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Die
Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Leistungsschalter mit einer
Schaltstrecke, welche von einer einen in einem Speichervolumen mündenden
Schaltgaskanal aufweisenden Isolierstoffdüse zumindest
teilweise umgeben ist, sowie mit einer zumindest teilweise innerhalb
des Speichervolumens angeordneten Strömungslenkeinrichtung.
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Ein
derartiger Hochspannungs-Leistungsschalter ist beispielsweise aus
der europäischen Patentanmeldung
EP 0 783 173 A1 bekannt.
Dort ist ein Hochspannungs-Leistungsschalter beschrieben, der eine
Schaltstrecke aufweist, die von einer Isolierstoffdüse
umgeben ist. Die Isolierstoffdüse weist einen Schaltgaskanal
auf, welcher in einem Speichervolumen mündet. Innerhalb
des Speichervolumens ist eine Strömungslenkeinrichtung
angeordnet. Die Strömungslenkeinrichtung weist ein Ventil
auf, welches ein bedarfsweises Öffnen bzw. Schließen
einer Ausnehmung vornimmt. Dabei ist die Anordnung der Strömungslenkeinrichtung
derart ausgeführt, dass ein Zwischenspeichern von Schaltgas
in dem Speichervolumen über die Stellung des dortigen Ventils gesteuert
wird.
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Das
bekannte Ventil weist einen bewegbaren Ventilkörper auf,
welcher federbelastet vor die Ausnehmung gepresst werden kann. Bei
einem häufigen Betätigen des Leistungsschalters
erfolgt auch eine häufige Betätigung des Ventils.
Bewegbare Teile innerhalb des Speichervolumens unterliegen einem Verschleiß.
Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Speichervolumens ist
ein unmittelbarer Zugang beispielsweise um Reparaturen durchzuführen nicht
ohne Weiteres möglich.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter
der eingangs genannten Art anzugeben, welcher eine robuste Ausgestaltung
aufweist und möglichst verschleißarm eine Schaltgasströmung
lenken kann.
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Erfindungsgemäß wird
dies bei einem Hochspannungs-Leistungsschalter der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Strömungslenkeinrichtung
einen von einer Schaltgaseintrittskanalwandung begrenzten Schaltgaseintrittskanal
aufweist, in welchen der Schaltgaskanal Schaltgas in Abstrahlrichtung
einstrahlt und eine Wandung, in welcher der Schaltgaskanal mündet
und die Schaltgaseintrittskanalwandung einen Ringspalt begrenzen.
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Durch
die Verwendung eines Schaltgaseintrittskanales in der Strömungslenkeinrichtung
wird innerhalb des Speichervolumens eine günstige Strömung
bei einem Befüllen oder einem Entleeren desselben hervorgerufen.
Dabei kann auf bewegte Teile im Innern des Speichervolumens verzichtet
werden. Über die Anordnung eines Ringspaltes zwischen der Wandung,
in welcher der Schaltgaskanal mündet, und der Schaltgaseintrittskanalwandung
ist eine Möglichkeit geschaffen, im Falle von besonders
großen sprunghaft auftretenden Volumina an Schaltgas einen
Bypass zu dem Schaltgaseintrittskanal zur Schaltgaslenkung zu nutzen.
Unter regulären Bedingungen wird ein Großteil
des Schaltgases durch den Schaltgaseintrittkanal in einem von dem
Mündungsbereich des Schaltgaskanals der Isolierstoffdüse
abgewandten Abschnitt des Speichervolumens fortgeleitet. Dadurch
ist eine Möglichkeit gegeben, innerhalb des Speichervolumens
Abschnitte bereitzustellen, welche unterschiedliche Gastemperaturen
aufweisen. Typischerweise weist in das Speichervolumen eingestrahltes
Schaltgas eine höhere Temperatur auf, als an einem Schaltvorgang
nicht unmittelbar beteiligtes in dem Speichervolumen vorgehaltenes kaltes
Isoliergas. Be grenzt man nunmehr ein Verwirbeln des kalten Isoliergases
und des heißen Schaltgases, kann bedarfsweise entweder
vorzugsweise kühles Isoliergas oder heißes Schaltgas
aus dem Speichervolumen herausgepresst werden.
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Bei
einem Entstehen von großen Schaltgasmengen während
kurzer Zeiträume kann es jedoch notwendig sein, dass die
großen Schaltgasmengen möglichst rasch in das
Speichervolumen eingeleitet werden müssen. Dabei verzichtet
man auf eine ursprünglich erwünschte Separierung
von kaltem Isoliergas und heißem Schaltgas und nutzt beispielsweise
auch den Ringspalt zwischen Schaltgaskanaleintrittswandung und der
Wandung, in welcher der Schaltgaskanal mündet, um das Schaltgas über
alle zur Verfügung stehenden Wege so rasch wie möglich aus
der Schaltstrecke herauszuleiten. Dadurch ist die Möglichkeit
gegeben, in der Schaltstrecke expandiertes und erhitztes Schaltgas
möglichst rasch fortzuleiten und so einen unerwünschten Überdruck
im Bereich der Schaltstrecke zu verhindern.
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Aufgrund
der Wahl eines Ringspaltes ist es möglich, zum einen die
Strömung im Innern des Speichervolumens zu beeinflussen,
um Abschnitte zur Verfügung zu stellen, in welchen kaltes
Isoliergas in nur geringem Maße mit heißem Schaltgas
verwirbelt wird. Andererseits kann über den Ringspalt eine
Gefahr des Auftretens von unerwünschten Überdrücken im
Bereich der Schaltstelle reduziert werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Schaltgaseintrittskanal
ein Ringkanal ist.
