DE2804818A1

DE2804818A1 - Elektrische widerstandsheizeinrichtung

Info

Publication number: DE2804818A1
Application number: DE19782804818
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: FR2416613B3; ES477370A1; GB2014418A; FR2416613A1; GB2014418B; US4334141A; DE2804818C2

Description

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

Jiplo.-Phys. Dr₀ Klaus i>eutwein PATENTANWÄLTE

D-7500 KARLSRUHE 41 (GRÖTZINGEN) · DU RLAC H E R STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) 48511

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Firma Fritz iSichenauer GmbH & Co« KQ K a η d e 1 / Pfalz

iilektrische Widerstandsheizeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische ¥iderstandsheizeinrichtung mit mindestens einem Heizelement und mit einem liasserdurchlaufkanal 1 wobei das Heizelement bzw» die Heizelemente und der iiasserdur chi auf kanal in wärmeleitender Verbindung stehen,, Insbesondere, wenngleich nicht ausschließlich bezieht die Erfindung sich auf elektrische Widerstandsheizeinrichtungen dieses Aufbaus, wie sie für Getränkezubereitungsmaschinen wxe ivaffeeaaschinen od. dgl_o vorgesehen sindo Dabei tritt das in einem Behälter über dem Niveau der Heizeinrichtung enthaltene kalte ¥asser durch eine Zuleitung in den Wasserdurchlaufkanal ein, wird hier erhitzt und beispielsweise auf den in einem Filter vorgesehenen gemahlenen Kaffee geleitet. Üblicherweise ist dieses Gefäß auf einer Abstellplatte abgestellt, die in wärmeleitender Verbindung mit der Heizeinrichtung >teht und somit das Kaffeegetränk warmhält.

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Bei den (aus der Praxis) bekannten elektrischen Widerstandheizeinrichtungen der erläuterten Gattung besteht das Heizelement aus eineia elektrischen Rohrheizkörper, der mit dem als metallisches E.ohr ausgeführten Wasserdurchlaufkanal air Herstellung der wärmeleitenden Verbindung verlötet bzw· vorschweißt ist. Im übrigen ist üblicherweise ein Temperaturregler vorgesehen, der die Stromzufuhr unterbricht, wenn der rfasservorrat 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, insbesondere ist der Wärmeübergang zwischen Heizelement und Wasserdurchlaufkanal verbesserungsbedürftig. Außerdem sind diese bekannten elektrischen Widerstandshexzeleinente hinsichtlich Herstellung und Montage im Gerät verhältnismäßig aufwendig. Insbesondere aber besteht bei diesen bekannte !lenzeinrichtungen der Nachteil, daß eine Auslegung für unterschiedliche Abmessungen oder unterschiedlichen Leistungsbedarf nur in der Weise möglich ist, daß sowohl Rohrheizkörper als auch Wasserdurchlaufkanal jeweils gesondert für jede einzelne Aufgabe konstatiert und gefertigt werden. Jas macht die Anpassung an unterschiedliche Aufgabe umständlich und kostenaufwendig.

üer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische .iiderstandsheizeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die sich bei verbessertem thermischen Wirkungsgrad

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in einfacher und kostengünstiger Weise herstellen, mon~ tieren und insbesondere für unterschiedliche Einsatzzwecke und Aufgabe anpassen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hauptsächlich gelöst durch einen Aufbau aus einer Mehrzahl von prismeiif örmigen Heizplattensegmenten, die nebeneinander angeordnet und miteinander verspannt sind, wobei das Heizelement bzw. die Heizelemente zwischen einander zugewandten Flächen benachbarter Heizplattensegmente angeordnet sind und wobei der Wasserdurchlaufkanal aus Längsausnehmungen der Heizplattensegmente besteht, die außenseitig durchgängig miteinander verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird damit die Heizeinrichtung aus einer wählbaren Vielzahl von unter sich gleichartigen Heizplattensegmenten zusammengesetzt, wobei sandwichartig zwischen benachbarten Heizplattensegmenten jeweils die Heizelemente angeordnet sind und aufgrund der Verspannung des ganzen Gebildes in optimalem thermischen Kontakt mit den Heizplattensegmenten und damit auch mit dem die Heizplattensegmente durchziehenden Wasserduchlaufkanal stehen. Das ganze Gebilde aus Heizplattensegmenten und Heizelementen bildet eine Heizplatte, die sich in einfachster Weise in einem Gerät montieren und sich zugleich so ausbilden läßt, daß sie selbst eine wärmeabgebende Aufstellfläche für einen Kaffeebehälter od. dgl. bildet, so daß eine zusätzliche Aufstellplatte nicht vorgesehen werden muß. Wesentlich ist vor allem, daß die Heizplatte aus einer wählbaren Anzahl von unter sich gleichen und damit weitestgehend normierbaren Heizplattensegmenten zusammengesetzt ist. Überdies besteht auch die Möglichkeit,

