AT521862B1 - Pyrotechnischer Stromtrenner - Google Patents
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Abstract
Der pyrotechnische Stromtrenner (1) trennt mit Hilfe eines von einem Zünder (15) angetriebenen Trennstempels (14) eine Platine (3) aus einem Leiter (2) heraus. Hinter dem Trennstempel (14) befindet sich ein Löschmittel (13) zum Löschen des bei der Trennung entstehenden Lichtbogens. Erfindungsgemäß befindet sich während des Trennvorgangs das Löschmittel (13) bereits in dem Bereich, wo der Leiter (2) durch das Gehäuse tritt, bevor der Stromfluss vollständig unterbrochen ist. Auf diese Weise wird durch das Löschmittel (13) die Fuge zwischen dem Leiter und dem Gehäuse zusätzlich abgedichtet. Konkret kann der Leiter U-förmig gebogen sein, oder die beiden nach dem Trennvorgang verbleibenden Leiterenden (2a, 2b) können jeweils einen (Schleif-)Kontakt (23a, 23b) besitzen, sodass unmittelbar nach der mechanischen Trennung weiterhin eine elektrische Verbindung von einem Leiterende (2a) über dessen Kontakt (23a) zur Platine (3) und von dieser Platine (3) über den Kontakt (23b) des anderen Leiterendes (2b) zum anderen Leiterende (2b) besteht. Erst wenn die Platine (3) den Bereich der Kontakte (23a, 23b) verlässt, kommt es zur Unterbrechung des Stromflusses.
Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Stromtrenner mit einem Gehäuse, in dem ein Trennstempel geführt ist, der durch einen Zünder antreibbar ist, wobei weiters durch das Gehäuse ein Leiter hindurchgeführt ist, aus welchem bei Zündung des Zünders durch den Trennstempel eine Platine abtrennbar ist, sodass nach dem Trennvorgang zwei Leiterenden mit einem Abstand dazwischen verbleiben, und wobei weiters - in Bewegungsrichtung des Trennstempels gesehen - hinter dem Trennstempel ein Löschmittel zum Löschen eines beim Trennvorgang entstehenden Lichtbogens vorgesehen ist.
[0002] Pyrotechnische Stromtrenner sind in Elektrofahrzeugen mittlerweile ein üblicher Bestandteil des Sicherheitskonzeptes für den Fall eines Unfalls. War es bei den konventionellen Fahrzeugen nur die 12 V-Batterie, die abgetrennt wurde, müssen bei Hybridfahrzeugen und vollelektrischen Fahrzeugen Batterien mit Spannungen bis zu 1000 V zuverlässig abgetrennt werden. Dem Zwang zu höherer Effizienz folgend sinken die Innenwiderstände der Batterien und damit steigen auch die erreichbaren Kurzschlussströme, die unterbrochen werden müssen.
[0003] Der Markt bietet eine Vielzahl von pyrotechnischen Stromtrennern, beispielsweise den in der EP 3103131 A2 beschriebenen Stromtrenner, der unter der Bezeichnung PSS 4 von Autoliv vermarktet wird.
[0004] Auch von der Anmelderin wurde in WO 2017/066816 A1 ein derartiger Stromtrenner beschrieben. Diese Schrift offenbart den Oberbegriff von Patentanspruch 1. Diese Stromtrenner können zwar mittlere bis hohe Ströme trennen, erzeugen jedoch während des Trennvorgangs massive Außenwirkungen in Form des Austritts von heißen Gasen oder Partikeln, die in Schaltboxen Kurzschlüsse verursachen können und damit das Schutzprinzip des Stromtrenners aushebeln oder sogar zu Bränden führen können.
[0005] Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, liegt dies unter anderem daran, dass der Bereich, wo der Leiter in das Gehäuse hinein bzw. aus diesem heraus geführt wird, nicht (jedenfalls nicht mit vernünftigem Aufwand) ausreichend abgedichtet werden kann, sodass heiße Gase und Partikel zwischen Leiter und Gehäuse nach außen dringen können.