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Hochspannungs-Leistungsschalter
erprobter Bauart weisen typischerweise einander koaxial gegenüberliegende
Lichtbogenkontaktstücke sowie einander koaxial gegenüberliegende
Nenn stromkontaktstücke auf. Dabei sind die Lichtbogen-
und Nennstromkontaktstücke, ebenfalls koaxial zueinander
angeordnet, so dass zwischen einem Lichtbogenkontaktstück
und einem Nennstromkontaktstück Bauraum zur Verfügung
gestellt wird, in welchem beispielsweise ein Speichervolumen befindlich
ist. Das Speichervolumen weist vorzugsweise eine Form eines Hohlzylinders
auf, wobei Befüll- und Entnahmeöffnungen des Speichervolumens
vorzugsweise in stirnseitigen Bereichen angeordnet sein können.
Der Schaltgaskanal der Isolierstoffdüse kann beispielsweise
im Bereich seiner Mündung als Ringkanal mit im Wesentlichen
hohlzylindrischem Querschnitt ausgestaltet sein, wobei er zumindest
in einem Abschnitt von einem der Lichtbogenkontaktstücke
durchsetzt ist. Dazu kann vorgesehen sein, dass ein in den Schaltgaskanal
hineinragendes Lichtbogenkontaktstück von einer elektrisch
isolierenden Hilfsdüse abgeschirmt ist, so dass der Schaltgaskanal
als Ringkanal ausgebildet ist, dessen mantelseitig begrenzende Flächen
aus Isolierwerkstoff gebildet sind. Eine Mündungsöffnung
des Schaltgaskanals in dem Speichervolumen weist dabei einen kreisringförmigen
Querschnitt auf. Da sich durch den Schaltgaskanal flutendes Schaltgas
aufgrund der entstehenden Druckverhältnisse nahezu allseitig
und gleichmäßig innerhalb des Schaltgaskanals
erstreckt, ist es vorteilhaft, zur Erzielung eines möglichst
widerstandsarmen Weg für das Schaltgas den Schaltgaseintrittskanal
ebenfalls als Ringkanal auszugestalten. Dabei sollte der Ringkanal
an seinem Eingang, d. h. an der Seite, an welchem das Schaltgas
aus dem Schaltgaskanal in dem Schaltgaseintrittskanal überströmt,
eine korrespondierende Querschnittsfläche zu der Mündungsöffnung
des Schaltgaskanals aufweisen. So kann das aus dem Schaltgaskanal
in das Speichervolumen einströmende Schaltgas unter geringen
Verwirbelungen in die Strömungslenkeinrichtung einströmen
und dort weitergeführt und weitergeleitet werden.
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Vorteilhafterweise
kann dabei vorgesehen sein, dass der Schaltgaseintrittskanal einen
in Abstrahlrichtung vor einem Ausgang liegenden Eingang aufweist,
wobei der Eingang einen geringeren Querschnitt aufweist als der
Ausgang.
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Durch
einen möglichst kontinuierlichen Übergang von
einem geringeren Querschnitt des Einganges zu einem vergrößerten
Querschnitt des Ausganges des Schaltgaseintrittskanals wird im Verlauf
des Schaltgaseintrittskanals der Strömungswiderstand vermindert.
Dadurch ist es möglich, dass zum einen die Strömungsgeschwindigkeit
des Schaltgases bereits beim Passieren des Schaltgaseintrittskanals aufgrund
der Querschnittsvergrößerung reduziert wird. Weiterhin
wird der Druck des heißen Schaltgases während
des Durchströmens der Schaltgaslenkeinrichtung reduziert.
Somit kann zum einen ein kontinuierliches Durchströmen
des Schaltgaseintrittskanals mit Schaltgas bewirkt werden, zum anderen
wird eine Beruhigung des von der Schaltstelle fortgeleiteten erhitzten
Schaltgases zu einem relativ frühen Zeitpunkt ermöglicht.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest
ein, insbesondere mehrere Rückströmkanal(e) in
der Schaltgaseintrittskanalwandung angeordnet ist/sind.
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Über
Rückströmkanäle in der Schaltgaseintrittskanalwandung
ist eine Möglichkeit gegeben, dass zunächst von
der Mündungsöffnung des Schaltgaskanals fortgeleitete
heiße Schaltgas wieder in den Bereich der Mündungsöffnung
umzulenken und zurückzuführen. Damit ist die Möglichkeit
gegeben, nach einem Befüllen des Speichervolumens mit heißem
Schaltgasen dort befindliches kaltes Isoliergas gezielt aus dem
Speichervolumen herauszutreiben, wobei der von dem heißen
Schaltgas hervorgerufene Überdruck genutzt wird. Das kalte
Isoliergas sollte einem Propfen gleich vor dem zwischengespeicherten und
nun mehr über die Rückströmöffnungen
wieder herausdrängenden heiße Schaltgas hergetrieben werden.
Dabei soll durch die Lage und Anordnung der Rückströmkanäle
ein möglichst geringes Durchmischen von kaltem Isoliergas
und heißen Schaltgas verursacht. Aufgrund der Nutzung eines
Ringkanals zwischen der Schaltgaseintrittskanalwandung und der Wandung,
in welchem der Schaltgaskanal mündet, ist es möglich,
für das Herausströmen und Herausdrücken
des kalten Isoliergases und darauffolgend auch des heißen
Schaltgases denselben Schaltgaskanal in der Isolierstoffdüse
zu verwenden, wie für eine Befüllung des Speichervolumens
mit heißen Schaltgasen. Somit wird eine Lenkung des innerhalb
des Speichervolumens befindlichen kalten Isoliergases und heißen
Schaltgases innerhalb des Speichervolumens organisiert, so dass
eine vereinfacht konstruierte Isolierstoffdüse Verwendung
finden kann, die lediglich einen Kanal aufweist, welcher zu einem
Befüllen und zu einem Entleeren des Speichervolumens mit
Schaltgas nutzbar ist. Somit kann die Geometrie der Isolierstoffdüse
vereinfacht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest
ein Rückströmkanal eine Schaltgaseintrittskanalwandung
in Abstrahlrichtung durchsetzt.
