DE2317930A1 - METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING A MECHANICAL PART BY USING THE ENERGY OF AN EXPLOSIVE - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING A MECHANICAL PART BY USING THE ENERGY OF AN EXPLOSIVEInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines mechanischen Teils durch Verwendung der Energie eines Sprengstoffes Method and apparatus for separating a mechanical part by using the energy of an explosive
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Trennen eines mechanischen Teils, beispielsweise eines Drahtes, eines Stabes, einer Platte usw. unter Verwendung der Energie eines Sprengstoffes.The invention relates to a method and devices for cutting a mechanical part, for example a wire, a rod, a plate, etc. using the energy of an explosive.
Dieses Verfahren wird mit einar Vorrichtung durchgeführt, die eine Kammer besitzt, in die das zu trennende Teil sowie eine Sprengladung eingebracht wird, die so angeordnet ist, daß sie direkt oder indirekt über ein zwischengelegtes Teil auf das zu trennende Teil infolge der durch die Explosion freigewordenen Gase einen Scherdruck ausübt.This method is carried out with a device that has a chamber into which the part to be separated and an explosive charge is introduced, which is arranged so that they directly or indirectly via an interposed part on the part to be separated as a result of the parts released by the explosion Gas exerts a shear pressure.
Mit der Erfindung ist es möglich,. das Zerteilen eines metallischen Teils und ggf. die Bewegung des abgetrennten Teils übe:r eine gewisse Strecke mit einer Ansprechzeit von etwa 10" s von dem Zeitpunkt des Anlegens des Zündbefehls an zu erreichen.With the invention it is possible. the parting of a metallic one Part and, if necessary, the movement of the separated part via: r a certain distance with a response time of about 10 "s from the time the ignition command is applied.
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Mit der Erfindung v/erden weiterhin solche Betriebsbedingungen geschaffen, daß gleiche Trennvorrichtungen in der Ansprechzeit nur um einige Mikrosekunden voneinander abweichen.With the invention, moreover, such operating conditions are created that the same separating devices in the response time only differ by a few microseconds.
Diese hervorragenden Eigenschaften, die, soweit bekannt, bisher noch nicht erreicht wurden, bieten neue Verwendungsmöglichkeiten, wie sie aus dem Nachstehenden hervorgehen, und erfordern eine Kombination von Mitteln, von denen eines die Verwendung eines Sprengstoffes hoher Leistung ist, der schwierig industriell zu benutzen ist.These excellent properties, which, as far as is known, have not yet been achieved, offer new uses, as will appear from the following, and require a combination of means, one of which is the Use of a high powered explosive that is difficult to use industrially.
Die Erfindung ermöglicht es jedoch, die Bedingungen für die Benutzung eines solchen Sprengstoffes ohne Beschädigung der Vorrichtung und ohne besondere Schutzmaßnahmen zu schaffen.However, the invention makes it possible to meet the conditions for the use of such an explosive without damage of the device and without special protective measures.
Mit der Erfindung werden schließlich diese Bedingungen in einer Vorrichtung mit beschränkten Abmessungen geschaffen, die im Nachstehenden bei Ausführungsbeiepielen angegeben werden und die die Verwendung dieser Vorrichtung in elektrischen Anlagen, beispielsweise in Unterbrechern, gestatten.The invention finally creates these conditions in a device with limited dimensions, which are given in the following with exemplary embodiments and which the use of this device in electrical Allow installations, for example in breakers.
Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen eines mechanischen Teils , beispielsweise eines Drahts, eines Stabs oder einer Platte dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des Teils durch reine Scherbelastungen unter der Wirkung von Scherkräften erfolgt, die durch die Explosion von Sprengstoffen erzeugt v/erden, die eine Masseenergie von mehr als 1000 Joule/Gramm , vorzugsweise 2 000 bis 5 000 J/g, und eine Detonationsgeschwindigkeit von mehr als 3 000 m/s, vorzugsweise 7 000 bis 8 000 m/s haben, daß die Ladung in einer Aussparung angeordnet wird, die auf eine begrenzte Fläche des zu trennenden Teils oder eines direkt oder indirekt auf einer begrenzten Fläche des zu trennenden Teils aufliegenden, beweg-According to the invention is a method for separating a mechanical Part, for example a wire, a rod or a plate, characterized in that the cutting of the part is carried out by pure shear loads under the action of shear forces caused by the explosion of explosives generates v / earth which has a mass energy of more than 1000 joules / gram, preferably 2,000 to 5,000 J / g, and a detonation speed of more than 3,000 m / s, preferably 7,000 to 8,000 m / s that the charge in one Recess is arranged on a limited area of the part to be separated or one directly or indirectly on a limited area of the part to be separated, moving
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lichen Teils ausmündet und daß das Anfangsvolumen der Explosionsgase höchstens gleich dem Volumen ist,'das von der begrenzten, der Aussparung der Ladung benachbarten Fläche während der Nutzbewegung des abgetrennten Teils oder des beweglichen Teils bestrichen wird.union part and that the initial volume of the explosion gases is at most equal to the volume of the limited area adjacent to the recess of the charge is coated during the useful movement of the separated part or the movable part.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, unter anderem die außerordentliche Wirksamkeit der reinen Scherung für die maximale Begrenzung der Energie und die Schneidzeit zu verwenden.The invention is based on the idea, among other things, the extraordinary effectiveness of pure shear for the maximum limitation of energy and cutting time to use.
Wenn nämlich Δ a das elastische Gleiten ist, das durch eine Schneidkraft T verursacht wird, die bei einem gegebenen Querschnitt der Scher-Bruchkraft P entspricht, erhält man:Namely, if Δ a is the elastic sliding caused by a Cutting force T is caused, which corresponds to the shear breaking force P for a given cross-section, is obtained man:
Aa _ P
a ~ G* Aa _ P
a ~ G *
Darin sind;In it are;
a: Dicke des zu trennenden Teils,
G: Schubelastizitätsmodul = 0,38 E, E: Young-Modul,a: thickness of the part to be cut,
G: shear modulus of elasticity = 0.38 E, E: Young's modulus,
Bei Messing : P = 350 Newton/mm2
G = 40 000 N/mm2.For brass: P = 350 Newton / mm 2
G = 40,000 N / mm 2 .
AqAq
Wird angenommen, daß P und —-- v/ährend der Scherung konstantAssume that P and ---- v / are constant during shear
Aa-?Aa-?
bleiben, so ist ~~ ^'1'1O . Die Scherung wird also erreicht, sobald die Kristalle sich in der Scherebene um eine Strecke von etwa a 10 bewegt haben. Die Scherenergie beträgtstay, so is ~~ ^ '1'1O. The shear is thus achieved as soon as the crystals have moved a distance of about a 10 in the shear plane. The shear energy is
T'ac10""2 T : T'a c 10 "" 2 T:
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Der Schervorgang ist infolge der geringen Strecke, auf der er stattfindet, äußerst schnell. Er tritt ein, sobald die Scherbeanspruchung eine Schwelle überschreitet, die also schnell erreicht werden muß, wozu erfindungsgemäß ein Sprengstoff mit einer hohen Detonationsgeschwindigkeit, die höher als 3 000 m/s , vorzugsweise 7 000 bis 8 000 m/s, ist und einer Masseenergie von mehr als 1 000 J/g, vorzugsweise 2 000 bis 5 000 J/g, benutzt wird, so daß der direkt oder indirekt auf das abzutrennende Teil einwirkende Gasdruck vor jeder geometrischen Veränderung der Trennvorrichtung durch Bewegung dieses Teils in einer Zeit von weniger als einer Mikrosekunde auf eine Höhe gebracht wird, die über der der Scherschwelle entsprechenden Höhe liegt und während der für diesen Prozeß erforderlichen Zeit auf dieser Höhe gehalten wird.The shearing process is extremely fast due to the short distance on which it takes place. He will enter as soon as the shear stress exceeds a threshold, which must therefore be reached quickly, for which purpose according to the invention an explosive with a high detonation velocity higher than 3,000 m / s, preferably 7,000 to 8,000 m / s, and a mass energy of more than 1,000 J / g, preferably 2,000 to 5,000 J / g, is used, so that the Gas pressure acting directly or indirectly on the part to be separated before any geometrical change in the separating device is brought up to a height in less than a microsecond by moving this part, which is above the level corresponding to the shear threshold and for the time required for this process this level is maintained.
