DE2652348A1 - Anordnung fuer halbleiter-hochleistungsbauelemente - Google Patents

Anordnung fuer halbleiter-hochleistungsbauelemente

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DE2652348A1 DE19762652348 DE2652348A DE2652348A1 DE 2652348 A1 DE2652348 A1 DE 2652348A1 DE 19762652348 DE19762652348 DE 19762652348 DE 2652348 A DE2652348 A DE 2652348A DE 2652348 A1 DE2652348 A1 DE 2652348A1
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Description

lO'i/'fO
Ka/dh
BBC Aktiengesellschaft Brown3 Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente mit mindestens einem zwischen Kontaktstücken befindlichen und in einem - einen Isolator und Verbindungsstücke aufweisenden - Gehäuse eingeschlossenen Halbleiter-Hochleistungsbauelement.
. Derartige Anordnungen mit Thyristoren und Dioden als aktivem Hochleistungsbauelement werden in Stromversorgungsanlagen in grossem Umfange verwendet. Da die Tendenz bei modernen Anlagen dahingeht, zur Beherrschung der ständig wachsenden Ströme und Spannungen Halbleiter-Hochleistungsbauelemente mit entsprechend vergrösserten Abmessungen zu verwenden, ist bereits vorgeschlagen worden, die Bauelemente in einem J Zoll X 1 Zoll grossen Press-Pack-Normgehäuse einzuschliessen. Wegen der sehr grossen Dauerströme (1000 bis 3000 A), müssen zum Schutz der Anlagen jedoch Sicherungen bereitgestellt werden, die einen sehr
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hohen Ansprechstrom und infolgedessen ein hohes Explosionsintegral aufweisen. Bei den derzeitig modernsten Anlagen liegt der Wert dieses Explosionsintegrals bei sinusförmigem Strom
i2 dt = I2/2 · T/2 ,
wobei T/2 = Pulsdauer, I = mittlere Stromstärke, . -
- für sinusförmige Impulse bei ca. 35 · 10 A see. (Z.B.
entspricht diesem Wert ein Puls von 83>7 kA/10 msec). An-' Ordnungen in Press-Pack-Normgehäusen weisen jedoch nur ein Explosionsintegral von ca. 1,5 * 10 A see, also nur einen Bruchteil des in den derzeit modernsten Anlagen geforderten Wertes auf. Dieser Wert des Explosionsintegrales wird insbesondere dann sehr schnell erreicht oder überschritten, wenn in den Anordnungen für Halbleiter-Hochleistungsbauelementen ein Kurzschlusstrom in Rückwärtsrichtung fliesst, so dass der sich hierbei ausbildende Lichtbogen die Anlage zur Explosion bringt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente zu schaffen, deren Explosionsfestigkeit auch bei in Rückwärtsrichtung fliessenden Kurz'schlusströmen in Anlagen mit Dauerströmen bis mindestens 3000 A mit Sicherheit gewährleistet ist, und welche sich darüber hinaus durch einfachen und zweckmässigen Aufbau auszeichnet und in wirtschaftlichep Weise herzustellen ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch ge-
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löst, dass zur Erhöhung der Explosionsfestigkeit bei Bildung eines Lichtbogens an den Kontaktstücken seitlich angrenzende und diese ringförmig umgebende, von der Innenwand des Isolators nur durch schmale Spalte getrennte Stromleiter zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen
sind, deren Abstand von der Innenwand des Isolators so • bemessen ist, dass keine Schleifenbildung des Lichtbogens in die Spalte hinein erfolgt.
Ausgangspunkt dieser Massnahmen ist die Erkenntnis, dass bei einem am Rande defekten Halbleiter-Hochleistungsbauelement bevorzugt Lichtbogenbildung eintritt. An einem gezielt am Rande zerschlagenen Halbleiter-Hochleistungsbauelement, welches in einem Press-Pack-Normgehäuse eingebaut war, wurde nun festgestellt, dass der Strom zunächst an der defekten Stelle fliesst. Hierdurch schmilzt und verdampft das Silizium des Bauelements. Es bildet sich ein Lichtbogen, der sich unter der Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes schleifenförmig aufzuweiten versucht, wobei seine Fusspunkte auseinanderwandern. Dieser Lichtbogen kann nun auf die Verbindungsstücke des Gehäuses wandern und diese durch schweissen sowie durch seine abgegebene Wärmeenergie den Druck in der Anordnung explosionsartig ansteigen lassen, so dass das Gehäuse mechanisch und/oder durch Thermoschock zerstört wird.