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die Verteilung der Heizelemente zwischen den Heizplatten— Segmenten nach Belieben zu variieren, beispielsweise die Heizelemente in unterschiedlichen Abständen anzuordnen oder zwischen einzelnen Hexzplattensegmenten auch gar keine Heizelemente vorzusehen. Damit besteht die Möglichkeit der Anpassung an unterschiedlichste Forderungen hinsichtlich Abmessungen, Leistungsbedarf und Leistungsdichte, üie Heizplattensegmente sind erfindungsgemäß prismenförmig ausgebildet, wobei die Querschnittsform unterschiedlich gewählt werden kann» Die Herstellung kann beispielsweise durch Gießen oder durch Ablängen von entsprechend gestaltetem Stabmaterial erfolgen. Jedes der Heizplattensegmente weist eine durchgehende Längsausnehmung auf, ein zusammenhängender Wasserdurchlaufkanal wird dadurch geschaffen, daß die einzelnen Längsausnehmungen außerhabl der Heizplattensegmente miteinander verbunden und dabei je nach Bedarf parallel, in Reihe oder gemischt geschaltet werden.

Grundsätzlich 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) bestehen. Solche PTC-Heizelemente sind an sich bekannt (vgl. DT-OS 25 C4 237), bestehen gewöhnlich aus einem Keramikmaterial, insbesondere auf Bariumtitanat-Basis, und haben die Eigenschaft, daß sie sich in ihrer elektrischen

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Leistungsaufnahme gleichsam selbst stabilisieren. Im
kalten Zustond ist ihr Widerst and gering, und es fließt dementsprechend bei vorgegebener elektrischer Spannung
ein verhältnismäßig hoher Stronio dadurch wird in kurzer Zeit die Betriebstemperatur· mit dem vorgesehenen Betriebs— widerstand erreicht. I\'irmr!t ctus irgendwelchen Gründen die Temperatur des PTC—Heizelements über die vorgesehene
Temperatur hinaus zu, so steigt der »viuerstanti weiter an, so dnß die umgesetzte elektrische Leitung reduziert wird«, Infolgedessen kann bei Einsatz von PTC-iieizelenienten sowohl auf Temperaturregler als auch auf Überhitzungsschutz verzichtet werden. jJex' Einsatz solcher PTC-Beizeleniente ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Einerseits sind die üblichen üinbau— und Montagetnaßnahmen auf PTC—Heizelemente nicht anwendbar, weil diese gewöhnlich in Form von verhältnismäßig kleinen, üblicherweise planiDarallelen Plättchen vorliegen. Andererseits muß beim einsatz von
PTC—Heizelementen ganz besonders auf einen einwandfreien, thermischen Kontakt geeichtet werden. Für die vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Anordnung ist von besonderer Bedeutung, daß damit der isinsatz von PTC-iieizelenjenten bei elektrischen »iiderstandsheizeinrichtungen der eingangs erläuterten Gattung ermöglicht wird.

Iin einzelnen wir die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die Heizelemente aus im wesentlichen plcinparallelen Plättchen aus PTC-Keramik bestehen und die fieizplattensegmente rechteckigen querschnitt aufvraisen. Die lleizplattensegmente sind dabei nicht unmittelbar aneinander sondern

