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Die Erfindung betrifft eine Leiterschienenanordnung für eine Schaltanlage, wie insbesondere eine Niederspannungsschaltanlage, deren Temperatur sich erhöht, wenn sie mit Strom beaufschlagt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Schaltanlage, insbesondere eine Niederspannungsschaltanlage, die mindestens eine derartige Leiterschiene aufweist, wobei als Leiterschiene sowohl Sammel- als auch Verteilerschienen verstanden werden.
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In einem gewöhnlichen Stromversorgungs- oder Stromverteilungssystem ist mindestens ein Schaltgerät vorgesehen, das typischerweise mindestens entweder elektrische Schalter, Sicherungen oder Schutzschalter aufweist und/oder vorsieht, welche zum Steuern, Schützen, Isolieren und Ein- oder Ausschalten verschiedener elektrischer Betriebsmittel verwendet werden. Im Niederspannungsbereich werden Schaltgeräte für Spannungen bis zu 1 kV und für Ströme bis zu mehreren Tausend Ampere, insbesondere 6300 A, verwendet.
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Ein Schaltanlage oder eine Schaltanlagenanordnung erfordert immer eine Einspeisung und in vielen Fällen auch große Abgänge, um Energie an andere Teile der entsprechenden Installation zu verteilen. Diese Speiseleitungen sind auf einer Seite (oben oder unten) terminal durch einzelne flache gebogene Kupferanschlusssets an das Hauptsammelschienensystem der Schaltanlage angeschlossen. Ein zweites Anschlussset wird auf der anderen Seite der Speiseleitung zum Anschließen von Kabeln oder Sammelschienenkanälen verwendet. Die Anschlusssets unterscheiden sich auf der Grundlage des Nennstroms und der Baugröße der Speiseleitung. Ferner unterscheiden sich die Anschlussblöcke an den Speiseleitungen für alle Baugrößen.
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Ferner hängt auch die Leistung der Speiseleitung von der IP-Klasse der Schaltanlage und der Umgebungstemperatur des Schaltanlagenstandortes ab. In den meisten Fällen muss ein Unterlastungsfaktor auf den Nennstrom der Speiseleitung angewandt werden.
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In vielen Fällen muss sogar eine größere Speiseleitung ausgewählt werden, was in einer höheren Materialmenge, einer schwierigeren Handhabung und/oder Verarbeitung sowie höheren Kosten und einer vergrößerten Grundfläche resultiert.
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Eine Sammelschiene ist im Allgemeinen als ein flacher Streifen oder eine Schiene aus Kupfer oder Aluminium hergestellt, welche/r typischerweise keine Funktion oder nur eine geringfüge Funktion als ein Bauteil aufweist. Die maximale Strommenge, die sicher durch eine Sammelschiene transportiert werden kann, wird durch ihre Querschnittsgröße bestimmt.
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In Abhängigkeit von der entsprechenden Anwendung und/oder Größe des Schaltgerätes sowie dem individuellen Aufbau und den Kundenbedürfnissen müssen die entsprechenden Sammelschienen für jedes Schaltgerät einzeln vorverarbeitet und angebracht oder installiert werden.
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Vorteilhafterweise sind flache Streifen einfach bei Zusammenbau und/oder Handhabung, jedoch ist nach der Vorverarbeitung vor Ort keine kurzfristige Änderung des Aufbaus mehr möglich.
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Ferner gestattet die flache Streifenform, dass Wärme aufgrund ihres Oberflächenbereiches abgeleitet wird, jedoch kann aufgrund der engen Anordnung der Sammelschienen, insbesondere mehrere Schichten, innerhalb des Schaltschrankes, abhängig von dem angelegten Strom, die Temperatur innerhalb des Schrankes einen kritischen Wert erreichen, sodass der Strom verringert werden muss und/oder weitere Kühlmaßnahmen auf die Schaltanlage angewandt werden müssen, um eine Schädigung und/oder thermische Überbelastung der elektrischen Geräte im Inneren der Schaltanlage zu vermeiden.
