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Die Erfindung betrifft eine Medienleitung, insbesondere zum Transport einer Harnstoff-Wasser-Lösung, mit
- – einer Schlauchleitung zum Medientransport und
- – mindestens einer entlang der Schlauchleitung verlaufenden elektrischen Heizvorrichtung zur Beheizung der Schlauchleitung.
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Eine Medienleitung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist beispielsweise aus der
WO 2014/154350 A1 bekannt. Harnstoff-Wasser-Lösungen, z.B. genormt nach
DIN 70070 und CEFIC (European Chemical Industry Council) werden insbesondere in Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit Dieselmotoren eingespritzt, um vor allem die Stickoxid-Emissionen zu senken und damit die immer weiter steigenden Anforderungen der Abgasvorschriften zu erfüllen.
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Für die Leitung der Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Tank zur Einspritzung in die Verbrennungsabgase ist in der Regel eine Temperierungsmöglichkeit der zumeist aus einem Polymermaterial bestehenden Schlauchleitung erforderlich, weil die Harnstoff-Wasser-Lösung aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung den Nachteil hat, dass sie bei ca. –11 °C gefriert. Daher muss in aller Regel die Schlauchleitung beheizbar ausgebildet sein, wobei insbesondere bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeuges bei sehr niedrigen Außentemperaturen ein schnelles Auftauen der in der Schlauchleitung stehenden, gefrorenen Harnstoff-Wasser-Lösung sichergestellt sein muss.
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Die Heizeinrichtung zur Beheizung des Mediums ist meist helixförmig um die Schlauchleitung gewickelt. Bei der entsprechenden Anordnung eines Widerstandsheizdrahtes besteht grundsätzlich das Problem, dass dessen elektrischer Widerstand mit ansteigender Schlauchleitungslänge immer weiter zunimmt und damit bei gleichbleibender Versorgungs-Spannung der durch den Widerstandsdraht fließende elektrische Strom entsprechend immer kleiner wird. Dies hat insgesamt zur Folge, dass abhängig von der Schlauchleitungslänge ein längenspezifischer Heizleiter zum Einsatz kommen muss. Bei einer Änderung der Schlauchleitungslänge müssen die Widerstandsdrähte des Heizleiters entpsrechend angepasst werden. Dadurch entsteht eine große Variantenvielfalt und eine aufwändige technische Auslegung der elektrischen Heizeinrichtung.
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In diesem Zusammenhang ist im Stand der Technik bereits beschrieben worden, mittels einer Parallelschaltung von elektrischen Widerständen dieses Problem zu umgehen. Ein entsprechender Ansatz findet sich beispielsweise in der
DE 10 2014 005 094 A1 . In dieser Schrift ist eine entlang der Schlauchleitung verlaufende Heizbandlitze vorgesehen, wobei Nanopartikel als parallel geschaltete elektrische Widerstände fungieren. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass bei vorgegebener Bordspannung die individuelle Einstellung der spezifischen Heizleistung pro Längeneinheit über eine entsprechende Auswahl des Heizbandes erfolgen muss, was wiederum zu einer großen Variantenvielfalt und hohen Kosten führt.
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Aus der
EP 2 664 835 B1 ist es bekannt, auf einen Innenschlauch eine elektrisch leitfähige Schicht aufzutragen, welche sodann von einem Stromleiter helixförmig umwickelt wird. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass einerseits der Auftrag einer flächendeckenden, elektrisch leitfähigen Schicht und andererseits auch hier die gezielte Einstellung einer spezifischen Heizleistung pro Längeneinheit Schlauch vergleichsweise aufwändig ist.
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Vor dem beschriebenen Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Medienleitung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, welche mit geringem Aufwand eine gezielte Einstellung des Wärmeeintrages pro Längeneinheit Schlauchleitung ermöglicht.
