöser für einen Selbstschalter, bei welchem der vordere Bereich aus einem nicht wärmeempfindlichen Material besteht, wobei an dem freien Ende des aus dem Bimetallstreifen bestehenden Teils sich der andere, z. B. aus Isolierstoff bestehende Teil anschließt, der an einer Blattfeder befestigt ist und mit dem Bimetallstreifen lediglich kraftschlüssig verbunden ist.
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Anstelle eines Thermobimetalls kann auch ein Material mit thermischem Formgedächtniseffekt verwendet werden. Wichtig für die Verwendung in einem thermomechanischen Wandler ist die Eigenschaft des Materials, wonach eine Temperaturerhöhung eine Formveränderung bewirkt. Dabei ist nicht die normale thermische Ausdehnung des Materials gemeint, sondern eine um viele Größenordnungen gegenüber dieser thermischen Ausdehnung stärkere Formveränderung, insbesondere auch eine anisotrope Formveränderung. Ein Blechstreifen aus einem bimetallischem Material wird sich beispielsweise bei Temperaturerhöhung merklich um seine Breitseite ausbiegen. Sofern in dieser Anmeldung nichts anderes erwähnt ist, soll mit dem Begriff Thermobimetall immer auch die mögliche Variante als Formgedächtnis-Material mit umfasst sein.
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Ein Streifen aus Thermobimetall erfüllt in seiner Verwendung als thermomechanischer Wandler daher sowohl eine Sensor- als auch eine Aktorfunktion. Unterschiedliche Nennströme und Charakteristiken von thermomechanischen Wandlern werden durch Veränderung der Bimetallsorte hinsichtlich des spezifischen Widerstands und der thermischen Ausbiegung, und durch Veränderung des Querschnitts und der Länge des Bimetallstreifens eingestellt.
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Als Spezialmaterial sind Bimetalle, und auch Formgedächtnismetalle, entsprechend teuer.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Installationsschaltgerät mit einem thermomechanischen Wandler zu schaffen, das geringere Herstellungskosten erfordert.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermomechanischen Wandler für ein Installationsschaltgerät zu schaffen, der gegenüber den bekannten Wandlern geringere Herstellungskosten erfordert.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Installationsschaltgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen thermomechanischen Wandler mit den Merkmalen nach Anspruch 7.
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Erfindungsgemäß also umfasst der thermomechanische Wandler einen zweiten Streifen aus einem Material, das nicht aus Thermobimetall und nicht aus einer Formgedächtnislegierung besteht, wobei der zweite Streifen mit dem ersten Streifen verbunden ist, und wobei die Koppelstelle zur Kopplung des thermomechanischen Wandlers mit dem Schaltwerk sich an dem zweiten Streifen befindet.
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Der zweite Streifen besteht aus einem Material, das bei Temperaturänderung gewissermaßen eine Forminvarianz aufweist.
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Unter Forminvarianz bei Temperaturänderung ist zu verstehen, dass die normale thermische Ausdehnung des Materials stattfinden kann, aber das Material nicht die um viele Größenordnungen gegenüber dieser thermischen Ausdehnung stärkere Formveränderung aufweist, insbesondere auch keine anisotrope Formveränderung. Kurz gesagt, Forminvarianz bei Temperaturänderung ist hier zu verstehen als Abwesenheit des bimetallischen Effektes. Ein Blechstreifen aus dem zweiten Material wird sich bei Temperaturerhöhung nicht um seine Breitseite ausbiegen.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung eines über die ganze Länge aus Thermobimetallmaterial oder aus Formgedächntnis-Material gefertigten Streifens für die Sicherstellung der Funktion des thermomechanischen Wandlers, des thermischen Auslösers also, nicht notwendig ist. Es genügt, wenn ein Teil des Streifens aus dem Thermobimetallmaterial oder dem Formgedächntnis-Material besteht. Dieser Teil wird dann für die Ausbiegung sorgen. Die Kopplungsstelle für die Kopplung mit dem Schaltschloss braucht nicht an dem Thermobimetall-Streifen zu sein. Dazu kann ein aus einem wesentlich billigeren Material bestehender zweiter Streifen verwendet werden, der mit dem ersten Streifen verbunden ist, der die Ausbiegung des ersten Streifens somit überträgt. Der erfindungsgemäße Aufbau eines thermomechanischen Wandlers