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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Schaltgerät mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Schaltkontaktstück ausbildbaren Schaltstrecke und einer einen Kanal begrenzenden Isolierstoffdüse, wobei der Kanal die Schaltstrecke mit einem Gasspeichervolumen verbindet und ein erster und ein zweiter Zweig des Kanals in dem Gasspeichervolumen münden.
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Ein derartiges elektrisches Schaltgerät ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
CH 689 604 A5 bekannt. Dort ist ein elektrisches Schaltgerät beschrieben, welches ein erstes und ein zweites Schaltkontaktstück aufweist. Die Schaltkontaktstücke sind relativ zueinander bewegbar. Zwischen den Schaltkontaktstücken ist eine Schaltstrecke ausbildbar. Weiterhin ist das bekannte elektrische Schaltgerät mit einer Isolierstoffdüse ausgestattet, die einen Kanal begrenzt. Der Kanal verbindet die Schaltstrecke mit einem Gasspeichervolumen, wobei der Kanal einen ersten und einen zweiten Zweig aufweist, die in dem Gasspeichervolumen münden.
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Das bekannte elektrische Schaltgerät ist derart eingerichtet, dass ein Einströmen von Gas in das Gasspeichervolumen über den einen Zweig und ein Ausströmen des Gases aus dem Gasspeichervolumen über den anderen Zweig erfolgen soll.
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Aus der Schaltstrecke herausgeleitetes heißes Gas wird über den Kanal in das Gasspeichervolumen geleitet. Im Gasspeichervolumen vermischt sich das heiße Gas mit dem Gasspeichervolumen vorhandenen kühleren Gas, so dass eine Temperaturreduzierung des in das Gasspeichervolumen einströmenden Gases bewirkt wird.
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Innerhalb des Gasspeichervolumens ist eine gute Durchmischung der Gase von Vorteil, um ein temperaturreduziertes Gasgemisch in die Schaltstrecke zurückströmen zu lassen. Bei der bekannten Lösung verbleiben in dem Gasspeichervolumen Randbereiche, die nur mangelhaft in eine Durchmischung einbezogen sind.
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Damit ist es Aufgabe der Erfindung ein elektrisches Schaltgerät anzugeben, welches ein Gasspeichervolumen effektiver zu nutzen vermag.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem elektrischen Schaltgerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine erste Mündungsöffnung, die dem ersten Zweig zugeordnet ist und eine zweite Mündungsöffnung, die dem zweiten Zweig zugeordnet ist, mittels einer strömungswegverlängernden Barriere voneinander getrennt sind.
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Elektrische Schaltgeräte dienen einem Herstellen bzw. einem Unterbrechen eines Strompfades, wobei mit dem Herstellen bzw. Unterbrechen auch ein elektrischer Strom zu- bzw. abschaltbar ist. Elektrische Schaltgeräte können dabei beispielsweise derart ausgelegt sein, dass diese auch der Abschaltung von Kurzschlussströmen, d. h., von Strömen die deutlich größer sind als ein üblicherweise auftretender Bemessungsstrom, dienen können. Derartige Schaltgeräte werden Leistungsschalter genannt. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die beiden Schaltkontaktstücke beispielsweise einander stirnseitig gegenüberstehen, wobei eines der Schaltkontaktstücke buchsenartig und das andere Schaltkontaktstück bolzenförmig ausgeführt ist, so dass zur Herstellung bzw. Auftrennung eines Strompfades die beiden Kontaktstücke ineinandergeschoben bzw. auseinandergezogen werden. Eine Bewegung kann dabei vorteilhafterweise entlang einer Achse vorgesehen sein, so dass eine Relativbewegung zwischen den beiden Schaltkontaktstücken linear gerichtet ist.
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Eine Isolierstoffdüse ist beispielsweise aus einem Kunststoff, einer Keramik oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Vorteilhaft haben sich beispielsweise Isolierstoffdüsen aus Polytetrafluorethylen erwiesen, die beispielsweise mittels eines Sinterverfahrens aus einem Granulat geformt werden. Die Isolierstoffdüse umgibt die Schaltstrecke zumindest teilweise, so dass der Raum der Schaltstrecke umgriffen und ein Lichtbogenraum begrenzt ist. Der Lichtbogenraum umgibt zumindest eines der Schaltkontaktstücke zumindest abschnittsweise und umgibt den Bereich, in welchem ein Lichtbogen bei einem Ausschaltvorgang brennen kann. Ein gegebenenfalls zwischen den Schaltkontaktstücken brennender Lichtbogen kann so nicht in unkontrollierter Weise ausbrechen. Die Isolierstoffdüse sorgt dafür, dass der brennende Lichtbogen entlang eines möglichst kurzen Weges zwischen den beiden Schaltkontaktstücken brennt. Die Isolierstoffdüse kann dazu beispielsweise rotationssymmetrisch ausgeformt sein, wobei die Isolierstoffdüse beispielsweise zentrisch einen Kanal aufweist, in welchen zumindest eines der Schaltkontaktstücke hineinbewegbar ist. Damit ist eine Ummantelung der Schaltstrecke gegeben, die ein Ausbrechen des Lichtbogens begrenzt. Es kann vorgesehen sein, dass der Lichtbogen aus dem Isolierstoff der Isolierstoffdüse aufgrund seiner thermischen Wirkung ein Hartgas erzeugt, welches eine Lichtbogenlöschung unterstützt.
