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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung zum Erwärmen eines
Fluids, insbesondere von Waschflüssigkeit
einer Scheibenwaschanlage, in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein
metallisches Gehäuse
mit einem ersten Ende zum Eintauchen in die zu beheizende Flüssigkeit
und einem zweiten Ende mit einem elektrischen Anschluß; und mindestens
ein Heizelement, das in dem Gehäuse
angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Flüssigkeitsbehälter für ein Kraftfahrzeug,
insbesondere zum Aufnehmen von Waschflüssigkeit einer Scheibenwaschanlage,
umfassend eine Flüssigkeitspumpe
zum Fördern
der Flüssigkeit
und eine elektrische Heizeinrichtung zum Beheizen der Flüssigkeit.
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Eine
solche Heizeinrichtung ist aus der
DE 102 58 257 A1 bekannt. Die bekannte Heizeinrichtung
kann zum Erwärmen
von Dieselkraftstoff, Kühlwasser
oder Harnstoff, der als Amoniaklieferant für einen Katalysator benötigt wird,
eingesetzt werden. Das Gehäuse
der bekannten Heizeinrichtung ist ein Fließpreßteil aus Aluminium, in dem
sich ein Heizeinsatz mit einem oder mehreren PTC-Heizelementen befindet.
Nach dem Einbringen der Heizelemente wird das Gehäuse verpreßt, so daß ein guter
thermischer Kontakt zwischen den Heizelementen und dem Gehäuse erzeugt
wird. Die bekannte Heizeinrichtung ist zwar zum Beheizen verschiedenster
Flüssigkeiten in
einem Kraftfahrzeug geeignet und robust genug, um bei einem Einfrieren
der Flüssigkeit
auch Eisdruck standhalten zu können,
es hat sich jedoch gezeigt, daß je
nach Einbaulage, zu beheizender Flüssigkeit oder Form des zugehörigen Flüssigkeitsbehälters kostenintensive
Konstruktionsanpassungen erforderlich sind, um anwendungsspezifische
Anforderungen hinsichtlich Abmessungen und/oder Heizleistung zu
erfüllen.
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Bei
jeder Neu- oder Weiterentwicklung eines Kraftfahrzeugs ändern sich
in der Regel die Maße
der darin vorhandenen Flüssigkeitsbehälter und
unter Umständen
auch die Anforderungen an die Heizleistung der jeweils benötigten Heizeinrichtung.
Aus diesem Grund entstehen bei der bekannten Heizeinrichtung regelmäßig erhebliche
Kosten, wenn eine Anpassung an geänderte Flüssigkeitsbehälter neuer Kraftfahrzeugmodelle
erforderlich ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische
Heizeinrichtung der eingangs genannten Art mit geringeren Kosten
an vorgegebene Randbedingungen, insbesondere von einem Flüssigkeitsbehälter vorgegebene
Maße,
angepaßt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß das
Gehäuse
ein Rohr, vorzugsweise ein Profilrohr ist, das an dem ersten Ende
mit einem Propfen aus Kunststoff abgedichtet ist.
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Durch
Verwendung eines Profilrohrs als Gehäuse lassen sich gegenüber dem
Stand der Technik, bei dem ein Fließpreßteil oder ein tiefgezogenes Gehäuse verwendet
wurde, erhebliche Kosten einsparen. Ein tiefgezogenes Gehäuse oder
auch ein Fließpreßteil machen
erhebliche Werkzeugkosten erforderlich, die bei jeder Änderung
der Abmessungen der Heizeinrichtung neu investiert werden müssen. Demgegenüber kann
ein Profilrohr kostengünstig
als Standardteil hergestellt oder bezogen werden. Anpassungen an
geänderte
Flüssigkeitsbehälter sind leicht
möglich,
indem das Profilrohr auf eine gewünschte Länge zugeschnitten und bei Bedarf
auch gebogen wird. Mit der Länge
kann auch die Anzahl der verwendeten Heizelemente und damit die
Heizleistung problemlos an geänderte
Anforderungen angepaßt
werden.
