DE2804784A1

DE2804784A1 - Elektrische widerstandsheizeinrichtung

Info

Publication number: DE2804784A1
Application number: DE19782804784
Authority: DE
Inventors: Ludwig Lieber; Karl-Heinz Nauerth; Helmut Ohnmacht; Hanno Roller
Original assignee: Fritz Eichenauer GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 1978-02-04
Filing date: 1978-02-04
Publication date: 1979-08-09
Also published as: ES477369A1; GB2014417A; DE2804784C2; FR2416612B1; GB2014417B; FR2416612A1; US4343988A

Description

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DR. INQ. HANS LICHTI ■ DIPL-INQ. HEINER LICHTI

Dipl.-Physo ϋχ-ο Klaus Leutweiii

PATENTANWÄLTE

D-7500 KARLSRUHE 41 (GRÖTZINGEN) · DURLACHER STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) 48511

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Firma Fritz Sichenauer GmbH & Co₀ KG jJ-6744 IC a η d e 1 / Pfalz

Elektrische .viaei-standsheizeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Widerstands— heizeinrichtung mit mindestens einem Heizelement und mit einem Wasserdurchlaufkanal, wobei das Heizelement' bzw. die Heizelemente und der ifass er durchlauf kanal in wärmeleitender Verbindung stehen. Insbesondere, wenngleich nicht ausschließlich bezieht die Erfindung sich auf elektrische Widerstandsheizeinrichtungen dieses Aufbaus, wie sie für Getränkezubereitungsmaschinen wie Kaffeemaschinen od. dgl. vorgesehen sind. Dabei tritt das in einem Behälter über dem Niveau der Heizeinrichtung enthaltene kalte Wasser durch eine Zuleitung in den Wasserdurchlaufkanal ein, wird hier erhitzt und beispielsweise auf den in einem Filter vorgesehenen gemahlenen Kaffee geleitete Üblicherweise

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ist dieses Gefäß auf einer Abstellplatte abgestellt, die in wärmeleitender Verbindung mit der Heizeinrichtung steht und somit das Kaffeegetränk warmhält.

Bei den (aus der Praxis) bekannten elektrischen Widerstandsheizeinrichtungen der erläuterten Gattung besteht das Heizelement aus einem elektrischen Kohrheizkörper, der mit dem als metallisches Rohr ausgeführten Wasserdurchlaufkanal zur Herstellung der wärmeleitenden Verbindung verlötet bz\<r. verschweißt ist. Im übrigen ist üblicherweise ein Temperaturregler vorgesehen, der die Stromzufuhr unterbricht, wenn der Wasservorrat aufgebraucht ist. Zusätzlich wird ein Überhitzungsschutz in Form einer Temperaturschmelzsicherung vorgesehen, um im Falle des Trockengehens eine Zerstörung des Kunststoffgehäuses durch Überhitzung zu verhüten.

Bei dieser bekannten Ausführungsform wird ein thermischer Wirkungsgrad erreicht, der noch nicht voll befriedigt, insbesondex-e ist der Wärmeübergang zwischen Heizelement und Wasserdurchlaufkanal verbesserungsbedürftig» Außerdem sind diese bekannten elektrischen Widerstandsheizelemente hinsichtlich Herstellung, und Montage im Gerät verhältnismäßig aufwendig«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die sich durch verbesserten thermischen Wirkungsgrad auszeichnet und eine einfache, kostengünstige Herstellung und Montage erlaubt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hauptsächlich gelöst durch einen Aufbau der Heizeinrichtung als plattenförmiges Vollteil (Heizplatte), wobei der Wasserdurchiaufkanal in die Heizplatte eingeformt ist und wobei das Heizelement bzwo die Heizelemente in in die Heizplatte eingeformten Aufnahmenuten angeordnet sind. - Damit wird erreicht, daß sowohl der Wasserdurchlaufkanal als auch die Heizelemente gleichsam in die massive Heizplatte eingebracht sind und folglich in optimalem Wärmekontakt stehen. Zugleich läßt sich die Heizplatte ohne weiteres so ausgestalten, daß sie in kostengünstiger Weise durch Gießen, Strangpressen od. dgl„ so weitgehend vorgefertigt werden kann, daß nur noch wenig aufwendige Fertigstellungsmaßnahmen notwendig sind. Aufgrund der Struktur als mehr oder weniger massives, plattenförmiges Vollteil gestaltet die Montage im Gerät sich außerordentlich einfach, und zugleich läßt sich die Heizplatte so ausbilden und anordnen, daß sie selbst die wärmeabgebende AufStellfläche für einen Kaffeebehälter od. dgl. bildet, so daß eine zusätzliche Aufstellplatte nicht vorgsehen werden nuß.

