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Die Erfindung betrifft eine beheizbaren Hohlkörper gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein System mit einem derartigen beheizbaren Hohlkörper.
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Auf dem Gebiet der Hohlkörper zum Transport bzw. zur Speicherung von flüssigen, gasförmigen oder pastösen Medien sind verschiedene Anwendungen bekannt, bei denen die Hohlkörper elektrisch beheizbar sind. Hierdurch kann z.B. bei dem Transport bzw. bei der Speicherung eine vorbestimmte Temperatur erreicht werden. Ferner ist dies insbesondere dann von Bedeutung, wenn Medien in dem Hohlkörpern transportiert bzw. gespeichert werden sollen, bei denen die Gefahr besteht, dass sie während des Einsatzes einfrieren können und so einen Transport durch den Hohlkörper bzw. Abtransport aus dem Hohlkörper verhindert werden kann. Diese betrifft z.B. Schläuche zum Transport von Wasser bzw. wässrigen Medien. Auch für Anwendungen zum Transport bzw. zur Speicherung hochviskoser Medien wie z.B. Öle kann es sinnvoll sein, durch Erwärmen des Mediums die Viskosität des Mediums zu verringern und damit den Transport des Mediums zu erleichtern.
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Die beschriebenen technischen Lösungen hierzu beruhen i. Allg. auf der Integration von Heizleitern in Form von Widerstandsheizleitern in die Konstruktion der Hohlkörper.
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Die
DE 10 2012 002 411 A1 betrifft eine beheizbare Medienleitung und beschreibt einen Schlauchaufbau mit einem Heizelement aus Widerstandslitzen.
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Die
EP 1 329 660 A2 betrifft einen flexiblen, mehrschichtigen, beheizbaren Schlauch auf dem Gebiet der SCR-Schlauch-Technologie (selective catalytic reduction) mit eingespultem Widerstands-Heizleiter oberhalb der Festigkeitsträgerschicht und unterhalb der äußeren Gummi-Schicht.
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Die
DE 10 2009 003 394 A1 betrifft einen beheizbaren Artikel, insbesondere einen beheizbaren Schlauch auf dem Gebiet der SCR-Schlauch-Technologie, mit einem kunststoffummantelten Heizleiter und einem Verfahren zu dessen Herstellung. Die hier verwendeten Litzen weisen Polyphenylenkunststoffe-basierte Ummantelungen auf.
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Die
DE 199 15 228 A1 betrifft einen beheizbaren Schlauch für eine Kraftfahrzeug-Bremsvorrichtung mit einem Druckschlauch mit integriertem Heizleiter.
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Nachteilig ist bei den zuvor beschriebenen beheizbaren Artikeln, dass die Wärme stets nicht gleichmäßig über die Wandung des Hohlkörpers verteilt wird sondern lokal in der Nähe der Heizleiter deutlich höher ist als in den umgebenden Bereichen der Wandung. Ferner wird die Heizleistung über den Widerstand der Heizleiter definiert, d.h. das Heizsystem ist sehr empfindlich auf alle Einflüsse auf den spezifischen Widerstand der Heizleiter, da sich damit die Heizleistung im Betrieb ändern würde. Desweiteren ist der Aufwand sehr hoch, die Heizleiter speziell gegen Korrosionsphänomene zu schützen. Zu diesem Zweck können spezifische Ummantelungen der Heizleiter vorgesehen werden, die auch während des Herstellprozesses nicht verletzt werden dürfen. Speziell zur Sicherstellung der intakten Heizleiterummantelung werden sehr aufwendige Prozessüberwachungsschritte benötigt wie z.B. Spark-Tests, die die Materialspezifikationen der Schichten des Hohlkörpers mit beeinflusst (z.B. die Leitfähigkeitsanforderungen an die einzelnen Gummischichten eines Schlauches).
