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B e s c h r e i b u n g zum Patentgesuch "Elektrisches Heielement
und Verfahren zu seiner Merstellung" Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement,
das insbesondere für die Verwendung in Ileizkissen bestimmt ist, aufgrund seiner
besonderen Eigenschaften jedoch auch für bestimmte technische Aufgaben mit Vorteil
anwendbar ist.
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Die konventionellen elektrischen heizelemente für Heizkissen und
dergleichen bestehen aus Widerstandsdrähten für den Anschluß an die Spannunysquelle,
die zwecks Berührungsschutz mit einem elektrisch isolierenden, jedoch möglichst
gut wärmeleitenden material isoliert sind. Da die widerstandsdrähte nur eine berJrellztc
Flexibilität besitzen, besteht die Gefahr von Bruch oder Ssurzschluß mit gegebenenfalls
sogar gefährlichen Folgen wegen eventuell eintretender Überhitzung.
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Man hat deshalb verschiedentlich versucht, die Widerstandsdrähte
durch anderes Llaterial zu ersetzen, das eine wesentlich bessere Flexibilität besitzt.
So ist es bekannt, ein flexibles Trägermaterial mit leitendem Graphit zu imprigniercn
und das so geschaffene Heizelement für beheizbare Dettdecken und dergleichen zu
vcrwenden. Bei dem Trägermaterial kann cs sich uln
anorganisches
Fasermaterial handeln (Britische Patentschrift 747 257), um organisches gewobe,
beispielsweise Baumwolle (Us-patentschrift 2 255 375) , um Aautschuk (DRP 025 773)
oder auch um kunststoff(Britische Patentschrift 571 881).
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Bei all diesen bekannten Meizelementen ist die cefanr des Leiterbruchs
natürlich eliminiert, trotz Sieses Vorzugs haben sie sich jedoch in der praxis nicht
durchsetzen Rünnen.
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Der Grund dürfte darin zu suchen sein, daß die Imprägnierung der Trägermaterialien
mit soviel Schwierigkeiten verbuden war, daß entweler keine reproduzierbaren ergebnisse
erzielt wurden oder aber die produkte nur zu untragbar hohen zu fertigen waren.
Obwohl man sich also des Beddrfnisses nach einem Heizelement für Heizkissen, bei
dem die Gefahr des Drahtbruchs und Kurzschlusses ausgeschlosen ist, durchaus bewußt
war, ist bis heute eine befriedi-;ende Lösung dieses Problems nicht bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Heizelement zu schaffen,
bestehend aus einem isolierenden kunststoffkörper, in den elektrisch leitende Substanzen
in feinverteilter Form eingebracht sind, und der in wirtschaftlicher weise reproduzierbar
zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Heizleiter
als mit den leitenden Substanzen impragnierter offenzelliger Schaumstoffkörper ausgebildet
ist.
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Das Heizelement gemäß der Erfindung besitzt gegenüber den bekannten
Heizelementen mit massivem Trägermaterial (Kautschuk oder Kunststoff) einen entscheidenden
Vorteil: Wird massiver Kunststoff - beispielsweise Polytetrafluoräthylen - mit einer
leitenden Substanz, etwa leitendem Graphit - gemischt, so ist das Mischungsverhältnis
außerordentlich kritisch, Bei zu geringem Graphitanteil besteht keine Berührung
zwischen den
einzelnen Graphitkörnchen, bei zu hohem Graphitanteil
wird der spezifische widerstand senr niedrig. Im ersteren Fall ist das prodult nicht
zu brauchen, im letzteren Fall muß es entweder schr lang oder sehr ddnn sein, um
bei üblichen Spannungen den Leistungsumsats so gering zu halton, daß Meizelement
hur die gewünschte Temperatur von etwa 40 ..30° e im Gleiengewichtszustand zwischen
zugeführter und druch konvektion und strahlung abgegebener Lnergie belbenält . Der
Zwischenbereich zwischen beiden Hischungsverhältnissen ist nicht groß, selbst wenn
man eine verhältnismäßig schlecht leitende Substanz, wie Graphit, verwendet. Infolgedessen
setzt man immer genug Graphit zu, daß das Endprodukt in jedem Fall binsetzbar ist,
und bildet das Heizelement Landförmict aus mit Zuleitungen an den Derandungen (Britische
Patentschrift 671 881).
