DE2158037A1 - Vakuum-Schalter - Google Patents

Description

DR. M0LLER-BOR& DIfL-PHYS. CR. MAN ITZ DITL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL-INQ. PINSTERWALD DIPL.-INQ. QRÄMKOW

PATENTANWÄLTE

23. KOV.

Hl/u - A 219O

ALLIS-ÖHALKESS OOSPOBAOJIOIT Box 512, Kilwaukee, Wise.53201, USA

Vakuum-Sch alt er

Dia Erfindung "bezieht sich auf einen elektrischen Schalter vom Valiuumt^rp und betrifft insbesondere die IConstxmktion und Anordnung von Komponenten einschliess-Iicli dar Hülle und dor Schirmeinrichtuncen in einem Vakuumschalter.

Vakuumschalter, insbesondere solche, die zur ochunc; einoc höh on ütronc cms^elout üind, ur.i~ X'aiiLon ein hohles zylindrisches Gehäuse aus isolierend em Haterial wie Glas oder Keramik, das an seinan üJn^on durch metallische Stirnkappen abgeschlossen ist. Kontaktstangen erstrecken sich in die Hülle. Um zu

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verhindern, dass bei einer Bogenunterbrechung verdampftes ElektzOdenmaterial an der relativ kühlen inneren Oberfläche des isolierenden Gehäuses kondensiert und dadurch ein ITebenschluss-Strompfad um die Elektroden entsteht, trennt eine metallische Bogenabschirniung die Elektroden von der inneren Oberfläche des isolierenden Gehäuses. Aus dieses Grund weisen die isolierenden Gehäuse einiger bekannter Vakuumschalter einen relativ grossen Durchmesser auf und sind relativ kostspielig.

Ein bekannter Vakuumschalter, bei dem die .obigen Probleme gelöst werden sollen, weist ein Paar von langgestreckten rohrförmigen isolierenden Gshäuseabschnitten auf, die miteinander dtrrch eine kolbenförmige bzw. knollige Bödenkammer verbunden sind, die einen wesentlich grösseren Durchmesser als die Gehäuseabschnitte aufweist. Diese Bogenkammer weist eine Kondensierungsoberfläche für verdampftes Kontaktmaterial und einen Pfad geringer Wärmeleitfähigkeit zur Atmosphäre für die durch den Bogen erzeugte Hitze auf. Die Herstellung dieser knolligen bzw. kolbenförmigen Kammer ist ziemlich schwierig und aufwendig und die Fetall-Keramik-Verbindung en sind sehr nahe bei dem boganalrbiven Bereich. Das Vorhandensein solcher Verbindungen oder selbst von hartgelöteten Metall-Hetall-Verbindungen führt zu Konzentrationen des elektrischen Feldes und erzeugt Gefahren für einen möglichen Ausfall.

Ein weiterer bekannter Vakuumschalter weist eine ' ...α-ierte Hülle mit einem Paar von langgestreckten, hohlen, offenendigen isolierenden Gliedern auf, die mittels

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einer Stumpfstossdichtung mit einer offenendigen metallischen Bodenkammer -verbunden sind, welche einen kolbenförmigen bzw. knolligen Kitt eiber eich, der aus zwei gescliweissten Kugelhälften hergestellt ist,· und einen knolligen metallischen Bogenschirm aufweist, der an der Bogenkaiamer befestigt ist und sich zu den entgegenjeaetsten Enden des Gehäuses hin erstreckt. Vi ed er ULi ist neben den Aufwendungen sur Herstellung dieser .kolbenförmigen bzw. knolligen Gehäuse das Befestigen des Bogenschirins an der inneren Oberfläche dcx^ Bogentemier und dann das Verschwel ssen der zwei Hälften der Bodenkammer kompliziert, insbesondere wenn oer Schirm und die BogenkaLMner aus Materialien verschiedener Eigenschaften bezüglich der thermischen Ausdehnung hergestellt sind. Die schnelle Temperaturüiiderunj, wonn die Bogenprodukte den Bogenschirm tref-Jc-n, in Verbindung mit aera unterschied in der thermischen Λ;icdehnung des Bogenschirms und der kolbenförmigen Bogenkejouier kann zu einer thermischen Spannung führen, die eventuell die ßchweissung in dem Mittelpunkt der Bodenkammer brechen kann bzw. rißöig machen kann. Ebenfalls ist die Benutzung einer Bogenkammer aus einen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit unerwünscht, da sie den Wärmestrom aus dem Vakuumschalter behindert.

