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Die vorliegende Erfindung betrifft einen temperaturabhängigen Schalter.
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Temperaturabhängige Schalter sind grundsätzlich bereits in einer Vielzahl bekannt. Ein beispielhafter temperaturabhängiger Schalter ist in der
DE 10 2013 102 006 A1 offenbart.
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Derartige temperaturabhängige Schalter dienen in an sich bekannter Weise dazu, die Temperatur eines Gerätes zu überwachen. Hierzu wird der Schalter beispielsweise über eine seine Außenflächen in thermischen Kontakt mit dem zu schützenden Gerät gebracht, so dass die Temperatur des zu schützenden Gerätes die Temperatur des im Inneren des Schalters angeordneten Schaltwerks beeinflusst.
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Der Schalter wird dabei typischerweise über Anschlussleitungen elektrisch in Reihe in den Versorgungsstromkreis des zu schützenden Gerätes geschaltet, so dass unterhalb der Ansprechtemperatur des Schaltwerks der Versorgungsstrom des zu schützenden Gerätes durch den Schalter fließt.
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Der aus der
DE 10 2013 102 006 A1 bekannte Schalter weist ein Gehäuse auf, in dessen Inneren ein Schaltwerk hermetisch versiegelt angeordnet ist. Das Gehäuse ist zweiteilig aufgebaut. Es weist ein Unterteil aus elektrisch leitfähigem Material sowie ein Deckelteil auf, das aus einem Isoliermaterial oder einem Kaltleitermaterial (PTC-Material) hergestellt ist. Das Deckelteil ist in das Unterteil eingelegt und wird von einem oberen umgebogenen Rand des Unterteils gehalten. Das Schaltwerk ist zwischen dem Deckelteil und dem Unterteil geklemmt angeordnet. Das Schaltwerk weist eine Bimetallscheibe auf, die für das temperaturabhängige Schaltverhalten des Schalters verantwortlich ist. Sie sorgt dafür, dass das Schaltwerk bei tiefen Temperaturen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Kontaktteilen des Schalters herstellt und bei höheren Temperaturen die elektrisch leitende Verbindung hingegen unterbricht.
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Die Bimetallscheibe ist meist als mehrlagiges, aktives, blechförmiges Bauteil aus zwei, drei oder mehr miteinander verbundenen Komponenten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Die Verbindung der einzelnen Lagen aus Metallen und Metalllegierungen sind bei derartigen Bimetallscheiben meist stoffschlüssig oder formschlüssig und werden beispielsweise durch Walzen erreicht.
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Eine derartige Bimetallscheibe weist bei tiefen Temperaturen, unterhalb der Ansprechtemperatur, eine erste stabile geometrische Konfiguration (Tieftemperaturkonfiguration) und bei hohen Temperaturen, oberhalb der Ansprechtemperatur, eine zweite stabile geometrische Konfiguration (Hochtemperaturkonfiguration) auf. Die Bimetallscheibe springt temperaturabhängig nach Art einer Hysterese von ihrer Tieftemperaturkonfiguration in ihre Hochtemperaturkonfiguration um. Bei diesem Vorgang spricht man häufig von einem „Umschnappen“, weshalb die Bimetallscheibe häufig auch als Bimetall-Schnappscheibe bezeichnet wird.
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Sofern keine Rückschaltsperre vorgesehen ist, schnappt die Bimetallscheibe wieder in ihre Tieftemperaturkonfiguration zurück, so dass der Schalter wieder geschlossen wird, wenn sich die Temperatur der Bimetallscheibe infolge der Abkühlung des zu schützenden Geräts unterhalb der sog. Rücksprungtemperatur der Bimetallscheibe absenkt.
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Je nach Anwendung kann eine solche Rückschaltung jedoch unerwünscht sein. Aus Sicherheitsgründen kann es beispielsweise notwendig sein, dass der Schalter derart konzipiert ist, dass er nach einer temperaturbedingten Öffnung des Schalters nicht automatisch wieder schließt, wenn sich das zu schützende Gerät wieder abkühlt. Beispielsweise soll sich der Schalter erst dann wieder schließen lassen, nachdem sich das zu schützende Gerät nicht nur abgekühlt hat, sondern auch komplett vom Stromnetz genommen wurde.
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Für solche Fälle wurde eine sog. Selbsthaltefunktion entwickelt. Bei dem aus der
DE 10 2013 102 006 A1 bekannten Schalter wird diese Selbsthaltefunktion dadurch bewirkt, dass das Deckelteil des Schalters aus einem PTC-Material (Positive Temperature Coefficient Thermistor bzw. Kaltleiter) ausgestaltet ist.
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Solange sich der Schalter in seiner Tieftemperaturstellung befindet, in der der Strom über das Schaltwerk durch den Schalter hindurchfließen kann, fließt kein Strom durch das als Parallelwiderstand geschaltete PTC-Material. Wenn der Schalter jedoch öffnet, also in seine Hochtemperaturstellung umspringt, in der das Schaltwerk die elektrisch leitende Verbindung innerhalb des Schalters trennt, so fließt ein geringer Selbsthaltestrom durch den Parallelwiderstand, der diesen aufheizt und dafür sorgt, dass der Schalter auf einer Temperatur oberhalb der Ansprechtemperatur der Bimetallscheibe bleibt. Der Selbsthaltestrom ist dabei so gering, dass das zu schützende Gerät keinen weiteren Schaden erleidet, so dass es sich abkühlen kann.