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Der Kanal der Isolierstoffdüse kann vollständig oder zumindest abschnittsweise durch die Isolierstoffdüse selbst begrenzt sein. Beispielsweise kann auch ein weiteres Strömungslenkungselement zusammen mit der Isolierstoffdüse eine Ausbildung des Kanals bewirken. Der Kanal stellt eine Verbindung zwischen der Schaltstrecke bzw. dem die Schaltstrecke umgebenden Lichtbogenraum dar, so dass durch einen Lichtbogen expandiertes und erhitztes Gas, so genanntes Schaltgas, über den Kanal aus der Schaltstrecke abgeleitet werden kann. Heißes Schaltgas wird in das Gasspeichervolumen abgeleitet und innerhalb des Gasspeichervolumens zwischengespeichert. Ein Herausleiten von Gas aus dem Gasspeichervolumen ist bevorzugt ausschließlich über den Kanal möglich. Aus Sicherheitsgründen kann an dem Gasspeichervolumen ein Überdruckventil vorgesehen sein, welches ein Ablassen von Gas ermöglicht. Dies ist im regulären Betriebsfall jedoch nicht vorgesehen. Von dem Lichtbogen erzeugtes Schaltgas strömt aus der Schaltstrecke in das Gasspeichervolumen hinein. Aufgrund des kontinuierlichen Nachströmens von Schaltgasen über den Kanal ist ein Heraustreten von Schaltgas aus dem Gasspeichervolumen nicht möglich. Mit einem anhaltenden Nachströmen von Schaltgas in das Gasspeichervolumen erhöht sich im Innern des Gasspeichervolumens der Gasdruck. Dabei kommt es zu einer Durchmischung des einströmenden heißen Schaltgases und eines kalten Gases, welches sich vor einem Zünden eines Lichtbogens in dem Gasspeichervolumen befunden hat.
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Ein Rückströmen von Gas aus dem Gasspeichervolumen über den Kanal ist erst dann möglich, wenn der Druck in der Schaltstrecke reduziert ist. Der Kanal kann bedarfsweise verdämmt werden, so dass beispielsweise bevorzugt ein Abströmens von expandierten Schaltgasen in das Gasspeichervolumen hinein erfolgt. Mit einem Öffnen des Kanals im Bereich der Schaltstrecke, d. h., einer Aufhebung der Verdämmung, tritt ein Druckabfall ein und das im Druck erhöhte, im Gasspeichervolumen zwischengespeicherte Gas strömt über den Kanal zurück in Richtung der Schaltstrecke. Dort kann der gegebenenfalls noch brennende Lichtbogen beblasen und damit gekühlt werden. Weiterhin kann vom Lichtbogen erzeugtes Plasma aus der Schaltstrecke geräumt werden und eine Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke hergestellt werden.
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Eine Verdämmung des Kanals kann beispielsweise durch eines der Schaltkontaktstücke erfolgen. So kann vorgesehen sein, dass ein Erzeugen einer Schaltstrecke im Zuge einer Relativbewegung innerhalb des Kanals der Isolierstoffdüse erfolgt, so dass ein Lichtbogens innerhalb des Kanals brennt und folglich expandierendes Gas über den Kanal in Richtung einer Mündungsöffnung in das Gasspeichervolumen abströmen. Wird eines der Schaltkontaktstücke aus dem Kanal herausbewegt, wird die Verdämmung des Kanals aufgehoben und der Staudruck im Bereich der Schaltstrecke reduziert, so dass das zuvor im Gasspeichervolumen zwischengespeicherte und in seinem Druck erhöhte Gas durch den Kanal in Richtung der Schaltstrecke zurückströmen kann.
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Ein Verdämmen kann dabei derart erfolgen, dass der Kanal vollständig verschlossen ist oder zumindest derartig stark in seinem Querschnitt reduziert wird, dass ein hoher Strömungswiderstand erzwungen wird, der ein Abströmen von Gas nur in geringem Maße ermöglicht.
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Durch die Aufteilung des Kanals in einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig zum Zwecke der Mündung in dem Gasspeichervolumen ist es möglich, einen Strömungsweg in verbesserter Weise in das Gasspeichervolumen hineinzulenken. So ist es beispielsweise möglich, dass der erste Zweig bevorzugt einem Befüllen des Gasspeichervolumens dient und der zweite Zweig bevorzugt einem Entleeren des Gasspeichervolumens dient. Der Kanal ist mit unterschiedlichem Richtungssinn durchströmbar. Wird nunmehr die erste Mündungsöffnung des ersten Zweiges sowie die zweite Mündungsöffnung des zweiten Zweiges durch einer strömungswegverlängernden Barriere voneinander getrennt, erfolgt eine Lenkung des einströmenden Gases bis in entfernte Bereiche des Gasspeichervolumens. Die strömungswegverlängernde Barriere ist beispielsweise eine Wandung, die ein unmittelbares Übertreten von Gas, welches aus der ersten Mündungsöffnung austritt, die zweite Mündungsöffnung verhindert. Damit ist eine Strömungswegverlängerung im Innern des Gasspeichervolumens gegeben. Somit unterteilt die Barriere das Gasspeichervolumen in unterschiedliche Abschnitte, wobei diese Abschnitte vorzugsweise mit unterschiedlichem Richtungssinn von Gas durchströmt sind. So kann beispielsweise aus der ersten Mündungsöffnung austretendes Schaltgas auf der einen Seite der Barriere in eine erste Richtung strömen und nach einer Umkehr des Richtungssinns gegebenenfalls unter einer entsprechenden Verwirbelung auf der anderen Seite der Barriere in eine zweite Richtung abströmen. Somit überstreift das Gas im Innern des Gasspeichervolumens die Barriere auf der einen Seite in einer ersten Richtung und auf der anderen Seite in einer zweiten Richtung, wobei erste und zweite Richtung mit unterschiedlichem Richtungssinn versehen sind. Die Barriere kann beispielsweise in Form einer Rippe oder einer Rippengruppe ausgebildet sein. Wegen der Barriere legt aus dem ersten Zweig austretendes Schaltgas einen längeren Weg zurück als ein direkter Weg entlang einer die Barriere durchsetzenden Achse zwischen der ersten und der zweiten Mündungsöffnung. Die Barriere kann beispielsweise auf ihrer Oberfläche eine Struktur aufweisen, so dass gegebenenfalls eine zusätzliche strömungslenkende Funktion wahrgenommen wird. Die Barriere kann beispielsweise mit Leitrippen, Verwirbelungskörpern o. ä. ausgestattet sein. Über die Barriere können Ecken und Kanten des Gasspeichervolumens gezielt in eine Verwirbelung einbezogen werden. So wird eine Durchmischung des heißen Schaltgases unterstützt und das Gasspeichervolumen effektiv genutzt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Mündungsöffnungen in derselben Wandung des Gasspeichervolumens münden.
