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Schalter mit Lichtbogenkammer Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Schalter mit einer Lichtbogenkammer, welche aus einem die Kontakte umgebenden Raum
und einem anschließenden engen Spalt besteht.
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Es sind bereits mehrere Vorschläge für derartige Schalter bekannt
und teilweise auch ausgeführt worden. Nach einem dieser Vorschläge werden die Wandungen
des Spaltes durch Pakete von Eisenblechen gebildet, die mit ihren Schmalseiten dem
Spalt zugewendet sind. Der Spalt ist mit isolierenden Überzügen, insbesondere aus
Asbest, ausgekleidet. Er ist seitlich durch parallel verlaufende Lichtbogenhörner
begrenzt. Der Lichtbogen soll bei dieser Anordnung durch den Saugeffekt der massiven
magnetischen Wandungen in den Spalt hineinwandern und dort im Stromnulldurchgang
infolge der entionisierenden Wirkung der Wandungen erlöschen. Die oberen Enden der
einzelnen Blechlamellen sind entweder ebenso wie die unteren nach außen hin verjüngt,
so daß eine Bauform entsteht, in der der Lichtbogen eine Gleichgewichtslage in dem
engen, mittleren Teil des Schlitzes einnimmt, wo er bis zu seinem Erlöschen festgehalten
wird, da die ihn umgebenden Kraftlinien das Bestreben haben, den Lichtbogen in diejenige
Lage zu bringen, bei der sie möglichst viel Eisen umschließen, oder aber der Eisenkörper
ist so ausgebildet, daß der Schlitz an seinem oberen Ende vollständig geschlossen
ist. Das Festhalten des Lichtbogens in der Spaltmitte durch die Magnetwirkung der
Spaltwandungen erhöht aber die Gefahr stellenweiser Überhitzung der Isolierauskleidungen.
Der überall gleichbleibende Spaltquerschnitt verursacht außerdem eine Hemmung der
Lichtbogenbewegung durch die Schaltgase bzw. eine Erschwerung des Einlaufens des
Lichtbogens in den Spalt; es besteht Gefahr des Zurückschlagens des zwischen Schaltglied
und Horn erforderlichen Hilfslichtbogens nach unten. Die Enge des Abstandes der
Spaltwandungen ist praktisch begrenzt durch die Gefahr des Zusammenbackens der erhitzten
Auskleidung. Der Aufbau eines solchen Schalters ist schließlich infolge der erforderlichen
großen Eisenblechpakete umständlich, schwer und teuer.
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Nach einem anderen Vorschlag soll der Lichtbogen in einem engen Spalt
mit isolierenden Seitenwandungen erlöschen und dabei zugleich auf eine große Länge
auseinandergezogen werden. Die Schlitzkammer ist zu diesem Zweck durch parallel
verlaufende Lichtbogenhörner in eine mittlere und zwei seitliche
Kammern
unterteilt, welche vom -Lichtbogen nacheinander in entgegengesetzten Richtungen
durchlaufen werden sollen. Infolge des auf einer langen Strecke gleichbleibenden
Spaltquerschnitts besteht auch hier eine die Lichtbogenbewegung stark hemmende Wirkung
der Schaltgase. Außerdem besteht die Gefahr stellenweiser Überhitzung der Spaltwände,
da der Lichtbogen, sobald er aus dem Bereich zwischen den Hörnern herausgetreten
ist, oberhalb dieser während der gesamten Dauer seines Bestehens dieselbe Stelle
bestreicht.
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Nach einem weiteren Vorschlag werden die Wandungen der Kontaktkammern
und des Spaltes durch hochkant stehende, paketartig parallel -zueinander geschichtete
Isolierplatten gebildet, die mit schräg gegen die Bewegungsrichtung des Lichtbogens
verlaufenden und schräg nach oben gerichteten Schlitzen oder Kanälen versehen und
derart angeordnet sind, daß auf je eine Platte mit einem nach links gerichteten
Schlitz eine Platte mit einem nach rechts gerichteten Schlitz bzw. umgekehrt folgt,
sö daß ein zickzackförmiger Weg für den Unterbrechungslichtbogen zustande kommt.
Bei einem solchen Aufbau besteht aber die Gefahr, daß der Lichtbogen an der Stelle,
wo er in den Spalt eintreten soll, eine Zeitlang festgehalten wird und dort die
Wandungswerkstoffe überhitzt, weil infolge Fehlens der Erkenntnis, daß eine strömungstechnisch
günstige Gestaltung von Wichtigkeit ist, keine stetig ausgebildete Einmündung in
den Spalt vorhanden ist. Auch ist der Aufbau eines solchen Schalters sehr umständlich
und teuer.
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Ferner ist ein Hochleistungsschnellschalter bekannt, dessen Lichtbogenkammer
durch mehrere großflächige, in engem Abstand stehende planparallele Platten aus
Asbestschiefer gebildet wird, zwischen die der Lichtbogen eindringt. Doch wird beim
Schaltvorgang zuerst naturgemäß die Lichtbogenbewegung durch die Unterkanten der
Platten gehemmt. Diese sind besonders stark dem Lichtbogenangriff und der Zerstörung
ausgesetzt, da der Lichtbogen die Neigung hat, in verschiedene der parallelen Schlitze
zwischen den Platten einzudringen, so daß er bis zum Augenblick des Verlöschens
unten um die Kanten der Platten herum verläuft. Ohne den bei derartigen Hochleistungsschnellschaltern
erforderlichen außerordentlich hohen Aufwand an Blaselektromagneten und an sehr
starken Ausschaltfedern, mit Hilfe dessen eine rasche Bewegung des Lichtbogens gewaltsam
erzwungen wird, würde sich bei einer derartigen Gestaltung der Kammer keine befriedigende
Wirkungsweise des Schalters erreichen lassen. Es sind ferner verschiedene Ausführungen
von Schützenschaltern mit Lichtbogenkain-;nern bekannt, die am oberen Ende eine
verengte Öffnung besitzen, um den Austritt des Schaltlichtbogens, dessen Löschung
durch ,iägnetisclie Blaskräfte erfolgen soll, nach .'Möglichkeit zu richten und
zu begrenzen.
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Da es sich hier um Schütze, also um Geräte mit hoher Schalthäufigkeit
handelt, war man darauf bedacht, die Hitze des Lichtbogens zu zerstreuen, um die
Lebensdauer der Lichtbogenschutzkammern möglichst lang zu erhalten und den Lichtbogen
möglichst wenig an die Wandungen heranzudrücken. Man gab diesen daher an der verengten
Austrittsstelle des Lichtbogens aus der Schutzkammer einen Abstand von nicht weniger
als etwa b mm, so daß schon bei Abschaltstroinstärken von geringer Höhe Flammerscheinungen
aus der Kammer heraustreten. Infolge Fehlens einer genauen Führung des Lichtbogens
durch ortsfest verlegte, zu einer Löschzone hinreichende Laufflächen für die Fußpunkte
des Lichtbogens werden die Kammerwandungen nicht gleichmäßig vom Lichtbogen bestrichen.
Das Isoliermaterial von Kammerwänden derartiger Schalter, die versuchsweise nur
dreimal bei 550 Volt gooo Ampere ein- und ausgeschaltet wurden, weist bereits
erhebliche, ungleichmäßig verteilte Zerstörungserscheinungen auf. Die Kühlwirkung
der Kammerwände selbst ist daher bei solchen Schaltern nur in geringem Maße für
die Lichtbogenlöschung ausnutzbar.
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Die Erfindung entstand aus den bekannten Schaltern mit parallelen
Blaskammerwänden, in welche zwecks Längung des Lichtbogens Querkeile aus lichtbogenfesten
Isolierstoffen eingebaut sind. Die Erkenntnis, daß insbesondere keramische Querkeile
nicht nur wegen ihrer besonders hohen Lichtbogenfestigkeit, sondern vor allem auch
wegen ihrer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit durch Entionisierung die Löschung
begünstigen, führte zu dein der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, zum Ausschalten
hoher Leistungen befähigte Schalter zu schaffen, bei denen der Abschaltlichtbogen
von der Schaltstelle hinweg auf seiner ganzen Länge mit seinen beiden Flan-Icen
eng gegen kühlende Wände leerangedrückt und an diesen gleichmäßig entlang bewegt
wird, so daß er rasch und ununterbrochen fortschreitend immer mit frischen, kühlen
Teilen der Wände in innige Berührung gelangt, bis er noch innerhalb des Spaltes
erlischt. Bei einem Schalter nach der Erfindung wird zu diesem Zweck eine Lichtbogenkammer
verwendet, welche in an sich bekannter Weise aus einem die Kontakte umgebenden Raum
und einem anschließenden engen Spalt besteht, der sich zwischen zwei
durch
Platten gebildeten Wänden befindet und seitlich von fest angeordneten Lichtbogenhörnern
begrenzt ist, die sich zur Löschzone hin erstrecken. Das Wesentliche der- Erfindung
besteht darin, daß die Lichtbogenhörner von der Unterbrechungsstelle aus nach dem
entgegengesetzten, offenen Ende des Spaltes im Winkel auseinanderlaufen, daß die
beiden den Spalt begrenzenden Wände aus keramischen Platten bestehen, und daß der
Abstand dieser Platten sich in stetigem Übergang auf eine Spaltbreite von im wesentlichen
nicht mehr als 1,5 mm verengt.
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Während sonst bei elektrischen Schaltern auseinanderstrebende Lichtbogenhörner
zum Zwecke der Längung des Lichtbogens angewendet zu werden pflegen, wirken sie
bei einem Schalter mit einem sich stetig verengenden Spalt nach der Erfindung als
Mittel zur Kompensation oder gar Überkompensation der durch die zunehmende Verengung
des Spaltes verursachten Verringerung des Abströmquerschnitts für die Löschgase.
Die Merkmale der Erfindung ermöglichen somit ein leichtes, unbehindertes Einlaufen
des Lichtbogens in den Spalt sowie eine gleichmäßige, rasche und ungehemmte Bewegung
der Luft bzw. der Schaltgase und der ganzen Lichtbogensäule durch den Spalt, ferner
eine nur sehr kurzzeitige Beanspruchung jeder einzelnen Stelle der Kammerwände durch
den Lichtbogen, einen außerordentlich wirksamen Wärmeentzug auf der ganzen Länge
des Lichtbogens während dessen Bewegung durch Berührung ständig neuer Teile der
keramischen Wandungen und praktisch fast überhaupt keine Möglichkeit des Heraustretens
von Flammerscheinungen aus -der Spaltöffnung. Schalter nach der Erfindung besitzen
ein besonders hohes Abschaltvermögen, doch braucht der Aufwand an magnetischen Blaseinrichtungen
und an Rückzugsfedern nur gering zu sein; besondere Blasspulen können gegebenenfalls
überhaupt fortfallen, da trotz der Enge des Spaltes keine gewaltsame Überwindung
von Gegendrücken erforderlich ist. Weitere Vorteile sind der besonders einfache
Aufbau und der im Vergleich zu bekannten Schaltern für ähnliche Zwecke geringe Raumbedarf,
die sich mit der neuen Anordnung erzielen lassen.
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Durch die nach vorn offene, in Richtung der Bewegung des Lichtbogens
sich verengende Querschnittsform der spaltartigen, keramischen Lichtbogenkammer
wird eine neuartige, für elektrische Schalter verschiedenster Größen und Nennwerte
anwendbare Bauart von Lichtbogenlöscheinrichtungen geschaffen, die im Vergleich
zu Lichtbogenkammern bekannter Art eine beträchtliche Erhöhung des Schaltvermögens
ergibt. Diese Bauart wird als Düsenkammer bezeichnet. Auch nach oftmaliger starker
überbeanspruchung weist der keramische Wandungswerkstoff dieser Kammern keinerlei
Blasenbildung oder sonstige Zerstörungsmerkmale, sondern allenfalls eine die Betriebsbrauchbarkeit
in keiner Weise beeinträchtigende, gleichmäßig verteilte Verglasung der Oberfläche
auf.
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Es genügt unter Umständen, nur die eine der beiden Düsenkammerwände
als der Verengung entsprechend gekrümmte Fläche auszubilden, während die andere
eben ist, wodurch die Herstellung verbilligt wird. Eine besonders starke Längung
des Lichtbogens läßt sich weiterhin erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß die Begrenzungswände
des Spaltes in Längsrichtung des Lichtbogens zusätzlich gekrümmt sind.
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Die Kammer ist zweckmäßig auch nach der der Fortbewegungsrichtung
des Lichtbogens entgegengesetzten Seite offen, damit sich dort kein Vakuum bildet,
sondern kalte Luft zuströmen kann.
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Damit die Lichtbogenfußpunkte und die anschließenden Teile der Lichtbogensäule
durch die auftretenden elektrodynamischen Kräfte nach der gleichen Richtung wie
die übrigen Teile der Säule getrieben werden, wird nach einem weiteren Vorschlag
der Erfindung den Hörnern der Strom von der entgegengesetzten Richtung, also von
der Trennstelle her zugeführt. Das zum beweglichen Schaltstück gehörende fest angeordnete
Lichtbogenhorn ist zweckmäßig durch eine besondere Zuleitung zum Schaltstück parallel
geschaltet, wodurch der Übertritt des Lichtbogens wesentlich erleichtert wird.
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Die Lichtbogenhörner können in besonders vorteilhafter Weise zwecks
guter Führung der Lichtbogenfußpunkte aus hochkant nebeneinanderliegenden flachen
Metallschienen gebildet werden, die in dem breiteren Teil der Kammer auseinandergespreizt
sind.
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Damit auch bei starker Überlastung des Schalters der Lichtbogen möglichst
innerhalb des Spaltes verbleibt, wird zweckmäßig mindestens eines der beiden Hörner
nicht völlig bis an den Rand der Kammer geführt.
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Im Gegensatz zu bekannten Löscheinrichtungen, bei denen die Wandungen
aus Eisen oder anderem Metall bestehen und gegen die Berührung mit dem Lichtbogen
durch eine Isolierschicht aus Asbest oder ähnlichem Material abgedeckt sind, bestehen
beim Gegenstand der Erfindung, bei dem eine innige Berührung des Lichtbogens mit
den Wandungen zwecks möglichst guten Wärmeaustausches erstrebt wird, diese Wandungen
aus keramischem Material, z. B. Steatit, Porzellan, Sinterkorund u. a. Als Schutz
und zum mechanischen Halt können nach außen gekehrte
Platten aus
anderem, möglichst nicht sprödem Isoliermaterial dienen, zweckmäßig solchem,. in
welches Gewinde geschnitten werden kann und das sich auch sonst leicht bearbeiten
läßt. Die keramischen Kammerwände können nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung
aus mehreren sektorförmigen, aneinandergesetzten Teilen hergestellt werden. Dadurch
lassen sich die Schwierigkeiten in einfachster Weise umgehen, die sich bei der Herstellung
einteiliger keramischer Kammerwandungen durch das Verziehen beim Brennen und das
Schwinden des Werkstoffes ergeben können. Um die bei gekrümmter Innenfläche der
Wandungen sich ergebende Gesamtwandstärke gut auszunutzen, empfiehlt es sich, etwa
vorhandene Blasbleche in die Wandungen bzw. deren Aussparungen einzubetten, um den
Abstand zwischen den Polflächen der Blaseisen zwecks Herabsetzung des magnetischen
Widerstandes möglichst eng zu halten. Die Anordnung besonderer Blasbleche längs
der Wandungen von Lichtbogenkammern ist an sich bekannt. Auch ist bereits der Vorschlag
bekannt, Blaseisen in die Seitenwände eines Funkenschachtes einzulassen, um sie
so dicht als möglich an die Abreißkontakte heranzubringen. Insbesondere auch dadurch,
daß der Blasraum und damit der Widerstand des magnetischen Kreises durch die Einbettung
der Blasbleche in die Wandungen klein gehalten wird, können die etwa vorgesehenen
Blasspulen besonders klein bemessen werden. Die letzteren können erfindungsgemäß
an den Schmalseiten der Kammer angebracht sein, was zur Platzersparnis insbesondere
beim Zusammenbau mehrerer Kammern für mehrpolige Schalter nützlich ist. Die Anordnung
von Blasspulen unterhalb des Funkenschachtes bei Luftschaltern ist bereits bekannt.
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Ein Schalter mit Lichtbogenkammer nach der Erfindung wird in bekannter
Weise vorteilhaft in Parallelschaltung mit einem zweiten Schalter verwendet, welcher
später geschlossen und früher geöffnet wird und während des Zustandes dauernder
Einschaltung die Hauptstromleitung übernimmt, wozu seine Schaltstücke entsprechend
kräftig ausgebildet sind, während der Schalter mit der Lichtbogenkammer lediglich
zum Unterbrechen bzw. Schließen des Stromkreises dient und seine Schaltstücke die
für die Unterbrechung und Löschung des Lichtbogens günstigsten Formen und Abmessungen
haben.
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Der Schalter ist vornehmlich zur Verwendung in Luft von Atmosphärendruck
bestimmt. Er kann aber auch in Luft von geringeretn oder höherem Druck sowie ferner
in anderen, die Lichtbogenlöschung fördernden Gasen unter verschiedenen Drücken
verwendet werden, wodurch eine weitere Steigerung seiner Abschaltleistung erreicht
«erden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar in Fig. i ein Schalter, von dessen Lichtbogenkarmner die dem Beschauer
zugekehrte Wand abgenommen ist, in Fig.2 ein Querschnitt durch die Kammer und in
Fig. 3 das obere Lichtbogenhorn.
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In der Fig. i sind i i und 12 die beiden Schaltstücke, von denen das
erstere fest ist und das letztere um das Gelenk 28 mittels der Betätigungsstange
26 bewegt werden kann. Der Schalter ist in ausgeschaltetem Zustande gezeichnet.
Die Stellung des beweglichen Schaltstückes in eingeschaltetem Zustande ist gestrichelt
angedeutet. Die Schaltstücke sind zwischen den Kammerwandungen 15 eingeschlossen.
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Diese werden, wie Fig. 2 zeigt, von je einer Lage aus keramischem
Material gebildet und lassen einen Zwischenraum frei, dessen Breite an den Schaltstücken,
also in der Entstehungszone a des Lichtbogens, durch die Breite der Schaltstücke
gegeben ist und sich in der Einführungszone b allmählich düsenförmig verengt zu
einem Spalt von i bis 1,5 mm Breite, die über die ganze Löschzone c praktisch konstant
ist. Die ungefähren Grenzen der drei genannten Zonen a, b und c sind durch
strichpunktierte Linien angedeutet. Der keramische Teil der Kammerwand ist aus je
drei Teilen hergestellt, deren gegenseitige Abgrenzung durch punktierte Linien in
Fig. i angedeutet ist. Wie aus Fig. 2 weiter zu erkennen ist, werden die keramischen
Teile 15 von äußeren Wandteilen 25 aus Holz, Hartpapier, Repelit o.dgl. getragen.