[0006] DE 202018100728 U1 beschreibt einen Stromtrenner, bei dem der Leiter in Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft. Hierbei befindet sich an den Stellen, an denen der Leiter das Gehäuse verlässt, kein Löschmittel, die Abdichtung wird mittels O-Ringen sichergestellt. Dies setzt aber voraus, dass die Leiter keine scharfen Kanten aufweisen, andernfalls besteht die Gefahr, dass die O-Ringe bereits bei der Montage beschädigt werden.
[0007] DE 102010035684 A1 offenbart einen Stromtrenner, bei dem der Leiter von dem Löschmittel selbst unterbrochen wird, sodass dieser Stromtrenner nur dünne Leiter unterbrechen kann, da das Löschmittel - im Gegensatz zu einem Kolben - keine scharfen Kanten haben kann.
[0008] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromtrenner zu schaffen, bei dem die Außenwirkung auf ein Minimum verringert ist und der auch dicke Leitungen durchtrennen kann.
[0009] Diese Aufgabe wird durch einen pyrotechnischen Stromtrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich während des Trennvorgangs das Löschmittel bereits in dem Bereich, wo der Leiter durch das Gehäuse tritt, befindet, bevor der Stromfluss vollständig unterbrochen ist.
[0010] Das Löschmittel steht während des Trennvorgangs unter hohem Druck. Wenn es sich bereits in dem Bereich, wo der Leiter durch das Gehäuse tritt, befindet, bevor der Lichtbogen entsteht, wirkt das Trennmittel als zusätzliche Dichtung, die den Spalt zwischen Leiter und Gehäuse abdichtet. Ein derartiger Stromtrenner hat somit nur eine geringe Außenwirkung.
[0011] Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass der Leiter U-förmig gebogen ist, wobei sich die auszustanzende Platine im Rücken des U befindet und wobei der Rücken des U - in Bewegungsrichtung des Trennstempels gesehen - vor dem Bereich liegt, wo der Leiter durch das
Gehäuse tritt.
[0012] Eine andere mögliche Ausführungsform sieht vor, dass der Leiter im Wesentlichen eben ist, und dass die beiden Leiterenden jeweils einen Kontakt besitzen, der in Bewegungsrichtung des Trennstempels von den Leiterenden absteht, sodass unmittelbar nach dem Abtrennen der Platine weiterhin eine elektrische Verbindung von einem Leiterende über dessen Kontakt zur Platine und von dieser Platine über den Kontakt des anderen Leiterendes zum anderen Leiterende besteht. Es sind also am Leiter, und zwar am Rand der (zukünftigen) Leiterenden, zwei Kontakte angebracht, sodass unmittelbar nach der mechanischen Trennung weiterhin eine elektrische Verbindung besteht. Durch die beiden Kontakte wird also auch nach der mechanischen Trennung des Leiters mit maximal kurzstreckigen Lichtbögen zwischen Kontakt und Platine weiterhin ein Stromfluss über die Platine ermöglicht. Bei der Bewegung der Platine zwischen den Kontakten sollten nur Lichtbögen mit einer Länge von unter 2 mm auftreten. Die elektrische Trennung findet erst statt, nachdem die Platine die Kontakte verlassen hat. Da die hier auftretenden Lichtbögen nur geringe Ausdehnung besitzen, sind die freigesetzte Energie und damit auch die Außenwirkung gering. Erst wenn die Platine die Kontakte verlässt, entsteht ein großer Lichtbogen, aber zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Löschmittel bereits in der Ebene des Leiters und dichtet den Spalt zwischen Leiter und Gehäuse ab. Dadurch wird auch die Trennleistung verbessert, denn lässt man die Gase durch eine Öffnung aus dem Gehäuse treten, ist die Trennleistung deutlich verschlechtert.
[0013] Wenn die Platine den Bereich der Kontakte verlässt, beginnt die elektrische Trennung durch Längung der Lichtbögen und Wechselwirkung mit dem Löschmittel. Die Freisetzung der entstehenden Gase ist erschwert, weil sich bereits Löschmittel in der Leiterebene befindet und die Spalte zwischen Gehäuse und Leiter abdichtet.
