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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Heizungsanordnung deren Heizleistung überwiegend in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, enthaltend
- (a) eine wärmebeständige Heizfläche, die auf einer Seite mit einer elektrischen Isolierung versehen ist; und
- (b) einen an der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche anliegenden, elektrischen Widerstand aus Carbonmaterial mit Anschlüssen für eine elektrische Spannungsquelle.
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Üblicherweise bestehen Heizkörper aus einem Körper, der mit einem Heizungsmedium, beispielsweise heißem Wasser oder Öl, durchflossen wird. Für eine herkömmliche Heizung wird das Heizungsmedium erhitzt. Das heiße Medium wird über einen Heizkreislauf zum Heizkörper geleitet. Hierfür ist viel Heizungsmedium erforderlich. Im Heizkörper wird die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben. Das Aufheizen und Abkühlen von Heizungsmedium erfordert vergleichsweise viel Zeit. Das Heizungssystem ist daher träge sowohl beim Ausschalten als auch beim Einschalten.
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Der Heizkörper gibt seine Wärme überwiegend über Konvektion, d. h. Erwärmung der Luft, nach außen ab. Der Anteil an Infrarotstrahlung ist bei solchen Heizkörpern gering.
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Es gibt sogenannte Infrarot-Heizungen. Infrarot-Heizungen geben überwiegend Infrarotstrahlung ab und zeigen daher ein völlig anderes Heizverhalten. Anders als bei Konvektionsheizungen wird nicht die Luft erwärmt, sondern nur der Körper, der der Infrarotstrahlung ausgesetzt wird. Hierfür ist weniger Energie erforderlich.
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Stand der Technik
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Auf der Webseite www.redwell.de und der Webseite www.thermowell.de werden Infrarot-Heizungen betrieben. Die bekannten Infrarot-Heizungen weisen einen Widerstandsdraht auf, der in einer Matrix geführt wird. Als Matrix dienen beispielsweise Schamottkanäle. Wenn eine Spannung an die Drahtenden angelegt wird, fließt ein Strom. Dabei erwärmt sich der Draht. Die durch den Draht erzeugte Infrarotstrahlung wird nach außen abgegeben. Bekannte Anordnungen erreichen Temperaturen im Bereich unter ca. 90°C. Effektive Infrarot-Strahlung wird aber erst ab einer Temperatur von ca. 80–90°C erreicht.
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Es sind Heizungsanordnungen bekannt, bei denen Gewebe aus Carbonmaterial verwendet werden. Dabei fließt der Strom im wesentlichen ungerichtet. Auch bei Anordnungen, bei denen eine Matrix, beispielsweise aus Kunststoff, verwendet wird, fließt der Strom ungerichtet. Zudem erwärmt sich die Matrix und es geht Energie für die Erzeugung von Infrarot-Strahlung verloren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heizungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei ansonsten gleichen Bedingungen höhere Temperaturen erreicht, präzise zu regeln ist und weniger Energie verbraucht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Carbonmaterial von einem matrixfreien, unidirektionalen Gelege aus Carbonfilamenten gebildet ist.
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Ein unidirektionales Gelege aus Carbonfilamenten hat den Vorteil, dass der Strom gerichtet durch eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Filamenten gleichzeitig geleitet wird. Diese sind dünn und haben einen entsprechend hohen Widerstand, bei dem viel elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Gelege aus Carbonfilamenten hat erheblich weniger Masse als ein Heizungsmedium in einem Heizkreislauf. Es wird also weniger Energie für das Aufbeizen verbraucht. Carbonfilamente können auch wesentlich schneller und präziser gesteuert werden.
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Carbonfilamente sind sehr dünn und haben einen Durchmesser von beispielsweise 20 bis 100 Mikrometer. Die Filamente sind flächig nebeneinander angeordnet und liegen an der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche an. Die elektrische Isolierung kann durch Beschichtung oder durch eine Zwischenlage eines isolierenden Materials erreicht werden. Eine dünne Lage Glasfasergewebe hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen. Die elektrisch aufgeheizten Filamente übertragen ihre Wärme bei Kontakt mit der elektrisch isolierten Seite der Heizfläche an die Heizfläche. An der Heizfläche wird Infrarotstrahlung erzeugt, die über die andere Seite der Heizfläche nach außen abgegeben wird.
