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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit einem Außengehäuse und
mindestens einem im Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar, wobei die Kontakte des Kontaktpaares zum Öffnen
und Schließen eines Stromkreises relativ zueinander beweglich
sind.
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Zur
Energieverteilung in Spannungsnetzen angeordnete elektromechanische
Schaltgeräte begrenzen oder öffnen den Stromfluss
im Netz. Zur Begrenzung des Stromflusses werden die zu einem Kontaktpaar
angeordneten metallischen Kontakte voneinander getrennt, wobei ein
Lichtbogen zwischen den beiden Kontakten erzeugt wird, der eine Brennspannung
in der Größenordnung der treibenden Spannung im
Netz aufweist. Der Lichtbogen bewirkt ein Abschmelzen von Oberflächenpartikeln
von den Kontakten. Die abgeschmolzenen Oberflächenpartikel
bilden zusammen mit erhitzter Luft aus der Umgebung des Lichtbogens
eine Schaltgaswolke, deren Volumen sich durch die Erwärmung
ausbreitet. Durch die Expansion des heißen Schaltgases
besteht die Gefahr der Beschädigung des Schaltergehäuses
durch Überhöhung des Innendruckes und bei Abströmung
des heißen Schaltgases aus dem Gehäuse die Gefahr
der übermäßigen Aufheizung von in der
unmittelbaren Umgebung des Leistungsschalters befindlichen Anlagen
oder der Gesundheitsgefährdung von sich in der Umgebung
des Leistungsschalters aufhaltenden Personen. Ebenfalls ergibt sich
durch den Ionengehalt des Gases die Gefahr einer Kurzschlussbildung
zwischen umgebenden stromführenden Teilen in einer Schaltanlage.
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Zur
Abkühlung der Schaltgase und damit zur Deionisierung der
Schaltgase werden üblicherweise ein- oder mehrlagige metallische
Gitter aus Drahtgeflechten oder Lochblechen sowie Stapel aus auf
Abstand gehaltenen Blechen eingesetzt. Die Bleche bestehen dabei
meist aus Stahl oder Kupfer beziehungsweise aus dementsprechenden
Legierungen. Durch den Einsatz der verwendeten Metallbleche oder
-geflechte wird erreicht, dass das an den Oberflächen der
Bleche anliegende Gas seine Wärme an die Bleche abgibt.
Zu diesem Zweck müssen die Bleche eine gute Wärmeleitfähigkeit
und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Kupfer weist eine gute Wärmeleitfähigkeit,
aber einen geringen Schmelzpunkt auf. Stahl weist eine nur geringe
Wärmeleitfähigkeit, aber dafür einen
hohen Schmelzpunkt auf. Das heißt, keiner der beiden üblicherweise
verwendeten Werkstoffe kann optimal mit dem abzukühlenden
Schaltgas zusammenwirken. Des Weiteren ist es für eine
effektive Wärmeübertragung vom Schaltgas auf die
Bleche notwendig, dass die Bleche mit einer großen Oberfläche
im Kontakt mit dem heißen Schaltgas sind. Der Strömungswiderstand
an beziehungsweise zwischen den Blechen soll dabei zum Zweck einer
zügigen Gasableitung gering sein.
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Dadurch,
dass dem heißen Schaltgas Wärmeenergie durch die
Löschbleche oder metallischen Gitter entzogen wird, sinkt
die Temperatur der Schaltgase ab, wodurch sich die Energie der Teilchen
der Schaltgase verringert und das Schaltgas deionisiert wird.
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Hinsichtlich
der Erläuterung von aus dem Stand der Technik bereits bekannten
Schaltgas-Kühleinrichtungen wird hiermit ausdrücklich
Bezug genommen auf die
deutsche
Patentanmeldung Aktenzeichen 10 2007 028 204.6 und dort
insbesondere auf die
1 und
2 sowie
den diese Figuren erläuternden Text.
