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Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom, insbesondere von Gleichstrom mit einem hohen induktiven Anteil, mit zumindest einem Kontaktpaar, welches einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei zumindest der zweite Kontakt zu dem ersten Kontakt beweglich ist und wobei der erste Kontakt an einem ersten Lichtbogenleiter angeordnet ist und dass ein zweiter Lichtbogenleiter dem ersten Lichtbogenleiter zur Führung eines Schaltlichtbogens zugeordnet ist.
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Es ist bekannt, dass zum dauerhaften Trennen von Gleichströmen, anders als bei Wechselströmen, in entsprechenden Schaltgeräten ein magnetischer Blasmechanismus vorgesehen ist, der den beim Öffnen der Schaltkontakte entstehenden Schaltlichtbogen aufgrund der auf ihn wirkenden Lorentz-Kraft von den Schaltgeräten weg in Richtung einer Lichtbogenlöschvorrichtung treibt, wo dieser bei Erreichen der treibenden Spannung schließlich verlischt. Der Bau kompakter Schaltgeräte zum Schalten von Gleichstrom wird durch den fehlenden periodischen Strom-Nulldurchgang erschwert. Die Energie der Schaltlichtbögen bewirkt bis zu ihrem Erlöschen eine örtlich hohe thermische Belastung innerhalb der Schaltkammer, wodurch Schaltgeräte für Gleichstrom im Vergleich zu Wechselstrom-Schaltgeräten vergleichbarer Stromstärken in der Regel deutlich voluminöser ausfallen, oder aber eine vergleichsweise geringere elektrische Lebensdauer haben.
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Insbesondere bei dem Schalten und Löschen hoher Ströme ist in der Regel eine doppelt unterbrechende Kontaktanordnung vorgesehen, welche die entstehenden Schaltlichtbögen über Lichtbogenleiter in eine Stapelanordnung aus Löschblechen in Form sogenannter Deion-Kammern führt, wo die Lichtbogen gekühlt and in mehrere Teillichtbögen aufgeteilt werden, was mit einer entsprechenden Vervielfachung der Lichtbogenspannung verbunden ist. Beim Erreichen der treibenden Spannung erlischt der Lichtbogen und der Stromkreis wird dadurch unterbrochen. Neben dem bekannten Lichtbogenlöschprinzip der Erhöhung der Lichtbogenspannung bis zum Erreichen der treibenden Spannung durch Vervielfältigung der Lichtbogenspannung beim Aufteilen des von den Schaltkontakten weggetriebenen Schaltlichtbogens in mehrere Teillichtbögen in sogenannten Deion-Löschkammern, lässt sich die elektrische Spannung auch durch eine gezielte Längung des Lichtbogens, beispielsweise beim Durchlaufen einer divergierenden Lichtbogen-Laufschienenanordnung erreichen. Eine besonders effiziente Lichtbogenlöschung lässt sich erzielen, indem statt Luft als Schaltumgebung eine Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gewählt wird, welches in einer hermetisch gekapselten Schaltanordnung eingeschlossen ist. Wasserstoffmoleküle bewirken auf Grund ihrer im Vergleich zu Luftmolekülen wesentlich höheren Teilchengeschwindigkeit eine sehr effiziente Kühlung und Deionisation der Schaltstrecke. Im Ergebnis lässt sich beim Schalten in einer Wasserstoffatmosphäre an einem frei brennenden Lichtbogen ein mehrfaches der mit der gleichen Schaltanordnung in Luft erzielbaren Lichtbogenspannung erreichen.
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Ein gekapseltes, wasserstoffgefülltes Schaltgerät ist beispielsweise in Form eines kompakten Relais in der
US 5 519 370 A beschrieben. Bei geeigneter Auslegung können mit einem solchem Schaltprinzip Ströme von mehreren hundert Ampere bei Schaltzahlen im Bereich einiger hundert bis eintausend Schaltungen getrennt werden.