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Sammelschienen sind durch Leiter an Speiseleitungen angeschlossen, wobei die Leiter typischerweise die Heißstelle im heutigen Schaltanlagendesign darstellen. Gewöhnliche Leiter sind im Allgemeinen als flache Schienen hergestellt, welche durch Wärmeleitung gekühlt werden. Wenn der Leiter mit Strom beaufschlagt wird, heizt er sich aufgrund seines elektrischen Widerstandes auf. Die Wärme, welche durch den Leiter erzeugt wird, wird vor allem durch die Struktur der Schaltanlage abgeleitet, welche die thermische Energie dann durch Konvektion und/oder thermische Strahlung an die Umgebung abgibt.
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Die Speiseleitungen und/oder Sammelschienen sind durch einzelne flache gebogene Kupferanschlusssets an Leiter angeschlossen. Ähnliche Verbindungen werden zum Anschließen von Kabeln oder Sammelschienenkanälen verwendet. Die Anschlusssets weisen insbesondere Baugrößen auf der Grundlage des Nennstromes und in Abhängigkeit von der Speiseleitungsbaugröße auf.
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Ungünstigerweise erfordert das flache, massive Schienendesign und die geforderten Anschlussmöglichkeiten vergleichsweise viel mechanische Arbeit beim Biegen und Anschließen. Dies resultiert in sehr langen Herstellungs- und Zusammenbauzeiten. Ferner erfordert die große Variation von Anschlussblöcken unterschiedliche Größen von Anschlusssets, welche vorverarbeitet werden müssen und nicht spontan vor Ort geändert werden können. Daher ist das gebräuchliche flache, massive Schienendesign in aller Regelsehr arbeitsaufwändig und/oder unflexibel in Handhabung, Zusammenbau und Herstellung.
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Ungünstigerweise ist die Kühlkapazität im Inneren eines Schalterraumes begrenzt. Auch ist ein Raum für zusätzliche Kühlkomponenten in aller Regel nicht vorgesehen, oder die Möglichkeit einer Fremdkühlung, beispielsweise durch Lüfterkühlung, nicht eingesetzt. Auch ist aufgrund von Abstands- und Kriechstrom-Beschränkungen ein direkter Anschluss von zusätzlichen Komponenten an die Sammelschiene oftmals mit Problemen behaftet.
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Ferner tritt insbesondere an elektrischen Kontaktstellen der Sammelschiene eine lokale Temperaturerhöhung auf. Diese Stellen sind auch als Heißstellen oder sog. Hot-Spots bekannt. Die Fähigkeit die Wärmeenergie von diesen Hot-Spots abzuleiten ist bei der Sammelschiene jedoch eher begrenzt.
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Schließlich ist die Wärmeleitfähigkeit einer Sammelschiene nicht ausreichend, um die heißen Bereiche „Hot-Spots“ durch die reinen thermischen Eigenschaften und die Leitfähigkeit herunter zu kühlen.
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Dementsprechend ist die Aufgabe dieser Erfindung die Bereitstellung einer Sammelschienen- und Verteilschienenlösung für eine Schaltanlage mit verbesserten Kühleigenschaften.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Leiterschienenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 erfüllt. Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen der Leiterschienenanordnung sowie eine Schaltanlage, und insbesondere eine Niederspannungsschaltanlage, mit wenigstens einer solchen Anordnung sind in weiteren Ansprüchen und der folgenden Beschreibung offenbart.
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Dementsprechend weist die Leiterschienenanordnung gemäß der Erfindung mindestens eine Leiterschiene auf, welche
- – einen elektrisch leitenden Körper mit einer längserstreckten Ausnehmung aufweist, welche im Inneren der Leiterschiene einen Hohlraum und/oder eine Kammer ausbildet; insbesondere ist die Leiterschiene, beispielsweise die Sammel- oder Verteilerschiene, als Hohlzylinderleiter ausgebildet, welcher an seinem ersten und zweiten Ende verschlossen und/oder versiegelt und mindestens teilweise mit einem flüssigen Kühlmedium gefüllt ist
- – mindestens ein Verdampfer
- – , welches thermisch mit dem Körper verbunden ist, und zum Verdampfen des Kühlmediums, durch Absorption thermischer Energie aus dem Körper, vorgesehen ist,
- – mindestens ein Kondensator Beziehungsweise Kondensator zum Kondensieren des in der Dampfphase befindlichen Kühlmediums, durch Ableitung thermischer Energie, vorgesehen ist.
