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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmereglervorrichtung für Heizanwendungen im Haushalt, insbesondere für Wasserspeichererhitzer, speziell solche mit elektrischer Stromversorgung, zur Verfügung zu stellen.
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Genauer gesagt beschreibt die vorliegende Erfindung eine Kontroll-, Regel- und Sicherheitsvorrichtung für solche elektrischen Wasserspeichererhitzer, die die Kontroll- und Regelfunktionen eines elektronischen Systems in einer einzigen, kompakten Vorrichtung mit den Sicherheitsmoden eines elektro-mechanischen Systems integriert.
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In früheren durch dieselbe anmeldende Gesellschaft (oder Gesellschaften, die zur selben Unternehmensgruppe gehören) eingereichten Patenten wie die vorliegende Anmeldung wurden bereits geeignete Konstruktionslösungen zur Verbesserung der Bedienung von in elektrischen Wasserspeichererhitzern verwendeten Thermostaten und Thermoprotektoren beschrieben.
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Für eine ausführliche Beschreibung des Stands der Technik in diesem Gebiet verweisen wir auf die
EP 0651412 und die
EP 1652017 ; hier genügt es, zusammenfassend zu bemerken, dass die elektrischen Wasserspeichererhitzer zwei Arten von Thermostaten zur Kontrolle der Temperatur des Wassers in dem Speicherbehälter enthalten, die üblicherweise in einer einzigen Vorrichtung integriert sind: erstens einen Regelthermostat (wärmeregulierender Thermostat), der geeignet ist, die Wassererhitzertemperatur auf dem durch den Hersteller und/oder den Benutzer festgelegten Wert zu halten, und zweitens einen hitzeschützenden Thermostat, der geeignet ist, die Stromversorgung zu den elektrischen Widerstanden abzuschalten, sobald eine Grenztemperatur erreicht ist.
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In dieser Art von Wassererhitzungsvorrichtungen ist die Verwendung eines wärmeempfindlichen Elements weit verbreitet, welches in den Speicherbehälter hineinragt und aus einer wärmeausdehnenden Röhre, im Allgemeinen aus Messing, besteht, in der ein Bolzen mit einer niedrigen Wärmeausdehnung, im Allgemeinen aus INVAR, koaxial angeordnet ist (nachfolgend wird das Begriffspaar „wärmeausdehnende Röhre/Bolzen niedriger Wärmeausdehnung” als „Röhre und Bolzen Stellglied” bezeichnet). Wenn die Wassertemperatur im Speicher steigt, dehnt sich die Messingröhre aus und zieht an dem an ihr äußerstes Ende gebundenen INVAR Bolzen. Dieser Bolzen verrichtet daher die Wirkung eines mechanischen Stellglieds auf die Kontakte innerhalb des Thermostats, nämlich das Abschalten bzw. Wiederherstellen der Stromversorgung zu den elektrischen Widerständen.
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Die einfachsten und renommiertesten Versionen sorgen dafür, dass das Röhre und Bolzen Stellglied als Sensor und Stellglied ausschließlich für die Thermoregulierung dient, auf Grund der Tatsache, dass ein Mikroschalter mit monostabiler, elastischer Platte dadurch so bedient wird, dass aufeinanderfolgendes Öffnen/Schließen der Kontakte für die elektrische Stromversorgung der Heizelemente verursacht wird. Andererseits wird die Hitzeschutzfunktion durch ein Stellglied aus einem bekannten bistabilen wärmeempfindlichen bimetallenen Element (für gewöhnlich „Clickson” genannt) ausgeübt, welches innerhalb des Thermostatgehäuses ausreichend nah an der wärmeausdehnenden Röhre des Röhre und Bolzen Stellglieds angeordnet ist, so dass seine Temperatur durch dieselbe wärmeausdehnende Röhre, die als passiver Wärmeleiter dient, stark durch die Temperatur des Wassererhitzers beeinflusst wird. Wenn die von dem Clickson erreichte Temperatur einen Sicherheitswert übersteigt, löst es unumkehrbar ein Öffnen von elektrischen Kontakten aus.
