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Die Erfindung betrifft einen Bleiakkumulator mit einem zylindrischen
Zellengefäß und einem Plattenblock aus kegelig gestalteten Plattengittern, deren
Längsrippen radial und deren Querstege konzentrisch zu einer Mittelöffnung an der
Kegelspitze angeordnet sind, und mit einem positiven und einem negativen Zellenpol
sowie einer Füll- und Ent gasungsöffnung im Zellendeckel.
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Wenn auch zylindrische Ausführungen bekannt sind (britische Patentschrift
21294); wurden Bleiakkumulatoren herkömmlich in regelmäßiger Sechseck-.oder-kastenähnlicher
Ausführung hergestellt mit rechteckigen, senkrecht angeordneten Platten. Diese Ausführungsform
hat von verschiedenen Standpunkten aus eine ansprechende Form, und die flache ebene
Platte ist auch vom Herstellungsstandpunkt aus wünschenswert. Die senkrechte Anordnung
der Platten ist ideal für das Entweichen der Gase; die sich an den Platten bilden
und in Blasenform aus dem aktiven Material des Akkumulators aufsteigen.
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Angesichts dieser Vorteile und da keine Nachteile erkannt wurden,
hat es bis jetzt keinen bedeutsamen Grund gegeben, Ausführungsänderungen zu erwägen.
Jedoch haben neuere Studien über das Versagen handelsüblicher Bleiakkumulatoren
Zweifel an der Richtigkeit dieser Ausführungsform hervorgerufen und haben eine Akkumulatorengestaltung
mit solchen Einzelmerkmalen ergeben, die eine radikale Abkehr vom herkömmlichen
Zellengefäß in Kastenform und von der rechteckigen Platte darstellen.
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Eine wichtige Anwendung handelsüblicher Bleiakkumulatoren ist die
als Notstromaggregat in Fernsprechzentralen. Für solcheZellen ist charakteristisch,
sie im Pufferbetrieb zu fahren, wobei die Zellen unter Ladung vollgeladen mit einer
Überspannung von einigen hundert Millivolt gehalten werden. Im Pufferbetrieb, bei
dem die -Akkumulatorenbatterie nur . zur Spitzendeckung, oder- Spannungshaltung
dient, ist die Lebensdauer wesentlich größer-als bei Akkumulatorenbatterien im Lade-Entlade-Betrieb.
Im Pufferbetrieb wird eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren gewünscht.
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Die neuere Erfahrung bei Ausfällen von Akkumulatorenbatterien geht
jedoch -dahin, daß die erwartete Lebensdauer nicht erreicht wird. Eine Untersuchung
des Versagens zeigte, daß vorzeitiger Ausfall oft der Konstruktion des Zellengefäßes
und insbesondere der Platten zuzuschreiben ist.
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Die vorherrschenden Ursachen des Versagens von Bleiakkumulatoren der
üblichen Ausführung im Pufferbetrieb gehen auf übermäßiges Wachstum der Platten
bei der Alterung zurück. Die positiven Platten vergrößern ihren Umfang, teilweise
infolge der elektrolytischen Bildung einer unlöslichen Art von Bleioxid. Schließlich
verwirft sich- die Platte so stark, daß aus den Rippen des Plattengitters die aktive
Masse herausfällt und damit die Kapazität des Akkumulators vermindert wird.
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Bei der Untersuchung der Art, in der die positive Platte wächst, wurde
gefunden, daß die rechteckige Plattenform bezüglich des Plattenwachstums eine .
ungünstige Konstruktion darstellt. Die Spannungen, die sich in den inneren Teilen
der Platte bilden, strahlen nach dem Plattenrahmen aus, aber die entwickelten Spannungen
sind ungleichförmig, da der Plattenrahmen rechtwinklige Form hat.