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Durch
eine im Wesentlichen parallele Anordnung zumindest eines der Rückströmkanäle
bezüglich der Abstrahlrichtung ist die Möglichkeit
geschaffen, innerhalb der Strömungslenkeinrichtung eine Umkehr
des Richtungssinnes einer Gasströmung um 180° zu
bewirken. Damit können auf relativ kompaktem Bauraum Verlängerungen
des Strömungsweges des Schaltgases innerhalb des Speichervolumens bewirkt
werden. Somit ist es möglich, das Volumen des Speichervolumens
in Gänze zu reduzieren und in dem reduzierten Bauraum einen
ausreichend langen Weg zur Verfügung zu stellen, längs
welchem das heiße Schaltgas bzw. von diesem getrieben innerhalb
des Speichervolumens vorgehaltenes kühles Isoliergas entlangströmen
kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest
ein Rückströmkanal eine Schaltgaseintrittskanalwandung
radial zur Abstrahlrichtung durchsetzt.
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Durch
eine Anordnung von radial ausgerichteten Rückströmkanälen
ist es möglich, nicht nur den Schaltgaskanal zum Be- und
Entfüllen des Speichervolumens zu nutzen, sondern auch
den Schaltgaseintrittskanal nach einem erfolgten Befüllen
des Speichervolumens mit heißem Schaltgas, dieses heiße
Schaltgas zumindest abschnittsweise auch über den Schaltgaseintrittskanal
in Richtung der Mündungsöffnung des Schaltgaskanals
zu leiten. Dabei können über die Rückströmkanäle
das heiße Schaltgas bzw. auch kaltes Isoliergas in den
Schaltgaseintrittskanal eingeleitet werden und dort entgegengesetzt
zur Abstrahlrichtung des Schaltgaskanals gelenkt und in diesen eingeleitet
werden. Durch eine Nutzung des Schaltgaseintrittskanals zu einer
Gaslenkung sowohl zum Befüllen als auch zum Entleeren des
Speichervolumens kann eine weitere Reduzierung des benötigten
Bauraumes für das Speichervolumen erzielt werden.
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Weiterhin
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schaltgaseintrittskanalwandung
eine um den Schaltgaseintrittskanal umlaufende vorspringende Schulter
aufweist.
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Eine
vorspringende Schulter ermöglicht es, innerhalb des Speichervolumens
eine zusätzliche Barriere vorzusehen, welche ein unerwünschtes Übertreten
bzw. starkes Vermischen von Schaltgas bzw. kaltem Isoliergas hemmt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die vorspringende Schulter um den Schaltgaseintrittskanal
umläuft. Ein Umlauf kann derart vorgesehen sein, dass die
Schulter sich in radialer Richtung erstreckt und eine Barriere in
axialer Richtung ausbildet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein,
dass die vorspringende Schulter sich auch in axialer Richtung erstreckt
und eine in radialer Richtung wirkende Barriere ausbildet.
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Dabei
kann vorteilhaft vorgesehen sein, das zumindest ein Rückströmkanal
die vorspringende Schulter durchsetzt.
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Bei
einem Vorsehen entsprechender Rückströmkanäle
auch innerhalb der vorspringenden Schulter ist es möglich,
einen zum Rückströmen zur Verfügung stehenden
Querschnitt zu vergrößern. Durch eine günstige
Positionierung der Rückströmkanäle kann
zusätzlich eine unterstützende Lenkung des Schaltgases
bzw. kühlen Isoliergases erfolgen. Dabei kann sowohl vorgesehen
sein, dass die Schulter in radialer oder axialer Richtung von Rückströmkanälen
durchsetzt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn bei einer radialen
Erstreckung der vorspringenden Schulter die Rückströmkanäle
in axialer Richtung die vorspringende Schulter durchsetzen. Bei
einer axialen Ausrichtung der vorspringenden Schulter ist es vorteilhaft,
wenn die Rückströmkanäle eine derart angeformte
Schulter in radialer Richtung durchsetzen. Natürlich kann
auch vorgesehen sein, dass die Schulter sich sowohl in axialer als
auch in radialer Richtung erstreckende Komponenten aufweist und dass
je nach Bedarf sowohl Rückströmöffnungen
in axialer als auch in radialer Richtung in der Schulter angeordnet
sind.
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Vorteilhafterweise
kann weiter vorgesehen sein, dass in den Schaltgaskanal ein Schaltkontaktstück
hineinragt.