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Demgegenüber erlaubt die Verwendung von offenzelligem Schaumstoff
gemdß der Erfindung , die Impuäguierung genau zu dosieren, da die leitfähige Suvstanz
nicht in den Kunststoff eingebettet ist, wodurch die einzelnen Xornchen zunächst
einmal voneinander isolicrt wären, sondern auch schon bei geringsten Mengen eine
geschlossene leitende SC)Ilcht von Porenwandlung u Porenwanglung ausbildet, so daß
sich auch Heizelemente mit relativ hohem spezifischem Widerstand reproduzierbar
herstellen lassen. Dies vereinfacht nicht nur die Fertigung in kostenmüßig entscheidenndem
mase, sondern erlaubt daräber hinaus, das Beizelement als Platte mit fächigen Zuleitangen
auszubilden. Dies wiederum hat den Vorteil, daß bei gegebener plattenstärke und
Imprägnierung der Leistungsumsatz pro Flächeneinheit des Heizelements konstant ist
mit dem Lrgehnis, daß man große Flächen fertigen, imprägnieren und mit flächigen
Zuleitungen versehen kann, wonach erst die Platte in Einzelstücke zerschnitten wird.
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Die Fertigung ist damit weitgehend zu rationalisieren, und man kann
aus ein- und derselben Plattentybe beispielsweise Leizrissen verschiedener Srdße
fertigen, bei dench der beistungsumsatz nur
von der Flächengeöse
abnängt in erster mäherung ist dabei anzunchmen, daß die abgeführte wärme ebenso
wie die zugefänrte eine Funktion der Flüchehgröße ist.
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babei ist natärolich erwdnscht, daß der Deistungsumsats selbst in
der Platte stattfindet und hicht langs der suleitungselektroden, Daber wird man
He zuleicungselektroden so ausbillen, daß sie einen um mindestens zwei Srößenerdnungen
miedrigeren spezifischen widerstand aufweisen ale der imprügnierte Schaumstoffhsrper.
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Fdr die Rnwndung dls Reizelement für heizkissen, deizbare Decken
und Kleidung und dergleichen kann man hat schon kompressiole Schaumstoffe mit leitfähigen
Substanzen imprägniert, un die siderstandsänderung infolge Dehnung für Deßzwecke
auszunätzen (Britische Patentschrift 720 802) ; ein Heizelement gemdß der Brfindung
kann jedoch auch mit Vorteil unter Verwendung volumenkompressiblen Schaumkunststoffs
ausgebildet werden. Die Im-Prägmierung kann dabei so erfolgen, daß Beispielsweise
das Temperaturgleichgewicht an nicht komprimierten Stellen eines plattenförmigen
heizelements bei z.E. 20° C liegt und bei Druckbelastung bis zu 40° C ansteigt.
Der Leistungsumsatz erfolgt dann spezifisc besonders an solchen Stellen, a denen
beispielsweise der benntzer eines elektrischen Heikissens dieses belastet. Ein solches
Heizelement kann jedoch auch weite Anwendung in der Therapie bestimmter Nrankheiten
finden, beispielsweise der örtlichen genau dosierten Erwärmung hyperalfetischer
Sonen (Dp 830 685), wobei die zu erwärmenden Stellen Gruckbelastet werden, nachdem
das ganze Glied mit einem Heizkissen umhüllt worden ist, das mit einem gemäß der
Erfindung ausgebildeten Ileizelement versehen ist. Lin weiteres Anwendungsgebiet
liegt in der chemischen Dechnologie:
Soll beispielsweise eine Flüssigkeit
in einem Behälter längere Zeit auf einer konstanten Temperatur gehalten werden,
wobei der Behälter ständig wechselnde Mengen enthält, kann als Heizelement eine
gemäß der Erfindung aufgebaute Platte aus volumenkompressiblen Kunststoff eingesetzt
werden, auf der der Behälter steht. Bei geringer Füllmenge ist der vom Behälter
auf das Heizelement ausgeübte Druck gering, so daß der Leistungsumsatz entsprechend
zurückgeht. Wird er stärker gefüllt, wird die Platte komprimiert, so daß der Widerstand
sinkt, wird entsprechend mehr Leistung zugeführt. Als besonderer Vorteil kann dabei
die Stromaufnahme als Anzeige für die Füllmenge dienen.
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Die Verwendung von flexiblem, volumenkompressiblem Schaumkunststoff
erfordert ebenfalls flexible Zuleitungen.
