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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine kunststoffumspritzte Tankheizung, insbesondere für einen Reduktionsmitteltank einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Reduzierung von Stickoxiden in den Abgasen von Brennkraftmaschinen werden Systeme angeboten, die bei Bedarf ein flüssiges Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Harnstoff-Wasser-Lösung, in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine einspritzen. Dabei kommt es im Katalysator zu einer chemischen Reaktion zwischen den im Abgas enthaltenen Stickoxiden und der Harnstoff-Wasser-Lösung mit den unschädlichen Endprodukten Stickstoff und Wasser.
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Harnstoff-Wasser-Lösung gefriert bei Temperaturen unterhalb von –11°C. Um das Einfrieren des Reduktionsmittels zu verhindern bzw. um es wieder bei Wiederinbetriebnahme aufzutauen, sind elektrische Widerstandsheizungen bekannt, die mindestens teilweise in einen mit Reduktionsmittel gefüllten Tank ragen. Diese elektrischen Widerstandsheizungen bestehen in aller Regel aus unedlen Metallen oder aus NE-Metallen. Die elektrischen Widerstandsheizungen werden zusammen mit elektrischen Kontaktplättchen, die zuvor mit einem Kunststoff umspritzt werden und Isolationsplättchen, in einen Wärmeverteilkörper aus Aluminium verpresst. Nachdem die elektrischen Zuleitungen anbracht sind, wird der Wärmeverteilkörper mit Kunststoff flüssigkeitsdicht umspritzt. Die elektrischen Zuleitungen müssen mit zusätzlichen Dichtungen, die mittels Kappen vorgespannt werden, abgedichtet werden. Eine Saugleitung durch die das Reduktionsmittel aus dem Tank abgesaugt wird, wird zusammen mit den elektrischen Zuleitungen für die Widerstandsheizung in einem Schrumpfschlauch montiert. Diese Anordnung ist sehr aufwändig herzustellen, da eine Vielzahl von Teilen gegeneinander elektrisch isoliert und/oder gegen das sie umgebende Reduktionsmittel abgedichtet werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine mit Kunststoff umspritzte Tankheizung vorgeschlagen, bei der die Kunststoffumspritzung in zwei Schritten erfolgt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger herzustellen ist und dabei eine größere Robustheit im Betrieb erreicht. Die Robustheit wird dadurch erzielt, dass durch Aufbringung einer ersten und einer zweiten Kunststoffschicht zusätzliche Dichtungselemente vermieden werden. Somit werden die Herstellung vereinfacht und die Leckagemöglichkeiten reduziert, was sich in einer verlängerten Lebensdauer niederschlägt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Kunststoffschicht eine Kontur des Wärmeverteilers und mindestens teilweise eine erste Stromschiene und/oder eine zweite Stromschiene umschließt. Der Wärmeverteiler ist vorzugsweise durch Strangpressen oder Druckguss aus Aluminium gefertigt. Durch Umspritzen mit einer ersten Kunststoffschicht können fertigungs- oder montagebedingt auftretende Toleranzen ausgeglichen werden. Daher wird diese erste Umspritzung mit Kunststoff auch als Korrekturumspritzung bezeichnet. Weiterhin werden bei der Korrekturumspritzung die ersten Stromschiene und die zweite Stromschiene teilweise umspritzt, um die beiden elektrischen Pole der Heizeinrichtung elektrisch voneinander zu trennen. Dadurch kann auf eine gesonderte Isolierung der Stromschienen der Widerstandsheizung vor der Montage am Wärmeverteiler verzichtet werden. Somit ist die Korrekturumspritzung gegenüber dem herkömmlichen Fertigungsprozess zumindest kostenneutral.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Kunststoffschicht unterschiedliche Dicken aufweist. Unterschiedlich Schichtdicken lassen sich beim Kunststoffumspritzen fertigungstechnisch leicht bewerkstelligen. Die unterschiedlichen Schichtdicken sind notwendig um Fertigungs- und Montagetoleranzen des Wärmeverteilers auszugleichen. Durch die Erstumspritzung mit Kunststoff wird eine hohe Maßgenauigkeit der Außengeometrie erreicht. Diese ist auch sehr wichtig, da in einem zweiten Schritt eine Dichtumspritzung erfolgt, die eine Abdichtung der Tankheizung gegenüber dem im Tank befindlichen flüssigen Reduktionsmittel gewährleisten muss.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Tankheizung, wenn der Wärmeverteiler aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist. Grundsätzlich kann der Wärmeverteiler aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das über eine geeignete Wärmeleitfähigkeit und einen geeigneten Wärmeausdehnungskoeffzienten verfügt. Wird darüber hinaus auch ein elektrisch leitfähiges Material zur Herstellung des Wärmeverteilers verwendet, kann eine elektrische Zuleitung durch einfaches Einpressen und/oder Anschweißen einer kurzen Stromschiene an den Wärmeverteiler erfolgen. Der Werkstoff der Stromschiene kann dabei so gewählt werden, dass er eine ideale Kombination zum Werkstoff des Wärmeverteilers bezüglich des elektrischen Kontaktes darstellt. Für die Stromschiene geeignete Werkstoffe sind beispielsweise Edelstahl, Kupferlegierungen, Aluminium oder Neusilber. Die Oberfläche der Stromschiene kann auch durch versilbern, vergolden oder verzinnen optimiert werden.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass der Wärmeverteiler über Aufnahmegeometrien für das oder die Heizelemente verfügt. Die Aufnahmegeometrien sind fertigungstechnisch beim Strangpressen oder Druckgießen einfach herzustellen und erlauben eine leichte Anbringung eines oder mehrerer Heizelemente am Wärmeverteiler, so dass eine gute Wärmeleitung gewährleistet ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Heizeinrichtung vorkonfektioniert ist. In einer geeigneten Vorrichtung werden die Heizelemente mit einer vorgefertigten Stromschiene verbunden und mit Isolationsplättchen unterlegt. Die so vorgefertigte Heizeinrichtung kann leicht am Wärmeverteiler montiert werden, so dass die Heizelemente mit den Isolationsplättchen in die Aufnahmegeometrie eingelegt sind und die zweite Stromschiene parallel in einem Abstand zum Wärmeverteiler verläuft. Dadurch ergibt ein Kostenvorteil bei der Montage der Heizeinrichtung.
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Günstig ist es ferner, dass die zweite Kunststoffschicht Befestigungsgeometrien und/oder Verbindungen ausgebildet. Die zweite Kunststoffschicht stellt die benötigtet Dichtheit insbesondere zwischen elektrischen Komponenten der Heizung und der Umgebung, das heißt dem flüssigen Reduktionsmittel her. Dabei können auf einfache Art und Weise Befestigungsgeometrien für die Befestigung der Tankheizung im Tank, aus Kunststoff gleich mitgespritzt werden. Dazu weist das Formwerkzeug der Spritzgussmaschine in die die Tankheizung eingelegt wird, entsprechende Ausformungen auf. Beim Aufbringen der zweiten Kunststoffschicht, dem sogenannten Dichtumspritzen, werden dann die Ausformungen mit Kunststoff ausgespritzt und bilden dann eine Einheit mit der zweiten Kunststoffschicht.
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Auf die gleiche Weise können auch Verbindungen erzeugt werden, die zur Aufnahme eines Steckkontaktes einer Stromquelle geeignet sind. Dadurch werden Verbindungen erzeugt, die ohne zusätzliche Dichtelemente auskommen und deshalb in höchstem Maße leckagesicher sind. Die Dichtheit der Befestigungsgeometrien und/oder Verbindungen wird dabei durch umlaufende Dichtlippen, Verspannung der Befestigungsgeometrien und/oder Verbindungen zueinander und/oder die Verwendung spezieller Kunststoffe oder Zusätze bei der Dichtumspritzung sichergestellt.
