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Thermisch betätigter Schalter
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Die Erfindung betrifft einen thermisch betätigten Schalter.
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Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit thermisch betätigten Schaltern
einfacher Bauart, die jedoch relativ zuverlässig arbeiten und kostengünstig sind.
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Bei herkömmlichen Schaltern dieser Art ist die Kostruktion auf minimale
Herstellungskosten ausgelegt, was zu Mängeln führt, die bis zu einem Versagen des
Schalters gehen können. Zum Beispiel sind bei herkömmlichen Schaltern Heizelemente
außenseitig aufgewickelt, und/oder es werden Betätigungselemente verwendet, die
einen Wicklungsdorn und/ oder eine Drahtwicklung aufweisen, zu deren Verwirklichung
äußerst schwierig zu beherrschende Drahtgrößen benötigt werden, so daß diese Elemente
auf den Einsatz bei niedrigen Spannungen von insbesondere 120 V begrenzt sind, und
dies
ist oft sogar unerreichbar, so daß zum Erwärmen 24 V oder weniger verwendet werden
müssen.
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Durch die Erfindung wird ein thermisch betätigter Schalter geschaffen,
der neuartige Kenndaten und Fähigkeiten aufweist. Dieser Schalter umfaßt eine auf
Wärme ansprechende Einheit, die eine Umhüllung für eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung
bildet, so daß die Umhüllung von innen aufgewärmt wird. Die Umhüllung enthält ein
auf Wärme ansprechendes Element, das die Form einer flachen Platte aufweist, welche
eine Seite der Umhüllung bildet und sich bei Erwärmung in Längsrichtung ausdehnt.
Beim Abkühlzyklus wird Wärme aus der Einheit abgeleitet, indem sie von dieser nach
außen abfließt, während die Wärmeausbreitung beim Erwärmen innerlich stattfindet.
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Das auf Wärme ansprechende Element ist einem schwenkbar gelagerten
Kurbelhebel so zugeordnet, daß es den kürzeren Arm desselben erfaßt, um den Hebel
zu verdrehen, wenn die auf Wärme ansprechende Einheit sich in Längsrichtung dehnt.
Der Kurbelhebel ist in Eingriff mit einer angelenkten Blattfeder, die ihrerseits
in Berührung mit dem Betätigungselement eines Schalters ist, bei dem es sich um
einen handelsüblichen Mikroschalter handeln kann.
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Der Schalter ist insgesamt von einfacher Bauweise, benötigt eine minimale
Anzahl von Teilen und ist so konstruiert, daß er äußerst klein und miniaturisiert
gebaut werden kann, jedoch seine volle Wirksamkeit behält und bereits durch sehr
niedrige Energien oder Leistungen anspricht.
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Durch die Erfindung wird insbesondere das folgende erreicht:
Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die zeitliche Steuerung, die
Genauigkeit und die Steuerbarkeit verbessert werden, indem eine Trennung zwischen
den Faktoren hergestellt wird, die für die Erwärmung bzw.
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Abkühlung bestimmend sind. Die Erwärmungszeit und die Abkühlzeit in
einem Zyklus werden also getrennt voneinander gesteuert.
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Ferner wird erreicht, daß die elektrische Heizleistung erhalten bleibt,
indem die elektrische Heizeinrichtung im Inneren der auf Wärme ansprechenden aktiven
Einheit angeordnet wird.
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Eine weitere besondere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schalters
besteht darin, daß die Abkühlzeit gesteuert und optimal ausgelegt werden kann, indem
die gesamte Isolierung des Heizelements gegenüber der Abkühl- bzw.
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Wärmeabführungsseite entfernt wird und indem die Masse der verschiedenen
Elemente geeignet ausgelegt wird, die Kühlflächen abgestimmt werden, die Isolierung
verändert wird usw..
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Bei dem erfindungsgemäßen Schalter kann die eingangsseitig erzeugte
Wärme durch eine Spannung gesteuert werden, und zwar derart, daß die gewünschte
Dehnung des Heizelementes erreicht wird.
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Bei dem erfindungsgmäßen Schalter werden Widerstandselemente mit einem
zentralen Kern verwendet, die frei sind von den Mängeln einer Widerstandswicklung
mit äußerlich bewickeltem Kern, so daß eine Anwendung bei praktisch allen vorkommenden
Spannungen möglich ist, z.B. bis zu 480 V oder mehr. Dies wäre mit äußerlich aufgewickelten
Heizelementen bei kleinen Gehäusen unmöglich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schalter wird ein flaches, ausgestanztes
Element verwendet, das sich liniear ausdehnt und so gestaltet ist, daß es einen
Dreh- bzw. Stützpunkt aufweist, um jegliche geschweißten oder hartgelöteten Teile
zu vermeiden und eine absolute Festlegung der Abmessungen vermeiden können.
