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Elektrischer Schalter Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter
mit einem geschlossenen Löschkammersystem, das mit Druckgas, insbesondere SF6 gefüllt
ist, mit mindestens einem festen Kont£tstücs und mindestens einem beweglichen Kontaktstück,
wobei der Lichtbogen bei einer Ausschalthandlung zwischen den festen Rontaktstücken
und den beweglichen gezogen wird, das Löschkamnersystem wenigstens zwei durch je
eine isolierende Zwischenwand getrennte Räume aufweist, von denen wenigstens ein
erster Raum die Löschkontaktstellen aufnimmt und mit den anderen, benachbarten Räumen
über je eine düsenähnlich sich erweiternde Öffnung in Verbindung steht, wobei durch
ede Öffnung jeweils ein bewegliches Kontaktstück in eingeschaltetem Zustand hindurchgreift
und bei einer Ausschalthandlung die beweglichen Kontaktstücke durch die Öffnungen
aus dem jeweils ersten Raum herausziehbar sind, so daß der zu löschende Lichtbogen
von den festen Kontaktstücken im jeweils ersten Raum durch die Öffnungen hindurch
zu den beweglichen Kontaktstücken in die benachbarten Räume verläuft und dabei den
Druck und die Temperatur im jeweils ersten Raum erhöht und so eine Löschgasströmung
vom ersten Raum in die banachbarten Räume erzeugt, nach Patent (Patentanmeldung
P 23 39 652.3).
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Bei dem Schalter gemäß dem Hauptpatent wird der Lichtbogen praktisch
durch seine eigene Energie gelöscht. Dadurch, daß er selbst die Temperatur und den
Druck des Gases im ersten Raum plötzlich und stark erhöht, erzeugt er eine Gas strömung
durch die Öffnung hindurch, über die der erste Raum mit dem zweiten in Verbindung
steht und durch die der Lichtbogen zwischen der festen und der
beweglichen
Elektrode brennt. Die feste Elektrode ist ringförmig ausgebildet, während die bewegliche
entweder als voller Schaltstift ausgebildet ist oder in einer anderen Ausführung
einen düsenähnlich ausgebildeten Innenkanal aufweist. Die Öffnung selbst ist als
Isolierstoffdüse ausgebildet.
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Diese Anordnung ist im wesentlichen für große Kurzschlußströme gedacht.
Bei kleinen Strömen reicht die Druckerhöhung des Gases durch den Lichtbogen nicht
aus, um eine zu einer schnellen und zuverlässigen Löschung erforderliche Gas strömung
zu erhalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Schalter nach dem Hauptpatent
(Patentanmeldung P 23 39 652.3) weiter zu verbessern.
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Insbesondere soll der Schalter auch kleine Ströme schalten können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine bei einer
Ausschalthandlung die Gasströmung aus den ersten Räumen in die zweiten unterstützende
Kolben-Zylinder-Anordnung vorgesehen ist, welche mit dem beweglichen Kontaktstück
in mechanischer Verbindung steht.
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Vorteilhaft kalm eine erfindungsgemäße Kolben-Zylinderanordnung bei
Lastschaltern Verwendung finden, die nur kleine Ströme wie den Nennstrom oder den
Leerlaufstrom von Transformatoren oder die Ladeströme leerlaufender Kabel und Leitungen
zu schalten haben. Dies bedeutet, daß die an sich räumlich große feste Ringelektrode
oder Lichtbogenlaufschiene im Vergleich mit der des Hauptpatentes kleiner ausgebildet
werden muß, da bei kleinen Strömen die Erwärmung und der Metallabbrand kleiner ist.
Gerade letzteres hat den Vorteil, daß die Lichtbogenlaufgeschwindigkeit kleiner
gewählt werden kann, was ebenfalls zu Einsparungen führt Die von der Kolben-Zylinderanordnung
erzeugte Gasströmung, die, wie sich aus dem folgenden ergibt, durch Saugen oder
Druck erzeugt
werden kann, ist somit eine vom Lichtbogen unabhängige,
der Zusatzbeblasung dienende Strömung.
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Weitere besonders vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen
sind aus den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnung sollen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sowie besondere Vorteile an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert
und beschrieben werden.
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Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Schalter in Einschaltstellung im Längsschnitt,
Fig. 2 den Schalter nach Fig. 1 in Löschstellung, ebenfalls im Längsschnitt, Fig.
