DE3004188A1 - Verfahren und vorrichtung zur formgebung eines heizelementes - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur formgebung eines heizelementesInfo
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Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR FCRIiGZEU^G ΖΚΙΞ3
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Formgebung von Heizelementen zur Verwendung als Strahlungsheizer
für Herde oder dergleichen mit ebenen Kochplatten, durch Erwärmen und Kühlen der Heizelemente, insbesondere
von Heizelementen, die aus einer blanken Widerstandsheizdrahtwendel bestehen und nach dem
Kühlen keine oder nur minimale, von der Formgebung herrührende Biegespannungen aufweisen.
Herde mit ebenen Kochplatten sind Herde, deren Deckplatte völlig eben und die normalerweise eine Glaskeramikplatte
ist. Unter dieser Deckplatte sind in freiem Abstand ein oder mehrere in der Regel kreisförmige
elektrische Strahlungsheizelemente angeordnet, die sich jeweils auf einer Grundschicht aus einem elektrisch
und thermisch isolierenden Werkstoff befinden.
Zum Gebrauch werden Kochgefäße an den Stellen auf die Deckplatte gestellt, an denen die ebene Platte durch
die darunter in Abstand angeordneten Strahlungsheizer mittels Wärmestrahlung und Wärmeleitung durch die Luft
erhitzt werden. Die Heizelemente werden deshalb als Strahlungsheizer bezeichnet. Das unter den eigentlichen
Heizelementen angeordnete isolierende Material verhindert seitlichen und nach unten gerichteten Wärmeabfluß,
so daß die Wärme überwiegend nach oben an die Deckplatte abgegeben wird. Die vorzugsweise für die
ebenen Deckplatten verwendeten Materialien sind im wesentlichen thermisch nicht leitend, so daß sich
nur die Stellen, denen Wärme zugeführt wird, erwärmen. Um diese erwärmten Stellen besser zu lokalisieren und
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Zufuhr von Wärme zu Stellen, die normalerweise nicht von den Kochgefäßen abgedeckt werden, zu vermeiden,
weisen die darunter angeordneten Strahlungsheizer einen Außenrand aus wärmeisolierendem Material auf,
der üblicherweise den gesamten Strahlungsheizer umschließt.
Für derartige Strahlungsheizer wird üblicherweise als eigentliches Heizelement eine spiralförmige blanke
Drahtwendel aus Eisen-Chrom-Aluminium-Widerstandsheizdraht
verwendet, die von Natur aus stark federnd ist. Derartige Strahlungsheizer sind z.B. in der prioritätsgleichen
britischen Patentanmeldung Nr. 79-04289 beschrieben.
In derartigen Strahlungsheizern werden die als Heizelemente dienenden Heizdrahtwendeln neuerdings in komplizierten
und stark gewundenen Formen angeordnet. Sine solche Anordnung verlangt eine sehr feste Fixierung
und Sicherung der Heizdrahtwendel im Strahlungsheizer, um die Wendel in der gewünschten Form an ihrem Platz zu
halten. Dabei kann eine Beschädigung des aus Isoliermaterial bestehenden Trägers eintreten.
GB-PS 773 496 bezieht sich auf die Herstellung von Heizdrahtwendeln,
die als Heizelemente für Kathodenstrahlröhren und dergleichen dienen sollen. Um den Heizdraht
als Drahtwendel zu stabilisieren, wird der Draht mittels elektrischen Stromes auf 8000C erwärmt.
Aus GB-PS 933 415 ist ein Heizelement für elektrische Kochplatten
bekannt, das aus einem geraden Widerstandsheizdraht, umgeben von Isoliermaterial und einer metallischen Ummantelung,
besteht. Um dieses Heizelement in die für Kochplatten geeignete Form zu bringen, wird es auf einen der
gewünschten Form entsprechenden Körper aus elektrisch isolierendem Material aufgewickelt und Strom durch die Außen-
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hülle geleitet, um die Biegespannungen im Mantel aufzuheben.
