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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Rohrheizkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Elektrische Rohrheizkörper sind eine seit vielen Jahren bekannte Variante elektrischer Heizvorrichtungen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass das elektrische Heizelement innerhalb eines rohförmigen Metallmantels angeordnet ist, wobei es in radialer Richtung zum rohrförmigen Metallmantel hin durch Einbettung in ein elektrisch isolierendes, aber gut wärmeleitendes Material, in vielen Fällen z.B. Magnesiumoxid, elektrisch isoliert ist, um einen unerwünschten Kurzschluss zu vermeiden.
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Insbesondere bei Anwendungen, bei denen der verfügbare Bauraum nur sehr klein ist und mit relativ niedrigen Spannungen, z.B. einem 12V oder 48V Bordnetz eines PKW, gearbeitet werden muss, was bedeutet, dass hohe Ströme fließen müssen um die gewünschte Heizleistung zu erbringen stellen sich dabei stets die Frage, wie man auf so engem Raum den kleinen Widerstand und damit den hohen Drahtquerschnitt so unterbringt, dass dieser auch thermischer Wechselbeanspruchung über einen langen Zeitraum standhält und wie man für so große Strombelastunegn prozesssicher eine Verbindung auf engem Querschnitt zwischen unbeheizter Zone und beheizter Zone sichergestellt.
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Diese Aufgabe wird gelöst von einem elektrischen Rohrheizkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Rohrheizkörpers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Der Begriff „elektrischer Rohrheizkörper“ wird dabei in dieser Patentschrift breit verwendete und schließt insbesondere auch Heizpatronen mit ein.
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Der erfindungsgemäße elektrische Rohrheizkörper hat einen rohrförmigen Metallmantel, in dessen Innenraum ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, das aus einem Widerstandsdraht gebildet ist und zumindest abschnittsweise durch ein elektrisch isolierendes Material vom rohrförmigen Metallmantel elektrisch isoliert ist. Erfindungswesentlich ist, dass der Widerstandsdraht, aus dem das elektrische Heizelement gebildet ist, von mindestens einer Öffnung durchsetzt ist und/oder eine konturierte Umfangsfläche aufweist.
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Ganz allgemein kann man einen Widerstandsdraht, aus dem ein elektrisches Heizelement gebildet wird, als allgemeinen Zylinder im mathematischen Sinn beschreiben, der durch Verschiebung einer geschlossenen ebenen Kurve, die den Querschnitt des Zylinders definiert, entsteht. Typischerweise, aber nicht zwingend ist diese geschlossene ebene Kurve ein Kreis und die Verschiebung erfolgt geradlinig und senkrecht zur Ebene, wenn der Widerstandsdraht gestreckt ist.
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Eine den Widerstandsdraht, aus dem das elektrische Heizelement gebildet ist durchsetzende Öffnung erstreckt sich von einer Stelle an einer Seite des Widerstandsdrahts aus durch den Widerstandsdraht hindurch bis zu einer anderen Seite des Widerstandsdrahts. Sie muss aber nicht zwingend durch das Zentrum eines Querschnitts des Widerstandsdrahtes verlaufen, sondern kann auch asymmetrisch, z.B. seitlich versetzt zu dessen Mitte oder Mittelachse verlaufen oder so angeordnet sein, dass sie einen Randbereich einschließen, also die Querschnittskontur des Widerstandsdraht verändern.
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Eine konturierte Umfangsfläche im Sinne dieser Beschreibung hat ein Widerstandsdraht dann, wenn seine Querschnittsfläche lokal reduziert ist, wobei diese Reduktion bei der konturierten Umfangsfläche vorzugsweise vom äußeren Rand der Querschnittsfläche ausgeht. Sie kann als Ringnut oder lokale, sich in Verlaufsrichtung des Widerstandsdrahts erstreckende Aussparung ausgeführt sein oder auch durch eine fortlaufende Kontur, beispielsweise einer sich spiralförmig an der Außenfläche des Widerstandsdrahts entlang erstreckenden Nut, gebildet werden.
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Auch wenn naturgemäß für einen Vorrichtungsanspruch ohne Belang ist, auf welche Weise eine gegebene Struktur in den elektrischen Heizleiter eingebracht wurde, sei der Vollständigkeit halber hervorgehoben, dass solche konturierte Umfangsflächen insbesondere mit spanabhebenden Bearbeitungstechniken, aber auch durch Stanzen, Laserbehandlung oder Bearbeitung mittels Wasserstrahl erzeugt werden können. Sie können aber in Abhängigkeit von der konkreten angestrebten Geometrie in manchen Ausführungsformen ebenso wie eine Öffnung, die so angeordnet ist, dass sie einen Randbereich einschließt, also die Querschnittskontur verändert, auch durch eine globale Umformung des Heizleiters, insbesondere durch Aufrollen, Falten oder Biegen entlang einer Längsachse oder der Erstreckungsrichtung des Heizleiters (vorzugsweise während er gestreckt verläuft) erzeugt werden.