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Die Anordnung hat keine verlustreichen Übertragungswege für ein Heizungsmedium. Die zu erwärmende Masse ist gering und reagiert daher im Regelprozess besonders schnell. Die Filamente werden gleichzeitig vom Strom durchflossen. Die flächige Anordnung der Filamente führt daher zu einer besonders gleichmäßigen Wärmeübertragung auf die Heizfläche.
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Das Carbonmaterial dehnt sich auch bei großen Temperaturänderungen nur wenig aus. Dadurch wird Geräuschbildung vermieden. Das unidirektionale Gelege ist besonders beständig. Die parallelen Filamente werden anders als in einem Gewebe nicht verdreht oder verbogen und erreichen dadurch eine sehr gute Stabilität auch bei hohen Temperaturen und großen Temperaturänderungen.
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Vorzugsweise sind Mittel zum Anpressen des Carbonmaterials an die elektrisch isolierte Seite der Heizfläche vorgesehen. Dadurch wird der Wärmeübergang vom Carbonmaterial auf die Heizfläche verbessert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen die Carbonfilament in einer Vielzahl von Strängen an der Heizfläche an. Die Stränge können gemeinsam montiert und kontaktiert werden. Dabei können die Stränge parallel angeordnet sein. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeentwicklung erreicht.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Stränge parallel im Wesentlichen über die Länge oder Breite der Heizfläche und jeweils zwei nebeneinanderliegende Stränge sind alternierend an den Enden elektrisch leitend verbunden, so dass der Strom mäanderförmig durch die Stränge aus unidirektionalen Carbonfilamenten fließt. Diese Anordnung erfordert nur zwei elektrische Kontakte, wodurch die Montage erleichtert wird.
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Die Verbindung zwischen den nebeneinanderliegenden Strängen kann mit einer Kupferfolie oder einem anderen leitfähigen Flächenmaterial hergestellt werden. Kupferfolie ist gut verfügbar, flach und leicht zu montieren. Kupfer hat eine hohe Leitfähigkeit, so dass die Wärmeentwicklung an den Kontakten gering bleibt.
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Der Bereich auf der der Heizfläche abgewandten Seite der Carbonfilamente ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung gegenüber den Carbonfilamenten elektrisch und thermisch isoliert. Dann wird die Wärme nur in einer Richtung, nämlich zur Heizfläche abgeleitet. Die der Heizfläche abgewandte Seite der Carbonfilamente bleibt aufgrund der Isolierung kalt. Dadurch wird es beispielsweise bei planen Anordnungen möglich, die Heizungsanordnung an einer Wand oder dergleichen anzubringen, ohne das Brandgefahr besteht.
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Die Heizfläche kann plan wie ein Bild ausgebildet sein. Die Heizfläche kann aber auch gekrümmt, beispielsweise zylinderförmig ausgebildet sein. Je nachdem, was beheizt werden soll, kann die Krümmung an das zu beheizende Gut angepasst werden. So können die Carbonfilamente auf der Außenseite der zylinderförmigen Heizfläche angeordnet sein. Das zu beheizende Gut kann dann im Innenraum des Zylinders angeordnet sein. Insbesondere kann die Heizfläche ein Rohr bilden, das beispielsweise mit einem fluiden Medium durchflossen ist. Das Medium wird dann von der Heizfläche beheizt.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Carbonfilamente an der Innenseite der zylinderförmigen Heizfläche angeordnet. Dann bildet die zylinderförmige Heizfläche beispielsweise eine Mangel, Heiztrommel, Galette oder einen Kalander.
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Das unidirektionale Gelege aus Carbonfilamenten kann dabei mittels gekrümmter Bleche an die zylinderförmige Heizfläche gepresst werden. Es versteht sich, dass bei anderen Krümmungen ebenfalls ein Anpressdruck mittels gekrümmter Bleche erzeugt werden kann.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer planen Infrarot-Heizung.
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2 zeigt eine plane Infrarot-Heizung in geöffnetem Zustand.
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3 ist ein Querschnitt durch die Infrarot-Heizung aus 1 und 2.
