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Bimetall-Glimmschalter und Verfahren zu dessen Herstellung Die vorliegende
Erfindung betrifft einen insbesondere für Gasentladungslampen, mit einem gasgefüllten
Kolben und einer ersten Elektrode, die einen im wesentlichen konstanten engen Glimmspalt
und einen vom Schaltweg abhängigen, in Ruhestellung größeren Kontaktspalt mit dem
als zweite Elektrode dienenden Bimetallelement bildet, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Schalters.
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Bimetall-Glimmschalter der oben angegebenen Art, bei denen der kleinste
Spalt zwischen dem als eine Elektrode dienenden Bimetallelement und einer Gegenelektrode
weder geschlossen noch in der Größe merklich geändert wird, zeichnen sich bekanntlich
durch. eine weitgehende Unempfindlichkeit der Zündspannung von der Umgebungstemperatur
aus.
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Es sind ferner Bimetall-Glimmschalter bekannt, die aus einem eine
Gasfüllung enthaltenden Metallgefäß, vorzugsweise aus einem nur wenige Millimeter
weiten, beiderseits geschlossenen Metallröhrchen bestehen, das als Gegenelektrode
für den eingebauten, die Schaltbewegung ausführenden Bimetallstreifen wirkt und
außerdem als Anschlagkontakt dient oder auf seiner Innenwand einen Anschlußkontakt
trägt.
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Durch die vorliegende Erfindung soll ein Schalter der eingangs beschriebenen
Art angegeben werden, der mit denkbar einfachen Mitteln eine Konstanthaltung des
Glimmspaltes mit ihren bekannten Vorteilen ermöglicht und gleichzeitig robust und
ohne größeren Aufwand herstellbar ist.
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Ein Bimetall-Glimmschalter, insbesondere für Gasentladungslampen,
mit einem gasgefüllten Kolben und einer ersten Elektrode, die einen im wesentlichen
konstanten, engen Glimmspalt und einen vom Schaltweg abhängigen, in Ruhestellung
größeren Kontaktspalt mit dem als zweite Elektrode dienenden Bimetall bildet, ist
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kolben in an sich
bekannter Weise selbst als erste Elektrode dient und daß eine seiner Flächen etwa
parallel zum Schaltweg des Kontaktendes des Bimetallstreifens angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Glimmelektrodenspalt
kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektronen und liegt vorzugsweise zwischen
0,05 und 0,4 mm. Durch diese Maßnahme werden Zündverzögerungen infolge des sogenannten
Dunkeleffektes weitgehend vermieden, und gleichzeitig ist ein hoher Glimmstrom gewährleistet,
ohne daß bei Verwendung des Bimetall-Glimmschalters in einer Zündeinrichtung für
Gasentladungslampen eine übermäßige Herabsetzung der Amplitude des erzeugten induktiven
Spannungsimpulses eintritt.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Metallkolben
zylindrisch und besitzt eine etwa ebene Stirnwand, an der sich das freie Ende des
ebenen, streifenförmigen Bimetallelementes bei Erwärmung mit konstantem Abstand
vorbeibewegt, bis es die zylindrische Seitenwand des Kolbens berührt.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Schalters der oben angegebenen
Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallring, der in an
sich bekannter Weise mit Hilfe einer Glasperle und eines Anschlußstabes das Bimetallelement
trägt, an einem Flansch des Metallgehäuses ausgerichtet wird, bevor er mit dem Flansch
verbunden wird.