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Außerdem ist bei.der üblichen Plattenform das Gitter selbst zu schwach,
um dem Einftuß dieser Spannungen -entgegenzuwirken. Aus diesen Faktoren folgt, daß
die Platte sich bei Altern leicht verformt und in einer nicht voraussagbaren Weise
deformiert. Die Platten verwerfen sich bis zur Berührung und zum Kurzschluß durch
die Separatoren hindurch. Die Ecken können infolge der Konzentration der Spannungen
an dieser Stelle aufbrechen, und in extremen Fällen kann das Zellengefäß infolge
der Verformung durch die wachsenden Teile brechen. Die Abdichtung zwischen den Zellenpolen
und dem Zellendeckel des
Zellengefäßes ist besonders verletzlich,
weil die Korrosion des Plattenblockes Spannungen auf die Zellenpole ausübt.
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Veranlaßt durch diese Ausfälle von Akkumulatoren ergab die Neubewertung
der rechteckigen Plattenform noch andere Beobachtungen, welche nahelegen, daß diese
Form unbefriedigend ist. Insbesondere- ist die Stromverteilung, d. h. die Zufuhr
und Abgabe des Stroms von und zu den Platten grob ungleichmäßig. In der herkömmlichen
Zellenausführung ist eine Stromfahne an einer Ecke des oberen Plattenrahmens angebracht.
Man wird einsehen, daß der Stromweg zum aktiven Material an der unteren Ecke der
Platte von der Stromfahne weg beträchtlich länger ist als für die in der Nähe der
Stromfahne liegenden Bereiche. Bei einem neuen und betriebstüchtigen Akkumulator
mag dieser Umstand nicht wichtig sein, wenn er mit mäßiger Entladungsgeschwindigkeit
benutzt wird, da gewöhnlich nur ein unbedeutender Unterschied in den Widerständen
der Stromwege zueinander besteht. In Akkumulatoren jedoch, die für eine lange Lebensdauer
bestimmt sind, in der die Platte mit Wahrscheinlichkeit wächst oder in der Zelle
mit großer Geschwindigkeit entladen wird, können die Unterschiede der Widerstände
der Stromwege über die Plattenoberfläche merklich werden. Das Ergebnis kann eine
bemerkenswerte Verringerung der Kapazität des Akkumulators sein.
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Wenn auch Ausführungen mit rechteckigen oder zylindrischen gestapelten
Platten bekannt sind, um durch in der Zelle gebildete, aufsteigende Gasblasen die
Zirkulation des Elektrolyten zu verbessern (britische Patentschrift 21294), so ist
doch mit dem Abstützen der Platten nur an einzelnen Stellen keine Maßnahme gegen
das Wachsen der Gitter vorgenommen. Vielmehr ist das Ausbrechen der aktiven Masse
dadurch berücksichtigt, daß die konischen Platten glatt ausgeführt werden, um ein
besseres Abgleiten der herausbröckelnden aktiven Masse zur Verhinderung von Kurzschlüssen
zu ermöglichen, und daß Auffangvorrichtungen für die herabfallende aktive Masse
vorgesehen sind (österreichische Patentschrift 18995).
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Einige dieser Probleme werden von der Form des Akkumulators nach der
vorliegenden Erfindung zumindest teilweise gelöst. Bei der neuen Form werden die
Platten im. wesentlichen kreisförmig anstatt rechteckig ausgeführt und in einer
neuen Stapelanordnung so geschichtet, daß sie einen Akkumulator mit zylindrischem
Umfang bilden. Die positiven Platten, die bei der Alterung zu einem übermäßigen
Wachstum neigen, werden mit einem starken Stützring am Plattenumfang versehen, der
den beim Korrododieren der Platten entstehenden Spannungen entgegenwirkt. Um der
Entwicklung von Gasen aus der Plattenober--fläche Rechnung zu tragen, werden die
Platten gegen die Zellenmitte geneigt. Die radialen Teile (Längsrippen) der Platte
können geradlinig oder so entworfen sein, daß sie sich beim Wachstum in voraussagbarer
Weise ausdehnen. Im letzteren Fallkönnen die Längsrippen bogenförmig so gestaltet
sein, daß nach außen gerichtete Kräfte auf diese Teile ihre -Biegung vergrößern
und- dadurch -ein Minimum an ausdehnender Kraft' auf den äußeren Stützring ausüben.
