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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung für einen Kraftstofffilter eines mit Dieselkraftstoff betriebenen Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse, mit darin ausgebildeten Stützstrukturen, mindestens einem PTC-Element, welches zwischen zwei Kontaktplatten angeordnet ist, mindestens einem Federelement, zum Drängen der Kontaktplatten und des mindestens einen PTC-Elements aufeinander und gegen zumindest eine der Stützstrukturen und einem das Gehäuse verschließenden Deckel.
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Stand der Technik
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Bei niedrigen Temperaturen können in Diesel-Kraftstoffen langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen, sogenannte Paraffine, ausfallen. Diese Paraffine bilden Kristalle, die dann im Kraftstoff schweben. Der Kraftstoff wird dadurch zähflüssiger und schwerer zu filtrieren. Bei stark ansteigender Konzentration der Paraffinkristalle, verstopfen diese den Kraftstoff-Filter, wodurch es zu einem Leistungsverlust und sogar zu einem Stillstand des Motors kommen kann. Daher ist bei modernen Dieselmotoren in der Regel eine sogenannte PTC-Heizung vor den Filter geschaltet. Diese Heizung wärmt den Diesel-Kraftstoff vor, wodurch die Paraffinkristalle schmelzen, bevor sie den Filter erreichen.
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Hierzu weisen diese PTC-Heizungen in der Regel mehrere scheibenförmige PTC-Elemente auf, die sich erwärmen, wenn eine elektrische Spannung an ihnen angelegt wird. Dabei steigt mit steigender Temperatur der elektrische Widerstand (PTC – positiver Temperatur Koeffizient). PTC-Elemente sind in der Regel zwischen zwei strom- und wärmeleitenden Kontaktplatten angeordnet, über die einerseits die PTC-Elemente mit Strom versorgt werden und die andererseits die entstehende Wärme ableiten und damit den Kraftstoff erwärmen.
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Aus der
EP 581 176 B1 ist eine elektrische Heizeinrichtung für Dieselkraftstoff bekannt, bei der mehrere scheibenförmige PTC-Elemente mittels mindestens zweier Stege in radialer Richtung und mittels einer Schraubenfeder je PTC-Element in axialer Richtung gehaltert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist eine Heizeinrichtung für einen Kraftstofffilter eines mit Dieselkraftstoff betriebenen Kraftfahrzeugs geschaffen, mit einem Gehäuse, mit darin ausgebildeten Stützstrukturen, mindestens einem PTC-Element, welches zwischen zwei Kontaktplatten angeordnet ist, mindestens einem Federelement, zum Drängen der Kontaktplatten und des mindestens einen PTC-Elements aufeinander und gegen zumindest eine der Stützstrukturen und einem das Gehäuse verschließenden Deckel, bei der das mindestens eine Federelement als am Deckel ausgebildeter Arm gestaltet ist.
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An dem Deckel befindet sich mindestens ein als Arm ausgebildetes Federelement, welches die Kontaktplatten und das mindestens eine PTC-Element mit einer Federkraft aufeinander und gegen mindestens eine Stützstruktur drängt. Mit dem derartigen, mindestens einen Arm kann das zugehörige PTC-Element betriebssicher zwischen den zugehörigen Kontaktplatten gehalten werden. Dies gewährleistet ein unterbrechungsfreies Heizen des Kraftstoffs selbst bei Erschütterung während des Betrieb des Fahrzeugs, ohne dass es dazu zusätzlicher Bauteile, wie etwa Schraubenfedern bedarf. Der mindestens eine erfindungsgemäße Arm kann bei der Herstellung des zugehörigen Deckels nahezu kostenneutral hergestellt und dann zusammen mit dem Deckel auch montiert werden. Aufwendige Montageeinrichtungen für das Anordnen von Schraubenfedern entfallen damit. Vorteilhaft sind mehrere Arme an dem Deckel ausgebildet, wodurch dann mehrere PTC-Elemente angedrückt gehalten werden können.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung sind der Deckel und der mindestens eine Arm aus Federstahl gebildet.
