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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizeinrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeit, insbesondere von Waschflüssigkeit einer Scheibenwaschanlage, in einem Kraftfahrzeug, mit einem metallischen Gehäuse mit einem ersten Ende zum Eintauchen in die zu beheizende Flüssigkeit und einem zweiten Ende mit einem elektrischen Anschluß; mindestens ein Heizelement, das in dem Gehäuse angeordnet ist; und mindestens ein metallisches Wärmeleitelement um Wärme von dem Gehäuse abzuleiten. Die Erfindung betrifft ferner einen Flüssigkeitsbehälter für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zum Aufnehmen von Waschflüssigkeit einer Scheibenwaschanlage, mit einem Ansaugstutzen für eine Flüssigkeitspumpe zum Fördern der Flüssigkeit und einer elektrischen Heizeinrichtung zum Beheizen der Flüssigkeit.
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Eine solche Heizeinrichtung ist aus der
DE 203 15 852 U1 bekannt. Bei der bekannten Heizeinrichtung ist das Gehäuse von einem Strangkörper umschlossen, von dem großflächige metallene Wärmeleitelemente ausgehen. Der Strangkörper besteht aus zwei Teilen, die jeweils mit Verbindungslaschen versehen sind, durch welche sie mittels Schrauben oder Nieten miteinander verbunden und somit auf dem Gehäuse befestigt sind.
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Die Wärmeleitelemente der bekannten Heizvorrichtung bilden kammerartige, unten und oben offene Hohlräume, so daß während des Auftauvorgangs ringsum aufgetaute Eissäulen entstehen können, deren restliches Auftauen bzw. Abschmelzen insofern schneller erfolgen kann, als Wärme von allen Seiten zugeführt wird und darüber hinaus diese Eissäulen sich nach einer Seite neigen können, um wieder mit einem Wärmeleitelement, d. h. einer Kammerwand, in unmittelbare Berührung zu kommen und so schneller zu schmelzen.
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Aus der
DE 2 220 775 A ist ein elektrischer Rohrheizkörper mit aufgeschobenen Blechlamellen bekannt. Der Rohrheizkörper steckt in einer Öffnung der Blechlamellen, von der sternförmig Schlitze ausgehen.
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Aus der
DE 203 12 313 U1 ist eine Vorrichtung zum Erwärmen von Gasströmen bekannt, bei der PTC-Elemente enthaltende Profilrohre in Öffnungen der Blechlamellen stecken. Von dem Rand dieser Öffnungen gehen mehrere nach außen gerichtete Schlitze aus.
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Aus der
DE 203 01 655 U1 ist eine Vorrichtung zum Erwärmen von Waschflüssigkeit in einem Kfz bekannt, bei der ein Flachheizstab in einen Tank hineinragt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische Heizeinrichtung der eingangs genannten Art kostengünstiger gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heizeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Bei einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist das Wärmeleitelement ein ausgestanztes Wärmeleitblech, das mehrere Öffnungen (Schlitze) aufweist, mit denen es auf das Gehäuse aufgeschoben ist.
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Auf diese Weise läßt sich die Fertigung wesentlich vereinfachen. Es muß nicht mehr ein mehrteiliges Wärmeelement durch Schrauben oder Nieten umständlich an dem Gehäuse befestigt werden. Die Herstellung eines Wärme leitblechs ist mit wesentlich geringerem Aufwand möglich, als die Herstellung der relativ komplizierten und mühsam zu fertigenden Wärmeleitelemente nach dem Stand der Technik, bei denen flächige Elemente von Strangkörperteilen ausgehen. Besonders einfach ist die Fertigung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung, wenn das Wärmeleitelement nach dem Aufschieben mit dem Gehäuse verpreßt wird. Durch das Verpressen entsteht nicht nur ein guter Wärmekontakt, sondern das Wärmeleitelement kann mit einem entsprechenden Spiel gefertigt werden, so daß es leichter aufgeschoben werden kann. Ein Schlitz, mit dem das Wärmeleitblech auf das Gehäuse aufgeschoben wird, läßt sich leicht einstanzen und zum Aufschieben auf das Gehäuse aufbiegen. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Schlitze vorhanden, durch die das Gehäuse hindurchtritt, um für einen möglichst guten Wärmekontakt zu sorgen.
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Bevorzugt hat das Wärmeleitblech eine Stärke von mindestens 2 mm. Überraschenderweise läßt sich mit einem dünneren Blech Wärme in einer Flüssigkeit wegen seiner größeren Wärmetauschfläche schlecht transportieren, so daß die Flüssigkeit nur lokal erwärmt wird.