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Energiereiche Gleichstrom-Schaltlichtbögen bedeuten auf Grund der extrem hohen Lichtbogentemperaturen insbesondere bei längerer Brenndauer jedoch eine starke thermische Belastung der Schaltkammer, was im Ergebnis die Lebensdauer des Schaltgeräts spürbar begrenzt. Insbesondere bei Gleichstrom mit einem hohen induktiven Anteil, insbesondere in der sogenannten Gebrauchskategorie DC-5 sind die Lichtbogenzeiten aufgrund des höheren Energiegehalts in der Regel wesentlich länger als bei einem niedrigen induktiven Anteil. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine polaritätsunabhängige Schaltkammer, insbesondere für hohe Gleichströme mit hohem induktiven Anteil vorzuschlagen, die gleichermaßen hohe elektrische Schaltleistungen sowie eine hohe Gesamtschaltzahl ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch ein Schaltgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom weist zumindest ein Kontaktpaar auf, welches einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt umfasst, wobei zumindest der zweite Kontakt zum ersten Kontakt beweglich ist. Mit nur einem Kontaktpaar wird der Gleichstrom an einer Stelle unterbrochen, indem der zweite Kontakt von dem ersten Kontakt entfernt wird. Bei einer solchen einfach unterbrechenden Anordnung entsteht genau ein Lichtbogen zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt. Bei einer doppelt unterbrechenden Anordnung sind zwei Kontaktpaare vorgesehen, die den Gleichstrom zeitgleich an zwei Stellen trennen, so dass sich zwei Lichtbögen bilden, nämlich jeweils zwischen den ersten Kontakten und den zweiten Kontakten der zwei Kontaktpaare. In der folgenden Beschreibung wird in der Regel nur auf ein Kontaktpaar eingegangen, wobei alle beschriebenen Merkmale auf das zweite Kontaktpaar bzw. die doppelt unterbrechende Anordnung mit zwei Kontaktpaaren übertragbar sind.
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Das erfindungsgemäße Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom, insbesondere von Gleichstrom mit einem hohen induktiven Anteil, weist einen ersten Lichtbogenleiter auf, an welchem der erste Kontakt angeordnet ist. Ein zweiter Lichtbogenleiter ist dem ersten Lichtbogenleiter zur Führung eines Schaltlichtbogens zugeordnet, der entsteht, wenn der zweite Kontakt in eine geöffnete Position verstellt wird, um den Stromfluss zu unterbrechen. Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, dass der zweite Kontakt in der geöffneten Position an dem zweiten Lichtbogenleiter angeordnet ist, um einen leichten Übergang des Lichtbogens von dem Kontakt auf den Lichtbogenleiter zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Lichtbogenleiter und der zweite Lichtbogenleiter jeweils als eine in sich geschlossene Leiterschleife ausgebildet sind und dass eine Länge des ersten Lichtbogenleiters entlang der Leiterschleife einer Länge des zweiten Lichtbogenleiters entlang der Leiterschleife entspricht.
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Neben Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenbrenndauer, wie beispielsweise die Wahl von Wasserstoff als Schaltmedium, lässt sich die destruktive Wirkung eines energiereichen Lichtbogens vorteilhaft auch dadurch minimieren, dass der Lichtbogen kontinuierlich in Bewegung gehalten wird. Auf diese Weise verteilt sich zum einen die thermische Energie des Lichtbogens auf einen größeren Bereich der Schaltkammer, so dass jeder gegebene Teilbereich nur für einen kurzen Zeitraum der unmittelbaren thermischen Einwirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist. Zum anderen wird dem Lichtbogen während seiner Bewegung durch ein nicht ionisiertes, kühlendes Schaltgas kontinuierlich Energie entzogen, bis er dadurch erlischt. Ein Vorteil der Lichtbogenleiter mit gleicher Leiterschleifenlänge besteht darin, dass beide Lichtbogenleiter bei einem Umlauf des Lichtbogens gleich stark den thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Dadurch, dass die Lichtbogenleiter eine geschlossene Leiterschleife bilden, kann der Lichtbogen im Verlauf mehrerer Umläufe gelöscht werden, die insbesondere bei großen Strömen mit hohem induktiven Anteil notwendig sind.