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Der erfindungsgemäße Schalter enthält ein Element, das sich ohne Verformung
ausdehnt, und weist Eigenschaften hinsichtlich Wärmehaltung und Wärmeableitung auf,
die zu einer praktisch hundertprozentigen Ausnutzung der entwickelten Wärme für
die Ausdehnung füren.
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Das aktive Dehnungselement ist so ausgebildet, daß es eine hohe Steifigkeit
gesitzt und sich trotz einer geringen Masse nicht verformt. Alle Elemente des Schalters
sind so ausgerichtet, daß sie eine gemeinsame Symmetrieebene aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Schalter ist komptakt und einfach aufgebaut;
er weist zwei einfache Seitenplatten auf, die den Schalter halten, wobei diese Platten
längs der Materialebene unter Spannung gesetzt sind und denselben Wärmedehnungskoeffizient
wie das aktive Dehnungsteil aufweisen; vorzugsweise sind sie aus demselben Material
wie dieses hergestellt. Vorzugsweise sind ferner alle Elemente aus rostfreiem Stahl
oder einem anderen Material mit einem hohen Wärmedehnungskoeffizienten.
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Der erfindungsgemäße Schalter zeichnet-sich ferner dadurch aus, daß
die Schaltereinheit geschützt ist und eine Berührung mit heißen Teilen vermieden
wird, so daß keine Verbrennungen vorkommen können.
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Alle arbeitenden Teile des Schalters sind aus demselben Werkstoff,
so daß eine der Konstruktion innewohnende Eigenschaft darin besteht, daß sie gegen
Umgebungstemperaturschwankungen kompensiert ist.
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Der Schalter kann bei hohen Temperaturen arbeiten, besitzt einen starren
Aufbau und ermöglicht eine gedrängte Bauweise.
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Nachdem der Schalter betätigt worden ist, wird die Wärmeentwicklung
an den Heizelementen automatisch abgeschaltet oder vermindert, um eine getrennte
Steuerung der Erwärmung und des Abkühlens zu erleichtern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen
wird. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eineExplosionsansicht einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht der Ausführungsform nach Fig.
1; Fig. 3 und 4 Schnittansichten weiterer Ausführungsformen.
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Der erfindungsgemäße Schalter kann sehr klein ausgebildet werden,
z.B. im Format 37 x 25 mm (1,5 x 1 Zoll).
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Er weist zwei Seitenplatten 10, 11 auf. Diese Teile des Schalters
sind vorzugsweise aus einem Werkstoff, der jeweils denselben Wärmedehnungskoeffizient
aufweist, z.B. rostfreier Stahl. Die Platten sind im Abstand voneinander parallel
gehalten durch Abstandshalter 12 und 14, deren Enden einen verminderten Durchmesser
aufweisen und in Löcher 16, 17 in der Platte 10 sowie 18, 19 in der Platte 11 hineinpassen.
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Die Patten werden durch Schrauben 24, 26 zusammengehalten, die sich
durch Löcher 27 und 28 in der Platte 11 bzw. Löcher 29 und 30 in der Platte 10 hindurcherstrekken
und durch Muttern 32 bzw. 34 gesichert sind.
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Die Schrauben erstrecken sich ferner durch Öffnungen in einem Mikroschalter
40 hindurch, der zwischen den Platten gehalten ist, unter Zwischenfügung von Scheiben
41, 42, 43 und 44.
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Der Mikroschalter kann von irgendeiner herkömmlichen Art sein; er
weist einen Betätigungsknopf 50 auf, wobei es sich um einen Schalter mit Schnappeffekt
handelt, der mit Anschlüssen 51, 52 und 53 versehen ist.
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Das thermisch wirksame Teil des Schalters ist in der Explosionsansicht
in Fig. 1 erkenntlich und ist in Fig. 2 im Schnitt gezeigt. Mit 60 ist ein auf Wärme
ansprechendes Element bezeichnet, das vorzugsweise ein Teil aus rostfreiem Stahl
ist, das als ausgestanztes Einzelteil in der gezeigten Form ausgebildet ist. An
seinem einen Ende weist es eine ausgestanzte Ausnehmung auf, die mit 62 bezeichnet
ist und einem später zu erläuternden Zweck dient. An seinem anderen Ende weist es
zwei abstehende Laschen auf, von denen eine mit 64 bezeichnet ist und geeignet ist,
in rechtwinkligen Öffnungen 66 und 68 in den Platten 10 und 11 Aufnahme zu finden,
und zwar zu einem später noch zu erläuternden Zweck.