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Das Gasspeichervolumen weist eine räumliche Ausdehnung auf, wobei das Gasspeichervolumen von gasdichten Wandungen begrenzt ist. Beispielsweise kann das Gasspeichervolumen die Form eines rotationssymmetrischen Körpers aufweisen. Insbesondere kann ein rotationssymmetrischer Hohlkörper zur Ausbildung des Gasspeichervolumens Verwendung finden. Mündungsöffnungen können beispielsweise derart angeordnet sein, dass die Mündungsöffnung in einer Fläche liegen, d. h., eine Mündungsöffnung sollte vorzugsweise die Form einer Ausnehmung in einer Fläche aufweisen. Eine Mündungsöffnung kann vorzugsweise von einer im Wesentlichen lotrecht umlaufenden Fläche begrenzt sein. Vorteilhafterweise können die beiden Mündungsöffnungen in ein und derselben Wandung des Gasspeichervolumens liegen. Diese Wandung kann beispielsweise eine stirnseitige oder mantelseitige Wandung des Gasspeichervolumens sein. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Mündungsöffnungen in derselben Fläche angeordnet sind. Beispielsweise kann diese Fläche zumindest teilweise durch einen Abschnitt der Isolierstoffdüse ausgebildet sein, so dass die Mündungsöffnungen beispielsweise zumindest teilweise von der Isolierstoffdüse begrenzt sind. Die Isolierstoffdüse kann beispielsweise eine oder beide Mündungsöffnungen vollständig oder zumindest abschnittsweise begrenzen. Eine Mündungsöffnung kann aber auch lediglich teilweise durch die Isolierstoffdüse im Zusammenwirken mit einem weiteren Bauteil, beispielsweise einer Hilfsdüse oder anderen Strömungslenkungselementen, begrenzt sein. Vorzugsweise sollten die Mündungsöffnungen in einer ebenen Fläche liegen, die beispielsweise an der Isolierstoffdüse befindlich ist, so dass zwischen den Mündungsöffnungen in der umgebenden Fläche eine Achse liegt, zu welcher die strömungsweggverlängernde Barriere quer ausgerichtet ist, so dass ein Strömungsweg zwischen den Mündungsöffnungen der beiden Zweige erzwungen ist, welcher länger ist als die direkte Verbindung zwischen den Mündungsöffnungen ohne eine stromungswegverlängernde Barriere.
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Die Barriere kann beispielsweise eine Wandung aufweisen, die beispielsweise quaderförmig, ringförmig, schalenartig gewölbt usw. ausgebildet ist. Die Barriere erstreckt sich dabei quer zu einer Achse zwischen den beiden Mündungsöffnungen von erstem und zweitem Zweig, so dass ein Umströmen der Barriere erzwungen wird und damit Gas auf einem verlängerten Weg in das Gasspeichervolumen hineingelenkt wird, dort eine ausreichende Durchmischung erfährt und anschließend wieder aus dem Gasspeichervolumen ausströmt.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Barriere eine in sich geschlossen umlaufende Wandung aufweist.
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Eine in sich geschlossen umlaufende Wandung kann beispielsweise hohlzylindrisch, insbesondere in Form eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers ausgestaltet sein. So ist es beispielsweise möglich innerhalb eines von der Barriere umschlossenen Bereiches eine der Mündungsöffnungen münden zu lassen und die andere Mündungsöffnung außerhalb des von der umlaufenden Wandung umschlossenen Bereiches münden zu lassen.
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Die in sich geschlossene umlaufende Wandung kann beispielsweise koaxial zu einer Bewegungsachse zwischen den beiden Schaltkontaktstücken angeordnet sein. Weiterhin kann die in sich geschlossene umlaufende Barriere auch koaxial zu dem Kanal ausgerichtet sein.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der erste Zweig in Form eines Ringkanals und der zweite Zweig in Form mehrerer vom Ringkanal fortlaufender Stichkanäle ausgeführt ist.
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Ein Ringkanal kann beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass in den Kanal zumindest abschnittsweise eines der Schaltkontaktstücke hineinragt und so den Querschnitt des Kanals reduziert und der verbleibende Querschnitt zur Führung von Gasen einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zweite Zweig mehrere Stichkanäle aufweist, die von dem Ringkanal fortragend ausgeführt sind. Somit ist es möglich, über den Ringkanal bevorzugt ein Befüllen des Gasspeichervolumens zu bewirken und über die Stichkanäle bevorzugt ein Rückströmen von Gasen aus dem Gasspeichervolumen zu bewirken. Der Ringkanal kann sich beispielsweise bis in die Schaltstrecke hinein erstrecken, so dass ausgehend von der Schaltstrecke der Kanal sich bis in das Gasspeichervolumen als Ringkanal erstreckt, welcher mit der ersten Mündungsöffnung des ersten Zweiges in dem Gasspeichervolumen mündet. Der zweite Zweig mit den Stichkanälen kann dabei derart ausgestaltet sein, dass der Zweig zumindest abschnittsweise parallel zu dem Ringkanal verläuft. Die Zweige können sich beispielsweise strahlenförmig um den Ringkanal herum verteilt erstrecken. Vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass die Stichkanäle einen linear gestreckten Verlauf aufweisen, so dass der Strömungswiderstand in den Stichkanälen reduziert ist. Die Stichkanäle können beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und innerhalb, insbesondere vollständig innerhalb des Körpers der Isolierstoffdüse verlaufen. Die Stichkanäle können beispielsweise eine zylindrische Gestalt aufweisen. Ein Vermeiden von Richtungswechseln innerhalb der Stichkanäle ermöglicht eine vereinfachte Fertigung. Dadurch können die Zweige beispielsweise in einfacher Form mittels spanabhebender Verfahren in die Isolierstoffdüse eingebracht werden. Die Achsen von linearen Stichkanälen können vorteilhaft auf einen gemeinsamen Schnittpunkt zulaufen. Der gemeinsame Schnittpunkt kann auf der Längsachse des Kanals liegen. Die Stichkanäle des zweiten Zweiges können schräg auf den ersten Zweig zulaufen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Barriere mit der Isolierstoffdüse verbunden ist und frei in das Gasspeichervolumen hineinragt.