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Durch das Vorsehen einer derartigen Öffnung und/oder einer konturierten Umfangsfläche können eine Reihe der oben genannten Probleme gelöst werden. Je nach konkreter Ausgestaltung kann sie entscheidend dazu beitragen, dass das elektrische Heizelement mechanische Belastungen bei thermischen Lastwechseln besser verkraften kann, dass die verfügbaren Kontaktfläche für das Herstellen des elektrischen Anschlusses vergrößert und dadurch die Relevanz lokaler Übergangswiderstände veringert wird und/oder dass man eine gegebene Querschnittsfläche mit einer größeren Oberfläche realisiert, was dazu beitragen kann, die Oberflächenbelastung des elektrischen Heizelements spürbar zu reduzieren.
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Anzumerken ist weiter, dass eine solche Oberflächenmodifikation auch -gegebenenfalls ergänzt durch weitere Maßnahmen- so ausgestaltet werden kann, dass eine lokale Anpassung der Heizleistung in einem Abschnitt des elektrischen Heizelements und damit des elektrischen Rohrheizkörpers bewirkt wird, beispielsweise wenn im Bereich einer in den Widerstandsdraht eingebrachten Ringnut ein Kupferrohr aufgepresst wird, was dann eine lokale Verringerung der anfallenden Wärme in diesem Bereich mit sich bringt, während die entsprechende Konfiguration nur mit der Ringnut eine lokale Erhöhung der anfallenden Wärme in diesem Bereich mit sich bringen würde.
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Der elektrische Rohrheizkörper, insbesondere das elektrisch isolierende Material kann vorzugsweise zumindest abschnittsweise verdichtet sein.
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Für Stabilität und Langlebigkeit des elektrischen Rohrheizkörpers ist es vorteilhaft, wenn die das elektrische Heizelement durchsetzenden Öffnungen mit elektrisch isolierendem Material gefüllt sind. Ein für viele Anwendungen gut geeignetes Material ist Magnesiumoxid.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Öffnung das elektrische Heizelement der Länge nach durchsetzt, so dass das elektrische Heizelement die Form eines Rohrs aufweist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Querschnitt der Öffnung kleiner ist als der Querschnitt des elektrischen Heizelements und vollständig mit dem elektrischen Heizelement überlappt.
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Insbesondere dann, wenn der Querschnitt der Öffnung an genau einer Stelle den Querschnitt des elektrischen Heizelements vor dem Einbringen der Öffnung überragt, wird durch das Einbringen der Öffnung ein Rohr mit in einer in Erstreckungsrichtung durchgehend geöffneten Seitenwand erzeugt. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um ein elektrisches Heizelement mit einem gegebenen Querschnitt (nämlich dem des „Heizelementrohlings vor dem Einbringen der Öffnung minus den Querschnitt der Öffnung) bereitzustellen, aber diesem Querschnitt, der für die anfallende Heizleistung relevant ist, eine größere Oberfläche zuzuordnen und ihn dadurch zu entlasten.
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Es ist aber auch möglich, dass der Querschnitt der Öffnung an mehr als einer Stelle den Querschnitt des elektrischen Heizelements vor dem Einbringen der Öffnung überragt, so dass durch das Einbringen der Öffnung das elektrische Heizelement in mehrere Segmente aufgeteilt wird.
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Noch weiter erhöht wird die Vielfalt der erreichbaren Konfigurationen bzw. Eigenschaften des elektrischen Heizelements dadurch, dass der Widerstandsdraht, aus dem das elektrische Heizelement gebildet ist, von mindestens einer zweiten Öffnung durchsetzt ist, und zwar in einer anderen Richtung als der, in der die erste Öffnung das elektrische Heizelement durchsetzt. Einerseits kann eine solche zweite Öffnung dazu beitragen, dass das Füllen der Öffnungen mit elektrisch isolierendem Material erleichtert wird. Sie kann aber auch anders verwendet werden, insbesondere z.B. dazu, eine Möglichkeit zur verbesserten Aufnahme mechanischer Belastungen beim Lastwechsel zu schaffen.
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Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der zweiten Öffnung besteht darin, dass diese bei einem rohrförmigen Widerstandsdraht zumindest abschnittsweise schraubenlinienförmig die Rohrwand dieses rohrförmigen Widerstandsdrahts durchsetzend eingebracht ist. Auf diese Weise kann man insbesondere besonders sehr gut thermisch bedingte Längenänderungen des elektrischen Heizelements bei Temperaturwechseln abfangen.
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Zumindest nach dem Befüllen von Öffnungen im elektrischen Heizelement kann die Öffnung ganz oder zumindest teilweise von einem Anschlussdraht oder Anschlussbolzen verschlossen sein, der in elektrischem Kontakt zum elektrischen Heizelement steht. Auf diese Weise kann ein elektrischer Anschluss bereitgestellt werden, der zugleich einen im Wesentlichen unbeheizten Abschnitt des elektrischen Rohrheizkörpers definiert. Dazu kann insbesondere vorteilhaft ein Drehteil aus Kupfer verwendet werden.