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4 ist eine Explosionsdarstellung der Infrarot-Heizung aus 1 und 2.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer Trommel-förmigen Infrarot-Heizung
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6 ist ein Querschnitt durch die Infrarot-Heizung aus 5.
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7 ist eine Explosionsdarstellung der Infrarot-Heizung aus 5.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete, plane Infrarot-Heizung. Die Infrarot-Heizung 10 hat eine Heizfläche 12, die in einem Rahmen 14 angeordnet ist. Mit dem Rahmen 14 kann die Infrarot-Heizung 10 ähnlich wie ein Gemälde beispielsweise an der Wand befestigt werden. Die Infrarot-Heizung 10 kann aber auch an anderen Orten, etwa unter der Decke, über Wickelkommoden, mit einem Ständer an einem Arbeitsplatz, vor Objekten, die getrocknet werden sollen und dergleichen angebracht werden. Prinzipiell ist jeder Einsatzort, wo Wärme gezielt an einem Ort benötigt wird, möglich.
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Die Infrarot-Heizung wird mit einem herkömmlichen elektrischen Stecker 16 an eine Stromversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen. Zum Ein- und Ausschalten ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Schalter 18 vorgesehen. Alternativ ist statt eines Schalters 18 ein einstellbarer Regler vorgesehen, der die Stromzufuhr und damit die Heizleistung regelt. Die Temperatur wird über ein Funkthermostat gemessen und die Raumtemperatur wird geregelt durch einen Thermostaten, der die Heizung in Intervallen an und ausschaltet.
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Die eingeschaltete Infrarot-Heizung emittiert an der Heizfläche 12 Infrarotstrahlung, die hier durch Pfeile 20 repräsentiert ist. Die Strahlung wird nur nach vorne abgegeben, nicht aber nach hinten. Bei der vorliegenden Anordnung liegt die Strahlungstemperatur im Bereich zwischen 90°C und 300°C, entsprechend einer Wellenlänge der Infrarotstrahlung im Bereich von 5–20 μm. Wenn die Infrarotstrahlung auf ein Objekt oder eine Person trifft, wird die Stelle erwärmt. Demgegenüber erfolgt fast keine Erwärmung der Umgebungsluft, wodurch der Energiebedarf erheblich reduziert wird.
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2 zeigt die geöffnete Infrarot-Heizung aus 1. Eine Vielzahl von Carbonfilamenten 30 sind strangweise parallel auf der Rückseite 26 der Heizfläche 12 angeordnet. Die Rückseite 26 der Heizfläche 12 ist mit einer elektrischen Isolierung versehen. Im vorliegenden Fall wird die elektrische Isolierung von einer dünnen Glasfasermatte 28 gebildet, die lose zwischen der Rückseite 26 der Heizfläche 12 und den Carbonfilamenten 30 liegt und bei der Montage eingeklemmt wird. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, die Rückseite 26 der Heizfläche 12 zu beschichten oder eine Schicht aus einem anderen, elektrisch isolierenden Material zu verwenden.
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Die verwendeten Carbonfilamente 30 sind im vorliegenden Fall nicht maßstabsgerecht dargestellt und in Wirklichkeit erheblich dünner. Typischerweise werden Carbonfilamente mit einem Durchmesser im Bereich von 20 bis 200 Mikrometer verwendet. Jeder Strang 32 hat zwischen 100 und 80000 Carbonfilamente. Zwischen den Strängen 32 sind kleine Lücken 34 gebildet, so dass die Carbonfilamente 30 eines Stranges 32 gegenüber den Carbonfilamenten eines benachbarten Stranges elektrisch isoliert sind. In der Darstellung in 2 sind die Lücken 34 übertrieben groß dargestellt und entsprechen nicht dem tatsächlichen Maßstab.