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Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird das streifenförmige
Bimetallelement nach seiner Befestigung an seinem Träger auf die gewünschte Länge
zugeschnitten.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden;
dabei bedeutet F i g. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Glimmschalters
nach der Erfindung, F i g. 2 eine perspektivische Ansicht des in F i g. 1 dargestellten
Glimmschalters mit auseinandergezogenen Teilen,
F i g. 3 einen vergrößerten
Teilschnitt durch Bauteile im oberen Teil des in F i g. 1 dargestellten Schalters,
aus dem die bevorzugte Form des Kopfes des Bimetallelementes ersichtlich ist, F
i g. 4 einen vergrößerten Teilschnitt des oberen Teils in F i g. 1 zur Erläuterung
der Bewegung des Bimetallelementes während des Betriebes des Schalters, F i g. 5
eine perspektivische Ansicht einer Zündeinrichtung für eine Leuchtstofflampe mit
einem Glimmschalter nach der Erfindung, F i g. 6 eine perspektivische Ansicht einer
Zündeinrichtung mit automatischer Rückstellung, F i g. 7 eine perspektivische, auseinandergezogene
Darstellung einer Zündeinrichtung für eine Leuchtstofflampe mit von Hand zu betätigender
Rückstellung, in der ein Glinunschalter nach der Erfindung enthalten ist, und F
i g. 8 ein Diagramm der Zündspannung als Funktion des Elektrodenabstandes und Gasdruckes
typischer Gase.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen hohlen,
gasdichten Metallkolben, einen sich durch ein Ende des Kolbens erstreckenden Anschlußstab,
der isoliert und dicht in den Kolben eingeführt ist, ein im Inneren des Kolbens
an dem Stab angebrachtes längliches Bimetallelement, das sich in einem nahen Abstand
vorzugsweise von der Endfläche des Kolbens befindet und vorzugsweise mit der Seite
des zylindrischen Kolbens in Kontakt gebracht werden kann, wenn es auf eine vorbestimmte
Temperatur aufgeheizt wird.
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Wie aus F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, besteht die bevorzugte Ausführungsform
eines Glimmschalters nach der Erfindung aus einem metallischen, hülsenartigen Kolben
10, der in üblicher Weise die Form eines Hohlzylinders hat und am einen Ende
geschlossen ist. Das geschlossene Ende bildet eine im wesentlichen flache End- oder
Stirnfläche 16, die senkrecht zur Zylinderachse verläuft; am anderen Ende des Kolbens
befindet sich ein Flansch 11. Für den Kolben 10 genügt völlig ein billiger
Werkstoff, wie Stahl, obwohl natürlich auch teurere Werkstoffe, wie Messing oder
Kupfer, verwandt werden können. Ein Anschlußstab 13 aus Stahl durchsetzt einen Glaspulverpreßling
14, der seinerseits von einer Stahlöse oder einem Ring 12 gehalten wird. Zunächst
wird diese Anordnung in einer Halterung etwa 1 Minute lang in einem Ofen auf etwa
980° C erhitzt. Dabei schmilzt das Glaspulver und verbindet den Glasstab 13 mit
dem Ring 12 in Form einer vakuumdichten, elektrisch isolierenden und sehr dauerhaften
Einschmelzung. Vorzugsweise ist der Metallring 12 dick genug, um einen Druck auf
die Sinterglasperle 14 auszuüben. Bei dieser Konstruktion werden die Ausdehnungskoeffizienten
des Glases und des Metalls absichtlich nicht aneinander angepaßt, um zusätzlich
zu der chemischen Bindung zwischen Glas und Metall eine Bindung durch Druck zu ergeben.
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Nach der Herstellung des aus dem Anschlußstab 13 und dem Ring 12 bestehenden
Fußes wird ein Bimetallstreifen 15 an den Anschlußstab 13 angeschweißt. Man kann
hierfür einen sehr langen Bimetailstreifen verwenden, der dann erst nach dem Verschweißen
mit dem Stab 13 auf die gewünschte Länge zugeschnitten wird. Als Bimetall kann beispielsweise
die Kombination von Eisen oder Edelstahl mit Messing mit einem vorher aufgebrachten
überzug aus Zink, Aluminium, Nickel od. dgl. verwendet werden, oder es kann nach
dem Zusammenbau z. B. durch eine Getter-Einrichtung ein Überzug aus Barium, Lanthan,
Thorium od. dgl. aufgebracht werden.