erfordert daher einen geringeren Einsatz des teuren Thermobimetalls oder des teuren Formgedächtnismaterials und ist somit insgesamt billiger zu fertigen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wirkt die Vorrichtung zur direkten oder indirekten Erwärmung des thermomechanischen Wandlers nur im Bereich des ersten Streifens auf den thermomechanischen Wandler. Nur dieser Bereich des ersten Streifens ist bei direkter Beheizung vom Strom des Strompfades durchflossen. Bei indirekter Beheizung ist nur in diesem Bereich des ersten Streifens die Stromwicklung, welche den Strom des Strompfades trägt, um den thermomechanischen Wandler gewickelt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Streifen einseitig gerätefest in dem Installationsschaltgerät eingespannt ist, wobei an dem der Einspannstelle gegenüber liegenden Ende des ersten Streifens der zweite Streifen befestigt ist. Damit ist eine große Ausbiegung der Koppelstelle zum Schaltwerk, die sich an dem freien Ende des zweiten Streifens befindet, bewirkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Streifen kürzer ist als der zweite Streifen. Das spart weiter teures Bimetall-Material
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der zweite Streifen aus Stahl, was ein, verglichen mit einem Thermobimetall, sehr kostengünstiger Werkstoff ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Streifen an dem ersten Streifen angeschweißt. Schweißen ist eine bewährte und effizient durchführbare Verbindungstechnik für die Verbindung von Thermobimetall mit Stahl.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Streifen durch Walzen mit dem ersten Streifen fest verbunden. Walzen als Verbindungstechnik hat den Vorteil, dass das Materialgefüge an der Verbindungsstelle nicht verändert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Streifen auf dem ersten Streifen stumpf auf einer Schmalseite aufgebracht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Streifen auf dem ersten Streifen mit Überblattung oder mit Versatz an einer Schmalseite aufgebracht ist.
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Ein erfindungsgemäßer thermomechanischer Wandler für ein Installationsschaltgerät, wobei der thermomechanische Wandler einen ersten Streifen aus Thermobimetall oder aus einer Formgedächtnislegierung umfasst, der direkt oder indirekt von dem Strom durch den Strompfad erwärmbar ist und sich bei einem über dem Nennstrom liegenden Strom ausbiegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der thermomechanische Wandler wie oben beschrieben aufgebaut ist.
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Nur im Bereich des Festpunktes des thermomechanischen Wandlers, also des Wandler-Bauteils, und in demjenigen Teilbereich des Wandler-Bauteils, in dem die Erwärmung erfolgt bzw. der Stromfluss stattfindet, ist die Verwendung von Thermobimetallmaterial notwendig. Beide Bereiche liegen bei dem Einsatz bei einem Installationsschaltgerät üblicherweise auf der gleichen Seite, da diese Anordnung günstig ist.
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Die Übersetzung der Ausbiegung des thermomechanischen Wandlers und die Kopplung des thermomechanischen Wandlers an den Auslösemechanismus bzw. an das Schaltschloss kann somit auch mit dem zweiten Teilstück, das als Verlängerung des ersten Teilstücks wirkt und aus günstigem Material besteht, beispielsweise aus Stahl, ausgeführt werden. Das zweite Teilstück ist an dem ersten Teilstück, dem Aktor-Sensor-Teil, welches aus Thermo-Bimetallmaterial gefertigt wird, fest angebracht. Das zweite Teilstück soll hier auch als Ausleger bezeichnet werden.
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Das zweite Teilstück, bzw. der Ausleger, übernimmt dabei die Kopplung zum Auslösemechanismus bzw. zu dem Schaltschloss und übersetzt bzw. verstärkt die Ausbiegung des unteren Aktoren-Teils, des ersten Teilstücks, das sich bei Erwarmung in etwa kreisförmig ausbiegt. Der Ausleger selbst biegt sich nicht, wirkt durch seine Anordnung tangential anschließend an dem gekrümmten Bereich als Wegverlängerung.
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Der Ausleger kann beispielsweise durch Schweißen an das Thermo-Bimetallmaterial angebracht werden. Denkbar ist auch dass im Walzprozess (dies ist ein bekannter Herstellungsprozess zur Herstellung des Bimetallstreifens) ein Stahlteil durch Walzen fest mit dem Thermobimetallmaterial verbunden wird.