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Wenn der Anschlussdraht oder Anschlussbolzen eine Öffnung aufweist, über die, wenn die Öffnung im Anschlussdraht oder Anschlussbolzen offen ist, eine Verbindung zur Öffnung im elektrischen Heizelement besteht, kann das Befüllen der Öffnung auch nach dem Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Anschlussdraht oder Anschlussbolzen und insbesondere durch Einfüllen, das außerhalb des rohrförmigen Metallmantels durchgeführt werden kann, erfolgen. Dann kann zum Herstellen des elektrischen Anschlusses ein Draht innerhalb der Öffnung im Anschlussdraht oder Anschlussbolzen angeordnet sein und diese vorzugsweise verschließen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Rohrheizkörpers umfasst die Schritte
- - Einbringen mindestens einer einen Widerstandsdraht durchsetzenden Öffnung in einen Widerstandsdraht und/oder Konturieren der Umfangsfläche eines Widerstandsdrahts um ein elektrisches Heizelement bereitzustellen,
- - Anordnen des elektrischen Heizelements im Innenraum eines rohrförmigen Metallmantels,
- - Elektrisches Isolieren zumindest von Abschnitten des elektrischen Heizelements relativ zum Außenmantel.
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Anders als bislang wird also der Widerstandsdraht nicht nur lokal, insbesondere entlang seiner Erstreckungsrichtung jeweils in unterschiedlicher Richtung zur Erzeugung einer gewünschten Bahnkurve oder Kurve im Raum umgeformt, beispielsweise aufgewendelt oder beispielsweise bei einem Verpressschritt im Verlauf des Herstellungsprozesses einer elektrischne Heizung im in der Heizung eingebauten Zustand in seinem Querschnitt verformt, sondern er wird bearbeitet bereitgestellt, insbesondere dadurch, dass entweder zumindest lokal Material entfernt wurde oder dadurch, dass eine globale Umformung, insbesondere z.B. durch Aufrollen, Falten oder Biegen entlang einer Längsachse oder der Erstreckungsrichtung des Heizleiters bzw. eines Heizleiterrohlings (vorzugsweise während er gestreckt verläuft) oder einer dazu parallel verlaufenden Achse durchgeführt wurde.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn mindestens eine den Widerstandsdraht durchsetzende Öffnung mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt nach dem Bereitstellen des elektrischen Heizelements zum Füllen der den Widerstandsdraht durchsetzenden Öffnung mit einem elektrisch isolierenden Material durch das Einschieben einer Stange aus dem elektrisch isolierenden Material in die Öffnung erfolgt. Das Material kann beispielsweise Magnesiumoxid sein. Diese Vorgehensweise macht es besonders einfach, die Öffnung zu füllen; es ist aber natürlich auch möglich, die Öffnung mit einem Isolierstoffpulver- oder Granulat zu befüllen, dass man z.B. einrieseln lässt und vorzugsweise verdichtet.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird durch das Verbinden des elektrischen Heizelements mit mindestens einem Anschlussdraht oder Anschlussbolzen mindestens ein unbeheizter Bereich des elektrischen Rohrheizkörper erzeugt wird. Dieses Verbinden kann auch stirnseitig erfolgen, was es ermöglicht, dass bei aneinander angepassten Außendurchmessern von elektrischem Heizelement und Anschlussdraht oder Anschlussbolzen die Bauraumerfordernisse allein durch die benötigten Dimensionen des elektrischen Heizelements bestimmt werden.
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Wenn dabei die Stange aus elektrisch isolierendem Material in eine durchgehende oder sacklochartige Öffnung im Anschlussdraht oder Anschlussbolzen, deren Querschnitt an den Querschnitt der in den Widerstandsdraht eingebrachten Öffnung angepasst ist, eingeschoben wird, bis die einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Anschlussdrahts oder Anschlussbolzens und des elektrischen Heizelements aneinander anliegen, erhält man eine sehr gut handhabbare Baugruppe, bei der auch insbesondere das Bestehen eines guten elektrischen Kontakts zwischen Anschlussdraht oder Anschlussbolzen einerseits und elektischem Heizelement andererseits verifiziert und/oder gesichert werden kann, beispielsweise durch Verschweißen oder Verlöten.
