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Gebiet der Erfindung:
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Diese Erfindung betrifft Verbesserungen
an elektrischen Heizelementen und insbesondere elektrische Heizelemente
des sogenannten Dickfilmtyps, welche eine auf einem Substrat gebildete
Widerstandsheizspur oder -schicht, beispielsweise eine auf einem
Edelstahlsubstrat gebildete gedruckte Farb- bzw. Tintenspur, aufweisen,
wobei sich zwischen dem Substrat und der Spur eine Isolierschicht
befindet und vorzugsweise eine weitere Isolierschicht über der
Spur liegt. Die Erfindung betrifft insbesondere Dickfilm-Heizelemente
für Wasserkochkessel,
wie beispielsweise Haushalts-Wasserheizkessel und Heißwasserkannen,
sie kann jedoch auch breiter angewendet werden.
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Hintergrund der Erfindung:
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Es sind Steuerungen wohlbekannt,
die dafür ausgelegt
sind, die Leistungsversorgung für
elektrische Heizelemente auszuschalten, falls das Element überhitzt.
Es ist weiterhin bekannt, daß ein
spezielles Problem auftreten kann, falls Dickfilm-Heizelemente in
Kesseln und Heißwasserkannen
auf einer Neigung betrieben werden, wobei das Gerät beispielsweise auf
einer geneigten Ablaufplatte steht und ein lokales Überhitzen
des Elements auftreten kann, was zum Versagen des Heizelements führt, falls
irgendein Teil der Heizelementspur über dem Wasserpegel in dem Gerät freigelegt
wird. Weil Dickfilm-Heizelemente eine geringe thermische Masse und
eine begrenzte seitliche Wärmeübertragungsfähigkeit
aufweisen, macht jeder Teil der Heizelementspur, der über dem Wasserpegel
freigelegt wird, einen schnellen Temperaturanstieg durch, was zu
einem Versagen des Elements führen
kann. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn der Deckel eines
Kessels nicht aufgesetzt wird, so daß das Wasser beim Sieden verdampft,
während
der Kessel auf einer leichten Neigung steht.
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Es wurden Vorschläge zum Lösen dieses Problems gemacht.
In DE-A-1 954 770.5 (Stiebel Eltron) wurde beispielsweise der Vorschlag
gemacht, das Heizelement mit einer Gegenneigung zu versehen, diese
einfache Lösung
schützt
jedoch nur für eine
begrenzte Neigung und in nur einer Achse. In GB-A-2 316 847 wurde
der Vorschlag gemacht, einen gewissen Teil des Heizelementsubstrats
anzuheben, so daß der
angehobene Teil zuerst einer Tendenz des Elements zum Trockensieden
ausgesetzt ist, und in EP-A-O 715 483 wurde der Vorschlag gemacht, mehrere
PTCR-Sensoren (Sensoren mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten)
oder andere Sensoren um die Peripherie des Heizelements anzuordnen,
so daß,
unabhängig
von der bestimmten Neigung des Elements, wenigstens ein Sensor auf
eine Übertemperaturbedingung
des Elements anspricht. Bei all diesen Vorschlägen treten Herstellungsschwierigkeiten
und/oder erhöhte
Kosten, insbesondere beim Heizelement-Steuersystem, auf.
