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Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung bei der Heizelemente Wärme erzeugen, die in Strangpressprofile eingeleitet wird, wobei die Strangpressprofile von einem Medium durchströmt werden, an das Wärme abgegeben wird.
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In der
EP 2 131 117 A1 wird eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einer elektrischen Heizeinrichtung beschrieben. Dabei erwärmen PTC-Heizelemente die durch die Kraftfahrzeugklimaanlage geleitete Luft. Oberhalb und unterhalb eines PTC-Heizelements sind Kontaktbleche angeordnet. Die Kontaktbleche sind als Flächenelemente mit einer im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrie ausgebildet. Sie versorgen das PTC-Heizelement mit elektrischem Strom und leiten die von dem PTC-Heizelement erzeugte Wärme an aus Blech geformte Wärmeleitlamellen weiter. Die Kontaktbleche und die Wärmeleitlamellen sind getrennte Bauteile, die bei der Herstellung aufeinander abgestimmt werden müssen. Beide Bauteile werden aus Metallblechen hergestellt.
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Gegenüber diesen Wärmeleitblechen weisen Strangpressprofile erhebliche Vorteile auf. Beim Strangpressen wird ein auf Umformtemperatur erwärmter Pressling mit einem Stempel durch eine Matrize gedrückt. Die Form des Pressstrangs wird durch die Matrize bestimmt. Durch verschieden geformte Dorne können Hohlräume erzeugt werden. Vorteile des Strangpressens sind insbesondere die Möglichkeit, Profile auch in komplizierten Formen aus schwer umformbaren Werkstoffen herzustellen. Dabei wird in einem Verfahrensschritt ein hoher Umformgrad erreicht. Bei Strangpressprofilen können ohne großen Aufwand dickere Wände realisiert werden, die gegenüber Wärmeleitblechen eine gleichmäßigere Wärmeverteilung gewährleisten.
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Die
EP 1 370 117 A2 beschreibt eine Heizvorrichtung bei der PTC-Heizelemente Wärme erzeugen, die in Strangpressprofile eingeleitet wird. Dabei erfolgt eine schrittweise Schichtung von PTC-Heizelementen und Strangpressprofilen, die von einem Gehäuse zusammengehalten werden. In jeder Schicht sind jeweils zwei Strangpressprofile nebeneinander angeordnet, wobei beide Strangpressprofile an der Verbindungsstelle aufwändige Verzahnungskonstruktionen aufweisen.
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In der
EP 464 955 A1 wird eine Heizvorrichtung beschrieben bei der PTC-Heizelemente Wärme erzeugen, die in aus Aluminium stranggepresste Kastenprofile eingeleitet wird. Die PTC-Heizelemente werden mittels eines stromleitenden Klebers mit den Strangpressprofilen verbunden. Der Stromfluss erfolgt von Spannungsschienen zu den zugehörigen Kastenprofilen und von dort durch die PTC-Heizelemente. Dadurch werden die PTC-Heizelemente erhitzt und geben ihre Wärme an die Strangpressprofile ab. Durch das schrittweise Schichten von Heizelementen und Strangpressprofilen entsteht ein Stapel, der von einem Rahmen zusammengehalten werden muss. Dabei ist eine Druckfeder erforderlich, welche die thermische Ausdehnung ausgleicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung anzugeben, die kostengünstig ist und mit geringem Arbeitsaufwand erweiterbar ist. Die Heizvorrichtung soll an die Anforderungen ihres jeweiligen Einsatzgebiets hinsichtlich des Durchsatzes des zu erwärmenden Mediums und der übertragenen Heizleistung auf einfache Weise anpassbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich die Heizvorrichtung aus Modulen zusammensetzt, bei denen jeweils wenigstens ein Heizelement zwischen Strangpressprofilen angeordnet ist, wobei die Außenseiten eines Moduls von Wänden der Strangpressprofile gebildet werden und zumindest an einem Teil der Außenseiten Kontaktelemente angeformt sind, wobei bei einander gegenüberliegenden Außenseiten eines Moduls jeweils achssymmetrisch zueinander Kontaktelemente positioniert sind und bei direkt benachbarten Modulen aneinander grenzende Kontaktelemente in zueinander korrespondierenden Formen ausgeführt sind, wobei das eine Kontaktelement zumindest teilweise in das andere Kontaktelement eingreift.