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Die Grundidee der Erfindung ist, dass die Funktionalität eines Wärmerohrs und/oder beziehungsweise „heat-pipe“ oder Thermosyphon in die Leiterschiene integriert wird, wobei die Funktionalität des Wärmerohrs durch eine interne Aussparung mit Verdampfer und Kondensator integriert ist, wobei die Aussparung mit zumindest teilweise einem Kühlmedium gefüllt ist. Die interne Aussparung ist dabei verschlossen, sodass der Dampf des in der Dampfphase befindlichen Kühlmediums nicht nach außerhalb der der Ausnehmung und insbesondere des Hohlraums oder der Kammer entweichen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform einer als Verteilerschiene eingesetzten Leiterschiene befindet sich der Verdampfer in Kontakt mit der Heißstelle oder der heißen Oberfläche der Leiterschiene und heizt das Kühlmedium auf, welches wiederum zu Dampf wird. Der Dampf steigt dann entlang der länglich geformten internen Aussparung zu dem Kondensator auf. Der Kondensator kondensiert den Dampf zurück in Flüssigkeit und gibt die latente Wärme des Dampfes durch deren Ableitung an die Umgebung ab. Die Flüssigkeit strömt dann zurück zum Verdampfer, entweder durch die Konvektionsströmung von Wärme und/oder Kapillarwirkung und/oder Schwerkraft, wobei sich der Zyklus oder Kreislauf wiederholt, wenn das Kühlmedium wieder verdunstet. Vorteilhafterweise ist die Funktionalität des Wärmerohrs in die Leiterschiene integriert und/oder ist ein, insbesondere inhärenter, Teil der Leiterschiene, wobei das Wärmerohr die Prinzipien von Wärmeleitfähigkeit und Phasenübergang kombiniert, um die Übertragung von Wärme in der Leiterschiene effizient zu managen.
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In einer weiteren Verfeinerung weist das Wärmerohr aufgrund der Wärmeübertragung durch Sieden und Kondensation einen sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten auf. Da ein Wärmerohr funktional in die Leiterschiene integriert ist, leitet die Leiterschiene gemäß der Erfindung die thermische Energie effizienter als bekannte Leiterschienen.. Die effektive Wärmeleitfähigkeit der länglich geformten Leiterschiene variiert mit der Länge der verschlossenen und/oder versiegelten Kammer, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Leiterschiene mit Wärmerohrfunktionalität bis zu 80 W/K betragen kann. Im Vergleich dazu beträgt die Wärmeleitfähigkeit einer herkömmlichen Kupfersammelschiene etwa 0,4 W/K. Somit ist die Wärmeleitfähigkeit der Leiterschiene gemäß der Erfindung signifikant erhöht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das kondensierte Kühlmedium durch ein Führungsmittel geleitet, sodass sich das Kühlmedium in der Kammer zurücksammelt. Das Führungsmittel kann jede Art eines Führungsmittels sein, welches das kondensierte Kühlmedium leitet, zum Beispiel ein Rohr oder ein Rohrbündel. In einer weiteren Variante ist das Führungsmittel als ein Trennungsmittel der Kammer oder des Hohlraums konfiguriert, wobei eine Seite der Kammer konfiguriert und/oder dafür eingerichtet ist, um den Dampf zum Kondensator aufsteigen zu lassen, und die andere Seite der Kammer dafür eingerichtet und/oder konfiguriert ist, um das kondensierte Kühlmedium zum Verdampfer zurückströmen zu lassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Führungsmittel mindestens eine Kerbe oder Rinne oder Finne, welche mindestens teilweise an der Innenseite der die Kammer beziehungsweise den Hohlraum bildenden Ausnehmung ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist der Kondensator über dem Verdampfer angebracht, sodass das kondensierte Kühlmedium aufgrund der Schwerkraft zurückläuft. Daher ist die länglich geformte Leiter- oder Verteilerschiene vorteilhafterweise in einer aufrechten Position angebracht, wobei das kondensierte Kühlmedium in einem Kanal oder Rohr zurückläuft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Führungsmittel mindestens eine Dochtstruktur, welche zumindest teilbereichsweise den Innenraum der Kammer ausfüllt. Das Fluid strömt daher durch Kapillarwirkung zurück. Zur Aufrechterhaltung der Kapillarwirkung ist es erforderlich, dass die Dochtstruktur mindestens teilweise in das flüssige Kühlmedium eintaucht. Die Menge des Kühlmediums muss ausreichend sein, damit die Strömung des Kühlmediums durch die Kapillarwirkung nicht abbricht, selbst wenn das Kühlmedium verdampft, insbesondere verdunstet. Die Dochtstruktur kann beispielsweise Sintermetallpulver oder ein geriefelter Docht sein, welcher eine Reihe von Kerben parallel zu der länglich geformten beziehungsweise längserstreckten Kammer oder Ausnehmung aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante ist mindestens ein Verbindungsmittel an dem entsprechenden Ende des länglich geformten Körpers befestigt, insbesondere lösbar befestigt, sodass die gebildete Kammer verschlossen und/oder versiegelt wird. Dadurch wird in dem Körper der Sammelschiene ein verschlossener Hohlraum und/oder Kammer gebildet, wobei die Kammer durch das entsprechende Verbindungsmittel verschlossen und/oder versiegelt wird.