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Eine Form der Leiterschleifen ist dabei grundsätzlich frei wählbar und wird in der Regel danach ausgewählt, wie am sinnvollsten ein kontinuierliches Fortbewegen des Lichtbogens in einem entsprechenden, magnetischen Blasfeld entlang der Lichtbogenleiter realisiert werden kann. Ein Auseinanderlaufen oder Divergieren der Lichtbogenleiter ist hier beispielsweise nur bedingt sinnvoll, da die geschlossenen Leiterschleifen ohnehin wieder konvergierend aufeinander zu laufen müssen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Lichtbogenleiter und der zweite Lichtbogenleiter in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordnet, welche besonders bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind. Gemäß diese Ausführungsform ist der zweite Kontakt in einer Richtung senkrecht zu mindestens einer der Ebenen beweglich. Weiterhin bevorzugt sind der erste Lichtbogenleiter und der zweite Lichtbogenleiter jeweils kreisringförmig ausgestaltet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Lichtbogenleiter und der zweite Lichtbogenleiter in einer gemeinsamen Kammer angeordnet sind, wobei die Kammer dem Verlauf der Leiterschleifen angepasst ist. Die Kammer weist insbesondere zwei Kammerwände auf, wobei der erste und der zweite Lichtbogenleiter zwischen den Kammerwänden angeordnet sind. Die Kammerwände erstrecken sich bevorzugt in einer Richtung senkrecht zu mindestens einer der durch die Lichtbogenleiter definierten Ebenen, welche insbesondere auch derjenigen Richtung entspricht, in welcher der zweite Kontakt beweglich ist. Die Kammer ist weiterhin bevorzugt einseitig durch einen sich zwischen den Kammerwänden erstreckenden Kammerboden verschlossen, wobei die Kammer an einem anderen Ende offen ist. Die Kammerwände weisen dabei besonders bevorzugt jeweils einen Kern aus einem magnetisch leitenden Material auf, wobei die Kerne der Kammerwände zumindest abschnittsweise durch einen Permanentmagneten miteinander verbunden sind. Der Permanentmagnet ist dabei insbesondere in dem Kammerboden angeordnet. Die Kammerwände bilden so vorteilhaft Polplatten, die jeweils beidseitig der ersten und zweiten Lichtbogenleiter angeordnet sind, um ein entsprechendes Magnetfeld aufzubauen, welches den Lichtbogen treibt.
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Ein Gehäuse des Schaltgeräts ist bevorzugt derart vorgesehen, dass ein Kühlelement eine Wärmeübertragung zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einer Umgebung ermöglicht. Weiterhin bevorzugt ist ein gasdicht geschlossenes Gehäuse vorgesehen, das mit einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt ist.
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Sofern zwei Kontaktpaare vorgesehen sind, sind die zwei Lichtbogenleiter des zweiten Kontaktpaars vorzugsweise konzentrisch zu den zwei Lichtbogenleitern des ersten Kontaktpaars angeordnet.
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Des Weiteren ist in dem Gehäuse vorzugsweise eine Schaltbrücke zum Stromführen bei geschlossenen Kontaktpaaren vorgesehen, wobei die zwei zweiten Kontakte an gegenüberliegenden Enden der Schaltbrücke angeordnet sind.
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Die Schaltbrücke ist vorzugsweise mit einem Schaltstößel verbunden, wobei ein von der Schaltbrücke entferntes Ende des Schaltstößels außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dazu ist vorzugsweise ein abgedichteter Durchtritt für den Schaltstößel durch das Gehäuse vorgesehen, wobei der Durchtritt eine Öffnung und einen einerseits um die Öffnung herum befestigten Faltenbalg aufweist, wobei der Faltenbalg andererseits mit einem Kragen des Schaltstößels gasdicht verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Kragen in Form einer Hülse ausgeführt, wobei eine Wand der Hülse den Faltenbalg teilweise aufnimmt, um diesen vorteilhaft vor der Einwirkung der Lichtbögen zu schützen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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Es zeigen
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts in einer perspektivischen Schnittdarstellung;
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2 eine Ansicht der Ausführungsform gemäß 1 in einer Querschnittdarstellung;
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3 eine Ansicht der Ausführungsform gemäß 1 in einer Schnittdarstellung bei geschlossenen Kontakten;
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4 und 5 Detaildarstellungen einzelner Bauteile der Ausführungsform gemäß 1.
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Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts wird mit Bezug auf die 1, 2 und 3 beschrieben. Das in den 1, 2 und 3 dargestellte, einpolige Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom weist zwei Kontaktpaare auf, welche durch jeweils einen ersten Kontakt 11, 12 und einen zweiten Kontakt 41, 42 gebildet werden. Die zweiten Kontakte 41, 42 sind zum Trennen und Schließen des Gleichstromkreises zu den ersten Kontakten 11, 12 beweglich. In der dargestellten Position der zweiten Kontakte 41, 42 ist der Stromkreis in der 1 getrennt und in der 3 geschlossen. Ein Gehäuse 1, das auch als Schaltkammer 1 bezeichnet wird, besteht aus einer gasgekapselten zylindrischen Anordnung, in welcher sich vorzugsweise eine Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch befindet. Eine Stromzuleitung erfolgt beispielsweise von einer Stirnseite, die auch als Kammerunterseite bezeichnet wird, durch zwei elektrisch gegen das Kammergehäuse 1 isolierte Stromdurchführungen 18. Anschlusselektroden 16, 17 sind jeweils über eine dieser Stromdurchführungen 18 im Inneren des Gehäuses 1 mit einem der als Festkontakte ausgeführten ersten Kontakte 11, 12 verbunden.
