DE1565889A1

DE1565889A1 - Selbstregulierende Heizvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1565889A1
Application number: DE19661565889
Authority: DE
Inventors: Flanagan Charles Downing; Leo Marcoux
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1966-01-03
Filing date: 1966-12-30
Publication date: 1971-09-16
Also published as: US3414706A; GB1170426A; SE332468B

Description

DR.-INQ. DIPL.-ING. M.SG. DIPL-PHYS. DR. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART * "

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Sexas Instruments laeosporate&g Ballas, Sexasj, U.S.A.

Selfcstregaiierende Heizvorrichtung und Verfahren au ihrer Herstellung_c

Die Erfindung "beaislit sioh auf Heiselemente und im besonderen auf öfen, die ^e^weäde-t werden, um In diesen eine konstante femperatus* für töiaperaturampfindliolie Vorriohtungea n

Sa gibt eine gre-sse Anzahl eleicfroniaciier Bäuteile_ö die in einer konstantes Atmosphäre gehalten werden müssec,

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wenn sie unter bestimmten Anwendungen in vorteilhafter Weise arbeiten sollen. Beispiele solcher Bauteile sind Kristalle, Dioden, Transistoren und dergleichen·

Es 1st bekannt, Ofen dieser Art vorzusehen, die ein Heizelement und einen Thermostaten benutzen. Der Thermo·» stat hält die innere Ofentemperatur innerhalb eines bestimmten Bereiches, und zwar dadurch, dass der Heizstrom durch Verwendung von beweglichen Kontakten ein- und ausgeschaltet wird. Diese Art eines Ofens hat bestimmte Nachteile» Beispielsweise ändert sich die Temperatur als Ergebnis der Kennlinie des Thermostaten von einem Maximum bis zu einem Minimum und zurück auf ein Maximum. usw_o Da ferner eine mechanische Bewegung vorhanden ist, so ist die Lebensdauer einer solchen Torrichtung begrenzt« Ein weiteres, bekanntes Verfahren besteht in der häufig verwendeten Broportionalsteuerung, wobei verhältnismässlg komplexe elektrische Schaltungen die Eingangsleistung zum Heizelement &o begrenzen, dass sie dem Wärmeverlust des Ofens gleichkommt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass eine Brücke mit einer Temperaturfühlvorrich tung vorgesehen wird, die zum Abgleich eines das Heizelement enthaltenden Stromkreises verwendet wird. Diese Art

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der Regelung eliminiert zwar bewegliche Kontakte und ergibt so eine genauere Temperaturregelung mit keinem Überlauf oder keinem thermisch zyklischen Vorgang, mit einer konstanteren Leistung und keinem Geräusch infolge eines mechanischen Ärbeitens, obgleich eine ganze Anzahl derartiger Vorrichtungen ein elektrisches Geräusch aussenden» Eine derartige Torrichtung ist jjedoch verhältnismäsaig kompliziert und teuer«

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, selbstregulierende Heizvorriehtunge?i zu schaffen» die in ihrem Aufbau einfach, ihrem Arbeiten zuverlässig, mechanisch und elektrisch beim Arbeiten ruhig sind_e eine lange Lebensdauer haben und eine in verhältnismässig engen Grenzen geregelte und damit verhältnismässig konstante Ofentemperatur haben. Diese Aufgabe wird bei Heizvorrichtungen mit einer Anzahl von einen Hohlraum definierenden, stromdurchflossenen Heizelementen, die einen Heizraum einschliessen, dessen Temperatur auf einen bestimmten Bereich einregelbar ist, gemäsa der Erfindung dadurch gelöst, dass in einem einen Hohlraum definierenden, ersten Heizelement aus ΡΐΟ-Material ein zweites„ den Heizraum definierendes Heizelement aus PTG-Material angeordnet ist

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oxid dass jedes Heizelement im Abstand angeordnete Anschlussstellen zum Anlegen einer elektriachen Spannung aufweist. Gemäss der Erfindung werden also Heizelemente verwendet, die selbstregulierenä sind.

