DE2462264A1

DE2462264A1 - Auf waermeeinwirkung ansprechendes ventil

Info

Publication number: DE2462264A1
Application number: DE19742462264
Authority: DE
Inventors: Jun John Doherty
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-12-17
Publication date: 1976-08-26
Also published as: CA1019710A; FR2255527A1; DE2462264C2; BR7410645D0; DE2459644B2; DE7441958U; JPS5095818A; JPS6039914B2; SE7416064L; DE2459644A1; US3856259A; FR2255527B1; SE410761B; GB1457680A; IT1024452B

Description

	Patentanwälte	Dipl.-lng. G. Leiser	2462264
Dipl.-lng. E. Prinz	Dipl.-Chem. Dr. G. Häuser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60	13.April 1976

Texas Instruments Inc.

Unser Zeichen: T 1994

Auf Wärmeeinwirkung ansprechendes Ventil (Ausscheidung aus P 24 59 644.9-12)

Die Erfindung bezieht sich auf ein auf Wärmeeinwirkung ansprechendes Ventil mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, einem zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung liegenden Ventilsitz, der mittels einer mit ihm in Eingriff bringbaren Absperrvorrichtung verschließbar ist, und einer die Absperrvorrichtung betätigenden thermostatischen Bimetallplatte, die abhängig von Temperaturänderungen ihre Krümmung zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung ändert.

Bei einem solchen auf Wärmeeinwirkung ansprechenden Ventil ist es erwünscht, daß das Ventil möglichst schnell auf die Wärmeeinwirkung anspricht und den von ihm gesteuerten Strömungsweg öffnet oder schließt. Dazu ist es erforderlich, die Bimetallplatte des Ventils möglichst schnell auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, bei der der Übergang von einer Stellung in die andere stattfindet. Sobald dieser Übergang stattgefunden hat, ist die starke Wärmezufuhr zur

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Bimetallplatte jedoch unerwünscht, da sie zu einer Überhitzung des Ventils führen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß es schnell betätigt werden kann, ohne daß die zur schnellen Betätigung erforderliche starke Wärmezufuhr nach dem Betätigungsvorgang beibehalten werden muß.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Erwärmung, der Bimetallplatte ein Heizelement vorgesehen ist, das die Bimetallplatte im erregten Zustand so erwärmt, daß diese in ihre zweite Stellung übergeht,, und daß das Heizelement aus PTC-Material besteht, das unterhalb der Temperatur, bei der die Bimetallplatte von der ersten Stellung in die zweite Stellung übergeht, einen ersten,niederohmigen Zustand aufweist, in dem es bei Erregung große Wärmemengen abgibt, und das über dieser Temperatur einen zweiten, hochohmigen Zustand aufweist, in dem es eine zum Halten der Bimetallplatte in der betätigten Stellung ausreichende Wärmemenge abgibt.

Beim erfindungsgemäßen Ventil wird dem zur Betätigung der Bimetallplatte vorgesehenen Heizelement auf Grund seines anfänglichen niedrigen Widerstandes bei Betätigung ein hoher Strom zugeführt, der zur Abgabe einer hohen Wärmemenge führt. Die Abgabe dieser hohen Wärmemenge bewirkt ein schnelles Ansprechen der Bimetallplatte. Auf Grund des für das Heizelement verwendeten PTC-Materials nimmt der Heizelementwiderstand mit dem Temperaturanstieg ebenfalls zu, so daß der durch das Heizelement fliessende Strom abnimmt. Das Heizelement erreicht dann eine stabile Temperatur mit geringerer Wärmeabgabe, die gerade ausreicht," um die Bimetallplatte in der betätigten Stellung zu halten.

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Es ist zu erkennen, daß dieses Ventil nur im Betätigungszeitpunkt eine hohe Stromaufnahme und eine damit verbundene Abgabe einer großen Wärmemenge zeigt, während nach der Betätigung die Stromaufnahme und die Wärmeabgabe abnehmen. Die Gefahr einer Überhitzung des Ventils im betätigten Zustand besteht daher nicht mehr.