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Eine weitere Schwierigkeit, die sich
in Hinblick auf das Bereitstellen eines Übertemperaturschutzes für Dickfilm-Heizelemente ergibt,
rührt von ihrer
geringen thermischen Masse her, was zu hohen Temperaturanstiegsraten
während
Trockensiedebedingungen führt,
insbesondere wenn das Heizelement bei Nichtvorhandensein von Kühlwasser
mit Energie versorgt wird. Um hiervor zu schützen, ist eine schnell ansprechende
thermische Selbstschaltervorrichtung erforderlich. Um ein solches
schnelles Ansprechen zu erreichen, ist in der Spur bzw. den Spuren,
die dem thermischen Betätigungselement der
Heizelement-Übertemperatur-Schutzsteuerung Wärme zuführen, eine
hohe Leistungsdichte erforderlich, was wegen der thermischen Isolation
der dielektrischen Schicht (der dielektrischen Schichten) und des
Substrats des Heizelements zu einer hohen Betriebstemperatur dieser
Heizelementspur führt. Dies
bedeutet, daß ein
thermisches Betätigungselement
erforderlich ist, das so eingestellt ist, daß es bei einer hohen Temperatur
arbeitet, woraus sich, zumindest in Hinblick auf die Kosten, auf
die Herstellung und die Einstellung einer stabilen, durch Schnappen wirkenden
Bimetallvorrichtung, die bei den erforderlichen Temperaturen arbeitsfähig ist,
Schwierigkeiten ergeben. Typischerweise würde die Temperatureinstellung
für einen Übertemperaturschutz
eines Tauchheizelements des Mineral-isolierten, Metall-umhüllten Widerstandsheiztyps
oder eines Unterboden-Heizelements mit einem solchen Metall-umhüllten Heizelement,
das an seine untere Fläche
geklemmt oder geklammert ist, 135 ± 15°C betragen, während die äquivalente
Temperatureinstellung für ein
Dickfilm-Heizelement um 180 ± 5°C beträgt, wobei
sich die engere Toleranz aus dem Problem eines langsameren Ansprechens
eines Bimetalls mit einer zu hohen Einstellung ergibt.
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Es ist anhand des vorstehend Erwähnten verständlich,
daß spezielle
Probleme gelöst
werden müssen,
falls ein Dickfilm-Heizelement,
das möglicherweise
auf einer geneigten Fläche
betrieben wird, mit einem effektiven Übertemperaturschutz für das Heizelement
zu versehen ist, so daß beim
Gebrauch ein unbestimmter Teil des Heizelements vor jedem anderen
Teil einer Überhitzung
ausgesetzt wird.
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Aufgaben und Zusammenfassung
der Erfindung:
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Eine Hauptaufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen oder
wenigstens erheblich zu verringern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein Dickfilm-Heizelement
einen Haupt-Heizabschnitt und elektrisch parallel dazu geschaltet
mehrere parallel geschaltete Spurabschnitte mit einem NTCR-Verhalten
(mit einem negativen Widerstandstemperaturkoeffizienten), die in
Reihe mit einem Spurabschnitt mit einem PTCR-Verhalten geschaltet
sind, auf, wobei die mehreren NTCR-Spurabschnitte um den Haupt-Heizspurabschnitt
herum verteilt sind.
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Beim Betrieb eines solchen Heizelements mit
einer Element-Übertemperatur-Schutzvorrichtung,
die so eingerichtet ist, daß sie
auf die Temperatur des PTCR-Spurabschnitts anspricht und ansprechend
auf eine erfaßte Übertemperaturbedingung
die Elektrizitätszufuhr
zu allen Teilen des Heizelements abschaltet, bewirkt der Betrieb
des Heizelements an einer Neigung, so daß einer der NTCR-Spurabschnitte
zuerst freigelegt wird, falls das Heizelement trockensiedet, daß die Temperatur
des jeweiligen NTCR-Spurabschnitts ansteigt. Dies verringert wiederum
den Widerstand des jeweiligen NTCR-Spurabschnitts, wodurch ein erhöhter Stromfluß durch den
in Reihe geschalteten PTCR-Spurabschnitt auftritt. Abhängig vom
Gesamt-Schaltungswiderstand, wird er durch den erhöhten Strom,
der durch den NTCR-Spurabschnitt fließt, weiter erwärmt, und
sein Widerstand wird dadurch weiter verringert, wodurch die Wirkung
verstärkt
wird. Die Temperatur des PTCR-Spurabschnitts
steigt an, wodurch sein Widerstand erhöht wird, so daß ein zunehmender
Teil der Versorgungsspannung daran abfällt. Dies führt zu einer unproportionalen
Erhöhung
der im PTCR-Spurabschnitt verbrauchten Leistung, wodurch seine Temperatur
erhöht
wird, selbst wenn er noch unter dem Wasserpegel liegt. Diese Temperaturerhöhung des
PTCR-Spurabschnitts wird durch die Heizelement-Übertemperatur-Schutzvorrichtung
erfaßt,
die das Heizelement abschaltet, bevor ein Teil des Haupt-Heizabschnitts über dem
Wasserpegel freigelegt wird, wodurch jegliche Beschädigung verhindert wird.