Ein Vakuumschalter gemäss der Erfindung umfasst eine hohle zylindrische offenendige metallische Hülle mit relativ beweglichen, sich in diese erstreckenden Kontaktstangen. Ein ringförmig gestalteter keramischer Isolator ist an jedem Ende der Hülle angeordnet und umgibt öcine zugeordnete Eontaktstange. Zwei Ausdehnung sringe verbinden die äusseren Kanten der Isolatoren

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mit der Hülle. Ein dritter Ausdehnungsring dichtet ebenfalls den Zwischenraum zwischen einem Isolator und dem stationären Eontakt ab. Eine metallische Endplatte oder ein solches Endglied umgibt die bewegliche Kontaktstange und ein vierter Ausdehnungsring verbindet die metallische Endplatte dicht mit ihrem zugeordneten keramischen Isolator. Eine flexible Dichtungseinrichtung wie ein Faltenbalg verbindet die Endplatte mit dem beweglichen Kontakt. Abschirmungseinrichtungen vom Scheibentyp sind im Inneren der Hülle angeordnet und den Kontaktstangen zugeordnet.

Die metallische Hülle dient dazu, die Bogenprodukte wirksam zu kondensieren, die von dem Bogen herrührende Wärmeenergie schnell und mit Wirkungsgrad abzuführen und ein grosses Yakuumvolumen in bezug auf die .&esamtabmasse des Schalters vorzusehen. Eine Kondensation von Bogenprodukten an der metallischen Hülle hat keinen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit dort entlang. Die Isolatoren trennen elektrisch mit Energie versorgte Abschnitte des Schalters von der Hülle. Die Isolatoren, die Ausdehnungsringe Ψ und deren mechanische Verbindungen sind relativ weit entfernt von dem Bogenbereich, v/o sie auf billige und wirksame Weise durch vereinfachte Abschirmungseinrichtungen vom Scheibentyp ageschirmt v/erden können. Die Ausdehnungsringe verbinden metallische und keramische Komponenten dicht miteinander, die verschiedene Wärmedehnungseigenschaften aufweisen, und dienen dazu, durch Erhitzen hervorgerufene mechanische Spannungen an den Vakuumdichten Verbindungen zu verringern. Weiterhin v;er# durch die minimale Benutzung • von keramischen Materialien, die mit maximalen elek-

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trischen Isolationserfordernissen vereinbar ist, und durch die geringen Temperaturen, denen die Keramik ausgesetzt ist, die Gasabgabe und die Effusionsprobleiae auf ein Minimum herabgesetzt, die normalerweise angetroffen v/erden, wenn Keramik in Vakuumschaltern benuti wird.

Die Erfindung sieht also einen Vakuumschalter vor, der relativ zu seiner körperlichen Abmessung hohe Bogenunterbrechungseigenschaften,hervorragende Eigenschaften bezüglich der Abführung von Wärmeenergie und eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist.

Bei einem erfindungsgemässen Schalter ist eine minimale Kenge an Keranikmaterial erforderlich,/weist vakuumdichte Verbindungen auf und die keramischen HaterieJLien und die Verbindungen sind von dem Bogenerzeugungsbereich abgelegen und können leicht durch eine Abschirmung gegen ein direktes Ausgesetztsein zu den Bogenerscheinungen geschützt werden.

Ein erfindungsgemässer Schalter kann auf leichte Weise aus unkomplizierten, leicht hergestellten.Komponenten zusammengebaut werden und ist zuverlässig im Betrieb.