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Vorteilhaft ist vorsehbar, dass das entsprechende Verbindungsmittel über eine entsprechende Dichtung an dem Körper lösbar befestigt ist, sodass die Kammer oder der gebildete Hohlraum hermetisch versiegelt ist.
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Vorteilhafterweise weist die jeweilige Leitungsschiene, insbesondere Körper und/oder Verbindungsmittel, wenigstens eine Wartungsöffnung, insbesondere mit einem Ventil, auf über welche, auch bei geschlossener Kammer, das Kühlmedium ein- oder nachgefüllt oder entleert und/oder die Kammer be- oder entlüftet, insbesondere evakuiert werden kann.
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Ferner ist eine Schaltanlage, insbesondere eine Niederspannungsschaltanlage, beansprucht, welche mindestens eine Leiterschienenanordnung wie oben beschrieben und gemäß der Erfindung aufweist, wobei die mindestens eine Leiterschienenanordnung mindestens eine Leiterschiene aufweist, welche
- – einen elektrisch leitenden Körper mit einer längserstreckten Ausnehmung aufweist, welche im Inneren der Leiterschiene einen Hohlraum und/oder eine Kammer ausbildet; insbesondere ist die Leiterschiene, beispielsweise die Sammel- oder Verteilerschiene, als Hohlzylinderleiter ausgebildet, welcher an seinem ersten und zweiten Ende verschlossen und/oder versiegelt und mindestens teilweise mit einem flüssigen Kühlmedium gefüllt ist
- – mindestens ein Verdampfer
- – , welches thermisch mit dem Körper verbunden ist, und zum Verdampfen des Kühlmediums, durch Absorption thermischer Energie aus dem Körper, vorgesehen ist,
- – mindestens ein Kondensator Beziehungsweise Kondensator zum Kondensieren des in der Dampfphase befindlichen Kühlmediums, durch Ableitung thermischer Energie, vorgesehen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Schaltanlage ist für jede elektrische Phase eine derartige Sammelschienenanordnung bereitgestellt und vorgesehen.
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Diese Merkmale und weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen offenbart und sollen durch weitere Ausführungsbeispiele und entsprechende Zeichnungen veranschaulicht und erörtert werden.
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen
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1: eine beispielhafte erste Sammelschienenanordnung gemäß der Erfindung,
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2: einen beispielhaften Querschnitt durch eine zweite Sammelschienenanordnung,
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1 zeigt eine beispielhafte Leiterschienenanordnung 1a, im hier gezeigten Beispiel eine Verteilerschienenanordnung, welche eine Kammer 2a aufweist, welche mindestens teilweise mit einem Kühlmedium 4a gefüllt ist. Sowohl die Leiterschienenanordnung 1a als auch die Kammer 2a sind typischerweise länglich geformt beziehungsweise längserstreckt ausgebildet. Aufgrund der länglichen Form weist die Kammer 2a zwei Enden auf, wobei an dem ersten Ende ein Verdampfer 6a angebracht ist und an dem zweiten Ende ein Kondensator 8a angebracht ist. Die Leiterschienenanordnung 1a weist an ihren entsprechenden Enden ein entsprechendes Verbindungsmittel 10a, 10b auf, welches die Kammer 2a versiegelt.
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Als Kondensator 8a und/oder Verdampfer 6a können dabei auch die Innenwände des Körpers beziehungsweise die Kammerwände und/oder die dem Körper zugewandten Seiten der Verbindungsmittel 10a, 10b dienen.