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Der Ausleger kann stumpf aufgebracht werden, er kann auch in Überblattung, auch mit Versatz, aufgebracht sein.
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Das Bimetall mit Ausleger, und die sich ergebende Einsparung von Bimetallmaterial kann im Prinzip bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Thermobimetalle zum Einsatz kommen.
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Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigen
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Die einzige Figur schematisch ein erfindungsgemäßes Installationsschaltgerät mit einem erfindungsgemäßen thermomechanischen Wandler.
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Ein Installationsschaltgerät, beispielsweise ein Leitungsschutzschalter 2, hat ein Gehäuse 20 aus Isolierstoff, mit einer Frontseite 21, Schmalseiten 22, 23 und einer Befestigungsseite 24. An der Schmalseite 23 befindet sich eine erste Anschlussklemme 25 zum Anschluss eines Anschlussleiters, und an der gegenüberliegenden Schmalseite 22 befindet sich eine zweite Anschlussklemme 26, zum Anschluss eines weiteren Anschlussleiters. Im Inneren des Installationsschaltgerätes verläuft ein Strompfad von der ersten Anschlussklemme 25, einer ersten Klemmenstromschiene 27, einem thermomechanischen Wandler 1 mit einem Aktorstreifen 3, der weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, auf einen Leiter 8, hier eine bewegliche Litze. Die Litze 8 ist mit ihrem freien Ende an einem schwenkbar gelagerten Kontakthebel 28 angeschweißt. An dem freien Ende des Kontakthebels 28 befindet sich ein bewegliches Kontaktstück 13, das zusammen mit einem festen Kontaktstück 12 eine Kontaktstelle bildet. In der Darstellung der Figur ist die Kontaktstelle in geöffnetem Zustand dargestellt, wenn der Kontakthebel 28 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt würde, würde die Kontaktstelle geschlossen werden.
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Das feste Kontaktstück 12 befindet sich an einem in Form eines als Festkontakthorn ausgebildeten Festkontaktträgers 29. Von dem Festkontaktträger 29 verläuft der Strompfad weiter über die Spule 30 eines magnetischen Schlagankersystems 31 zu der zweiten Anschlussklemme 26.
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Das Schlagankersystem 31 ist über eine erste Wirkverbindungslinie 32 mit dem Kontakthebel 28 gekoppelt. Weiter umfasst das Installationsschaltgerät 2 ein Schaltschloss oder Schaltwerk 33. Das Schaltwerk 33 ist über eine zweite Wirkverbindungslinie 41 ebenfalls mit dem Kontakthebel 28 gekoppelt. Der Aktorstreifen 3 ist über eine dritte Wirkverbindungslinie 34 ebenfalls mit dem Schaltwerk 33 gekoppelt.
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An der Frontseite 21 befindet sich ein schwenkbarer Schalthebel 36, der über eine vierte Wirkverbindungslinie 35 ebenfalls mit dem Schaltwerk 33 gekoppelt ist.
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Im Falle eines Kurzschlussstromes schlägt das Schlagankersystem 31 die Kontaktstelle schnell auf, und wirkt über eine fünfte Wirkverbindungslinie 42 gleichzeitig auf das Schaltschloss 33 zur dauernden Offenhaltung der Kontaktstelle.
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Wenn die Kontaktstelle schnell geöffnet wird, kann dort ein Schaltlichtbogen zwischen dem festen und dem beweglichen Kontaktstück 12, 13 entstehen. Aufgrund einer magnetischen Blaswirkung wird dieser von der Kontaktstelle weg nach rechts getrieben.
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Sein einer Fußpunkt kommutiert dabei von dem beweglichen Kontaktstück zu dem schräg auf die Kontaktstelle zu verlaufenden ersten Schenkel 37 einer Lichtbogen-Leitschiene 16, deren zweiter Schenkel 38 nahe der Befestigungsseite 24 und etwa parallel zu dieser im Gehäuse 20 angebracht ist. Der zweite Fußpunkt des Schaltlichtbogens kommutiert von dem gebogenen Abschnitt des Festkontakthorns 29 zu einer Festkontaktleitschiene 15, die parallel zu der Lichtbogen-Leitschiene 16 in Abstand zu dieser im Gehäuse 20 angeordnet ist. Zwischen den beiden Leitschienen 15, 16 befindet sich eine an sich bekannte Lichtbogenlöscheinrichtung 14, beispielsweise eine gestapelte Anordnung von Lichtbogenlöschblechen, in die der Lichtbogen hineinläuft und in der er in eine Serie von Teil-Lichtbögen aufgespaltet wird, so dass sich die Lichtbogenspannung insgesamt erhöht und dadurch der Lichtbogen zu einem schnellen Erlöschen gebracht wird.