Ein erfindungsgemässer Vakuumschalter ist insbesondere für eine Leistung von 5° 1"IVA und 4,ε KV oder darüber geeignet.

Ein erfindungsgemässer Schalter, der für 50 I^-IVA ausgelebt und für eine Benutzung bei einem Spannungspegel von 4,3 KV und darüber gedacht ist, umfasst

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eine hohle zylindrische Kupferhülle mit konstanten Durchmesser, in welche sich eine stationäre und eine bewegliche Kontaktstange aus OITHC-Kupfer bzw. Kupfer hoher Leitfähigkeit erstrecken. Jede Kontaktstange ist an ihrer Spitze mit einem Kontakt aus einer Kupfer-Wismut-Legierung vorgesehen. Eine Auspumpöffnung ist durch die stationäre Kontaktstange vorgesehen. Bei einer Ausführungsform ist ein Ende der Hülle mit einer im wesentlichen flachen keramischen Endplatte vorgesehen, die

P eine Mittelöffnung zur Aufnahme der stationären Kontaktstange aufweist. Ein dünner Kovar-Dichtungsring ist zwischen der Hülle und dem äusseren Umfang der keramischen Endplatte angeordnet und eine dünne Kovar-Hülse ist zwischen der Endplatte und der stationären Kontaktstange angeordnet. Das andere Ende der Hülle weist ein hohles, zylindrisch geformtes, keramisches Endrohr bzw. Stirnrohr auf. Ein dünner Kovar-Ring ist zwischen der Hülle und dem äusseren Umfang des keramischen Stirnrohres angeordnet. Eine Kupfer-Halterungsplatte mit einer Hittelöffnung ist an dem äusseren Ende de:. keramischenStirnroKiS befestigt und ein zylindrischer !Faltenbalg umgibt die bewegliche Kontaktstange und ist zwischen der Halterungsplatte und der beweglichen Kontaktstange befestigt. Scheibenähnliche Schirme aus Kupfer oder Nickel sind gegen Schultern an den zwei Kontaktstangen angeordnet, um Bogenprodukte zu begrenzen. Bei einer zweiten Ausführungsform wird ein keramisches Eohr anstelle einer flachen keramischen Endplatte benutzt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben! in dieser zeigt;

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Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Vakuum schalters gemäss der Erfindung,

Fig. 2 eine Stirnansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

•fc'ig. 3 eine Querschnittsansicht einer Kodifikation des in Ifig. 1 gezeigten Vakuumschalters.

Kach der Zeichnung umfasst ein Kreisunterbrecher vom Vakuumtyp bzw. Vakuumschalter 10 eine hohle zylindrische Ketallhülle 12, bevorzugt aus Kupfer, mit konstanten Durchmesser, die eine erste und zweite Stirnöffnung "c'j.v. 16 aufweist und mit int egra3Ji^-e formt en Ringschulteni Io und 20 im Inneren der Hülle in der Nähe der Stirnöffnungen 16 bzw. 14 vorgesehen ist.

stationäre und eine bewegliche elektrisch leitende Kontaktstange 22 bzw. 24 erstrecken sich durch die Stirnöffnungen 14 bzw. IC in die Hülle 12. Die Stangen 22 und 24 weisen eine zylindrische Forn auf und sind bevorzugt, wie durch maschinelle Bearbeitung, aus OS¹HG-Lupfer bzw. Kupfer hoher Leitfähigkeit hergestellt ■and nit Kontakten 26 bzw· 28 vorgesehen, die an ihre Enden geschweisst sind. Die Stangen 22 und 24 sind mit integral ausgebildeten Schultern 30 bzw. 32 vorgesehen, gegen die kreisförmige Schirme oder Schirme vou Scheibentyp 34 bzw. 36 wie durch Schweiseen befestigt sind. Die stationäre Kontaktstange 22 weist eine a::lo.l angeordnete zylindrische Öffnung 33 auf, die bevorzugt gebohrt ist und sich von dem äusseren Ende ce:- St an je zu einen Punkt erstreckt, der innerhalb

