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Die Erfindung betrifft einen Kühl- und Haltekörper für Heizelemente, insbesondere PTC-Heizelemente, ein Heizgerät mit einem derartigen Kühl- und Haltekörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kühl- und Haltekörpers. Ein Kühl- und Haltekörper für Heizelemente mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus
DE 10 2006 018 151 A1 bekannt.
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Beispielsweise in Schaltschränken verursachen Temperaturwechsel die Bildung von Kondenswasser, das zusammen mit Staub und aggressiven Gasen Korrosion verursachen kann. Dadurch steigt das Risiko von Betriebsausfällen durch Kriechströme oder Überschläge. Um gleichbleibend optimale Klimabedingungen für eine einwandfreie Funktion der im Schaltschrank befindlichen Komponenten sicherzustellen, werden deshalb Heizgeräte bzw. Heizlüfter, insbesondere PTC-Halbleiterheizungen eingesetzt, an deren Zuverlässigkeit und Langlebigkeit hohe Anforderungen gestellt werden.
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Derartige Heizgeräte sind üblicherweise mit elektrischen Heizelementen ausgerüstet. Die Halterung dieser Heizelemente soll einerseits einen guten Wärmeübergang und andererseits eine gleichbleibende sichere Fixierung ermöglichen. Die häufigen und je nach Betriebsbedingungen großen Temperaturwechsel können zu Materialermüdung durch Alterung und damit zu einer Verringerung der Haltekraft führen, mit der die Heizelemente fixiert sind. Dadurch wird der Wärmeübergang verschlechtert. Wenn die Haltefunktion ganz entfällt, kann es sogar zu einem Totalausfall des Gerätes kommen.
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Ein Beispiel für ein bekanntes Heizgerät mit einem PTC-Element ist in
DE 196 04 218 A1 beschrieben, bei dem das PTC-Element in einer mittig angeordneten Rechteckausnehmung befestigt ist. Zur Befestigung ist eine Doppelkeilanordnung in der Ausnehmung vorgesehen, die mittels einer Stellschraube bewegt werden kann, um die Breite der Doppelkeilanordnung zu verändern. Damit kann das PTC-Element in der Ausnehmung verklemmt werden. Die Doppelkeilanordnung ist aufwändig und behebt nicht das Problem der Verringerung der Klemmkraft aufgrund von Materialermüdung. Um dies zu vermeiden, müsste die Doppelkeilanordnung durch Betätigung der Schraube nachgestellt werden.
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Eine Verbesserung dieses bekannten Gerätes ist in der gattungsbildenden
DE 2006 018 151 A1 offenbart, die auf die Anmelderin zurückgeht. Dabei ist das Heizelement in der mittig angeordneten Ausnehmung eines Wärmetauschers angeordnet, wobei die Kontaktinnenflächen der Ausnehmung flächig an dem Heizelement anliegen. Die Haltekraft wird dadurch erreicht, dass nach der Montage des Heizelementes Seitenwände des Wärmetauschers nach innen geknickt werden, wodurch der Abstand zwischen den Kontaktflächen der Ausnehmung verringert wird. Das zwischen den Kontaktflächen angeordnete Heizelement wird dadurch flächig festgeklemmt. Bei dieser Befestigung handelt es sich um eine stabile Halterung, die ohne Nachjustieren eine konstant hohe Haltekraft und damit einen konstant guten Wärmeübergang vom Heizelement auf den Wärmetauscher liefert. Das Einknicken der Seitenwände führt allerdings zu einer plastische Verformung des Wandmaterials, was auf Grund der häufigen Temperaturwechsel für die Haltebedingungen nicht optimal ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kühl- und Haltekörper der eingangs genannten Art dahin gehend zu verbessern, dass eine sichere Halterung des Heizelements bzw. der Heizelemente im Kühl- und Haltekörper trotz häufiger Temperaturwechsel erreicht wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Heizgerät mit einem derartigen Kühl- und Haltekörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kühl- und Haltekörpers anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Halte- und Kühlkörper gemäß Anspruch 1, das Heizgerät gemäß Anspruch 11 und das Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Kühl- und Haltekörper für Heizelemente, insbesondere elektrische Heizelemente, insbesondere PTC-Heizelemente anzugeben, der eine Heizelementeaufnahme aufweist, in die die Heizelemente eingespannt sind. Die Heizelementeaufnahme weist mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Aufnahmebereiche auf, in denen jeweils wenigstens ein Heizelement angeordnet ist. Die Aufnahmebereiche sind zwischen einem Außenteil und einem im Außenteil angeordneten Innenteil gebildet. Zumindest das Außenteil weist ein Polygonprofil mit mehreren Ecken auf, die durch Seiten verbunden sind. Die Aufnahmebereiche sind in den Ecken des Polygonprofils angeordnet. Die Seiten des Polygonprofils sind zur Erzeugung einer Spannkraft elastisch verformt, wobei die Spannkraft auf die jeweiligen Heizelemente wirkt.