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Eine
Heizeinrichtung mit einem Profilrohr als Gehäuse hat zunächst den scheinbaren Nachteil, daß das in
die Flüssigkeit
eintauchende Ende mit aufwendigen Mitteln abgedichtet werden muß, um selbst bei
der zu erwartenden thermischen Belastung durch häufiges Erwärmen, Abkühlen und Einfrieren der Flüssigkeit
(Temperaturbereich –30°C bis + 130°C) dauerhaft
und zuverlässig
flüssigkeitsdicht
zu sein. Insbesondere muß die
Heizeinrichtung auch Eisdruck standhalten, falls die Flüssigkeit
einfriert.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß sich
das Profilrohr kostengünstig
durch einen Pfropfen aus Kunststoff über eine Vielzahl von Aufbau-
und Einfrierzyklen bei Temperaturen zwischen –40°C und 125°C flüssigkeitsdicht verschließen läßt. Auf
diese Weise ist eine besonders kostengünstige Fertigung möglich. Der
Pfropfen wird bei der Montage einfach in das abzudichtende Ende
des Profilrohrs gesteckt. Besonders geeignet sind Kunststoffe mit
einer Shore-A Härte
(bei Raumtemperatur) von 40 bis 80, vorzugsweise von 50 bis 70,
insbesondere 55 bis 65. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff
um einen elastomeren Kunststoff, beispielsweise ein thermoplastisches
Elastomer, oder eine Kautschukmischng, beispiels weise NBR (Acryl-Nitril-Butadien) oder
HNBR. Besonders gut geeignet ist Ethylen-Propylendien-Kautschuk.
Bevorzugt hat der Kunststoff einen Kurzzeit-Druckverformungsrest
von weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 25%, insbesondere
weniger als 20%.
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Mit
einer Heizeinrichtung zum Beheizen von Waschflüssigkeit für eine Scheibenwaschanlage
eines Kraftfahrzeugs muß innerhalb
von kurzer Zeit (ca. 20 min.) mindestens ¼ l Waschflüssigkeit
aufgetaut werden können,
so daß diese
von einer Flüssigkeitspumpe
versprüht
werden kann. Es hat sich gezeigt, daß selbst bei Heizeinrichtungen
mit an sich ausreichender Heizleistung selbst nach 20-minütigem Betrieb
manchmal noch kein Waschwasser versprüht werden kann. Dies liegt
in der Regel daran, daß in
solchen Fällen
zwar eine große
Menge Waschflüssigkeit
in dem Behälter
aufgetaut wurde, aber in einem Ansaugbereich der Pumpe noch Eis vorhanden
ist, das einen Flüssigkeitsstrom
blockiert.
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Bevorzugt
ist deshalb an der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
mindestens ein metallisches Wärmeleitelement
befestigt, mit dem sich Wärme
von dem Profilrohr in ein besonders kritisches Volumenelement in
dem Flüssigkeitsbehälter, beispielsweise einen
Flüssigkeitsdurchlaß, den Ansaugbereich
einer Pumpe, oder eine Einlaßöffnung,
hinein leiten läßt. Besonders
günstig
ist es, wenn das Wärmeleitelement
einen in den Flüssigkeitsbehälter hineinragenden
Ansaugstutzen der Pumpe berührt.
Auf diese Weise läßt sich
Wärme besonders
effektiv in diesen kritischen Bereich einleiten.
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Bevorzugt
liegt das mindestens eine Wärmeleitelement
mit einer Wärmekontaktfläche an dem Ansaugstutzen
der Flüssigkeitspumpe
an. Für
eine möglichst
gute Wärmeleitung sollte
der Ansaugstutzen von der Wärmekontaktfläche mindestens
auf einer Hälfte
seines Umfangs berührt
werden. Bei einem Ansaugstutzen, der seitliche Öffnungen aufweist, läßt sich
dies am einfachsten dadurch erreichen, daß der Ansaugstutzen mit seinem
in dem Flüssigkeitsbehälter hineinragenden
Ende auf dem Wärmeleitelement
ruht. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, ein Wärmeleitblech
mit einer passend zu dem Ansaugstutzen geformten Ausnehmung zu versehen,
mit der es den Ansaugstutzen umgibt. Typischerweise hat der Ansaugstutzen
einen kreisförmigen
Querschnitt, so daß das
Wärmeleitblech
an seinem Rand entsprechend mit einer halbkreisförmigen Ausnehmung versehen
wird und der Ansaugstutzen in diesem Fall auf genau der Hälfte seines
Umfangs berührt
wird.