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Mittels des Schaltgriffes 36 kann die Kontaktstelle manuell ein- und ausgeschaltet werden, indem ein Verschwenken des Schalthebels über die Wirkverbindungslinie 35 den inneren Zustand des Schaltschlosses ändert, so dass einmal die Verklinkungsstelle entklinkt wird, wodurch der Kontakthebel zu einem von einer Feder angetriebenen Verschwenken nach links in die Öffnungsstellung freigegeben ist, oder dass die Verklinkungsstelle wieder verklinkt wird, so dass die Schwenkbewegung des Schalthebels 36 in eine Schwenkbewegung des Kontakthebels umgesetzt werden kann, wodurch der Kontakthebel in eine solche Lage kommt, in der eine Kontaktdruckfeder (nicht abgebildet) ihn mit der erforderlichen Kontaktdruckkraft gegen das feste Kontaktstück drückt.
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Im Falle eines thermischen Überstroms biegt sich der Aktorstreifen 3 aus. Die Ausbiegung erfolgt um die breite Seite, in der Darstellung nach der Figur also senkrecht zur Zeichenebene. Die Darstellung der Figur dient der übersichtlicheren Darstellung und ist insbesondere bezüglich der Anordnung des Aktorstreifens 3 als schematisch zu betrachten. Oft ist der Aktorstreifen des thermomechanischen Wandlers in dem Installationsschaltgerät so angeordnet, dass die Verbiegung um seine Breitseite hin zu einer der Schmalseiten des Gehäuses erfolgt. In der Darstellung der Figur wäre in einer solchen Ausführungsform der Aktorstreifen 3 dann um 90° um seine Längsachse gedreht.
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Über die Wirkverbindungslinie 34 wirkt der Aktorstreifen 3 bei seiner Verbiegung dann auf das Schaltwerk 33 in der Art ein, dass die Verklinkungsstelle entklinkt und der Kontakthebel 28 in die geöffnete Stellung verbracht wird, wie oben beschrieben.
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Insoweit sind Aufbau und Funktion des Installationsschaltgerätes im Prinzip im Stand der Technik bekannt.
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Es wird nun der erfindungsgemäße Aufbau des thermomechanischen Wandlers 1 beschrieben.
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Die thermische Auslöserbaugruppe 1 hat einen Aktorstreifen 3, der an seinem, in der Darstellung der Figur unteren, der Befestigungsseite 24 zugewandten, Ende 10 gehäusefest eingespannt ist. Dieses Ende 10 wird daher auch als Einspannende 10 bezeichnet. Für die Art, wie eine gehäusefeste Einspannung realisiert werden kann, gibt es mehrere Möglichkeiten, die dem Fachmann im Prinzip bekannt sind.
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An der Einspannstelle 10 ist der Aktorstreifen 3 mit der von der ersten Anschlussklemme 25 her kommenden ersten Klemmenstromschiene 27 mechanisch und elektrisch verbunden, beispielsweise verschweißt. Über einen Stromführungs-Blechstreifen 5 ist die Einspannstelle 10 des Aktorstreifens 3 mechanisch und elektrisch mit einer gerätefesten Stromschiene 6 verbunden. Die gerätefeste Stromschiene 6 ist an dem ersten Schenkel 37 der Lichtbogenleitschiene 16 ausgebildet, indem sie durch Umbiegen des freien Endes des Schenkels 37 hin zu der Befestigungsseite 24 unter Ausbildung eines U-förmigen Bogenstückes an der Übergangsstelle zwischen dem ersten Schenkel 37 und der Stromschiene 6 entstanden ist.
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Der Aktorstreifen 3 besteht aus einem ersten und einem zweiten Streifen, auch als Teilstreifen bezeichnet. Der erste Teilstreifen 3a besteht aus einem Thermobimetall und ist derjenige Teil, der das Einspannende 10 aufweist.
