DE2142382A1 - Verfahren zur Einkapselung von elektronischen Bauelementen, insbesondere Kondensatoren, sowie nach diesem Verfahren hergestellter eingekapselter Kondensator - Google Patents
Verfahren zur Einkapselung von elektronischen Bauelementen, insbesondere Kondensatoren, sowie nach diesem Verfahren hergestellter eingekapselter KondensatorInfo
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Description
2U2382
Patentanwälte Dipl.-Ing. F. "Weickmann,
Dipl.-Ing.-H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820
<983921/22>
P.R. Mallory & Co. Inc.
3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana, V.St.A.
Verfahren zur Einkapselung von elektronischen Bauelementen, insbesondere Kondensatoren, sowie nach diesem Verfahren
hergestellter eingekapselter Kondensator
Die Erfindung bezieht sich auf die Einkapselung von elektronischen
Bauelementen, wie Batterien, Kondensatoren und Halbleitereinrichtungen, zu denen Dioden, Transistoren, etc. gehören.
Obwohl die Erfindung nachstehend im Hinblick auf Kondensatoren erläutert wird, dürfte einzusehen sein, daß die Erfindung
darauf nicht beschränkt ist.
Die bisherige Erfahrung auf dem Kondensatorgebiet hat deutlich die Forderung erkennen lassen, daß Bedarf an einer Schutzabdichtung für Kondensatoreinheiten besteht. Unter den bedeutenden
Erwägungen, die zu dieser Forderung geführt haben, sind zu nennen: Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit, Beständigkeit
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gegenüber chemischem Angriff, Beständigkeit gegenüber Dämpfen, Beständigkeit gegenüber Wärmeverzug, mechanische
Festigkeit, Beibehaltung des verwendeten Elektrolyten und Beibehaltung elektrischer Eigenschaften.
Gemäß den bisher angewandten Verfahren wurde ein Kondensatorkörper
in einem Metallbehälter oder Kunststoffbehälter eingekapselt, und das offene Ende wurde durch einen Kombinationsdeckel
verschlossen, welcher in dem offenen Ende des Behälters durch ein geeignetes federndes ringförmiges Material
unter Druck stehend gehalten wurde. Der Kombinationsdeckel bzw„ KombinationsVerschluß wurde im allgemeinen aus zwei
zusammengepreßten Schichten hergestellt. Die an dem Behälter anliegende Schicht des Kombinationsdeckels war dabei in
typischer Weise aus einem leicht zusammendrückbaren Material
hergestellt, wie aus Gummi. Die andere bzw. äußere Schicht des Kombinationsdeckels war in typischer Weise aus einem
festen Isoliermaterial hergestellt, wie aus einem Phenol oder dgl.. Der Gummi wurde dabei im allgemeinen dazu benutzt,
unter dem Einfluß der tiurch den federnden Ring ausgeübten Druckkräfte eine annehmbare Enddichtung hervorzurufen.
Es dürfte ersichtlich sein, daß das Gehäuse eines Kondensators damit aus drei gesonderten und unterschiedlichen Teilen
bestand, nämlich aus dem Metallbehälter bzw. Kunststoffbehälter und aus dem Kombinationsdeckel des federnden bzw.
elastischen Endes, für den mehrere unterschiedliche Materialarten und mehrere gesonderte und unterschiedliche Bearbeitungsschritte
erforderlich sind. Dadurch steigen die Herstellkosten des Kondensators an.
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Wenn darüber hinaus der Ring keinen geeigneten Sitz hat oder wenn der Kombinationsdeckel keinen geeigneten Sitz
hat oder wenn die Komponenten des Kombinationsdeckels nicht
in richtiger Weise zusammenpassen, wird keine wirksame Endabdichtung
für den Kondensator erzielt.
Es ist bereits an anderer Stelle (US-Patentanmeldungen, -Serial Nos. 659 507 und 852 139) ein Verfahren vorgeschlagen
worden, gemäß dem Teile eines ein elektronisches Bauelement enthaltenden Kunststoffbehälters mit Hilfe von Ultraschallenergie
zusammengefügt werden, und zwar mittels einer ein Zungenteil und ein Nutteil umfassenden Verbindung. Die Zungen-
und Nut-Verbindung führt jedoch nicht zu zufriedenstellenden " Verbindungen mit hoher Zuverlässigkeit für sämtliche Anwendungszwecke,
da nämlich der Kontaktbereich in der Zungen- und Nut-Verbindung für einige Anwendungsfälle zu groß ist.