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Mit 72 ist ein Flachteil bezeichnet, das eine Rinne 73 bildet, die
zwei Seitenflansche aufweist, wie in Fig. 1 ersichtlich ist, die z.B. an der Unterseite
der Platte 60 angeschweißt sind und eine Umhüllung für das thermisch aktive Element
bilden.
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Das thermisch aktive Element bzw. die thermisch aktiven Elemente sind
mit 78 und 79 bezeichnet, und es handelt sich um Widerstände, die handelsüblich
sind und an der mit 80 bezeichneten Stelle miteinander verbunden sind; ihre Endanschlüsse
81 und 82 sind an Leitungen 84 und 85 angeschlossen.
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Die Heizwiderstandselemente 78 und 79 ineralu der Umhüllung, die durch
die Platte 70 und das Flachteil 72 gebildet ist, können in eingeeignetes Material
94 eingebettet sein. Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß bei Einwirkung
von Wärme auf das wärmeempfindliche bzw. dehnbare Teil 60 diese Einwirkung von der
Innenseite her erfolgt, während die Wärmeableitung aus der Einheit über einen anderen
Weg erfolgt, der sich auf der Außenseite der Einheit befindet.
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Innenseitig angeordnete Heizelemente sind besonders günstig, da keine
erzeugte Wärme verlorengeht, denn diese kann nur über das thermisch aktive Element
nach außen entweichen.
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Mit 100 ist ein Hebelteil bezeichnet, das die Form eines gekröpften
Hebels mit einem längeren Arm 102 und einem kürzeren Arm 104 aufweist und auf einem
Schwenklager 106 gelagert ist, das sich durch ein Loch 108 in diesem Teil 100 hindurcherstreckt.
Die Enden des Schwenklagers bzw.
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Lagerstiftes 106 sind in Löchern 112, 114 in den Platten 10 und 11
aufgenommen, unter Zwischenfügung von Lochscheiben 120, 122 auf jeder Seite.
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Der kürzere Arm 104 ist innenseitig mit einer Rille 130 versehen,
die ein Schwenklager für das mit einer Aussparung versehene Ende 62 des aktiven,
plattenförmigen Teiles 60 bildet.
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Mit 136 ist ein starrer Hebel bezeichnet, der vorzugsweise aus demselben
Material hergestellt ist und die Form einer Rinne aufweist, mit Seitenflanschen
137 und 138, die mit abstehenden Endstücken 140, 142 versehen sind, von denen jedes
mit einem Loch versehen ist, um dell Schwenklagerstift 106 aufzunehmen.
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Der Boden des rinnenförmigen Teiles 136 ist mit einem Längsausschnitt
139 versehen. In diesem Längsausschnitt befindet sich ein flexibles Blattfederteil
141, dessen Ende vom Boden des rinnenförmigen Teils 136 nicht getrennt ist. Dieses
Teil gelangt in Eingriff mit dem Betätigungsknopf 50 des Mikroschalters 40, um eine
begrenzte Elastizität vorzusehen, die den Zweck hat, zu verhindern, daß der Mikroschalter
in einem seiner Schaltzustände oder in einer Zwischenstellung festgehalten wird.
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Das Teil 100 paßt in die Rinne des rinnenförmigen Teils 136 hinein,
wie in Fig. 2 gezeigt ist, und diese beiden Teile können um das durch den Schwenklagerstift
106 gebildete Zentrum verschwenkt werden.
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Die Unterseite des Teils 13 6 ist in Eingriff mit dem Betätigungsknopf
50 des Mikroschalters 40, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
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An einem Ende des aktiven, plattenförmigen Teils 60 befindet sich
ein Loch 150, durch welches hindurch zu einer Einstellschraube 152 Zugang ist, die
in das Teil 102 des Hebels 100 eingeschraubt ist, wobei diese Schraube von einer
Schraubenfeder 154 umgeben ist, die sich zwischen dem Teil 102 und dem Ende des
Teils 60 befindet. Diese Schraube. ermöglicht eine Einstellung, durch die Herstellungstoleranzen
in dem System nach Zusammenbau kompensiert werden können.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß nach dem Zusammenbau
der Teile das mit der Aussparung versehene Ende 62 des plattenförmigen Teils 60
in der Rille 130 aufgenommen ist, die ein Schwenklager bildet.
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Die Feder 154 drückt die Teile 60 und 100 voneinander fort, vorausgesetzt,
daß die Einstellung so vorgenommen wurde, daß Herstellungstoleranzen in der oben
erläuterten Weise kompensiert sind.
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Der beschriebene Schalter weist bestimmte Eigenschaften und Fähigkeiten
auf, auf die nun näher eingegangen werden soll. Der Schalter hat die Eigenschaft,
daß er eine selbsttätige, vollständige Temperaturkompensation hinsichtlich Umgebungstemperaturschwankungen
gewährleistet.
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Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß alle Teile des Schalters aus
Werkstoffen mit demselben Wärmedehnungskoeffizient bzw. aus demselben Material gebildt
sind.
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Die Vorrichtung kann daher in Umgebungen verwendet werden, deren Temperatur
in einem weiten Bereich schwanken kann. Dies ist besonders wichtig, wenn berücksichtigt
wird, daß der Schalter sehr klein gebaut werden kann, so daß die Wärmedehnung des
auf Wärme ansprechenden Elementes z.B. nur etwa 0,08 mm beträgt.
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Eine weitere bedeutende Eigenschaft des Schalters besteht darin, daß
alle wesentlichen Teile des Betätigungsmechanismus sich in einer einzigen Ebene
befinden bzw. eine gemeinsame Symmetrieebene aufweisen. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist diese Ebene eine solche, die parallel zu den beiden Seitenplatten ist. Durch
diese Konstruktion unterliegen die Bauteile keinerlei Deformierung oder Verwindungsmomenten,
mit dem Ergebnis, daß eine verbesserte Steifigkeit erreicht wird.
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Diese Betrachtung gilt auch für Schwerkräfte, die sonst aufgrund der
Geometrie der verschiedenen Teile zu Deformierungen führen könnten. Die Außenseiten
der Platten sind wendbar, da sie einander gleich sind.
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Der Schalter kann gewünschtenfalls mit einer Abdeckung versehen werden.
Die Anschlüsse des Mikroschalters sind in entsprechende Aufnahmen in einer gedruckten
Schaltungskarte einsetzbar, so daß der Schalter selbst direkt auf dieser Karte sitzt.
Bei einem solchen Aufbau nimmt er auf der Karte einen minimalen Platz ein. Andererseits
kann der Schalter an einer gedruckten Schaltungskarte
oder auf
einem Sockel aufrecht stehend befestigt werden, wobei die Anschlüsse des Mikroschalters
nach oben weisen.
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Dabei wird er dann vorzugsweise mittels eines Metallstreifens befestigt.
An den Anschlüssen des Mikroschalters können dann Schnellbefestigungsanschlüsse
direkt befestigt werden, die mit dem Mikroschalter gleich mitgeliefert werden. Das
von dem Schalter und von seinen aktiven Elementen eingenommene Volumen ist minimal
und stellt gewöhnlich nur einen Bruchteil des Volumens dar, das andere Schaltereinheiten
benötigen. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der Schalter Eigenschaften
aufweist, die ihn geeignet machen, mit andersartigen Einheiten in Wettbewerb zu
treten, die ähnliche Funktionen haben, und zwar selbst bei hohen Schaltlasten und
unter den engen Raumverhältnissen bei verschiedensten Elektronikanwendungen.
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Wenn bei der bezeigten Stellung auf den Knopf 50 des Mikroschalter
40 durch das Teil 141 ein Druck ausgeübt wird, so gelangt der Mikroschalter in eine
seiner Schaltstellungen.
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Wenn dem thermisch betätigten Schalter über die Leitungen 84 und 85
Strom zugeführt wird, erzeugen die Elemente 78 und 79 Wärme, die das plattenförmige
Teil 60 aufwärmt, welches sich dann in Längsrichtung ausdehnt, um eine Kraft auf
den kurzen Arm 104 des Kurbelarms 100 auszuüben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beträgt diese Ausdehnung z.B. etwa 0,08 mm.