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Andererseits basiert in der oben genannten
EP 0651412 neben der wärmeregulierenden auch die Hitzeschutzfunktion auf dem Röhre und Bolzen Stellglied. Gemäß diesem Dokument wirkt das Röhre und Bolzen Stellglied auch auf eine bistabile, bimetallene Scheibe, die in der Lage ist, unter der Einwirkung des Bolzens die Konvexität ihrer Konkavität in einer nicht-reversiblen Weise umzukehren, wenn eine Grenztemperatur erreicht wird, um das Öffnen der Kontakte und das Versetzen des Wassererhitzers in einen sicheren Zustand zu verursachen.
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Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist das Dokument
GB 2339475 , welches eine Röhren und Bolzen temperaturbegrenzende Vorrichtung beschreibt: darin wird ein Temperatursensor zum Ermitteln der Temperatur der Herdplatte eines Kochfeldes betrachtet, wobei der Temperatursensor aus einem auf die Außenseite der Röhre im Siebdruck gedruckten Thermistor besteht. Ein solcher Thermistor muss jedoch notwendigerweise mit weiteren Mitteln versehen sein, um seine Anschlüsse mit dem Schaltkreis zu verknüpfen, der die von ihm eingefangenen Signale auswerten kann.
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Eine ähnliche Lehre mit denselben Nachteilen ist in der
US 2002/0089406 vorhanden, welche einen Temperaturregler/-begrenzer beschreibt, dessen Widerstand durch eine im Siebdruck auf sein Basiselement angebrachte Widerstandspaste gebildet werden kann.
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Die oben genannte
EP 1652017 wiederum beschreibt einen vollständig elektronischen wärmeregulierenden und hitzeschützenden Thermostat.
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Ein weiteres Dokument aus dem Stand der Technik, das ein vollständig elektronisches Wärmeregulierungs- und Hitzeschutz-Kontrollsystem vorsieht, ist die
US 6246831 , dessen Ausführung eines Durchflusserhitzers (genauer, eines verzögerungsfreien Wassererhitzers) mehrere Temperatursensoren zur Durchführung der Wärmeregulierungsfunktion unterstützt. Jedoch besteht in diesem Kontrollsystem das zur Unterstützung der Temperatursensoren geeignete Element aus dem gesamten Korpus des verzögerungsfreien Wassererhitzers, ist also erheblich sperriger als nur eine längliche Röhre.
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Tatsächlich ist entsprechend früherer Techniken der Mikroprozessor von elektronischen Thermostaten mit den relevanten Temperatursensoren auf einer sehr schmalen und länglichen Platine mit ähnlichen Außenabmessungen wie das Röhren und Bolzen Stellglied erhältlich, so dass es leicht anstelle des „wärmeausdehnende Röhre/Bolzen niedriger Wärmeausdehnung” Paares in dieselbe Ummantelung platziert werden kann.
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Die Verwendung von Elektronik und entsprechenden elektronischen Sensoren (i. A. NTC) erlaubt eine Einstellgenauigkeit, die nicht mit den elektro-mechanischen Thermostaten erreicht werden kann und bietet die Möglichkeit, eine Reihe von Funktionen des Wassererhitzers (bspw. Temperaturen, Lernen der Verwendungsart, u. a.) zu verwalten, was seine Energieeffizienz erheblich verbessert.
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Wie dem auch sei, neben den höheren Kosten für eine voll elektronische Vorrichtung hat die durch eine zuvor beschriebene elektro-mechanische Vorrichtung ausgeübte Hitzeschutzfunktion ein ausgezeichnetes Maß an Verlässlichkeit und hält alle Sicherheitsanforderungen der geltenden Vorschriften ein.
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Daher ist es sicher vorteilhaft, die sich aus einer elektro-mechanischen Sicherheitsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik ergebenden wirtschaftlichen und betrieblichen Vorteile nicht wegzuwerfen, aber es ist auch angemessen, die durch die elektronischen Mittel einer elektronischen Regulierungsvorrichtung gewährten Vorteile zu nutzen.