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Durch den Selbsthaltewiderstand, welcher durch das PTC-Element verursacht wird, wird also verhindert, dass sich auch der Schalter selbst wieder abkühlt und sich entsprechend wieder einschaltet, was ohne Parallelwiderstand zu einem iterativen Ein- und Ausschalten des zu schützenden elektrischen Gerätes führen würde. Das PTC-Element fungiert somit als Heizwiderstand, der den Schalter auch nach einer temperaturbedingten Öffnung des Schalters aufheizt, solange das zu schützende Gerät stromdurchflossen ist, und damit den Schalter weiterhin offen hält.
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Weitere beispielhafte temperaturabhängige Schalter mit einer solchen Selbsthaltefunktion sind aus den folgenden Druckschriften bekannt:
DE 37 10 672 A1 ,
DE 195 14 853 A1 ,
EP 0 696 810 A1 und
DE 198 07 288 A1 . Die aus diesen Druckschriften bekannten Schalter weisen jeweils mehrteilige Schaltwerke auf, in denen zusätzlich zu der Bimetallscheibe ein weiteres Federelement zum Einsatz kommt. Dieses Federelement dient in den meisten Fällen der Entlastung der Bimetallscheibe sowie zur Erhöhung des Kontaktdrucks.
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Bei dem aus der
DE 10 2013 102 006 A1 bekannten Schalter dient das Federelement darüber hinaus in der Tieftemperaturstellung des Schalters als stromführendes Bauteil, während die Bimetallscheibe in der Tieftemperaturstellung des Schalters nicht stromdurchflossen ist. Dies führt zu einer geringeren Belastung und damit einem geringeren Verschleiß der Bimetallscheibe. Andererseits schalten Schaltwerke dieser Art, bei denen die Bimetallscheibe kein stromdurchflossenes Bauteil ist, lediglich temperatur-, aber nicht stromabhängig.
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Bei dem aus der
DE 198 07 288 A1 bekannten Schalter ist die Bimetallscheibe hingegen elektrisch und mechanisch in Reihe mit dem Federelement verbaut, so dass in der Tieftemperaturstellung des Schalters nicht nur das Federelement, sondern auch die Bimetallscheibe stromdurchflossen ist. Ein überhöhter Stromfluss führt daher automatisch zu einem Aufheizen der Bimetallscheibe. Dementsprechend bewirkt die Bimetallscheibe ein Öffnen des Schalters bei Übertemperatur, unabhängig davon, ob die Übertemperatur durch einen erhöhten Stromfluss durch die Bimetallscheibe oder eine Überheizung des zu schützenden Gerätes und damit eine von außen auf den Schalter einwirkende Hitzeentwicklung bedingt ist. Derartige Schalter schützen demnach nicht nur vor Übertemperatur, sondern auch vor Überstrom.
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Die
JP 2002 - 289 077 A offenbart einen temperaturabhängigen Schalter mit zwei feststehenden Kontakten und einem Bimetall mit daran befestigten beweglichen Kontakten, die in einem Gehäusegehäuse untergebracht und mit einem Gehäusedeckel durch Ultraschallschweißen abgedichtet sind. Bei normalem Stromfluss werden die beweglichen Kontakte aufgrund der Federwirkung des Bimetalls auf die feststehenden Kontakte gedrückt. Wenn ein anormaler Strom fließt und die Temperatur eine vorgegebene Temperatur überschreitet, kehrt sich das Bimetall um und die beweglichen Kontakte lösen sich von den feststehenden Kontakten, um den Strom abzuschalten.
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Die
DE 197 27 197 A1 offenbart einen temperaturabhängiger Schalter, der ein temperaturabhängiges Schaltwerk sowie ein das Schaltwerk aufnehmendes Gehäuse aufweist, das ein Unterteil sowie ein Oberteil aus Isoliermaterial aufweist. An dem Oberteil sind an dessen Innenseite zwei stationäre Kontakte vorgesehen, von denen jeder mit einem ihm zugeordneten Außenanschluß verbunden ist. Ferner ist ein von dem Schaltwerk bewegtes Stromübertragungsglied vorgesehen, das die beiden stationären Kontakte temperaturabhängig elektrisch miteinander verbindet. In dem Oberteil ist eine Tasche vorgesehen, in die zwei Kontaktflächen hineinragen, die jeweils mit einem der stationären Kontakte verbunden sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen temperaturabhängigen Schalter mit einem möglichst einfach, aus möglichst wenig Bauteilen aufgebauten Schaltwerk bereitzustellen, wobei der Schalter sowohl vor Übertemperatur als auch vor Überstrom schützt und gleichzeitig eine Selbsthaltefunktion hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen temperaturabhängigen Schalter gemäß Anspruch 1 gelöst, welche folgende Bauteile aufweist:
- - ein Gehäuse, mit einem Unterteil und einem das Unterteil verschließenden Deckelteil, an dem ein erstes stationäres Kontaktteil und ein zweites stationäres Kontaktteil angeordnet ist;
- - ein temperaturabhängiges Schaltwerk, das ein in dem Gehäuse fixiertes Bimetallelement aufweist, an dem ein erstes bewegliches Kontaktteil und ein zweites bewegliches Kontaktteil angeordnet ist, wobei die beiden Kontaktteile unmittelbar an dem Bimetallelement befestigt oder integral mit dem Bimetallelement verbunden sind, wobei das Bimetallelement dazu eingerichtet ist, unterhalb einer Ansprechtemperatur eine erste elektrische Verbindung zwischen dem ersten stationären Kontaktteil und dem zweiten stationären Kontaktteil herzustellen, indem das Bimetallelement das erste bewegliche Kontaktteil gegen das erste stationäre Kontaktteil drückt und das zweite bewegliche Kontaktteil gegen das zweite stationäre Kontaktteil drückt, und bei Überschreiten der Ansprechtemperatur die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, indem das Bimetallelement das erste bewegliche Kontaktteil von dem ersten stationären Kontaktteil abhebt und das zweite bewegliche Kontaktteil von dem zweiten stationären Kontaktteil abhebt; und
- - ein Heizwiderstandsbauteil, das an dem Deckelteil angeordnet ist, wobei das Heizwiderstandsbauteil elektrisch parallel zu der ersten elektrischen Verbindung geschaltet ist und einen mit dem ersten stationären Kontaktteil elektrisch verbundenen ersten Bauteilanschluss sowie einen mit dem zweiten stationären Kontaktteil elektrisch verbundenen zweiten Bauteilanschluss aufweist, wobei das erste stationäre Kontaktteil an dem ersten Bauteilanschluss oder an einem an dem ersten Bauteilanschluss anliegenden elektrisch leitenden ersten Zwischenbauteil anliegt, und wobei das zweite stationäre Kontaktteil an dem zweiten Bauteilanschluss oder an einem an dem zweiten Bauteilanschluss anliegenden elektrisch leitenden zweiten Zwischenbauteil anliegt.