Es besteht ferner der Wunsch, die Forderung nach einer teuren bzw. aufwendigen Hardware zu vermeiden, die normalerweise
erforderlich ist, um einen Kondensator in einer elektronischen Einrichtung festzuhalten. Häufig ist es dabei
erwünscht, daß die Trageinrichtungen auch als Anschlüsse verwendet werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu \
zeigen, wie offene Enden von elektronische Bauelemente enthaltenden
Behältern abgedichtet werden können, indem ein einziger Kunststoff verwendet wird. Dabei ist im besonderen
ein Verfahren zum Verschließen des offenen Endes eines Kunststoffbehälters anzugeben, wobei eine Ultraschweißung angewandt
werden soll. Dabei sollen im weiteren thermoplastische Stoffe, die ineinandergefügt sind, durch W_Järme miteinander verschweißt
werden können, welche durch die von einer Ultra-
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schalleinrichtung abgegebenen Schwingungen hervorgerufen
wird. Ferner ist ein Verfahren zur Abdichtung der an einer Verbindungsstelle vorhandenen, ineinandergefügten Materialien
durch Wärmeeinwirkung zu schaffen. Außerdem soll ein Verfahren zum Verschließen der Enden von Kondensatorbehältern geschaffen
werden, das einfach und wirtschaftlich ist. Im übrigen soll ein Verfahren zur Ultraschallschweißung eines Endverschlusses
eines Kondensatorbehälters geschaffen werden, wobei eine ausgezeichnete mechanische Verbindung erzielt werden soll.
Schließlich sollen Halte- oder Trageinrichtungen als Teil des geformten Behälters vorgesehen werden.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.
An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer vertikalen Teilschnittansicht die Beziehung zwischen einem typischen Kondensator und einem bei
der Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung benutzten Ultraschall-Schweißkopf.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Kondensators gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht längs der in Fig. 2 eingetragenen
Linie 3-3.
Figuren 4 bis 6 zeigen in Seitenansichten verschiedene Befestigungseinrichtungen
zur Befestigung des Kondensators gemäß der Erfindung in einem Behälter und/oder Chassis.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird, allgemein gesagt, durch eineian einem Ende offenen Becher aus einem
Thermoplast gelöst, in den ein hergestelltes elektronisches
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Bauelement eingesetzt wird, woraufhin auf das offene Ende des betreffenden Bechers ein Verschlußdeckel aufgesetzt
wird, der aus einem Material besteht, das mit dem Bechermaterial kompatibel ist. Der betreffende Verschlußdeckel wird
dabei mit dem Becher in einer Zusammenfügungs-Beziehung gehalten. In dieser Ste Llung bzw. Beziehung werden der Becher
und der Verschluß im Bereich ihrer Verbindung durch Ultraschweißung miteinander verbunden. Dadurch ist ein einziger
Behälter von einheitlichem Aufbau geschaffen, der das betreffende elektronische Bauelement umgibt.
Im folgenden sei auf die Zeichnungen näher eingegangen. In Fig. 1 ist ein elektronisches Bauelement gezeigt, wie ein
Kondensatorwickel 10, der nahezu von zylindrischer Form ist. Der Kondensatorwickel 10 weist im Bereich seiner Mitte einen
Öffnungsteil 11 auf, mit welchem der betreffende Kondensatorwickel auf ein Dornelement 12 aufgesteckt ist, das von dem
Boden des den Kondensatorwickel umgebenden Behälters 28 absteht. Der Behälter 28 besteht aus zwei Teilen, nämlich einem
an einem Ende offenen Becher 13 und aus einem Endverschlußteil 2 3. Bei dem hier dargestellten Beispiel ist eine Aluminiumfolie
10 mit einem als Zwischenlage verwendeten absorbierenden Material 15, wie Papier, aufgewickelt und mit
einem flüssigen Elektrolyten getränkt, wie mit einem Gemisch, I enthaltend grundsätzlich Äthylenglykol und Borsäure. Es sei
jedoch bemerkt, daß die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Von dem so hergestellten Wickelkörper 10 verlaufen Anschlußdrähte
16 und 17 weg; sie sind mit elektrischen Anschlüssen
und 19 in geeigneter Weise verbunden, wie durch Nietung bzw. Nieten oder Schweißung. Der Kondensatorbecher 13 weist ein
offenes Ende 21 auf, das durch einen Randteil 22 gebildet ist. Der Deckel 23 weist mehrere eindeutige Merkmale auf.