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Diese können aus Drahtgewebe bestehen, aus aufgedampSen Metallschichten,
oder sie können durch nachträgliche starke Imprägnierung nur der Plattenseitenoberflächen
geschaffen werden.
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Wird ein elastisch volumenkompressibler Schaumkunststoff eingesetzt,
so hat sich folgendes Verfahren zum Imprägnieren bewährt: Der Schaumstoffkörper
wird in eine wässrige Suspension von kolloidalem Graphit, der elektrisch leitend
ist, eingebracht und gewalkt, so daß die Luft aus den offenen Poren ausgetrieben
wird und sich der Schaumstoffkörper mit der Suspension vollsaugt. Derartige Suspensionen
sind im Handel erhältlich; es haben sich jedoch auch Kohlenstoffdispersionen in
organischen Lösungsmitteln bewährt, beispielsweise in Äthylalkohol, Isopropanol,
Toluol, Methylisobutylketon. Bei Anwendung der Dispersionen in organischen Lösungsmitteln
kann
ein Aufquellen des Schaumkunststoffs erfolgen, wodurch die
Imprägnierung verbessert wird; wenn der Schaumkunststoffkörper anschließend getrocknet
wird, geht die Quellung wieder zurück.
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Bei Anwendung von Toluol ergibt sich eine wasserbeständige Imprägnierung.
Es wurde beobachtet, daß gegebenenfalls eine che,-mische Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen
und freien Gruppen des Kunststoffs erfolgen kann, wodurch die Leitfähigkeit des
Kohlenstoffs beeinträchtigt wird. Infolgedessen geht man zweck-, mäßig so vor, daß
der Schaumstoffkörper nach der ersten Imprägnierung, wie oben beschrieben, zunächst
nur soweit getrocknet wird, daß der Graphit gerade haftet. Danach wird der Vorgang
wiederholt~und der Schaumstoffkörper wird fertiggetrocknet.
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Schließlich wird er mehrfach gereckt und gestreckt, ohne freilich
die Elastizitätsgrenze zu überschreiten. Dabei erfolgt vermutlich eine Ausrichtung
der hexagonalen Graphitkristalle in optimale Position; es wurde jedenfalls beobachtet,
daß so imprägnierte Schaumstoffkörper einen reproduzierbaren spezifischen Widerstand
besitzen, das heißt, daß nach einer mechanischen Deformierung und Rückkehr in die
Ausgangsform der ursprünglich gemessene Wert sich wieder einstellte.
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Als Imprägniermittel wurde oben eine wässrige Suspension von koflloidalem
Graphit angegeben. Dies ist vor allem dann zu empfehlen, wenn der spezifische Widerstand
des imprägnierten Materials verhältnismäßig hoch sein soll. Wenn ein niedrigerer
spezifischer Widerstand gewünscht wird, muß man die leitende Schicht auf den Wandungen
der offenen Zellen so dick wählen, daß die Gefahr besteht, daß bei starker mechanischer
Beanspruchung die Schicht rissig wird, bzw. bricht.
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Dieser Gefahr kann man durch Anwendung anderer Imprägniermittel begegnen.
Die Haftfähigkeit der leitenden Schicht wird wesentlich verbessert, wenn die leitenden
Partikel - Ruß oder Graphit beispielsweise - als Dispersion oder Suspension in eine
itunststoffemulsion
gegeben werden oder die oben erwäimte wässrige kohlenstoffdispersion mit einer Kunststoffdispersion,
zwm Beispiel einer wässrigen Kunststoffdispersion, abgemischt wird und das so erhaltene
Produkt als Imprägniermittel eingesetzt wird.
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Als kunststoffemulsion hat sich eine Late:'jnilch bewährt. Der sich
ergebende spezifische -7iderstand laßt sich bei einem solchen Imprägniermittel hesonders
gut reproduzierbar einstellen; er ist bestimmt durch den gehalt des Imprägniermittels
an leitenden Partikeln. Wie oben erläutert, ist auch mit diesem Imprägniermittel
eine mehrmalige Imprägnierung möglich und gegebenenfalls vorzusehen, , etwa im Bereich
der Anschlüsse.