Durch die erfindungsgemässen Massnahmen kann der Druckaufbau im Gehäuse der Anordnung niedrig gehalten werden, da
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die ringförmigen Stromleiter die Lichtbogenlänge beschränken und ein Abwandern der Lichtbogenfusspunkte auf die Verbindungsstücke verhindern, und damit die thermische Energiezufuhr im Gehäuseinneren erheblich herabsetzen insbesondere aber auch deswegen, da sie als Kühlfläche für die entstandenen heissen Bogengase wirken. Die Spalte zwischen den ring-.. förmigen Stromleitern und der Innenwand, des Isolators gestatten einen Druckausgleich in den bogenfreien Teil des Gehäuses und tragen somit ebenfalls zur Druckerniedrigung bei.
Ferner ist es zvreekmässig, die Innenwand der Verbindungsstücke des Gehäuses mit einer thermisch und elektrisch isolierenden ersten Beschichtung, und gegebenenfalls die Innenwand des Isolators mit einer thermisch isolierenden zweiten Beschichtung zu versehen. Hierdurch wird die Explosionsfestigkeit der Anordnung ganz erheblich erhöht, da durch die Beschichtung, der Verbindungsstücke die Lichtbogenfusspunktsbildung erschwert und ausserdem ein Schutz dieser Teile und; gegebenenfalls des Isolators, vor" den heissen Lichtbogengasen bewirkt wird.
Es empfiehlt sich als Materialien für den Isolator Keramik, die Verbindungsstücke eine die Elemente Nickel, Kobalt, - Eisen und gegebenenfalls Mangan umfassende, zu einer flexiblen Platte verarbeitete Legierung, die Stromleiter Kupfer die crate Beschichtung Kunststoff mit hoher Verdampfungsenergie und die zweite Beschichtung Teflon vorzusehen, da
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durch die Verwendung dieser Materialien der Wert des Explosionsintegrales ganz erheblich heraufgesetzt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann das Gehäuse die Form eines Zylinders von etwa 7 bis 8 cm Durchmesser und 2 bis 3 cm Höhe aufweisen, die Stromleiter rechteckiges Profil von "etwa 2 mm Breite und ca. 4 mm Länge besitzen, mit ihrer Längsseite parallel zur Kontaktfläche des Halbleiter-Hochleistungsbauelementes und mit ihrer äusseren Breitseite ca. 1 mm vom' Isolator entfernt angeordnet sein und die erste Beschichtung mindestens 0,3 mm dick sein. Eine derartige Anordnung ist vorallem wegen der zweiten Beschichtung gegen die thermische Schockwirkung der heissen Lichtbogengase hervorragend geschützt.
Besonders vorteilhaft ist es, das Gehäuse zumindest in radialer Richtung durch einen Verstärkungskörper abzustützen, wobei der Verstärkungskörper aus Kunststoff wie Polyvinylchlorid'oder Polymethacrylsäureester bestehen und gegebenenfalls durch glasfaserverstärkte Giessharzringe oder Stahlringeinlagen verstärkt ist, da hierdurch eine erhebliche Erhöhung der Druck- und damit der Explosionsfestigkeit des Gehäuses bewirkt wird.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung wird vorgesehen, dass das Gehäuse von einem Explosionsschutz umgeben ist, der so bemessen ist, dass der zwischen Gehäuse und Explosionsschutz eingeschlossene Raum wesentlich grosser
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als der vom Gehäuse umschlossene Raum ist. Hierdurch werden die" bei einer Explosion freigesetzten heissen Gase und weggüüchluudertun Bruchstücke des Gehäuses aufgefangen und von der Anlage ferngehalten. Da der zwischen Gehäuse und Explosionsschutz eingeschlossene Raum wesentlich grosser als der vom Gehäuse umschlossene Raum ist, haben die heissen Explosionsgase nach Zerstörung des Gehäuses eine beträchtliche Expansionsmöglichkeit in den Explosionsschutz, wodurch eine wesentliche Druckabsenkung der heissen Explosionsgase und somit der Schutz der Anlage bewirkt wird.
Zweckmässig ist es, den Explosionsschutz aus Kunststoff, vorzugsweise Giessharz oder Silikonkautschuk, zu konstruieren und ihn mit Verstärkungsringen zur Aufnahme der radialen Kräfte die durch das Einströmen der Explosionsgase hervorgerufen werden, zu versteifen, da durch diese Massnahmen eine besonders hohe Druckfestigkeit des Explosionsschutzes bewirkt wird.