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Jedenfalls ist es unmöglich, sowohl die Platine eines elektronischen Thermoregulators als auch das Röhren und Bolzen Stellglied eines elektro-mechanischen Thermoprotektors innerhalb derselben Ummantelung mit den derzeitigen Abmessungen zu platzieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einzelne und kompakte Regelvorrichtung bereitzustellen, die sich als elektronischer Thermoregulator und elektro-mechanischer Thermoprotektor in einem elektrischen Wasserspeichererhitzer eignet, und somit die Verlässlichkeit eines elektro-mechanischen Systems mit der Einstellgenauigkeit und Verwaltungsflexibilität eines elektronischen Systems zu verbinden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zu ermöglichen, dass alle Temperatursensoren einer solchen Vorrichtung in den Ummantelungen derzeitiger Abmessungen platziert werden, die zur Zeit für die alternative Platzierung von entweder der Platine eines elektronischen Thermoregulators oder dem Röhren und Bolzen Stellglied bereitgestellt werden.
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Diese und andere Aufgaben, welche sich hier nachfolgend klar ergeben, werden mit der in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen, welche einen integralen Bestandteil der Beschreibung selbst darstellen, veranschaulichten Vorrichtung gelöst.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sollen durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Einklang mit den Patentansprüchen besser hervorgehoben werden und durch die beigefügten Figuren veranschaulicht werden. Die Figuren sind als Veranschaulichung und zu nicht beschränkenden Zwecken aufzufassen, wobei:
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1 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß einer ersten Fassung der Erfindung zeigt;
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2 eine detaillierte Ansicht der Darstellung in 1 zeigt;
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3 das Innere der Vorrichtung gemäß einer zweiten Fassung der Erfindung zeigt;
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4 eine Explosionsdarstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
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5 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß einer durch die Erfindung bereitgestellten, nützlichen Möglichkeit zeigt;
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6 das Innere der Vorrichtung gemäß einer weiteren durch die Erfindung bereitgestellten Möglichkeit zeigt.
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Die Lehren der Erfindung sind besonders nützlich, um die Fertigung und den Einbau eines Thermostats mit elektronischer Wärmeregulierung und elektro-mechanischem Hitzeschutz in einem Wassererhitzer zu ermöglichen.
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Die Lehren der Erfindung sind ferner nützlich, um die Fertigung eines Thermostats mit elektronischer Wärmeregulierung und elektro-mechanischem Hitzeschutz zu ermöglichen. Die Merkmale der Erfindung werden nun unter Verwendung der Bezugszeichen in den Figuren beschrieben.
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In 1 weist Bezugszeichen 1 im Ganzen auf die Vorrichtung hin, die geeignet ist, um wenigstens die Wärmeregulierungs- und die Hitzeschutzfunktionen zu verrichten, insbesondere eines elektrischen Wasserspeichererhitzers. Nachfolgend soll Vorrichtung 1 im Allgemeinen mit dem Begriff „Thermostat” bezeichnet werden. Es sei auch erwähnt, dass sich jeder dimensionale und räumliche Begriff (wie „unterer”, „oberer”, „unterhalb” und ähnliche) auf die Position gemäß der Darstellung der Vorrichtung in den angehängten Figuren bezieht.
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Der Thermostat 1 umfasst ein Gehäuse 2, das aus einem Fuß 2.1 und einer Abdeckung 2.2 besteht, worin eine elektronische Platine 8 platziert ist (siehe 2, 3, 4 oder 6), auf der unter anderem ein zum Steuern von wenigstens der Wärmeregulierungsfunktion geeigneter Mikroprozessor platziert ist.
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Auf der Oberseite des Fußes 2.1 des Gehäuses 2 versorgen spezielle Flachstecker (oder äquivalente elektrische Verbindungen) einen oder mehrere elektrische Widerstände (nicht in der Figur gezeigt), die zum Erhitzen des im Speicherbehälter enthaltenden Wassers gedacht sind, mit Strom.
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Das Gehäuse 2 enthält – zumindest in den bevorzugten Fassungen der Erfindung – auch die für die Sicherheitsfunktion bestimmten Elemente (nicht in der Figur gezeigt).
