DE2557174A1

DE2557174A1 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2557174A1
Application number: DE19752557174
Authority: DE
Inventors: Joseph G Gorman; Richard L Hundstad; Roy E Voshall; Paul O Wayland
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-01-10
Filing date: 1975-12-18
Publication date: 1976-07-15
Also published as: JPS59161233U; GB1528777A; CH600535A5; US4149050A; DE2557174C2; JPS5195280A

Description

PATENTANWALT
DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

β München 7i, 19, Dezember 1975

M«lohlor»tr«B· 42 MtIn Zclchei

_n: WS39P-1359

Westingnouse Electric Corp. Westinghouse Building Gateway Center Pittsburgh Pennsylvania 15222, USA

Vakuumschalter

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit einem hochevakuierten rohrförmigen, einen Isoliermantel aufweisenden Gehäuse und einem innerhalb des Isoliermantels angeordneten Kontaktstückpaar, welches relativ zueinander zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verschiebbar ist, wobei sich beim öffnen der Kontaktstücke und damit beim Unterbrechen des Stromkreises zwischen den Kontaktstücken ein Lichtbogen ausbildet.

In Vakuumschaltern fließt der Strom normalerweise über zwei Kontaktstücke, die innerhalb eines hochevakuierten Gehäuses angeordnet sind. Diese Kontaktstücke können miteinander in Berührung gebracht auseinandergezogen werden,

Fs/gf so

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so daß sich zwischen den beiden Kontaktstücken ein Spalt ergibt, in dem sichbeim Abschalten des Stromkreises ein Lichtbogen ausbildet. Der Strom fließt solange weiter, bis der Lichtbogen erlischt, was bei Wechselstrom normalerweise im Bereich des ersten Nulldurchganges für den Strom der Fall ist. Die Oberfläche der Kontaktstücke muß in der Lage sein den sich vom ersten Augenblick des Trennens der Kontaktstücke ausbildenden Lichtbogen bis zum Erlöschen zu halten. Unter der Einwirkung des Lichtbogens werden die Kontaktstücke lokal sehr stark erhitzt. Die Lichtbogenenergie bewirkt eine Schmelzerosion und eine generelle Schädigung der Kontaktoberflächen. Um diese Schädigung der Kontaktoberfläche zu verringern, ist es üblich, den Lichtbogen auf der Kontaktoberfläche wandern zu lassen. Ein solcher wandernder Lichtbogen verringert den Anteil der durch den Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe und Metallteile. Das Wandern des Lichtbogens wird durch selbstinduzierte magnetische Felder erzielt, wie dies durch die US-PS 3 089 936 und 3 417 216 beschrieben wird.

Es ist auch bereits eine kappenförmige Ausbildung eines Kontaktstückes bekannt (FR-PS 1 410 884), das mit einem lippenförmigen nach innen weisenden Rand versehen ist. Dieser Kontakt hat jedoch eine zu kleine Kontaktfläche. Auch das Anbringen von Schlitzen in den Seitenwänden eines kappenförmigen KontaktStückes ist bekannt (GB-PS 997 384), wobei jedoch diese Schlitze nicht bis zur Kontaktfläche selbst verlaufen. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch kein lippenförmiger Randteil vorgesehen, was notwendig erscheint, um große Ströme ohne starke Nebenwirkungen abschalten zu können. Bei dieser bekannten

- 2 - Ausführung

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Ausführung wird auch vorgeschlagen, das Kontaktstück und die Kontaktoberfläche aus verschiedenen Materialien herzustellen, was für spezielle Anwendungsfälle wichtig sein kann.

Es wurde festgestellt, daß derartig ausgebildete Kontaktstücke Schwierigkeiten bereiten, wenn sie neu eingesetzt werden und diese Schwierigkeiten nur durch eine verhältnismäßig lange Einbrennzeit bzw. Einlaufzeit überwunden werden können.

Es ist jedoch wünschenswert derartige Vakuumschalter mit der Fähigkeit zu versehen,verhältnismäßig hohe Ströme auch im Neuzustand abschalten zu können und großen Spannungen widerstehen zu können, ohne daß sie eine Einlaufzeit bzw. eine Alterungszeit durchlaufen müssen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Kontaktstück eine flache runde Basis aufweist, von der aus sich eine Seitenwand axial erstreckt, so daß ein kreiszylindrischer Innenraum entsteht, daß am vorderen Ende der Seitenwand ein lippenförmiger Randteil nach innen verlaufend ausgebildet ist, daß in die Seitenwand und in den lippenförmigen Handteil Schlitze eingeschnitten sind, und daß eine ringförmige Kontaktauflage ohne Einschnitte auf dem lippenförmigen fiandteil ausgebildet ist und eine zusammenhängende sowie ebene Kontaktfläche bildet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit des Einbrennens bzw. Alterns von fabrikneuen Vakuumschaltern vermieden, wobei gleich-