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Ausgehend von einer Medienleitung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Heizvorrichtung eine sich lediglich bereichsweise über die Außenoberfläche der Schlauchleitung erstreckende Axialkomponente und eine, vorzugsweise schraubenförmig, um die Schlauchleitung gewickelte Wickelkomponente aufweist, die in Form einer Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass über die konstruktive Gestaltung bzw. Dimensionierung der Axialkomponente eine sehr einfache Einstellung der spezifischen Heizleistung möglich ist. Insbesondere kann über die Form und / oder die Größe der vorzugsweise strangförmigen Axialkomponente der Stromfluss gezielt eingestellt werden. Erfindungsgemäß gibt es zwei unterschiedliche Ausführungsvarianten. Einerseits kann die Axialkomponente als elektrischer Widerstand und die Wickelkomponente als gegenüber dem elektrischen Widerstand elektrisch besser leitender elektrischer Leiter ausgebildet sein. Über die Geometrie, insbesondere den Leitungsquerschnitt und die Materialwahl der vorzugsweise strangförmigen Axialkomponente kann somit die Größe des elektrischen Widerstands und damit bei vorgegebener Spannung die einbringbare Heizleistung genau auf den konkreten Anwendungsfall abgestimmt werden. Bei dieser Ausführungsvariante übernimmt folglich die Wickelkomponente die Funktion der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromversorgungsleitungen (im letzteren Fall werden durch die Wickelkomponente mehrere Stromkreise gebildet), während die Axialkomponente für den gewünschten Wärmeeintrag sorgt.
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Alternativ hierzu liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Wickelkomponente als elektrischer Widerstand und die Axialkomponente als gegenüber dem elektrischen Widerstand elektrisch besser leitender elektrischer Leiter ausgebildet ist. In diesem Fall kann beispielsweise über die Anzahl separater Axialelemente der Axialkomponente, wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben, die Anzahl der Stromkreise festgelegt werden (bei zwei Axialelementen eine Hin- und eine Rückleitung und somit ein Stromkreis, bei vier Axialelementen entsprechend zwei Stromkreise usw.). Bei dieser Ausführungsvariante übernimmt somit die Axialkomponente die Funktion der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromversorgungsleitungen, während die Wickelkomponente für den gewünschten Wärmeeintrag sorgt.
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Zweckmäßigerweise weist das Material des elektrischen Leiters eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 20·106 A/(V·m), vorzugsweise mindestens 30·106 A/(V·m) auf. Der elektrische Leiter kann beispielsweise aus einem oder mehreren Metalldrähten bestehen. Als Material für den elektrische Leiter kommen insbesondere Kupfer und/oder Aluminium infrage. Das Material des elektrischen Widerstands weist hingegen zweckmäßigerweise eine deutlich niedrigere elektrische Leitfähigkeit von höchstens 10·106 A/(V·m) vorzugsweise höchstens 5·106 A/(V·m), insbesondere höchstens 5·104 A/(V·m), auf. Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass der elektrische Widerstand aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht. Die elektrische Leitfähigkeit kann hierbei beispielsweise durch die Einmischung von Ruß in das Kunststoffmaterial hergestellt werden. Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der elektrische Widerstand als Halbleiter gestaltet ist. Insbesondere kann der elektrische Widerstand eine lineare oder aber auch alternativ eine nicht lineare Kennlinie aufweisen und beispielsweise als PTC-Element mit einem positiven, nicht linearen Temperaturkoeffizienten ausgebildet sein. Ein derartiger PTC-Widerstand bewirkt, dass sich bei ansteigender Temperatur der Stromfluss aufgrund der mit der Temperatur stark ansteigenden Größe des elektrischen Widerstands automatisch reduziert und damit eine Überhitzung der Schlauchleitung vermieden wird. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass der elektrische Widerstand drahtförmig ausgebildet ist. Alternativ zum elektrisch leitfähigen Kunststoff kann der elektrische Widerstand aus einem Metall bestehen, z.B. Cu-ETP, CuNi2, CuNi6, CuNi23, CuNi44, NiCr3020, NiCr8020, NiCr6015, NiCr20AlSi, CuNi23Mn oder auch Kanthal, einer FeCrAl-Legierung.
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Die Axialkomponente kann in die Schlauchleitung integriert, beispielsweise in die Außenwandung der Schlauchleitung eingebettet sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass die Axialkomponente mit der Schlauchleitung coextrudiert ist. Dies ermöglicht ein besonders kostengünstiges Herstellverfahren. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass die Axialkomponente auf die Schlauchleitung nachträglich aufgetragen, beispielsweise auflackiert oder aufgesprüht wird. Zweckmäßigerweise besteht die Schlauchleitung aus einem polymeren Material. Im Rahmen der vorstehend genannten Coextrusion kann dann vorzugsweise die Axialkomponente aus elektrisch leitfähigem Kunststoff bestehen, wie zuvor beschrieben. Es kann zweckmäßig sein, dass die Axialkomponente gegenüber der äußeren Oberfläche der Schlauchleitung erhaben ausgebildet ist, um eine sichere elektrische Kontaktierung mit der Wickelkomponente zu ermöglichen. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass die Axialkomponente nicht gegenüber der Außenoberfläche der Schlauchleitung nach außen vorsteht und bereits über eine entsprechend straffe Wicklung der Wickelkomponente eine sichere elektrische Kontaktierung hergestellt wird.