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Die Anordnung kann derart sein, daß der PTCR-Spurabschnitt
mit den NTCR-Spurabschnitten über
dem Haupt-Heizabschnitt
des Heizelements verteilt ist. Bei einer solchen Anordnung kann
der PTCR-Spurabschnitt der Abschnitt sein, der zuerst freigelegt
wird, wenn das Heizelement trockensiedet. Dies führt dazu, daß die Temperatur
des PTCR-Spurabschnitts
zunimmt, was durch den PTCR-Effekt verstärkt wird, so daß die Heizelement-Übertemperatur-Schutzvorrichtung
wieder betätigt
wird.
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Die vorstehenden und weitere Merkmale
der vorliegenden Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen dargelegt
und lassen sich am besten beim Lesen der folgenden detaillierten
Beschreibung einer als Beispiel dienenden Ausführungsform verstehen, die in
der anliegenden Zeichnung erläutert
ist.
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Beschreibung der Zeichnung:
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1 ist
eine schematische Darstellung des Spurlayouts einer als Beispiel
dienenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und
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2 ist
ein schematischer Schaltplan, der das in 1 gezeigte Spurlayout darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsform:
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In 1 ist
eine Draufsicht des Spurlayouts eines Dickfilm-Heizelements gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Es sei bemerkt, daß die Abmessungen und Proportionen
der Spuren nur schematisch angegeben sind und keine praktische Form
darstellen, wobei ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Entwicklung
von Dickfilm-Heizelementen in der Lage sein wird, das schematisch
dargestellte Layout aus 1 in
eine praktische Form umzuwandeln.
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Das Dickfilm-Heizelement 1 aus 1 könnte beispielsweise ein Edelstahl-Scheibensubstrat
mit einer elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise aus Glas,
die auf einer oder beiden Hauptflächen ausgebildet ist, aufweisen.
Das Spurmuster wird dann, beispielsweise durch einen Siebdruckprozeß, bei dem
eine elektrisch leitfähige
Tintenpaste verwendet wird, die nach dem Aufbringen gebrannt wird, auf
der Isolierschicht ausgebildet. Es kann dann eine darüberliegende
elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise aus Glas, über dem
Spurmuster bereitgestellt werden, um dieses zu schützen.
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Wie dargestellt ist, weist das Spurmuster
einen Haupt-Heizabschnitt 2,
der den größeren zentralen
Teil des Heizelements 1 belegt, und vier damit parallel
geschaltete NTCR- Spurabschnitte 3,
die durch Verbindungsspuren 4, welche aus einem elektrisch stark
leitfähigen
Material, wie Silber, gebildet sind, parallel zueinander geschaltet
sind, und einen PTCR-Spurabschnitt 5, der, wiederum durch
elektrisch stark leitfähige
Spuren (beispielsweise aus Silber), in Reihe mit den vier NTCR-Spurabschnitten 4 geschaltet
ist, auf. Ein erster Anschlußabschnitt 6 und
ein zweiter Anschlußabschnitt 7,
die aus einem elektrisch stark leitfähigen Material, wie Silber,
bestehen, sind zum Anschluß an
die aktiven bzw. neutralen Leitungen der elektrischen Netzversorgung
bereitgestellt, wobei der neutrale Anschluß 7 mit einem Ende
der Haupt-Heizelementspur 2 verbunden ist und der aktive
Anschluß 6 mit
einem weiteren Anschlußabschnitt 8 verbunden
ist, der als ein Verbindungspunkt für einen Anschluß einer
thermischen Selbstschaltervorrichtung (nicht dargestellt) dient, der
andere Anschluß der
Selbstschaltervorrichtung beim Gebrauch mit einem anderen Anschlußabschnitt 9 der
Heizelementspur verbunden ist und der Anschlußabschnitt 9 mit dem
anderen Ende der Haupt-Heizelementspur 2 verbunden ist.