- 3 - zeitig

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zeitig die Vakuumschalter in der Lage sind einen sehr großen Strom zu unterbrechen. Bekannte Vakuumschalter mit kappenförmigen Kontaktstücken wurden bisher üblicherweise für mittlere Ströme in der Größenordnung von etwa 25 kA und weniger sowie Spannungen in der Größenordnung von etwa 15 kV und wenigerverwendet. Mit den Vakuumschaltern gemäß der Erfindung ist es möglich, Ströme bis zu 50 kA und Spannungen bis zu 38 kV zu verarbeiten, wobei der Vakuumschalter nach wie vor verhältnismäßig klein bleibt.

Durch die Ausgestaltung des Vakuumschalters wird infolge des fließenden Stromes ein Magnetfeld erzeugt mit einer Feldstärke, die in einer solchen V/eise auf den Lichtbogen einwirkt, daß dieser im Kreis wandert. Durch die ringförmige zusammenhängende Kontaktauflage aus einem geeigneten Material mit besonderen elektrischen Eigenschaften erreicht man, daß der Lichtbogen zwischen den ebenen ringförmigen Kontaktflächen bleibt und nicht über Schlitze in der Kontaktfläche springen muß. Dadurch wird vermieden, daß der Lichtbogen an einer scharfen Kante oder einer Ecke hängen bleibt und an dieser Stelle unerwünschte Anodenansatzpunkte entstehen läßt. Da die Dicke der ringförmigen Kontaktauflage verhältnismäßig klein im Vergleich zur Dicke des lippenförmigen Eandteiles ist, wird der Stromfluß in den verschiedenen Segmenten des lippenförmigen Randteils und in der geschlitzten Seitenwand nicht wesentlich durch die Kontaktauflage beeinflußt. Indem die Kontaktauflage dünn gehalten wird, werden die gewünschten magnetischen Kräfte zum Auslösen des Vanderns des Lichtbogens erzeugt, jedoch muß die Kontaktauflage genügend dick sein, um der Erosion standzuhalten, die während der normalen Lebensdauer des Vakuumschalters auftreten kann. Die Kontaktauflage wird aus einem Material hergestellt, das besonders gute Eigen-

- 4 - schäften

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schäften für das Trennen von hohen Strömen hat und besteht z.B. aus Chrom-Kupfer, wobei der Rest des Kontaktstückes aus einem Material bestehen kann, das gute stromleitende Eigenschaften, wie z.B. Kupfer hat.

Es ist jedoch auch vorgesehen, die Kontaktauflage zusammen mit dem lippenformigen Randteil und der Seitenwand aus einem Stück herzustellen, indem zunächst die Schlitze eingeschnitten und dann anschließend die Oberfläche,die als Kontaktfläche infrage kommt durch mechanische Bearbeitung, z.B. durch Hämmern, wieder geschlossen und verschmolzen wird. Dieses Verschmelzen kann mit Hilfe einer lokalen Erhitzung erfolgen und führt zu einer verhältnismäßig ebenen und gleichförmigen Oberfläche, auf welcher der Lichtbogen verhältnismäßig leicht wandert. Durch diese Gestaltgebung werden die Eigenschaften eines Vakuumschalters in unvorhersehbarer Weise wesentlich verbessert, so daß die Vakuumschalter höheren Spannungen und Strömen standhalten und kein Einlauf bzw. Altern benötigen, wenn sie fabrikneu eingebaut werden.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ±n Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vakuumschalter;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Kontaktstück;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Kontaktstückes gemäß Fig. 2 j

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV - IV der Fig. 2.

- 5 - Der

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■ ^Λ

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Der in Fig. 1 dargestellte Vakuumschalter 16 besteht aus einem hochevakuierten Gehäuse mit einem rohrförmigen Isoliermantel 18 aus Glas oder Keramik und zwei Endkappen 20 und 22, mit denen der Isoliermantel 18 an den beiden Enden verschlossen ist. Zwischen den Endkappen 20 und 22 und dem Isoliermantel 18 sind Dichtungen 24 vorgesehen, um das Innere des Vakuumschalters vakuumdicht zu machen. Der Druck im Gehäuse beträgt im normalen Arbeitsbetrieb weniger als

