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Die vorliegende Erfindung betrifft
Batterien.
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Batterien, wie beispielsweise Alkali-Batterien,
werden üblicherweise
als Energiequellen verwendet. Im Allgemeinen schließen Alkali-Batterien eine
Kathode, eine Anode, einen Separator und eine Elektrolytlösung ein.
Die Kathode wird im typischen Fall aus einem aktiven Material (z.
B. Mangandioxid), Kohlenstoffpartikel und einem Bindemittel erzeugt. Die
Anode kann ein Gel sein, in das ein aktives Material einbezogen
ist (z. B. Zinkpartikel). Der Separator ist in der Regel zwischen
der Kathode und der Anode angeordnet. Die Elektrolytlösung, die
in der gesamten Batterie verteilt ist, kann eine Hydroxidlösung sein.
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Alkali-Batterien umfassen konventionelle AA-,
AAA-, AAAA-, C- und D-Batterien,
wie sie üblicherweise
in Warenhäusern
vertrieben werden. Diese konventionellen Alkali-Batterien enthalten
ein zylindrisches Gehäuse,
das eine mittlere, zylindrische Zink-Gel-Anode enthält, die
von einer ringförmigen Mangandioxid-Kathode
umgeben ist.
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Diese konventionellen Batterien haben
eine negative und eine positive Seite. Die negative Seite ist mit
einem Stromsammler im Inneren des Gehäuses verbunden, der einen Verbindungsstift
enthält, der über die
Anode hinausgeht. Im typischen Fall ist eine Abdichtung oberhalb
der Anode und der Kathode angeordnet, um eine Leckage des Anodenmaterials
und Kathodenmaterials zu verhindern. Der Verbindungsstift des Stromsammlers
läuft durch
die Abdichtung hindurch und sodann in die Anode hinein.
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Bei Mick et al. wird in der US-P-S
869 205 ("das Mick-Patent") eine Batterie beschrieben,
die über
ein erhöhtes "Leistungsvermögen" (d. h. eine längere Lebensdauer)
verfügt.
Nach Mick ist das Leistungsvermögen
in konventionellen Alkali-Batterien durch die beschränkte "Anode/Kathode-Grenzfläche" in den Alkali-Batterien
begrenzt. In dem Mick-Patent wird diese Einschränkung dadurch überwunden,
dass die Mitte des zylindrischen Hohlraums, die beispielsweise in
konventionellen Alkali-Batterien die Zinkanode ist, durch eine Vielzahl
von zylindrischen Hohlräumen
ersetzt wird, die gemeinsam die Anode aufbauen. Wenn man beispielsweise
eine zentrale Zinkanode durch eine Zinkanode ersetzt, in die mehrfache
Hohlräume
einbezogen sind, so wird die Grenzfläche zwischen der Zinkanode
und der Kathode erhöht
wodurch ein erhöhtes
Leistungsvermögen
bereitgestellt wird.
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Die von Mick beschriebene Batterie,
in die eine Zinkanode mit mehrfachen Hohlräumen einbezogen ist, enthält ebenfalls
eine negative Seite, einen Stromsammler, der mit der negativen Seite
verbunden ist, und eine oberhalb der Anode und Kathode angeordnete
Abdichtung, um eine Leckage des Anoden- und Kathodenmaterials zu
verhindern. In den Stromsammler einbezogen ist ein Verbindungsstück, der
sich in den jeweiligen Anodenhohlraum und auch durch die Abdichtung
hindurch erstreckt. Dieses bedeutet, dass die Abdichtung in der
Batterie mehrfach durchstochen ist. Die Verbindungsstifte sind sodann umgelenkt
und mit einer zentralen Stelle oberhalb der Abdichtung verbunden.
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Die Erfindung kennzeichnet eine Batterie,
in die ein Gehäuse
einbezogen ist, das eine erste Elektrode enthält, eine zweite Elektrode mit
einer Vielzahl von Hohlräumen
im Inneren der ersten Elektrode, einen zwischen der ersten Elektrode
und den jeweiligen Hohlräumen
angebrachten Separator, eine oberhalb der ersten und zweiten Elektrode
angeordneten Abdichtung und einem Stromsammler. Obgleich in den
Stromsammler ein Verbindungsstift einbezogen ist, der sich in den
jeweiligen Hohlraum hinein erstreckt, sind die Verbindungsstifte,
was bemerkenswert ist, mit einem einzigen Teil durch Verzweigungsteile
unterhalb der Abdichtung verbunden. Das Teil verläuft sodann
durch die Abdichtung hindurch und ist mit der negativen Seite der
Batterie verbunden. Obgleich die Batterie eine Elektrode mit mehrfachen Hohlräumen und
einen Stromsammler mit einem Verbindungsstift enthält, der
sich in den jeweiligen Hohlraum hinein erstreckt, durchsticht der
Stromsammler im Ergebnis die Abdichtung nur ein einziges Mal und gewährt somit
der Leckage von Elektrodenmaterial lediglich eine minimale Gelegenheit.