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So weist der betreffende Deckel 23 eine Schulter 24 auf, welche den Deckel auf den Becher in eine entsprechende Lage
bringt, und zwar durch Anlage an der Innenfläche des Bechers 13,
Auf diese Weise ist eine Bewegung des Deckels 13 während der Anwendung einer Schwing-Verbindungsenergie vermieden. Ein
V-förmiger Energieleiter 25 an dem Deckel dient dazu, die
Schwingenergie auf den Becher "13 zu übertragen und damit eine
Erwärmung des Deckels 23 und des Bechers 13 hervorzurufen.
Der Energieleiter gewährleistet dabei eine ausreichende Erwärmung, so daß eine Schmelzung lediglich an den zu verbindenden
bestimmten Bereichen hervorgerufen wird.
Der hergestellte Kondensatorwickel bzw. Kondensatorkörper 10 wird mit dem Endverschlußteil bzw. Deckel und den angeschlossenen
Anschlußdrahten zunächst in den Becher 13 eingesetzt.
Sodann wird ein Ultraschall-Schweißkopf 26, der ein geeignet geformtes Horn 27 aufweist, in Arbeitsbeziehung zu
dem Endverschluß gebracht, und zwar derart, daß der Energieleiter unter Bildung eines einzigen, zusammenhängenden Behälters
für die Einkapselung des Kondensatorwicicels verschweißt
werden kann. Das zuvor erwähnte Horn 27 kann irgendeine geeignete Form aufweisen; es ist über einen Verlängerungsschaft 29 mit dem Schweißkopf 26 verbunden.
Der Schweißkopf 26 ist in der Praxis ein Schallwanciler, der
den von einer Speisequelle (nicht gezeigt) gelieferten Wechselstrom in mechanische Schwingungen derselben Frequenz
umsetzt. Derartige Frequenzen liegen gewöhnlich im Ultraschallbereich
bei höheren Werten als 20 000 Schwingungen pro Sekunde. Vorzugsweise ist das Horn 27 von einer geeigneten
Form, so daß es gegen den Verschluß 25 geführt werden kann, um auf einfache Weise die mechanischen Schwingungen
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auf den betreffenden Verschluß zu übertragen und den Druck gegen diesen Verschluß beizubehalten. Auf diese Weise wird
ein Ultraschallweg gebildet, der radial durch den betreffenden Endverschluß hindurchläuft. Jegliche Diskontinuität in
dem Ultraschallweg ruft- eine Energieableitung hervor, was zu einem Wärmeverlust führte Bei der vorliegenden Erfindung tritt
eine Diskontinuität an der Verbindungsstelle zwischen dem Endverschluß 25 und dem Becher 13 auf. An dem betreffenden Verbindungspunkt
wird Wärme freigegeben, wodurch der Verschluß und der Becher unter Ausübung eines Druckes von dem Horn her
zusammenhängend miteinander verbunden werden. Auf diese Weise wird also ein einheitlicher Behälter 28 gebildet, der den
Kondensatorwickel bzw. Kondensatorkörper 10 umgibt. Es dürfte einzusehen sein, daß der Kondensatorwickel mit dem Becher
in einer geeigneten Anschlageinrichtung oder Befestigungseinrichtung festgehalten wird,um eine Ausführung einer wirksamen
Verbindung zu ermöglichen.
Allgemein gesagt bestehen der Becher 13 und der Endverschluß aus einem Kunststoff, der eine geringe Dämpfung auf die Schallausbreitung
ausübt. Dadurch ist sichergestellt, daß die Ultraschallschwingungen wirksam durch das Material übertragen
werden. Darüber hinaus müssen die Materialien im Hinblick auf ihre Verwendung zur Einkapselung des elektronischen Bauelements
gewählt werden. Für Bauelemente, wie Kondensatoren und Batterien, können der Becher 13 und der Endverschluß (Deckel) aus einem
Thermoplast hergestellt sein, wie aus Polypropylen-, Polyamid-, Polystyrol-, Polykarbonat- und Polyazetatharzen. Polypropylenharze
werden aus wirtschaftlichen Gründen und der erwünschten physikalischen Eigenschaften wegen jedoch bevorzugt.