Weitere !forteile und Merkmale der Erfindung ergeben -eich aus der nachfolgenden Besehreibung in Zusammenhang-«*·* der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung In der Zeichnung zeigen*

ei einen senkrechten Schnitt durch eine Heizvorrichtung gemäss der Erfindung,

.2 eine schematische Schaltung für die Heizvorrichtung gemäss Fig.1«

Es sei darauf hingewiesen, dass gewisse Teile der Zeichnung abgewandelt und/oder in übertriebener Grosse dargestellt sind, um so das Verständnis zu erleichtern.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Ofen gemäss der Erfindung als Ganzes bezeichnet. Er hat eine scheibenförmige Bs^s 12, die aus einem bekannten, verformbaren Phenolhara oder einem anderen geeigneten, elektrisch isolierenden

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Material ist und auf /des? ein: Heizaggregat 14 angeordnet

ist» das sswei Scheibeisgrmppen 16 und 18 von im wesent»- ; lichen- ringförmiges'-SGfoetbsn bat ₉ auf die weiter unten

noch näher eingegangen"wirdο Das Heisaggregat 14 bat -einen Hohlraum ZO₉ tn-'dem:die .temperaturempfindliolaeii ~ Bauteile 0 angeordnet elni«"- ferner ist Yorsugsweise noch '. - eine thermisch leitende Auskleidung UZ₉ "beispielsweise

aus ^luainiuffijr im; ^HaMlrawffl 20 vorgesehen» um so irgend-■'^; 'welofee Setapera tür gradient ®n 'auBZugTeichen,, die in-asialer. :^s< &iohtung. bes-tehen könneng, äoeh ist diese Ausfcleiduag !: :^vk:eiiieswegs fe3?'itiaeli₀ AtisseKäem sind elektrisch Isolations» '■■'■"ssliieht-eii 24■ wa,& 26 angebracht _p: ta® &ίη<Βη Kur^sohluss ^:-""'"des-'Heisstromte©is©@ .^"-^eraiei'dea* :ia einem Mantel 3Ö ; -aus.-Sie'sjaaas© &±mä.-Steekerstifte- 28 und 29 .angeordnet/ "lHröbei :äi@ Siegsiiafs©.aus 'einem, elektrischen und wärme·=- isolierenden Matrial "bekannter Art ist_e Der Mantel ^O · : hält-f ärmeTe^lixete ies Qtens auf einem Miaimum_o

/omsoltlleesf ©1ώ® Metallkappe 86 den Ofen-10; and ist dir Basis'12 duröb-beksüätö-'Mittelj, beispielsweise Sebrau-

- ben 67s- befestigt*-"- Bi© -Steokerstifte 28 und 29 r@geü .-"'aus de'ffi'ManteX pö tseraas." (e»Figo 1)■''.und greifen in passen·=· de Bisiateekbmeläs&'ß 51 fe'So-' 32 ®%n_g die ihrerseits in - -. Ausaeismungefö' 33 i©s? Bgil© 12 .aageordnet. sind ο Am Boden &®r,^: Bseis. 1-2" lst.@is© übliqh©" Bieakergruppe 36 -'angeordnet^

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die einen Schaft 38 aufweist, der einen Keil 40 hat, der zur riöhtigen Orientierung des Ofens beim Einstecken in die nicht dargestellte Aufnahmevorrichtung dient«, Die Steokergruppe 36 hat,wie dargestellt* Ansehlussstifte 1 - Ö, deren Anzahl jedoch beliebig sein kann» Die Seheibengruppen 16 und 18 des Heizaggregats sind aus einem Material, das eine steile, positiv geneigte Kennlinie des spezifischen Widerstands als Punktion der !Temperatur bei Temperaturen oberhalb des Anomaliepunktes hat (dieses Material wird im folgenden als FTG-Material bezeichnet)* In bekannter Weise ist eine Silberschicht oder eine Schicht mit einem anderen elektrisch gut leitenden Material an den beiden Stirnseiten der einzelnen Scheiben angebracht, wobei diese Leiterscnichten in Fig.l mit 41 52 bezeichnet sind.

