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Beschreibung
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a) Bereich der Technik Die Erfindung bezieht sich auf einen Bimetalltemperaturschutzschalter
mit Selbstbetätigung, der die Elektroerosion der Kontakte wesentlich vermindert
und bei elektrischen Geräten und Motoren, hauptsächlich bei denen, die ihre Anwendung
im Haushalt finden, den Strom bei der überhitzung der Wicklungen und unzulässiger
Stromstärke abschaltet, und, nachdem diese Werte innerhalb die zulässigen Grenzen
gefallen sind, den Strom wieder einschaltet.
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Die Erfindung gehört in den Bereich der Elektrotechnik in der internationalen
Klasse C1 HO1H.
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b) Technisches Problem Die häufigste Ursache von Beschädigungen bei
elektrischen Geräten und Motoren ist die überhitzung von Wicklungen.
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Zu dieser überhitzung kann es aus verschiedenen Gründen kommen, wie
z.B. Störungen an der Kühlanlage, überlastung im Dauerbetrieb, Arbeit an einer Phase
usw. Nur ein von den oben genannten Fehlern kann die überhitzung von Wicklungen
bewirken, was Feuer und ähnliche Unfälle verursachen kann.
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Für den Schutz von elektrischen Geräten und Motoren, hauptsächlich
Haushaltsgeräten, dienen heutzutage gegen die oben geannten Unfälle meistens Einrichtungen
zur Strom-Ein-Ausschaltung, die sogenannten Temperaturschutzschalter.
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Die wichtigsten Bestandteile eines Bimetalltemperaturschutzschalters
sind das Bimetallelement und die Kontakte. In solchen Einrichtungen sind die Kontakte
insbesonders gefährdet, was im folgenden kurz erläutert wird.
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Für die Temperaturbestäddigkeit eines Bimetalltemperaturschutzschalters
im Kurzschluß ist unter anderem der größte Stoßstrom maßgebend, den die geschlossenen
Kontakte leiten können, ohne verschmolzen zu werden.
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Ungünstig sind die elektrodynamischen Abstoßungskräfte, die in Fällen,
in denen es zu einen Stromstoß bzw.
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Kurzschluß kommt, den Kontaktdruck gefährlich vermindern oder sogar
die Kontakte momentan öffnen können.
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Abstoßungskräfte zwischen geschlossenen Kontakten entstehen auch infolge
von unvermeidlicher Stromkonzentration an Kontaktstellen.
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Die große lokale Stromdichte als die Folge von großer Rauheit der
Berührungsflächen von Kontaktelementen begünstigt im allgemeinen die Elektroerosion.
Sie verursacht beim Ausschalten die Entwicklung der hohen Temperaturen, bei denen
es zu Verdampfung und Verbrennung, d.h. zu Materialverlust, kommt, und beim Einschalten
können diese Temperaturen eine Verschmelzung der Kontakte verursachen.
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Maßgebend für die Wertigkeit von Ionen und Trägern zwischen Kontakten
ist der Unterbrechungsstrom. Deswegen sollen im Raum zwischen Kontakten die dielektrischen
Eigenschaften so bald wie möglich wieder hergestellt werden.
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Die dynamischen und thermodynamischen Beanspruchungen des Bimetalltemperaturschutzschalters
hängen beim Einschalten in erster Linie von dem unmittelbar nach Einschalten entstandenen
Einschaltstrom ab. Der zweite Faktor, von dem diese Beanspruchungen abhängen, ist
die Spannung, von der abhängt, ob zwischen den Kontakten und in welchem Abstand
ein Lichtobgen entstehen wird. Deswegen definiert man das Einschaltvermögen als
den höchsten zulässigen Einschaltstrom unter bestimmter Spannung.
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Ein Einschaltlichtbogen entsteht im Moment, wenn sich die Kontakte
auf Schlagweite annähern, und verschwindet im Moment, wenn sich die Kontakte wieder
schließen.
