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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltgeräteanordnung mit
einer Schaltgaszwischenspeichereinrichtung und einer in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
zumindest hineinragenden Strömungslenkeinrichtung.
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Eine
derartige Schaltgeräteanordnung ist beispielsweise aus
der europäischen Patentschrift
EP 1 372 172 B1 bekannt.
Die dortige Schaltgeräteanordnung weist eine Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
auf, in welche eine Strömungslenkeinrichtung hineinragt.
Die Strömungslenkeinrichtung ist dabei im Wesentlichen
rohrförmig gestaltet, so dass in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
einströmendes Schaltgas vorzugsweise längs eines
vorgegebenen Weges entlang bewegt wird. Die Strömungslenkeinrichtung
unterteilt die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung und lenkt eingestrahltes Schaltgas
in bestimmte Richtungen. In einer Wandung der Strömungslenkeinrichtung
ist eine Öffnung vorgesehen, über welche unterteilte
Zonen der Schaltgas zwischenspeichereinrichtung miteinander korrespondieren
können.
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Schaltgas
wird typischerweise bei einem Schaltvorgang generiert und fällt
innerhalb von kurzen Zeitintervallen in größeren
Mengen an. Eine dadurch hervorgerufene Strömung innerhalb
der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung ist daher relativ intensiv.
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Bei
der bekannten Anordnung ist die vorgesehene Öffnung in
der Wandung der Strömungslenkeinrichtung in Abhängigkeit
der Strömungsgeschwindigkeiten des Schaltgases mehr oder
weniger stark wirksam. Sofern im Innern der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
Staudrücke o. ä. entstehen, kann die Wirksamkeit
der Öffnung reduziert werden und damit die Wirkung der
Schaltgaszwischenspeichereinrichtung geschwächt werden.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltgeräteanordnung
anzugeben, die in verbesserter Weise eine Lenkung und Leitung von
Schaltgasen in einer Schaltgaszwischenspeichereinrichtung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
dies bei einer Schaltgeräteanordnung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Strömungslenkeinrichtung
zumindest abschnittsweise als Venturidüse mit einer Abnahmeöffnung
ausgebildet ist.
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Mit
einer Strömungslenkeinrichtung, die zumindest abschnittsweise
als Venturidüse ausgebildet ist, kann in einem von der
Strömungslenkeinrichtung begrenzten Kanal ein Differenzdruck
erzeugt werden, durch welchen über die Abnahmeöffnung
ein Ansaugen von außerhalb des Kanals befindlichen Medien erfolgen
kann. Der von der Strömungslenkeinrichtung begrenzte Kanal
ist dazu mit einer entsprechenden Engstelle ausgestattet, die beispielsweise
durch gegensinnig zueinander ausgerichtete Konen ausgeformt ist,
wobei im Bereich der Engstelle die Abnahmeöffnung im Kanal
mündet. Die konstruktive Ausgestaltung der Engstelle kann
in verschiedenen Varianten erfolgen. Die Abnahmeöffnung
ermöglicht eine Korrespondenz der Engstelle der Venturidüse
mit der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung. Die Strömungslenkeinrichtung
unterteilt die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung und beeinflusst
den Weg eines Gasstromes in der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung.
In der Venturidüse kann Schaltgas der Schalteinrichtung
gelenkt werden. Außerhalb der Strömungslenkeinrichtung
kann Isoliergas angeordnet sein, so dass das strömende
Schaltgas selbsttätig kaltes Isoliergas in den Kanal der
Strömungslenkeinrichtung einsaugt und während
der Strömung des Schaltgases durch die Strömungslenkeinrichtung eine
Durchmischung und Kühlung des Schaltgases vorgenommen werden.
Mit erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere
verursacht durch erhöhte Schaltgasmengen und damit einhergehenden höheren
Drücken im Bereich der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
lässt die Menge von über die Abnahmeöffnung
zuzumischendem Isoliergas erhöhen.
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Da
an einer Venturidüse auf den Einsatz von beweglichen Zumischklappen
o. ä. verzichtet werden kann und die Venturidüse
sich zusätzlich selbsttätig in Abhängigkeit
des an der Venturidüse entstehenden Differenzdruckes steuert,
kann eine dauerhafte und zuverlässige Beeinflussung der
Strömung innerhalb der Schaltgas zwischenspeichereinrichtung
sichergestellt werden.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass die Abnahmeöffnung einen
bestimmten Querschnitt zur Verfügung stellt, wobei der
Querschnitt auf eine oder mehrere Abnahmeöffnungen gegebenenfalls
in verschiedensten Formgebungen aufteilbar ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein Schaltgasaustrittskanal
einer Lichtbogenlenkdüse Schaltgas in die Venturidüse
abstrahlt.
