DE102018221277A1 - Enteisungssystem für einen Sensor - Google Patents

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DE102018221277A1
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Domokos Halmos
Simon Frick
Daniel Slangen
Rainer Kiesel
Nicolas Schreibmüller
Stefan Hakspiel
Daniel Pfeiffer
Tobias Nusser
Heinz Reichert
Daniel Segler
Gerhard Birkenmaier
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Enteisungssystem (12) für einen Sensor (10), umfassend ein Heizelement (32, E) zum Temperieren eines Fluids, einen Strömungsgenerator (30, S) zum Antrieb eines Fluids, sowie ein Abdeckelement (28), welches einen Außenbereich (A) von einem Innenbereich (I) abtrennt, wobei das Abdeckelement (28) derart ausgebildet ist, dass ein von dem Strömungsgenerator (30, S) angetriebenes Fluid an dem Abdeckelement (28) entlangströmt, um das Abdeckelement (28) aufzuheizen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Enteisungssystem für einen Sensor.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Enteisungssysteme für Sensoren bekannt. Als Beispiel sei ein Sensor genannt, welcher elektromagnetische Strahlung durch ein Abdeckelement hindurch aussendet und an einem Objekt reflektierte Strahlung durch dieses Abdeckelement hindurch wieder empfängt. An dem Abdeckelement sind Heizspiralen ausgebildet, welche ein Aufheizen des Abdeckelements ermöglichen, um Schnee oder Eis abzutauen. Bei Sensoren, welche elektromagnetische Strahlung aussenden und wieder empfangen, können solche Heizspiralen, die aus einem Metall ausgeführt sind und zudem in einem Sichtbereich des Sensors liegen, einen negativen Einfluss auf die durchgeführten Messungen einbringen.
  • Es ist daher Aufgabe ein Enteisungssystem bereitzustellen, welches einen Messvorgang eines Sensors nicht beeinflusst.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Enteisungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten des Enteisungssystems dar.
  • Die Enteisungsvorrichtung ist für die Enteisung eines Sensors ausgebildet. Ein Sensor im Sinne der Patentschrift kann eine Einheit sein, die Signale empfängt, oder aber auch ein System, welches ein zuvor ausgesendetes Signal wieder empfängt. Insbesondere ist ein solcher Sensor diese zur Ermittlung eines Abstands, einer Raumrichtung und / oder einer Geschwindigkeit eines Objekts innerhalb des Sichtbereichs ausgebildet. Der Sensor umfasst zumindest ein Detektionselement, welches das Signal empfängt und in ein weiterverarbeitbares elektronisches Signal umwandelt. Gegebenenfalls umfasst der Sensor auch ein Sendeelement, welches das zu empfangende Signal aussendet. Ein solcher Sensor kann akustische, optische oder auch elektromagnetische Signale nutzen. Günstigerweise handelt es sich um ein Radar- oder ein Lidar-System, welche als Sende- und Empfangssysteme eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten innerhalb eines Sichtbereichs durchführt.
  • Der Sensor und das Enteisungssystem sind zur Ausbildung in einem Kraftfahrzeug gedacht. Derartige Systeme stellen an dem Kraftfahrzeug Funktionen bereit, die für Fahrassistenzsysteme oder für das autonome Fahren benötigt werden.
  • Das Enteisungssystem umfasst unter anderem ein Heizelement zum temperieren eines Fluids. Zudem weist das Enteisungssystem einen Strömungsgenerator auf, der das Fluid antreibt. Des Weiteren ist an dem Enteisungssystem ein Abdeckelement ausgebildet, welches einen Außenbereich von einem Innenbereich abtrennt, wobei das Abdeckelement derart ausgebildet ist, dass ein von dem Strömungsgenerator angetriebenes Fluid an dem Abdeckelement entlangströmt und das Abdeckelement aufheizt.