"Ein solches, aus einem ummantelten, glatten Heizdraht
bestehendes Heizelement ist jedoch zur Verwendung in Strahlungsheizern ungeeignet, wenn das eigentliche
Heizelement in komplizierte, unregelmäßige Formen gebogen werden muß, um den heutigen Anforderungen an Strahlung
she izkörpern für Herde mit Glaskeramikplatten zu genügen. Diesen Anforderungen kann am besten entsprochen
werden, wenn man als eigentliches Heizelement eine blanke Drahtwendel aus Widerstandsheizdraht verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, mittels deren Heizdrahtwendeln
zu komplizierten, unregelmäßigen Formen gebogen und in dieser gebogenen und gekrümmten Form so
stabilisiert werden, daß keine oder nur nich minimale Biegespannungen vorhanden sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der Formgebung eines Heizelementes zur Verwendung als Strahlungsheizer in Herden mit ebenen Kochplatten durch Erwärmen
und Kühlen des Heizelementes in einer Form. Das Kennzeichnende des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im Einbringen
und Festhalten des Heizelements aus einer spiralförmigen, blanken Drahtwendel in einer gewundenen Nut, entsprechend
der gewünschten Form des Heizelementes, und Erwärmen des Heizelementes in der Nut auf eine solche
Temperatur und für eine solche Zeit, die ausreichend ist, um die durch das Einlegen in die Nut entstandenen Biegespannungen
des Heizelementes aufzuheben.
Die zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nut in der gewünschten
Ausbildung in einer Form aus hochtemperaturbeständigem,
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isolierendem Material ausgebildet und tief genug ist, um das Heizelement darin aufzunehmen und festzuhalten.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dafür geeigneten Vorrichtung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Um die Biegespannungen zu beheben, ist es normalerweise ausreichend, das Material auf die sogenannte Temper-Temperatur
des als Heizelement verwendeten Materials aufzuheizen. Für die üblichen 7/iderstandsheizdrähte,
z.B. aus Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen, liegt diese Temperatur zwischen 700 und 9000C. Sin Viderstandsheizdraht
aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung
erfordert etwa die gleiche Temperatur zur Beseitigung von durch Biegen entstandenen Spannungen. Das Erwärmen
kann durch Hindurchleiten elektrischen Stromes in der gleichen -i'eise wie beim späteren Betreiben des Heizelementes
erfolgen. Die dabei anzuwendende Spannung ist nicht kritisch, aber sie sollte üblicherweise größer sein als
die spätere Betriebsspannung des Heizelementes.' Sine Spannung von 500 V ist für Heizelemente mit einem 6 mm Stanclarddurchmesser
aus Eisen-Chrom-Aluminium-Widerstandsdraht, die üblicherweise bei 220 bis 250 V betrieben v/erden, ausreichend,
um die erforderliche Temperatur zu erreichen. Die Temper-Temperatur eines Metalls oder einer Legierung
ist die Temperatur, bei der eine Rekristallisation eintritt. Wenn ein Material, wie ein Heizelement bei der
vorliegenden Erfindung, verformt worden ist, bildet sich bei der Temperung eine neue Kristallstruktur in Form eines
stabilen Gleichgewichts aus, und der verformte Gegenstand verliert die Neigung, seine ursprüngliche Gestalt wieder
anzunehmen. Wegen des Prinzips der Temperung von verformten Metallkörpern wird verwiesen auf "Process and Physical
Metallurgy" von James E. Garside, 2. Auflage, Charles Gr if fin and Company (1957), Seite 225 ff.
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Als Formkörper für die Drahtwendel dient bevorzugt ein
Block aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, der an seiner Oberfläche mit einer Nut versehen wird.
Diese Nut hat die Form, die dem spiralförmigen Heizdrahtwendel vermittelt werden soll, und läßt sich einfach
und ohne Probleme auch bei komplizierten Krümmungen aus dem Isolationsmaterial herausarbeiten. Es sind kreisförmige,
viereckige und unregelmäßig verlaufende Nuten möglich. Bevorzugt wird jedoch eine Nut, deren Längsausdehnung
so ist, daß beide Enden benachbart am Außenrand der späteren Heizfläche liegen, wobei die Nut so gewunden
und verschlungen ist, daß im Zentrum eine Fläche freibleibt.
Als elektrisch und thermisch isolierendes Material für diesen Formblock sind beispielsweise keramische
Werkstoffe oder ein Asbestzement besonders geeignet. Die Nut ist üblicherweise tief genug, um die zunächst
federnde Drahtwendel ohne zusätzliche Hilfsmittel in der Nut festzuhalten. Der Querschnitt der Nut kann
quadratisch, rechteckig, halbkreisförmig und dergleichen sein. Bevorzugt wird ein Querschnitt, bei dem die
Nut am Boden etwas breiter ist als an der Oberfläche der Form. Die Breite der Nut ist in der Regel etwa
0,5 bis 5 % größer als der Querschnitt der einzulegenden und zu verformenden Drahtwendel. Dabei kommt es
jedoch nicht so sehr auf die Tiefe der Nut, sondern in erster Linie auf die Breite der Nut an. Diese gegenüber
der Heizdrahtwendel vergrößerte Abmessung der Nut soll das Einlegen und das Herausnehmen erleichtern.