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Eine so vorkonfigurierte Baugruppe kann dann zum Anordnen des elektrischen Heizelements im Innenraum eines rohrförmigen Metallmantels die Baugruppe aus elektrischem Heizelement, elektrisch isolierender Stange und Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen in den rohrförmigen Metallmantel eingeführt werden, wobei insbesondere Abschnitte der Anschlussdrähte oder Anschlussbolzen aus dem rohrförmigen Metallmantel herausragen können oder auf einer Seite elektrisch leitend mit dem rohrförmigen Metallmantel verbunden werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1a: Einen Längsschnitt durch einen ersten elektrischen Rohrheizkörper,
- 1b: einen Querschnitt durch den ersten elektrischen Rohrheizkörper aus 1a,
- 2a: einen Längsschnitt durch einen zweiten elektrischen Rohrheizkörper,
- 2b: einen Querschnitt durch den zweiten elektrischen Rohrheizkörper aus 2a,
- 3a: einen Längsschnitt durch einen dritten elektrischen Rohrheizkörper,
- 3b: einen Querschnitt durch den dritten elektrischen Rohrheizkörper aus 3a,
- 4a: einen Längsschnitt durch einen vierten elektrischen Rohrheizkörper, und
- 4b: einen Querschnitt durch den vierten elektrischen Rohrheizkörper aus 4a,
- 5a: die Bestandteile einer Baugruppe für die Herstellung eines elektrischen Rohrheizkörpers,
- 5b ein Zwischenstadium beim Zusammenfügen der Baugruppe aus 5a,
- 5c: eine Querschnittsdarstellung der zusammengefügten Baugruppe aus 5a,
- 6a: eine Variante einer Baugruppe für die Herstellung eines elektrischen Rohrheizkörpers im Zwischenstadium analog zu 5b,
- 6b: eine Querschnittsdarstellung eines Endabschnitts der zusammengefügten Baugruppe aus 6a,
- 7a: eine Veranschaulichung einer weiteren Variante eines elektrischen Heizelements,
- 7b: eine Querschnittsdarstellung der Variante aus 7a,
- 8a: eine Veranschaulichung einer weiteren Variante eines elektrischen Heizelements,
- 8b: eine Querschnittsdarstellung der Variante aus 8a,
- 9a: ein erstes Beispiel für ein elektrisches Heizelement mit konturierter Umfangsfläche,
- 9b einen Längsschnitt durch das elektrische Heizelement aus 9a,
- 10a: ein zweites Beispiel für ein elektrisches Heizelement mit konturierter Umfangsfläche,
- 10b einen Längsschnitt durch das elektrische Heizelement aus 10a,
- 11: ein drittes Beispiel für ein elektrisches Heizelement mit konturierter Umfangsfläche,
- 12 ein viertes Beispiel für ein elektrisches Heizelement mit konturierter Umfangsfläche,
- 13: ein fünftes Beispiel für ein elektrisches Heizelement mit konturierter Umfangsfläche, integriert in einen elektrischen Rohrheizkörper, dargestellt im Längsschnitt,
- 14a: eine Explosionsdarstellung eines fünften elektrischen Rohrheizkörpers,
- 14b: eine erste Variante für die Anschlussdrähte oder Anschlussbolzen des elektrischen Rohrheizkörpers aus 14a,
- 14c: eine zweite Variante für die Anschlussdrähte oder Anschlussbolzen des elektrischen Rohrheizkörpers aus 14a,
- 15a: einen Längsschnitt durch den elektrischen Rohrheizkörper aus 14a,
- 15b: einen Längsschnitt durch den elektrischen Rohrheizkörper aus 14a, jedoch mit Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen gemäß 14b,
- 16a: eine Explosionsdarstellung eines sechsten elektrischen Rohrheizkörpers,
- 16b: den elektrischen Rohrheizkörper aus 16a im Längsschnitt,
- 16c: eine Variante für die Anschlussdrähte oder Anschlussbolzen des elektrischen Rohrheizkörpers aus 16a,
- 16d: eine Variante des elektrischen Rohrheizkörpers aus 16a mit Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen gemäß 16c,
- 16e: eine Darstellung der Heizelement-Baugruppe aus 16c,
- 16f: eine schematische Darstellung der Herstellung eines elektrischen Heizelements, wie es in 16a verwendet wird,
- 17a: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper,
- 17b: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper,
- 17c: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper,
- 17d: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper,
- 17e: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper,
- 17f: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper, und
- 17g: eine erste Variante eines Querschnitts durch einen elektrischen Rohrheizkörper.
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1a und 1b zeigen einen ersten elektrischen Rohrheizkörper 10 mit rohrförmigem Metallmantel 11, in dessen Innenraum ein elektrisches Heizelement 14 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel steht das elektrische Heizelement 14 in über die elektrisch leitfähige Bodenplatte 13 in elektrischem Kontakt mit dem als Rückleiter verwendeten rohrförmigen Metallmantel 11, ist aber abschnittsweise -nämlich in seinen anderen Abschnitten- durch das elektrisch isolierende aber gut wärmeleitende Material 12, z.B. Magnesiumoxid, vom rohrförmigen Metallmantel 11 elektrisch isoliert.
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Eine Besonderheit des elektrischen Heizelements 14, besteht darin, dass es nicht oder nicht mehr aus einem massiven Widerstandsdraht gefertigt ist. Vielmehr weist der Widerstandsdraht eine ihn der Länge nach von anschlussseitiger Stirnfläche zu bodenseitiger Stirnfläche durchsetzende Öffnung 16 auf, so dass er rohrförmig ist, wobei die Öffnung 16 ebenfalls mit elektrisch isolierendem Material gefüllt ist. Dabei kann es sich um dasselbe Material wie das elektrisch isolierende Material 12 handeln oder um ein anderes elektrisch isolierendes Material.
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Die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 14 erfolgt über einen massiven Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 15, der z.B. aus Kupfer bestehen kann. Beachtenswert ist, dass der Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 15 zum Herstellen des elektrischen Kontakts zum elektrischen Heizelement 14 in die Öffnung 16 eintaucht, wodurch der Bauraumbedarf in radialer Richtung bei gleichzeitiger Bereitstellung einer großen Kontaktfläche minimiert wird.