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Die + und – Phase des mit 22 bezeichneten Stromkabels ist jeweils mit einem Kupferfolienstreifen 24 verbunden. Auf dem Kupferfolienstreifen 24 liegen die Enden 36 der Filamente 30 auf. Die Filamente 30 sind so mit dem Kupferfolienstreifen 24 elektrisch kontaktiert. Ähnliche Kupferfolienstreifen 38 sind auf der gegenüberliegenden Seite – unten in 2 – vorgesehen. Bis auf die Kupferfolienstreifen 24 und 40 an den Enden erstrecken sich die Kupferfolienstreifen 38 über die Breite von zwei Strängen 32 aus Carbonfilamenten 30. Dabei wechseln sich die Kupferfolienstreifen 38 an gegenüberliegenden Seiten ab. Der Stromfluss ist beispielhaft durch Pfeile 44, 46, 48, 50 und 52 illustriert. Vom Kupferfolienstreifen 24 fließt der Strom durch einen ersten Strang 54 aus Carbonfilamenten nach unten zum Kupferfolienstreifen 38. Dieser ist mit den Enden 56 des benachbarten Strangs 58 kontaktiert. Entsprechend fließt der Strom in Richtung des Pfeils 46 durch den Kupferfolienstreifen 38 und die Enden 56 der Carbonfilamente zum Strang 58. Im Strang 58 fließt der Strom nach oben in 2 in Richtung des Pfeils 48. Am oberen Ende ist der Strang 58 wieder über einen Kupferfolienstreifen 60 mit dem nachfolgenden Strang 62 verbunden. Der Strom fließt entsprechend in Richtung der Pfeile 50 und 52 weiter durch die Carbonfilamente 30. Auf diese Weise fließt der Strom vom Kontakt am Stromkabel 22 mäanderförmig durch alle Carbonfilamente zum Kontakt 42 am anderen Ende der Heizfläche 12.
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Die Carbonfilamente 30 erstrecken sich sehr gleichmäßig über die Fläche 26. Durch den Widerstand der Carbonfilamente 30 wird die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie wird durch die elektrische Isolierung 28 hindurch auf die Heizfläche 12 übertragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Heizfläche 12 aus einem Blech. Die Heizfläche 12 ist auf der Vorderseite mit einer Emailleschicht versehen, wodurch eine graphische Gestaltung ähnlich wie bei einem Bild ermöglicht wird.
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Die Kupferfolienstreifen 24, 38, 60 können auf der Rückseite der Heizfläche 12 anliegen, wie in 2 dargestellt. Es ist aber auch möglich, die Kupferfolienstreifen auf der der Heizfläche 12 abgewandten Seite aufzulegen.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Infrarot-Heizung 10 aus 1 und 4 zeigt die Anordnung 10 als Explosionsdarstellung.
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In dem Rahmen 14 ist die Heizfläche 12 gehalten. Auf der rückwärtigen Seite 28 liegt eine dünne Glasfasermatte 28 an. Der in 3 dargestellte Zwischenraum ist nach der Montage nicht mehr vorhanden, denn alle gezeigten Lagen werden innerhalb des Rahmens 14 zusammengepresst. Auf diese Weise wird ein guter Wärmeübergang gewährleistet. Auf der anderen Seite der Carbonfilamente 30 ist eine weitere dünne Glasfasermatte 66 angeordnet. Die Glasfasermatte 66 trennt die Carbonfilamente 30 voneinander und von einer Schicht aus Keramikwolle, die in der Darstellung mit 68 bezeichnet ist. Mit der Keramikwolle wird nicht nur eine elektrische, sondern besonders auch eine thermische Isolierung erreicht. Dadurch wird sichergestellt, dass möglichst viel elektrische Energie in Strahlungsenergie umgewandelt wird, die nach vorne abstrahlt. Es wird fast keine Wärme nach hinten in den Bereich der Keramikwolle 68 übertragen.