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Federstahl kann einer mechanischen Biegebelastung einen hohen Widerstand entgegensetzen. Dadurch ist über eine große Laststrecke eine elastische Verformung des mindestens einen Armes möglich. Eine plastische Verformung eines Armes wird durch die derartige erfindungsgemäße Gestaltung vermieden. Ferner ist mit dem Federstahl der Deckel selbst federnd ausgebildet, wodurch sich die federnde Wirkung weiter erhöht. Die Betriebssicherheit der gesamten Heizeinrichtung wird damit vorteilhaft beeinflusst.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist der Deckel kreisförmig, mit einem zentralen Bereich gestaltet und der mindestens eine Arm, ausgehend von dem zentralen Bereich radial nach außen gerichtet.
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Von dem zentralen Bereich des kreisförmigen Deckels erstreckt sich mindestens ein Arm radial nach außen. Der Arm ist dabei an einem Ende fest mit dem zentralen Bereich des Deckels verbunden. An seinem anderen Ende ist der Arm beweglich. Ausgehend von dem zentralen Bereich, steht der Arm in einer axialen Richtung schräg ab. Der zentrale Bereich kann ferner eine Öffnung enthalten, durch die vorteilhaft ein Fluid, insbesondere Kraftstoff, strömen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Deckel, mit daran ausgebildetem, axial abstehendem Arm ist ein federnder Deckel gebildet, der einen Einsatz von sonst üblichen Schraubenfedern überflüssig macht. Dies vereinfacht die Fertigung signifikant. Die federnde Wirkung des Deckels kommt besonders dann zur Geltung, wenn dieser zugleich an seinem radial äußeren Rand gehalten ist. Der Deckel kann dann zum inneren Bereich hin ausfedern, während der mindestens eine Arm zugleich vom inneren Bereich aus nach außen ausfedern kann. Es ergibt sich im Längsschnitt betrachtet ein Ziehharmonika-Prinzip.
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Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung weist der mindestens eine Arm an dem zentralen Bereich eine maximale Biegesteifigkeit auf und diese Biegesteifigkeit ist nach außen hin abnehmend ausgebildet.
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Der mindestens eine erfindungsgemäße Arm ist in radialer Richtung nach außen hin abnehmend biegesteif und damit zunehmend elastisch. Der derartige Arm kann dadurch eine geringe Belastung weich abfedern und dennoch einer starken Belastung einen großen Widerstand entgegensetzen. Dabei verformt sich zunächst jeder Bereich des Arms mit geringer Biegesteifigkeit elastisch. Bei steigender Last verformen sich zunehmend auch die übrigen Bereiche des Arms. Mit der vorteilhaften Ausbildung des Arms mit einem nach außen abnehmenden Biegewiderstand kann unter allen Betriebszuständen das gesamte Spektrum der an dem Heizelement auftretenden Lasten abgefedert werden. Somit ist eine zuverlässige Funktion des Heizelements sichergestellt.
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Gemäß einer vierten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung weist der zentrale Bereich eine Versteifung auf.
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Die Versteifung erhöht den Biegewiderstand des Deckels in seinem zentralen Bereich. Dies kann insbesondere mit einer Sicke erfolgen die vorteilhaft eine mittige Öffnung im Deckel umgibt. Der zentrale Bereich kann mit einer solchen Versteifung eine deutlich höhere Biegesteifigkeit aufweisen als die ihn umgebenden Bereiche. Dies wird erfindungsgemäß allein mit einer besonderen Formgebung des Deckels und damit weitgehend ohne Mehraufwand erreicht.
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Gemäß einer fünften vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist der mindestens eine Arm V-förmig gestaltet und weist an dem zentralen Bereich seine größte Breite auf.
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Der derartige Arm ist als Blatt in V-Form gestaltet und dabei an dem breiteren Ende des Vs mit dem zentralen Bereich des Deckels verbunden. Durch die breitere Ausformung weist der Arm in diesem Bereich eine erhöhte Biegesteifigkeit auf. Die außen liegenden schmäleren Bereiche des Arms weisen eine geringere Biegesteifigkeit auf, wodurch, wie bereits erwähnt, ein Abfedern eines großen Lastspektrums möglich ist.
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Gemäß einer sechsten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung hat der Deckel an seinem äußeren Bereich mehrere am Umfang verteilt angeordnete Öffnungen, an dem Gehäuse sind mehrere Sockel mit Stiften ausgebildet und der Deckel ist zum Aufliegen auf den Sockeln angepasst, wobei die Öffnungen von den Stiften durchragt sind.
