DE3023992A1 - Halterung fuer eine kernreaktor-regeleinrichtung - Google Patents

Description

Anv.-Akte: 27.155

PATENTANMELDUNG

Anmelder: The Babcock & Wilcox Company 1010 Common Street
Post Office Box 60035 New Orleans, Louisiana 7016 0

Titel; Halterung für eine Kernreaktor-Regeleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Halterung für eine Kernreaktor-Regeleinrichtung um für nicht angetriebene Regeleinrichtungen eine zusätzliche Niederhaltekraft zu schaffen und zu vermeiden, daß die Regeleinrichtung durch die Kühlmittelströmung aus dem Reaktorkern herausgestoßen wird.

Ein Kernreaktor für die Erzeugung von elektrischem Strom besteht aus einem Kern aus Spaltstoff, der ein durchströmendes Kühlmittel erhitzt. Der Spaltstoff ist in Brennstäben eingeschlossen, die in einem Brennelement zusammengefaßt sind. Die Brennelemente werden oben und unten durch Rostplatten gehalten.

Eine Regeleinrichtung, d. h, eine Anzahl untereinander verbundener Stäbe, die Neutroneneinfangmaterial enthalten und in Führungsrohren innerhalb eines Brennelements angeordnet werden, dient dazu, die Kernspaltreaktionsgeschwindigkeit innerhalb des einzelnen Brennelements zu regeln.

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Jeder Stab in der Regeleinrichtung wird an ein Tragkreuz angeschraubt und hängt somit an einem Tragkreuz, das eine mittig oberhalb des Brennelements angeordnete Konstruktion darstellt, die radial verlaufende Arme aufweist. Einige Arten von Regelteilen, die überlicherweise mit Regelstäbe bezeichnet werden, enthalten ein starkes Neutroneneinfangmittel, wie z.B. Ag-In-Cd oder B-C, und können durch die Rastplatte hindurch aus dem Brennelement ausgefahren bzw. in das Brennelement eingefahren werden, um die Kernspaltkettenreaktion in Gang zu setzen bzw. abzustellen.

Eine andere Regelstabart, die gewöhnlich als "Giftstab" bezeichnet wird, enthält schwächere Neutroneneinfangmittel, wie z.B. B. C, in einer Al₂O- - Grundsubstanz. Diese Stäbe werden gewöhnlich nicht angetrieben und werden auch nicht ausgefahren. Sie werden vielmehr blockiert, wenn sie voll in die Brennelemente eingefahren sind. Zusätzliche Stabarten, die nicht angetrieben und die in ihrer Lage blockiert werden, schließen ein: Blindstäbe, die vorgesehen werden, um eine übermäßige Strömung durch Führungsrohre hindurch auszuschließen, die sonst in Brennelementen offen gelassen werden, welche keine Regelstäbe benötigen, sowie Neutronenquellstäbe, das sind Blindstäbe, von denen mindestens einer eine Neutronenquelle für das Anfahren des Reaktors aus dem völlig abgeschalteten Zustand enthält.

Die Blockierung der Regeleinrichtungen im Brennelement erfolgt im allgemeinen durch eine Kugelsperre, wobei die Nabe der Regelstabeinrichtung in einen Riegel im oberen Teil des Brennelements eingefahren werden kann und Kugeln, die aus Löchern in der Nabenwand herausragen, in eine

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Nut treten, die auf der Innenseite des Riegels vorgesehen ist; dadurch kann die Nabe nicht aus dem Riegel ausgefahren werden. Bei diesen Sperrvorrichtungen ist es typisch, daß sich die Kugel nicht fest in der Nut befindet, wodurch eine Vertikalbewegung der Regeleinrichtung gegenüber dem Brennelement möglich ist.

Zwischen der Kugelsperre und dem Riegel muß axial und seitlich ein beträchtliches freies Spiel gelassen werden, um Fertigungs-Maßtoleranzen, Verformungen während des Betriebs und Gesichtspunkte der Fernbetätigung zu berücksichtigen. Dieses freie Spiel führt jedoch dazu, daß konstruktive Schwingungen der Regeleinrichtung einen starken Ausschlag verursachen,falls sie nicht durch eine Kraft darin gehemmt werden. Bei niedrigen Geschwindigkeiten der Kühlmittel strömung besteht kein Anlaß zur Besorgnis, da das Gewicht der Einrichtung ausreichend ist, um dieselbe oben auf dem Riegel nieöerzuhalten. Dabei berühren die blockierenden Kugeln noch nicht einmal die Riegelnut aufgrund des axial vorhandenen freien Spiels. Wenn jedoch die Keaktordurchströmung vergrößert wird, gleichen die nach oben auf die Regeleinrichtung wirkenden Strömungskräfte immer mehr die nach unten gerichtete Schwerkraft aus. Bei einer Durchströmung, die gerade unterhalb der normalen Reaktor-Volleistungsbedingungen liegt, überschreitet schließlich die Strömungskraft die Schwerkraft und hebt dabei die Regeleinrichtung ab, bis ihre Aufwärtsbewegung begrenzt wird, wenn die Sperrkugeln die abgeschrägte obere Fläche der inneren Sperrnut in dem Riegel berühren. In diesem fast ausgeglichenen Zustand sind die Reibungskräfte, die zur Verfügung stehen, um der Relativbewegung zwischen der Regeleinrichtung und dem Brennelement Widerstand zu leisten,'sehr gering. Die turbulente Hoch-

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geschwindingkeltsströmung des Kühlmittels verleiht der schwebenden Regeleinrichtung so viel Energie, daß sich die durch Strömung induzierten Schwingungen mit verhältnismäßig großem Ausschlag bewegen. Da die Sperrkugeln nunmehr die Grenze für diese Bewegung darstellen, macht sich die Wirkung dieser Schwingung in einem Verschleiß des Materials auf der oberen Schrägkante der Sperrnut bemerkbar.

Aufgrund dieser durch die Strömung induzierten Schwingung sind in der Praxis Riegel von Brennelementen in arbeitenden Reaktoren so stark verschlissen worden, daß die Sperre versagt hat, wodurch die Regeleinrichtung aus dem Brennelement ausgestoßen wurde und Schäden an Reaktorkomponenten vorgekommen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zusätzliche Niederhaltekraft zu schaffen, um das Ausstoßen der Stäbe aus dem Reaktorkern auszuschließen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den UnteranT Sprüchen hervor.

Die erfindungsgemäße Halterung erfaßt sowohl die Oberseite der Regeleinrichtung als audh die Unterseite der Rostplatte. Eine zusätzliche Niederhaltekraft wird durch das Gewicht des Halters und durch eine zusammengedrückte Feder geschaffen, die zwischen dem die Regeleinrichtung erfassenden Teil des Halters und dem die Rostplatte erfassenden Teil der Halterung angeordnet ist. Ein wich-

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tiger Vorteil dieser Halterung liegt darin, daß sie in arbeitende Reaktoren eingebaut werden kann, ohne daß die Brennelemente, die Regeleinrichtungen oder die Reaktoreinbauten geändert werden.

Die Halterung schließt ein Gehäuse ein, das über die Nabe der Regeleinrichtung gestülpt werden kann. Eine an dem Gehäuse befestigte untere Platte hat Schlitze, um Muttern auf der Regeleinrichtung aufzunehmen oder um alternativ den Arm des Tragkreuzes der Regeleinrichtung zu erfassen, wodurch eine Umdrehung oder horizontale Verlagerung der Halterung ausgeschlossen wird. Innerhalb des Gehäuses und um die Nabe herum sind eine Spiralfeder und ein Gleitring angeordnet. Ein Ende eines jeden der Arme des Halters ist an dem Ring befestigt und das andere Ende erfaßt die Rostplatte. Die Feder wirkt, um eine Entspannungskraft zwischen der Regeleinrichtung und der Rostplatte über die Konstruktion der Halterung auszuüben, wodurch für die Regeleinrichtung eine Niederhaltekraft geschaffen und der Verschleiß des Riegels minimiert wird.

Durch die Erfindung wird eine Halterung geschaffen, durch den der Ausstoß von Regeleinrichtungen aus Kernreaktoren ausgeschlossen wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist äarin zu sehen, daß die Halterung an Ort und Stelle in bestrahlte Teile eingebaut werden kann, die sich z.Zt. in arbeitenden Kernreaktoren im Einsatz befinden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt;

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Halterung auf einer Regeleinrichtung in einem Kernreaktor,

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Figur 2 eine teilweise geschnittene Ansicht einer anderen Ausführungsform, wobei eine untere Platte die Tragkreuzarme erfaßt und

Figur 3 eine perspektivische Ansicht, welche die angeschlossenen Arme und den Ring der Halterung zeigt.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halters in dem oberen Teil des Brennelements eines Kernreaktors. In einem Brennelement 48 werden Brennstäbe 56, die Brennstoffpellets aus Spaltstoff (nicht dargestellt) enthalten, und Regelstab-Führungsrohre 58 durch einen Abstandshalterost 54 in ihrer festgelegten Lage zueinander gehalten. Das obere Endstück 50 wird starr an dem Abstandshalterost 54 mittels eines Endrost-Tragmantels 52 befestigt, der aus einem flachen Blech gebildet wird, welches an dem Umfang des Abstandshalterosts 54 und des Endstücks 50 angeordnet und starr an denselben befestigt wird.

Zahlreiche Regelstab-Führungsrohre 58 sind auf der Länge des Brennelements angeordnet und verlaufen durch den Abstandshalterost 54 sowie durch Hülsen 60 hindurch. Die Hülsen 60 und die darin angeordneten Regelstab-Führungsrohre 58 erstrecken sich durch das obere Endstück 50 hindurch und werden durch Muttern 62 daran befestigt.

Regelstäbe 72 verlaufen in Führungsrohren 58 durch das Tragkreuz 70 hindurch und werden durch Muttern 74 an demselben befestigt. Das Tragkreuz 70 wird an einer Nabe 78 durch einen Kragen 76 gehalten, der an der Nabe 78 befestigt wird. Die Regeleinrichtung 75 Bmfaßt die

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Regelstäbe 72, das Tragkreuz 70, die Nabe 78, den Kragen 76, den federbelasteten Kolben 82 und die Kugeln Während des Betriebs wird die Regeleinrichtung 75 weder in den Kernreaktor eingefahren noch aus dem Kernreaktor ausgefahren. Sie wird vielmehr in einer voll eingefahrenen Lage durch eine Kugelsperre blockiert. Figur 1 zeigt die Regeleinrichtung 75 in der blockierten Lage. Die Nabe 78 erstreckt sich von oberhalb der Rostplatte 6 9 durch eine Öffnung in dieser und verjüngt sich und verläuft durch das Tragkreuz 70 und den Kragen 76 hindurch in den Riegel 64 hinein, der starr an dem oberen Endstück 50 befestigt ist. Die Nabe 78 wird an dem Riegel über Kugeln 84 arretiert, die gleichzeitig in Kugellöchern 86 und der Nabe 78 und in der Nut 80 des Riegels 64 liegen. Die Kugeln 84 werden durch den federbelasteten Kolben in ihrer Lage gehalten. Der eingentliche Vorgang, durch den die Nabe an dem Riegel arretiert bzw. von dem Riegel gelöst wird, ist für die Erfindung nicht von Bedeutung und wird hier nicht erläutert. Die Erfindung gilt in gleicher Weise für jede Art von Blockiervorrichtung, ganz gleichgültig, ob es sich dabei um eine Kugelsperre handelt oder nicht.

Die Regeleinrichtung 75 ruht auf dem Brennelement 48 und wird nur durch Schwerkraft niedergehalten, wobei der Kragen 76 auf dem Riegel 64 in der Ebene 88 aufliegt. Im Betrieb eines Kernreaktors fließt Wasser um die Brennstäbe 56 und die Regelstab-Führungsrohre 58 herum nach oben, durch den Abstandshalterost 54, durch das obere Endstück 50, durch den zwischen den Regelstab-Führungsrohren 58 und den Stäben 72 gebildetem Ring sowie um das Tragkreuz 70 und die Nabe 78 herum. Diese Wasserströmung übt eine aufwärtsgerichtete Kraft auf die Regel-

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einrichtung 75 aus, die entgegen der Schwerkraft gerichtet ist. Wenn diese Kraft so groß wird, daß sie die Schwerkraft überwindet, hebt sich die Einrichtung 75, bis sie durch Kontakt zwischen der Mabe 78 und den Kugeln 86 an den Stellen 90 sowie zwischen den Kugeln 86 und dem Riegel 64 an den Stellen 92 gehemmt wird, so daß jedes weitere Anheben ausgeschlossen wird. Besonders wenn die Schwerkraft gerade von der Kraft der Strömung überwunden wird, vibriert jedoch die Einrichtung 75 in dem angehobenen Zustand, so daß es zu einem Verschleiß des Riegels 64 an den Stellen 92 kommt. Dieser Verschleiß kann letzten Endes nach oben bis zur Ebene 88 verlaufen, wodurch die Sperre ausfällt und die Einrichtung 75 sogar bis oberhalb der Kernplatte 6 9 angehoben wird, so daß ein Kernreaktorschaden eintreten kann.

Die Erfindung schafft eine zusätzliche Niederhaltekraft auf die Einrichtung 75 als Ergänzung zur Schwerkraft und sieht eine Konstruktion vor, durch die das Anheben der Einrichtung 75 über die Kernplatte 69 hinaus bei dem oben beschriebenen Ausfall der Sperre ausgeschlossen wird.

Der im allgemeinen durch die Bezugsziffer 10 bezeichnete Halter schließt das Gehäuse 12, die Spiralfeder 40 und den Ring 22 ein, die innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind und darin durch die obere Platte 16 sowie die untere Platte 18 gehalten werden. Zwei diametral gegenüberliegende Arme 24, die starr an dem Ring 22 befestigt sind, erstrecken sich radial nach außen durch Schlitze 20 im Gehäuse 12 hindurch, verlaufen weiter nach außen, biegen dann ab, um in Längsrichtung nach unten zu gehen, und

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biegen sich schließlich wieder, um radial nach aussen in einem fußartigen Vorsprung 26 zu enden.

Figur 3 zeigt in der Perspektive die Arme 24 und den Ring 22 des Halters 10. Die Arme 24 sind konisch ausgebildet und weisen eine Kerbe 32 auf, um die konstruktive Festigkeit zu maximieren.

Aus Figur 1 ist zu erkennen, daß die obere Platte 16, der Ring 22, die Feder 4 0 und die untere Platte 18 mit einer Öffnung versehen sind, durch die die Nabe 78 paßt. Die untere Platte 18 ruht auf dem Tragkreuz 70 in der Ebene 94.

Die Kerben 37 der unteren Platte 18 passen zu Muttern 74 und nehmen dieselben auf, so daß eine Drehung des Halters 10 gegenüber der Einrichtung 75 ausgeschlossen wird. Der Ring 22 ist innerhalb des Gehäuses 12 gleitbar und wird gegen die untere Fläche der oberen Platte 16 durch die Feder 4 0 gedrückt, die zwischen der unteren Platte und dem Ring 22 angeordnet ist. Der Halter 10 wird über die Nabe 78 der Einrichtung 75 bei ausgebauter Rostplatte 6 9 geschoben. Die Rostplatte 6 9 wird über den Reaktorkern gebracht, um die Brennelemente 4 8 auszurichten und zu fixieren. Durch nicht dargestellte Mittel erfaßt die Rostplatte 69 die Federhalterung 68 und drückt die Feder 6 6 zusammen und die Einrichtung 48 wird niedergehalten. Nicht dargestellte Teile erstrecken sich nach unten von der Platte 69, und erfassen das Endstück 50 an dessen Aussenflache. Bei der Anordnung nach Figur 1 treten Unterbrechungen zwischen nicht dargestellten