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Der
Schaltgaskanal der Isolierstoffdüse kann vorzugsweise zumindest
von einem Schaltkontaktstück durchsetzt sein. Dabei kann
vorgesehen sein, dass der Schaltgaskanal zumindest zeit weise von
einem der Schaltkontaktstücke verdämmt ist. Es
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eines der Schaltkontaktstücke
dauerhaft in den Schaltgaskanal hineinragt. So ist es beispielsweise
möglich, dass ein dauerhaft in den Schaltgaskanal hineinragendes Kontaktstück
von einer sogenannten Hilfsdüse umgeben ist, um das in
den Schaltgaskanal hineinragende Kontaktstück vor heißem
Schaltgas zu schützten. Vorzugsweise ist der Schaltgaskanal
rotationssymmetrisch ausgeformt, wobei dieser unterschiedliche Querschnitte
im Verlauf eines Weges aufweisen kann. Ist innerhalb des Schaltgaskanales
ein Schaltkontaktstück, beispielsweise ein Lichtbogenkontaktstück,
angeordnet, so wird der Querschnitt des Schaltgaskanals in diesem
Bereich reduziert und der Schaltgaskanal weist die Form eines Ringkanals
auf.
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Durch
das Hineinragen eines Schaltkontaktstückes, insbesondere
durch ein Verdämmen des Schaltkanals, ist es möglich,
in der Schaltstrecke erhitztes und expandiertes Schaltgas vorzugsweise
in eine Richtung abströmen zu lassen.
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So
ist es beispielsweise möglich, durch ein zumindest teilweises
Verdämmen des Schaltgaskanals ein ausreichendes Volumen
von heißem Schaltgas in das Speichervolumen hineinzutreiben
und dort durch die Strömungslenkeinrichtung strömen
zu lassen, um dabei in dem Speichervolumen vorgehaltenes kaltes
Isoliergas wiederum in den Schaltgaskanal zurückpressen
zu können.
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Vorteilhafterweise
kann weiter vorgesehen sein, dass zwischen einer Außenmantelfläche
der Schaltgaskanaleintrittswandung und einer Innenmantelfläche
des Speichervolumens ein Ringspalt ausgebildet ist.
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Ein
Vorsehen eines Ringspaltes zwischen einer Innenmantelfläche
des Speichervolumens und einer Außenmantelfläche
der Schaltgaskanaleintrittswandung ermöglicht, zusätzlich
zu dem Ringspalt zwischen der Wandung, in welcher der Schaltgaskanal
mündet und der Schaltgaskanaleintrittswandung einen Überströmweg
zur Verfügung zu stellen. So kann bei erhöhten
Drücken bzw. erhöhten Volumina von heißem
Schaltgas dieses auch neben dem Schaltgaseintrittskanal über
den Ringspalt über- und durchströmen. Im regulären
Betriebsfall ist das Verhältnis der Strömungswiderstände
der Ringkanäle zu dem Strömungswiderstand des
Strömungseintrittskanals jedoch in einem derartigen Verhältnis
liegend, dass eine bevorzugte Strömung und Lenkung der heißen
Schaltgase durch den Schaltgaseintrittskanal hindurch erfolgt. Bei
Störfällen oder besonders großen Volumina
von Schaltgase können Ringspalte jedoch zusätzliche
Strömungswege zur Verfügung stellen, um Schaltgase
zu führen, zu lenken und zu leiten.
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Nach
einem erfolgten Befüllen des Speichervolumens mit heißem
Schaltgas kann dieses auch über einen Ringspalt abströmen. Über
den zwischen einer Außenmantelfläche der Schaltgaskanaleintrittswandung
und einer Innenmantelfläche des Speichervolumens gebildeten
Ringspalt kann das Schaltgas in den Abschnitt des Speichervolumens
strömen, in welchem kaltes Isoliergas vorgehalten wird.
Dadurch ist ein Verwirbeln von heißem Schaltgas und kaltem Isoliergas
reduziert. Das kalte Schaltgas kann dann über den Schaltkanal
in die Schaltstrecke strömen.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die Schaltgaseintrittskanalwandung einen
hohlkegelstumpfförmigen Abschnitt aufweist und ein Rückströmkanal
den Abschnitt durchsetzt.
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Ein
hohlkegelstumpfförmiger Abschnitt der Schaltgaseintrittskanalwandung
kann korrespondierend zu einem sich erwei ternden Schaltgaseintrittskanal
ausgeformt sein. Zum einen wird im Inneren des Schaltgaseintrittskanals
ein sich reduzierender Strömungswiderstand längs
des Weges des Strömungseintrittskanals zur Verfügung
gestellt. Über die Positionierung des Rückströmkanals
kann eine Verwendung des Strömungseintrittskanals zumindest abschnittsweise
auch für ein Entleeren des Speichervolumens genutzt werden.
Dadurch kann auf einem geringen Bauraum ein strömungsgünstiges
Um- und Fortlenken von heißen Schaltgasen innerhalb eines kompakten
Speichervolumens erfolgen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Strömungslenkeinrichtung über zumindest
einen in Strömungsrichtung verlaufende Spannkräfte
erzeugenden Stehbolzen zu Wandungen des Speichervolumens beabstandet
gehalten ist.
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Mittels
zumindest eines Stehbolzens kann die Strömungslenkeinrichtung
an einer das Speichervolumen begrenzenden Wandung fixiert werden.
Als derartige Wandung bietet sich beispielsweise eine stirnseitige
Wandung des Speichervolumens an. Als Stehbolzen eignen sich dabei
langgestreckte Bolzen, beispielsweise Gewindebolzen, über
welche die Strömungslenkeinrichtung mit einer Wandung des Speichervolumens
verschraubt werden kann. Dabei sollte vorteilhaft vorgesehen sein,
dass eine Berührung der Strömungslenkeinrichtung
mit einer Wandung des Speichervolumens ausschließlich über
den bzw. die Stehbolzen erfolgt, so dass die Strömungslenkeinrichtung
im Weiteren frei von Kontaktierungspunkten mit das Speichervolumen
begrenzenden Wandungen ist.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei
zeigt die
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1 einen
Ausschnitt einer Unterbrechereinheit eines Hochspannungs-Leistungsschalters
im Schnitt, die
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2, 3, 4, 5 jeweils
einen Ausschnitt der 1 ergänzt um verschiedene
Ausführungsvarianten einer Strömungslenkeinrichtung und
die
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6 eine
Draufsicht und einen Schnitt durch eine Strömungslenkeinrichtung.