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An dem bei dieser Weiterbildung insbesondere im Wesentlichen kreisrunden Gehäuse sind am äußeren Bereich mehrere am Umfang liegende Sockel, mit je einem Stift, ausgebildet. Die Sockel und die zugehörigen Stifte sind dabei in axialer Richtung bzw. parallel zur Längsachse des Gehäuses, ausgerichtet. Die Stifte sind so gestaltet, dass sie durch Öffnungen ragen, die am Deckel ausgebildet sind. Der Deckel liegt dabei auf den Sockeln auf und verschließt so weitgehend das Gehäuse. Der Deckel ist gemäß dieser Weiterbildung mittels der Stifte in radialer Richtung gehalten.
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Gemäß einer siebten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung sind die Stifte mittels Ultraschall erhitzbar und dadurch ist je ein Kopf anformbar, mit dem der Deckel auf den Sockeln zurückgehalten ist.
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Die Stifte sind vorteilhaft aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Liegt der Deckel auf den Sockeln auf, so ragt je ein Stift, wie oben erläutert, durch eine zugehörige Öffnung am Deckel. Die Stifte aus thermoplastischem Kunststoff sind mittels Ultraschall erhitzbar, wodurch der Kunststoff verformt werden kann. Dabei wird auf den weichen, plastisch verformbaren Kunststoff ein Werkzeug gepresst, mit dem ein Bereich des jeweiligen Stiftes oberhalb des Deckels in einen Kopf umgeformt wird. Dieser Kopf ist dabei breiter als der Stift und überragt auch die zugehörige Öffnung. Dadurch ist der Deckel an dem Gehäuse festgehalten. Ferner ist der Deckel mit dem an ihm ausgebildeten Arm(en) gegen die zugehörige Kontaktplatte(n) vorgespannt. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Stifte aus Thermoplast ist eine Befestigung mittels Ultraschall-Umformen möglicht. Dies macht sonst übliche Metallnieten überflüssig und führt dadurch zu einer Kostenersparnis.
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Gemäß einer achten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung sind zwischen den beiden Kontaktplatten mehrere PTC-Elemente angeordnet.
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Zwischen den beiden Kontaktplatten sind gemäß der Weiterbildung mehrere zu bestromende PTC-Elemente vorgesehen. Zur Versorgung der PTC-Elemente mit elektrischem Strom sind die beiden Kontaktplatten stromleitend gestaltet. Dabei dient eine Kontaktplatte als Pluspol und die andere als Minuspol. Im Betrieb erhitzen die PTC-Elemente, wobei sie vom zu erwärmenden Kraftstoff unmittelbar umströmt werden. Die entstehende Wärmeenergie kann so direkt zur Erwärmung des Kraftstoffs genutzt werden. Dazu sind die Kontaktplatten vorteilhaft auch wärmeleitend ausgebildet. Sie nehmen die von den PTC-Elementen erzeugte Wärmeenergie auf und geben sie über ihre gesamte Fläche ab. Durch eine solche erfindungsgemäße Anordnung mehrerer PTC-Elemente zwischen zwei wärme- und stromleitenden Kontaktplatten kann die erzeugte Wärmeenergie homogen an den Kraftstoff übertragen werden. Ein Entstehen von Kaltbereichen wird vermieden.
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Gemäß einer neunten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung weisen die Kontaktplatten mindestens eine Öffnung auf, die von je einem Teil der Stützstrukturen durchragt sind.
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Die Kontaktplatten sind vorteilhaft so ausgebildet, dass die Öffnungen bei übereinander angeordneten Kontaktplatten deckungsgleich sind. Eine Stützstruktur kann so zwei übereinander angeordneten Kontaktplatten durchragen und beide Kontaktplatten zugleich haltern. Mit den so ausgebildeten Kontaktplatten und Stützstrukturen gemäß der Erfindung, erfolgt zugleich das Halten der Kontaktplatten und der dazwischen angeordneten PTC-Elemente.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Heizeinrichtung für einen Kraftstoff-Filter eines mit Diesel-Kraftstoff betriebenen Kraftfahrzeuges geschaffen, mit einem Gehäuse, mit darin ausgebildeten Stützstrukturen, mindestens einem PTC-Element, welches zwischen zwei Kontaktplatten angeordnet ist, mindestens einem Federelement, zum Drängen der Kontaktplatten und des mindestens einen PTC-Elements aufeinander und gegen zumindest eine der Stützstrukturen, bei der die Stützstrukturen mittels Ultraschall erhitzbar sind und dadurch dort je ein Kopf anformbar ist, mit dem die Kontaktplatten an den Stützstrukturen zurückgehalten sind.
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Die Stützstrukturen sind vorteilhaft aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Dieser kann wie oben erläutert mittels Ultraschall erhitzt und angeschmolzen werden. Der Kunststoff wird dadurch plastisch verformbar. Die Stützstrukturen ragen, wie oben erläuterten, durch beide Kontaktplatten hindurch und darüber hinaus. Dieser Bereich, jenseits der Kontaktplatte, wird während sowie nach dem Erhitzen mittels eines Werkzeugs zu einem Kopf umgeformt. Der Kopf überdeckt die Öffnung der Kontaktplatte, wodurch beide Kontaktplatten zugleich auf den Stützstrukturen festgehalten sind. Ferner sind die zwischen den Kontaktplatten angeordneten PTC-Elemente in axialer Richtung des zugehörigen Gehäuses gehalten. Durch eine solche erfindungsgemäße Halterung der Kontaktplatten ist eine Befestigung mit sonst üblichen Metallnieten überflüssig. Dies erspart einen Fertigungsschritt und vereinfacht die Fertigung des Heizelements.
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Gemäß einer zehnten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung sind die Stützstrukturen als gewölbte Stege ausgebildet und paarweise, gegenüberliegend angeordnet.
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Die paarweise gegenüberliegenden Stege beschreiben mit ihrer Wölbung einen Kreis. In diesem Kreis sind die vorteilhaft kreisrund ausgebildeten PTC-Elemente angeordnet, die so in radialer Richtung des zugehörigen Gehäuses gehaltert sind. Zugleich sind die PTC-Elemente zwischen den beiden Kontaktplatten in axialer Richtung gehaltert. Erfindungsgemäß sind beide Kontaktplatten und die dazwischen angeordneten PTC-Elemente in radialer und axialer Richtung allein durch die Stützstrukturen gehaltert. Weitere Befestigungsmittel, wie etwa Metallnieten, entfallen. Dies führt neben einer Kostenersparnis zu einem vereinfachten Fertigungsprozess.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung,
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2 einen teilweisen Längsschnitt der Heizeinrichtung gemäß 1,
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3 eine perspektivische Seitenansicht eines Deckels der Heizeinrichtung gemäß 1,
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4 einen teilweisen Längsschnitt einer mittels Ultraschall erhitzen umgeformten Stützstruktur der Heizeinrichtung gemäß 1, mit einem zugehörigen Werkzeug.
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In den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 10 zu sehen, die einen scheibenförmigen Deckel 12 umfasst, der ein becherförmiges Gehäuse 14 weitgehend verschließt.
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An dem Deckel 12 sind mehrere, vorliegend vier, Arme 16 ausgebildet. Der Deckel 12 und die Arme 16 sind aus Federstahl gebildet.
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Der Deckel 12 weist in einem zentralen Bereich 18 eine Versteifung 20 in Gestalt einer Sicke sowie eine Öffnung 22 auf. Die Versteifung 20 erhöht eine Biegesteifigkeit des Deckels 12 in dessen zentralem Bereich 18. Die Öffnung 22 ist dazu ausgebildet im Betrieb der Heizeinrichtung 10 von einem Fluid, vorliegend Kraftstoff, durchströmt zu werden.
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Am radial äußeren Bereich des Deckels 12 sind umfänglich mehrere, vorliegend drei, Öffnungen 24 angeordnet. Durch die Öffnungen 24 ragt in Richtung einer Längsachse 26 des Gehäuses 14 je ein Stift 28. Die Stifte 28 sind an Sockeln 30 ausgebildet, die am unteren, inneren Eckbereich des becherförmigen Gehäuses 14 am dessen dortiger Mantelfläche verteilt ausgebildet sind. Die Stifte 28 sind aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, welcher mittels Ultraschall erwärmt und dann zu einem Kopf umgeformt worden ist (2).
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Ferner sind im Inneren des Gehäuses 14 mehrere Stützstrukturen 32 ausgebildet. Die Stützstrukturen 32 sind ebenfalls aus thermoplastischem Kunststoff gebildet.
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Das Gehäuse 14 weist außen einen Steckverbinder 34 auf, mit dem die Heizeinrichtung 10 mit einem (nicht dargestellten) stromführenden Kabel verbunden werden kann. Zur Weiterleitung eines so zugeführten elektrischen Stroms sind an dem Steckverbinder 34 zwei Kontaktstifte 36 ausgebildet, die die Wandung des becherförmigen Gehäuses 14 durchsetzen.
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Im Inneren des Gehäuses 14 sind an den beiden Kontaktstiften 36 eine erste Kontaktplatte 38 bzw. eine zweite Kontaktplatte 40 stromleitend angeschlossen. Dabei dient die erste Kontaktplatte 38 als elektrischer Minuspol und die zweite Kontaktplatte 40 als Pluspol. Die Kontaktplatten 38 und 40 sind wärme- und elektrizitätsleitend ausgebildet und weisen in ihrer Fläche verteilt mehrere bogen förmige (im Wesentlichen radial gerichtete) Öffnungen 42 sowie eine zentrale Öffnung 44 auf Die Öffnungen 42 sind in Richtung der Längsachse 26 von den Stützstrukturen 32 durchragt Die Stützstrukturen 32 sind am oberen Ende mittels Ultraschall erwärmt und anschließend jeweils zu einem Kopf umgeformt worden (4). Dadurch sind die Kontaktplatten 38, 40 auf den Stützstrukturen 32 gehaltert. Die zentrale Öffnung 44 der Kontaktplatten 38, 40 ist dazu vorgesehen im Betrieb der Heizeinrichtung 10 von Fluid durchströmt zu werden.
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Zwischen den Kontaktplatten 38, 40 sind mehrere, vorliegend vier, PTC-Elemente 46 angeordnet. Die PTC-Elemente 46 sind in radialer Richtung des Gehäuses 14 von je einem Paar der Stützstrukturen 32 und in axialer Richtung von den beiden Kontaktplatten 38 und 40 gehalten. Um einen Stromfluss von den Kontaktplatten 38, 40 zu den dazwischen angeordneten PTC-Elementen 46 sicherzustellen, ist die Kontaktplatte 38 von den Armen 16 mit Federkraft nach unten, gegen die PTC-Elemente 46 und die andere Kontaktplatte 40 gedrängt.
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Wird an der Heizeinrichtung 10 nun elektrischer Strom angelegt, so fließt dieser von der ersten Kontaktplatte 38, durch die PTC-Elemente 46 und schließlich in die zweite Kontaktplatte 40. Dabei erhitzen sich die PTC-Elemente 46. Entstehende Wärmeenergie wird zumindest teilweise an die wärmeleitenden Kontaktplatten 38 und 40 abgeführt. Die Kontaktplatten 38, 40 erhitzen sich und geben die Wärmeenergie an das sie umströmende Fluid ab, welches seinerseits erwärmt wird.
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3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Deckels 12. An dem Deckel 12 sind vier Arme 16 ausgebildet, die beim Montieren des Deckels 12 in das Gehäuse 14 gegen die erste Kontaktplatte 38 vorgespannt werden. Ferner sind an dem Deckel 12 gemäß 3 die Versteifung 20, die Öffnung 22 und die Öffnungen 24 erkennbar.
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In 4 sind die beiden Kontaktplatten 38 und 40 mit einem dazwischen angeordneten PTC-Element 46 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die derartige Anordnung der Bauteile 38, 40 und 46 ist an der Stützstruktur 32 angelegt, wobei diese mit gewölbten, stegartigen Abschnitten (siehe 1) die Öffnungen 42 in den Kontaktplatten 38 und 40 durchsetzen.
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Am oberen Endbereich der Stützstruktur 32 ist durch Umformen mittels eines Werkzeugs 50 ein Kopf 52 ausgebildet. Die ursprüngliche Form der Stützstruktur 32 vor dem Umformen ist mit einer gestrichelten Linie 48 gezeigt. Das Werkzeug 50 ist ein Stempel, der zum Übertragen von Ultraschallwellen auf das Material der Stützstruktur 32 dient.
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Der derart an der Stützstruktur 32 ausgebildete Kopf 52 überragt die Öffnung 42 in der oberen Kontaktplatte 38. Der Kopf 52 hält dadurch die Kontaktplatte 38 zusammen mit dem PTC-Element 46 und der unteren Kontaktplatte 40 am Gehäuse 14 zurück. Zugleich erzeugt der Kopf 52 eine Druckkraft auf die Kontaktplatte 38, so dass diese stromleitend gegen das PTC-Element 46 und die Kontaktplatte 40 gedrängt und angelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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