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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung umfassend ein Gehäuse mit einer Trennwand, die eine Anschlusskammer von einer Heizkammer zur Abgabe von Wärme an ein zu erwärmendes Medium trennt. Von der Trennwand ragt zumindest ein Heizeinrichtungsgehäuse als Heizrippe in Richtung auf die Heizkammer. Das Heizeinrichtungsgehäuse bildet eine Aufnahmetasche aus, in der zumindest ein PTC-Element und zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität mit diesem elektrisch leitend verbundene Leiterbahnen, die in der Anschlusskammer elektrisch angeschlossen sind, isoliert abgestützt sind. In der Anschlusskammer ist eine Steuervorrichtung mit einem Leistungsschalter vorgesehen, der wärmeleitend mit der Heizkammer verbunden ist.
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Eine solche elektrische Heizvorrichtung ist beispielsweise aus
EP 2 797 381 A1 bekannt. Eine ähnliche elektrische Heizvorrichtung ist aus
EP 3 334 243 A1 bekannt.
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Die elektrisch isolierende Abstützung des PTC-Elementes und der Leiterbahnen erfolgt mit Blick auf die elektrische Leitfähigkeit des Heizeinrichtungsgehäuse. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung ist die Aufnahmetasche üblicherweise durch eine metallische Heizrippe gebildet, die über eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise auch einteilig mit der Trennwand verbunden ist. Bevorzugt werden die Aufnahmetasche und die Trennwand erfindungsgemäß durch ein Druckgussteil gebildet, welches auch aufstehende Wände ausbildet, die die Anschlusskammer umgeben. In der Anschlusskammer befindet sich die Steuervorrichtung mit zumindest einem Leistungsschalter. Im Hinblick auf die EMV-Problematik, insbesondere beim Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung mit Hochvolt ab 48 V, ist es zu bevorzugen, die Steuerungsvorrichtung in einem abschirmenden Gehäuse vorzusehen. Hier schafft ein Gehäuseoberteil eine sinnvolle Möglichkeit, einerseits die Aufnahmetasche aus einem gut wärmeleitfähigen Material auszubilden und andererseits die Steuerungsvorrichtung im Hinblick auf das EMV-Problem bestmöglich abzuschirmen. Ein solches Gehäuseoberteil muss lediglich mit einer abschirmenden Abdeckung wie einem metallischen Deckel versehen werden, um die Steuervorrichtung insgesamt gegenüber der Umgebung abzuschirmen.
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Die vorliegende Erfindung will eine elektrische Heizvorrichtung der eingangs genannten Art angeben, die einen möglichst effektiven Strömungsweg bereitstellt. Dabei soll sich die Aufnahmetasche und die Trennwand durch Urformen eines Gehäuseteils erzeugen lassen. Die elektrische Heizvorrichtung der eingangs genannten Art soll insbesondere das Durchleiten des zu erwärmenden Mediums bei möglichst geringem Druckverlust ermöglichen.
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Im Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor. Bei dieser Heizvorrichtung sind in der Heizkammer zwischen zumindest einer Kühlrippe und weiteren Rippen zum Heizen oder Kühlen sich parallel zueinander erstreckende Strömungskanäle für das zu erwärmenden Medium ausgebildet. In Abkehr von dem zuvor erwähnten Stand der Technik, bei welchem ein Kühlkörper mit einer wärmeabgebenden Fläche in der Heizkammer freiliegt, schlägt die vorliegende Erfindung zumindest eine Kühlrippe zur Entwärmung des Leistungsschalters vor. Diese Kühlrippe erstreckt sich in Erstreckungsrichtung eines der Strömungskanäle.
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Die Heizkammer hat mehrere sich parallel zueinander erstreckende Strömungskanäle. Diese werden durch weitere Rippen zum Heizen oder Kühlen begrenzt. Jede Rippe zum Heizen kann dabei mehrere Aufnahmetaschen aufweisen. Die zumindest eine Rippe zum Kühlen ist eine Kühlrippe, die sich parallel zu zumindest einer Rippe zum Heizen erstreckt, wobei die Kühlrippe und die Rippe zum Heizen sich mit gleicher Länge erstrecken und jede Kühlrippe zumindest einen, bevorzugt mehrere Strömungskanäle begrenzt.
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Zwischen benachbarten Kühlrippen bevorzugt vorgesehene Strömungskanäle sind bevorzugt jeweils in Bezug auf die Strömung durch die Heizkammer parallel geschaltet. Mit anderen Worten ragt bevorzugt zumindest eine Kühlrippe in die Heizkammer hinein, die auf beiden Seiten regelmäßig parallel geschaltete Strömungskanäle begrenzt. Diese Strömungskanäle haben üblicherweise die gleiche Länge wie die Strömungskanäle, die zwischen benachbarten Heizrippen ausgebildet sind. Die von einer Kühlrippe begrenzten Strömungskanäle können auf der anderen Seite von einer Heizrippe begrenzt sein.
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Bevorzugt werden sämtliche Rippen zum Kühlen und Heizen durch ein metallisches, gegossenes, insbesondere druckgegossenes Gehäuse gebildet. Regelmäßig sind sämtliche Rippen zum Kühlen und Heizen gleich lang und erstrecken sich parallel zueinander. Zur Vervollständigung der Heizkammer ist dieses bevorzugt mit einem Gehäuseunterteil verbunden. Das Gehäuseunterteil bildet vorzugsweise Ein- und Auslassstutzen für das zu erwärmende Medium aus. Bei dem Medium handelt es sich bevorzugt um ein flüssiges Medium. Das Gehäuse ist bevorzugt 3-teilig ausgebildet. Es weist ein metallisches Oberteil aus, welches die Trennwand und die Anschlusskammer umgebende Wände ausformt, einen Deckel, der fluiddicht mit dem Gehäuseoberteil verbunden ist, und das besagte gegenüberliegend zu dem Deckel angeordnete Gehäuseunterteil, welches im Wesentlichen wannenförmig ausgebildet ist und die Heizkammer umgibt.
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In der Heizkammer ist der Strömungsweg bevorzugt mäandrierend ausgeformt. Dabei erstrecken sich die Strömungskanäle zwischen den einzelnen Rippen üblicherweise in Haupterstreckungsrichtung des Gehäuses. Die Hauptströmungsrichtung ist diejenige Richtung bei einer Draufsicht auf die Trennwand, in der die Heizkammer parallel zu der Ebene der Trennwand die größte Abmessung hat. Es versteht sich, dass die parallel zueinander vorgesehenen Strömungskanäle durch quer verlaufende Verbindungskanäle miteinander verbunden sind. Diese haben eine geringe Erstreckung. Üblicherweise sind die Verbindungskanäle konvex gekrümmt ausgebildet. Sie verbinden nach Art eines halben Ringes die einzelnen, sich parallel zueinander erstreckenden Strömungskanäle. Die sich parallel erstreckenden Strömungskanäle nehmen dabei bevorzugt zumindest 80 Prozent des insgesamt innerhalb der Heizkammer ausgebildeten Strömungsweges ein.
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Die Verbindungskanäle erlauben aufgrund ihrer gekrümmten Ausgestaltung ein druckverlustarmes Überleiten der Strömung von einem Strömungskanal auf den nächsten Strömungskanal. Innerhalb der Strömungskanäle als solches fließt die Strömung geradlinig. So ist der Druckverlust in diesen Abschnitten der Strömungsführung innerhalb der Heizkammer gering.
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Es versteht sich, dass der Einlass unmittelbar in zumindest einen Strömungskanal mündet und der Auslass an einem Ende eines Strömungskanals vorgesehen ist. Dabei mündet der Einlass für das zu erwärmenden Medium in die Heizkammer bevorzugt in mehrere Strömungskanäle, die von zumindest einer Kühlrippe begrenzt sind, bevorzugt zwischen benachbarten Kühlrippen vorgesehen sind. So wird der zumindest eine Leistungsschalter bevorzugt durch das noch recht kühle Medium bestmöglich gekühlt. Die Verlustleistung des Leistungsschalters wird indes zur Erwärmung, namentlich zur Vor-Erwärmung des Mediums bei möglichst geringem Druckverlust der Strömung in der Heizkammer genutzt. Der Einlass hat dabei üblicherweise eine breite entsprechend der Breite der nebeneinander vorgesehen, bevorzugt zwischen benachbarten Kühlrippen definierten Strömungskanäle. Die Breite des bevorzugt rechtwinklig zu diesen Strömungskanälen abgehenden Einlassstutzen kann sich zu der Einlassöffnung hin weiter verjüngen.
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Es hat sich herausgestellt, dass relativ geringe Druckverluste innerhalb eines der Strömungskanäle dadurch erreicht werden kann, dass der Querschnitt des Strömungskanals zwischen 150 und 230 mm2 liegt. Dieser Wert gilt insbesondere für flüssige Medien mit einer Viskosität entsprechend der Viskosität von Wasser in einem Temperaturbereich von zwischen 20 °C und 80 °C.
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Es versteht sich, dass auf Seiten der Anschlusskammer gegenüberliegend zu der zumindest einen Kühlrippe die Trennwand eine bevorzugt längliche Kühlfläche ausformt, an welcher der zumindest eine, bevorzugt mehrere Leistungsschalter der Steuervorrichtung wärmeleitend anliegen. Das Gehäuseoberteil, namentlich die Trennwand und die Aufnahmetasche sind bevorzugt aus Aluminium gebildet.
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Die mehreren PTC-Elemente sind üblicherweise über ein Verbindungsmodul miteinander verbunden, welches eine Vielzahl von Steckplätzen für die jeweiligen Leiterbahnen der PTC-Elemente ausbildet und verschiedene PTC-Elemente zu Heizkreisen gruppiert. Dieses Modul besteht üblicherweise aus einer stanzbearbeiteten Blechplatte und einem Kunststoffrahmen, der Segmente der Blechplatte in sich aufnimmt und an vorbestimmter Stelle positioniert; vergleiche
DE 10 2019 005 223 U1 . Das Modul ist typischerweise nicht mit elektronischen Bauteilen bestückt. Das Modul dient allein der Gruppierung von PTC-Elementen zu Heizkreisen und dem elektrischen Anschluss verschiedener Heizkreise an eine oberhalb des Moduls liegende bestückte Leiterplatte, die im Wesentlichen die Steuerungsvorrichtung ausbildet und mit dem oder den Leistungsschalter(n) versehen ist.
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Im Hinblick auf eine verbesserte Gießbarkeit des Gehäuseoberteils wird vorschlagen, das PTC-Element quer in die Aufnahmetasche einzubringen. Bei einer Querschnittsansicht durch die Aufnahmetasche auf das quaderförmige PTC-Element liegt die Haupterstreckungsrichtung des PTC-Elementes dementsprechend quer zur Einbringungsrichtung in die in Einbringrichtung gegenüber der Heizkammer unterseitig geschlossene und oberseitig zu der Anschlusskammer hin offene Aufnahmetasche. Dieses Maß quer zur Einbringungsrichtung wird im Nachfolgenden als Breite des PTC-Heizelementes bzw. der Aufnahmetasche bezeichnet. In Einbringrichtung rechtwinklig dazu hat die Aufnahmetasche bzw. das PTC-Element eine Höhe. Die dritte Dimension des üblicherweise quaderförmig ausgebildeten und aus einer Keramik geformten PTC-Elementes sei die Dicke. Das PTC-Element hat auf gegenüberliegenden Hauptseitenflächen, die durch die Höhe und die Breite aufgespannt werden, üblicherweise eine Metallisierung. Mit dieser Metallisierung liegt das PTC-Element üblicherweise unmittelbar elektrisch leitend an den Leiterbahnen an. Diese Leiterbahnen sind bevorzugt durch Kontaktbleche gebildet, die an ihrem in die Anschlusskammer hineinragenden Enden Kontaktzungen für die Steckkontaktierung insbesondere an dem Modul ausbilden.
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Da die Breite des PTC-Elementes größer als die Höhe ist, d.h. das PTC-Element quer in die Aufnahmetasche eingebracht wird, ist eine Aufnahmetasche mit geringerer Höhe notwendig. So lässt sich die Einheit aus Trennwand und Aufnahmetasche leichter gießen und aus der Gussform entformen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung mit der Heizkammer nach oben
- 2 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels nach 1 mit der Heizkammer nach unten;
- 3 eine heizkammerseitige Draufsicht auf das Gehäuseoberteil des Ausführungsbeispiels nach den 1 und 2;
- 4 eine Querschnittsansicht des Gehäuseoberteils;
- 5 eine perspektivische anschlusskammerseitige Draufsicht des Gehäuseoberteils nach 3 und
- 6 eine Längsschnittansicht einer Aufnahmetasche des Ausführungsbeispiels auf Höhe des PTC Elementes.
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Die 1 und 2 zeigen eine Heizvorrichtung mit einem insgesamt mit Bezugszeichen 2 gekennzeichneten Gehäuse. Das Gehäuse 2 hat ein Gehäuseoberteil 4 aus einem Metall, ein Gehäuseunterteil 6 aus Kunststoff, welches fluiddicht zur Ausformung einer Heizkammer 8 mit dem Gehäuseoberteil 4 verbunden ist, und einen Gehäusedeckel 10, der fluiddicht mit dem Gehäuseoberteil 4 verbunden ist. Zwischen dem Gehäusedeckel 10 und einer mit Bezugszeichen 12 gekennzeichneten Trennwand bildet das Gehäuseoberteil 4 eine Anschlusskammer 14 aus (vgl. 3). Die Trennwand 12 trennt die Anschlusskammer 14 von der Heizkammer 8 ab.
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Das Gehäuseunterteil 6 bildet einen einteilig daran angeformten Einlassstutzen 16 mit einer Einlassöffnung 18 und einen Auslassstutzen 20 mit einer Auslassöffnung 22 aus. An diese Stutzen 16, 20 können Schläuche zum Führen des zu erwärmenden flüssigen Mediums angeschlossen werden.
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Wie sich aus der Zusammenschau der 1 und 3 ergibt, mündet der durch den Einlassstutzen 16 gebildete Einlass für das zu erwärmende Medium in die Heizkammer 18 in einer Ebene, in der sich parallel erstreckende Strömungskanäle 24 vorgesehen sind. Die Bezugszeichen 26 kennzeichnen Kühlrippen. Die Bezugszeichen 28 kennzeichnen Heizrippen. Jede Heizrippe 28 wird durch die Außenflächen einer in 4 mit Bezugszeichen 30 gekennzeichneten Aufnahmetasche gebildet, die zu der Heizkammer 8 hin geschlossen und zu der Anschlusskammer 14 hin offen ist und in die Heizkammer 8 hineinragt.
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In jeder Aufnahmetasche 30 sind vorliegend zwei PTC-Heizeinrichtungen 32 vorgesehen. Jede PTC-Heizeinrichtung 32 hat einen Rahmen 34, der ein PTC-Element 36 in sich aufnimmt und zwei Kontaktbleche 38 zu einer Einheit fügt, die unmittelbar elektrisch leitend an Hauptseitenflächen des PTC Elementes 36 anliegen und bis in die Anschlusskammer 14 hineinragende Kontaktzungen 40 ausbilden. Die Hauptseitenflächen sind durch die Breite B und Höhe H des quaderförmigen PTC-Elementes 36 gebildet; vergleiche 6.
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Die Kontaktbleche 38 können außenseitig mit einer Isolierlage 42, beispielsweise einer Aluminiumoxidplatte bzw. einer elektrisch isolierenden Folie versehen sein. Dadurch werden die Kontaktbleche 38 isolierend in der Aufnahmetasche 30 abgestützt. Ein gut wärmeleitender Kontakt der Hauptseitenflächen des PTC Elementes 36 kann beispielsweise durch Verkeilen des PTC-Elementes zusammen mit den Kontaktblechen 38 und den Isolierlagen 42 in der Aufnahmetasche 30 erfolgen; vergleiche
DE 10 2019 216 481 A1 .
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In 5 ist seitlich neben den Aufnahmetaschen 30 eine Kühlfläche 44 erkennbar, die durch die Trennwand 12 ausgebildet wird und gegen welche ein Leistungsschalter 46 wärmeleitend angelegt wird. Dieser Leistungsschalter 46 ist auf einer mit Bezugszeichen 48 gekennzeichneten Leiterplatte, die eine Steuervorrichtung ausbildet, montiert und unter Zwischenlage einer gut wärmeleitenden Isolationsfolie gegen die Kühlfläche 44 angelegt. Alle Kontaktzungen 40 sind über eine Verbindungsmodul 49, die verschiedene PTC-Heizeinrichtungen 32 zu Heizkreisen gruppiert, elektrisch mit der Leiterplatte 48 verbunden.
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Die Kühlfläche 44 liegt gegenüberliegend zu den Kühlrippen 26.
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Wie 3 verdeutlicht, bildet die Trennwand 12 und die davon abragenden Rippen 26, 28 zwischen sich bzw. benachbarten Konturen der Trennwand 12 acht Strömungskanäle 21.1 bis 21.8 aus.
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Bei den Strömungskanälen 24.1 bis 24.3 handelt es sich um Kühlkanäle, die jedenfalls einseitig, bezüglich des Strömungskanals 24.2 beidseitig von den Kühlrippen 26 begrenzt sind. Der erste Strömungskanal 24.1 wird zwischen einer der Kühlrippen 26 und einem Vorsprung des Gehäuseoberteils 4 ausgeformt. Der dritte Strömungskanal 24.3 befindet sich zwischen einer der zweiten Kühlrippe 26.2 und der ersten Heizrippe 28.1.
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Sämtliche Strömungskanäle 24.1 bis 24.8 haben die gleiche Länge. Die einzelnen Strömungskanäle 24 werden durch Verbindungskanäle 50 miteinander verbunden, die halbrund ausgebildet sind und dementsprechend die Strömung von einem auf den nächsten Strömungskanal 24 mit relativ geringem Druckverlust überführen.
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In der Draufsicht gemäß 3 hat die Heizkammer 8 eine Länge I die größer als die die Breite b der Heizkammer 8 ist. Die einzelnen Strömungskanäle 24 erstrecken sich dementsprechend in Hauptströmungsrichtung des Gehäuseoberteils 4 und damit in Erstreckung der Länge l.
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Die zuvor diskutierte Gestaltung erlaubt eine Durchströmung des zu erwärmenden Mediums durch die Heizkammer 8 bei geringem Druckverlust. Dazu trägt auch bei, dass der durch den Einlassstutzen 16 gebildete Einlass auf Höhe der Strömungskanäle 24 eine Breite entsprechend dem Abstand des ersten und dritten Strömungskanäle 24.1 bis 24.3 hat. Von dem Einlassstutzen 16 strömt das zu erwärmenden Medium zunächst parallel durch die drei Strömungskanäle 24.1 bis 24.3 und wird erst hinter den Kühlrippen 26 gebündelt und in eine gemeinsame Strömung überführt, die die einzelnen Strömungskanäle 24.4 ff durchströmt.
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Wie 5 vermittelt, ist das PTC-Element 36 quer eingebaut. Mit anderen Worten hat die Breite B des PTC-Elementes 36 eine größere Erstreckung als die Höhe H. Das PTC-Heizelement 36 hat zur Erhöhung der Luft- und Kriegstrecke einen gewissen Abstand zu dem Boden der Aufnahmetasche 30. Dieser Abstand kann durch die Isolierlage 42 eingestellt werden, die in Richtung der Höhe H das PTC-Heizelement 36 unterseitig überragen und somit einen Anschlag ausbilden kann, der einen Mindestabstand zwischen dem unteren Rand des PTC-Elementes 36 und dem Boden der Aufnahmetasche 30 sicherstellen (vgl. 6).
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In 4 ist der letzte der Strömungskanäle 24.8 außenseitig zwischen einer Heizrippe 28 und einer gegenüberliegenden Außenwand 54 der Heizkammer 8 vorgesehen. Diese Außenwand 54 ist auf Seiten der Anschlusskammer 14 durch eine trogförmige Ausnehmung 56 begrenzt, durch die Material auf Seiten des Gehäuseoberteils 4 eingespart wird. In diese trogförmige Ausnehmung 56 kann Trocknungsgranulat eingebracht sein, welches in der Anschlusskammer 14 enthaltene Feuchtigkeit binden kann.
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Die Strömungskanäle 24 und die Verbindungskanäle 50 bilden einen mäandrierenden Strömungsweg 52 des Mediums in der Heizkammer 8 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gehäuse
- 4
- Gehäuseoberteil
- 6
- Gehäuseunterteil
- 8
- Heizkammer
- 10
- Gehäusedeckel
- 12
- Trennwand
- 14
- Anschlusskammer
- 16
- Einlassstutzen
- 18
- Einlassöffnung
- 20
- Auslassstutzen
- 22
- Auslassöffnung
- 24
- Strömungskanal
- 26
- Kühlrippe
- 28
- Heizrippe
- 30
- Aufnahmetasche
- 32
- PTC-Heizeinrichtung
- 34
- Rahmen
- 36
- PTC-Element
- 38
- Kontaktblech
- 40
- Kontaktzungen
- 42
- Isolierlage
- 44
- Kühlfläche
- 46
- Leistungsschalter
- 48
- Leiterplatte
- 49
- Verbindungsmodul
- 50
- Verbindungskanal
- 52
- Strömungsweg
- 54
- Außenwand
- 56
- trogförmige Ausnehmung
- B
- Breite des PTC-Elementes
- L
- Länge des PTC-Elementes
- b
- Breite der Anschlusskammer
- I
- Länge der Anschlusskammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2797381 A1 [0002]
- EP 3334243 A1 [0002, 0004]
- DE 102019005223 U1 [0015]
- DE 102019216481 A1 [0023]