—4
10 Torr um sicherzustellen, daß die mittlere freie Weglänge für Elektronen größer als die mögliche Durchschlagstrecke im Innern des Isoliermantels 18 ist. Innerhalb des Isoliermantels 18 sind zwei relativ zueinander verschiebbare Elektroden oder Kontaktstücke 26 und 28 angeordnet, die in Fig. 1 in offener Stellung dargestellt sind. Beim Trennen der Kontaktstücke 26 und 28 entsteht ein Spalt 30, indem beim Trennen eines Stromkreises ein Lichtbogen entsteht. Das obere Kontaktstück 26 ist stationär an einem Elektrodenschaft 32 beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten befestigt. Das untere Kontaktstück 28 ist zusammen mit dem Elektrodenschaft 34 längs der Längsachse des Isoliermantels 18 verschiebbar. Dieser Elektrodenschaft 34 ragt durch eine öffnung 36 in der unteren Endkappe 22. Ein Metallbalg 38 ist einerseits an dem Elektrodenschaft und andererseits an der Öffnung 36 befestigte und bewirkt somit eine Abdichtung in diesem Bereich des Vakuumschalters. Aufgrund der Flexibilität des Metallbalges 38 kann der Elektrodenschaft 34 verschoben werden, ohne daß dadurch das Vakuum im Innern des Gehäuses beeinträchtigt wird.

Mit dem Elektrodenschaft 34 ist ferner eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung verbunden, die dazu dient das bewegliche Kontaktstück 28 zur Anlage an dem statio-

- 6 - nären

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nären Kontaktstück 26 zu bringen, um den Vakuumschalter 16 zu schließen. Die geschlossene Position ist in Pig. 1 mit einer gestrichelten Linie 29 angedeutet. Mit Hilfe der Betätigungseinrichtung kann das Kontaktstück 28 wieder außer Eingriff mit dem Kontaktstück 26 gebracht werden, um den Schalter zu öffnen.

Beim öffnen des Schalters, d.h. beim Trennen der Kontaktstücke 26 und 28 entsteht im Spalt 30, wenn der Schalter unter Last steht, ein Lichtbogen 54, durch dessen Einwirkung Kontaktmaterial verdampft, das in Form von Materialdämpfen und Metallteilchen vom Lichtbogenspalt 30 weg in Richtung auf den Isoliermantel 18 dispergiert. Um den Isoliermantel 18 vor einer Kondensation der von dem Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe und Metallteilchen zu schützen, ist eine rohrförmige Abschirmung 40 aus Metall vorgesehen. Diese Abschirmung 40 bewirkt, daß von dem Lichtbogen erzeugte Metalldämpfe und Metallteilchen aufgefangen bzw. kondensiert werden, bevor sie den Isoliermantel 18 erreichen können. Um zu verhindern, daß Metalldämpfe bzw. Metallteilchen durch Umgehen der Abschirmung 40 trotzdem zum Isoliermantel 18 gelangen, sind Abschirmkappen und 44 vorgesehen, die an gegenüberliegenden Enden der* Metallabschirmung 40 über diese übergreifen. Die Geschwindigkeit, mit welcher die während der Lichtbogenbildung entstehenden Metalldämpfe beseitigt werden, bestimmt die Betriebsbedingungen im eingeschwungenen Zustand während der Lichtbogenbildung und ebenfalls die Erholungseigenschaften des Vakuumschalters 16. Wenn die Dämpfe nicht rasch beseitigt werden, können'hohe Ausgleichsspannungen ein erneutes Zünden auslösen, was unerwünscht ist. Ein häufiger Ausfall von bekannten Vakuumschaltern besteht in der Tatsache, daß sich ein Lichtbogen zwischen der Metallabschirmung 40 und einem Kontaktstück ausbildet, womit die Meta11abschirmung durchschmelzen kann.