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Gleichzeitig können auch mit der zweiten Kunststoffumspritzung Konturen hergestellt werden an denen die Heizeinrichtung mit dem Kunststoff-Tank verschweißt werden können; diese Konturen werden daher als Schweißkonturen bezeichnet.
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Besonders hilfreich ist es, dass mindestens eine Abstützungsstelle innerhalb einer Befestigungsgeometrie und/oder einer Verbindung angeordnet ist. Zum Dichtumspritzen der Tankheizung es erforderlich, die Tankheizung in ein Formwerkzeug einer Spritzgussvorrichtung einzulegen. Dabei muss das zu umspritzende Werkstück, in diesem Fall die Tankheizung, im Formwerkzeug ausgerichtet und abgestützt werden. Dazu sind im Formwerkzeug Geometrien ausgebildet, auf denen das Werkstück aufliegt. Beim Umspritzen des Werkstückes entstehen dort wo das Werkstück vom Formwerkzeug gestützt wird Abstützstellen, die nicht mit Kunststoff bedeckt sind. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, diese Abstützstellen innerhalb der Befestigungsgeometrien und/oder Verbindungen anzuordnen. Weil diese Befestigungsgeometrien anschließend mit einem anderen Bauteil verschweißt werden, ist die Dichtheit der Abstützstelle gewährleistet, auch ohne dass eine zweite Kunststoffschicht aufgebracht ist. Dadurch kann der sehr aufwändige und schwer beherrschbare Fertigungsprozess mit Ziehstempeln entfallen.
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Günstig ist es ferner, dass mindestens eine Abstützstelle über der ersten Kunststoffschicht angeordnet ist. Dadurch kann eine noch größere Sicherheit bezüglich der Dichtheit der Abstützstelle gewährleistet werden. Damit befindet sich an der Abstützstelle wenigsten eine Kunststoffschicht, die die Dichtheit der Tankheizung gewährleistet. Außerdem kann dann um die Abstützstelle herum eine Schweißkontur entfallen, wodurch Material eingespart wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Stromschienen an ihren Anschlussenden auf einer Länge L nicht kunststoffumspritzt sind. Damit können Toleranzen zwischen der Verbindung dem Steckkontakt einer Stromquelle besser ausgeglichen werden und es werden übermäßig hohe beziehungsweise nicht zulässige Spannungen an den Anschlussenden vermieden.
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Ferner ist es günstig, dass ein Zusatzelement durch die erste Kunststoffschicht und/oder die zweite Kunststoffschicht mit der Tankheizung verbunden ist. Durch Umspritzen mit Kunststoff können zusätzliche Bauteile an der Tankheizung integriert werden. Dazu wird in an sich bekannter Weise das Zusatzelement vorab in das Formwerkzeug eingelegt und anschließen mit Kunststoff umspritzt. Dadurch entfallen kostenintensive nachträgliche Befestigungsmaßnahmen.
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Es ist möglich die erste und zweite Kunststoffschicht aus unterschiedlichen Kunststoffen auszuführen. Wodurch besondere thermische und mechanische Eigenschaften bedarfsgerecht gewählt werden können. So können zum Beispiel die Dehnungen, welche durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffiziente entstehen können, stufenweise abgebaut werden. Wenn der Wärmeverteiler aus Aluminium gefertigt ist, kann die erste Kunststoffschicht aus Polyamid sein und die zweite aus HD-PE (high-density Polyethylen), dadurch werden die bei unterschiedlichen Temperaturen entstehende Dehnungen und Kräfte reduziert und die Haltbarkeit der Heizung verbessert.
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Die Ausführung der zweiten Kunststoffschicht aus HD-PE ist besonderes bei Anbringung/Verwendung in einem Tank aus HD-PE von Vorteil, weil damit eine durch Heizelementschweißen dauerhafte und dichte Verbindung mit Tank oder Zwischenträger hergestellt werden kann.
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Vorteilhaft ist es bei Wahl des Kunststoffs auf eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit zu achten, damit eine große Heizleistung erreicht wird.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 einen Wärmeverteiler,
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2 eine Heizeinrichtung,
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3 Wärmeverteiler mit eingelegter Heizeinrichtung,
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4 Wärmeverteiler mit eingelegter Heizeinrichtung nach einer erster Umspritzung,
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5 Wärmeverteiler mit eingelegter Heizeinrichtung nach einer zweiten Umspritzung,
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6 eine erfindungsgemäße Tankheizung in Draufsicht,
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7 eine erste Detailansicht der erfindungsgemäßen Tankheizung und
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8 eine zweite Detailansicht der erfindungsgemäßen Tankheizung
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Wärmeverteilers 10. Der Wärmeverteiler umfasst einen Körper 12, gefertigt aus Materialien mit geeigneter Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise Aluminium. Der Wärmeverteiler wird bevorzugt durch Strangpressen oder Druckguss hergestellt.
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Der Körper 12 ist so gestaltet, dass eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Weiterhin verfügt der in der 1 dargestellte Körper 12 über Aufnahmegeometrien 14 zur Aufnahme von Heizelementen sowie über eine Aufnahme 16 für eine erste Stromschiene 18.
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Wird der Körper 12 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, kann die erste Stromschiene 18 durch Einpressen und/oder Schweißen mit dem Körper 12 verbunden werden. Die erste Stromschiene 18 ist aus Edelstahl, Kupferlegierung, Aluminium, Neusilber oder einem anderen geeignetem Werkstoff gefertigt und kann zusätzlich mit einer beschichteten Oberfläche aus beispielsweise Silber, Gold oder Zinn versehen werden.
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2 zeigt eine Heizeinrichtung 20. Die Heizeinrichtung 20 umfasst mindestens ein Heizelement 22, welches mit einer zweiten Stromschiene 26 kontaktiert wird. Die zweite Stromschiene 26 ist mit einer Isolierschicht versehen oder mit Isolationselement 24 unterlegt. Die zweite Stromschiene 26 verbindet die Heizelemente 22 miteinander. Die Heizelemente 22 werden vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder einer elektrisch leitfähigen Keramik, mit einem positiven Temperaturkoeffizienten hergestellt. Alternativ ist auch möglich, Karbonfasern beziehungsweise elektrisch leitfähige Nichteisen-Metalle und/oder Kunststoffe einzusetzen. Die Heizeinrichtung 20 wird in der dargestellten Form in einer geeigneten Vorrichtung vorkonfektioniert und anschließend, wie in der nachfolgend erläuterten 3 dargestellt, in die Aufnahmegeometrien 14 des Wärmeverteilers 10 eingelegt und mit diesem, beispielweise durch Verpressen, verbunden.
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3 zeigt ein Detail des Wärmeverteilers 10. Dargestellt ist der Körper 12 mit den Aufnahmegeometrien 14. In den Aufnahmegeometrien 14 sind die Heizelemente 22 so angeordnet, dass die Isolierschicht oder das Isolationselement 24 einen direkten elektrischen Kontakt und damit einen elektrischen Kurzschluss zwischen Heizelement und Körper 12 verhindert. Die zweite Stromschiene 26 verläuft in einem Abstand parallel zum Körper 12, so dass ein Anschlussende 28 der zweiten Stromschiene neben der ersten Stromschiene 18 angeordnet ist. Die dargestellte Anordnung an einem Hauptquerschnitt 30 des Körpers 12 begünstigt den Wärmetransport in vorteilhafter Weise.
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Durch die voranstehend beschriebene Verbindung von Wärmeverteiler 10 und Heizeinrichtung 20 entsteht eine Tankheizung 32, die noch gegenüber leitenden und/oder aggressiven Medien geschützt werden muss. Das geschieht wie nachfolgen erläutert in zwei Schritten:
4 zeigt die erfindungsgemäße Tankheizung 32 nach einem ersten Schritt, die sogenannte Korrekturumspritzung 34. Dabei wir eine Kontur 36 des Wärmeverteilers 10 mit einer ersten Schicht 37 aus einem nichtleitenden Kunststoff versehen. Dabei können unterschiedliche Schichtdicken realisiert werden, welche die bei der Fertigung des Wärmeverteilers 10 auftretenden Toleranzen ausgleichen. Außerdem werden bei diesem ersten Schritt auch die erste Stromschiene 18 und die zweite Stromschiene 26 mindestens teilweise umspritzt, um die beiden elektrischen Pole, die Heizeinrichtung 20 einerseits, und Wärmeverteiler 10 und die damit elektrisch leitend verbundene erste Stromschiene 18 andererseits, zueinander auf Abstand zu halten und in Position für die elektrische Kontaktierung zu bringen.
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Nach einem zweiter Schritt, einer sogenannte Dichtumspritzung 38, stellt sich die erfindungsgemäße Tankheizung 32 wie in 5 gezeigt dar. Bei der Dichtumspritzung 38 wird die gesamte Tankheizung 32 mit einer zweiten Kunststoffschicht 39 versehen. Die zweite Kunststoffschicht schützt die Tankheizung 32 gegenüber aggressiven und/oder elektrisch leitenden flüssigen Medien.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, bei diesem zweiten Schritt, an der Tankheizung 32 entsprechenden Befestigungsgeometrien 40 aus dem gleichen Kunststoff anzuspritzen, mit denen in einem späteren Arbeitsgang die Tankheizung 32 mit dem Tank verbunden wird. Außerdem wird durch die Dichtumspritzung 38 eine Verbindungstelle 42 zwischen einer Stromquelle (nicht dargestellt) und der ersten Stromschiene 16 und der zweiten Stromschiene 26 ausgeformt.
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6 zeigt die Anordnung der Befestigungsgeometrien 40 und der Verbindungsstelle 42 auf einer Unterseite der Tankheizung 32. Eine Werkstückaufnahme einer Umspritzeinrichtung ist so gestaltet, dass Abstützstellen 44 der Werkstückaufnahme innerhalb der Befestigungsgeometrien 40 beziehungsweise der Verbindungstelle 42 liegen. Dadurch wird eine einfache, prozesssichere Umspritzung möglich. Nach Verschweißen der Befestigungsgeometrien 40 und der Verbindungstelle 42 mit einem Flansch oder einem anderen Bauteil ist die Dichtheit der Abstützstelle 44 hergestellt.
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Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, die Abstützstellen 44 so anzuordnen, das sie auf der Korrekturumspritzung 34 liegen können. Dadurch ist die Sicherheit bezüglich der Dichtheit noch besser gewährleistet. Die dauerhafte Dichtheit wird durch umlaufende Schweißkonturen und/oder Verspannung der Umspritzungen zueinander, spezielle Kunststoffzusätze und/oder andere Maßnahmen gewährleistet.
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7 zeigt eine Detailansicht der Tankheizung 32. Dargestellt ist eine Schnittdarstellung der Verbindungstelle 42. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Stromschienen 18, 26 auf einer Länge L nicht zu umspritzen. Die Länge L ist dabei so bemessen, dass Toleranzen bei einem Steckkontakt der Stromquelle ausgeglichen werden.
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8 zeigt einen Detailausschnitt der bereits fertig montierten erfindungsgemäßen Tankheizung 32. Dabei ist zusammen mit der Dichtumspritzung ein Zusatzelement 46 an der Tankheizung 32 angeordnet. Das Zusatzelement, in diesem Ausführungsbeispiel ein Element zur Ultraschalwellenbündelung und/oder -Abschirmung, wird durch Umspritzung mit Kunststoff bei der Dichtumspritzung 38 an der Tankheizung 32 befestigt. Es ist denkbar, auf diese Weise auch andere Zusatzelemente 46 mit der Tankheizung 32 zu verbinden.