Die. Sehe!baugruppe 16 hat ringförmige Scheiben 54, die zwischen veilen Scheiben 55 uad 56 angeordnet sind· Die Soiieibengrtippe 18 ist aus ringförmigen Scheiben» zusammengesetzt, öle zwischen den vollem Scheiben 59 und 60 angeordnet sind. Es ergibt sich so, dass die Scheibengrup'pe 16 teleskopisch in der koaxialen Ausnehmung der

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Scheibengrüppe 18 untergebracht ist. Ferner Ist eine thermische Isolierschicht 62 dargestellt, die die beiden Seheibengruppen voneinander trennt, doch ist diese keines* wege kritische (Hierdurch ergibt sich ein thermischer Gradient, der weiter unten näher erklärt

Die mit geraden Zahlen vsrsehenen ieiterschiohtea 42 "bis 48 sind elektrisch niit einer Sammelleitung 64 aber Leiter 65 verbunden. Die Sammelleitung 64 ist elektrisch an den Steckerstift 29 angeschlossen· Die Leiterschießten 50 und 52 sind elektrisch -mit^: der Einsteckbuchse 32 durch einen Leiter 66 und 67 verbunden« Die mit ungeraden Zahlen bezeichneten Schichten 41 bis 49 sind mit der Sammelleitung 68 Über Leiter 69 verbunden. Die Sammelleitung 68 igt elektrisch an,den Steckerstift 28 angeschlossen» Die Schicht 51 ist elektrisch mit der Einst eckbuchse 31 über einen Leiter 70 verbunden.

Es ergibt sich so, dass zwei Scheibenstapel gebildet sind, und zwar einer innerhalb des anderen, die elektrisch parallel zueinander angeschlossen sind. Es ist ferner er.<= kennbar, dass die Anzahl der Seileiben beliebig sein känn_o

Die unteren Scheiben 56 und 60 haben Bohrungen 72_s so

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dass Saum für die Leitungen 73, 74 und 76, 77 der Einsteckbuchsen 75» 78 geschaffen wird*

Fig.2 zeigt schematiseh die Schaltung der internen elektrischen Verbindungen der Anschlusestifte 1 - 8_O leiter 80 und 81 verbinden die Einsteckbuchsen 31 und 52 und daher die PTG-Scheiben mit den Anschlussatiften 3 und 1. Die Leitungen 73 und 74 sind mit den Anschlussstiften 4 bzw. 6 verbunden, und die leitungen 76 und 77 sind an die Anschlussstifte 2 bzw» 8 angeschlossen. Der Anschlussstift 5 liegt an Hasse und der Anschlussstift 7 ist unbenutzt«

Der Heiz- und Regelstrom (Wechselstrom oder Gleichstrom) fliesst durch die PSJC-Scheibengruppen 14 und 16 vom Anschlussstift 1 über den Leiter 81, die Steckerbuchse 32_f den Steckerstift 29, die Sammelleitung 64» die Leiter 65-67, die geradzahligen Leiterschichten 42 - 52, die ΡΪ0-Scheiben 54 - 56 und 58 - 60, die ungeraden Leiterschichten 41 - 51, die Leiter 69, 70, die Sammelleitung 68₉ den Steokerstift 28, die Steekerbuchse 31, den Leiter 80 zum Anschluseetift 3· #ie PIC-Scheiben wirken als Heizelemente und ferner als ihre eigenen Temperaturregler·