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In den Fig. 2, 3 und 4 ist der Aufbau eines MetallStückes 28 gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Metallstück 28 ist in seiner grundsätzlichen Formgebung kappenförmig ausgebildet und mit einem lippenförmigen nach innen weisenden Randteil 47 versehen. Dieser Randteil ist mit einer ringförmigen Kontaktauflage 46 überzogen. Die Kontaktfläche dieser Kontaktauflage liegt in einer Ebene, die senkrecht zu der Seitenwand 48 des kappenförmigen Kontaktstückes 28 verläuft. Der lippenförmige Randteil 47 ist in eine "Vielzahl von Einzelflächen 50 unterteilt, indem Schlitze 52 in den Randteil 47 und die Seitenwand 48 des KontaktStückes 28 eingeschnitten sind. Diese Schlitze 52 verlaufen unter einem Winkel zur Oberfläche 50 und sind etwas in Umfangsrichtung geneigt ausgerichtet. Die Seitenwand 48 ist verhältnismäßig dünn ausgeführt verglichen mit der Dicke des Randteils 47, so daß die magnetischen Kräfte, welche durch den Stromfluß ausgelöst werden, von der Kontaktauflage 46 nur unwesentlich beeinträchtigt werden. Auf diese Weise wird jeder Lichtbogen 5^₅ der sich zwischen den Kontaktstücken 26 und 28 beim öffnen des Schalters ausbildet, auf einer in Umfangsrichtung radiel nach innen verlaufenden Kurve in Richtung auf das Innere des Kontaktstückes verschoben. Dadurch entsteht eine Tendenz den Lichtbogen 54 in das Innere des Lichtbogenspaltes 30 zu verschieben, so daß ein Überschlag zur Metallabschirmung 40 vermieden wird.

Der Winkel, unter welchem die Schlitze 52 in das kappenförmige Kontaktstück 28 eingeschnitten werden, sowie der Anteil, mit welchem der lippenförmige Randteil 47 und die Kontaktauflage 46 radial nach innen weisen, kann dazu benutzt werden, die Winkelgeschwindigkeit und die radiale Position des Lichtbogens 54 zu bestimmen. Wenn die Schlitze 52 im Kontaktstück 26 entgegengesetzt zu dem im Kontakt-

- 8 - stück

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stück 28 verlaufen, für den Fall, daß beide Kontaktstücke im Vakuumschalter gegenexnanderschauend gemäß Fig. 1 angeordnet sind, dann wird eine Tendenz geschaffen, den Lichtbogen in derselben Richtung zu verschieben.

Die Eontaktstücke 26 und 28 sind so angeordnet, daß die geschlitzten Oberflächen 50 jeweils gegeneinander gerichtet sind und aufgrund ihrer Konstruktion eine ungleich gewichtige Hagnetfeldverteilung auslösen, wodurch eine starke magnetische Kraft entsteht, die den Lichtbogen in einer bestimmten vorgegebenen Richtung verschiebt.

Der Strom fließt im Kontaktstück 28 über die Seitenwand 48 und eines der Oberflächenteile 50 zur Kontaktauflage 46 Und dann in den Lichtbogen 5^· Beim Trennen eines Stromkreises, wenn sich der Lichtbogen 5^ zwischen den Kontaktstücken 26 und 28 aufbaut, wird der Lichtbogen radial nach innen getrieben und dreht sich schnell längs der inneren feriphärie 58 der Kontaktauflage 46, bis er schließlich auslöscht, was bei Wechselstrom etwa beim ersten Nulldurchgang der Fall ist. Wegen der Schnitte in dem lippenförmigen Randteil 47 und der Seitenwand 48 erzeugt der fließende Strom magnetische Felder, die den Lichtbogen dazu bringen, längs der Basis der Kontaktauflage oder inneren Oberfläche der Kontaktauflage 46 zu wandern.

Die Vorteile einer solchen kappenförmigen Konstruktion für die Kontaktstücke mit einer kontinuierlichen ringförmigen Eöntäktaüflage bzw. Kontaktfläche sind vielfach; 1) wird ein Schmelzen des Kontaktmaterials bei niederen oder mittleren Strömen vermieden, so daß die Ausbildung von Inodtnänsatzpunkten bis zum Fließen verhältnismäßig höher Ströme vermieden wird.

- 9 - 2) der

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2) der Lichtbogen wird radial nach innen verbogen, womit ein Überspringen zur Metallabschirmung 40 und ein Verbrennen derselben vermieden wird$

5) für gegebene Nennströme können kleinere Vakuumschalter als bei der Verwendung anderer Kontaktstücke gebaut werden;

4) eine Vergrößerung sowohl des Nennstromes als auch der Nennspannung bei vorhandenen Modellen von Vakuumschaltern ist möglich, ohne daß besonders kostenintensive Umbauten und Abänderungen notwendig sind.