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Eine gute zusammenhängende Verbindung hängt zu einem großen Ausmaß von der Ausbildung der Verbindungsstelle bzw. Verbindung
ab,, Im allgemeinen ist es wichtig, daß zu einem Zeitpunkt
nur ein kleiner Kontaktbereich an der Verbindungsstelle vorhanden ist, so daß die Schmelzung schnell erfolgt. Wenn zuviel
Kunststoff zu einem Zeitpunkt in Kontakt ist, wirkt der betreffende Teil selbst als Wärmesenke, die Wärme von dem Verbindungsbereich
abzieht. Dadurch erreicht der Kunststoff dann "niemals seine kritische Schmelztemperatur. Der in Fig„ 1 dargestöllte
V-förmige Energieleiter 25 ist eine besonders gute Verbindungsform, und zwar wegen der kleinen Fläche des mit dem
feststehenden Teil in Kontakt befindlichen schwingenden Teils. Die in Fig. 1 dargestellte Schulter 24 ist von besonderer Bedeutung,
da sie nämlich den Deckel an einem Verrutschen hindert, während das Material in der Schweißzone plastisch ist«
Es sei bemerkt, daß durch die Verwendung des Energieleiters 25 die Verbindungsoperation sehr schnell ausgeführt werden kann,
und zwar in einer Zeitspanne von weniger als 5 Sekunden und häufig sogar noch schneller, wie in drei Sekunden bzw. noch
schneller.
Neben den Schraub-Me.talleinsätzen 18 und 19 enthält der
Deckel 23 noch ein Ventil 40 , das zur Entlastung des Kondensators dient, und zwar in dem Fall, daß sich innerhalb
der betreffenden Einrichtung hohe Innendrucke ausbilden. Das Ventil 40 enthält einen .hohlen zylindrischen Teil 42 mit einem
sich erweiternden Teil 43, der an der Unterseite des Verschlusses bzw. Deckels 23 anliegt. Diese Form ist dabei lediglich
zur Darstellung gewählt; es können auch andere Formen verwendet werden. Der zylindrische Teil 42 kann z.B. kegelförmig ausgebildet sein. Das betreffende Ventil 40 weist eine
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Membran 41 auf, deren Dicke im Hinblick auf das verwendete bestimmte Material so gewählt ist, daß dann, wenn der Druck
innerhalb der Einrichtung einen bestimmten Wert erreicht, diese Membran reißt. Das Ventil kann aus einem Elastomer
aus einer Vielzahl von Elastomeren hergestellt sein» Beispiele für Materialien, die für das Ventil verwendet werden können,
sind Copolymere von Butylgummi, der auf Styrol aufgepfropft ist (Kraton Shell Oil Company), Butylgummi, der auf eine
hohe Dichte besitzendes Polyäthylen aufgepfropft ist (Allied Chemical 11HD)0
Ein weiteres bedeutendes Merkmal der vorliegenden Erfindung g
liegt darin, daß Maßnahmen zur Anbringung der umkapselten Einrichtung.in bzw. an einem Behälter und/oder Chassis getroffen
worden sind. Eine derartige Maßnahme besteht in der Bereitstellung von Gewindeöffnungen in dem Becher, und zwar
vorzugsweise im unteren Teil des Bechers. Eine oder mehrere derartige Gewindeöffnungen können dabei direkt in dem Behälter
bzw. Becher geformt sein» Es ist aber auch möglich, daß diese Gewindeöffnungen in Metallschraubeinsätzen enthalten sind,
von denen in Fig. 1 zwei gezeigt und mit 31 und 32 bezeichnet sind.
Im Unterschied zu den betrachteten Maßnahmen kann für die Anbringung ein geformter Flansch 50 vorgesehen sein, der einen f
Teil der Befestigungseinrichtung bildet. So können z.B., wie dies das Beispiel gemäß Fig. 5 zeigt, eine oder mehrere
Öffnungen 52, 53 vorgesehen sein, die für eine Schrauben/
Muttern-Verbindung ausgenutzt werden. Ein weiteres Beispiel
ist in Fig. 6 gezeigt. Gemäß Fig. 6 werden Glieder 60 in geeignet vorgesehene Öffnungen des Chassis eingedrückt. Die
Öffnung bzw. der Schlitz 63 ermöglicht dabei ein Zusammenziehen der betreffenden Glieder in diesem Fall. Die aus-
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ladenden Teile 62 halten die Einrichtung dann in dem Behälter und/oder Chassis fest.
Bei einer noch anderen Konstruktionsart kann ein Gewindeansatz 70 vorgesehen sein, und zwar entweder als Einsatz, der
z.B. aus Metall besteht, oder als Ansatz mit einem Gewinde Dieser Ansatz kann in dem Kunststoffbecher gebildet sein. Eine
Mutter 72 wird dann dazu benutzt, die betreffende Einrichtung in Anlage an einem Chassis C zu halten. Gemäß einem weiteren
Beispiel können Finger 80 mit dünnen Bereichen bzw. Stegen und einem ausladenden Teil 82 gebildet sein, um in den Behälter
und/oder das Chassis zum Zwecke des Festhaltens der betreffenden Einrichtung eingesetzt werden zu können.