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mittelbar aber die Heizelemente aneinander abgestützt und orientiert, svobei eine im wesentlichen ebene Struktur resultiert. Die Heizelemente sind üblicherweise an ihren Breitseiten utetallisiert und durch Löten mit Zuleitungen verbunden. Um eine ötörung der Parallelanordnung zu vermeiden, eirpfiehlt es sich, die Lötstellen an den Schmalseiten der Heizelemente vorzusehen bzw. an den einander zugewandten Flächen der iieizplattensegmente entsprechende iliinsenkungei! vorzusehen. Ferner empfiehlt es sich, die ileizel emente durch Einlagen aus elektrisch isolierendem und gut ivärmeleiteiidem Material, beispielsweise aus Aluminiumoxid—Keramik von den Heizplatterisegtnenten zu isolieren. Zui' Verbesserung des Wärmeübergangs und zur Erzielung einer möglichst homogenen Erwärmung der ganzen Anordnung empfiehlt es sich, die freien Zivischenräume zwischen beneich— barten lieizplattenseguienten mit einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse auszufüllen, beispielsweise mit Silikonkautschuk auszugießen»

üc.s Verspannen der Iieizplattensegmente kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Heizplattensegniente mit miteinander fluchtenden yuerausnehmungen zu versehen und mittels die Querausnehmungen durchsetzender Schraubbolzen zu verspannen. Selbstverständlich dürfen dabei die ^uerausnehmungen die den iVasserdurchlaufkaricil bildenden Längsausnehmungen nicht schneiden. Um eine definierte Pressung zu erreichen, kann es sich empfehlen, die schraub bolzen mit Federzvrischenlagen auszurüsten.

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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Heizplattensegmente an ihren Stirnseiten zumindest je eine Verbindungslasche aufweisen und durch Verbindungselemente miteinander verspannt sind, die die Laschen benachbarter Heizplattensegmente paarweise verbinden· Zu bevorzugen ist dabei eine Ausführungsform, in der an jeder Stirnseite jedes Heizplattensegments zwei Laschen vorgesehen sind. Die Laschen können mittels in Bohrungen eingesetzter Schrauben miteinander verbunden werden. Eine noch einfachere Möglichkeit besteht darin, die Verbindungselemente als die Laschen übergreifende Bügel auszuführen.. Um einen besonders sicheren Sitz dieser Bügel zu erreichen, kann es sich empfehlen, an den Laschen Rastausbildüngen vorzusehen, in die die Bügel eingesetzt werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß die Bügel aus Federklammern bestehen, die vorzugsweise im wesentlichen U-förmig gestaltet sind und damit eine gewisse Nachgiebigkeit gewährleisten, so daß keine unkontrollierbaren Spannungen auf die Heizelemente einwirken. Wo eine in dieser Weise selbstnachgiebige Verspannung nicht gegeben ist, gegebenenfalls aber auch zusätzlich dazu kann eine definierte Pressung der Heizelemente dadurch erreicht werden, daß zwischen zumindest einer Seite der Heizelemente und der anliegenden Fläche eines der benachbarten Heizplattensegmente eine federnde Abstützung vorgesehen ist, die selbstverständlich gleichfalls eine gute Wärmeableitung gewährleisten sollte. Eine solche federnde Abstützung kann beispielsweise in Form eines gewellten Federblechs ausgeführt werden.

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Urn in einfacher ifeise die V ex-bin dung zwischen den einzelnen Längsausnehmungen zum zusammenhängenden Wasserdurchlaufkanal herzustellen, empfiehlt es sich, die Heizplattensegmente an ihren Stirnseiten mit den Längsausnehmungen zugeordneten Anschlußstücken zu versehen. Diese Anschlußstücke können beispielsweise die Form von einfachen Rohransätzen oder von Schlauchwellen aufweisen und angegossen, von Stabmaterial abgedreht oder in die Längsausnehmungen eingekittet bzw. eingeklebt sein. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Verbindung in einfachster Weise durch entsprechende Schlauchabschnitte. Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf die Stirnseiten der Heizplattensegtnente starre Anschlußkappen abdichtend aufzusetzen, die den Längs ausnehmungen zugeordnete und an Zu- bzw. Ablauf angeschlossene Verbindungskanäle aufweisen. Durch die Auslegung der Verbindungskanäle wird dabei festgelegt, in welcher Weise die Längsausnehmungen der einzelnen Heiqiattensegmente untereinander parallel bzw. in Reihe geschaltet werden.

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

Figur 1 in perspektivischer Darstellung eine elektrische Widerstandsheizeinrichtungj

Figur 2 eine Aufsicht auf den Gegenstand der Figur 1;

Figur 3 den Gegenstand der Figur 2 im Schnitt III-III;

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Figur k ausschnittweise eine andere Ausführungsforrn des Gegenstands der Figur 2;

Figur 5 ausschnittweise eine weitere Ausführungsfortn des Gegenstands der Figur 2.

Die Figur 1 zeigt eine elektrische V/iderstandsbeizeinrichcung, die als Heizplatte für eine Kaffeemaschine vorgesehen ist, in entsprechender Anordnung aber auch für zahlreiche andere Anwendungsfälle eingesetzt werden kann. Man erkennt deutlich, wie die Heizeinrichtung aus einer Mehrzahl prismenförmiger Heizplattensegmente 1 von rechteckigem Querschnitt aufgebaut ist, die mit prallelen einander zugewandten Flächen nebeneinander angeordnet sind. Jedes der Heizplattensegraente weist eine (in Figur 1 nicht erkennbare) durchgehende Längsaxisnehmung 2 auf, an die an beiden Stirnseiten der Heizplattensegraente 1 je ein Anschlußstück 3 angeschlossen ist. Die Längsausnehmungen 2 sind durch auf die Anschlußstücke 3 aufgesetzte Schlauchabschnitte k untereinander zu einem zusammenhängenden Wasserdurchlaufkanal verbunden. Zwischen den einander zugewandten Flächen benachbarter Heizplattensegmente 1 sind Heizelemente angeordnet. Diese bestehen im dargestellten Ausführungsbeispiel aus planparallelen Plättchen aus FTC-Material, sind an ihren den Iieizplattensegmenten 1 zugewandten Breitseiten metallisiert und beispielsweise durch Löten mit Zuleitungsdrähten 6 verbunden. Die Heizelemente 5 sind ferner durch beidseitig zwischengele/.te Einlagen 7 atis elektrisch isolierendem, aber gut wärmeleitendem Material, beispielsweise

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aus rU-uminiumoxid-Keraiuik von den Heizplattensegnienten 1 elektrisch isoliert. Nicht dargestellt ist, daß die verbleibenden Zwischenräume zwischen den lieizplattensegnienten zusätzlich mit einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse, beispielsweise Silikonkautschuk, vergossen werden können. Bei der beschriebenen Anordnung sind die jleizplattensegmente 1 mit den zwischengelegten Heizelementen 5 verspannt, so daß aufgrund der dadurch verursachten Flächenpressung ein hervorragender Wärmeübergang zwischen den Heizelementen 5 und dem die Längsausnehmungen durchströmenden wasser gewährleistet ist.

Bei der Ausfuhrungsform gemäß den Figur 1 bis 3 sind die Heizplattensegmente 1 durch Schraubbolzen 8 miteinander verspannt, die dazu vorgesehenen, miteinander fluchtende i^uerausnehmungen 9 der Heizplattensegmente 1 durchsetzen. Wie die Figur 1 zeigt, sind die Querausntiemungen 9 so angeordnet, daß sie die Längsausnehmungen 2 nicht schneiden.

iJie Figur k zeigt eine andere ausführungsform für die Verspannung der Heizplattensegmente 1. Hier sind an den Stirnseiten der Hexzplattensegmente 1 Verbindungslaschen angeformt und zwar - da hier insgesamt nur zwei Heizplattensegmente 1 voi'gesehen sind - an jeder Stirnseite nur eine Verbindungslasche 10. Zum Verspannen sind die Verbindungslaschen lü der benachbarten Heizplattensegmente 1 mittels in Bohrungen 11 eingesetzter Schrauben 12 paarweise miteinander verbunden.

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Bei der in Figur 5 dargestellten iiusführungsform sind gleichfalls Verbindungslaschen IC an den Stirnseiten der Ileizplattensegaiente 1 angeformt ο Die Verbindung erfolgt hier mit die Verbindungslaschen 10 übergreifender Bügel, die als U— förmige Federklammern l'J ausgeführt sind und in Rastaus— bildungen in Form von Bohrungen 11, gegebenenfalls auch Senkungen odo dgl. eingerastet sind.

