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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Heizelemente, mit
denen Elektrohaushaltsgeräte ausgestattet
sein können,
und insbesondere ihre Herstellung.
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Heizelemente,
auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, werden im Allgemeinen "abgeschirmte" Heizelemente genannt,
wobei ihr Aufbau ein Metallrohr umfasst, in dem ein Widerstandsdraht angeordnet
ist, das von Magnesiumoxid umgeben ist. Die Last dieser Elemente
ist ziemlich hoch, da sie 30 W/cm2 überschreiten
kann. Derartige Elemente kommen bei heizenden Elektrohaushaltsgeräten wie Kochern,
Elektroherden, Grills, usw. häufig
vor.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Heizelemente, deren
Rohr aus Metall besteht. Zwar existieren zahlreiche Herstellungsverfahren
zur Realisierung derartiger Elemente, sie haben jedoch alle die
Realisierung des Metallrohres, das Füllen des Rohres mit einem Widerstanddraht
und mit Magnesiumoxid und dann das Einlegen in einen Glühofen gemeinsam.
Sie werden anschließend
vor den Stopfvorgängen
in Form gebracht werden.
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Ein
derartiges Verfahren kann somit in folgende Schritte unterteilt
werden:
- – Herstellung
des Rohres,
- – Einsetzen
der Baugruppe aus Widerstandsdraht und Klemmen, dann Füllen mit
Magnesiumoxid,
- – Komprimierung
der Baugruppe,
- – Glühen der
Baugruppe, um dem Magnesiumoxid Feuchtigkeit zu entziehen,
- – gegebenenfalls
wird das Rohr auf die exakte Länge
gebracht und geradegerichtet,
- – Formen
des Rohres in Abhängigkeit
von dem Gerät,
für das
es vorgesehen ist (gekrümmte Form,
usw.),
- – Trocknung
in einem Ofen für
eine Dauer von 60 bis 90 Minuten (da das Magnesiumoxid erneut Feuchtigkeit
aufgenommen hat),
- – Tränken der
Enden des Widerstands mit Harz,
- – manuelles
Einlegen der Stopfungsperlen aus Keramik an den Enden,
- – Polymerisieren
des Harzes für
eine Dauer von 90 Minuten,
- – Endformungsvorgang
an der Presse.
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Aus
der
DE 2017589 ist somit
ein Verfahren zum Stopfen eines röhrenförmigen Heizelements bekannt,
das aus den Schritten besteht, in denen an den Enden des Rohres
ein flüssiges,
durch Vernetzung gehärtetes
Epoxydharz gefüllt
wird, das mit dem Magnesiumoxid in Berührung ist und auf dem ein kaltvulkanisiertes
Silikongummi aufgebracht wird, wobei eine Isolierungsperle das Ende
des Rohres bedeckt und stopft.
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Eines
der Hauptnachteile eines derartigen Verfahrens ist unter anderem
die Länge
des Herstellungszyklus insbesondere aufgrund der thermischen Schritte
und des anschließenden
Abkühlens.
Die Widerstände
weisen beispielsweise nachdem sie im Glühofen waren eine hohe Temperatur
auf. Sie müssen
somit vor den nachfolgenden Schritten in einem Abkühlungsbereich
gelagert werden.
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Darüber hinaus
es sind Trocknungsvorgänge erforderlich,
da das Magnesiumoxid sehr hydrophil ist, solange es nicht entwässert und
dann von der Außenumgebung
isoliert wurde.
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Bei
einem derartigen Verfahren gewährleistet
ferner das Harz, das nach der Formgebung des Widerstands eingesetzt
wird, das Einkapseln der Perle und die Dichtigkeit des Widerstands.
Es muss somit den gesamten Raum zwischen dem Magnesiumoxid und der
Keramikperle ausfüllen,
was in der Praxis dazu führt, dass
ein Überschuss
an Harz erforderlich ist, das überläuft, wenn
die Keramikperle eingesetzt wird, damit gewährleistet ist, dass das Harz tatsächlich mit
der Perle in Berührung
ist. Ein derartiges Überlaufen
kann zu Fertigungsausschuss und sogar zu Betriebsstörungen der
fertigen Heizelemente führen.
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Die
DE 24 10 451 zeigt ein derartiges
Ausführungsbeispiel,
bei dem das Stopfen des Heizelements durch eine elastische Hülse gewährleistet
ist, die über
eine Verschlussflüssigkeit
des Typs Polydimethylsiloxan mit dem Magnesiumoxid in Berührung ist.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, die zur Herstellung
von wie zuvor beschriebenen Heizelementen erforderliche Zeit zu
verkürzen.