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Ein Sondenhalterelement 3 ragt aus dem Fuß 2.1 des Gehäuses 2.
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Wie in 1 gezeigt besteht der Sondenhalter 3 gemäß der Hauptversion der Erfindung aus einer Metallröhre 3, die die für die elektronische Wärmeregulierungsfunktion bestimmten Sonden stützt. Ein solcher Sondenhalter 3 ist jedoch auch ein wesentliches Element der elektro-mechanischen Hitzeschutzfunktion.
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Wenn es sich um eine übliche elektro-mechanische Hitzeschutzfunktion handelt, abgesichert durch ein wärmeempfindliches bimetallenes Element (Clickson), fungiert das Sondenhalterelement 3 als Wärmeleiter, um die Temperatur des Clicksons stark durch die Temperatur des Wassererhitzers zu beeinflussen.
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Wenn die elektro-mechanische Hitzeschutzfunktion jedoch von der in
EP 0651412 beschriebenen Art ist, dann ist das Sondenhalterelement
3 die wärmeausdehnende Röhre des Röhren und Bolzen Stellglieds.
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Wie beschrieben nimmt das Gehäuse 2 des Thermostats 1 nicht nur die durch die Bewegung des Sondenhalterelements 3 betätigten, auslösenden Sicherheitsmittel auf, die zum Öffnen/Schließen der elektrischen Kontakte des die verbindenden Flachstecker 2.6 der Widerstände mit Strom versorgenden Schaltkreises bestimmt sind; es nimmt auch eine elektronische Platine 8 auf, die in der Lage ist, die von speziellen elektronischen Sensoren kommenden Signale zu empfangen und diese dann an den Mikroprozessor weiter zu leiten, mit dem die elektrische Vorrichtung ausgestattet ist.
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Diese elektronischen Sensoren sind mit dem Bezugszeichen 5 angezeigt und auf dem Sondenhalterelement 3 angeordnet. Im Stand der Technik sind solche Sensoren vorzugsweise vom NTC Typ und in unterschiedlicher Anzahl, je nachdem, welche Funktion sie verrichten sollen. Ein einzelner Sensor könnte bereitgestellt sein, aber üblicherweise sind mehr als einer in unterschiedlichen Höhen angeordnet, um das Betätigen verschiedener Zusatzfunktionen oder anderer als die Wärmeregulierung zu ermöglichen, wie das Bestimmen der mittleren Temperatur oder des Energieinhalts des Wassererhitzers. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachfolgend jedenfalls auf die Version mit zwei elektronischen Sensoren 5 Bezug genommen, wie sie in den Figuren gezeigt ist.
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Eines der durch die vorliegende Erfindung gelösten technischen Probleme besteht in der besonderen Ausführung der Leiterbahnen und in den Verbindungsmethoden von Sensoren 5 und solchen Bahnen zur elektronischen Platine 8.
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Alle Versionen haben gemeinsam, dass die elektrischen Leiterbahnen, die die Sensoren 5 mit dem Gehäuse 2 des Thermostaten und/oder direkt mit der elektronischen Platine 8 verbinden, durch Siebdruckverfahren hergestellt werden, eine Drucktechnik, die schon lange verwendet wurde, jedoch nicht auf dem Gebiet der Thermostaten.
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Eine ausführliche Beschreibung der Siebdrucktechnik für Elemente, die in elektronischer Gerätschaft verwendet werden, findet sich in der früheren Anmeldung Nr. 1290381 desselben Anmelders wie das vorliegende Patent, die einen elektrischen Röhrenwiderstand beschreibt, der mit einer äußeren, durch Siebdruck bedruckten Oberfläche versehen ist, d. h. auf welchem eine oder mehrere Schichten eines dielektrischen Materials schrittweise aufgetragen wurden, und einen elektrisch gedruckten Schaltkreis, der durch Anbringen einer leitenden Paste, die einen tatsächlichen Schaltkreis bildet, gewonnen wird.