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Vorzugsweise ist in die Batterie
ferner eine zweite Abdichtung einbezogen, die zwischen den Verzweigungsteilen
und der ersten Elektrode angebracht sind, um einen unbeabsichtigten
Kontakt zu vermeiden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Elektrode eine Kathode, in die Mangandioxid einbezogen
ist, und die zweite Elektrode eine Anode, in die Zink einbezogen
ist. In die zweite Elektrode können
beispielsweise zwei, drei oder vier Hohlräume einbezogen sein. In einer
der bevorzugten Ausführungsformen
sind in die zweite Elektrode zwei D-förmige Hohlräume einbezogen. Die Batterie
kann beispielsweise eine AA-, AAA-, AAAA-, C- oder D-Batterie sein.
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In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
hat die Batterie eine Länge
und an bestimmten Stellen entlang der Länge der Batterie jeder der
Hohlräume
einen Mindestabstand (d1) von dem Gehäuse und
einen Mindestabstand (d2) von jedem der
anderen Hohlräume,
wobei das jeweilige Verhältnis
d2 : d1 für den jeweiligen
Hohlraum etwa 2 : 1 beträgt.
Das Verhältnis
kann beispielsweise am Mittelpunkt entlang der Länge der Batterie oder an einem
Drittel des Abstandes entlang der Länge der Batterie oder an zwei
Dritteln des Abstandes entlang der Länge der Batterie ermittelt
werden. Bevorzugt erfüllen
mindestens 50% und mehr bevorzugt mindestens 75% und am meisten
bevorzugt im Wesentlichen der gesamte äußere Umfang jedes Hohlraums
an dieser Stelle diese Beziehung. Das Gehäuse ist vorzugsweise zylindrisch.
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Der Mindestabstand (d1)
zwischen einem Hohlraum und dem Gehäuse kann gemessen werden, indem
der Mindestabstand zwischen einer Seite der ersten Elektrode, die
an den Hohlraum angrenzt, und einer Seite der ersten Elektrode,
die an dem Gehäuse
angrenzt, ermittelt wird. Der Mindestabstand (d2)
zwischen zwei Hohlräumen
wird an der gleichen Stelle entlang der Länge der Batterie gemessen,
indem der Mindestabstand zwischen der Seite der ersten Elektrode,
die an einem Hohlraum angrenzt, und einer Seite der ersten Elektrode,
die an dem zweiten Hohlraum angrenzt, ermittelt wird.
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Das Verhältnis d2 :
d1 für
den jeweiligen Hohlraum ist ein Mittelwert von etwa 2 : 1.
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Andere Merkmale und Ausführungsformen der
Erfindung werden anhand der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
davon offensichtlich sowie anhand der Ansprüche.
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1 ist
eine Seitenansicht der Batterie im Schnitt;
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Oberteils der Batterie in 1;
und
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3 ist
eine Querschnittansicht der Batterie von 1 entlang der Linie III-III in 1.
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Bezug nehmend auf 1 bis 3 enthält Batterie 10 eine
Kathode 12, eine Anode, die aus zwei im Allgemeinen D-förmigen Hohlräumen 14 und 16 besteht,
Separatoren 18 und ein zylindrisches Gehäuse. Batterie 10 enthält ebenfalls
eine Stromsammler 22, der über ein Teil 24 verfügt, das
durch die Abdichtung 26 hindurch geht. Der Stromsammler 22 enthält ferner
Verzweigungsteile 28 und 30, die mit den Verbindungsstiften 32 bzw. 34 verbunden
sind. Die Verbindungsstifte 32 bzw. 34 ragen in
die Anodenhohlräume 14 bzw. 16 hinein.