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Mit einer Heizeinrichtung zum Beheizen von Waschflüssigkeit für eine Scheibenwaschanlage eines Kraftfahrzeugs muß innerhalb von kurzer Zeit (ca. 20 min.) mindestens ¼ l Waschflüssigkeit aufgetaut werden können, so daß diese von einer Flüssigkeitspumpe versprüht werden kann. Es hat sich gezeigt, daß selbst bei Heizeinrichtungen mit an sich ausreichender Heizleistung selbst nach 20-minütigem Betrieb manchmal noch kein Waschwasser versprüht werden kann. Dies liegt in der Regel daran, daß in solchen Fällen zwar eine große Menge Waschflüssigkeit in dem Behälter aufgetaut wurde, aber in einem Ansaugbereich der Pumpe noch Eis vorhanden ist, das einen Flüssigkeitsstrom blockiert.
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Mit dem metallischen Wärmeleitelement einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung kann Wärme von dem Gehäuse in ein besonders kritisches Volumenelement in dem Flüssigkeitsbehälter, beispielsweise einen Flüssigkeitsdurchlaß, oder eine Einlaßöffnung hineingeleitet werden. Besonders günstig ist es, wenn das Wärmeleitelement einen in den Flüssigkeitsbehälter hineinragenden Ansaugstutzen der Pumpe berührt. Auf diese Weise läßt sich Wärme besonders effektiv in diesen kritischen Bereich einleiten und Waschflüssigkeit in den Stutzen auftauen.
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Bevorzugt liegt das mindestens eine Wärmeleitelement mit einer Wärmekontaktfläche an dem Ansaugstutzen der Flüssigkeitspumpe an. Für eine möglichst gute Wärmeleitung sollte der Ansaugstutzen von der Wärmekontaktfläche mindestens auf einer Hälfte seines Umfangs berührt werden. Bei einem Ansaugstutzen, der seitliche Öffnungen aufweist, läßt sich dies am einfachsten dadurch erreichen, daß der Ansaugstutzen mit seinem in dem Flüssigkeitsbehälter hineinragenden Ende auf dem Wärmeleitelement ruht.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Wärmeleitblech mit einer passend zu dem Ansaugstutzen geformten Ausnehmung zu versehen, mit der es den Ansaugstutzen umgibt. Typischerweise hat der Ansaugstutzen einen kreisförmigen Querschnitt, so daß das Wärmeleitblech an seinem Rand entsprechend mit einer halbkreisförmigen Ausnehmung versehen wird und der Ansaugstutzen in diesem Fall auf genau der Hälfte seines Umfangs berührt wird.
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Besonders günstig ist es, das Wärmeleitelement mit einem Durchbruch zu versehen, durch den der Ansaugstutzen hindurchragt, so daß er auf seinem gesamten Umfang das Wärmeleitelement berührt. Handelt es sich bei dem Wärmeleitelement um ein Wärmeleitblech, so läßt sich ein Durchbruch einstanzen, der von Laschen umgeben ist. Wird der Ansaugstutzen durch den Durchbruch geschoben, so werden die Laschen zurückgebogen und liegen federnd an dem Ansaugstutzen an, wodurch sich eine besonders große Wärmekontaktfläche ergibt.
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Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß Wärmeleitelemente, die eine offene Struktur bilden, die frei von der zu beheizenden Flüssigkeit umspült werden kann, ein schnelleres Aufheizen ermöglichen. Insbesondere kann mit einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung schneller ein Kanal von einer Nachfüllöffnung des Flüssigkeitstanks bis zu dem Ansaugbereich der Pumpe freigeschmolzen werden. Hierfür ist es besonders günstig, wenn das Gehäuse der Heizeinrichtung aus einer Aluminiumlegierungen gefertigt ist. Da Aluminiumlegierungen eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit haben, als beispielsweise für Gehäuse von Heizeinrichtungen gebräuchliche Edelstahllegierungen, verteilt sich die von den Heizelementen erzeugte Wärme wesentlich gleichmäßiger über ein Gehäuserohr aus einer Aluminiumlegierung als über ein Gehäuserohr aus Edelstahl. Wenn das Gehäuserohr einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung parallel zu dem freizuschmelzenden Kanal angeordnet wird, läßt sich die von den Heizelementen erzeugte Wärme mit dem Gehäuserohr auf die gesamte Länge des aufzutauenden Kanals verteilen.