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Die
DE 10 2010 051 550 A1 betrifft eine konfektionierte elektrisch beheizbare Medienleitung mit zumindest einem Rohrleitungsteil mit integrierter elektrisch leitfähiger Einrichtung in Form von entweder in die Rohrwandung eingebetteten Heizleitern oder in leitfähiges Material, das in der Rohrwandung vorgesehen ist, eingebetteten elektrischen Leitern. Bei eingebettetem Heizleiter ist die Wärmequelle zum Beheizen des Rohrleitungsteils der Heizleiter selbst und bei den in leitfähiges Material eingebetteten elektrischen Leitern ist die Wärmequelle das leitfähige Material, das zwischen den dann als Pole wirkenden elektrischen Leitern von elektrischem Strom durchflossen wird. In letzterem Fall kann eine mittlere Schicht des Rohrleitungsteils aus einem mit zumindest einer leitfähigen Komponente gefüllten Kunststoffmaterial bestehen, insbesondere aus einem mit Leitruß, Metallpulver oder Carbon-Nanotubes gefüllten Kunststoffmaterial.
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Nachteilig ist allen zuvor beschriebenen Lösungen, dass die bekannten beheizbaren Hohlkörper stets eine schlechte Wärmeeffizienz aufweisen. Dies ist dadurch begründet, dass die Heizleiter bzw. die heizende Schicht eher in der Mitte der Wandung der Hohlkörper und damit relativ weit entfernt von dem zu beheizenden Medium angeordnet sind. Beispielsweise sind die Heizleiter bzw. die heizende Schicht bei Schläuchen i.Allg. oberhalb der äußersten Verstärkungsträgerlage angeordnet. Hierdurch ist es schwierig, die elektrisch erzeugte Wärme zum Medium im Inneren des Hohlkörpers zu transportieren. Es entstehen große Wärmeverluste, weil ein wesentlicher Anteil der elektrisch erzeugten Wärme zur Wandung nach außen hin transportiert und dort an die Umgebung abgegeben wird, ohne das Medium zu erwärmen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrisch beheizbaren Hohlkörper der eingangs beschriebenen Art in seiner Wärmeeffizienz zu verbessern, zumindest aber Alternativen zu den bekannten elektrisch beheizbaren Hohlkörpern bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen beheizbaren Hohlkörper mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen beheizbaren Hohlkörper zum Transport und bzw. oder zur Speicherung flüssiger, gasförmiger und bzw. oder pastöser Medien mit wenigstens einer beheizbaren Schicht, die ein elektrisch leitfähiges Material aufweist. Der beheizbare Hohlkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass die beheizbare Schicht zumindest teilweise, vorzugsweise weitestgehend, besonders bevorzugt vollständig, in direktem Kontakt mit dem zu beheizenden Medium steht.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, eine ganze Schicht des Hohlkörpers anstelle der bisher üblichen linienförmigen Heizdrähte zur Beheizung des Mediums zu verwenden, um eine möglichst flächige und gleichmäßige Wärmeerzeugung und Ausbreitung zu erreichen, und gleichzeitig diese Heizschicht in direkten Kontakt mit dem zu beheizenden Medium zu bringen. Hierdurch wird die Wärme schneller, gleichmäßiger und verlustfreier an das Medium abgegeben, wodurch die Beheizung einfacher und direkter eingestellt bzw. geregelt sowie elektrische Energie eingespart werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das elektrisch leitfähige Material einen derart großen elektrischen Widerstand auf, dass es die beheizbare Schicht als Widerstandsleiter beheizen kann, und das elektrisch leitfähige Material weist einen derart geringen elektrischen Widerstand auf, dass die beheizbare Schicht gleichzeitig elektrisch leitfähig ist. Diese Balance zwischen elektrischer Leitfähigkeit und elektrischem Widerstand kann über den spezifischen Widerstand des Materials durch die Wahl der entsprechenden Bestandteile bzw. deren Anteile an der Zusammensetzung des Materials eingestellt werden. Hierbei muss bei ausreichender elektrischer Verlustleistung in der beheizbaren Schicht ein Fluss des elektrischen Stromes durch das elektrisch leitfähige Material gegeben sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die beheizbare Schicht ein elastomeres Material oder ein Kunststoffmaterial auf, in welches das elektrisch leitfähige Material eingebettet ist. Auf diese Weise kann der Hohlkörper z.B. als Schlauch aus einem Elastomermaterial wie z.B. Gummi vorgesehen sein, um ihn z.B. flexibel, biegsam und bzw. oder dehnbar zu gestalten, oder