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Ein Ausschaltlichtbogen entsteht, wenn sich die Kontakte öffnen, und
dauert bis zur Löschung, was von den Eigenschaften des Bimetalltemperaturschutzschalters
und Stromkreises abhängt.
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Es ist sehr wichtig, die Lichtbogendauer so weit wie möglich zu verkürzen,
um dessen zerstörende Wirkung zu vermindern und den Ausschaltvorgang zu verkürzen.
Sonst ist der Lichtbogen nach vielen Eigenschaften ein günstiges Ausschaltelement.
Er verhindert stoßartige Stromunterbrechung, die unzulässige hohe Spannungsüberlastungen
hervorrufen könnte, und ermöglicht gleichzeitig Wechselstromunterbrechung im natürlichen
Nullpunkt ohne spezielle Synchronisieranlage.
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Von schädlichen Einflüssen aus der Umgebung wirken auf die Kontakte
in erster Linie atmosphärische Erscheinungen. Das sind vor allem Oxidationsreaktionen
mit Luftsauerstoff und chemische Reaktionen zwischen Kontaktwerkstoff und
Schwefelwasserstoff, der sich in kleineren Mengen in der Atmosphäre befindet. Diese
Prozesse vergrößern durch Bildung feiner überzüge mit hohem spezifischen elektrischen
Widerstand nicht nur den Kontaktwiderstand, sondern verursachen auch Korrosion.
Die Luftfeuchtigkeit begünstigt diese Prozesse, um so mehr, je höher der Feuchtigkeitsgehalt
ist. Die Dämpfe organischer Stoffe verursachen einen Verschleiß des Kontaktwerkstoffs.
Sie absorbieren und lösen auch unter dem Einfluß elektrischer Entladungen an den
Berührungsflächen auf, wo dadurch entstandener Kohlenstoff den Grenzausschaltstrom
vermindert.
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Für Materialwärmebeanspruchungen ist von allen Eigenschaften die Wärmeleitfähigkeit
am wichtigsten. Sie muß so groß wie möglich sein.
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Man kann die zweckmäßigsten Eigenschaften des Werkstoffes an Kontaktwerkstoffen
nur durch Kombination von Eigenschaften verschiedener Metalle bekommen, und zwar
an Legierungen oder ähnlich erzeugten Werkstoffen. Das sind gesinterete Werkstoffe,
dichte oder poröse, mit Kupfer oder Silber.
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Neben diesen kann man unter solchen Werkstoffen auch platinierte Werkstoffe
und Bimetalle einbeziehen, die aus zwei Metallen mit verschiedenen Eigenschaften
bestehen.
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c) Stand der Technik Für den Schutz von elektrischen Geräten und Motoren,
insbesondere solchen, die ihre Anwendung im Haushalt finden, gegen überhitzung und
die unzulässige Stromstärke, sind heutzutage verschiedene Konstruktionen von
Bimetalltemperaturschutzschaltern bekannt, die direkt auf die Wicklung des Gerätes
bzw. Motors eder an die Stellen der intensivsten Wärmeentwicklung montiert werden
können.
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Elektrisch werden sie in Reihe geschaltet. Bei bekannten Konstruktionen
von Bimetalltemperaturschutzschaltern kann der Kontaktdruck nur bis zu bestimmten
Grenzen erhöht werden, so daß es wegen elektrodynamischer Abstoßkräfte, die hier
entstehen, zur Verminderung des Kontaktdruckes und öffnung der Kontakte kommen kann,
was eine beschleunigte Elektroerosion der Kontakte verursachen kann.
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Das Problem der Elektroerosion versuchte man bisher auf folgende Weise
zu lösen: Das Gehäuse wird mit Gasen erfüllt, oder der Luftdruck im Gehäuse vermindert,
wonach das Gehäuse hermetisch geschlossen wird.
