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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches, bahnförmiges Heizelement
mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften, das geeignet ist, das
Gefrieren von Straßen
zu verhindern, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen,
bahnförmigen Heizelements.
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Wo
Spikereifen in kalten Regionen, beispielsweise in Japan, nicht verwendet
werden dürfen,
wurden verschiedene Arten von Gefrierschutzsystemen für Straßen vorgeschlagen,
beispielsweise Warmwassersysteme, elektrische Heizsysteme und andere
Systeme.
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Bei
den Warmwassergefrierschutzsystemen wird warmes Wasser mittels eines
Boilers unter Verwendung von Gas, Kerosin, Elektrizität oder einer ähnlichen
Wärmequelle
erzeugt. Das warme Wasser zirkuliert in Rohren aus Kupfer, Stahl,
Polyvinylchlorid oder aus einem ähnlichen
Material. Das warme Wasser liefert eine der verbrauchten Wärmemenge entsprechende
Wärmemenge.
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Bei
Gefrierschutzsystemen mit elektrischer Heizung sind metallische
Widerstandsdrähte
unter der Straßendecke
eingebettet und elektrisch angeschlossen.
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Die
Warmwassergefrierschutzsysteme haben jedoch die folgenden Nachteile:
Erstens
ist es schwierig, das warme Wasser zu regeln, und zwar aus den folgenden
Gründen:
Aufgrund der Zirkulation des warmen Wassers durch die Rohre wird
zum Erhöhen
der Temperatur eines gesamten Systems Zeit benötigt. Es ist erforderlich,
die Temperatur des gesamten Systems insgesamt zu regeln, wodurch
eine aufgeteilte Regelung der Temperatur schwierig ist, und eine
ungleichmäßige Temperaturverteilung
in Abhängigkeit
von dem Abstand zwischen den Rohren auftreten kann. Ein Wasserleck in einem
Teil des Rohres kann die Funktion des gesamten Systems zerstören.
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Zweitens
ist eine aufwendige Wartung aus den folgenden Gründen erforderlich: Da sich
Kalzium im warmen Wasser auf den Innenflächen des Rohres niederschlägt, muß dieses
entfernt werden und das Rohr von innen gereinigt werden. Außerdem muß die Anlage
aufgrund der kurzen Standzeit eines Boilers alle fünf bis sieben
Jahre erneuert werden.
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Drittens
ist es schwierig, das System stabil arbeiten zu lassen, da es beispielsweise
bei Bergstraßen
schwierig ist, Kraftstoff nachzufüllen.
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Viertens
wird die Umwelt aus den folgenden Gründen belastet: Ein Warmwasserboiler
erzeugt Lärm;
und wenn Gas, Kerosin oder ein ähnlicher Brennstoff
verwendet wird, werden Schadstoffe in die Luft emittiert.
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Gefrierschutzsysteme
mit elektrischer Heizung haben gegenüber den Warmwassergefrierschutzsystemen
den Vorteil, daß sie
geräuschlos
und schadstofffrei arbeiten. Sie sind leicht zu regeln und erfordern
keine der Reinigung bei Warmwassersystemen entsprechende Wartung.
Allerdings kann eine ungleichmäßige Verteilung
der Temperatur aufgrund eines weitmaschigen Verdrahtungsnetzes auftreten.
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Aus
der
DE 42 21 455 ist
ein Heizelement aus Kohlefasergewebe bekannt, bei dem aus einer Gewebebahn
in regelmäßigen Abständen Spalte bzw.
Einschnitte herausgetrennt werden, und zwar abwechselnd aus den
entgegengesetzten Seitenrändern
der Bahn. Auf diese Weise kann die Gewebebahn gleichzeitig sowohl
für die
Stromführung
als auch für
die Wärmeabstrahlung
verwendet werden.
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Die
DE 24 45 334 beschreibt
ein Heizgewebe, bei dem aus elektrisch leitendem Material bestehende
und aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schußdrähte in nebeneinander
liegenden Streifen angebracht werden. Die quer zu den Schußdrähten stehenden
Ränder
bestehen aus elektrisch leitendem Material und stehen im elektrischen
Kontakt zu den leitenden Gewebestreifen.
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Aus
der
DE 22 29 808 A1 ist
ein bahnförmiges
Heizelement bekannt, mit einem Heizelementkörper, in den Glasfaser zur
Isolierung in einer ersten und einer zweiten Richtung gewebt sind.