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In
der 1 ist ein Ausschnitt einer Unterbrechereinheit
eines Hochspannungs-Leistungsschalters im Schnitt dargestellt. Die
Unterbrechereinheit des Hochspannungs-Leistungsschalters ist im Wesentlichen
koaxial zu einer Längsachse 1 aufgebaut. Die Unterbrechereinheit
des Hochspannungs-Leistungsschalters weist ein erstes Lichtbogenkontaktstück 2 sowie
ein zweites Lichtbogenkontaktstück 3 auf. Die
beiden Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 sind
koaxial zu der Längsachse 1 ausgerichtet und einander
gegenüberstehend angeordnet. Dabei ist das erste Lichtbogenkontaktstück 2 an
seinem dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 3 zugewandten Ende
mit einem mehrere Kontaktfinger aufweisenden buchsenförmigen
Kontaktelement ausgestattet. Das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 ist
bolzenförmig ausgestaltet und zum Einschieben in das buchsenförmige
Kontaktelement des ersten Lichtbogenkontaktstückes 3 dimensioniert.
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Koaxial
zu dem ersten Lichtbogenkontaktstück 2 ist ein
erstes Nennstromkontaktstück 4 angeordnet. Koaxial
zu dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 3 ist ein
zweites Nennstromkontaktstück 5 angeordnet. Die
beiden Nennstromkontaktstücke 4, 5 weisen
jeweils eine im Wesentlichen hohlzylindrische Grund struktur auf,
wobei das erste Lichtbogenkontaktstück 2 und das
erste Nennstromkontaktstück 4 das gleich Potential
auch im geöffnetem Zustand des Hochspannungs-Leistungsschalters
aufweisen und das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 und
das zweite Nennstromkontaktstück 5 ebenfalls das
gleiche elektrische Potential auch bei geöffnetem Hochspannungs-Leistungsschalter
führen. Das zweite Nennstromkontaktstück 5 ist
an seinem dem ersten Nennstromkontaktstück 4 zugewandten
Ende mit Kontaktfingern versehen, welche auf eine Außenmantelfläche
des ersten Nennstromkontaktstückes 4 auffahren
und so eine galvanische Kontaktierung der beiden Nennstromkontaktstücke 4, 5 hervorrufen
können. Die Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 sowie
die Nennstromkontaktstücke 4, 5 sind
dabei derart zueinander angeordnet, dass bei einer Relativbewegung
von dem ersten Lichtbogenkontaktstück 2 und dem
ersten Nennstromkontaktstück 4 sowie von dem zweiten
Lichtbogenkontaktstück 3 und dem zweiten Nennstromkontaktstück 5 bei
einem Einschaltvorgang zunächst eine Kontaktierung der
Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 und darauf
folgend eine Kontaktierung der Nennstromkontaktstücke 4, 5 erfolgt.
Bei einem Ausschaltvorgang, d. h. bei einer Relativbewegung, welche
eine Entfernung der Kontaktstücke 2, 3, 4, 5 voneinander
hervorruft, wird zuerst eine galvanische Trennung der beiden Nennstromkontaktstücke 4, 5 und
anschließend eine galvanische Trennung der beiden Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 vorgenommen.
Dadurch ist sichergestellt, dass entstehende Lichtbögen
bei einem Einschaltvorgang bzw. bei einem Ausschaltvorgang aufgrund
des Voreilens bzw. Nacheilens der Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 vorzugsweise
zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 auftreten.
Damit ist eine Möglichkeit gegeben, die Nennstromkontaktstücke 4,5 aus
einem Material zu fertigen, welches eine geringere thermische Widerstandsfähigkeit
aufweist als das Material, welches zur Ausbildung der Kontaktbereiche
der beiden Lichtbogenkontaktstücke 2, 3 eingesetzt
wird.
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Zur
Lenkung und Leitung eines zwischen den Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 brennenden Lichtbogens
ist koaxial zur Längsachse 1 eine Isolierstoffdüse 6 angeordnet.
Die Isolierstoffdüse 6 ist dabei derart angeordnet,
dass eine Schaltstrecke zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken 3 zumindest
teilweise innerhalb eines von der Isolierstoffdüse 6 begrenzten
Schaltgaskanals 7 angeordnet ist. Der Schaltgaskanal 7 weist
eine Engstelle auf, welche zumindest zeitweise während
eines Schaltvorganges von dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 3 verdämmt
ist. Dadurch ist das von einem zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 brennenden
Lichtbogen erhitzte und expandierte Schaltgas, vorzugsweise in Richtung
eines Speichervolumens 8 getrieben. Das Speichervolumen 8 erstreckt
sich koaxial zu der Längsachse 1 und weist eine
im Wesentlichen hohlzylindrisches Formgebung auf. In einer Stirnseite
des Speichervolumens 8 ist die Isolierstoffdüse 6 mittels
eines Verspannringes 9 festgelegt. Die Isolierstoffdüse 6 begrenzt
mit seinen an das Speichervolumen 6 grenzenden Wandungen
bzw. in das Speichervolumen 8 hineinragenden Wandungen
das Speichervolumen 8 teilweise. Das Speichervolumen 8 ist
von dem ersten Lichtbogenkontaktstück 2 durchsetzt,
wobei das erste Lichtbogenkontaktstück 2 in den
Schaltgaskanal 7 bis in die Nähe der Engstelle hineinragt.