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Die ersten Kontakte 11, 12 sind jeweils an einem ersten Lichtbogenleiter 14, 15 angeordnet, welcher in Form einer in sich geschlossene Leiterschleife ausgebildet ist, hier in Form einer im Wesentlichen kreisringförmigen Leiterschleife. Je ein im Wesentlichen identischer, ringförmiger, zweiter Lichtbogenleiter 43, 44 ist für die beweglichen zweiten Kontakte 41, 42 vorgesehen, wobei die zweiten Lichtbogenleiter 43, 44 parallel beabstandet zu dem jeweils ersten Lichtbogenleiter 14, 15 angeordnet sind und wobei die kreisringförmigen Leiterschleifen um eine gemeinsame Achse durch die Kreismittelpunkte herum angeordnet sind.
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Jeweils ein erster und ein zweiter Lichtbogenleiter 14, 43; 15, 44 eines Kontaktpaars sind in einer gemeinsamen Kammer 31, 32 angeordnet, wobei die Kammer 31, 32 dem Verlauf der Leiterschleifen angepasst ist. Die Kammer 31, 32 weist zwei Kammerwände 33 auf, wobei der erste und der zweite Lichtbogenleiter 14, 43; 15, 44 zwischen den Kammerwänden 33 angeordnet sind.
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Zwischen den ersten Lichtbogenleitern 14, 15 und den zweiten Lichtbogenleitern 43, 44 ist ein Brückenschaltstück 40 mit je einem der zweiten Kontakte 41, 42 an den Enden angeordnet. Von den Stirnflächen der Schaltkammer 1 aus gesehen ist das Brückenschaltstück 40 etwa mittig zwischen den beiden Anschlusselektroden 16, 17 angeordnet. Das Brückenschaltstück 40 ist weiterhin mit einem beweglichen Schaltstößel 46 verbunden, welcher zusammen mit dem Brückenschaltstück 40 eine T-förmige Anordnung bildet. Der Schaltstößel 46 ist über einen Metallfaltenbalg 50 gegen das Kammeräußere gasdicht abgedichtet und linear in Richtung einer Zylinderachse der zylindrischen Schaltkammer 1 beweglich.
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Die beiden den beweglichen, zweiten Kontakten 41, 42 zugeordneten Lichtbogenleiter 43, 44 sind, wie im Detail in der 4 dargestellt, in einem Bereich der Schaltbrücke 40 unterbrochen. Im ausgeschalteten Fall werden diese durch das Brückenschaltstück 40 in einer Weise verbunden, dass auf einer zu den festkontaktseitigen Lichtbogenleitern 14, 15 weisenden Flächen 45 eine im Wesentlichen geschlossene Oberfläche entsteht. In einer alternativen, bildlich nicht dargestellten Ausführungsform können die beiden den beweglichen, zweiten Kontakten 41, 42 zugeordneten Lichtbogenleiter 43, 44 auch vollständig in sich geschlossen sein und im Bereich der Schaltbrücke 40 lediglich eine Ausnehmung aufweisen, welche die Konturen der kontakttragenden Bereiche an den Enden der Schaltbrücke 40 komplementär aufnehmen. Beide Varianten dienen dem raschen Wegleiten der Lichtbogenfußpunkte von den Schaltkontakten 11, 12, 41, 42. Aus dem gleichen Grund sind die seitlichen Kontaktflächen 48 in Richtung entlang der Laufschienen 14, 15, 43, 44 vorzugsweise abgeschrägt. Zum Schutz eines empfindlichen Metallfaltenbalgs 50, der den Stößel 46 abdichtet, ist dieser teilweise von einem becherförmigen Metallschirm oder Kragen 47 umgeben.