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Das Schaltwerk des erfindungsgemäßen Schalters weist kein lose in das Gehäuse eingelegtes Bimetallelement, sondern ein in dem Gehäuse fixiertes Bimetallelement auf. An dem Bimetallelement ist nicht wie sonst zumeist üblich nur ein bewegliches Kontaktteil angeordnet. Stattdessen sind erfindungsgemäß zwei bewegliche Kontaktteile (bezeichnet als „erstes bewegliches Kontaktteil“ und „zweites bewegliches Kontaktteil“) angeordnet. Diese beiden Kontaktteile werden als bewegliche Kontaktteile bezeichnet, weil sie gemeinsam mit dem Bimetallelement innerhalb des Gehäuses beweglich sind. Die beiden beweglichen Kontaktteile sind jedoch an dem Bimetallelement befestigt oder mit diesem integral ausgebildet, also in jedem Fall fix gegenüber dem Bimetallelement.
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In der Tieftemperaturstellung des Schalters, also unterhalb der Ansprechtemperatur, drückt das Bimetallelement die beiden stationären Gegenkontakte, die an dem Deckelteil des Gehäuses angeordnet sind. Somit ist das Bimetallelement in der Tieftemperaturstellung des Schalters, in der das Bimetallelement die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden stationären Kontaktteilen herstellt, stromdurchflossen. Dementsprechend reagiert der erfindungsgemäße temperaturabhängige Schalter sowohl auf Übertemperatur als auch auf Überstrom.
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In der Hochtemperaturstellung des Schalters, also oberhalb der Ansprechtemperatur, hebt das Bimetallelement die beiden an diesem angeordneten beweglichen Kontaktteile von den beiden am Deckelteil angeordneten stationären Kontaktteilen ab, wodurch die elektrisch leitende Verbindung (vorliegend „erste elektrische Verbindung“), welche in der Tieftemperaturstellung des Schalters über das Bimetallelement hergestellt ist, unterbrochen wird. Ein extra Federelement ist bei dem erfindungsgemäßen Schalter nicht notwendig. Das Schaltwerk ist somit denkbar einfach, aus sehr wenigen Bauteilen hergestellt.
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Ferner weist der erfindungsgemäße temperaturabhängige Schalter ein Heizwiderstandsbauteil auf, das an dem Deckelteil des Gehäuses angeordnet ist oder einen Teil dieses Deckelteils bildet und das elektrisch parallel zu der ersten elektrischen Verbindung geschaltet ist.
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Dieses Heizwiderstandsbauteil sorgt für die Selbsthaltefunktion des Schalters. In der Hochtemperaturstellung des Schalters, in der die erste elektrische Verbindung durch die Bimetallscheibe unterbrochen ist, fließt der Strom zwischen den beiden stationären Kontaktteilen durch das Heizwiderstandsbauteil. Das Heizwiderstandsbauteil umfasst hierzu einen ersten Bauteilanschluss, der mit dem ersten stationären Kontaktteil elektrisch verbunden ist, sowie einen zweiten Bauteilanschluss, der mit dem zweiten stationären Kontaktteil elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise liegt der erste Bauteilanschluss des Heizwiderstandsbauteils unmittelbar an dem ersten stationären Kontaktteil an und der zweite Bauteilanschluss unmittelbar an dem zweiten stationären Kontaktteil an.
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Dementsprechend fließt der Strom in der Hochtemperaturstellung des Schalters, in der das Bimetallelement dafür sorgt, dass die erste elektrische Verbindung unterbrochen ist, von dem ersten stationären Kontaktteil über den ersten Bauteilanschluss durch das Heizwiderstandsbauteil zu dem zweiten Bauteilanschluss und dem zweiten stationären Kontaktteil. Hierdurch heizt sich das Heizwiderstandsbauteil auf, wodurch auch das zu dem Schaltwerk gehörende Bimetallelement erhitzt wird.