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Schaltgeräteanordnungen
die zum Schalten größerer Leistungen ausgelegt
sind, beispielsweise Leistungsschalteranordnungen, weisen oftmals Lichtbogenkontaktstücke
auf, wobei diese Lichtbogenkontaktstücke dazu vorgesehen
sind Fußpunkte eines gegebenenfalls brennenden Lichtbogens
zu führen. Um ein Aus brechen des Lichtbogens zu verhindern
und die Fußpunkte an den Lichtbogenkontaktstücken
möglichst in stabilen Positionen zu halten, sind Lichtbogenlenkdüsen
vorgesehen. Diese Lichtbogenlenkdüsen weisen eine Lichtbogenlenkdüsenengstelle
auf, welche zumindest zeitweise von einem Lichtbogenkontaktstück
während eines Schaltvorganges verdämmt ist. Damit
ist bei einem Brennen eines Lichtbogens dessen Ausdehnung durch die
Formgebung der Lichtbogenlenkdüse begrenzt. Um ein Überschlagen
des Lichtbogens zu verhindern, ist eine Lichtbogenlenkdüse
elektrisch isolierend auszuführen. Es hat sich dabei als
vorteilhaft erwiesen, organische Kunststoffe zur Ausbildung einer Lichtbogenlenkdüse
heranzuziehen. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Nutzung von Polytetrafluorethylen,
welches mittels Sinterverfahren zu einem Düsenkörper
geformt wird.
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Bei
einem Brennen eines Lichtbogens wird aufgrund dessen thermischer
Energie Schaltgas erzeugt. Diese Schaltgaserzeugung erfolgt beispielsweise
durch Erhitzen und Expandieren eines Isoliergases. Isoliergase sind
beispielsweise Schwefelhexafluorid, Stickstoff oder andere geeignete
elektrisch isolierende Gase bzw. Gasgemische. Aufgrund der thermischen
Einwirkung wird das Isoliergas in seiner Temperatur erhöht
und in seinem Volumen ausgedehnt, so dass dieses dann als Schaltgas
wirkt. Dieses Schaltgas ist aus dem Bereich des Lichtbogens abzuführen,
um Überdrücke, die beispielsweise zu einem Bersten
der Lichtbogenlenkdüse führen könnten,
zu vermeiden. Die von dem Lichtbogen in das Schaltgas eingetragene
Energie sollte vorteilhafterweise genutzt werden. Dazu wird das
Schaltgas in eine Schaltgaszwischenspeichereinrichtung eingeleitet.
Die Lichtbogenlenkdüse weist dazu in ihrem Verlauf einen
Schaltgasaustrittskanal auf, welcher das Schaltgas von der Lichtbogenlenkdüsenengstelle
in Richtung Schaltgaszwischenspeichereinrichtung fortleitet. Wird
nunmehr das Schalt gas in die Venturidüse eines von der
Strömungslenkeinrichtung begrenzten Kanals abgestrahlt,
so kann ein rasches Fortführen des Schaltgases aus dem
Bereich des brennenden Lichtbogens in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
erfolgen. Durch eine Zumischung eines Mediums über die
Abnahmeöffnung der Venturidüse kann dieses Schaltgas
in seinen elektrischen Eigenschaften positiv verändert
werden.
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Eine
Vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Venturidüse
mit der Lichtbogenlenkdüse verbunden, insbesondere an dieser
zumindest teilweise abgestützt ist.
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Die
Lichtbogenlenkdüse mit ihrer Lichtbogenlenkdüsenengstelle
weist einen Schaltgasaustrittskanal auf. Dieser Schaltgasaustrittskanal
kann in den von der Strömungslenkeinrichtung begrenzten Kanal übergehen
und beispielsweise an der Venturidüse münden,
so dass das Schaltgas möglichst verlustarm in die Venturidüse
eintritt und durch diese hindurchläuft. Der Schaltgasaustrittskanal
kann in unmittelbarem Kontakt mit der Strömungslenkeinrichtung,
insbesondere mit der Venturidüse der Strömungslenkeinrichtung,
stehen. Die Venturidüse stellt im Verlauf eines Kanals,
welcher von der Strömungslenkeinrichtung begrenzt ist,
eine Querschnittseinschnürung dar, die mit gegensinnig
ausgerichteten Einschnürungen beiderseits des Mündungsbereiches
der Abnahmeöffnung ausgestattet ist. Die Venturidüse
kann beispielsweise ein Ende des Kanals der Strömungslenkeinrichtung
begrenzen.
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Die
Lichtbogenlenkdüse muss aufgrund der in ihrem Inneren zu
beherrschenden erhöhten Drücke mit einer ausreichenden
mechanischen Stabilität ausgerüstet sein. Um ein
Verformen derselben zu verhindern, muss diese auch stabil mit weiteren
Teilen der Schaltgeräteanordnung verbunden sein. Nutzt
man nunmehr die mechanische Stabilität der Lichtbogenlenkdüse,
kann man die Venturidüse zumindest teilweise auch an der
Lichtbogenlenkdüse abstützen. Vorteilhaft kann
beispielsweise vorgesehen sein, dass ein direkter Verbund der Venturidüse bzw.
der Strömungslenkeinrichtung mit der Lichtbogenlenkdüse
erfolgt. Insbesondere kann ein einstückiger Verbund zumindest
von Abschnitten der Strömungslenkeinrichtung, insbesondere
der Venturidüse mit der Lichtbogenlenkdüse vorgesehen
sein. So ist es beispielsweise möglich, die Lichtbogenlenkdüse
mit ihrer Lichtbogenlenkdüsenengstelle sowie den Schaltgasaustrittskanal
mittels eines einzigen Sintervorganges zumindest mit Teilen der
Venturidüse bzw. der Strömungslenkeinrichtung
auszuformen, so dass ein einstückiger Verbund von Abschnitten
der Venturidüse oder auch der gesamten Venturidüse
und der Lichtbogenlenkdüse erfolgen kann. So kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass der Schaltgasaustrittskanal der Lichtbogenlenkdüse
in den Kanal der Strömungslenkeinrichtung übergeht,
der mit einer entsprechenden Querschnittsreduzierung versehen ist,
so dass diese Querschnittsreduzierung zur Ausbildung einer Venturidüse
genutzt werden kann. Im weiteren Verlauf schließt sich
die Strömungslenkeinrichtung an den Schaltgasaustrittskanal
der Lichtbogenlenkdüse an. Die Strömungslenkeinrichtung kann
beispielsweise als rohrförmiger Fortsatz an der Lichtbogenlenkdüse
angeordnet sein. Vorteilhaft kann auch die gesamte Strömungslenkeinrichtung nebst
Venturidüse vollständig an der Lichtbogenlenkdüse
abgestützt, insbesondere einstückig mit dieser ausgeformt
sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Venturidüse
einen Ringkanal aufweist, in welchem die Abnahmeöffnung
mündet.
