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Die Erfindung betrifft eine Heizanordnung.
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Heizanordnungen werden beispielsweise in Heizlüftern in Industrie und Haushalt oder bei der Lufterwärmung im Auto eingesetzt. Die Heizanordnungen können in Austrittsöffnungen verschiedener Querschnittsformen vorgesehen sein. Denkbar sind Heizungsanordnungen für kreisförmige, rechteckige oder quadratische Querschnitte von Austrittsöffnungen oder Kanälen, durch die ein zu erwärmendes Medium, beispielsweise Luft, strömen kann. Die Heizanordnungen haben Wärme abstrahlende Teile, die in der Querschnittsfläche anordnet sind, sodass das zu erwärmende Medium beim Durchströmen der Querschnittsfläche erwärmt wird.
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Eine alternative Heizanordnung ist Gegenstand des Patentanspruchs 1: Die Heizanordnung ist in Rahmenform ausgebildet.
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Die rahmenförmige Heizungsanordnung ist so geformt, dass sie einen freien Bereich umschließt, der nicht zur Beheizung vorgesehen ist. Die Form des umschlossenen freien Bereichs kann beispielsweise rund, oval oder eckig sein; sie ist aber nicht darauf beschränkt.
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In der rahmenförmigen Heizanordnung wird das strömende Medium in der durchströmten Querschnittsfläche beheizt. Die Erwärmung erfolgt randseitig des freien Bereichs durch die rahmenförmige Heizanordnung.
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Vorteilhafterweise ist die Heizanordnung in Ringform ausgebildet, sodass der umschlossene, freie Bereich im Wesentlichen rund oder oval ist. Dies ermöglicht den Einsatz der Heizanordnung in Anwendungen, in denen kreisförmige Austrittsöffnungen vorgesehen sind. Denkbar ist ein Einsatz in Heizlüftern.
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In einer Ausgestaltung ist eine Mehrzahl von Modulen vorgesehen, die um einen von der Heizanordnung umrahmten freien Bereich herum angeordnet sind, wobei die Module zumindest ein Heizelement umfassen. Das Heizelement kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung erhitzt werden. Das Heizelement kann beispielsweise als PTC-Widerstandsheizelement, also als Kaltleiter, ausgebildet sein. PTC steht für „positiver Temperaturkoeffizient”. Bei Anlegen einer Spannung fließt ein Strom durch das PTC-Widerstandsheizelement, es erhitzt sich, wodurch sich sein Widerstand vergrößert, was wiederum den Stromfluss begrenzt. Auf Grund dieses Effekts kann das PTC-Widerstandsheizselement als selbst regelndes Heizelement wirken.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Module Abstrahlelemente, wobei eines oder mehrere der Heizelemente zwischen zweien der Abstrahlelemente angeordnet ist.
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Abstrahlelemente sind Wärme abstrahlende Module, die durch Wärmeübergang von einem benachbarten, warmen Modul, wie dem Heizelement erwärmt werden und diese Wärme abstrahlen. Die Abstrahlelemente haben vorteilhafterweise eine große Oberfläche, insbesondere im Vergleich zu den Heizelementen, über die Wärme an das zu erwärmende Medium abgegeben wird.
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Das Vorsehen von Abstrahlelementen und Heizelementen ermöglicht einen modularen Aufbau der Heizanordnung mit optimierten Modulen. Die Heizelemente können eher kompakt aufgebaut sein, beispielsweise plättchenförmig. Die Abstrahlelemente können hinsichtlich ihrer Abstrahleigenschaften optimiert werden. Ein Ausführungsbeispiel eines Abstrahlelements weist Rippen auf. Die Rippen können dem freien Bereich zugewandt oder in einer alternativen Ausgestaltung von diesem abgewandt sein. Ein anderes Ausführungsbeispiel ist mäanderförmig gefaltet; dies kann durch die Faltung eines Blechs erreicht werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die Oberfläche stark vergrößert gegenüber einem kompakten Körper wie einem Quader. Die vorbei strömende Luft kommt mit einer großen Oberfläche in Berührung, an der sie erwärmt wird. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des Abstrahlelements sind anstatt Rippen Durchbrüche vorgesehen, durch die die Luft strömen kann. Ein zur Wärmeabstrahlung geeigneter Körper kann beispielsweise aus einem Lochblech gefertigt sein.