Das Ende des Teils 24 ist mit der negativen Metall-Oberkappe 36 verbunden, die
als die negative Klemme für
die Batterie dient. Die Kathode befindet sich im Kontakt mit dem
Gehäuse und
die positive Klemme der Batterie an dem gegenüberliegenden Ende der Batterie
von der negativen Klemme. Batterie 10 enthält außerdem eine
zweite Abdichtung oder einen Isolator 38, der zwischen
den Komponenten des Stromsammlers 22 unterhalb der Abdichtung 26 und
der Kathode 12 angeordnet ist. In der gesamten Batterie 10 ist
eine Elektrolytlösung verteilt.
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Kathode 12 enthält Mangandioxid,
Kohlenstoffpartikel und ein Bindemittel.
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Es kann jede beliebige konventionelle
Form von Mangandioxid, die für
Kathoden zum Einsatz gelangt, verwendet werden. Ein bevorzugtes
Mangandioxid ist EMD, obgleich CMD ebenfalls verwendet werden kann.
Vertreiber derartiger Mangandioxide schließen ein: Kerr McGee, Co. (Trona
D), Chem. Metals, Co., Tosoh, Delta Manganese, Mitsui Chemicals
und JMC. Im Allgemeinen wird die Kathode zwischen 80% und 88 Gew.-%
Mangandioxid enthalten.
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Die Kohlenstoffpartikel können alle
beliebigen konventionellen Kohlenstoffpartikel sein, die in Kathoden
zur Anwendung gelangen. Sie können
synthetisch oder nicht synthetisch sein und sie können gestreckt
oder nicht gestreckt sein. In bestimmten Ausführungsformen sind die Kohlenstoffpartikel
nicht synthetische, nicht gestreckte Graphitpartikel. In diesen
Ausführungsformen
haben die Graphitpartikel vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße von weniger
als etwa 20 Mikrometer und mehr bevorzugt etwa 2 Mikrometer bis
etwa 12 Mikrometer und am meisten bevorzugt etwa 5 Mikrometer bis
etwa 9 Mikrometer, gemessen unter Verwendung eines Sympatec.HELIOS-Analyzers.
Nicht synthetische, nicht gestreckte Graphitpartikel können beispielsweise
bezogen werden von Brazilian Nacional de Grafite (Itapecirica, MG
Brazil (MP-0702X). Im Allgemeinen wird die Kathode zwischen 5% und
8 Gew.-% Kohlenstoffpartikel enthalten.
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Beispiele für Bindemittel schließen Polyethylen-Pulver,
Polyacrylamide, Portlandzement und Fluorkohlenstoffharze ein, wie
beispielsweise PVDF und PTFE. Ein Beispiel für ein Polyethylen-Bindemittel wird
unter dem Warenzeichen Coathylene HA-1681 (Hoechst) vertrieben.
Im Allgemeinen enthält
die Kathode zwischen 0,1% bis etwa 1 Gew.-% Bindemittel.
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Kathode 12 kann weitere
Additive enthalten. Beispiele für
diese Additive wurden in der US-P-5 342 712 offenbart. Kathode 12 kann
beispielsweise von etwa 0,2% bis etwa 2 Gew.-% TiO2 enthalten.
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Die Elektrolytlösung ist in der gesamten Kathode 12 verteilt
und die vorgenannten Angaben in Gewichtsprozent werden ermittelt,
nachdem sich die Elektrolytlösung
verteilt hat.
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Die Anode kann aus jedem beliebigen
standardgemäßen Zinkmaterial
geformt werden, das in Batterie-Anoden verwendet wird. Beispielsweise kann
Anode 14 ein Zink-Gel sein, in das Zink-Metallpartikel,
ein Gelbildner und geringfügige
Mengen von Additiven einbezogen sind, wie beispielsweise ein Inhibitor
für die
Gasbildung. Darüber
hinaus wird ein Teil der Elektrolytlösung in der Anode verteilt.
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Die Zinkpartikel können alle
beliebigen Zinkpartikel sein, die konventionell in Gel-Anoden zur
Anwendung gelangen. Andere Beispiele für Zinkpartikel, die in der
Anode zur Anwendung gelangen, schließen die in den folgenden Patentschriften
beschriebenen ein: US-P-6 284 410, 6 472 103 und die USSN 09/156
915, die dem Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung zuerkannt
sind. Im Allgemeinen enthält
die Anode zwischen 67% und 71 Gew.-% Zinkpartikel.