Das erste Lichtbogenkontaktstück 2 ist mantelseitig
von einer sogenannten Hilfsdüse 10 geschützt.
Durch das Hineinragen des ersten Lichtbogenkontaktstückes 2 und
der Hilfsdüse 10 ist der Schaltgaskanal 7 an
seinem in Richtung des Speichervolumens ragenden Ende in Form eines
Ringkanals ausgestaltet.
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Bei
einem Ausschaltvorgang entfernen sich die Kontaktstücke 2, 4, 3, 5 voneinander.
Dabei treten zunächst die Nennstromkontaktstücke 4, 5 außer Kontakt.
Kurz darauffolgend erfolgt eine galvanische Trennung der beiden
Lichtbogenkontaktstücke 2, 3. Zwischen
den beiden Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 kommt
es zum Zünden eines Lichtbogens. Die Engstelle ist durch
das zweite Lichtbogenkontaktstück 3 verdämmt.
Ein von der thermischen Energie des Lichtbogens erhitztes und expandiertes
Schaltgas kann aufgrund der Verdämmung der Engstelle vorzugsweise
durch den Schaltgaskanal 7 in Richtung des Speichervolumens 8 abströmen
und wird dort zwischengespeichert. Eine Abstrahlrichtung des Schaltgaskanals 7 ist
im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 1 ausgerichtet.
In dem Speichervolumen 8 ist ein Isoliergas befindlich,
welches im Vergleich zu dem expandierten Schaltgas kühler
ist. Bei einem Voranschreiten der Ausschaltbewegung wird zu einem
darauffolgenden Zeitpunkt die Engstelle von dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 3 freigegeben und
damit der in der Schaltstrecke befindliche Druck reduziert. Das
zunächst in das Speichervolumen 8 eingetragene
Schaltgas wird gemeinsam mit dem dort vorher befindlichen kühleren
Isoliergas aufgrund des in dem Speichervolumen 8 während
des Heizens durch den Lichtbogen erzeugten Überdruckes über den
Schaltgaskanal 7 herausgepresst. Dabei wird der weiterhin
zwischen den Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 brennende
Lichtbogen von den aus dem Speichervolumen 8 kommenden
Gas gekühlt und bei einem Stromnulldurchgang kann ein Erlöschen
desselben erfolgen. Aufgrund einer Kühlung und Beblasung
des Lichtbogens und der damit folgenden Beräumung der Schaltstrecke
von einem durch den Lichtbogen erzeugten Plasmas mittels des aus
dem Speichervolumen 8 austretenden Gase kann ein Wiederzünden
des Lichtbogens oftmals verhindert werden.
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Um
auch größere Lichtbögen beherrschen zu
können, ist es notwendig, ein gezieltes Lenken und Beeinflussen
der Strömung im Innern des Speichervolumens 8 vorzusehen.
In den 2, 3, 4 und 5 sind
verschiede Ausgestaltungsvarianten einer Strömungslenkeinrichtung
dargestellt, welche im Innern des Speichervolumens 8 angeordnet
sind. Die 2, 3, 4 und 5 zeigen jeweils
Ausschnitte aus der in der 1 prinzipiell dargestellten
Unterbrechereinheit eines Hochspannungs-Leistungsschalters.
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Die 2 zeigte
eine erste Ausgestaltungsvariante einer Strömungslenkeinrichtung 11a.
Die erste Ausgestaltungvariante einer Strömungslenkeinrichtung 11a weist
einen rotationssymmetrisch zu der Längsachse 1 ausgeformten
Grundkörper auf. Die Strömungslenkeinrichtung 11a ist
beabstandet zu der Wandung angeordnet, in welcher der Schaltgaskanal 7 mündet.
Vorliegend ist diese Wandung durch eine stirnseitige Front der Isolierstoffdüse 6 gebildet.
Die erste Ausgestaltungsvariante der Strömungslenkeinrichtung 11a weist
einen Schaltgaseintrittskanal 12a auf. Der Schaltgaseintrittskanal 12a verläuft
dabei in Richtung der Längsachse 1 und ist von
der das erste Lichtbogenkontaktstück 2 umgebenden
Hilfsdüse 10 ebenso wie von dem ersten Lichtbogenkontaktstück 2 durchsetzt.
Der Schaltgaseintrittskanal 12a der ersten Variante der
Strömungslenkeinrichtung 11a weist somit eine
ringkanalförmige Struktur auf. Zwischen der Mündungsöffnung
des Schaltgaskanals 7 in dem Speichervolumen 8 und
einer Schaltgaseintrittskanalwandung der ersten Variante der Strömungslenkeinrichtung 11a ist ein
Ringspalt 13 gebildet.
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Die
erste Variante der Strömungslenkeinrichtung 11a weist
einen Abschnitt 14 auf, in welchem die Strömungseintrittskanalwandung
eine im Wesentlichen kegelstumpfartige hohlzylindrische Ausgestaltung
aufweist, so dass eine Vergrößerung des Querschnittes
des Schaltgaseintrittskanals 12a in Abstrahlrichtung erfolgt.
In dem Abschnitt 14 sind mehrere Rückströmkanäle 15a, 15b angeordnet.
Die Rückströmkanäle 15a, 15b sind
dabei im Wesentlichen radial zu der Längsachse 1 ausgerichtet
und auf zwei umlaufenden Kreisbahnen angeordnet, so dass der Abschnitt 14 gleichmäßig
an seinem Umfang verteilte Rückströmkanäle 15a, 15b aufweist.
