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Es ist bekannt, insbesondere in Fahrzeugen zur Erzeugung von Wärme elektrische Widerstände zu verwenden. Um die Wärme zu erzeugen werden Leiterbahnen eingesetzt, die in Form von Mäanderstrukturen die Fläche belegen. Dadurch ergibt sich eine große Gesamtlänge des Leiters, sodass auch mit Materialien, die einen relativ hohen spezifischen Leitwert aufweisen, etwa metallische Materialien, ein ausreichender Gesamtwiderstand (angepasst an Nennspannungen von 12, 48, 400 Volt oder 800 Volt oder mehr) erreicht werden kann.
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Es ist bekannt, dass zur Realisierung einer elektrischen Heizvorrichtung ein elektrisch isolierender Träger verwendet wird, auf dem das Heizwiderstandsmaterial entlang einer durchgehenden Linie aufgebracht wird, so dass sich eine durchgehende, üblicherweise schlaufenförmige Leiterbahn ergibt, die aus Heizwiderstandsmaterial besteht und auf dem Träger aufgebracht ist. Es wurde durch die Erfinder erkannt, dass sich bei derartigen Strukturen Grenzen bei der maximal erzeugbaren Wärmeleistung bezogen auf die Gesamtfläche ergeben.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich eine Fahrzeug-Heizvorrichtung mit erhöhter flächenbezogener Wärmeleistung realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach Anspruch 1. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Merkmalskombinationen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit der Beschreibung und den Figuren.
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Bei näherer Betrachtung der üblicherweise gewählten Schlaufenform von Heizleiterbahnen des Stands der Technik wurde seitens der Erfinder erkannt, dass an den Kurvenstücken, welche nebeneinander verlaufende Abschnitte miteinander verbinden, deutlich höhere Temperaturen auftreten als an den zueinander parallelen, gerade verlaufenden Abschnitten. Dies ergibt sich dadurch, dass an den Enden der nebeneinander verlaufenden Abschnitten Wärme von diesen Abschnitten sowie von dem Abschnitt erzeugt wird, die diese verbindet, wobei etwa in der Mitte von nebeneinander verlaufenden Abschnitte nur diese Wärme erzeugen und nicht noch zusätzlich von einem Abschnitt erzeugt wird, der die nebeneinander verlaufenden Abschnitte verbindet.
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Jedoch ist die Nenn- oder Spitzenleistung eines Heizwiderstands begrenzt durch die Maximaltemperatur, die an der Leiterbahn auftreten kann, ohne dass bleibende Schäden auftreten. Wenn somit an einigen, wenigen Bereichen deutlich höhere Temperaturen auftreten als an anderen Bereichen, so sind diese Bereiche, welche die erhöhten Temperaturen aufweisen, der begrenzende Faktor bei der Auslegung von elektrischen Heizelementen. Insbesondere bestehen dadurch Grenzen bei der Maximierung der flächenbezogenen Wärmeausbeute.
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Zur Homogenisierung der Temperatur und somit auch zur Reduzierung von Hotspots wird vorgeschlagen, die Leiterabschnitte stärker thermisch zu isolieren als Verbindungsabschnitte, die die Leiterabschnitte elektrische verbinden und somit in einem Bereich liegen, in dem flächenbezogen mehr Wärme entsteht als Bereichen, in denen die Leiterabschnitte liegen. Die Stärke der thermischen Isolation richtet sich insbesondere nach der Dicke der Isolationsschicht, die sich auf dem betreffenden Abschnitt befindet. Die Stärke der Isolation kann sich allerdings auch nach dem Isolationsmaterial richten, beispielsweise nach der Art des Materials, nach der Dichte, nach einer Porengrößen von Zellen innerhalb des Materials oder ähnliches. Im Folgenden wird die Dicke zur Definition der Stärke der Isolation verwendet. Allgemein kann jedoch der flächenbezogene Wärmewiderstandsbelag die Stärke der Isolation definieren. So kann auf dem mindestens einen Leiterabschnitt eine erste Isolationsschicht vorgesehen sein und es kann auf den Verbindungsabschnitten keine thermische Isolationsschicht oder eine zweite thermische Isolationsschicht vorgesehen sein, wobei der flächenbezogene Wärmewiderstandsbelag der zweiten Isolationsschicht (soweit vorhanden) geringer ist als der flächenbezogene Wärmewiderstandsbelag der ersten Isolationsschicht. Die zu der Dicke der Isolationsschicht getroffenen Aussagen sind auch für die Stärke der Isolation bzw. für den Wärmewiderstandsbelag zutreffend.
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Es wird somit eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung vorgeschlagen, die mehrere Leiterabschnitte aufweist. Diese verlaufen entlang einander, insbesondere parallel oder entlang eines gemeinsamen Verlaufs. Die Leiterabschnitte (insbesondere zwei benachbarte hiervon) erstrecken sich nebeneinander vorgesehen. Die Leiterabschnitte erstrecken sich vorzugsweise äquidistant zueinander; bei einem geraden Verlauf entspricht dies einer parallelen Anordnung zueinander.
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Die Heizvorrichtung umfasst ferner mehrere Verbindungsabschnitte, die die Leiterabschnitte (elektrisch) in Reihe miteinander verbinden. Insbesondere verbinden die Verbindungsabschnitte jeweils zwei nebeneinanderliegende Leiterabschnitte derart, dass die Leiterabschnitte elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Verbindungsabschnitte verbinden jeweils zwei Enden von Leiterabschnitten.