3 eine Variante des Schalters nach Fig. 1 und 2 nach der Erfindung, im eingeschalteten
Zustand, im Längsschnitt, Fig. 4 den Schalter der Fig. 3 in Löschstellung, ebenfalls
im Längsschnitt, Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schalters nach der
Erfindung, im eingeschalteten Zustand, im Längsschnitt, Fig. 6 den Schalter nach
Fig. 5 in Löschstellung, ebenfalls im Längs schnitt, Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Schalters nach der Erfindung, im eingeschalteten Zustand, im Längsschnitt,
und Fig. 8 den Schalter der Fig. 7 in Löschstellung, ebenfalls im Längs schnitt.
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In einem zylindrischen Gehäuse 1, welches von einer Endwand 2 nach
links (in der Zeichnung) abgeschlossen ist, befindet sich eine aus einem beweglichen
Kontaktstück 3 und einem festen Kontaktstück
4 bestehende Kontakteinrichtung.
Das feste Kontaktstück 4 ragt druckdicht durch eine Bohrung 5 in der Endwand 2 hindurch
in das innere des Gehäuses 1 und endet in einem tulpen-.
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förmigen Kontakt 6, dessen Kontaktfläche 7 dem Endabschnitt des beweglichen
Kontaktstückes 3 im eingeschalteten Zustand umfaßt.
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Weiterhin ist das feste Kontaktstück 4 von einer ringförmigen Elektrode
8 konzentrisch umgeben, wobei die Elektrode 8 mit dem festen Kontaktstück 3 mittels
einer Verbindung 9 elektrisch leitend verbunden ist. Die Elektrode 8 ist als Spule
ausgebildet und besitzt eine oder mehrere voneinander elektrisch isolierte Windungen,
die in der Zeichnung nicht weiter dargestellt sind.
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Die elektrische Verbindung 9 kann spiralförmig ausgebildet sein; dabei
ist die Wicklungsrichtung der Spirale und der Elektrode 8 gleich. Darüber hinaus
dient die Verbindung 9 gleichzeitig auch als Halterung für die Spule am festen Kontaktstück
4.
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Das bewegliche Kontaktstück 3 durchgreift im eingeschalteten Zustand
eine annähernd radial verlaufende Zwischenwand 10, wobei die Zwischenwand 10 ein
mit einer düsenähnlich ausgebildeten Öffnung 11 versehenes Bauteil 12 umfaßt. Der
Innendurchmesser der engsten Stelle der Öffnung 11 entspricht annähernd dem Außendurchmesser
des beweglichen Kontaktstückes 3. Die Öffnung 11 erweitert sich in den in der Zeichnung
rechts liegenden Raum 13, welcher, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ebenfalls
abgeschlossen ist. Der Raum zwischen der Endwand 2 und der Zwischenwand 10 entspricht
dem in dem Hauptpatent als erster Raum bezeichneten Raum, während der Raum 13 im
Hauptpatent als zweiter Raum bezeichnet ist. Das Volumen des Raumes zwischen Endwand
2 und Zwischenwand 10, im weiteren mit der Bezugsziffer 14 versehen, ist kleiner
als das des Raumes 13. Der Grund hierfür ist ausführlich im Hauptpatent ..... (PatentanmeldungP2339652.3
erläutert, so daß hier nicht weiter darauf eingegangen zu werden braucht.
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An der Zwischenwand 10 ist, in den Raum 13 hineinragend, ein zylindrischer
Fortsatz 15 angeformt, dessen Innenfläche das Bauteil 12 umfaßt und dessen Außenfläche
von einem Zylinder 16 aus Isolierstoff umgeben ist und letzteres zentriert. Das
freie Ende des Zylinders 16 ist nach außen leicht aufgebogen. Es ist mittels einer
durch Streben 17 gebildeten Abstützung im Gehäuse 1 gehalten.
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Das bewegliche Kontaktstück 3 besitzt einen düsenförmig ausgebildeten
Innenkanal 18, dessen Länge L -von dem festen Kontaktstück 4 benachbarten Ende aus
gemessen- derart ist, daß er im eingeschalteten Zustand aus dem als Brennraum dienenden
Raum 14 in den Raum 13 hineinreicht. Am inneren Ende des Innenkanals 18 sind sich
gegenüberliegende Auslaßöffnungen 19 vorgesehen. Hinter den Auslaßöffnungen 19 ist
am beweglichen Kontaktstück 3ein Kolben 20 angebracht, dessen Außendurchmesser annähernd
dem Innendurchmesser des Zylinders 16 entspricht. Im Beispiel nach der Fig. 1 und
2 ist der Kolben 20 aus relativ elastischem Material hergestellt, während er in
seiner Form etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist, und dessen Öffnungswinkel sich
jeweils den Druckverhältnissen bei Ein- und Ausschaltung anpaßt (Fahrradpumpen-Prinzip).