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Die
Venturidüse stellt eine Querschnittseinschnürung
im Verlauf eines Kanals dar, wobei im Bereich der Querschnittseinschnürung
eine Abnahmeöffnung angeordnet ist, über welche
ein Medium aufgrund der an der Venturidüse herrschenden
Strömungsverhältnisse in den Kanal der Venturidüse
ergänzend hineingesaugt werden kann. Eine Querschnittsreduzierung
kann dabei in Durchflussrichtung der Venturidüse mit unterschiedlich
starken Graden der Reduzierung erfolgen. So können beispielsweise Reduzierungen über
entgegengesetzt ausgerichtete Konen vorgesehen sein, wobei die Konuswinkel
voneinander differieren.
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Die
Venturidüse liegt dabei im Verlauf eines Kanals, welcher
beispielsweise aus dem Schaltgasaustrittskanal der Lichtbogenlenkdüse
bzw. von der Strömungslenkeinrichtung gebildet sein kann.
Typischerweise weisen diese Kanäle kreisrunde Querschnitte
auf, so dass ein Strömungswiderstand der Kanäle
reduziert ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass
der Kanal als Ringkanal ausgebildet ist. In diesem Fall sind entsprechende
Einbauten vorgesehen, durch welche eine ringförmige Aufteilung hervorgerufen
wird. Diese Ringform kann beispielsweise auch im Bereich der Venturidüse
vorgesehen sein. Insbesondere kann sowohl die Venturidüse selbst
einen Ringkanal aufweisen, als auch die davor und dahinter liegenden,
der Zuführung bzw. Ableitung dienenden Abschnitte eines
Kanals können als Ringkanäle ausgeformt sein.
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In
den Ringkanal kann die Abnahmeöffnung münden,
so dass auch bei einer derartigen konstruktiven Ausgestaltung ein
Zumischen beispielsweise von einem Fluid in ein durch die Venturidüse
laufenden Medienstrom erfolgen kann. Die Engstelle der Venturidüse
kann beispielsweise durch Ausbauchungen in den Verlauf des Kanals
gebildet werden. So kann beispielsweise eine Einschnürung
radial nach innen erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine
erweiterte Ausformung eines eine Innenmantelfläche des
Ringkanals begrenzenden Einbaus die Engstelle definiert. Innerhalb
eines Ringkanals kann eine Engstelle auch durch eine erweiterte
Ausformung und zusätzlich durch eine Einschnürung
nach innen ausgeformt sein.
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Dabei
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Venturidüse
zumindest abschnittsweise von einem Schaltkontaktstück
der Schaltgeräteanordnung durchsetzt ist.
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Durch
eine Positionierung eines Schaltkontaktstückes der Schaltgeräteanordnung
in der Venturidüse ist es möglich, zur Stromführung
und -leitung benötigte Schaltkontaktstücke bzw.
auch zur Lichtbogenführung- und lenkung vorgesehenen Schaltkontaktstücke
möglichst kompakt, d. h. material- und platzsparend auszuformen.
Eine Nutzung des Kanals der Venturidüse zur Aufnahme eines
Schaltkontaktstückes ermöglicht beispielsweise
eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Ausgestaltung einer Schaltgeräteanordnung
zu einer Längsachse, die als Rotationsachse dienen kann,
wobei sich die Venturidüse koaxial zu der Längsachse
erstreckt. Eine Gasströmung durch die Venturidüse
selbst erfolgt dabei in Richtung der Längsachse. Eine Zuführung
von einem weiteren Medium über die Abnahmeöffnung sollte
dann vorzugsweise aus radialen Richtungen erfolgen.
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So
ist es beispielsweise möglich, die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
mit einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Struktur zu versehen,
wobei die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung zumindest teilweise
von einer Mantelfläche eines Schaltkontaktstückes
begrenzt ist. Bei einer Ausgestaltung der Schaltgeräteanordnung
mit einem Set aus Lichtbogen- und Nennstromkontaktstücken,
ist es vorteilhaft, die Schaltgaszwischenspeichereinrichtungen im
Bereich zweier koaxial zueinander angeordneter Schaltkontaktstücke
vorzusehen. Dazu eignen sich insbesondere Bereiche zwischen einem Lichtbogenkontaktstück
und einem Nennstromkontaktstück, die einander zugeordnet
sind und unabhängig vom Schaltzustand der Schaltgeräteanordnung
das gleiche elektrische Potential aufweisen. So können
beispielsweise rotationssymmetrische Ausgestaltungen des Lichtbogenkontaktstückes
und des zugehörigen Nennstromkontaktstückes erfolgen. Das
Lichtbogenkontaktstück und das zugehörige Nennstromkontaktstück
können koaxial zueinander ausgerichtet sein und einander
in radialer Richtung zumindest abschnittsweise überdecken,
so dass durch die Mantelflächen von Lichtbogen und Nennstromkontaktstück
zwischen diesen ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiger
Raum zur Verfügung gestellt ist, welcher einen kreisringförmigen
Querschnitt aufweist. Der hohlzylindrische Raum kann zur Gestaltung
einer Schaltgaszwischenspeichereinrichtung genutzt werden.