Während des Temperns tritt ein sehr geringes Schrumpfen der Drahtwendel ein, das typischerweise bei etwa 1,25 %
ihres Volumens liegt.
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Die Nuten haben in der Regel einen Durchmesser zwischen 3 und 10 mm, entsprechend den Durchmessern der zu verformenden
Heizdrahtwendeln. In Sonderfällen sind auch geringere oder größere Durchmesser möglich. Das erfindungsgemäße
Verfahren erlaubt es, die Spirale mit niedrigen Wenderadien in Zickzack-, Bogen- oder Kreisform zu bringen,
ohne dabei die eigentliche Wende . zu deformieren oder die
Spirale aufzuwickeln. Auch ist das Einlegen des Heizelementes in die Nut ohne besondere Hilfsmittel möglich,
!lach Abschalten des Stromes zum Erwärmen kühlt sich das
Heizelement relativ leicht und schnell ab und läßt sich bereits nach kurzer Zeit aus der formgebenden Mut herausnehmen
und behält in Längsrichtung die durch den Nutverlauf festgelegte Form.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es also möglich, Heizelemente so vorzuformen, daß sie den Anforderungen
an Strahlungsheizer, die eine, bezogen auf die Heizfläche möglichst gleichmäßige Wärme abstrahlen sollen,
genügen; dazu ist insbesondere eine möglichst gleichmäßige Drahtverteilung über die gesamte Heizfläche erwünscht.
Besonders zu vermeiden sind vor allem Dehnungen oder Stauchungen der Spiralen an engen Wendepunkten,
weil derartige Unregelmäßigkeiten auch entsprechend unterschiedliche Strahlungshitze erzeugen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dafür geeigneten Vorrichtung vorgeformten Heizelemente lassen sich
besonders schnell und einfach in Strahlungsheizer einbauen, ohne daß besondere Hilfsmittel erforderlich sind oder
die Spiralen in den Strahlungsheizern mittels besonderer Sicherungen fixiert werden müssen. Infolgedessen wird die
Montage von Strahlungsheizern, insbesondere bei Serienherstellung,
erleichtert, beschleunigt und damit erheblich billiger. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeformten Heizelemente aus blanken Heizdrahtwendeln besteht
darin, daß sie beim Einbau in Strahlungsheizern auf den
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glatter, oder mit flachen Nuten versehenen Oberflächen
des isolierenden Trägermaterials ohne weiteres durch nur wenige Heftklammern oder Einkitten an einigen Punkten
befestigt und zuverlässig in dieser Stellung fixiert werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür
geeignete Vorrichtung sind besonders geeignet zum Vorformen von Heizelementen aus Heizdrahtwendeln für Strahlungsheizer für Herde mit elektrischen Kochplatten, wobei die
Abdeckung durch eine glatte und ebene, vorzugsweise aus
Glaskeramik bestehende Platte, erfolgt.
Um den Gegenstand der Erfindung noch besser verständlich zu machen, wird er beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Bezeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf die Form mit Nuten, in die das Heizelement vor dem Erwärmen eingelegt wird.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Sicht ein Gerät mit darin angeordneter Form zum Erwärmen der Heizelemente.
Fig. 3 zeigt im Detail die Ausbildung der beiden Endnuten in der Form mit den Einrichtungen zur Stromzufuhr.
In Fig. 1 ist eine Form 2 wiedergegeben, mit der ein Heizelement" für einen Strahlungsheizer mi-F kreisförmiger
Heizfläche geformt werden soll. Die Form 2 besteht aus einem Block aus Asbestzement, in den eine Nut k zur
Aufnahme des Heizelementes 6 eingearbeitet wurde. Aus der Abbildung ist zu erkennen, daß sich die Nut längs eines
stark gewundenen und gekrümmten Weges erstreckt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung über die gesamte kreisförmige
Heizfläche zu erreichen. Im Zentrum der Form 2 ist ein Stück ausgespart, um diese Fläche vom Heizelement
6 freizuhalten. Diese Fläche wird im fertig montierten Strahlungsheizer für die üblicherweise vorgesehenen Überhitzungsschutzeinrichtungen
benötigt und muß deshalb beim
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Vorformen entsprechend als freie Fläche berücksichtigt werden. Der in Fig. 1 wiedergegebene Längsverlauf der Nut
ist besonders vorteilhaft, weil die Enden unmittelbar benachbart am Außenrand der späteren Heizfläche liegen und
auf diese Weise ein Heizelement mit benachbarten Stromzuführungen entsteht. Ss sind aber auch Nutenführungen möglich,
bei denen beispielsweise das zweite Ende der Nut im Zentrum oder in der Nähe des Zentrums der zu bildenden Heizfläche
liegt. An den Enden der einzulegenden Heizdrahtwendel sind Verbinciungsplatten 8 angeschweißt, die in die Öffnungen
10 hineinreichen zur Verbindung mit einer nicht gezeigten elektrischen Spannungsquelle für das Erwärmen des
Heizelementes. Die Nut ist so tief ausgebildet, daß sie etwa 60 % der Dicke der Form 2 erreicht und bei gegebenem
Durchmesser der Heizdrahtwendel etwas tiefer ist als der Durchmesser der Heizdrahtwendel. Die oberen Xanten der Nut
sind etwas abgerundet, um das Einlegen des Heizelementes in die Nut zu erleichtern. Die Nut ist vorzugsweise zwischen
0,5 % und 5 % breiter als der Durchmesser des Heizelementes
6.
