AT502873B1 - Vorwärmeinrichtung für ein strömendes medium - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorwärmeinrichtung für ein strömendes Medium, insbesondere Kraftstoff, mit einem PTC-Heizkörper.

In Dieselkraftstoffen fallen bei Umgebungstemperaturen unter 0°C Paraphine aus, wodurch der Kraftstoff zähflüssig wird und nur mehr schlecht die Filter passieren kann. Aufgrund steigender Anforderungen an die Filtereinheiten bei modernen Common-Rail-Einspritzeinrichtungen ist insbesondere im Nutzfahrzeugbereich eine präzise Dieselkraftstoffvorwärmung erforderlich.

Derartige Kraftstoffvorwärmeinrichtungen wurden bisher durch monolithische (homogen aus Keramik verpresste) keramische Plättchen aus PTC(Kaltleiter)-Keramik gebaut, die in verschieden großer Zahl in einen metallischen Rahmen, zumeist einem Aluminiumstrangpressprofil gespannt wurden. Dabei werden sie elektrisch und mechanisch durch Federn kontaktiert, so dass sie sich durch Anlegen von Spannung zu erwärmen beginnen, die Plättchen sind dabei so gestaltet, dass sie eine möglichst große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen aufweisen, damit möglichst viel Wärme an den Metallrahmen und damit an den durchströmenden und zu beheizenden Kraftstoff ausgekoppelt werden kann. Dieser Aufbau benötigt einerseits eine entsprechend große Anzahl von keramischen Plättchen, die sehr dünn und zerbrechlich sind und andererseits entsprechend aufwändige Bautenrahmen, in denen diese Teilchen eingespannt werden können, so dass eine sichere elektrische Kontaktierung bei angemessenem Montageaufwand gegeben ist. Da die PTC-Elemente nicht beliebig dünn gefertigt werden können (ein Bruch kann einen Kurzschluss im Treibstoff verursachen), stellen sie einen gegenüber dem Aluminiumprofil erhöhten Widerstand im Treibstoffzufluss dar. Eine Kraftstoffvorwärmein-richtung dieser Art ist beispielsweise aus der JP 59-218355 A2 bekannt.

Die US 4,713,524 A offenbart eine Kraftstoff-Heizvorrichtung mit einem Stapel von im Wesentlichen ebenen perforierten PTC-Heizkörpern, welche übereinander in einem Gehäuse angeordnet sind. Die JP 09-177621 A zeigt eine ähnliche Heizvorrichtung.

Aus der DE 25 43 314 A1 sind schichtförmige, selbstregulierende Heizelemente bekannt, welche als Schichtkörper mit mehreren elektrischen Widerstandschichten aufgebaut sind, wobei zumindest eine Schicht einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist.

Die WO 90/03713 A1 beschreibt eine flexible Heizvorrichtung, welche ein leitfähiges Polymer mit zwei Elektroden aufweist.

Aus der WO 96/20577 A1 ist ein Schnellheizelement bekannt, welches aus mehreren Schichten besteht, wobei zwischen zwei leitenden Schichten eine isolierende keramische Schicht angeordnet ist.

Die US 5,166,658 A beschreibt eine leitende Polymere aufweisende elektrische Einrichtung, die einen PTC-Resistor und einen zweiten Resistor, beispielsweise einen Dickfilmresistor aufweist, welcher thermisch und elektrisch an den PTC-Resistor angeschlossen ist. Die elektrische Einrichtung dient als Schutz von Schaltkreisen gegen äußere Ströme und Spannungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und den Strömungswiederstand bei der Vorwärmung von einem strömenden Medium, beispielsweise Kraftstoff, zu verringern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der PTC-Heizkörper ein keramisches Vielschichtheizelement aufweist und dass der PTC-Heizkörper über einen Wärmeleiter mit einem in das strömende Medium hineinragenden, vorzugsweise durch ein Metallprofil gebildeten Heizregister verbunden ist, wobei besonders vorzugsweise im Wärmeleiter zwischen dem PTC-Heizkörper und dem Heizregister ein thermischer Schalter angeordnet ist. Vorzugsweise ist das keramische Vielschichtheizelement aus einer Abfolge von keramischen und metallischen und/oder metallhaltigen Schichten aufgebaut. 3 AT 502 873 B1

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe von metallischen oder metallhaltigen Schichten mit einer ersten Elektrode und eine zweite Gruppe von metallischen oder metallhaltigen Schichten mit einer zweiten Elektrode verbunden ist, wobei zwischen jeweils einer metallischen oder metallhaltigen Schicht der ersten Gruppe und einer metallischen oder metallhaltigen Schicht der zweiten Gruppe eine keramische Schicht angeordnet ist, wobei vorzugsweise die metallischen oder metallhaltigen Schichten der ersten oder zweiten Gruppe auf unterschiedliche elektrische Potenziale liegen. Dabei kann die Wärme des keramischen Vielschichtheizelementes über zumindest einen metallischen oder metallhaltigen Teil, vorzugsweise über zumindest eine metallische oder metallhaltige Schicht, abgeleitet werden.