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Genauer gesagt, ist das Heizwiderstandsbauteil dazu eingerichtet, das Bimetallelement in der Hochtemperaturstellung des Schalters auf einer Temperatur oberhalb der Ansprechtemperatur des Bimetallelements zu halten, so dass die erste elektrische Verbindung weiterhin unterbrochen bleibt. Aufgrund des relativ hoch gewählten Ohmschen Widerstandes fließt in der Hochtemperaturstellung des Schalters nur ein sehr geringer Strom durch das Heizwiderstandsbauteil, welcher für das zu schützende Gerät unschädlich ist.
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Somit wird durch den erfindungsgemäßen Schalter ein temperaturabhängiger Schalter bereitgestellt, dessen Schaltwerk vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist und der gleichzeitig sowohl auf Überstrom und Übertemperatur reagiert sowie eine Selbsthaltefunktion aufweist.
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Die oben genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind der erste Bauteilanschluss und der zweite Bauteilanschluss im Inneren des Gehäuses angeordnet.
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Das Heizwiderstandsbauteil ist also im Inneren des Gehäuses mit den beiden stationären Kontaktteilen verbunden. Dies garantiert einen sicheren und von dem Gehäuse geschützten elektrischen Anschluss des Heizwiderstandsbauteils.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest ein Teil des Heizwiderstandsbauteils auf einer dem Schaltwerk zugewandten Innenseite des Deckelteils angeordnet.
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Das Heizwiderstandsbauteil ist also zumindest teilweise geschützt im Inneren des Gehäuses angeordnet. Neben der geschützten Anordnung hat dies auch den Vorteil einer direkten Wärmeübertragung auf das Bimetallelement, das ebenfalls im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Durch die Anordnung des Heizwiderstandsbauteils am Deckelteil bzw. seine Integration in das Deckelteil ist ferner eine sehr platzsparende Anordnung des Heizwiderstandsbauteils garantiert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das Heizwiderstandsbauteil durch das erste stationäre Kontaktteil und das zweite stationäre Kontaktteil an dem Deckelteil gehalten.
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Die beiden stationären Kontaktteile haben gemäß dieser Ausgestaltung also eine Mehrfachfunktion. Sie dienen einerseits der Kontaktierung mit dem Heizwiderstandsbauteil sowie der Kontaktierung mit den beiden an dem Bimetallelement angeordneten beweglichen Kontaktteilen und dienen darüber hinaus auch als mechanischer Träger für das Heizwiderstandsbauteil.
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Hierdurch ist die Herstellung des Schalters und die Integration des Heizwiderstandsbauteils im Inneren des Schalters um ein Vielfaches vereinfacht. Gleichzeitig ist für eine sichere Halterung des Heizwiderstandsbauteils gesorgt.
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Das erste stationäre Kontaktteil und das zweite stationäre Kontaktteil verlaufen vorzugsweise durch das Deckelteil hindurch. Dabei sind sie vorzugsweise auf der Innenseite des Deckelteils mit den beiden Bauteilanschlüssen des Heizwiderstandsbauteils und auf der Außenseite des Deckelteils mit den beiden Außenanschlüssen des temperaturabhängigen Schalters verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das erste stationäre Kontaktteil als ein erster Niet ausgestaltet, der das Deckelteil durchdringt und einen im Inneren des Gehäuses angeordneten ersten Nietkopf aufweist, der an dem ersten Bauteilanschluss oder an einem an dem ersten Bauteilanschluss anliegenden elektrisch leitenden ersten Zwischenbauteil anliegt, und wobei das zweite stationäre Kontaktteil als ein zweiter Niet ausgestaltet ist, der das Deckelteil durchdringt und einen im Inneren des Gehäuses angeordneten zweiten Nietkopf aufweist, der an dem zweiten Bauteilanschluss oder an einem an dem zweiten Bauteilanschluss anliegenden elektrisch leitenden zweiten Zwischenbauteil anliegt.
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Dies ermöglicht einerseits eine einfache Art der Herstellung der beiden stationären Kontaktteile und Anordnung dieser an dem Deckelteil und ermöglicht andererseits eine einfache Art der Kontaktierung des Heizwiderstandsbauteils.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der erste Nietkopf an dem an dem ersten Bauteilanschluss anliegenden elektrisch leitenden ersten Zwischenbauteil anliegt und das erste Zwischenbauteil einen ersten Teil einer Halterung zum Halten des Heizwiderstandsbauteils bildet, wobei der zweite Nietkopf an dem an dem zweiten Bauteilanschluss anliegenden elektrisch leitenden zweiten Zwischenbauteil anliegt und das zweite Zwischenbauteil einen zweiten Teil der Halterung zum Halten des Heizwiderstandsbauteils bildet.
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Die beiden Zwischenbauteile dienen also einerseits der elektrischen Kontaktierung zwischen den stationären Kontaktteilen und den Bauteilanschlüssen des Heizwiderstandsbauteils und dienen andererseits als Halterung, durch die das Heizwiderstandsbauteil an dem Deckelteil gehalten wird. Bei den beiden Zwischenbauteilen kann es sich also beispielsweise um metallische Klammern handeln, die das Heizwiderstandsbauteil tragen und an dessen Bauteilanschlüssen anliegen. Ihrerseits werden die beiden Zwischenbauteile von denen als Niete ausgestalteten stationären Kontaktteilen getragen.
