| Dokumentenidentifikation |
DE10253457B3 22.07.2004 |
| Titel |
Wärmeübertragungswandung |
| Anmelder |
Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, 37603 Holzminden, DE |
| Erfinder |
Finis, Frank, 34466 Wolfhagen, DE |
| DE-Anmeldedatum |
16.11.2002 |
| DE-Aktenzeichen |
10253457 |
| Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
22.07.2004 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
22.07.2004 |
| IPC-Hauptklasse |
F28F 13/02
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| IPC-Nebenklasse |
F24H 1/00
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| Zusammenfassung |
Eine Wärmeübertragungswandung, insbesondere eines elektrischen Heizkörpers, soll durch eine strukturierte Schicht 13 zu einer geringen Geräuschentwicklung bei der Aufheizung einer zu erwärmenden Flüssigkeit führen und die Wärmeübertragung verbessern. Hierfür hat die strukturierte Schicht 13 etwa 30 bis 100 Täler 14 und etwa 30 bis 100 Gipfel 15 pro 1 mm2. Die maximale Rautiefe Rmax beträgt 15 bis 60 µm. Der Mittenrauwert Ra beträgt 2 bis 8 µm.
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungswandung, insbesondere
eines elektrischen Heizkörpers für einen Warmwasserbereiter oder eines Wärmetauschers,
mit einer strukturierten Schicht an der einer zu erwärmenden Flüssigkeit zugewandten
Oberfläche der Wandung.
Bei derartigen Wandungen besteht das Problem von Geräuschemissionen
durch an der Oberfläche der Wandung zunächst entstehende und dann zusammenbrechende
Dampfblasen. Weiterhin besteht das Problem von Ablagerungen, beispielsweise Kalkablagerungen,
an der Wandung, die die Wärmeübertragung von der beheizten Wandung auf die zu beheizende
Flüssigkeit beeinträchtigen.
In der DE 198 25 835 A1
ist beschrieben, dass bei einem Warmwasserbereiter die Geräuschentwicklung durch
eine verkalkungsähnliche Schicht reduziert werden kann. Eine solche Schicht beeinträchtigt
die Wärmeübertragung von der Wandung auf die zu beheizende Flüssigkeit. Außerdem
ist beschrieben, dass Ablagerungen durch eine Schicht mit niedriger Oberflächenenergie
reduziert werden können, die die Benetzbarkeit der Oberfläche verringern.
In der älteren Patentanmeldung DE
101 44 865 A1 ist ein Verfahren zur Verkalkungsanfälligkeit eines Heizkörpers
ohne zusätzliche Beschichtung beschrieben. Es wird hierfür die Oberfläche des Heizkörpers
in einem ersten Verfahrensschritt mit einem abrasiv wirkenden Strahlmaterial und
in einem zweiten Verfahrensschritt mit perlenförmigen Partikeln bestrahlt, die zu
einer gewissen Einebnung der Oberfläche führen.
Aus der US 4,715,436 ist ein
Wärmeübertragungsrohr mit einer leicht gewellten Oberfläche bekannt. Die Höhe der
projektierten Bereiche beträgt 0,45 – 0,6 mm. Die Dichte entlang einer Spiralkurve
beträgt 3,5 – 5 mm und die Dichte in axialer Richtung 5 – 9 mm.
Eine Wärmeübertragungs-Oberfläche mit einer Mikro-Textur ist aus der
EP 1 202 018 A2 bekannt. Der Wärmetauscher
enthält Metallröhren, auf deren einen Seite Flossen angebracht sind, und auf der
anderen Seite, an der sich das Kühlmittel befindet, ist auf die Oberfläche eine
Mikro-Textur aufgebracht. Hiermit soll die Wärmeübertragung verbessert sein.
Eine Wärmeübertragungsröhre mit Rauhigkeitselementen ist aus der
DE 42 05 080 C2 bekannt. Jedes Rauhigkeitselement
weist im wesentlichen die Form einer am Kopf ebenen Pyramide auf. Diese Form wird
deshalb bevorzugt, weil sie leicht in einem Arbeitsgang mit einem Rändel-Werkzeug
gebildet wird.
Aus der DE 197 51 405 A1
ist ein Verfahren zur Verbesserung des Wärmeübergangs und eine Vorrichtung zum Wärmetausch
ist bekannt, bei der an der Wärmetauscherfläche eine die thermische Grenzschicht
aufreißende Verteilung des strömenden Mediums erzeugt wird. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass auf die Innenwandung des Rohres zonenweise ein Material mit niedriger
Benetzungsfähigkeit und infolgedessen verringerter Haftspannung aufgebracht wird.