Die in den Figuren 2 und 3 wiedergegebene Einrichtung
besteht aus einem Basisblock 12 mit einer darauf angeordneten, T-förmig ausgebildeten Platte 14. Durch die Basis
der T-förmigen Platte 14 erstrecken sich zwei elektrische Federkontakte 16, in die die Verbindungsplatten 8 eingreifen,
wenn die Form 2 mit eingelegtem Heizelement 6 in die Einrichtung eingebracht wird. Ein Deckel 18, der an der Kante
20 angeschlagen ist, weist eine Platte 22 zum Eingriff mit der Form 2 auf, um zu verhindern, daß das Heizelement
6 von selbst aus der Form 2 herausspringt. Die Platte 22
ist in der Form so ausgebildet und breit genug, daß der Eingriff mit der Form 2 besonders an den Stellen 5 erfolgt,,
bei denen die Nut eine besonders starke Krümmung 26 mit engen Krümmungsradien aufweist, denn besonders an diesen Punkten
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besteht die Neigung des Heizelementes, von selbst aus der Nut herauszuspringen, solange die Biegespannungen nicht
aufgehoben sind.
Die Abbildungen zeigen, daß das Heizelement und die Form nicht durch besondere Maßnahmen gegenüber der Umgebung
wärmeisoliert sind, denn eine maximale Wärmeabfuhr aus der Form und dem Heizelement ist erwünscht, um eine rasche Abkühlung
des Heizelementes zu ermöglichen. Deshalb kann das Heizelement in der Regel unmittelbar nach der Wärmebehandlung
aus der Form entnommen werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die erforderliche Länge einer Heizdrahtwendel
aus Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung an den Enden mit Verbindungsplatten 8 versehen, etwas ausgezogen und in
die Nut 4 der Form 2 eingelegt, so daß die Verbindungsplatten 8 in die Öffnungen 10 hineinreichen. Die Form
2 wird dann in die Einrichtung 12 derart eingebracht, daß die Platten 8 mit den Federkontakten 16 zum Eingriff
kommen. Anschließend wird der Deckel 18 geschlossen und ein Schalter der Steuereinrichtung 24 betätigt. Dadurch
wird eine Spannung von annähernd 500 Volt über die Verbindungsplatten 8 an das Heizelement für eine Zeit
von etwa 20 Sekunden angelegt. Diese Spannung und Zeit ist im allgemeinen ausreichend, um ein Heizelement der
in den Abbildungen wiedergegebenen Form mit einem Formdurchmesser von 200 mm so weit zu erwärmen, daß die Biegespannungen
beseitigt sind und das Heizelement die Form nach dem Kühlen behält. Die Höhe der elektrischen Spannung
und die Zeitdauer des Stromflusses ist nicht besonders kritisch, entscheidend ist, daß das Heizelement während
des Aufenthaltes in der Nut auf einer Temperatur zwischen 7000C und 9000C erwärmt wird. Die Temperatur würde auch
bei niedrigeren elektrischen Spannungen erreicht werden, aber zur Abkürzung der Heizperiode wird eine entsprechend
höhere Spannung bevorzugt. Am Ende der Heizperiode, beispielsweise nach 20 Sekunden, wird der Strom durch die
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Steuereinrichtung 24 automatisch abgeschaltet und durch ein Signal, beispielsweise ein Lichtsignal oder ein akustisches
Signal, das Ende des Arbeitstaktes angezeigts so daß der Deckel vom Bedienungspersonal angehoben und
das Heizelement aus der Form entnommen werden kann. Das Heizelement behält nun die il-jn erteilte Form bei» Das
vorgeformte Heizelement wird an der Luft abkühlen gelassen und dann dem nächsten Verarbeitungsschritt bei der
Montage von Strahlungsheizern zugeführt» Mit diesem Verfahren lassen sich beispielsweise Heizelemente aus handelsüblichen
Legierungen, z.B. aus 22 >ά Chrom, 4,5 ^ Aluminium
und Eisen als Restbestandteil oder aus 15,3 % Chrom, 4,8 %
Aluminium, 0,3 % Yttrium, 0,3 Vo Silicium, 0,03 ;i Kohlenstoff
und Eisen als Restbestandteil, verformen.
Bei der in den Abbildungen wiedergegebenen Einrichtung ist ein Deckel 18 mit einer Platte 22 vorgesehen, um
die Drahtspirale während des Verfahrensablaufes in der Nut 4 der Form 2 zu halten.
Nach einer anderen Ausführungsfoem der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die Nut 4 so ausgebildet, daß ein zusätzliches Sichern des Heizelementes 6 während des Verfahrensablaufes durch eine Einrichtung wie die Platte 22 nicht
erforderlich ist. Dies wird durch eine entsprechend tiefe Nut oder durch eine Querschnittsform der Nut ermöglicht,
bei der die Nut nach unten zu breiter wird und die Öffnung an der Oberfläche nur so breit ist, daß die Drahtwendel
ohne Schwierigkeiten eingelegt werden kannο Durch
eine solche Ausbildung wird das Öffnen und Schließen des Deckels oder das Anbringen und Entfernen von Halteeinrichtungen
während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden und die Gesamttaktzeit für den Arbeitsschritt des Vorformens von Heizelementen bei der Herstellung
von Strahlungsheizern, wie sie beispielsweise in der prioritätsgleichen britischen Patentanmeldung 79-04289
beschrieben sind, verringert.
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Bezugszeichenliste
2 Form
4 Nut
5 Punkte maximaler Biegung mit niedrigem Radius
6 Heizelement, Heiζdrahtwendel
8 Verbindungsplatten, Verbindungs-
kontakte
1O Öffnungen
12 Grundblock
14 T-förmige Platte
16 elektrische Federkontakte
18 Deckel
20 Deckelanschlagstelle
22 Platte zum Eingriff mit der Form 2
24 Steuereinrichtungen
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e e r s e
it
Claims (7)
1. ) Verfahren der Formgebung eines Heizelementes
zur Verwendung als Strahlungsheizer in Herden mit ebenen Kochplatten durch Erwärmen und Kühlen
des Heizelementes in einer Form, gekennzeichnet durch Einbringen und Festhalten des Heizelementes aus
einer spiralförmigen blanken Drahtwendel in einer gewundenen Nut, entsprechend der gewünschten Form
des Heizelementes, und Erwärmen des Heizelementes in der Nut auf eine solche Temperatur und für eine
solche Zeit, die ausreichend ist, um die durch das Einlegen in die Nut entstandenen Biegespannungen
des Heizelementes aufzuheben.
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2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß man das Heizelement auf eine Temperatur zwischen 70O0C und 90O0C durch Hindurchleiten elektrischen Stromes erwärmt.
dadurch gekennzeichnet, daß man das Heizelement auf eine Temperatur zwischen 70O0C und 90O0C durch Hindurchleiten elektrischen Stromes erwärmt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drahtwendel aus Eisen-Chrom-Aluminium-V/iderstandsheizdraht
besteht.
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 "bis 3»
dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (4) in der gewünschten Ausbildung
in einer Form (2) aus hochtemperaturbeständigem, isolierenden Material ausgebildet und tief genug
ist, um das Heizelement (6) darin aufzunehmen und festzuhalten.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Form (2) aus einem Block aus feuerfestem Material mit einer Nut (4) besteht und eine Platte
(22) zum Eingriff mit der Form (2) vorgesehen ist, wobei die Platte (22) mindestens einen Teil der Nut
(4) abdeckt, um dadurch das Heizelement (6) in der Form (2) an seinem Platz zu halten.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte (22) so angeordnet ist, daß der Eingriff mit der Form (2) an den Stellen (5)
erfolgt, an denen das Heizelement (6) seine maximale Krümmung aufweist.
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Γ>ΡΙΓ5IMM
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen £- bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
da;3 die Nut (4) in ihrer Weite 0,5 % bis
5 ;·ό breiter ist alo :l:-r rvirchnesjer der Keizdraht-
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BAD. ORIGINAL
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