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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrolyseanlagen
oder -zellen. 1 zeigt schematisch eine Elektrolyseanlage 100,
die für die
Fluorerzeugung verwendet wird. Die Anlage 100 besteht aus
einer Wanne 101, die einen Elektrolyten 102, beispielsweise
eine Flußsäurelösung (HF)
enthält
und in den zwei Reihen von Elektroden, nämlich eine erste Reihe von
Kathoden 103 und eine zweite Reihe von Anoden 104 eingetaucht
sind. Die Anoden 104 sind auf jeder Seite einer Sammelschiene
(oder „bus
bar") 105 befestigt
und elektrisch verbunden. Die Sammelschiene 105 dient sowohl
als Träger
als auch als Elektrolysestromverteiler für die Anoden 104.
In wohl bekannter Weise ist die Sammelschiene 105 über Leiter 106,
die in Gewindestangen 107 angeordnet sind, mit dem positiven
Anschluß eines
(in der Fig. nicht dargestellten) Gleichstromgenerators verbunden,
während
die Kathoden 103 mit dem negativen Anschluß des Generators
verbunden sind. Die Anoden 104 sind auf jeder Seite der
Sammelschiene 105 in Längsrichtung
verteilt und erstrecken sich über
die Unterseite 105a der Sammelschiene hinaus.
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2 zeigt
die Elektrolyseanlage 100 während ihres Betriebs, d. h.
wenn die Elektroden 103, 104 in den Elektrolyt
eingetaucht sind und über
den Gleichstromgenerator versorgt werden. Im Fall beispielsweise
eines aus Flußsäure bestehenden
Elektrolyts führt
die Elektrolyse zu einer Freisetzung von Blasen aus gasförmigem Fluor 108 im
Bereich der Anoden 104 sowie zu einer Freisetzung von Wasserstoffblasen 109 im
Bereich der Kathoden 103. Die Blasen dieser beiden gasförmigen Spezies
steigen zur Oberfläche
des Elektrolyten auf und werden durch (in der Fig. nicht dargestellte)
unabhängige
Leitungen im Bereich des oberen Teils der Elektrolyseanlage 100 gesammelt.
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Die
Blasen aus gasförmigem
Fluor 108 führen
zur Korrosion sowie zur Erosion oder zum Verschleiß der Elemente
der Anlage, mit denen sie während
der Elektrolyse in Kontakt gelangen. Wegen ihrer chemischen Beschaffenheit
sind die Blasen 108 nämlich
sehr korrosiv, und ihr Aufsteigen zur Oberfläche des Elektrolyten führt zu einem
Erosionsphänomen
an den Anoden 104 und ganz besonders an der Sammelschiene 105,
deren Unterseite 105a gewissermaßen alle an den Innenwänden der
Anoden 104 freigesetzten Fluorblasen aufnimmt, wobei sich
diese Blasen anschließend
entlang der Unterseite 105a bewegen, bis sie einen Weg
zur Oberfläche
des Elektrolyten 102 finden.
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Demzufolge
ist es in jeder Elektrolyseanlage, die eine oder mehrere korrosive
gasförmige
Spezies erzeugt, aufgrund der durch die Gasabgabe hervorgerufenen
Korrosion und Erosion erforderlich, die Sammelschiene und die Anoden
häufig
auszuwechseln.
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Um
dieses Problem zu beheben, besteht eine Lösung darin, die Sammelschiene
sowie eventuell die Anoden mit Graphit auszubilden, ein Material,
das dafür
bekannt ist, eine gute Korrosionsbeständigkeit aufzuweisen. Selbst
wenn Graphit im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten metallischen
Materialien eine erhöhte
Widerstandsfähigkeit gegenüber dem
Korrosions-Erosions-Phänomen
aufweist, ermöglicht
dieser jedoch nicht, die Zerstörung der
Anoden und vor allem der Sammelschiene im Laufe der Elektrolysen
zu verhindern. Auch wenn die Sammelschienen aus Graphit bestehen,
müssen
sie häufig
ausgewechselt werden. Bei jedem Auswechselvorgang müssen die
Elektrolyseanlage angehalten und folglich die Erzeugung gasförmiger Spezies gestoppt
werden. Der Verschleiß der
Sammelschienen durch das Korrosions-Erosions-Phänomen führt demzufolge zu Stillstandszeiten
der Elektrolyseanlage, die wünschenswerterweise
verkürzt
werden sollen, um den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gestaltungslösung vorzuschlagen,
die ermöglicht, eine
Sammelschiene einer Elektrolyseanlage vor dem durch die Freisetzung
gasförmiger
Spezies während
der Elektrolyse hervorgerufenen Korrosions-Erosions-Phänomen zu
schützen
und somit ihre Lebensdauer zu erhöhen.