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Aus
der
EP 1 229 609 A1 ist
eine Kabel-Steckverbindung bekannt, in die ein metallisches Schaumteil
integriert ist. Das metallische Schaumteil ist dabei in der einen,
aufnehmenden Hälfte der Steckverbindung in Anlage an ein
stromführendes Teil der Steckverbindungshälfte
angeordnet. Bei geschlossener Steckverbindung ist es ebenfalls in
Kontakt mit einem stromführenden Teil der einzusteckenden
Hälfte der Steckverbindung. Das heißt, mit dem metallischen
Schaumteil wird ein Stromfluss von der einzusteckenden Hälfte
der Steckverbindung in die aufnehmende Hälfte der Steckverbindung
realisiert. Insbesondere dient das metallische Schaumteil dazu,
beim Herausziehen des stromführenden Teils der einzusteckenden
Steckverbindungshälfte aus der aufnehmenden Steckverbindungshälfte
so lange wie möglich einen Stromfluss zwischen den beiden Steckverbindungshälften
zu realisieren, so dass eine Lichtbogenbildung zwischen den beiden
Steckverbindungshälften vermieden wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter mit
einem einfachen und kostengünstigen konstruktiven Aufbau
zur Verfügung zu stellen, mit dem sich zuverlässig
eine Gefahr der Beschädigung des Leistungsschalters und
ihn umgebender Bauteile und die Gefährdung von Personen vermeiden
lässt.
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Die
Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 beanspruchten Leistungsschalter
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Es
wird ein Leistungsschalter mit einem Außengehäuse
und mindestens einem im Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar zur Verfügung gestellt, wobei die Kontakte
des Kontaktpaares zum Öffnen und Schließen eines
Stromkreises relativ zueinander beweglich sind, wobei zwischen dem
Kontaktpaar und der Innenwandung des Außengehäuses
von den Stromführungsteilen des Leistungsschalters elektrisch
isolierter offenporiger Metallschaum angeordnet ist und das Außengehäuse
gasundurchlässig verschlossen ist.
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Die
Gasundurchlässigkeit bedeutet dabei, dass das Außengehäuse
derart geschlossen ist, dass im Inneren des Schalters entstandene
Schaltgase nicht in die den Schalter umgebende Atmosphäre
gelangen können.
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Die
Kontakte des Kontaktpaares sind dabei vorteilhafterweise derart
angeordnet, dass einer der Kontakte ein Festkontakt ist und der
andere Kontakt ein beweglicher Kontakt ist. Weitere Öffnungen
im Gehäuse des Leistungsschalters können zum Beispiel
zur Kabeldurchführung angeordnet sein, wobei sie dann aber
gegen den Metallschaum abgedichtet sind.
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Bei
der Öffnung der Kontakte entsteht zwischen diesen ein Lichtbogen,
der das Abschmelzen von Oberflächenpartikeln von den Kontakten
bewirkt. Die abgeschmolzenen Oberflächenpartikel bilden
zusammen mit erhitzter Luft aus der Umgebung des Lichtbogens eine
Schaltgaswolke, deren Volumen sich durch die Erwärmung
ausbreitet. Der Metallschaum ist offenporig ausgebildet, das heißt,
dass einzelne Poren oder Kapillaren, die sich in den Innenbereich
des Schaums erstrecken, an der Oberfläche des Schaums offen
sind und derart untereinander verbunden sind, dass ein Volumenstrom
durch den Schaum realisiert werden kann. Bei Volumenausbreitung
des erhitzten Schaltgases und damit Druckanstieg im Innenraum des
Schaltergehäuses wird das Schaltgas durch den offenporigen
Metallschaum geleitet. Das heißt, das heiße Schaltgas
strömt durch die untereinander verbundenen Poren beziehungsweise
Kapillaren des Metallschaums. Dadurch, dass der Metallschaum eine
sehr große Oberfläche ausbildet, ist es möglich,
eine große Oberfläche mit dem heißen
Schaltgas in Kontakt zu bringen. Dies bewirkt selbst bei dünnwandiger
Ausbildung des offenporigen Metallschaums eine effektive Wärmeübertragung
vom Schaltgas in den Metallschaum. Nach Durchströmung des
Metallschaumes weist das Schaltgas eine derart geminderte Temperatur
auf, dass die das Schaltgas bildenden Teilchen nicht mehr als Ionen,
sondern als Atome vorliegen. Das heißt, es ist eine wesentliche
Abkühlung des Gases vorgenommen worden, wodurch sich ebenfalls
das Volumen der Gasmenge im Leistungsschalter gemindert hat. Der
Leistungsschalter ist somit nur noch einem wesentlich verringerten
Innendruck ausgesetzt. Außerdem ist durch die Abkühlung
des Gases eine Gefahr der Beschädigung beziehungsweise
Gefährdung von den Leistungsschalter umgebenden Anlagen
oder Personen durch die Temperaturminderung weitgehend ausgeschlossen.