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Die Heizelemente können mit den Abstrahlelementen elektrisch leitend verbunden sein. Zumindest eines der Heizelemente ist elektrisch leitend mit den benachbarten Abstrahlelementen verbunden. Eine solche elektrisch leitende Verbindung wird bereits erreicht, wenn das Heizelement das benachbarte Abstrahlelement, welches aus elektrisch leitendem Material geformt ist, berührt. Dies erlaubt sowohl das Heizelement über die benachbarten Abstrahlelemente mit Spannung zu versorgen als auch mehrere Heizelemente, zwischen denen Abstrahlelemente vorgesehen sind, räumlich in Reihe und elektrisch parallel zu schalten.
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Vorteilhafterweise ist mindestens ein Kontaktrahmen, der mindestens eines der Module elektrisch kontaktiert, vorgesehen. Über den Kontaktrahmen wird ein Versorgungspotenzial an das Modul angelegt, welches elektrisch kontaktiert wird. Die Kontaktierung kann durch Berührung zwischen dem Kontaktrahmen und dem zu kontaktierendem Modul erfolgen. Zum Anlegen eines weiteren Versorgungspotenzials ist vorteilhafterweise ein weiterer Kontaktrahmen vorgesehen. Die angelegte Versorgungsspannung ergibt sich aus der Potenzialdifferenz.
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In einer Ausführungsform verläuft der Kontaktrahmen an den Seiten der Module, die dem freien Bereich zugewandt sind. Alternative verläuft der Kontaktrahmen an den Seiten der Module, die vom freien Bereich abgewandt sind. Der Kontaktrahmen kann eine Stützfunktion für die Module haben, beispielsweise wenn ein erster Kontaktrahmen auf der vom freien Bereich abgewandten Seite verläuft und ein zweiter Kontaktrahmen auf der dem freien Bereich zugewandten Seite verläuft. Alternativ können beide Kontaktrahmen entlang der dem freien Bereich zugewandten Seite verlaufen oder entlang der dem freien Bereich abgewandten Seite verlaufen; letzteres würde die Wärmeabstrahlung in den freien Bereich nicht beeinflussen.
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Vorteilhafterweise weist der Kontaktrahmen eine Isolierung in Bereichen auf, die benachbart zu nicht zu kontaktierenden Modulen sind. Mit anderen Worten: Im Bereich des zu kontaktierenden Moduls ist keine Isolierung vorgesehen. Die Isolierung verhindert unbeabsichtigte Kontaktierungen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Module entlang zumindest eines Abschnitts des Rahmenverlaufs aneinander geklemmt, sodass sie in kraftschlüssig in ihrer Position gehalten werden. Wegen der Klemmung berühren sich benachbarte Module, sodass sowohl ein guter Wärmeübergang von den Heizelementen zu den Abstrahlelementen als auch eine elektrische Verbindung zwischen den Modulen erreicht wird. Zur Verbesserung der Pressanpassung können Federelemente vorgesehen sein, welche kraftschlüssig zwischen zwei andere Module, vorzugsweise zwischen zwei Abstrahlelemente, geklemmt sind. Vorteilhafterweise sind die Abstrahlelemente und die Federelemente elektrisch leitend. In einem Ausführungsbeispiel sind die Federelemente aus vorgebogenem Federstahl gefertigt, der beim Positionieren zwischen zwei Modulen eine Druckspannung auf diese überträgt.
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In einer Ausgestaltung ist ein rahmenförmiges Gehäuse vorgesehen, in dem die Module angeordnet sind. Die aneinander geklemmten Module sind vorteilhafterweise gegen zumindest eine Wand des Gehäuses gepresst, um sie in ihrer Position zu halten. Bei einem runden Gehäuse sind die Module beispielsweise gegen die Gehäuseaußenseite gepresst.
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Vorteilhafterweise hat das rahmenförmige Gehäuse eine dem freien Bereich zugewandte Innenseite und eine davon abgewandte Außenseite sowie senkrecht zur Innenseite gewandte Vorder- und Rückseiten. Zumindest eine der Seiten hat Aussparungen, durch die das zu erwärmende Medium in Kontakt mit den Modulen kommen kann. In einer Ausgestaltung ist die Gehäuseinnenseite geschlossen, sodass das die Wärme zumindest über eine der anderen Seiten, beispielsweise die Außenseite, abgestrahlt wird. In einer anderen Ausführungsform sind Innen- und Außenseite geschlossen, sodass das Gehäuse über Vorder- und Rückseite axial durchströmt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erklärt.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer ringförmigen Heizanordnung,
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2 eine Explosionszeichnung der ringförmigen Heizanordnung,
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3 Module der Heizanordnung,
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4 einen Ausschnitt aus einem Ringheizer der Heizanordnung und
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5 einen Ausschnitt des Ringheizers in einer Gehäuseschale.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Heizanordnung in Ringform mit Selbstregelverhalten. Die Heizanordnung umfasst einen Ringheizer 1, der ringförmig in einem Gehäuse 2, 3 angeordnet ist. Der vom Ring umschlossene freie Bereich 7 ist für die Positionierung von Heizmitteln nicht verfügbar.