Vorzugsweise ist das Ventil so ausgebildet, daß die Bimetallplatte eine Scheibe ist, bei der die sich bei Erwärmung stärker ausdehnende Seite von der Auslaßöffnung abgewandt ist, so daß sie beim übergang aus ihrer zweiten Stellung in ihre erste Stellung die Absperrvorrichtung mit aeitlicher Verzögerung nach Erregen des Heizelements in Anlage an den Ventilsitz bringt.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils besteht darin, daß die Bimetallplatte eine Scheibe ist, bei der die sich bei Erwärmung stärker ausdehnende Seite zur Auslaßöffnung hin gewandt ist, so daß sie nach Erregen des Heizelements beim Übergang aus ihrer ersten Stellung in die zweite Stellung die Absperrvorrichtung vom Ventilsitz abhebt und nach Abschalten des Heizelements mit zeitlicher Verzögerung wieder in Anlage an den Ventilsitz bringt.

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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Ventils mit einer von einer Scheibe gebildeten thermostatischen Bimetallplatte in einer ersten Stellung, in der die Verbindung zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung gesperrt ist,

Fig.2 einen ähnlichen Schnitt wie in Fig.1, bei dem die Scheibe in einer zweiten, vom Ventilsitz gelösten Stellung dargestellt ist,

Fig.3 einen Horizontalschnitt längs der Linie 3-3 von Fig.1, wobei der Deutlichkeit halber einige Teile weggelassen sind,

Fig.4 einen vergrößerten Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig.5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitverzögerten Arbeitsweise des Ventils in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.

In der Zeichnung ist ein Ventil 1 dargestellt, das eine vorzugsweise aus einem elektrisch· leitenden und wärmeleitenden Metall bestehende Kapsel 3 enthält, die in einer Stirnfläche (beispielsweise in der unteren Stirnfläche nach den Ansichten von Fig.1 und Fig.2) eine oder mehrere Einlaßöffnungen 5 und in der anderen Stirnfläche eine Auslaßöffnung 7 aufweist, wobei innerhalb der Kapsel

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eine (in Pig.2 durch Pfeile angegebene) Verbindung
zwischen den Öffnungen "besteht. An der Auslaßöffnung 7 ist ein Ventilsitz 9 geformt. Innerhalb der Kapsel ist eine Absperrvorrichtung 11 vorgesehen, die mit dem Ventilsitz 9 in Eingriff und von diesem wieder gelöst v/erden kann, wodurch die Verbindung zwischen den Eiiilaß- und Auslaßöffnungen wahlweise gesperrt wird. Es ist zu erkennen, daß die Begriffe "Einlaß" und "Auslaß" für
die Öffnungen 5 und 7 für das dargestellte Ventil nur
beispielhaft sind und daß ein Strömungsmittel auch über die Öffnung 7 in das Ventil einströmen und über die Öffnung 5 ausströmen könnte.

Insbesondere enthält die Absperrvorrichtung 11 eine allgemein kreisrunde, schalenförmige, thermostatische Bimetall-Schnappscheibe 13» die abhängig von Temperaturänderungen ihre Krümmung plötzlich zwischen einer ersten geschlossenen Position (nach Fig. 1), in der sie gegen den Ventilsitz 9 gebogen ist und zum Sperren der Verbindung zwischen den Öffnungen 5 und 7 mit dem Ventilsitz in Eingriff steht, und einer zweiten, geöffneten Position (nach Pig. 2) ändert, in der sie vom Ventilsitz
weggebogen ist, damit ein Strömungsmittel zwischen den Öffnungen 5 und 7 fließen kann. Eine Peder- oder Wellenscheibe 15 ist in der Kapsel zwischen einer Stirnfläche (beispielsweise der unteren Stirnfläche) und der Scheibe so angebracht, daß die Scheibe in Eingriff mit dem Ventilsitz 9 vorgespannt wird, wenn sie sich in der geschlossenen Position befindet, so daß eine ausreichende Kraft auf sie ausgeübt wird, um sie dicht gegen den Ventilsitz zu halten.