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Die
Schaltgas zwischenspeichereinrichtung kann beispielsweise stirnseitig
an einem der Lichtbogenlenkdüse zugewandten Ende von dieser
zumindest abschnittsweise begrenzt sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass über
die Venturidüse dem Schaltgas temperaturreduziertes Isoliergas
zugemischt wird.
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Die
Schaltgeräteanordnung kann beispielsweise von einem elektrisch
isolierenden Isoliergas durchflutet sein. Dieses Isoliergas dient
der sicheren Trennung von unterschiedlichen elektrischen Potentialen
innerhalb der Schaltgeräteanordnung. So kann beispielsweise
eine Trennstrecke zwischen Schaltkon taktstücken mittels
des elektrisch isolierenden Isoliergases isoliert werden. Die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
ist als Teil der Schaltgeräteanordnung ebenfalls von dem
Isoliergas durchflutet. Das Isoliergas weist eine vergleichsweise
geringe Temperatur auf. Bei einem Schaltvorgang, der gegebenenfalls
mit einem Lichtbogen verbunden ist, wird durch den Lichtbogen Isoliergas
erhitzt und expandiert. Damit entsteht heißes Schaltgas.
Zusätzlich kann aufgrund der thermischen Wirkung Hartgas
aus elektrisch isolierenden Körpern, beispielsweise der Lichtbogenlenkdüse,
emittiert werden. Das Schaltgas weist eine höhere Temperatur
auf als das Isoliergas.
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Das
Schaltgas wird über einen Schaltaustrittskanal der Lichtbogenlenkdüse
in die Venturidüse hineingestrahlt und durchläuft
die Venturidüse. Die Abnahmeöffnung der Venturidüse
bildet nunmehr eine Verbindung zwischen der Düsenengstelle
der Venturidüse und dem Volumen der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
aus. Damit ist bei einem Durchströmen der Venturidüse
mit Schaltgas die Möglichkeit gegeben, über die
Abnahmeöffnung ein Zumischen von ursprünglich
innerhalb der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung befindlichem
Isoliergas vorzusehen. Damit kann bereits während des Lenkens
des Schaltgases in Kanälen die Temperatur des Schaltgases
reduziert werden, so dass bereits vor einem freien Austreten des
Schaltgases in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung hinein eine Temperaturreduzierung
erzielt wird. Dabei kann durch eine Anpassung der Düsenengstelle
der Venturidüse sowie eine Anpassung der Abnahmeöffnung die
Intensität des Zumischens und damit die Wirkung der Venturidüse
verändert werden. Damit ist es beispielsweise möglich,
in Abhängigkeit der jeweiligen Schaltgeräteanordnung
bereits innerhalb einer Führung des Schaltgases in Kanälen
eine stärkere Temperaturredu zierung herbeizuführen
oder auch nur eine reduzierte Temperaturreduzierung vorzusehen.
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Eine
Kühlung des Schaltgases bereits innerhalb eines Kanals,
also vor einem freien Abstrahlen in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung,
weist den Vorteil auf, dass ein Durchmischen von Schalt- und Isoliergas
innerhalb der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung lediglich mit
geringer Intensität oder gar nicht zu erfolgen braucht.
So ist es beispielsweise möglich, die räumliche
Dimensionierung der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung gegenüber
herkömmlichen Varianten zu reduzieren, da durch die Venturidüse
eine selbstregelnde Einrichtung geschaffen ist, die eine Konditionierung
des Schaltgases vornimmt.
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Es
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass in der Venturidüse
eine moderate Zuführung von Isoliergas zu dem Schaltgas
erfolgt und innerhalb der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung eine
geringe Durchmischung von darin befindlichen kalten Isoliergas und
eingestrahltem heißen Schaltgas vorgesehen ist. Vor einem
Entleeren der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung verbleiben in
der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung voneinander möglichst
getrennte Abschnitte heißen Schaltgases und kalten Isoliergases.
So ist es beispielsweise möglich, bei einem Entleeren eine
zeitlich aufeinander folgende Staffelung eines Ausströmens
von heißem und kaltem Gas zu initiieren.
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Das
in der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung zwischengespeicherte
Schaltgas wird während eines Befüllens der Schaltgaseintrittseinrichtung
aufgrund dessen begrenzten Volumens und des immer stärkeren
Zuströmens von Schaltgas aufgrund des Heizens und Expandierens
des Lichtbogen in seinem Druck er höht. Ein Abströmen
aus der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung ist nicht möglich,
da der Schaltgasaustrittskanal der Lichtbogenlenkdüse expandiertes
Schaltgas in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung hineinleitet.