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Der Ringheizer 1 strahlt Wärme ab, die das Medium, beispielsweise Luft, im durchströmten Querschnitt, in dem die Abstrahlelemente 11 angeordnet sind, erwärmen kann. Der Ringheizer 1 ist in einem ringförmigen, konzentrischen Gehäuse mit einer Gehäuseschale 2 und einem Gehäusedeckel 3 angeordnet. Der Ringheizer 1 und das Gehäuse 2, 3 verlaufen um den freien Bereich 7, der frei von Teilen der Heizanordnung ist.
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Das Gehäuse 2, 3 hat eine dem freien Bereich zugewandte Innenseite, eine davon abgewandte Außenseite sowie eine Vorder- und Rückseite, die im Wesentlichen senkrecht zu Innen- und Außenseite sind. Innen-, Außen- und Rückseite sind Teil der Gehäuseschale 2. Der Gehäusedeckel 3 dient als Vorderseite. In der Innenseite sowie in der Vorder- und Rückseite sind Aussparungen 33, 43 vorgesehen, durch die Wärme ungehindert abgestrahlt werden kann. Das Gehäuse 2, 3 kann aus Kunststoff gefertigt sein.
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2 zeigt eine Explosionszeichnung der in 1 dargestellten Heizanordnung.
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Der Ringheizer 1 umfasst eine Vielzahl von Modulen 11, 12, 13. Die Module umfassen Heizelemente 12, die sich bei Anlegen einer Spannung erwärmen. Als Heizelemente 12 können PTC Widerstandsheizelemente vorgesehen sein, welche in diesem Ausführungsbeispiel als quaderförmige Keramikplättchen ausgebildet sind. Als Material kommt beispielsweise Bariumtitanat-Keramik in Frage.
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Ferner sind Abstrahlkörper 11 vorgesehen, die geeignet sind Wärme von der Heizelementen 12 abzuführen und abzustrahlen. Die Abstrahlkörper 11 umfassen Rippen 17, über die Wärme in durchströmter Richtung abgestrahlt wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Abstrahlelemente 11 aus Metall, beispielsweise Aluminium, geformt.
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Federelemente 13 bewirken bei Verformung eine der Verformung entgegenwirkende Kraft. In einem Ausführungsbeispiel sind die Federelemente 13 als vorgebogene Federstahlplättchen geformt.
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Der Ringheizer 1 umfasst die Vielzahl von ringförmig, nebeneinander angeordneten Abstrahlelementen 11, Heizelementen 12 und Federelementen 13.
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Die Abstrahlelemente 11 sind über den gesamten Kreisring verteilt um den freien Bereich 7 angeordnet. Zwischen den Abstrahlelementen 11 sind Heizelemente 12 und Federelemente 13 angeordnet. Jeweils ein Heizelement 12 befindet sich zwischen zwei Abstrahlelementen 11. Zur elektrischen und thermischen Kontaktierung über eine Presspassung befinden sich zwischen den Abstrahlelementen 11 Federelemente 13, die ebenfalls über den Kreisumfang verteilt angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist zwischen zweien der Abstrahlelementen 11 entweder ein Heizelement 12 oder ein Federelemente 13 angeordnet. Heiz- und Federelemente 12, 13 wechseln einander ab.
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Um die ringförmig angeordneten Module 11, 12, 13 ist ein erster, im Wesentlichen ringförmiger Kontaktrahmen 50 und ein zweiter, im Wesentlichen ringförmiger Kontaktrahmen 60 angeordnet. An die Kontaktrahmen 50, 60 kann über radial nach außen gerichtete Kontaktlaschen 51, 61 eine Spannung angelegt werden. Die Kontaktlaschen 51, 61 sind durch die Gehäuseschale 2 nach außen geführt. Die Kontaktrahmen 50, 60 weisen Kontaktbereiche 52, 62 auf, mittels derer die Module jeweils abwechselnd elektrisch mit den Kontaktrahmen 50, 60 verbunden sind, um eine Parallelschaltung zu ermöglichen.