Denkbar ist dabei der Einsatz eines entsprechenden Kunststoffes oder von Graphit.
Die Zonen mit erhöhter Oberflächenrauhigkeit können in vorteilhafter Weise auch
dadurch gebildet werden, dass auf einzelne Bereiche der Wärmetauscherfläche Feststoffpartikel
aufgebracht werden. Die Feststoffpartikel werden dabei mittels eines Haftmittels
partiell auf die Oberfläche einer Wärmetauscherfläche aufgetragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, beim Wärmeübergang (Energieübertragung)
an einer Oberfläche die Gasblasenbildung mittels Gestaltung der Oberflächenstruktur
derart zu gestalten, dass ein optimierter Wärmeübergang an der Grenzschicht erreicht
wird und beim Aufheizen einer Flüssigkeit die Geräuschentstehung weitgehend reduziert
ist.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die so gestaltete Oberfläche ist derart rau, dass sie in ihren Tälern
nur im Volumen vergleichsweise kleine Gasblasen bilden, welche zu den Gipfeln hochsteigen
und in die Flüssigkeit eintreten, ohne an der Oberfläche zusammenzubrechen (Champagnereffekt).
Dieses Ablösen der Gasblasen verringert die Geräuschentwicklung beträchtlich. Außerdem
ist durch das Ablösen der Gasblasen von der Oberfläche gleichzeitig eine Verbesserung
der Wärmeübertragung von der Wandung auf die zu beheizende Flüssigkeit und damit
eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht, weil die sich zwangsläufig bildenden
Gasblasen die Oberflächenstruktur schnell verlassen, also dort nicht wärmeisolierend
wirken, so dass zu beheizende Flüssigkeit schnell wieder in Kontakt mit der strukturierten
Oberfläche kommt. Zudem wird durch das Ablösen der Gasblasen eine Driftströmung
erzeugt, so dass Flüssigkeit schnell an der Oberfläche vorbeigeführt wird.
Oberflächen-Rauheitsgrößen sind in DIN definiert. Die maximale Rautiefe
Rmax ergibt sich aus DIN 4768 (1974). Sie ist die größte auf der Gesamtmessstrecke
vorkommende Einzelrautiefe. Der Mittenrauwert Ra ist in DIN 4768 (1974) bzw. in
DIN 4762 (E 1978) definiert als arithmetischer Mittelwert der absoluten Beträge
der Abstände des Istprofils (bzw. Rauheitsprofils) von der mittleren Linie. Die
"10-Punkte-Höhe" Rz ist nach DIN 4762 (1978) definiert als die Summe der Mittelwerte
der Höhen der fünf größten Profilerhebungen und der Tiefen der fünf größten Profilvertiefungen
innerhalb der Bezugsstrecke.
Als besonders günstig hat sich eine maximale Rautiefe Rmax von etwa
30 bis 40 &mgr;m und ein Mittenrauwert Ra von etwa 4 bis 5 &mgr;m erwiesen.
Die 10-Punkte-Höhe Rz beträgt bevorzugt 15 bis 60 &mgr;m, insbesondere
25 bis 35 &mgr;m.
Die strukturierte Schicht besteht vorzugsweise aus einem Hartmetall,
beispielsweise Chromcarbid mit oder ohne einer Beigabe von Chrom-Nickel und mit
oder ohne einer Beigabe von Polytetrafluorethylen (PTFE) mit beispielsweise 10 Vol.-%.
Die strukturierte Schicht ist bevorzugt in einem thermischen Spritzverfahren,
insbesondere in einem Hochgeschwindigkeits-Flammverfahren, aufgebracht.
Die strukturierte Schicht kann aus einem Material aus Partikeln mit
einer Größe im nm-Bereich bestehen. Dies sind sogenannte Nanocomposites, die in
einem Sol-Gel-Prozess durch gängige Aplikationsverfahren wie Spritzen, Tauchen,
Schleudern usw., aufgebracht werden können, was an sich bekannt ist.
Die strukturierte Schicht kann auch aus einem diamantartigen Kohlenstoff-Material,
d.h. DLC (Diamant like Carbon) bestehen. Dieses Material lässt sich in einem an
sich bekannten PVD-Beschichtungsverfahren (physical vapor deposition), einem CVD-Beschichtungsverfahren
(chemical vapor deposition) oder einem Plasma-CVD-Verfahren (plasmaaktiviertes CVD)
aufbringen.