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Teilen oberhalb der vier Ecken des quadratischen Brennelements ein. Der Arm 24 wird deshalb entlang der Diagonalen des Brennelements angeordnet, so daß beim Einbau der Rostplatte 69 der Fuß 26 zwischen nicht dargestellten Teilen vorsteht und die untere Fläche der Rostplatte erfaßt.

Schrägkanten 30 und 28 werden vorgesehen, um die Größe der durch die Aufwärtsströmung erzeugten Auftriebskraft auf den Halter 10 zu vermindern. Die Schrägkante 34 ist als Leitfläche ausgebildet und paßt zwischen nicht dargestellte Teile der Rostplatte 69. Die Schrägkante 36 der unteren Platte 18 wird ebenfalls als Leitfläche vorgesehen, um dabei behilflich zu sein, wenn die Platte über die Nabe 78 geschoben wird. Die Lippe 42 dient zur leichteren Handhabung beim Ein- und Ausbau.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine abwärts gerichtete Kraft auf die Vorrichtung 75 durch die Halterung 10 ausgeübt; diese Kraft ist gleich dem Gewicht des Halters 10 plus einer Entspannungskraft, die durch die Feder 40 über die untere Platte 18 als Ergebnis dessen ausgeübt wird, daß die Feder 40 durch die Rostplatte 69 über den Fuß 26, den Arm 24 und den Ring 22 zusammengedrückt wird. Jedes Anheben der Einrichtung 75 führt dazu, daß eine zusätzliche Niederhaltekraft auf dieselbe dadurch ausgeübt wird, daß die Feder 40 proportional zum Hub und zu ihrer Federkonstante weiter zusammengedrückt wird.

Bei einem Ausfall der Sperre wird beim Anlüften der Einrichtung 75 das Gehäuse 12 nach oben über den Ring 22 gleiten, bis die Arme 24 die Fläche 21 des Schlitzes

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berühren, wodurch ein weiteres Heben der Einrichtung 75 ausgeschlossen wird.

Einige Regeleinrichtungsarten, d. h. Stäbe mit regenerativer Neutronenquelle, haben keine Muttern, die die Stäbe 73 an Tragkreuzarmen 71 halten (siehe Fig. 2). Dementsprechend ist die untere Platte 19 mit Schlitzen 38 versehen, welche die Tragkreuzarme 71 aufnehmen, wodurch eine Drehung oder horizontale Verlagerung des Halters 10 ausgeschlossen wird.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden ein zylindrisches Gehäuse 12, Ring 22 und Feder 40, um zu der Nabe 78 zu passen. Die Verwendung einer zylindrischen Konstruktion ist typisch; die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt; es kann vielmehr jede geeignete Form zur Anwendung kommen.

Gemäß der Beschreibung erfassen die bevorzugten Ausführungsformen der Halterung die Kernrostplatte an ihrer unteren Fläche. Dies dient nur zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen; die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Im Sinne der Erfindung kann jedes geeignete Mittel verwendet werden, um die Kernrostplatte zu erfassen.

Die obige Beschreibung und die Zeichnungen erläutern nur zwei Ausführungsbeispiele mit den Gegenständen, Merkmalen und Vorteilen der Erfindung, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt sein soll.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE :

   Halter für eine Regeleinrichtung in dem Brennelement eines Kernreaktors mit einer Rostplatte, dadurch gekennzeichnet , daß er umfaßt:

   erste Haltemittel zum Erfassen der Regeleinrichtung,

   zweite Haltemittel welche die Rostplatte (6 9) des Kernreaktors erfassen, und

   Kupplungsmittel, die die ersten Haltemittel mit den zweiten Haltemitteln verbinden.

