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Die Anmeldung betrifft eine Heizeinheit zum Beheizen von Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug, wobei die Heizeinheit mindestens ein PTC-Heizelement und zwei Wärmeleitbleche aufweist, zwischen denen das PTC-Heizelement angeordnet ist.
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Die
DE 44 05 040 A1 offenbart eine Heizeinheit zum Beheizen von Flüssigkeiten, bei der ein PTC-Heizelement zwischen zwei Kontaktblechen in einem elektrisch isolierenden Gehäuse eingespannt ist, das mit Silikon vergossen ist.
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Aus der
DE 35 44 589 A1 ist eine Heizvorrichtung für fluidführende Teile bekannt, die mit zwei Halbschalen um eine Rohrleitung herum angeordnet wird.
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Aus der
DE 34 40 166 C2 ist ein Wärmestrahler bekannt, der ein Metallgehäuse aufweist, in dem PTC-Widerstände zwischen Elektrodenplatten angeordnet sind.
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Eine Heizeinheit zum Beheizen von Flüssigkeiten ist auch aus der
EP1 414 275 B1 bekannt. Diese Heizeinheit hat zwei Wärmeleitelemente, die von einem PTC-Element erzeugte Wärme an ein patronenartiges Gehäuse weiterleiten, indem Schenkel der Wärmeleitelemente unter elastischem Druck an der Innenseite eines Metallgehäuses anliegen, wobei die Wärmeübertragungselemente selbst durch ihre elastische Form den Anpressdruck erzeugen. Eine ähnliche Heizeinheit ist aus der
DD 248 016 A1 bekannt.
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Nachteilig ist hierbei jedoch, dass das zylinderförmige Gehäuse nur eine relativ geringe Oberfläche hat und in seiner Form nicht variabel ausgestaltet werden kann. Für die Erwärmung einer Flüssigkeit in einem größeren Behälter, bei der auch eine größere Wärmeübertragungsfläche von der Heizeinheit auf die Flüssigkeit erforderlich ist, ist diese Ausgestaltung daher eher ungeeignet. Dies ist umso mehr der Fall, wenn als Gehäuse kein Metallgehäuse, sondern ein günstigeres, flexibel herstellbares, aber schlechter wärmeleitendes Kunststoffgehäuse verwendet werden soll. Heizeinheiten mit einem Gehäuse aus Kunststoff sind aber vor allem vorteilhaft für den Einsatz zur Beheizung von korrosiven Flüssigkeiten in Kraftfahrzeugen, wie dies zum Beispiel bei einem Reduktionsmitteltank von SCR-Systemen der Fall ist.
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Aufgabe ist daher eine Heizeinheit zu entwickeln, die durch ein Kunststoffgehäuse vor einer korrosiven Flüssigkeit geschützt ist und dabei eine möglichst große Wärmeaustauschfläche aufweist, aber trotzdem ein möglichst kleines Volumen beansprucht. Im Falle einer Tankheizung für ein Reduktionsmittelsystem soll die Tankheizung dabei schnellstmöglich in einem größeren Bereich unter Einbeziehung des Bereiches der Ansaugöffnung gefrorenes Reduktionsmittel auftauen können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Heizeinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der folgenden Beschreibung.
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Eine erfindungsgemäße Heizeinheit hat ein mehrteiliges Kunststoffgehäuse, in dem zwei Wärmeleitbleche angeordnet sind, die jeweils einen Basisabschnitt und wenigstens einen an den Basisabschnitt abgrenzenden Schenkel aufweisen. Die Basisabschnitte der beiden Wärmleitbleche sind zusammen mit wenigstens einem zwischen ihnen liegenden PTC-Heizelement in einem Heizraum des Kunststoffgehäuses angeordnet. Jeweils zwei Schenkel der Wärmeleitbleche sind zusammen mit einem zwischen ihnen liegenden Isolierelement in einer Gehäusetasche angeordnet, die an den Heizraum angrenzt. Das Kunststoffgehäuse kann eine oder mehrere Gehäusetaschen haben. Vorteilhaft kann dabei ein erstes Gehäuseteil die Taschen und einen Boden des Heizraums bilden. Ein zweites Gehäuseteil kann dann als Deckel den Heizraum und die Taschen verschließen. Sowohl das erste als auch das zweite Gehäuseteil können jeweils aus mehreren Teilen zusammengefügt sein, sind aber bevorzugt jeweils einstückig, so dass da Gehäuse bevorzugt ein zweiteiliges Gehäuse ist.
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Um eine gute Wärmeübertragung von den Wärmeleitblechen über die Taschenseitenwände auf die angrenzende, zu beheizende Flüssigkeit zu gewährleisten, können gegenüberliegende Seitenwände der Tasche gegen die Schenkel der Wärmleitbleche drücken. Ein aus den Schenkeln und dem dazwischenliegenden Isolierelement gebildeter Stapel ist also in der Tasche eingeklemmt. Beispielsweise können die Flächenaußenseiten der Wärmeleitbleche elastisch gegen die jeweils gegenüberliegende Innenseite der Taschenseitenwände vorgespannt sein. Bevorzugt werden die Taschen durch das Einschieben der Schenkel der Wärmeleitbleche mit dem dazwischenliegenden Isolierelement aufgeweitet, also elastisch gedehnt. Dazu kann man eine oder beide Seitenwände, die den Schenkeln flächig zugewandt sind, mit einer nach innen gerichteten Wölbung versehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass sich der Innenraum der Tasche zu ihrem von dem Heizraum abgewandten Ende hin verjüngt, vorzugsweise keilförmig verjüngt und sich so der Anpressdruck beim Einschieben vergrößert.
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Bei einer alternativen Ausführung ist das Isolierelement aus einem elastisch komprimierbaren Material hergestellt. Durch ein im entspannten Zustand vorhandenes Übermaß von Wärmeleitblechen und Isolierelement sind die Wärmeleitbleche im verbauten komprimierten Zustand des Isolierelementes gegen die Tascheninnenseiten gepresst.
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Möglich ist auch, dass die Wärmeleitbleche selbst die elastische Vorspannung gegeneinander erzeugen. Durch geeignete Formgebung der Wärmeleitbleche erzeugt das Verspannen, z.B. Verschrauben, der Wärmeleitbleche mit dem oder den PTC-Heizelementen dann im Bereich der Taschen ein Aufspreizen der Schenkel der Wärmeleitbleche gegeneinander und damit ein Andrücken der Wärmeübertragungselemente gegen die Tascheninnenseiten.
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Bevorzugt dienen die beiden Wärmeleitungsbleche auch zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen PTC-Heizelements, beispielsweise indem jeweils ein Anschlussstift eines elektrischen Steckverbinders an einem der beiden Wärmeleitungsbleche angebracht ist.
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Sind mehrere Heizelemente vorhanden, so können die Heizelemente auch mit getrennten Wärmeleitblechen verbunden sein. Dadurch können einzelne Bereiche einer Heizeinheit getrennt voneinander unterschiedlich stark erwärmt werden, beispielsweise verschiedene Taschen des Kunststoffgehäuses.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das mindestens eine Heizelement als keramisches PTC-Heizelement ausgeführt, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Keramische PTC-Heizelemente sind aufgrund ihrer Widerstands-Temperatur-Carakteristik als eigensichere Heizelemente zu bezeichnen. Andererseits kann dadurch aber eine hohe Heizleistung nur dann gewährleistet werden, wenn für eine gute Wärmeabfuhr gesorgt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden Wärmeleitbleche in unmittelbarer Nähe des dazwischen angeordneten PTC-Heizelementes mit Hilfe einer Schraubverbindung miteinander verspannt. Andere verspannende Verbindungen wie beispielsweise eine Nietverbindung sind aber ebenso möglich. Bevorzugt ist das PTC-Heizelement ringförmig ausgestaltet, was eine zentrale Spannverbindung ermöglicht.
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Ein dabei durch das PTC-Heizelement hindurchragendes Verbindungselement, wie eine Schraube oder ein Niet, ist bevorzugt durch eine Isolierhülse von mindestens einem der beiden Wärmeleitbleche elektrisch isoliert. Das Verbindungselement kann ein zusätzliches Federelement aufweisen, so dass die beiden Wärmeleitbleche noch zuverlässiger gegen das oder die PTC-Heizelemente angepresst wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Wärmeleitbleche weiterhin im Wesentlichen U-förmig mit zwei Schenkeln und einem verbindenden Basisabschnitt ausgeführt, wobei jeweils ein Schenkel der Wärmeleitbleche in einer Kunststofftasche aufgenommen und mindestens ein Heizelement an der Basis zwischen den beiden Wärmeleitblechen angeordnet, insbesondere verspannt, ist. Alternative Ausgestaltungen wie etwa eine doppelt-U-förmige, eine H-förmige, oder auch kreisförmig angeordnete Taschen sind aber ebenso möglich.
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Vorteilhaft ist so eine große Wärmeaustauschfläche bei einer einfach zu konstruierenden Form gegeben. Während nämlich die Wärmeleitbleche innerhalb der Taschen durch die elastische Vorspannung gegen die Tascheninnenseiten gepresst sind, ist im Bereich außerhalb der Taschen durch das Verspannen des Heizelementes zwischen den Basisabschnitten der Wärmeleitbleche ein guter Wärmeübergang von dem oder den Heizelementen auf die Wärmeleitbleche gegeben.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beiden Wärmeleitbleche jeweils einen elektrischen Anschlussstift tragen, wobei die elektrischen Anschlussstifte jeweils an einem Befestigungsbereich eines der beiden Wärmeleitbleche befestigt sind, der einer Aussparung des jeweils anderen Wärmeleitblechs gegenüberliegt und als eine zu dieser Aussparung hin eingedrückte Vertiefung ausgebildet ist, sodass die beiden Befestigungsbereiche der Wärmeleitbleche im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete sind, und die beiden Anschlussstifte gleiche Länge haben. Auf diese Weise lässt sich der elektrische Anschluss vereinfachen. Die Anschlussstifte können an den Schenkeln angebracht sein, sind aber bevorzugt an den Basisabschnitten der Wärmeleitbleche vorgesehen, insbesondere an einem Teil der Basisabschnitte, zwischen denen keine PTC-Heizelemente angeordnet sind.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Heizeinheit mit Ausnahme des Bereiches der elektrischen Anschlussleitungen vollständig von einem Kunststoffgehäuse umschlossen. Dabei ist das Kunststoffgehäuse mehrteilig, bevorzugt zweiteilig ausgeführt, wobei die Gehäuseteile dicht gefügt, insbesondere verschweißt sind. Damit sind das Heizelement oder die Heizelemente gut geschützt vor korrosiven Flüssigkeiten im Inneren des Kunststoffgehäuses angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführung ist das Kunststoffgehäuse wiederum mit einem Behälter, beispielsweise einem Reduktionsmitteltank dicht gefügt, insbesondere verschweißt. Besonders vorteilhaft verschließt das Kunststoffgehäuse dadurch dicht eine Öffnung im Behälter, wobei die Anschlussleitungen der im Kunststoffgehäuse angeordneten Heizeinheit durch die Öffnung auf die Tankaußenseite ragen.
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Bevorzugt umfasst die Öffnung lediglich den unmittelbaren Bereich der elektrischen Anschlüsse. Dadurch kann fast der gesamte Außenbereich des Kunststoffgehäuses in wärmeleitender Verbindung zum erhitzenden Fluid stehen und eine größtmögliche Wärmetauschfläche bilden. Dazu sind vorteilhaft nicht nur die Tascheninnenseiten vor dem Einbringen des Heizpaketes zumindest bereichsweise mit Untermaß hergestellt, sondern auch gegenüberliegende Innenseiten des Kunststoffgehäuses im Bereich der Basis.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen und deren Beschreibung, in denen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Heizeinheit dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer Heizeinheit;
- 2 einen Schnitt im Bereich eines Heizelementes durch die Heizeinheit;
- 3 eine Detailansicht der Wärmeleitbleche der Heizeinheit im Bereich der elektrischen Anschlüsse;
- 4 eine alternative Ausgestaltung der Heizeinheit mit elastisch vorspannbaren Wärmeleiblechen; und
- 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Heizeinheit in einem Behälter.
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Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizeinheit 1 in einer perspektivischen Gesamtansicht. Gezeigt ist das zweiteilige Kunststoffgehäuse 2, 3 mit den beiden herausragenden Anschlussstiften 4a, 4b als elektrische Anschlussleitungen der im Inneren angeordneten keramischen PTC Heizelemente. Das Gehäuseunterteil 2 weist eine Grundplatte 2c und zwei im Wesentlichen senkrecht dazu angeordnete Taschen 2a, 2b auf. Am Gehäuseoberteil 3 ist eine Ringwulst 3a mit den Durchtrittsöffnungen für die Anschlussstifte 4a und 4b angeformt. Weiterhin ist eine Befestigungslasche 3b mit einem Durchbruch 3c für ein Befestigungselement wie eine Schraube oder Niet zum Zwecke der Befestigung der Heizeinheit 1 an einem Gehäuse oder Behälter vorhanden. Weiterhin können die beiden Gehäuseteile 2, 3 eine deckungsgleiche Öffnung 2d, 3d aufweisen, beispielsweise für den Fall, dass die Heizeinheit 1 zur Beheizung eines Reduktionsmitteltanks dient und dann dort eine Ansaugleitung (nicht gezeigt) vorzugsweise zusammen mit einer Filtereinheit angeordnet wird. Vorteilhaft kann so dann auch der Bereich der Ansaugleitung mitbeheizt werden.
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Wie 2 als Schnittansicht durch die Heizeinheit 1 zeigt, sind im Inneren zwei Wärmeleitbleche 5, 6 angeordnet. Sie haben im Wesentlichen eine U-förmige Ausgestaltung mit zwei Schenkeln 5a, 5b bzw. 6a, 6b und einem verbindenden Basisabschnitt 5c bzw. 6c. Sie liegen sich mit ihren Flächeninnenseiten 5d, 6d gegenüber. Zwischen den Schenkeln 5a, 6a bzw. 5b, 6b ist ein Isolierelement 7 und zwischen den Basisabschnitten 5c, 6c wenigstens ein PTC-Heizelement 8 angeordnet.
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Die Taschen 2a, 2b des Kunststoffgehäuses werden beim Einschieben der Schenkel 5a, 6a bzw. 5b, 6b geweitet, so dass den Schenkeln flächig zugewandten Seitenwände 2e der Taschen 2a, 2b klemmend gegen die Schenkel 5a, 6a bzw. 5b, 6b drücken. Dazu können die Taschen 2a, 2b zu ihren freien Enden hin im Inneren verjüngt ausgeführt sein, d.h. der Abstand der inneren Seitenwände 2e verkleinert sich in dieser Richtung. Eine andere Möglichkeit ist eine nach innen gerichtete Ausbauchung einer oder beider Seitenwände 2e der Taschen 2a, 2b oder ein Übermaß eines aus den Schenkeln 5a, 6a, bzw. 5b, 6b und dem Isolierelement 7 gebildeten Pakets im Vergleich zu dem Abstand der der den Schenkeln 5a, 6a, bzw. 5b, 6b zugewandten Seitenwände 2e der Taschen 2a, 2b.
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Die beiden Gehäusehälften 2, 3 sind durch eine umlaufende Verbindungslinie 2f, 3f rundum dicht miteinander verbunden, bevorzugt verschweißt.
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Erwärmt werden die beiden Wärmeleitbleche 5, 6 in dieser beispielhaften Ausführung durch ein oder mehrere PTC-Heizelemente 8, die zwischen den Basisabschnitten 5c, 6c außerhalb der Taschen 2a, 2b angeordnet sind. Die Wärmeleitbleche 5, 6 bilden für alle PTC-Heizelemente 8 die beiden elektrischen Anschlussseiten. Die PTC-Heizelemente 8 können ringförmig angeordnet sein oder eine Ringform haben. Die PTC-Heizelemente sind zwischen den Wärmeleitblechen 5, 6 mit Hilfe einer Schraub-Mutter-Verbindung 9, die durch korrespondierende Durchbrüche der Wärmeleitbleche 5, 6 hindurchragt, eingespannt. Wenn ein ringförmiges PTC-Heizelement 8 vorhanden ist, kann die Schraube durch die Öffnung des PTC-Heizelements hindurchragen. Die Schraube 9 ist durch eine Isolierhülse 10 von dem Wärmeleitblech 6 elektrisch isoliert. Zusätzlich kann ein Federelement im Verbindungsbereich den Anpressdruck noch erhöhen.
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3 zeigt einen Schnitt durch die Basis der gehäuselosen Heizeinheit im Bereich der elektrischen Anschlussstifte 4a, 4b. Beide Wärmeleitbleche 5, 6 sind in einem begrenzten Bereich um ihren jeweiligen Anschlussstift 4a, 4b zum jeweils anderen Wärmeleitblech hin eingedrückt und in einem weiteren begrenzten Bereich um den Anschluss des jeweils anderen Wärmeleitblechs ausgeschnitten. Das zwischenliegende Isolierelement 7 ist ebenfalls im Bereich der Anschlüsse ausgeschnitten. Dadurch können vorteilhaft beide Anschlussstifte 4a, 4b auf der gleichen Ebene an den Wärmeleitblechen 5, 6 befestigt werden, bevorzugt durch Vernieten.
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4 zeigt grob schematisch eine andere Ausgestaltungsvariante, bei der die Wärmeleitbleche 5, 6 nicht durch ein Untermaß der Taschenseitenwände, sondern durch die elastische Ausgestaltung der Wärmeleitbleche 5, 6 selbst gegen die Taschenseitenwände drücken. Bei der dargestellten Variante dieses Prinzips ist der Abstand der beiden Wärmeleitblechen 5, 6 im Bereich des oder der PTC-Heizelemente 8 im entspannten Zustand deutlich größer als im eingebauten Zustand. Nach dem Verspannen der Heizelemente 8 ist der Abstand der Flächenaußenseiten 5e, 6e der Wärmeleitbleche 5, 6 im Bereich der Taschen gegenüber dem entspannten Zustand vergrößert. Ist dieser Abstand größer als der Abstand der Taschenseitenwände, sind die Wärmeleitbleche 5, 6 im verbauten Zustand elastisch gegen die Taschenseitenwände 2e vorgespannt.
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Weitere Varianten der erfindungsgemäßen Heizeinheit sind ebenfalls denkbar.
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In 5 ist grob schematisch eine Heizeinheit 1 eingebaut in einem Behälter 11 gezeigt. Bezeichnet sind nur die Teile, die zur Darstellung der abgedichteten Anordnung der Heizeinheit 1 im Behälter 11 wesentlich sind. Der weitere Aufbau der Heizeinheit 1 ist den vorangehenden Zeichnungen und der Beschreibung zu entnehmen. Durch die dichte Verbindung 2f, insbesondere eine Schweißverbindung, ist das Gehäuse bis auf den Anschlussbereich gegen das zu erwärmende Fluid abgedichtet. Im Anschlussbereich ist der äußere Rand 3b des Ringwulstes 3a mit einem korrespondierenden Ringabsatz 11a des Behälters ebenfalls dicht verbunden, bevorzugt verschweißt. Innerhalb des Ringabsatzes sind die Anschlüsse 4a, 4b dadurch abgedichtet von dem Fluid aus dem Behälter 11 herausgeführt.
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Ebenfalls deutlich erkennbar ist die große Wärmeaustauschfläche der Heizeinheit in dem Behälter. Da zumindest im Bereich der Taschen die Wärmeleitbleche unter Vorspannung an den Taschenseitenwänden anliegen, ist hier eine besonders hohe Wärmeübertragung gegeben. Aber auch im Basisbereich liegen die Wärmeleitbleche 5, 6 an den Gehäuseinnenwänden an und übertragen so Wärme nach beiden Seiten an das angrenzende Fluid. Durch die Anordnung des oder der PTC-Heizelemente lediglich im unteren, dem Behälterboden benachbart angeordneten Basisbereich ist der sichere Betrieb mit hoher Wärmeleistung auch bei niedrigem Flüssigkeitsstand gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizeinheit
- 2
- Kunststoffgehäuseunterteil
- 2a
- Tasche
- 2b
- Tasche
- 2c
- Grundplatte
- 2d
- Öffnung
- 2e
- Seitenwand
- 2f
- Verbindung
- 3
- Kunststoffgehäuseoberteil
- 3a
- Ringwulst
- 3b
- Befestigungslasche
- 3c
- Durchbruch
- 3d
- Öffnung
- 4a
- Anschlussstift
- 4b
- Anschlussstift
- 5
- Wärmeleitblech
- 5a
- Schenkel
- 5b
- Schenkel
- 5c
- Basisabschnitt
- 5d
- Flächeninnenseite
- 6
- Wärmeleitblech
- 6a
- Schenkel
- 6b
- Schenkel
- 6c
- Basisabschnitt
- 6d
- Flächeninnenseite
- 7
- Isolierelement
- 8
- PTC-Heizelement
- 9
- Schraube
- 10
- Isolierhülse
- 11
- Behälter
- 11a
- Ringabsatz