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2a und 2b zeigen einen zweiten elektrischen Rohrheizkörper 20 mit rohrförmigem Metallmantel 21, in dessen Innenraum ein elektrisches Heizelement 24 durch das elektrisch isolierende aber gut wärmeleitende Material 22, z.B. Magnesiumoxid, vom rohrförmigen Metallmantel 21 elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Auch das elektrische Heizelement 24 ist nicht oder nicht mehr aus einem massiven Widerstandsdraht gefertigt. Zusätzlich zu der ihn der Länge nach von der einen anschlussseitiger Stirnfläche zur gegenüberliegenden anschlussseitigen Stirnfläche durchsetzende Öffnung 26 weist es in eine Mehrzahl weiterer Öffnungen 28 auf, die es jeweils in radialer Richtung durchsetzen. Dadurch wird einerseits eine lokale zusätzliche Widerstandserhöhung bewirkt, darüber hinaus aber das Füllen der Öffnung 16 mit elektrisch isolierendem Material erleichtert, wenn dieses in streufähigem Zustand eingefüllt wird.
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Die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 24 erfolgt analog zu der oben beschriebenen Ausführungsform über einen massiven Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 25, der z.B. aus Kupfer bestehen kann; da hier jedoch der rohrförmige Metallmantel 21 nicht als Rückleiter dient, ist auf der gegenüberliegenden Seite des elektrischen Heizelements 24 ein zweiter, gleich ausgeführter Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 27 vorhanden.
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3a und 3b zeigen einen dritten elektrischen Rohrheizkörper 30 mit rohrförmigem Metallmantel 31, in dessen Innenraum ein elektrisches Heizelement 34 durch das elektrisch isolierende aber gut wärmeleitende Material 32, z.B. Magnesiumoxid, vom rohrförmigen Metallmantel 31 elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Auch das elektrische Heizelement 34 ist nicht oder nicht mehr aus einem massiven Widerstandsdraht gefertigt. Hier wird der Widerstandsdraht der Länge nach von der einen anschlussseitiger Stirnfläche zur gegenüberliegenden anschlussseitigen Stirnfläche von einer Öffnung 36 durchsetzt, die einen zentralen, koaxial zum Widerstandsdraht angeordneten, kreisförmigen Querschnittsbereich aufweist, so dass nach dem Einbringen des zentralen Querschnittsbereichs ein Rohr verbleibt.
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Um diese Struktur des elektrischen Heizelements 34 mit Strom zu versorgen, werden hier, wie man besonders gut bei Betrachtung der 3b erkennt, beidseitig Anschlussdrähte oder Anschlussbolzen 35,37 verwendet, die im Wesentlichen einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der elektrische Kontakt zu dem elektrischen Heizelement 34 über die schmalen Seiten des Rechtecks hergestellt ist. Auf diese Weise, die auch auf andere Ausführungsformen des elektrischen Heizelements übertragbar ist, bleibt stirnseitig eine Öffnung, durch die das elektrisch isolierende Material in die Öffnungen im elektrischen Heizelement leicht eingebracht werden kann.
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Der in den 4a und 4b dargestellte elektrische Rohrheizkörper 40 mit rohrförmigem Metallmantel 41, elektrisch isolierendem Material 42, Boden 43, elektrischem Heizelement 44 mit Öffnung 46 und Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 45 ist weitgehend analog zu dem oben anhand der 1a und 1b beschriebenen elektrischen Rohrheizkörper 10 aufgebaut, weshalb auf dessen Beschreibung verwiesen werden kann, wobei sich die eben genannten Bezugszeichen für die 4a und 4b durch Addition von dreißig aus den entsprechenden Bezugszeichen der 1a und 1b ergeben.
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Der wesentliche Unterschied ist, dass hier der Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 45 als ein Drehteil aus Kupfer ausgeführt ist, das von der Öffnung 47 durchsetzt ist um das Einbringen von elektrisch isolierendem Material 42 in die Öffnung 46 zu erleichtern. Der Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 45 greift nur mit einem Endabschnitt 45a, in dem sein Querschnitt reduziert ist, in die Öffnung 46 ein; sein Außendurchmesser ist an den Außendurchmesser des elektrischen Heizelements 44 angepasst.
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Die Beschreibung der vorstehenden Ausführungsbeispiele dürfte verdeutlicht haben, dass jeweils das Einbringen von elektrisch isolierendem Material in die in den Widerstandsdraht, der das elektrische Heizelement bildet, eingebrachte Öffnung nicht einfach prozesssicher zu realisieren ist. Diese Probleme kann man insbesondere lösen, wenn man vor dem Einbringen des elektrischen Heizelements in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels eine Baugruppe so vorkonfiguriert, wie es in den 5a bis 5c gezeigt ist.