Um jede Beschädigung der Trennvorrichtung durch die Verwendung von Sprengstoff mit hoher Detonationsgeschwindigkeit und hoher innerer Energie zu vermeiden, ist es von Bedeutung, daß der größte Teil dieser Energie in dem Schervorgang und ggf. Scher- und Bewegungsvorgang schnell benutzt wird. Diese Erwägung führt dazu, daß einerseits dem abgescherten Teil die geringste Masse gegeben wird und daß andererseits die Vorrichtung so ausgebildet wird, daß der Yizrkungsgrad der Umformung der inneren Energie des Sprengstoffes in mechanische und kinetische Energie maximal ist.To avoid any damage to the separator through use to avoid explosives with high detonation speed and high internal energy, it is of Meaning that most of this energy is used quickly in the shearing process and, if necessary, shearing and moving processes will. This consideration leads to the fact that on the one hand the sheared part is given the least mass and that on the other hand the device is designed so that the Yizrkungsgrad the conversion of the internal energy of the explosive into mechanical and kinetic energy is maximum.
Aus Untersuchungen ergab sich, daß dieses Ergebnis praktisch erreicht vri.rd, wenn das dem Gas vor jeder Bewegung gebotene Anfangsvolumen höchstens gleich dem Volumen ist, das von dem Gas während der Nutzbewegung des abgescherten Teils bestrichen wird.Investigations have shown that this result is practically reached when the gas is given before every movement The initial volume is at most equal to the volume of the gas during the useful movement of the sheared part is coated.
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Das Anfangsvolumen kann höchstens gleich dem Kovolumen des Sprengstoffes seinj deshalb wird erfindungsgemäß vorzugsweiss ein Sprengstoff mit hoher Masseenergie und gleichzeitig mit hoher Detonationsgeschwindigkeit benutzt, wie er im Handel unter der Bezeichnung Hexogen, Oxtogen, Pentrit, Tetryl, Trinitrotoluol usw. bekannt ist.The initial volume can be at most equal to the co-volume of the explosive, which is why according to the invention it is preferably white uses an explosive with high mass energy and at the same time with a high detonation speed, as in the Trade under the name Hexogen, Oxtogen, Pentrit, Tetryl, Trinitrotoluol, etc. is known.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen:The invention is described by way of example with reference to the drawing. Show in it:
Fig.1 eine Schnittansicht eines Schnellunterbrechers für hohe Stromstärken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung undFig.1 is a sectional view of a quick disconnect for high currents according to an embodiment of the invention and
Fig.2 eine Schnittansicht eines Schnellunterbrechers für hohe Stromstärken gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.Fig.2 is a sectional view of a quick disconnect for high currents according to a second embodiment of the invention.
Der in Fig.1 dargestellte Unterbrecher besitzt zwei Klemmen und 2, Die Klemme 1 ist auf einem metallischen Körper 3 montiert und ist von diesem durch einen Satz Isolierscheiben 4 und 5 isoliert, die durch zwei Muttern 6 festgepreßt werden. Die Klemme 2 ist auf einer metallischen Kappe 8 montiert, von der sie ebenfalls durch einen. Satz Isolierscheiben 4 und 5 isoliert ist, die durch zwei Muttern 6 festgepreßt werden. Mit der Klemme 1 ist ein elektrisches Kontaktglied 7 elektrisch verbunden, das aus Abschnitten besteht, die aus einem Zylinder durch eine Reihe von Schlitzen ausgeschnitten wurden und durch eine Feder 9 festgeklemmt sind. Auf die Klemme 2 ist ein Metallteil 10 aufgeschraubt, das unter Reibung in das Kontaktglied 7 eintritt, wenn die Kappe 8 auf den Körper 3 geschraubt wird. Auf dem Metallteil 10 sind zwei Sollbruchstellen bildende Nuten 11 und vorgesehen, die den Bereich der Scherwirkung bestimmen.The interrupter shown in Figure 1 has two terminals and 2, the terminal 1 is mounted on a metal body 3 and is isolated from this by a set of insulating washers 4 and 5, which are pressed by two nuts 6. The clamp 2 is mounted on a metallic cap 8, of which it is also through a. Set of insulating washers 4 and 5, which are pressed into place by two nuts 6. An electrical contact member 7 is electrically connected to the terminal 1 and consists of sections which have been cut out of a cylinder through a series of slots and which are clamped in place by a spring 9. A metal part 10 is screwed onto the terminal 2 and enters the contact member 7 with friction when the cap 8 is screwed onto the body 3. On the metal part 10 there are two grooves 11 and 12 which form predetermined breaking points and which determine the area of the shear action.