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Die Barriere kann beispielsweise von der Isolierstoffdüse getragen sein. Dazu kann zwischen der Barriere und der Isolierstoffdüse ein winkelstarrer Verbund ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sollten Barriere und Isolierstoffdüse einstückig ausgebildet sein. Darüber hinaus kann jedoch auch ein formschlüssiges Einpassen der Barriere an der Isolierstoffdüse vorgenommen werden. So ist die Barriere beispielsweise in eine an der Isolierstoffdüse ausgebildete Passung einzustecken und dort zu fixieren. Die Barriere ragt dann mit ihrem freien Ende in das Gasspeichervolumen hinein und bewirkt eine Strömungswegverlängerung zwischen einströmenden und rückströmenden Gas. Die Barriere wird dabei auf ihrer der ersten Mündungsöffnung zugewandten Seite von einer Gasströmung mit erstem Richtungssinn und auf ihrer der anderen Mündungsöffnung zugewandten Seite von einer Gasströmung mit umgekehrten Richtungssinn beströmt. Zwischen dem freien Ende der Barriere und einer das Gasspeichervolumen begrenzenden Wandung ist ein entsprechender Umlenkbereich gebildet, an welchem sich der Richtungssinn einer Gasströmung umkehrt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Barriere mit der Isolierstoffdüse verbunden ist und sich durch das Gasspeichervolumen erstreckt und das Gasspeichervolumen in ein Einströmvolumen und ein Ausströmvolumen unterteilt.
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Erstreckt sich die Barriere durch das Gasspeichervolumen hindurch, so dass von der Isolierstoffdüse beispielsweise bis zu einer gegenüberliegenden Wandung eine durchgängige Barriere gebildet ist, wird ein langer Weg von einströmenden und ausströmenden Gas erzwungen. Beispielsweise kann bei einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung des Gasspeichervolumens die Barriere eine Wandung zwischen einem innenliegenden Einströmvolumen und einem außenliegenden, das innenliegende Einströmvolumen umgreifenden Ausströmvolumen bilden. Die Barriere kann an der Isolierstoffdüse oder an einer anderen Wand des Gasspeichervolumens abgestützt sein. Eine mechanisch stabile Konstruktion ergibt sich bei einer Abstützung der Barriere sowohl an der Isolierstoffdüse als auch an einer anderen Wand des Gaspeichervolumens.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der erste und der zweite Zweig voneinander verschiedene Strömungswiderstände aufweisen.
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Je nach Wahl des Querschnittes der Zweige bzw. des Verlaufes der einzelnen Zweige in dem elektrischen Schaltgerät weisen diese einen bestimmten Strömungswiderstand auf. Sieht man nunmehr vor, dass der erste und der zweite Zweig voneinander verschiedene Strömungswiderstände aufweisen, kann ein Befüllen des Gasspeichervolumens gezielt über den Zweig erfolgen, welcher einen geringeren Strömungswiderstand eröffnet.
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Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Barriere eine Ausnehmung aufweist.
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In der Barriere kann zumindest eine Ausnehmung angeordnet sein, wobei die Ausnehmung quer zur strömungswegverlängernden Barriere ausgerichtet ist, so dass über die Ausnehmung ein Übertritt von Gasen, welche beispielsweise aus der ersten Mündungsöffnung austreten, in die zweite Mündungsöffnung erfolgen. Somit ist es beispielsweise möglich, das in das Gasspeichervolumen eintretende Gas zumindest teilweise durch eine derartige Ausnehmung in Richtung der zweiten Mündungsöffnung des zweiten Zweiges übertreten zu lassen. Damit wird ein in das Druckspeichervolumen eintretendes Gas entlang des Strömungsweges aufgefächert, so dass ein stärkeres Durchmischen und Verwirbeln im Innern des Gasspeichervolumens zu erwarten ist. Damit kann eine verbesserte Abkühlung von einströmenden heißen Gasen im Innern des Gasspeichervolumens erzwungen werden. Durch die Ausnehmung wird die Sperrwirkung der Barriere herabgesetzt. Die Ausnehmung kann verschiedene Querschnitte aufweisen. Durch die Ausnehmung wird ein Strömungspfad quer zur Sperrrichtung der Barriere eröffnet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Barriere elektrisch isolierend wirkt.
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Eine elektrisch isolierende Barriere kann beispielsweise eine Oberfläche aufweisen, die aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist. So kann die Barriere beispielsweise Abschnitte aufweisen, die vollständig. aus elektrisch isolierendem Material gebildet sind. Des Weiteren kann im Verlauf der Barriere eine Isolierstelle angeordnet sein, die ein Übertreten von elektrischen Strömen, beispielsweise von Kriechströmen, an der Barriere verhindert. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Barriere beispielsweise aus einem Leiterwerkstoff gefertigt ist und abschnittsweise oder vollständig eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das elektrische Schaltgerät eine Druckgasisolation aufweist.
