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Die
Erfindung betrifft einen Kapselungsabschnitt einer gasisolierten
Hochspannungsanlage, die mindestens zwei entlang einer Achse nebeneinander
angeordnete Kapselungsbausteine aufweist, wobei jeder Kapselungsbaustein
mit je mindestens einem Anschlussflansch versehen ist und wobei
zwischen zwei einander zugewandten Anschlussflanschen ein zumindest
einseitig axialkraftübertragendes und dichtendes Ausgleichselement
angeordnet ist.
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Ein
gattungsgemäßer Kapselungsabschnitt ist aus der
DE 198 15 151 C1 bekannt.
Bei gekapselten und gasisolierten Hochspannungsanlagen muss zum
Ausgleich von Wärmeausdehnungen zwischen den verschiedenen
Teilen der Hochspannungsanlage eine Möglichkeit zum Verschieben
in eine Achsrichtung vorgesehen werden. Ein bevorzugter Anwendungsfall
sind dabei Sammelschienen von Hochspannungsschaltanlagen.
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Die
genannte Druckschrift zeigt eine Lösung, bei der ein Faltenbalg
eingesetzt wird, der thermisch bedingte axiale Verschiebungen ausgleichen
kann. Bekannt sind derartige Ausgleichselemente für thermische
Spannungen auch unter der Bezeichnung Bördelkompensatoren.
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Eine
alternative Lösung stellt auf Schiebestücke ab,
die zwischen zwei Kapselungsbausteinen eine relative Verschiebung
zulassen und auf diese Weise thermisch bedingte Spannungen abbauen (sog.
Schiebekompensatoren).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird, mit
geringerem Aufwand eine hinreichende Möglichkeit zum thermisch bedingten
axialen Ausgleich zwischen zwei Kapselungsbausteinen zu schaffen.
Die Vorrichtung soll dabei einfach aufgebaut sein, so dass sie preiswert
hergestellt werden kann. Weiterhin soll sie einen möglichst
geringen Bauraum einnehmen. Schließlich soll – was
ebenfalls die Herstellkosten niedrig halten soll – die
Montage der Anlage in einfacher Weise möglich sein.
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Die
Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist bei einem
gattungsgemäßen Kapselungsabschnitt dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgleichselement, das zwischen zwei Kapselungsbausteinen angeordnet
ist, zwei Ringscheibenelemente umfasst, zwischen denen ein elastisches
Federmaterial angeordnet ist, das beide Ringscheibenelemente miteinander
verbindet.
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Insoweit
kann man die erfindungsgemäße Idee so charakterisieren,
dass ein Dehnungsring als Ausgleichselement vorgesehen wird, der
eine Kombination eines Bördelkompensators und eines Schiebekompensators
darstellt und eine Sandwichstruktur aufweist, die die unten genannten
Vorteile zur Folge hat.
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Damit
wird – wie noch im Detail zu sehen sein wird – eine
gasdichte Verbindung der beiden Kapselungsbausteine möglich,
wobei eine einfache und ausreichende Möglichkeit des Ausgleichs
von thermischen Bewegungen in Achsrichtung möglich ist.
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Das
elastische Federmaterial ist bevorzugt ein Gummi- oder Kunststoffmaterial.
Es kann als elastisches Federmaterial insbesondere ein Thermoplastisches
Elastomer (TPE) eingesetzt werden.
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Eine
Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass das elastische Federmaterial
eine hohlzylindrische Form aufweist (also eine ringförmige
Ausgestaltung).
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Das
elastische Federmaterial kann als Ring ausgebildet sein, der zumindest
einen um den Umfang umlaufenden Einschnitt aufweist. Dabei kann vorgesehen
werden, dass der Einschnitt im Radialschnitt eine rechteckförmige
Gestalt aufweist. Weiterhin kann der Einschnitt im Radialschnitt
eine V-förmige Gestalt aufweisen.
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Die
beiden Ringscheibenelemente können parallel zueinander
angeordnet sein und sich senkrecht zur Achse radial erstrecken.
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Weiterhin
kann vorgesehen werden, dass die beiden Ringscheibenelemente an
einer radialen Position mit einem Verbindungsabschnitt miteinander verbunden
sind. Dabei hat es sich bewährt, wenn der Verbindungsabschnitt
am radial äußeren Ende der Ringscheibenelemente
angeordnet ist. Der Verbindungsabschnitt kann im Radialschnitt halbkreisförmig
ausgebildet sein.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verbindung zwischen
dem Ausgleichselement und den Anschlussflanschen durch eine Anzahl Schrauben
hergestellt ist, die in Richtung der Achse ausgerichtet sind, d.
h. die Schraubenlängsachse weist in Richtung der Achse.
Dabei kann vorgesehen werden, dass mindestens eine Schraube die
Ringscheibenelemente und das elastisches Federmaterial durchsetzt.
Weiterhin kann vorgesehen werden, dass zwischen dem Kopf der Schraube
und einer vom Ausgleichselement abgewandten Auflagefläche des
Anschlussflansches mindestens eine in Richtung der Achse wir kende
Feder angeordnet ist. Die Feder kann eine Tellerfeder sein.
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Zwischen
den beiden Anschlussflanschen kann weiterhin der Befestigungsflansch
eines Isolators angeordnet sein, der als solcher bei gattungsgemäßen
Vorrichtungen bekannt und gebräuchlich ist.
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Zwischen
den Ringscheibenelementen des Ausgleichselements und dem Anschlussflansch
bzw. dem Befestigungsflansch des Isolators kann ein Dichtungselement
angeordnet sein. Dieses kann ein O-Ring sein.
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Die
Kompensationsfähigkeit der Einrichtungen gemäß dem
Stand der Technik liegt in einer Größenordnung,
die normalerweise nicht benötigt wird. Die Fähigkeit
der genannten Vorrichtungen zum Ausgleich axialer, thermisch bedingter
Dehnungen liegt also meist weit über den auftretenden Dehnungen
infolge der Erwärmung bzw. Abkühlung in der Sammelschiene.
Weiterhin ist der bauliche Aufwand, der zur Herstellung der vorbekannten
Einrichtungen getrieben werden muss, erheblich, so dass die Anlagen
zumeist teuer sind. Die verwirklichte Möglichkeit, thermisch
bedingten Ausgleich aufzunehmen, ist indes überdimensioniert.
Aufgrund des Aufbaus der vorbekannten Einrichtungen wird auch ein
nicht unerheblicher Bauraum benötigt, was nachteilig ist.
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Dem
gegenüber liefert das erfindungsgemäße
Konzept Vorteile:
Die vorgeschlagene Lösung zeichnet
sich dadurch aus, dass sie einen recht einfachen Aufbau hat und damit
relativ kostengünstig realisiert werden kann. Die Möglichkeit,
thermisch bedingte axiale Verschiebungen auszugleichen, ist dennoch
absolut ausreichend.
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Es
ergibt sich damit eine einfache und kostengünstige Lösung.
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Weiterhin
beansprucht die vorgeschlagene Einrichtung in Form des gefederten
Dehnungsrings im Vergleich mit vorbekannten Bördel- oder
Schiebekompensatoren einen geringeren Einbauraum, was sich ebenfalls
positiv bemerkbar macht.
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Die
Montage der dargestellten Vorrichtung ist auch sehr einfach möglich,
so dass die diesbezüglichen Kosten gering bleiben.
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Auf
die Verwendung von Zugankern, wie sie bei den vorbekannten Bördel-
oder Schiebekompensatoren üblich sind, kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
eines Kapselungsabschnitts verzichtet werden, da die notwendige
elastische Schraubverbindung in die Behälterverschraubung
integriert wurde. Die elastische Verschraubung ist im Vergleich mit
den vorbekannten Zugankern vorteilhaft, da sie gleichmäßig
am Flanschumfang verteilt wird. In vorteilhafter Weise können
damit hochfeste und damit teure Werkstoffe und materialintensive
Konstruktionen zur Befestigung der Zuganker vermieden werden.
