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Die Erfindung geht aus von einer Funkenstrecke mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet und in einem gemeinsamen Isolierstoffgehäuse angeordnet sind, wobei die Einzelfunkenstrecken scheibenförmige Elektroden aufweisen, die mittels eines Isolierstoffrahmens im Isolierstoffgehäuse zentriert gehalten sind sowie die zwei in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken eine gemeinsame Mittelelektrode besitzen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der
DE 10 2016 114 787 A1 ist eine Trägereinheit für in Reihe schalt- und stapelbare Funkenstrecken bekannt, welche aus einem Isolationskörper besteht, der eine Ausnehmung entsprechend der Kontur einer scheibenförmigen Funkenstreckenelektrode aufweist. Die bekannte Trägereinheit umfasst weiterhin Mittel zur Kontaktierung der Funkenstreckenelektrode. Gemäß der dortigen Lehre weist der Isolationskörper in seiner Ausnehmung einen zum Zentrum gerichteten, kragenförmigen Rücksprung auf, an welchem die jeweilige Funkenstreckenelektrode zur Anlage kommt, wobei über die Abmessungen des kragenförmigen Rücksprungs eine Trennstrecke gebildet ist.
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Weiterhin ist eine radiale Öffnung im Isolationskörper vorgesehen, welcher sich bis zur Ausnehmung zur Aufnahme der Funkenstreckenelektrode erstreckt. Die vorbekannte Lehre löst die Aufgabe, eine Trägereinheit so weiter zu entwickeln, dass diese in einfacher Weise herstellbar ist und welche als Einzelmodul zu einem Stapel gefügt werden kann. Nach einer dortigen zweiten Ausführungsform ist der Isolationskörper kastenförmig ausgebildet und weist mehrere, kammerartige Ausnehmungen auf, wobei in jede dieser Kammern eine Funkenstreckenelektrode eingesetzt werden kann. Die Kammerzwischenwände bilden dann die jeweilig erforderlichen Trennstrecken. Die Kammerseitenwände fixieren die Funkenstreckenelektroden in seitlicher Richtung.
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Die kammerartigen Ausnehmungen weisen eine Kontur auf, die wiederum der Kontur der jeweiligen einzusetzenden Funkenstreckenelektrode angepasst ist.
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Das Maß der Kammerzwischenwände ist bei der Herstellung der Trägereinheit fest vorgegeben, so dass es nicht ohne weiteres möglich ist, die ausgebildete Stapelfunkenstrecke an unterschiedliche Ansprechspannungen bzw. Betriebsbedingungen anzupassen, da in jedem Falle die Trägereinheit komplett angepasst und geändert werden muss.
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Bei der gattungsbildenden
DE 10 2011 102 864 ist eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken gezeigt.
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Gemäß der dortigen Lösung sind die Einzelfunkenstrecken durch Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet, wobei im Sinne einer folgestromfreien Ausführung die Möglichkeit der Ausbildung elektrisch voneinander isolierter Steuerimpedanzen besteht.
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Die bei der
DE 10 2011 102 864 A1 eingesetzten Scheibenelektroden werden in einem Isolierkörper geführt und jeweils innerhalb dieses Körpers über eine Federkontaktierung mit einem integrierten Steuerelement verbunden. Hieraus ergibt sich, dass die einzelnen Teilfunkenstrecken, welche in Reihe geschaltet werden, jeweils aus zwei Isolierstoffelementen mit je einer integrierten Scheibenelektrode bestehen und durch eine Isolierstoffscheibe voneinander beabstandet sind. Diese, jeweils zwischen zwei Scheibenelektroden bzw. zwei Isolierstoffelementen angeordnete Isolierstoffscheibe bildet durch ihre kreisrunde Ausnehmung die benötigte Distanz bzw. Überschlagsstrecke für eine entsprechende Teilfunkenstrecke und weist einen ausreichenden Überstand im Randbereich auf, so dass ein ungewollter Außenüberschlag vermeidbar ist.
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Die notwendigen Funktionselemente der Teilfunkenstrecken, zum Beispiel Graphitscheiben mit Steuerelementen und Trennstrecken, werden als Einzelmodule konzipiert und von den funktionsbedingten Belastungen wie Druck, Berußung usw. freigehalten, so dass sich hierdurch eine alterungsstabile und hohe Qualität der Funkenstrecke ergibt.
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Die geschilderte Lösung nach
DE 10 2011 102 864 A1 bildet zwar Vorteile gegenüber dem bis dato bekannten Stand der Technik, jedoch ist nicht unter allen Umständen gewährleistet, dass das bei der Entstehung eines Lichtbogens zwischen den Elektroden und während des Ableitvorgangs abgetragene Material keine Schäden im Hinblick auf die Langzeitstabilität einer solchen Funkenstrecke herbeiführt.