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Um zu vermeiden, dass Temperaturen an den Verbindungsabschnitten und den von diesen verbundenen Enden der Leiterabschnitte auftreten, die gegenüber der Durchschnittstemperatur der Leiterabschnitte erhöht sind, werden die Verbindungsabschnitte mit einer geringeren thermischen Isolation als die Leiterabschnitte vorgesehen. Es kann eine thermische Isolationsschicht auf den Leiterabschnitten vorgesehen sein, während sich auf den Verbindungsabschnitten keine thermische Isolationsschicht befindet. Ferner kann auf der ist somit dicker als eine zweite Isolationsschicht, die sich auf den Verbindungsabschnitten eine thermische Isolationsschicht befinden, die dicker ist als die Isolationsschicht, die sich auf der Leiterabschnitten befindet.
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Auf dem Leiterabschnitt ist eine (erste) thermische Isolationsschicht vorgesehen. Es kann vorgesehen sein, dass auf den Verbindungsabschnitten keine thermische Isolationsschicht vorgesehen ist. Alternativ ist auf den Verbindungsabschnitten eine zweite thermische Isolationsschicht vorgesehen, deren Dicke geringer ist die Dicke ersten Isolationsschicht.
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Die Dicke der ersten Isolationsschicht kann mindestens das Doppelte (oder auch mindestens das drei-, vier-, fünf-, zehn- oder Zwanzigfache der Dicke der zweiten Isolationsschicht betragen. Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Dicke der ersten Isolationsschicht das mindestens 30-, 40- oder 50-fache der Dicke der zweiten Isolationsschicht beträgt.
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Dadurch wird eine (gegenüber dem Durchschnitt) erhöhte Temperaturentwicklung an den Verbindungsabschnitten verringert, da dort mehr Wärme (längenbezogen) als an den Leiterabschnitten abgestrahlt wird. Dadurch werden unterschiedlich stark Wärme erzeugende Bereiche (d.h. Bereiche der Leiterabschnitte und Bereiche der Verbindungsabschnitte) aneinander angeglichen. Es ergibt sich trotz der erhöhten Leiterdichte (Verbindungsabschnitte inklusive der verbundenen Enden der Leiterabschnitte) keine (deutlich) erhöhte Temperatur an den Verbindungsabschnitten.
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Auf den Verbindungsabschnitten kann die zweite thermische Isolationsschicht vorgesehen sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Dicke der zweiten Isolationsschicht nicht mehr als 50%, 20%, oder 10% der Dicke der ersten Isolationsschicht beträgt. Dies kann allgemein auf den flächenbezogenen Wärmewiderstandsbelag der Isolationsschichten zutreffen.
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Die erste und/oder die zweite thermische Isolationsschicht kann eine Keramikschicht, eine Glasschicht oder eine Schicht mit photonischen Kristallen sein, insbesondere photonische Kristalle mit einer Struktur, die Wärmestrahlung zurückhält (reflektiert) . Es kommen auch Schichten aus Kunststoff in Frage oder aus Verbundmaterialien (Kunststoff / Keramik), die hitzeresistent sind, beispielsweise mit Materialpartikeln, die in einem anderen Material verteilt sind, oder ein Schichtverbundstoff.
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Die Isolationsschicht bzw. Isolationsschichten sind elektrisch isolierend. Die Isolationsschicht bzw. Isolationsschichten können sich auch über Bereiche eines Trägers erstrecken, der die Abschnitte trägt. Es kann (zusätzlich) eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen sein, die sich auf der ersten Isolationsschicht befindet und die sich auf den Verbindungsabschnitten (wenn keine zweite Isolationsschicht auf den Verbindungsabschnitten vorgesehen ist) oder auf der zweiten Isolationsschicht befindet, sofern eine zweite Isolationsschicht auf den Verbindungsabschnitten vorgesehen ist. Die Isolationsschicht oder -Schichten befinden sich direkt auf den Abschnitten, insbesondere in direktem körperlichem Kontakt. Auch eine Verbindung mittels einer Klebeschicht, die die Isolationsschichten mit den Abschnitten verbindet, kann als direkter Kontakt bezeichnet werden.
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Die Dicke der zweiten Isolationsschicht (auf den Verbindungsabschnitten) kann wie erwähnt mindestens das Doppelte, das Dreifache, das Fünffache oder das Zehnfache der Dicke der ersten Isolationsschicht (auf den Leiterabschnitten) betragen. Dies trifft auch auf deren flächenbezogenen Widerstandsbelag zu. Der Widerstandsbelag ist der Wärmewiderstand entlang des betreffenden Abschnitts (das heißt entlang der Längserstreckung bzw. entlang dem Verlauf der Abschnitte) bezogen auf die Länge. Hier bezieht sich der Widerstandsbelag auf die Fläche oder auf die Breite der betreffenden Abschnitte. Der thermische Widerstandsbelag ist der Kehrwert des thermischen Leitwertbelag. Je geringer der thermische Leitfähigkeitsbelag ist, desto höher ist die Temperatur des betreffenden Abschnitts im Vergleich zu anderen Abschnitten mit einer Isolationsschicht, die einen höheren thermische Leitfähigkeitsbelag aufweist. Je stärker die Isolationsschicht thermisch isoliert, desto höher ist die Temperatur des betreffenden Abschnitts darunter. Dadurch, dass die Verbindungsabschnitte weniger stark thermisch isoliert werden, ist die Temperatur dort gegenüber den Leiterabschnitten (mit einer stärker thermisch isolierenden Isolationsschicht) verringert. Es bilden sich an den Verbindungsabschnitten keine Hotspots aus, welche den limitierenden Faktor der gesamten Heizleistung der Heizvorrichtung darstellen.