Das Ventil 1 enthält ferner ein elektrisches Heizelement 17, vorzugsweise ein Heizelement mit Selbstregelung, das in einer Wärmeaustauschbeziehung mit der Einlaßfläche

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der Kapsel 3 verbunden ist, so daß das Heizelement, wenn es elektrisch erregt wird, die Scheibe 13 auf eine vorbestimmte Umschnapptemperatur erwärmt, bei der__ sie ihre Krümmung schnell von einer Position in die andere umkehrt. Das Heizelement 17 besteht aus einem pillen- oder scheibenförmigen Element aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, vorzugsweise einem Material mit einem steilen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Material) wie-gewisse dotierte Bariuratitanate. Der Widerstand dieses Materials zeigt über einer Schwellentemperatur innerhalb eines relativ schmalen Temperaturbereichs einen scharfen Anstieg. Im Hinblick auf Einzelheiten über PTC-Heizelemente sei hier auf die US-PS 3489976 Bezug genommen.

Die Kapsel 3 hat eine allgemein zylindrische Form, und sie v/eist einen ersten kappenförmigen Abschnitt 15 aus Messing oder einem anderen geeigneten Material und einen Deckel 21 auf. Der Abschnitt 19 ist mit einer zylindrischen Ausnehmung 23 zur Aufnahme der Schnappscheibe 13 und einer Wellenfederscheibe 15 ausgestattet; die Einlaßöffnungen sind dabei im Boden dieser Ausnehmung angebracht. Wie in Pig. 1 bis 3 dargestellt ist, ist in der Mitte des Deckels 21 ein Loch 24 angebracht, das die Auslaßöffnung 7 bildet; ferner ist ein von Schultern 25 gebildeter Umfangssteg vorgesehen, der nach innen in die Ausnehmung 23 ragt und als ein im Abstand vom Umfang der Schnappscheibe 13 liegendes Widerlager dient, wenn sich die Scheibe in ihrer ersten, geschlossenen. Position (Pig. 1) befindet und gegen das die Scheibenränder wirken, wenn diese über eine Mittellage umschnappt, damit sie sich in ihre zweite, geöffnete Position bewegt. Der Durchme'sser der Scheibe 13 ist geringfügig größer, als der Durchmesser der Ausnehmung 23, und nach Fig. 3 sind die Schultern 25 mit Kerben 27 versehen, damit Strömungswege von den Öffnungen 5 zu den Öffnungen

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gebildet werden (siehe Pfeile in Fig. 2). Der Deckel
21 ist allgemein flach, und er ist dicht an dem kappenförmigen Abschnitt 19 befestigt, in dem ein Teil des
Abschnitts 19 um die Außenränder des Deckels zur Bildung eines Flansches 28 umgebogen ist.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird der Ventilsitz von einem das Loch 24 umgebenden kreisförmigen
Rücken 29 an der Unterseite des Deckels 21 gebildet,
und die Absperrvorrichtung 11 enthält ein elastisches flexibles rundes Polster 30 aus einem geeigneten, geringfügig elastischen Material, wie synthetischem Gummi, das an die Auslaßöffnung 9 angrenzend an der Fläche der Scheibe 13 befestigt ist. Das Polster wird mit Hilfe eines Knopfs 31 an der Scheibe 13 an seiner Stelle gehalten, der direh ein Loch 32 in der Scheibe 13 einschiebbar ist. Dieser Knopf ist einteilig mit dem Polster verbunden, und er kann zunächst mit einer (nicht dargestellten) länglichen Lasche versehen sein, die einfach durch das Loch 32 gesteckt und dann so gedehnt
werden kann, daß der Knopf 31 durch das Loch gezogen wird. Nachdem der Knopf durch das Loch 32 geschoben worden ist, kann die Lasche von dem Knopf abgeschnitten werden. .