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Im Unterschied zu der bekannten durch plastische Verformung erreichten Einspannung der Heizelemente sind erfindungsgemäß die Seiten des Polygonprofils elastisch verformt. Dies bedeutet, dass die Verformung im Bereich der Hook’schen Geraden erfolgt und proportional zur Spannung ist, die im Polygonprofil erzeugt wird. Durch die Verformung unterhalb der Elastizitätsgrenze wird die Spannkraft optimiert, mit der die Heizelemente in die Aufnahmebereiche der Heizelementeaufnahme eingespannt sind. Setzungen, die sich durch Materialalterung ergeben, werden im Gegensatz zur plastischen Verformung vermieden. Die Spannkraft, mit der die Heizelemente fixiert sind, bleibt trotz der Temperaturwechsel konstant oder zumindest im Wesentlichen konstant. Durch die konstante Spannkraft wird ein im Wesentlichen gleichbleibender Wärmeübergang von den Heizelementen auf das Material des Halte- und Kühlkörpers erreicht. Die elastische Verformung bewirkt überdies, dass die Kraft, mit der die Heizelemente angepresst werden, als Federkraft wirkt. Eine Nachjustierung der Anpress- bzw. Spannkraft ist nicht erforderlich.
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Die Ausbildung zumindest des Außenteils als Polygonprofil hat den Vorteil, dass die Heizleistung erhöht wird und eine Klemmung der Heizelemente ohne zusätzliche Spannelemente möglich ist. Der Wegfall der Spannelemente ermöglicht ein kompaktes Design des Halte- und Kühlkörpers. Im Unterschied zum Stand der Technik ist nicht ein einziger mittig angeordneter Aufnahmebereich vorgesehen, sondern mehrere in Umfangsrichtung des Außenteils verteilte Aufnahmebereiche. Dadurch wird die Wärmeleistung im Halte- und Kühlkörper besser verteilt und eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht. Durch die Kombination des Innenteils mit dem polygonförmigen Außenteil wird die Montage der Heizelemente vereinfacht. Die Ausbildung des Außenteils als Polygonprofil hat den weiteren Vorteil, dass dieses einfach, beispielsweise durch Strangpressen hergestellt werden kann
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Bei einer bevorzugten Ausführung bilden die Ecken des Polygonprofils Spannflächen, die an die Form der Heizelemente angepasst, insbesondere abgeflacht sind, wodurch ein besonders guter Wärmeübergang erreicht wird. Die abgeflachten Spannflächen eignen sich besonders gut für die Verwendung flacher Heizelemente in der Form von PTC-Widerständen, die direkt mit dem Außenteil und dem Innenteil verbunden sind, wodurch der Wärmeübergang weiter verbessert wird. Andere Spannaufnahmen, insbesondere profilierte Spannaufnahmen sind möglich.
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Die Wandstärke des Außenteils kann im Bereich der Ecken des Polygonprofils größer als im Bereich der Seiten des Polygonprofils sein. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeabfuhr im Bereich der Ecken bzw. Spannflächen erreicht.
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Vorzugsweise sind die Seiten des Polygonprofils konkav, konvex oder gerade ausgebildet. Dadurch ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Montage der Heizelemente, insbesondere verschiedene Möglichkeiten der Einleitung der Montagekraft.
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Die Dicke der Seiten des Polygonprofils kann sich in Umfangsrichtung ändern, insbesondere zu den Ecken hin abnehmen. Damit wird die Krafteinleitung bei der Montage verbessert, die im mittleren Bereich der Seiten, insbesondere im Scheitelpunkt der jeweiligen Seite erfolgt. Die Kraft wird linienförmig in längsaxialer Richtung eingeleitet. Durch die Maximierung der Wandstärke bzw. der Dicke der Seite im mittleren Bereich bzw. im Scheitelpunkt wird die dort eingeleitete Kraft sicher in die Randbereiche der Seite übertragen, um eine maximale elastische Verformung zu erreichen.
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Das Innenteil kann eine der Anzahl der Ecken des Polygonprofils entsprechende Anzahl von Halteflächen für die Heizelemente aufweisen. In Kombination mit den Spannflächen ergibt sich eine beidseitig flächige Auflage für die Heizelemente, die für eine sichere mechanische Halterung und eine gute thermische Verbindung zwischen Heizelement und Körper sorgt.
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Das Innenteil weist vorzugsweise ein Polygonprofil mit mehreren Ecken auf, die durch Seiten verbunden sind, wobei die Halteflächen den Ecken des Polygonprofils entsprechen.
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Die Halteflächen sind in einer bevorzugten Ausführung radial nach innen nur durch die Seiten des Polygonprofils abgestützt. Auf Grund der Elastizität der Seiten ist die Form des Innenteils und damit die Ortslage der Halteflächen veränderbar. Das Innenteil ist in sich beweglich. Durch eine in geeigneter Richtung auf die Seiten des Polygonprofils wirkende Montagekraft sind die Halteflächen radial nach innen bewegbar, um den Montagespalt zwischen dem Innenteil und dem Außenteil zu vergrößern. Bei konvex nach außen gekrümmten Seiten wirkt die Montage- bzw. Spreizkraft von innen nach außen. Die Seiten werden nach außen gedrückt und ziehen die Halteflächen radial nach innen. Bei konkav nach innen gekrümmten Seiten wirkt die Montage- bzw. Spreizkraft von außen nach innen. Die Seiten werden nach innen gedrückt und ziehen die Halteflächen radial nach innen.
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Alternativ sind die Halteflächen durch Stege abgestützt sind, wobei sich die Stege jeweils in radialer Richtung nach innen erstrecken. Dadurch wird ein im Vergleich zu der vorstehend genannten Ausführung relativ starre Form des Innenteils erreicht. Die Lage der Halteflächen ist bei der Montage relativ ortstreu. Die Stege vergrößern überdies die für die Wärmeabfuhr wirksamen Flächen und verbessern die Stabilität des Innenteils.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die Heizelemente PTC-Widerstände, die in den Aufnahmebereichen angeordnet und direkt mit dem Außenteil und dem Innenteil verbunden, insbesondere thermisch und elektrisch verbunden sind. Die direkte Verbindung der PTC-Widerstände mit dem Außen- und Innenteil verbessert den Wärmeübergang zwischen den Heizelementen und dem Halte- und Kühlkörper. Alternativ ist es möglich, die Heizelemente in der Form an sich bekannter PTC-Patronen in den Aufnahmebereichen anzuordnen. Für eine Schutzklasse 2 Anwendung ist eine Ausführung mit Isolationsfolie und separaten Elektroden denkbar.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens drei Heizelemente auf dem Umfang des Außenteils verteilt, insbesondere symmetrisch verteilt angeordnet. Diese Anzahl von Heizelementen führt zu einem statisch bestimmten System, das überdies selbstzentrierend ist. Eine größere Anzahl von Heizelementen ist möglich.
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Zur Erhöhung der Heizleistung können mehrere in radialer Richtung angeordnete Lagen aus Heizelementen vorgesehen sein, wobei zwischen dem Außenteil und dem Innenteil wenigstens ein Zwischenteil angeordnet ist. Die Aufnahmebereiche sind einerseits zwischen dem Innenteil und dem Zwischenteil und andererseits zwischen dem Zwischenteil und dem Außenteil ausgebildet. Die zwischen dem Innen- und Zwischenteil ausgebildeten Aufnahmebereiche bilden eine erste innere Lage aus Heizelementen. Die zwischen dem Zwischenteil und dem Außenteil ausgebildeten Aufnahmebereiche nehmen eine zweite, radial weiter außen angeordnete Lage aus Heizelementen auf. Durch die Anordnung weiterer Zwischenteile kann die Anzahl der Heizlagen entsprechend vergrößert werden. Denkbar sind 3, 4 oder mehr als 4 Heizlagen, wobei die Zwischenteile der einzelnen Heizlagen jeweils entsprechend aufgebaut sind.
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Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Heizgerät offenbart und beansprucht, das einen erfindungsgemäßen Kühl- und Haltekörper aufweist. Ein axiales Ende des Kühl- und Haltekörpers ist mit einem Lüfter verbunden derart, dass der Kühl- und Haltekörper in Längsrichtung mit Luft durchströmbar ist, die die Heizelemente kühlt und die Wärme an die gewünschte Stelle, beispielsweise in einem Schaltschrank transportiert. Durch die Anordnung von Innen- und Außenteil in Kombination mit dem Lüfter wird erreicht, dass das Innenteil im Vergleich zum Außenteil im Betrieb heißer ist und sich durch die thermische Ausdehnung des Innenteils die Spannkraft während des Betriebs zusätzlich erhöht.
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Der Kühl- und Haltekörper kann in einem isolierten Gehäuse angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist besonders für den Fall geeignet, dass die PTC-Widerstände direkt mit dem Außenteil und/oder dem Innenteil verbunden sind.
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Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühl- und Haltekörpers offenbart, bei dem der Durchmesser des Außenteils zum Fügen vergrößert wird. Zur Vergrößerung des Durchmessers wird das Außenteil erwärmt und/oder an den Seiten des Polygonprofils jeweils mit einer radial nach innen oder außen wirkenden Montagekraft beaufschlagt. Durch die Montagekraft werden die Polygonseiten elastisch verformt. Die einzelnen Bauteile, d. h. das Innenteil, die Heizelemente und das querschnittsmäßig vergrößerte Außenteil werden dann zusammengesetzt derart, dass sich die Heizelemente in den jeweiligen Aufnahmebereichen befinden. Danach wird das Außenteil abgekühlt und/oder entlastet, so dass dieses auf die Heizelemente aufschrumpft und alle Heizelemente mit der gleichen Anpresskraft hält. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Montage des Außenteils entweder ausschließlich thermisch durch Aufschrumpfen oder ausschließlich mechanisch durch elastische Verformung der Spannelemente oder durch eine Kombination der thermischen und mechanischen Durchmesservergrößerung erreicht werden.
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Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Kühl- und Haltekörpers nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einer einzigen Umfangslage aus Heizelementen;
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2 eine Vorderansicht des Kühl- und Haltekörpers gemäß 1;
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3 eine perspektivische Ansicht eines Kühl- und Haltekörpers nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit zwei Umfangslagen aus Heizelementen;
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4 eine Vorderansicht des Kühl- und Haltekörpers gemäß 3;
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5 eine perspektivische Ansicht des Kühl- und Haltekörpers gemäß 3, dessen axiales Ende mit einem Lüfter verbunden ist und dessen innere Lage aus Heizelementen eine Fügehilfe aufweist;
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6 eine perspektivische Ansicht eines Kühl- und Haltekörpers nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Heizelemente als PTC-Patronen ausgeführt sind;
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7 eine Vorderansicht des Kühl- und Haltekörpers gemäß 6;
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8 eine perspektivische Ansicht des Kühl- und Haltekörpers gemäß 6 mit einer Fügehilfe;
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9 ein Teilschnitt durch den Kühl- und Haltekörper gemäß 8;
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10 eine perspektivische Ansicht des Kühl- und Haltekörpers gemäß 6, der von einem isolierenden Gehäuse eines Heizgerätes umgeben ist;
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11 eine perspektivische Ansicht des Außenteils eines Kühl- und Haltekörpers, dessen Polygonseiten eine sich in Umfangsrichtung ändernde Wandstärke aufweisen;
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12 eine perspektivische Ansicht eines Innenteils mit einem konkaven Polygonprofil;
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13 eine perspektivische Ansicht eines Innenteils mit einem konvexen Polygonprofil.
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In 1 ist in perspektivischer Ansicht ein Kühl- und Haltekörper für ein elektrisches Heizelement 10 nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt, der in ein Heizgerät, wie beispielsweise in den 5 oder 10 gezeigt, eingebaut werden kann. Im Rahmen der Erfindung wird sowohl der Kühl- und Haltekörper mit den Heizelementen an sich, also als Baugruppe, als auch das gesamte Heizgerät mit einem solchen Kühl- und Haltekörper offenbart und beansprucht.
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Bei den Heizelementen handelt es sich um an sich bekannte PTC-Heizelemente, also um Kaltleiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Die Heizelemente 10 haben generell eine flache Quaderform. Andere Heizelemente sind möglich.
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Wie in den 1 und 3 dargestellt, hat der Kühl- und Haltekörper eine angenähert zylindrische Form und erstreckt sich in axialer Richtung, wobei die Länge des Kühl- und Haltekörpers im Wesentlichen der Länge der PTC-Widerstände 10a bzw. allgemein der Heizelemente 10 entspricht. An den Stirnflächen steht der Kühl- und Haltekörper etwas über die Heizelemente 10 vor.
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Der Kühl- und Haltekörper gemäß 1 weist ein ringartiges Außenteil 13 auf, das wie eine Schale ein Innenteil 14 umgibt. Das Außenteil 13 bildet ein Schalenelement. Das Innenteil 14 und das Außenteil 13 sind konzentrisch angeordnet. Bei dem Innenteil 13 und dem Außenteil 14 handelt es sich um zwei separate Bauteile, wobei das Innenteil 13 den Kern bildet. Das Innenteil 13 ist mit dem Außenteil 14 nicht direkt, also nicht stoffschlüssig, sondern nur durch die dazwischen angeordneten Heizelemente 10 verbunden. Der Kern bzw. das Innenteil 13 ist frei im Außenteil 14 angeordnet.
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Zwischen dem Innenteil 14 und dem Außenteil 13 ist die Heizelementaufnahme 11 ausgebildet. Dazu ist zwischen dem Innenteil 13 und dem Außenteil 14 ein Spalt, insbesondere ein ringförmiger Spalt gebildet, dessen Form und/oder Breite sich in Umfangsrichtung ändert. Im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenteil 13 und dem Außenteil 14 sind auf dem Umfang verteilt mehrere Aufnahmebereiche 15 vorgesehen, die zusammen eine Heizelementeaufnahme 11 bilden. Im Bereich der Heizelementeaufnahme 11 bzw. der jeweiligen Aufnahmebereiche 15 verläuft der Spalt senkrecht zum Radius des Kühl- und Haltekörpers. Zwischen den Aufnahmebereichen 15 folgt der Spalt der Kontur der Spannabschnitte 16 bzw. ist radial außen von diesen begrenzt. Die Aufnahmebereiche 15 sind daher von den Spannabschnitten 16 geometrisch abgesetzt. Dies ist aber nicht zwingend notwendig.
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In den Aufnahmebereichen 15 sind die Heizelemente 10 angeordnet. Die Heizelemente 10 befinden sich also zwischen dem Innenteil 13 und dem Außenteil 14 und sind dort im Presssitz fixiert.
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Die Aufnahmebereiche 15 sind außermittig auf dem Umfang des Kühl- und Haltekörpers angeordnet und in Umfangsrichtung beabstandet. Im Beispiel gemäß 1 beträgt der Winkel zwischen zwei benachbarten Aufnahmebereichen 15 120°. Dadurch befinden sich die Heizelemente 10 im idealen Luftstrom.
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Zum Einspannen der Heizelemente 10 weist das Außenteil 13 Spannflächen 16 und das Innenteil 14 korrespondierende Halteflächen 17 auf, die den Spannflächen 16 gegenüberliegen. Die am Innenumfang des Aufnahmeteils 13 ausgebildeten Spannflächen 16 und die am Außenumfang des Innenteils 14 ausgebildeten Halteflächen 17 bilden äußere und innere Kontaktflächen 12 der jeweiligen Aufnahmebereiche 15. Die Heizelemente 10 liegen an den Kontaktflächen 12 an. Die Spann- und Halteflächen 16, 17 begrenzen den Spalt bzw. die jeweiligen Aufnahmebereiche 15 in radialer Richtung. In Umfangsrichtung sind die Aufnahmebereiche 15 offen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Spann- und Halteflächen 16, 17 abgeflacht bzw. gerade ausgebildet. Diese Form der Spann- und Halteflächen 16, 17 eignet sich besonders gut für die direkte Verbindung mit einem flachen PTC-Widerstand 10a, wie in 1 dargestellt. Andere Formen sind möglich.
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Die in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Spannflächen 16 sind durch einen konvex gekrümmten Spannabschnitt 18 verbunden. Der Spannabschnitt 18 kann auch konkav gekrümmt oder gerade ausgebildet sein. Im montierten Zustand ist der Spannabschnitt 18 elastisch verformt und beaufschlagt die den jeweiligen Spannflächen 16 zugeordneten Heizelemente 10 mit einer Anpresskraft, die federartig in Richtung der jeweils zugeordneten Haltefläche 17 wirkt.
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Wie in 1 zu erkennen, weist das Außenteil 13 ein Polygonprofil auf, wobei die Spannflächen 16 im Bereich der Ecken 19a des Polygonprofils angeordnet sind. Die Spannabschnitte 18 bilden die Seiten 19b des Polygonprofils. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind drei Seiten vorgesehen, wodurch sich ein statisch bestimmter Aufbau ergibt. Bei der Ausführung mit einer statisch bestimmten Anordnung der Flächen wird der Anpressdruck konzentrisch auf die Heizelemente 10 ausgeübt. Das dreiseitige Polygonprofil hat den weiteren Vorteil, dass die Anordnung selbstzentrierend ist, wodurch die Montage vereinfacht wird. Eine andere Anzahl von Polygonecken ist möglich.
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Das Polygonprofil des Außenteils 13 hat den weiteren Vorteil, dass die Seiten 19b des Polygonprofils bzw. die Spannabschnitte 18 zur Montage mit einer radial nach innen wirkenden Montagekraft beaufschlagt werden können, wie in 2 durch die radial nach innen gerichteten Pfeile M dargestellt. Die Montagekraft kann beispielsweise durch entsprechend angeordnete Montagestempel aufgebracht werden (nicht dargestellt). Durch die Montagekraft werden die Spannabschnitte 18 etwas aufgeweitet bzw. gelängt, so dass die Spannflächen 16 radial nach außen wandern, wie durch die kleineren radial nach außen gerichteten Pfeile L in 2 verdeutlicht. Eine geringfügige Lageänderung der Spannflächen 16 genügt, um den Zusammenbau des Kühl- und Haltekörpers zu ermöglichen. Nach der Montage der Heizelemente 10 zwischen das Innenteil 14 und das Außenteil 13 wird die Montagekraft gelöst und die Spannwirkung des Außenteils 13, begründet durch die elastische Materialverformung tritt ein.
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Im montierten Zustand sind die Heizelemente 10 daher im Presssitz zwischen dem Innenteil 14 und dem Außenteil 13, konkret zwischen der jeweiligen Haltefläche 17 des Innenteils 14 und der zugehörigen Spannfläche 16 des Außenteils 13 fixiert. Dabei ist das Übermaß zwischen dem jeweiligen Heizelement 10 und dem Außenteil 13 so eingestellt, dass sich die Polygonseiten bzw. Spannabschnitte 18 elastisch verformen. Die Verformung erfolgt im Bereich der Hooke’schen Geraden, also unterhalb der Elastizitätsgrenze. Dies gilt für alle Aufnahmebereiche 15. Die Einstellung eines geeigneten Übermaßes nimmt der Fachmann in Abhängigkeit von den jeweiligen Materialeigenschaften vor.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Montage des Kühl- und Haltekörpers thermisch unterstützt werden insofern, als das Außenteil 13 erwärmt wird. Nach der Montage der Heizelemente 10 durch thermische Aufdehnung wird das Außenteil 13 abgekühlt und schrumpft auf diese auf. Die mechanische und thermische Aufweitung des Außenteils 13 kann kombiniert werden. Die mechanische Aufweitung kann in Abhängigkeit von der Form der Spannabschnitte 18 variiert werden. Bspw. kann bei konvexen Spannabschnitten 18 (nicht dargestellt) das Außenteil 13 mit radial nach außen wirkenden Montagekräften aufgeweitet werden.
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Für eine gleichmäßige Wärmeabfuhr ist die Wandstärke des Außenteils 13 im Bereich der Spannflächen 17 vergrößert. Konkret ist die Wandstärke im Bereich der Spannflächen 17 größer als die Wandstärke im Bereich der Spannabschnitte 18. Die Wärmeabfuhr kann durch zusätzliche Kühlrippen auf dem Außenumfang des Außenteils 13 (nicht dargestellt) erhöht werden.
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Das Innenteil 14, konkret die Halteflächen 17, auf denen die Heizelemente 10 angeordnet sind, hat die Funktion eines Widerlagers. Das Innenteil 14 ist daher so ausgebildet, dass dieses die vom Außenteil 13 eingeleiteten Haltekräfte aufnehmen kann. Das Außenteil 13 ist daher stärker elastisch verformbar als das Innenteil 14. Die starre Form des Innenteils 14 wird durch mehrere in radialer Richtung sich erstreckende Stege 20 erreicht. Am radial äußeren Ende der Stege 20 ist jeweils eine Haltefläche 17 angeordnet. Im Bereich der Haltefläche 17 sind die Stege 20 T-förmig ausgebildet, wobei die Oberseite des T-Profils die Haltefläche 17 bildet. Die Stege 20 weisen jeweils einen Fuß 21 auf, der im Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit einem Innenzylinder 22 verbunden ist. Der Innenzylinder 22 ist konzentrisch bezogen auf den Kühl- und Haltekörper angeordnet. Dabei handelt es sich um einen hohlen Innenzylinder 22. Der Innenzylinder kann einen anderen Querschnitt aufweisen als in 2 dargestellt.
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Das Innenteil 14 weist ein Polygonprofil auf, das in seiner Form dem Polygonprofil des Außenteils 13 im Wesentlichen entspricht, wie bspw. in 1 gezeigt. Die Seiten 19b’ des Polygonprofils des Innenteils 14 verbinden die im Bereich der Ecken 19a’ des Polygonprofils vorgesehenen Halteflächen 17. Dadurch wird die Stabilität des Innenteils 14 verbessert.
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Zwischen den Stegen 20 sind Hohlkammern ausgebildet, um die erwärmte Luft effektiv und schnell vom Heizelement wegzutransportieren. Durch eine bearbeitete Oberfläche kann dies zusätzlich verbessert werden (Wirbeleffekte).
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Die Erfindung ist nicht auf die in den 1, 2 dargestellten Polygonprofile eingeschränkt, sondern umfasst auch andere Geometrien des Außenteils 13 bzw. des Innenteils 14. Generell sind die Polygonseiten 19b bzw. Spannabschnitte 18 zwischen den Ecken 19a gekrümmt, konkret konvex nach außen gewölbt oder konkav nach innen gewölbt. Die Polygonseiten 19b bzw. Spannabschnitte 18 können gerade ausgebildet sein. Unter den Polygonecken 19a sind die Bereiche zu verstehen, in denen angrenzende Polygonseiten 19b verbunden sind. Die Polygonecken 19a erstrecken sich quer zur Längsachse des Kühl- und Haltekörpers und bilden Anlage- bzw. Kontaktflächen 12 für die Heizelemente 10. Die Polygonecken 19a sind abgeflacht, insbesondere auf der Innenseite abgeflacht.
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Die Anzahl der Heizelemente 10 kann variieren. Es ist möglich mehr als drei Heizelemente 10 beispielsweise in Verbindung mit einem 4-, 5- oder mehreckigen Polygonprofil des Außenteils 13 zu verwenden. Die Aufnahmebereiche 10 eines mehreckigen Polygonprofils sind auf dem Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit drei Heizelementen 10 sind die Aufnahmebereiche 15 bzw. die Heizelemente 10 über einen Winkel von 120° auf dem Umfang verteilt angeordnet.
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Als Material kann beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen sowohl für das Außenteil 13 als auch für das Innenteil 14 verwendet werden. Andere Materialien sind möglich. Die Materialauswahl berücksichtigt, dass nach der Montage eine elastische Verformung der Spannabschnitte 18 eintritt derart, dass diese eine Federkraft in Richtung der Halteflächen 17 über die Spannflächen 16 auf das Heizelement 10 ausüben. Die Materiallegierungen von Innenteil 14 und Außenteil 13 können unterschiedlich sein, damit bei gleicher Temperatur unterschiedliche Wärmeausdehnungen stattfinden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Innenteils 14 sollte größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Außenteils 13 sein.
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In den 3 und 4 ist eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß 1, 2 dargestellt, bei dem mehrere Heizelementlagen vorgesehen sind. Konkret sind beim Ausführungsbeispiel gemäß den 3, 4 zwei Heizelementlagen vorgesehen. Im Übrigen stimmen die Ausführungsbeispiele gemäß den 1, 2 bzw. 3, 4 überein. Insofern wird im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und 4 auf die obigen Ausführungen zu den 1, 2 Bezug genommen. Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch das Zwischenteil 23, das zwischen dem Innenteil 14 und dem Außenteil 13 angeordnet ist. Die Form des Zwischenteils 23 entspricht im Wesentlichen der Form des Außenteils 13. Dementsprechend weist das Zwischenteil 23 ein Polygonprofil auf, wobei im Bereich der Ecken des Polygonprofils die Wandung sowohl auf dem Außen- als auch auf dem Innendurchmesser abgeflacht ist. Überdies ist die Wandstärke im Bereich der Polygonecken größer als im Bereich der Polygonseiten. Der Übergang von Polygonseite bzw. Sehne und Polygonecke weist einen Radius auf derart, dass die Kerbwirkung im Übergangsbereich minimiert bzw. reduziert ist. Dies gilt auch für das Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Im montierten Zustand befindet sich der Aufnahmebereich 15 für die Heizelemente 10 einerseits zwischen dem Innenteil 14 und dem Zwischenteil 23. Diese Aufnahmebereiche 15 bilden die radial innen angeordneten Aufnahmebereiche der Heizelementaufnahme 11. Die zwischen dem Zwischenteil 23 und dem Außenteil 13 ausgebildeten Aufnahmebereiche 15 bilden die radial äußeren Aufnahmebereiche. Wie in 3 dargestellt, befinden sich die inneren und äußeren Aufnahmebereich jeweils in radialer Richtung übereinander.
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Zwischen den Aufnahmebereichen 15 sind die Spannabschnitte 18 vorgesehen, wobei im montierten Zustand die Spannabschnitte 18 des Zwischenteils 23 und die Spannabschnitte 18 des Außenteils 13 übereinander angeordnet sind. Die Lage der verschiedenen Abschnitte bzw. Bereiche des Zwischenteils 23 und des Außenteils 13 ist also entsprechend angeordnet.
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Das Innenteil 14 des Ausführungsbeispiels gemäß 3 entspricht im Wesentlichen dem Innenteil 14 des Ausführungsbeispiels gemäß 1, zumindest was die Anordnung der radialen Stege 20 angeht.
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Die zweilagige Anordnung gemäß 3 kann auf eine dreilagige, vierlagige oder generell mehrlagige Anordnung erweitert werden, wobei die Anzahl der Zwischenteile 23 entsprechend angepasst ist. Die Form der Zwischenteile 23 entspricht jeweils der Form und Lage des Außenteils 13.
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Zur Montage der Heizelemente können Fügemittel 26 verwendet werden, die die Heizelemente 10 beim Zusammenbau in der korrekten Position halten. Wie in 5 dargestellt, sind die Fügemittel 26 als Klammern ausgebildet, die die Stege 20 in axialer Richtung umgreifen. Dadurch sind die Klammern am Innenumfang des Innenteils 14 zumindest in Umfangsrichtung fixiert.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 2 bzw. 3, 4 sind die PTC-Widerstände 10a direkt mit dem Innenteil 14 bzw. dem Außenteil 13 verbunden. Abweichend hiervon ist in 6 dargestellt, dass mit dem Kühl- und Haltekörper PTC-Patronen 10b verwendet werden können, die an entsprechenden Positionen im Bereich der Ecken 19 des Polygonprofils angeordnet sind. Die Form der Halteflächen 17 bzw. der Spannflächen 16 ist an die Außenkontur der in etwa zylindrischen PTC-Patronen 10b angepasst, wie auch in 7 dargestellt. Die Halteflächen 17 bzw. der Spannflächen 16 sind als Halbschalen ausgebildet. Die Halbschalen sind profiliert und greifen in ein entsprechendes Gegenprofil der PTC-Patronen ein, ähnlich wie ein Nut- und Federsystem.
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In den 8, 9 ist dargestellt, dass die Fügehilfe 26 abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 am Außenteil 13 angreifen kann.
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In 10 ist der Kühl- und Haltekörper im eingebauten Zustand dargestellt, wobei das axiale Ende 24 des Kühl- und Haltekörpers mit einem Lüfter 25 verbunden ist. Der Kühl- und Haltekörper befindet sich in einem Gehäuse 27, das isoliert sein kann, beispielsweise wenn die stromleitenden PTC-Widerstände direkt mit dem Außenteil 13 und dem Innenteil 14 verbunden sind, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 dargestellt. Die Stirnfläche des Gehäuses 27 kann mit einem nicht dargestellten Schutzgitter verschlossen sein.
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Eine Abwandlung des Außenteils 13 ist in 11 dargestellt, bei der die Wandstärke bzw. die Dicke der Polygonseiten 19b sich in Umfangsrichtung des Außenteils 13 verändert. Konkret nimmt die Wandstärke zu den Randbereichen der Polygonseiten 19b, d. h. zu den Ecken 19a hin ab. Die Polygonseiten 19b verjüngen sich zu den Ecken 19a hin. Die maximale Wandstärke liegt im mittleren Bereich, konkret im Bereich des Scheitelpunkts der Polygonseite 19b vor. Der Scheitelpunkt ist durch die strichpunktierte Linie S angegeben, die den Mittelpunkt des Außenteils 13 schneidet und die Polygonseite 19b halbiert. Wie in 11 ersichtlich, erfolgt die Änderung der Wandstärke kontiniuierlich. Der Radius der Polygonseite 19b zwischen dem Scheitelpunkt und der Ecke 19a ist mit R bezeichnet. Durch die Erhöhung der Wandstärke im Bereich des Scheitelpunkts der Polygonseite 19b wird eine Versteifung der Polygonseite 19b erreicht, die die Kraftübertragung in die Randbereiche verbessert. Andere Versteifungen der Polygonseite 19b sind möglich, beispielsweise Versteifungsrippen, die eine lokale Verformung der Polygonseite 19b im Bereich des Scheitelpunkts bzw. am Angriffspunkt der Montagekraft verhindern bzw. reduzieren.
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Es versteht sich, dass die Erhöhung der Wandstärke im Bereich des Scheitelpunkts der Polygonseite 19b sich entlang der gesamten axialen Länge des Außenteilsbereichs erstreckt.
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In den 12 und 13 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen das Innenteil 14, also der innere Heizelementkern beweglich gestaltet ist. Der Außenumfang des Heizelementekerns bzw. des Innenteils 14 kann durch eine geeignete Kraftaufbringung verkleinert werden. Damit wird erreicht, dass der Spalt zwischen dem Innenteil 14 gemäß 12, 13 und dem Außenteil 13 gemäß einem der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele vergrößert wird. Durch den größeren Spalt werden Toleranzen des in den Aufnahmebereich 15 einzubringenden Heizelementes noch besser ausgeglichen. Demgemäß werden die nachfolgend beschriebenen Merkmale der Innenteile gemäß 12, 13 im Zusammenhang mit allen vorstehend genannten Ausführungsbeispielen offenbart und beansprucht.
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Die erhöhte Flexibilität des Innenteils 14 gemäß den 12, 13 wird dadurch erreicht, dass die Halteflächen 17 radial nach innen nur durch die Seiten 19b’ des Polygonprofils abgestützt sind. Mit anderen Worten sind die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 keine Stege vorgesehen, die die Halteflächen 17 radial nach innen abstützen und somit das Innenteil 14 versteifen. Das Innenteil 14 gemäß der 12, 13 ist einbautenfrei ausgebildet, d. h. im Inneren des Innenteils 14 sind keine Stützelemente für die Halteflächen 17 vorgesehen. Die Halteflächen 17 können sich also radial nach innen bzw. radial nach außen in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und der aufzubringenden Montagekraft bewegen.
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Dies wird dadurch erreicht, dass das Innenteil 14 gemäß 12, 13 als Polygonprofil ausgebildet ist, wobei sich die Beispiele gemäß 12, 13 durch die Form der Polygonseiten 19b’ unterscheiden. Bei dem Beispiel gemäß 12 sind die Polygonseiten 19b’ konkav, also nach innen gekrümmt ausgebildet. Wenn eine nach innen wirkende Presskraft bzw. Montagekraft an den Polygonseiten 19b’ aufgebracht wird, werden die Halteflächen 17 radial nach innen gezogen und das Innenteil 14 verkleinert sich. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 sind die Polygonseiten 19b’ konvex ausgebildet. Die Polygonseiten 19b’ krümmen sich nach außen. Wenn bei dem Innenteil 14 gemäß 13 eine Spreizkraft bzw. eine Montagekraft aufgebracht wird, die auf die Polygonseiten 19b’ von innen nach außen wirkt, werden die flachen Seiten bzw. die Halteflächen 17 ebenfalls radial nach innen gezogen, wodurch sich der Montagespalt vergrößert.
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Es ist auch denkbar, die Polygonseiten 19b’ gerade auszubilden.
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Zusammengefasst bildet das Außenteil 13 ein mechanisches Spannelement in der Form eines Polygonprofils, wobei die Anpresskraft durch eine elastische Verformung des Außenteils 13 erreicht wird. Die Verformung wird also im Spannungs-Dehnungsdiagramm im Bereich der Hooke’schen Gerade bewirkt. Dies hat den Vorteil, dass auf zusätzliche Federelemente verzichtet werden kann. Die Spannwirkung wird durch die Geometrie des Außenteils 13 verstärkt, die zwischen den Spannflächen 13 Spannabschnitte 18, insbesondere konvex oder konkav gekrümmte oder gerade Spannabschnitte 18 aufweist. Die Spannabschnitte 18 überbrücken den Abstand zwischen den Spannflächen 16 und verbinden diese. Dasselbe Prinzip kann durch das Innenteil verwirklicht sein, das ebenfalls als Polygonprofil ausgestaltet ist.
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Durch die insgesamt geringe Masse des Außenteils 13 verbunden mit dem starken Spanndruck, den das Außenteil 13 auf die Heizelemente 10 ausübt, wird eine optimale Wärmeauskopplung bewirkt. Dies wird dadurch unterstützt, dass die Heizelemente am Außenumfang des Kühl- und Haltekörpers angeordnet sind. Für eine direkte Spannungsversorgung kann im Material des Kühl- und Haltekörpers ein Kanal ausgebildet sein, um eine Phase oder einen Nullleiter direkt anzucrimpen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Heizelement
- 11
- Heizelementeaufnahme
- 12
- Kontaktflächen
- 13
- Außenteil
- 14
- Innenteil
- 15
- Aufnahmebereiche
- 16
- Spannflächen
- 17
- Halteflächen
- 18
- Spannabschnitte
- 19
- Ecken des Polygonprofils 19a, 19a’/Seiten des Polygonprofils 19b, 19b’
- 20
- Stege
- 21
- Fuß
- 22
- Innenzylinder
- 23
- Zwischenteil
- 24
- Axiales Ende
- 25
- Lüfter
- 26
- Fügemittel
- 27
- Gehäuse
- R
- Radius
- S
- Scheitelpunktslinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018151 A1 [0001]
- DE 19604218 A1 [0004]
- DE 2006018151 A1 [0005]