[0014] Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen Trennstempel und Gehäuse maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm. Dadurch werden die Lichtbögen zwischen Trennstempel und Gehäusewand gequetscht, wodurch die Löschwirkung verbessert wird. D.h. es steht zwischen Trennkolben und Gehäusewand nach Verlassen der Platine des Bereichs der Kontakte nur ein schmaler Spalt für die Lichtbögen zur Verfügung.
[0015] Vorzugsweise sind die Kontakte Teil des Leiters. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht.
[0016] Vorzugsweise enthält das Löschmittel Silikon. Silikon hat den Vorteil, zusätzlich zur Löschwirkung Spalte gut abzudichten.
[0017] Erfindungsgemäß werden zwei Effekte erzielt: erstens bildet sich durch das zumindest teilweise Verschließen des Bereichs des Spalts zwischen Leiter und Gehäuse mit dem Löschmittel ein höherer Innendruck aus, und zweitens führt das Löschmittel zu einer Kühlung eventuell immer noch austretender Gase.
[0018] Die Außenwirkung lässt sich noch zusätzlich verringern, wenn der Stromtrenner ein zusätzliches Gehäuse aufweist. Besonders günstig ist es, wenn sich in dem zusätzlichen Gehäuse energieabsorbierendes Material befindet, vorzugsweise Glas, Stein oder Mineralwolle.
[0019] Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
[0020] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stromtrenner in der Ausgangsstellung; [0021] Fig. 2 denselben unmittelbar nach dessen Auslösung; [0022] Fig. 3 denselben in der Endstellung nach dessen Auslösung;
[0023] Fig. 4 die Stromstärke in Abhängigkeit von der Zeit, sowohl eines bekannten Stromtrenners als auch des erfindungsgemäßen Stromtrenners;
[0024] Fig. 5 zeigt die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit wiederum des bekannten Stromtrenners und des erfindungsgemäßen Stromtrenners;
[0025] Fig. 6 zeigt die Leistung in Abhängigkeit von der Zeit wiederum des bekannten Stromtrenners und des erfindungsgemäßen Stromtrenners; und
[0026] Fig. 7 die Außenwirkung in Abhängigkeit von der Zeit wiederum des bekannten Stromtrenners und des erfindungsgemäßen Stromtrenners.
[0027] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromtrenner 1 in der Ausgangsstellung. Der Stromtrenner 1 besitzt einen Leiter 2. Der Leiter 2 besitzt einen mittleren Bereich 3, der durch Sollbruchstellen 4a, 4b vom restlichen Leiter 2 abgegrenzt ist. Dadurch ergeben sich Leiterenden 2a, 2b. Wird dieser mittlere Bereich 3 aus dem Leiter 2 herausgebrochen, wird er auch als Platine bezeichnet. In der dargestellten Form besitzt der Stromtrenner 1 einen Gehäuseoberteil 5 und einen Gehäuseunterteil 6. Diese werden durch Verstärkungsbleche 7, 8 und Schrauben (sichtbar sind im Schnitt nur zwei Schrauben 9a und 9b) elektrisch leitend zusammengehalten. Alle Schrauben gehen seitlich am Leiter 2 vorbei. Der Stromtrenner 1 besitzt somit ein vom Leiter 2 isoliertes elektrisch leitfähiges Gehäuse, das im Bedarfsfall auf Fahrzeugmasse gelegt werden kann.
[0028] Der Gehäuseoberteil 5 besitzt im Inneren eine Bohrung 10, in der sich ein Druckkolben 11 mit O-Ring 12, ein Löschmittel 13 und ein Trennstempel 14 mit O-Ring 14’ befindet. Zur Auslösung des Stromtrenners 1 ist ein elektrischer Zünder 15 vorgesehen, der durch eine Umspritzung 16, die eine Stahlscheibe 17 beinhaltet, in Position gehalten wird.