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1 und 2 zeigen eine erste Version der Erfindung, in der die Leiterbahnen 6 mittels Siebdruckverfahren direkt auf das Sondenhalterelement 3 gedruckt sind an einem Abschnitt, der von den Sensoren 5 zu dem unteren Ende des Sondenhalterelements 3 gehen, welches mit dem Fuß 2.1 des Gehäuses des Thermostats 1 in Verbindung steht.
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Die weitere Verbindung der Leiterbahnen 6 mit der elektronischen Platine 8 wird durch ein leitendes flexibles Element 7 gewährleistet, welches das untere Ende der Bahnen 6 mit einem Anschluss 7.1 der elektronischen Platine 8 verbindet.
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Ein solches leitendes flexibles Element 7 besteht aus einer FPCB („flexible printed circuit board”), d. h. aus einer flexiblen Leiterplatte (auch kurz „Flex” genannt), also einem flexiblen Band, auf welches eine oder mehrere ohmsche Bahnen per Siebdruck gedruckt werden, wodurch eine Leiterbahn ähnlich den Leiterbahnen 6 gewonnen wird.
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Auf diese Weise erreichen die durch die elektronischen Sensoren 5 aufgefangenen Signale die elektronische Platine 8 in dem Gehäuse 2 des Thermostaten 1, um dann geeignet an den Mikroprozessor des Wassererhitzers über einen üblichen Anschluss, der in den Verbindungsstecker 2.3 eingefügt sein kann, weitergeleitet zu werden.
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3 zeigt eine zweite Art von Verbindung zwischen den Sensoren 5 und der elektronischen Platine 8: in diesem Fall endet das Sondenhalterelement 3 nicht in Verbindung mit dem Fuß 2.1 des Gehäuses 2, sondern ragt weiter in selbiges hinein, bis es in direkten Kontakt mit der elektronischen Platine 8 oder, besser, mit einer auf der Platine festgehaltenen Kopplung 8.1 kommt.
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In dieser Version kommen die Leiterbahnen 6, die immer per Siebdruckverfahren auf die Länge des Sondenhalterelements 3 an einem Abschnitt, der von den Sensoren 5 zu dem unteren Ende des Sondenhalterelements 3 geht, in Kontakt mit der Kopplung 8.1, welche technisch aus einem zum Empfangen der von den Leiterbahnen 6 übertragenen elektrischen Signale mittels Kontakt geeigneten Anschluss besteht.
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Daher kommen in einer solchen zweiten Version die Leiterbahnen 6, welche auf dem Sondenhalterelement 3 ausgebildet sind, erheblich in Kontakt mit der elektronischen Platine 8 ohne die Hilfe eines weiteren Verbindungskabels, wie bspw. die Flex 7 der ersten Version, mit dem unveränderten Ergebnis, dass das durch die elektronischen Sensoren 5 eingefangene Signal an die Platine 8 über die per Siebdruck gedruckten Leiterbahnen übertragen wird.
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In jeder dieser Versionen sind die elektronischen Sensoren 5 Standard NTC oder PTC Thermistoren, die mittels Schweißen befestigt oder, im Fall von PTC, auch direkt mittels Siebdruckverfahren gemacht sind, in letzterem Fall vorteilhaft mit derselben Technik wie für die entsprechenden Leiterbahnen 6 verwendet.
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Es sollte beachtet werden, dass der Vorteil der gerade beschriebenen Technologie nützlich ist, um Sondenhalterelemente 3 exklusiv für elektronische Thermostate zu machen.
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Dies ist in den gerade beschriebenen Figuren gezeigt, wobei das Sondenhalterelement 3 immer noch aus einer Röhre bestehen kann, wenn auch nicht notwendigerweise wärmeleitend. Das Sondenhalterelement kann jedoch auch wie in 5 und 6 gezeigt geformt sein.
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In 5 wirkt das Sondenhalterelement 3 als Stütze für einen flachen Riegel 9, auf welchem die elektronischen Sensoren 5 und die Leiterbahnen 6 ausgebildet sind. In diesem Fall bestehen die Leiterbahnen 6 aus demselben, auf dem gesamten Abschnitt des Riegels 9, zwischen den Sensoren 5 bis zu einem unteren Ende davon in Verbindung mit dem Fuß 2.1 des Gehäuses des Thermostaten 1 angebrachten, flexiblen Kabel 7.