Es ist ersichtlich, daß die
Anschlußabschnitte 7 und 9 auch mit
dem Feld von NTCR-Spurabschnitten 3 und dem in Reihe geschalteten
PTCR-Spurabschnitt 5 verbunden sind.
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2 zeigt
einen schematischen Schaltplan der Anordnung des in 1 dargestellten Heizelements.
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Es ist in 1 ersichtlich, daß der Hauptspurabschnitt 2 von
den vier NTCR-Spurabschnitten 4 und dem PTCR-Spurabschnitt 5 umgeben
ist. Falls das Heizelement auf einer Neigung betrieben wird und
trocken siedet, beispielsweise weil der Deckel eines zugehörigen Geräts fortgelassen
wurde, wird zuerst eine der Sensorspuren, nämlich der NTCR-Spuren 4 und
der PTCR-Spur 5, freigelegt, und ihre Temperatur steigt
an. Falls es sich um einen NTCR-Spurabschnitt 4 handelt,
nimmt sein Widerstand ab, wodurch ermöglicht wird, daß ein erhöhter Strom
durch den PTCR-Spurabschnitt 5 fließt. Abhängig vom Gesamt-Schaltungswiderstand
erwärmt
der zunehmende Strom, der durch den NTCR-Spurabschnitt fließt, diesen
weiter und verringert seinen Widerstand, wodurch die Wirkung verstärkt wird.
Die Temperatur des PTCR-Spurabschnitts 5 steigt an, wodurch
sein Widerstand erhöht
wird, wodurch der Anteil der Versorgungsspannung, der daran abfällt, weiter
erhöht
wird. Dies führt
zu einer nicht proportionalen Erhöhung der in dieser Spur verbrauchten
Leistung, wodurch seine Temperatur ansteigt, selbst wenn er sich
noch unter dem Wasserpegel befindet. Diese Temperaturerhöhung kann
durch eine thermische Selbstschaltervorrichtung erfaßt werden,
die das Element ausschaltet, bevor ein Teil der Haupt-Leistungsspur 2 über dem Wasserpegel
freigelegt wird, wodurch jegliche Beschädigung verhindert wird. Falls
der Spurabschnitt, der zuerst freigelegt wird, der PTCR-Spurabschnitt 5 ist,
nimmt seine Temperatur, durch den PTCR-Effekt verstärkt, zu, und die thermische
Selbstschaltervorrichtung wird ausgelöst. Demgemäß kann es eine einzige thermische
Selbstschaltervorrichtung erfassen, falls eine der Sensorspuren,
entweder einzeln oder zwei teilweise, durch eine Neigung des Heizelements
in einer Achse freigelegt wird.
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Die Ausführungsform ist ein Beispiel
der Arbeitsweise der Erfindung, und sie verwendet vier parallele
NTCR-Spurabschnitte in Reihe mit einem einzigen PTCR-Spurabschnitt.