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Der Ringheizer 1 ist in der Gehäuseschale 2 positioniert. Die Gehäuseschale 2 hat einen Boden 22, der die Gehäuserückseite ist, sowie eine Innen- und eine Außenseite. Die Gehäuseinnenseite ist derart strukturiert, dass die Module 11, 12, 13 darin positioniert werden können. Durch Stege 21 an der Innenseite der Gehäuseschale 2 werden Fächer geformt, die die Module 11, 12, 13 aufnehmen können.
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Die Module 11, 12, 13 sind derart in die Gehäuseschale 2 eingepasst und ringförmig aneinander geklemmt, dass diese Presspassung bewirkt, dass sich die benachbarten Module 11, 12, 13 berühren und eine thermische Reihenschaltung entlang des Kreises vorliegt. Es wird eine thermische Reihenschaltung der Abstrahlelemente 11 mit den dazwischen liegenden als Wärmequellen wirkenden Heizelementen 12 erzielt. Die Gehäuseschale 2 verhindert die radiale Bewegung der aneinander geklemmten Module 11, 12, 13.
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Der Gehäusedeckel 3 wird auf die Gehäuseschale 2 aufgesetzt, nachdem die Module 11, 12 in der Gehäuseschale 2 positioniert worden sind. Der Gehäusedeckel 3 verhindert ein Herausrutschen der Module 10, 11, 12 und ist ebenso wie die Rückseite 22 an der Gehäuseschale 2 und deren Innenseite mit Aussparungen 23, 33, 43 versehen. Durch die Aussparungen 23, 33, 43 kann das zu erwärmende Medium direkt durch die Rippen 17 der Abstrahlelemente 11 hindurchströmen. Dies verbessert die Wärmeabgabe.
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3 zeigt detailliert die Module 11, 12, 13. Die Abstrahlelemente 11 sind quaderförmige Aluminiumblöcke mit Gräben auf einer Seite, die in diesem Ausführungsbeispiel dem freien Bereich 7 zugewandt ist. Über die dadurch geformten Rippen 17 wird Wärme vom benachbarten Heizmodul 12 abgestrahlt. Eine Seite des Abstrahlelements 11 weist zwei Stege 15 auf. Die gegenüberliegende Seite 16 ist eben. Bei der Montage werden benachbarte Abstrahlelemente 11 so positioniert, dass die Seiten mit den Stegen 15 einander zugewandt sind und eine Aussparung bilden, in der das Federelement 13 positioniert werden kann. Die Stege 11 erleichtern die Montage und verhindern ein Verrutschen des Federelements 13. Dem Heizelement 12 sind die ebenen Seiten 16 benachbarter Abstrahlelemente 11 zugewandt, um einen möglichst großflächigen Kontakt mit guter Wärmeübertragung zu ermöglichen.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Ringheizer 1 der Heizanordnung. Die oben beschriebene Anordnung der Module 11, 12, 13 ist gut erkennbar: die sich wiederholende Abfolge von einem Abstrahlelement 11, einem Heizelement 12, einem Abstrahlelement 11 und einem Federelement 13.
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Die Module 11, 12, 13 sind elektrisch leitend miteinander verbunden, was durch die von der Presspassung herrührende Berührung zwischen den Modulen 11, 12, 13 erreicht wird. Die Zuführung der Versorgungsspannung erfolgt mittels des ersten und des zweiten Kontaktrahmens 50, 60. In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die als Ringstreifen ausgebildeten Kontaktrahmen 50, 60 an der von der Ringinnenseite abgewandten Seite der Module 11, 12, 13.
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Ein elektrischer Kontakt besteht nur zwischen einem Teil Abstrahlelemente 11 und den Kontaktrahmen 50, 60. Die Kontaktierung erfolgt durch wechselseitige Kontaktgabe der Kontaktrahmen 50, 60 mit den Abstrahlelementen 11. In diesem Ausführungsbeispiel wird jedes vierte Abstrahlelement 11 berührt, wobei die vom ersten Kontaktrahmen 50 berührten Abstrahlelemente 11 um zwei Abstrahlelemente 11 versetzt sind gegenüber den vom zweiten Kontaktrahmen 60 berührten Abstrahlelementen 11.