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Elektrische Schaltgeräte mit einer Druckgasisolation weisen im Regelfall ein Kapselungsgehäuse auf, welches das Druckgas in seinem Inneren aufnimmt. Das Kapselungsgehäuse verhindert ein Verflüchtigen des Druckgases, wobei die im Innern des Kapselungsgehäuses befindlichen Baugruppen von dem Druckgas umströmt bzw. von diesem durchströmt sind. Als Druckgase sind vorteilhafterweise elektrisch isolierende Gase einzusetzen. Besonders geeignete Gase sind Schwefelhexafluorid oder Stickstoff bzw. Gemische mit diesen Gasen. Innerhalb der Druckgasisolation sind beispielsweise Schaltkontaktstücke, eine Isolierstoffdüse, ein Gasspeichervolumen, ein Kanal oder Zweige des Kanals oder eine strömungswegverlängernde Barriere angeordnet. All diese Bauteile sind von dem elektrisch isolierenden Gas umspült. Insbesondere ist das Gasspeichervolumen mit dem elektrisch isolierenden Gas befüllt, so dass dieses elektrisch isolierende Gas beispielsweise mit einem von einem Lichtbogen erhitzten und expandierten Schaltgas vermischt werden kann. Dieses Schaltgas wird beispielsweise durch die von einem Lichtbogen ausgehende thermische Wirkung erzeugt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Schaltkontaktstücke Lichtbogenkontaktstücke sind.
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Die Nutzung von Lichtbogenkontaktstücken zur Ausbildung der Schaltkontaktstücke weist den Vorteil auf, dass die Lichtbogenkontaktstücke hinsichtlich der Führung, Lenkung und Leitung eines Lichtbogens optimiert werden können. Die Lichtbogenkontaktstücke weisen abbrandfeste Bereiche auf, welche der Führung eines Lichtbogens dienen und gegenüber Lichtbogenerosion eine ausreichende Widerstandsfähigkeit aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, wiederholt größere Ströme, beispielsweise auch Kurzschlussströme, ausschalten bzw. einschalten zu können. Die Lichtbogenkontaktstücke sind dabei im Regelfall durch so genannten Nennstromkontaktstücken ergänzt, wobei im Falle eines Einschaltvorganges die Lichtbogenkontaktstücke zeitlich vor den Nennstromkontaktstücken einander kontaktieren und bei einem Ausschaltvorgang die Lichtbogenkontaktstücke erst nach einem Aufheben der Kontaktierung der Nennstromkontakte voneinander getrennt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Strom bei einem Ausschaltvorgang auf die Lichtbogenkontaktstücke kommutiert und ein Lichtbogen zwischen diesen gebildet ist. Bei einem Einschaltvorgang wird sichergestellt, dass Vorüberschläge vorzugsweise gezielt an den Lichtbogenkontaktstücken auftreten. Die Lichtbogenkontaktstücke können beispielsweise einander stirnseitig gegenüberliegende Schaltkontaktstücke sein, welche längs einer Achse relativ zueinander bewegbar sind. Die Nennstromkontaktstücke können die Lichtbogenkontaktstücke umfassen und koaxial zur Verschiebeachse der Schaltkontaktstücke angeordnet und ebenfalls längs dieser Achse relativ zueinander bewegbar sein.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigt die
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1 ein elektrisches Schaltgerät, die
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2 eine erste Abwandlung des aus der 1 bekannten elektrischen Schaltgerätes, die
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3 eine zweite Abwandlung des aus der 1 bekannten elektrischen Schalgerätes und die
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4 eine dritte Abwandlung des aus der 1 bekannten elektrischen Schaltgerätes.
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Zunächst wird anhand der 1 ein prinzipieller Aufbau eines elektrischen Schaltgerätes beschrieben. Die 2, 3 und 4 zeigen jeweils Abwandlungen des in der 1 gezeigten elektrischen. Schaltgerätes. Die Ausgestaltung einer strömungswegverlängernden Barriere variiert jeweils.
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch ein elektrisches Schaltgerät. Das elektrische Schaltgerät weist ein nicht näher dargestelltes Kapselungsgehäuse auf, welches ein elektrisch isolierendes Gas umschließt. Das elektrisch isolierende Gas ist mit einem Überdruck beaufschlagt und umspült die im Innern des Kapselungsgehäuses befindlichen Teile des elektrischen Schaltgerätes. Die in der 1 gezeigten Teile sind im Innern des Kapselungsgehäuses befindlich. Das elektrische Schaltgerät weist ein erstes Schaltkontaktstück 1 sowie ein zweites Schaltkontaktstück 2 auf. Das erste Schaltkontaktstück 1 ist vorliegend buchsenförmig ausgestaltet. Das zweite Schaltkontaktstück 2 ist bolzenförmig ausgestaltet. Die beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 sind jeweils rotationssymmetrisch ausgebildet und liegen koaxial zu einer Achse 3 einander stirnseitig gegenüber. Durch eine Relativbewegung der beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 entlang der Achse 3 kann ein Strompfad geschlossen bzw. ein Strompfad unterbrochen werden. An den einander zugewandten Enden sind die beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 jeweils mit abbrandfesten Kontaktierungsbereichen 1a, 2a ausgestattet. Die abbrandfesten Kontaktierungsbereiche 1a, 2a bilden die einander zugewandten Stirnseiten der beiden Schaltkontaktstücke 1, 2. Zwischen den beiden Schaltkontaktstücken 1, 2 ist eine Schaltstrecke 4 ausgebildet. Die Schaltstrecke 4 ist in ihrer axialen Erstreckung variabel. Die Erstreckung wird durch die Relativbewegung der beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 zueinander bestimmt. Der in der 1 dargestellte Zustand des elektrischen Schaltgerätes zeigt eine Zwischenstellung der Schaltkontaktstücke 1, 2 während eines Ausschaltvorganges. Die Schaltkontaktstücke 1, 2 sind bereits voneinander getrennt, deren Ausschaltpositionen sind jedoch noch nicht erreicht, so dass die axiale Ausdehnung der Schaltstrecke noch zunimmt. Zwischen den abbrandfesten Kontaktierungsbereichen 1a, 2a der beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 ist ein Lichtbogen 5 ausgebildet.
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Die beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 wirken als Lichtbogenkontaktstücke. Den beiden Schaltkontaktstücken 1, 2 ist ein erstes Nennstromkontaktstück 6 sowie ein zweites Nennstromkontaktstück 7 zugeordnet. Dem ersten Schaltkontaktstück 1 ist das erste Nennstromkontaktstück 6 zugeordnet, dem zweiten Schaltkontaktstück 2 ist das zweite Nennstromkontaktstück 7 zugeordnet. Die jeweils einander zugeordneten Schaltkontaktstücke 1, 2 und Nennstromkontaktstücke 6, 7 sind untereinander elektrisch leitend verbunden, so dass die einander zugeordneten Schaltkontaktstücke 1, 2 und Nennstromkontaktstücke 6, 7 stets das gleiche elektrische Potential führen. Dadurch ist es möglich, dass bei einem Ausschaltvorgang ein Strom von den Nennstromkontaktstücken 6, 7 auf die Schaltkontaktstücke 1, 2 kommutiert. Aufgrund der Lage der einander zugeordneten Schaltkontaktstücke 1, 2 und Nennstromkontaktstücke 6, 7 erfolgt bei einem Einschaltvorgang zunächst ein Kontaktieren der beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 und darauf folgend ein Kontaktieren der beiden Nennstromkontaktstücke 6, 7. Während eines Ausschaltvorganges erfolgt umgekehrt zunächst ein Trennen der Nennstromkontaktstücke 6, 7 und darauf folgend ein Trennen der Schaltkontaktstücke 1, 2.
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Die Schaltstrecke 4 ist von einer Isolierstoffdüse 8 umgeben. Die Isolierstoffdüse 8 ist mittels eines ersten Gewindeganges winkelstarr mit dem ersten Nennstromkontaktstück 6 verbunden. Über einen winkelstarren Verbund zwischen dem ersten Nennstromkontaktstück 6 und dem ersten Schaltkontaktstück 1 ist ebenfalls ein winkelstarrer Verbund zwischen der Isolierstoffdüse 8 und dem ersten Schaltkontaktstück 1 sichergestellt. Die Isolierstoffdüse 8 weist einen Kanal 9 auf, welcher koaxial zu der Achse 3 ausgerichtet ist. Der Kanal 9 umgibt die Schaltstrecke 4 und bewirkt eine radiale Begrenzung derselben, so dass ein Lichtbogenraum gebildet ist. Durch den Kanal 9 der Isolierstoffdüse 8 ist ein radiales Ausbrechen des Lichtbogens 5 verhindert. In den Kanal 9 der Isolierstoffdüse 8 ragt das erste Schaltkontaktstück 1 hinein. Dadurch ist der Kanal 9 teilweise als Ringkanal 9a ausgebildet. Zum Schutz des in den Kanal 9 hineinragenden ersten Schaltkontaktstückes 1 ist das erste Schaltkontaktstück 1 von einer so genannten Hilfsdüse 10 umgeben. Die Hilfsdüse 10 wirkt elektrisch isolierend und umgibt das erste Schaltkontaktstück 1 mantelseitig. Die Hilfsdüse 10 ist mittels eines zweiten Gewindeganges an dem ersten Schaltkontaktstück 1 befestigt. Auf der dem zweiten Schaltkontaktstück 2 zugewandten Seite ist die Hilfsdüse 10 mit einer vorspringenden Schulter versehen, so dass stirnseitige Abschnitte des ersten Schaltkontaktstückes 1 von der Hilfsdüse 10 überdeckt und geschützt sind. Der Kanal 9 wird durch eine Wandung der Isolierstoffdüse 8 begrenzt. In den Kanal 9 der Isolierstoffdüse 8 ragt das erste Schaltkontaktstück 1 mit der das erste Schaltkontaktstück 1 im Bereich des Ringkanals 9a umgebenden Hilfsdüse 10 hinein.
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Der Ringkanal 9a mündet auf seiner von der Schaltstrecke 4 angewandten Seite in einem Gasspeichervolumen 11. Das Gasspeichervolumen 11 weist eine rotationssymmetrische Form auf, wobei das Gasspeichervolumen 11 von dem ersten Schaltkontaktstück 1 durchsetzt ist. Außenmantelseitig ist das Gasspeichervolumen 11 von dem ersten Nennstromkontaktstück 6 begrenzt. Der Ringkanal 9a mündet mit einer ersten Mündungsöffnung 12 in dem Gasspeichervolumen 11. Die erste Mündungsöffnung 12 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf. An dem der ersten Mündungsöffnung 12 zugewandten Ende ist der Ringkanal 9a als ein erster Zweig 13 ausgebildet. Weiterhin ist der Kanal 9 mit einem zweiten Zweig 14 ausgestattet. Der zweite Zweig 14 weist mehrere Stichkanäle 16 auf, welche in dem Kanal 9 münden und zwar in dem Abschnitt des Kanals 9, welcher als Ringkanal 9a ausgebildet ist. An dem von dem Ringkanal 9a abgewandten Ende des Zweiges 14 weist der zweite Zweig 14 eine zweite Mündungsöffnung 15 auf. Die Stichkanäle 16 sind jeweils mit einem kreisrunden Querschnitt ausgestattet und sind radial am Umlauf der Achse 3 verteilt angeordnet. Die Stichkanäle 16 münden jeweils in dem Gasspeichervolumen 11 bzw. in dem Ringkanal 9a. Der Mündungsbereich der Stichkanäle 16 im Kanal 9 definiert die Verzweigung, an welcher der Kanal 9 in einem ersten Zweig 13 sowie einem zweiten Zweig 14 aufgeteilt ist. Die Stichkanäle 16 liegen vollständig in der Isolierstoffdüse 8. Die zweite Mündungsöffnung 15 ist vollständig von einer Wandung der Isolierstoffdüse 8 begrenzt. Vorliegend sind die Mündungsöffnungen 12, 15 derart ausgestaltet, dass die Mündungsöffnungen 12, 15 sämtlichst in einer Ebene liegen. Die Mündungsöffnungen 12, 15 liegen in ein und derselben stirnseitigen Wandung des Gasspeichervolumens.
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Eine Wandung des Gasspeichervolumens 11 ist zumindest teilweise durch die Isolierstoffdüse 8 ausgebildet. Die Wandung ist vorzugsweise planar ringförmig ausgestaltet, wobei die Ebene dieser Wandung annähernd lotrecht zur Achse 3 ausgerichtet ist.