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Weiterhin besteht das Problem der teilweise nicht ausreichenden Kühlung bei entsprechender Belastung beim Einsatz der betreffenden Funkenstrecke.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstrecke, insbesondere N/PE-Funkenstrecke, mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken anzugeben, welche zum einen in leichter Weise steuerbar ist und die zum anderen über eine hohe Langzeitstabilität auch bei extremer Belastung unter Stoßstromeinfluss verfügt.
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Die zu schaffende Funkenstrecke soll leicht an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbar sein und nur über einen geringen Bauraum verfügen.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Funkenstrecke gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Es wird demnach von einer Funkenstrecke mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken ausgegangen. Die Funkenstrecke soll insbesondere als N/PE-Funkenstrecke Anwendung finden.
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Die Einzelfunkenstrecken sind durch Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet und in einem gemeinsamen Isolierstoffgehäuse angeordnet.
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Die Einzelfunkenstrecken weisen scheibenförmige, insbesondere rechteckige oder quadratische Elektroden auf. Diese scheibenförmigen Elektroden sind mittels eines Isolierstoffrahmens im Isolierstoffgehäuse zentriert gehalten. Weiterhin besitzen mindestens zwei in Reihe geschaltete Einzelfunkenstrecken eine gemeinsame Mittelelektrode.
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Erfindungsgemäß weist die gemeinsame, scheibenförmige Mittelelektrode auf beiden, gegenüberliegenden Oberflächenseiten eine vom Elektrodenrand beabstandete, umlaufende nutförmige Vertiefung auf.
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Diese umlaufende, nutförmige Vertiefung ist von der, sich in der Stapelanordnung jeweils angrenzenden, benachbarten Isolierstoffscheibe bezogen auf die Breite der nutförmigen Vertiefung nur teilweise überdeckt.
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Die Isolierstoffscheibe besitzt ein Fenster, dessen Kontur im Wesentlichen dem Verlauf der nutförmigen Vertiefung entspricht.
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Durch die nur teilweise Überdeckung der nutförmigen Vertiefung durch die Isolierstoffscheibe ergibt sich ein Hinterschnitt. Das sich im Hinterschnitt verbergende bzw. dort entstehende Volumen dient der Aufnahme von Abbrandmaterialien zur Sicherung eines langen und störungsfreien Betriebes der betreffenden Funkenstrecke. Die teilweise Überdeckung gewährleistet einerseits die Möglichkeit des Eindringens der Abbrandmaterialien. Andererseits hält die Überdeckung die Abbrandmaterialien zurück.
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Durch die Nut und den hierdurch entstehenden Graben wird weiterhin verhindert, dass sich Abbrandmaterialien insbesondere im Randbereich der Isolierstoffscheibe oder -scheiben anlagern und dort zu einer Veränderung der dielektrischen Eigenschaften mit folgender Parameterverschiebung führen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der von der nutförmigen Vertiefung umschlossene Oberflächenbereich der Mittelelektrode konvex ausgebildet. Durch diesen konvexen Verlauf ist ein leichterer Eintritt von Verschmutzungen in den durch die Nut gebildeten Graben gewährleistet.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist der von der nutförmigen Vertiefung umschlossene Oberflächenbereich der Mittelelektrode eine inselförmige Erhebung auf. Insofern wird die Nut als quasi gestufter Abschnitt hin zum Zentrum der betreffenden Elektrode verbreitert, wobei im Verbreiterungsabschnitt mit materialmäßig stehengelassener Insel die Tiefe der verbreiterten Nut geringer ist als die Tiefe im Kernbereich der Nut, welcher teilweise von der Isolierstoffscheibe überdeckt ist.
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Die in der Stapelanordnung jeweils außenliegende scheibenförmige Elektrode steht mit ihrer entsprechenden Oberflächenseite mit je einem großflächigen, gut wärmeleitenden Kontaktelement in elektrischer und mechanischer Verbindung.
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Die betreffenden Kontaktelemente sind im gemeinsamen Isolierstoffgehäuse angeordnet.
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Mindestens eines der Kontaktelemente bildet einen Abschluss des Isolierstoffgehäuses im Sinne eines abschließenden, flächigen Deckels, der in einer Ausführungsform bündig mit dem Isolierstoffgehäuse abschließt.
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Das Isolierstoffgehäuse weist in diesem Sinne eine einseitig offene Wannenform zur Aufnahme der Stapelanordnung auf, wobei die offene Seite der Wannenform von dem vorerwähnten Kontaktelement deckelartig verschlossen werden kann.