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Ein erheblicher Teil der Kosten einer Heizeinrichtung entfallen auf das Gehäuse. Ein typisches Beispiel ist die aus der
DE 102 58 257 A1 bekannte Heizeinrichtung. Diese Heizeinrichtung kann zum Erwärmen von Dieselkraftstoff, Kühlwasser oder Harnstoff, der als Amoniaklieferant für einen Katalysator benötigt wird, eingesetzt werden. Das Gehäuse der bekannten Heizeinrichtung ist ein Fließpreßteil aus Aluminium, in dem sich ein Heizeinsatz mit einem oder mehreren PTC-Heizelementen befindet. Nach dem Einbringen der Heizelemente wird das Gehäuse verpreßt, so daß ein guter thermischer Kontakt zwischen den Heizelementen und dem Gehäuse erzeugt wird. Die bekannte Heizeinrichtung ist zwar zum Beheizen verschiedenster Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug geeignet und robust genug, um bei einem Einfrieren der Flüssigkeit auch Eisdruck standhalten zu können, es hat sich jedoch gezeigt, daß je nach Einbaulage, zu beheizender Flüssigkeit oder Form des zugehörigen Flüssigkeitsbehälters kostenintensive Konstruktionsanpassungen erforderlich sind, um anwendungsspezifische Anforderungen hinsichtlich Abmessungen und/oder Heizleistung zu erfüllen.
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Bei jeder Neu- oder Weiterentwicklung eines Kraftfahrzeugs ändern sich in der Regel die Maße der darin vorhandenen Flüssigkeitsbehälter und unter Umständen auch die Anforderungen an die Heizleistung der jeweils benötigten Heizeinrichtung. Aus diesem Grund entstehen bei der bekannten Heizeinrichtung regelmäßig erhebliche Kosten, wenn eine Anpassung an geänderte Flüssigkeitsbehälter neuer Kraftfahrzeugmodelle erforderlich ist.
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Durch Verwendung eines Rohrs, insbesondere Profilrohrs als Gehäuse lassen sich gegenüber dem Stand der Technik, bei dem ein Fließpreßteil oder ein tiefgezogenes Gehäuse verwendet wurde, erhebliche Kosten einsparen. Ein tiefgezogenes Gehäuse oder auch ein Fließpreßteil machen erhebliche Werkzeugkosten erforderlich, die bei jeder Änderung der Abmessungen der Heizeinrichtung neu investiert werden müssen. Demgegenüber kann ein Profilrohr kostengünstig als Standardteil hergestellt oder bezogen werden. Anpassungen an geänderte Flüssigkeitsbehälter sind leicht möglich, indem das Profilrohr auf eine gewünschte Länge zugeschnitten und bei Bedarf auch gebogen wird. Mit der Länge kann auch die Anzahl der verwendeten Heizelemente und damit die Heizleistung problemlos an geänderte Anforderungen angepaßt werden.
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Eine Heizeinrichtung mit einem Profilrohr als Gehäuse hat zunächst den scheinbaren Nachteil, daß das in die Flüssigkeit eintauchende Ende mit aufwendigen Mitteln abgedichtet werden muß, um selbst bei der zu erwartenden thermischen Belastung durch häufiges Erwärmen, Abkühlen und Einfrieren der Flüssigkeit (Temperaturbereich –30°C bis +130°C) dauerhaft und zuverlässig flüssigkeitsdicht zu sein. Insbesondere muß die Heizeinrichtung auch Eisdruck standhalten, falls die Flüssigkeit einfriert.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich das Profilrohr kostengünstig durch einen Verschluß aus Kunststoff flüssigkeitsdicht verschließen läßt. Beispielsweise kann der Verschluß dadurch gebildet werden, daß das zu verschließende Ende des Profilrohrs mit einer geeigneten Vergußmasse aus Kunststoff abgedichtet wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verschluß um einen Pfropfen aus Kunststoff. Auf diese Weise ist eine besonders kostengünstige Fertigung möglich. Der Pfropfen wird bei der Montage einfach in das abzudichtende Ende des Profilrohrs gesteckt. Besonders geeignet sind Kunststoffe mit einer Shore-A Härte (bei Raumtemperatur) von 40–80, vorzugsweise von 50 bis 70, insbesondere 55 bis 65. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um einen elastomeren Kunststoff, beispielsweise ein thermoplastisches Elastomer, oder eine Kautschukmischung, beispielsweise NBR (Acryl-Nitril-Butadien), oder HNBR. Besonders gut geeignet ist Ethylen-Propylendien-Kautschuk. Bevorzugt hat der Kunststoff einen Kurzzeit-Druckverformungsrest von weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 25%, insbesondere weniger als 20%.
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Besonders kostengünstig ist es, wenn das Wärmeleitelement ein ausgestanztes Wärmeleitblech, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in einer Vorderansicht;
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2 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer Rückansicht;
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3 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt;
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4 einen Flüssigkeitsbehälter mit der in 1 bis 3 gezeigten Heizeinrichtung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
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5 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;
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6 einen Querschnitt eines Pfropfens zum Verschließen des Gehäuserohrs der Heizeinrichtung und
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7 den in 6 dargestellten Pfropfen in einer Draufsicht.
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Das in 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizeinrichtung 1 zum Beheizen von Flüssigkeit in einem Kraftfahrzeug umfaßt ein metallisches Gehäuserohr 2 mit einem ersten Ende 3 zum Eintauchen in die zu beheizende Flüssigkeit und einem zweiten Ende 4 mit einem elektrischen Anschluß 5. Das Gehäuserohr 2 ist ein Profilrohr, das an dem ersten Ende 3 mit einem flüssigkeitsdichten Verschluß 6 aus Kunststoff (3) abgedichtet ist. Bei diesem Verschluß handelt es sich um einen Pfropfen, der in 6 und 7 im Detail dargestellt ist.
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Bei dem Profilrohr 2 handelt es sich um ein Vierkantrohr mit zwei langen Seiten 8 und zwei kurzen Seiten 9. Wie 3 zeigt, befindet sich in dem Profilrohr 2 mindestens ein plattenförmiges Heizelement 11. Die Anzahl der Heizelemente 11 wird für eine gegebene Anwendung entsprechend der Heizleistung und der benötigten Länge des Profilrohrs 2 gewählt. Bei den Heizelementen 11 handelt es sich um PTC-Heizelemente, die eine intrinsische Temperaturbegrenzung aufweisen, so daß auf aufwendige Maßnahmen zur Temperaturbegrenzung verzichtet werden kann.
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Der innere Aufbau der Heizeinrichtung ist am besten in den Längs- und Querschnittsdarstellungen der 3 und 5 zu erkennen. Die Heizelemente 11 sind zentrale Bauelemente eines Heizeinsatzes, der einen Montagerahmen 13, zwei Kontaktbleche 14, 15 und einen Isolierstreifen 16 enthält.
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Nähere Einzelheiten eines solches Heizeinsatzes sind in der
DE 102 58 257 A1 beschrieben deren diesbezügliche Offenbarung durch Bezugnahme zum Gegenstand der Anmeldung gemacht wird. Durch einen Heizansatz mit einem Montagerahmen
13 läßt sich die Fertigung wesentlich vereinfachen, da eine leicht handhabbare Einheit in das Profilrohr
2 eingebracht wird. Nach dem Einbringen des Heizeinsatzes wird das Profilrohr
2 verpreßt, so daß das oder die Heizelemente
11 in dem Gehäuserohr
2 eingeklemmt sind. Das Verpressen des Profilrohrs
2 erzeugt einen guten thermischen Kontakt der Heizelemente
11 mit dem Gehäuse. Möglich ist es aber auch, auf ein Verpressen zu verzichten und die Heizelemente beispielsweise durch Federelemente im Inneren des Gehäuses zu verspannen.
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Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist an dem Profilrohr 2 ein metallisches Wärmeleitelement 20 befestigt. Bei dem Wärmeleitelement 20 handelt es sich um ein ausgestanztes Wärmeleitblech aus einer federharten Aluminiumlegierung, beispielsweise aus AlMgSi, insbesondere AlMgSi0,5...1 Das Wärmeleitblech 20 hat eine Stärke von 2 bis 3 mm und weist mehrere Schlitze 21 auf, durch die das Profilrohr 2 hindurchtritt, so daß Blechabschnitte 22, 23 des Wärmeleitblechs 20 alternierend an gegenüberliegenden Seiten des Profilrohrs 2 anliegen. Die Blechabschnitte 22, 23 werden bei der Montage auseinander gebogen und das Profilrohr 2 alternierend in die geschlitzten Abschnitte eingefädelt. Auf diese Weise wird zwischen dem Wärmeleitblech 20 und dem Profilrohr 2 ein Reibschluß erzeugt, der für eine rutschfeste Verbindung mit guter Wärmeankopplung sorgt. Zur Verbesserung dieses Reibschlusses und der Wärmeankopplung wird das Wärmeleitblech 20 nach dem Aufschieben auf das Profilrohr 2 nochmals verpreßt.