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Der durch das PTC-Material hindurchfliessende Strom ergibt eine entsprechende Wärme, wodurch der Hohlraum aufgeheizt wird» Wenn einmal der Ofen erwärmt ist, tritt nur eine -geringe- ^eiapeffsturSnder-ung innerhal"b des Hohlraumes 20 ein, und zwar ohne Eüokgichtvaufdie äusseren Tsmpe*» ratursohwaiikungen auseerhälfc" des:-Ofens ₉ ■· d* h» Änderungen. l-n.der-Wärmeabgalie^v-unä olsiie fiUoksialit auf "be-träeht- ' liehen Fluktuationen der attfgedrüökten Spannung₀. Damit wird· eine yerhältaisÄäBsig -konstante.Batetemperatm? im -Ofen für die iayia @n:ibaltei?.@is Bauteil© aufre-ohterhalten_? ;^as ohne ^:sleh_:^®w©g@Bie ■ S-eile - mnd. ohns .um unä T©rJ2ältaisiaä0sig taue^© Behaltuagen es?sielt Yerüältzsismässig geringe 'Wasimeeraeugmsg äe^ Bauteil© innerhalb -des Qf©b^ hat ea@ls den .gemachten Erfahruagain eine irernaohlä@sigi3are--Wir&uiag. auf; die Innentemperatia-2¹-

Bsi 3?emperatKir©n ofeertelfe fies, .Anömaliepunktes ergibt stok eine sehr geringe. Erwärmung,, da .ies spezifische Wides¹= stand des P35C=Ät@Elala sica l?@l ,Semperaturen oberhalb "des-Anoiaaliepianktes'viel'.'schnellds¹ erhöht als öle tür die@@s Matü^lüleo Bie Wäy-aeerseuguagj, äie demfischen Widerstand umgekehrt psf-oportiona-l ist» fällt

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oberhalb des Anomaliepanktes drastisch ab» Wenn der , Wärmebedarf mit der Tendenz ansteigt, die !Temperatur zu .ermässigen, ergibt sich ein verhältnismässig grosser ,.fiderstandsabfall mit einer entsprechenden Erhöhung des ■ Stromes (E β IR) und der erzeugten Wärme (P » I R), bis ν das Material wiederum ein Gleichgewicht erzielt, bei dem

die Wärmeabgabe gleich der Wärmeerzeugung ist. Infolge der Steilheit der Kennlinie des PTC-Materials tritt eine sehr geringe Temperaturfluktuation während dieser Widerstandsänderungen ein· Die Temperatüränderung der Innenfläche der Scheibengruppe 18 ist daher gering, so dass eine verhältnismäsaig stabile Temperatur für die Aussehflächentemperatur der Scheibengruppe 16 vorhanden ist, was wiederum in einei* sehr stabilen und konstanten Temperatur der Innenfläche der Scheibengruppe 16 und damit des Hohlraumes 20 resultiert·

J?ür das erfi«idungsgemässe Arbeiten des Ofens muss das selbatregulf,erende Heizaggregat 18 aus einem Material bestehen, dessen Kennlinie einen groasen positiven Temperaturm^erstandskoeffizienten (PTC) hat, d*h„ ein Material, ficcsen prozentuale Widerstandsänderung pro Temperaturgrad im sogenannten ünstetigkeitsbereich sehr gross

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ist, beispielsweise 15Ο5δ pro Grad Celsius·"* Dieser tJnstligkeitsbereich tritt in der Habe des Curlepunktes bei keramik artigem Material, wie "beispielsweise mit lanthan dotiertem Bariumtitanat Ba.^üa _oQQ$iü^ ¹^ ^{im ial1}· *^ön Materialien nach der äeatschen Batentanmeiauög f 31 528 Vlild/21h^ (Anwalts^Akte A 55 VtAh) am Änomallepimkt auf<, J¹Ur eine weitere Erklärung ä&v sellsstregullerendea Slgensohafteii 4ea P$0»Materials wird auf diese Anmeldung Bezug genoimaen*; :