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Im Raum 14, auch Brennraum 14 genannt, ist zusätzlich noch ein die
düsenförmige Öffnung 11 umgebendes Strömungsbauteil 21 vorgesehen, dessen Funktion
und Gestalt weiter unten näher erläutert wird.
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Die Funktion des Schalters sei im folgenden weiter erläutert: Wenn
eine Ausschalthandlung durchgeführt werden soll, dann wird das bewegliche Kontaktstück
3 nach rechts in Pfeilrichtung A gezogen, wobei zwischen dem Kontakt 6 und dem Ende
des beweglichen Kontaktstückes 3 ein Lichtbogen 22 gezogen wird. Aufgrund der spiraligen
Form der als Halterung der Elektrode 8 am festen Kontaktstück ausgebildeten Verbindung
9 wandert der Lichtbogen
nach außen und rotiert auf der Elektrode
8 im Brennraum 14. Bei weiterer Ausschaltbewegung des Kontaktstückes 3 wird der
Lichtbogen 22 immer weiter verlängert. Der Lichtbogen 22 erhöht die Temperatur und
den Druck des Gases im Brennraum 14; hierdurch und durch die Saugwirkung des Kolbens
20 im Zylinder 16 beginnt eine Gasströmung aus dem Brennraum 14 durch den Innenkanal
18 und die Auslaßöffnungen 19 in den Raum links des Kolbens 20.
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Bei Abschaltung kleiner induktiver oder kapazitiver Ströme oder Ströme
bis ungefähr zum Nennstrom, verformt sich der Kolben 20 durch die Ausschaltbewegung
des beweglichen Kontaktes 3 derart, daß er sich mit seinem Umfang an der Innenfläche
des Zylinders 16 anlegt, auf dieser Innenfläche gleitet und den Raum 13 gegen den
Raum 14 abdichtet. Dadurch entsteht im Raum 14 ein Unterdruck und das Gas beginnt
am Lichtbogen vorbei in den Innenkanal 18 zu strömen und durch die Auslaßöffnungen
19 in den Raum 23.
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Wird z.B. ein Schalter (Lastschalter und ähnlich nach Fig.2 u. 3)
speziell für die Abschaltung obengenannter Ströme konzipiert, so kann der Innendurchmesser
des äußeren zylindrischen Gehäuses 1 identisch sein mit dem Innendurchmesser des
Zylinders 16 der Zusatzblaseinrichtung in Fig. 1 und 2; damit wird der Schalter
in seinen Abmessungen (Außendurchmesser) kleiner, einfacher und deshalb auch preiswerter.
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Bei Abschaltung größerer Ströme z.B. des Nennausschaltstromes ist
der Druckaufbau durch Aufheizung des Gases im Raum 14 sehr groß. Dadurch wird der
Kolben 20 entgegen seiner Funktion durch diesen Druck verformt, die Saugwirkung
(bei großen Strömen zur Lichtbogenlöschung nicht erforderlich) wird aufgehoben und
das Gas kann in Pfeilrichtung B in den Raum 13 abströmen.
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Sobald das Ende des beweglichen Kontaktstückes 3 die Öffnung 11 passiert
hat, strömt das Gas nicht mehr nur durch den Innenkanal 18, sondern auch noch am
Kontaktstück 3 seitlich vorbei. Der Lichtbogen 22 wird nun zusätzlich in der Offnung
11 beblasen und
dabei gelöscht. Aufgrund des von dem Lichtbogen
22 im Raum 14 erzeugten Druckes wird die Ausschaltbewegung weiterhin noch zusätzlich
unterstützt.
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Bei einer Einschaltung kann das Gas ebenfalls in Pfeilrichtung B abströmen,
so daß sich innerhalb des Zylinders 16 kein der Einschaltung behindernder Staudruck
bildet.