In einer besonders zweckmässigen Ausgestaltung der Anordnung gemäss der Erfindung besteht der Explosionsschutz aus zwei stirnseitig ineinandergreifenden Teilen, die zum Abbau des Ueberdrucks mit Strömungswi^derständen und Dichtlippen versehen sind. Bei einer derartigen Anlage treten im Explosionsfall die Explosionsgase durch die Dichtlippen in gekühlter Form aus und richten daher keinen weiteren Schaden mehr an der zu schützenden Anlage an.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbexspiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht wiedergegeben.
F. s 7. c ißt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente in einem Press-Pack-NormgehäuBe bei der sich ein Lichtbogen unter der Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes schleifenförmig aufweitet,
Pig. 2 einen Schnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung und
Fig. 3 Schnitte durch weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach der Erfindung.
Gemäss Fig. 1 ist zwischen den beiden aus Kupferscheiben 1,1' und Molybdänscheiben la, la1 bestehenden Kontaktanschlüssen ein Halbleiter-Hochleistungsbauelement (Diode oder Thyristor) 2 angeordnet. Dieses Bauelement 2 befindet sich in einem aus einem Keramikisolator 3 und flexiblen Verbindungsstücken 4,4' bestehenden zylinderförmigen Gehäuse 5 von ca. 3 Zoll Durchmesser und 1 Zoll Höhe. Die Verbindungsstücke 4,4' sind aus einer die EIemente Nickel, Kobalt, Eisen und gegebenenfalls Mangan umfassenden Legierung, etwa Kovar. Mit 6 sind die verschiedenen Phasen eines Lichtbogens mit den Fusspunkten 7*7' bezeichnet.
Das Bauelement 2 weist eine gezielt am Rand eingeschlagene Fehlstelle auf und wird in Rückwärtsrichtung mit sinusför-
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migen 10 msec-Pulsen belastet. Bereits bei Pulsen von 17 ki./10 msec entsprechend einem Wert des Explosionsintegrals von ca. 1,5 . 10 A see fliesst "an der defekten Stelle ein Strom, welcher das Silizium schmilzt und verdampft.
|3 Dadurch entwicht zwischen don beiden KonfcaktüLUokon ein Lichtbogen 6, der sich unter der Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes schleifenförmig aufweitet,. wobei seine Pusspunkte 7>7' auseinanderwandern, auf die aus Kovar bestehenden Verbindungsstücke 4,4' gelangen und diese durchschweissen.
Die durch den Bogen zugeführte Wärmeenergie führt bereits bei einem Wert des Explosionsintegrals von 1,5 ' 10 A see zu einem Drückaufbau, der das Gehäuse mechanisch und/oder durch Thermoschockwirkung explosionsartig zerstört.
Durch die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnungen für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente werden diese unerwünschten Effekte vermieden bzw. ganz erheblich reduziert.
In den Fig. 2 und 3 sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1. Zusätzlich'sind in Fig. 2 an die Kontaktstücke seitlich angrenzende und diese ringförmig umgebende, von der Innenwand des Isolators 3 nur durch schmale Spalte 9»9' getrennte Stromleiter 8,8' dargestellt. Mit 10,10' und 11 sind die Beschichtungen· der Verbindungsstücke 4,4' bzw. des Isolators 3 bezeichnet. Bezußsziffer 12 bezieht 'sich auf einen Verstärkungskörper· aus Kunststoff, in den glasfaserverstärkte Giessharzringe
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oder Stahlringeinlagen 13 eingelagert sind.
Die erfindungsgemässe Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet i;ic;li ali'.o ^oguniibor' dor Anordnung nach Fig. 1 durch die beiden lllrouü oiler 8,8', die /,wischen den .Stromleitern und dem Keramikisolator befindlichen Spalten 9,9', die Beschichtungen 10,10'j 11 und die Verstärkungsringe mit den eingelagerten glasfaserverstärkten Giessharzringen oder Stahlringeinlagen 13.
