CN102239368A - 车辆液体加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆液体加热器。本发明尤其是涉及一种汽车水加热器，其包括至少一个热交换器(8)，至少一个电操作的加热单元(9)和至少一个用于控制向加热单元(9)的供电的控制单元，所述热交换器(8)包括至少一个导热体，该导热体限定了至少一个用于待加热的液体的液体通道(15)，所述加热单元(9)连接到热交换器(8)的导热面。根据本发明的车辆液体加热器具有通过热传导金属条(30)与热交换器(8)热连接的控制单元。

Description

车辆液体加热器
技术内容
本发明涉及一种车辆液体加热器，具体来说，本发明涉及一种汽车水加热器，包括至少一个热交换器，至少一个电操作的加热单元和至少一个用于控制向加热单元的供电的控制单元，所述热交换器包括至少一个导热体，该导热体限定了至少一个用于待加热的液体的液体通道，所述加热单元连接到热交换器的一个导热面。
背景技术
例如US 2008/0138052A1中公开了一种如上所述的汽车水加热器。该美国专利申请涉及一种可应用到汽车挡风玻璃的汽车水加热器，其能够产生可喷到汽车挡风玻璃上的热水，以溶化积雪和积霜。根据该现有技术的汽车水加热器包括限定了至少一个液体通道的铝制热交换器，待加热的水可以流经该液体通道。该热交换器的导热面带有电操作的加热单元。该加热单元包括连接到平板电极的层叠加热条。此外，加热单元利用PTC石(具有正温度系数的陶瓷电阻膜)作为电热材料。
一旦将电力施加到加热单元，陶瓷电阻将升温，并将其热量传递到导热的热交换器，待加热的水或其他液体可流经该热交换器。
这种类型的汽车水加热器被设计为根据需要在预先编程的60℃至70℃之间的目标温度下输送加热后的屏面清洗剂。由热交换器所限定的液体通道或液体路径限定了某一特定的液体体积，通常在60到80cc的数量级，例如在汽车点火时将被加热到60℃到70℃的目标温度。一旦屏面清洗液达到目标温度，汽车屏面清洗剂清洁装置的洗液泵把一系列加热后的屏面清洗液喷射流涂布到汽车挡风玻璃上。
总的来说，希望在系统启动后的一段相对较短的时间内达到热交换器内的目标温度。电阻加热元件通常消耗大的电流以产生电加热功率，从而实现规定的热性能。
为了控制加热单元的性能和散热，通常需要电子控制装置，例如控制板或电路板。通常，控制板上的某些电子元件需要被冷却。尤其是高性能半导体元件需要冷却，因为这些元件会产生相当大量的热损耗。为了散发热损耗，通常需要热沉。由于这种热沉通常具有用于散热的加大的表面，这种热沉需要大量空间。当车辆液体加热器要被设计为集成单元时，这是尤其不利的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种车辆液体加热器，其有效地对电子控制器进行冷却，而且也是简单且廉价的。
这个目的和其他目的是通过一种车辆液体加热器获得的，尤其是通过一种汽车水加热器获得的，其包括至少一个热交换器，至少一个电操作的加热单元和至少一个用于控制向加热单元的供电的控制单元，所述热交换器包括至少一个导热体，该导热体限定了至少一个用于待加热的液体的液体通道，所述加热单元连接到热交换器的导热面，该车辆液体加热器的特征在于所述控制单元与热交换器热连接。
简要地概括来说，根据本发明的车辆液体加热器利用了用于液体的热交换器，同时作为控制单元的散热装置。因此，不需要另外的冷却装置。此外，加热单元的效率得到改进，并且对于预定量的液体需要更少的能量。
在一个有利的实施例中，控制单元通过热沉连接到热交换器。该热沉可以非常小且简单，因为该热交换器也可作为热沉起作用。
因此，热沉可以是导热金属条的形式。该金属条例如可以被设计为铜条或铝条。
控制单元可被设置在控制板上。作为替代，该控制单元也可以直接连接到热交换器和/或加热单元上。在这种情况下，在控制单元和热交换器之间可以提供电绝缘材料的中间层。
在本发明的一个实施例中，热交换器、至少一个相关联的加热单元和控制单元可以由共同的外壳来封装。
控制单元可包括开关单元，优选为晶体管，更为优选的是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其热连接到热沉上。所述高性能晶体管在操作中消耗极高的电流，因此其自身的加热非常快。MOSFET可以被直接放置在热沉上，该热沉又可以粘附到热交换器的导热面上。
附图说明
下面参照附图以示例的方式描述本发明，其中：
图1示出了汽车屏面清洗装置，
图2示出了根据本发明的车辆液体加热器的透视图，
图3示出了密封位置下热交换器的透视图，
图4a示出了没有密封盖的热交换器的透视图，
图4b示出了根据本发明另一实施例的热交换器的透视图，
图5示出了加热单元的透视图，
图6a示出了车辆液体加热器的纵向方向的横截面图，
图6b示出了车辆液体加热器的截面标高，
图7示出了图6所示车辆液体加热器的右侧的放大横截面图，
图8示出了图6所示车辆液体加热器的左侧的放大横截面图，
图9a示出了车辆液体加热器的另一放大横截面图，其中示出了电控制器的电路板连接到热交换器上，
图9b示出了根据图4b所示的实施例的车辆液体加热器的另一放大横截面图，
图10示出了根据本发明的车辆液体加热器的分解视图，