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Gelbildner, die in Anode 14 verwendet
werden können,
schließen
Polyacrylsäuren
ein, gepfropfte Stärkematerialien,
Salze von Polyacrylsäuren,
Polyacrylate, Carboxymethylcellulose oder Kombinationen davon. Beispiele
für derartige
Polyacrylsäuren
sind Carbopol 940 und 934 (B. F. Goodrich) und Polygel 4P (3V),
und ein Beispiel für
ein gepfropftes Stärkematerial
ist Waterlock A221 (Grain Processing Corporation, Muscatine, IA).
Ein Beispiel für
ein Salz einer Polyacrylsäure
ist Alcosorb G1 (Ciba Specialties). Die Anode kann in der Regel
von 0,1% bis etwa 1 Gew.-% Gelbildner enthalten. Diese Angaben in
Gewichtsprozent gelten dann, wenn die Elektrolytlösung in
der gesamten Anode verteilt ist.
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Inhibitoren für die Gasbildung können anorganische
Materialien sein, wie beispielsweise Bismut, Zinn, Blei und Indium.
Alternativ können
Inhibitoren für
die Gasbildung organische Verbindungen sein, wie beispielsweise
Phosphatester, Ionentenside oder nichtionische Tenside. Beispiele
für Ionentenside
wurden beispielsweise in der US-P-4 777 100 offenbart.
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Die Separatoren 18 können jeden
beliebigen konventionellen Aufbau für Batterieseparatoren haben.
In einigen Ausführungsformen
können
die Separatoren 18 aus zwei Lagen von Vliesmaterial sein, bei
denen es sich um kein Membranmaterial handelt, wobei die eine Lage
auf der Oberseite der anderen angeordnet ist. Um das Volumen der
Separatoren 18 bei gleichzeitiger Gewährleistung einer effizienten Batterie
auf ein Minimum herabzusetzen, kann jede Lage des Vliesmaterials,
das kein Membranmaterial ist, ein Flächengewicht von etwa 54 g/m2, eine Dicke von etwa 0,14 mm (etwa 5,4
mil) im trockenen Zustand und eine Dicke von etwa 0,25 mm (etwa
10 mil) im feuchten Zustand haben. In diesen Ausführungsformen
ist in den Separator vorzugsweise keine Lage eines Membranmaterials
oder eine Lage eines Klebmittels zwischen den Vliesstoff-lagen einbezogen, die
keine Membranlagen sind. Im Allgemeinen können die Lagen weitgehend frei
von Füllstoffen
sein, wie beispielsweise anorganischen Partikeln.
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In anderen Ausführungsformen ist in die Separatoren 18 eine äußere Lage
aus Zellophan mit einer Lage aus Vliesmaterial einbezogen. Der Separator
enthält
außerdem
eine zusätzliche
Lage aus Vliesmaterial. Die Zellophanlage kann an der Kathode 12 oder
der Anode angrenzen. Vorzugsweise enthält das Vliesmaterial etwa 78%
bis etwa 82 Gew.-% PVA und etwa 18% bis etwa 22 Gew.-% Kunstseide mit
einer Spur eines Tensids. Derartige Vliesmaterialien sind bei PDM
unter dem Warenzeichen PA36 verfügbar.
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Die Elektrolytlösung, die in der Gesamtheit der
Batterie verteilt ist, kann jede beliebige konventionelle Elektrolytlösung sein,
die in Batterien zur Anwendung gelangt. Im typischen Fall ist die
Elektrolytlösung
eine wässrige
Hydroxid-Lösung. Derartige wässrige Hydroxid-Lösungen schließen Kaliumhydroxid- Lösungen ein, einschließlich beispielsweise zwischen
33% und 38 Gew.-% Kaliumhydroxid- und Natriumhydroxid-Lösungen.
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Gehäuse 20 kann jedes
beliebige konventionelle Gehäuse
sein, das üblicherweise
in Primär-Alkali-Batterien
zur Anwendung gelangt. Das Gehäuse enthält im typischen
Fall eine Innenwandung aus Metall und ein äußeres, elektrisch nicht leitfähiges Material,
wie beispielsweise wärmeschrumpfbarer
Kunststoff. Wahlweise lässt
sich eine Lage aus leitfähigem Material
zwischen der Innenwandung und der Kathode 12 anordnen.