Erst bei einem Freigeben der von einem der Kontaktstücke
verdämmten Lichtbogenlenkdüsenengstelle ist eine
Möglichkeit geschaffen, um größere Mengen
von Gas auch über andere Wege als über den in
die Schaltgas zwischenspeichereinrichtung abstrahlenden Schaltgasaustrittskanal
aus der Lichtbogenlenkdüsenengstelle strömen zu
lassen. Nunmehr sinkt der Druck in dem Schaltgasaustrittskanal der
Lichtbogenlenkdüse und aufgrund der Druckdifferenz zwischen
dem innerhalb der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung zwischengespeicherten
Gas und der Lichtbogenlenkdüsenengstelle kommt es zu einem
Abströmen von Gas aus der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung. Nunmehr
kehrt sich die Strömungsrichtung in der Venturidüse
bzw. auch in dem Schaltgasaustrittskanal um. Bei einem Abströmen
von Schaltgas durch die Venturidüse in Richtung der Lichtbogenlenkdüsenengstelle
hin erfolgt ebenfalls aufgrund der Druckdifferenz an der Venturidüse
ein zusätzliches Anreichern von Gas über die Abnahmeöffnung.
D. h. bei einem Entleeren der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
von in seinem Druck erhöhtem Schaltgas, wird über
die Abnahmeöffnung zusätzliches Gas „angesaugt” und
ein schnelles Leeren der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung begünstigt.
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Vorteilhafterweise
kann dabei vorgesehen sein, dass die Venturidüse in einem
thermischen Kompressionsvolumen mündet.
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Wie
vorstehend beschrieben, dient die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
dazu, insbesondere heißes Schaltgas aufzunehmen und dieses in
seinem Druck im Innern der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
zu erhöhen. Dieses zwischengespei cherte Schaltgas kann
bei einem Rückströmen dann dazu genutzt werden,
um die Lichtbogenlenkdüsenengstelle von Lichtbogenplasma
zu beräumen und den dort gegebenenfalls noch brennenden
Lichtbogen zu beblasen und zu kühlen. Innerhalb eines thermischen
Kompressionsvolumens kann eine Druckerhöhung aufgrund des
Eintragens von thermischer Energie erfolgen, d. h. mit dem Generieren
und Erhitzen von zusätzlichem Schaltgas und einem Eintragen
dieses Schaltgases in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung erfolgt
eine Druckerhöhung. Demzufolge wirkt eine derartige Schaltgaszwischenspeichereinrichtung
als thermisches Kompressionsvolumen.
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Zusätzlich
kann eine Unterstützung einer Druckerhöhung von
zwischengespeichertem Schaltgas durch das Einsetzen einer mechanischen
Kompressionseinrichtung vorgesehen sein, welche durch Reduzierung
eines Volumens eine Druckerhöhung in ihrem Innern bewirkt.
Eine derartige Anordnung kann beispielsweise eine Kolbenzylinderanordnung
sein, wobei Kolben und Zylinder relativ zueinander bewegbar sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung kann weiter vorsehen, dass die Abnahmeöffnung
als Ringspalt ausgebildet ist.
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Über
die Abnahmeöffnung ist es möglich, in den Kanal
der Venturidüse zusätzliche Medien einzuschleusen.
Dabei wird die Menge des einzuschleusenden Volumens von der Druckdifferenz
an der Venturidüse bestimmt. Somit ist durch eine geschickte Ausgestaltung
der Einschnürung der Venturidüse während
eines Durchströmens eine entsprechende Druckdifferenz hervorrufbar,
die Ursache für ein Einströmen eines zusätzlichen
Mediums über die Abnahmeöffnung ist. Um ein stärkeres
oder schwächeres Einströmen über die
Abnahmeöffnung zu ermöglichen, kann diese in verschiedenen
Formgebungen vorgesehen sein. So kann vorgesehen sein, dass beispielsweise
eine einzige Abnahmeöffnung vorgesehen ist, welche in der
Venturidüse mündet. Es kann jedoch auch vorgesehen
sein, dass mehrere Öffnungen in der Venturidüse
münden, so dass eine vergrößerte Querschnittsfläche
zur Verfügung gestellt ist, um ein zusätzliches
Medium in den Kanal der Venturidüse hineinströmen
zu lassen. Dabei können die Querschnitte der Abnahmeöffnungen
verschieden voneinander ausgebildet sein.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Abnahmeöffnung als Ringspalt
ausgebildet ist. Die in Durchströmungsrichtung der Venturidüse
beiderseits vorgesehenen Querschnittseinengungen sind beabstandet
voneinander angeordnet, so dass ein freier Ringspalt gebildet ist.
Zum einen kann eine Druckdifferenz in der Venturidüse erzeugt
werden, andererseits ist eine ausreichende Querschnittsfläche
der Abnahmeöffnung zur Verfügung gestellt, um
ein zusätzliches Medium in die Venturidüse einzuleiten. Aufgrund
eines aus verschiedenen radialen Richtungen möglichen Einströmens
eines zusätzlichen Mediums über eine ringspaltförmige
Abnahmeöffnung können auch größere
Volumina in kurzen Zeitintervallen zugemischt werden.
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Bei
der Ausgestaltung der Abnahmeöffnung als Ringspalt ist
es beispielsweise möglich, den Schaltgasaustrittskanal
einstückig mit zumindest einem Abschnitt des Kanals der
Strömungslenkeinrichtung auszuführen, um einen
Teil der Venturidüse zu bilden. Der Übergang von
dem Schaltgasaustrittskanal in die Strömungslenkeinrichtung
erfolgt fließend. Unter Bildung des Ringspaltes kann sich
ein weiteres vorzugsweise rohrförmiges Element der Strömungslenkeinrichtung
anschließen.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die
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1 einen
Schnitt durch eine Schaltgeräteanordnung mit einer Venturidüse
in einer ersten Ausgestaltungsvariante und die
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2 die
aus der 1 bekannte Schaltgeräteanordnung
mit einer zweiten Ausgestaltungsvariante einer Venturidüse.