Während die Verspannung bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 schon an sich eine gewisse elastische Nachgiebigkeit aufgrund der Federklammer I3 aufweist, ist die Verspannung bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 4 starr. Zumindest in diesem Fall, unter Umständen aber auch bei einer Anordnung gemäß Figur 5» empfiehlt es sich, eine federnde Abstützung vorzusehen, die das Auftreten unzulässiger Spannungen an den Heizelementen 5 verhindert. Eine solche federnde Abstützung ist in den Figuren 4 und 5 in Form eines gewellten Federblechs 14 dargestellt, das zugleich den Wärmeübergang zwischen Heizelement 5 und dem entsprechenden Heizplatten— segment 1 herstellt.

In allen Fällen empfiehlt sich eine Ausführung der Heizplattensegmente als Gußteil bzw. aus Stabmaterial aus Aluminium bzw. einer Aluminiumleg ierung.

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Claims

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

PATENTANWÄLTE

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

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/irma i'ritz Jichenauer ümbü 'ic Co. xvü
j-Gjkk K a η d e 1 / Pfalz

Patent ans ) r ü c h e

l.¹ Elektrische iViderstandslieizeinrichtung, insbesondere für üetränkezubereitungsiiiaschinen wie Kaffeemaschinen od. dgl., mit mindestens einem heizelement und mit eine*,? «as s erdurchlauf kanal, wooei das Heizelement bz>-,. die Heizelemente und der Wasser durchlauf Lraal in vrärniel extender V( rbindung stehen,

ge kennzeichne t dui-ch einen Aufbau aus einer Mehrzahl von prisaienförmigen Heiz— platt ens egnient en (l), die nebeneinander eingeordnet und miteinander verspan;? c sir.u., ⁿ,\robei des iieizcleu;ent bzw. die Heizelemente (p) zwisclien einander zugewandten Flächen benachbarter üeizpl-ttensegmente (l) angeordnet sinu und wobei der Wasserdurchlr.ufkanal aus Längs ausnehmungen (2) der Hexzplattensegtr.ente (l) besteht, die außenseitig durchgängig miteinander verbunden sind_o

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2. Heizeinrichtung nacli i.nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß i-ie Heizelemente (5) aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (PTC-Material) bestehen.
3· Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die Heizelemente (5) aus im wesentlichen ρIiUi₁JiU alielen Plättchen aus PTC-keramik bestehen und daß die Heizplatten-segiiiente (1) rechteckigen Querschnitt aufweisen,
^lt. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (5) durch Einlagen (7) aus elektrisch isolierendem und gut wärmeleitendem Material von den Heizplattensegnient en (1) isoliert sind.
5· Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 'i, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Zwischenräume zwischen benachbarten Heizplattensegtnenten (1) mit einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse ausgefüllt sind.
6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplattensegmente (l) miteinander fluchtende Querausnehmungen (9) aufweisen und mittels die Querausnehnmngen (9) durchsetzender Schraubbolzen (8) verspannt sind.

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7· Heizeinrichtung nach einem dex* Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplattensegmente (1) an ihren Stirnseiten zumindest je eine Verbindungslasche (10) aufweisen und durch Verbindungselemente (12, die die Verbindungslaschen (lü) benachbarter Heizplattensegmente (l) paarweise verbinden, miteinander verspannt sind.
8. Heizeinrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslaschen (lo) mit ßohrungen (11) versehen und mittels in die Bohrungen (H) eingesetzter Schrauben (12) verbunden sind.
9. Heizeinrichtung nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente aus die Verbindungslaschen (10) übergreifenden Bügeln bestehen.
10. Heizeinrichtung nach Anspruch 9 t dadurch gekennzeichnet, daß die Bügel aus vorzugsweise im wesentlichen U-förmigen Federklammern (I3) bestehen.
11. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zumindest einer Seite der Heiz elemente (5) und der anliegenden Fläche eines der benachbarten Heizplattensegmente (1) eine federnde Abstützung vorgesehen ist.
12. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplattensegmente (1) an ihren Stirnseiten den Längsausnehmungen (2) zugeordnete Anschlußstücke (3) aufweisen.

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Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Stirnseiten der Ilei s^lntt ensegaente (1) starre Anschlußkappen abdichtend aufgesetzt sind, die den Längsausneliiiiungen (2) zugeordnete und an einen Zu- bzw. Ablauf angeschlossene Verbindungskonäle aufweisen»

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