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Zu
diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung eine Tragvorrichtung
für Elektroden
in einer Elektrolyseanlage, wobei der Träger eine Sammelschiene aufweist,
an der Elektroden befestigt sind, wobei die Elektroden auf jeder
Seite der Sammelschiene angeordnet sind und sich vertikal unterhalb der
Schiene erstrecken, wobei die Sammelschiene und die Elektroden dazu
bestimmt sind, wenigstens teilweise in einen Elektrolyten eingetaucht
zu werden, der eine oder mehrere gasförmige Spezies korrosiver Art
freisetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner ein
Schutzelement umfaßt,
das unter der Sammelschiene angeordnet ist sowie eine Länge und
eine Breite aufweist, die wenigstens gleich denjenigen der Sammelschiene
sind, und daß das
Schutzelement aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Material besteht.
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So
wird durch Anordnen eines Kohlenstoff/Kohlenstoff-Elements unter
der Sammelschiene letztere gegenüber
den während
der Elektrolyse durch die Elektroden freigesetzten Blasen korrosiver Spezies
geschützt.
Da nämlich
das Schutzelement wenigstens die Unterseite der Sammelschiene bedeckt,
hindert es die zur Oberfläche
des Elektrolyten aufsteigenden Blasen korrosiver Spezies daran,
auf die Sammelschiene zu treffen und schützt somit letztere vor dem
Verschleiß,
der auf das zuvor erläuterte Korrosions-Erosions-Phänomen zurückzuführen ist. Auf
diese Weise wird die Lebensdauer der Sammelschiene erheblich verlängert.
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Das
Schutzelement ist außerdem
aus Kohlenstoff/Kohlenstoff gefertigt; dies ist ein Material, das gegenüber dem
Korrosions-Erosions-Phänomen
besonders widerstandsfähig
ist. Zudem hält
bei Vorliegen einer korrosiven Gasabgabe die Einheit aus Sammelschiene
und Schutzelement dem Korrosions-Erosions-Phänomen
wesentlich länger
stand als eine Sammelschiene allein, und dies sogar dann, wenn diese
aus Graphit besteht. Demzufolge wird mit der erfindungsgemäßen Tragvorrichtung
für Elektroden
die Häufigkeit
des Abschaltens der Elektrolyseanlagen, die üblicherweise für das Auswechseln
der verschlissenen Sammelschienen erforderlich ist, erheblich reduziert.
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Das
Schutzelement kann in Nuten gehalten werden, die in den Elektroden
ausgebildet sind, oder kann mittels Befestigungsorganen an der Sammelschiene
befestigt werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist die Seite des Schutzelements, die von
derjenigen, welche der Sammelschiene gegenüberliegt, abgewandt ist, ein
konkaves Profil auf. Dieses Profil ermöglicht, die durch die Elektroden
freigesetzten Blasen korrosiver gasförmiger Spezies zu kanalisieren und
sie zu den Längsenden
des Schutzelements zu führen.
Die konkave Seite kann ferner eine zu einem der Längsenden
des Schutzelements geneigte leichte Schräge aufweisen, um die Blasen
zu diesem Ende zu leiten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt das Schutzelement an seinen
beiden Längskanten
Rippen, die sich oberhalb der Seite des Elements erstrecken, welche
der Sammelschiene gegenüberliegt.
Die Rippen weisen eine Breite auf, die im wesentlichen dem zwischen
zwei benachbarten Elektroden ausgesparten Raum entspricht, und sind
um einen Abstand voneinander beabstandet, der im wesentlichen der
Breite der Elektroden entspricht. Mit diesen Rippen schützt das
Schutzelement außerdem
die zwischen zwei Elektroden exponierten Flanken der Sammelschiene.