Diese Verkürzung
der Herstellungszeit führt
zu einer Senkung der Produktionskosten.
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Eine
Vereinfachung der Schritte und insbesondere ihrer Anzahl muss es
ermöglichen,
die Transportvorgänge
der Elemente und die Verrichtungszeit zu verringern, die Platz erfordert
und hohe Lagerbestände
erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Hilfe eines Verfahrens zur Herstellung
eines Heizelements ausgehend von einem geraden Metallrohr erreicht, wobei
das Verfahren die Schritte umfasst, bei denen eine Baugruppe aus
einem Widerstandsdraht und zwei Klemmen in das Rohr eingesetzt wird,
wobei die beiden Klemmen an jedem Ende des Rohres münden, wobei
dieses mit Magnesiumoxid gefüllt
wird, wobei diese Schritte von einem Verdichtungsvorgang gefolgt
von einem Glühen
in einem Ofen bei hoher Temperatur gefolgt werden, wobei nach diesem Glühschritt,
während
der Abkühlungsphase
des Rohres, ein Schritt durchgeführt
wird, bei dem mindestens eines der Enden des Rohres mit Hilfe eines
Harzes gestopft wird, das mit dem Magnesiumoxid in Berührung ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation des Harzes nicht
vollständig
ist und das Harz vor jeglicher Formgebung des Rohres in einem gelartigen
Zwischenzustand gelassen wird, wobei das Harz anschließend, nach
dem Herstellungsverfahren, polymerisiert wird.
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Dadurch,
dass unmittelbar nach der Glühphase
der Rohre das Stopfen der Elemente mit einem geeigneten Harz durchgeführt wird,
ist das Magnesiumoxid nach diesem Trocknungsschritt von der Außenumgebung
isoliert und kann während
seines Abkühlens
keine Feuchtigkeit aufnehmen. Es ist dann kein weiterer thermischer
Zyklus, der die Feuchtigkeitsaufnahme durch das Magnesiumoxid verhindern
soll, erforderlich, was am Ende die Herstellungszeit der Heizelemente
stark verkürzt.
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Indem
früh genug
im Herstellungsverfahren die Enden der Rohre gestopft werden, und
dies auf endgültige
Weise, wird ferner jeglicher Magnesiumoxidverlust vermieden, der
nicht nur unnötige
Materialverluste bewirkt, sondern auch die verschiedenen Fließbänder verschmutzt,
auf denen die Rohre während
ihrer Umformung befördert
werden.
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Indem
ferner das Harz in einem Zwischenzustand zwischen der flüssigen oder
halbflüssigen
Phase und der festen Phase nach vollständiger Polymerisation gelassen
wird, wird die Formgebung der Heizelemente gemäß der gewünschten Konfiguration ermöglicht,
ohne dass die Gefahr besteht, dass das polymerisierte Harz bricht.
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Dieser
gelartige Zustand für
eine ausreichend lange Dauer nach ihrem Austritt aus dem Ofen ist
kein natürlicher
Zustand der Harze. Die meisten von ihnen polymerisieren nämlich schnell,
und eine nachträgliche
Formgebung des Widerstands, es sei ein Formen, ein Strecken oder
eine Kalibrierung, führt
zu einem Brechen des Widerstandsendes. Aus offensichtlichen Gründen des
Brechens des Harzes sobald ein Formgebungsschritt, wie etwa Biegen, Strecken,
Formen als U, durchgeführt
wird, kann es dann als hinderlich erscheinen, die Heizelemente vor jeglicher
Formgebung mit einem Harz stopfen zu wollen.
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Nach
zahlreichen Labortests hat es sich jedoch als möglich erwiesen, hauptsächlich durch
Erfahrung ein Harz auszuwählen,
das einen gelartigen Zustand aufweist, wenn es für eine bestimmte Dauer auf
eine bestimmte Temperatur gebracht wird, wobei dieser Zustand es
ermöglicht,
seine Eigenschaften zum Stopfen des Rohres zu kumulieren, da das
Harz nicht aus dem Rohr fließt,
und gleichzeitig temporär eine
gewisse Nachgiebigkeit beizubehalten, durch die es bei den verschiedenen
Vorgängen
zum Formen der Rohre den mechanischen Beanspruchungen folgen kann.