Im Gegensatz zu der unbefriedigenden Stromverteilung, die man bei der üblichen rechteckigen
Plattenanordnung antrifft, ergibt sich bei Ladung und Entladung am gesamten Umfang
der Platte = gemäß der Erfindung eine gleichmäßige Stromverteilung über die Plattenfläche,
so daß die gesamte aktive Masse wirksam ausgenutzt wird.
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Die Erfindung besteht im einzelnen darin, daß jede negative Platte
eine an der Kegelspitze angeordnete Nabe ausweist, die durch die Nabe der jeweils
darunterliegenden negativen Platte getragen wird und mit ihr und einer dadurch ausgebildeten
Mittelsäule und mit dem negativen Zellenpol elektrisch verbunden ist, daß jede positive
Platte einen äußeren Stützring aufweist, der durch den Stützring der jeweils darunterliegenden
positiven Platte getragen wird und mit ihm und einem dadurch ausgebildeten Außenzylinder
und mit dem positiven Zellenpol elektrisch verbunden ist und daß jede positive Platte
an einer Mittelöffnung über einen Isolierkranz an die Naben der jeweiligen negativen
Platte grenzt und jede positive -Platte radial zwischen Mittelsäule und Außenzylinder
gelagert ist, wobei der Außendurchmesser jeder negativen Platte geringer als der
Innendurchmesser des Stützrings der positiven Platte und mit einem Isolierring überzogen
ist.
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Weiter schlägt die Erfindung vor, daß die Kegelflache der untersten
Platte des Plattenblocks auf einer kegeligen Lagerplatte aufliegt. Weiterhin können
die Naben der negativen Platte über schmelzbares elektrisch leitendes Material in
den Bohrungen der Naben miteinander vergossen sein. Ferner wird vorgeschlagen, daß
der Stützring der positiven Elektrode mit dem Umfang-der Kegelbasis zusammenfällt
und mindestens die zweifache Dicke der Längsrippen besitzt. Ein zusätzlicher erfindungsgemäßer
Vorschlag sieht vor, daß die Längsrippen der -positiven Elektrode sich bogenförmig
von der Mittelöffnung radial zum Stützring erstrecken. Außerdem wird der Vorschlag
gemacht, daß die Naben der Platten stützend mitein7 ander einrasten.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Aus= führungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeich= nungen näher erläutert werden. In der Zeichnung
zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zelle eines
Bleiakkumulators, teilweise geschnitten, F i g. 2 A eine perspektivische Ansicht
einer Platte gemäß der Erfindung und F i g. 2:B eine .perspektivische Ansicht einer
anderen Ausführungsform der Platte gemäß der Er= findung.
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F i g. 1 zeigt die neue Ausführung eines Bleiakkumulators in einer
perspektivischen, teilweise geschnittenen Vorderansicht, um Einzelheiten der Platten
und insbesondere die Stapelung zu zeigen. Das Zellengefäß 10 besteht aus üblichem
Material, ist aber -zylindrisch geformt, um sich dem Stapel dei kreisförmigen Platten
anzupassen. Der Zellendeckel 11 ist teilweise geschnitten gezeichnet und, mit drei
Öffnungen versehen. Der Flansch 12 umgrenzt eine Öffnung für den negativen Zellenpol
13, und der Flansch 14 ist die Öffnung für den positiven Zellenpol
15. Die Flansche 12 und 14 besitzen noch die Abschnitte 16 und
17, die unter dem Zellendeckel 11
-vorspringen und eine Führung für
die Zellenpole 13 und 15 bilden. Die Zellenpol-Konstruktion =enthält mehrere
Dichtungsringe 18, die für die senkrechte ,Ausrichtung der Zellenpole sorgen -und
ihre seitliche .Bewegung beschränken. Die Diclitungsringe... bewirken
auch
eine zweite Abdichtung für den Zellenpol im Fall eines Versagens der ersten Dichtung
und bestehen vorteilhafterweise aus einem säurefesten Material, wie synthetischem
Kautschuk. Die biegsamen Rohre 19 und 20 müssen aus säurefestem Material bestehen;
in einer bevorzugten Ausfüh= rungsform bestehen diese Dichtungen aus einem vorgeformten,
säurebeständigen Material mit in der Hitze schrumpfenden Manschetten und Bälgen,
wie gezeigt, die eine Relativbewegung zwischen den Zellenpolen und dem Zellendeckel
gestatten. In. manchen Fällen wird das Material elastisch genug sein; so daß vorgeformte
Bälge nicht notwendig sind. Die Manschette kann gleichfalls eine in der Hitze bindende
Substanz haben, die ihren inneren Teil auskleidet, so daß eine Heißverklebung leicht
an Zellenpol und Zellendeckel während der Herstellung durchgeführt werden kann.