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Hinter der Schicht 68 aus Keramikwolle ist eine Rückwand 70 aus Glaslaminat angeordnet. Alle Schichten werden mit einem Rückrahmen 72 innerhalb eines seitlichen Rahmenteils 74 gegen den Rahmen 14 an der Vorderseite gepresst. Dabei übt die Keramikwolle in der Schicht 68 einen gleichmäßigen Druck über die gesamte Fläche aus. Alle Carbonfilamente 30 werden gleichmäßig gegen die rückwärtige Seite 26 der Heizfläche 12 gedrückt. Dabei erfolgt ein gleichmäßiger Wärmeübergang. Die Rahmenteile 14, 72 werden mittels Nieten (nicht dargestellt) im zusammengepressten Zustand zusammengehalten.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Durch Einschalten der Anordnung am Schalter 18 fließt ein Strom durch die Carbonfilamente 30. Der Widerstand der Carbonfilamente 30 führt zur Wärmeentwicklung. Die Wärme wird auf die Heizfläche 12 übertragen. Diese kann – je nach eingestellter elektrischer Stromstärke – Temperaturen bis zu 300°C oder sogar darüber annehmen. Die Temperatur wird innerhalb kurzer Zeit erreicht. Bei 1200 Watt wird eine Temperatur von 140°C für eine Heizfläche von 60 cm × 1 m beispielsweise innerhalb von etwa 5 Minuten erreicht. Die heiße Heizfläche strahlt Infrarotstrahlung ab, die auf den zu beheizenden Gegenstand trifft, wo sie in Wärme umgewandelt wird.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist in 5 bis 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Heizfläche 112 einer Infrarot-Heizung 110 eine zylindrische Form. Beheizte Zylinder, finden als Mangel, Kalander, Galette oder Heiztrommel für die verschiedensten Einsatzgebiete Verwendung. Bekannte Heiztrommeln wurden beispielsweise mit heißem Öl oder dergleichen gefüllt. Das ist aus verschiedenen Gründen problematisch. Wenn die Anordnung nicht dicht ist, tritt das Öl aus der Trommel aus. Auch ist es schwierig, die zylinderförmige Heizfläche 112 gleichmäßig zu beheizen. Der im Innenraum nicht vom heißen Öl beaufschlagte, obere Teil des Zylinders ist für die dortige Verweildauer unbeheizt.
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Eine Infrarot-Heizung 110 wie in 5 bis 7 dargestellt, ermöglicht eine gleichmäßige Heizung über die gesamte Heizfläche 112. 6 und 7 illustrieren deren Aufbau. Die Heizfläche 112 ist zylinderförmig, wobei ihr Durchmesser an die jeweilige Verwendung angepasst ist. An der rückwärtigen Seite 126 der Heizfläche 112 ist eine Glasfasermatte 128 vorgesehen. Die Glasfasermatte 128 dient zur elektrischen Isolierung von einem unidirektionalen Gelege aus Carbonfilamenten 130. Auf der Innenseite der Carbonfilamente 130 ist eine weitere Glasfasermatte 166 vorgesehen. Die Reihenfolge der Schichten entspricht also der Reihenfolge der Schichten bei der planen Heizung aus dem obigen Ausführungsbeispiel.
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Zum Zusammenpressen der Schichten sind gekrümmte Bleche 114 vorgesehen. Die Bleche 114 haben eine Krümmung, die an die Krümmung der Heizufläche 112 angepasst ist. Die Bleche 114 erstrecken sich über die gesamte Länge des Zylinders 112 und erzeugen somit einen gleichmäßigen Anpressdruck über die gesamte Fläche. Zum Andrücken ist ein koaxiales Rohr 116 vorgesehen. Das koaxiale Rohr 116 weist zwei Kränze aus Spannschrauben 118 auf. Je größer der Umfang ist, um so mehr Andrückstempel werden verwendet. Je nachdem, wie weit die Schrauben 118 aus dem Rohr 116 herausgeschraubt werden, wird ein höherer oder niedrigerer Anpressdruck der Bleche 114 erzeugt. Auf diese Weise werden die Carbonfilamente 130 gegen die isolierte Innenseite der Heizfläche 112 gedrückt und ein guter Wärmeübergang erzeugt.
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Über Schleifkontakte 122 wird Strom an die Carbonfilamente 130 angelegt. Wie bei oben beschriebenem planen Ausführungsbeispiel fließt der Strom durch mäanderförmig angeordnete Stränge aus Carbonfilamenten. Wenn der elektrische Strom angeschaltet wird, wird wie oben beschrieben, Wärme erzeugt, die auf die Heizfläche 112 übertragen wird.
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Zur Herstellung der zylinderförmigen Heizfläche 112 wird eine zylindrischen Anordnung verschweißt und mit Kappen 108 an den Endseiten verschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.redwell.de [0005]
- www.thermowell.de [0005]