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Dasselbe Flex Kabel 7, ohne Unterbrechung mit den Leiterbahnen 6, bleibt auch als verbindendes Element zwischen dem unteren Ende der „Sondenhalterelement 3-Riegel 9” Anordnung und dem Anschluss 7.1 der elektronischen Platine 8.
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6 zeigt eine weiter vereinfachte Version, die hinsichtlich der direkten Verbindung der Leiterbahnen 6 mit der elektronischen Platine 8 mit der in 3 gezeigten Fassung vergleichbar ist, aber hinsichtlich des Stützelements der Sensoren 5 und der Leiterbahnen 6 der Version von 5 ähnelt.
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Tatsächlich fehlt in solchen Anordnungen die Röhre 3 im Sinne des bisher beschriebenen Sondenhalterelements, weil die Sensoren 5 und die entsprechenden Leiterbahnen 6 mittels Siebdruck direkt auf dem flachen Riegel 9 angebracht sind, der mit der elektronischen Platine 8, genauer gesagt mit einer an der Platine befestigten Kopplung 8.1 in Kontakt kommt. Daher fungiert in diesem Fall derselbe flache Riegel 9 als Sondenhalterelement.
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4 zeigt eine Explosionsdarstellung des Thermostaten 1, die ein mögliches Merkmal des oben beschriebenen Thermostaten herausstellt, nämlich dass die Pins 2.4 (die geeignet sind, den Fuß 2.1 des Gehäuses 2 über gegenseitige Löcher 2.5 an die darunterliegende Platine 8 mechanisch zu binden), oder wenigstens einer von ihnen, auch als elektrische Anschlüsse derselben Platine 8 an die elektrischen Widerstände und an das Netzwerk wirken.
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Dieselben Pins 2.4 haben auch die Funktion von Abstandhaltern zwischen der elektronischen Platine 8 und dem Fuß 2.1 des Gehäuses 2, um unerwünschtes Überhitzen der Platine zu verhindern und ausreichend Platz für ihre Komponenten zu schaffen, wie das Regel- und/oder Hitzeschutzrelais 8.2 (dessen Öffnen bzw. Schließen die Stromversorgung zu den Widerständen steuert) und die Sicherungen, die die Kontakte der verschiedenen Relais vor Überspannungen schützen, die das Verkleben derselben verursachen würden.
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Wie man der Beschreibung der vorliegenden Erfindung entnehmen kann, besteht der wesentliche Vorteil des Thermostaten 1 darin, die typischen Sicherheitsmerkmale einer elektro-mechanischen Vorrichtung mit den Regulierungsfähigkeiten einer elektronischen Vorrichtung unter Verwendung der Elemente und Abmessungen eines Standard Bolzenthermostaten in einer einzigen Verkörperung zu kombinieren.
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Diese Besonderheit ist vor allem in der Fassung der Erfindung präsent, in der das Sondenhalterelement 3 durch das Röhren und Bolzen Stellglied verkörpert wird: in diesem Fall ist schon dafür gesorgt, dass das Sondenhalterelement 3 regelmäßig die Hitzeschutzfunktion ausübt, aber ohne zusätzliche Stützelemente bereitstellen zu müssen dient es auch als Stütze für die elektronischen Sensoren 5 und die Leiterbahnen 6, die für die Wärmeregulierungsfunktion verwendet werden.
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Es ist klar, dass für den Fachmann verschiedene Varianten des Thermostaten 1, also des Gegenstands der Erfindung, möglich sind, ohne von dem Neuheitsumfang der erfinderischen Idee abzuweichen, so wie es auch klar ist, dass in der praktischen Ausführung der Erfindung die verschiedenen, oben beschriebenen Komponenten durch technisch äquivalente ersetzt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0651412 [0004, 0007, 0036]
- EP 1652017 [0004, 0010]
- GB 2339475 [0008]
- US 2002/0089406 [0009]
- US 6246831 [0011]
