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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1.
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Eine solche elektrische Heizvorrichtung ist beispielsweise aus
EP 1 872 986 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik wird ein PTC-Heizelement umfassend zumindest ein PTC-Element und beidseitig daran anliegende Kontaktelemente, die außenseitig von einer Isolierung umgeben sind, in eine Heizrippe eingeführt, die aus Metall gebildet ist und innerhalb einer Zirkulationskammer freiliegt. Das PTC-Heizelement wird innerhalb der durch die Heizrippe gebildeten Tasche durch ein Keilelement verspannt, so dass die Lagen der wärmeerzeugenden Einheit bestehend aus dem PTC-Element und den beiden Kontaktblechen sowie den äußeren Isolierlagen unter Vorspannung gegeneinander anliegen und eine gute Wärmeübertragung zwischen der Einheit und den Innenflächen der Heizrippe gegeben ist.
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Denn bei einem PTC-Element hängt der Wirkungsgrad der wärmeerzeugenden Einheit ganz wesentlich von einer guten Wärmeableitung der von der Einheit erzeugten Wärme ab.
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Aus
WO 2016/180638 A1 ist eine elektrische Heizvorrichtung mit zumindest einem PTC-Element und beidseitig daran anliegenden Trägerplatten bekannt. Zumindest eine der Trägerplatte weist auf einer dem PTC-Element zugewandten Seite eine elektrisch isolierende Isolationsschicht auf, auf der eine elektrische Leiterbahn ausgebildet ist, die elektrisch leitend mit dem PTC-Element verbunden ist. Diese Trägerplatte trägt eine elektrisch mit der Leiterbahn verbundene Leistungs-Elektronik-Einheit, die Heizleistung zu dem jeweiligen PTC-Element steuert.
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Eine ebenfalls gattungsgemäße elektrische Heizvorrichtung ist aus
EP 3 101 364 A1 bekannt. Bei dieser elektrischen Heizvorrichtung liegt eine das PTC-Heizelement außenseitig abdeckende Isolierschicht innerhalb eines Rahmens frei, der durch das Gehäuse des PTC-Heizelements gebildet ist. So erfolgt die Auskopplung der von der wärmeerzeugenden Einheit erzeugten Wärme unmittelbar über die Oberfläche der Isolierschicht an das zu erwärmende Medium.
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Eine Weiterbildung hierzu wird mit
EP 3 334 242 A1 vorgeschlagen, die ein PTC-Heizelement offenbart, welches über eine Steckverbindung in einer Trennwand fluiddicht gehalten ist, die eine von dem zu erwärmenden Medium durchströmte Zirkulationskammer von einer die elektrischen Anschlüsse des PTC-Heizelements aufnehmenden Anschlusskammer trennt.
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Die zuvor diskutierten Lösungen lassen das Bemühen der Fachwelt erkennen, eine elektrische Heizvorrichtung mit einem guten Wirkungsgrad anzugeben. Gleichwohl besteht Raum für Verbesserungen.
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Die vorliegende Erfindung will eine den oben genannten Anforderungen in verbesserter Weise entsprechende elektrische Heizvorrichtung angeben.
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Zur Lösung wird mit der vorliegenden Erfindung eine elektrische Heizrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Diese elektrische Heizvorrichtung hat eine Zirkulationskammer, die von einem Gehäuse umschlossen ist. Das Gehäuse kann aus Metall oder Kunststoff gebildet sein. Die Zirkulationskammer ist mit Ein- und Auslassöffnungen für das zu erwärmende Medium versehen. Diese Öffnungen werden üblicherweise durch Anschlussstutzten für Schläuche oder Rohre ausgebildet. Die Öffnungen sind jedenfalls an der Außenseite des Gehäuses üblicherweise so vorgesehen, dass ein Schlauch jeweils für das zu erwärmende flüssige Medium an die Ein- und Auslassöffnungen angeschlossen werden kann. Die elektrische Heizvorrichtung hat in an sich bekannter Weise ein PTC-Element. Es versteht sich, dass üblicherweise mehrere PTC-Elemente als Teil der elektrischen Heizvorrichtung vorgesehen sind, um eine erhebliche Wärmeleistung von 1000 Watt oder mehr zu erreichen. Das PTC-Element ist gegenüber der Zirkulationskammer elektrisch isoliert. Dementsprechend kommt das zu erwärmende Medium nicht mit dem das PTC-Element bestromenden Leistungsstrom in Kontakt. So eignet sich die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung insbesondere für den Hochvoltbetrieb, speziell für den Betrieb in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen. Das Gehäuse bildet ferner eine Anschlusskammer aus, in welcher Anschlüsse zu dem PTC-Element, die vorgesehen sind, um das PTC-Element mit unterschiedlicher Polarität zu bestromen, angeschlossen werden können bzw. sind. Die Anschlusskammer und die Zirkulationskammer sind voneinander getrennt und gegeneinander abgedichtet. Dies kann in an sich bekannter Weise beispielsweise durch die zuvor bereits erwähnte und aus dem oben diskutierten Stand der Technik bekannte Trennwand erfolgen. Wichtig ist eine fluiddichte Trennung zwischen der Anschlusskammer und der Zirkulationskammer. Üblicherweise liegen lediglich die Anschlüsse, üblicherweise in Form von männlichen Kontaktzungen, in der Anschlusskammer frei. Die Anschüsse können einteilig durch Kontaktbleche ausgebildet sein, die als Leiterbahnen an gegenüberliegenden Seiten gegen das PTC-Element anliegen und dieses bestromen. Die Kontaktzungen bzw. die Anschlüsse können aber auch durch separate Elemente gebildet sein, die mit den Kontaktblechen elektrisch leitend verbunden sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein U-förmig umbogenes Flachrohr in der Zirkulationskammer vorgesehen, dessen einander gegenüberliegende Schenkel jeweils mit zumindest einem PTC-Element versehen sind. Das Flachrohr nimmt diese PTC-Elemente in sich auf und siegelt diese PTC-Elemente sowie die dazu führenden Leiterelemente so in sich auf, das das in der Zirkulationskammer befindliche Fluid nicht zu dem PTC-Element und den Leiterelementen gelangt.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung liegt zumindest ein in der Zirkulationskammer freiliegendes wärmeabgebendes Element an dem Flachrohr an. Das Wärmeabgebende Element bildet üblicherweise zumindest eine, regelmäßig mehrere Rippen aus, die in der Zirkulationskammer freiliegen und von dem zu erwärmenden Fluid umströmt sind. Das wärmeabgebende Element bewirkt eine erhebliche Vergrößerung der Oberfläche im Vergleich zu der Außenumfangsfläche des Flachrohres, die regelmäßig in der Zirkulationskammer ebenfalls freiliegt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird sichergestellt, dass das PTC-Element und die elektrisch daran anliegenden Leiterelemente durch das U-förmig umbogene Flachrohr zuverlässig gegenüber der Zirkulationskammer abgedichtet und darin aufgenommen sind. Das außenseitig an dem Flachrohr anliegende wärmeabgebende Element führt zu einem verbesserten Austrag der von dem PTC-Element erzeugten Wärme. Das Flachrohr ist vorzugsweise ein Rohr mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsfläche, wobei das Rohr üblicherweise Hauptseitenflächen aufweist, die gegen die Hauptseitenflächen des PTC-Elements unter Zwischenlage einer Isolierung anliegen. Die Hauptseitenflächen sind diejenigen Flächen, beispielsweise des PTC-Elements, die einander gegenüberliegen und die größte Oberfläche des PTC-Elementes ausbilden. Die beiden Hauptseitenflächen eines PTC-Elements werden durch wesentlich kleinere Stirnseitenflächen miteinander verbunden. Die kleineren Stirnseitenflächen sollten außen konvex gekrümmt sein, bevorzugt im Schnitt halbreisförmig ausgeformt sein. Im Falle eines runden oder ovalen PTC-Elements sind diese Stirnseitenflächen durch die Umfangsfläche gebildet. Üblicherweise handelt es sich bei dem PTC-Elementjedoch um einen Quader, so dass das PTC-Element vier Stirnseitenflächen hat.
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Als U-förmig umbogenes Rohr wird üblicherweise ein metallisches Rohr verwendet, wenngleich es auch möglich ist, ein keramisches Rohr oder ein Rohr aus Kunststoff zum Einsatz zu bringen. Im Falle eines metallischen Rohres befindet sich zwischen der Innenumfangsfläche des Rohres und dem PTC-Element bzw. des jeweils dem PTC-Element zugeordneten Leiterelements eine Isolierlage. Die Isolierlage wird beispielsweise aus einer keramischen Platte, beispielsweise einer Aluminiumoxidplatte gebildet. Hierdurch wird ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Lagen der wärmeerzeugenden Einheit bzw. Zelle bestehend aus dem PTC-Element und den beiden Leiterelementen und der Innenumfangsfläche des U-förmig umgebenen Rohres geschaffen.
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Das U-förmig umbogene Rohr hat üblicherweise zwei parallel zueinander liegende Schenkel, die regelmäßig jeweils für sich mit zumindest einem PTC-Element bestückt sind und eine die beiden Schenkel miteinander verbindende Basis. Dies Basis liegt nahe des Bodens der Zirkulationskammer oder berührt diese vorzugsweise. Die Basis kann gekrümmt gebogen sein. Durch elastische Verformung der Basis bei Anlage gegen den Boden der Zirkulationskammer kann die Basis eine elastische Vorspannkraft mit ausüben, durch welche das U-förmig umbogene Rohr im Bereich einer Trennwand abgedichtet ist bzw. in eine Dichtung gedrängt oder in dieser gehalten wird. So kann die Vorspannung elastische Dichtungselemente verpressen, um eine gute Dichtigkeit zwischen der Außenumfangsfläche und/oder der Stirnseite in einem Endbereich des Flachrohres zu bewirken.
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Das oder die wärmeabgebenden Elemente können mit der Außenumfangsfläche des Flachrohres verlötet oder anderweitig stoffschlüssig verbunden sein. Zu bevorzugen ist indes eine Ausgestaltung, bei welcher das wärmeabgebende Element unter Vorspannung gegen die Außenumfangsfläche des Flachrohres angelegt ist. Das wärmeabgebende Element liegt bei dieser Weiterbildung üblicherweise so gegen zumindest einen Schenkel des Flachrohres an, dass das Flachrohr unter Vorspannung gegen das PTC-Element angelegt ist. Dementsprechend bewirkt das wärmeabgebende Element durch vorgespannte Anlage gegen die Außenseite des Flachrohres auch eine Verspannung des PTC-Elementes gegen die Innenumfangsfläche des Flachrohres. Dadurch ist eine gute Wärmeauskopplung an die Außenfläche des Flachrohres gegeben. Sofern zwischen der Innenumfangsfläche des Flachrohres und dem PTC-Element darüber hinaus ein Kontaktblech bzw. eine Isolierlage vorgesehen ist, erfolgt unter Vermittlung des Drucks durch die Isolierlage auch eine solide elektrische Kontaktierung zwischen dem Kontaktblech und dem PTC-Element. So ermöglicht die Anlage des wärmeabgebenden Elements unter Vorspannung sowohl eine gute elektrische Kontaktierung innerhalb des Flachrohres als auch eine verbesserte Wärmeableitung nach außen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das wärmeabgebende Element ein einheitliches, gegen beide Schenkel des Flachrohres unter Vorspannung angelegtes Federelement. Dieses wärmeabgebende Element wird üblicherweise gegen die äußeren Hauptseitenflächen des U-förmigen Rohres angelegt. Das wärmeabgebende Element kann das U-förmig umbogene Flachrohr vollumfänglich umgeben. Dementsprechend kann das U-förmig umbogene Flachrohr innerhalb des wärmeabgebenden Elements vorgesehen sein.
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Vorzugsweise stützt sich das wärmeabgebende Element zur Erzeugung der Vorspannung zwischen der Außenfläche eines Schenkels des U-förmig umbogenen Flachrohres und der diesem Schenkel zugeordneten Innenwand des Gehäuses ab. Das wärmeabgebende Element ist dabei üblicherweise zwischen diesen beiden Anlageflächen unter Vorspannung geklemmt. Die auf das U-förmig umbogene Rohr wirkende Vorspannkraft wird danach üblicherweise durch einander gegenüberliegende Seitenwände des die Zirkulationskammer ausbildenden Gehäuses widergelagert und gehalten. Dadurch lässt sich eine relativ hohe elastische Vorspannkraft auf das U-förmig umbogene Flachrohr aufbringen.
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Mit Blick auf eine solide Übertragung bei gleichzeitig guter Wärmeübertragung zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Flachrohres wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, zwischen diesen beiden Schenkeln ein die Schenkel beabstandendes wärmeabgebendes Abstandselement anzuordnen. Dieses Abstandselement liegt üblicherweise an den sich gegenüberliegenden Hauptseitenflächen des Flachrohres an. Das Abstandselement kann für sich durch Verspannen von außen elastisch vorgespannt sein. Dementsprechend bewirkt das Abstandselement eine elastische Gegenkraft zu der von außen gegen das Flachrohr wirkenden Vorspannkraft. Das Abstandselement zwischen den beiden Schenkeln des Flachrohres kann aber auch als im Wesentlichen steifes Element vorgesehen sein, welches bei der üblichen Beaufschlagung durch die von außen wirkende Vorspannkraft kaum oder nur geringfügig nachgibt. Dadurch können die von außen gegen das U-förmige Flachrohr wirkenden Federkräfte exakt dimensioniert und die Federkraft ohne Setzbeträge bzw. innere Ausgleichsbewegungen eingestellt werden. Darüber hinaus kann das Flachrohr zusammen mit dem Abstandselement als starre Einheit angesehen werden, welche sich nicht nach innen verformt. Dementsprechend sind die Abstände der freien Enden des Flachrohres relativ genau vorgegeben, so dass diese fluchtend mit Öffnungen der Trennwand angeordnet und zuverlässig darin abgedichtet werden können.
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Das mittlere Abstandselement kann mit dem Flachrohr verklebt oder verlötet sein. Somit kann eine für sich zu handhabende beispielsweise auch transportfähige Einheit geschaffen werden, die bei der Montage der elektrischen Heizvorrichtung als Einheit gehandhabt und lediglich durch das bzw. die äußeren wärmeabgebenden Elemente unter Vorspannung gesetzt werden muss.
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In entsprechender Weise kann das Flachrohr auch mit dem oder den an der Außenseite anliegenden wärmeabgebenden Elementen verbunden beispielsweise verklebt oder verlötet sein. Bei dieser Ausgestaltung muss das wärmeabgebende Element nicht notwendigerweise unter Vorspannung gegen das U-förmig umbogene Flachrohr anliegen. Wegen fehlender äu-ßerer Vorspannkraft ist es vor allem hierbei, aber auch bei den anderen Ausgestaltungen der Erfindung zu bevorzugen, auch die Lagen des Schichtaufbaus innerhalb des Flachrohres miteinander zu verkleben. So ist die Einheit aus PTC-Element, daran anliegenden Leiterelementen und der Isolierung verklebt. Diese Einheit ist bevorzugt auch mit der Innenfläche des Flachrohres verklebt. Die Verklebung sollte mit einem gut wärmeleitfähigen Kleber erfolgen, beispielsweise einem Kleber, dem gut wärmeleitende Partikel, beispielsweise keramische Partikel zugeschlagen sind. Zwischen dem Leiterelement und dem PTC-Element kann indes ein anderer Kelber vorgesehen sein. So ist es möglich, das Leiterelement mit hohem Druck gegen das PTC-Element anzulegen und zu verkleben. In diesem Fall liegen die Rauigkeitsspitzen des PTC-Elementes bevorzugt an dem Leiterelement an. Statt Keramikpartikel können auch wärmeleitfähige Partikel in dem zwischen diesen Phasengrenzen vorgesehenen Kleber enthalten sein.
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Zur Positionierung des PTC-Elements und den daran anliegenden Leiterelementen wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ein Positionsrahmen vorgeschlagen, der das PTC-Element umfänglich umgibt und zumindest die Leiterelemente, gegebenenfalls auch die Isolierung fügt. Sämtliche Elemente können mit dem Positionsrahmen verbunden, beispielsweise verklebt und/oder formschlüssig damit verbunden sein.
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Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der einzigen Figur. Diese zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine elektrische Heizvorrichtung.
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Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel hat ein mehrteiliges Gehäuse, von dem in der Figur im Wesentlichen ein wannenförmiges Gehäuseunterteil
2 gezeigt ist. Diese Gehäuseunterteil
2 ist mit einer Trennwand
4 versehen, die eine von dem Gehäuseunterteil
2 umfänglich umgebene Zirkulationskammer
6 oberseitig abdeckt und die vorliegend nicht gezeigt ist aber beispielsweise gemäß
EP 1 872 986 A1 ausgebildet sein kann. Nicht gezeigte Anschlussstutzen für Fluidschläuche ermöglichen einen Zugang zu der Zirkulationskammer
6. In der Zirkulationskammer
6 ist ein U-förmig umbogenes Flachrohr
8 aufgenommen, dessen Basis
10 den Boden des Gehäuseunterteils
2 berührt, so dass einander gegenüberliegende Schenkel
12 des Flachrohres in Richtung einer Dichtungsaufnahme
14 gedrängt sind, die als Teil der Trennwand
4 ausgeformt ist. In der Dichtungsaufnahme
14 sind Labyrinthdichtungen
16 aufgenommen, die vorliegend an der Außenumfangsfläche des Flachrohres
8 dichtend anliegen.
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Das Flachrohr 8 ist durch die Dichtungsaufnahme 14 hindurchgeleitet. Die freien Enden des Flachrohres 8 sind bündig mit einer Siegelplatte 18, die mit der Dichtungsaufnahme 14 verbunden ist und durch Verkleben mit den freien Enden des Flachrohres 8 eine weitere Abdichtung zu der Zirkulationskammer 6 bewirkt. Diese Siegelplatte 18 kann beispielsweise durch eine Vergussmasse gebildet sein, die in eine dazu ausgebildete Aufnahme der Trennwand 4 eingefüllt wird, um die freien Enden des Flachrohres 8 einzusiegeln. Alternativ kann auch eine vorgefertigte Platte eingesetzt und mit der Trennwand 4 und/oder den freien Enden des Flachrohres 8 dichtend verklebt werden. Diese Siegelplatte 18 wird durch männliche Kontaktelemente 20 überragt, die in das Innere des Flachrohres 8 führen und als Kontaktzungen für die elektrische Steckkontaktierung dienen. Die Kontaktelemente 20 sind elektrische mit Leiterelementen 22, 24 verbunden, die an Hauptseitenflächen eines mit Bezugszeichen 26 gekennzeichneten PTC-Elements unmittelbar und damit elektrisch kontaktiert sind. Auf der Außenseite der Leiterelemente 22, 24 ist jeweils eine Isolierschicht 28 in Form von Aluminiumoxidplatten vorgesehen.
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Zwischen der Innenumfangsfläche des Gehäuseunterteils 2 und den äußeren Flächen des Flachrohres 8 befindet sich ein außenliegendes wärmeabgebendes Element 30, welches das Flachrohr 8 umfänglich umgibt und sich elastisch einerseits an der Innenwand des Gehäuseunterteils 2 und andererseits an der Außenfläche des Flachrohres 8 elastisch abstützt. Zwischen den Schenkeln 12 des Flachrohres 8 befindet sich ein wärmeabgebendes Abstandselement 32, welches aus einem im Grunde inkompressiblen Blech gebildet ist. Die Elemente 30, 32 sind durch ein mäandrierend gebogenes Blechmaterial gebildet. Dabei erfolgt die Formgebung und Auswahl des Materials für das Abstandselement 32 so, dass dieses relativ unnachgiebig und starr ist, wohingegen das wärmeabgebende Element 30 durch Formgebung bzw. Auswahl des Materials auch elastische Eigenschaften hat, so dass das Flachrohr 8 von außen durch das wärmeabgebende Element 30 unter Vorspannung sowohl gegen das äußere wärmeabgebende Element 30 als auch gegen das innere wärmeabgebende Abstandselement anliegt.
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Die Figur zeigt nicht vollständig die Anschlusskammer, die auf der der Zirkulationskammer
6 gegenüberliegenden Seite vorgesehen und vorliegend mit Bezugszeichen
34 angedeutet ist. Die Anschlusskammer kann wie in
EP 1 872 986 A1 bzw.
EP 3 101 364 A1 beschrieben ausgebildet sein. Die Anschlusskammer
34 kann dabei lediglich verschiedene neben bzw. hintereinander in der Zirkulationskammer
6 vorgesehene Flachrohre
8 elektrisch anschließen und zu Schaltkreisen gruppieren und/oder eine Steuerung für den Leistungsstrom aufweisen.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind in Sichtrichtung gemäß der Figur zu jedem PTC-Element 26 jeweils zwei Kontaktelemente 20 vorgesehen, so dass diese jeweils für sich angeschlossen sind. Mit Bezugszeichen 36 ist ein Positionsrahmen gekennzeichnet, der zumindest eine Rahmenaufnahme ausbildet, in welcher das PTC-Element 26 aufgenommen ist und gegen welchen die Isolierschicht 28 außenseitig angelegt ist. Ersichtlich bildet der Positionsrahmen 36 einen Stopfen 38 aus, der endseitig auf das freie Ende des Flachrohres 8 aufgesetzt ist und der dieses freie Ende des Flachrohres 8 abdichtet.
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Jeder Positionsrahmen 36 hält jeweils zwei Kontaktelemente 20, so dass diese beabstandet zu den Innenumfangsflächen des Flachrohres 8 in der Anschlusskammer 34 freiliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gehäuseunterteil
- 4
- Trennwand
- 6
- Zirkulationskammer
- 8
- Flachrohr
- 10
- Boden
- 12
- Schenkel
- 14
- Dichtungsaufnahme
- 16
- Labyrinthdichtung
- 18
- Siegelplatte
- 20
- Kontaktelement
- 22
- Leiterelement
- 24
- Leiterelement
- 26
- PTC-Element
- 28
- Isolierschicht
- 30
- wärmeabgebendes Element
- 32
- Abstandselement
- 34
- Anschlusskammer
- 36
- Positionsrahmen
- 38
- Stopfen