Die den Schaltgaseintrittskanal 12a begrenzende Schaltgaseintrittskanalwandung
weist innerhalb des Abschnittes 14 eine im Wesentlichen
konstante Wandstärke auf, wobei im Bereich der Grundfläche
des hohlkegelstumpfförmigen Abschnittes 14 eine
vorspringende Schulter 16a angeformt ist. Die vorspringende Schulter 16 weist
die Form einer radial umlaufenden Ringscheibe auf. Die radial umlaufende
Ringscheibe ist dabei derart dimensioniert, dass an einer Außenmantelfläche
der Ringscheibe und damit an einer Außenmantelfläche
der Schaltgaseintrittskanalwandung ein Ringspalt 17 gebildet
ist. Weiter ist die vorspringende Schulter 16a von einem
Rückströmkanal 15c durchsetzt, welcher
im Wesentlichen in Richtung der Abstrahlrichtung des Schaltgaskanals 7 die
Strömungslenkeinrichtung durchsetzt. Die Abstrahlrichtung
entspricht im Wesentlichen der Richtung der Längsachse 1.
In der vorspringenden Schulter 16a sind dabei auf einer
Kreisbahn verteilt mehrere Rückströmkanäle 15c angeordnet,
so dass ein ausreichender Querschnitt der Rückströmkanäle
gegeben ist. Sowohl die radialen als auch die axial angeordneten
Rückströmkanäle 15a, 15b, 15c können
beispielsweise kreisförmige Querschnitte aufweisen. Es kann
jedoch auch vorgesehen sein, dass davon abweichend beispielsweise
schlitzförmige, gebogene Gestaltungen der Querschnitte
der Rückströmkanäle vorgesehen sind.
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Bei
einem Einströmen von heißem Schaltgas aus dem
Schaltgaskanal 7 in das Speichervolumen 8 wird
das Schaltgas in Abstrahlrichtung des Schaltgaskanals 7 in
den Schaltgaseintrittskanal 12a hineingelenkt. Aufgrund
des Korrespondierens der Fläche der Mündungsöffnung
des Schaltgaskanals 7 und der Öffnung des Eingangs
des Schaltgaseintrittskanals 12 tritt das Schaltgas unter
geringen Verwirbelungen durch den Ringspalt 13 hindurch.
Von dem Schaltgaseintrittskanal 12a wird das Schaltgas
in einem Abschnitt des Speichervolumens 8, welcher von dem
Bereich der Mündung des Schaltgaskanals 7 abgewandt
ist, fortgeleitet. Geschützt von der Schaltgaslenkeinrichtung 11a wird
kaltes Isoliergas von dem in den abgewandten Abschnitt des Speichervolumens 8 einströmenden
heißen Schaltgas zunächst separiert. Mit einem
zunehmenden Druck innerhalb des Speichervolumens 8 bzw.
einem abnehmenden Druck in dem Schaltgaskanal 7 erfolgt
ein Ausströmen bzw. Überströmen der heißen
Schaltgas beispielsweise über die Rückströmkanäle 15a, 15b, 15c in
den Schaltgaseintrittskanal 12a hinein, und zumindest teilweise über
diesen zurück in den Schaltgaskanal 7. Der Schaltgaskanal 7 leitet
die im Speichervolumen 8 zwischengespeicherten Gase in
die Schaltstrecke zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken 2, 3 zurück.
Neben einem Nutzen der Rückströmkanäle 15a, 15b, 15c zum
Rückführen der Gase können auch die Ringspalte 17, 13 genutzt werden,
um Schaltgas bzw. kühles Isoliergas aus dem Speichervolumen 8 herauszubefördern
und über den Schaltgaskanal 7 abströmen
zu lassen.
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Zur
Halterung der Schaltgaslenkeinrichtung 11a sind ein oder
mehrere Stehbolzen 18 in einer stirnseitigen Wand des Speichervolumens 8 befestigt.
Auf den Stehbolzen 18 können entsprechende Verschraubungen
der ersten Variante der Schaltgaslenkeinrichtung 11a vorgenommen
werden. Durch die Schaltgaslenkeinrichtung 11a ist von
dem Gesamtvolumen des Speichervolumens 8 ein Abschnitt abgeteilt,
welcher sich radial hinter einer Schaltgaseintrittskanalwandung
erstreckt. Nach einem Einstrahlen der heißen Schaltgase über
den Schaltgaskanal 7 sowie den Schaltgaseintrittskanal 12a kann
in dem Abschnitt vorgehaltenes kaltes Isoliergas vor einer starken
Durchmischung mit eintretenden heißen Schaltgasen geschützt
werden. Bei einem Rückströmen des heißen
Schaltgases beispielsweise über die Rückströmkanäle 15a, 15b, 15c bzw.
die Ringspalte 13, 17 wird das kalte Isoliergas
vor dem heißen Schaltgas hergetrieben und vor dem heißen
Schaltgas aus dem Speichervolumen 8 ausgestoßen.
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Die 3 zeigt
eine zweite Ausgestaltungsvariante einer Schaltgaslenkeinrichtung 11b,
welche dem Konstruktionsprinzip der ersten Variante der Schaltgaslenkeinrichtung 11a folgt.
