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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Rotorblatt gemäß Patentanspruch 14, eine Windenergieanlage gemäß Patentanspruch 16 und ein Verfahren zur Herstellung solch einer Heizeinrichtung gemäß Patentanspruch 18.
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Es ist eine Heizeinrichtung bekannt, die eine Leiterplatte und auf der Leiterplatte elektrische Leiterbahnen aufweist, wobei die Heizeinrichtung eine Rotorblattstruktur erwärmt.
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So ist beispielsweise aus
EP 2 754 891 A1 eine Enteisungsanordnung eines Windturbinenrotorblatts bekannt, wobei die Enteisungsanordnung eine elektrisch leitfähige Matte, ein elektrisch leitendes Band zum Verteilen eines elektrischen Stroms entlang einer ersten Kante der Matte und einen Stromversorgungsverbinder zum Verbinden des Bandes mit einer Stromversorgung umfasst. Die elektrisch leitende Matte ist in einen Körper des Rotorblatts eingebettet.
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Aus
US 2013 / 0 164 133 A1 ist ein Sandwichlaminat für Windturbinenschaufeln bekannt, wobei das Sandwichlaminat ein Sandwich-Kernmaterial und einen oberen Laminatteil und einen unteren Laminatteil aufweist, wobei der obere Laminatteil und der untere Laminatteil ein thermoplastisches Matrixmaterial und Heizelemente umfassen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Heizeinrichtung, ein verbessertes Rotorblatt, eine verbesserte Windenergieanlage und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung solch einer Heizeinrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Heizeinrichtung gemäß Patentanspruch 1, einem Rotorblatt gemäß Patentanspruch 14, einer Windenergieanlage gemäß Patentanspruch 16 und einem Verfahren zur Herstellung solch einer Heizeinrichtung gemäß Patentanspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wurde erkannt, dass eine verbesserte Heizeinrichtung dadurch bereitgestellt werden kann, dass die Heizeinrichtung eine Schichtanordnung und eine Leiterstruktur aufweist, wobei die Schichtanordnung eine erste Schicht und wenigstens eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht wenigstens ein erstes Partikelmaterial und eine erste Kunststoffmatrix umfasst, wobei das erste Partikelmaterial in der ersten Kunststoffmatrix eingebettet ist, wobei die zweite Schicht elektrisch leitend ausgebildet ist, wobei in der ersten Schicht ein Durchbruch angeordnet ist, wobei in der ersten Schicht eine Ausnehmung angeordnet ist, wobei der Durchbruch und die Ausnehmung miteinander verbunden sind, wobei ein Ausnehmungsgrund der Ausnehmung beabstandet zu der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei in der Ausnehmung und dem Durchbruch die Leiterstruktur angeordnet ist, wobei die Leiterstruktur zumindest abschnittsweise elektrisch mit der zweiten Schicht verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine weitere Leiterstruktur auf. In der ersten Schicht sind ein weiterer Durchbruch und eine weitere Ausnehmung angeordnet. Der weitere Durchbruch ist versetzt zu dem Durchbruch und die weitere Ausnehmung versetzt zu der Ausnehmung angeordnet. Ein weiterer Ausnehmungsgrund der weiteren Ausnehmung ist beabstandet zu der zweiten Schicht angeordnet, wobei der weitere Durchbruch und die weitere Ausnehmung verbunden sind, wobei im weiteren Durchbruch und in der weiteren Ausnehmung die weitere Leiterstruktur angeordnet ist, wobei die weitere Leiterstruktur zumindest abschnittsweise mit der zweiten Schicht elektrisch verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine weitere Leiterstruktur auf. Die Schichtanordnung umfasst eine dritte Schicht. Die zweite Schicht ist zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht angeordnet, wobei die dritte Schicht eine dritte Kunststoffmatrix und das erste Partikelmaterial aufweist, wobei in der dritten Schicht ein weiterer Durchbruch und eine weitere Ausnehmung angeordnet sind, wobei ein weiterer Ausnehmungsgrund der weiteren Ausnehmung beabstandet zu der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei der weitere Durchbruch und die weitere Ausnehmung miteinander abschnittsweise verbunden sind, wobei im weiteren Durchbruch und in der weiteren Ausnehmung die weitere Leiterstruktur angeordnet ist, wobei die weitere Leiterstruktur zumindest abschnittsweise elektrisch mit der zweiten Schicht verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Ausnehmung geneigt zu dem Durchbruch angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine Sensorschicht, eine Anschlussstruktur und wenigstens einen Sensor auf. Die Sensorschicht weist eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung auf, wobei die erste Aussparung mit der zweiten Aussparung verbunden ist. Die Anschlussstruktur ist mit dem Sensor elektrisch verbunden. Der Sensor ist in der zweiten Aussparung und die Anschlussstruktur in der ersten Aussparung angeordnet. Dadurch kann besonders kompakt innerhalb der Heizeinrichtung mit dem Sensor eine Eisbildung auf einer Oberseite der Heizeinrichtung erfasst werden und lokal in dem Bereich, an dem der Sensor eine Eisbildung erfasst, aktiviert werden, um das Eis an der Oberseite der Heizeinrichtung mit der durch die Heizeinrichtung bereitgestellten Wärme abzuschmelzen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine thermische Isolationsschicht auf. Die thermische Isolationsschicht ist ausgebildet, die Schichtanordnung an zumindest einer Seite thermisch zu isolieren. Die thermische Isolationsschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit mit einem Wert auf. Der Wert liegt in einem Bereich von 0,004 W/(mK) und 0,1 W/(mK). Dadurch wird vermieden, dass Wärme zwischen der Schichtanordnung und der Rotorblattstruktur ausgetauscht wird. Dadurch wird zum Abschmelzen von Eis an der Oberseite der Heizeinrichtung besonders wenig elektrische Energie benötigt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Sensorschicht zwischen der thermischen Isolationsschicht und der Schichtanordnung angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine Wärmeleitschicht auf. Die Wärmeleitschicht weist vorzugsweise wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Thermoplast, Duroplast, Elastomer, wärmeleitende Keramik. Die Wärmeleitschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit mit einem Wert auf, wobei der Wert in einem Bereich von 0,3 W/(mK) und 400 W/(mK) liegt. Ferner isoliert die Wärmeleitschicht die Leiterstruktur auf einer zur zweiten Schicht abgewandten Seite elektrisch. Die Wärmeleitschicht ist ausgebildet, Wärme aus der Schichtanordnung und/oder der Leiterstruktur abzuführen. Dadurch wird ein Überhitzen der Schichtanordnung und/oder der Leiterstruktur vermieden. Ferner wird die Wärmeübertragung von der Schichtanordnung hin zur Oberseite der Heizeinrichtung durch die Wärmeleitschicht begünstigt und eine einseitige Erwärmung der Heizeinrichtung sichergestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine Blitzschutzschicht auf. Die Blitzschutzschicht weist vorzugsweise ein Gewebe aus einem der folgenden Werkstoffe auf: Metall, Kupfer, Stahl, Aluminium, elektrisch leitendes Polymer. Vorzugsweise ist die Blitzschutzschicht auf einer zur Schichtanordnung abgewandten Seite der Wärmeleitschicht angeordnet und mit der Wärmeleitschicht verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung eine Schutzschicht auf. Die Schutzschicht ist oberseitig der Schichtanordnung angeordnet und mit der Schichtanordnung gekoppelt. Die Schutzschicht weist wenigstens eine Kunststoffmatrix und einen Füllstoff auf, wobei der Füllstoff in der weiteren Kunststoffmatrix eingebettet ist. Die weitere Kunststoffmatrix weist vorzugsweise wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Thermoplast, Duroplast, Elastomer.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn zwischen der Schutzschicht und der Blitzschutzschicht eine Haftvermittlungsschicht angeordnet ist, wobei die Haftvermittlungsschicht die Schutzschicht mit der Blitzschutzschicht verbindet. Durch die Haftvermittlungsschicht wird ein zuverlässiges Anliegen der Schutzschicht gewährleistet. Insbesondere wird ein ungewolltes Ablösen der als Topcoat ausgebildeten Schutzschicht zuverlässig vermieden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Partikelmaterial wenigstens Metalloxid als Werkstoff auf. Zusätzlich oder alternativ weist das zweite Partikelmaterial wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Graphen, Ruß, Graphen ähnliche Nanopartikel, anorganisches Halbleitermaterial, organisches Halbleitermaterial. Zusätzlich oder alternativ weist die erste Kunststoffmatrix und/oder die zweite Kunststoffmatrix wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Polyethylen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Schicht eine erste Dicke mit einem Wert auf, der in einem Bereich von 0,005 mm bis 0,1 mm, insbesondere in einem Bereich von 0,02mm bis 0,04 mm, liegt, und/oder weist die zweite Schicht eine zweite Dicke mit einem Wert auf, der in einem Bereich von 0,01 mm bis 0,2 mm, insbesondere in einem Bereich von 0,07 bis 0,11 mm, liegt.
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Dadurch kann die Heizeinrichtung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ferner kann die Leiterstruktur geometrisch frei ausgestaltet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Rotorblatt eine Rotorblattstruktur und eine Heizeinrichtung auf, wobei die Heizeinrichtung wie oben beschrieben ausgebildet ist. Die Rotorblattstruktur weist eine äußere Umfangsfläche auf. An der äußeren Umfangsfläche ist die Heizeinrichtung angeordnet. Dadurch kann ein besonders schnelles Abschmelzen von Eis an der Oberseite der Heizeinrichtung sichergestellt werden und ferner benötigt die Heizeinrichtung besonders wenig Energie zum Abschmelzen des Eises.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung an der äußeren Umfangsfläche eine Klebschicht auf. Die Klebschicht verbindet stoffschlüssig die Heizeinrichtung mit der Rotorblattstruktur. Vorzugsweise ist die Klebschicht zwischen der thermischen Isolationsschicht und der äußeren Umfangsfläche angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Windenergieanlage wenigstens ein Rotorblatt auf. Das Rotorblatt ist wie oben beschrieben ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Windenergieanlage ein Steuergerät. Das Steuergerät ist mit einem Ausgang mit der Leiterstruktur elektrisch verbunden. Ein Eingang des Steuergeräts ist mit der Anschlussstruktur elektrisch verbunden. Der Sensor ist ausgebildet, eine Eisbildung auf dem Rotorblatt zu erfassen und dem Steuergerät ein korrespondierend zur Eisbildung korrelierendes Signal bereitzustellen. Das Steuergerät ist ausgebildet, das Signal zu erfassen. Das Steuergerät ist weiter ausgebildet, eine elektrische Energie am Ausgang zur Aktivierung der Heizeinrichtung und Abschmelzen von Eis an dem Rotorblatt in Abhängigkeit des erfassten Signals bereitzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zur Herstellung der Heizeinrichtung eine Schichtanordnung aus einer ersten Schicht und einer auf der ersten Schicht angeordneten zweiten Schicht bereitgestellt, wobei die erste Schicht wenigstens ein erstes Partikelmaterial eingebettet in einer ersten Kunststoffmatrix umfasst. Die zweite Schicht ist elektrisch leitend ausgebildet. Die erste Kunststoffmatrix der ersten Schicht wird derart verdampft, dass sich wenigstens ein Durchbruch durch die erste Schicht zur zweiten Schicht ausbildet und das erste Partikelmaterial zumindest einen Teilbereich einer ersten Primerschicht an dem Durchbruch ausbildet, wobei zur Ausbildung einer Leiterstruktur auf der ersten Primerschicht ein elektrisch leitender Werkstoff abgeschieden wird, wobei der weitere elektrisch leitende Werkstoff eine elektrische Verbindung zu der zweiten Schicht ausbildet.
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Ferner wird die erste Kunststoffmatrix der ersten Schicht abschnittsweise derart verdampft, dass sich wenigstens eine Ausnehmung in der ersten Schicht ausbildet und das erste Partikelmaterial einen weiteren Abschnitt der ersten Primerschicht in der Ausnehmung ausbildet. Ein Ausnehmungsgrund der Ausnehmung ist beabstandet zu der zweiten Schicht angeordnet, wobei auf dem weiteren Abschnitt der ersten Primerschicht der elektrisch leitende Werkstoff abgeschieden wird.
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Dadurch kann die Heizeinrichtung besonders kompakt und folienartig ausgebildet werden. Ferner weist die Heizeinrichtung eine besonders gleichmäßige Flächenerwärmung auf.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Schicht mit einer zweiten Kunststoffmatrix, dem ersten Partikelmaterial und einem zweiten Partikelmaterial bereitgestellt. Unterhalb des Durchbruchs wird die zweite Kunststoffmatrix abschnittsweise derart verdampft, dass sich eine Nut in der zweiten Schicht ausbildet, wobei das erste Partikelmaterial der zweiten Schicht abschnittsweise einen weiteren Teilbereich der ersten Primerschicht an der Nut ausbildet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zur Ausbildung einer weiteren Leiterstruktur abschnittsweise die erste Kunststoffmatrix der ersten Schicht derart verdampft, dass sich wenigstens ein weiterer Durchbruch durch die erste Schicht zur zweiten Schicht ausbildet und das erste Partikelmaterial einen Teilbereich einer zweiten Primerschicht an dem weiteren Durchbruch ausbildet, wobei auf dem Teilbereich der zweiten Primerschicht ein weiterer elektrisch leitender Werkstoff abgeschieden wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die erste Kunststoffmatrix der ersten Schicht derart verdampft, dass sich wenigstens eine weitere Ausnehmung in der ersten Schicht ausbildet und das erste Partikelmaterial einen weiteren Abschnitt der zweiten Primerschicht in der weiteren Ausnehmung ausbildet, wobei ein weiterer Ausnehmungsgrund der weiteren Ausnehmung beabstandet zu der zweiten Schicht angeordnet und versetzt zu der Ausnehmung angeordnet ist, wobei auf den weiteren Abschnitt der zweiten Primerschicht der weitere elektrisch leitende Werkstoff abgeschieden wird. In einer weiteren Ausführungsform wird unterhalb des weiteren Durchbruchs die zweite Kunststoffmatrix abschnittsweise derart verdampft, dass sich eine weitere Nut in der zweiten Schicht ausbildet, wobei das erste Partikelmaterial der zweiten Schicht einen weiteren Teilbereich der zweiten Primerschicht an der weiteren Nut ausbildet, wobei auf der zweiten Primerschicht der weitere elektrisch leitende Werkstoff zur Ausbildung der weiteren Leiterstruktur abgeschieden wird, wobei der weitere elektrisch leitende Werkstoff die elektrische Verbindung zu der zweiten Schicht an der weiteren Nut ausbildet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Schichtanordnung mit einer dritten Schicht bereitgestellt, wobei die dritte Schicht auf einer zur ersten Schicht gegenüberliegenden Seite der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei in der dritten Schicht wenigstens das erste Partikelmaterial in einer dritten Kunststoffmatrix eingebettet ist, wobei abschnittsweise auf einer zur ersten Schicht abgewandten Seite die dritte Kunststoffmatrix der dritten Schicht derart verdampft wird, dass sich ein weiterer Durchbruch durch die dritte Schicht zur zweiten Schicht ausbildet und das erste Partikelmaterial einen Teilbereich einer zweiten Primerschicht an dem weiteren Durchbruch ausbildet, wobei auf den Teilbereich der zweiten Primerschicht ein weiterer elektrisch leitender Werkstoff zur Ausbildung einer weiteren Leiterstruktur abgeschieden wird. Dadurch kann eine zuverlässige Erwärmung im Wesentlichen über die gesamte Breite der Heizeinrichtung sichergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die dritte Kunststoffmatrix der dritten Schicht derart verdampft, dass sich wenigstens eine weitere Ausnehmung in der dritten Schicht ausbildet und das erste Partikelmaterial einen weiteren Abschnitt der weiteren Primerschicht in der weiteren Ausnehmung ausbildet, wobei ein weiterer Ausnehmungsgrund der weiteren Ausnehmung beabstandet zu der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei auf den weiteren Abschnitt der zweiten Primerschicht der weitere elektrisch leitende Werkstoff abgeschieden wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird oberhalb des Durchbruchs die zweite Kunststoffmatrix abschnittsweise derart verdampft, dass sich eine Nut in der zweiten Schicht ausbildet, wobei das erste Partikelmaterial der zweiten Schicht abschnittsweise die zweite Primerschicht an der Nut ausbildet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird mittels eines Lasers die Kunststoffmatrix verdampft.
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In einer weiteren Ausführungsform wird mittels eines metallischen Plasmas und/oder mittels einer Galvanisierung der elektrisch leitende Werkstoff abgeschieden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem Rotorblatt und einer Heizeinrichtung;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf eine Heizeinrichtung des in 1 gezeigten Rotorblatts gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 einen Ausschnitt einer Schnittansicht durch die in 2 gezeigte Heizeinrichtung entlang einer in 2 gezeigten ersten Schnittebene A-A;
- 4 einen Ausschnitt einer Schnittansicht durch die in 2 gezeigte Heizeinrichtung entlang einer in 2 gezeigten zweiten Schnittebene B-B;
- 5 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 2 gezeigten dritten Schnittebene C-C durch die in 2 gezeigte Heizeinrichtung;
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung;
- 7 eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung nach einem ersten Verfahrensschritt;
- 8 eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung während eines zweiten Verfahrensschritts;
- 9 eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung nach einem dritten Verfahrensschritt;
- 10 eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung nach einem vierten Verfahrensschritt;
- 11 eine Schnittansicht entlang einer in 3 gezeigten vierten Schnittebene D-D durch eine Heizeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der in 11 gezeigten Heizeinrichtung;
- 13 eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Rotorblatts mit einer Heizeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 14 eine perspektivische Ansicht der in 13 gezeigten Heizeinrichtung; und
- 15 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des in den 13 und 14 gezeigten Rotorblatts.
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In den folgenden Figuren wird auf ein Koordinatensystem 5 Bezug genommen. Das Koordinatensystem 5 ist beispielhaft als Rechtssystem ausgebildet und umfasst eine x-Achse (Längsrichtung), eine y-Achse (Querrichtung) und eine z-Achse (Höhenrichtung). Auch sind andere Ausgestaltungen des Koordinatensystems 5 denkbar.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Windenergieanlage 10.
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Die Windenergieanlage 10 weist einen Turm 15 und eine Gondel 20 auf. An der Gondel 20 ist ein Rotor 25 mit beispielhaft drei Rotorblättern 30 und beispielhaft einem Spinner 35 vorgesehen. Der Rotor 25 wird im Betrieb durch einen Wind 41 in eine Drehbewegung versetzt und bewirkt dadurch eine Rotation eines elektrischen Generators 40 in der Gondel 20, der drehmomentschlüssig mit dem Rotor 25 verbunden ist. Der Generator 40 erzeugt aus der Rotation eine elektrische Leistung.
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Die Windenergieanlage 10 weist ferner ein Steuergerät 45 auf. Das Steuergerät 45 weist beispielhaft einen ersten Eingang 50, einen zweiten Eingang 51, einen ersten Ausgang 55 und einen zweiten Ausgang 60 auf. Der erste Eingang 50 ist mit einer ersten elektrischen Verbindung 65 und der zweite Eingang 51 mit einer zweiten elektrischen Verbindung 66 verbunden. Der erste Ausgang 55 ist mit einer dritten elektrischen Verbindung 70 und der zweite Ausgang 60 ist mit einer vierten elektrischen Verbindung 75 verbunden.
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Das Rotorblatt 30 weist eine Rotorblattstruktur 80 und eine Heizeinrichtung 100 auf. Die Heizeinrichtung 100 kann gemäß einer der in den folgenden Figuren beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sein. Die Heizeinrichtung 100 kann beispielsweise auch am Spinner 35 angeordnet sein.
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Die Heizeinrichtung 100 weist einen ersten Anschluss 85 und einen zweiten Anschluss 90 auf. Der erste Anschluss 85 ist mit der dritten elektrischen Verbindung 70 und der zweite Anschluss 90 ist mit der vierten elektrischen Verbindung 75 verbunden.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Heizeinrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Die Heizeinrichtung 100 weist eine Schichtanordnung 105, eine erste Leiterstruktur 110 und beispielhaft wenigstens eine zweite Leiterstruktur 115 auf. Die Anzahl der Leiterstrukturen 110, 115 ist nicht beschränkt.
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Die Schichtanordnung 105 weist beispielhaft eine erste Schicht 120 auf. In der Ausführungsform ist beispielhaft die Schichtanordnung 105 plan ausgebildet, wobei beispielhaft die erste Leiterstruktur 110 und die zweite Leiterstruktur 115 sowie die erste Schicht 120 im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
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Ferner ist der erste Anschluss 85 mit der ersten Leiterstruktur 110 und der zweite Anschluss 90 mit der zweiten Leiterstruktur elektrisch verbunden. Besonders von Vorteil ist, wenn der erste Anschluss 85 durch die erste Leiterstruktur 110 und der zweite Anschluss 90 von der zweiten Leiterstruktur 115 ausgebildet wird.
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Ferner weist die Schichtanordnung 105 wenigstens eine zweite Schicht 125 auf. Die zweite Schicht 125 ist beispielhaft unterhalb (in z-Richtung) der ersten Schicht 120 angeordnet. Ferner kann die Schichtanordnung 105 eine dritte Schicht 130 aufweisen, wobei die dritte Schicht 130 unterhalb der zweiten Schicht 125 angeordnet ist, sodass die zweite Schicht 125 zwischen der ersten Schicht 120 und der dritten Schicht 130 angeordnet ist.
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Die erste Schicht 120, die zweite Schicht 125 und die dritte Schicht 130 sind in einem Verbund ausgebildet. Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn die Schichtanordnung 105 in einem Multi-Layer-Extrusionsverfahren hergestellt wird, bei dem in einem einzigen Verfahrensschritt die drei Schichten 120, 125, 130 im Wesentlichen zeitgleich hergestellt werden.
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Alternativ können die einzelnen Schichten 120, 125, 130 aufeinander laminiert werden. Wesentlich dabei ist, dass zwischen den Schichten 120, 125, 130 keine weitere Klebstoffschicht vorgesehen ist.
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Die erste Schicht 120 weist eine erste Kunststoffmatrix 121 und wenigstens ein erstes Partikelmaterial 122 auf. Das erste Partikelmaterial 122 ist in der ersten Kunststoffmatrix 121 eingebettet. Von besonderem Vorteil ist, wenn die erste Kunststoffmatrix 121 wenigstens einen der folgenden Werkstoffe aufweist: Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Polyethylen. Ferner kann in der ersten Kunststoffmatrix 121 wenigstens ein Additiv vorgesehen sein, um wenigstens eine physikalische Eigenschaft der ersten Kunststoffmatrix 121 zu beeinflussen. Beispielsweise kann das Additiv ein Weichmacher sein.
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Weiter ist von Vorteil, wenn das erste Partikelmaterial 122 wenigstens Metalloxid als Werkstoff aufweist. Das erste Partikelmaterial 122 ist vorzugsweise für eine Laserdirektstrukturierung geeignet.
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Das erste Partikelmaterial 122 ist dabei derart in der ersten Kunststoffmatrix 121 der ersten Schicht 120 eingebettet, dass die einzelnen Partikel des ersten Partikelmaterials 122 jeweils vollständig von der ersten Kunststoffmatrix 121 umgeben sind und eine elektrische Stromübertragung zwischen den einzelnen Partikeln des ersten Partikelmaterials 122 durch die dielektrische Eigenschaft der ersten Kunststoffmatrix 121 verhindert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die erste Schicht 120 elektrisch isolierend gegenüber der zweiten Schicht 125 wirkt.
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Ferner ist von Vorteil, wenn das erste Partikelmaterial 122 wenigstens 15 bis 35 Massenprozent der ersten Schicht 120 in Abhängigkeit des gewählten Werkstoffs der ersten Kunststoffmatrix 121 aufweist.
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Die zweite Schicht 125 weist eine zweite Kunststoffmatrix 126, das erste Partikelmaterial 122 und ein zweites Partikelmaterial 127 auf. Die zweite Schicht 125 ist elektrisch leitend ausgebildet. Dabei ist von besonderem Vorteil, wenn die zweite elektrische Schicht 125 einen vordefinierten elektrischen Widerstand aufweist.
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Das zweite Partikelmaterial 127 sowie das erste Partikelmaterial 122 sind in der zweiten Kunststoffmatrix 126 eingebettet. Das zweite Partikelmaterial 127 weist wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Ruß, Graphen, Nanopartikel, anorganisches Halbleitermaterial, organisches Halbleitermaterial, 2 bis 15 Atomschichten Graphen eingebettet zwischen Graphit. Ferner weist die zweite Kunststoffmatrix 126 wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Polyethylen. Ferner ist von Vorteil, wenn das zweite Partikelmaterial 127 30 bis 50 Massenprozent der zweiten Schicht 125 aufweist. Das erste Partikelmaterial 122 weist in der zweiten Schicht 125 wenigstens 15 bis 30 Massenprozent der zweiten Schicht 125 auf. Die restlichen Anteile weist die zweite Kunststoffmatrix 126 und gegebenenfalls mögliche weitere Bestandteile der zweiten Schicht 125 auf.
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Die dritte Schicht 130 ist in der Ausführungsform beispielhaft als Isolierschicht ausgebildet und weist eine dritte Kunststoffmatrix 131 auf. Die dritte Kunststoffmatrix 131 weist wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Polyethylen, Kunststoff mit dielektrischen Eigenschaften.
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Ferner kann die dritte Schicht 130 auch als Klebschicht ausgebildet sein, um eine stoffschlüssige Verbindung zu einer weiteren Komponente zur Fixierung der Schichtanordnung 105 an der weiteren Komponente bereitzustellen.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn die erste Schicht 120 eine erste Dicke d1 mit einem Wert aufweist, wobei der Wert in einem Bereich von wenigstens 0,005 mm bis 0,1 mm, insbesondere von 0,02 mm bis 0,04 mm, liegt und/oder insbesondere 0,03 mm beträgt.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn die zweite Schicht 125 eine zweite Dicke d2 mit einem Wert aufweist, wobei der Wert in einem Bereich von wenigstens 0,01 mm bis 0,2 mm, insbesondere von 0,07 mm bis 0,11 mm, liegt und/oder insbesondere 0,09 mm beträgt.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn die dritte Schicht 130 eine dritte Dicke d3 mit einem Wert aufweist, wobei der Wert in einem Bereich von wenigstens 0,005 mm bis 0,1 mm, insbesondere von 0,02 mm bis 0,04 mm, liegt und/oder insbesondere 0,03 mm beträgt.
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Ferner ist von Vorteil, wenn die erste Dicke d1 identisch zur dritten Dicke d3 ist. Zusätzlich ist von Vorteil, wenn die die zweite Schicht 125 dreimal so dick wie die erste Schicht 120 ist.
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Die erste Leiterstruktur 110 weist einen ersten elektrisch leitenden Werkstoff 315 und die zweite Leiterstruktur 115 einen zweiten elektrisch leitenden Werkstoff 316 auf. Der erste elektrisch leitende Werkstoff 315 und der zweite elektrisch leitende Werkstoff 316 können identisch oder unterschiedlich sein. Der erste und/oder zweite elektrisch leitende Werkstoff 315, 316 weist vorzugsweise Kupfer, insbesondere eine Kupferlegierung, zum Aufbau der Leiterstruktur 110, 115 auf.
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Die erste Leiterstruktur 110 weist einen ersten Leiterabschnitt 135, beispielhaft einen zweiten Leiterabschnitt 140, einen dritten Leiterabschnitt 145 und einen vierten Leiterabschnitt 146 auf.
Der erste Leiterabschnitt 135 ist dabei beispielhaft benachbart zu einer ersten Seitenfläche 150 der Schichtanordnung 105 angeordnet. Selbstverständlich kann der erste Leiterabschnitt 135 auch beabstandet zur ersten Seitenfläche 150 angeordnet sein. In der Ausführungsform verläuft der erste Leiterabschnitt 135 beispielhaft parallel zur ersten Seitenfläche 150, auch können die erste Seitenfläche 150 und der erste Leiterabschnitt 135 geneigt zueinander angeordnet sein. Beispielhaft ist die erste Seitenfläche 150 plan ausgebildet.
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Der zweite Leiterabschnitt 140, der dritte Leiterabschnitt 145 und vierte Leiterabschnitt 146 sind beispielhaft geneigt, vorzugsweise senkrecht, zu dem ersten Leiterabschnitt 135 angeordnet. Der zweite bis vierte Leiterabschnitt 140, 145, 146 sind beispielhaft auf einer gemeinsamen Seite des ersten Leiterabschnitts 135 angeordnet. Ferner sind beispielhaft der zweite bis vierte Leiterabschnitt 140, 145, 146 parallel zueinander angeordnet. Die zweiten bis vierten Leiterabschnitte 140, 145, 146 erstrecken sich in eine zur zweiten Seitenfläche 170 zugewandte Richtung. Ferner sind in Längsrichtung (x-Richtung) der zweite bis vierte Leiterabschnitt 140, 145, 146 versetzt zueinander angeordnet. Beispielhaft sind der zweite und vierte Leiterabschnitt 140, 145, 146 in y-Richtung auf gleicher Höhe angeordnet.
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Die zweite Leiterstruktur 115 weist beispielsweise einen fünften Leiterabschnitt 155, einen sechsten Leiterabschnitt 160 und einen siebten Leiterabschnitt 165 auf. Die Anzahl der Leiterabschnitte 135, 140, 145, 146, 155, 160, 165 ist beispielhaft.
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Der fünfte Leiterabschnitt 155 ist dabei beispielhaft angrenzend an eine zweite Seitenfläche 170 der Schichtanordnung 105 auf einer zur ersten Seitenfläche 150 gegenüberliegenden Seite der Schichtanordnung 105 angeordnet. Der fünfte Leiterabschnitt 155 ist beispielhaft parallel zu dem ersten Leiterabschnitt 135 und zu der zweiten Seitenfläche 170 angeordnet. Dabei enden der zweite bis vierte Leiterabschnitt 140, 145, 146 beabstandet vor dem fünften Leiterabschnitt 155 beispielhaft in y-Richtung auf gleicher Höhe.
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Auch können die zweite Seitenfläche 170 und der fünfte Leiterabschnitt 155 geneigt zueinander angeordnet sein. In der Ausführungsform ist die zweite Seitenfläche 170 parallel zu der ersten Seitenfläche 150 gegenüberliegend angeordnet und beispielhaft plan ausgebildet. Auch können die beiden Seitenflächen 150, 170 geneigt und/oder unabhängig zueinander ausgebildet und/oder ausgerichtet sein.
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Der sechste Leiterabschnitt 160 und der siebte Leiterabschnitt 165 sind beispielhaft geneigt, vorzugsweise senkrecht, zu dem fünften Leiterabschnitt 155 angeordnet. Der sechste Leiterabschnitt 160 und der siebte Leiterabschnitt 165 sind beispielhaft auf einer gemeinsamen dem ersten Leiterabschnitt 135 zugewandten Seite des fünften Leiterabschnitts 155 angeordnet. Der sechste Leiterabschnitt 160 und der siebte Leiterabschnitt 165 sind beispielsweise parallel zueinander angeordnet.
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Der sechste Leiterabschnitt 160 und der siebte Leiterabschnitt 165 erstrecken sich vom fünften Leiterabschnitt 155 in Richtung der ersten Seitenfläche 150 und enden beabstandet zu dem ersten Leiterabschnitt 135. In Längsrichtung (x-Richtung) zwischen dem zweiten Leiterabschnitt 140 und dem dritten Leiterabschnitt 145 ist beabstandet der sechste Leiterabschnitt 160 angeordnet. In Längsrichtung (x-Richtung) zwischen dem dritten Leiterabschnitt 145 und dem vierten Leiterabschnitt 146 ist der sechste Leiterabschnitt 165 angeordnet.
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Des Weiteren weist die Schichtanordnung 105 wenigstens eine erste bis siebte Ausnehmung 175, 180, 195, 200, 205, 210, 211 auf. Die zweite bis vierte Ausnehmung 180, 195, 200 sowie die sechste und siebte Ausnehmung 210, 211 sind geneigt zu der ersten Ausnehmung 175 und/oder der fünften Ausnehmung 205 angeordnet. Die erste Ausnehmung 175 und die fünfte Ausnehmung 205 sind ausschließlich in der ersten Schicht 120 angeordnet.
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Die erste Ausnehmung 175 ist angrenzend an die erste Seitenfläche 150 angeordnet. Die fünfte Ausnehmung 205 ist angrenzend an die zweite Seitenfläche 170 angeordnet. Beispielhaft verlaufen die erste Ausnehmung 175 und die fünfte Ausnehmung 205 in Längsrichtung. Die erste und fünfte Ausnehmung 175, 205 sind nutförmig ausgebildet, wobei die erste und fünfte Ausnehmung 175, 205 jeweils einen Ausnehmungsgrund 185, 190 aufweisen. Der Ausnehmungsgrund 185, 190 ist beispielhaft plan ausgebildet und versetzt zu der zweiten Schicht 125 angeordnet, sodass zwischen dem Ausnehmungsgrund 185, 190 und der zweiten Schicht 125 Material der ersten Schicht 120 angeordnet ist.
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In der ersten bis vierten Ausnehmung 175, 180, 195, 200 ist der jeweils zugeordnete erste bis vierte Leiterabschnitt, 135, 140, 145, 146 der ersten Leiterstruktur 110 angeordnet. In der fünften bis siebten Ausnehmung 205, 210, 211 ist der jeweils zugeordnete fünfte bis siebte Leiterabschnitt 155, 160, 165 der zweiten Leiterstruktur 115 angeordnet.
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In der ersten Ausnehmung 175 ist zwischen dem ersten Leiterabschnitt 135 ein erster Abschnitt 280 einer ersten Primerschicht 275 angeordnet. In der zweiten bis vierten Ausnehmung 180, 195, 200 ist jeweils ein zweiter bis vierter Abschnitt 295, 300, 301 der ersten Primerschicht 275 zwischen der ersten und zweiten Schicht 120, 125 und dem zweiten bis vierten Leiterabschnitt 140, 145, 146 angeordnet.
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In der fünften Ausnehmung 205 ist zwischen dem fünften Leiterabschnitt 155 ein erster Abschnitt 290 einer zweiten Primerschicht 285 angeordnet. In der sechsten und siebten Ausnehmung 210, 211 ist jeweils ein zweiter und dritter Abschnitt 305, 310 der zweiten Primerschicht 285 zwischen dem sechsten und siebten Leiterabschnitt 160, 165 und der ersten und zweiten Schicht 120, 125 angeordnet.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht durch die in den 1 und 2 gezeigte Heizeinrichtung 100 entlang einer in 2 gezeigten ersten Schnittebene A-A.
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Die zweite bis vierte Ausnehmung 180, 195, 200 sowie die sechste und siebte Ausnehmung 210, 211 werden jeweils in der ersten Schicht 120 durch einen Durchbruch 215, 220, 225, 230, 231 seitlich begrenzt. Der Durchbruch 215, 220, 225, 230, 231 ist dabei schlitzartig beispielhaft in der ersten Schicht 120 angeordnet. Der Durchbruch 215, 220, 225, 230, 231 erstreckt sich dabei vollständig von einer Oberseite 252 der ersten Schicht 120 bis hin zu der zweiten Schicht 125. Dabei kann die zweite bis vierte Ausnehmung 180, 195, 200 sowie die sechste und siebte Ausnehmung 210, 211 zusätzlich in der zweiten Schicht 125 ferner durch eine Nut 235, 240, 245, 250, 251 unterseitig begrenzt werden. Alternativ kann auch die zweite und/oder bis vierte Ausnehmung 180, 195, 200 und/oder die sechste und/oder die siebte Ausnehmung 210, 211 durch eine Oberseite 255 der zweiten Schicht 125, an der im übrigen Bereich die erste Schicht 120 an der zweiten Schicht 125 anliegt, begrenzt werden.
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Beispielhaft ist ein zweiter bis vierter Ausnehmungsgrund 260, 265, 270 sowie ein sechster und siebter Ausnehmungsgrund 271, 272 der jeweils zugeordneten zweiten bis vierten Ausnehmung 180, 195, 200 sowie die sechste und siebte Ausnehmung 210, 211 in der zweiten Schicht 125 angeordnet.
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Durch die breite Ausgestaltung des zweiten bis vierten Leiterabschnitts 140, 145, 146 sowie des sechsten und siebten Leiterabschnitts 160, 165 kann in Querrichtung eine breite Anbindung an die zweite Schicht 125 bereitgestellt werden.
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Durch die in Längsrichtung abwechselnd versetzte Anordnung des zweiten bis vierten Leiterabschnitts 140, 145, 146 der ersten Leiterstruktur 110 sowie des sechsten und siebten Leiterabschnitts 160, 165 bildet die zweite Schicht 125 zwischen dem zweiten bis vierten Leiterabschnitt 140, 145, 146 der ersten Leiterstruktur 110 sowie dem sechsten und siebten Leiterabschnitt 160, 165 der zweiten Leiterstruktur 115, beispielsweise zwischen dem zweiten Leiterabschnitt 140 und dem sechsten Leiterabschnitt 160, ein Widerstandselement 273 aus. Das Widerstandselement 273 erwärmt sich bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Leiterstruktur 110 und der zweiten Leiterstruktur 115 und gibt flächig Wärme ab.
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Dabei kann durch die entsprechende Ausgestaltung einer Werkstoffzusammensetzung und/oder einer geometrischen Ausgestaltung der zweiten Schicht 125 sowie einer räumlichen Beabstandung in Längsrichtung des zweiten bis vierten Leiterabschnitts 140, 145, 146 der ersten Leiterstruktur 110 sowie des sechsten und siebten Leiterabschnitts 160, 165 der zweiten Leiterstruktur 115 ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements 273 konstruktiv gewählt werden.
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Vorteilhafterweise wird die zweite Schicht 125 in ihrer zweiten Dicke d2 derart gewählt, dass der elektrische Widerstand des Widerstandselements 273 über eine vordefinierte Strecke, vorzugsweise zwischen dem zweiten Leiterabschnitt 140 und dem sechsten Leiterabschnitt 160 und/oder oder dem dritten Leiterabschnitt 145 und dem sechsten Leiterabschnitt 165 und/oder zwischen dem dritten Leiterabschnitt 146 und dem siebten Leiterabschnitt 165 und/oder zwischen siebten Leiterabschnitt 165 und dem vierten Leiterabschnitt 145, einen vordefinierten elektrischen Widerstand aufweist. In Abhängigkeit des elektrischen Widerstands kann eine Heizleistung der Heizeinrichtung 100 auf einfache Weise angepasst werden.
Fakultativ kann auf der Oberseite 252 der ersten Schicht 120 eine Isolierschicht 274 angeordnet sein, die elektrisch isolierend ausgebildet ist und die Leiterstruktur 110, 115 gegenüber einer Umgebung elektrisch isoliert.
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4 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht entlang einer in 2 gezeigten zweiten Schnittebene B-B.
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Die zweite Ausnehmung 180 und die erste Ausnehmung 175 sind miteinander verbunden. Dabei ist beispielhaft der zweite Ausnehmungsgrund 260 der zweiten Ausnehmung 180 nach unten hin versetzt zu dem ersten Ausnehmungsgrund 185 angeordnet.
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Die erste Leiterstruktur 110 und die zweite Leiterstruktur 115 sind jeweils einstückig und materialeinheitlich ausgebildet, sodass beispielhaft in 4 der erste Leiterabschnitt 135 und der zweite Leiterabschnitt 140 direkt ineinander übergehen. Der zweite Leiterabschnitt 140 ist dabei elektrisch mit der zweiten Schicht 125 verbunden. Der erste Leiterabschnitt 135 ist durch die erste Schicht 120 elektrisch von der zweiten Schicht 125 isoliert.
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Analog zu der in 4 gezeigten Ausgestaltung ist ebenso der dritte und vierte Leiterabschnitt 145, 146 und der erste Leiterabschnitt 135 ausgebildet.
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5 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 2 gezeigten dritten Schnittebene C-C durch die in 2 gezeigte Heizeinrichtung 100.
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Die zweite Leiterstruktur 115 ist ähnlich wie die erste Leiterstruktur 110 ausgebildet. Dabei ist der fünfte Leiterabschnitt 155 in der ersten Schicht 120 in der fünften Ausnehmung 205 angeordnet. Der fünfte Ausnehmungsgrund 190 ist dabei oberhalb des sechsten Ausnehmungsgrunds 271 angeordnet. Der sechste Leiterabschnitt 160 ist elektrisch mit der zweiten Schicht 125 verbunden.
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Durch die folienartige Ausgestaltung der Heizeinrichtung 100 eignet sich die Heizeinrichtung 100 besonders zum Erwärmen von großen Flächen, beispielsweise von aerodynamischen Elementen, beispielsweise Tragflächen, Rotorblättern von Windenergieanlagen, Steuerflächen an Flugzeugen oder Triebwerkseinläufen, um dort ein Anlegen von Eis und/oder ein Abschmelzen von Eis durch die Bereitstellung von Wärme durch die Heizeinrichtung 100 zu erzielen.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der in den 1 bis 5 beschriebenen Heizeinrichtung 100.
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7 zeigt eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung 100 nach einem ersten Verfahrensschritt 400. 8 zeigt eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung 100 während eines zweiten Verfahrensschritts 405. 9 zeigt eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung 100 nach einem dritten Verfahrensschritt 410. 10 zeigt eine schematische Darstellung der in den 1 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung 100 nach einem vierten Verfahrensschritt 415.
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In dem ersten Verfahrensschritt 400 wird die Schichtanordnung 105 bereitgestellt. Die Schichtanordnung 105 kann dabei beispielsweise auf einer Rolle aufgewickelt sein. Die Schichtanordnung 105 wird beispielsweise in einem Multi-Layer-Extrusionsverfahren in einem vor dem ersten Verfahrensschritt 400 liegenden weiteren Herstellungsverfahren hergestellt.
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In dem Multi-Layer-Extrusionsverfahren werden die erste Kunststoffmatrix 121, die zweite Kunststoffmatrix 126 und die dritte Kunststoffmatrix 131 zur selben Zeit in einen plastisch-fließenden Zustand versetzt und in einem einzigen Prozess zu der mehrlagigen Schichtanordnung 105 ausgehärtet. Dabei bildet sich zwischen den einzelnen Kunststoffmatrizen 121, 126, 131 jeweils eine stoffschlüssige Verbindung aus, sodass die Schichtanordnung 105 besonders stabil ausgebildet ist.
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Alternativ können die Schichten 120, 125, 130 jeweils auch separat hergestellt werden. In einem weiteren Teilschritt werden dann die separat hergestellten Schichten 120, 125, 130 aufeinander angeordnet und unter Hitzeeinwirkung miteinander verpresst. Dabei werden die Schichten 120, 125, 130 miteinander verschweißt, sodass die Schichten 120, 125, 130 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dieser Vorgang wird auch als thermische Laminierung bezeichnet. Hierbei ist von besonderem Vorteil, wenn die erste Kunststoffmatrix 121, die zweite Kunststoffmatrix 126 und die dritte Kunststoffmatrix 131 im Wesentlichen einen identischen Werkstoff aufweisen und/oder der jeweilige Werkstoff der jeweils aneinander angrenzenden Kunststoffmatrizes 121, 126, 131 mit der jeweils anderen Kunststoffmatrix 121, 126, 131 eine stoffschlüssige Verbindung ausbilden kann. Auch in diesem Verfahren wird eine Klebschicht zwischen den einzelnen Schichten 120, 125, 130 vermieden. Der Verzicht auf die Klebschicht ist im weiteren Verfahren notwendig, um das in den folgenden Verfahrensschritten beschriebene Verfahren durchführen zu können.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 405 wird mittels einer gerichteten Hitzequelle 276, vorzugsweise mittels eines Lasers, in die erste Schicht 120 die erste Ausnehmung 175 eingebracht. Durch die Hitzequelle 276 wird die erste Kunststoffmatrix 121 verdampft und das erste Partikelmaterial 122 dadurch aktiviert, dass das erste Partikelmaterial 122 sich aus der ersten Kunststoffmatrix 121 löst und in der ersten Ausnehmung 175 den ersten Abschnitt 280 der ersten Primerschicht 275 ausbildet.
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Dabei wird die Verweildauer des Fokus 277 der Hitzequelle 276 auf der ersten Schicht 120 so kurz gewählt, dass die erste Kunststoffmatrix 121 der ersten Schicht 120 nicht vollständig verdampft wird und der erste Ausnehmungsgrund 185 beabstandet zu der zweiten Schicht 125 angeordnet ist.
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Ferner kann im zweiten Verfahrensschritt 405 ebenso die fünfte Ausnehmung 205 in die erste Schicht 120 analog zur Ausbildung der ersten Ausnehmung 175 eingebracht werden. Dabei bildet sich ebenso in der fünften Ausnehmung 205 der erste Abschnitt 290 der zweiten Primerschicht 285 aus.
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Die erste Primerschicht 275 bildet sich dadurch aus, dass durch das Abdampfen der ersten Kunststoffmatrix 121 die einzelnen Partikel des ersten Partikelmaterials 122 freigelegt werden und diese zumindest teilweise miteinander zu einer dünnwandigen Primerschicht 275, 285 verschmelzen.
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Die Primerschicht 275, 285 ist dabei so dünn, dass sie ungeeignet ist, einen nennenswerten Strom zum Erwärmen der zweiten Schicht 125 zu übertragen. Die Primerschicht 275, 285 ist ferner stoffschlüssig mit der ersten Kunststoffmatrix 121 verbunden.
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In einem dritten Verfahrensschritt 410 wird mittels der Hitzequelle 276 der Durchbruch 215, 220, 225, 230, 231 in die erste Schicht 120 eingebracht. Dabei ist die Verweildauer des Fokus 277 an einem Punkt oder einer Fläche der ersten Schicht 120 zur Ausbildung des Durchbruchs 215, 220, 225, 230 länger als zur Ausbildung der ersten und/oder der fünften Ausnehmung 175, 205. Dabei wird am Durchbruch 215, 220, 225, 230, 231 die erste Schicht 120 vollständig durchbrochen und nach dem Durchbruch durch die erste Schicht 120 die Nut 235, 240, 245, 250, 251 in die zweite Schicht 125 eingebracht. Durch die Ausbildung des Durchbruchs 215, 220, 225, 230, 231 und der Nut 235, 240, 245, 250, 251 wird die zweite bis vierte Ausnehmung 180, 195, 200, sowie die sechste und die siebte Ausnehmung 210, 211 in der Schichtanordnung 105 erzeugt.
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Dabei bildet sich durch das Abdampfen der ersten und zweiten Kunststoffmatrix 121, 126 aus dem ersten Partikelmaterial 122 in der zweiten bis vierten Ausnehmung 180, 195, 200, sowohl an einer Wandung des ersten bis dritten Durchbruchs 215, 220, 225 ein erster Teilbereich 302 als auch in der ersten bis dritten Nut 235, 240, 245 ein zweiter Teilbereich 303 des zweiten bis vierten Abschnitts 295, 300, 301 der ersten Primerschicht 275 aus.
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Ferner bildet sich durch das Abdampfen der ersten und zweiten Kunststoffmatrix 121, 126 aus dem ersten Partikelmaterial 122 in der sechsten und siebten Ausnehmung 210, 211 sowohl an einer Wandung des vierten und fünften Durchbruchs 230, 231 ein dritter Teilbereich 311 als auch in der vierten und fünften Nut 250, 251 ein vierter Teilbereich 312 des zweiten und dritten Abschnitts 305, 310 der zweiten Primerschicht 285 aus.
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In einem vierten Verfahrensschritt 415 wird auf die erste Primerschicht 275 ein erster elektrisch leitender Werkstoff 315 und auf die zweite Primerschicht 285 ein zweiter elektrisch leitender Werkstoff 316 aufgalvanisiert. Die Galvanisierung kann beispielsweise mittels eines Plasmas 320 aufweisend den elektrisch leitenden Werkstoff 315, 316 auf die Primerschicht 275, 285 aufgetragen werden, um die Leiterstruktur 110, 115 auf der jeweils zugeordneten Primerschicht 275, 285 abzuscheiden. Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn eine Oberfläche 325 der Leiterstruktur 110, 115 in einer Ebene mit der Oberseite 252 der ersten Schicht 120 angeordnet ist.
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Durch das beschriebene Herstellungsverfahren zur Herstellung der Heizeinrichtung 100 kann die Heizeinrichtung 100 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ferner ist die Heizeinrichtung 100 besonders flexibel und biegbar, sodass die Heizeinrichtung 100 beispielsweise mit einer unterseitig der dritten Schicht 130 angeordneten Klebschicht auf eine Komponente, beispielsweise einen Rotor einer Windenergieanlage oder einer Struktur eines Flugzeugs aufgebracht werden kann. Ferner wird sichergestellt, dass die Heizeinrichtung 100 besonders dünnwandig ist und somit ein besonders flacher Übergang zwischen Bereichen mit der Heizeinrichtung 100 und Bereichen ohne Heizeinrichtung 100 auf der Komponente sichergestellt werden kann.
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Des Weiteren stellt das oben beschriebene Herstellungsverfahren die Möglichkeit bereit, die Geometrie der Leiterstruktur 110, 115 frei zu definieren. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass die Heizeinrichtung 100 flexibel an die Geometrie der Komponente, beispielsweise auch ohne parallel verlaufende Seitenflächen 150, 170 oder Konturkanten, ausgebildet ist. Ferner kann die Leiterstruktur 110, 115 auch an Radien der Komponente angepasst werden. Insbesondere können hierbei auch Radien der Komponente vollflächig beheizt werden.
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Ferner hat die Heizeinrichtung 100 den Vorteil, dass durch eine Variation der Spannung die Heizeinrichtung 100 in einem Temperaturbereich von -30 °C bis 95 °C betrieben werden kann, ohne dass dadurch eine Beschädigung der Kunststoffmatrix 121, 126, 131 erfolgt. Ferner ist die Heizeinrichtung 100 geeignet, sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung betrieben zu werden. Vorzugsweise beträgt eine angelegte Spannung zwischen der ersten Leiterstruktur 110 und der zweiten Leiterstruktur 115 beispielsweise 12 V oder 24 V oder 48 V. Auch sind andere elektrische Spannungen zwischen der ersten Leiterstruktur 110 und der zweiten Leiterstruktur 115 denkbar. Ferner ist die elektrische Spannung variierbar, sodass eine Heizleistung der Heizeinrichtung 100 und somit eine durch die Heizeinrichtung 100 abgegebene Wärme flexibel an eine Umgebungstemperatur angepasst werden kann.
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11 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 2 gezeigten Schnittebene A-A durch eine Heizeinrichtung 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Die Heizeinrichtung 100 ist im Wesentlichen identisch zu der in den 1 bis 10 gezeigten Heizeinrichtung 100 ausgebildet. Abweichend dazu ist die zweite Leiterstruktur 115 angrenzend an eine Unterseite 317 der Schichtanordnung 105 angeordnet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Leiterstruktur 110, 115 in y-Richtung breiter als in 2 gezeigt ausgebildet werden kann. Dadurch kann die Heizeinrichtung 100 im Wesentlichen über die gesamte Breite der Heizeinrichtung 100 im Wesentlichen dadurch beheizt werden, dass sich die erste Leiterstruktur 110, und hierbei insbesondere der in y-Richtung sich erstreckende zweite bis vierte Leiterabschnitt 140, 145, 146, bis hin zur im Wesentlichen zur zweiten Seitenfläche 170 erstrecken kann. Ebenso kann sich der sechste und siebte Leiterabschnitt 160, 165 vom fünften Leiterabschnitt 155 bis hin zur ersten Seitenfläche 150 erstrecken.
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Ferner ist die dritte Schicht 130 abweichend zu der in den 1 bis 10 beschriebenen Ausgestaltung der dritten Schicht 130 dahingehend andersartig ausgebildet, dass die dritte Schicht 130 zusätzlich zu der dritten Kunststoffmatrix 131 das erste Partikelmaterial 122 aufweist.
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12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform zur Herstellung der in 11 gezeigten Heizeinrichtung 100.
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In einem ersten Verfahrensschritt 500 wird die Schichtanordnung 105 bereitgestellt.
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Ein zweiter Verfahrensschritt 505 ist ähnlich zu dem in 6 beschriebenen zweiten Verfahrensschritt 405 ausgebildet. Identisch zum zweiten Verfahrensschritt 405 des in 6 beschriebenen Verfahrens ist, dass mittels der gerichteten Hitzequelle 276, vorzugsweise mittels des Lasers, in der ersten Schicht 120 durch das Verdampfen der ersten Kunststoffmatrix 121 die erste Ausnehmung 175 eingebracht wird.
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Abweichend zum zweiten Verfahrensschritt 405 des in 6 beschriebenen Verfahrens wird ferner mittels der Hitzequelle 276 in der dritten Schicht 130 die fünfte Ausnehmung 205 in die dritte Schicht 130 eingebracht. Die fünfte Ausnehmung 205 kann dabei direkt unterhalb angrenzend an die erste Seitenfläche 150 unter der ersten Ausnehmung 175 angeordnet sein. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, so wie in 10 gezeigt, dass die erste Ausnehmung 175 angrenzend an die erste Seitenfläche 150 und die fünfte Ausnehmung 205 angrenzend an die zweite Seitenfläche 170 und somit in Querrichtung gegenüberliegend zur ersten Ausnehmung 175 angeordnet ist.
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Ein dritter Verfahrensschritt 510 ist im Wesentlichen identisch zu dem in 6 beschriebenen dritten Verfahrensschritt 410. Abweichend dazu werden die sechste und siebte Ausnehmung 210, 211 mittels der Hitzequelle 276 in die dritte Schicht 130 eingebracht.
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Ferner wird unterseitig in die zweite Schicht 125 oberhalb des vierten und fünften Durchbruchs 230, 231 die vierte Nut 250 und die fünfte Nut 251 durch das Abdampfen der zweiten Kunststoffmatrix 126 erzeugt.
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Ein vierter Verfahrensschritt 515 entspricht im Wesentlichen dem in 6 beschriebenen vierten Verfahrensschritt 415, wobei unterseitig der zweite elektrische Werkstoff 316 auf die zweite Primerschicht 285 aufgalvanisiert wird.
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In einem zusätzlichen fünften Verfahrensschritt 520 kann oberseitig auf die erste Leiterstruktur 110 und die Oberseite 252 der ersten Schicht 120 die Isolierschicht 274 und auf eine Unterseite 317 eine weitere Isolierschicht 335 aufgebracht werden. Die weitere Isolierschicht 335 ist elektrisch isolierend ausgebildet und isoliert die zweite Leiterstruktur 115 elektrisch gegenüber der Umgebung.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die in 1 bis 11 beschriebene Heizeinrichtung 100 selbstverständlich auch andersartig ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann jede Leiterstruktur 110, 115 zusätzlich einen Kontaktbereich zur elektrischen Kontaktierung aufweisen.
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Auch wird darauf hingewiesen, dass einzelne Merkmale weggelassen oder zusätzlich hinzugefügt werden können. Ferner wird auch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich die Anzahl der Leiterabschnitte 135, 140, 145, 146, 155, 160, 165 sowie der Ausnehmungen 175, 180, 195, 200, 205, 210, 211 andersartig gewählt werden kann. Ferner kann auch eine andere Anzahl von Schichten 120, 125, 130 vorgesehen sein.
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13 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotorblatts 30 mit einer Heizeinrichtung 100 gemäß einer dritten Ausführungsform.
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An einer äußeren Umfangsfläche 600 der Rotorblattstruktur 80 ist die Heizeinrichtung 100 angeordnet. Die Heizeinrichtung 100 bedeckt dabei vorzugsweise vollflächig die äußere Umfangsfläche 600 der Rotorblattstruktur 80 entlang eines Profils der Rotorblattstruktur 80. Auch ist denkbar, dass die Rotorblattstruktur 80 nur in einem Teilbereich beispielsweise von einer Vorderkante 605 der Rotorblattstruktur 85 bis zu einer Staupunktlinie 606 von der Heizeinrichtung 100 bedeckt ist. Auch ist denkbar, dass an der äußeren Umfangsfläche 600 mehrere Heizeinrichtungen 100 vorgesehen sind, wobei die Heizeinrichtungen 100 vorzugsweise entsprechend zu ihrer Anordnungsposition an der äußeren Umfangsfläche 600 in ihrer Heizleistung angepasst sind. So ist beispielsweise denkbar, dass im Bereich der Vorderkante 605 bis zur Staupunktlinie 606 die Heizeinrichtung 100 eine höhere Heizleistung aufweist als beispielsweise eine weitere Heizeinrichtung 100 an einer Saugseite 607 oder Druckseite 608 zwischen der Staupunktlinie 606 und einer Hinterkante 609 des Rotorblatts 30.
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Die Heizeinrichtung 100 ist ähnlich zu der in den 1 bis 12 beschriebenen Heizeinrichtung 100 ausgebildet. Abweichend dazu weist die Heizeinrichtung 100 zusätzlich beispielhaft eine Klebschicht 610 und/oder wenigstens eine oberhalb der Klebschicht 610 angeordneten weitere Schicht 615, 620, 625, 630, 640 auf. Auf die Klebschicht 610 kann aber auch verzichtet werden.
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Oberhalb der Klebschicht 610 kann beispielhaft eine thermische Isolationsschicht 615 angeordnet sein. Die thermische Isolationsschicht 615 ist mittels der Klebschicht 610 stoffschlüssig mit der äußeren Umfangsfläche 600 der Rotorblattstruktur 80 verbunden. Die thermische Isolationsschicht 615 weist vorzugsweise eine erste Wärmeleitfähigkeit mit einem ersten Wert auf, wobei vorzugsweise der erste Wert in einem Bereich von 0,004 W/(mK) und 0,1 W/(mK) liegt.
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Die thermische Isolationsschicht 615 verhindert eine Wärmeübertragung zwischen der oberhalb auf einer der äußeren Umfangsfläche 600 abgewandten Seite der thermischen Isolationsschicht 615 angeordneten Schichtanordnung 105 und der Rotorblattstruktur 80. Die thermische Isolationsschicht 615 bewirkt einen besonders hohen Wirkungsgrad der Heizeinrichtung 100 zum Lösen von Eis auf dem Rotorblatt 30. Ferner verhindert die thermische Isolationsschicht 615 ein unnötiges Beheizen der Rotorblattstruktur 80. Ferner wird eine Überhitzung der Rotorblattstruktur 80 und eine thermische Beschädigung der Rotorblattstruktur 80 durch die Heizeinrichtung 100 vermieden. Auf die thermische Isolationsschicht 615 kann aber auch verzichtet werden.
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Auf der thermischen Isolationsschicht 615 ist oberseitig eine Sensorschicht 620 angeordnet. Auf die Sensorschicht 620 kann aber auch verzichtet werden.
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Oberseitig der Sensorschicht 620 ist die Schichtanordnung 105 angeordnet. Dabei ist die Sensorschicht 620 zwischen der dritten Schicht 130 und der thermischen Isolationsschicht 615 angeordnet.
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Oberhalb der Schichtanordnung 105 ist auf der ersten Schicht 120 der Schichtanordnung 105 eine Wärmeleitschicht 625 angeordnet. Auf die Wärmeleitschicht 625 kann alternativ auch verzichtet werden. Die Wärmeleitschicht 625 weist eine zweite Wärmeleitfähigkeit mit einem zweiten Wert auf, wobei der zweite Wert in einem Bereich von 0,3 W/(mK) bis 400 W/(mK) liegt.
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Oberhalb der Wärmeleitschicht 625 ist eine Blitzschutzschicht 630 angeordnet. Die Blitzschutzschicht 630 weist ein Gewebe 635 auf. Das Gewebe 635 weist wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Metall, Kupfer, Stahl, Aluminium, elektrisch leitendes Polymer, Bronze.
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Oberhalb der Blitzschutzschicht 630 weist die Heizeinrichtung 100 fakultativ eine Haftvermittlungsschicht 640 auf. Auf die Haftvermittlungsschicht 640 kann alternativ auch verzichtet werden.
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Auf der Haftvermittlungsschicht 640 ist oberseitig eine Schutzschicht 645 angeordnet. Die Schutzschicht 645 weist eine zur Umgebung 655 zugewandte Oberseite 650 auf. Die Schutzschicht 645 dient dazu, die unterhalb der Schutzschicht 645 angeordneten Schichten 610, 615, 620, 120, 125, 130, 625, 630, 640 vor Umwelteinflüssen zu schützen.
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14 zeigt eine perspektivische Ansicht der in 13 gezeigten Heizeinrichtung 100.
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Die Sensorschicht 620 weist eine erste Aussparung 660, wenigstens eine zweite Aussparung 665 und beispielhaft eine dritte Aussparung 670 auf. Die Aussparung 660, 665, 670 kann dabei nutartig ausgebildet sein. Dabei ist die Aussparung 660, 665, 670 auf einer zur Schichtanordnung 105 zugewandten Seite der Sensorschicht 620 hin offen. Von Vorteil ist, wenn die Schichtanordnung 105 und die Leiterstruktur 110, 115 wie in den 6 bis 11 beschrieben ist, die Aussparung 660, 665, 670 versetzt zu der (zweiten) Leiterstruktur 115 angeordnet ist.
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Von besonderem Vorteil ist, wenn die Aussparung 660, 665, 670 nach unten hin in Richtung der thermischen Isolationsschicht 615 geschlossen ist. Alternativ kann auch die Aussparung 660, 665, 670 nach unten hin zur thermischen Isolierschicht 615 geöffnet sein. Auch kann die Aussparung 660, 665, 670 als Durchbruch in der Sensorschicht 620 ausgebildet sein. Die erste Aussparung 660 und die dritte Aussparung 670 sind beispielsweise parallel zueinander in y-Richtung versetzt zueinander angeordnet. Die erste Aussparung 660 und die dritte Aussparung 670 erstrecken sich beispielsweise in x-Richtung. Die zweite Aussparung 665 verbindet die erste Aussparung 660 mit der dritten Aussparung 670.
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Die Heizeinrichtung 100 weist ferner eine erste Anschlussstruktur 675 und eine zweite Anschlussstruktur 680 auf. Die Anschlussstruktur 675, 680 ist elektrisch leitend ausgebildet und weist einen dritten elektrisch leitenden Werkstoff 681 auf. Die erste Anschlussstruktur 675 ist mit dem ersten Eingang 50 über die erste Verbindung 65 und die zweite Anschlussstruktur 680 ist mit dem zweiten Eingang 51 des Steuergeräts 45 über die zweite Verbindung 66 verbunden. Die erste Anschlussstruktur 675 ist in der ersten Aussparung 660 angeordnet. In der dritten Aussparung 670 ist die zweite Anschlussstruktur 680 angeordnet.
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Die Heizeinrichtung 100 umfasst ferner einen Sensor 685. Der Sensor 685 dient zu Detektion von Eis auf der Oberseite 650 der Heizeinrichtung 100.
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Der Sensor 685 ist an einer ersten Seite mit der ersten Anschlussstruktur 675 und einer zweiten Seite mit der zweiten Anschlussstruktur 680 elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung kann dabei derart ausgebildet sein, dass die Anschlussstruktur 675, 680 jeweils eine Kontaktfläche 690, 695 aufweist, wobei eine Sensorelektrode 700, 705 des Sensors 685 auf der jeweils zugeordneten Kontaktfläche 690, 695 aufliegt und eine elektrische Verbindung der jeweiligen Sensorelektrode 700, 705 mit der Kontaktfläche 690, 695 ausbildet.
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Durch die Verbindung der ersten Aussparung 660 mit der zweiten Aussparung 665 sowie der zweiten Aussparung 665 mit der dritten Aussparung 670 kann die Sensorschicht 620 besonders dünn ausgebildet werden und eine zuverlässige Detektion von Eis durch den Sensor 685 auf dem Rotorblatt 30 ermittelt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass selbstverständlich weitere Anschlussstrukturen und weitere Sensoren vorgesehen sein können, um an unterschiedlichen Positionen des Rotorblatts 30 Eis am Rotorblatt 30 zu erfassen.
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Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn die Sensorschicht 620 eine vierte Kunststoffmatrix 710 und das erste Partikelmaterial 122 aufweist.
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Die Schichtanordnung 105 sowie die erste und zweite Leiterstruktur 110, 115 können wie in den 2 bis 10 gezeigt ausgebildet sein und hergestellt werden. Alternativ kann die Schichtanordnung 105 ebenso wie in den 7 bis 12 beschrieben ausgebildet sein und hergestellt werden.
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Die Wärmeleitschicht 625 weist eine fünfte Kunststoffmatrix 715 auf. Die fünfte Kunststoffmatrix 715 weist vorteilhafterweise Thermoplast und/oder Duroplast und/oder Elastomer und/oder wärmeleitfähiges Polymer als Werkstoff auf. Zusätzlich kann in der fünften Kunststoffmatrix 715 ein drittes Partikelmaterial 720 eingebettet sein. Das dritte Partikelmaterial 720 kann eine wärmeleitfähige Keramik aufweisen.
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Durch die hohe zweite Wärmeleitfähigkeit wird sichergestellt, dass die in der Schichtanordnung 105 erzeugte Wärme besonders zuverlässig aus der Schichtanordnung 105 und der unter der Wärmeleitschicht 625 angeordneten Leiterstruktur 110, 115 nach oben in Richtung der Oberseite 650 der Heizeinrichtung 100 abgeführt werden kann. Dadurch wirkt die Heizeinrichtung 100 besonders effizient zum Schmelzen von Eis auf der Oberseite 650.
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Die Blitzschutzschicht 630 dient zur Ausbildung eines faradayschen Käfigs um das Rotorblatt 30. Die Blitzschutzschicht 630 weist vorteilhafterweise, wie oben beschrieben, das Gewebe 635 auf, das bei einem Blitzeinschlag zuverlässig eine elektrische Energie des Blitzes ableitet und so eine Zerstörung des Rotorblatts 30 und der Heizeinrichtung 100 zuverlässig verhindert.
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Dabei kann zusätzlich die Blitzschutzschicht 630 eine sechste Kunststoffmatrix 725 aufweisen, in der das Gewebe 635 eingebettet ist. Alternativ kann auch das Gewebe 635 zumindest abschnittsweise in der fünften Kunststoffmatrix 715 der Wärmeleitschicht 625 und/oder in einer siebten Kunststoffmatrix 730 der Haftvermittlungsschicht 640 eingebettet sein. Die siebte Kunststoffmatrix 730 weist wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Thermoplast, Duroplast, Elastomer.
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Die Haftvermittlungsschicht 640 ist oberseitig auf der Blitzschutzschicht 630 angeordnet. Die Haftvermittlungsschicht 640 dient dazu, die Schutzschicht 645 zuverlässig stoffschlüssig mit der Blitzschutzschicht 630 zu verbinden. Auch kann die Schutzschicht 645 direkt mit der Blitzschutzschicht 630 verbunden sein und auf die Haftvermittlungsschicht 640 zwischen der Schutzschicht 645 und der Blitzschutzschicht 630 verzichtet werden.
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Die Schutzschicht 645 kann beispielsweise folienartig ausgebildet sein. Auch kann die Schutzschicht 645 als Lack ausgebildet sein. Die Schutzschicht 645 weist eine achte Kunststoffmatrix 735 und vorzugsweise einen Füllstoff 740 auf. Die achte Kunststoffmatrix 735 weist wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Duroplast, Thermoplast, Elastomer. Der Füllstoff 740 ist in der achten Kunststoffmatrix 735 eingebettet. Der Füllstoff 740 dient dazu, eine besonders abriebfeste Schutzschicht 645 bereitzustellen. Der Füllstoff 740 kann beispielsweise als fünftes Partikelmaterial ausgebildet sein. Der Füllstoff 740 weist vorzugsweise eine abriebfeste Keramik auf.
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Im Betrieb der Windenergieanlage 10 wird mittels des Sensor 685 das Vorhandensein von Eis auf der Oberseite 650 des Rotorblatts 30 überwacht. Dazu misst der Sensor 685 einen elektrischen Widerstand der oberhalb des Sensors 685 angeordneten Schichten 645, 640, 630, 625, 120, 125, 130 und stellt ein korrespondierend zum elektrischen Widerstand gemessenes Signal bereit. Das Signal wird über die Anschlussstruktur 675, 680 an den Eingang 50, 51 des Steuergeräts 45 übertragen. Das Steuergerät 45 erfasst das Signal. Das Steuergerät 45 kann das Signal mit einem vordefinierten, im Steuergerät 45 abgelegten Schwellenwert vergleichen. Das Steuergerät 45 steuert in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs eine am Ausgang 55, 60 bereitgestellte elektrische Energie zur Aktivierung der Heizeinrichtung 100.
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Auch kann das Steuergerät 45 als Regeleinrichtung ausgebildet sein, wobei als Istgröße das Signal des Sensors 685 dient. Als Sollgröße kann in dem Steuergerät 45 ein vordefinierte Sollwert abgelegt sein, der mit einer eisfreien Oberseite 650 des Rotorblatts 30 korreliert. Dabei regelt das Steuergerät 45 die am Ausgang 55, 60 bereitgestellte elektrische Energie in Abhängigkeit der Ist- und der Sollgröße.
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Bei Aktivierung der Heizeinrichtung 100 erwärmt sich die zweiten Schicht 125. Durch die thermische Isolationsschicht 615 wird sichergestellt, dass die Rotorblattstruktur 80 im Wesentlichen durch die zweite Schicht 125 der Heizeinrichtung 100 nicht erwärmt wird. Ferner wird durch die Wärmeleitschicht 625 sichergestellt, dass die in der zweiten Schicht 125 erzeugte Wärme aus der Schichtanordnung 105 und der Leiterstruktur 110, 115 zuverlässig nach außen zur Oberseite 650 abtransportiert wird, sodass eine Überhitzung der Schichtanordnung 105 vermieden wird. Ferner wird sichergestellt, dass im Wesentlichen die in der zweiten Schicht 125 erzeugte Wärme im Wesentlichen vollständig dazu genutzt wird, Eis an der Oberseite 650 des Rotorblatts 30 abzuschmelzen und/oder ein Anfrieren von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, beispielsweise an der Saug- oder Druckseite 607, 608 nach Abschmelzen von Eis beispielsweise an der Vorderkante 605 zu verhindern.
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Auch dient das metallische Gewebe 635 der Blitzschutzschicht 630 als Wärmeleiter, um die Wärme aus der Wärmeleitschicht 625 zur Oberseite 650 weiter abzuführen.
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Durch die in den 1 bis 14 gezeigte Ausgestaltung der Heizeinrichtung 100 wird eine sehr oberflächennahe Erwärmung des Rotorblatt 30 erzielt. Ferner wird die Wärme flächig erzeugt, sodass die zweite Schicht 125 sich insgesamt geringer als, beispielsweise eine mit Kupferwendeln ausgebildete Heizeinrichtung, erwärmt. Dadurch wird eine Beschädigung der Rotorblattstruktur 80, insbesondere einer Trägermatrix der Rotorblattstruktur 80 vermieden.
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Ferner kann die Heizeinrichtung 100 auf einfache Weise an eine geometrische Ausgestaltung der Rotorblattstruktur 80 angepasst werden. Des Weiteren weist die Heizeinrichtung 100 eine geringe Gesamtdicke auf, sodass eine Profilveränderung durch die Heizeinrichtung 100 einfach in der Auslegung des Rotorblatts 30 berücksichtigt werden kann. Ebenfalls kann kostengünstig vollständig die gesamte äußere Umfangsfläche 600 der Rotorblattstruktur 80 beheizt werden. Auch kann die Heizeinrichtung 100 besonders einfach dahingehend angepasst werden, dass mehrere Heizeinrichtungen 100 an dem Rotorblatt 30 vorgesehen sind, um lokal unterschiedlich das Rotorblatt 30 zu beheizen.
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15 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der in den 13 und 14 gezeigten Heizeinrichtung 100.
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Ein erster bis fünfter Verfahrensschritt 800 bis 820 des Verfahrens zur Herstellung der Heizeinrichtung 100 sind identisch zu den in 6 und in 12 beschriebenen ersten bis fünften Verfahrensschritt 400 bis 420 und 500 bis 520.
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In einem sechsten Verfahrensschritt 825 wird die Sensorschicht 620 mit der vierten Kunststoffmatrix 710 und dem ersten Partikelmaterial 122 bereitgestellt. Die vierte Kunststoffmatrix 710 kann dabei identisch zur ersten Kunststoffmatrix 121 sein.
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In einem siebten Verfahrensschritt 830 wird der zweite Verfahrensschritt 405, 505 analog zur Ausbildung der Aussparung 660, 665, 670 wiederholt und die Aussparung 660, 665, 670 mittels der Hitzequelle 276 in der vierten Kunststoffmatrix 710 erzeugt. Dabei wird die vierte Kunststoffmatrix 710 derart verdampft, dass sich in der Aussparung 660, 665, 670 eine dritte Primerschicht 745 aus dem ersten Partikelmaterial 122 ausbildet.
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In einem achten Verfahrensschritt 835 wird der vierte Verfahrensschritt 415, 515 analog zur Ausbildung der Anschlussstruktur 675, 680 wiederholt, wobei auf der dritten Primerschicht 745 der dritter elektrisch leitender Werkstoff 681 zur Ausbildung des Anschlussstruktur 675, 680 beispielsweise mittels Galvanisierung oder des Plasmas 320 abgeschieden wird.