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Die Verbindungsmittel können dabei auch derart ausgebildet sein, dass sie bei geschlossener Kammer zumindest teilbereichsweise in die Kammer einragen.
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Der Körper sowie die Kammer können dabei beispielhaft einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen.
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Als Kühlmedium 4a ist dabei beispielsweise Ammoniak, Alkohol, Ethanol oder Wasser, vorzugsweise jedoch demineralisiertes Wasser einsetzbar. Als Material für die Sammelschienenanordnung 1a wird typischerweise Kupfer verwendet, während Wasser typischerweise als Kühlmedium 4a verwendet wird.
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Im Folgenden wird das Arbeitsprinzip beschrieben. Das Kühlmedium 4a ist eine gesättigte Flüssigkeit, wobei die gesättigte Flüssigkeit verdunstet und zum Kondensator 8a aufsteigt, wo sie gekühlt und wieder in gesättigte Flüssigkeit umgewandelt wird. Wenn sich der Kondensator oberhalb des Verdampfers befindet, führt die Schwerkraft das kondensierte Kühlmedium zurück. Daher arbeitet die Sammelschienenanordnung gemäß der Erfindung als ein Thermosiphon.
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Die Erfindung beschreibt die Kombination einer Wärmerohrfunktionalität mit einem Leiterschienenanordnungsdesign, um eine Einheit zu bilden, welche eine höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Standardschienen bereitstellt. Die Leiterschienenanordnung ist als ein Wärmerohr ausgelegt, also sind keine zusätzlichen Komponenten erforderlich. Die erhöhte Wärmeleitfähigkeit eignet sich zum Erhöhen des thermischen Verhaltens des ganzen Systems. Die Leiterschienen können auch als Komponenten ausgelegt sein, damit sie in das Rahmendesign passen und daher keine zusätzlichen Anstrengungen erforderlich sind, um zusätzliche Kühlkomponenten einzubauen.
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Mit diesem Ansatz wird das thermische Design zu einem konfigurierbaren Gegenstand, durch Verwendung der vordefinierten speziellen Leiterschienen anstelle einer grundsätzlichen Designarbeit. In Abhängigkeit von den thermischen Anforderungen können entsprechende Komponenten mit spezifizierter Wärmeleitfähigkeit ausgewählt und eingebaut werden. Das Gesamtdesign des Rahmens verändert sich nicht, jedoch das thermische Gesamtverhalten des Systems.
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Der Fokus der Erfindung liegt auf den konfigurierbaren Sammelschienen mit entsprechender Wärmeleitfähigkeit. Die Hauptverbesserung ist die Konfiguration einer Schaltanlage auf der Grundlage der Wärmeleitfähigkeit als zusätzlicher Parameter basierend auf den speziellen Leiterschienenkomponenten.
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2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine zweite Leiterschienenschienenanordnung 1b, im hier gezeigten Beispiel eine Sammelschienenanordnung, mit einem Körper 3b. Das Kühlmedium 4b ist durch eine interne Aussparung eingeschlossen, wobei die interne Aussparung versiegelt ist, sodass kein Dampf durch den Körper 3b diffundieren kann. Die interne Aussparung kann durch das gezeigte Verbindungsmittel 10c versiegelt sein, welches über eine Dichtung mit dem Körper 3b verbunden ist. Das Verbindungsmittel 10c kann ferner Anschlüsse oder Adapter für Leiter aufweisen, welche den elektrischen Strom bereitstellen. Da die Leiterschienenanordnung 3b mit dem integrierten Wärmerohr keine beweglichen Teile enthält, erfordert sie typischerweise keine Wartung. Nichtsdestotrotz müssen der Körper und die Dichtung vorteilhafterweise auf Leckagen kontrolliert werden, sodass kein Dampf durch ein Leck in der Dichtung oder durch Risse im Körper 3b der Leiterschienenanordnung 1b diffundieren kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Erste Leiterschiene
- 1b
- Zweite Leiterschiene
- 2a
- Erste interne Aussparung
- 3a
- Erster Körper
- 3b
- Zweiter Körper
- 4a
- Erstes Kühlmedium
- 4b
- Zweites Kühlmedium
- 6a
- Erstes Verdunstungsmittel
- 8a
- Erstes Kondensationsmittel
- 10a
- Erstes Verbindungsmittel
- 10b
- Zweites Verbindungsmittel
- 10c
- Drittes Verbindungsmittel