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Die hier beschriebene elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung ist eine ohmsche Heizvorrichtung und entspricht elektrisch einem Heizwiderstand. Die Verbindungsabschnitte und die Leiterabschnitte verlaufen vorzugsweise entlang einer Fläche. Diese Fläche entspricht insbesondere einer ebenen Fläche, wobei sich bei der ebenen Fläche eine gute Wärmeabstrahlung ergibt. Die Fläche kann jedoch auch nach außen gewölbt sein. Mit anderen Worten kann die Fläche in mindestens eine Richtung eine konvexe Krümmung aufweisen.
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Die Leiterabschnitte und die Verbindungsabschnitte sind auf einem elektrisch isolierenden Träger angeordnet, beispielsweise aus einem hitzebeständigen Material etwa in Form eines Keramikträgers. Der Träger kann auf einem Körper angeordnet sein (und ist insbesondere wärmeübertragend mit diesem flächig verbunden), etwa einer Wärmesenke. Der Träger kann eine kaltgasgespritzte Schicht sein, die beispielsweise auf einem Körper (etwa aus einem Aluminiummaterial) angeordnet ist. Die Verbindungsabschnitte und die Leiterabschnitte sind auf dem Träger befestigt, beispielsweise durch eine Klebung oder durch eine entsprechende (verbindende) Auftragung der Abschnitte. Die Verbindungsabschnitte können als sogenannte Bus-Bars ausgebildet sein, d.h. als Stromschienen. Der Träger kann zusammen mit den Verbindungsabschnitten ein DCB-Substrat bilden (DCB steht für direct copper bonded, d.h. für ein Substrat, bei dem Kupferleiter direkt auf einem Träger wie einem Keramiksubstrat angebracht sind).
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Zudem können die Verbindungsabschnitte überlappend auf den Leiterabschnitten angeordnet sein, um so eine flächige Verbindung (nicht nur im Querschnitt bzw. an Stirnseiten) zu erreichen. Beispielsweise können die Verbindungsabschnittsenden der zu verbindenden Leiterabschnitte über die gesamte Breite der Leiterabschnitte überdecken, um so mittels der aufeinanderliegenden Oberflächen der Abschnitte einen elektromechanischen Kontakt herzustellen. Dort, wo die Verbindungsabschnitte vorgesehen sind, befindet sich keine Isolationsschicht oder die dünnere, zweite Isolationsschicht auf dem betreffenden Leiter, der die Abschnitte ausbildet.
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Die Heizvorrichtung kann mindestens zwei Anschlüsse aufweisen, die an zwei Enden der Reihenschaltung vorgesehen sind, die sich durch die Leiterabschnitte und die (diese seriell verbindenden) Verbindungsabschnitte ergibt. Die Anschlüsse können wie die Verbindungsabschnitte ausgebildet sein und eine Anschlussstruktur, etwa in Form einer Fläche, einer Schraubverbindung oder einer Pinstruktur aufweisen. Es kann ferner mindestens ein weiterer Anschluss zwischen den Enden dieser Reihenschaltung vorgesehen sein, etwa in Form einer Anzapfung an einem Verbindungsabschnitte oder auch an einem Leiterabschnitt.
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Die Leiterabschnitte (insbesondere zusammen mit den Verbindungsabschnitten) sind flächig verteilt. Die Leiterabschnitte verlaufen entlang einer Fläche nebeneinander und sind vorzugsweise gleichförmig verteilt. Die Leiterabschnitte verlaufen parallel zueinander und können hierbei insbesondere gerade sein. Es sind jedoch auch gekrümmte Verläufe von Leiterabschnitten möglich, insbesondere in Form einer Schnecke oder allgemein in Form von gekrümmt verlaufenden Leiterabschnitten. Die Leiterabschnitte sind äquidistant zueinander angeordnet, wobei insbesondere benachbarte Leiterabschnitte äquidistant entlang einer Kurve verlaufen. Dies gilt insbesondere für Untergruppen der Leiterabschnitte. Durch den parallelen bzw. äquidistanten Verlauf der Leiterabschnitte ergibt sich eine relative homogene Wärmeerzeugung über die Fläche. Zusammen mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Verbindungsabschnitte, durch die eine erhöhte Temperatur an den Verbindungsabschnitten verringert ist, ergibt sich eine insgesamt homogene, flächenbezogene Wärmeabgabe.
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Die Enden benachbarter Leiterabschnitte sind vorzugsweise minimal zueinander beabstandet, etwa in Form von Leiterabschnitten, die auf gleicher Höhe enden. Mit anderen Worten sind Enden benachbarter Leiterabschnitte, die jeweils mittels eines Verbindungsabschnittes miteinander verbunden sind, um einen Abstand voneinander entfernt, der nicht mehr als 120%, 150% oder 200% des Abstands der Leiterabschnitte beträgt. Somit können zwar die Enden der benachbarten Leiterabschnitte (die miteinander durch einen Verbindungsabschnitt verbunden sind) auch nicht exakt auf gleicher Höhe enden, jedoch ist der Höhenversatz zueinander vorzugsweise kleiner als der Abstand der Leiterabschnitte, insbesondere der Mittenlinien der benachbarten Leiterabschnitte.
