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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasheizvorrichtung insbesondere für einen Verbrennungsmotor. Eine solche Heizvorrichtung soll die Abgase und einen Katalysator aufheizen, um die katalytische Umwandlung der schädlichen Gase in einem fahrenden Fahrzeug wie einem Auto, einem Lkw, einem Schiff oder einer stationären Maschine wie einem Generatoraggregat zu optimieren.
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Die Erfindung betrifft spezieller eine Abgasheizvorrichtung mit wenigstens einem leitfähigen Element, das sich zwischen zwei Enden erstreckt und in einem Kanal für die Abgase angeordnet ist, wobei jedes leitfähige Element an jedem seiner Enden mit einer jeweiligen Elektrode verbunden ist.
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Das leitfähige Element unterliegt relativ schwierigen Betriebsbedingungen, da es sich im Abgaskanal befindet. Spezieller ist das leitfähige Element insbesondere hohen Temperaturen, chemischen Reaktionen, Kollisionen mit Partikeln usw. ausgesetzt.
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Es ist insbesondere Ziel der Erfindung, eine effektive Befestigung jedes leitfähigen Elements trotz dieser schwierigen Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung insbesondere eine Abgasheizvorrichtung, die Folgendes beinhaltet:
- - wenigstens ein leitfähiges Element, bestimmt zum Anordnen in einem Abgaskanal und geformt zum Aufheizen der in diesem Kanal umlaufenden Abgase, wobei sich jedes leitfähige Element in einer gemeinsamen vordefinierten Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende erstreckt, und
- - einen ersten positiven elektrischen Anschluss und einen zweiten negativen elektrischen Anschluss,
dadurch gekennzeichnet, dass sie erste und zweite Verbindungsstücke aus einem leitfähigen Material beinhaltet, so dass jedes Verbindungsstück Folgendes beinhaltet:
- - einen ersten im Wesentlichen planaren Längsteil, der sich in einer Längsrichtung erstreckt,
- - einen zweiten Verbindungsteil, der mit dem ersten Teil verbunden ist und sich quer zu diesem ersten Teil erstreckt, wobei der zweite Teil mit einem jeweiligen einen der Anschlüsse verbunden ist,
- - wenigstens einen dritten Teil, der mit dem ersten Teil verbunden ist und sich quer zu diesem ersten Teil erstreckt,
wobei eines der Enden jedes leitfähigen Elements mit dem zweiten oder dritten Teil von einem der Verbindungsstücke verbunden ist und das andere seiner Enden mit dem zweiten oder dritten Teil des anderen Verbindungsstücks verbunden ist.
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Die leitfähigen Elemente gemäß der Erfindung erlauben eine effektive Befestigung des leitfähigen Elements, ohne dass Schweißen notwendig wäre, und erlauben eine erhebliche Passage von Strom in dem leitfähigen Element.
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Die Erfindung bezieht sich vorteilhafterweise auf eine Heizvorrichtung, die eine Elektrodenvorrichtung umfasst, deren beiden Anschlüsse auf einer selben Seite angeordnet sind, im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, in denen die Anschlüsse einander diametral gegenüberliegen, die ein größeres Volumen außerhalb des Schadstoffkontrollgehäuses hat. Daher ist eine solche Elektrodenvorrichtung, deren beiden Anschlüsse auf einer selben Seite angeordnet sind, kompakter.
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Zum Beispiel, der Mittenabstand zwischen den Anschlüssen ist kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm und noch stärker bevorzugt 3 bis 4 cm.
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Eine Heizvorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner eine oder mehrere der folgenden Charakteristiken alleine oder in allen technisch möglichen Kombinationen betrachtet aufweisen:
- - Die Vorrichtung beinhaltet wenigstens zwei leitfähige Elemente, die vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind.
- - Das erste Ende von wenigstens einem der leitfähigen Elemente ist mit dem ersten Anschluss verbunden und sein zweites Ende ist mit dem zweiten Anschluss verbunden, so dass ein erster elektrischer Strom in diesem leitfähigen Element in einer ersten Umlaufrichtung umläuft, und das erste Ende von wenigstens einem anderen der leitfähigen Elemente ist mit dem zweiten Anschluss verbunden und sein zweites Ende ist mit dem ersten Anschluss verbunden, so dass der zweite elektrische Strom in diesem leitfähigen Element in einer zweiten Umlaufrichtung entgegengesetzt zur ersten Richtung umläuft.
- - Die Heizvorrichtung beinhaltet Mittel zum Halten von leitfähigen Elementen in Kontakt auf den Verbindungsstücken.
- - Jeder dritte Teil jedes Verbindungsstücks ist in Längsrichtung entweder zwischen dem zweiten Teil und einem dritten Teil neben diesem zweiten Teil des anderen Verbindungsstücks oder zwischen zwei benachbarten dritten Teilen des anderen Verbindungsstücks angeordnet.
- - Schichten von elektrisch isolierendem Material sind zwischen die Verbindungsstücke eingefügt, wobei jede Isoliermaterialschicht zwischen den jeweiligen einen der dritten Teile von einem der Verbindungsstücke und den zweiten Teil des anderen Verbindungsstücks oder zwischen den jeweiligen einen der dritten Teile von einem der Verbindungsstücke und den jeweiligen einen der dritten Teile des anderen Verbindungsstücks eingefügt ist.
- - Jedes Ende jedes leitfähigen Elements ist mit dem jeweiligen einen der zweiten oder dritten Teile des jeweiligen einen der Verbindungsstücke zwischen diesem zweiten oder dritten Teil und der Materialschicht befestigt, die diesen zweiten oder dritten Teil isoliert.
- - Das Isoliermaterial ist Glimmer.
- - Die Heizvorrichtung beinhaltet mehrere leitfähige Elemente, die sich alle in einer selben Ebene erstrecken, ohne sich zu kontaktieren oder zu schneiden, so dass für ein beliebiges Paar von benachbarten leitfähigen Elementen unter den genannten mehreren leitfähigen Elementen das erste Ende jedes leitfähigen Elements des Paares mit demselben Anschluss verbunden ist wie das zweite Ende des anderen leitfähigen Elements des Paares.
- - Die Heizvorrichtung beinhaltet einen Tragrahmen, der einen Kanal für die Gase begrenzt, und wenigstens ein leitfähiges Element, das sich zwischen zwei Enden erstreckt und in dem Kanal angeordnet ist, wobei jedes leitfähige Element an jedem seiner Enden mit einer jeweiligen Elektrode verbunden ist, wobei die Vorrichtung wenigstens eine elektrisch isolierende Tragplatte für jedes leitfähige Element an der Tragplatte befestigt aufweist.
- - Jede Tragplatte beinhaltet für jedes leitfähige Element wenigstens einen jeweiligen Kanalschlitz für dieses leitfähige Element, wobei sich jeder Kanalschlitz zwischen einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende erstreckt und eine Schulter zwischen dem offenen und geschlossenen Ende aufweist, wobei das leitfähige Element zwischen dem geschlossenen Ende und der Schulter angeordnet ist.
- - Die Heizvorrichtung beinhaltet mehrere Tragplatten, die Folgendes beinhalten: - eine erste mittlere Platte, die am Tragrahmen befestigt ist, - wenigstens eine zweite Platte, die sich zwischen einem mit dem Tragrahmen verbundenen ersten Ende und einem mit einem Schlitz im Eingriff mit der ersten mittleren Platte versehenen zweiten Ende erstreckt.
- - Die Heizvorrichtung beinhaltet wenigstens ein Paar zweiter Platten, vorzugsweise zwei Paare zweiter Platten, wobei die zweiten Platten eines selben Paares an ihren zweiten Enden an der mittleren Platte ineinandergreifen.
- - Jede Tragplatte ist mit dem Tragrahmen durch Einfügen wenigstens eines Endes dieser Tragplatte in einen Schlitz verbunden, der an diesem Ende im Tragrahmen angeordnet ist.
- - Jede Tragplatte besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, das Temperaturen über 500°C aushalten kann, zum Beispiel aus Glimmer.
- - Der Tragrahmen hat eine den genannten Kanal begrenzende Innenfläche und eine Außenfläche, wobei die Außenfläche mit wenigstens einem Ausgleichselement versehen ist, das zwischen den Tragrahmen und eine Innenwand eines Abgasleitungsgehäuses einzufügen ist.
- - Der Tragrahmen wird von dem Gehäuse gebildet.
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Die Erfindung betrifft auch eine Abgasleitung, insbesondere für ein Auto, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abgasheizvorrichtung wie zuvor definiert beinhaltet.
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Die Erfindung wird nach der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, die lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die Begleitzeichnungen gegeben wird. Dabei zeigt:
- - 1 eine Perspektivansicht einer Heizvorrichtung gemäß einem Beispiel der Erfindung;
- - 2 eine Querschnittsansicht eines Details der Heizvorrichtung von 1 entlang einer ersten Schnittebene;
- - 3 eine Querschnittsansicht des Details von 2 entlang einer zweiten Schnittebene lotrecht zur ersten Schnittebene;
- - 4 eine schematische Darstellung des Umlaufs von Strom in zwei leitfähigen Elementen der Heizvorrichtung von 1.
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1 zeigt eine Abgasheizvorrichtung 10 gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Die Heizvorrichtung 10 ist in einem Abgasleitungsgehäuse 12, durch das die Abgase umlaufen sollen, in der Nähe eines Katalysators angeordnet.
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Das Gehäuse 12 hat zum Beispiel eine allgemein zylindrische Form mit einer kreisförmigen Basis.
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Die Heizvorrichtung 10 beinhaltet einen Tragrahmen 14, der einen Kanal für die Abgase begrenzt. Der Tragrahmen 14 hat zum Beispiel eine allgemein zylindrische Form mit einer kreisförmigen Basis, die vorzugsweise koaxial mit Bezug auf das Gehäuse 12 ist.
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Der Tragrahmen 14 hat eine den genannten Kanal begrenzende Unterseite und eine dem Gehäuse 12 zugewandte Außenfläche. Die Außenfläche ist mit mehreren Ausgleichselementen 16 versehen, die zwischen den Tragrahmen 14 und eine Innenwand des Abgasleitungsgehäuses 12 eingefügt werden sollen. Die Ausgleichselemente 16 definieren somit einen kreisförmigen Raum zwischen dem Tragrahmen 14 und dem Gehäuse 12.
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Die Ausgleichselemente 16 sind einerseits am Tragrahmen 14 und andererseits am Gehäuse 12 beispielsweise durch Schweißen befestigt.
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Die Heizvorrichtung 10 beinhaltet ferner wenigstens ein leitfähiges Element 18, das sich in einer vorbestimmten Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende erstreckt und in dem Kanal angeordnet ist. Es ist zu bemerken, dass die vorbestimmte Richtung für alle der leitfähigen Elemente dieselbe ist.
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Vorteilhafterweise beinhaltet die Heizvorrichtung 10 mehrere leitfähige Elemente 18, die sich alle in einer selben Ebene erstrecken, ohne einander zu kontaktieren oder zu schneiden.
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In dem beschriebenen Beispiel beinhaltet die Heizvorrichtung 10 vier parallel angeordnete leitfähige Elemente 18. Bei Betrachtung einer Medianebene der Heizvorrichtung 10 sind die Enden jedes leitfähigen Elements 18 auf beiden Seiten dieser Medianebene.
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Die Heizvorrichtung 10 beinhaltet zwei Elektroden, eine zum Bilden eines negativen Anschlusses 20a, die andere zum Bilden eines positiven Anschlusses 20b. Jedes Ende jedes leitfähigen Elements 18 ist mit einer jeweiligen einen der Elektroden 20 verbunden.
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Jedes leitfähige Element 18 ist mit den Elektroden 20 mittels eines ersten 21 und zweiten 23 Verbindungsstücks befestigt.
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So kann ein elektrischer Strom in dem leitfähigen Element 18 umlaufen, was zu einer Erhöhung der Temperatur durch den Joule-Effekt führt. Dies macht es möglich, die in der Heizvorrichtung 10 passierenden Abgase aufzuheizen.
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Vorteilhafterweise beinhaltet wenigstens eines der leitfähigen Elemente 18, vorzugsweise jedes leitfähige Element 18, zwei gekrümmte seitliche Teile, zum Beispiel in einem Kreisbogen, und einen mittleren Teil, der zwei im Wesentlichen gerade Abschnitte umfasst, die sich jeweils über einen der seitlichen Teile erstrecken und zueinander hin konvergieren. Diese Form macht es möglich, das leitfähige Element 18 relativ zu einem kreisförmigen leitfähigen Element zu verlängern.
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Zum Beispiel, wenigstens eines der leitfähigen Elemente 18, vorzugsweise jedes leitfähige Element 18, hat eine Länge von mehr als 500 mm, vorzugsweise mehr als 1000 mm. In der Tat nimmt die Effizienz der leitfähigen Elemente 18 mit deren Länge zu und die Austauschfläche zwischen den Abgasen und den leitfähigen Elementen 18 nimmt mit dieser Länge zu.
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Gemäß dem beschriebenen Beispiel wird wenigstens eines der leitfähigen Elemente 18, vorzugsweise jedes leitfähige Element 18, von einem Band mit einer Breite, die geringer ist als seine Länge, und einer Dicke gebildet, die weitaus geringer ist als ihre Breite.
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Zum Beispiel, die Breite wenigstens eines der leitfähigen Elemente 18, vorzugsweise jedes leitfähigen Elements 18, ist kleiner als 10 mm, vorzugsweise etwa 5 mm. In der Tat nimmt die Effizienz der leitfähigen Elemente 18 mit ihrer Breite zu und die Austauschfläche zwischen den Abgasen und den leitfähigen Elementen 18 nimmt mit dieser Breite zu.
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Zum Beispiel, die Dicke wenigstens eines der leitfähigen Elemente 18, vorzugsweise jedes leitfähigen Elements 18, ist geringer als 0,2 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm. Diese geringe Dicke macht es möglich, die Reaktionszeit der Vorrichtung zu verlängern.
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Die oben definierten Abmessungen machen es möglich, die Effizienz der leitfähigen Elemente für eine gegebene elektrische Energie zu optimieren.
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Man wird feststellen, dass die leitfähigen Elemente 18 beispielsweise aus Nickel-Chrom (NiCr), Eisen-Chrom-Aluminium (FeCrAI) oder einer Edelstahllegierung gefertigt sind, um ihre Lebensdauer zu verlängern.
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Die Verbindungsteile 21, 23 werden im Hinblick auf die 2 und 3 ausführlicher beschrieben.
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Der erste 21 und zweite 23 Verbindungsteil bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material. Jedes Verbindungsstück beinhaltet:
- - einen ersten im Wesentlichen planaren Längsteil 21a, 23a, der sich in einer Längsrichtung X erstreckt,
- - einen zweiten Verbindungsteil 21b, 23b, der mit dem ersten Teil 21a, 23a verbunden ist und sich quer zu diesem ersten Teil erstreckt, wobei der zweite Teil mit einem jeweiligen einen der Anschlüsse 20a, 20b verbunden ist,
- - wenigstens einen dritten Teil 21c, 23c, der mit dem ersten Teil 21a, 23a verbunden ist und sich quer zu diesem ersten Teil 21a, 23a erstreckt.
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In dem beschriebenen Beispiel sind der erste 21a, 23a, der zweite 21b, 23b und der dritte 21c, 23c Teil jedes Verbindungsstücks 21, 23 aus einem einzigen integralen Stück gebildet.
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In einem anderen Beispiel ist wenigstens eines der Verbindungsstücke 21, 23 mit dem entsprechenden Anschluss 20a, 20b integral. Spezieller, das erste Verbindungsstück 21 ist mit dem ersten Anschluss 20a integral und/oder das zweite Verbindungsstück 23 ist mit dem zweiten Anschluss 20b integral.
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In dem beschriebenen Beispiel beinhaltet jedes Verbindungsstück 21, 23 zwei dritte Teile 21c, 23c, aber in einer Variante könnten sie auch ein einziges oder mehr als zwei beinhalten.
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Die Verbindungsteile 21, 23 sind in Eingriff miteinander, so dass jeder dritte Teil 21c, 23c jedes Verbindungsstücks 21, 23 in Längsrichtung X zwischen den zweiten Teil und den dritten Teil neben diesem zweiten Teil des anderen Verbindungsstücks oder zwischen zwei benachbarte dritte Teile des anderen Verbindungsstücks eingefügt wird.
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Eines der Enden jedes leitfähigen Elements 18 ist mit dem zweiten 21b, 23b oder dritten Teil 21c, 23c von einem der Verbindungsstücke verbunden, und das andere seiner Enden ist mit dem zweiten 21b, 23b oder dritten Teil 21c, 23c des anderen Verbindungsstücks verbunden.
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Spezieller, wie in 4 gezeigt, ist das erste Ende von wenigstens einem der leitfähigen Elemente 18 mit dem Anschlussverbindungsstück 21 verbunden und sein zweites Ende ist mit dem zweiten Verbindungsstück 23 verbunden, so dass ein erster elektrischer Strom i1 in diesem leitfähigen Element 18 in einer ersten Umlaufrichtung umläuft, und das erste Ende von wenigstens einem anderen der leitfähigen Elemente 18 ist mit dem zweiten Verbindungsstück 23 verbunden und sein zweites Ende ist mit dem ersten Verbindungsstück 21 verbunden, so dass der zweite elektrische Strom i2 in diesem leitfähigen Element in einer zweiten Umlaufrichtung entgegengesetzt zur ersten Richtung umläuft.
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Da die Ströme i1 und i2 entgegengesetzt sind, sind auch die Magnetfelder, die sie durch den Umlauf in den entsprechenden leitfähigen Elementen 18 induzieren, einander entgegengesetzt. Folglich ist das von der Heizvorrichtung 10 induzierte Gesamtmagnetfeld schwach.
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Zu diesem Zweck wird eine gerade Anzahl von leitfähigen Elementen 18 vorgesehen, wobei die Anzahl von leitfähigen Elementen 18, in denen ein Strom i1 in der ersten Richtung umläuft, gleich der Anzahl von leitfähigen Elementen 18 ist, in denen ein Strom i2 in der zweiten Richtung [umläuft].
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Vorteilhafterweise ist für ein beliebiges Paar von benachbarten leitfähigen Elementen unter den genannten mehreren leitfähigen Elementen das erste Ende jedes leitfähigen Elements des Paares mit demselben Anschluss verbunden wie das zweite Ende des anderen leitfähigen Elements des Paares.
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Zum Beispiel, in dem in den Figuren gezeigten Fall, in dem die Heizvorrichtung 10 vier leitfähige Elemente 18 beinhaltet, die als erstes 18a, zweites 18b, drittes 18c und viertes 18d leitfähiges Element bezeichnet werden, gilt Folgendes:
- - das erste äußere leitfähige Element 18a umgibt alle anderen leitfähigen Elemente 18b, 18c, 18d,
- - das zweite leitfähige Element 18b umgibt das dritte 18c und vierte 18d leitfähige Element,
- - das dritte leitfähige Element 18c umgibt das vierte leitfähige Element 18d,
- - die ersten Enden des ersten 18a und vierten 18d leitfähigen Elements sind mit dem ersten positiven Anschluss 20a verbunden und ihre zweiten Enden sind mit dem zweiten negativen Anschluss 20b verbunden, und
- - die ersten Enden des zweiten 18b und dritten 18c leitfähigen Elements sind mit dem zweiten negativen Anschluss 20b verbunden und ihre zweiten Enden sind mit dem ersten positiven Anschluss 20a verbunden.