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Über eine Seitenfläche des wannenförmigen Isolierstoffgehäuses ist ein kanalartiger Zugang zur scheibenförmigen Mittelelektrode ausgebildet, wobei der kanalartige Zugang ein Bauteil zur Steuerung des Ansprechverhaltens der Funkenstrecke aufnimmt. Dieses Bauteil steht in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem der Kontaktelemente in elektrischer Verbindung.
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Das vorerwähnte Bauteil kann ein Miniaturkondensator, insbesondere ein Chipkondensator sein, welcher über ein Federelement in Kontakt einerseits mit der Mittelelektrode und andererseits mit dem Kontaktelement gehalten ist.
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Zur Ohm'schen Steuerung des Ansprechverhaltens der Einzelfunkenstrecken besteht die Möglichkeit, die Materialart und die Materialdicke der Isolierstoffscheiben im Sinne einer Veränderung und Anpassung der dielektrischen Werte auszuwählen.
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Der von der Außenkante der umlaufenden Nut bis zur Außenseite der Mittelelektrode verbleibende Randbereich ist bevorzugt zur Übertragung und Ableitung entstehender Wärme ausgebildet. Mithin ist grundsätzlich der Randbereich von wesentlicher Bedeutung, um, eine Wärmesenke bildend, thermische Energie aufzunehmen und diese über die benachbarten Elektroden und Elemente nach außen abzuführen.
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Ausgestaltend weist mindestens eines der Kontaktelemente eine stabilitätserhöhende Strukturierung, zum Beispiel in Form einer Prägung von Sicken auf.
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Darüber hinaus ist mindestens der Boden des eine Wannenform aufweisenden Isolierstoffgehäuses mit einer stabilitätserhöhenden Strukturierung versehen. Hier kann es sich insbesondere um eine geschlossene Wabenstruktur handeln.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine Explosivdarstellung der erfindungsgemäßen Funkenstrecke;
- 2 eine perspektivische Ansicht der kompletten Funkenstrecke;
- 3 und 4 Prinzipschnittdarstellungen durch die erfindungsgemäße Stapelfunkenstrecke mit kapazitiver Steuerung und der Ausbildung von umlaufenden Nuten in der Mittelelektrode (3) oder bei allen Elektroden (4) nebst Detaildarstellung der sich ergebenden Hinterschnitte mit Aufnahmevolumina für Abbrandpartikel;
- 5 eine perspektivische Darstellung, eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung der Ausführungsform einer quadratischen Mittelelektrode mit quadratisch umlaufender Nut;
- 6 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 5, jedoch mit der Ausbildung einer im Zentrum der Mittelelektrode liegenden Insel und abgestufter Nut; und
- 7 eine Ausführungsform der Mittelelektrode mit umlaufender Nut, wobei der innerhalb des von der Nut umgrenzten Oberflächenbereiches verbleibende Bereich konvex oder linsenförmig ausgebildet ist.
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Die Stapelfunkenstrecke gemäß Ausführungsbeispiel geht von einem wannenförmigen Isolierstoffgehäuse 9 aus, welches alle funktionsrelevanten Elemente und Bauteile aufnimmt.
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Auf dem Boden des wannenartigen Isolierstoffgehäuses 9 ist zunächst ein gut wärmeleitfähiges, bevorzugt metallisches Kontaktelement 1 eingesetzt, das einen Kontaktelementfortsatz 100 für einen Außenanschluss aufweist.
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Der Fortsatz 100 wird durch eine entsprechende Ausnehmung im Isolierstoffgehäuse 9 geführt.
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Eine erste scheibenförmige Graphitelektrode 2 liegt auf dem Kontaktelement 1 auf.
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Ein Isolierstoffrahmen 11 umgreift eine Mittelelektrode 4 und zentriert diese.
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Zwischen der Mittelelektrode 4 und der Graphitelektrode 2 ist eine Isolierstoffscheibe 5 befindlich, die eine vorgegebene Dicke aufweist und aus einem definierten, eine entsprechende Dielektrizitätskonstante aufweisenden Material besteht.
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Die Isolierstoffscheibe 5 bildet den notwendigen Abstand zwischen der Graphitelektrode 2 und der Mittelelektrode 4.
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Der Mittelelektrode 4 folgt in der Stapelanordnung eine weitere Isolierstoffscheibe 3, die den Abstand zur weiteren Graphitelektrode 6 herstellt.
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Die Graphitelektrode 6 wiederum ist von weiteren Isolierstoffrahmen 10 gehalten und mithin in der wannenartigen Ausnehmung des Isolierstoffgehäuses 9 fixiert.
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Den Deckel des Isolierstoffgehäuses bildet ein weiteres metallisches, gut wärmeleitfähiges Kontaktelement 7.
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Mit Hilfe von Schrauben 12 wird die gesamte Anordnung in bzw. am Isolierstoffgehäuse 9 fixiert.
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Auch das Kontaktelement 7 weist eine Anschlussfahne 700 für einen elektrischen Außenanschluss auf.
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In einem Bereich 90 weist das Isolierstoffgehäuse 9 einen kanalartigen Zugang (nicht gezeigt) auf.
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In diesem kanalartigen Zugang befindet sich eine Kombination aus einer Schraubendruckfeder und eines Chipkondensators 8. Auf diese Weise lässt sich die Außenschmalseite der Mittelelektrode 4 zur Steuerung der Funkenstrecke kontaktieren.
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Ein Abwinkelungsabschnitt 701 des Kontaktelementes 7 untergreift ein Ende des Chipkondensators 8 an dessen Kontaktfläche, so dass über das Kontaktelement 7 der elektrische Steuerungsvorgang eingeleitet werden kann.
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Das Isolierstoffgehäuse 9 weist, wie in der 1 angedeutet, eine stabilitätserhöhende, insbesondere Wabenstruktur auf.
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Ebenso kann das Kontaktelement 7 über eine Sicken-Prägestruktur verfügen, um auch dieses Element stabilitätserhöhend auszugestalten, so dass die Gesamtanordnung den Druckbelastungen bei Stoßstromfällen Rechnung trägt.
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Über die deckelartige Ausbildung des gut wärmeleitfähigen Kontaktelementes 7 wird die entstehende Wärme nach außen abgeleitet, was für die Langzeitstabilität der erfindungsgemäßen Funkenstrecke von Vorteil ist.
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Mit den Schnittdarstellungen gemäß den 3 und 4 sowie den diesbezüglichen Detailabbildungen soll der prinzipielle Sandwich-Aufbau der erfindungsgemäßen Funkenstrecke in Verbindung mit der erfindungswesentlichen nutförmigen Vertiefung näher erläutert werden.
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Wie in der 3 erkennbar, weist die scheibenförmige Mittelelektrode 4 einen umlaufenden Graben 40 auf (siehe auch 5).
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Dieser Graben bzw. diese nutförmige Vertiefung 40 ist vom Außenrand der Mittelelektrode 4 beabstandet.
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Weiterhin überdeckt die angrenzende Isolierstoffscheibe 5 bzw. 3 die betreffende Vertiefung 40 nur teilweise, so dass sich im Raum 41 ein quasi Speichervolumen für Abbrandmaterialien ergibt.
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Bei entstehendem Abbrand wird durch das Volumen 41 ausgeschlossen, dass sich Abbrandmaterialien auf der Oberfläche der betreffenden Isolierstoffscheiben 3; 5 ablagern. Eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der Isolierstoffscheiben wird dadurch wirksam verhindert.
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Bei der Darstellung nach 4 sind umlaufende nutförmige Vertiefungen 40 auch bei den weiteren Elektroden der Stapelanordnung (Elektrode 2 und 6) ausgebildet, wodurch sich der zur 3 geschilderte Vorteil noch verstärkt.
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Dieser Vorteil ist insbesondere dann relevant, wenn eine derartig ausgebildete Funkenstrecke in unterschiedlicher Einbaulage befindlich ist und mechanischen Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt wird.
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Die perspektivische Darstellung im Rahmen der 5 nebst Draufsicht und Schnittdarstellung lässt die Ausgestaltung einer Oberflächenseite der betreffenden Mittelelektrode 4 mit Graben 40 deutlich erkennen.
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Wesentlich ist hierbei, dass ein ausreichend breiter umlaufender Rand 42 verbleibt, um entstehende Wärme im Betrieb der Funkenstrecke abzuführen.
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Eine Weiterbildung der umlaufenden Nut 40 mit einer im Zentrum der von der Nut 40 umschlossenen Oberfläche angeordneten Insel 43 zeigt die 6 in perspektivischer Darstellung, Draufsicht und Schnittpunkt.
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Alternativ zu den bereits gezeigten und vorgestellten Ausführungsformen des Elektrodenoberflächenbereiches, der von der Nut 40 umschlossen ist, kann gemäß 7 dieser Bereich konvex realisiert werden oder eine Oberfläche angenähert der Form einer Linse aufweisen. Diese konvexe Oberflächengestalt fördert die Bewegung von Abbrandmaterialien hinein in die umlaufende Nut und das dort im Hinterschnitt bezogen auf die Isolierstoffscheibe entstandene Volumen 41.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016114787 A1 [0002]
- DE 102011102864 [0006]
- DE 102011102864 A1 [0008, 0010]