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Das
Schutzelement kann aus einem einzigen Stück (einteilige Struktur) oder
aus mehreren benachbarten, durch Überlappungsteile verbundenen Abschnitten
gebildet sein.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Elektrolyseanlage, die
wenigstens eine Tragvorrichtung für Elektroden, wie sie zuvor
beschrieben ist, umfaßt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von besonderen Ausführungsformen
der Erfindung, die als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele
gegeben sind, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
hervorgehen, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Explosionsansicht einer Elektrolyseanlage,
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2 eine
Schnittansicht der zusammengesetzten und in Betrieb befindlichen
Elektrolyseanlage der 1,
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3 eine
schematische Perspektivansicht einer Tragvorrichtung für Elektroden
nach einer Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
Schnittansicht der Tragvorrichtung für Elektroden der 3,
wenn Blasen korrosiver Spezies sich von den Elektroden lösen,
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5 eine
schematische perspektivische Teilansicht einer Tragvorrichtung für Elektroden
nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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6 eine
schematische Perspektivansicht einer Tragvorrichtung für Elektroden
nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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7 eine
Schnittansicht der Tragvorrichtung für Elektroden der 6,
wenn Blasen korrosiver Spezies sich von den Elektroden lösen,
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8 und 9 schematische
Perspektivansichten einer Tragvorrichtung für Elektroden nach einer weiteren
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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10 eine
Ausführungsvariante
der Tragvorrichtung für
Elektroden der 3.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
besonderer, aber nicht ausschließlicher Anwendungsbereich der
Erfindung ist der für
die Herstellung gasförmiger
Spezies korrosiver Art, wie zum Beispiel Fluor oder Chlor, bestimmten
Elektrolyseanlagen. Die vorliegende Erfindung schlägt vor,
die Sammelschienen, die in derartigen Anlagen als Elektrodenträger verwendet
werden, vor dem zuvor beschriebenen Korrosions-Erosions-Phänomen zu schützen, wenn
eine korrosive gasförmige
Spezies sich von den Elektroden löst. Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende
Erfindung vor, ein aus Kohlenstoff/Kohlenstoff bestehendes Schutzelement
zu verwenden, das ermöglicht,
die Sammelschiene während
der Elektrolyse von der korrosiven Gasabgabe zu trennen. Es werden
nun Ausführungsformen von
Tragvorrichtungen für
Elektroden, die ein solches Schutzelement verwenden, beschrieben.
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Jedes
nachfolgend vorgestellte Tragelement ist aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff (C/C)
gefertigt, der bekannterweise ein Material ist, das von einer durch
eine Kohlenstoffmatrix verdichteten Kohlenstoffaserverstärkung gebildet
ist. Der C/C-Verbundwerkstoff weist eine sehr gute Korrosions- sowie
Erosionsbeständigkeit
auf.
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Die
Herstellung von Teilen aus C/C-Verbundwerkstoff ist wohl bekannt.
Sie umfaßt
im allgemeinen die Ausbildung eines Kohlenstoffaservorformlings,
dessen Form derjenigen des herzustellenden Teils nahe kommt, sowie
die Verdichtung des Vorformlings durch die Matrix.
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Der
Faservorformling bildet die Verstärkung des Teils, dessen Aufgabe
hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften unerläßlich ist.
Der Vorformling wird aus Faserstrukturen, also Fäden, Seilen, Geflechten, Geweben,
Filzen etc. erhalten. Die Formung erfolgt durch Wickeln, Weben,
Schichten und eventuell durch Nadeln von zweidimensionalen Gewebeschichten
oder von Seillagen etc.
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Die
Verdichtung der Faserverstärkung
kann auf flüssigem
Weg (Imprägnieren
der Kohlenstoffmatrix mit einem Vorläuferharz und Umwandlung durch Vernetzen
und Pyrolyse, wobei der Vorgang wiederholt werden kann) oder auf
gasförmigem
Weg (chemische Gasphaseninfiltration der Kohlenstoffmatrix) erfolgen.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Tragvorrichtung 10.