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Die durch den Ring 12, den Anschlußstab 13, die Glasperle 14 und den
Bimetallstreifen 15 gebildete Anordnung wird so in den Kolben eingesetzt, daß der
Bimetallstreifen entsprechend der Bemessung des Flansches 11 und des Ringes 12 etwa
mittig gehalten wird. Die genau bemessene Tiefe des Kolbens 10 bis zu seiner
Stirnfläche 16 und die genau bemessene Länge des Bimetallstreifens 15 ergeben einen
engtolerierten Abstand zwischen diesen beiden Bauteilen. Ein Verbiegen des Streifens
15 hat dagegen einen nur vernachlässigbaren Einfluß auf den Abstand, da das Umbiegen
hauptsächlich in einer Richtung parallel zur Ebene der Stirnfläche 16 erfolgen wird.
Dies ist besonders wichtig für die Einhaltung gewünschter Abstandstoleranzen. Die
Teile werden nun in die untere Elektrode einer nicht dargestellten Widerstandsschweißmaschine
eingesetzt, und die obere, nicht dargestellte Schweißelektrode wird geschlossen.
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Ein wichtiger Fortschritt besteht bei einem Glimmschalter nach der
Erfindung darin, daß der Bimetallstreifen 15 zu keiner Zeit während des Fertigungsprozesses
nennenswert über die Raumtemperatur erhitzt werden muß. Folglich können die Lage
und die Abstände des Bimetallstreifens bezüglich des Kolbens 10 durch die Arbeitsvorgänge
bei der Herstellung der Einrichtung nicht nachteilig beeinflußt werden. Ein etwaiges
Verbiegen des Bimetallstreifens beeinflußt außerdem den Elektrodenabstand nur wenig,
da der Spalt zwischen den Elektroden längs des Bimetallstreifens und zwischen seinem
freien Ende 15 a und der Stirnfläche 16 senkrecht zu der langen Abmessung des Streifens
verläuft. Eine Auslenkung des Streifenendes verschiebt dieses also einfach längs
der Stirnfläche 16, ohne daß dadurch sein Abstand von dieser wesentlich geändert
wird. Dies tritt auch während des Betriebes des Schalters auf, während dessen das
Streifenende 15 a schließlich die Seitenwand des Kolbens 10 a berührt, wie
in F i g. 1 und 4 gestrichelt dargestellt ist. Da es also auf einfachste Weise möglich
ist, genaue Abstandsverhältnisse einzuhalten, kann der Bimetallstreifen 15 dünn
und schmal gemacht werden, so daß er viel rascher auf die Wärme aus dem ionisierten
Gas anspricht, was von besonderer Bedeutung bei der Verwendung als Glimmstarter
für Leuchtstofflampen ist. Dadurch, daß in an sich bekannter Weise die umgebende
äußere Elektrode als Gehäuse verwendet wird, kann der ganze Bauteil als Heizelement
wirken und wärmeempfindliche Bauteile in seiner Nähe betätigen, was später noch
genauer beschrieben werden soll.
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Ein besonderer Vorteil des Glimmschalters nach der Erfindung besteht
darin, daß zwei verschiedene Elektrodenabstände funktionell wirksam werden. Der
erste, eigentliche Elektrodenabstand ist der Zwischenraum, in dem die Glimmentladung
entsteht, und soll im folgenden als »Glimmelektrodenabstand« bezeichnet werden.
Der zweite, der im folgenden als »Bimetallabstand« bezeichnet wird, ist der Elektrodenabstand
in Biegungsrichtung des Bimetallelements. Die beiden Abstände sind unabhängig voneinander
und können dadurch optimal für ihre spezielle Funktion bemessen werden. Wenn z.
B. ein
großer Bimetallabstand erwünscht ist, wie im folgenden näher
erläutert werden soll, wird der Glimmelektrodenabstand durch diese Forderung nicht
beeinflußt, sondern kann optimal, beispielsweise viel enger, gewählt werden. Bei
Beachtung dieser Eigenschaft der Erfindung können die inneren Bauteile in dem Metallgehäuse
nach Wunsch auch anders als bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel angeordnet werden.