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Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist das Wärmeleitelement in 5 nicht dargestellt, sondern nur in 1 bis 4 zu sehen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitsbehälters für ein Kraftfahrzeug, in den die im vorhergehenden beschriebene Heizeinrichtung 1 eingebaut wurde. Der gezeigte Flüssigkeitsbehälter dient zur Aufnahme von Waschflüssigkeit für eine Scheibenwaschanlage. Das Profilrohr 2 der Heizeinrichtung 1 wurde gebogen, um es an die gegebene Form des Flüssigkeitsbehälters anzupassen.
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Führen tiefe Temperaturen zu einem Einfrieren der Waschflüssigkeit in dem gezeigten Behälter, so ist es besonders wichtig, daß zunächst die Flüssigkeit im Ansaugbereich 31 der Flüssigkeitspumpe 29 aufgetaut wird, damit möglichst bald Waschflüssigkeit versprüht werden kann. Aus diesem Grund ragt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Abschnitt 24 des Wärmeleitelements 20 in den Ansaugbereich der Flüssigkeitspumpe hinein.
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Das Profilrohr 2 der Heizeinrichtung 1 ist an seinem zweiten Ende 4 stoffschlüssig mit einem Deckel 32 zum Verschließen einer Öffnung des Flüssigkeitsbehälters verbunden. Wie die in 3 gezeigte Schnittansicht zeigt, trägt der Deckel 32 den Anschluß 5 der Heizeinrichtung 1, so daß die Heizeinrichtung 1 leicht an ihrem Einbauort in einem Kraftfahrzeug montiert werden kann. Ein Zwischenraum 33 zwischen dem Deckel 32 und dem zweiten Ende 4 des Profilrohrs 2 ist mit einer Vergußmasse, bevorzugt auf Polyurethanbasis, ausgefüllt. Auf diese Weise wird ein flüssigkeitsdichter Abschluß des Profilrohres 2 erreicht, wobei zugleich Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Alternativ kann der Deckel 32 auch als ein Gummiformteil ausgebildet sein.
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Wie bereits erwähnt ist das Profilrohr 2 an dem ersten Ende 3, das bestimmungsgemäß in die zu beheizende Flüssigkeit eintaucht, mit einem Verschluß 6 aus Kunststoff abgedichtet. Bei diesem Verschluß 6 handelt es sich um einen Pfropfen aus einem elastomeren Kunststoff oder einer Kautschukmischung, vorzugsweise einem Ethylen-Propylendien-Kautschuk, der einen ausgezeichneten Druckverformungsrest aufweist. Der Kurzzeit-Druckverformungsrest ist bevorzugt kleiner als 20%. Anhand von 6 kann man erkennen, daß der Querschnitt des Pfropfens 6 an die konkaven Einbuchtungen der Seiten 8 des Profilrohrs 2 angepaßt ist.
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Vor dem Verpressen sind die langen Seiten des Profilrohrs 2 konkav eingebuchtet. Der in 6 im Querschnitt gezeigte Pfropfen 6 hat eine entsprechende Form. Nach dem Einbringen des Heizeinsatzes wird das Profilrohr 2 im Bereich der Heizelemente verpreßt. Durch das Verpressen werden die langen Seiten im Bereich der Heizelemente eben. Dadurch entsteht eine Federspannung, die für einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Profilrohr 2 und den Heizelementen sorgt. Es hat sich gezeigt, daß es für das Abdichten des Profilrohrs 2 günstig ist, wenn es an dem ersten Ende 3 nicht verpreßt wird.
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Der Pfropfen 6 ist mit einer Fase 41 versehen, um leichter in das Profilrohr 2 gesteckt werden zu können. Wie 7 zeigt, hat der Pfropfen 6 mehrere umlaufende Rippen 40, um seinen Sitz in dem Profilrohr 2 zu verbessern und die Dichtwirkung zu erhöhen. Der für den Pfropfen 6 verwendete Kunststoff hat bei Normalbedingungen eine Shore-A Härte von 60 bis 70 und ist von mindestens –40°C bis 125°C temperaturbeständig.