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Bei Anwendung relativ niedrigerer spezifischer Widerstände ist es
erwünscht, der Gefahr einer etwaigen thermischen Überlastung vorzubeugen. Dies geschieht
gemäß einem weiteren ffiIerkmal der Erfindung dadurch, daß dem Imprägniermittel
- etwa der soeben besprochenen Emulsion - neben Graphit als leitende Substanz zusätzlich
kaltleitende Partikel zugesetzt werden, deren Widerstand bekanntlich mit zunehmender
Stromdichte ansteigt. Durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung läßt sich erreichen,
daß der spezifische Widerstand bei Druckbelastung eines volumenkompressiblen Schaumstoffkörpers
in etwa konstant bleibt oder sogar abnimmt, wobei die Zusammensetzung auf die thermische
Belastungsgrenze des jeweiligen Kunststoffmaterials abgestimmt wird.
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Beim Anbringen der flexiblen Zuleitungen ist zu beachten, daß sich
keine Formhaut auf der Zuleitung bilden darf, wenn diese gleich mit eingeschäumt
wird, da dann kein Strompfad mehr durch die Imprägnierung ausgebildet wird. Wenn
beispielsweise ein Drahtgewebe verwendet wird, so muß dieses vor dem Einschäumen
mit einem Formtrennmittel bestrichen werden; derartige Substanzen sind bekannt.
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Bei einem anderen Herstellungsverfahren, das sich bewährt hat, geht
man so vor, daß als flexible Zuleitungselektroden Textilgewebe mit einem Trennmittel
bestrichen und an
den Schaumstoffkörper einseitig haftend angeschäunt
wird, daß der so gebildete Körper imprägniert wird, und daß anschließend die mit
Textilgewebe beschichteten Flächen mittels einer Suspension kolloidalen Graphits
in'etwa zehnfach stärkerer Konzentration als bei der Imprägnierung benutzt eingestrichen
und getrocknet werden. Das Textilgewebe selbst ist dabei nicht leitend; es dient
nur als Träger für die verstärkte Imprägnierung.
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Man kann auch so vorgehen, daß das Textilgewebe mit einer wasserbeständigen
Dispersion, etwa auf Toluolbasis, imprägniert, dann an einen Schaumkunststoffblock
angeschäumt und schließlich der ganze Block mit Elektroden in einer wässrigen Graphitsuspension
erneut imprägniert wird.
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Das fertige Heizelement kann als Berührungsschutz mit einem Kunststofflack,
etwa auf Polyurethanbasis, überzogen werden, zum Beispiel durch Tauchen, Einstreichen,
Bespruhen oder andere übliche Verfahren. Dadurch ergibt sich eine wasserfeste Abdichtung.
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Auf der Basis von volumenkompressiblem Schaumkunststoff kann man
auch gemäß der Erfindung Heizelemente herstellen, die selbst nicht volumenkompressibel
sind. Zu diesem Zweck wird ein Heizelement - etwa mit Textilelektroden - vollständig
komprimiert und dann versiegelt.
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Die Heizelemente gemäß der Erfindung können je nach Anwendungszweck
für Betriebsspannungen von 24 V (Berührungsschutz bei Heizkissen und dergleichen)
oder für Netzspannung ausgelegt werden.
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Im ersteren Fall kann eine Isolation der freiliegenden Seiten der
Zuleitungselektroden entfallen, im letzteren Fall kann man beispielsweise eine Isolierschicht
aus nichtporigem, aber elastischem Kunststoff aufbringen.
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Es versteht sich, daß die verwendeten Kunststoffe einerseits und
der Leistungsumsatz andererseits so gewählt werden, daß der Kunststoff nich£durch
Überhitzung zerstört werden kann.
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Die Erfindung soll nachstehend unter BEzugnahme auf die beigefägten
Zeichnungen naher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 iialbschematisch, teilweise
perspektivisch, ein Heizelement gemäß der brrfindung, und Fiy. 2 und 3 ein Heizelemenht
gemäß der Erfindung in der Anwendung zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur
in einer Flüssigkeit.
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Das Heizelement nach Fig. 1 ist über .-lie uleitung 10 an eine (nicht
dargestellte) Spannungsquelle angeschlossen, beispielsweise über einen Isoliertransformator
mit einer Sekundär spannung von 24 V an das Netz. Je ein Leiter der uleitung 10
ist an ein dünnes Kupferdrahtgewebe 12 bzw. 14 angeschlossen; der Anscilluß kann
beispielsweise dadurch erfolgen, daß an den Leiter eine öse angeschweißt wird, die
mit dem Kupferdrahtgewebe vernietet wird, wobei eine Gegenscheibe untergelegt wird,
um einen yrößeren flächenhaften Kontakt zu gewährleisten.