Die Stromleiter 8,8' sind aus Kupfer, besitzen rechteckiges Profil von ca. 2 mm Breite und ca. 4 mm Länge, sind mit ■ ihrer Längsseite parallel zur Kontaktfläche des Halbleiter-Bauelementes 2 und mit ihrer äusseren Breitseite ca. 1 mm vom Isolator 3 entfernt angeordnet. Durch die beiden Stromleiter 8,8' werden die Lichtbogenfusspunkte 7,7' auf den beiden Leitern festgehalten und können nicht über die Kontaktstücke 1,1',la,la' auf die beiden Verbindungsstücke 4, 4' abwandern. Der Abstand dieser beiden ringförmigen Stromleiter 8,8* zur Innenwand des Keramikisolators 3 ist mit ca. 1 mm so klein gewählt, dass der Lichtbogen keine Schleife in die Spalte 9,9' hinein bilden kann. Die Beschichtung 10, 10' der Verbindungsstücke 4,4' erschwert die Lichtbogenfusspunktsbildung und verhindert den Zutritt der heissen Lichtbogengase da sie der thermischen Einwirkung des Lichtbogens 7 durch Verdampfung entgegenwirken. Als günstig haben sich Kunststoffe mit hoher Verdampfungsenergie,wie Sylgard, in einer Schichtdicke von mehr als 0,3 mm heraus-
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gestellt. Die Beschichtung kann durch Aufsprühen, Aufkleben von Folien oder durch Ausgiessen aufgebracht werden.
Durch diese Massnahmen kann der Druckaufbau im Gehäuse äusserst niedrig gehalten werden, da die ringförmigen Stromleiter die Bogenlänge beschränken und damit die thermische Energiezufuhr verringern und zusätzlich noch als Kühlflächen für die entstandenen heisseh Lichtbogengase wirken. Die Spalte 9,9' erlauben einen Druckausgleich in den bogenfreien Teil des Gehäuses 5 und tragen damit ebenfalls zur Druckerniedrigung bei. Die thermische Schocktiiirkung der heissen Lichtbogengase auf den Keramikisolator 3 wird durch die Beschichtung 11 reduziert. Diese Beschichtung besteht ebenfalls wie die Beschichtung 10,10' aus einem schwer verdampfbaren Kunststoff etwa Sylgard oder Teflon, und ist in entsprechender Schichtdicke aufgetragen.
Bei besonders hohen VJerten von Druck und Temperatur der durch den Lichtbogen in der erfindungsgemässen Anordnung erhitzten Gase ist es mitunter zweckmässig, dass das Gehäuse zumindest in radialer Richtung durch einen Verstärkungskörper 12 aus Kunststoff wie Polyvinylchlorid oder Polymethacrylsäureester, abgestützt und gegebenenfalls durch glasfaserverstärkte Giessharzringe oder Stahlringeinlagen 13 verstärkt ist. Dieser Verstärkungskörper 12 wird am besten eingegossen, um einen guten Kontakt mit der Keramik
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zu gewährleisten. Die Keramik kann in diesem Fall glatt bleiben, da die für den Kriechweg notwendigen Rillen aussen auf dein Kunststoffkörper angebracht werden.
Weitere Ausführungsbeispiele von Anordnungen nach der Erfindung sind der Figur 3 zu entnehmen. In dieser Figur ist mit I1I ein das Gehäuse 5 umgebender Explosionsschutz, der die durch die Explosion freigesetzten heissen Gase und weggeschleuderten Bruchstücke auffängt und von den Anlagenteilen fernhält, bezeichnet. Der Explosionsschutz besteht vorzugsweise aus Giessharz oder Silikonkautschuk. Der zwischen dem Explosionsschutz 14 und dem Gehäuse 5 eingeschlossene Raum 15 ist wesentlich grosser als der vom Gehäuse 5 umschlossene Raum Ϊ6. Bei einer Explosion des Keramikisolators 3 des Gehäuses 5 wegen zu hohen Druckes und zu hoher Temperatur der im Gehäuse 5 eingeschlossenen Gase, können diese in den Raum 15 expandieren, wodurch eine erhebliche Druckabsenkung erreicht und eine Zerstörung der Anlage durch die heisse Lichtbogengase vermieden wird.
Nach Fig. 3b ist der Explosionsschutz 14 zusätzlich mit Verstärkungsringen 17 zur Aufnahme radialer Kräfte versehen. Nach Fig. 5c ist er zwecks einfacher Montierbarkeit aus zwei stirnseitig ineinandergreifenden Teilen 18,18' zusammengesetzt» In der Ausführungsform nach Fig. 5d können zusätzlich noch Strömungswiderstände 19,19' und Dichtlippen 20 vorgesehen werden, welche die Funktion eines üeberdruckventils ausüben. Im Explosionsfall verformen sich die Dicht-
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lippen 20 in der gestrichelt eingezeichneten Weioe und lassen die gekühlten und somit unschädlichen Explosionsgase in der eingezeichneten Richtung austreten.