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An der Isolierstoffdüse 8 ist eine Barriere 17 angeordnet. Die Barriere 17 ist vorliegend als Hohlzylinder mit kreisringförmigem Querschnitt ausgestaltet, welcher von der Isolierstoffdüse 8 getragen ist. Die Barriere 17 kann beispielsweise einstückig mit der Isolierstoffdüse 8 ausgeformt sein. Die Barriere 17 ist koaxial zur Achse 3 ausgerichtet und umschließt die erste Mündungsöffnung 12. Die Barriere 17 ragt frei in das Gasspeichervolumen 11 hinein und separiert die erste Mündungsöffnung 12 von der zweiten Mündungsöffnung 15, so dass ein direktes Überströmen von Gas aus dem ersten Zweig 13 in den zweiten Zweig 14 verhindert ist.
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In der vorliegenden Ausgestaltung wurde die axiale Erstreckung der Barriere 17 derart gewählt, dass diese bündig mit der Hilfsdüse 10 endet. Darüber hinaus kann die Barriere 17 in axialer Richtung beliebig verlängert oder verkürzt werden, wie in der 1 durch die strichpunktierte Darstellung angedeutet. Die Barriere 17 teilt mit ihrer Wandung das Gasspeichervolumen in ein Einströmvolumen 19 sowie in ein Ausströmvolumen 20. Einström- und Ausströmvolumen 19, 20 sind jeweils koaxial zur Achse 3 ausgerichtet. Das Einströmvolumen 19 ist radial von dem Ausströmvolumen 20 umschlossen.
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Um ein Aus- und Übertreten von Schaltgas aus der Barriere 17 zu unterstützen oder gezielt einzuleiten, können sich im Wesentlichen in radialer Richtung zu der Achse 3 erstreckende Ausnehmungen 18 in die Barriere 17 eingebracht sein. Insbesondere bei einem vollständigen Erstrecken der Barriere 17 durch die gesamte axiale Erstreckung des Gasspeichervolumens 11 hindurch ist eine Anordnung von Ausnehmungen 18 vorteilhaft.
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Die in den Figuren in dem Kanal 9/Ringkanal 9a, dem Gasspeichervolumen 11 sowie den Stichkanälen 16 gezeigten Pfeilen beschreiben die Möglichkeit eines Strömens von Gasen, ausgehend von der Schaltstrecke 4, in das Gasspeichervolumen 11 hinein und wieder zurück in Richtung der Schaltstrecke 4.
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Im Folgenden soll anhand der 1 beispielhaft die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen elektrischen Schaltgerätes beschrieben werden.
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Die 1 zeigt einen Zeitpunkt während eines Ausschaltvorganges, wobei eine Trennung der Schaltkontaktstücke 1, 2 bereits stattgefunden hat und bereits soweit fortgeschritten ist, dass ein Lichtbogen 5 in der Schaltstrecke 4 brennt. Bei dem Einleiten eines Ausschaltvorganges befinden sich die Nennstromkontaktstücke 6, 7 sowie die Schaltkontaktstücke 1, 2 noch in galvanischer Verbindung. Die Nennstromkontaktstücke 6, 7 sowie die Schaltkontaktstücke 1, 2 werden voneinander in Richtung der Achse 3 entfernt, so dass zunächst eine Trennung der Nennstromkontaktstücke 6, 7 erfolgt. Ein über diese Nennstromkontaktstücke 6, 7 fließender elektrischer Strom kommutiert nunmehr auf die beiden Schaltkontaktstücke 1, 2. Die beiden Schaltkontaktstücke 1, 2 werden zeitlich folgend getrennt. Es erfolgt nach der Kontakttrennung häufig ein Zünden eines Lichtbogens 5. Mit voranschreitender Entfernung der Schaltkontaktstücke 1, 2 voneinander erfolgt eine Verlängerung des Lichtbogens 5. Der Lichtbogen 5 brennt in der Schaltstrecke 4. Das zweite Schaltkontaktstück 2 ist zu Beginn einer Trennbewegung im Kanal 9 befindlich und verdämmt diesen Kanal 9. Zur Verdämmung weist die Isolierstoffdüse 8 eine Düsenengstelle auf. Die Verdämmung des Kanals 9 erfolgt dabei nur zu einem Teil, jedoch ist eine Strömungswiderstandserhöhung durch die Verdämmung des Kanals 9 mittels des zweiten Schaltkontaktstückes 2 derartig stark, dass ein ausreichender Anteil der durch den Lichtbogen 5 expandierten Schaltgase, ausgehend von der Schaltstrecke 9, über den Kanal 9/Ringkanal 9a in Richtung des Gasspeichervolumens 11 getrieben wird. Die heißen Gase aus der Schaltstrecke 4 laufen über den Kanal 9 bis in das Gasspeichervolumen 11 hinein. Dort wird aufgrund der Lage des ersten Zweiges 13 und des zweiten Zweiges 14 und der sich einstellenden Strömungswiderstandsverhältnisse ein Strömen der Gase in das Gasspeichervolumen 11 vorzugsweise durch den ersten Zweig 13 erfolgen. Über die erste Mündungsöffnung 12 im Gasspeichervolumen 11 tritt heißes Gas in das Gasspeichervolumen 11 hinein. Da die Barriere 17 ein unmittelbares Übertreten von gerade einströmendem Gas in die zweite Mündungsöffnung 15 verhindert, wird das einströmende Gas weiter in den von den Mündungsöffnungen 12, 15 abgewandten Bereiche des Gasspeichervolumens 11 hineingetragen. Dort findet eine Durchmischung mit dem im Gasspeichervolumen 11 befindlichen kalten Gas statt. Über den Kanal 9 wird nach wie vor heißes und im Druck erhöhtes Gas in das Gasspeichervolumen 11 gepresst. Dort erhöht sich ebenfalls der Druck. Das Gas hat das Bestreben, über den zweiten Zweig 14 aus dem Gasspeichervolumen herauszudrängen. Aufgrund des stetig in den Kanal 9 nachströmenden heißen Schaltgases und dem vorherrschenden Überdruck ist ein sofortiges Austreten jedoch nicht ermöglicht. Mit einem Voranschreiten der Schaltbewegung, d. h., das zweite Schaltkontaktstück 2 wird aus dem Kanal 9 herausbewegt, kommt es zu einer Aufhebung der Verdämmung des Kanals 9 und zu einer Druckreduzierung im Bereich der Schaltstrecke 4.