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der Hülle 12 liegt, und ein Durchgang oder mehrere Durchgänge 4-0, die ebenso gebohrt cind, verbinden αεα Innere der Hülle und die öffnung JS. Ein hohles, zylindrisches , metallisches Evakuier- und Abquetsch-Rohr 4-2 ist in der öffnung 38 an seinem Platz angoschweisst. Die Kontalrfcstangen 22 und 24- sind so ausgelegt, dass sie mit Abschnitten ausserhalb der Hülle 12 in einen elektrischen Kreis geschaltot werden können, der gesteuert werden soll.

^ Ein erstes, ringförmig gestaltetes, in wesentlichen flaches Isclierglied oder eine solche ßtirnplatte 4-4-, das bzw. die aus vakuumdichter, hochqualitativer Keramik hergestellt ist und eine mittig gelegene keisfcrnige öffnung 4-6 aufweist, ist an der Öffnung 14-in der Hülle 12 angeordnet und nimmt die· stationäre Kontaktstange 22 in seiner bzw. ihrer öffnung 46 auf.

Ein zweites ringförmig gestaltetes, im wesentlichen zylindrisches Icolieglied oder ein solches Endrohr bzw. Gtirnrohr 4-c, das bevorzugt aus vakuumdichter, hoch qualitativ er Keramik hez'gestellt und mit einer fe mittig gelegenen öffnung ^O vorgesehen ist, ist an der öffnung 16 in der Hülle 12 angeordnet und nimmt die hin-und her__bevegliclie Kontakt starige 24- und eine flexible Dicbtungseinrichtung wie einen Balg bzw. einen i'altenbalg ^>2 in seiner öffnung ^:jQ auf. Das Ec-hr 48 weist eine konische oder sich verjüngende äussere Oberfläche 5>1 an. seinem inneren Ende auf.

Ein erstes metallisches Dichtungsglied oder ein· solcher Ring 54 ist an seinen Kanten wie durch Schweissen zwischen

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die Schulter 20 der Hülle 12 und die äussere Umfangskante der isolierenden Stirnplatte 44 dicht einge-' setzt, Um das Schwelseen zu erleichtern, weist die auscere ümfangskante der keramischen Stirnplatte 44 einen metallisierten Überzug 56 auf=. Bevorzugt ist das Dichtungsglied 54 aus dünnem Kovarmetall oder einem anderen 1-la.terial hergestellt, das bezüglich einer thermischen Expansion und Kontraktion ähnliehe Eigenschaften wie das keramische Iiaterial aufweist, bus dem die Stirnplatte 44 hergestellt ist.

Ein zweites metallisches -Dichtungsglied oder ein " solcher Ring 58 in rohrförmiger Gestalt und mit der gleichen Zusammensetzung wie das Dichtungsgl-ied 54 ist an seinen Kanten wie durch Sehweissen zwischen die Seitenwand der öffnung 46 in der isolierenden Silrnplatte 44 und eine an der stationären K.ntaktstange 22 vorgesehene Schulter 60 dicht eingesetzt. Die keramische Seitenwand der öffrihg 46 weist einen metallisierten Überzug 62 auf,-um ein Schweissen . zu erleichtern.

Ein drittes metallisches Dichtungsglied oder ein solcher Hing 64 ist an seinen Kanten wie durch Schweissen zwischen der Schulter 18 der Hülle 12 und der Oberfläche 51 des keramischen Stirnrohres 48 dicht eingesetzt· Der Ring 64 weist die gleiche Zusammensetzung wie die Ringe 5^ und 58 auf und die Oberfläche 51 ist mit einem metallisierten Überzug 66 zur Erleichterung des Schweissens versehen.-

Ein metallisches Endglied oder eine solche Platte ?0» dac bzw. die als eine Halterungsplatte benutefaar ict

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und eine Ilittelöffnung 72 und eine intejr&l ausgebildete Ringschulter y^ll· aufweist, umgibt die bewegliclio Kontakt !stange 24 und ist von einem Ende der Hülle 12 mit Abstand angeordnet.