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Vorzugsweise durchdringt der erste Niet das erste Zwischenbauteil und hält dieses dadurch an dem Deckelteil. Ebenso vorzugsweise durchdringt der zweite Niet das zweite Zwischenbauteil und hält dieses dadurch an dem Deckelteil.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung durchdringen der erste Niet und der zweite Niet jeweils das Heizwiderstandsbauteil.
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Dies bietet die Möglichkeit, das Heizwiderstandsbauteil unmittelbar mit den beiden als Niete ausgestalteten stationären Kontaktteilen zu verbinden und durch diese Niete an dem Deckelteil zu halten. Bevorzugt wird das Heizwiderstandsbauteil gemäß dieser Ausgestaltung zwischen den beiden Nieten und dem Deckelteil eingeklemmt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Heizwiderstandsbauteil ein PTC-Material auf. Besonders bevorzugt besteht das Heizwiderstandsbauteil gemäß dieser Ausgestaltung aus PTC-Material. Bei dem aus PTC-Material aufgebauten Heizwiderstandsbauteil handelt es sich vorzugsweise um ein massives Bauteil, was die Druckstabilität des Schalters erhöht.
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Vorzugsweise ist das PTC-Material als massiver PTC-Block ausgestaltet, der eine den ersten Bauteilanschluss bildende erste Kontaktfläche sowie eine den zweiten Bauteilanschluss bildende zweite Kontaktfläche aufweist, die in einer gemeinsamen Kontaktebene liegen, wobei die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche durch einen Spalt oder ein Kontaktunterbrechungselement voneinander getrennt sind.
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Dies bietet den Vorteil einer ebenen Flächenkontaktierung. Das Heizwiderstandsbauteil kann beispielsweise in SMD(Surface Mounted Device)-Bauweise als oberflächenmontiertes Bauteil an den beiden stationären Kontaktteilen befestigt und mit diesen elektrisch kontaktiert werden. Dies garantiert eine gute elektrische Kontaktierung und ermöglicht gleichzeitig eine platzsparende Anordnung des Heizwiderstandsbauteils innerhalb des Gehäuses des Schalters.
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Bei dem Kontaktunterbrechungselement, das zwischen den beiden Kontaktflächen des Heizwiderstandsbauteils angeordnet sein kann, kann es sich beispielsweise um einen Isolator handeln, der zwischen den beiden Kontaktflächen angeordnet ist. Grundsätzlich genügt es jedoch, das Heizwiderstandsbauteil auf dessen Anschlussseite mit jeweils zwei voneinander durch einen Spalt getrennten Kontaktflächen vorzusehen, die unmittelbar auf das Heizwiderstandsmaterial aufgebracht sind.
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Das Heizwiderstandsbauteil ist somit trotz der relativ einfachen Art der Montage und elektrischen Kontaktierung, die dieses bietet, kostengünstig herstellbar. Dementsprechend steigern sich durch die spezielle Art der Anordnung und die elektrische Kontaktierung des Heizwiderstandsbauteils auch die Gesamtkosten des Schalters wenn überhaupt nur marginal.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist das Heizwiderstandsbauteil ein Isoliermaterial mit einer daran angeordneten oder darin eingebetteten Leiterbahn auf, die zwischen dem ersten Bauteilanschluss und dem zweiten Bauteilanschluss verläuft.
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Bei dem Heizwiderstandsbauteil kann es sich beispielsweise um eine Dickschichtleiterbahn oder eine Heizfolie handeln, die an der Innenseite des Deckelteils angebracht ist. Eine Heizfolie weist als Trägermaterial beispielsweise Teflon, Kapton oder Nomex auf. Die daran angeordnete Leiterbahn kann in das Trägermaterial eingebettet sein. Sie dient als Heizwiderstand.
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Vorzugsweise ist das Heizwiderstandsbauteil gemäß dieser Ausgestaltung einseitig mit der Leiterbahn versehen. Die Leiterbahn kann beispielsweise auf der dem Deckelteil zugewandten Oberseite des Heizwiderstandsbauteils oder auf der dem Schaltwerk zugewandten Unterseite des Heizwiderstandsbauteils angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein Zentrum des Bimetallelements an einer im Gehäuse fixierten Halterung festgelegt, wobei das erste bewegliche Kontaktteil und das zweite bewegliche Kontaktteil auf gegenüberliegenden Seiten der Halterung angeordnet sind.
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Die Halterung ist gegenüber dem Gehäuse fix, also relativ zu dem Gehäuse unbeweglich. Das Bimetallelement ist an dieser Halterung mit seinem Zentrum vorzugsweise eingespannt. Die beiden beweglichen Kontaktteile sind unmittelbar an dem Bimetallelement im Bereich eines äußeren, frei hängenden Randes des Bimetallelements auf gegenüberliegenden Seiten der Halterung angeordnet. Vorzugsweise sind die beiden beweglichen Kontaktteile in gleichem Abstand zu der im Zentrum befindlichen Halterung angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Unterteil aus elektrisch isolierendem Material.
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Das Unterteil ist somit nicht stromdurchflossen und kann daher aus einem vergleichsweisen günstigen Kunststoff hergestellt sein.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1A eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften temperaturabhängigen Schalters, wobei sich der Schalter in seiner Tieftemperaturstellung befindet;
- 1B eine schematische Draufsicht von unten auf ein in dem in 1A verwendetes Heizwiderstandsbauteil;
- 1C eine schematische Schnittansicht des in 1A gezeigten temperaturabhängigen Schalters, wobei sich der Schalter in seiner Hochtemperaturstellung befindet;
- 2A eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schalters, wobei sich der Schalter in seiner Tieftemperaturstellung befindet;
- 2B eine schematische Draufsicht von unten auf ein in dem in 2A gezeigten Schalter eingesetztes Heizwiderstandsbauteil;
- 3A eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schalters, wobei sich der Schalter in seiner Tieftemperaturstellung befindet;
- 3B eine schematische Draufsicht von unten auf ein in dem in 3A gezeigten Schalter eingesetztes Heizwiderstandsbauteil;
- 4A eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen temperaturabhängigen Schalters, wobei sich der Schalter in seiner Tieftemperaturstellung befindet; und
- 4B eine schematische Draufsicht von unten auf ein in dem in 4A verwendetes Heizwiderstandsbauteil.
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1A und 1C zeigen einen beispielhaften Schalter jeweils in einer schematischen Schnittansicht. Der Schalter ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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1A zeigt die Tieftemperaturstellung des Schalters 10, also die Stellung, in der der Schalter 10 geschlossen ist. 1C zeigt die Hochtemperaturstellung des Schalters 10, also die Stellung, in der der Schalter geöffnet ist.
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Der Schalter 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem ein temperaturabhängiges Schaltwerk 14 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 umfasst ein topfartiges Unterteil 16 sowie ein Deckelteil 18, das durch einen umgebogenen oder umgebördelten Rand 20 an dem Unterteil 16 gehalten wird.
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Das Unterteil 16 ist aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Kunststoff. In das Deckelteil 18 ist gemäß dem in 1A-1C gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ein Heizwiderstandsbauteil 22 integriert. Dieses Heizwiderstandsbauteil 22 ist aus PTC-Material. Das Heizwiderstandsbauteil 22 bildet das Deckelteil 18 oder zumindest einen Teil dessen.
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An dem Deckelteil 18 sind zwei stationäre Kontaktteile 24, 26 angeordnet, welche vorliegend als erstes stationäres Kontaktteil 24 und zweites stationäres Kontaktteil 26 bezeichnet werden. Die beiden stationären Kontaktteile 24, 26 sind jeweils als ein Niet ausgestaltet, der das Deckelteil 18 durchdringt. Auf der Innenseite 28 des Deckelteils 18 weist jeder dieser beiden Niete einen Nietkopf 30, 32 auf, der wie nachfolgend erläutert einerseits mit dem Schaltwerk 14 und andererseits mit dem Heizwiderstandsbauteil 22 zusammenwirkt.
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Auf der gegenüberliegenden Oberseite 34 des Deckelteils 18 sind die beiden stationären Kontaktteile 24, 26 jeweils mit einem elektrischen Außenanschluss 36, 38 des Schalters 10 verbunden.
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Das in das Deckelteil 18 integrierte Heizwiderstandsbauteil 22 weist auf seiner Unterseite zwei voneinander getrennte, separate Bauteilanschlüsse 40, 42 auf (siehe 1B). Diese beiden Bauteilanschlüsse 40, 42 weisen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel jeweils eine Kontaktfläche 44, 46 auf, die auf der dem Schaltwerk 14 zugewandten Unterseite 28 des Heizwiderstandsbauteils 22 angeordnet sind. Die beiden Kontaktflächen 44, 46 sind durch einen Spalt 48 voneinander getrennt. Anstelle des Spalts 48 kann auch ein Isolator als Kontaktunterbrechungselement zwischen den beiden Kontaktflächen 44, 46 angeordnet sein.
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Die erste Kontaktfläche 44 des Heizwiderstandsbauteils 22 liegt an dem ersten Nietkopf 30 des ersten stationären Kontaktteils 24 unter Zwischenlage einer zur Verbesserung der Kontaktierung vorgesehenen ersten Kontaktplatte 50 an. Die zweite Kontaktfläche 46 des Heizwiderstandsbauteils 22 liegt an dem zweiten Nietkopf 32 des zweiten stationären Kontaktteils 26 unter Zwischenlage einer zweiten Metallplatte 52 an. Die beiden stationären Kontaktteile 24, 26 sind durch entsprechende Durchgangslöcher, die im Heizwiderstandsbauteil 22 vorgesehen sind, hindurchgeführt.
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In Bezug auf die in 1B schematisch gezeigte Draufsicht von unten auf das Heizwiderstandsbauteil 22 sei erwähnt, dass das Heizwiderstandsbauteil 22 darin im Wesentlichen rautenförmig dargestellt ist. Entsprechend ist auch das Deckelteil 18 bzw. das Gehäuse 12 in der Draufsicht in diesem Beispiel rautenförmig ausgebildet. Es versteht sich jedoch, dass das Gehäuse 12 und das Deckelteil 18 samt Heizwiderstandsbauteil 22 auch beliebige andere Formen haben können. Beispielsweise kann das Deckelteil 18 samt dem Heizwiderstandsbauteil 22 in der Draufsicht auch rund, oval oder eckig ausgestaltet sein.
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Das Schaltwerk 14 weist ein Bimetallelement 58 auf, das mit Hilfe einer Halterung 60 im Gehäuse 12 fixiert ist. Die Halterung 60 ist auf dem Innenboden des Unterteils 16 befestigt und ragt nach oben hin in Richtung des Deckelteils 18 in den Innenraum des Schaltergehäuses 12 hinein. Das Bimetallelement 58 ist mit seinem Zentrum an der Halterung 60 eingespannt.