So kann sich z. B. der Anschlußstab fast über die ganze Länge des Kolbens erstrecken,
wobei der Glimmelektrodenspalt zwischen dem Ende des Stabes und der Stirnwand des
Kolbens gebildet wird. Der Bimetallstreifen kann dann vom oberen Ende des Stabes
in Richtung zu seinem Fußende verlaufen, so daß er bei seiner Auslenkung mit seinem
freien Ende den Kolben in der Nähe dessen Fußendes berührt. Das Bimetall kann auch
U-förmig ausgebildet sein, wobei ein Schenkel oben oder unten an einem langen Anschlußstab
angeschweißt ist, während der andere Schenkel frei beweglich ist und Kontakt mit
dem Metallkolben machen kann. Eine solche Anordnung ermöglicht, die Temperaturempfindlichkeit
ohne Vergrößerung der Abmessungen des Kolbens zu erhöhen. Bei allen diesen Ausführungsformen
liegt der Glimmelektrodenspalt nicht zwischen dem - Bimetallstreifen und dem Gehäuse,
sondern zwischen dem Stab und dem Gehäuse und ist daher in einem noch größeren Ausmaß
als bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von dem Bimetallabstand unabhängig.
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Zusätzlich zu den obenerwähnten Vorteilen, die sich direkt aus dem
Aufbau mit einem metallischen Kolben ergeben, wurde ferner gefunden, daß sich eine
bessere Arbeitsweise eines Glimmzünders erreichen läßt, wenn man in neuartiger Weise
viel engere Glimmelektrodenabstände, als es bisher für zweckmäßig erachtet wurde,
verwendet, ohne daß man dabei die bisher als erforderlich erachteten Kompromisse
eingehen muß. Bisher mußte der Glimmelektrodenabstand wegen der Eigenschaften der
Gasfüllung in der Glimmentladungsanordnung in einem verhältnismäßig engen Bereich
gewählt werden. Wie aus F i g. 8 ersichtlich ist, zeigt der Verlauf der Zündspannungswerte
in Abhängigkeit von dem Produkt aus Elektrodenabstand und Gasdruck bei brauchbaren
Gasen, wie Wasserstoff, Argon, Neon und Helium, ein Minimum bei etwa 1 bis 10 Torrlcm.
Mit den mancherorts verfügbaren Spannungen von nur etwa 110 bis 120 V wurde es bisher
als nötig erachtet, im Bereich des Minimums zu arbeiten. -Deshalb wurden Elektrodenabstände
von etwa 0,75 mm bei 40 bis 50 Torr Druck verwendet, was jedoch wegen des hohen
Gasdrucks, der erforderlich ist, um einen ausreichend starken Anfangsstrom und damit
ein rasches Schalten zu gewährleisten, mit dem Nachteil einer Verringerung der zum
Zünden der Lampe verfügbaren induktiven Spannung verbunden ist.
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Nach den Lehren dieser Erfindung können jedoch viel engere Elektrodenabstände,
die vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,4 mm liegen, sowie viel niedrigere Gasdrücke
von etwa 20 Torr verwendet werden, so daß eine höhere induktive Spannung für das
Zünden der Lampe verfügbar ist. Überraschenderweise vermindern derartige enge Glimmelektrodenabstände
weder den anfänglichen Strom zwischen den Elektroden, noch machen sie diese nur
bei höheren Spanungen arbeitsfähig, wie an sich aus der Betrachtung der Kennlinien
in F i g. 8 geschlossen werden könnte. Es wurde im Gegenteil festgestellt, daß der
anfängliche Stromfluß bei solchen Elektrodenabständen gewöhnlich wesentlich größer
ist als bei den bisher üblichen Elektrodenabständen und daß der Zündvorgang schneller
verläuft als bei den bekannten Glimmstartern. Der Grund für dieses unerwartete und
erwünschte Ergebnis ist nicht vollständig klar, es wird jedoch angenommen, daß dieser
Effekt auf einer Funkenzündung beim Einsetzen des Glimmentladungsstromes zwischen
den Elektroden beruhtund nicht auf üblichen Ionisationsphänomenen.