Durch die Deionisierung des Schaltgases und die Vermeidung des Austritts
des Schaltgases aus dem Leistungsschaltergehäuse wird ebenfalls
eine Kurzschlussbildung durch das Schaltgas an umgebenden stromführenden Schaltanlagenteilen
verhindert. Das hat zur Folge, dass zwischen einzelnen erfindungsgemäßen
Leistungsschaltern oder zu benachbarten weiteren stromführenden
Bauteilen oder Abschnitten keine Sicherheitsabstände eingehalten
werden müssen, wodurch das in einer Schaltanlage zur Verfügung
stehende Volumen optimal nutzbar ist.
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Weitere
Vorteile der Anordnung des Metallschaums im Leistungsschalter bestehen
darin, dass eine Anpassung an bestehende Leistungsschalterparameter
beziehungsweise an Lichtbogenparameter in einfacher Weise durch
Variationen der Geometrie, der Dichte und der Zellstruktur des verwendeten Me tallschaums
vorgenommen werden kann. Des Weiteren wird der Montageaufwand gegenüber
den mit einer Vielzahl von Bauelementen realisierten herkömmlichen
Ausführungsformen durch den Einsatz von Metallschaum beziehungsweise
Metallschaumwänden erheblich gemindert. Derartige Metallschaumwände
lassen sich in einfacher Weise auf ihr Endmaß durch Sägen
oder andere metallbearbeitungstypische Verfahren bearbeiten.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Metallschaum das Kontaktpaar allseitig
umgibt. Damit steht mehr Volumen an Metallschaum bei gleichzeitiger Minimierung
der Außenabmaße des Leistungsschalters zur Verfügung.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erfindungsgemäße
Leistungsschalter derart ausgestaltet, dass das Außengehäuse
eine Außenkammer des Leistungsschalters ausbildet und in
dieser eine Innenkammer des Leistungsschalters ausgebildet ist.
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Das
heißt, es wird ein Leistungsschalter mit einem Außengehäuse
und mindestens einem im Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar zur Verfügung gestellt, wobei die Kontakte
des Kontaktpaares zum Öffnen und Schließen eines
Stromkreises relativ zueinander beweglich sind, wobei zwischen dem Kontaktpaar
und der Innenwandung des Außengehäuses von den
Stromführungsteilen des Leistungsschalters elektrisch isolierter
offenporiger Metallschaum angeordnet ist und das Außengehäuse
gasundurchlässig verschlossen ist und das Außengehäuse
eine Außenkammer des Leistungsschalters ausbildet und in
dieser eine Innenkammer des Leistungsschalters ausgebildet ist.
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Insbesondere
in dieser Ausgestaltung ist die Innenkammer durch die Innenseite
der Metallschaumschicht und/oder durch Innenkammerwände mit Öffnungen
realisiert.
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Die
Innenkammer kann durch die Innenseite des Metallschaums ausgebildet
sein oder sie kann zum Beispiel durch Materialplatten realisiert
sein oder es kann eine Kombination aus beiden Ausgestaltungen vorgenommen
sein.
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Das
heißt, es wird ein Leistungsschalter mit einem Außengehäuse
und mindestens einem im Außengehäuse angeordneten
Kontaktpaar zur Verfügung gestellt, wobei die Kontakte
des Kontaktpaares zum Öffnen und Schließen eines
Stromkreises relativ zueinander beweglich sind, wobei zwischen dem Kontaktpaar
und der Innenwandung des Außengehäuses von den
Stromführungsteilen des Leistungsschalters elektrisch isolierter
offenporiger Metallschaum angeordnet ist und das Außengehäuse
gasundurchlässig verschlossen ist und das Außengehäuse
eine Außenkammer des Leistungsschalters ausbildet und in
dieser eine Innenkammer des Leistungsschalters ausgebildet ist,
wobei die Innenkammer durch Innenkammerwände mit Öffnungen
realisiert ist.