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Im Bereich seines freien, von der Halterung 60 abstehenden Randes weist das Bimetallelement 58 zwei einander gegenüberliegende bewegliche Kontaktteile 62, 64 auf. Die beiden Kontaktteile 62, 64 sind entweder unmittelbar an dem Bimetallelement 58 befestigt oder integral mit diesem ausgebildet.
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In der in 1A gezeigten Tieftemperaturstellung des Schalters 10 drückt das Bimetallelement 58 das erste bewegliche Kontaktteil 62 gegen das erste stationäre Kontaktteil 24 und das zweite bewegliche Kontaktteil 64 gegen das zweite stationäre Kontaktteil 26 und stellt dadurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten stationären Kontaktteil 24 und dem zweiten stationären Kontaktteil 26 her.
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Somit fließt in der Tieftemperaturstellung des Schalters 10 der elektrische Strom von dem ersten elektrischen Außenanschluss 36 über das erste stationäre Kontaktteil 24 durch das Bimetallelement 58 über das zweite stationäre Kontaktteil 26 zu dem zweiten elektrischen Außenanschluss 38.
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Vorzugsweise ist das Bimetallteil 58 als einteilige Bimetallscheibe ausgestaltet und weist in seinem Zentrum ein Durchgangsloch auf, um das Bimetallteil 58 leichter an der Halterung 60 befestigen zu können. Alternativ dazu kann das Bimetallelement 58 jedoch auch zweiteilig ausgestaltet sein und zwei Schenkel aufweisen, die jeweils separat an der Halterung 60 befestigt sind, wobei das erste bewegliche Kontaktteil 62 an dem ersten Schenkel und das zweite bewegliche Kontaktteil 64 an dem zweiten Schenkel des Bimetallelements 58 angeordnet ist. In letzterem Fall ist es jedoch zwangsläufig notwendig, dass zumindest ein Teil der Halterung 60 ebenfalls aus elektrisch leitfähigem Material ist, um den Stromfluss von einem Schenkel auf den anderen Schenkel des Bimetallelements 58 zu übertragen. Sofern das Bimetallelement 58 jedoch, wie bevorzugt, einteilig ausgestaltet ist, muss die Halterung 60 selbst nicht elektrisch leitfähig sein.
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Erhöht sich ausgehend von der in 1A gezeigten Tieftemperaturstellung die Temperatur des Bimetallelements 58 über dessen sog. Ansprechtemperatur hinaus, so schnappt das Bimetallelement 58 von seiner in 1A gezeigten konvexen Stellung in seine in 1C gezeigte konkave Stellung um, wodurch die beiden beweglichen Kontaktteile 62, 64 von den beiden stationären Kontaktteilen 24, 26 abgehoben werden. Ein solcher Anstieg der Temperatur des Bimetallteils 58 kann entweder durch ein Erhitzen des durch den Schalter 10 zu schützenden Gerätes oder durch einen unerwünscht hohen Strom bedingt sein, der durch das Bimetallelement 58 bzw. den Schalter 10 fließt.
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In der in 1C gezeigten Hochtemperaturstellung des Schalters 10 fließt somit kein Strom mehr von dem ersten stationären Kontaktteil 24 über das Bimetallelement 58 zu dem zweiten stationären Kontaktteil 26, da die über das Schaltwerk 14 hergestellte elektrische Verbindung getrennt ist. Ein geringer Reststrom fließt jedoch nach wie vor zwischen den beiden stationären Kontaktteilen 24, 26 über das Heizwiderstandsbauteil 22.
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Das Heizwiderstandsbauteil 22 ist elektrisch parallel zu dem Schaltwerk 14 geschaltet, so dass der Strom in der Hochtemperaturstellung des Schalters von dem ersten stationären Kontaktteil 24 über den ersten Bauteilanschluss 40, durch das Heizwiderstandsbauteil 22, über den zweiten Bauteilanschluss 42 zu dem zweiten stationären Kontaktteil 26 fließt. Durch diesen Reststrom heizt sich das Heizwiderstandsbauteil 22 auf. Die hierdurch verursachte Hitzeentwicklung überträgt sich auf das Schaltwerk 14 und das dazugehörige Bimetallelement 58. Dementsprechend bewirkt das Heizwiderstandsbauteil 22 die sog. Selbsthaltung des Schalters 10, durch die der Schalter 10 dauerhaft offen gehalten wird, bis von außen keine Spannung mehr zwischen den beiden Außenanschlüssen 36, 38 anliegt. Dies ist üblicherweise erst dann der Fall, wenn das durch den Schalter 10 zu überwachende Gerät stromlos geschaltet wird, indem es beispielsweise vom Stromnetz genommen wird.
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Ohne das Heizwiderstandsbauteil 22, welches elektrisch parallel zu dem Schaltwerk 14 geschaltet ist, würde das Schaltwerk 14 automatisch zurück in seine in 1A gezeigte Schließstellung schalten, sobald sich die Temperatur des durch den Schalter 10 zu überwachenden Geräts und damit auch die Temperatur des Bimetallelements 18 wieder absenkt.
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Die oben erwähnte Schalt- und Selbsthaltefunktion ist auch bei den in 2-4 gezeigten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Schalters 10 in funktional ähnlicher oder gleicher Weise erfüllt. Im Folgenden wird daher lediglich auf die Unterschiede dieser Ausführungsbeispiele eingegangen, welche im Wesentlichen in der Art der Ausgestaltung und Anordnung des Heizwiderstandsbauteils 22 liegen.