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Außerdem war bei bisher bekannten Konstruktionen von Bimetalltemperaturschutzschaltern
auch die zerstörende Wirkung des Ausschaltlichtbogens vorhanden, wegen ziemlich
langer Ausschaltzeiten.
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Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile.
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Diese Aufgabe wird mit einem Bimetalltemperaturschutzschalter gelöst,
der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen
2 und 3 hervor.
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d) Technische Lösung mit Ausführungsform, Zeichnungen und Erläuterungen
Im Grunde genommen sind nach der Erfindung die Kontakte im Normalzustand geschlossen.
Infolge von Erwärmung, die wegen des Stromdurchgangs durch das Federband und Wärmezufuhr
von Wicklungen ensteht, erhöht sich die Temperatur des Bimetalltemperaturschutzschalters,
bis sie ungefähr die Temperatur der Wicklungen erreicht, Wenn die Thermobimetall-Schnappscheibe,
die dem Federband angepaßt ist, ihre Ausschalttemperatur erreicht, wechselt die
Krümmung der Schnappscheibe sprunghaft von konkav nach konvex und schaltet den Stromkreis
aus.
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Da dies bei Feineinstellung erst bei der maximal erlaubten Wicklungstemperatur
erfolgt, wird dadurch die maxiamle Ausnutzung der Geräte- bzw. Maschinenleistung
ermöglicht, wobei die überhitzung von Wicklungen oder vorzeitiges Ausschalten ausgeschlossen
sind. Wenn die Temperatur der Wicklung auf die zulässige Höhe fällt, schaltet sich
der Stromkreis automatisch wieder ein, d.h., die Bimetall-Schnappscheibe und das
Federband nehmen ihre Ausgangspositionen wieder ein.
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Das Grundmerkmal der Erfindung ist, daß die Thermobimetall-Schnappscheibe
in Form eines rechteckigen Kugelabschnittes mit einem Loch in der Mitte und Anpassungsfähigkeit
zu anderen Elementen einen größeren Kontaktdurck als die üblichen Schnappscheiben
überwinden kann.
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Außerdem ist die Ausschaltzeit wesentlich verkürzt, wodurch die Elektroerosion
der Kontakte wesentlich vermindert ist.
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Die Thermobimetall-Schnappscheibe ist an ihren Enden lose befestigt
und kann sich daudrch verschiedenen Formen des Federbandes anpassen. Das Band ist
mit einem Ende auf einem Grundelement oder einer Grundlage befestigt und trägt an
seinem anderen Ende einen balligen Kontakt. Die Thermobimetall-Schnappscheibe biegt
mit ihrem Ende, das sich in der Nähe des bulligen Kontaktes befindet, mit einer
geringeren Kraft (wegen des großen Armes) das Federband und unterbricht dadurch
sicher und abrupt den Stromkreis und verkürzt die Dauer des Ausschaltlichtbogens.
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Für den Schutz des Bimetalltemperaturschutzschalters von schädlichen
atmosphärischen Einflüssen ist es außerdem vorgesehen, daß er so isoliert wird,
daß diese Einflüsse verhindert werden können.
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Der Bimetalltemperaturschutzschalter ist für direkte Montage auf die
Wicklung des Gerätes bzw. Motors angepaßt.
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Er ist besonders für Haushaltgeräte angeeignet, und zwar für den Einba
an den Stellen der intensivsten Wärmeentwicklung. Der Bimetalltemperaturschutzschalter
wird in Reihe geschaltet.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Die Zeichnung stellt eine Ausführungsform der Erfindung schematisch
dar.
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Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht der Erfindung, teilweise im Schnitt
A-8 aus Fig. 2; Fig. 2 zeigt eine Ansicht von oben aus Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-D aus Fig. 1 im
Moment, wenn der Stromkreis eingeschaltet ist; Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang
der Linie E-F aus Fig. 1; Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der LInie G-H aus Fig.
1; und Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie C-D aus Fig. 1 im Moment,
wenn der Stromkreis ausgeschaltet ist.
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Der Bimetalltemperaturschutzschalter mit Selbstbetätigung nach Fig.
1 bis 6 besteht aus einem Gehäuse 1, aus welchem zwei Anschlußdrähte 11 und 12 herausführen.
Das offene Ende des Gehäuses 1 ist mit Spezialharz 14 verschmolzen, das die Berührungsfläche
eines balligen Kontaktes 7 und eine Kontaktunterlage 13 von schädlichen Einflüssen
aus der Umgebung schützt. Obere, nicht isolierte Teile der Anschlußdräte 11 und
12 dienen zur Serienschaltung auf die Wicklung eines elektrischen Gerätes oder Motors.
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Im Gehäuse sind die Teile 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13
gelagert, die so miteinander verbunden sind, daß sie das Ein-Ausschaltungs-System
darstellen.
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Mittels eines isolierstücks 2 und eines Isolierniets 5 ist eine Kontaktscheibe
3 mit Grundlage 4 zu einer gegenseitig isolierten Einheit verbunden.
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An einem Ende der Kontakt scheibe 3, nämlich an ihrem flachen
Ende,
ist die Kontaktunterlage 13 und an ihrem anderen, winkelförmigen Ende der Anschlußdraht
11 befestigt. An einem Ende der Grundlage 4, nämlich an ihrem doppel gebogenen Ende
t, ist das Federband 6 and an ihrem anderen gebogenen Ende n der Anschlußdraht 12
befestigt. An einem Ende des Federbandes 6 befindet sich der ballige Kontakt 7.
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Die Thermobimetall-Schnappscheibe 9 in Form eines rechteckigen Kugelabschnittes
mit einem Loch in der Mitte stützt sich lose mit ihrer gewölbten Fläche auf das
Federband 6, Fig. 3.
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Diese anpassungsfähige Verbindung zwischen Termobimetall-Schnappscheibe
9 und Federband 6 ist mittels eines dreistufigen Grenzbolzens 8 erzielt, der mit
seiner zweiten Stufe frei durch das Loch der Thermobimetall-Schnappscheibe 9 und
ein Loch des Federbandes 6 geht, und mit seiner ersten Stufe in den Isolierflansch
10 hineingeht.
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Der Isolierflansch 10 ist mit der Grundlage 4 so verbunden, daß er
in das pasende Loch der Grundlage 4 angepreßt ist.
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Die Stirnseite der dritten Stufe, d.h. die Seite mit dem größten Durchmesser
des dreistufigen Grenzbolzens 8 stützt sich auf die innere Seitenwand des Gehäuses
1, während sich die ringförmige Fläche zwischen der ersten und zweiten Stufe auf
die Stirnseite des Isolierflansches 10 stützt.
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Wenn sich die Temperatur des Bimetalltemperaturschutzschalters innerhalb
der zulässigen Grenzen befindet, sind die Kontakte 7 und 13 geschlossen, d.h. der
ballige Kontakt 7 übt mittels der Kraft P1 des Federbandes 6 einen Druck auf die
Kontaktunterlage 13 aus, wodurch der Stromkreis im Bimetalltemperaturschutzschalter
geschlossen
ist, Fig. 3, d.h. der Strom hat die Leitbahn über den Anschlußdraht 12, die Grundlage
4, das Federband 6, den balligen Kontakt 17, die Kontaktunterlage 13 und den Anschlußdraht
11 in Richtung von Pfeilen a, b, c und d indem der Strom einer bestimmten Stärke
durch das Federband 6, das einen bestimmten Widerstand hat, fließt, entwickelt sich
eine bestimmte Temperatur, deren Wert die entscheidende Rolle dabei spielt, ob die
Thermobimetall-Schnappscheibe 9 reagiert oder nicht.
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Die Thermobimetall-Schnappscheibe 9 ist nämlich auf sehr kleine Temperaturabweichungen
eingestellt, die die Indikation für ihre sprunghafte Formänderung von konkav nach
konvex und umgekehrt, d.h. wieder in ihre Ausgangsstellung, sind.