   Halter nach Anspruch 1, für eine Regeleinrichtung mit Regelstäben, die durch ein Tragkreuz hindurch verlaufen und durch eine Mutter daran befestigt sind, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Haltemittel einschließt: ein Gehäuse und eine untere Platte, die an dem unteren Ende des Gehäuses befestigt ist und Schlitze aufweist, die die Muttern der Regeleinrichtung aufnehmen,

   Halter nach Anspruch 1, für eine Regeleinrichtung mit Regelstäben, die untereinander durch ein Tragkreuz verbunden sind, welches eine Anzahl radial verlaufender Tragkreuzarme aufweist, an denen jeweils mindestens ein Stab hängt, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Haltemittel einschließt:

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   ein Gehäuse und eine untere Platte, die an dem unteren Ende des Gehäuses befestigt ist und Schlitze aufweist, die die Arme des Tragkreuzes aufnehmen.

   4. Halter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Haltemittel eine Anzahl Arme einschließt, die von dem Gehäuse radial nach außen bis unterhalb der Kernrostplatte verlauf βητ

   5. Halter nach Anspruch 4, mit einer Regeleinrichtung, die eine vertikal verlaufende Nabe aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse länglich und bohl ist und eine durchtretende Nabe aufnimmt und die untere Platte mit einer Öffnung versehen ist, die die durchtretende Nabe aufnimmt.

   6. Halter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Kupplungsmittel einschließt: einen gleitbar in dem Gehäuse angeordneten Ring, welcher mit einer öffnung versehen ist, die die durchtretende Nabe aufnimmt, eine Feder, die in der Nabe unter dem Ring und über der unteren Platte angeordent ist und eine an dem oberen Ende des Gehäuses befestigte obere Platte, die den Ring in dem Gehäuse einschließt, wobei das Gehäuse eine Anzahl Längsschlitze aufweist, die der Anzahl Haltearme entsprechen, und wobei die Haltearme durch die Schlitze hindurch verlaufen und an dem Ring befestigt sind.

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   Anw.-Akte: 27.155 25.06.19!

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   7. Halter nach Anspruch 6 zum Halten einer Regeleinrichtung, die eine zylindrische Nabe aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß

   a. das Gehäuse ein Hohlzylinder ist, der konzentrisch um die Nabe herum angeordnet ist;

   b. die untere Platte eine gemeinsame Symmetrieachse mit dem Gehäuse aufweist, welches ein Hohlzylinder ist, der konzentrisch um die Nabe herum angeordnet ist und einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses ist;

   c. die untere Platte an ihrer inneren Unterkante abgeschrägt ist und eine Leitfläche für die Positionierung des Halters über die Nabe bildet;

   d. die obere Platte ein Hohlzylinder ist, der eine gemeinsame Symmetrieachse mit dem Gehäuse aufweist, und konzentrisch um die Nabe herum angeordnet ist, und die einen Innendurchmesser hat, der kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses ist und mit einer Lippe versehen ist,

   e. der Ring ein Hohlzylinder ist, der eine gemeinsame Symmetrieachse mit dem Gehäuse aufweist sowie konzentrisch um die Nabe und konzentrisch in dem Gehäuse angeordent jst;

   f. die Feder eine Spiralfeder ist, die eine gemeinsame - Symmetrieachse mit dem Gehäuse aufweist sowie konzentrisch um die Nabe und konzentrisch in dem Gehäuse angeordnet ist,

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   g. die Haltearme abgeschrägte untere Kanten aufweisen, und

   h. die Haltearme abgeschrägte obere Kanten aufweisen, die eine Leitfläche für die Positionierung der Kernrostplatte über den Haltearmen bilden.

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