aus Kunststoff z.B. als Medientank mit geringem Gewicht. Die elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Erzeugung elektrischer Wärmeverluste kann über entsprechende Beigaben von elektrischen leitfähigen Bestandteilen in das Gummi- bzw. Kunststoffmaterial erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das elektrische leitfähige Material ein Leitruß oder ein Metallpulver oder Carbon-Nanotubes. Derartige Bestandteile lassen sich einfach und sicher verarbeiten und dosieren, um sicher die gewünschte elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig gewünschtem elektrischem Widerstand zu erzielen. Bei beheizbaren Schichten aus Gummi sind im Prinzip alle leitfähig ausgerüsteten Elastomermischungen denkbar, als besonders vorteilhaft haben sich aber rußgefüllte Elastomermischungen herausgestellt, da diese bei der Leitung des elektrischen Stroms eine vergleichsweise hohe Wärmeverlustleistung aufweisen und auf einen geeigneten materialintrinsischen, d. h. spezifischen Widerstand eingestellt werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der beheizbare Hohlkörper einen ersten elektrischen Leiter, der elektrisch leitfähig mit der beheizbaren Schicht verbunden ist, und einen zweiten elektrischen Leiter, der elektrisch leitfähig mit der beheizbaren Schicht verbunden ist, auf, wobei der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Über diese elektrischen Leiter kann die beheizbare Schicht mit einer Spannungsquelle verbunden werden, um ihr die elektrische Heizleistung zuzuführen. Die elektrischen Leiter dienen dabei erfindungsgemäß nicht selbst als Heizwiderstände sondern als Elektroden und weisen daher eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit auf, um den elektrischen Strom möglichst verlustfrei dem elektrisch leitfähigen Material der beheizbaren Schicht zuzuführen, d.h. möglichst viel Spannung über dem elektrisch leitfähigen Material der beheizbaren Schicht abfallen zu lassen. Die Elektroden weisen daher ein gut leitfähiges Material auf bzw. bestehen aus diesem. Dieses Elektrodenmaterial muss hinsichtlich der Bestandteile der beheizbaren Schicht, z.B. dessen Gummi- oder Kunststoffbestandteilen sowie gegenüber dem Herstellungsprozess des beheizbaren Hohlkörpers stabil sein.
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Hierzu können z.B. metallische Elektroden z.B. aus Kupfer verwendet werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass metallische Elektroden günstig verfügbar und einfach zu verarbeiten sind. Ferner sind metallische Elektroden nicht so empfindlich gegenüber kleineren Materialveränderungen wie bei ihrer Verwendung als Heizleiter. So ist Korrosion in kleinerem Umfang nicht bedeutend für die Funktionstüchtigkeit der Elektroden im Gegensatz zu den Heizleitern. Deswegen müssen die erfindungsgemäßen Elektroden auch nicht extra ummantelt und geschützt werden, was die Herstellung vereinfacht und günstiger macht. Auch darf erfindungsgemäß gar keine elektrisch isolierende Ummantelung um die Elektroden vorgesehen sein, zumindest nicht an den Stellen, an denen sie mit der beheizbaren Schicht einen elektrisch leitfähigen Kontakt aufweisen sollen, weil dieser durch die Ummantelung unterbunden wäre.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist bzw. weisen der erste elektrische Leiter und bzw. oder der zweite elektrische Leiter ein elektrisch leitfähiges nicht-metallisches Material auf. Dies bedeutet, dass die Elektroden als leitfähige Garne oder Litzen z.B. Kohlefasern, leitfähige polymere Garne, leitfähig ausgerüstete textile Garne sowie leitfähig modifizierte Gummimischungen aufweisen bzw. aus diesen bestehen können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der beheizbare Hohlkörper ein beheizbarer Schlauch und der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter sind wendelförmig mit konstantem Abstand zueinander in Umfangsrichtung auf der dem zu beheizenden Medium abgewandten Seite der beheizbaren Schicht angeordnet. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Elektroden durch die beheizbare Schicht gegenüber dem Medium sowohl mechanisch als auch chemisch geschützt werden. Ferner können die Elektroden auf die beheizbare Schicht von außen aufgebracht werden, was die Herstellung vereinfacht. Auch können die Elektroden in mögliche weitere äußere Schichten des Schlauches eingebunden bzw. durch diese fixiert und geschützt werden.