Metallische Heizleiter sind zum Heizen in vorgegebenen Abständen in
der ersten Richtung eingewebt. Ein erster und zweiter Leiter sind
in der zweiten Richtung als Elektroden eingewebt. Schließlich sind
auf beiden Seiten des Heizelementkörpers isolierende Kunststoffschichten
aufgebracht.
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Die
US 3 424 362 A beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen, bahnförmigen Heizelementes.
Auf die seitlichen Ränder
eines leitfähige
Fasern enthaltenden Gewebes wird eine leitfähige Schicht aufgebracht, um
Anschlüsse
für das Heizelement
vorzusehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein bahnförmiges
Heizelement zur Verfügung
zu stellen, dessen Temperatur leicht zu regeln ist, das Wärmeenergie stabil
zur Verfügung
stellt, leicht zu warten ist, eine geringe Belastung der Umwelt
mit sich bringt und das eine gute Adhäsion ermöglicht, wenn es zwischen Hochtemperaturmaterialien
wie Asphalt o. dgl. eingelagert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein elektrisches, bahnförmiges
Heizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Es
wird ein bahnförmiges
Heizelement vorgesehen, mit
einem Heizelementkörper, in
dem Glasfasern zur Isolierung in einer ersten und einer zweiten
Richtung gewebt sind, Kohlefasern zum Heizen in vorgegebenen Abständen in
der ersten Richtung gewebt sind, und ein erster und ein zweiter
Leiter in der zweiten Richtung zur Verwendung als Elektroden gewebt
sind;
einem warmhärtbaren
Harz enthaltenden Bindematerial zum Verbinden der Glasfasern, der
Kohlefasern und der Leiter;
und auf beiden Seiten des Heizelementkörpers aufgeklebten
Kunstharzfolien. Die bahnförmigen
Heizelemente weisen außerdem
gewebte Abdeckbahnen auf, zu deren Herstellung Glasfasern gewebt
und mit warmhärtbarem
Harz imprägniert
werden, und die von beiden Seiten in unmittelbaren Kontakt mit den isolierenden
Kunstharzfolien gebracht werden.
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Die
zweite Richtung liegt vorzugsweise etwa senkrecht zur ersten Richtung,
die wiederum vorzugsweise die Längsrichtung
einer im wesentlichen rechtwinklig zugeschnittenen Bahn darstellt.
Als warmhärtbarer
Harz kann ein beliebiger bei erhöhter Temperatur
aushärtender
Kunststoff verwendet werden. Als Kunstharzfolien sind beliebige
elektrisch isolierende Kunststoffolien verwendbar.
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Wenn
die mit warmhärtbarem
Harz imprägnierten
Abdeckbahnen auf beiden Seiten mit den isolierenden Kunstharzfolien
in Kontakt gebracht sind, wird eine gute Adhäsion ermöglicht, wenn das Heizelement
zwischen Hochtemperaturmaterialien wie Asphalt o. dgl. eingelagert
wird.
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In
Weiterbildung weist das bahnförmige
Heizelement Einschnitte auf, die dadurch gebildet sind, daß der erste
und der zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durchgeschnitten
sind.
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Vorteilhafterweise
weisen die bahnförmigen Heizelemente
Durchgangslöcher
auf, die neben den Leitern und den Kohlefasern angeordnet sind.
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Verfahrensmäßig wird
die Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen, bahnförmigen Heizelementes
mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
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In
bevorzugter Weiterbildung ist das Herstellungsverfahren dadurch
gekennzeichnet, daß elektrische
Schaltkreisabschnitte dadurch geschaffen werden, daß der erste
und der zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durchgeschnitten
werden; und daß der
Heizelementkörper
auf vorgegebene Abmessungen geschnitten wird.
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Da
der Heizelementkörper
eine Webstruktur aus isolierenden Glasfasern, Kohleheizfasern und aus
Leitern aufweist und die Glasfasern, die Kohlefasern und die Leiter
mit Hilfe eines Bindemittels zusammengehalten werden, ist eine einfache
Positionierung der Kohlefasern untereinander und der Kohlefasern
in bezug auf die Leiter möglich.
Außerdem werden
die Kohlefasern und die Leiter in ihrer Position festgelegt. Es kann
auch kein elektrischer Verlust auftreten, weil außerdem isolierende
Harzbahnen auf beide Seiten des Heizelementkörpers aufgeklebt sind.
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Die
Kohle- und Glasfasern weisen eine fast unbegrenzte Standzeit auf
und bewirken einen Ausfall nur dann, wenn sie künstlich beschädigt werden.