Diese Lage kann entlang der Innen-seite der Wandung angeordnet sein,
entlang der äußeren Umfangfläche der
Kathode 12 oder an Beiden. Diese leitfähige Lage kann beispielsweise
aus einem Kohlenstoff-haltigen Material erzeugt sein. Derartige
Materialien schließen
ein: LB 1000 (Timcal), Eccocoat 257 (W. R. Grace & Co.), Electrodag 109 (Acheson
Industries, Inc.), Electrodag 112 (Acheson) und EB0005
(Acheson). Methoden zum Aufbringen der leitfähigen Lage wurden beispielsweise
in der CA-P-1 263 697 offenbart.
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Der Stromsammler 24 wird
aus einem geeigneten Metall erzeugt, wie beispielsweise Messing. Die
Abdichtungen 26 und 38 können beispielsweise aus Nylon® gefertigt
sein.
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Ein Beispiel für die Herstellung der Batterie 10 ist
das Folgende. Es wird eine Kathodenmischung angesetzt, indem 85,5%
EMD (von Kerr McGee), 7,3% Graphit (Coathylene HA1681 von Hoechst), 0,3%
Polyethylen-Bindemittel (MP-0702X
von Nacional de Graphite) und 6,9% Electrolytlösung vereinigt werden. Die
Mischung wird sodann unter Druck in einem Werkzeug komprimiert,
in das ein Doppel-D-Hohlraum eingefräst ist. Das erzeugte Pellet wird
aus dem Werkzeug mit Hilfe eines Gegenstempels ausgedrückt. Es
wurden 4 Pellets (für
eine AA-Batterie) oder 3 Pellets (für eine AAA-Batterie) zu Halbmond-Dornen
ausgerichtet und in das Gehäuse geschoben
und anschließend
im Inneren des Gehäuses
erneut kompaktiert, um mit dem Gehäuse einen Kontakt herzustellen.
Der Separator (P. G. I. Non-woven 7638) wird in den Hohlraum eingesetzt.
Die Anodenmischung wurde angesetzt, indem (in Gew.-%) 70% Zinkpulver
(Zinc Corp. of America 1216), ein Gelbildner (Carbopol 940 von BF
Goodrich) und 30% Elektrolyt (zusammengesetzt aus 98,6% Flüssigelektrolyt
und 1,4% des aufge-lösten
Gelbildners) vereint wurden. Die Anodenmischung wurde sodann in
den Hohlräumen
verteilt. Die Oberteil-Baugruppe, einschließlich Oberkappe 28,
der Stromsammler und die Abdichtung 26, wurden über das
Gehäuse
gesetzt und mechanisch übergedrückt, um
die Batterie zu versiegeln. Auf die Seite des Gehäuses vor
dem Zusammenbau wurde ein Siegelmittel (Spec Seal) aufge-bracht.
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In Batterie 10 sind die
Anodenhohlräume 14 und 16 in
gleichen Abständen
(d1) vom Gehäuse 20 und in gleichen
Abständen
(d2) voneinander angeordnet. Das Verhältnis von
d2 : d1 beträgt näherungsweise
2 : 1 um den Gesamtumfang jedes Hohlraums. Während des Gebrauchs der Batterie
wird das den Anodenhohlräumen
am nächsten
gelegene Kathodenmaterial zuerst verbraucht, und im Verlauf der Zeit
bildet sich um jeden Hohlraum verbrauchtes Kathodenmaterial. Da
d2 näherungsweise
das 2-fache von d1 beträgt, wenn die Fläche des
verbrauchten Kathodenmaterials sich ausdehnt, wird es das Gehäuse 20 und
die Fläche
des verbrauchten Kathodenmaterials erreichen, das sich von dem anderen Hohlraum
nach näherungsweise
der gleichen Zeit ausdehnt. Als Ergebnis wird die Ausnutzung des
verbrauchten Kathodenmaterials auf ein Maximum gebracht und erhöht dadurch
die Lebensdauer der Batterie.
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Andere Ausführungsformen liegen im Rahmen
der Ansprüche.
So kann die Anode beispielsweise 3 oder 4 Hohlräume mit
dreieckiger Form aufweisen. In diesen Ausführungsformen kann der Stromsammler 3 oder 4 Verzweigungsteile
enthalten, um die Verbindungsstifte zu verbinden, die sich in den
jeweiligen Hohlraum erstrecken.
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Zusätzlich können die Positionen der Kathode
vertauscht werden.
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Die Verzweigungsteile (z. B. 28 und 30)
des Stromsammlers können
nach Erfordernis so aufgebaut sein, dass sie als eine Einheit auf
dem Teil, das durch die Abdichtung hindurch geht (z. B. Teil 24)
einrasten.