[0029] Der Gehäuseunterteil 6 besitzt im Inneren ebenfalls eine Bohrung 18, in der sich ein Bremselement 19 und ein Boden 20 befinden. Der Boden 20 kann eine Bohrung 21 besitzen. Diese stellt ein Zusatzvolumen dar, wenn das Bremselement 19 während der Auslösung zusammengedrückt wird.
[0030] Der Leiter 2 besitzt zwei elektrische Kontakte 23a, 23b, die sich vom Leiter in die zünderferne Richtung erstrecken. Der Abstand der beiden Kontakte 23a, 23b ist so gestaltet, dass er der Größe der Platine 3 entspricht.
[0031] Fig. 2 zeigt den Stromtrenner 1 kurz nach der Auslösung. Der Druck des Zünders 15 nach der Auslösung drückt über den Druckkolben 11, das Löschmittel 13 und den Trennstempel 14 auf die Platine 3 und bricht sie entlang der Sollbruchstellen 4a, 45 aus dem Leiter 2. Im Weiteren verschiebt sich das gesamte Paket (Druckkolben 11, Löschmittel 13, Trennstempel 14, Platine 3) in die zünderferne Richtung. Dabei bewegt sich die Platine 3 entlang der Kontakte 23a, 23b. Das Bremselement 19 wird zusammengedrückt und stabilisiert die Bewegung der Platine 3. Ist der Leiter 2 beim Heraustrennen der Platine 3 stromdurchflossen, bilden sich zwei Lichtbögen zwischen den Leiterenden 2a, 2b bzw. den Kontakten 23a, 23b und der Platine 3 aus. Diese besitzen jedoch nur sehr geringe Länge und damit einen geringen Energieeintrag. Der Leiter ist in diesem Zustand zwar mechanisch getrennt, aber dennoch - zumindest bei höheren Strömen - elektrisch verbunden.
[0032] In Fig. 2 befindet sich die Platine 3 an den zünderfernen Enden der (Schleif-)Kontakte 23a, 23b. Im Folgenden verlässt die Platine 3 den Bereich der (Schleif-)Kontakte 23a, 23b, die Lichtbögen zwischen den Enden der (Schleif-)Kontakte 23a, 23b und der Platine 3 werden länger und der eigentliche Löschprozess beginnt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Löschmittel 13 bereits in der Ebene des Leiters 2 und füllt allfällige Spalte zwischen den Leiterenden 2a, 2b und Gehäuseoberteil 5 und Gehäuseunterteil 6 bei Druckbeaufschlagung aus. Die Leiterenden 2a, 2b werden mittels Löcher 24a, 24b, in denen sich Stifte 25a, 25b befinden, im Gehäuse fixiert. Bei dieser Anordnung ist die Trennebene zwischen Gehäuseoberteil 5 und Gehäuseunterteil 6 vom Ort der Lichtbögen getrennt und durch das Löschmittel geschützt. Ein direktes Entweichen heißer Gase entlang des Leiters 2 wird somit vermieden. Das Verschließen des Gehäuses durch das Löschmittel erhöht gleichzeitig den Druck im Gehäuse, wodurch die Lichtbögen besser gelöscht werden können.
[0033] Fig. 3 zeigt die Endposition von Trennstempel 14 und Platine 3. Das Bremselement 19 ist zusammengedrückt. Bis zu dieser Position steigt der elektrische Widerstand des Stromtrenners 1 durch Längung der Lichtbögen zwischen Platine 3 und Enden der (Schleif-)Kontakte 23a, 23b an, was sich in einem Anstieg in der Spannungskurve (siehe unten Fig. 5) zeigt. Besonders vor-
teilhaft ist, wenn der Lichtbogen bereits gelöscht ist, wenn die Platine die untere Position erreicht hat.