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Die Kontaktrahmen 50, 60 liegen in diesem Ausführungsbeispiel nicht auf den Außenseiten aller Abstrahlelemente 11 auf, sondern berühren lediglich die zu kontaktierenden Abstrahlelemente 11. Dies kann erreicht werden, indem der Durchmesser der Kontaktrahmen 50, 60 größer ist als der Durchmesser der kreisförmig angeordneten Module 11, 12, 13; lediglich in den Bereichen der zu kontaktierenden Module haben die Kontaktrahmen 50, 60 radial einwärts gewölbte Kontaktbereiche 52, 62, mittels derer die Abstrahlelemente 11 elektrisch kontaktiert werden. Diese Ausformung kann stufenförmige, spitz oder rund sein oder eine andere Form haben. In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind radial einwärts gerichtete Vorsprünge zur Kontaktierung vorgesehen. Die Kontaktbereiche 52, 62 sind so geformt, dass eine Federwirkung bei verbauten Abstrahlelementen 11 einen ausreichenden elektrischen Kontakt erzielt.
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Vorteilhafterweise sind die Kontaktrahmen 50, 60 bis auf die einwärts gewölbten Kontaktbereiche 52, 62 mit einer elektrische Isolierung versehen, die die Kontaktrahmen 50, 60 umschließt oder lediglich auf ihrer Innenseite angebracht ist. Die Isolierung kann aus Kunststoff sein. Die Kontaktrahmen 50, 60 sind in der Gehäuseschale 2 geführt beziehungsweise fest darin verankert. In einem Ausführungsbeispiel sind die Kontaktrahmen 50, 60 bis auf die Kontaktbereiche 52, 62 in der Gehäuseschale 2 vergossen oder eingespritzt.
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Durch die Verwendung von PTC-Widerstandsheizelementen ist die Heizanordnung selbstregelnd. Die für die elektrische Auslegung erforderliche Parallelschaltung der PTC-Widerstandsheizelemente erfolgt mittels der Kontaktrahmen 50, 60. Die vom ersten Kontaktrahmen 50 kontaktierten Abstrahlelemente 11 liegen auf einem selben Potenzial. Die vom zweiten Kontaktrahmen 60 kontaktierten Abstrahlelemente 11 liegen auf einem anderem, selben Potenzial. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung von Abschnitten des Ringheizers 1. Die Abschnitte verlaufen zwischen den vom ersten und zweiten Kontaktrahmen 50, 60 kontaktierten Abstrahlelementen 11. Die Parallelschaltung von Abschnitten erlaubt die zur Erwärmung erforderliche Versorgungsspannung an die Heizelemente 12 anzulegen.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Ringheizer 1, der in der Gehäuseschale 2 angeordnet ist.
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Die stegförmigen Strukturen 21 an der Innenseite der Gehäuseschale 2 ermöglichen eine sichere Positionierung der Module 11, 12, 13. Es sind Aufnahmebereiche für die Abstrahlelemente 11 vorgesehen sowie für die Heizelemente 12. Die Federelemente 13 werden in den Aussparungen zwischen zwei benachbarten Abstrahlelementen 11 positioniert. Auf Grund ihrer Federwirkung wirkt eine Kraft auf die benachbarten Module. Wegen der Vielzahl über den Ringheizer 1 verteilter Federelemente 13 entsteht eine Presspassung. Bei Einbau des Ringheizers 1 in die Gehäuseschale 2 wird durch die Federelemente 13 zwischen den Abstrahlelementen 11 und den Heizelementen 12 eine Presspassung erreicht, bei der die benachbarten Module 11, 12, 13 aneinander geklemmt werden, sodass die Module 11, 12, 13 sich berühren und eine thermische und elektrische Verbindung besteht. Die Gehäuseschale 2 verhindert, eine radiale Auswärtsbewegung der aneinander geklemmten Module 11, 12, 13.
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Des Weiteren sind Befestigungseinrichtungen vorgesehen, mittels derer der Gehäusedeckel 3, der die Gehäuseschale 2 verschließt, auf der Gehäuseschale 2 fixiert werden kann. Dies kann beispielsweise durch Erhebungen 24 erreicht werden, die in Löchern im Gehäusedeckel 3 kraft- und/oder formschlüssig positioniert werden. Auch Schnappverbindungen sind denkbar.
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Es sei bemerkt, dass die Merkmale der geschilderten Ausführungsbeispiele kombinierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ringheizer
- 2
- Gehäuseschale
- 3
- Gehäusedeckel
- 7
- freier Bereich
- 11
- Abstrahlelement
- 12
- Heizelement
- 13
- Federelement
- 15
- Steg
- 16
- ebene Seite
- 17
- Rippe
- 50, 60
- Kontaktrahmen
- 51, 61
- Kontaktlasche
- 52, 62
- Kontaktbereich
- 21
- Steg
- 22
- Gehäuserückseite
- 23, 33, 43
- Aussparung
- 24
- Erhöhung