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5a zeigt die Bestandteile der Baugruppe 150, nämlich das elektrische Heizelement 154, das wieder rohrförmig mit einer den Widerstandsdraht, aus dem das elektrische Heizelement 154 gebildet ist, von Stirnseite zu Stirnseite durchsetzenden Öffnung 56 ausgeführt ist, eine Stange 158 aus elektrisch isolierendem, gut wärmeleitenden Material, die z.B. aus Magnesiumoxid bestehen kann und deren Außendurchmesser an den Querschnitt der Öffnung 56 angepasst ist, sowie zwei rohrförmige Anschlussdrähte oder Anschlussbolzen 155,157 aus elektrisch gut leitendem Material, z.B. Nickel oder Kupfer, die ebenfalls jeweils von Stirnseite zu Stirnseite von einer Öffnung durchsetzt werden, deren Querschnitt an den Querschnitt der Öffnung 56 des elektrischen Heizelements 154 angepasst ist.
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Man kann nun einfach das elektrische Heizelement 154 auf die Stange 158 auffädeln, wie in 5b gezeigt ist und dann die Baugruppe 150, die in 5c komplett dargestellt ist, vollenden, indem jeweils die Anschlussbolzen 155,157 von unterschiedlichen Seiten her ebenfalls auf die Stange 158 aufgefädelt und in stirnseitigen Flächenkontakt mit dem elektrischen Heizelement 154 gebracht werden. Dieser kann auch gesichert werden, beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen.
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Die Baugruppe 150 muss dann nur noch im Inneren des rohrförmigen Metallmantels positioniert, von ihm durch Umgeben mit elektrisch isolierendem Material isoliert und optional verdichtet werden, um den elektrischen Rohrheizkörper herzustellen.
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6a und 6b zeigen, wie diese Vorgehensweise vorteilhaft auf elektrische Rohrheizkörper, deren rohrförmiger Metallmantel den Rückleiter bildet, übertragbar ist. Der Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 157 aus 5a bis 5c wird durch einen Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 167 mit Sacklochbohrung, deren Querschnitt an den Querschnitt der Stange 168 angepasst ist ersetzt, die Stange 168 mit darauf angeordnetem elektrischen Heizelement 164 in die Sacklochbohrung eingeführt und der stirnseitige elektrische Kontakt zwischen Anschlussdraht oder Anschlussbolzen 167 und elektrischem Heizelement 164 hergestellt.
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Die 7a und 7b bzw. 8a und 8b verdeutlichen noch einmal, dass die in die elektrischen Heizelemente eingebrachten Öffnungen diese auch auftrennen können, wie beim elektrischen Heizelement 174, in der das Rohr eine in Erstreckungsrichtung durchgehend geöffneten Seitenwand aufweist, oder aufteilen können, wie beim aus den Segmenten 184a und 184b zusammengesetzten elektrischen Heizelement 184. Die Ausführungsform gemäß 7a,7b kann aber auch durch Aufrollen eines (flach)bandabschnittförmigen Heizelementrohlings erhalten werden.
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In der Ausführungsform, die in den 8a und 8b gezeigt ist hingegen wird der Widerstandsdraht, der das elektrische Heizelement 184 bildet, der Länge nach von der einen anschlussseitiger Stirnfläche zur gegenüberliegenden anschlussseitigen Stirnfläche von einer Öffnung durchsetzt, die neben einem zentralen, koaxial zum Widerstandsdraht angeordneten, kreisförmigen Querschnittsbereich mit kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser des Widerstandsdrahts zwei einander gegenüberliegende, kreisringsektorartige Querschnittsbereiche aufweist, die das nach dem Einbringen des zentralen Querschnittsbereichs verbleibenden Rohr der Länge nach in die zwei halbschalenförmigen Segmente 184a,184b auftrennen. Dies macht das Einbringen von elektrisch isolierendem Material besonders einfach und führt zu einer weiteren erwünschten Widerstandserhöhung. Zur Kontaktierung oder Vorkonfigurierung einer Baugruppe kann man z.B. einen elektrischen Schweißkontakt zu den Schmalseiten eines Anschlussbolzens mit rechteckigem Querschnitt, wie er in 3a und 3b geteigt ist, herstellen.
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Während das elektrischen Heizelement 174 noch auf eine Stange 178 aufgeschoben eine stabile Anordnung bildet, werden bei der Konfiguration einer Baugruppe die Segmente 184a und 184b durch Herstellung eines mechanisch tragenden Kontakts zum nicht dargestellten Anschlussdraht oder Anschlussbolzen gehalten.
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Die 9a,9b,10a,10b,11 und 12 zeigen elektrische Heizelemente 114,124,134,144, bei denen eine lokale Anpassung des Widerstands -teilweise zusätzlich- dadurch erfolgt, dass eine konturierte Oberfläche 110,120,130,140 in den Widerstandsdraht, der das elektrische Heizelement bildet, eingearbeitet ist. Bei dem in den 9a und 9b gezeigten elektrischen Heizelement 114 sind zwei Nuten 118 eingefräst, um die konturierte Oberfläche 110 zu bilden, wodurch eine lokale Widerstandserhöhung bewirkt wird.
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Bei dem elektrischen Heizelement 124, das in den 10a und 10b dargestellt ist, ist eine Verjüngung 128 eingearbeitet, um die konturierte Oberfläche 120 zu bilden. Auf die konturierte Oberfläche 120 ist ein Rohr 126 aufgepresst. Wählt man für das Rohr 126 ein elektrisch gut leitendes Material wie z.B. Kupfer aus, so kann auf dieses Weise eine lokale Reduzierung des Widerstands bewirkt werden.