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Bei derartig kleinen Mektrodenabständen, die innerhalb der mittleren
freien Elektronenweglängen bei den üblichen Werkstoffen liegen, die als überzüge
für Bimetallelemente verfügbar sind, kann außerdem der sogenannte Dunkeleffekt völlig
vermieden werden, der sonst zusätzliche Maßnahmen, wie Zusätze eines radioaktiven
Gases, nötig macht. Bekanntlich rührt der Dunkeleffekt von einen! völligen Fehlen
von Ionen im Schalterkolben her und tritt auf, wenn der Schalter sich im Dunkeln
befindet und längere Zeit, etwa 24 Stunden, nicht betätigt wurde. Wenn bei den bekannten
Schaltern im Kolben keine zufällig gebildeten Ionen vorhanden sind, liegt die zum
Einleiten der Schalterfunktion nötige Spannung oberhalb tragbarer Werte. Bei den
bekannten Schaltern mit Glaskolben wurde dieser Nachteil durch Zusatz einer kleinen
Menge eines radioaktiven Gases (Krypton 85) zu der Argon-oder anderen Gasfüllung
beseitigt. Das radioaktive Material liefert dann ständig Ionen, die die Zündspannung
des Schalters auf einem niedrigen Wert halten. Eine andere bekannte Lösung besteht
darin, die Anschlußleitungen im Glaskolben durch eine Aluminiumfarbe zu überbrücken.
Der Widerstand des Aluminiumanstrichs ist zwar sehr hoch, es fließt jedoch ein kleiner
Strom durch den metallischen Überzug, wenn die Betriebsspannungen angelegt werden,
der genügend Ionen erzeugt, um die Zündung auch dann einzuleiten, wenn der Schalter
für längere Zeit im Dunkeln nicht in Betrieb war.
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Die obigen Ausführungen sollen jedoch nicht bedeuten, daß nicht trotzdem
größere Elektrodenabstände in der neuen Metallkolbenanordnung nach der Erfindung
verwendet werden können. Man kann ohne weiteres auch mit größeren Abständen arbeiten,
muß aber dann die obenerwähnten Nachteile der bekannten Einrichtungen in Kauf nehmen.
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F i g. 5 zeigt eine verbesserte, einfache Zündeinrichtung für eine
Leuchtstofflampe mit einem Glimmschalter nach der Erfindung. Eine übliche Grundplatte
20 der Zündeinrichtung weist zwei vorspringende Anschlüsse (die in F i g. 5) verdeckt
sind) auf, die mit Laschen 21a verbunden sind, denen ein Glimmschalter 10 nach der
Erfindung elektrisch parallel geschaltet ist. Parallel zum Glimmschalter
10
liegt ebenfalls zwischen den Laschen 21a ein Kondensator 30, der
zur Funkenlöschung und zur Verringerung der Scheitelspannung am Glimmschalter
10
dient.
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F i g. 6 zeigt eine Zündeinrichtung mit automatischer Rückstellung,
die dieselben Elemente wie die einfache Zündeinrichtung in F i g. 5 und außerdem
einen Widerstand 31 und ein dem Kreis des Glimmschalters parallelgeschaltetes Bimetallelement
32 umfaßt. Ein wiederholter Zündzyklus des Glimmschalters auf Grund eines Ausfalles
der zugeordneten
Leuchtstofflampe erzeugt eine ausreichende Wärmemenge,
um den Bimetallstreifen 32 umzubiegen, so daß er den Widerstand 31 nicht mehr überbrücken
kann. Wenn dies eingetreten ist, begrenzt der Widerstand 31 den Strom zum
Glimmschalter 10, der dann nicht mehr ansprechen kann. Wegen des bestehenden
Kreises über den Glimmschalter und den Widerstand 31 bleibt der Schalter
10 jedoch heiß genug, um den Bimetallstreifen 32 im ausgelenkten Zustand
zu halten, bis der Wandschalter für die Lampe betätigt wird und den Kreis unterbricht.
Das Bimetall 32 nimmt dann wieder die in F i g. 6 dargestellte Lage ein, bis der
Kreis über den Wandschalter wieder geschlossen wird, worauf sich der oben beschriebene
Zyklus wiederholt.