Unter der Annahme, daß die
in allen fünf
Sensorspuren erzeugte Leistung die gleiche ist und daß die Leistungsdichte
um 10 Watt je Quadratzentimeter beträgt, ergibt sich bei einem typischen
Element eine Arbeitstemperatur von 120°C. Um dies zu erreichen, muß der Widerstand
der PTCR-Spur 1/16 des Widerstands von jeder der NTCR-Spuren betragen,
wobei ein NTCR und ein PTCR von 0,006/°C angenommen wird, was für geeignete
Materialien typisch ist. Bei einem Layout in der Art des dargestellten
weisen die Sensorspuren bei der Arbeitstemperatur von 120°C eine Ausgangsleistung
von jeweils 28 Watt auf. Falls das Freilegen von einer der NTCR-Spuren 4 zu
einem Temperaturanstieg von 100°C
in dieser führt,
fällt sein
Widerstand auf 40% ab, und der Gesamtwiderstand der parallelen NTCR-Spuren
fällt auf
73% ihres Werts bei 120°C
ab. Dies führt
zu einer Leistungserhöhung
im PTCR-Spurabschnitt von über
100% infolge des erhöhten
Stroms und des Temperaturanstiegs der PTCR-Spur. Der Temperaturanstieg
der PTCR-Spur ist in etwa proportional zur Leistungserhöhung, so daß erwartet
wird, daß ihre
Temperatur in etwa auf 220°C
ansteigt, wenngleich dieser Teil des Elements noch untergetaucht
war.
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Wie anhand dieser vereinfachten Analyse
ersichtlich ist, ermöglicht
die Erfindung nicht nur das sichere Betreiben von Heizelementen
an einer Neigung, sondern sie ermöglicht auch die Verwendung von
Bimetallsensoren, weil die niedrige Arbeitstemperatur des PTCR-Spurabschnitts 5 ermöglicht,
daß Bimetalle
mit einer viel niedrigeren Funktionseinstellung verwendet werden,
während
der hohe Temperaturanstieg bei Fehlerbedingungen bedeutet, daß eine breite
Blattoleranz verwendet werden kann.
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Das dargestellte Spurlayout ist nur
eine mögliche
Konfiguration. Es könnte
auch eine andere Anzahl von NTCR-Spurabschnitten
parallel, in Reihe mit dem PTCR-Teil, verwendet werden. Je geringer die
Anzahl der parallel geschalteten NTCR-Spurabschnitte ist, desto
größer ist
die Wirkung auf den Widerstand der Kombination und desto größer ist
die Wirkung auf den PTCR-Spurabschnitt. Eine kleinere Anzahl von
NTCR-Spurabschnitten bedeutet jedoch, daß sie jeweils einen größeren Bogenwinkel überdecken
müssen,
wodurch sie weniger empfindlich für Neigungswinkel werden können, weil
nur ein Teil des Bogens freigelegt wird. Es ist möglich; daß fünf NTCR-Spurabschnitte
(bei einer gegebenen Widerstandsverringerung auf 77% im vorstehenden
Beispiel) das Maximum sind, bei dem sich eine wirksame Widerstandsänderung
ergibt, während
drei NTCR-Spurabschnitte (eine Verringerung auf 67%) ein guter Kompromiß zum Erzielen
einer angemessenen Neigungsempfindlichkeit wären. Natürlich könnte auch eine Anzahl von NTCR-
und PTCR-Schaltungen verwendet werden, die jeweils ihre eigene thermische
Selbstschaltervorrichtung aufweisen, um einen Schutz für Heizelemente
mit einem sehr großen
Durchmesser bereitzustellen, und die Erfindung könnte für Heizelemente eines beliebigen
Profils angepaßt
werden. Gemäß der Ausführungsform
ist der PTCR-Spurabschnitt
an der Peripherie des Elements angeordnet und mit den NTCR-Spurabschnitten
ausgerichtet, der PTCR-Spurabschnitt könnte sich jedoch an einer beliebigen
Stelle am Heizelement befinden, beispielsweise so, daß er mit
unserem X4-Schutzsystem ausgerichtet ist, das in unserer britischen
Patentanmeldung 9 808 484.1 beschrieben ist.
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Das Neigungsschutzsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann mit anderen Elementsteuersystemen, beispielsweise
dem Dampflos-Steuersystem aus unserer britischen Patentanmeldung
9 816 645.7, oder einer beliebigen einfachen Elementschutzsteuerung
in der Art der in GB-A-2 283 156 beschriebenen X2-Steuerung kombiniert
werden. Die PTCR-Spur könnte
so angeordnet werden, daß sie eines
der X4-Bimetalle betätigt,
während
das andere Bimetall herkömmlicherweise
durch die Hauptheizspur betätigt
werden könnte.