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Bezeichnungsliste
1,1' = Kupferscheiben j
> Kontaktanschlüsse
la,la1 = Molybdänscheiben/
2 = Halbleiter-Hochleistungsbauelement
3 = Keramikisolator 4,4' = Verbindungsstücke
5 = Gehäuse
6 = Lichtbogen
7,7' = Pusspunkte des Lichtbogens
8,8« = Stromleiter
9,9' = Spalte
10,10' = Beschichtungen der Verbindungsstücke
11 = Beschichtung des Keramikisolators
12 = Verstärkungskörper
13 = Stahlringeinlage
14 = Explosionsschutz
15 = von zwischen Gehäuse und Explosionsschutz ein
geschlossener Raum
16 = vom Gehäuse eingeschlossener Raum
17 = Verstärkungsring
18,18' = Teil des Explosionsschutzes
19,19' = Strömungswiderstände
20 = Dichtlippen
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Claims (10)

BBC Baden - ι* - . 107/76 Patentansprüche
1.) Anordnung L'iXv llulbleilcr-lloehleistunßsbauelemente mit mindestens einem zwischen Kontaktstücken befindlichen und in einem - einen Isolator und Verbindungsstücke aufweisenden - Gehäuse eingeschlossenen Halbleiter-' Hochleistungsbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Explosionsfestigkeit bei Bildung eines Lichtbogens (6)-an die Kontaktstücke (1, 1', la, la1) seitlich angrenzende und diese ringförmig umgebende, von der Innenwand des Isolators (3) nur durch schmale.
Spalte (9, 9') getrennte Stromleiter (8, 8') zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte (7S 7') vorgesehen sind, deren Abstand von der Innenwand des Isolators (3) so bemessen ist, dass keine Schleifenbildung des Lichtbogens (6) in die Spalte (93 9') hinein erfolgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Verbindungsstücke (4y 4') des Ge-häuses (5,) mit einer thermisch und elektrisch isolierenden ersten Beschichtung (10, 10') versehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Isolators (3) mit--, einer thermisch isolierenden zweiten Beschichtung (11) versehen ist.
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4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien für den Isolator (3) Keramik, die Verbindungsstücke (4, ^1) eine die Elemente Ni5 Co, Pe und gegebenenfalls Mn umfassende, zu einer flexiblen Platte verarbeitete Legierung, die Stromleiter (8, 8') Kupfer, die erste Beschichtung (10, 10') Kunststoff mit hoher Verdampfungsenergie (etwa Sylgard) und die zweite Beschichtung (11) Teflon vorgesehen sind.
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (_5) die Form eines Zylinders von etwa 7 - 8 cm Durchmesser und 2 - 3 cm Höhe aufweist, die Stromleiter (8, 8') rechteckiges Profil von ca. 2 mm Breite und ca. h mm Länge besitzen, mit ihrer Längsseite parallel zur Kontaktfläche des Halbleiter-Bauelements (2) und mit ihrer äusseren Breite ca. 1 mm vom Isolator (3) entfernt angeordnet sind, und dass die erste Beschichtung (10, 10') mindestens 0,3 mm dick ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5* dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (_5_) zumindest in radialer Richtung durch einen Verstärkungskörper (12) abgestützt ist. '
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskörper (12) aus Kunststoff wie PoIy-
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vinylchlorid oder Polymethacrylsäureester bestehen und gegebenenfalls durch glasfaserverstärkte Giessharzringe oder Stahlringeinlagen (13) verstärkt sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (_5) von einem Explosionsschutz (14) umgeben ist, der- so bemessen ist, dass der zwischen Gehäuse (_5) und Explosionsschutz (14) eingeschlossene Raum (15) wesentlich grosser als der vom Gehäuse (J5) umschlossene Raum (16) ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Explosionsschutz (14) aus Kunststoff, vorzugsweise Giessharz oder Silikonkautschuk, besteht und mit Verstärkungsringen (17) zur Aufnahme der radialen Kräfte versteift ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet« dass der Explosionsschutz (13) aus zwei stirnseitig ineinandergreifenden Teilen (18, 18') besteht, die zum Abbau des Ueberdruckes mit Strömungswiderständen (19» 19') und Dichtlippen (20) versehen sind.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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