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So läuft der Strom in der ersten Richtung im ersten 18a und vierten 18d leitfähigen Element und in der zweiten Richtung im zweiten 18b und dritten 18c leitfähigen Element um.
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Vorteilhafterweise beinhaltet die Heizvorrichtung 10 Mittel 27 zum Halten von Enden jedes leitfähigen Elements 18 in Kontakt mit den Verbindungsstücken 21, 23.
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In dem beschriebenen Beispiel umfassen die Haltemittel einen Bolzen 27, der durch die Enden der leitfähigen Elemente 18 und die zweiten 21b, 23b und dritten 21c, 23c Teile der Verbindungsstücke 21, 23 verläuft. Dieser durchgehende Bolzen 27 wird wenigstens teilweise von einem Isoliermaterial 29 bedeckt, um den Strom zwischen dem ersten 21 und zweiten 23 Verbindungsstück nicht zu leiten. Das Isoliermaterial 29 ist zum Beispiel Glimmer.
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In einer Variante beinhalten die Haltemittel 27 eine Dichtungsklammer.
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In anderen Varianten können die Haltemittel 27 durch einen beliebigen Befestigungsmitteltyp wie zum Beispiel Schweißen, Nieten, Kleben usw. gebildet werden.
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Ferner sind Schichten von elektrisch isolierendem Material 30 zwischen die Verbindungsstücke 21, 23 eingefügt, wobei jede Isoliermaterialschicht 30 zwischen den jeweiligen einen der dritten Teile 21c, 23c von einem der Verbindungsstücke 21, 23 und den zweiten Teil 21b, 23b des anderen Verbindungsstücks 21, 23 oder zwischen den jeweiligen einen der dritten Teile 21c, 23c von einem der Verbindungsstücke und den jeweiligen einen der dritten Teile 21c, 23c des anderen Verbindungsstücks eingefügt ist.
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Optional bildet das zwischen die Verbindungsteile 21, 23 eingefügte elektrisch isolierende Material 30 auch eine Tragstruktur für die leitfähigen Elemente 18 in dem Gaskanal.
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Vorteilhafterweise ist jede Materialschicht 30 aus Glimmer gefertigt.
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Jedes Ende jedes leitfähigen Elements 18 ist mit dem jeweiligen einen der zweiten 21b, 23b oder dritten 21c, 23c Teile des jeweiligen einen der Verbindungsstücke zwischen diesem zweiten 21b, 23b oder dritten 21c, 23c Teil und der Materialschicht 30 befestigt, die diesen zweiten oder dritten Teil isoliert.
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Spezieller, in dem beschriebenen Beispiel:
- - ist das erste Ende des ersten leitfähigen Bands 18a mit dem zweiten Teil 21b des ersten Verbindungsstücks 21 verbunden und das zweite Ende des ersten leitfähigen Bands 18a ist mit dem zweiten Teil 23b des zweiten Verbindungsstücks 23 verbunden,
- - das erste Ende des zweiten leitfähigen Bands 18b ist mit einem der dritten Teile 21c des ersten Verbindungsstücks 21 verbunden und sein zweites Ende ist mit einem der dritten Teile 23c des zweiten Verbindungsstücks 23 verbunden,
- - das erste Ende des dritten leitfähigen Bands 18c ist mit einem der dritten Teile 21c des ersten Verbindungsstücks 21 verbunden und sein zweites Ende ist mit einem der dritten Teile 23c des zweiten Verbindungsstücks 23 verbunden,
- - das erste Ende des vierten leitfähigen Bands 18d ist mit einem der dritten Teile 23c des zweiten Verbindungsstücks 23 verbunden und sein zweites Ende ist mit einem der dritten Teile 21c des ersten Verbindungsstücks 21 verbunden.
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Vorteilhafterweise wird jedes leitfähige Elementeende 18 durch das Haltemittel 27, beispielsweise durch Klammern, jeweils unter einem der zweiten oder dritten Teile des entsprechenden Verbindungsstücks und einer der Isolierschichten 30 gehalten.