line sehr enge $emper at urrege lung wird ibei dieser Vorrichtung gemäss der Brflndung dadurch eraielt, dass zwei Schelbengruppea 14 und 16 ineinander angeordnet sind« Die iiC-Anomalietemperatur der Scheibengruppe 14 hat einen geringeren Wert als der der inneren Seheibengruppe 16· Bs wurde festgestellt _t dass Im ?all einer einzigen Scheibengruppe eine ßegel- und Schleifenverstärkung vonungefähr 30 möglich ist (eine 30^o-Xnderung der äusserea Temperatur ergibt eine 1⁰-Xnderttng der Inneren Ofentempepatur■} · Durch die Verwendung von ineinander angeordneten Doppelgruppen von Scheiben ist die Regelverstärkung ungefähr 900 (bei einer 300⁰-Änderttng der äusseren !Temperatur ergibt sich l/3^o*-Innenänderung) -»

Die vorteilhafte Temperatursteuerung wird durch einen - 10983870219 .

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gesteuerten Temperaturgradienten erzielt, der zwischen den beiden Scheibengruppen 14 und 16· vorhanden ist* Durch Verwendung eines Materials mit zwei verschiedenen Anomalietemperaturen wird ein solcher gesteuerter Gradient erreicht. Dieser Gradient kann ferner dadurch erreicht werden, dass gegebenenfalls die Isolierschicht 62 zwischen den Scheibengruppen 14 und 16 angeordnet wird_β

Die Aussenflache der Soheibengruppe 18 wird einer verhältnismässig grosaen Temperaturfluktuatidn unterworfen (in Abhängigkeit von den äusseren umgebenden Bedingungen)« Die Innenfläche der Scheibengruppe 18 hat einen engeren Bereich von Fluktuationen infolge der Heizkennlinien des PTCMSaterials«, Dies wird als Regelverstärfcung bezeichnete Der Temperaturbereich der Innenfläche der Scheibengruppe 18 ist in günstiger Weise der gleiche wie für die Aussenfläche der Scheibengruppe_#i6₀ Wiederum ergibt sich ein engerer Schwankungsbereioh des Temperaturgradienten an der Innenfläche der Scheibengruppe 16 und daher des Hohlraums 20 infolge der gleichen die Regelveav Stärkung bestimmenden Merkmale des PTC-MaterialSc

Es ergibt sich so, dass eine grössere Regelverstärkung dadurch erzielt werden kann, dass eine grössere Anzahl

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von PTC-Gruppeit verwendet wird, wobei jede Gruppe eine höhere Änomalletempera^ur in der Biehtung der Regelverstärkung hat'(Hohlraum 20)» . .

Anstatt den Hohlraum dureh PIG-Scheiben au definieren^ kann gegebenenfallsdie RegelverStärkung dadurch ersielt werden^ dass eine Vielzähl von Schichten irgendwelcher geometrischen Form, beispielsweise von Safein, verwendet wird» wobei jede Schioht eine höhere Anomal ie temperatur in Eiehtung der Begelve^stärkung hat₀ ®ine thermisehe 'Isolation kann verwendet werden,, um äen WärsseverlUBt.<ä@s zu steuerMen Baumes an. Me" Um^elaung .auf ein Minimwft Ü@3?a"b

Das -PTO-Materisl wird $ö. ge®äMt_r daes der Of en in einem Bereich arbeitet₉ der des Aaomsliepunfct eiiischliesst '. derartiges Material" i©t Mit laathaKi dotiertes Der Anomaliepuakt wird öuseli die -Art und- die Höhe der wendeten Dötieruag .gesteuert«, Ein weiteres derartiges Material ist ait HU0 gefülltes₀ vernstetes Polyäthylea (■vergl· hierzu ä ,Ie -fatentamaeldiuig f 51 528; VIIIa/211i) „■ Die .Anomdlietemperatur- "bei dem letzteren Material kann öurch'die,: Höhe öes Kohle^gehaltes^ .ferner-duröh die Höh©