Eine wesentliche Reduzierung des Strömungswiderstandes kann erreicht werden, wenn zumindest ein PTC-Heizkörper direkt kontaktierend mit einem durch ein Metallprofil gebildeten Heizregister angeordnet ist. Das Heizregister selbst kann eine strömungsgünstige Form aufweisen. Dabei ist es zum Erreichen eines geringen Strömungswiderstandes vorteilhaft, wenn das Heizregister aus mehreren parallelen Heizplatten besteht, welche vorzugsweise über zumindest eine Verteilerplatte wärmeleitend miteinander verbunden sind. Die Platten des Heizregisters sind dabei im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung angeordnet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorwärmeinrichtung in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 eine alternative Ausbildung eines Heizregisters und Fig. 3 eine Vorwärmeinrichtung gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausführungsvariante.

Die Vorwärmeinrichtung 1 besteht aus einem PCT-Heizkörper 2, welcher ein keramisches Vielschichtheizelement 3 aufweist. Der PTC-Heizkörper 2 ist in der in Fig. 1 dargestellten Ausführung über einen Wärmeleiter 4 mit einem Heizregister 5 verbunden, welches in einem Mediumstrom 6 hineinragend angeordnet ist. Mit 7 ist der Querschnitt eines Strömungsweges, beispielsweise einer Kraftstoffleitung angedeutet.

Im Wärmeleiter 4 zwischen dem PTC-Heizkörper 2 und dem Heizregister 5 ist ein thermischer Schalter 8 angeordnet, über welchen die Wärmezufuhr zum Heizregister ein- oder ausgeschaltet werden kann.

Das keramische Vielschichtheizelement 3 weist zwei Gruppen A, B von metallischen oder metallhaltigen Schichten 9, 10 auf, welche abwechselnd parallel zueinander angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei metallischen oder metallhaltigen Schichten 9, 10 eine keramische Schicht 11 angeordnet ist. Jede der Gruppen A, B von metallischen oder metallhaltigen Schichten 9, 10 kann über eine Elektrode 12, 13 mit unterschiedlichem elektrischen Potenzial beaufschlagt werden. Mit Bezugszeichen 14 ist eine Spannungsquelle angedeutet.

Die Platten 5a des durch ein Metallprofil gebildeten Heizregisters 5 sind parallel zueinander strömungsgünstig im Mediumstrom 6 angeordnet, um die Strömungsverluste minimal zu halten.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung eines Heizregisters 5 mit parallel zueinander angeordneten metallischen Heizplatten 5a, die durch einen metallischen Verteiler 5b miteinander verbunden sind.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante einer Vorwärmeinrichtung 1 dargestellt, bei der die PTC-Heizkörper 2 in direktem Kontakt mit einem Heizregister 5 stehen, welches in einen Mediumstrom 6 eines im Querschnitt rechteckigen Strömungsweges 7 hineinragt.

Wesentlich ist, dass nur mehr das durch ein Metallprofil gebildete Heizregister 5 im Mediumstrom 6 verbleiben muss, wenn vom PTC-Heizkörper 2 soviel Wärme entwickelt wird, dass eine metallische Anbindung genügend Wärme zuführen kann. Dadurch wird der Durchströmungswi-

Claims (8)