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Die
in den 1 und 2 dargestellten Konstruktionen
sind bis auf die Ausgestaltung der Venturidüse im Wesentlichen
gleichartig ausgeführt. Daher soll zunächst anhand
der 1 ein prinzipieller Aufbau einer Schaltgeräteanordnung
beschrieben werden. Dementsprechend sind in den Figuren die gleichwirkenden
Baugruppen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
eine Schaltgeräteanordnung in einem Schnitt. Die Schaltgeräteanordnung
erstreckt sich entlang einer Längsachse 1. Die
Schaltgeräteanordnung ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch
zu der Längsachse 1 ausgebildet. Dabei weist die
Schaltgeräteanordnung ein erstes Lichtbogenkontaktstück 2 sowie
ein zweites Lichtbogenkontaktstück 3 auf. Weiterhin
ist die Nutzung eines ersten Nennstromkontaktstückes 4 sowie
eines zweiten Nennstromkontaktstückes 5 vorgesehen.
Sowohl Nennstromkontaktstücke 2, 3 als
auch Lichtbogenkontaktstücke 4, 5 weisen
jeweils eine rotationssymmetrische Struktur auf. Die Nennstromkontaktstücke 4, 5 sowie
die Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 sind
koaxial zu der Längsachse 1 ausgerichtet. Dabei
liegen die beiden Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 sowie
die beiden Nennstromkontaktstücke 4, 5 einander
beabstandet gegenüber. Das erste Lichtbogenkontaktstück 2 ist
rohrförmig ausgebildet und weist an seinem dem zweiten
Lichtbogenkontaktstück 3 zugewandten Ende eine
Buchse auf. Entsprechend ist das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 gegengleich
bolzenförmig ausgebildet, so dass dieses in die Buchse des
ersten Lichtbogenkontaktstückes 2 einfahrbar ist und
eine galvanische Kontaktierung zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 ermöglicht wird.
Das erste Nennstromkontaktstück 4 weist ebenfalls
eine rotationssymmetrische Struktur auf, wobei eine Außenmantelfläche
als Kontaktfläche dient. Entsprechend ist das zweite Nennstromkontaktstück 5 mit
Kontaktfingern versehen, welche auf die Außenmantelfläche
des ersten Nennstromkontaktstückes 4 zur Kontaktierung
auffahren können.
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Bei
einem Einschaltvorgang ist vorgesehen, dass eine galvanische Kontaktierung
der beiden Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 zeitlich
vor einer galvanischen Kontaktierung der beiden Nennstromkontaktstücke 4, 5 erfolgt.
Bei einem Ausschaltvorgang ist zunächst ein Trennen der
Nennstromkontaktstücke 4, 5 und darauf
folgend ein Trennen der Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 vorgesehen.
Damit ist sichergestellt, dass zündende Lichtbögen
bei einem Einschaltvorgang bzw. bei einem Ausschaltvorgang mit ihren
Fußpunkten an den Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 geführt
sind. Um eine Kontaktierung bzw. Trennung hervorzurufen, sind die
Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 sowie die
Nennstromkontaktstücke 4, 5 längs
der Längsachse 1 relativ zueinander bewegbar.
Zusätzlich ist vorgesehen, dass das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 von
einer bewegbaren Feldsteuerelektrode 6 umgeben ist, welche
eine dielektrische Schirmung des zweiten Lichtbogenkontaktstückes 3 im
in der 1 dargestellten Ausschaltzustand der Schaltgeräteanordnung
bewirkt.
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Zwischen
den beide Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 ist
eine Schaltstrecke gebildet. Die Schaltstrecke ist zumindest teilweise
von einer Lichtbogenlenkdüse 7 umgeben. Die Lichtbogenlenkdüse 7 ist eine
Isolierstoffdüse, welche einen Düsenkörper
aus gesintertem Polytetrafluorethylen aufweist. Die Lichtbogenlenkdüse 7 ist
mit einer Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 versehen.
Diese Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 ist während
eines Schaltvorganges zumindest zeitweise durch das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 verdämmt.
Die Lichtbogenlenkdüse 7 ist mit einem umlaufenden
Kragen versehen und über diesen in einer gegengleichen
Ausnehmung des ersten Nennstromkontaktstückes 4 gelagert
und mit dem ersten Nennstromkontaktstück 4 winkelstarr verbunden.
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Ausgehend
von der Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 erstreckt
sich ein Schaltgasaustrittskanal 9 rotationssymmetrisch
zur Längsachse 1. Der Schaltgasaustrittskanal 9 erweitert
sich ausgehend von der Lichtbogendüsenengstelle 8 in
Richtung einer Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10.
Die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 ist in einem
Zwischenraum zwischen dem ersten Lichtbogenkontaktstück 2 und
dem ersten Nennstromkontaktstück 4 angeordnet.
Aufgrund der rotationssymmetrischen Ausgestaltung und koaxialen
Anordnung zu der Längsachse 1 weist die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 ein
im Wesentlichen hohlzylindrisches Aufnahmevolumen auf. An einer
der Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 zugewandten
Stirnseite begrenzt die Lichtbogenlenkdüse 7 die
Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 teilweise. In die Lichtbogenlenkdüse 7 ragt
das erste Lichtbogenkontaktstück 2 hinein, so
dass ein ringförmiger Kanal ausgebildet ist. Um das erste
Lichtbogenkontaktstück 2 zu schützen,
ist dieses stirnseitig von einer Hilfsdüse 11 überragt.