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Da das Gas im Brennraum 14 vom Lichtbogen 22 in Rotation versetzt
wird, muß dafür gesorgt werden, daß in der Öffnung 11 ein ungleichmäßiges Gasströmungsprofil
durch einen Wirbel nach Art des Badewanneneffektes und damit die Gefahr von Wiederzündungen
vermieden wird. Dies geschieht mit Vorsehen des Strömungsbau -teils 21, welches
Kanäle aufweist, die so ausgebildet sind, daß sie die rotierende Gasströmung tangential
aufnehmen und-der Öffnung 11 und damit auch dem Lichtbogen 22 radial zuführen. Ein
solches Strömungsbauteil ist in dem Patent ..... (Patentanmeldung P 23 49 224.2,
(Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 23 39 652.3))) näher beschrieben, so daß sich
eine Darstellung hier erübrigt.
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Der Schalter nach den Fig. 5 und 6 ist im Prinzip in der gleichen
Weise aufgebaut wie der nach den Fig. 1 und 2. Unterschiedlich ist die Löschströmung
und die Saugeinrichtung. Hierzu ist nämlich nicht ein die Öffnung 11 konzentrisch
umgebender Zylinder, in dem ein am beweglichen Kontaktstück 3 angebrachter Kolben
20 läuft, vorgesehen, sondern ein topfförmig ausgebildeter Zylinder 31, dessen offenes
Ende 32 in Ausschaltrichtung weist, wobei das geschlossene Ende 33 kegelstumpfförmig
ausgebildet ist und das bewegliche Kontaktstück 3 in einer Topföffnung 34 druckdicht
umfaßt. Mittels den Halterungsstreben 17 der Fig. 1 oder 2 ähnlichen Streben 35
ist der Zylinder 31 im Gehäuse 1 gehalten und zentriert. Das bewegliche Kontaktstück
3 besitzt einen düsenähnlich ausgebildeten Innenkanal 36, dessen gesamte Länge von
der
Kontaktstelle aus gemessen größer ist als die des Schalters nach der Fig. 1. Im
eingeschalteten Zustand reicht der Innenkanal 36 durch die Öffnung 34 in das Innere
des Zylinders 31 und besitzt am Ende Auslaßöffnungen 37, deren Wirkungsweise und
Aufgabe die gleichen sind wie die Auslaßöffnungen 19 nach der Fig. 1.
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An dem der Kontaktstelle entgegengesetzten Seite der Auslaßöffw nungen
37, also in der Zeichnung rechts von ihnen, ist am beweglichen Kontaktstück 3 ein
Kolben 38 befestigt, dessen AußendurcS messer dem Innendurchmesser des Zylinders
annähernd entspricht.
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Der Kolben 38 ist mit schließbaren Öffnungen 39 versehen, welche dem
Gas bei einer Einschaltung einen Durchtritt in Pfeilrichtung B gestatten, so daß
sich nicht innerhalb des Zylinders 31 ein die Einschaltung behindernder Staudruck
bildet. Selbstverständlich kann auch hier ein Kolben aus elastischem Material, wie
in Fig. 1 und 2 dargestellt, eingebaut werden. Am kegelstumpfförmigen Ende 33 des
Zylinders 31 sind weiterhin noch Anschläge 40 vorgesehen, welche die Bewegung des
beweglichen Kontaktstückes 3 in Einschaltrichtung begrenzen.
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Im Prinzip funktioniert der Schalter nach den Fig. 5 und 6 in der
gleichen Weise wie der nach den Fig. 1 und 2. Nur ändert sich hier die Gasströmung
in der Löschstellung: während beim Schalter nach der Fig. 1 bzw. 2 das Gas immer
in oder durch den Zylinder 16 strömt, wird hier der Gasstrom aufgeteilt in einen
Teil, der durch den Innenkanal 36 in das Innere des Zylinders 31 strömt und in einen
weiteren Teil, der seitlich am beweglichen Kontaktstück 3 und am Zylinder 31 vorbeiströmt.
Der Teil durch den bau kanal 36 strömt wie mit der Pfeilrichtung D angezeigt und
der am Kontaktstück vorbei wie mit Pfeilrichtung E angezeigt.
