DE2062307A1 - Heating element with high heat flow - Google Patents

Heating element with high heat flow

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DE2062307A1 DE19702062307 DE2062307A DE2062307A1 DE 2062307 A1 DE2062307 A1 DE 2062307A1 DE 19702062307 DE19702062307 DE 19702062307 DE 2062307 A DE2062307 A DE 2062307A DE 2062307 A1 DE2062307 A1 DE 2062307A1
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Meinder Willem Schagen Brieko (Nie derlande) R H05b 1 02
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PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

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8MÜNCHEN2.8MUNICH2.

P 34 Dui 4/Sc P 34 Dui 4 / Sc

REACTOR CENTRUM NEDERLAND (STICHTING)REACTOR CENTRUM NEDERLAND (STICHTING)

The Hague / Holland.The Hague / Holland.

Heizelement mit hohem Wärmefluss.Heating element with high heat flux.

B = ss s a -st s = = ss s ='8 s = -as = s = = B s s S= s: = s =: sz s ss s asB = ss sa -st s = = ss s = '8 s = -as = s = = B ss S = s: = s =: sz s ss s as

Die Erfindung betrifft einen Heizkörper, der aus einem elektrischen Widerstandselement besteht, das einen Leiterwiderstand enthält, der von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, wobei um diese isolierende Schicht eine metallische äussere Schicht angebracht ist, um die erzeugte Wärme abzugeben, wobei unterhalb der Betriebstemperatur eine Schrumpfungsverbindung zwischen der metallischen äusseren Hülse und der isolierenden Schicht besteht, während bei Zimmertemperatur zusätzlich eine Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht besteht. The invention relates to a heating element which consists of an electrical resistance element which contains a conductor resistance which is surrounded by an electrically insulating layer, a metallic outer layer being attached to this insulating layer in order to give off the generated heat, with one below the operating temperature There is a shrinkage connection between the metallic outer sleeve and the insulating layer, while at room temperature there is an additional shrinkage connection between the conductor resistor and the insulating layer .

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Heizkörper dieser Art zeigen jedoch gegenwärtig in der Praxis den Nachteil, dass für zahlreiche Anwendungen dieHowever, radiators of this type currently show in the Practice the disadvantage that for numerous applications the

Aufheizkapazität, die etwa in Watt/cm ausgedrückt wird, nicht ausreichend hoch ist. Erfindungsgemäss ist es möglich, eine hohe Aufheizung, nämlich eine Aufheizung der Grössen-The heating capacity, which is expressed in watts / cm, is not sufficiently high. According to the invention it is possible high heating, namely heating of the variables

2
Ordnung von etwa 5oo Watt/cm , bei einer Wandtemperatur von2
Order of about 5oo watts / cm, with a wall temperature of

etwa 6oo - 96o°C dadurch zu erreichen, dass der Heizkörper in einer solchen Bauweise ausgeführt wird, dass seine isolierende Schicht aus Bornitrid, hergestellt ist, wobei in dieser Bauweise sowohl der Leiterwiderstand als auch ψ die metallische Aussenschicht aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder ihren Verbindungen hergestellt sind. Berylliumoxid kann ebenfalls mit Vorteil als elektrisch isolierendes Material anstelle von Bornitrid verwendet werden.about 6oo - to reach 96o ° C characterized in that the heating is carried out in such a construction that its insulating layer of boron nitride, is prepared, whereby in this construction both the conductor resistance and ψ, the metallic outer layer of austenitic stainless steel, molybdenum, Nickel, chromium, vanadium, rhenium, tungsten or their compounds are made. Beryllium oxide can also be used to advantage as an electrically insulating material instead of boron nitride.

Es ist für diesen Zweck äusserst vorteilthaft, dass auch bei der Betriebstemperatur noch eine Schrumpfungsverbindung und daher ein Oberflächendruck zwischen der äusseren Hülse und der isolierenden Schicht besteht. Dieser Oberflächendruck ist äusserst wichtig bei der Betriebstemperatur, denn nur durch einen solchen Druck wird die Abgabe der erzeugten Wärme sichergestellt. Dieser Druck, in Verbindung mit dem festen Sitz der Schrumpfungsverbindung sichert weiter, dass die Abgabegeometrie des Heizkörpers erhalten bleibt.For this purpose it is extremely advantageous that the operating temperature still a shrink joint and therefore there is a surface pressure between the outer sleeve and the insulating layer. This surface pressure is extremely important at the operating temperature, because only with such a pressure the release of the generated Heat ensured. This pressure, in conjunction with the tight fit of the shrink fit connection, further ensures that the delivery geometry of the radiator is retained.