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Besonders
günstig
ist es, das Wärmeleitelement
mit einem Durchbruch zu versehen, durch den der Ansaugstutzen hindurchragt,
so daß er
auf seinem gesamten Umfang das Wärmeleitelement
berührt.
Handelt es sich bei dem Wärmeleitelement
um ein Wärmeleitblech,
so läßt sich
ein Durchbruch einstanzen, der von Laschen umgeben ist. Wird der
Ansaugstutzen durch den Durchbruch geschoben, so werden die Laschen
zurückgebogen
und liegen federnd an dem Ansaugstutzen an, wodurch sich eine besonders
große
Wärmekontaktfläche ergibt.
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Ein
Flüssigkeitsbehälter mit
einer Heizeinrichtung für
die Waschflüssigkeit
der Scheibenwaschanlage eines Kraftfahrzeugs, wobei die Heizeinrichtung
metallene Wärmeleitelemente
aufweist, die zum Teil in den Ansaugberich der Flüssigkeitspumpe ragen,
ist aus der
DE 203
15 852 U1 bekannt. Die Wärmeleitelemente der bekannten
Heizvorrichtung bilden kammerartige, unten und oben offene Hohlräume, so
daß während des
Auftauvorgangs ringsum aufgetaute Eissäulen entstehen können, deren
restliches Auf tauen bzw. Abschmelzen insofern schneller erfolgen
kann, als Wärme
von allen Seiten zugeführt wird
und darüber
hinaus diese Eissäulen
sich nach einer Seite neigen können,
um wieder mit einem Wärmeleitelement,
d.h. einer Kammerwand, in unmittelbare Berührung zu kommen und so schneller
zu schmelzen.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß Wärmeleitelemente, die eine offene
Struktur bilden, die frei von der zu beheizenden Flüssigkeit
umspült
werden kann, ein schnelleres Aufheizen ermöglichen. Insbesondere kann
mit einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
schneller ein Kanal von einer Nachfüllöffnung des Flüssigkeitstanks
bis zu dem Ansaugbereich der Pumpe freigeschmolzen werden.
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Hierfür ist es
besonders günstig,
wenn das Gehäuse
der Heizeinrichtung aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist.
Da Aluminiumlegierungen eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit
haben, als beispielsweise für
Gehäuse
von Heizeinrichtungen gebräuchliche
Edelstahllegierungen, verteilt sich die von den Heizelementen erzeugte
Wärme wesentlich gleichmäßiger über ein
Gehäuserohr
aus einer Aluminiumlegierung als über ein Gehäuserohr aus Edelstahl. Wenn
das Gehäuserohr
einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
parallel zu dem freizuschmelzenden Kanal angeordnet wird, läßt sich
die von den Heizelementen erzeugte Wärme mit dem Gehäuserohr
auf die gesamte Länge
des aufzutauenden Kanals verteilen.
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Für eine kostengünstige Fertigung
einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
wird das Wärmeleitelement
bevorzugt auf das Profilrohr aufgeschoben und anschließend verpreßt. Besonders
kostengünstig
ist es, wenn das Wärmeleitelement
ein ausgestanztes Wärmeleitblech,
beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ist. Bevorzugt hat das
Wär meleitblech
eine Stärke
von mindestens 2 mm. Überraschenderweise
läßt sich
mit einem dünneren
Blech Wärme
in einer Flüssigkeit
wegen seiner großen Wärmetauschfläche schlecht
transportieren, so daß die
Flüssigkeit
nur lokal erwärmt
wird.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand
eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Die beschriebenen Merkmale können
einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
in einer Vorderansicht;
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2 das
in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer Rückansicht;
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3 das
in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt;
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4 einen
Flüssigkeitsbehälter mit
der in 1 bis 3 gezeigten Heizeinrichtung
in einer Querschnittsansicht;
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5 einen
Querschnitt einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;
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6 einen
Querschnitt eines Pfropfens zum Verschließen des Gehäuserohrs der Heizeinrichtung
und
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7 den
in 6 dargestellten Pfropfen in einer Draufsicht.
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Das
in 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
einer elektrischen Heizeinrichtung 1 zum Beheizen von Flüssigkeit
in einem Kraftfahrzeug umfaßt
ein metallisches Gehäuserohr 2 mit
einem ersten Ende 3 zum Eintau chen in die zu beheizende Flüssigkeit
und einem zweiten Ende 4 mit einem elektrischen Anschluß 5.