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Nunmehr besteht die Möglichkeit, das in seinem Druck erhöhte Gas aus dem Gasspeichervolumen 11 über den zweiten Zweig 14 heraustreten zu lassen und wieder in den Kanal 9 hineinzuleiten. Ein gegebenenfalls noch brennender Lichtbogen 5 kann nunmehr mit dem zurückströmenden Gas beblasen und gekühlt werden. Weiterhin kann die Schaltstrecke nach Löschen des Lichtbogens 5 durch das zurückströmende Gas gespült werden, so dass eine durchschlagsfeste Isolierstrecke auch zwischen den beiden Schaltkontaktstücken 1, 2 gebildet werden kann.
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In der 1 ist die Barriere 17 beispielhaft als Barriere mit einer Wandung aus elektrisch isolierendem Material dargestellt. Des Weiteren sind Ausnehmungen 18 mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Darüber hinaus können die Formen der Ausnehmungen jedoch variieren sowie weitere/andere Materialien zur Ausbildung der Barriere 17 zum Einsatz gelangen.
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Die 2 stellt eine erste Abwandlung des in der 1 gezeigten elektrischen Schaltgerätes dar. Lediglich die Ausgestaltung einer Barriere 17a erfolgt alternativ. Daher soll lediglich auf die Ausgestaltung der Barriere 17a im Folgenden eingegangen werden. Auf die weiteren Wirkungsweisen, Funktionen und Baugruppen wird auf die 1 bzw. die zugehörige Figurenbeschreibung verwiesen. Gleiches gilt analog auch für die 3 und 4.
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Die Barriere 17a bei der Ausgestaltungsvariante nach 2 ist derart ausgebildet, dass diese sich vollständig durch das Gasspeichervolumen 11 hindurch erstreckt. Das Gasspeichervolumen 11 wird auch hier in ein Einströmvolumen 19 sowie ein Ausströmvolumen 20 unterteilt. Die Barriere 17a ist rotationssymmetrisch ausgeformt sowie koaxial zur Achse 3 angeordnet. Zur Positionierung der Barriere 17a im Gasspeichervolumen 11 ist vorgesehen, dass die Isolierstoffdüse 8 mit einer Passung versehen ist, in welche die Barriere 17a eingeführt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gasspeichervolumens 11 ist eine Ringnut angeordnet, in welche die von der Isolierstoffdüse 8 abgewandte Seite der Barriere 17a eingelegt ist. Somit ist die Barriere 17a formschlüssig zwischen einer Wandung des Gasspeichervolumens 11 und der Isolierstoffdüse 8 positioniert. Weiterhin ist gemäß der 2 vorgesehen, die Barriere 17a mit einer trichterartig erweiterten Form auszugestalten. Dadurch wird die mechanische Stabilität der Barriere 17a günstig beeinflusst. Zum Überströmen des Gases von dem Einströmvolumen 19 in das Ausströmvolumen 20 sind in die Barriere 17a mehrere rechteckige Ausnehmungen 18 um die Achse 3 verteilt eingebracht. Die Ausnehmungen 18 sind vorzugsweise auf der von der Isolierstoffdüse 8 abgewandten Seite der Barriere 17a angeordnet.
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Die 3 zeigt eine zweite Abwandlung des Schaltgerätes mit einer Barriere 17b. Vorliegend ist die Barriere 17b ebenfalls an ihrer von der Isolierstoffdüse 8 abgewandten Seite trichterförmig erweitert ausgestaltet. Jedoch ist eine Erweiterung stufig vorgesehen, so dass die Strömungsverhältnisse im Bereich des Einströmvolumens 19 günstig gestaltet sind.
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Bei der in der 4 gezeigten dritten Abwandlung des Schaltgerätes mit einer Barriere 17c ist vorgesehen, die Barriere 17c beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material zu formen, wobei ein winkelstarrer Verbund zwischen der Barriere 17c und einer Wandung des Gasspeichervolumens 11, welche nicht durch die Isolierstoffdüse 8 gebildet ist, erfolgt. Somit ist es beispielsweise möglich, mit der Fertigung des ersten Nennstromkontaktstückes 6 bzw. des ersten Schaltkontaktstückes 1 die Barriere 17c auszuformen. Dabei ist vorgesehen, dass sich auch die Barriere 17c durch die gesamte Länge des Gasspeichervolumens 11 hindurch erstreckt, wobei die Isolierstoffdüse 8 an die Barriere 17c anschlägt. Somit ist auch hier eine Unterteilung in ein Einströmvolumen 19 sowie ein Ausströmvolumen 20 des Gasspeichervolumens 11 vorgenommen. Um ein Übertreten von Gasen aus dem Einströmvolumen 19 in das Ausströmvolumen 20 zu fördern, ist bei der Abwandlung des elektrischen Schaltgerätes gemäß 4 eine Anordnung mehrerer axial beabstandeter Ringbahnen vorgesehen, wobei auf den Ringbahnen versetzt zueinander mehrere radial ausgerichtete Ausnehmungen 18 angeordnet sind.
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Die in den 2, 3 und 4 gezeigten elektrischen Schaltgeräte entsprechen nach Wirkung und Funktion dem in der 1 gezeigten Schaltgerät. Entsprechend gilt die Beschreibung bezüglich der 1 analog für die 2, 3 und 4. Die 1, 2, 3 und 4 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der Barrieren 17, 17a, 17b, 17c.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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