Geeignete säurebeständige Werkstoffe für die Dichtungen 19 und ZO sind synthetischer
Kautschuk, Polyäthylen, Polypropyien, Polyvinylchlorid und Tetraluoräthylen.
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Diese Dichtungsform, die eine Relativbewegung zwischen den Zellenpolen
und dem Zellendeckel erlaubt, stellt weitgehend eine Sicherheitsmaßnahme gegen ungewöhnliche
Wachstumsbedingungen oder Verwendungszwecke dar, in denen die Zelle häufigen und
schweren Stößen wie in fahrbaren Einrichtungen unterworfen ist. Da die Grundkonstruktion
der Zelle derart ist, daß das Wachstum des Plattensatzes auf ein Minimum verringert
wird, sind normale Zellenpol-Abdichtungen im allgemeinen ausreichend.
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Die restliche öffnung im .Zellendeckel trägt einen zylindrischen senkrechten
Stutzen 21, der einem Fülltrichter 22 angepaßt ist. Der Fülltrichter 22 dient gleichzeitig
als Spritzschutz, - Explosionsfalle und Wasserstoffauslaß. Der obere Teil
23 des Trichters ist mikroporös, was Abzug und rasche Verteilung des Wasserstoffs
aus dem Inneren der Zelle gestattet, aber die Entzündung des Wasserstoffs durch
außerhalb der Zelle entstandene Flammen oder Funken verhindert. Der Trichter ist
im allgemeinen starr und aus mikroporösem Polyäthylen, Polypropylen, Tetrafluoräthylen,
keramischem Material, Steinzeug oder ähnlichem säurefestem Werkstoff hergestellt.
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Der Plattensatz besteht aus positiven und negativen Platten 43 und
35; die abwechselnd in senkrechter Anordnung mit Zwischenabständen gestapelt sind.
Die Lagerplatte 30 trägt den Stapel und ist aufwärts zum Zellenmittelpunkt
gewölbt. Diese Aufwärtswölbung ist charakteristisch und für alle gestapelten Platten
gemeinsam wie in F i g. 1 gezeigt. Das unterste Element in der Zelle ist eine negative
Platte 35, verbunden mit einer Platte 31, die im weggeschnittenen Teil der F i g.
1 gezeigt ist und die abgebildete allgemeine konische Form hat. Die Platte
31 ist mit einem Isolierring 32 aus säurebeständigem Material, wie
synthetischem Kautschuk oder Gummi, versehen, der seine äußere Kante umspannt. Der
Isolierring .ist dicker als die Platte, um die elektrische Isolation Tier äußeren
Bereiche der Platte gegenüber der nächsten zu sichern. Der Isolierring 32 dient
.auch der Verhinderung der Bildung von »Bleischwamm« oder dendritischem Wachstum
an der Kante der Platte. Der innerste Teil der Platte 31 hat eine ausgegossene,
in die nächstunterste negative Platte .zur Stützung einrastende Nabe 33. Die Oberkante
der Nabe ist mit einer inneren Abschrägung konstruiert, damit sie in eine andere
negative Plattennabe einrastet. Die übrigen negativen Platten 35 haben dieselbe
Ausführung. Die negativen Platten sind durch die ineinander einrastenden Nabenteile
weitgehend abgestützt und ausgerichtet, obwohl eine zusätzliche Stütze der gesamten
Plattenanordnung durch die Stapelung vorgesehen wird. Eine günstige Plattenpressung
wird auch über den gesamten Plattenbereich erreicht und aufrechterhalten. Die positiven
Platten 43 werden in ähnlicher Weise gestapelt, aber miteinander verbunden und weitgehend
am Umfang der Zelle gestützt. Die positive Platte besteht aus einem starken äußeren
Stützring 41 und Längsrippen 40;
der Stützring wirkt als Verstärkungsring
gegen Plattenwachstum wie auch als eine Plattenstütze bei der Stapelanordnung. Jede
positive Platte trägt an der Mittelöffnung einen Isolierkranz 42.