Bei der zweiten Variante der Schaltgaslenkeinrichtung 11b schließt sich
an einen hohlkegelstumpfförmigen Abschnitt 14 ein
hohlzylinderförmiger Abschnitt 20 an. Durch den hohlzylinderförmigen
Abschnitt 20 ist der von der zweiten Variante der Strömungslenkeinrichtung 11b separierte
Abschnitt zur Vorhaltung von kühlem Isoliergas innerhalb
des Speichervolumens 8 vergrößert. Dadurch
kann in dem Speichervolumen 8 eine größere
Menge von kaltem Isoliergas vorgehalten werden. Weiter wurde bei
der zweiten Variante der Strömungslenkeinrichtung 11b auf
eine Anordnung von radial innerhalb der vorspringenden Schulter 16a verlaufenden
Rückströmkanälen verzichtet. Somit ist ein
Rückströmen vor allem über den Ringspalt 17, welcher
zwischen einer Außenmantelfläche der vorspringenden
Schulter 16a und einer Innenmantelfläche des Speichervolumens 8 gebildet
ist vorgesehen. Dadurch ist ein gezielteres Trennen von kaltem Isoliergas
und heißem Schaltgas innerhalb des Speichervolumens möglich.
Bedarfsweise kann jedoch auch eine Ausstattung mit Rückströmkanälen
erfolgen.
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Die 4 zeigt
eine reduzierte dritte Variante einer Strömungslenkeinrichtung 11c.
Die Strömungslenkeinrichtung 11c weist eine hohlzylindrische
Struktur in Form einer Scheibe auf. Die hohlzylindrische Scheibe
ist von einem Schaltgaseintrittskanal 12c durchsetzt, welcher
in Form von mehreren in Strömungsrichtung des Schaltgaskanals 7 in
die Strömungseintrittskanalwandung der dritten Variante der
Strömungslenkeinrichtung 11c eingebrachte Ausnehmungen
gebildet ist.
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Neben
mehreren radial umlaufend verteilten Öffnungen 12c zur
Ausbildung eines Schaltgaseintrittskanals ist ein Ringspalt 21 zwischen
der Schaltgaseintrittskanalwandung der dritten Variante der Strömungslenkeinrichtung 11c und
der Hilfsdüse 10 gebildet, welcher ebenfalls zur
Ausbildung des Schaltgaseintrittskanals 12c beiträgt.
In radialer Richtung ist die dritte Ausgestaltungsvariante der Strömungslenkeinrichtung 11c von
mehreren auf einer Kreisbahn verteilten Rückströmkanälen 5c umgeben.
Zwischen einer äußeren Mantelfläche der dritten
Variante der Strömungslenkeinrichtung 11c und
einer Innenmantelfläche des Speichervolumens 8 ist
ein Ringspalt 17 gebildet. Eine derartige ringscheibenartige
Ausgestaltung einer Strömungslenkeinrichtung 11c weist
den Vorteil auf, dass eine kostengünstige Fertigung einer
derartigen Strömungsbarriere ermöglicht ist.
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In
der 5 ist eine vierte Variante einer Strömungslenkeinrichtung 11d gezeigt.
Die vierte Variante einer Strömungslenkeinrichtung 11d baut
auf der Konstruktion der in der 4 gezeigten
dritten Variante einer Strömungslenkeinrichtung 11c auf. Dabei
ist jedoch vorgesehen, dass am äußeren Umfang
eine vorspringende Schulter 22 angeordnet ist, wobei die
vorspringende Schulter 22 sich bezogen auf die Längsachse 1 bzw.
die Abstrahlrichtung des Schaltgaskanals 7 im Wesentlichen
in axialer Richtung erstreckt. In der vorspringenden Schulter 22 sind
mehrere Rückströmkanäle 15a, 15b eingebracht,
welche gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet
sind und an der vierten Variante der Strömungslenkeinrichtung 11d in
der vorspringenden Schulter im Wesentlichen in radialer Richtung
ein Überströmen von Gasen ermöglicht.
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Die 6 zeigt
die erste Variante der Strömungslenkeinrichtung 11a in
einem Schnitt sowie in einer Draufsicht. Zu erkennen sind in dem
Schnitt insbesondere der hohlkegel stumpfförmige Abschnitt 14 der
Schaltgaskanaleintrittswandung, an welchen sich an der Grundfläche
die vorspringende Schulter 16a anschließt. In
der vorspringenden Schulter 16a sind mehrere Befestigungslöcher 23a,
b, c, d vorgesehen, welche der Aufnahme von Stehbolzen 18 dienen.
Auf zwei radial um die Längsachse 1 umlaufenden
Kreisbahnen sind mehrere radial ausgerichtete Rückströmkanäle 15a, 15b angeordnet.
Weiterhin ist die vorspringende Schulter 16 von mehreren
in Abstrahlrichtung verlaufenden Rückströmkanälen 15c durchsetzt.
Dabei weisen die in Abstrahlrichtung verlaufenden Rückströmkanäle 15c jeweils
einen sektorförmig gebogenen Querschnitt nach Art eines
Schlitzes auf.
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Aufgrund
der hohlkegelstumpfartigen Ausgestaltung des Abschnittes 14 ist
der Querschnitt des Einganges des Schaltgaseintrittskanals 12a geringer als
der Ausgang des Schaltgaseintrittskanals 12a.
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Neben
verschiedenen Formen und Ausgestaltungen der Schaltgaseintrittskanäle 12a, 12b, 12c, 12d und
verschiedenen Formgebungen der Strömungslenkeinrichtung 11a, 11b, 11c, 11d ist
jedoch vorteilhaft vorzusehen, dass Rückströmkanäle 15a, 15b, 15c zusätzlich
zu einem Schaltgaseintrittskanal 12a, 12b, 12c, 12d die
Strömungslenkeinrichtung 11a, 11b, 11c, 11d durchsetzen,
wobei zwischen einer Wandung, in welcher der Schaltgaskanal 7 mündet,
und der Schaltgaseintrittskanalwandung ein Ringspalte 13 gebildet
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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