Eine andere Ausführüngsform der Absperrvorrichtung 11 ist in Fig. 4 dargestellt, wo eine Öse 33 aus federndem elastischen Material, beispielsweise einem geeigneten künstlichem oder natürlichem Elastomer in das Loch 24 im Deckel 21 geschoben ist. Eine Fläche 34 dieser Öse dient als Ventilsitz. Die Schnappscheibe 13a kann mit der Ösenfläche 34 in Eingriff gebracht werden, wenn sich die Scheibe in ihrer ersten, geschlossenen Position befindet, wodurch die Verbindung durch die Kapsel gesperrt wird.

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Die Kapsel 3 ist zweckmäßigerweise in einem von vielen Gehäusen 35 zum Anschluß an ein Stromungsmittelsystem angebracht. Insbesondere enthält das Gehäuse 35 zwei gleiche Gehäusehälften 37a, 37b, die vorzugsweise aus einem isolierenden Material (beispielsweise Kunstharz) bestehen. Jede Gehäusehälfte 37a, 37b ist mit einer entsprechenden Ausnehmung 39a bzw. 39b zur Aufnahme eines Abschnitts der Kapsel 3 sowie mit einem Anschlußstutzen 41a bzw. 41b zum Anschließen an eine Strömungsmittelquelle oder an andere Bestandteile eines Strömungsmittelsystems versehen. Jede Gehäusehälfte enthält einen Außenflansch 43a bzw. 43b, die abdichtend mit dem Plansch 28 der Kapsel 3 in Eingriff gebracht werden können. Somit kann ein Strömungsmittel (beispielsweise Luft) nur von der Ausnehmung in einer der Gehäusehälften in die Ausnehmung in der anderen Gehäusehälfte über die Öffnungen 5 und 7 der Kapsel 3 strömen. Jede Gehäusehälfte ist mit einer elektrischen Anschlußklemme 45a bzw. 45b versehen, die mit Hilfe von Nieten 49a, 49b daran befestigt sind, wobei ein Kontaktarm 47b in der Ausnehmung 39b auf das Heizelement 17 und ein Kontaktarm 47a in der Ausnehmung 39a auf den Deckel 23 einwirken kann, wodurch ein elektrischer Stromkreis zur Erregung des Heizelements 17 geschlossen wird. Wenn die Gehäusehälften 37a, 37b zusammengefügt und die Kapsel in den Ausnehmungen 39a, 39b aufgenommen ist, befindet sich der kappenförmige Abschnitt 19 in der Ausnehmung 39b, die eine mit der Einlaßöffnung 35 in Verbindung stehende Einlaßdurchführung bildet, während der Deckel 23 von der Ausnehmung 39a aufgenommen ist, der eine mit der Auslaßöffnung 7 in Verbindung stehende Auslaßdurchführung bildet. Natürlich kann die Kapsel 3 in den gleichen Gehäusehälften auch in umgekehrter Position angebracht sein.

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Die Schnappscheibe 13 ist eine thermostatisehe Bimetallscheibe, die plötzlich über eine Mittellage aus ihrer in Fig. 2 dargestellten Krümmungsposition in ihre in Fig. 1 dargestellte Krümmungsposition umschnappen kann, wenn sie auf eine vorbestimmte hohe Temperatur (d.h. ihre A_uslösetemperatür) erwärmt wird. Die Scheibe 13 enthält zv/ei Metallschichten, die Rücken an Rücken miteinander verklebt sind, wobei eine der Schichten einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten' als die andere hat. Wie .in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Schicht mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf der vom Ventilsitz 9 abgewendeten Seite angebracht sein, so daß das Ventil dann, wenn die Scheibe auf Zimmertemperatur ist, normalerweise geschlossen ist, während sie nach Erregung des Heizelements 17 zu ihrer Erwärmung auf ihre Auslösetemperatur über eine Mittellage zum Öffnen des Ventils umschnappt. Die Scheibe bleibt geöffnet, solange sie eine über ihrer Rückstelltemperatur liegende Temperatur hat (d.h. eine Temperatur, bei der sie in ihre geschlossene Position zurückkehrt). Als andere Möglichkeit kann die Schicht mit der höheren Wärmeausdehnung auf der gegen den Ventilsitz 9 gerichteten Seite der Scheibe 13 angebracht sein, so daß das Ventil dann, wenn die Scheibe eine unter ihrer Auslösetemperatur liegende Temperatur hat, normalerweise geöffnet ist, während die Scheibe 13 nach einer Erregung des Heizelements 17 über eine Mittellage zum Sperren der Verbindung zwischen den Öffnungen 5 und 7 umschnappt.