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Die Kombination einer elektrisch leitfähig eingerichteten beheizbaren Schicht mit einem Elektrodensystem führt dazu, dass sich bei entsprechend gewähltem Widerstandsverhältnis zwischen Elektroden und elektrisch leitfähigem Material die Ladungsträger gleichmäßig auf der gesamten Spulenlänge der Elektroden verteilen und nur die kurze Distanz zwischen den beiden Elektroden in einem dann annähernd homogenen elektrischen Feld überwinden müssen. Das ist speziell in Kombination mit leitfähigen Elastomerschichten von großem Vorteil, weil auf Abständen von z.B. wenigen Millimetern bis Zentimetern recht einfach bei moderaten Spannungen signifikante Stromstärken und damit verbunden auch Wärmeverlustleistungen erzeugt werden können. So lässt sich durch die Kombination der Parameter spezifischer Widerstand der Heizschicht, spezifischer Widerstand der Elektroden, Abstand der Elektroden zueinander und angelegte Spannung nahezu für jede Anwendung eine geeignete Kombination finden.
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Ein großer Vorteil dieses Aspekts der Erfindung besteht noch darin, dass die Länge des beheizbaren Schlauches auf die Funktionsweise der Erfindung kaum einen Einfluss hat. Die angelegte Spannung und die daraus resultierende Heizleistung sind von der Länge der eingespulten Elektroden relativ unabhängig. Das ermöglicht es, die Erfindung ohne größeren Anpassungsaufwand auf eine Vielzahl verschiedener Schlauchlängen anzuwenden. Dabei kann die gleiche beheizbare Schicht mit den gleichen Elektrodenparametern (Abstand, Spulparameter) für viele Anwendungsfälle verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der erste elektrische Leiter an einem Ende des beheizbaren Schlauches einen Kontaktanschluss und der zweite elektrische Leiter am gegenüberliegenden Ende des beheizbaren Schlauches einen Kontaktanschluss auf. Grundsätzlich gibt es bei einem beheizbaren Schlauch die Variationsmöglichkeiten, die beiden Elektroden am gleichen Schlauchende mit der Spannungsquelle zu verbinden, was zu einer gleichsinnigen Stromübertragung führt, oder an jeweils einem Schlauchende eine der beiden Elektroden vorzusehen, was eine gegensinnige Stromführung bedeutet. Das hat einen Einfluss auf die Verteilung der Wärmeentwicklung über die Schlauchlänge. Dabei führt der Ansatz, an beiden Enden jeweils eine Kontaktierung vorzunehmen, vorteilhafterweise zu einer homogenen Wärmeverteilung wohingegen sich mittels einer gleichsinnigen Stromführung ein Gradient erreichen lässt. Hierbei spielt das Verhältnis des spezifischen Widerstands des Elektrodenmaterials in Relation zum elektrischen Widerstand der beheizbaren Schicht eine Rolle. Da der Strom auf der gesamten Schlauchlänge gleichmäßig zur Verfügung stehen muss, erfordert dies einen möglichst geringen Elektrodenwiderstand in Bezug auf den Widerstand der beheizbaren Schicht.