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Der modulare Aufbau der Heizvorrichtung ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Anpassung an das jeweilige Einsatzgebiet der Heizvorrichtung. Je nach Bedarf werden zusätzliche Module hinzugefügt oder entfernt. Der Bedarf richtet sich nach dem Durchsatz, der Art und Zusammensetzung des zu erwärmenden Mediums, der zu übertragenen spezifischen Heizleistung, sowie den räumlichen Gegebenheiten.
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Die Module sind so aufgebaut, dass jeweils wenigstens ein Heizelement zwischen Strangpressprofilen angeordnet ist, wobei es sich als besonders günstig erweist, die Heizelemente mit den Strangpressprofilen zu verkleben. Dabei kann eine flächige Verklebung der Heizelemente mit den Strangpressprofilen erfolgen und/oder mittels beidseitig der Heizelemente positionierter Kleberaupen.
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Die Außenseiten eines Moduls werden von den Wänden der Strangpressprofile gebildet. Vorzugsweise sind die Strangpressprofile als Kastenprofile ausgebildet. Bei einem Kastenprofil handelt es sich um ein Strangpressprofil dessen vier Wände einen Bereich umrahmen, der in Strangpressrichtung von Medium durchströmt wird. Vorzugsweise verlaufen innerhalb dieses Bereiches Rippen, um die Wärmeübertragung an das Medium zu verbessern. Auch die Außenseiten eines Moduls können zusätzlich Rippen aufweisen. Bei dem Medium kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Auch pastenartige, breiige Stoffe können auf diese Weise erwärmt werden.
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Die Strangpressprofile bestehen aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Vorzugsweise wird dazu Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet, die zusätzlich ein geringes spezifisches Gewicht haben.
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Als besonders günstig erweist es sich, wenn ein Modul aus einem Heizelement gebildet wird, das zwischen zwei Strangpressprofilen positioniert ist, die quer zur Strangpressrichtung übereinander angeordnet sind.
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Das Heizelement ist somit zwischen einem oberen und einem unteren Strangpressprofil positioniert. Das untere Strangpressprofil dient in diesem Fall gleichzeitig als Auflage für das Heizelement.
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Vorzugsweise wird die obere Außenseite eines Moduls von einer Wand des oberen Strangpressprofils gebildet und die untere Außenseite des Moduls von einer Wand des unteren Strangpressprofils. Die linke und rechte Außenseite des Moduls werden jeweils von zwei Wänden gebildet, nämlich einer Wand des oberen und einer Wand des unteren Strangpressprofils.
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An den Außenseiten eines Moduls sind Kontaktelemente angeformt. Dazu weisen die Wände der Strangpressprofile Vorsprünge auf. Die Vorsprünge können beispielsweise an die Strangpressprofile nachträglich angeschweißt werden, jedoch erweist es sich als günstig, wenn die Vorsprünge bereits beim Strangpressvorgang ausgebildet werden und somit die Strangpressprofile mit den Kontaktelementen einstückig ausgebildet sind.
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Die beiden zum Heizelement gerichteten Wände der Strangpressprofile bilden keine Außenseiten des Moduls. Sie weisen prinzipiell keine Kontaktelemente auf, so dass das Heizelement zwischen flachen Flächen liegt.
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Erfindungsgemäß sind bei einander gegenüber liegenden Außenseiten eines Moduls jeweils achssymmetrisch zueinander Kontaktelemente positioniert. Beispielsweise können die Kontaktelemente an der linken und rechten Außenseite jeweils symmetrisch zur vertikalen Mittelachse des Moduls angeordnet sein oder die Kontaktelemente können an der oberen und unteren Außenseite symmetrisch zur horizontalen Mittelachse des Moduls angeordnet sein.
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Die achssymmetrische Anordnung ermöglicht, dass an ein Modul beidseitig weitere Module angesetzt werden können und zugleich die neu gebildete Einheit ebenfalls wieder an zwei Seiten mit Modulen erweiterbar ist. Dabei können die Kontaktelemente an der linken und rechten Außenseite des Moduls achssymmetrisch zueinander angeordnet sein, so dass die Heizvorrichtung horizontal erweiterbar ist und/oder an der oberen und unteren Außenseite des Moduls, so dass die Heizvorrichtung zusätzlich oder alternativ vertikal erweiterbar ist.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn an allen Außenseiten eines Moduls achssymmetrisch zueinander Kontaktelemente positioniert sind. Dadurch können an allen Außenseiten weitere Module angesetzt werden. Dazu sind bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung die Module baugleich ausgeführt. Die gleichartigen Module können beliebig miteinander kombiniert werden. Dies ermöglicht ein flexible Handhabung und eine preisgünstige Fertigung.
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Die aneinander grenzenden Kontaktelemente bilden Spalte zwischen den Modulen, die von Medium durchströmt werden. Dadurch wird ein flächiges Anliegen der Außenwände der Module verhindert und zusätzlich Raum für durchströmendes Medium geschaffen.
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Beim Ansetzen eines Moduls sind direkt bevorzugt benachbarte Kontaktelemente in zueinander korrespondierenden Formen ausgeführt. Die Formen sind so aufeinander abgestimmt, dass das eine Kontaktelement zumindest teilweise in das andere Kontaktelement eingreift. Als besonders geeignet erweist sich dabei eine Ausbildung als Nut- und Federpaar.
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Mittels der Kontaktelemente sind direkt benachbarte Module zueinander ausrichtbar. Beim Ansetzen eines Moduls wird dieses so platziert, dass seine Kontaktelemente die Kontaktelemente des Nachbarmoduls berühren. Zur Ausrichtung direkt benachbarter Module werden deren Kontaktelemente symmetrisch zueinander angeordnet. Auf diese Weise können benachbarte Module schnell und präzise zueinander positioniert werden.
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Vorzugsweise sind innerhalb eines Moduls, bei einander gegenüberliegenden Außenseiten, jeweils achssymmetrisch zueinander, korrespondierende Formen der Kontaktelemente positioniert. Ist beispielsweise an der linken Außenseite ganz oben ein nutförmiges Kontaktelement ausgebildet, so ist an der rechten Außenseite ganz oben die dazu passende Feder angeformt. Dies ermöglicht eine beliebige vertikale und/oder horizontale Aneinanderreihung von Modulen in einer Ebene quer zur Strangpressrichtung.
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Als besonders günstig erweist es sich, wenn bei der Kombination von Modulen über aneinander grenzende Kontaktelemente eine Verbindung gebildet wird. Somit können die Module nicht nur zueinander ausgerichtet werden, sondern es entsteht gleichzeitig eine neue Einheit, die eigenstabil ist. Die Verbindung kann beispielsweise durch Verkleben, Verklipsen, Einrasten oder Einstecken erfolgen. Es kann sich dabei um einen Formschluss handeln, bei dem zwei Kontaktelemente ineinander einrasten. Alternativ oder ergänzend ist auch ein Kraftschluss denkbar, bei dem die beiden Kontaktelemente eine Presspassung bilden. Als vorteilhaft erweist sich eine Steckverbindung, da diese preiswert ohne großen Aufwand wieder lösbar ist, wobei sich besonders eine Ausgestaltung der korrespondierenden Kontaktelemente als Nut- und Federpaar als günstig erweist.
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Die Module können zusätzlich von einem Gehäuse eingerahmt werden. Vorzugsweise bilden dann die Kontaktelemente Abstandshalter zu den Gehäusewänden. Die als Vorsprünge an den Strangpressprofilen angeformten Kontaktelemente verhindern, dass die Außenseiten der Module in flächigen Kontakt mit den Gehäusewänden kommen. Dadurch wird eine direkte Wärmeübertragung von den Strangpressprofilen an das Gehäuse vermindert, so dass das Gehäuse kalt bleibt. Durch die zwischen Gehäusewänden und den Modulen gebildeten Spalten kann zudem Medium hindurchströmen.
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Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Heizelemente enthalten vorzugsweise ein oder mehrere PTC-Widerstände. Dabei handelt es sich um Kaltleiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Sie bestehen meistens aus dotierter polykristalliner Keramik auf Basis von Bariumtitanat. Die PTC-Widerstände zeigen einen nicht-linearen Widerstandsverlauf, der dazu führt, dass sich die Widerstände in ihrer elektrischen Leistungsaufnahme selbst stabilisieren. Im kalten Zustand ist ihr Widerstand gering und es fließt bei vorgegebener elektrischer Spannung ein verhältnismäßig hoher Strom. Dadurch wird in kurzer Zeit die Betriebstemperatur mit dem vorgesehenen Betriebswiderstand erreicht. Steigt die Temperatur über die vorgesehene Betriebstemperatur, so nimmt der Widerstand zu.
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Bei sinkenden Temperaturen verringert sich dagegen der Widerstand. Aufgrund dieser Eigenschaft kann sowohl auf Temperaturregler als auch auf Überhitzungsschutz verzichtet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise zwischen den PTC-Widerständen mit Kontaktplatten und den Strangpressprofilen eine elektrische Isolierung angeordnet, so dass die Strangpressprofile potentialfrei sind. Dies ermöglicht eine Versorgung der Heizelemente mit Hochvoltspannung, wie beispielsweise einer Netzspannung von 230 V. Dabei braucht das Gehäuse nicht zusätzlich isoliert werden und Außenkontakte mit den Strangpressprofilen führen nicht zu Kurzschlüssen.
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Das Heizelement ist zwischen den Strangpressprofilen befestigt, bevorzugt verklebt. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn mindestens ein PTC-Baustein mit Kontaktplatten beidseitig isoliert in einem weiteren Strangpressprofil, das als Gehäuse dient, angeordnet, bevorzugt verpresst, ist und so das Heizelement bildet. Die Bausteine mit den Kontaktplatten können aber auch mit einer elektrisch isolierenden Folie umwickelt sein. Dabei eignen sich insbesondere Folien auf Basis von Polyimiden. Dies sind Hochleistungskunststoffe, deren wichtigstes Strukturmerkmal eine Imidgruppe ist. Der Einsatz von Polyimiden zur elektrischen Isolierung der Heizelemente eignet sich aufgrund deren Hitzebeständigkeit, geringen Ausgasung, Strahlungsbeständigkeit und Isoliereigenschaften.
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Durch die potentialfreien Außenseiten der Heizelemente sind die Strangpressprofile ebenfalls potentialfrei. Vorzugsweise werden die einzelnen Heizelemente über Anschlussleitungen mit Strom versorgt, die seitlich an den benachbarten Heizelementen vorbeigeführt werden. Eine andere Variante besteht in einer seitlichen Anordnung von Stromschienen, in welche die einzelnen Kontakte der Heizelemente eingesteckt werden. Alternativ können bei in Strangpressgehäusen platzierten PTC-Bausteinen Steckverbinder an beiden Seiten der Strangpressgehäuse angeordnet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt
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1 eine Frontansicht eines Moduls in Strömungsrichtung,
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2 eine Seitenansicht eines Moduls,
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3a zwei nebeneinander angeordnete Module als Frontansicht,
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3b zwei nebeneinander angeordnete Module als Draufsicht,
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3c zwei nebeneinander angeordnete Module als Seitenansicht,
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4 eine Frontansicht einer Heizvorrichtung mit zwei nebeneinander angeordneten Modulen in einem Gehäuse,
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5 eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung mit zwei nebeneinander angeordneten Modulen, bei denen die Heizelemente mit Kleberaupen befestigt sind,
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6 eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung mit zwei nebeneinander angeordneten Modulen, bei denen die Heizelemente flächig mit den Strangpressprofilen verklebt sind.
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In 1 ist ein Modul 1 dargestellt, bei dem ein Heizelement 2 zwischen zwei Strangpressprofilen 3 angeordnet ist. In 1 ist das Heizelement 2 nicht sichtbar, da es von einer Kleberaupe 7 verdeckt wird, wie man aus der Seitenansicht des Moduls 1 gemäß 2 erkennt. Das Heizelement 2 ist mittels zweier Kleberaupen 7 zwischen den Strangpressprofilen 3 befestigt.
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Das Heizelement 2 erzeugt Wärme, die in die Strangpressprofile 3 eingeleitet wird. Bei den Strangpressprofilen 3 handelt es sich um Kastenprofile aus Aluminium, die in Strangpressrichtung von Luft durchströmt werden.
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Das Modul 1 weist Kontaktelemente 4a, 4b auf. Die Kontaktelemente 4a, 4b sind an allen Außenseiten des Moduls 1 angeformt. Die linke Außenseite des Moduls 1 wird von der linken Wand 5 des oberen Strangpressprofils 3 und von der linken Wand 5 des unteren Strangpressprofils 3 gebildet, an denen jeweils zwei Kontaktelemente 4a, 4b angeformt sind. Die rechte Außenseite des Moduls 1 wird von der rechten Wand 5 des oberen Strangpressprofils 3 und von der rechten Wand 5 des unteren Strangpressprofils 3 gebildet, an denen jeweils zwei Kontaktelemente 4a, 4b angeformt sind. Die obere Außenseite des Moduls 1 umfasst zwei Kontaktelemente 4a, 4b und wird von der oberen Wand 5 des oberen Strangpressprofils 3 gebildet. Die untere Außenseite des Moduls 1 weist zwei Kontaktelemente 4a, 4b auf und wird von der unteren Wand 5 des unteren Strangpressprofils 3 gebildet. Die beiden zueinander weisenden Wände 6 der Strangpressprofile 3 sind flach und weisen keine Kontaktelemente 4a, 4b auf, so dass das Heizelement 2 ohne störende Vorsprünge, zwischen den Strangpressprofilen 3 eingebettet ist und flächig an den Wänden 6 anliegt.
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Bei jedem Strangpressprofil 3 wird der von dessen Wänden 5, 6 eingerahmte Bereich von Medium durchströmt. In dem Bereich verlaufen Rippen 11, die einer Verbesserung der Wärmeübertragung an das Medium dienen. Die Rippen 11 sind rechteckige Platten, die sich über die gesamte Tiefe des Moduls 1 erstrecken. Dabei sind innerhalb eines Strangpressprofils 3 mehrere Platten vertikal nebeneinander angeordnet. Die Rippen 11 werden beim Strangpressvorgang durch den Einsatz entsprechender Matrizen ausgebildet und sind einstückig mit den Wänden 5, 6 der Strangpressprofile 3 ausgebildet. Eine nicht dargestellte Variante besteht darin, dass Rippen nur teilweise in den Bereich hineinragen. Auch horizontal verlaufende Rippen sind denkbar. Zudem können die Rippen zusätzliche Verästelungen aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind innerhalb des Moduls 1, jeweils achssymmetrisch zueinander, Kontaktelemente 4a, 4b positioniert. Dabei sind die Kontaktelemente 4a, 4b der oberen und unteren Außenseite des Moduls 1 achssymmetrisch zur horizontalen Mittelachse 8 und die Kontaktelemente 4a, 4b der linken und rechten Außenseite des Moduls 1 achssymmetrisch zur vertikalen Mittelachse 9 angeordnet.