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Wenn
der erste und zweite Leiter des Heizelementkörpers abwechselnd durchgeschnitten
sind, um Einschnittbereiche zu bilden, können elektrische Schaltkreisabschnitte
leicht aus den durch die Einschnitte unterteilten Leitern und den
mit den Leitern verbundenen Kohlefasern gebildet werden.
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Durchgangslöcher in
dem bahnförmigen
Heizelement außerhalb
der Leiter und Kohlefasern ermöglichen
beim Einlagern des bahnförmigen
Heizelementes zwischen Materialien wie Asphalt, Beton o. dgl. ein
Hindurchgreifen des Materials und auf diese Weise eine gute Haftung.
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Da
die Leiter mit den Glasfasern und den Kohlefasern beim Weben der
Glas- und der Kohlefasern verwebt werden, ist die Herstellung einfach
und eine Massenproduktion möglich.
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Dadurch
können
Kosten reduziert werden. Da der erste und der zweite Leiter des
Heizelementkörpers
zur Bildung von elektrischen Schaltkreisabschnitten abwechselnd
durchgeschnitten sind, und da der Heizelementkörper auf vorgegebene Abmessungen
geschnitten wird, können
kontinuierliche Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Außerdem können Herstellungskosten
durch Aufwickeln des Heizelementes auf Rollen eingespart werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 Eine
vergrößerte Darstellung
des Heizelementkörpers
eines bahnförmigen
Heizelementes in einer ersten Ausführungsform;
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2 Eine
perspektivische Darstellung des Heizelementkörpers gemäß 1 im aufgerollten Zustand;
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3 Eine
schematische Darstellung der Herstellung des bahnförmigen Heizelements
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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4 Eine
perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des bahnförmigen Heizelementes;
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5 Eine
perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des bahnförmigen Heizelementes;
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6 Eine
perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des bahnförmigen Heizelementes;
und
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7A, 7B und 7C Anwendungsbeispiele
für das
bahnförmige
Heizelement.
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1 zeigt
die wesentlichen Teile eines Heizelementkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen bahnförmigen Heizelementes. 2 zeigt
eine perspektivische Darstellung des Heizelementkörpers gemäß 1 im
aufgerollten Zustand.
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Ein
bahnförmiges
Heizelement 1 gemäß 1 weist
einen Heizelementkörper 10,
ein Bindematerial 14 (3) und isolierende
Kunstharzfolien 15 und 16 (3) auf.
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Der
Heizelementkörper 10 wird
als Webstruktur aus Kohlefasern 11, Glasfasern 12 und
einem Leiter 13 hergestellt. Die Glasfasern 12 werden
sowohl als Kettfaden als auch als Schußfaden verwendet. Die Kohlefasern 11 werden
in regelmässigen
Abständen
von wenigen Millimetern bis einigen zehn Millimetern als Schußfaden verwendet
und der aus einem Kupferdraht o. dgl. hergestellte Leiter 13 wird an
beiden Seiten des Heizelementkörpers
als Kettfaden verwendet, um als Elektrode zu wirken.
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Da
die Glasfasern 12 wie bei einem Stoff zwischen den Kohlefasern 11 eingewebt
sind, sind die Positionen der Kohlefasern festgelegt und diese vollständig isoliert.
Außerdem
stehen die Kohlefasern 11 und beide Leiter 13 miteinander
in engem Kontakt, um eine elektrische Verbindung herzustellen.
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Die
Kohlefasern 11 und die Glasfasern 12 haben aufgrund
ihrer im wesentlichen unbegrenzten Haltbarkeit den Vorteil, daß sie nur
bei künstlicher Beschädigung zu
einer Fehlfunktion führen.
Die Kohlefasern ermöglichen
es, Elektrizität
von einer stabilen Quelle als Wärmeenergie
zu verwenden. Auf dieser Weise treten Luftverschmutzung, Geräusche und ungleiche
Temperaturverteilungen nicht auf. Ein guter thermischer Wirkungsgrad
verkürzt
die Temperaturanstiegszeit. Außerdem
sind die Elektrizitätskosten
geringer als bei bekannten elektrischen Drahtheizungen.
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Der
Heizelementkörper 10 kann,
wie in 2 dargestellt, aufgerollt werden. Bei dem aufgerollten
Heizelementkörper
sind die seitlichen Leiter 13 abwechselnd durchgeschnitten,
um Einschnittbereiche 17A, 17B, 17C, 17D,
... zu bilden. Auf diese Weise entstehen elektrische Schaltkreisabschnitte mit
einer Elektrode 13A, Kohlefasern 11A, einer Elektrode 13B,
Kohlefasern 11B, einer Elektrode 13C, Kohlefasern 11C usw.