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Wenn der bewegliche Kontakt 3 bei Ausschaltung großer Ströme z.B.
des Nennauschaltstromes die Öffnung 11 freigibt, kann das Löschgas ungehindert und
ohne auftretenden Staudruck aus dem kleinen Raum 14 in den größeren Raum 13 abströmen,
was zur sch len Löschung des Lichtbogens 41 führt. Die Löschmittelströmung E wird
somit zur Hauptströmung.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen einen elektrischen Schalter, dessen bewegliches
Kontaktstück als Schaltstift ausgeführt ist und die Bezugsziffer 51 trägt. Der Schaltstift
51 besitzt keinen Innenkanal. Der äußere Aufbau des Schalters entspricht dem der
in den Fig. 1 und 2, sowie 5 und 6 dargestellten Schalter. Insofern wird auf das
dort Ausgeführte verwiesen. Jedoch ist anstatt der Bohrung 5 zur Durchführung des
festen Kontaktstückes 4 eine vergrößerte Bohrung 52 vorgesehen, welche ein das bewegliche
Schalt stück 51 im eingeschalteten Zustand aufnehmendes Kontaktelement 53 umfaßt.
Der Aufbau des Kontaktelementes 53 ist an sich bekannt; es besitzt eine korbartige
Form mit der Öffnung in die Ausschaltrichtung. Am Rand 54 sind nach innen weisende,
der Kontaktierwlg mit dem Schaltstift 51 dienende Nocken 55 angeformt.
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Die Elektrode 8 ist mit diesem Kontaktelement elektrisch leitend verbunden.
Die Bohrung 52 ist von einem Top umgeben, dessen Ränder 57 flanschartig aufgebördelt
sind und zur Befestigung des Topfes 56 an der Außenseite der Endwand 2 dienen. Die
Stromzufuhr zum Kontaktelement 53 geschieht mittels einer durch die Endwand 2 quer
zur Achse des Schalters geführten Leitung 58.
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Innerhalb des Topfes 56 ist eine Kolbenwand 59 geführt, welche eine
schließbare Öffnung 60 aufweist, welche dem Gas einen Durchtritt in Pfeilrichtung
F gestattet, so daß sich bei einer Einschalthandlung kein Staudruck zwischen Kolbenboden
59 und Topfboden 56a bildet, der eine Einschaltung zumindest stark erschweren würde.
Zwischen Topfboden 56a und Kolbenboden 59 befindet sich eine Schraubenfeder 61,
welche den Kolbenboden 59 immer in Ausschaltrichtung beaufschlagt. Im eingeschalteten
Zustanddurchgreift der Schaltstift 51, wie in der Fig. 5 gezeigt, sowohl die Zwischenwand
10 als auch die Endwand 2 und drückt den Kolbenboden 59 entgegen dem Druck der Schraubenfeder
61 gegen den Topfboden 56a. Bei einer Ausschalthandlung wird der Schaltstift 51
in Pfeilrichtung A gezogen, wobei zwischen dem Kontaktelement53 und'dem Schaltstift
51 ein Lichtbogen entsteht, welcher schnell auf die Elektrode 8 wandert und auf
dieser rotiert. Gleichzeitig
wird der Kolbenboden 59 von der Feder
61 in Richtung A gedrückt und schiebt das im Topf 56 befindliche Gas durch das Innere
des Kontaktelementes 53 in den Brennraum 14. Hierdurch wird der Gasdruck im Brennraum
14 zusätzlich erhöht. Sobald der Schaltstift 51 die Zwischenwand 10 passiert hat,
strömt das Gas durch die Öffnung 11 aus dem Brennraum ab und löscht dadurch den
Lichtbogen 62.
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Selbstverständlich können auch andere Ausführungen verwendet werden;
so ist es ohne weiteres möglich, wie in Fig. 3 und 4 schon angedeutet, auf das Zylinderrohr
oder den Zylindertopf der Fig. 1 und 2, sowie 5 und 6 zu verzichten und den Kolben
dem Raum 13 anzupassen. Dabei ist es nicht erforderlich, daß das bewegliche Kontaktstück
einen Innenkanal aufweist; es kann auch, ähnlich wie in den Fig. 7 und 8, als voller
Schaltstift ausgebildet sein. Dabei würde jedoch die Beblasung des Lichtbogens im
Innenkanal wegfallen. Ebenso ist es möglich, einen Schalter nach der Fig. 7 mit
eineminLt Innenkanal versehenen Schaltstift zu versehen. Allerdings müßten dann
die Auslaßöffnungen im eingeschalteten Zustand noch innerhalb des Brennraumes 14
liegen, so daß ein vorzeitiges Abströmen des Gases durch den Innenkanal vermieden
ist. Ferner kann die Zusatzblaseinrichtung 52 bis 60 in Fig. 7 und 8, auch in Fig.
1 bis 6 zusätzlich angebaut werden.