Ein viertes metallische Dichtungsglied oder ein solcher Hing 76 ist an seinen Kanten wie durch Schweissen zwischen der Schulter 74 in. den Endglied 70 und der äusseren Stirnfläche ^r]L· des keramischen End- ψ rohres 4G dicht eingesetzt. Die Oberfläche 78 des Stirnrohres 48 weist einen metallisierten Überzug 30 zur Erleichterung des Schwoisseiis auf. -

Eine flexible metallische Dichtungseinrichtung in der Form eines rohrförmig gestalteten Faltenbalgs 52 umgibt die bewegliche Kontaktstange 24 und ist dichtungsmässig wie durch Schwelssen zwischen der Endplatte JO und der Stange 24 eingesetzt. Bovorsugt ict der Faltenbalg 52 an der flachen von dem Schirm 36 dargebotenen Rückfläche im Bereich der Stange 24 .befestigt.

Während der Herstellung bilden die Kontaktstangen 22 und 24, deren Kontakte 26 bzw. 28 und deren Schirme 34 bzw· 36 ttnt er anordnung en, die an ihrer Stelle .in der Hülle 12 eingespannt werden. Die ke- raaische Stirnplatte 44 und die Dichtungsglieder uiti 50 bilden eine weitere Unter anordnung, die auf der Kontaktstenge 22 angeordnet und dann daran und an der Hülle 12 befestigt wird. Die metallische Endplatte 70» 3^&s keramische Rohr 48, die Dichtungsglieder 64 und 76 und der Faltenbalg 52 bilden eine

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weitere Unter anordnung, die auf der Kontaktstange 24· angeordnet und dann daran und an der Hülle 12 befestigt wird.

In Fig. 3 ist eine Modifikation des Unterbrechers bzw. Schalters 10 dargestellt, bei der er ein rohrförmigen keramisches Glied 82 anstatt der flachen keramischen Stirnplatte 4-4- und rohrförmig gestaltete erste und zweite Dichtungsglieder 84- und 86 anstatt der Dichtungsglieder ^A- bzw. 52, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, umfasst. In der in Fig. 3 dargestellten Modifikation ist eine kreisförmige metallische Stirnplatte 88 mit einer Mittelöffnung 90 gegen eine Schulter 92 an der Kontaktstange 22 angeordnet und an ihrer Stelle angeschweisst und der Ring 86 int an einer Schulter ty^- an dem Umfang der Stirnplatte 88 angesclnjeisst. Bevorzugt weisen das keramische Rohr 82, die Ringe 84- und 86 und die Stirnplatte C6 im wesentlichen den gleichen Durchmesser vie die Hülle 12 auf. Ein Schirm 96 vom Scheibentyp mit einer Kittelöffnung 93 ist an seinen Platz gegen die Schulter 20 in der Hülle 12 geschweisst.

Ein Vakuumschalter gemäcs der Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf. Beispielsweise werden die KontaktstaiiGcn, diellülle, die Kovar-IIetalldichtungcn, cie Schirme und andere Komponenten in leichter Weise aus im Handel erhältlichen Komponenten von üblicher bzw. C⁰¹¹⁰¹"¹¹"⁸³⁷ geometrischer Gestelt hergestellt. Die Schultern und Oberflächen, an denen vakuumdichte Dichtungen hergestellt werden, können leicht mittels einer üblichen Bearbeitungstechnik vorgesehen werden. Weiterhin sind alle Schweissnähte oder Verbindungen bzw. Dichtungsstellen während der Herstellung leicht