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Bei
Vorliegen von Innenkammerwänden mit Öffnungen
zum Metallschaum ergibt sich eine zweistufige Abkühlung
des Schaltgases, nämlich in einer ersten Stufe eine erste
Kühlung durch die als Gitter ausgeführte Wand
der Innenkammer von etwa 3500 K auf etwa 800 K, und in einer zweiten
Stufe eine zweite Kühlung durch das Passieren des Schaltgases
durch den Metallschaum von etwa 800 K auf etwa 300 K.
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In
der Ausgestaltung, in der die Innenkammer durch Öffnungen
aufweisende Kammerwände ausgebildet ist, kann ebenfalls
vor gesehen sein, dass in der Innenkammer neben dem Kontaktpaar Löschleitbleche
angeordnet sind und dass die Öffnungen in der Innenkammer
an der Seite der Innenkammer eingebracht sind, an der sich die Löschleitbleche
befinden.
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Vorzugsweise
ist dabei die Seite der Innenkammer, in die die Öffnungen
eingebracht sind, durch ein Metallgitter realisiert.
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Alternativ
dazu kann aber auch vorgesehen sein, dass die Öffnungen
in der Innenkammer über deren gesamte Fläche verteilt
sind.
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Das
bedeutet natürlich auch, dass die gesamte Innenkammer durch
Kammerwände realisiert ist.
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Zum
Zweck der Absicherung der Vermeidung von austretenden Schaltgasen
im Bereich von Leitungsführungen ist vorgesehen, dass die
mit den Kontakten verbundenen Stromleitungen derart gekapselt durch
den Metallschaum hindurchgeführt sind, dass sie innerhalb
des Außengehäuses nicht mit Schaltgasen in Kontakt
kommen.
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Erfindungsgemäß wird
außerdem eine Schalteinheit mit offenen stromführenden
Bauelementen oder offenen stromführenden Leitungsabschnitten
zur Verfügung gestellt, die wenigstens einen erfindungsgemäßen
Leistungsschalter umfasst.
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Eine
solche Schalteinheit ist zum Beispiel ein Schaltschrank. Offene
Bauelemente oder Leitungsabschnitte sind dabei elektrische leitende
Elemente beziehungsweise Bauteile oder Bereiche von diesen, die
sich an der Atmosphäre befinden, so dass bei Kontakt mit
ionisiertem Schaltgas die Gefahr der Lichtbogen- und Kurzschlussbildung
besteht.
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Die
Schalteinheit kann dabei eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen
Leistungsschaltern umfassen, wobei diese Leistungsschalter aneinander
anliegend oder in unmittelbarer Nähe zueinander in der Schalteinheit
angeordnet sein können.
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Durch
die Abgeschlossenheit beziehungsweise Gasundurchlässigkeit
der Leistungsschalter besteht keine Kurzschlussgefahr zu angrenzenden stromführenden
Bauteilen oder Elementen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines offenporigen
Metallschaums als Kühlstruktur zur Wärmeableitung
aus in einem elektrischen Schaltprozess entstandenen Schaltgasen
in einem ein geschlossenes Außengehäuse umfassenden
Leistungsschalter.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigt dabei die einzige Figur einen erfindungsgemäßen
Leistungsschalter in Schnittansicht von vorn.
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In
der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter
in Schnittansicht dargestellt. Die Außenkontur des Leistungsschalters 1 wird durch
sein Außengehäuse 10 bestimmt. In diesem Außengehäuse 10,
welches eine Außenkammer 40 ausbildet, ist im
Inneren eine Innenkammer 50 angeordnet. Zwischen der Außenkammer 40 und
der Innenkammer 50 ist Me tallschaum 30 angeordnet.
Im Inneren der Innenkammer 50 sind zwei Kontakte 21 und 22 derart
relativ zueinander beweglich angeordnet, dass sie zum Öffnen
und Schließen eines Stromkreises dienen. In der Figur ist
ein beim Öffnen der Kontakte 21 und 22 entstandener
Lichtbogen 23 zwischen diesen Kontakten 21 und 22 dargestellt.
Dieser Lichtbogen 23 entsteht bei Kontaktöffnung
und entsprechend hohen anliegenden Spannungen und Stromstärken.
An die Kontakte 21 und 22 sind weitere Stromleitungen 70 angeschlossen.
Diese führen aus der Innenkammer 50 sowie der
Außenkammer 40 des Leistungsschalters 1 heraus.
Neben den Kontakten 21 und 22 sind Löschleitbleche 60 zur
Löschung des Lichtbogens 23 angeordnet.
