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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Erhitzen eines in einem Fahrzeugtank gespeicherten Mediums. Das Medium kann beispielsweise ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, sein.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei Fahrzeugen mit Dieselantrieb zum Teil zur Erfüllung der Umweltauflagen Harnstoff bzw. eine wässrige Harnstofflösung bei einem Abgasnachbehandlungssystem verwendet wird. Ferner ist bekannt, dass zur Steigerung der Effizienz bei Fahrzeugen mit Benzinantrieb Wasser in einen Brennraum eingespritzt wird. Diese Medien werden jeweils in einem Tank gespeichert. Um sicherzustellen, dass die Medien auch bei Temperaturen unter ihrem jeweiligen Gefrierpunkt benutzt werden können, kann im jeweiligen Tank eine Heizungsvorrichtung angeordnet sein, die eingerichtet ist, die Medien flüssig zu halten bzw. aufzutauen, wenn sie bereits gefroren sind. Die derzeit verwendeten Heizungsvorrichtungen weisen einen Wärmeleitkörper aus Aluminium auf, der rundum mit Kunststoff umspritzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung zum Erhitzen eines in einem Fahrzeugtank gespeicherten Mediums weist den Vorteil auf, dass die Heizvorrichtung mit niedrigem Kosten- und Aufbauaufwand hergestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei der vorgeschlagenen Heizvorrichtung nur die stromführenden Elemente umspritzt sind. Insbesondere umfasst die vorgeschlagene Heizvorrichtung zum Erhitzen eines in einem Fahrzeugtank gespeicherten Mediums mindestens ein elektrisch beheizbares Heizelement zum Erzeugen von Wärme, einen Wärmeleitkörper zum Verteilen der erzeugten Wärme sowie ein potentialseitiges Stromelement und ein masseseitiges Stromelement zum elektrischen Kontaktieren des Heizelementes. Dabei weisen nur das mindestens eine Heizelement, das potentialseitige Stromelement und das masseseitige Stromelement eine Umspritzung auf. Mit anderen Worten sind nur das mindestens eine Heizelement, das potentialseitige Stromelement und das masseseitige Stromelement umspritzt, wobei der Wärmeleitkörper keine Umspritzung aufweist. Darüber hinaus wird weniger Material für die Umspritzung benötigt, da die stromführenden Komponenten im Vergleich zum Wärmeleitkörper kompakter sind. Außerdem kann der Wärmeleitkörper als Druckgussprofil oder Strangpressprofil ausgeführt werden, wodurch sich komplexe Geometrien des Wärmeleitkörpers auf einfache Weise realisieren lassen. Da der Wärmeleitkörper keine Umspritzung aufweist, kann der Wärmeleitkörper insbesondere hinsichtlich seiner Abmessungen und Geometrie an die Bauraumgegebenheiten angepasst werden. Zudem kann durch das Entfallen einer Umspritzung des Wärmeleitkörpers, der insbesondere aus einem Metall und großflächig ausgebildet ist, auf eine aufwendige Auslegung der Umspritzung verzichtet werden, die anderenfalls notwendig wäre, um Rissbildungen im Material der Umspritzung durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von dem Wärmeleitkörper und der Umspritzung bei schwankenden Temperatur zu vermeiden. Somit können elektrische Kurzschlüsse sowie eine Korrosion der stromführenden Komponenten der Heizvorrichtung wegen eines Eindringens des Mediums in die Heizvorrichtung durch Risse in der Umspritzung des Wärmeleitkörpers vermieden werden. Im Rahmen der Erfindung wird der Wärmeleitkörper auch als Wärmeverteilkörper bezeichnet. Das potentialseitige Stromelement kann insbesondere als ein positives Stromelement und das masseseitige Stromelement als ein negatives Stromelement bezeichnet werden. Die Umspritzung dient vorteilhafterweise zur elektrischen Isolierung der stromführenden Komponenten der Heizvorrichtung. Besonders bevorzugt ist für die Umspritzung eine Kunststoffumspritzung, insbesondere aus HDPE, geeignet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Stromelemente sind insbesondere als Stromschienen ausgebildet. Die Stromelemente sind aus einem Metall, beispielsweise Edelstahl, Aluminium oder Kupfer, gebildet.
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Ferner ist das elektrisch beheizbare Heizelement plattenförmig ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist das elektrisch beheizbare Heizelement ein PTC-Element bzw. ein PTC-Widerstand. Das PTC-Element ist ein temperaturabhängiger Widerstand und kann sich selbst abregeln, so dass die für die Umspritzung maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Es ist aber auch möglich, andere elektrisch beheizbare Heizelemente, d.h. Heizelemente, die mit elektrischer Energie versorgbar sind und Wärme erzeugen können, zu verwenden.
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In vorteilhafter Weise weisen das mindestens eine Heizelement, das potentialseitige Stromelement und das masseseitige Stromelement eine gemeinsame Umspritzung auf. Mit anderen Worten ist die Anordnung aus dem mindestens einen Heizelement, dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement als eine Einheit umspritzt.
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In vorteilhafter Weise ist das mindestens eine Heizelement zwischen dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement angeordnet.
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Dabei steht das mindestens eine Heizelement in vorteilhafter Weise im Kontakt, insbesondere im vollflächigen Kontakt, mit dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement.
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Bevorzugt weist der Wärmeleitkörper eine Ausnehmung auf, in der die umspritzte Anordnung aus dem mindestens einen Heizelement, dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement formschlüssig angeordnet ist. Somit unterliegt das mindestens eine Heizelement einer kontinuierlichen Anpresskraft. Dies sorgt für eine thermische Anbindung des Heizelementes bzw. der Anordnung aus dem mindestens einen Heizelement, dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement an den Wärmeleitkörper.
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Besonders bevorzugt weist die umspritzte Anordnung aus dem mindestens einen Heizelement, dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement eine sich, insbesondere keilartig, verjüngende Form auf. Insbesondere kann dabei die Umspritzung eine sich, insbesondere keilartig, verjüngende/verbündende Form aufweisen. Dabei kann ferner insbesondere das mindestens eine Heizelement eine sich, insbesondere keilartig, verjüngende Form aufweisen, wobei die Stromelemente plattenförmig oder quaderförmig ausgebildet sein können. Es ist aber auch möglich, dass das mindestens eine Heizelement plattenförmig oder quaderförmig ausgebildet ist.
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Entsprechend weist die Ausnehmung des Wärmeleitkörpers besonders bevorzugt eine sich keilartig verjüngende Form auf.
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Im Rahmen der Erfindung kann die sich keilartig verjüngende Form insbesondere als konische Form verstanden werden.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Heizvorrichtung ein Außenfederelement umfasst, welches den Wärmeleitkörper und die umspritzte Anordnung aus dem mindestens einen Heizelement, dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement gegeneinander oder aneinanderdrückt. Somit kann die Anpresskraft, der das mindestens eine Heizelement unterliegt, bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Wärmeleitkörpers und der stromführenden Komponenten konstant gehalten werden.
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Das Außenfederelement kann vorzugsweise eine Federklammer sein. Die Federklammer greift von außen an den Wärmeleitkörper und die Anordnung aus dem mindestens einen Heizelement, dem potentialseitigen Stromelement und dem masseseitigen Stromelement und drückt diese gegeneinander oder aneinander.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das potentialseitige Stromelement eine zusätzliche Umspritzung auf. Diese Umspritzung kann im Rahmen der Erfindung auch als Vorumspritzung bezeichnet werden. Dabei kann die Heizvorrichtung vorzugsweise ein Innenfederelement umfassen, welches eingerichtet ist, das potentialseitige Stromelement, das massenseitige Stromelement und das mindestens eine Heizelement aneinander zu drücken. Das Innenfederelement ist vorzugsweise in der Umspritzung der Anordnung eingebettet. Durch das Innenfederelement kann eine Anpresskraft, der das mindestens eine Heizelement unterliegt, bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Wärmeleitkörpers und der stromführenden Komponenten konstant gehalten werden.
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Das Innenfederelement kann vorzugsweise als Feder-Clip ausgebildet sein.
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Nach einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das eine Stromelement eine zusätzliche Umspritzung auf, wobei das andere Stromelement als Feder ausgebildet ist. Das als Feder ausgebildete Stromelement ist dabei eingerichtet, das potentialseitige Stromelement, das massenseitige Stromelement und das mindestens eine Heizelement aneinander zu drücken und ist in der Umspritzung der Anordnung eingebettet.
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Vorzugsweise ist der Wärmeleitkörper als Druckgussprofil oder Stranggussprofil hergestellt.
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Bevorzugt weist die Umspritzung der Anordnung eine Wandstärke zwischen (mindestens) 0,5 mm und (höchstens) 1,5 mm auf. Somit kann sowohl eine elektrische Isolierung der Anordnung als auch eine Übertragung der durch das Heizelement erzeugten Wärme auf den Wärmeleitkörper ermöglicht werden.
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Bevorzugt ist die Umspritzung der Anordnung aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet, welches mit einem Trägerelement durch Heizelementschweißen verbindbar ist. Das Trägerelement kann insbesondere ein Bereich eines Fahrzeugstanks sein. Durch die Verwendung eines Kunststoffmaterials und die Anwendung vom Heizelementschweißen kann eine robuste Dichtheit der Heizvorrichtung erreicht werden, so dass das Medium an die stromführenden Anschlüsse, über die die Heizvorrichtung mit Strom versorgbar ist, nicht gelangen kann.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugtank zum Speichern eines Mediums und mit einer zuvor beschriebenen Heizvorrichtung, die im Fahrzeugtank angeordnet ist. Der Fahrzeugtank kann im Rahmen der Erfindung auch als Vorratstank bezeichnet werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen sind. In der Zeichnung ist:
- 1 eine vereinfachte, schematische perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine vereinfachte, schematische Ansicht der Heizvorrichtung von 1 von unten,
- 3 eine vereinfachte, schematische perspektivische Ansicht eines Bereichs der Heizvorrichtung von 1,
- 4 eine vereinfachte, schematische Schnittansicht der Heizvorrichtung von 1,
- 5 eine weitere vereinfachte, schematische Schnittansicht der Heizvorrichtung von 1,
- 6 eine vereinfachte, schematische Schnittansicht einer Heizvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
- 7 eine weitere vereinfachte, schematische perspektivische Schnittansicht der Heizvorrichtung von 6.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 eine Heizvorrichtung 1 zum Erhitzen eines in einem Fahrzeugtank gespeicherten Mediums gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Das Medium kann beispielsweise ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, sein. Beispielsweise kann das Medium Harnstoff, eine wässrige Harnstofflösung oder Wasser sein.
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Die Heizvorrichtung 1 umfasst zwei elektrisch beheizbare Heizelemente 2, die eingerichtet sind, elektrische Energie in Wärme umzuwandeln. Die Anzahl der Heizelemente 2 kann aber je nach Anwendung natürlich variieren. Ferner umfasst die Heizvorrichtung 1 einen Wärmeleitkörper 3 zum Verteilen der durch die Heizelemente 2 erzeugten Wärme in der Umgebung der Heizvorrichtung 1, insbesondere im Medium, welches die Heizvorrichtung 1 umgibt, wenn diese in einem Fahrzeugtank angeordnet ist. Dazu ist der Wärmeleitkörper aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere Metall, hergestellt. Beispielsweise kann der Wärmeleitkörper 3 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Insbesondere kann der Wärmeleitkörper 3 mittels Druckgießens oder Stranggießens hergestellt werden.
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Des Weiteren umfasst die Heizvorrichtung 1 ein potentialseitiges Stromelement 4 und ein masseseitiges Stromelement 5 zum elektrischen Kontaktieren der Heizelemente 2. Insbesondere sind die Stromelemente 4, 5 als Stromschienen ausgebildet. Die Stromelemente 4, 5 sind derart ausgebildet, dass diese beide Heizelemente 2 kontaktieren.
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Bei der Heizvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die Heizelemente 2 und die Stromelemente 4, 5 eine gemeinsame Umspritzung 6 aus Kunststoff auf. Mit anderen Worten sind die Heizelemente 2 und die Stromelemente 4, 5 zusammen als eine Einheit umspritzt.
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In 1 sind die Heizelemente 2, die Stromelemente 4, 5 und die Umspritzung 6 durch den Wärmeleitkörper 3 verdeckt. Die Umspritzung 6 ist in 3 zu sehen, die eine schematische perspektivische Ansicht der Heizvorrichtung 1 darstellt, bei der der Wärmeleitkörper 3 entfernt worden ist.
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Wie aus 1 ferner ersichtlich ist, weist die Heizvorrichtung 1 weiterhin eine Außenfederelement 7 auf. Dieser Aspekt wird später anhand von 5 näher erläutert.
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Aus 2 geht hervor, dass auf einer unteren Seite der Heizvorrichtung 1 Stromanschlüsse 12 vorgesehen sind. Durch die Stromanschlüsse 12 kann die Heizvorrichtung 1 mit Strom versorgt werden. Insbesondere kann die Heizvorrichtung 1 über die Stromanschlüsse 12 ans Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen werden.
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Aus 2 und 3 ergibt sich, dass die Heizvorrichtung 1 vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Montageschnittstellen 11 zum Montieren der Heizvorrichtung 1 an einem Trägerelement eines Fahrzeugtanks versehen ist. Die Montageschnittstellen 11 sind insbesondere Teile der Umspritzung 6 und können mittels eines Heizelementschweißverfahrens mit einem Trägerelement des Fahrzeugstanks verbunden werden. In diesem Fall werden die Montageschnittstellen 11 auch als Schweißschnittstellen bezeichnet.
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4 ist eine schematische Schnittdarstellung der Heizvorrichtung 1 durch eines der Heizelemente 2. Die folgende Beschreibung der Anordnung des Heizelements 2 in der Heizvorrichtung 1 bezieht sich auf beide Heizelemente 2. Insbesondere sind beide Heizelemente 2 gleich ausgebildet.
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Wie in 4 zu erkennen ist, ist das Heizelement 2 zwischen dem potentialseitigen Stromelement 4 und dem masseseitigen Stromelement 5 angeordnet. Die Stromelemente 4, 5 und das Heizelement 2, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind, sind insbesondere aneinander angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist das elektrisch beheizbare Heizelement 2 ein PTC-Element bzw. ein PTC-Widerstand. Es können aber auch andere elektrisch beheizbare Heizelemente, d.h. Heizelemente, die mit elektrischer Energie versorgbar sind und Wärme erzeugen können, bei der Heizvorrichtung 1 Einsatz finden.
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Weiterhin weist der Wärmeleitkörper 3 eine Ausnehmung 30 auf, in der die umspritzte Anordnung 10 aus dem Heizelement 2, dem potentialseitigen Stromelement 4 und dem masseseitigen Stromelement 5 formschlüssig angeordnet ist.
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Insbesondere weist die Ausnehmung 30 des Wärmeleitkörpers 3 eine sich keilartig verjüngende bzw. eine konische Form auf.
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Entsprechend weist die umspritzte Anordnung 10 aus dem Heizelement 2, dem potentialseitigen Stromelement 4 und dem masseseitigen Stromelement 4 in einem Bereich eine sich keilartig verjüngende bzw. konische Form auf.
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Dadurch entsteht ein konischer Formschluss zwischen der Anordnung 10 und dem Wärmeleitkörper 3, über den eine thermische Anbindung des Heizelementes 2 bzw. der Anordnung 10 an den Wärmeleitkörper 3 ermöglicht wird. Ferner wird dadurch ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen dem potentialseitigen Stromelement 4 und dem Heizelement 2 geschaffen, da das Heizelement 2 im vollflächigen Kontakt mit dem potentialseitigen Stromelement 4 und dem masseseitigen Stromelement 4 steht.
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5 stellt eine Schnittansicht der Heizvorrichtung 1 an der Stelle des Außenfederelements 7 dar.
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Das Außenfederelement 7 ist insbesondere als eine Federklammer ausgebildet, die von außen an den Wärmeleitkörper 3 und an die Anordnung 10 aus dem Heizelement 2, dem potentialseitigen Stromelement 4 und dem masseseitigen Stromelement 5 bzw. an die Umspritzung 6 greift.
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Wie aus 5 ersichtlich ist, ist das Außenfederelement 7 in einer Längsrichtung der Heizvorrichtung 1 zwischen den Heizelementen 2 angeordnet. Da die Heizelemente 2 und die Stromelemente 4, 5 eine gemeinsame Umspritzung 6 aufweisen, kann nur ein Außenfederelement 7 für beide Anordnungen 10 aus einem der Heizelemente 2 und den Stromelementen 4, 5 vorgesehen sein.
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Das Außenfederelement 7 drückt den Wärmeleitkörper 3 und die Umspritzung 6 gegeneinander bzw. aneinander, was dazu führt, dass die Heizelemente 2 jeweils einer Anpresskraft über die Stromelemente 4, 5 unterliegen. Somit kann die Anpresskraft bei unterschiedlichen Temperaturen und trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Wärmeleitkörpers 3 und den stromführenden Komponenten der Heizvorrichtung 1 konstant gehalten werden.
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Bevorzugt weist die Umspritzung 6 eine Wandstärke von mindestens 0,5 mm und höchstens 1,5 mm auf.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 6 und 7 eine Heizvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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6 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Heizvorrichtung 1 durch das Heizelement 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei 7 eine schematische Schnittdarstellung der Anordnung 10 aus dem Heizelement 2 und den Stromelementen 4, 5 der Heizvorrichtung 1 von oben ist.
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Die Heizvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von derjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel grundsätzlich dadurch, dass bei der Heizvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kein Außenfederelement vorgesehen ist.
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Auf der anderen Seite umfasst die Heizvorrichtung 1 ein Innenfederelement 9, welches als Feder-Clip ausgebildet ist. Das Innenfederelement 9 ist eingerichtet, das potentialseitige Stromelement 4, das massenseitige Stromelement 5 und das Heizelement 2 aneinander zu drücken. Das Innenfederelement 9 ist in der Umspritzung 6 der Anordnung 10 eingebettet.
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Um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Stromelementen 4, 5 zu vermeiden, weist das potentialseitige Stromelement 4 eine zusätzliche Umspritzung 8 auf, die insbesondere als Vorumspritzung gebildet ist. Diese ist auch aus Kunststoff, z.B. Grivory, gebildet.
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So kann das Innenfederelement 9, welches am masseseitigen Stromelement 5 anliegt, an die zusätzliche Umspritzung 8 des potentialseitigen Stromelements 4 greifen, und somit eine Anpresskraft auf das Heizelement 2 über die Stromelemente 4, 5 ausüben.
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Es sei angemerkt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die umspritzte Anordnung 10 das Heizelement 2, das umspritzte potentialseitige Stromelement 4 und das masseseitige Stromelement 5 umfasst.
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Nach einer alternativen Ausführungsform ist das masseseitige Stromelement 5 als Feder ausgebildet. In diesem Fall übernimmt das masseseitige Stromelement 5 die Funktion des Innenfederelements 9.
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Es sei ferner angemerkt, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, so dass die Heizvorrichtung 1 sowohl ein Außenfederelement 7 als auch ein Innenfederelement 9 aufweist.
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Bei der Heizvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Wärmeleitkörper 1 nicht umspritzt. Der Wärmeleitkörper 3 ist einfach auf die Umspritzung 6 aufgesteckt, die die stromführenden Komponenten der Heizvorrichtung 1 umgibt. Somit kann die Heizvorrichtung 1 auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Außerdem kann eine zuverlässige Kontaktierung zwischen dem Heizelement 2 und den Stromelementen 2 ermöglicht werden, wobei die Wahrscheinlichkeit, dass Kurzschlüsse oder eine Korrosion der stromführenden Elemente entstehen, reduziert werden kann.