Hierdurch würde
die Anzahl der erforderlichen Bimetalle mit einer hohen, engen Toleranz
verringert werden. Alternativ könnten zwei
NTCR/PTCR-Schaltungen verwendet werden, wobei jede PTCR-Spur eines der X4-Bimetalle
betätigt.
Die Grenze für
diese Anordnungen ist die Elementtopologie, die die Formen und Schaltungen
begrenzt, die wegen der Schaltungskomplexität, die sie verursachen, sowie
der Notwendigkeit, eine gleichmäßige hohe
Leistungsdichte über
einen möglichst großen Teil
des Elements zu erreichen, um die Elementfläche und die Kosten zu minimieren,
praktisch verwendbar sind.
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Ein Merkmal dieser Erfindung besteht
darin, daß sie
zu einer instabilen Schaltung führen
kann, bei der die NTCR-Spuren
bewirken, daß der
Gesamt-Meßschaltungswiderstand
abfällt,
wenn der Strom ansteigt, was zu einem thermischen Durchgehen führt, das,
falls es nicht gesteuert wird, die Sensorspuren zerstört. Diese
Instabilität
kann vorteilhaft verwendet werden, um das Ansprechen des Systems auf
Fehlerbedingungen zu beschleunigen und die Temperatur der PTCR-Spur schneller
zu erhöhen,
als dies die niedrige Leistungsdichte oder die niedrige Anfangstemperatur
nahelegen. Die Bedingungen hierfür
werden erfüllt,
wenn der Widerstand der PTCR-Spur und/oder ihr Widerstandstemperaturkoeffizient
viel niedriger ist als beim NTCR-Netzwerk. Dieses Beispiel, wenngleich
es viel einfacher ist, läßt sich
einfacher auf die Prinzipien der Entwicklung von Kampfflugzeugen
anwenden, die aerodynamisch instabil sind, so daß sie viel schneller auf die
Steuerungen reagieren können.
Dies steht im Gegensatz zu dem in unserer britischen Patentanmeldung
9 816 645.7 gemachten Vorschlag, die Stabilität des Dampflos-Steuersystems
zu verbessern, bei dem die Wirkungen der NTCR-Spur dadurch gesteuert
werden, daß ein
PTC-Widerstand mit einem viel größeren Ballast
bereitgestellt wird. In diesem letztgenannten Fall beseitigt jede
Instabilität
Vorteile der bereitgestellten Spannungskompensation.
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Eine weitere Variation der vorliegenden
Erfindung würde
darin bestehen, nur den Hauptteil des Heizelements auszuschalten,
wenn die thermische Selbstschaltervorrichtung betätigt wird,
wodurch die Meßschaltung
mit Energie versorgt bleibt. Die Wärme hiervon würde verhindern,
daß die
Selbstschaltervorrichtung zurückgesetzt
wird, wodurch effektiv ein manuelles Rücksetzen durch eine thermische Selbstschaltervorrichtung
mit aufrechterhaltener Spannung bereitgestellt wird. Hierzu wäre es erforderlich,
daß die
Sensorschaltung nicht thermisch durchgeht, wie vorstehend beschrieben
wurde, sondern einen stabilen Zustand bei einer ausreichend niedrigen
Temperatur aufweist.
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Die Erfindung wurde hier mit Bezug
auf ein spezifisches Beispiel und mögliche Modifikationen beschrieben,
und es sei bemerkt, daß die
beschriebene Ausführungsform
in jeder Hinsicht als Beispiel dient und daß Modifikationen und Abänderungen
davon, die über
die beschriebenen hinausgehen, möglich
sind, ohne vom in den anliegenden Ansprüchen dargelegten Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen.