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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung aufweisend eine Schaltstrecke und eine Beströmungseinrichtung mit einem Steuerventil zum Beströmen der Schaltstrecke, wobei das Steuerventil einen bewegbaren Ventilkörper aufweist.
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Eine elektrische Schaltreinrichtung ist beispielsweise aus der Internationalen Veröffentlichung
WO 2019/024978 A1 bekannt. Dort ist eine Beströmungseinrichtung einer Schaltstrecke der Schalteinrichtung zugeordnet. Mittels eines Steuerventils wird die Arbeitsweise der Beströmungseinrichtung gesteuert. Das Steuerventil weist dazu einen bewegbaren Ventilkörper auf, welcher von einer Feder unterstützt oder gehemmt bewegbar ist. Bei einem derartig konstruierten Steuerventil ist das Ansprechverhalten als vergleichsweise sprunghaft einzuschätzen. Entsprechend können Impulse auftreten, welche die elektrische Schalteinrichtung in Gänze beeinflussen. So ist bei der Auslegung der Schalteinrichtung auf die Arbeitsweise des Steuerventils Rücksicht zu nehmen. Weiter weist die bekannte Konstruktion den Nachteil auf, dass mit zunehmender Anzahl von Betätigungen des Steuerventils Ermüdungserscheinungen auftreten. Aufgrund von Ermüdungserscheinungen kann sich das Ansprechverhalten des Steuerventils ändern, wodurch sich wiederum veränderliche Zustände, z.B. in der Schaltstrecke der elektrischen Schalteinrichtung einstellen können.
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Somit ergibt sich als Aufgabe der Erfindung eine elektrische Schalteinrichtung anzugeben, welche auch nach einer Vielzahl von Schalthandlungen ein stabiles Schaltverhalten aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer elektrischen Schalteinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Ventilkörper durch den Fließdruck eines strömenden Fluids in eine Dichtposition gepresst wird.
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Eine elektrische Schalteinrichtung dient einem Auftrennen oder einem Herstellen eines elektrisch leitenden Strompfades in einem Phasenleiterzug. Dazu weist die elektrische Schalteinrichtung eine Schaltstrecke auf, welche sich bevorzugt zwischen relativ zueinander bewegbaren Schaltkontaktstücken erstreckt. Sowohl bei einem Einschalten, d.h. bei einer Annäherung der Schaltkontaktstücke und einer galvanischen Kontaktierung derselben, als auch bei einer Ausschaltung der Schalteinrichtung, d.h. bei einem galvanischen Trennen und Entfernen der Schaltkontaktstücke voneinander, kann es in der Schaltstrecke zu Entladungserscheinungen kommen. Diese Entladungserscheinungen werden bei einem Einschaltvorgang z.B. als Vorüberschläge bezeichnet. Bei einem Ausschaltvorgang werden diese Entladungserscheinungen z.B. als Ausschaltlichtbögen bezeichnet. Derartige Entladungserscheinungen sind mit erhöhten thermischen Belastungen verbunden, die in der Schaltstrecke auftreten. Aufgrund der thermischen Belastungen werden zum Beispiel die Schaltkontaktstücke oder auch weitere Bauteile der elektrischen Schalteinrichtung einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt. Mittels einer Beströmungseinrichtung kann die Schaltstrecke einer Fluidbeströmung ausgesetzt werden. Die Beströmungseinrichtung kann beispielsweise ein Fluid in die Schaltstrecke einblasen oder ein Fluid aus der Schaltstrecke herausleiten, so dass eine Kühlung in der Schaltstrecke hervorgerufen wird. Die Beströmungseinrichtung kann dazu beispielsweise eine Kolben-Zylinderanordnung aufweisen, wobei durch eine Relativbewegung von Kolben und Zylinder ein Über- oder Unterdruck zur Erzeugung einer entsprechenden Strömung bewirkt werden kann. Die Arbeitsweise der Beströmungseinrichtung sollte dabei synchronisiert zu einer Relativbewegung von Schaltkontaktstücken der Schalteinrichtung erfolgen. Je nach Zustand der Schaltstrecke, d.h. je nach örtlicher Lage der relativ zueinander positionierten Schaltkontaktstücke kann ein Beströmen der Schaltstrecke vorgenommen werden. Relativ zueinander bewegbare Schaltkontaktstücke sowie relativ zueinander bewegbare Elemente der Beströmungseinrichtung (Zylinder/Kolben) können synchronisiert zueinander betätigt werden.
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Dadurch kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Voranschreitens einer Relativbewegung der Schaltkontaktstücke eine synchrone Relativbewegung in der Beströmungseinrichtung hervorgerufen werden.
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Je nach zu beherrschenden Schaltvorgängen kann sowohl ein Beströmen der Schaltstrecke bei einem Einschaltvorgang als auch bei einem Ausschaltvorgang vorteilhaft sein. Bedarfsweise kann beispielsweise bei einem Ausschaltvorgang ein Beblasen der Schaltstrecke vorgesehen sein und beispielsweise bei einem Einschaltvorgang ein Absaugen eines Fluides aus der Schaltstrecke bevorzugt sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass lediglich bei einem Einschaltvorgang oder lediglich bei einem Ausschaltvorgang die Beströmungseinrichtung Wirkung entfalten soll.
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Je nach Bedarf kann ein Steuerventil vorgesehen sein, welches z.B. lediglich bei einem Einschalt- oder einem Ausschaltvorgang eine Wirkung der Beströmungseinrichtung zulässt. Mittels des Steuerventils kann beispielsweise eine Entlastungsöffnung der Beströmungseinrichtung bedarfsweise geöffnet oder geschlossen werden und so eine Entstehung eines Überdruckes oder eines Unterdruckes in der Beströmungseinrichtung verhindert oder bewirkt werden. Durch die Entlastungsöffnung, welche gesteuert von dem Steuerventil freigegeben beziehungsweise gesperrt wird, kann ein strömendes Fluid hindurchtreten. Dabei erzeugt das strömende Fluid einen Fließdruck. Dieser Fließdruck kann genutzt werden, um den Ventilkörper in eine Dichtposition zu pressen, d.h. die Entlastungsöffnung zu versperren. Bevorzugt kann der Ventilkörper frei oszillierend z.B. nach Art einer Spielpassung gelagert sein. Der Ventilkörper kann beispielweise zwischen einem ersten Anschlag und einem zweiten Anschlag beweglich (pendelnd) angeordnet sein. Ein freies Bewegen kann frei von äußeren auf den Ventilkörper einwirkenden Kräften erfolgen.
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Die Entlastungsöffnung kann einen Kanal aufweisen. Der Ventilkörper kann innerhalb des Kanals oder an einer Mündung der Entlastungsöffnung bewegbar angesetzt sein. Ein Anschlag kann ein Austreten des Ventilkörpers aus dem Kanal verhindern. Somit kann der Ventilkörper innerhalb des Kanals geschirmt angeordnet sein. Vorteilhaft ist dabei eine dielektrische Schirmung, sodass bei der Verwendung eines beweglichen Steuerventils die dielektrischen Eigenschaften an der Schalteinrichtung erhalten bleiben.
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Mit versperrter Entlastungsöffnung kann die Beströmungseinrichtung Wirkung entfalten. So kann ein Über- beziehungsweise Unterdruck in der Beströmungseinrichtung erzeugt werden und ein entsprechendes Beströmen der Schalteinrichtung erzielt werden. Vorteilhaft erfolgt ein Einrücken des Ventilkörpers in seine Dichtposition durch den Fließdruck. Die Nutzung des Fließdruckes zum Betätigen des Ventilkörpers weist den Vorteil auf, dass nahezu verschleißfrei eine Betätigung des Ventilkörpers hervorgerufen werden kann. Zusätzlich wird mit Zunahme des Fließdruckes die auf den Ventilkörper wirkende Kraft und damit der Dichtsitz desselben im Steuerventil oder ein Herauslösen verstärkt. Der Ventilkörper ist beispielsweise mit Spiel bewegbar z.B. verschiebbar oder klappbar, so dass ein leichtgängiges Betätigen des Ventilkörpers auch bei geringen Fließdrücken hervorgerufen werden kann. Damit kann bereits zu einem frühen Zeitpunkt eine Betätigung des Steuerventils ausgelöst werden. So ist beispielsweise ein zunächst teilweises Verdämmen der Entlastungsöffnung möglich. Das Steuerventil kann eine weiche Charakteristik aufweisen, d.h. in Abhängigkeit der Änderungsgeschwindigkeit des Fließdruckes kann der Ventilkörper eine vergleichsweise langsame Verdämmung der Entlastungsöffnung und damit ein (langsames) Ändern des Druckes im Inneren der Beströmungseinrichtung mit einer vergleichsweise geringen Änderungsgeschwindigkeit bewirken. Entsprechend ergibt sich ein sanftes Ansprechverhalten des Steuerventils, wodurch sprungartige Druckänderungen vermieden sind. So wird die elektrische Schalteinrichtung nur in geringem Umfang mit zusätzlichen Kräften beim Ein- beziehungsweise Ausrücken des Ventilkörpers beaufschlagt. Ein weiches Abfallen der Sperrwirkung des Ventilkörpers kann auch bei einem Umkehren der Strömungsrichtung und damit der Umkehrung des Fließdruckes auf den Ventilkörper erfolgen. Weiterhin kann durch die Nutzung des Fließdruckes auf zusätzliche Betätigungsmittel wie Federn verzichtet werden, um den Ventilkörper zu betätigen. Dies kann zu einem frei bewegbaren Ventilkörper im Rahmen von gesetzten Grenzen (Anschläge) führen. Entsprechend kann von einem nahezu ermüdungsfreien Betätigen des Ventilkörpers ausgegangen werden. Das Steuerventil sitzt beispielsweise in einem Kanal, welcher zum Beispiel durch eine Entlastungsöffnung an einem Zylinder oder einem Kolben der Beströmungseinrichtung gebildet sein kann. Durch einen Differenzdruck zwischen dem Inneren beziehungsweise dem Äußeren der Beströmungseinrichtung kann ein Fließdruck eines die Beströmungseinrichtung umspülenden beziehungsweise durchspülenden Fluids hervorgerufen werden. Das strömende Fluid sollte dabei bevorzugt elektrisch isolierend ausgestaltet sein. Dieses elektrisch isolierende Fluid kann auch einem elektrischen Isolieren der Schaltstrecke und auch einem Beströmen der Schaltstecke dienen. Als elektrisch isolierende Fluide sind beispielsweise fluorbasierte Fluide wie Schwefelhexafluorid, Fluornitrile, Fluorketone oder Fluorolefine verwendbar. Weiterhin können jedoch auch stickstoffbasierte Fluide wie beispielsweise Gemische mit Sauerstoff (z.B. gereinigte Luft) als Fluid eingesetzt werden. Bevorzugt weisen die Fluide dabei eine gasförmige Form auf, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Fluide in flüssiger Form vorliegen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Ventilkörper nach Art einer Spielpassung zwischen einem ersten Anschlag und einem zweiten Anschlag bewegbar ist.
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Der Ventilkörper kann beispielsweise nach Art einer Spielpassung beweglich geführt sein. So kann der Ventilkörper beispielsweise nach Art eines Kolbens, welcher frei beweglich in einem Kanal pendeln kann, ausgestaltet sein. Der Ventilkörper ist dabei mittels eines ersten sowie eines zweiten Anschlages in seiner freien Bewegbarkeit begrenzt. Dadurch verbleibt der Ventilkörper zwischen einer Sperrposition sowie einer Öffnungsposition und kann in Abhängigkeit des Fließdruckes, welcher zwischen erstem Anschlag sowie zweitem Anschlag und umgekehrt wirkt, vom ersten zum zweiten Anschlag oder vom zweiten zum ersten Anschlag gepresst werden. Je nach erwartetem Fließdruck kann die Auslegung der Spielpassung variieren. An einem ersten Anschlag kann vorgesehen sein, dass der Ventilkörper in eine Dichtposition am ersten Anschlag gepresst wird, wohingegen in einer Lage am zweiten Anschlag der Ventilkörper das Steuerventil durchlässig gestaltet. Je nach Ausgestaltung der Anschläge mit entsprechenden Ausnehmungen, vorspringenden Kanten oder Schultern kann ein Spalt am Ventilkörper freigegeben oder geschlossen werden. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass ein Kanal, in welchem der Ventilkörper bewegbar ist, einen sich ändernden Querschnitt aufweist, wodurch bei einem Anliegen des Ventilkörpers an dem ersten Anschlag ein Dichtsitz vorliegt, und bei einer Anlage am zweiten Anschlag eine Durchgängigkeit des Steuerventils gegeben ist. Der erste Anschlag kann beispielsweise eine formkomplementäre Aufnahme für den Ventilkörper aufweisen. Bei einem Anliegen des Ventilkörpers am ersten Anschlag ist das Steuerventil gesperrt. An einem zweiten Anschlag können Ausnehmungen z.B. Zähne oder Einschnitte vorgesehen sein, wodurch ein Übertreten eines Fluidstromes zwischen zweitem Anschlag sowie Ventilkörper ermöglicht ist. Der Ventilkörper selbst kann eine Durchgangsöffnung (Überströmkanal) aufweisen, der bei Anlage am ersten Anschlag verdämmt ist und bei Anlage am zweiten Anschlag durchlässig ist.
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Der Ventilkörper kann z.B. nach Art einer/s Scheibe/Zylinders ausgeformt sein, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass weitere Formgebungen für den Ventilkörper vorgesehen sind. So kann der Ventilkörper beispielsweise auch nach Art einer Kugel oder eines Konus ausgeformt sein. Durch eine entsprechend korrespondierende Gestaltung der Anschläge beziehungsweise eines sich zwischen den Anschlägen erstreckenden (Abschnitts eines) Kanals kann ein Dichtsitz oder ein Durchlass am ersten beziehungsweise zweiten Anschlag gebildet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Ventilkörper eine Durchgangsöffnung aufweist, welche durch einen der Anschläge blockierbar ist.
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Eine Durchgangsöffnung (Überströmkanal) im Ventilkörper ermöglicht es, vereinfachte Strukturen für die Anschläge zu verwenden. Je nach Formgebung der Anschläge kann eine Durchgangsöffnung im Ventilkörper bei der Anlage beispielsweise am ersten Anschlag (z.B. Dichtposition) versperrt sein, wohingegen bei einer Anlage des Ventilkörpers am zweiten Anschlag die Durchgangsöffnung des Ventilkörpers freigegeben ist. Somit ist eine verschleißarme Konstruktion gegeben, um nach einer Vielzahl von Schaltspielen des Steuerventils bei gleichartigen Fließdrücken ein gleichbleibendes Ansprechverhalten zu erzielen. Bei der Nutzung eines Ventilkörpers mit Zylinderform oder Rotationsform kann die Durchgangsöffnung bevorzugt sich im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse bzw. Rotationsachse erstrecken.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Ventilkörper elastisch verformbar ist.
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Durch einen elastischen Ventilkörper ist der Dichtsitz beziehungsweise die Dichtposition des Ventilkörpers in einfacher Form ausführbar. In Abhängigkeit des Fließdruckes kann ein elastischer Ventilkörper in eine Dichtposition eingepresst werden. Auch nach einer Vielzahl von Schaltspielen des Ventilkörpers kann dieser erneut in eine Dichtposition eingepresst werden. Zum Anliegen an einem, bzw. entfernen von einem Anschlag kann der Ventilkörper einer Verformung unterzogen werden. Ein elastischer Ventilkörper kann beispielsweise durch Nutzung einer elastomeren Scheibe beziehungsweise einer elastomeren Platte ausgeformt werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beispielsweise ein kugelförmiger oder konusförmiger elastischer Ventilkörper Verwendung findet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Ventilkörper zumindest punktuell örtlich fixiert ist.
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Eine punktuelle örtliche Fixierung für den Ventilkörper ermöglicht es, insbesondere bei Nutzung eines elastischen Ventilkörpers gezielt eine Verformung herbeizuführen beziehungsweise zuzulassen. Damit kann einerseits ein leichtgängiger Ventilkörper, der fließdruckabhängig insbesondere zwischen einem ersten beziehungsweise einem zweiten Anschlag bewegbar ist, in seinem Steuerverhalten beeinflusst werden. Eine punktuelle Fixierung ermöglicht weiterhin, den Freiheitsgrad des Ventilkörpers einzuschränken und so die Reproduzierbarkeit seiner Bewegung innerhalb eines fließenden Mediums beziehungsweise durch einen Fließdruck bewirkt, vereinfacht zu steuern. Der Ventilkörper kann beispielsweise zentrisch oder in einem Randbereich fixiert werden, wodurch beispielsweise eine bevorzugte Verformung gefördert wird. Insbesondere bei Nutzung eines elastisch verformbaren Ventilkörpers kann so das Sperr- beziehungsweise Entsperrverhalten des Ventilkörpers verbessert gesteuert werden. Ein elastischer Ventilkörper kann vor einer Entlastungsöffnung angeordnet sein und zum Verdämmen die Entlastungsöffnung überspannend an einer die Entlastungsöffnung begrenzenden Wandung anliegen. Zur Freigabe der Entlastungsöffnung kann sich der elastische Ventilkörper unter Verformung von der Wandung abheben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein Anschlag den Ventilkörper örtlich fixiert.
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Wird ein Anschlag zum Positionieren des Ventilkörpers genutzt, so kann dieser sich gezielt von dem Anschlag entfernen, jedoch nur in dem Maße, wie es eine insbesondere punktuelle örtliche Fixierung zulässt. Der Ventilkörper kann beispielsweise umschlagen oder umklappen, indem dieser nach Art einer Barriere dem Fließdruck ausgesetzt wird und in Abhängigkeit des Fließdruckes gegen den ersten oder gegen den zweiten Anschlag gedrückt wird. Nutzt man nunmehr einen Anschlag aus, um den Ventilkörper örtlich zu fixieren, so kann dieser in einfacher Form zwischen erstem sowie zweitem Anschlag positioniert werden und ein ermüdungsfreies Betätigen des Ventilkörpers vorgenommen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein Anschlag eine konvexe Anschlagfläche für den Ventilkörper aufweist.
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Ein Anschlag kann eine konvexe Anschlagfläche für den Ventilkörper bereitstellen. Durch das konvexe Ausgestalten der Anschlagfläche werden bei einem Anschlagen des Ventilkörpers Druckmarken beziehungsweise Kerbmarken vermieden. Dadurch wird die Haltbarkeit des Ventilkörpers erhöht, weiterhin bleiben die Dichtfunktionen des Ventilkörpers erhalten, da unerwünschte Bypässe bildende Kerben oder Druckmarken oder anderweitige Verformungen verhindert sind. Die konvexe Anschlagfläche kann beispielsweise einen Abschnitt einer Kugelkappe darstellen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die konvexe Anschlagfläche nach Art eines Abschnittes einer Zylindermantelfläche ausgebildet ist. Insbesondere bei einer zentrischen Positionierung des Ventilkörpers an einer Anschlagfläche kann eine kugelkappenartige konvexe Anschlagfläche zum Einsatz gelangen, wodurch um die punktuelle Fixierung des Ventilkörpers herum eine allseitige Bewegung des Ventilkörpers zugelassen werden kann. Gleichmäßig und allseitig ist die Bewegbarkeit des Ventilkörpers einer derart ausgeprägten konvexen Anschlagfläche begrenzt. Bei einem seitlichen Fassen eines Ventilkörpers bietet sich eine annähernd zylindermantelförmige Ausgestaltung der Anschlagfläche an, wodurch ein klappenartiges Bewegen des Ventilkörpers erzwungen werden kann. Bei Nutzung eines elastisch verformbaren Ventilkörpers kann die Verformung durch die konvexe Formgebung der Anschlagfläche unterstützt werden. Einer scharfkantigen Verformung des Ventilkörpers kann entgegengewirkt werden.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Steuerventil relativ zur Schaltstrecke ortsfest positioniert ist.
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Die Schaltstrecke kann durch relativ zueinander bewegbare Schaltkontaktstücke begrenzt werden. Unabhängig von der Relativlage der Schaltkontaktstücke zueinander kann das Steuerventil in Ruhe ortsfest verbleiben. Bei der Nutzung eines ortsfesten Schaltkontaktstückes, welches die Schaltstrecke begrenzt, kann das Steuerventil relativ zu diesem ortsfesten Schaltkontaktstück in Ruhe verbleiben. Dadurch wird die zu bewegende Masse einer elektrischen Schalteinrichtung mit relativ zueinander bewegbaren Schaltkontaktstücken reduziert. Gleichzeitig wird das Steuerventil vor mechanischen Vibrationen aufgrund von Bewegungen und dergleichen geschützt. Damit kann eine zuverlässige Funktion des Steuerventils sichergestellt werden. Auch bei geringen Fließdrücken ist so ein Betätigen des Ventilkörpers des Steuerventils gegeben, da ein Überlagern von Bewegungen vermieden sowie auftretende Beschleunigungen von dem Ventil nebst Ventilkörper ferngehalten sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die elektrische Schalteinrichtung ein Erdungsschalter, insbesondere ein Schnellerdungsschalter ist.
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Ein Erdungsschalter weist eine Schaltstrecke auf, welche dazu dient, einen Phasenleiterzug mit Erdpotenzial zu beaufschlagen. Dazu weist ein Schaltkontaktstück üblicherweise dauerhaft Erdpotenzial auf, wobei durch ein Annähern der Schaltkontaktstücke zueinander und ein galvanisches Kontaktieren derselben, Erdpotenzial auf einen Phasenleiter übertragen werden kann. Erdungsschalter sind im Allgemeinen Sicherheitseinrichtungen, welche zuverlässig ein Erden eines Phasenleiterzuges bewirken sollen. Insofern ist ein Einschaltvorgang eines Erdungsschalters als die bedeutsamere Schalthandlung einzustufen. Insbesondere bei der Verwendung von Schnellerdungsschaltern, d.h. von Erdungsschaltern, die beispielsweise in einem Fehlerfall zu einer Sicherheitsabschaltung, d.h. zu einer Zwangserdung beitragen sollen, ist ein möglichst rasches Bewegen von relativ zueinander bewegbaren Schaltkontaktstücken hervorzurufen. Um dieses zuverlässig zu bewirken, sollte die Beströmungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass bei einem Einschaltvorgang den Einschaltvorgang verzögernde Kräfte vermieden sind. So ist eine zusätzliche Bremswirkung durch die Beströmungseinrichtung zu vermeiden. Bei einem Einschaltvorgang sollte daher das Steuerventil geöffnet und die Mündungsöffnung durchgängig sein. Umgekehrt ist es bei einem Ausschaltvorgang an einem Erdungsschalter von Vorteil, dass die Beströmungseinrichtung ihre Wirkung entfaltet. Insofern sollte bei Erdungsschaltern oder auch anderen elektrischen Schalteinrichtungen im Ausschaltvorgang das Steuerventil in Dichtposition gepresst werden, wohingegen bei einem Einschaltvorgang die Dichtposition des Steuerventils aufgehoben sein sollte. Beispielsweise kann eine freie Mündungsöffnung bei einem Einschaltvorgang dazu genutzt werden, die Beströmungseinrichtung mit Fluid, insbesondere unverbrauchtem, d.h. gekühltem und möglichst ladungsträgerfreiein Fluid zu befüllen, so dass die Beströmungseinrichtung für einen Ausschaltvorgang wieder schaltklar ist. Bei anderen Schalteinrichtungen kann je nach Bedarf eine umgekehrte Wirkung des Steuerventils vorteilhaft 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
- 1 eine Seitenansicht einer elektrischen Schalteinrichtung im ausgeschalteten Zustand, die
- 2 eine Draufsicht der aus der 1 bekannten elektrischen Schalteinrichtung im ausgeschalteten Zustand, die
- 3 eine Draufsicht der elektrischen Schalteinrichtung wie aus den 1 und 2 bekannt im eingeschalteten Zustand, die
- 4 eine perspektivische Ansicht der aus den 1 bis 3 bekannten elektrischen Schalteinrichtung im ausgeschalteten Zustand und die
- 5 eine Kolbenplatte mit einem Steuerventil in erster Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht. Die
- 6, 7 und 8 zeigen Schnitte durch die aus den 1 bis 5 bekannte Kolbenplatte mit einem Steuerventil in erster Ausführungsvariante, die
- 9, 10 und 11 eine Abwandlung des in den 6, 7 und 8 im Schnitt gezeigten Steuerventils in der ersten Ausführungsvariante. Die
- 12 zeigt eine Kolbenplatte mit einem Steuerventil in einer zweiten Ausführungsvariante in perspektivischer Ansicht, die
- 13, 14 und 15 zeigen jeweils einen Schnitt durch die Kolbenplatte nebst Steuerventil in zweiter Ausführungsvariante, die
- 16 zeigt eine Kolbenplatte mit einem Steuerventil in einer dritten Ausführungsvariante in perspektivischer Ansicht und die
- 17 bis 19 zeigen jeweils einen Schnitt durch das aus der 16 bekannte Steuerventil in der dritten Ausführungsvariante.
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Anhand der 1 bis 4 wird zunächst der Aufbau einer elektrischen Schalteinrichtung und die Wirkungsweise eines Steuerventiles beschrieben. In den 5 bis 19 sind jeweils Details von Steuerventilen in drei Ausführungsvarianten dargestellt.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer elektrischen Schalteinrichtung im Schnitt. Die elektrische Schalteinrichtung weist ein Kapselungsgehäuse 1 auf. Das Kapselungsgehäuse 1 umgibt Aktivteile (spannungsführende Teile) der elektrischen Schalteinrichtung, sodass ein mechanischer Schutz gegeben ist. Weiterhin kann das Kapselungsgehäuse 1 Aktivteile der elektrischen Schalteinrichtung hermetisch einhausen, sodass das Innere des Kapselungsgehäuse mit einem elektrisch isolierenden Fluid gefüllt werden kann. Das Kapselungsgehäuse 1 verhindert ein Verflüchtigen des elektrisch isolierenden Fluids.
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Die elektrische Schalteinrichtung weist eine Schaltstrecke 2 auf. Die Schaltstrecke 2 erstreckt sich zwischen einem ersten bewegbaren Schaltkontaktstück 3 sowie einem zweiten ortsfesten Schaltkontaktstück 4. Das zweite Schaltkontaktstück 4 ist am Kapselungsgehäuse 1 elektrisch isoliert abgestützt. Das Kapselungsgehäuse 1 weist Wandungen aus einem elektrisch leitenden Material auf, welche Erdpotenzial führen. Das zweite Schaltkontaktstück 4 weist ebenfalls Erdpotenzial auf, wobei eine Erdungsleitung des zweiten Schaltkontaktstückes 4 elektrisch isoliert durch das Kapselungsgehäuse 1 nach außen geführt ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, bedarfsweise das zweite Schaltkontaktstück 4 vom Erdpotenzial abzutrennen. Dies ist beispielsweise zu Prüf- und Testzwecken vorteilhaft. Das erste Schaltkontaktstück 3 ist an einem Zylinder 5 gelagert. Der Zylinder 5 ist Teil einer Beströmungseinrichtung und begrenzt ein Kompressionsvolumen 6. Das erste Schaltkontaktstück 3 ist dabei hohlzylindrig ausgestaltet und weist in seinem Inneren einen Blaskanal 7 auf. Der Blaskanal 7 mündet am freien Ende des ersten Schaltkontaktstückes 3 in der Schaltstrecke 2. Das andere Ende des Blaskanales 7 mündet im Inneren des Kompressionsvolumens 6, sodass über den Blaskanal 7 das Kompressionsvolumen 6 mit der Umgebung, insbesondere im Bereich der Schaltstrecke 2, kommunizieren kann. Der Zylinder 5 ist beweglich gelagert und aus elektrisch isolierendem Material gebildet. Über eine Anschlusslasche 8, welche zwischen dem erstem Schaltkontaktstück 3 sowie einer Stirnseite des Zylinders 5 angeordnet ist, ist eine Anschlussleitung elektrisch isoliert durch die Wandung des Kapselungsgehäuses 1 nach außen geführt und kann dort mit einem zu erdenden Phasenleiterzug verbunden werden. Um eine verschiebliche Führung des Zylinders 5 zu bewirken, ist eine Kolbenplatte 9 ortsfest auf einem Stiel 10 aufsitzend positioniert. Der Stiel 10 ist dabei wiederum am Kapselungsgehäuse 1 ortsfest abgestützt. Die Kolbenplatte 9 bildet eine feststehende Wandung am Kompressionsvolumen 6, sodass bei einer Relativbewegung von der Kolbenplatte 9 zu dem Zylinder 5 eine Veränderung des Kompressionsvolumens 6 bewirkt wird. Bei einem Einschaltvorgang, das heißt bei einem Annähern des ersten Schaltkontaktstückes 3 an das zweite Schaltkontaktstück 4, erfolgt eine Vergrößerung des Kompressionsvolumens 6. Umgekehrt erfolgt bei einem Entfernen des Schaltkontaktstückes 3 von dem zweiten Schaltkontaktstück 4 (Ausschaltvorgang) eine Verkleinerung des Kompressionsvolumens 6. Im Falle eines Ausschaltvorganges wird so innerhalb des Kompressionsvolumens eine Verdichtung von elektrisch isolierendem Fluid bewirkt. Über den Blaskanal 7 wird dieses in die Schaltstrecke 2 ausgestoßen und beströmt, kühlt und verfestigt die dortige Schaltstrecke 2 und umspült einen gegebenenfalls brennenden Lichtbogen. Eine im Kompressionsvolumen 6 mündende Entlastungsöffnung ist durch ein Steuerventil 13 schaltbar. Die Entlastungsöffnung ist vorteilhaft in der ortsfesten Kolbenplatte 9 angeordnet. Zumindest ein Steuerventil 13 (Position vergleiche 2) ist in der Kolbenplatte 9 angeordnet.
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Um eine Verschiebung des ersten Schaltkontaktstückes 3 nebst des Zylinders 5 zu bewirken, ist ein drehbar gelagerter Hebelarm 11 vorgesehen. Der Hebelarm 11 ist mit seinem freien Ende in einer Nut am Zylinder 5 geführt, sodass über einen in die Nut eingreifenden Zapfen des Hebelarmes 11 eine Schwenkbewegung in eine Linearbewegung des Zylinders 5 gewandelt werden kann (vgl. 2, 3, 4). Um in den Ein- bzw. Ausschaltpositionen ein Abbremsen des Zylinders 5 zu unterstützen, sind Anschlagpuffer 12 auf dem die Kolbenplatte 9 tragenden Stiel 10 angeordnet. In der Draufsicht der 2 ist zu erkennen, dass es sich bei dem Schaltgerät nach 1 um ein mehrpoliges Schaltgerät handelt. Das heißt, mehrere erste Schaltkontaktstücke 3 sowie mehrere zweite Schaltkontaktstücke 4 sind parallel zueinander angeordnet und werden gemeinsam betätigt. Somit ist eine Schalteinrichtung, wie in den 1 und 2 gezeigt, zum Schalten eines mehrphasigen Elektroenergieübertragungssystems verwendbar. Bei der Kolbenplatte 9 handelt sich um eine im wesentlichen rechteckige Kolbenplatte 9, in welcher zwei gleichartig aufgebaute Steuerventile 13 angeordnet sind. Die Steuerventile 13 dienen der Steuerung des Befüllens, bzw. Entleerens des Kompressionsvolumens 6 mit einem Fluid, welches zum Beströmen der Schaltstrecke 2 vorgesehen ist.
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Ausgehend von dem Ausschaltzustand wie in 1 und 2 gezeigt, soll nunmehr zunächst ein Einschaltvorgang beschrieben werden. Um die ersten Schaltkontaktstücke 3 den zweiten Schaltkontaktstücken 4 anzunähern wird eine Rotation des Hebelarmes 11 ausgelöst. Dadurch wird der Zylinder 5 in Richtung der zweiten Schaltkontaktstücke 4 bewegt. Das Kompressionsvolumen 6 vergrößert sich dabei. Die Steuerventile 13 sind dabei derart ausgerichtet, dass nunmehr ein Ventilkörper 14a, 14b, 14c öffnet, sodass ein Einströmen von Fluid in das Kompressionsvolumen 6 bevorzugt über die Steuerventile 13 erfolgt. Zusätzlich kann auch Fluid über die Blaskanäle 7 der ersten Schaltkontaktstücke 3 einströmen. Im eingeschalteten Zustand (3) sind die ersten sowie die zweiten Schaltkontaktstücke 3, 4 miteinander elektrisch leitend verbunden. Das Kompressionsvolumen 6 ist mit der größtmöglichen Menge an elektrisch isolierendem Fluid gefüllt. Bei einem Ausschaltvorgang (3 nach 2), d.h. die ersten Schaltkontaktstücke 3 werden von den zweiten Schaltkontaktstücken 4 getrennt und von diesen fortbewegt, erfolgt eine Reduktion des Kompressionsvolumens 6. Um einen Ausschaltvorgang durchzuführen, wird der Hebel 11 mit geändertem Drehsinn bewegt. Die Anschlagpuffer 12 bilden jeweils Anschläge für den bewegten Zylinder 5, um diesen in seinen Endlagen abzubremsen. Die Ventilkörper 14a, 14b, 14c sperren die Steuerventile 13, sodass innerhalb des Kompressionsvolumens 6 befindliches Fluid über die Blaskanäle 7 der ersten Schaltkontaktstücke 3 in Richtung der zweiten Schaltkontaktstücke 4 abströmen muss. Dadurch wird die Schaltstrecke 2 mit nicht kontaminiertem, bevorzugt kühlem, elektrisch isolierendem Fluid geflutet, sodass kontaminiertes Fluid aus diesem Bereich herausgedrängt und ein gegebenenfalls vorhandener Lichtbogen von dem elektrisch isolierenden Fluid umspült wird. In der 4 ist im ausgeschalteten Zustand die Lage der Steuerventile 13 symbolisiert dargestellt. In den 5, 12 sowie 16 sind Ausführungsvarianten möglicher Steuerventile 13 gezeigt. Dabei ist in den zugehörigen 6 bis 11, 13 bis 15, sowie 17 bis 19 die Funktionsweise der Steuerventile 13, bzw. ihrer Ventilkörper 14a, 14b, 14c gezeigt.
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Unabhängig von der konstruktiven Ausgestaltung der Steuerventile 13, 13a, 13b, 13c hinsichtlich Formgebung, Anzahl, etc. ist ihre Funktion jedoch für die in den Figuren gezeigte Schalteinrichtung (Erdungsschalter/Schnellerdungsschalter) jeweils gleichartig gewählt. Bei einem Einschaltvorgang sind die Steuerventile 13, 13a, 13b, 13c derart geschaltet, dass ein Ventilkörper 14a, 14b, 14c aus seiner Dichtposition herausbewegt wird, sodass ein Fluidstrom aus der Umgebung in das Innere des Kompressionsvolumens 6 überströmen kann. Bei einem Ausschaltvorgang wird der Ventilkörper 14a, 14b, 14c in seine Dichtposition gepresst, sodass ein Ausströmen von Fluid aus dem sich bei einem Ausschaltvorgang verkleinerndem Kompressionsvolumen 6 über die Blaskanäle 7 der ersten Schaltkontaktstücke 3 erfolgt.
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Die 5 zeigt eine Kolbenplatte 9 mit Stiel 10 wie aus den 1 bis 4 bekannt. In der Kolbenplatte 9 ist eine erste Ausführungsvariante eines Steuerventils 13a zweifach angeordnet, wobei jeweils eine gleicharte Bauform gewählt wurde. Durch die Verdoppelung der Steuerventile 13a wird die Durchlassfähigkeit vergrößert. Das Steuerventil 13a in erster Ausführungsvariante weist einen im wesentlichen zylindrischen Ventilkörper 14a mit kreisförmigem Querschnitt auf. Der Ventilkörper 14a des Steuerventils 13a in erster Ausführungsvariante ist zwischen einem ersten Anschlag 15 sowie einem zweiten Anschlag 16 (vergleiche 6 bis 11) in Richtung einer Verschiebeachse des Zylinders 5 frei beweglich. Der Ventilkörper 14a ist nach Art einer Spielpassung zwischen dem ersten sowie dem zweiten Anschlag 15, 16 verschieblich gelagert. Im Randbereich des Ventilkörpers 14a des Steuerventils 13a in der ersten Ausführungsvariante sind am Umfang verteilt mehrere gekrümmte Langlöcher angeordnet, die jeweils eine Durchgangsöffnung 17 bilden. Dabei ist der Querschnitt des ersten Anschlages 15 derart gewählt, dass dieser die Durchgangsöffnungen 17 vollständig abdeckt und bei einem Anliegen des Ventilkörpers 14a des Steuerventils 13a in der ersten Ausführungsvariante diese von dem ersten Anschlag 15 versperrt, bzw. verdämmt sind (vgl. 6). Im Gegensatz dazu ist der zweite Anschlag 16 derart dimensioniert, dass dieser auf der vom Betrachter der 5 abgewandten Seite, eine Stützung, bzw. eine Anlage des Ventilkörpers 14a des Steuerventils 13a der ersten Ausführungsvariante im Randbereich vornimmt, sodass bei Anlage des Ventilkörpers 14a an dem zweiten Anschlag 16 die Durchgangsöffnungen 17 gerade nicht verdämmt sind (vgl. 8). Die 6 zeigt die Position des Ventilkörpers 14a während eines Ausschaltvorganges, das heißt, der Ventilkörper 14a wird in seine Dichtposition am ersten Anschlag 15 gepresst. Eine Anpresskraft wird durch den Fließdruck des strömenden Fluides bewirkt, welches im Inneren des Kompressionsvolumens 6 komprimiert wird. Mit zunehmendem Druck im Inneren des Kompressionsvolumens 6 nimmt auch die Anpresskraft auf den Sitz des Ventilkörpers 14a in seiner Dichtposition zu. Bei einem Ausschaltvorgang erfolgt eine Richtungsumkehr des Fließdrucks (7). Das heißt, das Kompressionsvolumen 6 vergrößert sich, wodurch der Fließdruck des strömenden Fluides den Ventilkörper 14a vom ersten Anschlag 15 fortbewegt und diesen in Richtung des zweiten Anschlags 16 presst (8). Nunmehr sind die Ausnehmungen 17 freigegeben und Fluid kann über die Ausnehmungen 17 des Ventilkörpers 14a in das Innere des Kompressionsvolumens 6 überströmen. Bei der Ausführungsvariante gemäß den 6 bis 8 ist jeweils vorgesehen, den ersten bzw. den zweiten Anschlag 15, 16 vor einem durchgehenden Kanal einer Entlastungsöffnung in die Kolbenplatte 9 aufzusetzen, sodass zwischen dem ersten, bzw. dem zweiten Anschlag 15, 16 der im wesentlichen zylindrische Ventilkörper 14a geführt von der Innenmantelfläche des Kanals in der Kolbenplatte 9 nach Art einer Spielpassung geführt ist.