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In einem neunten Verfahrensschritt 840 wird der Sensor 685 in die zweite Aussparung 665 eingelegt und die Sensorelektrode 700, 705 derart positioniert, dass die Sensorelektrode 700, 705 jeweils auf der Kontaktfläche 690, 695 der Anschlussstruktur 675, 680 aufliegt.
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In einem zehnten Verfahrensschritt 845 wird unterseitig der Sensorschicht 620 die thermische Isolationsschicht 615 aufgebracht. Dabei kann die thermische Isolationsschicht 615 beispielsweise thermisch mit der Sensorschicht 620 laminiert werden. Auch kann die thermische Isolationsschicht 615 beispielsweise mittels einer zusätzlichen weiteren Klebschicht (nicht dargestellt) mit der Sensorschicht 620 verbunden werden.
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In einem elften Verfahrensschritt 850 wird die Klebschicht 610 unterseitig auf die thermische Isolationsschicht 615 aufgebracht. Zusätzlich kann zum weiteren Transport in der Fertigung der Heizeinrichtung 100 unterseitig der Klebschicht 610 ein Folienliner 755 auf die Klebschicht 610 aufgebracht werden, um ein Verkleben der Klebschicht 610 an Komponenten einer Fertigungsanlage zu verhindern. Auch wird durch den Folienliner 755 eine Verschmutzung der Klebschicht 610 zuverlässig vermieden. Die Klebschicht 610, die thermische Isolationsschicht 615 und die Sensorschicht 620 bilden in diesem Zustand eine weitere Schichtanordnung 759 aus.
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In einem zwölften Verfahrensschritt 855 wird die Wärmeleitschicht 625 beispielsweise mittels eines Extrusionsverfahren oder einem Spritzverfahren hergestellt.
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In einem dreizehnten Verfahrensschritt 860 wird zur Herstellung der Blitzschutzschicht 630 das Gewebe 635 in die sechste Kunststoffmatrix 730 einlaminiert. Alternativ wird das Gewebe 630 bereitgestellt.
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Ferner wird in dem dreizehnten Verfahrensschritt 860 die Haftvermittlungsschicht 640 in einem Extrusionsverfahren oder einem Spritzverfahren hergestellt.
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In einem vierzehnten Verfahrensschritt 865 wird die Wärmeleitschicht 625, die Blitzschutzschicht 630 und die Haftvermittlungsschicht 640 beispielsweise in weiteren thermischem Laminierverfahren miteinander zu einem weiteren zusätzlichen Schichtanordnung 760 verbunden. Auch kann alternativ bei der Laminierung des metallischen Gewebes 635 die sechste Kunststoffmatrix 725 - vor Aushärten der sechsten Kunststoffmatrix 725 - die Haftvermittlungsschicht 640 auf der einen Seite des metallischen Gewebes 635 und die Wärmeleitschicht 625 auf der anderen Seite des metallischen Gewebes 635 an die sechste Kunststoffmatrix 725 angepresst werden, sodass die sechste Kunststoffmatrix 725 beim Aushärten die Haftvermittlungsschicht 640 mit der Wärmeleitschicht 625 stoffschlüssig verbindet.
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In einem fünfzehnten Verfahrensschritt 870 wird die Schichtanordnung 105 zwischen der Wärmeleitschicht 625 und der Sensorschicht 620 angeordnet und stoffschlüssig mit der Wärmeleitschicht 625 und der Sensorschicht 620 in weiteren thermischen Laminierverfahren oder einem Laminierverfahren mit zusätzlicher Einbringung von Klebstoff zwischen der ersten Schicht 120 und der Wärmeleitschicht 625 und der dritten Schicht 130 und der Sensorschicht 620 laminiert.
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In einem sechzehnten Verfahrensschritt 875 wird der Folienliner 755 abgezogen und die Heizeinrichtung 100 die äußere Umfangsfläche 600 der Rotorblattstruktur 80 aufgebracht und verpresst.
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In einem siebzehnten Verfahrensschritt 880 kann zusätzlich auf die Haftvermittlungsschicht 640 die Schutzschicht 645 auflackiert werden oder Schutzschicht 645 in Form einer Folie aufgebracht werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die in 15 beschriebenen Verfahrensschritte beispielhaft sind und selbstverständlich eine andere Reihenfolge gewählt werden kann. Auch wird darauf hingewiesen, dass auf einzelne Schichten verzichtet werden kann oder zusätzliche Schichten vorgesehen sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Koordinatensystem
- 10
- Windenergieanlage
- 15
- Turm
- 20
- Gondel
- 25
- Rotor
- 30
- Rotorblatt
- 35
- Spinner
- 40
- Generator
- 41
- Wind
- 45
- Steuergerät
- 50
- erster Eingang
- 51
- zweiter Eingang
- 55
- erster Ausgang
- 60
- zweiter Ausgang
- 65
- erste Verbindung
- 66
- zweite Verbindung
- 70
- dritte Verbindung
- 75
- vierte Verbindung
- 80
- Rotorblattstruktur
- 85
- erster Anschluss
- 90
- zweiter Anschluss
- 100
- Heizeinrichtung
- 105
- Schichtanordnung
- 110
- erste Leiterstruktur
- 115
- zweite Leiterstruktur
- 120
- erste Schicht
- 121
- erste Kunststoffmatrix
- 122
- erstes Partikelmaterial
- 125
- zweite Schicht
- 126
- zweite Kunststoffmatrix
- 127
- zweites Partikelmaterial
- 130
- dritte Schicht
- 131
- dritte Kunststoffmatrix
- 135
- erster Leiterabschnitt
- 140
- zweiter Leiterabschnitt
- 145
- dritter Leiterabschnitt
- 146
- vierter Leiterabschnitt
- 150
- erste Seitenfläche
- 155
- fünfter Leiterabschnitt
- 160
- sechster Leiterabschnitt
- 165
- siebter Leiterabschnitt
- 170
- zweite Seitenfläche
- 175
- erste Ausnehmung
- 180
- zweite Ausnehmung
- 185
- erster Ausnehmungsgrund
- 190
- fünfter Ausnehmungsgrund
- 195
- dritte Ausnehmung
- 200
- vierte Ausnehmung
- 205
- fünfte Ausnehmung
- 210
- sechste Ausnehmung
- 211
- siebte Ausnehmung
- 215
- erster Durchbruch der zweiten Ausnehmung
- 220
- zweiter Durchbruch der dritten Ausnehmung
- 225
- dritter Durchbruch der vierten Ausnehmung
- 230
- vierter Durchbruch der sechsten Ausnehmung
- 231
- fünfter Durchbruch der siebten Ausnehmung
- 235
- erste Nut der zweiten Ausnehmung
- 240
- zweite Nut der dritten Ausnehmung
- 245
- dritte Nut der vierten Ausnehmung
- 250
- vierte Nut der sechsten Ausnehmung
- 251
- fünfte Nut der siebten Ausnehmung
- 252
- Oberseite der ersten Schicht
- 255
- Oberseite der zweiten Schicht
- 260
- zweiter Ausnehmungsgrund
- 265
- dritter Ausnehmungsgrund
- 270
- vierter Ausnehmungsgrund
- 271
- sechster Ausnehmungsgrund
- 272
- siebter Ausnehmungsgrund
- 273
- Widerstandselement
- 274
- Isolierschicht
- 275
- erste Primerschicht
- 276
- Hitzequelle
- 277
- Fokus
- 280
- erster Abschnitt der ersten Anlageschicht
- 285
- zweite Primerschicht
- 290
- erster Abschnitt der zweiten Anlageschicht
- 295
- zweiter Abschnitt der ersten Anlageschicht
- 300
- dritter Abschnitt der ersten Anlageschicht
- 301
- vierter Abschnitt der ersten Anlageschicht
- 302
- erster Teilbereich
- 303
- zweiter Teilbereich
- 305
- zweiter Abschnitt der zweiten Anlageschicht
- 310
- dritter Abschnitt der zweiten Anlageschicht
- 311
- dritter Teilbereich
- 312
- vierter Teilbereich
- 315
- erster elektrisch leitender Werkstoff
- 316
- zweiter elektrisch leitender Werkstoff
- 317
- Unterseite
- 320
- Plasma
- 325
- Oberfläche
- 335
- weitere Isolierschicht
- 400
- erster Verfahrensschritt
- 405
- zweiter Verfahrensschritt
- 410
- dritter Verfahrensschritt
- 415
- vierter Verfahrensschritt
- 500
- erster Verfahrensschritt
- 505
- zweiter Verfahrensschritt
- 510
- dritter Verfahrensschritt
- 515
- vierter Verfahrensschritt
- 520
- fünfter Verfahrensschritt
- 600
- äußere Umfangsfläche
- 605
- Vorderkante
- 606
- Staupunktlinie
- 607
- Saugseite
- 608
- Druckseite
- 609
- Hinterkante
- 610
- Klebschicht
- 615
- thermische Isolationsschicht
- 620
- Sensorschicht
- 625
- Wärmeleitschicht
- 630
- Blitzschutzschicht
- 635
- Gewebe
- 640
- Haftvermittlungsschicht
- 645
- Schutzschicht
- 650
- Oberseite
- 655
- Umgebung
- 660
- erste Aussparung
- 665
- zweite Aussparung
- 670
- dritte Aussparung
- 675
- erste Anschlussstruktur
- 680
- zweite Anschlussstruktur
- 681
- dritter elektrisch leitender Werkstoff
- 685
- Sensor
- 690
- Kontaktfläche
- 695
- Kontaktfläche
- 700
- Sensorelektrode
- 705
- Sensorelektrode
- 710
- vierte Kunststoffmatrix
- 715
- fünfte Kunststoffmatrix
- 720
- vierte Partikelmaterial
- 725
- sechste Kunststoffmatrix
- 730
- siebte Kunststoffmatrix
- 735
- achte Kunststoffmatrix
- 740
- Füllstoff
- 745
- dritte Primerschicht
- 755
- Folienliner
- 759
- weitere Schichtanordnung
- 760
- zusätzliche weitere Schichtanordnung
- 800
- erster Verfahrensschritt
- 805
- zweiter Verfahrensschritt
- 810
- dritter Verfahrensschritt
- 815
- vierter Verfahrensschritt
- 820
- fünfter Verfahrensschritt
- 825
- sechster Verfahrensschritt
- 830
- siebter Verfahrensschritt
- 835
- achter Verfahrensschritt
- 840
- neunter Verfahrensschritt
- 845
- zehnter Verfahrensschritt
- 850
- elfter Verfahrensschritt
- 855
- zwölfter Verfahrensschritt
- 860
- dreizehnter Verfahrensschritt
- 865
- vierzehnter Verfahrensschritt
- 870
- fünfzehnter Verfahrensschritt
- 875
- sechzehnter Verfahrensschritt
- 880
- siebzehnter Verfahrensschritt