  • Das Heizelement kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist ein elektrisches Heizelement, welches beispielsweise an einer Hauptplatine eines Sensors angeordnet ist. Dieses elektrische Heizelement ist beispielsweise in Form einer Heizspirale ausgebildet. Günstigerweise ist das Heizelement außerhalb des Strahlwegs eines Sensors angeordnet. Das Heizelement überträgt die bereitgestellte Wärmeenergie an ein Fluid. Dieses Fluid kann beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Luft.
  • Der Strömungsgenerator ist bei Nutzung einer Flüssigkeit vorzugsweise durch eine Pumpe oder bei der Verwendung von Gas durch einen Lüfter ausgeführt. Der Strömungsgenerator treibt das Fluid an. Dadurch strömt das Fluid an dem Heizelement vorbei und nimmt einen Teil der erzeugten Wärmeenergie auf. Daran anschließend strömt das Fluid an dem Abdeckelement entlang und gibt die aufgenommene Wärmeenergie zum Teil wieder ab. Dadurch wird das Abdeckelement aufgeheizt, sodass sich eine entsprechende Schnee oder eine Eisschicht von dem Abdeckelement lösen kann.
  • Das Abdeckelement stellt eine Trennung zwischen einem Außenbereich und einem Innenbereich dar. Dementsprechend weist das Abdeckelement eine Außenseite und eine Innenseite auf. Der Außenbereich ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser den äußeren Umwelteinflüssen direkt ausgesetzt ist. Mit anderen Worten stellt die Außenseite eine direkte Angriffsfläche für Umwelteinflüsse dar. Der Innenbereich ist der Bereich, der dem Außenbereich nicht direkt ausgesetzt ist, insbesondere umfasst dies jegliche Bereiche, die innerhalb der Außenseite angeordnet sind. Dies umfasst beispielsweise auch Fluidkanäle, die in das Abdeckelement eingebracht sind.
  • Das Abdeckelement ist für die Signale des Sensors, insbesondere dessen Strahlung, durchlässig. Dies umfasst bei elektromagnetischer Strahlung zumindest den Wellenlängenbereich, innerhalb dem der Sensor arbeitet.
  • Insbesondere ist der Innenbereich durch ein Gehäuse umgeben. Dieses Gehäuse dient dem Sensor und / oder dem Enteisungssystem. Insbesondere ist der Sensor innerhalb des Gehäuses angeordnet Mit Vorteil ist der Innenbereich hermetisch, luftdicht, schmutzdicht, flüssigkeitsdicht und / oder spritzwassergeschützt gegenüber dem Außenbereich und etwaigen Umwelteinflüssen abgeschlossen. Alternativ kann das Gehäuse auch eine räumliche Abtrennung bereitstellen, die entsprechende Öffnungen oder fluiddurchlässige Bereiche aufweist.
  • Durch ein solches Enteisungssystem wird vermieden, dass entsprechende Bauteile eines Enteisungssystems in einem Sichtbereich des Sensors bzw. des Senders oder Empfängers angeordnet sind. Insbesondere ist durch die Wahl des korrekten Fluids, insbesondere Luft, ein Einfluss auf einen Messvorgang vernachlässigbar.
  • Im Weiteren werden vorteilhafte Ausführungsvarianten des Enteisungssystems erläutert.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das Fluid an einer Innenseite des Abdeckelements entlangströmt.
  • Dadurch wird das Fluid nicht von äußeren Einflüssen beeinträchtigt. Insbesondere bei der Verwendung von Luft im Außenbereich wären äußere Einflüsse wie Wind besonders nachteilig. Da der Innenraum zumeist besser geschützt und gegebenenfalls auch gekapselt ist, kann der Strömungspfand und auch die Wärmeübertragung wesentlich besser beeinflusst werden. Zudem kann durch einen Wärmeeintrag ausgehend von einer Innenseite des Abdeckelements eine Schnee- oder Eisschicht angeschmolzen werden. Nach dem Antauen fällt die Schnee- oder Eisschicht von selbst ab oder kann auf andere Weise gelöst werden. Insbesondere muss der Schnee oder das Eis nicht vollständig aufgetaut werden.
  • Günstigerweise wird das Fluid an dem Abdeckelement derart entlanggeführt, so dass das Fluid einen möglichst großen Anteil der aufgenommenen Wärme an das Abdeckelement abgeben kann. Ein solches Entlangführen kann beispielsweise durch einen Strömungskanal bereitgestellt werden.
  • Mit besonderem Vorteil weist das Abdeckelement einen Strömungskanal für das Fluid auf.
  • Das Fluid strömt dementsprechend innerhalb des Strömungskanals entlang. Der Strömungskanal erstreckt sich günstigerweise durch das Abdeckelement hindurch. Insbesondere ist das Abdeckelement doppelwandig oder mehrwandig ausgeführt. Dabei können an dem Abdeckelement ein einzelner oder auch mehrere Strömungskanäle ausgebildet sein. Das Abdeckelement ist entsprechend einteilig oder mehrteilig ausgebildet.
  • Insbesondere stellt das Abdeckelement einen Strömungskanal durch einen doppelwandigen Aufbau bereit. Dadurch lässt sich ein besonders großer Strömungsquerschnitt erzielen, wodurch das Fluid die Außenfläche des Abdeckelements besonders gleichmäßig erwärmen kann.
  • Der Strömungskanal ist an dem Enteisungssystem entsprechend innerhalb der Außenseite des Abdeckelements angeordnet und zählt daher zum Innenbereich.
  • Das Abdeckelement kann beispielsweise aus Plexiglas, Makrolon oder auch aus Glas ausgebildet sein.
  • Günstigerweise ist das Heizelement innerhalb des Innenbereichs angeordnet oder über eine Zuführung mit dem Innenbereich verbunden.
  • Durch die Anordnung des Heizelements innerhalb des Innenbereichs wird ein kompaktes voll funktionsfähiges Enteisungssystem bereitgestellt. Dies ergänzt sich besonders vorteilhaft mit entsprechend kompakten Sensoren. Ein solches System umfasst dadurch alle notwendigen Komponenten und kann als vorgefertigtes Modul auf einfache Weise montiert werden.
  • In einer anderen Variante kann das Heizelement auch außerhalb des Innenbereichs angeordnet sein und über eine Zuleitung mit dem Innenraum verbunden sein. Der Innenbereich ist insbesondere durch das Gehäuse abgegrenzt. Über diese Zuleitung wird beispielsweise das temperierte Fluid eingeleitet und zu dem Abdeckelement geführt. Ein solches Heizelement kann jedes in einem Kraftfahrzeug vorhandene Heizsystem sein, wie beispielsweise eine Elektroheizung, eine Fremdheizung, auch Standheizung genannt. Auch die Abwärme eines Verbrennungsmotors kann hierfür genutzt werden. Insbesondere kann ein an einem Kraftfahrzeug vorhandenes Heizsystem, welches insbesondere für einen Innenraum verwendet wird, genutzt werden.
  • Die Zuführung erfolgt günstigerweise über Fluidleitungen, die an dem Gehäuse oder an dem Abdeckelement angeschlossen sind. Günstigerweise ist auch eine Entsprechende Ableitung zum abführen des Fluids ausgebildet.
  • Auch eine Kombination mehrerer Heizelemente ist möglich, wobei eines vorzugsweise in einem Innenraum und das andere günstigerweise außerhalb des Innenraums angeordnet ist. Ein elektrisches Heizelement im Innenraum kann für einen ersten Enteisungsvorgang, beispielsweise vor oder zu Beginn einer Fahrt, eingesetzt werden. Sobald der Verbrennungsmotor die entsprechende Temperatur bereitstellt, kann die so bereitgestellte Wärme ein erneutes Vereisen verhindern. Dadurch wird das Heizelement im Innenraum nicht durch einen Dauerbetrieb belastet.
  • Günstigerweise ist der Strömungsgenerator innerhalb des Innenbereichs angeordnet oder über eine Zuführung mit dem Innenraum verbunden.
  • Dies entspricht im Wesentlichen den Ausführungen der 6 vorhergehenden Absätze. Insbesondere kann dadurch ein Strömungsgenerator des Kraftfahrzeugs verwendet werden, beispielsweise ein Belüftungssystem.
  • Mit besonderem Vorteil weist ein Heizelement, günstigerweise jedes Heizelement, einen Strömungsgenerator auf.
  • Dadurch kann das Fluid optimal durch das Heizelement strömen, wodurch ein optimaler Wärmeübertrag zugunsten des Abdeckelements ermöglicht wird. Ein Heizelement außerhalb des Innenraums weist günstigerweise auch einen Strömungsgenerator außerhalb des Innenraums auf. Ebenso weist ein Heizelement innerhalb des Innenraums auch einen Strömungsgenerator auf.
  • An der Außenseite des Abdeckelements ist vorteilhafterweise eine Nano-Beschichtung ausgebildet.
  • Durch die Nano-Beschichtung wird ein einfacheres Lösen einer entsprechenden Eisschicht ermöglicht. Zudem kann diese vorteilhafte Eigenschaften für eine Reinigung des Abdeckelements bereitstellen. Insbesondere stellt die Nano-Beschichtung eine Art Lotus Effekt bereit.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das Enteisungssystem eine Enteisungsdüse aufweist.
  • Die Enteisungsdüse kann eine Reinigungs- oder Enteisungsflüssigkeit auf das Abdeckelement aufspritzen, sodass eine zügigere Enteisung erfolgt. Insbesondere kann die Enteisungsdüse teleskopierbar ausgebildet sein. Eine teleskopierbare Reinigungsdüse kann zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig versenkt werden, wenn diese nicht benötigt wird. Ebenso wird diese ausgefahren, wenn ein Enteisungsvorgang stattfindet.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das Enteisungssystem ein Gehäuse aufweist, welches einen Innenbereich umschließt oder zumindest von einem Außenbereich abtrennt.
  • Das Enteisungssystem wird im Weiteren beispielhaft an einer Figur erläutert.
  • In der 1 sind ein Sensor 10 und zugehöriges Enteisungssystem 12 schematisch dargestellt. Der Sensor 10 und das Enteisungssystem 12 sind für die Ausbildung an einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Der Sensor 10 umfasst ein Gehäuse 14, welches zugleich auch das Gehäuse des Enteisungssystems 12 darstellt. Das Gehäuse 14 ist für die Montage mehrteilig ausgebildet und hier beispielhaft durch einen Gehäuseteil 14a und einem Gehäuseteil 14b dargestellt.
  • Die Komponenten des Sensors 10 sind hierbei vollständig innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet, welches den Sensor 10 hermetisch gegenüber eines Außenbereichs A abschließt. Der Sensor 10, der in diesem Beispiel ein LIDAR Sensor ist, umfasst unter anderem eine Platine 16, einen Sendechip 18 und einen Empfangschip 20, auch Detektionselement genannt. Der Sendechip 18 sendet elektromagnetische Wellen in Form von Laserstrahlen aus, welcher in einem Objekt 22 innerhalb des Sichtbereichs reflektiert werden können. Die reflektierte Strahlung kann von dem Detektionselement erfasst werden. Die elektromagnetische Strahlung durchläuft unter anderem eine beispielhaft dargestellte Sendeoptik 24 sowie eine Empfangsoptik 26. Die Optiken 24, 26 sind lediglich beispielhaft dargestellt. Zudem durchläuft die elektromagnetische Strahlung ein Abdeckelement 28, welches an dem Gehäuseteil 14a angeordnet und befestigt ist.
  • Das Abdeckelement 28 ist durchlässig für die elektromagnetische Strahlung des Sensors 10. Der LIDAR Sensor ist lediglich beispielhaft gewählt. Insbesondere ist das Enteisungssystem 12 auch für einen RADAR Sensor, einen bildgebenden Kamera Sensor oder auch Sensoren anderen Typs geeignet. Insbesondere handelt es sich um einen optischen Sensor oder einen Sensor, der elektromagnetische Strahlung nutzt. Der LIDAR Sensor 10 ermittelt hierbei einen Abstand und eine Bewegung des Objekts 22.
  • Das Enteisungssystem 12 umfasst ein Abdeckelement, einen Lüfter 30, der den Strömungsgenerator darstellt, sowie eine Heizspirale 32, die das Heizelement, darstellt. Das Abdeckelement 28, welches auch Teil des Enteisungssystems 12 ist, trennt einen Innenbereich I von dem Außenbereich A ab. Der Außenbereich steht in direktem Kontakt mit den Umwelteinflüssen. Der Innenbereich ist hier ein hermetisch abgeschlossener Raum, innerhalb dem zumindest die einzelnen Komponenten des Sensors angeordnet sind. Das Abdeckelement 28 weist dementsprechend eine Außenseite 28a sowie eine Innenseite 28c auf. Bei entsprechenden Witterungsverhältnissen kann sich an der Außenseite 28a des Abdeckblechs eine Schnee- oder Eisschicht bilden, welche von der Strahlung des Sensors 10 nicht durchdrungen werden kann. Eine solche Schicht wird durch das Enteisungssystem abgetaut.
  • Hierfür treibt der Lüfter 30 das Fluid entlang der dargestellten Pfeile 34 an. Als Fluid wird hierbei Luft verwendet, wobei auch eine Nutzung von Flüssigkeiten möglich ist. Das Fluid passiert bzw. durchströmt oder durchläuft zunächst den Heizdraht 32 und wird entsprechend aufgewärmt. Das Fluid strömt anschließend weiter bis zu dem Abdeckelement 28 und an dessen Innenseite an dem Abdeckelement 28 entlang. Die zuvor an dem Heizelement aufgenommene Wärmeenergie wird entsprechend an das Abdeckelement 28 abgegeben, wodurch die bedeckende Schicht gelöst oder abgetaut wird. Insbesondere ist ein Antauen von Vorteil, so dass die Eisschicht gegebenenfalls abfallen kann.
  • Das Abdeckelement 28 bildet für das Fluid einen Strömungskanal 28b aus, der Teil des Innenraums I ist. Das Fluid strömt entsprechend durch den Strömungskanal 28b hindurch, wodurch das Fluid über eine möglichst lange Strecke an dem Abdeckelement, insbesondere innenseitig der Außenseite 28a entlang geführt wird. Der Strömungskanal erstreckt sich durch das Abdeckelement 28 hindurch bzw. ist durch das Abdeckelement 28 ausgebildet. Das Abdeckelement 28 ist hierbei zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden beabstandet zueinander angeordneten und befestigten Scheiben mit deren Zwischenraum den Strömungskanal bereitstellen. Die Scheiben des Abdeckelements können beispielsweise durch Makrolon, Plexiglas oder Glas ausgebildet sein.
  • Das Abdeckelement 28 kann auch als einfache Scheibe ausgebildet sein, wobei das Fluid auf das Abdeckelement geleitet wird. Dadurch wird allerdings keine definierte Führung des Fluids bereitgestellt. Die Nutzung eines Strömungskanals ermöglicht demgegenüber eine effizientere Wärmeübertragung entlang der gesamten Fläche des Abdeckelements 28.
  • Das Heizelement 32 ist hierbei als Heizdraht 32 ausgeführt. Alternativ kann das Heizelement auch durch eine Komponente der Hauptplatine 16 ausgebildet sein. Das Heizelement kann auf der Hauptplatine des Sensors 10 oder gesondert ausgebildet sein. Das an dem Enteisungssystem ausgebildete Heizelement 32 und der Strömungsgenerator 30 sind innerhalb des Innenbereichs ausgebildet.
  • Zur Unterstützung des Enteisungsvorgangs ist das Abdeckelement 28 optional mit einer Nano-Beschichtung 36 versehen. Die Nano-Beschichtung ermöglicht ein einfacheres ablösen einer Eisschicht und dadurch einen schnelleren Enteisungsvorgang. Zudem bietet die Nano-Beschichtung auch Vorteile bei der Reinigung.