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Das Lichtbogenleiterpaar 14, 43; 15, 44 für jedes Kontaktpaar ist jeweils etwa mittig zwischen den ebenfalls ringförmigen, nach oben hin offenen Kammerwänden 33 angeordnet, wobei die Kammerwände 33 einen Kern aus einem ferromagnetischen Material aufweisen. Dadurch werden zwei einseitig offene, magnetische Kammern 31, 32 gebildet, die in der 5 im Detail in einer geschnittenen Ansicht dargestellt sind und die in der gezeigten Ausführungsform auch als Ringtunnel oder Ringkanal 31, 32 bezeichnet werden. Die jeweils zwei seitlichen Wände 33 jeder Kammer 31, 32 bestehen im Kern aus einem magnetisch leitenden Werkstoff, z.B. Eisen. Sie sind an mindestens einer, bevorzugt an mehreren Stellen durch Permanentmagnete 61, 62 miteinander verbunden, welche zum Erzielen ausreichend hoher Feldstärken vorzugsweise aus Materialien mit Anteilen seltener Erden hergestellt sind. Im Innern einer solchen Ringtunnelanordnung wird hierdurch ein radial gerichtetes permanentmagnetisches Feld aufgebaut, mit dem ein zwischen den Lichtbogenleitern 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12 und den Lichtbogenleitern 43, 44 der zweiten Kontakte 41, 42 befindlicher Lichtbogen, unabhängig von seiner Stromrichtung, unter der Einwirkung der Lorentzkräfte immer in eine Richtung des Verlaufs der Lichtbogenleiter getrieben wird. Um sicherzustellen, dass ein umlaufender Lichtbogen im Wesentlichen in der Mitte des jeweiligen Ringtunnels 31, 32 gehalten wird und somit den größtmöglichen Abstand von beiden Kammerwänden 33 hat, weisen die dem jeweils anderen Lichtbogenleiter zugewandten Oberflächen der Lichtbogenleiter eine erhabene Kontur auf. Die Ausführungsform gemäß 5 zeigt die Lichtbogenleiter mit einer Rundwölbung, auf deren Scheitellinie sich die Lichtbogenfußpunkte vorzugsweise bewegen. Da mit zunehmender Schaltzahl die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass ein Lichtbogen aufgrund einer lokal veränderten Oberflächenbeschaffenheit der Lichtbogenleiter dennoch gelegentlich auch in den den Wänden zugewandten Bereichen einen Fußpunkt ausbildet und dadurch das Risiko erhöht wird, dass es zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen beiden Ringkanälen 31, 32 kommt, sind die inneren Wände der Ringtunnel, wie in 5 dargestellt, vorzugsweise mit einer geeignet gewählten Isolierstoffbeschichtung 35 versehen. Alternativ könnte eine vorzugsweise vollständige räumliche Trennung der ferromagnetischen Kerne der inneren Wände 33 durch einen dazwischen angeordneten Luftspalt vorgesehen sein. Die Permanentmagnete 61, 62 sind vorzugsweise im Bereich eines Bodens 34 angeordnet, der die Kammern 31, 32 an einem Ende verschließt, während das gegenüberliegende Ende 36 zu dem Innenraum 20 des Gehäuses 1 hin offen ist, um dorthin vorteilhaft Wärme abzugeben.
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Erneut mit Bezug auf die 1 bis 3 wird auf eine vorteilhafte Möglichkeit der Abführung der aus den Kammern 31, 32 entweichende Wärme eingegangen. Um die beim Durchlaufen der Ringkanäle 31, 32 erzielte Kühl- und Deionisierungswirkung noch deutlich zu verstärken, weist die Schaltkammer 1 vorzugsweise ein Kühlelement 70 auf, z.B. in Form einer Anordnung paralleler Metallstifte, mit dessen Hilfe dem von den Lichtbögen aufgeheizten Schaltgas über die offene Seite 36 der Ringkanäle 31, 32 kontinuierlich Wärme entzogen und nach außen abgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse, Schaltkammer
- 11
- Erster Kontakt
- 12
- Erster Kontakt
- 14
- Lichtbogenleiter des ersten Kontakts
- 15
- Lichtbogenleiter des ersten Kontakts
- 16, 17
- Anschlusselektroden
- 18
- Stromdurchführung
- 20
- Innenraum des Gehäuses, Gasatmosphäre
- 31
- Kammer, Ringkanal
- 32
- Kammer, Ringkanal
- 33
- Kammerwand
- 34
- Kammerboden
- 35
- Isolierstoffbeschichtung
- 36
- Öffnung, offenes Ende
- 40
- Schaltbrücke, Brückenschaltstück
- 41
- Zweiter Kontakt
- 42
- Zweiter Kontakt
- 43
- Lichtbogenleiter des zweiten Kontakts
- 44
- Lichtbogenleiter des zweiten Kontakts
- 46
- Schaltstößel
- 47
- Kragen
- 48
- Seitliche Kontaktfläche
- 50
- Faltenbalg
- 61, 62
- Permanentmagnete
- 70
- Kühlelement
- A
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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