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Vorteilhaft
ist schließlich, dass der gefederte Dehnungsring bei geeigneter
Materialwahl neben einer freiluftfesten Kapselung auch die Funktion
der Stromschienen (Gehäuserückstrom) übernehmen kann.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht schematisch zwei miteinander verbundene
Kapselungsbausteine mit einem Kapselungs abschnitt, wobei hier als Einbaubeispiel
eine Sammelschiene einer Hochspannungsanlage gezeigt ist,
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2 schematisch
den Radialschnitt durch einen Teil des Kapselungsabschnitts zwischen
den beiden Kapselungsbausteinen,
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3 in
vergrößerter Ansicht schematisch einen Teil eines
Ausgleichselement im Radialschnitt, wie es bei der Hochspannungsanlage
nach 1 bzw. 2 eingesetzt wird (Vollversion),
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4 eine
zu 3 alternative Ausgestaltung des Ausgleichselements
(Hohlversion),
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5 eine
weitere zu 3 alternative Ausgestaltung
des Ausgleichselements (gekapselte Version),
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6a das
Ausgleichselement gemäß 3 im noch
nicht montierten Zustand,
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6b das
Ausgleichselement gemäß 3 im montierten
Zustand bei normaler Betriebstemperatur,
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6c das
Ausgleichselement gemäß 3 im montierten
Zustand bei hoher Betriebstemperatur und
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6d das
Ausgleichselement gemäß 3 im montierten
Zustand bei niedriger Betriebstemperatur.
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In 1 ist
ein Teil einer Hochspannungsanlage dargestellt, nämlich
einer Sammelschiene. Zu sehen sind zwei Kapselungsbausteine 2 und 3,
die gasisoliert sind und die über einen Kapselungsabschnitt 1 miteinander
gasdicht verbunden sind.
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Der
Kapselungsabschnitt 1 stellt nicht nur eine gasdichte Verbindung
zwischen den Kapselungsbausteinen 2, 3 sicher,
mit ihm ist es auch möglich, thermische Verschiebungen
zwischen den Teilen 2, 3 in Richtung der Achse
a auszugleichen.
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Der
Kapselungsabschnitt 1 ist dabei zwischen zwei Anschlussflanschen 4 und 5 angeordnet, wobei
je ein Anschlussflansch 4 bzw. 5 am Kapselungsbaustein 2 bzw. 3 an
der Seite des Kapselungsbausteins 2, 3 angeordnet
ist, an den der dargestellte Kapselungsabschnitt 1 angrenzt.
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Details
zum Aufbau des Kapselungsabschnitts 1 gehen aus 2 hervor.
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Grundsätzlich
ist – wie bereits erläutert – der Kapselungsabschnitt 1 zwischen
den beiden Anschlussflanschen 4 und 5 der Kapselungsbausteine 2, 3 montiert.
Zentraler Bestandteil des Kapselungsabschnitts 3 ist ein
Ausgleichselement 6, das sowohl für den gasdichten
Verbund der beiden Kapselungsbausteine 2, 3 als
auch dafür sorgt, dass Wärmedehnungen zwischen
den Kapselungsbausteinen 2, 3 in Achsrichtung
a ausgeglichen werden können.
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Das
Ausgleichselement 6 ist als ringförmiges Teil
ausgebildet, das im Radialschnitt die in 2 dargestellte
Form hat. Das Ausgleichselement 6 weist zwei Ringscheibenelemente 7 und 8 (Trägerringe)
auf, die im axialen Abstand und parallel zueinander angeordnet sind
und die sich radial erstrecken. Zwischen den beiden Ringscheibenelementen 7, 8 ist
ein elastisches Federmaterial 9 angeordnet, das ebenfalls
eine ringscheibenförmige Kontur aufweist. Die Ringscheibenelemente 7 und 8 und
das elastische Federmaterial 9 bilden eine Sandwichstruktur, die
(direkt oder indirekt) zwischen den beiden Anschlussflanschen 4 und 5 angeordnet
ist. Während das Ring scheibenelement 8 direkt
an den Anschlussflansch 5 angrenzt, gilt dies für
das Ringscheibenelement 7 nicht. Dieses grenzt zunächst
an einen Befestigungsflansch 16 an, der erst den Anschlussflansch 4 kontaktiert.
Der Befestigungsflansch 16 trägt einen Isolator 17,
wie er bei gattungsgemäßen Anlagen häufig
eingesetzt wird.
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Zur
Herstellung von Gasdichtigkeit zwischen den beiden Kapselungsbausteinen 2, 3 und
der Umgebung kann vorgesehen sein, dass die Ringscheibenelemente 7, 8 bzw.
die angrenzenden Flächen des Anschlussflansches 5 bzw.
des Befestigungsflansches 16 mit Dichtungselementen 18 (hier
in Form eines O-Rings) versehen sind, die in 2 nur sehr
schematisch skizziert sind.
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Das
elastische Federmaterial 9 kann ein Kunststoff sein, also
ein Duroplast oder ein Thermoplast, wobei sich auch Thermoplastische
Elastomere (TPE) sehr bewährt haben. Grundsätzlich
kann auch ein Gummimaterial zum Einsatz kommen. Das elastische Federmaterial 9 bewirkt
im montierten Zustand, dass das Ausgleichselement 6 mit
den Ringscheibenelementen 7, 8 unter axialer Pressung
zwischen den Anschlussflanschen 4, 5 angeordnet
ist, so dass nicht nur Gasdichtigkeit sichergestellt ist, sondern dass
auch axiale Ausgleichsbewegungen infolge thermischer Spannungen
möglich werden.
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Die
axiale Ausgleichsbewegung in Richtung der Achse a wird unterstützt,
indem über den Umfang verteilt Schrauben 12 vorgesehen
sind, deren Kopf 13 mittelbar über eine Feder 15 auf
eine Auflagefläche 14 des Anschlussflansches 5 drückt.
Als Feder 15 kommt hier ein Telerfederpaket zum Einsatz.
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Wie
bekannt, kann die Federsteifigkeit des Tellerfederpakets 15 durch
die Anordnung der einzelnen Tellerfedern gewählt werden.
Vorliegend sind die Telerfedern teilweise gestapelt positioniert,
teilweise sind die Tellerfedern auch gegensinnig aneinandergesetzt.
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Die
Schrauben 12 sind in einen Gewindeabschnitt 20 eingeschraubt,
der in den Befestigungsflansch 16 eingearbeitet ist. Der
Befestigungsflansch 16 ist wiederum – was nicht
dargestellt ist – mittels weiterer Schrauben mit dem Anschlussflansch 4 verschraubt.
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Im
montierten Zustand der in 2 dargestellten
Anordnung ermöglicht das elastische Federmaterial 9 im
Zusammenwirken mit den Federn 15 eine axiale Ausgleichsbewegung
in Richtung der Achse a zwischen den beiden Kapselungsbausteinen 2 und 3.
Dabei wird zwischen diesen Teilen Gasdichtigkeit zur Umgebung aufrechterhalten.
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In 3 ist
das Ausgleichselement 6 gemäß 2 nochmals
separat dargestellt.
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Die
Ausgestaltung nach 4 stellt eine alternative Lösung
dar. Hier ist ein Einschnitt 10 vorgesehen, der im Radialschnitt
die dargestellte Form aufweist und ringförmig um den Umfang
umläuft. Mit dem Einschnitt 10 kann Material 9 eingespart
werden, ohne dass dies nachteilig wäre. Die Form des Einschnitts 10 ist
im Ausführungsbeispiel als V-förmig bzw. als rechteckförmig
anzusprechen. Es sind jedoch diverse Formen hierfür denkbar.
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Die
alternative Ausgestaltung des Ausgleichselements 6 gemäß 5 stellt
auf elastisches Federmaterial 9 ab, das wieder im Wesentlichen
wie bei der Lösung gemäß 3 ausgeformt
ist. Hier ist nunmehr allerdings vorgesehen, dass die beiden Ringscheibenelemente 7, 8 nicht
als separate Bauteile ausge bildet sind, sondern dass die beiden
Elemente 7, 8 über einen Verbindungsabschnitt 10 miteinander verbunden
sind. Damit kann das Teil bestehend aus den Ringscheibenelementen 7 und 8 und
dem Verbindungsabschnitt 11 als einstückiges Blechteil
gefertigt werden, in dem dann das elastische Federmaterial 9 platziert
wird.