Die Kontaktauflage 46 wird aus einem geeigneten Kontaktmaterial hergestellt und entweder aufgeschweißt", aufgelötet bzw. aufgeschmolzen, jedoch sind auch andere Verfahren möglich, um die Kontakt auflage über dem lippenfÖrmigen Randteil 47 des Kontaktstückes anzubringen. Die Kontaktauflage 46 ist so ausgebildet, daß sie über die gesamte Oberfläche des lippenfÖrmigen Randteils verläuft. Mit einer solchen Kontaktauflage sind beide Kontaktstücke in gleicher Weise versehen. Damit ereignet sich der Lichtbogen zwischen zwei weichen Oberflächen der Kontaktauflage 46j so daß die Wurzeln des Lichtbogens nicht über Unterbrechungen in der Oberfläche springen müssen. Ferner kann der Lichtbogen nicht an einer scharfen Kante oder einer Spitze hängenbleiben, wodurch die Erzeugung von unerwünschten Anodenansatzpunkten ausgelöst wird. Die Dicke dieser Kontaktauflage ist verhältnismäßig klein im Vergleich zur Dicke des lippenfÖrmigen Randteils 47, so daß der über die verschiedenen Oberflächensegmente des lippenfÖrmigen Randteils 47 und die Seitenwand 48 fließende Strom im wesentlichen unbeeinflußt von der Kontaktauflage ist, und damit auch die gewünschten magnetischen Kräfte nicht beeinträchtigt und die Lichtbogenwanderung in der gewünschten Weise ausgelöst wird. Die Kontakte können in der Weise hergestellt werden, daß die Schlitze

- 10 - zunächst

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zunächst durch die Oberflächen hindurch eingeschnitten werden. Anschließend werden die Schlitze auf der Oberfläche des lippenförmigen Randteils, von welcher die Lichtbogen ausgehen, durch Verhämmern wieder geschlossen. Die gesamte Oberfläche wird anschließend überschmolzen, möglicherweise in einem Vakuum, indem sie lokal stark erhitzt wird unter Verwendung einer Schweißeinrichtung, eines Elektronenstrahls oder auch eines mit hoher Leistung arbeitenden Laserstrahls. Als Ergebnis erhält man eine Kontaktfläche bzw. Kontaktauflage, die alle erwünschten Eigenschaften hat und in der in Fig. 4 dargestellten Weise aus einem Metallstück aufgebaut ist.

Durch die Maßnahmen der Erfindung werden in vorteilhafter Weise größere Ströme und größere Spannungen bei Vakuumschaltern gegebener Größe möglich und insbesondere ein erster Betrieb mit hohem Strom zulässig, ohne daß zuvor ein zeitraubender Konditionierungs- bzw. Alterungsbetrieb erforderlich ist.

- 11 - Patentansprüche;

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Claims

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Patentansprüche

Iy Vakuumschalter mit einem hochevakuierten rohrförmigen,einen Isoliermantel aufweisenden Gehäuse und einem innerhalb des Isoliermantels angeordneten Kontaktstückpaar, welches relativ zueinander zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verschiebbar ist, wobei sich beim Offnen der Kontaktstücke und damit beim Unterbrechen des Stromkreises zwischen den Kontaktstücken ein Lichtbogen ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Kontaktstück (26, 28) eine flache runde Basis aufweist, von der aus sich eine Seitenwand (48) axial erstreckt, so daß ein kreiszylindrischer Innenraum entsteht, daß am vorderen Ende der Seitenwand ein lippenförmiger Randteil (4-7) nach innen verlaufend ausgebildet ist, daß in die Seitenwand und in den lippenförmigen Randteil Schlitze eingeschnitten sind, und daß eine ringförmige Kontaktauflage (46) ohne Einschnitte auf dem lippenförmjLgen Randteil ausgebildet ist und eine zusammenhängende sowie ebene Kontaktfläche bildet.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nz ei chne t, daß die ebene runde Kontaktfläche bzw. die Kontaktauflage (46, 50),die Seitenwand (48) und der lippenförmige Randteil (47) aus einem Material mit spezifisch elektrischen Leitereigenschaften hergestellt sind, und daß die ringförmige Kontaktauflage aus einem Material besteht, welches das Unterbrechen des Lichtbogens bzw. dessen Auelöschen begünstigt.

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3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktauflage,die Seitenwand und der lippenförmige Randteil aus Kupfer geformt sind, und daß die Kontaktauflage aus einem Material mit Chrom- und Kupferanteilen besteht.
4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktauflage sich über den gesamten lippenförmigen Randteil bis zur äußeren Umfangslinie der Seitenwand (48) erstreckt, und ferner über die Innenfläche des lippenförmigen Randteils weiter nach innen gezogen ist, als der geschlitzte Randteil sich erstreckt.
5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktauflage dünner als der lippenförmige Randteil ist, und daß der innere Durchmesser dieser Kontaktauflage ringförmig ausgebildet ist, wobei sich die Auflage längs dem Innendurchmesser des lippen» förmigen Randteile nach unten erstreckt.

- 13 -

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