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Bei einander gegenüberliegenden Außenseiten des Moduls 1 sind achssymmetrisch zueinander jeweils korrespondierende Formen der Kontaktelemente (4a, 4b) positioniert. Dadurch können weitere baugleiche Module 1 an allen Außenseiten des Moduls 1 angesetzt werden.
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Bei der in den 3a, 3b, 3c dargestellten Variante sind zwei baugleiche Module 1 nebeneinander angeordnet. An der Kontaktfläche der beiden Module 1 grenzen jeweils vier Kontaktelemente 4a, 4b des linken Moduls 1 an vier Kontaktelemente 4a, 4b des rechten Moduls. Die aneinander grenzenden Kontaktelemente 4a, 4b sind jeweils in zueinander korrespondierenden Formen ausgeführt, wobei ein Kontaktelement 4a des einen Moduls 1 in ein Kontaktelement 4b des anderen Moduls 1 zumindest teilweise eingreift. Durch zusammenfügen der Kontaktelemente 4a, 4b benachbarter Module 1 können diese zueinander ausgerichtet und/oder verbunden werden.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 4a, 4b als Vorsprünge an die Außenseiten der Module 1 angeformt. Wie man aus den 3b und 3c erkennt, erstrecken sich die Vorsprünge über die gesamte Tiefe der Strangpressprofile 3. 3a zeigt, dass die quaderförmigen Vorsprünge der Kontaktelemente 4a mit Nasen versehen sind. Die quaderförmigen Vorsprünge der Kontaktelemente 4b weisen Rillen auf. Dadurch ergibt sich eine Nut- und Federverbindung zwischen benachbarten Modulen 1, bei der sich die Nasen in die Rillen einfügen. 3c zeigt die Klebeschicht 12, die an den Kontaktflächen zwischen den Heizelementen 2 und den Strangpressprofilen 3 aufgebracht ist.
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4 zeigt eine Heizvorrichtung, bei der zwei Module 1 nebeneinander angeordnet sind. Sie werden zusätzlich von einem Gehäuse 10 umgeben. Die zu den Wänden des Gehäuses 10 gerichteten Kontaktelemente 4a, 4b dienen als Abstandshalter und verhindern somit das flächige anliegen der Außenseiten der Module 1 an den Wänden des Gehäuses 10. Dadurch wird die Wärmeübertragung an das Gehäuse 10 reduziert. Die zwischen den Wänden des Gehäuses 10 und den Modulen 1 gebildeten Spalte werden von Medium durchströmt.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung mit zwei Modulen 1. Die Heizelemente 2 sind mit Kleberaupen 7 befestigt. Die Kontaktplatten der PTC-Bausteine der Heizelemente 2 sind elektrisch isoliert, so dass die Strangpressprofile 3 potentialfrei sind. Die Heizelemente 2 werden mit einer Hochvoltspannung von 230 V versorgt. Aufgrund der elektrischen Isolierung der Heizelemente 2 ist eine zusätzliche elektrische Isolierung eines Gehäuses nicht erforderlich. Die Heizelemente 2 sind zwischen den Strangpressprofilen 3 verklebt. Zur Befestigung der Heizelemente 2 können diese flächig und/oder durch seitliche Kleberaupen 7 mit den Strangpressprofilen 3 verklebt werden. Da die Strangpressprofile 3 potentialfrei sind wird jedes Heizelement 2 getrennt kontaktiert.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung mit zwei Modulen 1, bei der die Heizelemente 2 flächig mit den Strangpressprofilen 3 verklebt sind. Die Heizelemente 2 sind mit Steckverbindungen 13 versehen. Die PTC-Widerstände und die Kontaktplatten sind in einem Strangpressprofilgehäuse 14 angeordnet. Die PTC-Widerstände mit den Kontaktplatten sind gegenüber dem Strangpressprofilgehäuse 14 beidseitig elektrisch isoliert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2131117 A1 [0002]
- EP 1370117 A2 [0004]
- EP 464955 A1 [0005]