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In dem Metallteil 10 ist eine Aussparung 13 vorgesehen, in der sich eine Sprengladung 14 und ein Zündblock 15 befinden, der mit Anschlüssen versehen ist, die durch den Körper 3, das Kontaktglied 7 und das Metallteil 10 hindurchgehen.Die Sprengladung 14 ist von dem Zündblock 15 technologisch unabhängig, damit die beidenTeile erst in dem Augehhlick vor dem Schließen der Vorrichtung vor einer möglichen Benutzung in Kontakt gebracht werden (Sicherheit bei der nandhabung) und damit andererseits zusammen mit einem gegebenen Zündblock 15 jeder beliebige Sprengstoff benutzt werden kann (Standardisierung). Zwischen zwei zueinander koaxialen Teilen der Klemme 2 und des Metallteils 10 ist ein Isolierring 16 eingesetzt. Im Inneren des Kontaktglieds 7 ist ein Bleiring 17 vorgesehen. Wenn der Zündbefehl durch die Anschlüsse auf den Zündblock 15 übertragen wird, explodiert die Sprengladung 14. Der Gasdruck setzt das Metallteil 10 in den durch die Nuten 11 und 12 bestimmten Bereich Scherkräften aus. Der Bruch durch Scherung findet statt, sobald diese x».räfte eine gewisse Höhe überschreiten. Der obere Teil des Metallteils 10 wird nun mit großer Geschwindigkeit nach oben getrieben. V/enn es sich in einem ausreichenden Abstand von dem verlassenen Kontakt befindet, wird es durch den Bleiring 17 abgestoppt, v/obei seine kinetische Energie dank des Endes des oberen Teils des Metallteils 10, das ein Profil mit einem dreieckigen Rand besitzt, in eine bleibende Verformung dieses Bleirings 17 umgewandelt wird.In the metal part 10 a recess 13 is provided in which an explosive charge 14 and an ignition block 15 are located, which is provided with terminals passing through the body 3, the contact member 7 and the metal part 10. The The explosive charge 14 is technologically independent of the ignition block 15, so that the two parts are only present in the eye be brought into contact with the closing of the device before possible use (safety in handling) and thus, on the other hand, any explosive can be used with a given detonator block 15 (Standardization). Between two mutually coaxial parts of the clamp 2 and the metal part 10 is an insulating ring 16 used. A lead ring 17 is provided in the interior of the contact member 7. When the ignition command through the connections is transferred to the ignition block 15, the explosive charge 14 explodes. The gas pressure sets the metal part 10 in the through the grooves 11 and 12 from certain range of shear forces. The shear break occurs as soon as these x "forces exceed a certain amount. The upper part of the metal part 10 is now driven upwards at great speed. If it is at a sufficient distance from the abandoned contact, it will be through the lead ring 17 stopped, v / obei its kinetic energy thanks to the end of the upper part of the metal part 10, which is a Profile with a triangular edge, is converted into a permanent deformation of this lead ring 17.
Ein derartiger Unterbrecher, der die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 45 bis 50 mm und einerLänge von 75 mm hat, für eine Dauerstromstärke von 600 bis 800 Ampere bemessen ist und mit 100 mg Pentrit geladen ist, führt die unterbrechung in 150 Mikrosekunden von dem Zündbefehl an aus. Unter Unterbrechung wird die Abscherung des Teils, der durch die um 1,5 bis 2 mm voneinander entfernten Nuten 11 undSuch a breaker, which is in the shape of a cylinder with a diameter of 45 to 50 mm and a length of 75 mm, is dimensioned for a continuous current strength of 600 to 800 amperes and is charged with 100 mg of pentritol, leads the interruption in 150 microseconds from the ignition command. With an interruption, the shearing of the part by the 1.5 to 2 mm spaced apart grooves 11 and
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abgegrenzt wird, und dann die Abtrennung und der Vortrieb des beweglich gewordenen oberen Teils des Metallteils 10·über eine Strecke von etwa 5 mm verstanden.is delimited, and then the separation and propulsion of the movable upper part of the metal part 10 · over understood a distance of about 5 mm.