Das Gehäuserohr 2 ist
ein Profilrohr, das an dem ersten Ende 3 mit einem flüssigkeitsdichten
Verschluß 6 aus
Kunststoff (3) abgedichtet ist. Bei diesem
Verschluß handelt
es sich um einen Pfropfen, der in 6 und 7 im
Detail dargestellt ist.
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Bei
dem Profilrohr 2 handelt es sich um ein Vierkantrohr mit
zwei langen Seiten 8 und zwei kurzen Seiten 9.
Wie 3 zeigt, befindet sich in dem Profilrohr 2 mindestens
ein plattenförmiges
Heizelement 11. Die Anzahl der Heizelemente 11 wird
für eine
gegebene Anwendung entsprechend der Heizleistung und der benötigten Länge des
Profilrohrs 2 gewählt.
Bei den Heizelementen 11 handelt es sich um PTC-Heizelemente,
die eine intrinsische Temperaturbegrenzung aufweisen, so daß auf aufwendige Maßnahmen
zur Temperaturbegrenzung verzichtet werden kann.
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Der
innere Aufbau der Heizeinrichtung ist am besten in den Längs- und
Querschnittsdarstellungen der 3 und 5 zu
erkennen. Die Heizelemente 11 sind zentrale Bauelemente
eines Heizeinsatzes, der einen Montagerahmen 13, zwei Kontaktbleche 14, 15 und
einen Isolierstreifen 16 enthält.
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Nähere Einzelheiten
eines solches Heizeinsatzes sind in der
DE 102 58 257 A1 beschrieben
deren diesbezügliche
Offenbarung durch Bezugnahme zum Gegenstand der Anmeldung gemacht
wird. Durch einen Heizansatz mit einem Montagerahmen
13 läßt sich
die Fertigung wesentlich vereinfachen, da eine leicht handhabbare
Einheit in das Profilrohr
2 eingebracht wird. Nach dem
Einbringen des Heizeinsatzes wird das Profilrohr
2 verpreßt, so daß das oder die
Heizelemente
11 in dem Gehäuserohr
2 eingeklemmt sind.
Das Verpressen des Profilrohrs
2 erzeugt einen guten thermischen
Kontakt der Heizelemente
11 mit dem Gehäuse. Möglich ist es aber auch, auf
ein Verpressen zu verzichten und die Heizelemente beispielsweise
durch Federelemente im Innern des Gehäuses zu verpressen.
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Zur
Verbesserung der Wärmeabfuhr
ist an dem Profilrohr 2 ein metallisches Wärmeleitelement 20 befestigt.
Bei dem Wärmeleitelement 20 handelt es
sich um ein ausgestanztes Wärmeleitblech
aus einer federharten Aluminiumlegierung, beispielsweise aus AlMgSi,
insbesondere AlMgSi0,5...1. Das Wärmeleitblech 20 hat
eine Stärke
von 2 bis 3 mm und weist mehrere Schlitze 21 auf, durch
die das Profilrohr 2 hindurchtritt, so daß Blechabschnitte 22, 23 des
Wärmeleitblechs 20 alternierend
an gegenüberliegenden Seiten
des Profilrohrs 2 anliegen. Die Blechabschnitte 22, 23 werden
bei der Montage auseinander gebogen und das Profilrohr 2 alternierend
in die geschlitzten Abschnitte eingefädelt. Auf diese Weise wird
zwischen dem Wärmeleitblech 20 und
dem Profilrohr 2 ein Reibschluß erzeugt, der für eine rutschfeste
Verbindung mit guter Wärmeankopplung
sorgt. Zur Verbesserung dieses Reibschlusses und der Wärmeankopplung
wird das Wärmeleitblech 20 nach
dem Aufschieben auf das Profilrohr 2 nochmals verpreßt.
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Der
besseren Übersichtlichkeit
wegen ist das Wärmeleitelement
in 5 nicht dargestellt, sondern nur in 1 bis 4 zu
sehen.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Flüssigkeitsbehälters 30 für ein Kraftfahrzeug,
in den die im vorhergehenden beschriebene Heizeinrichtung 1 eingebaut
wurde. Der gezeigte Flüssigkeitsbehälter 30 dient
zur Aufnahme von Waschflüssigkeit für eine Scheibenwaschanlage.
Das Profilrohr 2 der Heizeinrichtung 1 wurde gebogen,
um es an die gegebene Form des Flüssigkeitsbehälters 30 anzupassen.
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Führen tiefe
Temperaturen zu einem Einfrieren der Waschflüssigkeit in dem gezeigten Behälter 30,
so ist es besonders wichtig, daß zunächst die Flüssigkeit
im Ansaugbereich eines Ansaugstutzens 31 der Flüssigkeitspumpe 29 aufgetaut
wird, damit möglichst
bald Waschflüssigkeit
versprüht
werden kann. Aus diesem Grund ragt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Abschnitt 24 des Wärmeleitelements 20 in
den Ansaugbereich hinein. Das Wärmeleitblech 20 hat
einen passend zu dem Ansaugstutzen 31 geformten Durchbruch,
durch den der Ansaugstutzen hindurchragt. Der Rand dieses Durchbruchs
bildet eine Wärmekontaktfläche, mit
dem das Wärmeleitblech 20 an
dem Ansaugstutzen 31 anliegt, so daß Flüssigkeit in dem Ansaugstutzen
durch einen guten Wärmekontakt
rasch aufgetaut werden kann.
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Das
Profilrohr 2 der Heizeinrichtung 1 ist an seinem
zweiten Ende 4 stoffschlüssig mit einem Deckel 32 zum
Verschließen
einer Öffnung
des Flüssigkeitsbehälters 30 verbunden.
Wie die in 3 gezeigte Schnittansicht zeigt,
trägt der
Deckel 32 den Anschluß 5 der
Heizeinrichtung 1, so daß die Heizeinrichtung 1 leicht
an ihrem Einbauort in einem Kraftfahrzeug montiert werden kann.
Ein Zwischenraum 33 zwischen dem Deckel 32 und
dem zweiten Ende 4 des Profilrohrs 2 ist mit einer
Vergußmasse, bevorzugt
auf Polyurethanbasis, ausgefüllt.
Auf diese Weise wird ein flüssigkeitsdichter
Abschluß des
Profilrohres 2 erreicht, wobei zugleich Fertigungstoleranzen
ausgeglichen werden können.
Alternativ kann der Deckel 32 auch als ein Gummiformteil
ausgebildet sein.
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Wie
bereits erwähnt
ist das Profilrohr 2 an dem ersten Ende 3, das
bestimmungsgemäß in die zu
beheizende Flüssigkeit
eintaucht, mit einem Pfropfen 6 aus Kunststoff abgedichtet.
Bevorzugt sind elastomere Kunststoffe und Kautschukmischungen, insbesondere
Ethylen-Propylendien-Kautschuk, der
einen ausgezeichneten Druckverformungsrest aufweist. Der Kurzzeit-Druckverformungsrest
ist bevorzugt kleiner als 20%. Anhand von 6 kann man erkennen,
daß der
Querschnitt des Pfropfens 6 an die konkaven Einbuchtungen
der Seiten 8 des Profilrohrs 2 angepaßt ist.
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Vor
dem Verpressen sind die langen Seiten des Profilrohrs 2 konkav
eingebuchtet. Der in 6 im Querschnitt gezeigte Pfropfen 6 hat
eine entsprechende Form. Nach dem Einbringen des Heizeinsatzes wird
das Profilrohr 2 im Bereich der Heizelemente verpreßt. Durch
das Verpressen werden die langen Seiten im Bereich der Heizelemente
eben. Dadurch entsteht eine Federspannung, die für einen guten thermischen Kontakt
zwischen dem Profilrohr 2 und den Heizelementen sorgt.
Es hat sich gezeigt, daß es für das Abdichten
des Profilrohrs 2 an dem ersten Ende 3 günstig ist,
wenn das Profilrohr 2 dort nicht verpreßt wird.
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Der
Pfropfen 6 ist mit einer Fase versehen, um leichter in
das Profilrohr 2 gesteckt werden zu können. Wie 7 zeigt,
hat der Pfropfen 6 mehrere umlaufende Rippen 40,
um seinen Sitz in dem Profilrohr 2 zu verbessern und die
Dichtwirkung zu erhöhen.
Der für
den Pfropfen 6 verwendete Kunststoff hat bei Normalbedingungen
eine Shore-A Härte
von 60 bis 70 und ist von mindestens –40°C bis 125°C temperaturbeständig.