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F i g. 7 zeigt einen verbesserten Zündschalter für eine Leuchtstofflampe,
der von Hand rückgestellt werden kann. Er enthält ebenfalls einen Glimmschalter
nach der Erfindung. Außer dem Glimmschalter und der durch seine Verwendung erzielten
Verbesserung sind die Teile in Wirkungsweise und Ausbildung an sich bekannt. Eine
Grundplatte 20 der Zündeinrichtung trägt zwei vorstehende Klemmen 21 und
Laschen 21 a, an denen eine Isolierstoffplatte 22 befestigt ist, die eine
Mittelöffnung aufweist, durch die sich der Kolben 10 des Glimmschalters erstreckt.
Ein klinkenartiger Bimetallstreifen 23, der an der Ringscheibe 12 des Glimmschalters
befestigt ist, besitzt ein gekröpftes freies Ende 24, das eine Klinke darstellt,
die eine Feder 25 halten kann. Die Zündeinrichtung kann in geeigneter Weise in einem
Gehäuse 26, das eine isolierende Papiereinlage 27 enthält, untergebracht sein. Ein
von Hand betätigbarer Rückstellknopf 28 ermöglicht, die Feder 25 wieder in das gebogene
Ende 24 des Bimetallstreifens 32 einzuklinken, wenn dieser die Feder 25 freigegeben
hatte. Wenn die Zündeinrichtung beim Versuch, eine schadhafte Lampe zu zünden, eine
Anzahl von Zündzyklen ausführt, wird der Glimmschalter heiß, und ein ausreichender
Teil der entwickelten Wärme wird auf das Bimetallelement 32 weitergeleitet, so daß
das Klinkende 24 zurückschnappt und den Federdraht 25 freigibt. Dadurch wird der
Arbeitskreis der Zündeinrichtung, der über den Bimetallstreifen und den Federdraht
verläuft, unterbrochen, bis der Rückstellknopf 28 betätigt wird, der es gestattet,
den Federdraht 25 in die in F i g. 7 dargestellte Lage zurückzubringen. Der Vorteil
dieser Anordnung gegenüber der obenerwähnten bekannten Anordnung besteht darin,
daß keine getrennte Heizspule erforderlich ist, die notwendig wird, wenn die Schaltungsanordnung
einen Glimmschalter aus Glas enthält. Der Metallglimmschalter nach der Erfindung
ist ein wesentlich besserer Wärmeleiter als ein Schalter mit einem Glaskolben und
kann sich bei wiederholten Zündzyklen schnell erwärmen, wobei dann der Bimetallstreifen
23 deformiert und der Federdraht 25 freigegeben wird.
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Bei der neuartigen Anordnung gemäß der Erfindung mit den voneinander
unabhängigen Glimmelektroden- und Bimetallabständen kann der Bimetallabstand so
eingestellt werden, daß die verfügbare Wärme in gewünschter Weise ausgenutzt oder
gesteuert wird, ohne daß dabei der optimale Glimmelektrodenabstand verändert werden
muß. Insbesondere kann der Bimetallabstand beispielsweise etwa 1,2 mm gewählt werden,
um eine hohe Schließtemperatur des Bimetalls zum Betätigen einer Hilfseinrichtung
zu erhalten, die eine verhältnismäßig hohe Temperatur, wie z. B. 200° C, benötigt.
Dieser Abstand liegt weit über dem optimalen Glimmelektrodenabstand, wie er durch
die Erfindung angegeben wird. Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen ist es nicht
erforderlich, mit einem einzigen Abstand zu arbeiten, bei dessen Bemessung ein Kompromiß
eingegangen werden muß, der in vieler Hinsicht sowohl für die Glimmentladung als
auch für die Arbeitsweise des Bimetalls nicht richtig sein kann, um eine gewünschte
Temperatur und Arbeitsgeschwindigkeit zu ergeben.
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Die speziellen Lehren der Erfindung sind natürlich nicht auf die dargestellten
speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt, es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen
möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.