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zugänglich aufgrund der Keihenfolge der Komponentenanordnung während des Zusammenbaus einer Unteranordnung und des endgültigen Zusammenbaus. Alle vakuumdichten Verbindungen und alle keramischen Komponenten sind von dem Bogenbereich s.bgelegen und die einfachen Schirme von Scheibentyp verhindern ein Freiließen in der Sichtlinie zu dem Bogenbereich. So ist die Gefahr einer Verbindungsbeschädiguno; bzw. DichtungsbeSchädigung wesentlich verringert. Weiterhin wird ein Minimum an keramischem Haterial benutzt und es ist zusätzlich gegen ein direktes Ausgesetztsein zu dem Bogenbereich hin abgeschirmt. Infolgedessen ist die Freigabe von absorbierten verschmutzenden Gasen von der Keramik verringert. Durch die Gest8.lt der Hülle 12 und die Anox'dnung der eoideren Konponenten ist ein maximales Volumen, in den das Vakuum aufrecht erhalten wird, gegenüber den Gesamtabinasson der Einheit vorgesehen. V/:. iterhin liefert die Hülle 12 einen trossen Oberflächenbereich vor Wärmeleitfähigkeit für eine erhöhte Wärmeableitung auf.

- Patentansprüche -

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Claims (9)

1. Pat entansprüche

   ly Vakuumschalter iait einer hohlen zylindrischen hetrllhülle 12 mit einer ersten und zweiten Stirnöffnung 14,16 einex* stationären und einer "beweglichen Kontaktstange 22,24, die sich durch die erste bzw. zweite Stirnöffnung in die Hülle erstrecken, und Kontakten 26,28 an den Enden der Kontaktstangen, gekennzeichnet durch erste und zweite ringförmig gestaltete keramische Isolatoren (44 oder 88 und 48) an der ersten bzw. zweiten Stirnöffnung der Hülle, einen ersten metallischen Dichtungsring (54), der zwischen die Hülle und den ersten Isolator eingesetzt ist, einen zweiten metallischen Dichtungsring (58)> der zwischen den ersten Isolator und den stationären Kontakt eingesetzt ist, einen dritten metallischen Dichtungsring (64), der zwischen die Hülle und den zweiten Isolator eingesetzt ist, ein metallisches Endglied (70), das von der zweiten btirnöffnung der Hülle mit Abstand angeordnet ist, einen -vierten metallischen Dichtungsring (76), dox- zwischen dem Endglied und dem zweiten Isolator (4C) eingesetzt ist, einen Faltenbalg (52), dsr zwischen dem Endglied (70) und der beweglichen kontaktstange eingesetzt ist, und einen ersten und zweiten Schirm (34,36_), die an dem stationären bzw. beweglichen Kontakt angebracht sind.

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2. 2. Vakuumschalter nach Inspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , dass ein dritter Schirm (96) (Fig· 3) im Bereich des ersten Endisolators (88} (S¹Ig. 3) vorgesehen ist mit einer Scheibe, die eine Mittelöffnung (98) aufweist, welche grosser als die Kontaktstange ist und die Kontaktstange dort hindurchtreten lässt, wobei die Scheibe mit ihrem äusseren Umfang an der inneren Oberfläche der Hülle angebracht ist.
3. 3« Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der dritte Schirm zwischen dem Ehdisolator und dem ersten Schirm;(34) angebracht ist.
4. 4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet , dass beide isolatoren (44,48) zylindrisch sind.
5. 5. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet , dass der erste Isolator (44) ein flaches scheibenförmiges Glied mit kleinerem Durchmesser als die Hülle ist.
6. 6. Vakuumschalter nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Isolator (48) rohrförmig ist.
7. 7· Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet , dass der erste Schirm eine Scheibe (3²O aufweißt, die

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   an dem stationären Kontakt angebracht ist und einen grösseren Durchmesser als der erste Isolator aufweist.
8. 8. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet , dass der erste Schirm eine Scheibe (96) (3?ig. 3) umfasst mit einer Mittelöffnung (98) zur Aufnahme des stationären Kontaktes, wobei die Scheibe an der Hülle (12) angebracht ist.
9. 9. Vakuumsehalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g ekennzei chnet dass einer der keramischen Isolatoren (52) (Fig. 3) im wesentlichen den gleichen Aussendurchnesser wie die Hülle aufweist.

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   Le e rs e i t e