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Zwar
wird die Polymerisation, wenn sie ausgelöst ist, fortfahren und nicht
rückgängig gemacht werden,
doch durch die korrekte Auswahl nicht nur des Harzes, sondern auch
der Polymerisationsparameter ist es möglich, rasch einen gelartigen
Zustand zu erhalten, der mindestens während der weiteren Schritte
zur Umformung des Rohres in ein Heizelement, das dazu bereit ist,
an einer heizenden Unterbaugruppe angebracht zu werden, andauert.
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Im
Vergleich zum Stand der Technik liegt ein weiterer Vorteil im Ablauf
dieses Verfahrens darin, dass das eingebrachte Harz nicht mehr dazu
dient, sowohl das Stopfen als auch das Einkapseln der am Ende angeordneten
Perle zu gewährleisten,
sondern lediglich für
seine Funktion zum Tränken
und Stopfen des Magnesiumoxid verwendet wird. Nun kann ein volumetrisches
Einbringen des Harzes durchaus in Betracht gezogen werden, was dazu
führt,
dass der Vorgang des Einbringens des Harzes und des Polymerisierens
leicht automatisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist das
verwendete Harz ein Methylphenylsiloxan-Harz, das neben guten Dichtigkeitseigenschaften
eine relativ leichte Anwendung aufweist, wobei die Härtungskurve
durch einen Katalysator angepasst werden kann. Es kann ferner in
dicken Schichten polymerisiert werden, ohne dass während der
Polymerisation Blasen entstehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Anwendung der Erfindung beträgt die Polymerisationstemperatur
zwischen 160 und 220°C.
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Vorzugsweise
beträgt
die Polymerisationszeit zwischen 5 und 15 Minuten.
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Darüber hinaus
ist die vorliegende Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, dass
das Herstellungsverfahren nach dem Stopfen mindestens eines der
Enden des Rohres einen Schritt umfasst, bei dem das Ende durch eine
nachgiebige, selbstklemmende Silikonhülse an der mit dem Widerstandsdraht
verbundenen Klemme verschlossen wird, wobei das Ende des Rohres
anschließend
an der nachgiebigen Hülse
zugezogen wird, um die Dichtigkeit des Verschlusses gegen Spritzer
zu gewährleisten.
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Dieser
Dichtigkeitsschritt ist für
den optimalen Betrieb der Heizelemente erforderlich und hat den Vorteil
eines rein mechanischen Haltens der Hülse im Rohr. Seine automatisiertere
Durchführung
ist somit einfacher. Eine Lösung,
die relativ leicht automatisiert werden kann, ist umso günstiger,
als die Phase des Stopfens des Magnesiumoxids auch automatisiert werden
kann, wie zuvor beschrieben wurde.
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Der
Hauptunterschied zu den Verfahren aus dem Stand der Technik liegt
somit darin, dass die geraden, aus dem Glühofen austretenden Widerstände durch
das Einbringen eines Harzes gestopft werden, und dies vor ihrer
Formgebung. Indem das Harz im "halbpolymerisierten" Zustand gehalten
wird, wird das Umformen des Widerstands ohne Beeinträchtigung
des Stopfens ermöglicht.
Zusätzlich
ermöglicht das
Einsetzen einer Hülse,
die durch Zuziehen des Rohres an der Hülse blockiert wird, die Automatisierung
aller Verfahrensschritte bei einer hervorragenden Steuerung der
verschiedenen Schritte und somit der Endqualität der Produkte.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Heizelement mit einem Metallrohr,
in dem eine Baugruppe aus einem von Magnesiumoxid umgebenen Widerstandsdraht
und zwei Klemmen, die an jedem Ende des Rohres münden, eingesetzt ist, wobei
das Rohr an mindestens einem seiner Enden mit einem polymerisierten
Dichtigkeitsharz gestopft ist, das mit dem Magnesiumoxid in Berührung ist,
dadurch gekennzeichnet, dass es an dem Ende eine nachgiebige Verschlusshülse aus
Silikon aufweist, die auf die Klemmen geschoben ist, wobei das Ende
des Rohres an der Hülse
mechanisch zugezogen ist.
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Die
Kombination des Stopfharzes mit der nachgiebigen Verschlusshülse, die
durch das Rohr mechanisch gehalten ist, gewährleistet die Dichtigkeit und
den Normdurchlass der so gebildeten Heizelemente, wobei sie gleichzeitig
eine hohe Langlebigkeit und eine hohe Stabilität aufweist.
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Vorteilhafterweise
ist die nachgiebige Silikonhülse
an der Klemme selbstklemmend, was die Arbeitsvorgänge der
Herstellung vereinfacht und dabei die Automatisierung ihres Einsetzens
erleichtert, wobei gleichzeitig dem Endprodukt eine Zuverlässigkeit
verliehen wird, indem die Dichtigkeit an der Verbindungsstelle zwischen
der Klemme und der nachgiebigen Hülse gewährleistet wird.
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Vorteilhafterweise
ist zwischen der Hülse und
dem Harz ein Raum ausgebildet. Dieser materialfreie Bereich zwischen
der Hülse
und dem Harz ermöglicht
es, die Abmessungsunterschiede zu beseitigen, die insbesondere mit
den Toleranzen der verschiedenen Bauteile zusammenhängen sowie
mit den mechanischen Walz- und Richtbehandlungen der Heizelemente
entweder während
ihres Herstellungszyklus oder später,
während
ihrer Benutzung. Dieser Raum kann zwischen 0 und 2 mm variieren und
beträgt
vorzugsweise mindestens 1 mm.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft auch ein Heizelement
mit einem Rohr aus rostfreiem Stahl, in dem eine Baugruppe aus einem
von Magnesiumoxid umgebenen Widerstandsdraht und zwei Klemmen, die
an beiden Enden des Rohres münden,
eingesetzt ist, wobei mindestens eines der Enden des Rohres in Bezug
auf den Außenbereich
durch eine Silikonhülse
verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es ein einziges Harz zum
Stopfen und Tränken
des Magnesiumoxids aufweist, wobei das Harz ein Methylphenylsiloxan-Harz ist.
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Das
Tränken
und Stopfen des Magnesiumoxids durch ein einziges Harz ermöglicht es,
die Herstellungskosten zu senken und dabei eine hohe Stopfqualität zu gewährleisten,
wobei mehrere Bauteile weggelassen werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen und ergeben
sich klarer beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die ein nicht
einschränkendes
Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Heizelements anhand der beigefügten 1 darstellt,
welche im Schnitt ein fertiges Heizelement zeigt, das bereit ist,
an einer heizenden Unterbaugruppe angebracht zu werden.
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Somit
kann ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines Heizelements 1 durch folgende Schritte beschrieben
werden:
- 1. Herstellung des geraden und in der
Länge geschnittenen
Rohres 2 aus rostfreiem Stahl,
- 2. Einsetzen der Baugruppe aus dem Widerstandsdraht 4 und
den Klemmen 6, die am Draht 4 angeschweißt sind,
und anschließend
Füllen des
Rohres mit Magnesiumoxid 8,
- 3. Glühen
der Baugruppe in einem Durchlassofen, der 1000°C erreicht, um das Magnesiumoxid
zu entwässern.
Die Dauer des Zyklus, der das Vorheizen, das Glühen und ein gesteuertes Abkühlen der
Teile umfasst, beträgt
eine Stunde.
- 4. Beim Austreten aus dem Ofen Anordnen der Rohre auf einem
senkrechten Träger,
wobei die Enden der Rohe für
ihr Stopfen mit Harz bei 180°C
gehalten werden. Dieser Vorgang, der für jedes Ende durchgeführt wird,
umfasst die folgenden Schritte:
- – den
Schritt, bei dem das Harz 10 mit Hilfe einer volumetrischen
Pistole, die 0,05g ± 10%
Produkt abgibt, kalibriert eingebracht wird. Die Produktmenge ist
so bestimmt, dass das Harz das Magnesiumoxid 8 über eine
Länge d
tränkt,
wobei ein Überschuss
von Harz 14 zwischen dem Magnesiumoxid 8 und dem
Ende des Rohres 2 vorhanden ist, der als Stopfen wirkt.
Dieser Überschuss
erreicht jedoch nicht das Ende des Rohres. Der Tränkbereich 12 liegt
im vorliegenden Fall bei 10 mm.
- – den
Schritt, bei dem das Harz bei einer Temperatur von 180°C für eine Dauer
von 10 Min. teilweise polymerisiert wird. Das Harz ist dann gelartig mit
einer oberflächlichen
Kruste 11. Diese erste Phase zur Umformung des Harzes reicht
aus, um das Stopfen der Rohre zu gewährleisten.
- 5. Abführen
der Rohre auf einen Träger
und Abkühlen
im Wesentlichen auf Raumtemperatur. Sie sind dann bereit, gegebenenfalls
nach einer Streckungsphase, an einer automatisierten Maschine Silikonhülsen aufzunehmen.
- 6. Einsetzen der Silikonhülsen 20,
die kleine, nachgiebige Rohre sind, die eng am starren Klemmen 6 gleiten.
- 7. Falzen des Endes des Rohres mit Hilfe eines konischen Werkzeugs,
das das Ende 18 des Rohres 2 klemmt, um es auf
die nachgiebige Hülse umzubiegen,
damit diese blockiert wird.
Darüber hinaus ermöglicht die
Nachgiebigkeit des Silikons einen großen Klemmspielraum, wobei sich
die Hülse
mehr oder weniger in Abhängigkeit von
der erzeugten mechanischen Beanspruchung verformt. Die automatische
Falzmaschine ermöglicht
es, die Hülse 20 in
Bezug auf das Ende 18 des Rohres 2 genau zu positionieren,
wodurch zwischen dem Harz 10 und der Hülse 20 ein Raum 16 beibehalten
werden kann, der bei den nachfolgenden Formvorgängen mögliche Wechselwirkungen zwischen
dem Harz und der Hülse vermeidet.
Es
ist anzumerken, dass es durch das Falzen an der nachgiebigen Hülse auch
möglich
ist, eine Dichtigkeit des Endabschnitts des so gebildeten Heizelements
gegen Spritzer (Staub-, Fluidspritzer, usw.) zu gewährleisten.
- 8. Nach einem möglichen
Richten der Heizelemente, damit sie gerade sind, werden die Elemente
in Form gebracht oder gekrümmt.
Unter dem Ausdruck "gekrümmtes Element" ist jegliches Element
zu verstehen, das im Gegensatz zu linearen Elementen mindestens
einen Verformungsradius aufweist. Es kann sich somit um ein Element
mit einer einfachen U-Form mit einem einzigen Verformungsradius
handeln oder mit einer komplexeren Form aus einem doppelten U, aus
Spiralen, aus Verwindungen, usw..
- Während
der ganzen Schritte zur Formgebung des Materials, in denen das Metallrohr
mechanisch beaufschlagt wird, entweder durch Strecken, Richten oder Formen,
bleibt das Harz stets gelartig und kann den dem Rohr auferlegten
Bewegungen folgen, ohne dass seine Struktur zerfällt.
- 9. Nach einer elektrischen Kontrolle werden die Heizelemente
an die heizenden Unterbaugruppen geschweißt, die für sie bestimmt sind, und getestet.
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Insgesamt
dauert das Verfahren ungefähr eine
Stunde, im Vergleich zu mehr als 6 Stunden im Stand der Technik.
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Es
ist anzumerken, dass der Schritt, bei dem der Widerstandsdraht und
die Klemmen eingesetzt werden, variiert werden kann, wobei die beiden Klemmen
vor dem Einbringen in das Rohr bereits am Draht angeschweißt sein
können
oder nicht. Die vorliegende Erfindung deckt auch die Fälle, in
denen der Widerstandsdraht in das Rohr eingesetzt wird und mindestens
eine der Klemmen nach diesem Vorgang angeschweißt wird.
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Die
Polymerisationszeit, die im Vergleich zu herkömmlicheren Verfahren sehr kurz
ist, ergibt sich aus der unvollständigen Umwandlung des Harzes. Diese
Umwandlung wird entweder im Laufe der Zeit (etwa ein Jahr) vollendet,
wenn das Heizelement nicht verwendet wird, oder sehr rasch (mehrere
Dutzend Minuten) vollendet, sobald das Heizelement ein erstes Mal
verwendet wird, da es dann auf eine hohe Temperatur gebracht wird.
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Indem
somit das Harz direkt nach dem Austreten aus dem Ofen eingebracht
wird, und indem das Harz nur teilweise polymerisiert wird, können die Schritte
des Verfahrens zur Herstellung von Heizelementen aus rostfreiem
Stahl erheblich vereinfacht werden, was einen Zeitgewinn bewirkt,
der unmittelbar zu einer starken Senkung der Kosten und der Lagerbestände führt.
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Indem
ferner Schritte vorgeschlagen werden, die automatisiert werden können, werden
auch die Förderungskosten
gesenkt, wobei gleichzeitig die Qualität der hergestellten Heizelemente
verbessert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf Rohre aus rostfreiem Stahl beschränkt, sondern
betrifft auch alle Metallrohre.