EP2337173A2 - HF-Zündeinrichtung - Google Patents
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- EP2337173A2 EP2337173A2 EP10014169A EP10014169A EP2337173A2 EP 2337173 A2 EP2337173 A2 EP 2337173A2 EP 10014169 A EP10014169 A EP 10014169A EP 10014169 A EP10014169 A EP 10014169A EP 2337173 A2 EP2337173 A2 EP 2337173A2
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- H01T13/36—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by the joint between insulation and body, e.g. using cement
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- H01T23/00—Apparatus for generating ions to be introduced into non-enclosed gases, e.g. into the atmosphere
Definitions
- the invention relates to a high-frequency ignition device with the features specified in the preamble of claim 1.
- a high-frequency ignition device is from the EP 1 515 594 A2 known.
- the center electrode of such an RF ignition device is excited with a suitable circuit, for example an RF resonant circuit.
- the center electrode then radiates high-frequency electromagnetic waves into the combustion chamber of the engine, so that a plasma is generated there, which causes an ignition.
- HF igniters which cause ignition by a corona discharge are an alternative to conventional spark plugs, which cause ignition by means of an arc discharge and by electrode burn considerable wear subject. HF ignition devices have the potential of a longer life, but could not fulfill this so far.
- the object of the invention is therefore to show a way how the life of a HF ignition device can be improved.
- an HF ignition device In order to excite the center electrode for emitting high-frequency electromagnetic waves, an HF ignition device includes a circuit, usually a resonant circuit or, for example, a piezoelectric RF generator.
- a circuit usually a resonant circuit or, for example, a piezoelectric RF generator.
- One element of this circuit is a capacitor whose dielectric is formed by the insulator body.
- the dielectric strength can be significantly improved by the portion of the insulator body surrounded by the housing body carrying an electrically conductive coating.
- the electrically conductive coating of the insulator body together with the center electrode forms the capacitor whose dielectric is the insulator body.
- the known ignition device forms the metallic housing body together with the center electrode, the capacitor, which probably leads to a less uniform electric field and therefore to a lower dielectric strength.
- the electrically conductive coating may be, for example, a metallic coating.
- the electrically conductive coating is a ceramic coating. Ceramic coatings have the advantage of a large one Hardness. In a hard coating, the risk of damage when inserting the insulator body in the housing body is much lower. This is an important advantage because damage to the coating is a weak spot that can cause field swell leading to partial discharges.
- non-oxide ceramics for example borides, in particular diborides, for example titanium or zirconium boride, carbides, in particular titanium carbide or silicon carbide, and nitrides.
- borides in particular diborides, for example titanium or zirconium boride
- carbides in particular titanium carbide or silicon carbide
- nitrides Particular preference is given to nitride-ceramic coatings, since nitrides combine good electrical conductivity with high hardness and high chemical resistance. Good results can be achieved in particular with ceramic materials based on titanium and / or chromium nitride.
- indium tin oxides in particular indium tin oxides predominantly consisting of indium oxide, such as (In 2 O 3 ) 1-x (SnO 2 ) x where x ⁇ 0.2, in particular x ⁇ 0.1 ,
- the electrically conductive coating preferably has a thickness of less than 100 ⁇ m, more preferably less than 50 ⁇ m, in particular not more than 20 ⁇ m. Even very thin coatings are sufficient to improve the service life. However, the coating preferably has a thickness of at least 1 ⁇ m.
- the insulator body of an ignition device according to the invention can be provided, for example by deposition from the gas phase, in particular PVD or CVD, with an electrically conductive coating.
- the electrical coating preferably consists of a single layer.
- multilayer coatings for example with a layer based on chromium nitride and a further layer based on titanium chromium nitride.
- the electrically conductive coating preferably has a sheet resistance of less than 50 ⁇ , particularly preferably less than 20 ⁇ , in particular not more than 10 ⁇ .
- the general rule is that field overshoot, the flashovers and partial discharges, the better the greater the conductivity of the coating.
- the electrically conductive layer of the insulator body electrically contacts the metallic housing body.
- the electrically conductive layer is typically grounded, as is the metallic package body.
- the insulator body can be glued or soldered, for example, in the housing body.
- the insulator body is clamped in the housing body. This can be achieved for example by pressing the insulator into the housing body or by a heat shrink connection. Ceramic coatings advantageously have sufficient hardness to allow such a joining process.
- the electrically conductive coating has a hardness of at least 1500 HV 0.05, more preferably of at least 2000 HV 0.05. These values are based on a Vickers hardness test with a test load of 0.05 kilopond.
- a coil is arranged in the housing, which forms the circuit for RF excitation of the center electrode together with the capacitor formed by the conductive coating and the center electrode.
- a circuit is a resonant circuit.
- the circuit is a series resonant circuit. In principle, however, a parallel resonant circuit can also be used.
- a further advantageous embodiment of the invention provides that the insulator body protrudes with an uncoated portion of the housing body.
- a further advantageous development of the invention provides that the insulator body protrudes from the housing body at its end on the combustion chamber side and covers the housing body there. In this way, the insulator body form a stop against which the housing body rests.
- the joining of insulator body and housing body, for example by pressing, can be facilitated.
- FIG. 1 shows a high-frequency ignition device for igniting a combustible gas mixture in an internal combustion engine.
- the in FIG. 1 circled image section A is in FIG. 2 shown in a cutaway view.
- the RF ignitor has a center electrode 2 terminating in a firing tip 2a, a ceramic insulator body 3 through which the center electrode 2 passes, and a housing 4 supporting at one end a metallic housing body 5 supporting at least a portion of the insulator body 3 surrounds and carries an external thread 5a for screwing into an internal combustion engine.
- the section of the insulator body 3 surrounded by the housing body 5 carries an electrically conductive coating 6 which bears against the housing body 5 and makes electrical contact with it.
- the electrically conductive coating 6 and the center electrode 2 form a capacitor whose dielectric is the portion of the insulator body 3 covered by the coating 6.
- This capacitor is part of a circuit for high-frequency excitation of the center electrode 2.
- the coil 7 forms together with the capacitor an electrical resonant circuit with which the center electrode 2 can be excited, so that their protruding from the insulator body 3 firing tip 2 a emits high-frequency electromagnetic waves in the combustion chamber of a Motors generate a plasma and thus cause an ignition.
- the resonant circuit has a resonant frequency of more than one MHz, preferably more than 10 MHz, more preferably more than 100 MHz.
- the firing tip of the center electrode 2 therefore radiates electromagnetic waves having a frequency of more than one MHz.
- Particularly suitable is a frequency range of 10 MHz to 10 GHz.
- the electrically conductive coating 6 is a ceramic coating in the illustrated embodiment. Particularly suitable are in particular nitride ceramic coatings, for example based on titanium nitride.
- the coating has in the illustrated embodiment has a thickness between 1 .mu.m and 10 .mu.m and a sheet resistance of less than 1 ⁇ .
- the electrically conductive coating can be deposited from the gas phase, for example by means of PVD (physical vapor deposition) or CVD (chemical vapor depositon).
- the insulator body 3 is held in the housing body 5 by clamping.
- the insulator body can be pressed into the housing body 5.
- Another possibility is, in particular, to heat the housing body 5 and allow it to shrink to shrink on the insulator body 3. With such a heat-shrinkable connection, as well as by a press connection, an advantageously gastight connection between the insulator body 3 and the housing body 5 can be effected.
- the insulator body 3 protrudes at its combustion chamber end with an uncoated portion of the housing body 5 out.
- the uncoated portion has an enlarged diameter and covers the housing body 5.
- the combustion chamber-side end of the housing body 5 is completely covered.
- the housing body partially covered. An increased distance reduces the risk of shunts.
- FIG. 3 schematically shows a modified embodiment in which the ceramic insulator body 3 forms a conical-pressing dressing with the metallic housing body 5.
- the housing body 5 may be made of steel, for example, the insulator body, for example, of aluminum oxide.
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Abstract
Description
- Die Erfindung geht aus von einer Hochfrequenz-Zündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine derartige HF-Zündeinrichtung ist aus der
EP 1 515 594 A2 bekannt. - Zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Motor wird die Mittelelektrode einer solchen HF-Zündeinrichtung mit einer geeigneten Schaltung, beispielsweise einem HF-Schwingkreis, angeregt. Die Mittelelektrode strahlt dann hochfrequente elektromagnetische Wellen in den Brennraum des Motors ab, so dass dort ein Plasma erzeugt wird, das eine Zündung bewirkt.
- HF-Zündeinrichtungen, die eine Zündung durch eine Corona-Entladung bewirken, sind eine Alternative zu herkömmlichen Zündkerzen, die eine Zündung mittels einer Bogenentladung bewirken und durch Elektrodenabbrand einem erheblichen Verschleiß unterliegen. HF-Zündeinrichtungen haben das Potential einer längeren Lebensdauer, konnten dieses aber bisher nicht erfüllen.
- Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Weg aufzuzeigen, wie die Lebensdauer einer HF-Zündeinrichtung verbessert werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine HF-Zündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebnen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Um die Mittelelektrode zur Abstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen anzuregen, enthält eine HF-Zündeinrichtung eine Schaltung, in der Regel einen Schwingkreis oder beispielsweise einen piezoelektrischen HF-Generator. Ein Element dieser Schaltung ist ein Kondensator, dessen Dielektrikum von dem Isolatorkörper gebildet wird.
- Bei Frequenzen von typischerweise mindestens einem MHz und Spannungen von einigen kV hat sich die Spannungsfestigkeit im Betrieb als problematisch herausgestellt. Spannungsüberschläge und Teilentladungen führen häufig zu einem vorzeitigen Ausfall einer HF-Zündeinrichtung.
- Überraschenderweise lässt sich die Spannungsfestigkeit deutlich verbessern, indem der von dem Gehäusekörper umgebene Abschnitt des Isolatorkörpers eine elektrisch leitfähige Beschichtung trägt. Bei einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung bildet die elektrisch leitfähige Beschichtung des Isolatorkörpers zusammen mit der Mittelelektrode den Kondensator, dessen Dielektrikum der Isolatorkörper ist. Bei der aus der
EP 1 515 594 A2 bekannten Zündeinrichtung bildet dagegen der metallische Gehäusekörper zusammen mit der Mittelelektrode den Kondensator, was wohl zu einem weniger gleichmäßigen elektrischen Feld und deshalb zu einer geringeren Spannungsfestigkeit führt. - Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann beispielsweise eine metallische Beschichtung sein. Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Beschichtung aber eine keramische Beschichtung. Keramische Beschichtungen haben den Vorteil einer großen Härte. Bei einer harten Beschichtung ist die Gefahr einer Beschädigung beim Einsetzen des Isolatorkörpers in den Gehäusekörper wesentlich geringer. Dies ist ein wichtiger Vorteil, da eine Beschädigung der Beschichtung eine Schwachstelle bedeutet, bei der Feldüberhöhung auftreten können, die zu Teilentladungen führen.
- Geeignet sind insbesondere Beschichtungen aus nicht-oxidischen Keramiken, beispielsweise Boride, insbesondere Diboride, beispielsweise Titan- oder Zirkonborid, Karbide, insbesondere Titancarbid oder Siliziumcarbid, und Nitride. Besonders bevorzugt sind nitridkeramische Beschichtungen, da Nitride eine gute elektrische Leitfähigkeit mit einer großen Härte und hohen chemischen Beständigkeit verbinden. Gute Ergebnisse können insbesondere mit keramischen Werkstoffen auf Basis von Titan- und/oder Chromnitrid erzielt werden. Möglich sind aber auch keramische Beschichtungen auf Basis von Oxiden, beispielsweise Indiumzinnoxide, insbesondere überwiegend aus Indiumoxid bestehende Indiumzinnoxide, wie beispielsweise (In2O3)1-x(SnO2)x mit x≤0,2, insbesondere x≤0,1.
- Die elektrisch leitfähige Beschichtung hat bevorzugt eine Dicke von weniger als 100 µm, besonders bevorzugt weniger als 50 µm, insbesondere nicht mehr als 20 µm. Bereits sehr dünne Beschichtungen reichen aus, um die Lebensdauer zu verbessern. Bevorzugt hat die Beschichtung aber eine Dicke von wenigstens 1 µm.
- Der Isolatorkörper einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung kann beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase, insbesondere PVD oder CVD, mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen werden.
- Die elektrische Beschichtung besteht bevorzugt aus einer einzigen Schicht. Es können aber auch mehrschichtige Beschichtungen verwendet werden, beispielsweise mit einer Schicht auf Basis von Chromnitrid und einer weiteren Schicht auf Basis von Titanchromnitrid.
- Bevorzugt hat die elektrisch leitfähige Beschichtung einen Flächenwiderstand von weniger als 50 Ω, besonders bevorzugt von weniger als 20 Ω, insbesondere nicht mehr als 10 Ω. Allgemein gilt in der Regel, dass sich Feldüberhöhung, die Spannungsüberschläge und Teilentladungen begünstigen können, umso besser vermeiden lassen, je größer die Leitfähigkeit der Beschichtung ist.
- Die elektrisch leitfähige Schicht des Isolatorkörpers kontaktiert elektrisch den metallischen Gehäusekörper. Im Betrieb liegt die elektrisch leitfähige Schicht deshalb typischerweise ebenso wie der metallische Gehäusekörper auf Masse. Der Isolatorkörper kann beispielsweise in den Gehäusekörper eingeklebt oder eingelötet sein. Bevorzugt wird der Isolatorkörper aber klemmend in dem Gehäusekörper gehalten. Dies kann beispielsweise durch Einpressen des Isolators in den Gehäusekörper oder durch eine Warmschrumpfverbindung erreicht werden. Keramische Beschichtungen haben vorteilhaft eine ausreichende Härte, um ein derartige Fügeverfahren zu ermöglichen.
- Bevorzugt hat die elektrisch leitfähige Beschichtung eine Härte von wenigstens 1500 HV 0,05, besonders bevorzugt von wenigstens 2000 HV 0,05. Diese Werte beziehen sich auf eine Härteprüfung nach Vickers mit einer Prüfkraft von 0,05 Kilopond.
- Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Gehäuse eine Spule angeordnet ist, die zusammen mit dem von der leitfähigen Beschichtung und der Mittelelektrode gebildeten Kondensator die Schaltung zur HF-Anregung der Mittelelektrode bildet. Eine solche Schaltung ist ein Schwingkreis. Bevorzugt ist die Schaltung ein Reihenschwingkreis. Prinzipiell kann aber auch ein Parallelschwingkreis verwendet werden.
- Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Isolatorkörper mit einem unbeschichteten Abschnitt aus dem Gehäusekörper herausragt.
- Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Isolatorkörper an seinem brennraumseitigen Ende aus dem Gehäusekörper herausragt und dort den Gehäusekörper bedeckt. Auf diese Weise kann der Isolatorkörper einen Anschlag ausbilden, an dem der Gehäusekörper anliegt. Vorteilhaft lässt sich so das Zusammenfügen von Isolatorkörper und Gehäusekörper, beispielsweise durch Einpressen, erleichtern. Zudem kann durch einen solchen Anschlag der auf dem Isolatorkörper lastende Brennraumdruck aufgenommen werden, so dass der Sitz des Isolatorkörpers in dem Gehäusekörper auch durch Druckspitzen beim Motorbetrieb nicht beeinträchtigt wird.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Teile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen gekennzeichnet. Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen HF-Zündeinrichtung;
- Figur 2
- eine Schnittansicht des Bildausschnitt A von
Figur 1 ; und - Figur 3
- eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels zur Verbindung des Isolatorkörpers mit dem Gehäusekörper.
-
Figur 1 zeigt eine Hochfrequenzzündeinrichtung zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor. Der inFigur 1 eingekreiste Bildausschnitt A ist inFigur 2 in einer geschnittenen Ansicht dargestellt. - Die HF-Zündeinrichtung hat eine Mittelelektrode 2, die in einer Zündspitze 2a endet, einen keramischen Isolatorkörper 3, durch den die Mittelelektrode 2 hindurchgeführt ist, und ein Gehäuse 4, das an einem Ende einen metallischen Gehäusekörper 5 trägt, der zumindest einen Abschnitt des Isolatorkörpers 3 umgibt und ein Außengewinde 5a zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor trägt.
- Der von dem Gehäusekörper 5 umgebene Abschnitt des Isolatorkörpers 3 trägt eine elektrisch leitfähige Beschichtung 6, die an dem Gehäusekörper 5 anliegt und diesen elektrisch kontaktiert. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 6 und die Mittelelektrode 2 bilden einen Kondensator, dessen Dielektrikum der von der Beschichtung 6 bedeckte Abschnitt des Isolatorkörpers 3 ist.
- Dieser Kondensator ist Teil einer Schaltung zur Hochfrequenzanregung der Mittelelektrode 2. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehört zu dieser Schaltung ferner eine an die Mittelelektrode 2 angeschlossene Spule 7. Die Spule 7 bildet zusammen mit dem Kondensator einen elektrischen Schwingkreis, mit dem die Mittelelektrode 2 angeregt werden kann, so dass deren aus dem Isolatorkörper 3 herausragende Zündspitze 2a hochfrequente elektromagnetische Wellen aussendet, die im Brennraum eines Motors ein Plasma erzeugen und so eine Zündung bewirken.
- Der Resonanzkreis hat eine Resonanzfrequenz von mehr als einem MHz, bevorzugt von mehr als 10 MHz, besonders bevorzugt von mehr als 100 MHz. Im Betrieb strahlt die Zündspitze der Mittelelektrode 2 deshalb elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von mehr als einem MHz ab. Besonders gut geeignet ist ein Frequenzbereich von 10 MHz bis 10 GHz.
- Die elektrisch leitfähige Beschichtung 6 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine keramische Beschichtung. Besonders geeignet sind insbesondere nitridkeramische Beschichtungen, beispielsweise auf Basis von Titannitrid. Die Beschichtung hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Dicke zwischen 1 µm und 10 µm und einen Flächenwiderstand von weniger als 1 Ω. Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann aus der Gasphase abgeschieden werden, beispielsweise mittels PVD (physical vapor deposition) oder CVD (chemical vapor depositon).
- Der Isolatorkörper 3 ist in dem Gehäusekörper 5 klemmend gehalten. Beispielsweise kann der Isolatorkörper in den Gehäusekörper 5 eingepresst sein. Eine andere Möglichkeit besteht insbesondere darin, den Gehäusekörper 5 zu erhitzen und beim Abkühlen auf den Isolatorkörper 3 aufschrumpfen zu lassen. Mit einer solchen Warmschrumpfverbindung lässt sich ebenso wie durch eine Pressverbindung eine vorteilhaft gasdichte Verbindung zwischen dem Isolatorkörper 3 und dem Gehäusekörper 5 bewirken.
- Der Isolatorkörper 3 ragt an seinem brennraumseitigen Ende mit einem unbeschichteten Abschnitt aus dem Gehäusekörper 5 heraus. Der unbeschichtete Abschnitt hat einen vergrößerten Durchmesser und bedeckt den Gehäusekörper 5. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das brennraumseitige Ende des Gehäusekörpers 5 vollständig bedeckt. Um den elektrischen Abstand zwischen der Mittelelektrode 2 und dem Gehäusekörper 5 zu erhöhen, genügt es aber bereits, wenn der Isolatorkörper 3 den Gehäusekörper teilweise bedeckt. Ein vergrößerter Abstand reduziert die Gefahr von Nebenschlüssen.
- Bei dem in
Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden der Isolatorkörper 3 und der Gehäusekörper 5 einen zylindrischen Pressverband.Figur 3 zeigt schematisch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem der keramische Isolatorkörper 3 mit dem metallischen Gehäusekörper 5 einen Kegelpressverband bildet. Der Gehäusekörper 5 kann beispielsweise aus Stahl, der Isolatorkörper beispielsweise aus Aluminiumoxid sein. -
- 2
- Mittelelektrode
- 2a
- Zündspitze
- 3
- Isolatorkörper
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gehäusekörper
- 5a
- Außengewinde
- 6
- Beschichtung
- 7
- Spule
Claims (10)
- HF-Zündeinrichtung zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor, mit
einer Mittelelektrode (2),
einem Isolatorkörper (3), durch den die Mittelelektrode (2) hindurchgeführt ist, einem Gehäuse (4), das an einem Ende einen metallischen Gehäusekörper (5) trägt, der zumindest einen Abschnitt des Isolatorkörpers (3) umgibt, und
einer Schaltung zur HF-Anregung der Mittelelektrode (2),
dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Gehäusekörper (5) umgebene Abschnitt des Isolatorkörpers (3) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (6) trägt. - Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) eine keramische Beschichtung (6) ist.
- Zündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) aus Nitridkeramik ist.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) eine Dicke von weniger als 100 µm, vorzugsweise weniger als 50 µm, insbesondere nicht mehr als 20 µm, hat.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) eine Dicke von wenigstens 1 µm hat.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) einen Flächenwiderstand von weniger als 50 Ω, vorzugsweise weniger als 20 Ω, besonders bevorzugt nicht mehr als 10 Ω, hat.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkörper (3) klemmend in dem Gehäusekörper (5) gehalten ist.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkörper (3) an seinem brennraumseitigen Ende aus dem Gehäusekörper (5) herausragt und dort den Gehäusekörper (5) zumindest teilweise bedeckt.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkörper (3) mit einem unbeschichteten Abschnitt aus dem Gehäusekörper (5) herausragt.
- Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) durch Abscheidung aus der Gasphase erzeugt wurde.
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