[0034] In Fig. 4 ist der Stromverlauf 31 eines gewöhnlichen bekannten Stromtrenners und der Stromverlauf 32 eines erfindungsgemäßen Stromtrenners zu sehen. Beide Kurven beginnen bei einer Stromstärke von 17 kA. Startpunkt ist die mechanische Trennung des Leiters, die an einer Anderung der Spannung am Stromtrenner erkennbar ist. Die Kurve des bekannten Stromtrenners beginnt rasch zu sinken, während die Kurve des erfindungsgemäßen Stromtrenners, solange sich die Platine im Bereich der Kontakte befindet, eine Art Plateau zeigt. Nach Verlassen des Bereichs der Kontakte zeigt die Stromkurve einen starken Abfall, der für eine gute Löschwirkung spricht. Die Trennzeit beträgt 0,65 ms beim bekannten Stromtrenner und 0,49 ms beim erfindungsgemäBen Stromtrenner.
[0035] Die Spannungskurven in Fig. 5 zeigen das gleiche Verhaltensmuster. Bei der Kurve 31 des herkömmlichen Stromtrenners steigt die Spannung rasch an, weil sich der Widerstand durch Längung der Lichtbögen erhöht, während der Widerstand und damit auch die Spannung am erfindungsgemäßen Stromtrenner (Kurve 32) bis ca. 0,2 ms weitgehend konstant bleibt. Nach Verlassen des Bereichs der Kontakte beginnt die Spannung, die den Innenwiderstand abbildet, stark zu steigen, weil sich die Lichtbögen längen und sie in Kontakt mit dem Löschmittel stehen. Die finale Löschspitze der Kurve des erfindungsgemäßen Stromtrenners ist bei ca. 2100 V abgeschnitten, was durch den Messbereich der verwendeten Geräte bedingt ist. Nach erfolgter Trennung liegt an beiden Stromtrennern die Quellspannung von 500 V an.
[0036] Auch die Leistungskurven, die sich aus Strom multipliziert mit Spannung berechnen, in Fig. 6 zeigen das Verhalten der beiden Stromtrenner. Während die Verlustleistung 31 des bekannten Stromtrenners rasch zu steigen beginnt, hat die Leistung 32 des erfindungsgemäßen Stromtrenners zunächst ein Plateau und beginnt anschließend zu steigen. Die Fläche unter den Leistungskurven entspricht der Energie. Sie wird wesentlich beeinflusst durch die Energie Eid, die in einer Induktivität L bei einem Strom | gespeichert ist (Eina= 1?-L/2). Hinzu kommt ein ohmscher Anteil, der größer wird, je länger der Trennvorgang dauert und somit der Lichtbogen weiterbrennt. Der bekannte Stromtrenner zeigt eine etwas höhere Energie als der erfindungsgemäße Stromtrenner.
[0037] Zur Quantifizierung der Außenwirkung wurden die Stromtrenner mittels einer Highspeed Kamera unter identen Bedingungen (Shutter, Blende, ...) mit 120 k FPS gefilmt. Zur Analyse wurden die Pixel jedes Videoframes im HSV-Farbraum (HSV = Hue Saturation Value, also Farbton, Sättigung, Helligkeit) untersucht. Der HSV-Farbraum ist ein zylindrisches Farbkoordinatensystem im Gegensatz zum RGB Farbraum, der ein kartesisches Farbkoordinatensystem darstellt. Der Vorteil des HSV-Systems ist, dass die Helligkeit (Value) unabhängig vom Farbton (Hue) und der Farbsättigung (Saturation) bewertet werden kann. Das erleichtert die Detektion der Außenwirkung, da nur ein Wert (Value) bewertet werden muss. Der Maximalwert, den die V-Wertänderung erreichen kann, ist per Definition 1.
[0038] Zur Bewertung der Außenwirkung wurden die Anzahl der Pixel gezählt, die im Lauf der Aufnahme eine untere Grenze der V- Wertänderung überschreiten und diese Zahl im Verhältnis zur Gesamtanzahl der Pixel gesetzt.