  • Des Weiteren kann auch eine Enteisungsdüse 38 ausgebildet sein. Die optionale Enteisungsdüse 38 versprüht bei Bedarf eine Enteisungsflüssigkeit, welche über die Außenseite des Abdeckelements 28 verteilt wird. Die Enteisungsdüse kann auch für einen Reinigungsvorgang eines Reinigungssystems verwendet werden.
  • Zusätzlich oder alternativ zu dem in Innenraum angeordneten Heizelement 32 und dem Strömungsgenerator 30 können ein Heizelement E und ein Strömungsgenerator S ausgebildet sein. Der Strömungsgenerator S und der Heizer E sind hier beispielhaft über eine Zuleitung 40 mit dem Innenbereich I verbunden. Die Zuleitung 40 ist hierbei lediglich beispielhaft dargestellt. Zudem kann auch eine Ableitung ausgebildet sein, die hier nicht dargestellt ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Heizelement E um einen Verbrennungsmotor oder eine andere Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Strömungsgenerator S kann es sich um einen gesondert ausgebildeten Lüfter oder ein Belüftungssystem des Kraftfahrzeugs handeln. Der Strömungsgenerator S sorgt dafür, dass das Fluid von dem Heizelement E über die Zuleitung 40 in den Innenraum und zu der Innenseite 28c des Abdeckelements 28 strömt.
  • Je nach Ausgestaltung des Enteisungssystems 12 sind verschiedene Szenarien für den Betrieb der Heizelemente 32 und E sowie deren zugehörigen Strömungsgeneratoren möglich, welche jedoch bereits im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert wurden. Beispielsweise kann das Heizelement 32 abgeschaltet werden, sobald das Heizelement E, beispielsweise der genannte Verbrennungsmotor, genügend Abwärme bereitstellt.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Sensor
    12
    Enteisungssystem
    14
    Gehäuse
    14a, b
    Gehäuseteil
    16
    Hauptplatine
    18
    Sendechip
    20
    Empfangschip / Sensor
    22
    Objekt
    24
    Sendeoptik
    26
    Empfangsoptik
    28
    Abdeckelement
    28a
    Außenseite
    28b
    Strömungskanal
    28c
    Innenseite
    30
    Lüfter / Strömungsgenerator
    32
    Heizdraht / Heizelement
    34
    Fluidverlauf
    36
    Nano Beschichtung
    38
    Reinigungsdüse
    40
    Zuleitung
    A
    Außenbereich
    I
    Innenbereich
    E
    Heizelement
    S
    Strömungsgenerator

Claims (7)

  1. Enteisungssystem (12) für einen Sensor (10), umfassend - ein Heizelement (32, E) zum Temperieren eines Fluids, - einen Strömungsgenerator (30, S) zum Antrieb eines Fluids, sowie - ein Abdeckelement (28), welches einen Außenbereich (A) von einem Innenbereich (I) abtrennt, wobei das Abdeckelement (28) derart ausgebildet ist, dass ein von dem Strömungsgenerator (30, S) angetriebenes Fluid an dem Abdeckelement (28) entlangströmt, um das Abdeckelement (28) aufzuheizen.
  2. Enteisungssystem (12) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid an einer Innenseite (28c) des Abdeckelements (28) entlangströmt.
  3. Enteisungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (28) einen Strömungskanal (28b) für das Fluid aufweist.
  4. Enteisungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (32, E) innerhalb des Innenbereichs (I) angeordnet ist oder über eine Zuführung (40) mit dem Innenbereich (I) verbunden ist.
  5. Enteisungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgenerator (30, S) innerhalb des Innenbereichs (I) angeordnet ist oder über eine Zuführung (40) mit dem Innenraum (I) verbunden ist.
  6. Enteisungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite (A) des Abdeckelements (28) eine Nano-beschichtung (36) ausgebildet ist.
  7. Enteisungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Enteisungssystem (12) eine Enteisungsdüse (38) aufweist.
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