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Die erfindungsgemäße Ausführung der Verbindungsabschnitte bezogen auf die Leiterabschnitte hinsichtlich der Leitfähigkeit führt dazu, dass die Leiterabschnitte besonders eng aufeinanderfolgend angeordnet werden können, ohne dass sich dadurch an den Verbindungsabschnitten und den betreffenden Enden der Leiterabschnitte eine gegenüber dem Rest erhöhte Temperaturerzeugung ergeben würde. Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung ist daher derart ausgebildet, dass der Abstand der Leiterabschnitte (insbesondere der benachbarten Leiterabschnitte) zueinander nicht mehr als 10%, 25%, 50% oder 75% der Breite der jeweiligen Leiterabschnitte beträgt. Insbesondre ist der Abstand zwischen den Leiterabschnitten nicht größer als die Breite der Leiterabschnitte. Es ist eine besonders dichte Bauform ermöglicht und es ergibt sich insbesondere eine besonders hohe flächenbezogene Wärmeausbeute (d.h. Wärmewandlungsleistung). Wie erwähnt ist beim Stand der Technik eine besonders enge Ausführung der Leiterabschnitte verknüpft mit einer sehr engen Führung der Verbindungsabschnitte, wobei aufgrund dieser engen Führung an dem Verbindungsabschnitten Hotspots entstehen, welche die Gesamtleistung der Heizvorrichtung beschränken.
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Mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung kann eine besonders dichte Anordnung der Leiterabschnitte realisiert werden. Die Leiterabschnitte und die Verbindungsabschnitte sind vorzugsweise flächig angeordnet, wobei eine geschlossene Linie, die alle Leiterabschnitte und Verbindungsabschnitte umschreibt, einen Flächeninhalt aufweist, von dem mindestens 50%, 75%, 80% oder 90% von den Leiterabschnitten (insbesondere von den Leiterabschnitten und den Verbindungsabschnitten) belegt sind. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung bei hoher Nennleistung. Die Linie, welche die Leiterabschnitte und die Verbindungsabschnitte der Heizvorrichtung umschreibt, beispielsweise ein Rechteck oder ein Quadrat, insbesondere wenn die Leiterabschnitte parallel zueinander sind und auf gleicher Höhe enden. Alternativ können die geschlossene Linie auch ein beliebiger Polyeder sein, etwa ein Trapez, ein Parallelogramm, allgemein ein Viereck, ein Sechseck, Achteck oder auch ein Kreis oder ein Oval. Die Form, welche die Abschnitte abdecken (und somit die Form der wärmeabgebenden Fläche) kann an die Anwendung angepasst sein, wobei wie erwähnt der Großteil der von den Abschnitten insgesamt abgedeckte Flächenumfang (insbesondere definiert durch die umschreibende, geschlossene Linie) von den Leiterabschnitten bzw. von den Leiterabschnitten und den Verbindungsabschnitten abgedeckt bzw. belegt ist.
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Weniger als die Hälfte der Fläche (des Trägers), auf der sich die Abschnitte (d.h. die Leiter- und die Verbindungsabschnitte) befinden (einschließlich der Lücken zwischen den Abschnitten), ist nicht von einem Abschnitt, d.h. mit einem Leiter, abgedeckt. In anderen Worten ist vorzugsweise weniger als die Hälfte des Flächeninhalts der geschlossenen Linie, die die Abschnitte umschreibt, frei bzw. nicht von einem Abschnitte, insbesondere Leiterabschnitt, abgedeckt.
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Die Fahrzeug-Heizvorrichtung ist insbesondere als Heizwiderstand ausgebildet, beispielsweise einer Klimaanlage eines Fahrzeugs oder als Rekuperationswiderstand eines Fahrzeugs oder als Lastwiderstand eines Fahrzeugs oder auch für allgemeine Anwendungen. Das Fahrzeug ist hierbei insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, bei dem Wärme mittels eines Heizwiderstands erzeugt wird. Die Heizvorrichtung kann insbesondere auch als Heizwiderstand einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, etwa eines Katalysators, ausgebildet sein. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung bzw. der Katalysator gehören vorzugsweise einem Fahrzeug an. Der Rekuperationswiderstand ist ein Widerstand, der in einem Fahrzeugbordnetz Strom erhält, wenn elektrische Energie rekuperiert wird, das heißt von einer elektrischen Maschine aus kinetische Energie in Form von elektrischer Energie erzeugt wird. Der Rekuperationswiderstand bildet somit eine Last für eine als Generator arbeitende elektrische Maschine, die beispielsweise dann in einem aktiven Zustand ist, wenn Wärme erzeugt werden soll oder wenn ein Akkumulator, beispielsweise ein Aktionsakkumulator, etwa aufgrund des Ladezustands nicht in der Lage ist, die gesamte rekuperierte Energie aufzunehmen.
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Die hier beschriebene Fahrzeug-Heizvorrichtung weist insbesondere eine Nennleistung von mindestens 500 Watt, mindestens 1 kW, mindestens 2 kW, mindestens 5 kW oder mindestens 10 kW auf, wobei die Nennleistung auch 20 kW oder mehr betragen kann.
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Die Fahrzeug-Heizvorrichtung ist vorzugsweise für eine Nennspannung von ca. 12, 48, 400 Volt oder 800 Volt oder mehr ausgelegt.
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Die hier erwähnten Abschnitte sind Längsabschnitte, insbesondere von Leiterbahnen.
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Die Leiterabschnitte, die Verbindungsabschnitte oder beide Abschnittsarten können von einer (strukturierten) kaltgasgespritzten Schicht vorgesehen sein. Ferner können die Längsabschnitte, die Verbindungsabschnitte oder beide Abschnittsarten können mittels Materialstreifen realisiert werden, die teilweise oder vollständig in dem Träger eingelassen sind. Die Leiterabschnitte und/oder die Verbindungsabschnitte können mittels Laser getrimmt sein, etwa um einen konstanten Widerstandsbelag aufzuweisen, etwa mit einer Betrags-Abweichung von nicht mehr als 20%, 10%, 5%, oder 2% (über die Länge des Abschnitts). Die Längsabschnitte können als kaltgasgespritzte Leiter ausgebildet sein, insbesondere als eine Chromnickelschicht. Dies kann auch für die Verbindungsabschnitte zutreffen. Die Leiterabschnitte und die Verbindungsabschnitte können aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein, insbesondere aus Materialien mit unterschiedlichem spezifischem Leitwert. Die Querschnitte bzw. die Querschnittsfläche der Verbindungsabschnitte können gleich sein oder können unterschiedlich sein. Vorzugsweise ist der elektrische Leitwertbelag der Verbindungsabschnitte größer als der elektrische Leitwertbelag der Leiterabschnitte. Ferner kann das Material der Verbindungsabschnitte einen höheren spezifischen Leitwert aufweisen als das Material der Leiterabschnitte.
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Die Verbindungsabschnitte können als kaltgasgespritzte Schicht ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Enden der Leiterabschnitte auf (Teilen der) Verbindungsabschnitte aufgebracht. Die Leiterabschnitte (und gegebenenfalls auch die Verbindungsabschnitte) können als kaltgasgespritzte Schicht (etwa Chromnickelmaterial) auf einem Träger (etwa Keramik) aufgebracht sein. Dieser kann bereits mit einer kaltgasgespritzten Schicht (etwa aus Aluminium) versehen sein, welche Anschlüsse bildet. Die Fahrzeug-Heizvorrichtung kann hergestellt werden, indem zunächst die Verbindungsabschnitte auf einen Träger aufgebracht werden, etwa durch Kaltgasspritzen. Dann können die Leiterabschnitte (und die Verbindungsabschnitte) aufgebracht werden, etwa durch Kaltgasspritzen, insbesondere durch Aufbringen einer Chromnickellegierung oder eines anderen Heizwiderstandmaterials (etwa wie es hierin genannt ist). Vorzugsweise werden die Verbindungsabschnitte und die Leiterabschnitte in einem gemeinsamen Schritt hergestellt, etwa durch Aufbringen auf einen Träger oder durch Strukturieren einer (leitenden) Schicht, etwa aus einem Heizwiderstandmaterial.
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Das Heizwiderstandmaterial kann beispielsweise einen spezifischen Widerstand von ca. 2-10, 3 - 6 oder ca. 4 Ohm mm2/m aufweisen. Enden der Leiterabschnitte können die Verbindungsabschnitte bzw. Enden hiervon überlappen. Die Abschnitte können mit Abgriffen versehen sein, etwa durch Anbringen von Abgriffleitern, etwa in der Form von vorzugsweise kaltgasgespritzten Abgriffleiterschichten.
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Weiterhin kann die Heizvorrichtung einen Körper umfassen, auf dem der Träger angeordnet ist. Der Körper ist insbesondere aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet, beispielsweise aus einem Metall wie Aluminium oder Kupfer oder aus einer Legierung, etwa mit mindestens einem dieser Metalle.
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Zudem können die Leiterabschnitte, die Verbindungsabschnitte oder beide Abschnittsarten können jeweils von einer durchgehenden kaltgasgespritzten Schicht vorgesehen sein, die etwa durch Lasertrimmen strukturiert wird. Insbesondere können zunächst die Verbindungsabschnitte als mindestens eine durchgehende Schicht (etwa mindestens eine Aluminiumschicht) aufgebracht werden (beispielsweise durch Kaltgasspritzen oder einer anderen thermisches Spritzverfahrens), die nach dem Aufbringen in die Verbindungsabschnitte strukturiert wird, beispielsweise durch Lasertrimmen. Die mindestens eine durchgehende Schicht kann vorgesehen werden durch zwei durchgehende, einander gegenüberliegende Streifen, insbesondere an entgegengesetzten Rändern des Trägers. Durch das Strukturieren bzw. Lasertrimmen werden die Streifen in ihrer Längsrichtung mehrfach unterbrochen; es ergeben sich voneinander (elektrisch) getrennte Streifenabschnitte, die die Verbindungsabschnitte bilden. Die Leiterabschnitte werden (insbesondere nach dem Aufbringen der Verbindungsabschnitte) als strukturierte Abschnitte, etwa als Streifen aufgebracht (beispielsweise durch Kaltgasspritzen oder einer anderen thermisches Spritzverfahrens), oder werden als (mindestens) eine durchgehende Schicht aufgebracht, die nach dem Aufbringen strukturiert wird, etwa durch Laserschweißen. Durch das Aufbringen des Materials bzw. der Schicht der Leiterabschnitte werden diese elektromechanisch mit dem Verbindungsabschnitten verbunden. Die strukturierten Abschnitte bzw. die mindestens eine durchgehende Schicht, die die Leiterabschnitte ausbilden, werden derart aufgebracht, dass sie die mehreren durchgehenden Schichten, welche die Verbindungsabschnitte ausbilden, verbinden. Durch das Strukturieren bzw. strukturierte Aufbringen der Leiterabschnitte und/oder der Verbindungsabschnitte werden die Leiterabschnitte in eine Reihenschaltung gebracht, und werden jeweils von den Verbindungsabschnitten verbunden. Insbesondere können Anzapfungen der Verbindungsabschnitte ausgebildet werden, indem die Verbindungsabschnitte strukturiert aufgebracht werden oder indem die Schicht oder Schichten, die die Verbindungsabschnitte bilden, nach dem Auftragen strukturiert werden, etwa durch Lasertrimmen. Die Leiterabschnitte können auch vor dem Aufbringen der Verbindungsabschnitte aufgebracht und vorzugsweise auch strukturiert werden. Zudem können die Verbindungsabschnitte und die Leiterabschnitte in einem gemeinsamen Schritt aufgebracht werden, etwa als eine (durchgehende) Schicht, die in einem nachfolgenden Schritt wie erwähnt strukturiert werden kann.
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Mit anderen Worten kann die Fahrzeug-Heizvorrichtung mit mehreren Leiterabschnitten versehen sein, die kaltgasgespritzt sind und lasergetrimmt bzw. durch Lasertrimmen strukturiert sind (oder als strukturiert aufgebrachte Schicht realisiert sind). Die Fahrzeug-Heizvorrichtung kann mit Verbindungsabschnitten versehen sein, die kaltgasgespritzt sind und lasergetrimmt bzw. durch Lasertrimmen strukturiert sind (oder als strukturiert aufgebrachte Schicht realisiert sind). Enden der Leiterabschnitte sind auf Teilen der Verbindungsabschnitte angeordnet, oder umgekehrt. Die Verbindungsabschnitte und die Leiterabschnitte sind auf dem Träger angeordnet. Der Träger kann auf einem Körper wie oben beschrieben angeordnet sein. Diese Anordnung kann durch Kaltgasspritzen oder durch ein anderes thermisches Spritzverfahren vorgesehen sein. Der Träger kann als kaltgasgespritzte Schicht ausgebildet sein. Die Verbindungsabschnitte und die Leiterabschnitte können Abschnitte eines durchgehenden Leiters sein, wobei der Leiter aus den Abschnitten zusammengesetzt sein kann.
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Es wird eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung mit mehreren Leiterabschnitten beschrieben, die wie hier dargestellt ausgebildet sein können und insbesondere entlang einander verlaufen. Die Vorrichtung umfasst ferner mehrere Verbindungsabschnitte, die insbesondere wie hier dargestellt ausgebildet sind. Die Verbindungsabschnitte verbinden die Leiterabschnitte vorzugsweise in Reihe. Die Verbindungsabschnitte und/oder die Leiterabschnitte sind kaltgasgespritzte Schichten. Insbesondere überlappen die Leiterabschnitte teilweise die Verbindungsabschnitte, um mit diesen durch körperlichen Kontakt elektrische verbunden zu werden. Die Leiterabschnitte werden teilweise auf die Verbindungsabschnitte aufgespritzt. Alternativ sind die Leiterabschnitte und die Verbindungsabschnitte Abschnitte eines durchgehenden, einteilig ausgebildeten Leiters (einer einteilig ausgebildeten Leiterbahn). Anstatt des hier beschriebenen Kaltgasspritzens kann auch ein anderes thermisches Spritzverfahren angewandt werden; die Abschnitte können allgemein gespritzte Schichten sein, insbesondere thermisch gespritzte Schichten. Die Abschnitte bilden einen Flächenwiderstand.
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Der Leitwert der Verbindungsabschnitte ist (bezogen auf den Leitwert der Leiterabschnitte) und/oder die Isolierungsschichten sind derart ausgestaltet, dass sich im Dauerbetrieb, beispielsweise mit Nennleistung, eine Temperaturdifferenz zwischen der Maximaltemperatur aller Leiter- und Abschnitte und der Durchschnittstemperatur aller Abschnitte von nicht mehr als 10K, 20K, 30K oder 50K auftritt.
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Die Verbindungsabschnitte und/oder die Leiterabschnitte sind als Streifen ausgebildet. Die Leiterabschnitte verlaufen entlang einander, insbesondere parallel zueinander, und vorzugsweise äquidistant. Die Verbindungsabschnitte können aus Draht ausgebildet sein, wobei die sich ergebenden Drahtabschnitte nicht nur einen rechteckigen Querschnitte sondern auch andere Querschnittsformen aufweisen können. Auch die Leiterabschnitte können aus Draht sein. Die Leiterabschnitte und die Verbindungsabschnitte können Abschnitte eines durchgehenden Drahts sein.
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Die Heizvorrichtung kann flächig gespritzte Widerstände umfassen, die elektrisch isoliert auf einem Körper, insbesondere einem Körper, kaltgasgespritzt sind. Um eine gute Wärmeleitung (zum Körper) darzustellen, wird ein keramischer Werkstoff mit einer guten Wärmeleitung (etwa mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/ (m*K) , 50 W/ (m*K) , 100 W/ (m*K) , 150 W/ (m*K) oder 200 W/(m*K), etwa Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, oder ein anderer keramischer Werkstoff) auf eine Wärmesenke (etwa in Form des Körpers) im thermischen Spritzverfahren aufgebracht. Die Wärmesenke kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Der keramische Werkstoff ist nicht nur Wärmeleiter sondern gleichzeitig Isolator. Es wird in einem weiteren (insbesondere darauf folgenden) Schritt ein Heizleiterwerkstoff (insbesondere wie hier angeben) ebenfalls im thermischen Spritzverfahren appliziert. Dadurch werden die Leiterabschnitte und/oder die Verbindungsabschnitte ausgebildet.
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Der Werkstoff, der die Leiterabschnitte bildet, kann in einer Ausführungsform einen hohen Leiterbahnwiderstand, d.h. einen höheren Widerstandsbelag als die Verbindungsabschnitte, insbesondere einen höheren spezifischen Widerstand. Das Verhältnis der spezifischen Widerstände kann beispielsweise mindestens 15, 25 oder 30 betragen. In einem Ausführungsbeispiel wird Chromnickel (NiCr20) mit einem spezifischen Widerstand von zirka 4 Ohm *mm2 / m verwendet, um die Leiterabschnitte (und/oder die Verbindungsabschnitte) darzustellen. Um einen definierten Widerstandswert zu erhalten, kann die Flächengeometrie derart gewählt, dass eine Widerstandserhöhung (der Leiterabschnitte) mittels Lasertrimmen realisiert werden kann. Es können große Widerstandsflächen (Material NiCr20) spritztechnisch hergestellt (zur Ausbildung der Leiter- und/oder Verbindungsabschnitte). Sind nur die Leiterabschnitte derart ausgebildet, können diese jeweils Verbindungsabschnitte (etwa aus Aluminium) überlappen. Eine vorgegebene Anzahl der Abschnitte und gegebenenfalls ausgeführter Abgriffe resultiert in einer vorbestimmten Anzahl von Widerständen. In einem weiteren Fertigungsschritt werden die Widerstände (d.h. die Leiterabschnitte) zwischen den Verbindungsabschnitten aktiv hergestellt, indem mittels Laserstrukturieren Widerstandsmaterial herausgeschnitten wird und somit vorherbestimmte Widerstandsbahnen und somit auch vorbestimmte Widerstandslängen erzeugt werden. Dies bedeutet jedoch, dass nur voreingestellte Widerstandswerte erreicht werden. Die Verbindungsabschnitte und/oder Leiterabschnitte können insbesondere als Leiterbahnen ausgebildet sein.
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In der folgenden Ausführungsform ist dargestellt, wie nun die gleiche Fläche genutzt werden kann, um den Widerstandswert zu verändern. Die Schicht, welche die Widerstände bzw. die Leiterabschnitte bildet, insbesondere eine Chromnickelschicht, wird über eine definiere Fläche mittels thermischen Gasspritzen über zwei zuvor hergestellten gegenüberliegende Leiterbahnen (welche die Verbindungsabschnitte bilden, insbesondere aus Aluminium) aufgetragen. Die Leiterbahnen befinden sich an entgegengesetzten Rändern des Trägers. Es werden (in der Anzahl und/oder Anordnung) vorbestimmte Abgriffe für Untergruppen der Widerstände, d.h. der Leiterabschnitte hergestellt, vorzugsweise im gleichen Arbeitsgang hergestellt. Mittels Laserstrukturieren können nun beliebige Anzahlen an Widerstandsbahnen (d.h. Leiterabschnitte) erzeugt werden. So kann zum Beispiel ein Widerstand (d.h. der Widerstand einer oder mehrerer Leiterabschnitte) um ein Vielfaches seines ursprünglichen Wertes verändert werden (erhöht oder erniedrigt). Es lassen sich für einen gewünschten Leistungsbereich und einem festen Flächenfaktor beliebige Widerstandswerte innerhalb einer vorgegebenen Fläche realisieren. Auch die Verbindungsabschnitte können dieser Strukturierung unterworfen werden, insbesondere um einen vorgegebenen Widerstandswert zu erreichen.
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Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der hier beschriebenen Heizvorrichtung in Draufsicht.
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Die 2a und 2b zeigen Ausschnitte von Ausführungsformen im Seitenschnitt.
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Die 1 zeigt eine Heizvorrichtung H mit einem Träger T, auf dem Leiterabschnitte L und Verbindungsabschnitte V angeordnet sind. Die Leiterabschnitte sind zueinander parallel angeordnet, im dargestellten Beispiel in der flächigen Form eines Rechtecks. Die Verbindungsabschnitte verbinden wechselweise Enden der Leiterabschnitte, sodass sich eine Serienschaltung der Leiterabschnitte ergibt. Mit anderen Worten werden durch die Verbindungsabschnitte V die Leiterabschnitte in Reihe miteinander verbunden. Es ergibt sich die bereits erwähnte Reihenschaltung. Alternativ können die Abschnitte V und L zusammen einen durchgehenden Leiter bilden, der insbesondere entlang seiner Längserstreckung elektrisch homogen sein kann (d.h. einen konstanten Widerstandsbelag aufweist).
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Die Enden der Reihenschaltung sind mit zwei Anschlüssen P versehen, an denen eine Spannung angelegt werden kann, um so insbesondere durch die Leiterabschnitte L elektrische Leistung zu führen, die in Wärme umgewandelt wird. Die dargestellten Leiterabschnitte weisen alle die gleiche Breite auf, wobei dies auch für die Verbindungsabschnitte V gilt. Die Breite der Leiterabschnitte untereinander oder der Verbindungsabschnitte kann unterschiedlich sein; insbesondere kann die Breite der Leiterabschnitte von der Breite der Verbindungsabschnitte verschieden sein oder kann gleich sein.
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Auf den Leiterabschnitten L befindet sich eine erste Isolationsschicht; die Verbindungsabschnitte V sind mit einer zweiten, dünneren bzw. weniger thermisch isolierenden Schicht belegt, oder haben keine dezidierte thermisch isolierende Schicht.
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Dargestellt ist ebenso, dass in dem gezeigten Beispiel die Breite B der Leiterabschnitte größer ist als der Abstand A zwischen den (benachbarten) Leiterabschnitten L. Dies führt zu einer besonders hohe flächenbezogene Wärmeleistung, die dadurch ermöglicht wird, dass die Verbindungsabschnitte V deutlich weniger thermisch isoliert sind als die Leiterabschnitte L, wodurch sich an den Verbindungsabschnitten kein Hotspot bildet.
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Es wird vermieden, dass an den Verbindungsabschnitten V oder den von den verbundenen Enden der Leiterabschnitte L flächenbezogen eine höhere Temperatur erzeugt wird, als an den Leiterabschnitten L, um zu verhindern, dass Hotspots auftreten, welche die Gesamtleistung der Heizvorrichtung H beschränken (oder um derartige Hotspots im Vergleich zu Strukturen mit Verbindungsabschnitten und Leiterabschnitten gleicher thermischer Isolation zu verringern). Die Verbindungsabschnitte weisen eine höhere (längenbezogene) Wärmeabstrahlung auf, d.h. einen geringeren Wärmewiderstand zur Umgebung, als die Leiterabschnitte. Dadurch führt die aufgrund der höheren Flächenkonzentration auftretende höhere flächenbezogene Wärmeleistung an den Verbindungsabschnitten und an den angrenzenden Leiterabschnittenden nicht zu einer wesentlich höheren Temperatur an den Verbindungsabschnitten im Vergleich zu den Leiterabschnitten.
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Ein Träger T ist als Keramiksubstrat ausgebildet, wobei die Abschnitte als Leiterbahnen oder als Leiterbahnen auf diesem Substrat ausgebildet sind.
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Die Abschnitte bilden eine Leiterbahn, die einen längenbezogenen thermischen Widerstand zur Umgebung haben, der mit der Krümmung variiert. Der thermische Widerstandsbelag eines Abschnittes und dessen Krümmung sind über eine fallende Funktion verknüpft; eine hohe Krümmung bedeutet auch ein hoher thermischer Leitfähigkeitsbelag, d.h. einen geringen thermischen Widerstand und somit auch eine geringe thermische Isolation. Bereiche der Vorrichtung, in denen Leiterabschnitte ausgebildet sind, weisen hinsichtlich des thermischen Leitwerts einen geringeren anteiligen Flächenbelag auf als Bereiche der Vorrichtung, in denen Verbindungsabschnitte oder Verbindungsabschnitte und Leiterabschnitte ausgebildet sind. Verbindungsabschnitte sind Abschnitte des Heizwiderstands, die eine stärkere Krümmung in ihrer Längsachse aufweisen als andere Abschnitte, die als Leiterabschnitte bezeichnet werden. Ein Abschnitt mit einer ersten Krümmung weist einen höheren (mindestens doppelten, dreifachen, fünfachen, zehnfachen oder zwanzigfachen) thermischen Leitwertbelag auf als ein Abschnitt mit einer zweiten Krümmung, die kleiner ist als die erste Krümmung. Ein Abschnitt mit einer ersten Krümmung weist eine höhere (mindestens doppelten, dreifachen, fünfachen, zehnfachen oder zwanzigfachen) thermische Isolation auf als ein Abschnitt mit einer zweiten Krümmung, die größer ist als die erste Krümmung.
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Die 2a und 2b zeigen einen Querschnitt durch einen Teil eines Leiterabschnitts L und durch einen Verbindungsabschnitt V, der an den Leiterabschnitts L angrenzt. Die Abschnitte sind auf einem Träger T (der elektrisch isoliert) aufgebracht. Auf dem Leiterabschnitt L befindet sich eine thermische Isolierung in Form einer (ersten) thermischen Isolationsschicht I1.
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In der 2a ist ferner eine (zweite) thermische Isolationsschicht I2 dargestellt, die sich auf dem Verbindungsabschnitt V befindet. Die erste Isolationsschicht weist eine Dicke von D1 auf. Die zweite Isolationsschicht D2 weist eine Dicke von D1 auf. Es ist den 2a und 2b zu entnehmen, dass die Dicke D1 größer ist als die Dicke D2 (wobei die weiteren Maße nicht maßstabsgetreu dargestellt sind und auch die Dicken D1 und D2 nicht maßstabsgetreu dargestellt sind). Die zweite Isolationsschicht I2 ist dünner als die erste Isolationsschicht I1, so dass der Verbindungsabschnitt V mehr Wärme (bezogen auf die Länge) abgibt, als der Leiterabschnitt L. Dadurch ergibt sich an dem Verbindungsabschnitt V keine Temperatur, die deutlich höher wäre als die des Leiterabschnitts. Die rechte (von dem Leiterabschnitt abgewandte) Stirnseite des Verbindungsabschnitts ist frei dargestellt, kann jedoch auch mit einer Isolationsschicht bedeckt sein, die die Eigenschaften der Isolationsschicht I2 haben kann. Durch die geringere Dicke D2 gegenüber der Dicke D1 wird eine geringere thermische Isolation des Verbindungsabschnitts V im Vergleich zu dem Leiterabschnitt L erreicht. Der Verbindungsabschnitt V ist mit der Umgebung über einen thermischen Widerstandsbelag thermisch verbunden, der kleiner ist als der thermische Widerstandsbelag, über den der Leiterabschnitt L mit der Umgebung verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt V wird daher stärker von der Umgebung gekühlt als der Leiterabschnitt L, so dass eine Hotspot-Bildung an dem Verbindungsabschnitt V verringert oder unterdrückt wird.
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In der 2b ist der Verbindungsabschnitt V thermisch mit der Umgebung über einen thermischen Widerstandsbelag verbunden, der kleiner ist als der thermische Widerstandsbelag, über den der Leiterabschnitt L mit der Umgebung verbunden ist. Dies wird erreicht, indem der Leiterabschnitt L mit einer thermischen Isolationsschicht L1 belegt ist, und der Verbindungsabschnitt V nicht. Nicht dargestellt ist eine optionale elektrische Isolationsschicht, die über die Abschnitte ausgebreitet ist. Diese wird bei der Betrachtung der Wärmeabgabe nicht berücksichtigt.
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Weiterhin kann in einer Ausführungsform wie die 2a eine elektrisch isolierende, thermische Isolationsschicht auf den Abschnitten L und V vorgesehen sein, die über dem Leiterabschnitt dicker ist als über dem Verbindungsabschnitt, wie dargestellt.