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Claims (1)
- 2U2382PatentansprücheM.JVerfahren zur Einkapselung eines elektronischen Bauelementkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Bauelementkörper (10) in einen ein offenes Ende (21) aufweisenden thermoplastischen Becher (13) eingesetzt wird, der eine der Form des elektronischen Bauelementkörpers (10) weitgehend entsprechende Form auf-undweist,/daß ein thermoplastischer Endverschluß (23) mit zumindest einem Energieleiter·(25) auf den Außenrand (22) des Bechers (13) aufgesetzt und einer solchen Ultraschallschwingung ausgesetzt wird, daß ein Ultraschallweg durch den Endverschluß (23) und den Energieleiter (25) verläuft, bei dem an dem Verbindungspunkt zwischen dem Endverschluß (23) und dem Becher (13) auftretende Wärme freigegeben wird, durch die der Endverschluß (23) und der Becher (13) unter Bildung eines einzigen, zusammenhängenden Behälters (28) miteinander verbunden werden.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Becher (13) und der Endverschluß (23) aus einem thermoplastischen Material, das aus der Polypropylen-, Polyamid-, Polystyrol-, Polykarbonat- und Polyazetatharze umfassenden Stoffgruppe ausgewählt ist, hergestellt werden.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein derart ausgebildeter Endverschluß (23) verwendet wird, daß die Anlage in dem offenen Ende (21) des Bechers (23) während der Verbindungsherstellung unterstützt wird.4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3f zur Umkapselung eines Kondensatorkörpers, bei dem eine Folie20 9812/0983mit einem Absorptionsmaterial zu einem Kondensatorwickel gewickelt ist, der mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt ist und der Anschlußdrähte aufweist, dadurch gekennzeichnet s daß der Kondensatorwickel (1O) in einen Umkapselungsbehälter (28) eingesetzt wird, dessen Form weitgehend der Form des Kondensatorwickels (10) entspricht und der mit elektrischen Anschlüssen (18,19) mit den Anschlußdrähten (16,17) elektrisch verbunden wird, und daß der Um-•kapselungsbehälter (28) aus zwei thermoplastischen Teilen (13,23) hergestellt wird, die durch Ultraschallschweißung miteinander zusammenhängend verbunden werden.'5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (13,23) mit einer Aufnahme (24) versehen werden, durch die die Anlage der betreffenden Teile (13,23) vor und während der Verbindungsherstellung unterstützt wird.6. Verfahren nach Anspruch 5f dadurch gekennzeichnet, daß das ein Teil (23) mit Einrichtungen (z.B. 31,32) zur Anbringung an einem Behälter und/oder Chassis versehen wird.7. Kondensator mit einem Wickel aus einer Metallfolie und einem absorbierenden Material,das mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt ist, gekennzeichnet durch die Herstellung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 und dadurch, daß der Wickel (10) mit seinen Anschlußdrähten (16,17) von einem Behälter (28) aufgenommen ist, der aus zwei Behälterteilen (13,23) besteht, von denen zumindest der eine Behälterteil (23) zumindest einen Energieleiter (25) vor der Verbindung der beiden Behälterteile (13,23) aufweist.209812/09832U23828. Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (28) aus einem Thermoplast besteht, das aus der Polypropylen-, Polyamid-, Polystyrol-, PoIykarbonat- und Polyazetatharze umfassenden Stoffgruppe ausgewählt ist.9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der eine Behälterteil (23) eine Einrichtung (24) zur Festhaltung vor und während der Verbindung mit dem anderen Behälterteil (13) aufweist.10. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (16,17) des Wickels an elektrische Anschlußklemmen (18,19) angeschlossen sind.11. Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußklemmen (18,19) aus Metalleinsätzen in dem einen Behälterteil (23) bestehen.12. Kondensator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze in dem Behälterteil (23) eingeschraubt sind.13. Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (28) Befestigungseinrichtungen aufweist.14. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen (50,51) an dem Behälter (28) angeformt sind.15. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen Metalleinsätze (31,32) enthalten.209312/098316. Kondensator nach Anspruch 14f dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen zumindest einen
Flansch (50,51) enthalten.17. Kondensator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (50,51) zumindest eine Befestigungsöffnung (52,53) aufweist.18. Kondensator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (50,51) zumindest eine Befestigungsaufhängeeinrichtung aufweist.19. Kondensator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen zumindest ein Mutternteil (31,32) enthalten.20. Kondensator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen zumindest ein Schraubteil (71) enthalten.21. Kondensator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,daß die Befestigungseinrichtungen zumindest eine Aufhängeeinrichtung (81,82;61,62) enthalten.22. Kondensator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen eine Vielzahl von Aufhängevorrichtungen (61,62;81,82) enthalten.209812/0983
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