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Die durch die Ausdehnung ausgeübte Kraft bewirkt eine Verschwenkung
des Hebels 100 um den Schwenklagerstift 106 herum entgegen der Wirkung der Feder
154, so daß der auf den Knopf ausgeübte Druck 50 gelöst wird, damit der Mikroschalter
40 in seine andere Schaltstellung gelangen kann
Wenn das plattenförmige
Teil 60 sich in Längsrichtung dehnt und den Hebel 100 verschwenkt, erfährt das plattenförmige
Teil 60 eine geringe Winkelbewegung. Dies wird durch die Laschen 64 an dem plattenförmigen
Teil 60 kompensiert, die in Öffnungen 66 aufgenommen sind, die ein ausreichendes
Spiel aufweisen, um diese geringe Winkelbewegung bzw. Drehung zuzulassen.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der innerhalb
eines Teils 72 ein Thermistorelement 160 angeordnet ist, das sich in Reihe mit den
Heizelementen 78 und 79 befindet. Hierbei handelt es sich um ein Element, dessen
Widerstandswert sich mit der Temperatur verändert. Bei diesem Ausführungsbeispiel
nimmt der Widerstandswert mit der steigenden Temperatur zu, so daß bei Ansteuerung
der Widerstandselemente 78 und 79, die die zeitbestimmenden Elemente sind, der Widerstand
im Stromkreis zunimmt, wodurch der fließende Strom vermindert wird, um den Energiebedarf
zu vermindern, eine unnötige Erhitzung zu vermeiden und die Eigenschaft weiter zu
fördern, daß die Erwärmungszeit und die Abkühlzeit voneinander unabhängig gesteuert
werden können.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich
arbeitet wie die nach Fig. 3. Bei dieser Ausführungsform ist ein Schaltkontakt 166
vorgesehen, der normalerweise den Stromkreis der Heizelemente 78 und 79 bzw. die
Anschlußleitungen 84 und 85 schließt.
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Er wird von einem Teil 168 getragen, der gegen eine Schraubenfeder
169 wirkt und mit einem Anschlag 170 in Eingriff gelangen kann, der sich an dem
Hebelteil 136 befindet. In seiner oberen Stellung gelangt es mit einem Anschlag
171 in Eingriff. Mit 174 ist ein abgezweigter Stromkreis bezeichnet, in dem ein
Widerstand 176 liegt.
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Nachdem der Mikroschalter 40 durch den Knopf 50 betätigt wurde, gelangt
das Hebelteil 136 in Eingriff mit dem
Teil 168 und bewirkt eine
Öffnung des Kontaktes 166, so daß der Stromkreis durch die Heizelemente 78 und 79
bzw.
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im Primärstromkreis unterbrochen wird. Der mit 176 bezeichnete Widerstand
liegt in einem abgezweigten bzw.
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Nebenstromkreis 177. Nachdem der Kontakt 166 geöffnet hat, verläuft
der Stromkreis über die Widerstandselemente 78 und 79 und über den Widerstand 176,
so daß die zugeführte Leistung vermindert und die Erwärmung der Widerstands- bzw.
ISeizelemente 78, 79 vermindert wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform entfallen sowohl der Nebenstromkreis
177 als auch der Widerstand 176. Diese Funktion und die Wirkung der in Fig. 4 gezeigten
Ausführungsform ist ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3.
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Die vorstehende Beschreibung macht deutlich, daß der erfindungsgemäße
thermisch betätigte Schalter leicht in Miniaturform gebaut werden kann, obwohl er
dieselbe Funktion erfüllt wie übliche Schalter, wobei ein zusätzlicher Vorteil darin
besteht, daß er nur wenig Energie benötigt.
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Die Abkühlzeit kann leicht relativ zu der Erwärmungszeit des Schalters
gesteuert werden, wobei es sich um die Zeitspannen für die Betätigung des Mikroschalters
handelt. Die Abkühlzeit wird durch die Wärmeableitung von der aktiven Einheit fort
bestimmt, wobei diese Wärmeableitung über einen anderen Weg erfolgt als die Wärmezufuhr
zu der Einheit, da die Heizelemente in der beschriebenen Weise eingeschlossen sind.
Die Abkühlzeit kann leicht auf verschiedenste Weise eingestellt werden, z.B. durch
Beschichten des plattenförmigen Teils 60 mit einer Schicht Epoxy, deren Dicke so
bemessen ist, daß die Abkühlzeit geeignet eingestellt wird; die Beschichtung wird
also ausgenutzt, um die Wärmeableitungsrate in der Abkühlphase einzustellen. Die
Abkühlzeit wird ferner dadurch gesteuert, daß die maximale Temperatur
des
wärmeempfindlichen Elementes, die Masse und/oder dic Isolierung geeignet eingestellt
werden.
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Durch Einstellen der Schraube 152 kann ein geeigneter Druck auf das
Teil 136 ausgeübt werden, so daß der thermisch betätigte Schalter leicht so eingestellt
werden kann, daß er zwischen den Stellungen EIN und AUS des Mikroschalters 40 betätigt
wird.
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