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Bei dem elektrischen Heizelement 134, das in den 11 dargestellt ist, ist die Leistungsanpassung durch Aussparungen im Widerstandsdraht erzielt, die z.B. mit einem Laser, durch Stanzen oder durch Wasserstrahlschneiden ins Material eingebracht werden können, um die konturierte Oberfläche 130 zu bilden.
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Beim elektrischen Heizelement 144 gemäß 12 ist eine Schraubenlinie 148 mit einem Laser in die Oberfläche des Widerstandsdrahts eingebracht, um die konturierte Oberfläche 140 zu bilden.
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Der in 13 dargestellte elektrische Rohrheizkörper 50 mit rohrförmigem Metallmantel 51, elektrisch isolierendem Material 52, elektrischem Heizelement 54 mit Öffnung 56 und Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 55,57 mit die Anschlussbolzen 55,57 durchsetzenden Öffnungen 55a,57a unterscheidet sich von dem in 4a und 4b dargestellten elektrischen Rohrheizkörper 40 nicht nur dadurch, dass er für einen beidseitigen elektrischen Anschluss ausgelegt ist und den rohrförmigen Metallmantel 51 demzufolge nicht als Rückleiter verwendet, sondern vor allem dadurch dass das elektrische Heizelement 54 mit der es der Länge nach durchsetzenden Öffnung 56 einen konturierte Umfangsfläche aufweist, die hier dadurch realisiert ist, dass dem Widerstandsdraht eine wellschlauchartige Gestalt gegeben wurde. Durch diese Maßnahme erhält man ein elektrisches Heizelement, welches Längenänderungen bei Temperaturwechseln deutlich besser kompensieren kann als dies bei gestreckten elektrischen Heizelementen der Fall ist.
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Zwei weitere Ausführungsformen von elektrischen Rohrheizkörpern 60,70 werden nun anhand der 14a,14b,14c,15a und 15b vorgestellt.
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14a zeigt eine Explosionsdarstellung (bei der allerdings das elektrisch isolierende Material 62 nicht dargestellt ist) eines elektrischen Rohrheizkörpers 60 und 15a einen Längsschnitt durch diesen elektrischen Rohrheizkörper 60. Der Aufbau des elektrischen Rohrheizkörpers 60 mit rohrförmigem Metallmantel 61, elektrisch isolierendem Material 62, elektrischem Heizelement 64 mit Öffnung 66 und Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 65,67 mit die Anschlussbolzen 65,67 durchsetzenden Öffnungen 65a,67a ist im Wesentlichen identisch zu dem des elektrischen Rohrheizkörpers 50 aus 13 mit dem Unterschied, dass hier das elektrische Heizelement 64 ein rohrförmiger, vorzugsweise selbsttragender, d.h. sich unter seinem Eigengewicht nicht verformender Widerstandsdraht ist. Dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht insbesondere, dass eine Baugruppe aus Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 65,67 und elektrischem Heizelement 64 auch dann vorkonfiguriert und in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 61 eingeführt werden kann, wenn man sich gegen die Verwendung eines Stabs aus elektrisch isolierendem Material, wie sie oben beispielsweise im Zusammenhang mit den 5a und 5b erläutert wurde, entscheiden möchte.
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Die 14b und 14c zeigen jeweils Varianten von Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 75,77, die alternativ zu den Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 65,67 verwendet werden können. 15b zeig einen elektrischen Rohrheizkörper 70 mit solchen Anschlussbolzen 75,77. Ansonsten ist der Aufbau des elektrischen Rohrheizkörpers 70 mit rohrförmigem Metallmantel 71, elektrisch isolierendem Material 72, elektrischem Heizelement 74 mit Öffnung 76 und Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 75,77 im Wesentlichen identisch zu dem des elektrischen Rohrheizkörpers 60 aus 15a.
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16a zeigt eine Explosionsdarstellung (bei der allerdings das elektrisch isolierende Material 82 nicht dargestellt ist) eines elektrischen Rohrheizkörpers 80 und 16b einen Längsschnitt durch diesen elektrischen Rohrheizkörper 80. Der Aufbau des elektrischen Rohrheizkörpers 80 mit rohrförmigem Metallmantel 81, elektrisch isolierendem Material 82, elektrischem Heizelement 84 mit Öffnung 86 und Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 85,87 mit die Anschlussbolzen 85,87 durchsetzender Öffnung 87a ist ähnlich zu dem des elektrischen Rohrheizkörpers 60 aus 14a und 15a.