Zwischen den inneren keramischen Teilen 15 und den äußeren Teilen 25 der Kammerwand
sind die Blasbleche 17 bzw. iS eingebettet, die mit den Eisenkernen der Blasspulen
ig und 2o in eisengeschlossener, magnetischer Verbindung stehen. Die Bleche sind
durch die Einbettung elektrisch gut gegeneinander isoliert in Anbetracht dessen,
daß die volle Spannung zwischen ihnen vorhanden ist.
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In die Kammer hinein ragen die Lichtbogenhörner 13 und 1d.. Das obere
Horn 13 besteht, wie Fig. 3 zeigt, aus einer geraden, flachen Kupferschiene, an
deren unterem Ende zwei kürzere Schienen 16 breitseits angeschweißt sind, deren
freie Enden seitwärts abgespreizt sind. Die freien Enden der drei Schienen sind
etwas hochkant gekrümmt und hochkant auf die flachen Seiten einer weiteren Kupferschiene
23 aufgeschweißt, die die Verbindung zwischen dem Horn 13 und dem Schaltstück i
i herstellt und außerdem den Kammerraum seitlich abschließt. Bei Schaltern für kleinere
Spannungen kann die flache
Abschlußschiene 23 selbst das Lichtbogenhorn
darstellen, so daß die Teile 13 und 16 überflüssig sind. Zu dem beweglichen Schaltstück
r2 gehört das untere Lichtbogenhorn 14, das ebenfalls aus mehreren hochkant nebeneinanderliegenden
und miteinander verschweißten Schienen besteht, die nach der Trennstelle zu auseinandergespreizt
sind. Zwecks guter Übertragung des Lichtbogenfußpunktes vom beweglichen Schaltstück
12 auf das Horn 14 ist das bewegliche Schaltstück z2 so angeordnet, daß es an dem
Ende des Hornes 14 unmittelbar entlang gleitet. An. das letztere ist ein Schenkel
29 angebogen, durch den auch nach erfolgter Trennung der Schaltstücke voneinander
die Stromzuführung zum Horn 14 von der richtigen Seite, nämlich von der Trennstelle
her, ermöglicht wird. Das Profil, auf dem der Lichtbogenfußpunkt wandert, muß überall
gut abgerundet sein. Für den Krümmungsgrad der Rundungen gibt es ein Optimum, das
durch Versuch bestimmt werden muß. Zwischen den unteren Schenke129 und das eigentliche
Horn 14 ist ein langes, flaches Isolierstück 24 eingeschoben, das den keramischen
Teil 15 der Kammer und damit den Kammerraum zwecks richtiger Luftführung nach unten
abschließt, so daß der Lichtbogen nicht auf den unteren Schenkel29 überspringt;
die äußeren Wandteile 25 reichen noch etwas weiter hinunter.
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Der Schalter sitzt an einem Gerüst 27, das auch durch die Stromzuführungsschienen
für den Hauptschalter gebildet sein kann, der den Dauerstrom führt. Die Zuführungen
21 und 22 zu den Schaltstücken des Leistungsschalters sind teilweise oder ganz über
die Blasspulen i9 und 2o geführt, so daß der abzuschaltende Strom sein Blasfeld
selbst erzeugt.
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In den Fig. 4 bis 6 ist eine wahlweise Ausführung der Kammerwände
15 dargestellt, wonach diese zwecks Verlängerung des Lichtbogens in der Längsrichtung
desselben zusätzlich gekrümmt sind, also z. B. längs der Umfangslinie A-B der Fig.
4 und der gestrichelt gezeichneten Linie C-D bis zu der Zone E-F, wo sich der Spalt
nach der Trennstelle zu erweitert. Die Fig. 5 und 6 zeigen Schnitte längs der Linie
C-D in Abwicklung. Die Krümmung kann gemäß Fig.5 stetig oder auch gemäß Fig. 6 unstetig
sein. Ersteres kann für die Löschung des Bogens, letzteres für die Herstellung vorteilhaft
sein, insbesondere wenn die Kammer aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist,
von denen dann nur zwei Formen 3o bzw. 31 vorhanden zu sein brauchen.