Wie oben bereits-erwähnt wurde, ist das Heizelement 17 vorzugsweise ein PTC-Heizelement mit Selbstregelung mit einem ersten niederohmigen, stark wärmeerzeugenden Zustand unterhalb einer gewissen Temperatur und einem zweiten hochohmigen, wenig wärmeerzeugenden Zustand bei Temperaturen über der zuerst genannten Temperatur. Nach

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einer Erregung des PTC-Heizelements 17 steigt somit seine Temperatur schnell an, während es sich in seinem ersten, wärmeerzeugenden Zustand befindet, wodurch eine rasche Erwärmung der Scheibe 13 auf ihre Auslösetemperatur bewirkt wird. Nachdem das Heizelement seine Auslösetemperatur erreicht hat, steigt sein Widerstand bis zu dem Punkt an, an dem es relativ wenig Wärme erzeugt. Auf diese Wgise stabilisiert sich das Heizelement in einem Ausgleichszustand. Die Auslösetemperatur der Scheibe liegt so, daß die Scheibe auf ihre Umschnapptemperatur erwärmt wird, während sich das Heizelement in seinem stark Wärmeerzeugenden Zustand befindet, und nach dem Umschnappen der Scheibe durch die Mittellage geht das Heizelement in seinen wenig wärmeerzeugenden Zustand über, bei dem die Temperatur der Scheibe über ihrer Rückstelltemperatur gehalten wird.

Das Ventil 1 kann auf diese Weise als Zeitverzögerungsventil arbeiten, bei dem zwischen dem Einschalten (oder dem Abschalten) des Heizelements 17 und der Betätigung der Scheibe 13 zum Öffnen oder Sperren der Verbindung zwischen den Öffnungen 5 und 7 ein Zeitverzögerungsintervall auftritt. Das tatsächliche Zeitverzögerungsintervall des Ventils 1 hängt von mehreren Punktionen und Bedingungen ab, etwa von den Erwärmungseigenschaften des Heizelements 17, von den dem Heizelement zugeführten Strom- und Spannungswerten, von den Umgebungstemperaturbedingungen, von der Wärmeübertragung vom Heizelement zur Scheibe 13 und von der Erwärmungs- oder A^kühlwirkung des die Kapsel 3 durchfließenden Strömungamittels*

Bei einem Ventil 1 mit einer Scheibe 13, die sich bei Zimmertemperatur in ihrer zweiten, vom Ventilsits 9 gelösten Position (nach Fig. 2) befindet, und die bei einer vorbestimmten erhöhten Auslösetemperatur plötzlich über

eine Mittellage umschnappen kann, tritt zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Heizelement 17 eingeschaltet wird und dem Zeitpunkt, an dem die Scheibe 13 ihre Auslösetemperatur erreicht, eine erste Zeitverzögerung auf. Eine zweite Zeitverzögerung tritt zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Heizelement 17 abgeschaltet wird, und dem Zeitpunkt, ^an dem sich die Scheibe 13 unter ihre Rückstelltemperatur abkühlt, auf; jede der erwähnten Zeitverzögerungen hängt von den Umgebungstemperaturbedingungen ab.