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Ein ganz wichtiger Unterschied besteht aber darin dass hier das elektrische Heizelement 84 ein rohrförmiger, vorzugsweise selbsttragender, d.h. sich unter seinem Eigengewicht nicht verformender Widerstandsdraht ist, in den zusätzlich abschnittsweise eine schraubenlinienförmige Nut 88 eingeschnitten wurde. Neben einer lokalen Widerstandsmodifikation wird auf diese Weise eine Möglichkeit zur Kompensation von Längenänderungen bei Temperaturwechseln bereitgestellt, die insbesondere bei kleinen Bauformen leichter realisierbar ist als die Ausführungsform gemäß 13. Wie in 16f schematisch gezeigt ist, wird lediglich in einen rohrförmigen Widerstandsdraht beispielsweise mit einem Laser 89 die die Rohrwand durchsetzende, schraubenförmige Nut 88 eingeschnitten.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass, wie in 16e dargestellt ist, eine Baugruppe aus Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 85,87 und elektrischem Heizelement 84 vorkonfiguriert und in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 81 eingeführt werden kann, selbst wenn Anschlussbolzen 85,87 und elektrisches Heizelement 84 nicht verlötet oder verschweißt werden sollen, sondern der elektrische Kontakt durch Presskontaktierung erfolgen soll.
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Die 16c zeigt eine Variante eines Anschlussdrahts oder Anschlussbolzens 95, die alternativ zu den Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 85,87 verwendet werden kann. Der Anschlussbolzen 95 zeichnet sich dadurch aus, dass seine Öffnung 95a von innen durch kreuzförmige Verstärkungsrippen 99 abgestützt wird. Dies kann wenn eine Presskontaktierung erfolgen soll insbesondere bei kleinen Bauformen entscheidend dazu beitragen, eine ungewollte Verformung dieses Bereichs zu vermeiden.
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16d zeigt einen elektrischen Rohrheizkörper 90 mit rohrförmigem Metall mit solchen Anschlussbolzen 95,97. Ansonsten ist der Aufbau des elektrischen Rohrheizkörpers 90 mit rohrförmigem Metallmantel 91, elektrisch isolierendem Material 92, elektrischem Heizelement 94 mit Öffnung 96 und Anschlussdrähten oder Anschlussbolzen 95,97 im Wesentlichen identisch zu dem des elektrischen Rohrheizkörpers 80 aus 16b.
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Die 17a bis 17g verdeutlichen noch einmal die Vielzahl von gestalterischen Freiheitsgraden hinsichtlich Form und Arrangement von rohrförmigem Metallmantel 211,221,231,241,251, 261,271 und von einer der Länge nach von einer Öffnung, die in den Querschnittsdarstellungen der 17a bis 17e nicht erkennbar ist, weil sie mit elektrisch isolierendem Material 212,222,232,242,252,262,272 gefüllt ist, und elektrischem Heizelement (214,224,234,244,254,264,274), die das erfindungsgemäße Aufbauprinzip bietet.
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Erstens erkennt man, dass der Querschnitt des rohrförmigen Metallmantels 211,221,231,241, 251,261,271 beispielsweise rund, rechteckig, quadratisch oder rechteckig mit abgerundeten Ecken wählbar ist, selbstverständlich sind genauso gut ovale oder elliptische Querschnitte wählbar.
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Zweitens erkennt man, dass je nach Querschnitt der den Widerstandsdraht, durch den das elektrische Heizelement 214,224, 234,244,254,264,274 gebildet wird, der Länge nach durchsetzenden Öffnung neben rohrförmigen elektrischen Heizelementen 214 auch segmentartige elektrische Heizelemente 224,234, elektrische Heizelemente mit einer aufgetrennten Rohrwand 242,252 oder sogar mit sich selbst überlappende elektrische Heizelemente 264,274 gebildet werden können.
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Drittens veranschaulicht diese Figurengruppe dadurch, dass die gezeigten elektrischen Heizelemente mit Öffnungen jeweils durch Aufrollen, Biegen oder Falten insbesondere von (flach) bandabschnittartigen oder plattenförmigen Heizelementrohlingen, also durch globales Umformen, erhalten werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10,20,30,40,50,60,70,80,90
- Elektrischer Rohrheizkörper
- 11,21,31,41,51,61,71,81,91
- rohrförmiger Metallmantel
- 12,22,32,42,52,62,72,82,92
- elektrisch isolierendes Material
- 13,43
- Boden
- 14,24,34,44,54,64,74,84,94,
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- 114,124,134,144,154,164,174,
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- 184
- elektrisches Heizelement
- 15,25,27,35,37,45,55,57,65,
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- 67, 75, 77, 85, 87, 95, 97, 155,
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- 157,165,167
- Anschlussdraht oder Anschlussbolzen
- 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76, 86, 96
- Öffnung
- 28
- weitere Öffnung
- 34a,34b
- Halbschale
- 47,55a,57a,65a,67a
- Öffnung
- 77a,118
- Nut
- 88,98
- schraubenlinienförmige Nut
- 89
- Laser
- 99
- kreuzförmige Verstärkungsrippen
- 110,120,130,140
- konturierte Umfangsfläche
- 126
- Ring
- 128
- Vertiefung
- 138
- Ausnehmung
- 148
- Schraubenlinie
- 150,160
- Baugruppe
- 158,168,178,188
- Stange aus elektrisch isolierendem Material
- 184a,184b
- Segment
- 211,221,231,241,251,261,271
- rohrförmiger Metallmantel
- 212,222,223,242,252,262,272
- elektrisch isolierendes Material
- 214,224,234,244,254,264,274
- elektrisches Heizelement