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Die Anordnung zur Verbindung des Plattenblocks mit den Zellenpolen
13 und 16 ergibt sich aus F i g. 1. Der negative Zellenpol 13 sitzt
in der Nabe der obersten negativen Platte 35, und der positive Zellenpol 15 ist
mit dem Stützring der -obersten positiven Platte verschweißt oder in anderer Weise
verbunden. Wenn auch die diesbezüglichen Platten in elektrischem Kontakt miteinander
gestapelt sind, zieht man doch im allgemeinen vor, daß ein innigerer Kontakt hergestellt
wird. Gewöhnlich wird dies durch Verschweißen der entsprechenden Platten in ihren
Kontaktpunkten erreicht. Indessen ist es unbequem und kostspielig, die negativen
Platten zusammenzuschweißen, da die zentrale Zellenpol öffnung so schmal ist, daß
ein Schweißen schwierig wird. Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung besteht in
einem Verfahren zur elektrischen Verbindung der aufgestapelten negativen Platten
35. Nachdem der Plattenblock komplett ist, wird geschmolzenes Blei oder eine geschmolzene
Legierung niedrigen Schmelzpunktes, der vorzugsweise nicht mehr als 100' C über
dem Schmelzpunkt der Platte liegt, in die Bohrung 24 der Naben
33 gegossen. Das geschmolzene Material wird durch die Bohrung bis zu einer
Höhe eingegossen, in der der Zellenpol und die oberste negative Platte sicher miteinander
verbunden sind. Hierdurch wird sichergestellt, daß das geschmolzene Material beim
Zusammenziehen während der Abkühlung nicht unterhalb einer wichtigen Bindungsstelle
schwindet. Das Kontaktstück 25; das die oberste Spitze des negativen Zellenpols
darstellt, kann mit Gewinde in der Bohrurig 24 oder durch andere geeignete
Maßnahmen befestigt sein. Alternativ kann eine Manschette oder ein Stab aus niedrigschmelzendem
Lot in die Bohrung 24 eingesetzt und die Bindung durch selektives Erhitzen des zentralen
Zellenpolbereiches vorgenommen werden. Alternativ können die Naben 33 jeder negativen
Platte 35, etwa durch Tauchen mit einem heißbindenden, elektrisch leitenden Material
überzogen werden, was wiederum ein niedrigschmelzendes Beilot sein kann. Die Bindungen
werden durch Erhitzen nach dem Zusammenstellen des Plattenstapels hergestellt. In
manchen Fällen kann :das Bindemittel ein Epoxyharz oder anderes nichtleitendes Klebemittel
sein. Die positiven Platten können nach den gleichen Methoden verbunden. werden.
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Der Separator 50 zwischen jeder Platte ist gewöhnlich ein geformtes
Abstandsstück aus üblichem Material wie Schaumgummi mit einer oder vielen Schichten
aus Glasfaser.
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Einzelheiten der Plattenform werden in F i g. 2 ,A
und
2 B gezeigt. F i g. 2 A ist eine perspektische Ansicht einer negativen Platte 35,
die eine Alternativform der Anordnung der radialen Konstruktionsglieder der Platte
zeigt. Längsrippen 31 und Nabe 33 werden normalerweise in einem Stück aus Blei oder
Bleilegierung gegossen oder gestanzt. Das Muster der radialen Konstruktionsteile,
der Längsrippe 31, kann nach Wunsch abgeändert werden. Es bestehen keine Bedenken
bei dieser besonderen Anordnung der radialen Rippen. Der Isolierring 32 und die
Nabe 33, die an Hand von F i g. 1 beschrieben wurden, sind deutlicher sichtbar:
F i g. 2 B ist eine perspektivische Ansicht einer Alternativkonstruktion der Platte,
wie sie speziell für die positive Platte 43 bestimmt ist. Wie schon angegeben, ist
es die positive Platte, die der Korrosion unterliegt und sich mit Wahrscheinlichkeit
bei der Alterung ausdehnt. Dementsprechend ist die positive Platte kreisförmig mit
einem äußeren Stützring 41 zur Verstärkung der Struktur versehen. Zur Definition
dieser neuen Konstruktion in bevorzugter Form habe der äußere Stützring wenigstens
die doppelte Dicke der Längsrippen. In F i g. 2 B wird die positive Platte
43 mit Längsrippen 40, dem starken äußeren Stützring 41 und
dem Isolierkranz 42 gezeigt. Die Längsrippen 40 sind speziell gestaltet,
so daß beim Wachstum der Platte; das nach außen gerichtete. Spannungen auf die Längsrippen
veranlaßt, diese bogenförmige Teile sich nur weiter biegen, und daher eine geringere
radiale Spannung ausüben, als dies bei einer Platte mit geraden Längsrippen der
Fall ist. Außerdem tritt ein Zusammenwirken bei der Verwerfung der radialen Längsrippen
in dem Sinne ein, daß sich alle Teile in gleicher Richtung und Art verwerfen und
damit die Tendenz der Bauteile vermindern, zusammenzuwachsen und sich auszubeulen
wie im Falle flacher, rechteckiger Platten. Wenn die bogenförmigen Längsrippen sich
ausdehnen, üben sie fortgesetzt einen Druck auf die Pastenformlinge aus, die in
dem Platten-Bitter festgehalten werden. Dies ist gleichfalls cif Ergebnis; das mit
den typischen Plattenformen vor. bekannter Art nicht erreichbar ist.
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Wie schon oben angegeben, soll die Plattenfläche geneigt sein, obwohl
es nicht als kritisch betrachte wird, ob die Platten zum Mittelpunkt der Zelle hir
oder davon weg geneigt sein sollen. Der Winkel, der die Plattenoberfläche gegen
die Horizontale bildet, ist der Wahl freigestellt. Er muß groß genug sein, um das
Entweichen der an der Plattenoberfläche entwickelten Gase während des Betriebes
zu erleichtern. Jedoch sind vom konstruktiven Standpunkt aus kleine Winkel günstiger.
Es wird angenommen, daß ein brauchbarer Winkelbereich in der Größe von 10 bis 40°
vorliegt. Mit kleinen Abwandlungen, speziell in der Ventilationsanordnung, kann
die Zelle Platte an Platte horizontal gestapelt verwendet werden. In diesem Fall
können die Platten eben sein. Diese Arbeitsweise wird als vollwertiges Äquivalent
der vertikal gestapelten und hier im einzelnen beschriebenen Plattenanordnung betrachtet.
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Die Platten werden wie üblich gastiert. Um die Gasentfernung zu erleichtern,
können Zwischenräume bei jeder Platte in annähernd vertikaler Ausrichtung der aneinander
stoßenden Platten im Stapel vorgesehen werden, so daß ein Gasweg von der untersten
Platte zum Raum oberhalb der obersten Platte und der Ventilationsöffnung besteht.
Bei der Anordnung der F i g. 1 würden die Gaskanäle im Zentrum der Zelle sein. Vier
Löcher in gleichen Abständen- rings um den inneren Umfang reichen bei dieser Formgebung
aus. Falls gewünscht; können mehr Löcher vorgesehen werden. Wenn die Platten in
entgegengesetzter Richtung geneigt sind, sollten die Gaskanäle am äußeren Umfang
der Zelle vorgesehen werden.
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Die Plattengitter können aus reinem Blei, aus einer Blei-Calcium-Legierung
mit Calciumgehalt kleiner als 0,10/0 oder einer Blei-Antimon-Legierung mit 3 bis
12% Antimon hergestellt sein.