Die Hilfsdüse 11 ist ebenfalls aus elektrisch
isolierendem Material, vorzugsweise Polytetrafluorethylen gebildet
und deckt das erste Lichtbogenkontaktstück 2 auch
mantelseitig ab. Dabei ist bei der in den Figuren gezeigten Ausgestaltung
vorgesehen, dass eine mantelseitige Abdeckung im Innern der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 nur
teilweise vorgenommen ist.
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An
der Stirnseite der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10,
welche von der Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 abgewandt
ist, sind Überströmöffnungen vorgesehen,
durch welche ein gasförmiges Medium hindurchtreten kann.
Es ist eine Kolbenzylinderanordnung 15 vorgesehen, wobei
Kolben und Zylinder relativ zueinander bewegbar sind und dadurch
eine mechanische Kompression, beispielsweise eines gasförmigen
Mediums hervorgerufen werden kann.
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In
der 1 ist eine erste Ausführungsvariante
einer Venturidüse 12a dargestellt. Vorliegend
erstreckt sich der Schaltgasaustrittskanal 9 von der Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 bis
zum Ansatz der Verjüngung der Venturidüse 12a.
Der Kanal einer Strömungslenkeinrichtung 13 ist
somit teilweise von der Lichtbogenlenkdüse 7 begrenzt.
Die Venturidüse 12a bildet somit einen Übergang
von dem Strömungsaustrittskanal 9 der Lichtbogenlenkdüse 7 zu einer
Strömungslenkeinrichtung 13 aus. Im vorliegenden
Falle ist die Strömungslenkeinrichtung 13 rohrförmig
ausgebildet und koaxial zu der Längsachse 1 ausgerichtet.
Die Strömungslenkeinrichtung 13 ist einstückig
mit der Lichtbogenlenkdüse 7 ausgeformt und vollständig
an dieser abgestützt. Ein rohrförmiges Element
der Strömungslenkeinrichtung 13 ragt in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 hinein.
Eine Einschnürung der Strömungslenkeinrichtung 13 zur
Ausbildung der Venturidüse 12a erfolgt durch gegensinnig
ausgerichtete konische Ausformungen, die mit gegensinniger Ausrichtung
eine Einengung innerhalb eines Kanals der Strömungs lenkeinrichtung 13 darstellen.
Die Ausbildung einer Engstelle kann beispielsweise durch eine entsprechende
Formgebung der Hilfsdüse 11 in diesem Bereich
unterstützt werden. Die Hilfsdüse 11 kann
beispielsweise eine Profilierung aufweise, wodurch die Engstelle
zusätzlich profiliert ist. Im Bereich der Venturidüse 12a sind
Abnahmeöffnungen 14a, 14b vorgesehen.
Die Abnahmeöffnungen 14a, 14b erstrecken
sich, bezogen auf die Längsachse 1, kanalartig in
radialer Richtung und stellen eine Verbindung zwischen der Engstelle
der Venturidüse 12a und der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 dar.
Die Venturidüse 12a geht in einen hohlzylindrischen
Abschnitt der Strömungslenkeinrichtung 13 über.
Der Kanal der Strömungslenkeinrichtung 13 mündet
in der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10. Die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 wirkt
als thermisches Kompressionsvolumen für Schaltgas und ist
von der Strömungslenkeinrichtung 13 unterteilt.
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Das
erste Lichtbogenkontaktstück 2 sowie die Hilfsdüse 11 durchsetzen
die Venturidüse 12a. Weiter wird somit der Kanal
der Strömungslenkeinrichtung 13 in einen ringförmigen
Kanal strukturiert.
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In
Folgenden soll die Wirkungsweise der in den 1 und 2 gezeigten
Schaltgeräteanordnung beschrieben werden. Bis auf die unterschiedlichen
konstruktiven Ausgestaltungen der Venturidüsen in den 1 und 2 ist
deren Wirkung prinzipiell gleich.
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Bei
einem Ausschaltvorgang erfolgt zunächst eine galvanische
Trennung der Nennstromkontaktstücke 4,5.
Darauf folgend erfolgt eine Trennung der Lichtbogenkontaktstücke 2, 3.
Die Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 bewegen
sich relativ zueinander längs der Längsachse 1.
Aufgrund der voreilend öffnenden Nenn stromkontaktstücke 4, 5 erfolgt
ein Kommutieren eines zu unterbrechenden elektrischen Stromes auf
die Lichtbogenkontaktstücke 2, 3. Bei
einem Trennen der Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 kann es
zu einem Zünden eines Lichtbogens kommen, welcher mit seinen
Fußpunkten im Bereich der Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 geführt
ist. Zum Zeitpunkt des Zündens des Lichtbogens ist die
Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 durch das zweite
Lichtbogenkontaktstück 3 verdämmt. Während
eines zunehmenden Beabstandens der Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 voneinander
verlängert sich der brennende Lichtbogen. Aufgrund der
thermischen Wirkung des Lichtbogens wird Isoliergas, vorzugsweise
Schwefelhexafluorid, Stickstoff oder andere geeignete Gase bzw.
Gasgemische, welches die Schaltgeräteanordnung durchspült,
erhitzt. Das erhitzte und expandierte Isoliergas wird zu Schaltgas.