1. 4 AT 502 873 B1 derstand des Mediums reduziert. Durch den Entfall einer Federkonstruktion zur Anbindung des PTC-Heizkörpers 2 mit dem Heizregister 5 besteht keine Kurzschlussgefahr durch gebrochene PTC-Plättchen. Um dies zu realisieren, ist der PTC-Heizkörper 5 nicht mehr durch ein monolithisches, also innen homogenes Bauteil gebildet, sondern in Vielschichttechnologie (wie sie zum Beispiel zur Herstellung von Keramikkondensatoren verwendet wird) aufgebaut. Der innere Aufbau besteht also abwechselnd aus keramischen und metallischen, bzw. metallhaltigen Schichten 11, 9, 10. Die Dicke dieser Schichten 11, 9, 10 kann dabei zwischen einigen pm bis zu 2 mm betragen. Als keramische Schicht 11 kann ein PTC-Material, wie dies bereits in bisherigen Lösungen verwendet wurde, eingesetzt werden. Als Metall sind alle metallischen Materialien wie sie in bekannten Vielschichtkondensatoren Verwendung finden, geeignet. In jedem Fall werden die verschiedenen Elektroden 12, 13 auf unterschiedliche elektrische Potenziale gelegt, so dass an der dazwischen liegenden keramischen Schicht 11 eine Spannung anliegt, die zu einem Stromfluss und damit zu einer Erwärmung dieser keramischen Schicht 11 führt. Die metallischen, bzw. metallhaltigen Schichten 9, 10 werden auch zum Abtransport der thermischen Energie benutzt, wobei hierfür entweder die metallischen Schichten 9, 10 der elektrisch kontaktieren Elektroden 12, 13 oder separate metallische, bzw. metallhaltige Schichten verwendet werden können. Wichtig ist auch hier, dass dabei nur solche Schichten, die auf gleichem elektrischen Potenzial liegen, elektrisch leitend miteinander verbunden werden, im Normalfall also die wärmeabführende Elektrode mit Massepotenzial. Da hierdurch die wärmeabführende Fläche um ein vielfaches vergrößert werden kann, können mehrere konventionelle Keramikplättchen durch ein Vielschichtheizelement 3 ersetzt werden, das zudem nicht mehr so dünn wie bei bisherigen Vorwärmeinrichtung und damit wesentliche weniger empfindlich ausgeführt ist. Die Ableitung der Wärme erfolgt durch das Heizregister 5, welches durch einen metallischen Rahmen gebildet ist und das im Mediumfluss angeordnet ist. Durch den Entfall der Federklemmen für die Bauteile ist die erfindungsgemäße Vorwärmeinrichtung 1 wesentlich einfacher in der Konstruktion und Herstellung. Der Aufbau von keramischen Vielschichtbauteilen erfolgt heute meist durch Herstellung von Folien aus Keramik, auf die dann im Siebdruck- oder einem anderen Verfahren (zum Beispiel Offset-Druck) die metallischen, bzw. metallhaltigen Schichten aufgebracht werden. Alternativ können auch sowohl keramische, als auch metallhaltige Schichten im Siebdruckverfahren abwechselnd aufgetragen werden. Die Folien werden danach verpresst, die einzelnen Bauteile herausgestanzt oder -gesägt, die Keramik versintert und die Innenelektroden der selben Ausführung mit einer Außenelektrode verbunden. Die erfindungsgemäße Kraftstoffvorwärmeinrichtung eignet sich für strömende, flüssige und gasförmige Medien, und kann besonders vorteilhaft zur Erwärmung von Kraftstoff eingesetzt werden. Patentansprüche: 1. Vorwärmeinrichtung (1) für ein strömendes Medium, insbesondere Kraftstoff, mit einem PTC-Heizkörper (2), dadurch gekennzeichnet, dass der PTC-Heizkörper (2) ein keramisches Vielschichtheizelement (3) aufweist und dass der PTC-Heizkörper (2) über einen Wärmeleiter (4) mit einem in das strömende Medium hineinragenden, vorzugsweise durch ein Metallprofil gebildeten Heizregister (5) verbunden ist, wobei besonders vorzugsweise im Wärmeleiter (4) zwischen dem PTC-Heizkörper (2) und dem Heizregister (5) ein thermischer Schalter angeordnet ist.
2. 2. Vorwärmeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Vielschichtheizelement (3) aus einer Abfolge von keramischen und metallischen und/oder metallhaltigen Schichten (11,9,10) aufgebaut ist. 5 AT 502 873 B1
3. 3. Vorwärmeinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe (A) von metallischen oder metallhaltigen Schichten (9) mit einer ersten Elektrode (12) und eine zweite Gruppe (B) von metallischen oder metallhaltigen Schichten (10) mit einer zweiten Elektrode (13) verbunden ist, wobei zwischen jeweils einer metallischen oder metallhaltigen Schicht (9) der ersten Gruppe (A) und einer metallischen oder metallhaltigen Schicht (10) der zweiten Gruppe (B) eine keramische Schicht (11) angeordnet ist.
4. 4. Vorwärmeinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen oder metallhaltigen Schichten (9, 10) der ersten und zweiten Gruppe (A, B) auf unterschiedliche elektrische Potenziale liegen.
5. 5. Vorwärmeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über zumindest einen metallischen oder metallhaltigen Teil, vorzugsweise über zumindest eine metallische oder metallhaltige Schicht (9,10), Wärme aus dem Vielschichtheizelement (3) ableitbar ist.
6. 6. Vorwärmeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein PTC-Heizkörper (2) direkt kontaktierend mit einem vorzugsweise durch ein Metallprofil gebildeten Heizregister (5) angeordnet ist.
7. 7. Vorwärmeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vielschichtelement (3) außerhalb des Mediumstromes (6) angeordnet ist.
8. 8. Vorwärmeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizregister (5) aus mehreren parallelen Heizplatten (5a) besteht, welche vorzugsweise über zumindest einen Verteiler (5b) wärmeleitend miteinander verbunden sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen