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ThermSchaltglied Die Erfindung betrifft ein blattförmiges, bimetallartiges,
mindestens teilweise den Strom leitendes Thermo-Schaltglied.
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Bei blattförmigen, bimetallartigen Thermo-Schaltgliedern erfolgt
die Bewegung dieses Schaltgliedes aus der einen Stellung in die andere durch Erwärmen,
was vielfach dadurch erreicht wird, daß das Thermo-Schaltglied ganz oder teilweise
von Strom durchflossen ist. Die erzeugte Wärmemenge hängt vom Widerstand der verschiedenartigen
Schichten des Bimetall-Schaltgliedes ab, wodurch dann wiederum die Erwärmung und
damit die Umschalttemperatur festgelegt wird. Um den gewünschten Widerstand und
damit die gewünschte Umschaltung zu erhalten, ist es bekannt, die Schichten des
verwendeten Bimetallstreifens in Breite und Stärke entsprechend abzuändern, doch
ergeben sich hierdurch meist komplizierte Formen und Konstruktionen.
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Die Änderung des Widerstandes einer Schicht kann auch dadurch erreicht
werden, daß durch Sandstrahlen Material abgenommen wird. Bei diesem Verfahren ergibt
sich jedoch eine muldenförmige, zusammenhängende Vertiefung auf der ganzen Oberfläche,
aus der einzelne Inseln herausragen. Eine solche Form ist nur mit Schwierigkeit
genau herzustellen, und die Stromverhältnisse können praktisch nicht vorausberechnet
werden.
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Hier schafft die Erfindung bei blattförmigen, bimetallartigen, mindestens
teilweise den Strom leitenden Thermo-Schaltgliedern, insbesondere Bimetall-Schnappscheiben,
mit Aussparungen innerhalb ihrer glatten Umrandung, welche ihren elektrischen und
mechanischen Widerstand bestimmen, dadurch Abhilfe, daß ein Oberflächenbereich mindestens
einer Seite des Thermogliedes durch zahlreiche Löcher oder mehr oder weniger tiefe
Ausnehmungen wie ein feinmaschiges Gitterwerk ausgebildet ist, so daß die elektrische
und thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische Festigkeit in jedem verhältnismäßig
kleinen, gitterartigen Teilbereich vergleichmäßigt sind. Durch diese Ausbildung
bleibt auf dem ganzen Thermoglied ein gitterartiges Netzwerk der ursprünglichen
StirnfLäche bestehen, so daß der elektrische Strom in dieser Schicht fließen kann.
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Außerdem kann der Widerstand in einfacher Weise durch die Größe der
Ausnehmungen und deren Tiefe festgelegt werden. Besonders bei gleichmäßiger Ausbildung
der Ausnehmungen ist es ohne weiteres möglich, den Widerstand des Gitterwerkes genau
vorauszuberechnen und so die Umschalttemperatur festzulegen.
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Das Anbringen der Vertiefungen hat ferner noch den Vorteil, daß Spannungen,
die bei der Verformung des Thermo-Schaltgliedes - im Falle eines Schnappgliedes
beispielsweise - auftreten, herabgesetzt oder ausgeglichen werden, wodurch die Umschalteigenschaften
verbessert werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf Segmente a, b, c und d eines
Bimetallstreifens, der für die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet
werden kann, F i g. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Segmente a, b, c
und d des Bimetallstreifens gemäß Fig. 1, in erheblich größerem Maßstab als diese,
Fig. 3 eine Teildraufsicht auf einen Bimetallstreifen ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten
mit einer Ausführungsform einer Musterung von gleichmäßigen Ausnehmungen, F i g.
4 eine Teildraufsicht entsprechend F i g. 3, wobei die regelmäßige Musterung eine
andere als in Fig. 3 ist, F i g. 5 eine Draufsicht auf einen thermostatischen Schalter,
der eine gemäß der Erfindung hergestellte Bimetallschnappscheibe aufweist, Fig.
6 einen Schnitt nach Linie 6-6 der Fig. 5,
Fig. 7 eine Draufsicht
auf einen thermostatischen Schalter, der eine andere Ausführungsform einer Bimetallschnappscheibe
gemäß der Erfindung aufweist, F i g. 8 einen Schnitt nach Linie 8-8 der F i g. 7.
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In F i g. 1 ist beispielsweise ein flexibler Bimetallstreifen 1 aus
bimetallischem Material dargestellt, in bezug auf den die Erfindung erläutert werden
soll.
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Wie in F i g. 2 angegeben, sind die bimetallischen Schichten mit 3
und 5 bezeichnet, die mit ihren entsprechenden Flächen 7 in der üblichen Weise,
mit der solche zusammengesetzten, thermostatischen Streifen behandelt werden, verbunden
sind. Die Schichten 3 und 5 können dabei von gleicher oder ungleicher Stärke sein.
Die Erfindung weist die größten Vorteile auf, wenn die Schichten ziemlich dünn,
beispielsweise nur mehrere hundertstel Millimeter sind. Für thermostatische Zwecke
haben die bimetallischen Schichten 3 und 5 des Bimetallstreifens 1 verschiedene
Wärmeausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise kann die Schicht 3 aus einem Material
bestehen, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise
Invar, hat. Die Schicht 5 kann aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
wie beispielsweise aus einer Legierung von 220/0 Nickel, 3 O/o Chrom und im übrigen
Eisen, bestehen. Doch kann in bekannter Weise irgendeine der vielen möglichen Kombinationen
verwendet werden, um Verbiegungsbewegungen des Bimetallstreifens 1 in Abhängigkeit
von Temperaturänderungen hervorzurufen. Ein Verfahren, um diese Bimetallstreifen
zu erwärmen, besteht darin, daß ein elektrischer Strom von einer solchen Höhe durchfließt,
daß entsprechend dem Widerstand des Bimetallstreifens seine Temperatur so erhöht
wird. daß er entsprechend verbogen wird.
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In F i g. 1 ist schematisch mit 9 eine Ansammlung von vielen kleinen,
genau hergestellten, gitter- oder netzartigen Ausbildungen, Ausnehmungen oder Löchern
bezeichnet, die jeweils irgendeine bestimmte Form haben können und die vorzugsweise
in Art einer regelmäßigen Musterung vorgesehen sind. Sie sind jeweils als Einzelteile
insofern zu betrachten, als sie nicht miteinander verbunden sind und alle innerhalb
eines ununterbrochenen Materialgitters angeordnet sind. Eine derartige Ansammlung
von Ausnehmungen kann an einer oder beiden Stirnseiten des Bimetallstreifens 1 vorgesehen
sein. Auf jeden Fall ist es zweckmäßig, wenn eine Gitterfläche ungefähr entsprechend
der ursprünglichen Streifen stirnfläche alle Ausnehmungen dieser Ansammlung umgibt,
so daß sich eine genaue Außenform der Ausnehmungen und ihren Kanten ergibt. In dem
vorliegenden Beispiel ist die punktierte Gitteroberfläche nur an einer Stirnfläche
vorgesehen und wird durch Ätzen mit Hilfe eines Abdeckgitters erreicht. Die Formen
der Ausnehmungen dieser Ansammlung können rund, wie bei 11 in Fig. 3 dargestellt,
oder auch rhombisch, wie bei 13 in Fig. 4 angegeben, sein oder können im übrigen
auch irgendeine sich wiederholende reguläre geometrische Form aufweisen. Das Atzen
wird in irgendeiner bekannten Art durchgeführt, beispielsweise dadurch, daß auf
die Oberfläche eine Gittermusterung aus vom Ätzmittel nicht angreifbarem Material
entweder fotografisch oder durch bekannte Druckverfahren aufgebracht wird.
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Beispielsweise kann dieses dem Ätzen widerstehende Material eine
fest haftende, entwickelte
fotografische Emulsion, eine fettige Tinte od. dgl. in
der Form eines auf der Stirnseite des Bimetallstreifens genau aufgebrachten Gitters
sein, wobei das Gitter die Ausnehmungen nach außen zu freigibt, die in die Oberfläche
des Bimetallstreifens 1 eingeätzt werden. Das Abdeckgitter 21 der Fig. 3 und 4 entspricht
in seiner Form den mit 11 und 13 gezeigten Ausnehmungen oder beliebigen anderen
Ausnehmungen.
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Nachdem das Abdeckgitter 21 aufgebracht ist, wird die Oberfläche
15 chemisch mit einer geeigneten Ätzsäure, elektrolytisch oder sonstwie behandelt,
um an den nach außen frei liegenden Stellen, beispielsweise 11, 13, eine Materialabnahme
hervorzurufen. Da chemische und elektrolytische Ätzverfahren bekannt sind, braucht
auf diese nicht eingegangen zu werden. Es werden auf diese Weise Ätzausnehmungen
geschaffen, deren Kanten scharf und genau definiert sind, so daß ein erheblicher
Teil des Bimetallstreifens an der ursprünglichen Stirnfläche des Streifens oder
in seiner Nähe erhalten bleibt. Wenn der ganze Bimetallstreifen 1 in eine geeignete
chemische Säure oder einen Elektrolyten eingetaucht wird, kann es auch erwünscht
sein, die Kanten oder die andere Oberfläche 17 mit einem keine Musterung aufweisenden
Abdeckmaterial zu bedecken, wie dies durch die Punktel9 in Fig. 2 angedeutet ist.
Ein kurzes Eintauchen ergibt verhältnismäßig flacl, scharf definierte Ausnehmungen,
wie sie bei 23 in F i g. 2 angedeutet sind, wo die Schicht 3 nur teilweise durchdrungen
ist. Ein solches teilweises Durchdringen ist für das Segment a der Fig. 1 angedeutet.
Die Durchdringung kann auch tiefer sein, so daß sie bis zur Zwischenfläche7 reicht,
wie dies bei 25 in Fig. 2 für das Segment b der Fig. 1 angedeutet ist. Gegebenenfalls
kann die Ätzung so lange fortgesetzt werden, bis die Ausnehmungen sich noch in die
Schicht 5 hineinerstrecken, wie dies bei 27 der Fig. 2 für das Segment c dargestellt
ist. Schließlich kann die Ätzung auch den Bimetallstreifen ganz durchdringen, wie
dies bei 29 in F i g. 2 für das Segment d der F i g. 1 gezeigt ist.
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Die verschiedenen Tiefen der Ätzungen 23, 25, 27 und 29 können einfach
dadurch erreicht werden, daß die Segmente a, b, c und d während einer entsprechend
langen Zeit der Ätzung ausgesetzt werden.
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Nach Durchführung der Ätzung können das Abdeckgitter 21 und die ununterbrochene
Abdeckung 19 durch Anwendung eines Lösungsmittels oder sonstwie entfernt werden,
obwohl ein solches Entfernen nicht in allen Fällen notwendig ist. Auf jeden Fall
verbleibt eine Gittermusterung auf der ursprünglichen Stirnfläche des Bimetallstreifens
1, die sämtliche ausgeätzten Ausnehmungen umgibt.
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Als Beispiel für die verwendbaren Dimensionen sei angegeben, daß
der Bimetallstreifen ungefähr 0,20 mm stark sein kann und die Ätzungen eine Tiefe
bis zu ungefähr 0,08 bis 0,10 mm in der einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisenden Schicht (beispielsweise 3) aufweisen können, wobei das verwendete Muster
ungefähr 2640 Ausnehmungen pro Quadratzentimeter ergab.
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In Fig. 5 und 6 ist ein Bimetallschnappschalter dargestellt, der
ein solches Material verwendet. In diesen Figuren ist mit 31 eine Bimetallschnappscheibe
von ungefähr 15,9 mm Durchmesser bezeichnet, die aus einem Material, wie im Segmente
dargestellt, ausgestanzt ist und die in nicht erwärmtem
Zustand
in einer Presse zu einer schalenförmigen Form verformt wurde, wie sie in F i g.
6 in ausgezogenen Linien dargestellt ist. Die einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisende Schicht 33 dieser Bimetallschnappscheibe ist oben und die einen hohen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisende Schicht 35 unten angeordnet, wobei die erstere
an ihrer oberen Fläche wie angegeben geätzt ist. Wenn eine derartige Scheibe durch
einen durchfließenden elektrischen Strom erwärmt wird, so schnappt sie bei einer
vorbestimmten Temperatur in die in gestrichelten Linien dargestellte Stellung um.
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Üblicherweise ist die einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisende
Schicht im allgemeinen diejenige, die den kleinsten Widerstand aufweist. Durch Ätzen
ihrer Oberfläche wird der dem Strom zur Verfügung stehende Querschnitt herabgesetzt,
wodurch sich der Widerstand erhöht und damit gleich derjenigen Schicht wird, die
einen hohen Ausdehnungskoeffizienten hat oder sich diesem Widerstand mehr nähert.
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In der Praxis kann die Bimetallschnappscheibe mit einem Loch 37 versehen
sein, so daß sie lose auf dem Zapfen 39 einer Säule 41 angebracht werden kann, die
verstellbar in einen Isolierblock 43 eingesohraubt ist. Die Säule kann in der eingestellten
Stellung mittels einer Mutter 45 verriegelt werden.
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Ein Ring 47 hält dabei die Bimetallschnappscheibe 31 auf der Säule.
Die Scheibe kann an ihrem Rand, wie bei 49 angedeutet, einen Einschnitt aufweisen,
der mit einem Stift 51 zusammenwirkt, der im Isolierblock 43 befestigt ist, um so
eine Drehung um die Säule zu verhindern.
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Der Isolierblock 43 trägt feste Kontakte 53, die mit beweglichen
Kontakten 55 zusammenwirken, die diametral entgegengesetzt an der Unterseite der
Bimetallschnappscheibe 31 angeschweißt sind. Unter normalen Stromflußbedingungen
wird die Scheibe nicht erwärmt. Bei einem Oberlastungsstrom wird sie erwärmt, und
ihre Temperatur steigt so an, daß sie in die gestrichelt gezeichnete Lage umschnappt
und die Kontakte öffnet. Beim Abkühlen schnappt sie wieder in die geschlossene Stellung
zurück. Es ist bekannt, daß die domartige Form so abgeändert werden kann, daß beim
Umschnappen in die gestrichelte Stellung die Scheibe in dieser Lage verbleibt, bis
sie durch Anwendung einer äußeren Kraft wieder zurückgestellt wird.
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Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß in dem Anwendungsbeispiel
der Erfindung nach den F i g. 5 und 6 der Hauptzweck der eingeätzten feinen Musterung
darin besteht, den Widerstand der Bimetallschnappscheibe 31 durch Herabsetzen des
Querschnitts der Schicht 33 zu erhöhen, ohne daß dadurch die ursprüngliche Stirnfläche
ganz zerstört wird. Mit anderen Worten, es ist erwünscht, daß in der Nähe der ursprünglichen
flachen Stirnfläche um die Öffnungen der Ausnehmungen das Material kontinuierlich
ist. Damit ist das Ergebnis dieser Ausbildung von anderen Verformungen unterschieden,
beispielsweise von einer Oberfläche, die durch Sandstrahlen der ganzen Oberfläche
erreicht wird. Hier wird nämlich die umgekehrte Wirkung erzielt, und zwar in der
Art, daß eine zusammenhängende, tiefer liegende Oberfläche gebildet wird, die angehobene
Inseln aus Stirnmaterial umgibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umgibt eine obere
zusammenhängende Materialfläche inselartige Ausnehmungen
oder Löcher, und infolgedessen
können verschiedene Tiefen der Ausnehmungen erreicht werden, ohne die Dicke der
Platte zu ändern, wie sie üblicherweise zwischen flachen Meßflächen eines Mikrometers
gemessen wird. Wenn beim üblichen Sandstrahlen ohne ein Abdeckgitter das Sandstrahlen
über einen sehr kleinen Betrag mit nur einer kleinen Widerstandsänderung hinaus
erhöht wird, werden die herausragenden Inseln im wesentlichen bis unter die ursprüngliche
Oberfläche des Streifens abgetragen, wodurch die thermostatische Wirkung der Platte
unerwünscht geändert werden kann. Im Gegensatz hierzu wird gemäß der vorliegenden
Erfindung die thermostatische Wirkung der Platte in günstigerer Weise aufrechterhalten,
obwohl der Widerstand erheblich geändert wird. Beispielsweise kann im Falle einer
Scheibe von ungefähr 15,9 mm Durchmesser und 0,20 mm Dicke der Widerstand nach der
vorbeschriebenen Behandlung von 0,0030 Ohm ohne Atzen auf 0,0045 Ohm mit Ätzen erhöht
werden.
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Dies bedeutet eine 500/oige Erhöhung, wodurch die Zeit, innerhalb
der die Scheibe infolge eines Stromes umschnappt, erheblich abgekürzt wird, ohne
daß jedoch die Umschnappmerkmale nennenswert beeinträchtigt werden. Dieser Vorteil
wird erreicht, ohne daß die Scheibe als Thermostat beeinträchtigt wird, und es ergibt
sich der zusätzliche Vorteil, daß durch die Ätzung noch unerwünschte Spannungsänderungen
ausgeglichen werden, die in verschiedenen Teilen der Scheibe durch die Verformungsoperation
erzeugt sein können.
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In Fig. 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
In diesem Fall ist ein ursprünglich rechteckiger Bimetallstreifen 57 so verformt,
daß er ein kreisförmiges Mittelstück 59 von domartiger Gestalt aufweist. Hierdurch
ergeben sich Lappen 61, an deren Unterseite bewegliche Kontakte 63 befestigt sind.
Diese arbeiten mit je einem festen Kontakt 65 eines Isolierblockes 67 zusammen.
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Der letztere trägt eine einstellbare Säule 69, die einen Zapfen71
aufweist, der ein zentrales Loch 73 des Domes 59 durchdringt. Ein Ring 75 hält den
Bimetallstreifen 57 mit Spiel auf der Säule. Mit Hilfe einer Mutter 77 ist die Säule
69 in irgendeiner eingestellten Stellung gesichert. Mit Hilfe von Stiften 79, die
im Isolierblock 67 befestigt sind und an den Seiten der Bimetallstreifen 57 angeordnet
sind, wird eine Drehung der Säule vermieden. Bei Auftreten von normalen Strömen
wird der Bimetallstreifen 57 nicht erwärmt, der sich in kaltem Zustand in der in
ausgezogenen Linien in F i g. 8 gezeigten Stellung befindet. Bei Überlastungsstrom
und folgender Erwärmung schnappt er in die in F i g. 8 gestrichelt gezeigte Offenstellung.
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In der Ausführungsform nach Fig.7 und 8 der Erfindung ist das Ätzverfahren
nur auf der verformten Fläche des Streifens 57 angewendet. Dies hat die Wirkung,
daß nur der Widerstand des Domteiles 59 erhöht und in den Lappen 71 nicht erhöht
wird. Das Ergebnis ist ähnlich, wie dies in dem USA.-Patent 2 860208 beschrieben
ist, d. h., die Lappen 61 der Bimetallstreifen 57 weisen nach wie vor eine hohe
Leitfähigkeit für eine gleichmäßige Stromdichte auf ihrer ganzen Fläche auf. Im
Domteil 59 ist die Stromdichte in der oberen Schicht 81 dadurch erhöht, daß das
Material durch einen Ätzprozeß entsprechend vermindert ist. Damit wird die Aufgabe,
wie sie in der in diesem Patent beschriebenen und dargestellten
Konstruktion
erreicht wird, durch Anwendung der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise gelöst,
und zusätzlich werden noch ungleiche Spannungen, die bei der Herstellung eines Domes,
wie bei 59 angedeutet, auftreten, ausgeglichen, wodurch die Wirkung und Lebensdauer
des Thermostaten verlängert werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nun dieser
zusätzliche Widerstand ohne weiteres in bestimmten begrenzten Stellen, die örtlichen
Kühlwirkungen ausgesetzt sind und oft als Wärmelöcher bezeichnet werden, erreicht
werden kann, wodurch ungewöhnlich niedrige Betriebstemperaturen in derartigen Teilen
verhütet werden.
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Die Ätzung kann auch auf beiden Seiten des Bimetallstreifens, und
zwar mit gleicher oder verschiedener Musterung durchgeführt werden, beispielsweise
dadurch, daß die Ätzung teilweise von verschiedenen Seiten her oder auch ganz durch
den Bimetallstreifen hindurch erfolgt. Ferner können die verschiedenartigsten Muster
auf irgendwelchen Teilstücken den Stirnseiten des Bimetallstreifens angeordnet werden,
gleichgültig, ob diese Teile verformt sind oder nicht. Ferner kann die Erfindung
sowohl bei Bimetallstreifen verwendet werden, die als Thermostaten mit Kriechwirkung
oder Schnappwirkung arbeiten.
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Zwar wurde bereits oben darauf hingewiesen, daß die durch die Erfindung
erzielte Form von der verschieden ist, die durch Aufrauhen oder Abnehmen der Oberflächen
durch gewöhnliches Sandstrahlen erreicht wird, doch sei bemerkt, daß die neuartigen
Formen auch durch andere Verfahren hergestellt werden können, beispielsweise durch
mechanisches Stanzen, durch flüssiges Honen oder Strahlen durch ein Abdeckgitter
od. dgl. hindurch, doch wird die Herstellung durch Atzen bevorzugt.
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Auf jeden Fall sind die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten,
den Widerstand erhöhenden Ausnehmungen in der Form von Löchern in einer gitterartigen
höheren Oberfläche, wobei alle Teilstücke der höheren Oberfläche ununterbrochen
miteinander verbunden sind und durch diese Teile der Strom hindurchfließen kann.
Bei Verfahren wie bei dem üblichen Sandstrahlen ohne Verwendung eines Abdeckgitters
ergibt sich eine zusammenhängende, flächenartige Ausnehmung, die angehobene Inseln
umgibt. Dieser Unterschied ist wichtig, wenn nur der elektrische Widerstand, nicht
jedoch die Arbeitsmerkmale im Thermostaten verändert werden sollen.
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Eine sich geometrisch wiederholende, regelmäßige Musterung stellt
deswegen einen Vorteil dar, weil hierdurch die rechnungsmäßige Festlegung erleichtert
wird und die gewünschten Widerstände bei den erfindungsgemäßen Streifen einfacher
vorherzubestimmen sind.
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Patentansprüche: 1. Blattförmiges, bimetallartiges, mindestens teilweise
den Strom leitendes Thermo-Schaltglied, insbesondere Bimetallschnappscheibe, mit
Aussparungen innerhalb seiner glatten Umrandung, welche seinen elektrischen und
mechanischen Widerstand bestimmen, d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß
ein Oberflächenbereich mindestens einer Seite des Thermogliedes durch zahlreiche
Löcher oder mehr oder weniger tiefe Ausnehmungen wie ein feinmaschiges Gitterwerk
ausgebildet ist, so daß die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische
Festigkeit in jedem verhältnismäßig kleinen, gitterartigen Teilbereich vergleichmäßigt
sind.