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Bei den in 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen des Schalters 10 ist das Heizwiderstandsbauteil 22 nicht in das Deckelteil 18 integriert, sondern stattdessen an dem Deckelteil 18 angeordnet. Das Heizwiderstandsbauteil 22 ist jeweils als separates Bauteil separat zu dem Deckelteil 18 ausgestaltet und an dem Deckelteil 18 befestigt.
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Bei dem in 2A und 2B gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters 10 ist das Deckelteil 18 aus Keramik ausgestaltet, wobei auf dessen Innenseite 28 eine Dickschichtleiterbahn 66 aufgedruckt bzw. aufgesintert ist. Diese Dickschichtleiterbahn 66 ist in ein Isoliermaterial 68 eingebettet. Die beiden gegenüberliegenden Enden der Dickschichtleiterbahn 66 sind mit den beiden Bauteilanschlüssen 40, 42 des Heizwiderstandsbauteils 22 verbunden, wobei der erste Bauteilanschluss 40 des Heizwiderstandsbauteils 22 an dem ersten stationären Kontaktteil 24 anliegt und der zweite Bauteilanschluss 42 an dem zweiten stationären Kontaktteil 26 anliegt. Die beiden als Niete ausgestalteten stationären Kontaktteile 24, 26 durchdringen das Widerstandsbauteil 22. Genauer gesagt sind die beiden als Niete ausgestalteten stationären Kontaktteile 24, 26 durch die im Heizwiderstandsbauteil 22 vorgesehenen Durchgangslöcher 54, 56 hindurchgeführt. Die beiden Bauteilanschlüsse 40, 42 des Heizwiderstandsbauteils 22 sind in diesen Durchgangslöchern 54, 56 oder um diese herum angeordnet, so dass die beiden Bauteilanschlüsse 40, 42 des Heizwiderstandsbauteils 22 unmittelbar an dem jeweiligen Kontaktteil 24 bzw. 26 anliegen.
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Das in 3A und 3B gezeigte zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters 10 ist sehr ähnlich zu dem in 2A und 2B gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Hier weist das Widerstandsbauteil 22 jedoch anstelle einer Dickschichtleiterbahn 66 eine Heizfolie 70 auf, die an der Innenseite 28 des Deckelteils 18 befestigt ist. Die Heizfolie 70 weist eine in einem Isoliermaterial 78 eingebettete Leiterbahn 66' auf, die zwischen den beiden Bauteilanschlüssen 40, 42 des Heizwiderstandsbauteils 22 verläuft. Die beiden stationären Kontaktteile 24, 26 durchdringen die Heizfolie 70, wobei die an dem jeweiligen unteren Ende der stationären Kontaktteile 24, 26 angeordneten Niete 30, 32 die Heizfolie 70 zwischen sich und dem Deckelteil 18 einklemmen. Das Heizwiderstandsbauteil 22 wird somit also durch die beiden stationären Kontaktteile 24, 26 an dem Deckelteil 18 gehalten.
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Gleichzeitig dient diese Art der mechanischen Verbindung zwischen der Heizfolie 70 und den beiden stationären Kontaktteilen 24, 26 auch der elektrischen Kontaktierung der Heizfolie 70. Die Heizfolie 70 weist zwei Durchgangslöcher 54, 56 auf, durch die die beiden stationären Kontaktteile 24, 26 hindurchgeführt sind. Die beiden Bauteilanschlüsse 40, 42 der Heizfolie 70 sind in oder um diese beiden Durchgangslöcher 54, 56 herum ausgebildet.
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Bei dem in 4A und 4B gezeigten dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters 10 ist das Heizwiderstandsbauteil 22 als ein massiver, ringförmiger Block aus PTC-Material ausgebildet, der an der Unterseite 28 des Deckelteils 18 klemmend befestigt ist. Dieser PTC-Block wird von zwei Halteklammern 72, 74 getragen, welche vorliegend allgemein als erstes Zwischenbauteil 72 und zweites Zwischenbauteil 74 bezeichnet werden. Die beiden Zwischenbauteile 72, 74 sind ihrerseits zwischen den beiden Nietköpfen 30, 32 und dem Deckelteil 18 eingeklemmt. Die beiden Zwischenbauteile 72, 74 haben somit eine Doppelfunktion. Sie dienen einerseits der Halterung für das Heizwiderstandsbauteil 22 und sorgen andererseits für dessen elektrische Kontaktierung.
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Die beiden Zwischenbauteile 72, 74 liegen zur Kontaktierung des Heizwiderstandsbauteils 22 an dessen beiden Bauteilanschlüssen 40, 42 an. Die beiden Bauteilanschlüsse 40, 42 des Heizwiderstandsbauteils 22 weisen ähnlich wie in dem ersten Ausführungsbeispiel zwei in einer gemeinsamen Kontaktebene liegende Kontaktflächen 44, 46 auf, die an der Unterseite des Heizwiderstandsbauteils 22 ausgebildet und durch einen Spalt 48 oder ein Kontaktunterbrechungselement voneinander getrennt sind.
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Das Heizwiderstandsbauteil 22 weist hier ferner ein zentrales Durchgangsloch 76 auf, durch das die Halterung 60 des Bimetallelements 58 hindurchgeführt ist.