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In
der dargestellten Ausführungsform wird die Innenkammer 50 durch
Innenkammerwände 51 realisiert. Das heißt,
dass der Metallschaum 30 zwischen der Innenwandung 11 des
Außengehäuses 10 und den Innenkammerwänden 51 der
Innenkammer 50 angeordnet ist. Vorteilhafterweise liegt
der Metallschaum 30 an der Innenwandung 11 und
an den Innenkammerwänden 51 an. Im Bereich der
Löschleitbleche 60 weisen die Innenkammerwände 51 Öffnungen 52 zur
Herausleitung der durch den Lichtbogen 23 entstandenen
Schaltgase in den die Innenkammer 50 umgebenden Metallschaum 30 auf.
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Das
heißt, dass bei Entstehung eines Lichtbogens 23 zwischen
den Kontakten 21 und 22 das in der Innenkammer 50 enthaltene
Gas, welches üblicherweise Luft ist, derart erhitzt wird,
dass Gasbestandteile als freibewegliche Ladungsträger vorhanden
sind. Ein Austritt dieser freibeweglichen Ladungsträger
aus dem Leistungsschalter 1 würde eine Kurzschlussgefahr
zu umliegenden stromführenden Bauteilen oder Bauelementen
bewirken. Mittels des erfindungsgemäßen Leistungsschalters 1 lässt
sich effektiv eine Abkühlung der Schaltgase erzielen sowie ein
Austritt der Schaltgase aus dem Leistungsschalter 1 vermeiden.
Die durch den Lichtbogen 23 erzeugten Schaltgase treten
unter relativem hohen Druck durch die Öffnungen 52 in
den Innenkammerwänden 51 aus der Innenkammer 50 heraus
und in den Metallschaum 30 ein. Durch die porenartige Struktur
des Metallschaums 30 und die damit zur Verfügung
gestellte große Oberfläche wird effektiv eine Abgabe
an Wärmeenergie vom Schaltgas an den Metallschaum realisiert.
Das heißt, dass im Wesentlichen eine zweistufige Abkühlung
im Inneren des Leistungsschalters 1 vorgenommen wird, nämlich
in einer ersten Stufe die Abgabe von Wärmeenergie vom Schaltgas
an die Innenkammerwände 51, die, soweit sie mit Öffnungen 52 versehen
sind, wie Metallgitter wirken, und in einer zweiten Stufe durch
die Aufnahme von Wärmeenergie im Metallschaum. Durch die
Minderung der Temperatur um einen relativ großen Betrag
wird dementsprechend das Volumen der Schaltgase reduziert.
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Das
heißt, dass durch die Abkühlung eine Deionisierung
der Schaltgase zum Zweck der Verhinderung der Kurzschlussgefahr
realisiert wird und außerdem aufgrund der temperaturbedingten
Volumenminimierung eine weitere Expansion der Schaltgase verhindert
wird, so dass die Schaltgase innerhalb des Außengehäuses 10 beziehungsweise
der Außenkammer 40 des Leistungsschalters 1 gehalten
werden können.
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Um
eine effiziente Abdichtung der Innenkammer 50 des Leistungsschalters 1 gegenüber
der Atmosphäre zu erreichen, ist vorgesehen, dass wie in der
Figur dargestellt die Stromleitungen 70 durch Durchführungen 80,
die sich vom Innenraum des Leistungsschalters 1 bis an
die äußere Umgebung erstrecken, geführt
sind. Diese Durchführungen 80 sind gegenüber
dem Metallschaum 30 gasundurchlässig ausgeführt.
Ebenfalls ist eine Abdichtung der Durchführungen 80 gegenüber
der Innenkammer 50 realisiert, so dass keine Schaltgase
aus dem Innenraum des Leistungsschalters 1 durch die Durchführungen 80 in
die äußere Umgebung abströmen können.
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- 1
- Leistungsschalter
- 10
- Außengehäuse
- 11
- Innenwandung
- 21,
22
- Kontakte
- 23
- Lichtbogen
- 30
- Metallschaum
- 40
- Außenkammer
- 50
- Innenkammer
- 51
- Innenkammerwände
- 52
- Öffnungen
- 60
- Löschleitbleche
- 70
- Stromleitungen
- 80
- Durchführungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007028204 [0005, 0031]
- - EP 1229609 A1 [0006]