Grundeätzlich können im Rahmen der Erfindung Heizelemente verschiedenster Typen eingesetzt werden, beispielsweise also auch Heizelemente der bisher üblichen und allgemein verbreiteten Bauart mit einem metallischen Widerstandsleiter. Insbesondere sieht die Erfindung aber vor, daß das Heizelement bzw. die Heizelemente aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (PTC Material) bestehen₀ Solche PTC-Heizelemente sind an sich bekannt (vgl. DT-OS 25 04 237), bestehen gewöhnlich aus einem Keramikmaterial, insbesondere auf Bariumtitanat-Basis, und haben die Eigenschaft, daß sie sich in ihrer elektrischen Leistungsaufnahme gleichsam selbst stabilisieren. Im kalten Zustand ist ihr Widerstand gering, und es fließt dementspüBchend bei vorgegebener elektrischer Spannung ein verhältnismäßig hoher Strom. Dadurch wird in kurzer Zeit die

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Betriebstemperatur mit dem vorgesehenen Betriebswiderstand erreicht. Nimmt aus irgendwelchen Gründen die Temperatur des PTC-Heizelements über die vorgesehene Temperatur hinaus zu, so steigt der Widerstand weiter an, so daß die umgesetzte elektrische Leitung reduziert wird. Infolgedessen kann bei Einsatz von PTC-Heielementen sowohl auf Temperaturregler als auch auf Überhitzungsschutz verzichtet werden« I;er Einsatz solcher PTC-Heizelemente ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Einerseits sind die üblichen Einbau-und Montagemaßnahinen axif PTC-Heizelemente nicht anwendbar, weil diese gewöhnlich in Form von verhältnismäßig kleinen, üblicherweise planparallelen Plättchen vorliegen,. Andererseits muß beim Einsatz von PTC-Heizelementen ganz besonders auf einen einwandfreien, thermischen Kontakt geachtet werden. Für die vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Anordnung ist von besonderer Bedeutung, daß damit der Einsatz von PTC-Heizelementen bei elektrischen Widerstandsheizeinrichtungen der eingangs erläuterten Gattung ermöglicht wird.

Im einzelnen wird die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die als planparallele Platten ausgebildeten Heizelemente mit auf den Wasserdurchlaufkanal zu weisender Flächennormalen angeordnet sind. Das impliziert, daß die Aufnahmenuten, die üblicherweise entsprechend dem Querschnitt der Heizelemente rechteckigen Querschnitt aufweisen, gleichfalls mit ihren Wandungen zum Wasserdurchlaufkanal orientiert sind. Regelmäßig ist eine elektrische Isolation der PTC-Heizelemente von der Heizplatte erforderlich, wozu beispielsweise dünne Blätter aus isolierender Keramik (z. B. aus Aluminiumoxid) verwendet werden können. Zusätzlich zur elektrischen Isolation

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kann eine Verbessung des Wärmeaustausche erreicht werden, wenn die Aufnahinenuten mit einer elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Füllmasse ausgefüllt werden - beispielsweise mit Silikonkautschuk, mit Kunstharz auf Polyamidoder Polyiniid-ßasis oder mit wärmeleitender Keramik wie verdichtetem Aluiiiiniumoxidpulver.

iLs empfiehlt sich, den Wasserdurchlaufkanal mit mindestens zwei zueinander parallelen durch eine Umlenkung verbundenen Zweigen auszuführen, wobei zumindest im Bereich zwischen den Zweigen die Heizelemente angeordnet sind, so daß eine optimale Wärmeausnutzung resultiert. Vorzugsweise hat der Wasserdurchlaufkanal die Gestalt eines ebenen Mäanders mit einer Mehrzahl von zueinander parallelen und durch Umlenkungen verbundenen Zweigen, wobei die Heizelemente mit zur Mäanderebene senkrechter Flächenausdehnung sowie zumindest zwischen den Zweigen angeordnet sind, so daß auch verhältnismäßig ausgedehnte Strukturen mit gleichförmiger Wärmeabgabe verwirklicht v.erden können.

Für die konkrete Ausführung des Wasserdurchlaufkanals bestehen verschiedene Möglichkeiten,. So kann der Wasserdurchlaufkanal als geschlossener Kanal in die Heizplatte eingegossen werden. Wenn dies auf gießtechnische Schwierigkeiten stößt, empfiehlt es sich, den Wasserdurchlaufkanal von einer Seite her in die Heizplatte einzubringen und durch eine auf diese Seite abdichtend aufgesetzte, beispielsweise aufgeklebte Abdeckplatte zu schließen. Das Einbringen des Wasserdurchlaufkanals kann beispielsweise durch Fräsen oder Gießen erfolgen. Die besonders vorteilhafte, weil kostengünstige Verwsndung von - z. B₀ durch Gießen oder Strangpressen her-

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gestelltem - Profilmaterial wird dadurch ermöglicht, daß die Heizplatte aus mindestens einem Profilmaterialabschnxtt besteht, wobei der Wasserdurchiaufkanal im Querschnitt des Profilmaterials vorgeformt und durch auf beiden Seiten der Heizplatte abdichtend aufgesetzte Abdeckplatten geschlossen ist. Die Längsausdehnung des Profilmaterials erstreckt sich dabei zumindest im wesentlichen senkrecht zu der Ebene, in der der Wasserdurchlaufkanal verläuft. Dabei können entweder zwei ineinandergreifende offene Profile verwendet werden, die gegebenenfalls mit Justiervorsprüngen bzw. -absätzen gegenseitig orientiert werden können und deren ineinandergreifende Konturen den Weisserdurchlaufkanal definieren, iüs kann andererseits auch ein einziges, geschlossenes Profil eingesetzt werden, bei dem der Zugang zum Wasserdurchlaufkanal durch entsprechende Bohrungen hergestellt werden muß_o In jedem Fall sind eine bzw. zwei Abdeckplatten vorgesehen, die den vVasserdurchlaufkanal schließen und zugleich als Abstellfläche für eine auf die Heizplatte aufgesetzte Kanne od. dgl. dienen₀

Die Aufnahmenuten für die Heizelemente können gleichfalls durch Gießen eingeformt oder durch einfache Sägeschnitte verwirklicht werden, wobei selbstverständlich in jedem Fall darauf zu achten ist, daß die Aufnahmenuten nicht den Wasserdurchlaufkanal schneiden. Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, daß die Aufnahmenuten von zumindest einer Stirnseite der Heizplatte her fingerförmig zwischen die Zweige des Wasserdurchlaufkanals einfassen und die Heizplatte nicht vollständig durchsetzen. Mit anderen Worten sind die Aufnahm»nuten vorzugsweise einseitig geschlossen, so daß die Montage der Heizelemente und gegebenenfalls das Vergießen sich einfach ausführen lassen_o Sind

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Abdeckplatten vorgesehen, so können diese vorzugsweise zugleich auch die Aufnahmenuten abdecken.

Der Anschluß von Zu- und Ablauf an den Wasserdurchlaufkanal gestaltet sich besonders einfach, wenn an der Stirnseite bzw. den Stirnseiten der Heizplatte den Öffnungen des Wasserdurchlaufkanals zugeordnete Anschlußstutzen (z. B. in Form von Schlauchwellen od. dgl.) eingeklebt bzw. eingekittet sind. Je nachden Einbauverhältnissen besteht auch die Möglichkeit, die Anschlußstutzen senkrecht zur Ebene des iifasserdurchlaufkanals, z. B. in der Abdeckplatte anzuordnen.

V/ie erläutert, empfiehlt es sich die Aufnahmenuten nach dem Einsetzen der Heizelemente auszufüllen bzw. zu Vergießen. iJabei ist normalerweise eine verhältnismäßig genaue Justierung der Heizelemente notwendig, damit auch bei geringen i'/andabständen eine elektrische Verbindung mit der Heizplatte zuverlässig vermieden wird. Diese Justierung erfolgt in besonders vorteilhafter Weise dadurch, daß die Heizelemente vor dem Vergießen mittels beidseitig zwischen Heizelement und Nutenwandung angeordneten Fixierstiften fixiert werden. Das wird im einzelnen in einer gleichzeitig eingereichten Pcitentanmeldung der Anmelderin beschrieben, deren Inhalt hiermit ausdrücklich zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Patentanmeldung erklärt wird»

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert» Es zeigen:

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Figur 1 eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung in perspektivischer Darstellung;

Figur 2 den Gegenstand der Figur 1 im Schnitt ll-IIi

Figur 3 den Gegenstand der Figur 2 im Schnitt ΙΙΙ-ΪΙΙ;

Figur k eine andere Ausführungsform in einem der Figur 3 entsprechenden Schnitt;

Figur 5 in vergrößerter Darstellung einen Querschnitt durch eine Aufnahmenut mit Heizelement.

Die in Figur 1 dargestellte elektrische ividerstandsheizeinrichtung dient bei einer Kaffeemaschine einerseits als Durchlauferhitzer für das Kaffeewasser und andererseits als Heizplatte für eine (nicht dargestellte) den fertigen Kaffee aufnehmende Kanne. Die Heizeinrichtung besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem eine Heizplatte 1 bildenden plattenförmigen Vollteil. In die Heizplatte 1 ist einerseits ein Wasserdurchlaufkanal 2 eingeformt und sind andererseits mehrere Heizelemente eingesetzt, die bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen aus PTC-Material auf Basis von Bariumtitanat-Keramik bestehen. Die Heizelemente 3 üind in «ufnahsaenuten k

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die gleichfalls in die Heizplatte 1 eingeformt sind. Infolgedessen stehen Heizelemente 3 uzid .vass^üiircK·· .vrkaji.'il 'J. miteinander· in ^wärmeleitender Verbindung.

L)er in Figur 2 dargestellte querschnitt zeigt, wie die als planparallele Platten ausgeführten Heizelemente 3 mit auf den .-asserdurchlauf 2 zuweisender Flächennormalen angeordnet sind_o um einen möglichst guten thermischen Kontakt zu erreichen, empfiehlt es sich die Aufnahnanuten 4 in ihrem Querschnitt mit verhältnismäßig wenig Übermaß an den wuerschuitt der Heizelemente 3 anzupassen. Im übrigen erkennt man, daß die Aufnahmenuten 4 die Heizplatte 1 nicht durchsetzen, sondern einseitig geschlossen sind.

wie insbesondere die Figur 3 zeigt, besteht der ivasserdurchiaufkanal 2 aus einer Mehrzahl von zueinander parallelen Zweigen 7i die in einer jsbene liegen und durch Umlenkungen zu einem Mäander verbunden sind. Die aufnahraenuten 4 fassen von beiden Stirnseiten der Heizplatte 1 aus fingerförmig zwischen die Zweige 6 des .vasserdurchlaufkanals 2 ein, wobei die Aufnahmenuten 4 untereinander und von den Zweigen des »vasserdurchlaufkanals 2 jeweils entsprechend gleichmäßige Abstände aufweisen. Im dargestellten Äusführungsbeispiel sind aufnahmenuten 4 nur zwischen den Zweigen 6 angeordnet. Es besteht auch die (nicht dargestellte) Möglichkeit, zusätzlich an den Außenseiten der Heizplatte weitere Iiei zel entente anzuordnen, deren wärme ausnutzung dann allerdings weniger günstig ist. Gleichfalls nicht dargestellt ist, daß gegebenenfalls zur Insolation der Heizelemente 3 der zusätzlich Zwischenlagen aus elektrisch isolierendem, gut wärmeleitendem Material zwischen den Heizelementen 3 und den Wandungen der Aufnehmenuten 4 eingelegt werden können. Im übrigen ist die Heizplatte 1 als Gußteil aus Aluminium bzw,-einer Aluminiumlegierung ausgeführt.

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Bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wasserdurchlatifkanal 2 von einer Seite her in die Heizplatte 1 eingebracht, und zwar von der den Aufiiahinenuten 'i gegenüberliegenden Seite her. Das kann beispielsweise durch Gießen unter umständen auch durch Fräsen verwirklicht werden. Der zunächst einseitig offene iasserdurchlaufkanal 2 ist durch eine abdeckplatte 8 geschlossen, die auf die entsprechende Seite der Heizplatte 1 unter Abdichtung aufgeMßbt ist. An einer der Stirnseiten der Heizplatte 1 sind in die Öffnungen des wasserdurchlaufkanals 2 t.n— schlußstutzen 9 in Forin von einfachen Aluminiumrohren eingekittet. Die Heizplatte 1 selbst besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung.

üiae andere AusführungsmöglichKeit ist in der Figur k dargestellt» Hier besteht die Heizplatte 1 aus zwei Profilmaterialabschnitten IGa, b die ineinandergesetzt sind und mit ihren einander zugewandten Konturen den .vasserdurchlaufkanal 2 definieren, ßeide Profilmaterialabschnitte weisen einander zugeordnete Justiervorsprünge bzw. -absätze H auf, so daß auf einfache »eise eine reproduzierbare Montage möglich ist. Die entsprechenden Profilmaterialien lassen sich in einfacher n/eise durch Gießen oder Strangpressen erzeugen, die Herstellung der Heizplatte 1 gestaltet sich dabei äußerst einfach, weil lediglich die Profilmaterialabschnitte 10a, b auf Länge geschnitten, ineinandergesetzt und - beispielsweise durch Kleben - miteinander verbunden werden müssen. Der durch die beiden Profilmaterialabschnitte 10 a, b gebildete Querschnitt läßt sich auch durch ein einzige -3, geschlossenes Profil verwirklichen. Der Anschluß

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des Wasserdurchlaufkanals 2 erfolgt mit in eine der Stirnseiten eingebrachten Uohrungen 12 in die wiederum Hnschlußstutzen 9 eingekittet siridt

Die Figur 5 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Querschnitt durch eine Aufnahmenut k, die nach dem üiiisetzeu des Heizelements 3 '"it Silikonkautschuk vergossen ist. Man erkennt ferner, wie das aus PTC-Material bestehende Heizelement 3 eine oberflächliche Metallisierung aufweist, an der durch Lötstellen Ik die elektrischen Zuleitungen 15 angeschlossen sind.

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Leerseite

Claims

DR. INQ. HANS LlCHTl ■ DIPL.-INQ. HEINER LICHTI

-JX. t.\ · — I I". V J · .' ί . Α· .ι . 1· : ι -..Uo'- '-X-I

PATENTANWÄLTE

D-7500 KARLSRUHE 41 (GRÖTZINGEN) · DURLACHER STR.31 (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) 48511

Firma Fritz laichenaucr ürubii & Oo. KG
iJ-b/'l'i ii. ei η d ο 1 / Ffnlz

η t e υ t ν. χϊ ä μ r ii c Ii e

elektrische ..idex-stundäheizeijirichtuii^,, insbesondere für Getränkezubereitungsiaascliiiiea wie Kaxfee-iiaachxrien od. dgl,, mit mindestens einen: aei ze lenient und mit einem ¥ns s erdurchlauf kanal, wobei das heizelement bzvj. die Heizelemente und der ..r.sserdurohlaufkanal in sfärmeleitender Verbindung stellen,
gekennzeichnet durch einen aufbau als plottenförmiges Vollteil (Heizplatte 1), wobei der j as s er aurclil m iihanal (i-} in die lieizplatte (1) eingeformt ist uüu -.-.obel das Iieizelement bzw. die iieiz— elemente (3) in i" CIi-: üeizplatte (1) eingefornvten Aufnaiimenuten (4) arigeoidnet sind.

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ORIGINAL /NSPECTED

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2. iilektriäche .»iderstandsheizeinrichtuiig nach niispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement bzw« die Heizelemente (3) aus einem Material mit positivem ieiaperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (PTC-iSiaterial) bestehen.
3, iilektrische .«iderstandsheizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (3) als planparallele Platten ausgebildet sind und mit auf den ΐΐ a s s er dur chi auf kan al (2) zuweisender Flächennormalen angeordnet sind.
k. elektrische -iderstandsheizeinrichtung nach einem der i.nsprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahiuenuten (4) mit einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse (5) ausgefüllt sindo
5. elektrische widerstandsheizeinrichtung nach einem der .aisprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der «asserdurchiaufkanal (2) mindestens zwei zueinander parallele,durch eine Umlenkung (7) verbundene Zweige (6) aufweist, und daß zumindest zwischen den Zweigen (6) Heizelemente (3) angeordnet sind.
6. Elektrische Widerstandsheizeinrxchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der liasserdurchlaufkanal (2) als ebener Mäander mit einer Mehrzahl von zueinander parallelen und durch Umlenkungen (7) verbundenen Zweigen (6) besteht und daß die Heizelemente (3) mit zur Mäanderebene senkrechter Flächenausdehnung sowie zumindest zwischen den Zweigen (6) angeordnet sind.

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7. iLlektrische wilderst andsheizeinrichtung nach
einem der Anspi~üche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserdurchlaufltrn-il (_) von -iai^r Seli-c her in die Heizplatte (1) eingebracht und durch eine auf diese Seite abdichtend aufgesetzte abdeckplatte (8)
geschlossen ist.
8. Elektrische ividerstandsheizeinrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplatte (l) aus mindestens einem Profilmateri al ab schnitt (10a, b) besteht, wobei der v/asser—

durchlauf kanal (2) im Querschnitt des Profilmaterials vorgeformt und durch auf beiden Seiten der Heizplatte (1) abdichtend aufgesetzte Abdeckplatte (8) geschlossen ist.
9. Elektrische widerstandsheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmenuten (k) von zumindest einer Stirnseite her fingerförmig zwischen die Zweige (6) des »asserdurchlaufkanals einfassen_o
10. Elektrische ividerstandsheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmenuten (4) die Heizplatte (1) nicht durchsetzen.

H₀ Elektrische Widerstandsheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
an der Stirnseite bzw_o den Stirnseiten der Heizplatte (l) den Öffnungen des Wasserdurchlaufkanals (2) zugeordnete Anschlußstutζen (9) eingeklebt sind.

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