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Für
alle Lösungen nach 3 bis 5 gilt, dass
das Ausgleichselement 6 eine Bohrung 20 aufweist,
die für den Durchtritt der Schrauben 12 benötigt
wird.
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In
den 6a bis 6d sind
verschiedene Montage- bzw. Belastungssituationen des Ausgleichselements 6 skizziert,
die darüber Auskunft geben, wie das elastische Federmaterial 9 während
des Betriebs belastet wird.
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Für
den effektiven Abstand in Richtung der Achse a ist das Maß d
entscheidend, das den lichten Abstand zwischen den beiden Ringscheibenelementen 7, 8 des
Ausgleichselements 6 definiert.
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In 6a ist
das Ausgleichselement 6 noch vor dem Einbau, also vor der
Montage, zu sehen. Das elastische Federmaterial 9 liegt
hier unkomprimiert vor und nimmt die rechteckige Form ein. Der Abstand
d beträgt jetzt beispielsweise 16 mm.
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Wird
das Ausgleichselement 6 zwischen die Kapselungsbausteine 2, 3 eingebaut,
ist es nach Anziehen der Schrauben 12 unter axialer Pressung. Dieser
Zustand ist für den normalen Temperaturbereich im Betrieb
in 6b skizziert. Der Abstand d beträgt nun
z. B. 14 mm, so dass elastisches Federmaterial 9 radial
nach innen und nach außen gequetscht wird.
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Erhöht
sich die Temperatur in der Hochspannungsanlage, ergibt sich eine
Situation, wie sie aus 6c hervorgeht. Infolge Wärmespannungen
werden die beiden Ringscheibenelemente 7, 8 noch
weiter zusammengepresst, so dass der Abstand d jetzt z. B. nur noch
13 mm beträgt. Demgemäß wird elastisches
Federmaterial 9 noch weiter radial nach innen und nach
außen gequetscht.
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Fällt
indes die Temperatur in der Anlage ab, entfernen sich die Anschlussflansche 4, 5 voneinander,
so dass sich auch die beiden Ringscheibenelemente 7, 8 voneinander
entfernen. Der Abstand sinkt z. B. auf 15 mm ab. Allerdings ist
er immer noch kleiner als im entspannten Zustand (6a),
so dass Vorspannung erhalten bleibt, die für die Gasdichtigkeit
wichtig ist.
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Aufgrund
der Kompressibilität des elastischen Federmaterials 9 können
wärmebedingte Ausdehnungen zwischen den Kapselungsbausteinen 2, 3 somit
effektiv ausgeglichen werden.
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung zum Ausgleich temperaturbedingter Ausdehnungen
kann in gewisser Weise als Kombination des bekannten Bördelkompensatorprinzips
mit dem Prinzip des Schiebekompensators bezeichnet werden. Das federnde Ausgleichselement
in Form der erläuterten Sandwichstruktur (elastisches Federmaterial
und Ringscheibenelemente als Trägerringe) übernimmt
die Kompensation der Wärmedehnung, während die
tellergefederten Schrauben für eine „atmungsaktive" Behälterverschraubung
sorgen. Das elastische Federmaterial bewirkt das dichtende Anliegen
des Ausgleichselements an den benachbarten Flanschen.
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- 1
- Kapselungsabschnitt
- 2
- Kapselungsbaustein
- 3
- Kapselungsbaustein
- 4
- Anschlussflansch
- 5
- Anschlussflansch
- 6
- Ausgleichselement
- 7
- Ringscheibenelement
- 8
- Ringscheibenelement
- 9
- elastisches
Federmaterial
- 10
- Einschnitt
- 11
- Verbindungsabschnitt
- 12
- Schraube
- 13
- Kopf
der Schraube
- 14
- Auflagefläche
- 15
- Feder
- 16
- Befestigungsflansch
- 17
- Isolator
- 18
- Dichtungselement
(O-Ring)
- 19
- Gewindeabschnitt
- 20
- Bohrung
- a
- Achse
- d
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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