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Insbesondere kann die Axialkomponente aus mehreren umfangseitig voneinander beabstandeten, strangförmigen Axialelementen bestehen. So können beispielsweise zwei, drei, vier oder auch mehr, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Schlauchleitung verteilte, Axialkomponenten vorgesehen sein, die parallel zueinander entlang der Schlauchleitungsachse verlaufen. Zweckmäßigerweise verläuft die Axialkomponente parallel zur Schlauchleitungsachse. Der Querschnitt der Axialkomponente bzw. der einzelnen Axialelemente kann kreisförmig, ellipsenförmig oder aber auch als flaches Band ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise beträgt der gesamte Leitungsquerschnitt der Axialkomponente weniger als 20 mm2, z.B. weniger als 10 mm2, beispielsweise weniger als 5 mm2.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass die elektrische Heizvorrichtung von einer äußeren Isolierschicht umgeben ist. So kann beispielsweise gemäß der erfindungsgemäßen Lehre die Schlauchleitung mit der Axialkomponente coextrudiert werden, danach online die Wickelkomponente aufgetragen werden und schließlich in einem weiteren, kontinuierlich an den Wickelvorgang anschließenden Prozess, die abschließende Isolierschicht aufgetragen werden.
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Die erfindungsgemäße Medienleitung weist zweckmäßigerweise an mindestens einem Schlauchleitungsende einen mit einer elektrischen Konnektor-Heizvorrichtung ausgestatteten Konnektor zum flüssigkeitsdichten Anschluss der Schlauchleitung an ein Aggregat auf. Bei diesem Aggregat kann es sich beispielsweise um einen Vorratstank, ein Pumpmodul, eine Einspritzdüse oder aber auch um eine weitere Schlauchleitung handeln. Im Stand der Technik werden die elektrische Heizvorrichtung zur Beheizung der Schlauchleitung und die Konnektor-Heizvorrichtung häufig in Reihe geschaltet. Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss durch alle Komponenten identisch ist und daher alle entsprechenden Widerstände exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. In der Regel hat der elektrische Widerstandsheizdraht eine Leistungsaufnahme von 5 bis 15 W pro Meter Schlauchleitung, wodurch im Stand der Technik die Dimensionierung des entsprechenden Widerstandsheizdrahtes häufig längenabhängig ist. Eine einzelne Konnektor-Heizvorrichtung hat hingegen unabhängig von der Schlauchleitungslänge eine Leistungsaufnahme von in der Regel 1–2 W. Aufgrund der Reihenschaltung müssen also bei diesem Stand der Technik die Komponenten Widerstandsheizdraht und Konnektor-Heizvorrichtung hinsichtlich Material und Geometrie vergleichsweise aufwendig optimal aufeinander abgestimmt werden, sodass sich die jeweiligen erforderlichen Heizleistungen auch tatsächlich einstellen. Dieser Optimierungsprozess muss bei jeder Veränderung der Schlauchleitungslänge erneut durchgeführt werden. Dies führt insgesamt zu einer sehr hohen Variantenvielfalt, von der auch die Konnektor-Heizvorrichtung betroffen ist, obwohl diese bei 1–2 W Leistungsaufnahme längenunabhängig spezifiziert ist. Im Rahmen der Erfindung kann nun jedoch die Konnektor-Heizvorrichtung an den elektrischen Leiter elektrisch angeschlossen werden. Folglich wird der Stromfluss durch die Konnektor-Heizvorrichtung von der Dimensionierung der elektrischen Heizvorrichtung für die Schlauchleitung, welche in der Regel maßgeblich von der Gestaltung des elektrischen Widerstands abhängt, nicht beeinflusst. D.h. es kann unabhängig von der Schlauchleitungslänge eine Dimensionierung der Konnektor-Heizvorrichtung erfolgen, welche an den elektrischen Leiter der Heizvorrichtung für die Schlauchleitung elektrisch angeschlossen ist. Die Dimensionierung / Spezifizierung der Heizeinrichtung für die Schlauchleitung erfolgt dann über die Gestaltung des entsprechenden elektrischen Widerstands. Sofern die Axialkomponente als elektrischer Widerstand ausgebildet ist, kann entsprechend über deren Dimensionierung der Wärmeeintrag in die Schlauchleitung festgelegt werden.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lehre anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Medienleitung;
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2 eine Längsansicht der in der 1 dargestellten Medienleitung;
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3 ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der in den 1 und 2 dargestellten Medienleitung,
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4 einen Fertigungsprozess zur Herstellung einer Medienleitung gemäß den 1 und 2
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5–8 ein zu den 1–4 alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung in analoger Darstellung
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9 ein erfindungsgemäße Medienleitung gemäß 1 und 2 mit zusätzlich endseitig angeschlossenen Konnektoren und
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10 ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der in 9 dargestellten Medienleitung.
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Die 1 und 2 zeigen eine Medienleitung zum Transport einer Harnstoff-Wasser-Lösung 1. Die Medienleitung weist als innerste Schicht eine polymere Schlauchleitung 2 auf, so dass deren innere Oberfläche entsprechend mit der Harnstoff-Wasser-Lösung 1 beaufschlagt wird. Ferner ist eine entlang der Schlauchleitung 2 verlaufende elektrische Heizvorrichtung 3 zur Beheizung der Schlauchleitung 2 vorgesehen. Die Heizvorrichtung 3 ist von einer äußeren Isolierschicht 4 umgeben. Einer vergleichenden Betrachtung der 1 und 2 ist zu entnehmen, dass die elektrische Heizvorrichtung 3 eine sich lediglich bereichsweise über die Außenoberfläche der Schlauchleitung 2 erstreckende Axialkomponente 5 und eine schraubenförmig um die Schlauchleitung 2 gewickelte Wickelkomponente 6 aufweist. Die Axialkomponente 5 und die Wickelkomponente 6 sind an ihren Kreuzungspunkten 7 elektrisch miteinander verbunden, so dass eine elektrische Parallelschaltung einzelner Abschnitte der Axialkomponente 5 vorliegt (s. 3). Anhand der 1 ist erkennbar, dass die Axialkomponente 5 in die Außenwandung der Schlauchleitung 2 eingebettet ist. Die Axialkomponente 5 besteht im Ausführungsbeispiel aus vier umfangsseitig gleichmäßig voneinander beabstandeten strangförmigen, mit der Schlauchleitung 2 coextrudierten Axialelementen 8. Die Axialelemente 8 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die strangförmigen Axialelemente 8 sind als elektrischer Widerstand ausgebildet und bestehen im Ausführungsbeispiel aus einem mit Ruß versetzten und daher elektrisch leitfähigen Kunststoff. Die Wickelkomponente 6 ist als elektrischer Leiter ausgebildet, welcher elektrischen Strom erheblich besser leitet als der elektrische Widerstand. Im Ausführungsbeispiel besteht die Wickelkomponente 6 aus zwei die Stromversorgungsleitung für die (von den Axialelementen 8 gebildeten) Widerstände R (s. 3) bildenden Metalldrähten 9, 9‘ aus Kupfer, wobei ein Draht 9 die Funktion der Hinleitung und der andere Draht 9‘ die Funktion der Rückleitung des elektrischen Stroms übernimmt. Die beiden Drähte 9, 9‘ weisen den axialen Abstand z zueinander auf, über den der elektrische Strom hinweg jeweils durch die aufgrund ihres elektrischen Widerstandes für die Beheizung der Schlauchleitung 2 sorgenden Axialelemente 8 geleitet wird. Die 3 zeigt, dass der von Axialkomponente 5 und Wickelkomponente 6 gebildete Stromkreis an eine Gleichstromquelle 10 angeschlossen ist, welche in den 1 und 2 nicht näher dargestellt ist. Auch hier ist erkennbar, dass die parallel geschalteten Widerstände R durch die Axialelemente 8 gebildet werden, wohingegen die Kupferdrähte 9, 9‘ als Stromversorgungsleitung für die Widerstände R dienen.
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Die 4 zeigt einen Fertigungsprozess zur Herstellung einer Medienleitung gemäß den 1 und 2. Zunächst wird in einem ersten Extruder 20 eine aus Polymermaterial 22, z.B. PA, bestehende Schlauchleitung 2 mit den als Widerstand ausgebildeten strangförmigen Axialelementen 8 aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial 24 coextrudiert. Danach erfolgt in einer Wickelstation 30 die voneinander beabstandete Aufwicklung der beiden als Leiter fungierenden Kupferdrähte 9, 9‘ auf die Schlauchleitung 2. Anschließend wird in einem zweiten Extruder 40 die aus demselben Polymermaterial 22 wie die Schlauchleitung 2 bestehende Isolationsschicht 4 aufextrudiert. Einer Gesamtbetrachtung der 4 ist zu entnehmen, dass sämtliche Verfahrensschritte in den Stationen 20, 30 und 40 in einem gemeinsam kontinuierlichen Fertigungsverfahren erfolgen. Die so hergestellte Medienleitung wird dann in nachfolgenden, nicht dargestellten Nachbehandlungseinheiten (Abkühlung, Kalibrierung, etc.) fertiggestellt.
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Alternativ zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 4 wird im Ausführungsbeispiel gemäß 5 bis 8 der elektrische Leiter durch die Axialelemente 8, 8‘ gebildet, wohingegen hier die Wickelkomponente 6 als elektrischer Widerstand in Form eines einzelnen schraubenförmig um die Schlauchleitung 2 gewickelten Widerstandsdrahtes 9‘‘ ausgebildet ist. Die 5 zeigt, dass vier umfangsseitig voneinander beabstandete Axialelemente 8, 8‘ vorgesehen sind, welche entsprechend zwei Stromversorgungsleitungen für die von einzelnen Abschnitten der Wickelkomponente 6 gebildeten, parallel geschalteten Widerstände R bilden (s. 7). Im Vergleich zur 1, 2 ist hier der Querschnitt der beispielsweise jeweils als Kupfer- oder Aluminiumdraht ausgebildeten Axialelemente 8, 8‘ deutlich kleiner, der Querschnitt des als elektrischer Widerstand ausgebildeten Drahtes 9‘‘ der Wickelkomponente 6 hingegen deutlich größer als die Querschnitte der Drähte 9 bzw. 9‘. Im Gegensatz zum Fertigungsprozess gemäß 4 laufen hier die Metalldrähte 8, 8‘ in den ersten Extruder 20 als vorgefertigte Komponenten ein (s. 8). Der in der Wickelstation 30 schraubenförmig aufgewickelte Widerstandsdraht 9‘‘ kann beispielsweise aus Kanthal bestehen. Wie dem Ersatzschaltbild gemäß 7 zu entnehmen ist, bilden hier nun die Axialelemente 8 die Stromversorgungsleitung für einen ersten Stromkreis und die Axialelemente 8‘ die Stromversorgungsleitung für einen weiteren Stromkreis. Die Widerstände R werden allesamt durch den einzelnen Widerstandsdraht 9‘‘ der Wickelkomponente 6 gebildet. Für die Beheizung ist hier der umfangsseitige Abstand s (und auch der Neigungswinkel α, mit dem der Widerstandsdraht 9‘‘ um die Schlauchleitung 2 gewickelt ist) der Axialelemente 8 bzw. 8‘ relevant, über den hinweg der elektrische Strom durch den gewickelten Widerstandsdraht 9‘‘ fließt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 9, 10 ist bei der in den 1, 2 dargestellten Medienleitung an beiden Schlauchleitungsenden jeweils ein mit einer elektrischen, mäanderförmig ausgebildeten Konnektor-Heizvorrichtung 11, 12 ausgestatteter Konnektor 13 zum flüssigkeitsdichten Anschluss der Schlauchleitung 2 an ein Aggregat vorgesehen. Weiterhin ist erkennbar, dass die beiden gewickelten Metalldrähte 9, 9‘ zur Stromversorgung an einen elektrischen Anschlussstecker 14 zur Herstellung der Verbindung mit der Gleichstromquelle 10 angeschlossen sind. Die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen 11, 12 sind zur Stromversorgung in Form einer Parallelschaltung jeweils an den elektrischen Leiter, hier also die beiden Drähte 9, 9‘ der Wickelkomponente der elektrischen Heizvorrichtung 3 zur Beheizung der Schlauchleitung 2 angeschlossen und weisen den elektrischen Widerstand RK11 bzw. RK12 auf (s. 10). Die elektrische Parallelschaltung der Konnektor-Heizvorrichtungen 11, 12 ermöglicht eine von der Gestaltung der Heizvorrichtung 3 unabhängige Auslegung dieser Komponenten 11, 12; insbesondere können die Konnektor-Heizvorrichtungen 11, 12 unabhängig von der Gesamtlänge L der Schlauchleitung 2 ausgelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/154350 A1 [0002]
- DE 102014005094 A1 [0005]
- EP 2664835 B1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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