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Dies ist auch deshalb von Vorteil, weil dann mehr Spannung über der beheizbaren Schicht abfällt und dort die elektrische Arbeit in Wärme dissipiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der beheizbare Hohlkörper eine mehrschichtige Wandung auf, dessen innerste Schicht die beheizbare Schicht ist, wobei die Wandung ferner eine Festigkeitsträgerschicht aufweist, die auf der dem zu beheizenden Medium abgewandten Seite der beheizbaren Schicht angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Verstärkung der Stabilität des beheizbaren Hohlkörpers erreicht werden, falls bzw. in welchem Maße diese gewünscht ist. Als Festigkeitsträgerschicht können z.B. Gewirke, Geflechte und bzw. oder Gestricke verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bzw. sind der erste elektrische Leiter und bzw. oder der zweite elektrische Leiter in der Festigkeitsträgerschicht enthalten. Hierdurch kann die Lage der Elektroden gegenüber der Oberfläche der beheizbaren Schicht sowie ein regelmäßiger Kontakt der Elektroden zur beheizbaren Schicht sichergestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein System zur elektrischen Beheizung flüssiger, gasförmiger und bzw. oder pastöser Medien mit einem beheizbaren Hohlkörper wie zuvor beschrieben und einer Spannungsquelle, vorzugsweise einer Gleichspannungsquelle, die mit dem ersten elektrischen Leiter und mit dem zweiten elektrischen Leiter elektrisch leitfähig verbunden ist. Die Bestromung der beheizbaren Schicht über die Elektroden kann grundsätzlich derart erfolgen, dass mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung bestromt wird. Als vorteilhaft hat sich dabei der Ansatz mit Gleichspannung herausgestellt, da weniger elektrische Felder emittiert werden, was z.B. für den Einsatz des erfindungsgemäßen beheizbaren Hohlkörpers in Automobilen vorteilhaft ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
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1 eine perspektivische schematische Darstellung eines beheizbaren Hohlkörpers in Form eines beheizbaren Schlauches gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine perspektivische schematische Darstellung eines beheizbaren Hohlkörpers in Form eines beheizbaren Schlauches gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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3 ein System zur elektrischen Beheizung mit einem beheizbaren Schlauch gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines beheizbaren Hohlkörpers 1 in Form eines beheizbaren Schlauches 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der beheizbare Schlauch 1 weist eine beheizbare Schicht 11 auf, die die innerste Schicht 11 seines Wandaufbaus ist und hierdurch direkt mit dem zu beheizenden Medium im Inneren des beheizbaren Schlauches 1 vollständig in Kontakt steht. Um diese beheizbare innerste Schicht 11 herum können weitere Schichten vorgesehen sein (nicht dargestellt). Auf der beheizbaren Schicht 11 ist ein Paar von Elektroden 13, 14 in Form eines ersten elektrischen Leiters 13 und eines zweiten elektrischen Leiters 14 derart angeordnet, dass diese über ein elektrisch leitfähiges Material wie z.B. Leitruß, Metallpulver oder Carbon-Nanotubes elektrisch leitfähig miteinander flächig verbunden sind. Wird nun eine Spannung an die Elektroden 13, 14 angelegt, so führen die Stromwärmeverluste im elektrisch leitfähigen Material über die so beheizte innerste Schicht 11 des Schlauches 1 zu einer direkten Erwärmung des Mediums im Inneren des beheizbaren Schlauches 1.
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2 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines beheizbaren Hohlkörpers 1 in Form eines beheizbaren Schlauches 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall sind die beiden Elektroden 13, 14 (nicht dargestellt) innerhalb einer Festigkeitsträgerschicht 12 einer mehrschichtigen Wandung 10 des beheizbaren Schlauches 1 integriert.
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3 zeigt ein System zur elektrischen Beheizung mit einem beheizbaren Schlauch 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die beiden Elektroden 13, 14 sind hierzu jeweils über einen Kontaktanschluss 15, 16 elektrisch leitfähig mit einer Spannungsquelle 2 verbunden, die vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle 2 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beheizbarer Hohlkörper, vorzugsweise beheizbarer Schlauch
- 10
- mehrschichtige Wandung des beheizbaren Hohlkörpers 1
- 11
- beheizbare Schicht, innerste Schicht des beheizbaren Hohlkörpers 1
- 12
- Festigkeitsträgerschicht
- 13
- erster elektrischer Leiter, erste Elektrode
- 14
- zweiter elektrischer Leiter, zweite Elektrode
- 15
- Kontaktanschluss des ersten elektrischen Leiters 13
- 16
- Kontaktanschluss des zweiten elektrischen Leiters 14
- 2
- (Gleich-)Spannungsquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012002411 A1 [0004]
- EP 1329660 A2 [0005]
- DE 102009003394 A1 [0006]
- DE 19915228 A1 [0007]
- DE 102010051550 A1 [0009]