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Der zweite Teilstreifen 4 besteht aus Stahl, er weist keinen bimetallischen Effekt auf. Der zweite Teilstreifen 4 ist auch als Ausleger 4 bezeichnet. Der Ausleger 4 ist durch Schweißen an das Thermo-Bimetallmaterial des ersten Teilstreifens 3a angebracht. Denkbar ist auch, dass im Walzprozess, in dem der Bimetallstreifen hergestellt wird, ein Stahlteil durch Walzen fest mit dem Thermobimetallmaterial verbunden wird. Der Ausleger 4 kann stumpf aufgebracht werden, er kann auch in Überblattung, auch mit Versatz, an dem ersten Teilstreifen 3a aufgebracht sein.
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Nahe der Übergangsstelle zwischen dem ersten Teilstreifen 3a und dem Ausleger 4 befindet sich der Anschweißpunkt 10a, an dem der Leiter 8 an dem ersten Teilstreifen 3a angeschweißt ist. Der Strom des Strompfades durchfließt somit nur den ersten Teilstreifen 3a, nicht den Ausleger 4. Bei Erwärmung infolge eines Überstromes biegt sich nur der ersten Teilstreifen 3a aus. Die Übersetzung dieser Ausbiegung und die Kopplung mit dem Schaltschloss 22 erfolgt über den Ausleger 4. Der Ausleger 4 übernimmt die Kopplung zum Auslösemechanismus bzw. zu dem Schaltschloss 33 und übersetzt bzw. verstärkt die Ausbiegung des ersten Teilstücks 3a, das sich bei Erwarmung in etwa kreisförmig ausbiegt. Der Ausleger 4 selbst biegt sich nicht, wirkt durch seine Anordnung tangential anschließend an dem gekrümmten Bereich des ersten Teilstreifens 3a als Wegverlängerung.
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An dem freien Ende des Auslegers 4 ist befindet sich die Koppelstelle 9 zur Kopplung mit dem Schaltschloss 33, hier in Form einer Nase 9. Mit dieser Nase 9 steht der Ausleger 4 in Wirkverbindung mit einem Übertragungshebel oder Bügel, hier schematisch durch die dritte Wirkverbindungslinie 34 angedeutet, der die Ausbiegung des Aktorstreifens 3 auf das Schaltschloss 33 überträgt.
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Der erste Teilstreifen 3a ist kürzer als der Ausleger 4, wodurch der Einsatz des teuren Bimetallmaterials gering ist und die Herstellkosten des thermomechanischen Wandlers 1 niedrig werden.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung eines thermomechanischen Wandlers in der Formeines ersten Teilstreifens aus Thermobimetall mit einem Ausleger aus Stahl mit der sich daraus ergebenden Einsparung von Bimetallmaterial kann im Prinzip bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Thermobimetalle zum Einsatz kommen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst dabei auch beliebige Kombinationen bevorzugter Ausführungsformen sowie einzelner Ausgestaltungsmerkmale oder Weiterbildungen, sofern diese sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermomechanischer Wandler
- 2
- Installationsschaltgerät
- 3
- Aktorstreifen
- 3a
- erster Teilstreifen
- 4
- zweiter Teilstreifen
- 5
- Stromführungs-Blechstreifen
- 6
- gerätefeste Stromschiene
- 8
- Leiter
- 9
- Koppelstelle, freies Ende des Aktorstreifens
- 10
- Einspannstelle
- 10a
- Anschweißpunkt
- 12
- festes Kontaktstück
- 13
- bewegliches Kontaktstück
- 14
- Lichtbogenlöscheinrichtung
- 15
- Lichtbogenleitschiene, Festkontaktleitschiene
- 16
- Lichtbogen-Leitschiene
- 20
- Gehäuse
- 21
- Frontseite
- 22
- Schmalseite
- 23
- Schmalseite
- 24
- Befestigungsseite
- 25
- erste Anschlussklemme
- 26
- zweite Anschlussklemme
- 27
- erste Klemmenstromschiene
- 28
- Kontakthebel
- 29
- Festkontaktträger
- 30
- Spule
- 31
- Schlagankersystem
- 32
- erste Wirkverbindungslinie
- 33
- Schaltwerk
- 34
- dritte Wirkverbindungslinie
- 35
- vierte Wirkverbindungslinie
- 36
- Schalthebel
- 37
- erster Schenkel
- 38
- zweiter Schenkel
- 41
- zweite Wirkverbindungslinie
- 42
- fünfte Wirkverbindungslinie