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In den 9 bis 11 ist eine alternative Ausgestaltung eines ersten Anschlages 15 gezeigt. Der erste Anschlag 15 ist dabei durch eine Schulter in dem Kanal der Kolbenplatte 9 gebildet. Lediglich der zweite Anschlag 16 ist durch eine diskret aufgesetzte Platte dargestellt, welche zum Einbringen des Ventilkörpers 14a in seinen Spielsitz demontierbar ist. Funktion und Wirkungsweise sind jedoch zu der Ausführungsvariante wie in den 6, 7 und 8 gezeigt, identisch.
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Die 12 zeigt ausgehend von der Kolbenplatte 9 eine zweite Ausführungsvariante eines Steuerventiles 13b. Wiederum sind zwei gleichartige Steuerventile 13b an der Kolbenplatte 9 vorgesehen. Nunmehr ist die Nutzung eines elastisch verformbaren Ventilkörpers 14b vorgesehen. Der elastisch verformbare Ventilkörper 14b weist wiederum eine Zylinderform mit kreisförmigem Querschnitt auf. Jedoch ist der Ventilkörper 14b der zweiten Ausführungsvariante eines Steuerventils 13b flächig auf der Seite der Kolbenplatte 9 positioniert, welche dem Kompressionsvolumen 6 zugewandt ist. Dazu ist eine zentrische Verschraubung vorgesehen, wobei im Überlappungsbereich des Ventilkörpers 14b der zweiten Ausführungsvariante 13b eine Entlastungsöffnung mit mehreren Kanälen in der Kolbenplatte 9 angeordnet ist, welche von dem Ventilkörper 14b überdeckt ist. Anhand der 13 bis 15 soll nunmehr die Funktionsweise des Steuerventils 13b in der zweiten Ausführungsvariante beschrieben werden. Während eines Ausschaltvorganges und dem sich dabei verkleinernden Kompressionsvolumens 6 presst der Fließdruck einen Ventilkörper 14b der zweiten Ausführungsvariante des Steuerventiles 13b gegen die Wandung (erster Anschlag 15) der Kolbenplatte 9 und verdämmt die Kanäle in der Kolbenplatte 9. Somit wird bei einem Ausschaltvorgang das im Kompressionsvolumen 6 befindliche Fluid durch die Blaskanäle 7 der ersten Schaltkontaktstücke 3 in Richtung der Schaltstrecke 2 gepresst. Bei einem Einschaltvorgang erfolgt eine Umkehr der Richtung des strömenden Fluides. Nunmehr presst der Fließdruck aufgrund der elastischen Verformbarkeit den Ventilkörpers 14b der zweiten Ausführungsvariante diesen aus dem Dichtsitz und hebt diesen an seinen freien Umfang von der Kolbenplatte 9 ab. Zentrisch vom zweiten Anschlag 16 gehalten, elastisch verformt, strömt Fluid in das Innere des Kompressionsvolumens 6 über die Kanäle in der Kolbenplatte 9. Der Ventilkörper 14b des Steuerventils 13b in zweiter Ausführungsvariante ist punktuell von dem zweiten Anschlag 16 fixiert.
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Die 16 zeigt eine Kolbenplatte 9 mit einem Steuerventil 13c in einer dritten Ausführungsvariante. In der dritten Ausführungsvariante ist vorgesehen, einen elastisch verformbaren Ventilkörper 14c einseitig (am Rand) einzuspannen, sodass ein klappenartiges Öffnen des Ventilkörpers 14c des Steuerventils 13c in dritter Ausführungsvariante ermöglicht ist. Zum punktuellen Befestigen des Ventilkörpers 14c dient ein zweiter Anschlag 16, welcher eine konvex gekrümmte Anschlagfläche aufweist. Dadurch ist es möglich, dass der Ventilkörper 14c des dritten Steuerventils 13c sich von dem ersten Anschlag 15, welcher durch die Oberfläche der Kolbenplatte 9 gebildet ist, abhebt und gegen den zweiten Anschlag 16 drückt. Aufgrund der konvexen Krümmung des zweiten Anschlages 16 wird ein übermäßiges verformen, bzw. mechanisches Belasten, z.B. ein Einkerben des Ventilkörpers 14c des Steuerventils 13c in dritter Ausführungsvariante verhindert. In den 17, 18, 19 ist im wesentlichen gleichwirkend zu dem in den 13, 14 und 15 Gezeigten die Funktionsweise des Steuerventils 13c in der dritten Ausführungsvariante dargestellt. Bei einem Ausschaltvorgang wird das Kompressionsvolumen 6 reduziert, woraufhin ein Fließdruck den Ventilkörper 14c des Steuerventils 13c der dritten Ausführungsvariante gegen den ersten Anschlag 15 presst, wobei der Ventilkörper 14c eine Entlastungsöffnung in der Kolbenplatte 9 vollständig abdeckt und abdichtet (17). Der Ventilkörper 14c ist in seine Dichtposition gepresst. Bei einem Einschaltvorgang kommt es zu einem vergrößern des Kompressionsvolumens 6. Getrieben durch den Fließdruck wird der Ventilkörper 14c des Steuerventils 13c in der dritten Ausführungsvariante von dem ersten Anschlag 15 entfernt und gegen den zweiten Anschlag 16 gedrückt. Über die Entlastungsöffnung in der Kolbenplatte 9 können nunmehr Fluide in das Innere des Kompressionsvolumens 6 überströmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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