Bei einem Ventil, das seine Scheibe auf ihre Auslösetemperatur zum Sperren der Auslaßöffnung 7 erwärmen kann und bei dem das Heizelement gegebene Eigenschaften aufweist und mit einer konstanten Spannung versorgt wird, kann sich beispielsweise die zum Erwärmen der Scheibe auf. ihre Auslöse temperatur erforderliche Zeit entsprechend der Kurve von Fig. 5 mit der Umgebungstemperatur ändern. Es ist zuerkennen, daß die Scheibe bei einer Umgebungstemperatur von 21⁰C (7O⁰I¹) ihre Auslösetemperatur fast augenblicklich erreicht, während sie bei - 18 C (0 F) etwa 25 Sekunden braucht, bis sie sich auf ihre Auslösetemperatür erwärmt. Ferner ist zu erkennen, daß das hier beschriebene Ventil 1 so betrieben werden kann, daß es auf das Abschalten des Heizelements 17 verzögert anspricht, wodurch sich die auf eine vorbestimmte Temperatur stabilisierte Scheibe in einer Zeit auf ihre Rückstelltemperatur abkühlt, die von den Umgebungstemperaturbedingungen abhängt. Die Scheibe 13 kann auch auf einer geringfügig über ihrer Rückstelltemperatur liegenden Temperatur in ihrer geöffneten Position (nach Fig. 2) gehalten werden, worauf eine Zunahme der Luftströmung durch das Ventil eine Abkühlung der Scheibe unter ihre Rückstelltemperatur und somit ein Schließen des Ventils bewirkt. Das hier beschriebene Ventil dient somit dazu, eine Kühlwirkung oder eine Änderung der Umgebungstemperatur festzustellen und darauf anzusprechen.

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Ferner eignet sich das Ventil besonders für eine elektrische Betätigung ν-on. einem entfernten Ort aus.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind keinesfalls in einschränkendem Sinne zu verstehen,
es ist vielmehr für den !Fachmann zu erkennen, daß im Rahmen der Erfindung auch weitere Abv/andlungen möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

Auf Wärmeeinwirkung ansprechendes Ventil mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, einem zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung liegenden Ventilsitz, der mittels einer mit ihm in Eingriff bringbaren Absperrvorrichtung verschließbar ist, einer die Absperrvorrichtung betätigenden thermostatischen Bimetallplatte, die abhängig von Temperaturänderungen ihre Krümmung zwischen einer ersten Stellung und einer-zweiten Stellung ändert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung der Bimetallplatte (13) ein Heizelement (17) vorgesehen ist, das die Bimetallplatte im erregten Zustand so erwärmt, daß diese in ihre zweite Stellung übergeht, und daß das Heizelement aus PTC-Material besteht, das unterhalb der Temperatur, bei der die Bimetallplatte (13) von der ersten Stellung in die zweite Stellung übergeht, einen ersten, niederohmigen Zustand aufweist, in dem es bei Erregung große Wärmemengen abgibt, und das über dieser Temperatur einen zweiten, hochohmigenZustand aufweist, in dem es eime zum Halten der Bimetallplatte in der betätigten Stellung ausreichende Wärmemenge abgibt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimetallplatte eine Scheibe (13) ist, bei der die sich bei Erwärmung stärker ausdehnende Seite von der Auslaßöffnung abgewandt· ist, so daß sie beim Übergang aus ihrer zweiten Stellung in ihre erste Stellung die Absperrvorrichtung mit zeitlicher Verzögerung nach Erregen des Heizelements in Anlage an den Ventilsitz bringt.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimetallplatte eine Scheibe ist, bei der die sich bei Erwärmung stärker ausdehnende Seite zur Auslaßöffnung hin gewandt ist, so daß sie nach Erregen des Heizelements

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beim Übergang aus ihrer ersten Stellung in die zweite Stellung die Absperrvorrichtung vom Ventilsitz abhebt und nach Abschalten des Heizelements mit zeitlicher Verzögerung wieder in Anlage an den Ventilsitz bringt.

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