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Der
Heizelementkörper 10 verwendet
als Kohlefasern 11 ein Bündel von 1000 Kohlekernfasern,
die jeweils einen Durchmesser von 7 μm haben, wobei das Bündel einen
Widerstand von 456 Ω/m hat.
Der Heizelementkörper
wird zu einer Größe von 0,9
m (Breite) × 10
m gewebt, wobei die Kohlefasern 11 in einem Abstand von
20 mm angeordnet sind. Da der Heizelementkörper 10 einen Verlustbereich
von 15 mm Breite und einen Elektrodenbereich von 60 mm an beiden
Seiten aufweist, beträgt
die effektive Breite 810 mm. Bei einem Widerstand je Kohlefaser 11 (d.h.
je Bündelabschnitt
von 810 mm Länge)
von 369,36 Ω und
einer angelegten Spannung von 200 V ergibt sich eine Wärmemenge
pro Fläche
und Stunde von ca. 330 kcal/m2h.
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Wenn
der Heizelementkörper
10 m lang ist, enthält
er 500 Kohlefaserbündel 11.
Daraus ergibt sich bei der 4-Schaltkreisabschnitt-Konstruktion gemäß 2 das
folgende Ergebnis.
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Je
Schaltkreisabschnitt gibt es 125 Kohlefaserbündel und aufgrund der Parallelschaltung
berechnet sich der Widerstand des Heizelementkörpers 10 wie folgt:
369,36 Ω :
125 Fasern ergibt ca. 2,95 Ω; 2,95 Ω × 4 Schaltkreisabschnitte
(in Reihe) = 11,82 Ω.
Bei einer angelegten Spannung von 200 V berechnet sich der Strom
wie folgt: 200 V : 11,8 Ω =
16,95A. Somit ist die Leistung des Heizelementkörpers 10 je Bahn 200V × 16,95A
= 3389,8 W. Die Leistungsdichte beträgt 3389,8 W : 9 m2 =
376,6 W/m2, und die Wärmemenge beträgt 3,766 × 860, das
ist ca. 324 kcal/m2h.
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Wenn
vier Einschnitte 17A, 17B, 17C und 17D vorgesehen
werden, liegt eine 4-Schaltkreisabschnitt-Konstruktion vor; daher
gibt es 125 Kohlefasern pro Schaltkreisabschnitt.
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Nach
dem Herstellen der Schaltkreisabschnitte gemäß 2 wird der
Heizelementkörper 10 mit
einem Bindematerial 14, bspw. warmhärtbarem Harz o. dgl., imprägniert und
dann mit isolierenden Kunstharzfolien 15, 16 aus
verstärktem
Kunststoff von beiden Seiten laminiert.
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3 ist
eine schematische Darstellung der Herstellungsvorrichtung für das bahnförmige Heizelement
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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In
der Herstellungsvorrichtung gibt eine Aufgabevorrichtung 101 das
warmhärtbare
Harz 14 auf den Heizelementkörper 10, und dann
werden von oben und unten die isolierenden Kunstharzfolien 15, 16 zugeführt und
zwischen den Preßwalzen 102 gepreßt. Der
Heizelementkörper
wird von einer Heizvorrichtung 103 zur gleichmäßigen Verteilung
des warmhärtbaren
Harzes 14 erhitzt und dann im letzten Schritt zwischen
zwei Preßwalzen 104 gepreßt, um das
bahnförmige
Heizelement 1 zu bilden.
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Das
bahnförmige
Heizelement 1 ist überzogen
mit den isolierenden Kunstharzfolien 15, 16 und weist
deshalb keine undichten Stellen für Wasser oder Elektrizität auf.
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In 4 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
bahnförmigen
Heizelementes dargestellt.
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Ein
bahnförmiges
Heizelement 1' (bei
dem keine elektrischen Schaltkreisabschnitte wie in 2 gefertigt
sind) ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufgerollt.
Das bahnförmige
Heizelement 1' wird auf
eine geeignete Länge
L geschnitten, um ein einziges bahnförmiges Heizelement 2 herzustellen.
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Dann
werden zur Herstellung der elektrischen Schaltkreisabschnitte gemäß 2 Einschnittbereiche 21A, 21B und 21C von
außen
vorgesehen und Spannungsversorgungsanschlüsse 22, 23 an
den Endabschnitten eines Leiters befestigt. Die Drähte 24, 25 sind
zu den Spannungsversorgungsanschlüssen 22, 23 geführt.
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Gemäß diesem
zweiten Ausführungsbeispiel können Heizelemente
verschiedener Leistung hergestellt werden. Es kann sowohl eine Gleichspannung als
auch eine Wechselspannung angelegt werden.
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Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel
sind gewebte Abdeckbahnen 31, 32 auf der Ober-
und Unterseite des gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
hergestellten bahnförmigen
Heizelementes aufgebracht. Die gewebten Abdeckbahnen 31, 32 sind Webstrukturen
aus Glasfasern, die mit warmhärtbarem
Harz als Bindemittel imprägniert
sind. Es wird vorzugsweise ein warmhärtbarer Harz verwendet, der
bei hohen Temperaturen reagiert.
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Ein
in der oben beschriebenen Weise hergestelltes bahnförmiges Heizelement 3 ist
zur Beheizung von asphaltierten Straßen geeignet. Beim Asphaltieren
hat der Asphalt eine Temperatur von 140–170°C. Die Asphaltwärme löst die Reaktion
des warmhärtbaren
Harzes aus. Das bahnförmige
Heizelement 3 wird dabei unter Einwirkung einer von oben wirkenden
Druckkraft zwischen der oberen und der unteren Asphaltschicht eingelagert
und tritt in engen Kontakt mit diesen Asphaltschichten.
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6 ist
eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen bahnförmigen Heizelementes.
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Das
bahnförmige
Heizelement 4 unterscheidet sich von dem gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
hergestellten bahnförmigen
Heizelement 2 nur dadurch, daß Durchgangslöcher 41 außerhalb der
Leiter (äußere Leiter
und Kohlefasern) vorgesehen sind. Wenn das bahnförmige Heizelement 4 im Asphalt
oder Beton eingebettet wird, ermöglichen
die Durchgangslöcher 41,
daß die
Asphalt- oder Betonschichten über
und unter dem bahnförmigen
Heizelement sich durch dieses hindurch verbinden. Die Haftung wird
auf diese Weise verbessert und eine Trennung der Schichten vermieden.
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Das
vierte Ausführungsbeispiel
ist als Gefrierschutzsystem und Bodenheizung für asphaltierte Straßen, Bürgersteige,
Fußgängerbrücken, Betonböden, Parkplätze usw.
geeignet.
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Die
bahnförmigen
Heizelemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind geeignet,
um das Gefrieren von Straßen
und Bürgersteigen
zu verhindern, Schnee auf Fußgängerbrücken zu
schmelzen, Fußböden in Häusern, Ämtern, Fabriken
und anderen Gebäuden
zu heizen, Schnee auf Parkplätzen zu
schmelzen, das Einfrieren von Dach-Wassertanks von Gebäuden und
Apartmenthäusern
zu verhindern, das Gefrieren von Gebirgsstraßen und Abhängen zu verhindern, Fußböden von
Gewächshäusern in
der Landwirtschaft zu heizen usw.
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7A, 7B und 7C zeigen
einige Anwendungsbeispiele des bahnförmigen Heizelementes gemäß der Erfindung.
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7A zeigt
die Anwendung als Bodenheizung für
einen gewöhnlichen
Holzfußboden.
Ein Heizungsisoliermaterial 55 ist zwischen Balken 54 angeordnet,
die auf einem Fußbodenmaterial 53 liegen. Das
Fußbodenmaterial
ist über
Balken 52 angeordnet, die auf einer Schwelle 51 ruhen.
Das bahnförmige
Heizelement 1 ist mit Hilfe von Nägeln o. dgl. auf den wärmeisolierenden
Materialien festgelegt. Eine abschließende Fußbodendecke 56 ist über dem bahnförmigen Heizelement
angeordnet.
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7B zeigt
die Anwendung als Betonfußbodenheizung.
Bei der Anwendung ist das Heizelement 1 zwischen einer
oberen Betonschicht 61 und einer unteren Betonschicht 62 eingebettet.
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7C zeigt
die Einbettung im Asphalt. Bei dieser Anwendung wird Asphalt 72 auf
Kies 71 aufgebracht und das bahnförmige Heizelement 1 wird
auf den Asphalt 72 aufgelegt. Ein grobkörniger Asphalt 73 wird
auf das bahnförmige
Heizelement 1 aufgetragen und eine feinkörnige Asphaltdecke 74 wird
auf den grobkörnigen
Asphalt 73 aufgetragen.