[0039] Die untere Grenze der V-Wertänderung, ab der eine Außenwirkung gezählt wird, wurde so gewählt, dass der bekannte Stromtrenner eine Außenwirkung von annähernd 100% hat. Der erfindungsgemäße Stromtrenner hat nur einen maximalen Wert von 30%, d.h. die Außenwirkung ist um mehr als die Hälfte reduziert.
[0040] Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Außenwirkung. Während der normale Stromtrenner (Kurve 31) unmittelbar mit Beginn des Trennvorgangs die Außenwirkung zeigt, tritt diese beim erfindungsgemäßen Stromtrenner (Kurve 32) erst später und mit viel geringerer Intensität auf. Genaugenommen tritt die Hauptmenge der heißen Gase erst nach Abschluss des Trennvorgangs auf.
[0041] Die Reduktion der Außenwirkung kann durch Einhausen des Stromtrenners weiter ver-
bessert werden, insbesondere, wenn sich in der Einhausung energieabsorbierendes Material, z.B. Glaswolle, Steinwolle oder Mineralwolle, befindet. Damit lässt sich die Außenwirkung unter die optische Beobachtbarkeit drücken.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Stromtrenner
2 Leiter
2a, 2b Leiterenden
3 mittlerer Bereich von 2 bzw. Platine
4a, 4b Sollbruchstellen
5 Gehäuseoberteil
6 Gehäuseunterteil 7 Verstärkungsblech 8 Verstärkungsblech 9a, 9b Schrauben
10 Bohrung
11 Druckkolben
12 O-Ring
13 Löschmittel
14 Trennstempel
14' O-Ring
15 Zünder
16 Umspritzung
17 Stahlscheibe
18 Bohrung
19 Bremselement
20 Boden
21 Bohrung
23a, 23b Kontakte 24a, 245 Löcher 25a, 250 Stifte
Claims (8)
1. Pyrotechnischer Stromtrenner (1) mit einem Gehäuse, in dem ein Trennstempel (14) geführt ist, der durch einen Zünder (15) antreibbar ist, wobei weiters durch das Gehäuse ein Leiter (2) hindurchgeführt ist, aus welchem bei Zündung des Zünders (15) durch den Trennstempel (14) eine Platine (3) abtrennbar ist, sodass nach dem Trennvorgang zwei Leiterenden (2a, 2b) mit einem Abstand dazwischen verbleiben, und wobei weiters - in Bewegungsrichtung des Trennstempels (14) gesehen - hinter dem Trennstempel (14) ein Löschmittel (13) zum Löschen eines beim Trennvorgang entstehenden Lichtbogens vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich während des Trennvorgangs das Löschmittel (13) bereits in dem Bereich, wo der Leiter (2) durch das Gehäuse tritt, befindet, bevor der Stromfluss vollständig unterbrochen ist.
2. Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2) U-förmig gebogen ist, wobei sich die auszustanzende Platine im Rücken des U befindet und wobei der Rücken des U - in Bewegungsrichtung des Trennstempels (14) gesehen - vor dem Bereich liegt, wo der Leiter (2) durch das Gehäuse tritt.
3. Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2) im Wesentlichen eben ist, und dass die beiden Leiterenden (2a, 2b) jeweils einen Kontakt (23a, 23b) besitzen, der in Bewegungsrichtung des Trennstempels (14) von den Leiterenden (2a, 2b) absteht, sodass unmittelbar nach dem Abtrennen der Platine weiterhin eine elektrische Verbindung von einem Leiterende (2a) über dessen Kontakt (23a) zur Platine (3) und von dieser Platine (3) über den Kontakt (23b) des anderen Leiterendes (2b) zum anderen Leiterende (2b) besteht.
4. Stromtrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Trennstempel (14) und dem Gehäuse maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm beträgt.
5. Stromtrenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (23a, 23b) Teil des Leiters (2) sind.
6. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel (13) Silikon enthält.
7. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromtrenner (1) ein zusätzliches Gehäuse aufweist.
8. Stromtrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem zusätzlichen Gehäuse energieabsorbierendes Material befindet, vorzugsweise Glas, Stein oder Mineralwolle.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
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2019
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