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Die Kupferdrahtgewebe 12 und 14 sind iii innigem elektrischem Kontakt
mit der Deck- bzw. Bodenfläche eines Schaumkunststoffblocks 16 in Plattenform verbunden;
beispielsweise kann man für diese Verbindung ein handelsübliches, elektrisch leitendes
Gießharz verwenden.
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Der Schaumkunststoffblock 16 besteht aus offenzelligem, volumenkompressiblem
Polyurethan, das im ausgeschäumten Zustand mit elektrisch leitendem Graphit imprägniert
worden ist.
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Die Imprägnierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Kunststoffblock
in einer wässrigen Suspension des feinverteilten Graphits getrankt wird; es ist
jedoch auch möglich, den Kunststoffblock mit pulverisiertem Graphit in trockenem
oder halbtrockenem Zustand zu imprägnieren, etwa durch Walken oder Linkneten. Die
Erfahrung hat gezeigt, daß beide Verfahren ausgezeichnet reproduzierbar sind.
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Das so hergestellte Heizelement wird anschließend mit einer Hölle
18 aus nichtporösem, jedoch sehr elastischem Kunststoff überzogen, einerseits aus
Isolationsgränden, andererseits zum Ermöglichen einer lerchten Reinigung. Die Hülle
kann lose auf dem Heizelement sitzen, sie kann aber auch aufgeschrumpft oder aufgeklebt
sein. Das material für den Kunstoffblock 16 wie auch für die Hülle 18 ist so ausgewählt,
3-aß selbst bei makimalem XeistunrJsumisatz der Runststoff nicht zerstört oder Dleibend
verändert wird.
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Fig. 2 und 3 zeigen schematisch die Verwendung keines Meizelementes
20, das im prinzip aufgebaut ist wie das heizelement nach Fig. 1, zum Beheizen eines
mit Flüssigkeit 22 gefüllten Behälters 24. Wenn der Behälter 24 gauz gefüllt ist
(Fig. 2) wird das Heizelement komprimiert. Damit verkürzen sich die strompfade,und
zugleich verringert sich auch der spezifische widerstand derselben, wenn auch nicht
in gleich starkem Maße. Im brgebuis verringert sich der Gesamtwiderstand, so daß
die umgesetzte Leistung bei gleichbleibender Spannung esentlich höher ist als nach
Fig. 3, 70 der Behälter weniger gefüllt ist, somit einen geringeren Druck auf das
Meizelement 20 ausübt und der GEsamtwiderstand liorler ist. Ls ist möglich, die
Qualität des Schaumkunststoffs bezüglich Porengröße, Kompressibilität etc. sowie
die Imprägnierung so auszuwählen, daß die umgesetzte Leistung innerhalb gewisser
Grenzen proportional dem Druck und damit der Füllmenge des 3enälters 24 ist.
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In Fig. 2 und 3 ist ferner ein Strommesser 26 angedeutet.
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Bei konstanter Betriebsspannung und zunehmender Leistung ist der aufgenommene
Strom ein Maß für die umgesetzte Leistung. Der Strommesser kann, da diese Leistung
proportional der Füllmenge sein soll, als Meßorgan für die Füllmenge dienen und
andererseits bei Überschreiten einer maximal zulässigen Leistung als Stromunterbrecher
ausgebildet sein, um das Heizelement gegen Überhitzung zu sichern.
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Ls versteht sich, daß auch Martschaumkunststoff, imprägniert mit
leitenden Substanzen wie Graphit, gemäß der Erfindung als heizelement ausgebiliet
sein kann, Dabei ist das Imprägnierverfahren mittels Linwalzen oder -kneten, wie
es oben für elastische Schaumkunststoffe beschrieten wurde.
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freilich nicht anwendbar. Dagegen bietet sich ein breites Anwendungsfeld
als Feizelement für die Beheizung von Wohnräumen, da der Eartschaumdunststoff im
Betrieb nicht verformt wird, braucht auch das material der Zuleitungselektroden
nur wenig flexibel zu sein und kann beispielsweise aus Streckmetall bestehen.
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(p a t e n t a n s p r ü c h e )