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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement aufweisend einen Verbundaufbau
mindestens mit einer innenliegenden ersten Isolierung und einem darin
eingebetteten Heizleiter, einer innenliegenden zweiten Isolierung
und einem leitenden Bereich. Die Erfindung betrifft auch ein Wärmesystem.
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Ein
Heizelement und ein Wärmesystem der eingangs genannten
Art finden in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise zur Beheizung
von Gehäusen, Schaltschränken oder Geräten.
Insbesondere flache Heizelemente haben sich als vorteilhaft erwiesen,
da es dadurch möglich ist, mit geringem Platzaufwand dennoch
großflächig die Wärme dort einzubringen,
wo sie gebraucht wird. Des weiteren lassen sich solche Heizelemente
zur Bildung eines Wärmesystems besonders vorteilhaft auf
profilierte, sphärische, vorzugsweise wärmeleitende,
Träger aufbringen. Dadurch ist es möglich, Wärme
auch auf räumliche Gebilde unmittelbar dort, wo sie gebraucht wird,
zu übertragen.
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Ein
in diesem Sinne vorteilhaft ausgebildetes, jedoch noch verbesserungswürdiges
Heizelement in Form einer Operationstischauflage ist aus
WO 89/06931 bekannt. In
diesem Heizelement ist ein äußerer Bereich von
Deck- und Seitenschichten durch Zumischung leitfähiger
Bestandteile ausgebildet, um elektrostatische Aufladungen abzuleiten,
so dass der elektrische Widerstand des Bereichs gemäß
WO 89/06931 im Bereich
zwischen 50 Ω und einem MΩ liegt. Es hat sich
nämlich gezeigt, dass im Falle eines Durchbruchs des in
der innenliegenden ersten Isolierung eingebetteten Heizleiters Probleme entstehen
können. Trotz ausreichender Vorkehrungen, dass ein solcher
Durchbruch praktisch unmöglich ist, könnten dennoch
in solch einem hypothetischen Fall Leckströme oder gar
ein infolge einer Bruchstelle des Heizleiters in die innenliegende
erste Isolierung abgeleiteter Heizstrom dazu führen, dass im
Verbundaufbau ein Wärmestau entsteht, ohne dass dies außerhalb
des Heizelements erkennbar wäre – abgesehen von
der Tatsache, dass das Heizelement in dem Fall ineffektiv arbeitet.
Eine Bruchstelle verursacht in der Regel einen erhöhten
Widerstand an der Bruchstelle, was zur Folge hat, dass sich der
Heizleiter an dieser Stelle unzulässig erwärmt
und das Isoliermaterial zerstört. Dieser Fehler führt
dann, wenn die Isolierschichten defekt sind, zum Kontakt mit der
Leitenden Schicht undd es kann ein Fehlerstrom fließen.
Im schlimmsten Fall könnte bei einem Heizleiterdurchbruch
die innenliegende erste Isolierung aufgeschmolzen werden oder gar verbrannt
werden, was zu einer völligen Zerstörung des Heizelements
führen würde. Nachteilig bei dieser Situation
ist insbesondere, dass ein solcher Prozess schleichend vor sich
ginge und über einen beträchtlichen Zeitraum das
Heizelement funktionstüchtig bliebe.
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Wünschenswert
wäre es, eine Fehlfunktion, insbesondere eine Leckage oder
gar einen Durchbruch des eingebetteten Heizleiters bei einem Heizelement
möglichst frühzeitig erkennbar zu machen.
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An
dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein
Heizelement und ein Wärmesystem anzugeben, bei dem eine
Erkennbarkeit im Falle einer Fehlfunktion verbessert, insbesondere
eine Sicherung des Heizelements verbessert ist, vor allem für
den Fall einer Leckage oder eines Durchbruchs des Heizleiters.
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Betreffend
das Heizelement wird die Aufgabe durch die Erfindung mittels einem
Heizelement der eingangs genannten Art gelöst, bei dem
erfindungsgemäß der leitende Bereich die erste
Isolierung und die zweite Isolierung entlang wenigstens eines leitenden
Pfades vollständig umgibt, wobei der leitende Bereich ausgelegt
ist, einen Auslösestrom zu leiten, der zur Auslösung
einer Sensorfunktion geeignet ist, insbesondere einen elektrischen
Widerstand von höchstens 3 Ω/cm aufweist.
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Im
Unterschied zu dem eingangs gewürdigten Heizelement der
WO 89/06931 kommt dem leitenden
Bereich bei dem vorliegenden Heizelement gemäß dem
Konzept der Erfindung eine stromleitende elektrische Eigenschaft
zu. Im Falle eines Durchbruchs des Heizleiters oder in anderen Fällen,
bei dem Strom aus dem Heizleiter leckt, hat der leitende Bereich
eine Sensorfunktion. Mit anderen Worten, der leitende Bereich weist
einen elektrischen Widerstand auf, der ausreichend gering ist, um
elektrischen Strom zur Bildung eines Auslösestromes in
ausreichendem Maße zu leiten. Bei den für das
Heizelement gemäß dem Konzept der Erfindung in
Frage kommenden Anwendungen hat sich darüber hinaus gezeigt,
dass die Auslegung des elektrischen Widerstands bis zu einer Obergrenze
von 3 Ω/cm ausreichend ist, um diese Auslösestromfunktion
im Fehlerfall zur Verfügung zu stellen.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen und geben im einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an,
das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung,
sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Die
geometrische Form des Aufbaus des Heizelementes kann gegebenenfalls
je nach Anwendung unterschiedlich ausgeführt sein, vorzugsweise jedoch
als eine Heizfläche, beispielsweise als ein flächiges
Band, eine flächige Matte o. a., beispielsweise flexible
Heizmatten zur Vulkanisierung im Reifenbereich oder flexible Heizbänder
als Rohrbegleitheizungen.
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Zur
Realisierung eines ausreichend geringen elektrischen Widerstands
für den elektrisch leitenden Bereich, vorzugsweise mittels
einer oder mehrerer Schichten, weist dieser vorzugsweise einen spezifischen
elektrischen Widerstand von höchstens 3 Ω/cm auf.
Der leitende Bereich ist zur Leitung eines elektrischen Stromes
von vorzugsweise wenigstens in Höhe von 30 mA, vorzugsweise
in Höhe von wenigstens 50 mA ausgelegt. Der leitende Bereich,
vorzugsweise Schicht, wird so als Sensor zur Abschaltung, z. B. über
einen FI-Schutzschalter, mit einem Auslösestrom von z.
B. 30 mA und einer Auslösezeit von z. B. 30 mS, verwendet.
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Es
hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass
der elektrisch leitende Bereich mit einem Silikonkautschukmaterial
gebildet ist, das leitfähige Bestandteile aufweist, insbesondere
leitfähige Bestandteile in Form von Ruß- oder
Graphit- oder Silberpartikeln. Silberpartikel sind vorzugsweise
in Form von sogenannten „Silver Flakes" gebildet. Zur Realisierung
des ausreichend geringen elektrischen Widerstands gemäß dem
Konzept der Erfindung hat es sich als besonders zweckmäßig
erwiesen, dass die Konzentration der leitfähigen Bestandteile,
insbesondere im Falle von Ruß- oder Graphit- oder Silberpartikeln
bei mehr als 28 Gew.-% liegt, also z. B. 30 Gew.-% an leitfähigem
Ruß auf Feststoffgehalt, z. B. Silikon.
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Es
hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, dass
zur Darstellung eines ausreichenden Stromflusses der leitende Bereich,
insbesondere eine leitende Schicht eine Dicke von wenigstens 1 mm,
insbesondere wenigstens 0,75 mm aufweist. Andererseits hat es sich,
vor allem aus konstruktiven Gründen, als vorteilhaft erwiesen,
dass ein leitender Bereich, insbesondere Schicht, eine Dicke von
weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm aufweist. Als besonders
vorteilhaft hat sich eine Dicke des leitenden Bereichs, insbesondere
Schicht erwiesen, die zwischen 1 mm und 2 mm liegt.
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Eine
Ausbildung des leitenden Bereichs gemäß dem Konzept
der Erfindung bzw. gemäß einer oder mehrerer der
oben genannten Weiterbildungen der Erfindung hat sich als ausreichend
erwiesen, um eine verbesserte Erkennbarkeit einer Stromleckage zu
realisieren bzw. zur Darstellung einer Sicherungsfunktion.
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Vorteilhafterweise
wird der Heizleiter und der als Sensor fungierende leitende Bereich über
einen die Sensorfunktion aktivierenden Schalter, insbesondere FI-Schutzschalter
betrieben. Im Falle einer Fehlfunktion des Heizleiters, d. h., insbesondere
im Falle einer Stromleckage oder eines Heiz leiterdurchbruchs, wird über
den "Sensorbereich", insbesondere "Sensorschicht", ein Stromfluss
zum FI-Schalter erfolgen, so dass dieser den Stromfluss im Bereich vorzugsweise
bis max. 30 mA in vorzugsweise weniger als 30 mA feststellt und öffnet,
um den Heizstrom abzuschalten. Zweckmäßigerweise
ist dieser Zustand an einem Schaltgerät erkennbar gemacht,
beispielsweise durch eine Signalanzeige in visueller oder akustischer
Form.
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Zur
Gewährleistung der Sensorfunktion des leitenden Bereiches
ist es in der Regel ausreichend, dass der leitende Bereich (Sensorbereich)
die erste Isolierung (Basisisolierung) und die zweite Isolierung (Schutzisolierung)
entlang wenigstens eines leitenden Pfades vollständig umgibt.
Zweckmäßigerweise führt der Pfad in einem
Querschnitt des Verbundaufbaus, entlang wenigstens zwei Deckschichten
und zwei Seitenschichten des Verbundaufbaus. Es hat sich jedoch
als besonders zweckmäßig erwiesen, dass der Pfad
entlang allen Seiten des Verbundaufbaus verläuft. Mit anderen
Worten, vorteilhaft umgibt der elektrisch leitende Bereich (Sensorbereich)
die erste Isolierung (Basisisolierung) und die zweite Isolierung
(Schutzisolierung) praktisch allseitig. Dadurch ist auch gewährleistet,
dass ein etwaiger Leckagestroms unmittelbar erkannt wird, unabhängig
von der Stelle, an welcher dieser auftritt.
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Um
insbesondere eine möglichst frühe Erkennbarkeit
eines Leckagestroms oder gar eines Heizleiterdurchbruchs zu gewährleisten,
ist gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung
der Erfindung darüber hinaus vorgesehen, dass die zweite Isolierung
(Schutzisolierung) eine nur geringe nicht-leitende Funktion hat.
Im Falle eines nicht erwünschten Stromflusses aus dem Heizleiter
würde also bereits die Kontaktierung der, vorteilhaft nur
gering, nicht-leitenden zweiten Isolierung zur Auslösung
der Sicherungsfunktion führen bzw. die Fehlfunktion des
Heizelements erkennbar werden lassen. Dazu könnte zweckmäßigerweise
die zweite Isolierung mit weniger hochoh migen Parametern ausgelegt
werden als die erste Isolierung (Basisisolierung). Beispielsweise
könnte die zweite Isolierung mit einem elektrischen Widerstand
zwischen 25 und 100 Ohm ausgelegt sein. Die zweite Isolierung kann
aus einem Silikonkautschukmaterial gebildet werden, das nur sehr
geringfügig leitfähige Bestandteile aufweist, insbesondere
leitfähige Bestandteile in Form von Ruß- oder
Graphitpartikeln.
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Zusammenfassend
sieht das Heizelement gemäß dem Konzept der Erfindung
bzw. gemäß der oben genannten Weiterbildung somit
eine wesentlich verbesserte Erkennbarkeit und Sicherungsfunktion vor,
die über eine Sensorfunktion vor allem im Falle einer Stromleckage
oder eines Heizleiterdurchbruchs gewährleistet, dass das
Heizelement frühzeitig abschaltet und der Defekt nach außen
signalisiert wird.
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Darüber
hinaus weist das Heizelement eine Reihe von Eigenschaften auf, die
sich zur Handhabung des Heizelements auf unterschiedlichen Trägern
und bei unterschiedlichsten Anwendungen als vorteilhaft erwiesen
haben.
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Vorzugsweise
weist der Heizleiter einen mit einem bestimmten, vorzugsweise regelbaren,
elektrischen Widerstand behafteten Leiter auf, insbesondere einen
mittels einem PTC- und/oder einem NTC-geregelten Widerstand.
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Vorzugsweise
weist der Heizleiter einen mit einem bestimmten, vorzugsweise elektrisch
regelbaren Widerstand behafteten Leiter auf, der ein PTC-Verhalten
hat oder mittels Temperatursensoren PTC/NTC, PT 100, PT 1000, Ni
1000, Ni 100 oder Thermoelementen über eine Regelung auf
der bestimmungsgemäßen Temperatur gehalten wird.
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Es
hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Leiter
auf einen elektrisch nicht-leitenden Träger aufgewickelt
ist, vorzugsweise schrauben- oder wendelförmig aufgewickelt
ist. Mit anderen Wort, der Heizleiter ist mittels dem Träger
und dem Leiter gebildet.
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Es
hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Leiter
auf einen elektrisch nicht leitenden Träger gewendelt ist.
Der Heizleiter ist mittels Träger und dem elektrischen
Leiter gebildet. Diese Vorgehensweise ist aber nicht ausschließlich
erforderlich – unter Umständen kann auch der elektrische
Leiter ohne Träger verarbeitet worden sein.
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Vorzugsweise
hat das Heizelement in seiner Gesamtheit oder jedenfalls teilweise
gummielastische mechanische Eigenschaften. Insbesondere hat das
elektrisch nicht-leitende Material des Trägers in einem
Temperaturbereich von T = –40 bis 200°C gummielastische
mechanische Eigenschaften.
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Darüber
hinaus ist es für eine Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft,
dass das Heizelement in einem Temperaturbereich von T = –40
bis 200°C gummielastische mechanische Eigenschaften aufweist,
die sich auf das gesamte Heizelement auswirken. Insbesondere hat
sich ein Heizelement als vorteilhaft erwiesen, dass aus einer ursprünglich
spannungsfreien Länge heraus bis auf einen Faktor von 1,5
dehnbar ist. Ein solches Heizelement kann beispielsweise in unterschiedlichster
Form auf zu beheizende Rohre oder an den profilierten Träger
aufgebracht werden, vorteilhaft aufgespannt werden. Insbesondere
in den Fällen eines derart gummielastisch ausgebildeten
Heizelements ist die zweite Schicht unmittelbar an der ersten Schicht
angeordnet.
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Für
den alternativen Fall, dass die gummielastischen Eigenschaften des
Heizelements in gewissem Rahmen begrenzt sein sollen, sieht eine
Variante der Erfindung vor, dass zwischen der ersten und der zweiten
Schicht eine nicht gummielastische Gewebeschicht angeordnet ist.
Dadurch ist gewähr leistet, dass das Heizelement zwar noch
ausreichend flexibel aber nicht mehr beliebig gummielastisch ist,
da die Dehnbarkeit des Heizelements durch die nicht gummielastische
Gewebeschicht begrenzt wird.
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Um
eine möglichst sichere, insbesondere gegen einen Durchbruch
oder Leckage des Heizleiters gesicherte Anordnung des Heizleiters
zu erreichen, ist der Heizleiter vorteilhaft in einer Mittelebene der
innenliegenden nicht-leitenden ersten Schicht eingebettet. Der Heizleiter
ist vorzugsweise aus Cu/Ni, Cr/Ni 80/20, Kupfer-, Aluminium-, Reinnickel-Legierungen,
möglich sind auch andere handelsüblichen Widerstandsdrähte,
Folien oder Bänder. Zweckmäßigerweise
ist der Träger aus Silikonkautschuk, Glasfaserschnüren
oder Baumwollfäden gebildet. Der Heizleiter ist vorzugsweise
aus Cu/Ni – Cr/Ni – CR/Ni 80/20, Kupfer-, Aluminium-,
oder Reinnickel-Legierungen. Zweckmäßigerweise
ist der Träger aus Silikonkautschuk gebildet.
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In
besonders bevorzugter Weise ist das Heizelement in Form einer Heizmatte
ausgebildet, insbesondere für einen Operationstisch. Es
hat sich nämlich gezeigt, dass die gemäß dem
Konzept der Erfindung vorgesehenen Maßnahmen zur Früherkennung
einer Fehlfunktion des Heizleiters bzw. zur Bereitstellung einer
Sicherungsfunktion insbesondere im medizinischen Bereich, d. h.,
vor allem im Bereich eines Operationssaales zunehmend wichtig sind.
Dazu ist das Heizelement im weiteren, insbesondere hinsichtlich
der Konstruktion und Formgebung sowie weiteren Kontaktierungen und ähnlichem gemäß der
Offenbarung von
WO 89/06931 ,
welche hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme in die Offenbarung
der vorliegenden Anmeldung aufgenommen wird, ausgelegt.
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Die
Erfindung führt auch auf ein Wärmesystem mit einem
Heizelement gemäß dem Konzept der Erfindung oder
einer oder mehrerer der oben genannten Weiterbildungen.
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Vorzugsweise
weist das Wärmesystem eine Regel- und/oder Steuereinheit
auf, insbesondere eine Regel- und/oder Steuereinheit mit Display.
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Für
eine Vielzahl von Anwendungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
das Wärmesystem sphärisch auszubilden. Dazu ist
das Heizelement vorzugsweise auf einem nicht gummielastischen, insbesondere
wärmeleitfähigen Träger angeordnet. Zweckmäßigerweise
ist der Träger in einer je nach Anwendung geeigneten Weise
profiliert. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Träger
in Form eines Bleches oder Profils erwiesen, vorzugsweise in Form
eines Rohres, eines Zylinders, einer Kugel, eines Kugelabschnitts
oder eine Schale, eines Kegels oder Trichters.
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Zur
Gewährleistung einer ausreichenden Haftung des Heizelements
auf dem Träger ist das Heizelement zweckmäßigerweise
auf den Träger durch eine Verbindung befestigt, die ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus: Vulkanisierverbindung, Klebeverbindung,
Pressverbindung und/oder Spannverbindung. Eine Spannverbindung lässt
sich insbesondere im Falle eines ausreichend gummielastischen Heizelements
realisieren.
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Während
sich die Erfindung als besonders nützlich für
die Anwendung betreffend mattenförmiger Heizflächen,
insbesondere im medizinischen Bereich erweist und in diesem Sinne
zu verstehen ist und während die Erfindung im folgenden
im Detail auch anhand von Beispielen betreffend eine Heizmatte für
einen Operationstisch beschrieben ist, so sollte dennoch klar sein,
dass das hier beschriebene Konzept, wie beansprucht, ebenfalls nützlich
im Rahmen von anderen Anwendungen ist, welche außerhalb
des medizinischen Bereichs liegen und Heizelemente betreffen, welche
nicht für Operationstische vorgesehen sind. Beispielsweise
könnte das vorgestellte Konzept ebenso Anwendung finden
für Heizelemente, die besonders gummielastisch ausgebildet sind
und als solche zum Verspannen auf zu beheizende Rohre vorgesehen
sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun nachfolgend
anhand der Zeichnung beschrieben. Dieses soll das Ausführungsbeispiel
nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung,
wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht
verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen
der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehre wird auf den
einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
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Dabei
ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen
und Änderungen betreffend Form und Details einer Ausführungsform
vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee
der Erfindung abzuweichen. Die in der vorstehenden Beschreibung,
in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale
der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger
Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich
sein. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf
die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen
Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand,
der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in
den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen
Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen
liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar
und beanspruchbar sein.
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Zum
weiteren Verständnis der Erfindung wird nun in Bezug auf
die Figuren der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung am Beispiel einer Heizmatte für einen Operationstisch erläutert.
Die Zeichnung zeigt in:
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1:
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Heizelements in einer Schnittdarstellung;
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2:
eine Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines Heizelements in einer Schnittdarstellung;
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3:
ein Teilstück eines Heizleiters eines Heizelements von 1 und 2;
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4:
eine Vergrößerung des Heizleiters von 3;
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5A, 5B, 5C: eine weitere Darstellung einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform eines Heizelementes in mehreren
Ansichten;
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6:
eine Zusammenstellung der einzelnen Komponenten einer besonders
bevorzugten Ausführungsform eines Wärmesystems
mit einem Heizelement in Form einer Heizauflage für einen Operationstisch;
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7:
die Heizauflage in einer Schnittdarstellung II-II gemäß 6;
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8:
eine Draufsicht auf die Heizauflage im Schnitt IV-IV gemäß 6;
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9:
eine Draufsicht auf die Unterseite der Heizauflage in 6.
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1 zeigt
den grundsätzlichen mechanischen Aufbau eines im Wesentlichen
flächigen Heizelementes 2A im Querschnitt. Dieses
kann vorliegend ein flächiges Band oder eine flächige
Matte sein, wie sie in 5B dargestellt
ist. Das Heizelement 2A weist einen Verbund auf. Dieser
ist durch eine innenliegende nicht leitende erste Isolierung 13, nachfolgend
als Betriebsisolierung oder Basisisolierung gekennzeichnet, mit
einem in der Basisisolierung 13 eingebetteten Heizleiter 16,
der vorliegend schematisch angedeutet ist. Neben der innenliegenden
Betriebsisolierung 13 ist eine Schutzisolierung 14 angeordnet – bei
der vorliegenden Ausführungsform gemäß 1 unmittelbar
anliegend zur Betriebsisolierung 13. Diese beiden Isolierungen 13 und 14 sind
zwei voneinander unabhängige Isolierungen. Darüber
hinaus weist der Verbundaufbau einen leitenden Bereich 25 in
Form eines Sensorbereichs 25 mit mehreren Schichten auf,
welche die unabhängige erste und zweite Isolierung 13 und 14,
jedenfalls im Bereich der zwei Deckschichten 31 und wenigstens der
zwei Seitenschichten 32, umgibt. Der leitende Sensorbereich 25 ist
dazu mit einer Silikonkautschukmischung gebildet, die vergleichsweise
hoch dotiert mit leitfähigen Bestandteilen in Form von
Ruß- oder Graphitpartikeln ist. Die Konzentration der Bestandteile 20 liegt
zur Darstellung einer ausreichenden Leitfähigkeit deutlich über
28 Gew.-% Ruß. Dieses verleiht dem leitenden Sensorbereich 25 einen spezifischen
Widerstand in Höhe von 3 Ω/cm. Vorliegend ist
der leitende Sensorbereich 25 im Bereich der Seitenwände 32 dicker
ausgebildet als im Bereich der Deckwände 31. Die
Dicke des Sensorbereichs 25 liegt im Bereich der Deckwände 31 bei
etwa 1 mm und im Bereich der Seitenwände bei etwa 5 mm.
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Das
Silikonkautschukmaterial gewährleistet, dass das Seitenelement
in der in 1 gezeigten Form gummielastische
mechanische Eigenschaften aufweist, die ebenfalls im Temperaturbereich
von –40 bis 200°C eine Dehnbarkeit des Heizelements 2A gewährleistet,
welche aus einer ursprüng lich spannungsfreien Länge
heraus bis auf einen Faktor von 1,5 erfolgen kann.
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Aufgrund
der vollständig gummielastischen Eigenschaften des Heizelements
2A ist
zur besseren Einbettung des Heizleiters
16 vorgesehen,
dass dieser entlang einer Mittelebene
33 der ersten Schicht
13 angeordnet
ist. Sollte dennoch, beispielsweise in Form von Materialermüdung
oder bei einer extremen Dehnung oder Knickung des Heizelements
2A,
ein Leckagestrom am Heizleiter
16 oder gar ein Durchbruch
des Heizleiters
16 auftreten, so würde dies dazu
führen, dass infolge des zunächst weiter bestehenden
Heizstroms
34 die vergleichsweise dünne innenliegende
Betriebsisolierung
13 (erste Isolierung) vom Heizstrom
34 aufgelöst
würde. Dieser Zustand führt dazu, dass im Unterschied
zu einem üblichen Heizelement gemäß
WO 89/06931 nun Kontakt
des Heizstromes
34 mit der Schutzisolierung
14 (zweite Isolierung)
besteht. Wenn die Schutzisolierung
14 nun im Extremfall
wiederum so stark beschädigt wird, dass ein Heizstrom
34 einen
Leckstrom zum Sensorbereich erzeugt, erreicht dieser max. 30 mA.
Der Sensorbereich
25 weist einen elektrischen Widerstand
auf, der bei etwa 3 Ω/cm liegt. Der Heizstrom wird also
praktisch verlustfrei an den außenliegenden Sensorbereich
weitergegeben und aufgrund des noch ausreichend geringen elektrischen
Widerstands des leitenden Sensorbereichs an einen FI-Schalter weitergeleitet,
der zwischen dem Heizleiter und dem leitenden Sensorbereich
25 geschaltet
ist. Der FI-Schalter öffnet bei dem so festgestellten Fehlerstrom,
so dass der Heizstrom
34 abgeschaltet wird.
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2 zeigt
den Schichtaufbau einer weiteren Ausführungsform eines
Wärmesystems ähnlich dem in 1.
Die Heizauflage 2B setzt sich – ähnlich wie
in 1 – aus einer Betriebsisolierung 13 (erste Isolierung)
und einer unabhängigen Schutzisolierung (zweite Isolierung)
zusammen – im Unterschied zu 1 ist zwischen
den beiden Isolierungen eine Gewebeschicht 15 angeordnet.
Die Betriebsisolierung 13, die Schutzisolierung 14,
die Gewebeschicht 15 und die Sensorschicht 25 bilden
einen Materialverbund, der durch eine Vulkanisation der Schichten
erreicht wird. Der Sensorbereich 25 kann gemäß der anhand
der 1 erläuterten Weise einen Strom leiten.
Die Gewebeschicht 15 ist aus einem Material zu wählen,
das bei der Vulkanisation der Schichten mit diesen einen Materialverbund
eingehen kann.
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Die
Gewebeschicht 15, bevorzugt eine Matte aus Glasfasern,
grenzt die gummielastischen Eigenschaften der aus Silikonkautschuk
bestehenden Betriebsisolierung 13 und Schutzisolierung 14 ein.
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Die
erste Betriebsisolierung 13 (erste Isolierung) besteht
aus einer Silikonkautschukmischung, die im abvulkanisierten Zustand
eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und Bauteile
eng und sicher ummanteln kann. Die Schutzisolierung 14 (zweite
Isolierung) besteht aus einer Silikonkautschukmischung, die abriebfest
ist und die die Weichheit der Heizauflage 2 bestimmt. Der
Sensorbereich 25, auch eine Silikonkautschukmischung, ist
durch die Zumischung leitfähiger Bestandteile 20 ausreichend
leitfähig ausgebildet. Leitfähige Bestandteile 20 können
beispielsweise Ruß- oder Graphitpartikel sein. Durch die Anreicherung
des Sensorbereiches 25 mit leitfähigen Bestandteilen 20 ergibt
sich für diesen ein elektrischer Widerstand, der auf einen
Bereich von bis zu 3 Ω/cm begrenzt ist.
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In
die elektrisch nicht-leitende Betriebsisolierung 13 sind
Heizleiter 16 einvulkanisiert, die aus einem Träger 17 und
einem elektrischen Leiter 18 bestehen. Zwischen den Heizleitern 16 der
ersten Schicht 13 sind Temperaturfühler 19,
z. B. PTC/NTC, PT 100, PT 1000, Ni 1000, Ni 100 oder Thermoelemente
einvulkanisiert, welche die Temperatur der Heizleiter 16 erfassen
und als Ist-Wert an das Regel- und Steuergerät 3 weiterleiten.
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In
der 2 sind die einzelnen Isolierungen 13, 14 und
Schichten des Sensorbereiches 25 nicht maßstabsgerecht
dargestellt. Die Schichtdicken des Sensorbereiches 25,
welcher die Heizauflage 2B nicht nur auf den Längsseiten,
sondern auch auf den Querseiten ummantelt und keinerlei Auswirkungen auf
die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Heizauflage 2B hat,
beträgt nur wenige mm. Der Aufbau und die Schichtdicke
entsprechen praktisch denen in 1. Die Schichtdicke
der Betriebsisolierung 13 und der Schutzisolierung 14 sowie
der Gewebeschicht 15 liegen im Millimeterbereich. Die Gesamtdicke
der Heizauflage 2B beträgt im Heizsegmentbereich
ca. 5 mm und im Randbereich ca. 8 mm, kann aber in anderen Ausführungsformen
individuell angepasst werden.
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3 zeigt – stark
vergrößert – ein Teilstück des
Heizleiters 16, wie er in die Betriebsisolierung 13 einvulkanisiert
ist. Als Träger 17 wird ein gummielastisches elektrisch
nicht-leitendes Material verwendet, das in der eingesetzten Form
im Querschnitt kreisförmig ist und einen Durchmesser von
ca. 1,2 mm aufweist. Es können aber auch Träger
eingesetzt werden, die einen Durchmesser von 1 mm bis zu 1,5 mm aufweisen.
Als Träger 17 wird in der beschriebenen Ausführungsform
ein in einem weiten Temperaturbereich gummielastisches Silikonkautschukmaterial eingesetzt.
Alternativ kann je nach Anwendung auch ein Glasgewebe oder ein Gebilde
mit Baumwollfäden od. dgl. in verschiedenen Abmessungen
zur Bildung des Trägers 17 verwendet werden.
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Um
den Träger 17 ist der elektrische Leiter 18 eng
anliegend gewickelt, der als Draht aus Cu/Ni, Cr/Ni 80/20, Kupfer-,
Aluminium-, Reinnickel-Legierungen, möglich sind auch alle
weiteren handelsüblichen Widerstandsdrähte, Folien
und Bänder, je nach Ausführungsform des Heizleiters 16,
eine Dicke von ca. 0,08 mm bis 2,6 mm aufweist. Der Träger 17 verleiht
dem dünnen, im Querschnitt kreisförmigen Heizleiter
die Festigkeit und die spiralförmige Aufwicklung des Leiters 18 auf
den gummielastischen Träger 17, ermöglicht
Dehnungen des Leiters 18 in Achsrichtung und Belastungen
in Querrichtung, ohne dass diese den Heizleiter 16 beschädigen.
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4 zeigt
stark vergrößert wie der Leiter 18 den
Träger 17 umschlingt. In der Figur ist der Leiter 18 nur
aus Zwecken der Darstellung nicht enganliegend am Träger 17 dargestellt.
Die einzelnen Leiterabschnitte des Leiters 18 umgreifen
den Träger 17 formschlüssig.
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5 zeigt
in Ansicht eine weitere Ausführungsform eines Heizelements
in einer Schnittdarstellung ähnlich der in 1 und 2.
In Ansicht B der 5 ist das Heizelement 2C in
einer Draufsicht gezeigt. In Darstellung C der 5 ist
das Heizelement 2C in einem Längsschnitt gezeigt.
Gleiche Teile sind in 5 mit gleichen Bezugszeichen
wie bereits in 1 bis 4 versehen.
Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen von 1 und 2 ist
vorliegend die zweite Isolierung 14, d. h. die Schutzisolierung 14 als
eine die erste Isolierung, d. h. die Betriebsisolierung 13,
vollständig umgebender Bereich mit mehreren Schichten,
d. h. zwei Deckschichten 14A und zwei Seitenschichten 14B gebildet.
Dies hat vorliegend den Vorteil, dass die vorliegend auch an den
Seiten die Basisisolierung 13 umgebende Schutzisolierung 14 mit
ihren Seitenflächen 14B einen zusätzlichen
Isolierungsschutz gewährleistet.
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Darüber
hinaus ist in Ansicht A der Aufbau des Heizelementes 2C teilweise
bemaßt. Die erste Isolierung (Basisisolierung) 13 weist
vorliegend eine Schichtdicke von 4,8 mm auf. Die Schutzisolierung
ist auf jeder Seite der innenliegenden Basisisolierung 13 mit
einer gleichmäßigen Schichtdicke von 1 mm ausgeführt.
Gleiches gilt für die auf allen Seiten des Heizelementes 2C wiederum
die Schutzisolierung 14 umgebenden leitenden Bereich 25,
der auf jeder Seite mit einer Schichtdicke von 1 mm ausgeführt
ist. Der erste Heizleiter 16 des Heizelementes 2C ist
20 mm vom seitlichen Rand desselben angeordnet und hat einen Durchmesser
von 2,8 mm. Wie in 4 und 3 im einzelnen
ausgeführt, ist dieser durch einen auf einem Wickelkern 17 aufgebrachten
Heizleiter 18 gebildet.
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Außerdem
ist in Ansicht A die Stromzuführung 10 des Heizelementes 2C eingezeichnet.
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Der
in Ansicht A dargestellte Aufbau ist in Ansicht B deutlicher zu
erkennen, wobei das Heizelement 10 in seiner Darstellung
von rechts nach links teilweise perspektivisch geschnitten dargestellt
ist.
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In
Ansicht C ist die über die Höhe H des Heizelements 2C sich
stufenförmig erstreckende Stromzuführung 10 in
einer Seitenschnittansicht näher dargestellt.
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Die
Ansicht A der 5 entspricht dem Schnitt A-A
in der Ansicht C.
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In 6 ist
ein Wärmesystem für Operationstische dargestellt,
das sich aus einer Heizauflage 2D, einem Regel- und Steuergerät 3 und
einer Isolationsmatte 4 zusammensetzt. Je nach Bedarf weist das
erfindungsgemäße Wärmesystem 1 noch
eine weitere Isolationsmatte 4 auf, die auf die Oberfläche der
Heizauflage 2D und/oder unter die Heizauflage 2D gelegt
werden kann. Der Einfachheit halber ist in der 6 nur
eine Isolationsmatte 4 dargestellt. Die erfindungsgemäße
Heizauflage 2D ist im Randbereich rahmenhaft verstärkt.
Das Regel- und Steuergerät 3 weist eine Befestigungsklaue 5 auf,
mit der es an einem Stab 6, z. B. eines Infusionsständers,
befestigbar ist. Das Gehäuse des Regel- und Steuergeräts 3 ist
jedoch so ausgebildet, dass es auch als Standgerät aufgestellt
werden kann. Auf der Frontseite des Regel- und Steuergeräts 3 ist
ein Netzschalter 7 vorgesehen, mit dem das Wärmesystem 1 in
Betrieb genommen werden kann. Die Frontfläche des Regel-
und Steuergeräts 3 ist nach oben verlaufend nach
hinten abgeschrägt, auf ihr ist ein Display 8 angeordnet.
Am Deckel des Gehäuses ist ein Tragegriff 9 angeformt,
mit dessen Hilfe das Regel- und Steuergerät 3 sicher
getragen und für Befestigungszwecke sicher gehalten werden
kann.
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Ein
Stromkabel 10 verbindet die Heizauflage 2D elektrisch
mit dem elektrischen Steuergerät 3. Auf der Rückseite
des Regel- und Steuergeräts 3 befindet sich ein
nicht dargestellter Steckkontakt, über den die Heizauflage 2D und
das Regel- und Steuergerät 3 an das Stromnetz
angeschlossen werden können.
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Das
der Heizauflage 2D zugewandte Ende des Stromkabels 10 ist
an die Heizauflage 2D anvulkanisiert. Die feste Verbindung
zwischen der Heizauflage 2D und dem Stromkabel 10 ist
mit einem Knickschutz ausgestattet, der beispielsweise mit einer
Knickkerbe 11 versehen ist.
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Die
Heizauflage 2D selbst ist in vier Heizsegmente 12a, 12b, 12c, 12d aufgeteilt,
die von dem Regel- und Steuergerät 3 beheizt,
und temperaturgesteuert werden.
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7 zeigt
den Schichtaufbau der Heizauflage 2D im Schnitt II-II der 6 – ähnlich
wie bereits die Darstellungen weiterer Ausführungsformen
in 1, 2, 5B.
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Um
eine für Operationstische ausreichende Komfortabilität
der Oberfläche des Heizelements 2D zu gewährleisten,
ist diese im Bereich 31' der oberen Deckwand 31 mit
einer Einwölbung versehen. Auf diese Weise wird eine Mulde
in der oberen Deckwand 31 gebildet, in die ein Patient
vorteilhaft eingebettet werden kann.
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8 zeigt
einen Schnitt IV-IV der Heizauflage 2D gemäß 6.
Die Draufsicht zeigt wie die einzelnen Heizsegmente 12a, 12b, 12c, 12d in
der Betriebsisolierung 13 angeordnet sind, die Positionierung
der Temperaturfühler 19, die Führung
der Heizleiter 16 in den einzelnen Heizsegmenten 12a, 12b, 12c, 12d und
die Leiterführung bzw. Verdrahtung der Heizleiter 16 und
der Leitungen der Temperaturfühler 19. Die elektrischen
Leiter werden beispielhaft an der rechten Kopfseite aus der ersten
Schicht 13 herausgeführt und dort zu einem Leiterbündel
zusammengefasst, das das Stromkabel 10 bildet. Die elektrischen
Leiter werden am Austritt aus der ersten Schicht 13 nochmals
an die Heizauflage 2D anvulkanisiert, und zwar derart,
dass kein Zug auf die elektrische Leiter der Heizleiter 16 bzw.
elektrischen Leiter der Temperaturfühler 19 in
der ersten Schicht 13 übertragen wird, wenn z.
B. das Stromkabel 10 geknickt oder an ihm gezogen wird.
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Inder
beispielhaften Ausführung der 8 sind die
Heizsegmente 12a, 12b, 12c, 12d in
einer Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden. Die elektrischen
Leiter der Temperaturfühler 19 sind paarweise
zusammengefasst und werden so aus der ersten Schicht 13 herausgeführt.
Ein weiterer Leiter ist für die Abschirmung des Stromkabels 10 und
der Heizauflage 2D vorgesehen. Der elektrische Leiter für
die Abschirmung ist mit der dritten Schicht 25 elektrisch
verbunden.
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Durch
die Art der Verdrahtung der Heizsegmente 12a, 12b, 12c, 12d und
der Temperaturfühler 19 wird ein hohes Maß an
Sicherheit erreicht und das 15adrige Leiterbündel, das
Stromkabel 10, auf eine überschaubare Anzahl von
Einzeldrahtleitern beschränkt.
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Die
Temperaturfühler 19 sind derart in den einzelnen
Heizsegmenten 12a, 12b, 12c, 12d positioniert,
dass sie in derselben Ebene wie der Heizleiter 16 liegen
und sind mit elektrischen Leitern verbunden, die im Ausführungsbeispiel
dem Heizleiter 16 entsprechen und für Röntgenstrahlen
durchlässig sind.
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Der
mäanderförmige Verlauf des Heizleiters 16 in
der 8 ist beispielhaft zu verstehen und kann bei Bedarf
auch anders verlaufend in der Betriebsisolierung 13 verlegt
werden.
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Durch
die Knickkerbe 11 am Austritt des Stromkabels 10 aus
der Heizauflage 2D kann das Stromkabel 10 in einem
weiten Bereich zug- und druckfrei um die Heizauflage 2D gebogen
werden.
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9 zeigt
in einer Draufsicht die Unterseite der Heizauflage 2D,
d. h. die Oberfläche der leitfähigen Schicht 25.
Wie beispielhaft in der Figur gezeigt ist, sind im Randbereich auf
der leitfähigen Sensorschicht 25 Verschlussbänder
angebracht, die entweder mit dieser verklebt oder aufvulkanisiert
sind. Bei den Verschlussbändern handelt es sich bevorzugt um
Klettenbänder 23 oder Druckknopfbänder 24, über
die weitere Heizauflagen an die Heizauflage 2C anheftbar
sind. Damit kann die Heizauflage 2D auf einfache Weise
vergrößert werden.
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Zusammenfassend
sieht das Konzept der Erfindung ein Heizelement 2A, 2B, 2C, 2D insbesondere
in Form einer Heizfläche, beispielsweise in Form eines
flächigen Bandes, einer flächigen Matte oder ähnlichem
vor, das einen Verbundaufbau aufweist. Dieser wird mindestens mit
einer innenliegenden nicht-leitenden ersten Schicht 13 und
einem darin eingebetteten Heizleiter 16, einer neben der
innenliegenden isolierenden ersten Schicht 13 angeordneten
isolierenden zweiten Schicht 14 und einem leitenden Bereich 25 mit
mehreren Schichten gebildet, wobei der leitende Bereich 25 die
Betriebsisolierung 13 und die Schutzisolierung 14 entlang
wenigstens eines leitenden Pfades vollständig umgibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 89/06931 [0003, 0003, 0007, 0027, 0047]