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der Vernetzung usw. modifiziert werden, so dass sich unterschiedliche Betriebskennlinien für die beiden Gruppen 14 und 16 ergeben«

Irgendein Material, dessen spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur eine eine verhältnismässig steile positive Neigung aufweisende Kurve ergibt, kann als wärmeerzeugendes, selbstregulierendes Element gemäss der Erfindung verwendet werden·

Anstatt leitende Schichten 41 bis 52 zu benützen, können auch Metallfahnen zwischen die PTC-Scheiben eingeschoben werden, um so elektrische Verbindungen anzubringen Bs sei auch darauf hingewiesen, dass getrennte Stromquellen für die verschiedenen Scheiben gleicher oder unterschiedlicher Grosse vorgesehen sein können, um den gewünschten radialen und axialen Temperaturgradienten zu erhalten·

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Claims

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Patentansprüche

1, Heizvorrichtung mit einer Anzahl von einen Hohlraum deficierenden, stromdurchflosBenen Heizelementen, die einen

ν Heizraum einsehließen, dessen Temperatur auf einen bestirnten Bereich einregerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einen Hohlraum definierenden ersten Heizelement (18) aus PiC-Material mindestens ein zweites, den Heizraum (20)

',-.- definierendes Heizelement (16) aus PSC-Haterial angeordnet ist und daS Jedes Heizelement (16> 18) im Abstand angeordnete Anschlußstellen (64* 68) zum Anlegeu einer-elektrischen _ Spannung aufweist*

2« Heizvorrichtung nach Anspruch 1 * dadurch gekenöz eichne t ,daß das BSÖ-Haterial mit ianthan dotiertes Bariumtitanat ist.

3, Heizvorrichtung nach Anspruch 1 j dadurch gekennzeichnet, daß das PSC-Material Baο«™ La₀₀₅ SiO- ist.

4. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstellen durch elektrische Leiterschiehten (41 - 52) gebildet sind.

_t5. Heisvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruches dadurch gekennzeichnet, daß die Anomalietemperatur des ersten Heizelementes (18) kleiner als die des zweiten (16) ist.

6. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Heizelemente (16, 18) die Form von Hohlzylindern haben.

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7. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruches dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Heizelementen (16, 18) eine Isolierschicht (62) angeordnet ist.

8. Heilsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (16, 18) eine Vielzahl von übereinander gestapelten Ringscheiben (54, 58) aufweisen. "

9. Heizvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet» daß oberhalb und unterhalb der Ringscheiben (54» 58) die Heizelemente (16, 18) je eine Vollscheibe (55» 56; 59, 60) aufweisen.

10. Heizvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Scheiben (54» 55» 56; 58, 59, 60) Leiterschichten (43- 50) angeordnet sind.

11. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 10» dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (5if, 55» 56; 58, 59* 60) elektrisch parallel geschaltet sind.

12. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheiben (54, 58) und gegebenenfalls die Vollscheiben (55, 56; 59, 60) über Leiter (64 - 70) mit"" " zwei Steckerstiften (28, 29) so verbunden sind, daß die Scheiben (54, 55, 56, 58, 59, 60) elektrisch parallel geschaltet sinä.

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13· Heizvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (64· - 70) in eine Gießmasse (30) eingebettet

Seiten
sind, die die Heizelemente (14» 16) an allenVbis auf eine

Stirnseite umgibt.

14. Heizvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Isoliermaterial bestehende Basis (12) vorgesehen ist, um diese Stirnseite abzuschließen und die Steckerstifte (28, 29) aufzunehmen.

15. Heizvorrichtung nach Anspruch 14j dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (12) Asschlußmlttel - (1> 8) zum Anschließen an eine äußere Stromquelle und Zuleitungen (73— 77) zum Heizraum (20) aufweist»

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