Der in Fig.2 dargestellte Unterbrecher bewirkt den Bruch einer kalibrierten Lamelle oder Platte durch Abscherung und durch bewegung des abgescherten Teils. Die kalibrierte Lamelle oder Platte kann ein kalibrierter prismenförmiger Schmelzeinsatz sein.The breaker shown in Figure 2 causes the break a calibrated lamella or plate by shearing and by moving the sheared part. The calibrated The lamella or plate can be a calibrated prism-shaped fuse link.
Der Unterbrecher besitzt einen metallischen Körper 21, in dem ein metallisches i'eil22 vorgesehen ist, das mit einer Aussparung 23 versehen ist. In dieser Aussparung sind ein Glühdrahtzünder 24 , eine Sprengladung 25 und ein aus MetalL bestehender Amboß 26 vorgesehen. In dem Metallteil 22 sind zwei Bohrungen für die Durchführung der Anschlußdrähte des Zünders vorgesehen. Der Zünder 24 und die Sprengladung 25 sind aus den bei der Beschreibung der vorhergehenden Vorrichtung genannten Gründen technologisch voneinander getrennt. Über dem Amboß 26 ist ein Teil 27 aus Isoliermaterial, beispielsweise Nylon, Celoron u.dgl., angeordnet, das die Form eines Parallelepipeds hat und eine Aussparung aufweist, in die der Kopf des Ambosses 26 eingesetzt ist.The breaker has a metallic body 21, in which a metallic i'eil22 is provided, which with a recess 23 is provided. In this recess are a filament igniter 24, an explosive charge 25 and a Anvil 26 made of metal is provided. In the metal part 22 are two bores for the implementation of the connecting wires of the detonator provided. The detonator 24 and the explosive charge 25 are from those in the description of the preceding Device mentioned reasons technologically separated from each other. A part 27 is made over the anvil 26 Insulating material, such as nylon, celoron and the like. Arranged, which has the shape of a parallelepiped and a Has recess into which the head of the anvil 26 is inserted.
Der zu trennende Leiter 28 besteht aus einem kalibrierten Schmelzeinsatz mit einer Breite von 25 mm und einer Stärke von 2,5 mm, der zwei Reihen von in einer Linie angeordneten Perforierungen aufweist, die um die Breite des Teils 7 voneinander entfernt sind und sich gegenüber zwei parallelen Rändern des Teils 7 befinden. Auf den Körper 21 ist ein Deckel 29 aus Isolierstoff, beispielsweise aus Nylon oder Celoron, aufgeschraubt, der zwei Öffnungen 30 für die Durchführung des Leiters 28 und eine Aussparung 31 aufweist.The conductor 28 to be separated consists of a calibrated one Fusible link with a width of 25 mm and a thickness of 2.5 mm, the two rows of arranged in a line Has perforations which are spaced from one another by the width of the part 7 and opposite to two parallel Edges of part 7 are located. On the body 21 is a cover 29 made of insulating material, for example made of nylon or Celoron, screwed on, which has two openings 30 for the passage of the conductor 28 and a recess 31.
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Wenn der Zündbefehl durch die Anschlüsse auf den Zünder 24 übertragen wird, schmilzt der Draht augenblicklich und bewirkt die Explosion der Sprengladung 25· Der Druck der Explosionsgase schleudert den Amboß 26 und das Teil 27 nach oben, der kalibrierte Leiter wird an der Stelle der Perforationslinien abgeschert , der abgescherte Teil des Leiters 28 sowie das isolierende Teil 27 werden in die Aussparung 31 getrieben und das.isolierende Teil 27 schiebt sich zwischen die Enden des kalibrierten Leiters, so daß die Gefahr eines Überschlags begrenzt wird.When the firing command is transmitted through the terminals to the igniter 24, the wire instantly melts and causes the explosion of the explosive charge 25 · The pressure of the explosion gases hurls the anvil 26 and the part 27 afterwards Above, the calibrated conductor is sheared off at the point of the perforation lines, the sheared off part of the conductor 28 and the insulating part 27 are driven into the recess 31 and the isolating part 27 pushes itself between the ends of the calibrated conductor so that the risk of flashover is limited.