Dies ist wichtig, da auf diese Weise lokale Hohlstellen oder Kavitäten, die oft als Folge einer fehlerhaften Berührung gebildet werden, oder eine unsymmetrische Geometrie, die durch den Einziehprozess, dem das Element unterworfen wurde, verursacht werden, verhindert werden können. Solche Unsymmetrien und lokale Hohlstellen können in der Praxis AnlassThis is important because in this way local voids or cavities, which are often the result of improper contact or an unsymmetrical geometry that has been created by the drawing-in process to which the element has been subjected caused can be prevented. Such asymmetries and local voids can give rise in practice

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zu heissen Flecken geben, die die Aufheizhöhe ungünstig beeinflussen.give stains that are too hot and have an unfavorable effect on the heating-up level.

Wenn auch eine Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht, die sich um diesen befindet, besteht, nämlich eine Schrumpfungsverbindung, die schon bei Zimmertemperatur besteht, kann die AufheizhÖhe gesteigert werden.Albeit a shrink connection between the conductor resistance and the insulating layer around it is located, namely a shrink fit connection, which already exists at room temperature, the heating level can can be increased.

Dies ist jedoch der Bedingung unterworfen, dass auch ein enger Kontakt zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht bestehen muss, wenn diese kalt sind. Es ist daher zweckmässig, auch eine leichte Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und dem isolierenden Material anzubringen.However, this is subject to the condition that a There must be close contact between the conductor resistance and the insulating layer when these are cold. It is therefore advisable to also create a slight shrinkage connection between the conductor resistor and the insulating one To attach material.

Die genannte Schrumpfungsverbindung kann äusserst wirkungsvoll erhalten werden, indem ein Heizkörper gemäss einer speziellen Ausführungsform der Erfindung in einer solchen Weise hergestellt wird, dass mit einem Rohr aus austenitischern rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder Verbindungen dieser Materialien begonnen wird, wonach dieses Rohr um einen Zylinder des verwendeten elektrisch isolierenden Materials, das aus Bornitridoder Berylliumoxid besteht, fest aufgeschrumpft wird. Da dieser Zylinder massiv ist, kann eine Schrumpfungsverbindung dieser Art mit einer festen Schrumpfungsaufpassung bei etwa 25o°C ohne Gefahr, dass das Bornitrid oder Berylliumoxid Verschiebungen zeigen könnte, durchgeführt werden.The aforementioned shrink connection can be obtained extremely effectively by a heating element according to a special embodiment of the invention is made in such a way that with a tube made of austenitic stainless steel, molybdenum, nickel, chromium, vanadium, rhenium, tungsten or compounds of these materials is started, after which this tube around a cylinder of the used electrically insulating material, which is boron nitride or beryllium oxide exists, is firmly shrunk on. Since this cylinder is massive, a shrink fit connection of this type with a fixed shrinkage adjustment at around 25o ° C without risk, that the boron nitride or beryllium oxide could show shifts can be carried out.

Nach dem darauf folgenden Abkühlen der beschriebenen Anordnung, wird der zentrale Teil des Zylinders des verwendeten elektrischAfter the described arrangement has cooled down, the central part of the cylinder is used electrically

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isolierenden Materials durch Bohren entfernt, so dass danach eine zylindrische Hülse aus diesem elektrisch.isolierenden Material erhalten wird, die mittels einer Schrumpfungsverbindung durch eine zylindrische Hülse aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder deren Legierungen umgeben ist.insulating material removed by drilling, so that afterwards a cylindrical sleeve from this electrically.isolating Material is obtained by means of a shrink fit connection through a cylindrical sleeve made of austenitic stainless steel, molybdenum, nickel, chromium, vanadium, rhenium, tungsten or their alloys.

Nachdem die Innenseite der zylindrischen Hülse aus dem verwendeten elektrisch isolierenden Material sorgfältig nachgearbeitet ist, wird als nächstes diese Anordnung von koaxialen zylindrischen Hülsen bei einer Temperatur von loo C mit einer leichten Schrumpfungsaufpassung um einen Widerstandsleiter aufgeschrumpft, der in gleicher Weise aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, VJoIfram oder einer -Legierung aus diesem zusammengesetzt ist.After the inside of the cylindrical sleeve from the used electrically insulating material is carefully reworked, next this arrangement of coaxial cylindrical sleeves at a temperature of 100 ° C with a slight shrinkage fit around a resistance ladder shrunk on, which is made of austenitic stainless steel, molybdenum, nickel, chromium, vanadium, rhenium, VJoIfram or an alloy is composed of this.

In diesem Zusammenhang soll bemerkt werden, dass die hoch aufheizenden elektrischen Heizelemente, die bisher bekannt waren, im praktischen Gebrauch zeitweise versagten. Dies war im allgemeinen durch die Tatsache verursacht, dass entweder lokale Hohlstellen gebildet wurden, infolge von Unterschieden in der thermischen Ausdehnung oder durch chemische Reaktionen, W oder weil die Dicke der isolierenden Schicht im allgemeinen nicht gleichmässig war,oder weil das isolierende Material in seinen Eigenschaften nicht homogen war. Durch Anwenden des oben beschriebenen Verfahrens bei der Herstellung eines erfindungsgemassen Heizkörpers werden die Nachteile, die den bisher bekannten Heizelementen anhaften, überwunden, da die Herstellung mit einem zylindrischen Rohr, das aus vollem Material hergestellt ist, des verwendeten elektrisch isolierenden Materials beginnt. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, der aus der Möglichkeit entsteht, den erwünschtenIn this connection it should be noted that the high-temperature electrical heating elements previously known failed at times in practical use. This was generally caused by the fact that either local voids were formed due to differences in thermal expansion or by chemical reactions, W, or because the thickness of the insulating layer, in general, was not uniform, or because the insulating material in its properties was not homogeneous. By applying the above-described method in the manufacture of a heater according to the invention, the disadvantages inherent in the previously known heating elements are overcome, since the manufacture begins with a cylindrical tube made of solid material of the electrically insulating material used. In addition, there is the advantage that arises from the possibility, the desired one

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20S230?20S230?

notwendigen; Oberflächendruck durch eine richtige Wahl der Schrumpf ungsabmes sung? zu erhalten,, was mit hoher Präzision ausgeführt werden kann.necessary; Surface pressure through a correct choice of Shrinkage dimension? to get, what with high precision can be executed.

Es erweist sich, dass der auf diese Weise hergestellte Heizkörper einen sehr hohen Wärmefluss liefern kann,, was eine It turns out that the radiator made in this way can deliver a very high heat flow, what a

2
Aufheizung bis zu etwa 5oö Watt/cm bei einer Wandtemperatur von etwa 600 - 960 C ergibt.2
Heating up to about 50 watts / cm at a wall temperature of about 600 - 960 C results.

Mit diesem Heizkörper können flüssige Metalle, wie z. B. Natrium, Kalium, Lithium oder deren Legierungen in sehr günstiger Weise erhitzt werden.With this radiator, liquid metals, such as. B. Sodium, potassium, lithium or their alloys in very high amounts be heated in a favorable manner.

Insbesondere eignet sich der Heizkörper selbst für Wärme— transmissionexperimente mit Kühlung durch flüssiges Natrium, die in einem Kernreaktor oder in einer Anlage durchgeführt werden, die ausserhalb eines Kernreaktors vorgesehen ist, um diesen zu simulieren. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die metallische Aussenhüitse aus austenitischem rostfreiem Stahl, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder deren Legierungen in keiner Weise durch die flüssigen Metalle nachteilig angegriffen wird.In particular, the radiator itself is suitable for heat- transmission experiments with cooling by liquid sodium, carried out in a nuclear reactor or in a facility which is provided outside a nuclear reactor in order to to simulate this. This is a consequence of the fact that the metallic outer sleeve made of austenitic stainless steel Steel, nickel, chromium, molybdenum, vanadium, rhenium, tungsten or their alloys in no way through the liquid Metals is adversely attacked.

In vielen Fällen werden die erfindungsgemässen Heizkörper einen äusseren Durchmesser der Grössenordnung von etwa 6 mm oder etwas mehr haben. Mit diesem Durchmesser ist es möglich, eine Länge solcher Heizkörper von etwa 5oo mm zu erhalten.In many cases, the radiators according to the invention have an outer diameter of the order of magnitude of about 6 mm or a little more. With this diameter it is possible to obtain a length of such radiators of about 5oo mm.

In der beigefügten Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, wobei die Figuren 1 bis 3 Querschnitte durch solche Heizkörper zeigen.In the accompanying drawing, for example, embodiments of the invention are shown, with FIGS. 1 to 3 Show cross-sections through such radiators.

In Figur 1 wird mit 1 der zentrale Widerstandsleiter bezeichnet, mit 2 die diesen umgebende isolierende Schicht und mit 3In Figure 1, 1 denotes the central resistance conductor, with 2 the insulating layer surrounding it and with 3

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die Äussenhülse, die aus aus teni tischen* rostfreiem Stahl,. Kickel, Chrom, Molybdän,, Vanadium, Rhenium,, Wolfram oder elaer Legierung dieser Materialien hergestellt ist.the outer sleeve, which is made of teni table * stainless steel ,. Kickel, chromium, molybdenum ,, vanadium, rhenium ,, tungsten or elaer alloy of these materials is made.

Me Ausführungsform der Figur 2 unterscheidet sich von der Äusführungsformr die in- Figur 1 gezeigt ist,, nur in soweit,, als der zentrale Widerstandsleiter 1 in ähnlicher Weise die Focm einer zylindrischen Hülse besitzt, in deren Inneren sich ein Zylinder 4 befindet, in welchem andere Komponenten fc laicht gezeigt) möglicherweise eingeschlossen werden können. Es können z. B. darin Kanäle für elektrische Leiter oder für ein Fluid1· sein. Der Zylinder 4 kann aus einem Material hergestellt sein, das für diesen Zweck geeignete Qualitäten aufweist. Me embodiment of Figure 2 differs from the shown Äusführungsform r is the in-Figure 1 is ,,, a cylinder 4 is only in so far as ,, as the central resistance conductor 1 in a similar manner the Focm a cylindrical sleeve having in the interior thereof, in which other components (shown) may possibly be included. It can e.g. B. in it channels for electrical conductors or for a fluid 1 · be. The cylinder 4 can be made of a material that has suitable qualities for this purpose.

Figur 3 gibt eine Konstruktion an, die von Bedeutung ist für das Einsetzen eines thermoelektrischen Elementes in die Wand eines Heizelementes vom beschriebenen Typ.Figure 3 indicates a construction which is important for the insertion of a thermoelectric element in the Wall of a heating element of the type described.

Thermoelektrische Elemente dieser speziellen Art können eine wichtige Funktion erfüllen, z. B. bei Wärmetransmissionsex- |f perimenten und beim Testen des spaltbaren Gitters von Kernreaktoren, die mit flüssigen Metallen arbeiten, wenn es notwendig ist, die Wandtemperatur betreffende Daten zu besitzen.Thermoelectric elements of this particular type can fulfill an important function, e.g. B. in the case of heat transmission | f periments and when testing the fissile grid of nuclear reactors, who work with liquid metals when it is necessary to have data on the wall temperature.

Der Temperaturbereich, in dem dies auftritt, ist gewöhnlich in der Grössenordnung von 6oo bis 9oo°C. Gemäss einem bis heute verwendeten Verfahren wurde das thermoelektrische Element 5 in einer Rille 8 in der Wand der Hülse 3 befestigt, wonach der verbleibende Raum mit einem Lötmaterial ausgefüllt wurde. Als geeignetes Lötmaterial hat sich das herausgestellt, dass unter dem Namen "Coast Metal 52" auf dem Markt ist.The temperature range in which this occurs is common in the range of 600 to 900 ° C. According to a method used to this day, the thermoelectric Element 5 fixed in a groove 8 in the wall of the sleeve 3, after which the remaining space is filled with a soldering material became. A suitable soldering material has been found to be that which is on the market under the name "Coast Metal 52".

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- ■ 7 -- ■ 7 -

Dieses Lötrnaterial enthält 4,5% Silizium, was eine den Schmelzpunkt erniedrigende Wirkung hat. Die LöttemperaturThis soldering material contains 4.5% silicon, which has a lowering effect on the melting point. The soldering temperature

ist lo25°C.is lo25 ° C.

Die Umhüllung eines solchen thermoelektrischen Elementes besteht gewöhnlich aus einer Hülse aus rostfreiem Stahl oder Inkonel mit einer Wanddicke der GrossenOrdnung von' etwa o,o3 mm. Es hat sich nun herausgestellt, dass während des Lötvorganges die Hülse des thermoelektrischen Elementes eine Neigung hat infolge des' vorhandenen Siliziums in Lösung zu gehen. Gernäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein zusätzliches Rohr 6 vorgesehen, dass das thermoelektrische Element 5 umgibt, um diese dünnwandige Hülse zu schützen. Auf diese Weise ist die Gefahr des Brechens des thermoelektrischen Elementes auf ein Minimum reduziert.The envelope of such a thermoelectric element usually consists of a stainless steel or inconel sleeve with a wall thickness of the order of ' about 0.03 mm. It has now been found that the sleeve of the thermoelectric element during the soldering process has a tendency to go into solution as a result of the silicon present. According to a further embodiment of the invention an additional tube 6 is provided that the thermoelectric Element 5 surrounds to protect this thin-walled sleeve. This way there is a risk of breaking the thermoelectric element reduced to a minimum.

Die Materialien, die eine Bedeutung für die Herstellung des Rohres 6 haben, sind: Rostfreier Stahl, Nickel, Chrom und Tantal oder eine Legierung aus diesen Materialien.The materials that have a meaning in the manufacture of the Rohres 6 are: stainless steel, nickel, chromium and tantalum or an alloy of these materials.

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Claims (1)

Patentansprüche·Patent claims SSC SS SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ 55— S SS SZ S — 53 SZ SZ SS SZ SZ SZ SH SS SZ SSC SS SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ SZ 55— S SS SZ S - 53 SZ SZ SS SZ SZ SZ SH SS SZ Heizkörper, der aus einem elektrischen Widerstandselement besteht, das einen Leiterwiderstand enthält, der von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, wobei sich um die isolierende Schicht eine metallische Aussenschicht zum Abgeben der erzeugten Wärme befindet, wobei unterhalb ρ der Betrieb"4-"—"—-'■ur eine Schrumpfungsverbindung zwischen der metalli senhülse und der isolierenden Schicht besteht, wänrend zusätzlich bei Zimmertemperatur eine Schrumpfungsverbindung zwischen dem Leiterwiderstand und der isolierenden Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus Bornitrid zusammengesetzt ist, und dass sowohl der Leiterwiderstand als auch die metallische Aussenschicht aus einer der folgenden Substanzen hergestellt ist: Austenitischer rostfreier Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vandium, Rhenium, Wolfram und deren Legierungen.Heating element, which consists of an electrical resistance element which contains a conductor resistance which is surrounded by an electrically insulating layer, with a metallic outer layer around the insulating layer for emitting the generated heat, where below ρ the operation " 4 -" - " There is a shrinkage connection between the metal sleeve and the insulating layer, while there is also a shrinkage connection between the conductor resistor and the insulating layer at room temperature, characterized in that the insulating layer is composed of boron nitride, and that both the conductor resistance as the metallic outer layer is also made from one of the following substances: austenitic stainless steel, molybdenum, nickel, chromium, vanadium, rhenium, tungsten and their alloys. ψ 2) Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus Berylliumoxid zusammengesetzt ist. ψ 2) heater according to claim 1, characterized in that the insulating layer is composed of beryllium oxide. 3) Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohr aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder aus einer Legierung dieser Materialien mit anderen Materialien oder miteinander fest auf einen massiven Zylinder des verwendeten elektrisch isolierenden Materials aufgeschrumpft wird,3) Method for producing a radiator according to one of the preceding claims, characterized in that that a tube made from austenitic stainless steel, molybdenum, nickel, chromium, vanadium, rhenium, tungsten or from a Alloy these materials with other materials or with each other firmly on a massive cylinder of the used electrically insulating material is shrunk on, 109826/1169109826/1169 dass danach der mittlere Teil dieses Zylinders durch Bohren entfernt wird, und dass die auf diese Weise erhaltene Anordnung auf einen Leiterwiderstand aus austenitischem rostfreiem Stahl, Molybdän, Nickel, Chrom, Vanadium, Rhenium, Wolfram oder einer Legierung dieser Materialien aufgeschrumpft wird.that afterwards the central part of this cylinder is removed by drilling, and that the assembly thus obtained on a conductor resistance made of austenitic stainless steel, molybdenum, nickel, chromium, vanadium, rhenium, Tungsten or an alloy of these materials is shrunk on will. 4) Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Stromleiter (5) am Wandteil des Heizkörpers befindet, dass dieser Leiter, z. B. ein thermoelektrisches Element,eine Hülse aus rostfreiem Stahl oder Inkonel. hat, dass dieser Leiter (5) durch ein Rohr (6) umgeben ist, das aus rostfreiem Stahl, Nickel, Chrom, Tantal oder einer Legierung dieser Materialien hergestellt ist, und dass dieses Rohr (6) an den Wandteil gelötet ist.4) radiator according to claim 1 or 2, characterized in that there is at least one conductor (5) on the wall part of the Radiator is that this conductor, z. B. a thermoelectric element, a sleeve made of stainless steel or Inconel. has that this conductor (5) is surrounded by a tube (6) made of stainless steel, nickel, chromium, tantalum or an alloy of these materials is made, and that this tube (6) is soldered to the wall part. 5) Heizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stromleiter (5) in einer Rille (8) befindet, deren restlicher Raum mit Lötmaterial (7) ausgefüllt.5) radiator according to claim 4, characterized in that the conductor (5) is in a groove (8), the remaining space of which is filled with soldering material (7). 6) Heizkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötmaterial Silizium enthält.6) radiator according to claim 4 or 5, characterized in that that the solder material contains silicon. 109826/1169109826/1169
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