Im Bereich der Schaltstelle kommt es zu einer Druckerhöhung
aufgrund des ständig sich vergrößernden
Schaltgasvolumens. Über den Schaltgasaustrittskanal 9 wird
aufgrund der Verdämmung der Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 heißes Schaltgas
vorzugsweise in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 gestrahlt.
Dabei lenkt der Schaltgasaustrittskanal 9 Schaltgas in
die Venturidüse 12a hinein. Dort wird aufgrund
der Querschnittsreduzierung das Schaltgas zusätzlich beschleunigt
und es entsteht eine Druckdifferenz. Über die Abnahmeöffnungen 14a, 14b wird
nunmehr in der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 befindliches
Isoliergas in den Schaltgasstrom eingemischt. Dabei regelt sich
die Menge des eingemischten Isoliergases in Abhängigkeit
der anfallenden Schaltgasmenge sowie aufgrund der konstruktiven
Ausgestaltung der Venturidüse 12a. Mit einem Austreten
des Schaltgases aus einem Kanal der Strömungslenkeinrichtung 13 in
die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 hinein erhöht
sich der Druck im Innern der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10.
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Im
Zuge eines weiteren Voranschreitens einer Ausschaltbewegung wird
die Verdämmung der Lichtbogenlenkstelle 8 durch
das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 aufgehoben.
Es besteht eine Druckdifferenz zwischen dem Überdruck innerhalb
der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 und der Schaltstrecke.
Aufgrund des Überdruckes wird das in der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 zwischengespeicherte
Schaltgas in Richtung der Lichtbogenlenkstelle 8 geleitet.
Aufgrund der Strömung des Schaltgases nunmehr in entgegengesetzer
Richtung durch den Kanal der Strömungslenkeinrichtung 13 und
durch die Venturidüse 12a der Strömungslenkeinrichtung 13 können über
die Abnahmeöffnungen 14a, 14b zusätzliche
Gasmengen aus der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 herausgeleitet
werden. Damit ist aufgrund des Einsatzes der Venturidüse 12a ein
rasches Entleeren der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 ermöglicht.
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Je
nach Bedarf kann vorgesehen sein, dass sich innerhalb der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 Zonen
ausbilden, welche nur von einer geringen Durchmischung von Isoliergas
und heißem Schaltgas gekennzeichnet sind, wohingegen andere Zonen
vorgesehen sind, welche von dem heißen Schaltgas dominiert
werden. Je nach Bedarf können diese unterschiedlichen Zonen
unterschiedlicher Temperaturen zu möglichst unterschiedlichen
Zeitpunkten abströmen. So kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass bei einem Entleeren der Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 aufgrund
der Staffelung unterschiedlicher Zonen vorzugsweise zunächst Isoliergas
in den Bereich der Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 strömt.
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In
der 2 ist ein Schnitt durch eine konstruktiv gleichartig
aufgebaute Schaltgeräteanordnung dargestellt. Lediglich
die Ausgestaltung der dortigen Venturidüse ist abweichend.
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Gemäß der
Konstruktion nach 2 ist dort eine zweite Variante
einer Venturidüse 12b vorgesehen. Die Venturidüse 12b weist
dabei eine ringspaltförmige Abnahmeöffnung 14c auf.
Die Venturidüse 12b gemäß 2 ist
dabei zum einen aus einem querschnittsreduzierten Abschnitt gebildet,
der sich unmittelbar an den Schaltgasaustrittskanal 9 anschließt.
Zum anderen weist eine Strömungslenkeinrichtung 13a eine
Lücke im Verlauf eines von ihr begrenzten Kanals auf. Dadurch
ist eine ringspaltförmige Abnahmeöffnung 14c der
Venturidüse 12b realisiert. An der von dem Schaltgasaustrittskanals 9 abgewandten
Seite der ringspaltförmigen Abnahmeöffnung 14c ist
ebenfalls eine Querschnittsreduzierung vorgesehen, wobei die Reduzierung
der Querschnitte beiderseits der ringspaltförmigen Abnahmeöffnung 14c der
Strömungslenkeinrichtung 13a eine Querschnittsreduzierung
im Verlauf der Strömungslenkeinrichtung 13a nach
Art einer Venturidüse darstellen. Somit geht der Schaltgasaustrittskanal 9 in
die Venturidüse 12b und damit in die Strömungslenkeinrichtung 13a über.
Die Strömungslenkeinrichtung 13a weist ein rohrförmiges
Element auf, welches in die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 hineinragt und
die Schaltgaszwischenspeichereinrichtung 10 unterteilt.
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Bezüglich
der Wirkungsweise und der Strömung und Lenkung eines Gasstromes
wird auf oben stehende Beschreibung verwiesen.
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Neben
der Anordnung einer einzigen Venturidüse, wie jeweils in
den 1 und 2 gezeigt, können auch
mehrere Venturidüsen im Verlauf einer Strömungslenkeinrichtung
vorgesehen sein. Weiterhin kann die Lage der Venturidüse
im Verlauf einer Strömungslenkeinrichtung variieren, d.
h. die Einschnürung der Venturidüse kann näher
in Richtung der Lichtbogenlenkdüseengstelle 8 oder
auch weiter beabstandet von dieser Lichtbogenlenkdüsenengstelle 8 angeordnet
werden. Darüber hinaus können auch Variationen
der Anzahl, der Art des Querschnittes sowie der Lage von Abnahmeöffnungen
vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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