Die Tragvorrichtung 10 umfaßt eine quaderförmige Sammelschiene 11 (auch
als „Schiene" oder „bus bar" bezeichnet), die
eine Oberseite 11a, eine Unterseite 11b sowie
zwei Seitenflächen 11c und 11d aufweist. In
dem hier beschriebenen Beispiel besteht die Sammelschiene 11 aus
Kupfer. Sie kann jedoch aus anderen leitenden Materialien, wie Graphit,
bestehen. Eine erste Reihe von Elektroden 12 und eine zweite Reihe
von Elektroden 13 sind an den Seitenflächen 11c bzw. 11d der
Sammelschiene 11 befestigt. Die Elektroden 12 bzw. 13 sind
entlang der Sammelschiene 11 mit einem Abstand zwischen
zwei benachbarten Elektroden gleichmäßig verteilt. Die Elektroden 12 und 13 sind
aus Graphit gefertigt. Jede Elektrode besteht aus einer rechteckigen
Platte, die sich unter der Unterseite 11d der Sammelschiene 11 erstreckt.
Die Elektroden 12 und 13 sind mit der Sammelschiene 11,
die dazu bestimmt ist, die Elektroden für die Elektrolyse mit Strom
zu versorgen, elektrisch verbunden. Zu diesem Zweck können die
Elektroden durch Verbindungsmittel, welche eine elektrische Leitung
sicherstellen, an der Sammelschiene befestigt sein. Die Elektroden
können
vor allem durch Löten oder
durch leitfähiges
Kleben an der Sammelschiene befestigt sein. Die Sammelschiene 11 stellt
folglich sowohl die Funktion eines Elektrodenträgers als auch die Funktion
der Verteilung des Elektrolysestroms an diese Elektroden sicher.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt die
Tragvorrichtung ein Schutzelement 14, das von einer aus
C/C-Verbundwerkstoff bestehenden Platte gebildet ist. Das Schutzelement 14 ist
unter der Sammelschiene 11 in der Nähe ihrer Unterseite 11b angeordnet.
Genauer gesagt wird das Schutzelement 14 dadurch angebracht,
daß es
in Nuten 12a und 13a gleitet, die in den Elektroden 12 bzw. 13 ausgebildet sind.
Dank dieser Nuten kann das Schutzelement in einem bestimmten Abstand
unter der Sammelschiene in Position gehalten werden. Vorzugsweise
wird ein Spiel zwischen dem Schutzelement und der Sammelschiene
aufrechterhalten, um das Ausgleichen der differentiellen Ausdehnungen
zwischen dem Material der Sammelschiene (Kupfer oder anderes metallisches
Material) und dem Material des Schutzelements (C/C-Verbundwerkstoff)
zu ermöglichen.
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Das
Schutzelement 14 weist eine Länge und eine Breite auf, die
geringfügig
größer als
die der Sammelschiene 11 sind. Demzufolge bildet das Schutzelement
einen Schutzschild vor der gesamten Unterseite 11b der
Schiene und schützt
diese vor dem Korrosions-Erosions-Phänomen, wenn sich eine korrosive
gasförmige
Spezies von den Elektroden löst.
Denn wie in 4 dargestellt werden während der
Elektrolyse, d. h. wenn die Elektroden 12 und 13 in
einen Elektrolyten 16 eingetaucht sind und mit einem Elektrolysestrom
versorgt werden, die Blasen korrosiver Spezies 15, die
sich an den Innenteilen der Elektroden lösen, durch das Schutzelement 14,
das einen Schutzschild vor der Unterseite 11b der Sammelschiene
bildet, in ihrem Aufsteigen gestoppt. Die Blasen 15 werden
dann die Kanten des Schutzelements 14 entlanglaufend zur
Oberfläche
des Elektrolyten abgeführt.
Mit dem Schutzelement 14 werden so die freigesetzten Blasen
korrosiver Spezies nicht mehr auf die Unterseite der Sammelschiene treffen,
was den Einfluß des
Korrosions-Erosions-Phänomens
auf letztere erheblich verringert.
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5 zeigt
eine Ausführungsvariante
einer erfindungsgemäßen Tragvorrichtung 20,
die sich von der zuvor beschriebenen dadurch unterscheidet, daß sie ein
Schutzelement 24 aufweist, das unter einer Sammelschiene 21 und
zwischen Elektroden 22 und 23 durch Schrauben 25 in
Position gehalten ist. Das Schutzelement weist Langlöcher 24a auf,
um das Durchgreifen der Schrauben 25 und das Justieren des
Elements in seiner Position zu ermöglichen, wobei die Schrauben
in in der Sammelschiene 21 ausgebildeten Gewinden 21a festgezogen
werden.
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Die
Seite des Schutzelements, die dazu bestimmt ist, die durch die Elektroden
freigesetzten Blasen korrosiver gasförmiger Spezies aufzunehmen, kann – wie in
den 3 bis 5 dargestellt – eine ebene
Fläche
aufweisen. Wie in 6 gezeigt kann das Schutzelement
jedoch auch eine Unterseite mit einer vertieften Oberfläche aufweisen.
Genauer gesagt zeigt 6 eine Tragvorrichtung 30,
die – wie bei
der Vorrichtung der 3 – ein Schutzelement 34 aufweist,
das durch in Elektroden 32 bzw. 33 ausgebildete
Nuten 32a bzw. 33a unter einer Sammelschiene 31 gehalten
ist, dessen Unterseite 34a jedoch ein konkaves Profil aufweist.
Wie in 7 dargestellt ermöglicht die Hohlform der Unterseite 34a des
Schutzelements, die durch die Elektroden 32 freigesetzten Blasen
korrosiver gasförmiger
Spezies 35 zu kanalisieren und sie zu den Längsenden
des Schutzelements 34 zu führen. Auf diese Weise wird
die Menge an Blasen 35, die über die zwischen den Elektroden 32 oder 33 ausgesparten
Zwischenräume
entweichen, reduziert, wodurch ermöglicht wird, die in diesen
Zwischenräumen
exponierten Flanken der Sammelschiene besser zu schützen. Die
vertiefte Oberfläche
der Unterseite des Schutzelements kann überdies eine leichte Neigung
aufweisen, um die Blasen besser zu einem Längsende des Schutzelements
zu leiten.
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Die 8 und 9 zeigen
vor bzw. nach Einbau des Schutzelements eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Tragvorrichtung.
Die in diesen Figuren dargestellte Tragvorrichtung 40 unterscheidet
sich von den zuvor beschriebenen dadurch, daß das Schutzelement 44 ferner
mit Rippen für
den seitlichen Schutz 45 ausgestattet ist. Der Ort und
die Breite der Rippen 45 werden gewählt, um die Freiräume auszufüllen, die
zwischen den Elektroden 42 einerseits und den Elektroden 43 andererseits
ausgespart sind. Das Schutzelement 44 kann an der Sammelschiene 41 durch
Kleben oder durch schraubenartige Befestigungsorgane befestigt sein.
Sobald das Schutzelement 44 unter der Sammelschiene 41 angebracht
ist, bedecken die Rippen 45 die zwischen den Elektroden
exponierten Flanken der Sammelschiene, wodurch diese vor den Blasen korrosiver
Spezies, die zwischen zwei Elektroden entweichen, geschützt werden.
Das Schutzelement 44, das in den 8 und 9 dargestellt
ist, weist eine Unterseite 44a mit einem konkaven Profil
auf, das ermöglicht,
die durch die Elektroden freigesetzten Blasen in Richtung der Längsenden
des Schutzelements zu kanalisieren. Das Schutzelement 44 kann
jedoch auch eine ebene Unterseite aufweisen.
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Die
zuvor vorgestellten erfindungsgemäßen Schutzelemente können aus
einem einzigen Teil aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
gefertigt sein. Jedoch kann vor allem im Falle der Ausbildung eines
großen
Schutzelements dieses aus einer Verbindung einer Vielzahl von Abschnitten
gebildet sein, die jeweils einzeln aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
gefertigt sind. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel
eines Schutzelements 140 ähnlich dem Schutzelement 14 der 3,
das sich jedoch dadurch von diesem unterscheidet, daß es durch
Zusammensetzen mehrerer Abschnitte 141 gebildet ist. Die
Abschnitte sind vorzugsweise mit einem (für die Endabschnitte) oder zwei
(für die
Zwischenabschnitte) Überlappungsteilen 141a, 141b ausgebildet,
die das Verbinden, beispielsweise durch Löten, zwischen den Abschnitten
ermöglichen.