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Dies bezieht sich auch auf die Temperatur, die der Bimetalltemperaturschutzschalter
von den erwärmten Wicklungen des elektrischen Gerätes oder Motors bekommt.
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Der Belastungsgrad von elektrischen Geräten und Motoren wird nach
der Klasse der Wicklungsisolation laut bestehenden Standarden bestimmt.
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Die Thermobimetall-Schnappscheibe besteht aus zwei verschiedenen Metallen,
die verschieden auf Temperaturänderungen reagieren, d.h. jedes Metall hat seinen
charakteristischen lineraren thermischen Ausdehungskoeffizienten. Die Thermobimetall-Schnappscheibe
wird sich bei der Erwärmung auf die Seite des Metalls mit dem kleineren linearen
thermischen Ausdehnungskoeffizieten wölben. Die Krümmung der Thermobimetall-Schnappscheibe
9
erfolgt kontinuierlich und abrupt. Die Größe dieser Krümmung
hängt vom Material, Dimensionen und Wölbung h der Thermobimetall-Schnappscheibe
9 ab.
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Bei der unzulässigen Temperatur der Wicklung oder der unzulässigen
Stromstärke erreicht die Thermobimetall-Schnappscheibe 9 die innere Spannung, die
ihre Krümmung sprunghaft in die Gegenposition ändert, wobei sie auch das Federband
6 beugt, Fig. 6.
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Bei bestimmter niedriger Temperatur ändert die Thermobimetall-Schnappscheibe
9 ihre Krümmung in die Gegenposition und ändert sie wieder in die Ausgangsform.
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Das Federband 6 erreicht auch mit seiner eigenen Kraft die Ausgangsform
und bildet den normalen Druck P1, Fig. 3.
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Für die richtige Wirkung und lange Lebensdauer des Bimetalltemperaturschutzschalters
ist es wichtig, die Elektroerosion des balligen Kontaktes 7 und der Kontaktunterlage
13 so weit wie möglich zu vermindern. Das erzielt man gemäß der Erfindung dadurch,
daß der Kontaktdruck P1, Fig. 3, zwischen balligem Kontakt 7 und Kontaktunterlage
13 auf das Maximum vergrößert wird bis zur Grenze, die das Federband 6 ohne bedeutende
Beugung erreichen kann.
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Der Kontaktdruck P1 ist größer als die größten elektrodynamischen
Abstoßkräfte, die in Gegenrichtung zum Kontaktdruck P2 wirken, womit die zerstörende
Wirkung, d.h. die Materialverdampfung und Materialverbrennung am balligen Kontakt
7 und an der Kontaktunterlage 13 infolge von Elektroerosion verhindert sind.
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Die zerstörende Wirkung von Lichtbögen, besonders Ausschaltlichtbögen,
ist durch abrupte Trennung des balligen Kontaktes 7 von der Kontaktunterlage 13
wesentlich vermindert Die genannten Möglichkeiten wurden durch Ausführungsform und
Dimensionen der Thermobimetall-Schnappscheibe 9 realisiert, die in ihrem aktiven
Zustand mit der Kraft P2, die am Ende e, d.h. in der Nähe vom Kontakt 7 wirkt, und
mit ihrem Momentarm m abrupt den Kontaktdruck P1 überwindet, so daß sich das Federband
6 am Ende h beugt, womit sich der ballige Kontakt 7 abrupt von der Kontaktunterlage
13 trennt und damit die Dauer der zerstörenden Wirkung von Ausschaltlichtbögen verkürzt,
Fig. 6.
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Der Rückgang in die Ausgangsform, Fig. 3, erfolgt wegen Wirkung der
Federbandkraft, die, nach dem die KRaft P2 der Thermobimetall-Schnappscheibe 9 aufhört,
automatisch wirkt.