Ein derartiger Unterbrecher, der die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 55 mm und einer Höhe von 45 mm hat und mit 20 mg Bleinitrid und 20 mg Pentrit geladen ist,bewirkt die Unterbrechung eines kalibrierten Schmelzeinsatzes oder Leiters mit einer Nutzbreite von 20 mm und einer Stärke von 2,5 mm in 155 MikrοSekunden, wobei unter Unterbrechung die Abscherung des Leiters und die geradlinige Bewegung des abgescherten Teils um 5 mm verstanden wird. Ja nach seiner Beschaffenheit kann das Isolierteil 27 auf seiner mit dem Leiter in Berührung stehenden Seite mit einer Metalllamelle belegt sein, die die Abscherung erleichtert.Such a breaker which has the shape of a cylinder with a diameter of 55 mm and a height of 45 mm and is charged with 20 mg lead nitride and 20 mg pentrite, causes the interruption of a calibrated fuse link or Conductor with a useful width of 20 mm and a thickness of 2.5 mm in 155 microseconds, with an interruption the shear of the conductor and the rectilinear movement of the sheared part by 5 mm is understood. Yes after its nature, the insulating part 27 can on its side in contact with the conductor with a metal lamella be occupied, which facilitates the shearing.
Die Trennenergie kann dadurch verringert werden, daß der zu trennende Schmelzeinsatz dem Überstrom ausgesetzt wird, auf den die Trennvorrichtung reagiert. Die in dem Schmelzeinsatz entwickelte Wärmeenergie verringert die Scherenergie. The separation energy can be reduced in that the to separating fuse link is exposed to the overcurrent to which the separating device reacts. The one in the fuse link Developed thermal energy reduces the shear energy.
Erforderlichenfalls kann der abgescherte Teil des Leiters am Hubende mit zwei Polen in Berührung kommen und dadurch einen Steuer- oder Meßkreis schließen.If necessary, the sheared part of the conductor can come into contact with two poles at the end of the stroke and thereby close a control or measuring circuit.
Neben dem Vorteil, daß sie in einer sehr kurzen Zeit von weniger als 1o" sund mit Abweichungen der Betriebszeit vonIn addition to the advantage that they can be operated in a very short time of less than 10 "s and with deviations in the operating time of
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weniger als einigen Mikrosekunden arbeiten, besitzen die erfindungsgeinäßen Vorrichtungen den Vorteil, daß sie in all den Fällen benutzt werden können, in denen die Schaltorgane während des Betriebs unzugänglich sind, beispielsweise bei Unterwasserarbeiten in großer Tiefe,' bei unterirdischen Arbeiten und auf dem Gebiet der Raumfahrt. Sie können in jedem elektrischen Kreis benutzt werden, der einen sehr schnellen Schutz bei einer zufälligen überlastung erfordert. Die sehr geringe Abweichung in der Betriebszeit derartiger Vorrichtungen gestattet ferner ihre Anordnung in Reihe; der fast gleichzeitige Betrieb gestattet auf diese Weise die Durchführung von Unterbrechungen oder den Anschluß einer wesentlich höheren Leistung, als es mit einer einzigen Vorrichtung möglich wäre.work less than a few microseconds Invention devices have the advantage that they can be used in all cases in which the switching elements are inaccessible during operation, for example when working underwater at great depths, when working underground Work and in the field of space travel. They can be used in any electrical circuit that is very much requires rapid protection in the event of accidental overload. The very slight variation in the operating time of such Devices also allow their arrangement in series; the almost simultaneous operation in this way allows the Execution of interruptions or the connection of a considerably higher power than is possible with a single device it is possible.
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