Um Ablagerungen, beispielsweise Kalkablagerungen, an der strukturierten
Schicht weiter zu unterdrücken, sind die Spitzen bzw.
Gipfel der strukturierten Schicht geglättet. Dies kann durch Bürsten,
Schleifen oder Strahlen erfolgen.
Die Dicke der in "Orangenhautstruktur" strukturierten Schicht soll
möglichst klein sein, um die genannten Eigenschaften zu gewährleisten. Vorzugsweise
beträgt die Schichtdicke 5 bis 24 &mgr;m, insbesondere etwa 10 &mgr;m.
Die gewünschten Effekte lassen sich dadurch unterstützen, dass die
Oberfläche der Wandung, auf die die strukturierte Schicht aufgebracht ist, schon
vor dem Aufbringen strukturiert ist. Eine solche Strukturierung lässt sich nach
der DE 101 44 865 durch einen abrasiven
ersten Verfahrensschritt und einen folgenden glättenden Verfahrensschritt durch
Bestrahlung mit perlenförmigen Partikeln erreichen. Vorzugsweise wird dadurch eine
Oberfläche erzeugt, die in einem Strahlverfahren mittels Glasperlen oder Korund
strukturiert ist und einen Mittelrauwert Ra von 0,3 bis 2,0 &mgr;m und/oder eine
maximale Rautiefe Rmax von etwa 2,0 bis 10 &mgr;m hat.
Die beschriebene Wärmeübertragungswandung kann eine Wandung von Rohrheizkörpern,
Flachheizkörpern (verdeckte Heizkörper mit Edelstahlplatte, Aluminiumheizkörper,
Dickschichtheizkörper) oder Wärmetauschern sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:
1 einen einen elektrischen Dickschichtheizkörper
tragenden Heizkörper am Boden eines elektrischen Warmwasserbereiters,
2 einen Schnitt des Heizkörpers,
3 eine Aufnahme der strukturierten Schicht
an der Oberfläche des Heizkörpers,
4 eine Messlinie der Rauigkeit (Täler
und Gipfel) der strukturierten Schicht,
5 eine vergrößerte Ansicht der
4 schematisch,
6 eine 5
entsprechende Ansicht mit geglätteten Gipfeln,
7 eine Abbott'sche Kurve der Verteilung
der Rauigkeit und
8 verschiedene Nanostrukturen der strukturierten
Schicht.
Ein Kochendwasserbereiter weist einen Wasserbehälter 1 auf,
dessen Boden ein elektrischer Heizkörper 2 bildet. Der Heizkörper
2 trägt ein Ein- und Auslaufrohr 3 und ein Überlaufrohr
4 sowie Bolzen 5 zur Verbindung mit einem nicht näher dargestellten
Träger für den Wasserbehälter 1 und den Heizkörper 2. Der Heizkörper
2 besteht aus einer Edelstahlplatte 6. Auf deren dem Wasserraum
7 abgewandten Unterseite 8 ist eine elektrisch isolierende Schicht
9 aufgebracht, auf die ein elektrisches Dickschichtheizelement in Form
von Leiterbahnen 10 aufgedruckt ist. Die Leiterbahnen 10 sind
mit einer Schutzschicht 11 bedeckt.
Der Heizkörper 2 weist eine dem Wasserraum 7 zugewandte
Oberfläche 12 auf. Die Oberfläche 12 wird bei der Herstellung
des Heizkörpers 2 durch abrasive Bestrahlung mit Aluminiumoxidpartikeln
gereinigt (vgl. DE 101 44 865). Dadurch
entsteht eine gewisse Rauheit, welche durch eine Bestrahlung mit perlenförmigen
Partikeln ausgeglichen wird, ohne dass die Oberfläche 12 ideal plan wird.
Auf die Oberfläche 12 ist eine sehr raue strukturierte Schicht
13 aufgebracht. Deren Rauigkeit ist größer als die durch die genannten
Bestrahlungsverfahren erzeugte Rauigkeit der Oberfläche 12.
Die strukturierte Schicht 13 besteht aus einer Hartmetallbeschichtung,
insbesondere aus Chromcarbid mit oder ohne Nickel-Chrom-Beigabe und mit oder ohne
einer Beigabe von Polytetrafluorethylen-Partikeln, beispielsweise Cr3C2 Ni-CR 75/25
mit 10 Vol.-% PTFE. Diese Schicht wird durch thermisches Spritzen, vorzugsweise
in einem Hochgeschwindigkeits-Flamm-Spritzverfahren, aufgebracht. Die Schichtdicke
soll möglichst klein sein. Sie beträgt beispielsweise 5 bis 24 &mgr;m, insbesondere
etwa 10 &mgr;m. Die PTFE-Partikel dienen der Verminderung von Ablagerungen.
Die 3 zeigt 1 mm2 der strukturierten Schicht
13 mit ihren Tälern 14 und Gipfeln 15 in perspektivischer
Ansicht.
4 zeigt beispielshaft den gemessenen
Verlauf der Täler 14 und Gipfel 15 längs einer Linie von 10 mm.
Je 1 mm treten längs der Messlinie etwa acht Täler 14 und acht Gipfel
15 auf, so dass auf 1 mm2 der strukturierten Schicht
13 im Durchschnitt etwa 64 Täler 14 und 64 Gipfel
15 liegen.
Im Heizbetrieb bestimmen die Täler 14 die Keimbildung für
Dampfblasen. Es entstehen in den Tälern 14, insbesondere in den kritischen
Temperaturbereichen, nur solche Gasblasen (kleine Gasblasen), die sich leicht ablösen
und im Wasser hochperlen. Dadurch ist die Geräuschentwicklung im Betrieb gegenüber
dem Stand der Technik beträchtlich reduziert. Durch die schnelle Ablösung der Gasblasen
bzw. Dampfblasen ist auch eine gute Wärmeübertragung auf das Wasser gewährleistet.
Darüber hinaus ist die strukturierte Schicht 13 korrosionsbeständig und
physiologisch unbedenklich.
Es wurde ermittelt, dass die genannten Effekte erreicht werden, wenn
die strukturierte Schicht pro 1 mm2 etwa wenigstens 10, insbesondere
30 bis 100 Täler 14 und entsprechend etwa wenigstens 10, insbesondere 30
bis 100 Gipfel 15 hat. Weniger Täler und Gipfel pro 1 mm2 führen
zu einer Erhöhung der Geräuschentwicklung. Mehr Täler bzw. Gipfel vorzusehen, ist
für den genannten Effekt zwar unkritisch, jedoch technologisch nur schwer erreichbar.
Die Beurteilung der strukturierten Schicht 13 nach DIN ergibt,
dass sie eine maximale Rautiefe Rmax von 15 bis 60 &mgr;m, insbesondere 25 bis 40
&mgr;m hat. Der Mittelrauwert Ra liegt oberhalb 1 &mgr;m, insbesondere zwischen
4 bis 5 &mgr;m. Die 10-Punkte-Höhe Rz nach DIN 4768 beträgt 15 bis 60 &mgr;m, insbesondere
25 bis 35 &mgr;m.
Dauerhafte Ablagerungen an der strukturierten Schicht 13,
beispielsweise eine Verkalkung, lässt sich dadurch unterdrücken, dass die Gipfel
15 geglättet sind. Dieses Glätten kann durch Bürsten, Schleifen oder Strahlen
erfolgen. 5 zeigt einen Teilausschnitt der
4. 6 zeigt die Gipfel
15 in diesem Teilausschnitt durch Schleifen geglättet. Die Schleifebene
ist mit S bezeichnet.
Um die genannte Wirkung an der gesamten Oberfläche gleichmäßig zu
erreichen, sollen die Täler 14 und die Gipfel 15 möglichst gleich
verteilt sein. Eine weitgehende Gleichverteilung entsprechend 4
zeigt die Abbott'sche Kurve (vgl. DIN 4762) der 7.
Auf die strukturierte Schicht 13 kann zur Verringerung von
Ablagerungen eine zweite Schicht aufgebracht werden. Diese Schicht ist so dünn,
dass sich die Täler 14 und Gipfel 15 abbilden. Diese Schicht kann
beispielsweise im PVD-, CVD- oder Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht werden, oder
es können Materialien im Sol-Gel-Verfahren durch Spritzen, Tauchen, Schleudern oder
ähnliche bekannte Verfahren appliziert werden.
Die beschriebene strukturierte Schicht 13 kann insbesondere
bei nanoskalierenden Werkstoffen (Nanocomposites) durch Mikrostrukturierung der
Oberfläche erreicht werden. Dabei werden die Mikrostrukturen durch eine Maske oder
Form in die noch nicht ausgehärtete Oberfläche einer Nanobeschichtung eingebracht.
Anschließend wird die Struktur ausgehärtet. Es lassen sich damit die
zu Gasblasenbildung notwendigen Mikrostrukturen, die als Siedekeime wirken und die
Gasblasen modellieren, gestalten. Der Mittenrauwert Ra ist etwa 1 &mgr;m. Abwechselnd
zu diesen Mikrostrukturen, die im Bereich B Täler 14 und Gipfel
15 bilden, lassen sich in Zwischenbereichen A Plateaus 16 gestalten.
Diese sind glatt und vermeiden anorganische Ablagerungen, beispielsweise Kalkablagerungen.
Der Niveau der Plateaus 16 kann höher liegen als die Gipfel 15
(vgl. 8a). Das Plateau 16 kann auch auf etwa
gleicher Höhe wie die Gipfel 15 liegen (vgl. 8b)
oder darunter.
Die positionierten Flächen der Zwischenbereiche A und der Bereiche
B stehen etwa im Verhältnis von 1/2.
Die Kantenlänge 1a des Plateaus 16 kann 0,1 bis
0,3 mm betragen.
8c zeigt die Gestaltung der
8a bzw. 8b perspektivisch.
d zeigt eine Aufsicht. Die 8e und
8f zeigen Alternativen zu 8d,
wobei die Plateaus 16 nach 8d etwa rechteckig
und nach den 8e und 8f
etwa kreisrund sind.
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| Anspruch[de] |
- Wärmeübertragungswandung, insbesondere eines elektrischen Heizkörpers
für einen Warmwasserbereiter oder eines Wärmetauschers, mit einer strukturierten
Schicht an der einer zu erwärmenden Flüssigkeit zugewandten Oberfläche der Wandung,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (12) der Wandung, auf
die die Schicht aufgebracht ist, schon vor dem Aufbringen der strukturierten Schicht
leicht strukturiert ist, dass die aufgebrachte Schicht (13) wenigstens
etwa 10 Täler (14) und wenigstens etwa 10 Gipfel (15) pro 1 mm2
aufweist, dass die strukturierte Schicht (13) einen Mittenrauwert Ra von
wenigstens 1 &mgr;m hat und dass das zusätzlich auf die Wärmeübertragungswandung
aufgebrachte Material der strukturierten Schicht (13) eine Dicke von max.
24 &mgr;m aufweist.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die maximale Rautiefe Rmax etwa 15 bis 60 &mgr;m, insbesondere 25 bis 40 &mgr;m
beträgt.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die strukturierte Schicht (13) einen Mittenrauwert Ra von 2 bis 8 &mgr;m
hat.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert Ra etwa 4 bis 5 &mgr;m beträgt.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die 10-Punkte-Höhe Rz nach DIN 4768 15 bis 60 &mgr;m, insbesondere
25 bis 35 &mgr;m, beträgt.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) aus einem Hartmetall
besteht.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die strukturierte Schicht (13) im wesentlichen aus Chromcarbid mit oder
ohne Chrom-Nickel-Beigabe und mit oder ohne Polytetrafluorethylen (PTFE)-Beigabe
besteht.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6
oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) in
einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere im Hochgeschwindigkeits-Flammverfahren,
aufgebracht ist.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) aus
Partikeln mit einer Größe im nm-Bereich besteht (Nanocomposites).
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturierte Schicht (13) in einem Sol-Gel-Prozess aufgebracht
ist.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) aus
diamantartigem Kohlenstoff (DLC) besteht.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturierte Schicht (13) in einem PVD- oder CVD- oder einem
plasmagestützten CVD-Verfahren aufgebracht ist.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gipfel (15) der strukturierten Schicht
(13) geglättet sind.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gipfel (15) durch Bürsten, Schleifen oder Strahlen geglättet sind.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der strukturierten Schicht (13)
etwa 10 &mgr;m beträgt.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Anspruche dadurch
gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche (12) in einem Strahlverfahren
mittels Glasperlen oder Korund strukturiert ist und einen Mittenrauwert Ra von 0,3
bis 2,0 &mgr;m hat.
- Wärmeübertragungswandung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet,
dass die zu beschichtende Oberfläche (12) der Wandung eine maximale Rautiefe
Rmax von etwa 2,0 bis 10 &mgr;m hat.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht (13) zwischen Täler
(14) und Gipfel (15) gestaltete Bereiche (B) Plateaus (16)
bildende Zwischenbereiche (A) aufweist.
- Wärmeübertragungswandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass auf die strukturierte Schicht (13) eine weitere
Schicht aufgebracht ist, die der Struktur der strukturierten Schicht (13)
folgt, so dass die Täler (14) und Gipfel (15) erhalten bleiben.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen
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