图11示出了组合有控制组件的加热元件的功能图，
图12示出了用于测量采样电阻处的电压的测量电路的电路图，
图表1示出了PTC石的电阻与PTC石的实际温度之间的关系图，
图表2示出了恒定电压下流经PTC石的电流与PTC石的实际温度之间的关系图，
图表3示出了在有电压施加到PTC石的情况下，PTC石的实际温度与时间之间的关系图，
图表4示出了示例性的方波形状的控制信号。
具体实施方式
图1示出了用于车辆的挡风玻璃屏面清洗装置的示意图，其包括清洗液容器1、清洁液泵2，车辆液体加热器3和与图中未示出的汽车挡风玻璃相连的屏面清洗剂喷嘴4。在正常的屏面清洗操作期间，由电操作的泵2向着汽车挡风玻璃从清洗液容器1中抽出清洗液。可以理解的是，清洗液也可以被输送到前照灯、尾灯或其他要清洗的屏面。清洗液通过入口5进入到车辆液体加热器3中，并通过出口6排出。如从图1中能够看到的，入口5通过软管7连接到清洗液泵2。以同样的方式，出口6通过另一软管7连接到清洗液喷嘴4。图1仅以示例性和极为简化的方式示出了屏面清洗装置。
清洗液容器通常容纳着可以为-40℃到40℃数量级的环境温度下的清洗液。就像后面还要详细描述的，车辆液体加热器3可容纳60到70cc之间的液体体积。该车辆液体加热器3被设计为根据需要在预先编程的50℃到70℃之间的目标温度下，最好是在低于酒精挥发温度的温度下(通常在所有的冬季清洗液混合物中都能发现酒精)，输送加热后的屏面清洗液。在发动汽车点火时，车辆液体加热器被设计为加热到它的目标温度。这可以通过汽车车舱内的LED来可视化显示。用户可根据需要来除霜，或者可以自动地起动除霜模式。当车舱内的除霜开关被暂时按下时，加热器模块发送信号到雨刮器控制单元，该雨刮器控制单元接着向清洗液泵2给出信号，以涂布一系列加热后的屏面清洗液的加热喷射流，通常是4-6次喷射。雨刮器这时也可以工作，以辅助清洗过程。
车辆液体加热器包括热交换器8、电操作的加热单元9和电子控制板10，所有这些部件均由共同的外壳11来封装。外壳11包括三个部分，即主体11a、第一端盖11b和第二端盖11c。第一和第二端盖11b、11c通过卡口连接器12连接到主体11a。
所述外壳可由热塑性材料构成，并且例如可以通过注模而制成。
如具体可从图2中看到的，第二端盖11c配备有螺纹套管接头13，其中一个螺纹套管接头与入口5相连通，另一个螺纹套管接头与出口6相连通。第一端盖11a配备有端接连接器14，其建立起车辆液体加热器3的电连接。
如可以从图3、图4a和图4b中看到的，汽车液体加热器的中心部分是热交换器8，该热交换器由挤压铝型材构成，其借助于密封盖16a和16b限定了一个液体通道15，该液体通道允许液体连续地流入到热交换器8中，所述密封盖16a和16b使热交换器8的前端和后端密封地闭合。
出于简明起见，图3中所示热交换器8的朝向读者的一侧在下面的描述中被称为前端，而热交换器8的另一侧将被称作后端。密封盖16满足了对热交换器的前端和后端的密封功能，并且用于密封液体通道15的并排部分。
如可以从图6b中看到的，液体通道15a位于热交换器8的前端，其通过密封盖16a相对于液体通道15b被密封，而在热交换器8的后端处，密封盖16b建立起液体通道15a和液体通道15b之间的液体连通。此外，在热交换器8的前端处，液体通道15b与液体通道15c相连通，而液体通道15c相对于液体通道15d被密封。
此外，密封盖16a包括入口开口17a和出口开口17b。
密封盖16a和16b由可弹性形变的材料构成，如天然橡胶或合成橡胶，并作为某种类型的隔膜或薄膜来工作，以便补偿清洗液在冻结状态下的体积变化，就像先前说明的那样。密封盖16a，16b在所描述的实施例中松动地适配到热交换器的前端和后端上，并通过外壳11保持在位置上，如后面还要更详尽地描述的那样。
为了在由挤压铝型材制成的热交换器8中限定出连续延伸的液体通道15a，15b，15c，15d，密封盖16a和16b包括隔膜型桥接元件50a和50b，密封盖16a包括一个使液体通道15b和15c彼此相连的桥接元件50a，而密封盖16b包括两个桥接元件50b，一个连接液体通道15a和15b，另一个连接液体通道15c和15d。每个隔膜型桥接元件50a，50b均由环形密封圈51所包围。
如从图6b的横截面中能够更详细地看到的那样，密封圈51限定了外槽52和内槽53。该内槽53密封地接纳液体通道15a，15b，15c和15d的周边壁，而外槽52在安装时接纳主体11a的第一盖端11b和第二盖端11c的定位网54。在桥接元件50a和50b由于冰冷的清洗液而发生弯折的情况下，该密封圈51通过端盖11b和11c的定位网54被恰当地保持在位置上，从而允许液体膨胀/收缩，而不会对密封盖16a和16b的密封作用产生明显影响。
如上所述，热交换器8由诸如铝的导热材料构成。在热交换器8的侧向表面上设置了加热单元9。电操作的加热单元9通过可热固化的硅胶粘附到热交换器上。这些加热单元9利用了分层结构。尽管在一个优选实施例中加热单元8利用了带有正电阻温度系数(PTCR)的陶瓷电阻，应当理解的是，加热单元9也可以是具有热电特性或电热丝、被封装或者没有被封装的、带有热电特性的聚合物阻性材料的加热条的形式。
在一个优选的实施例中，加热单元(图5)包括支撑着陶瓷元件20、阴极接触板21和阳极接触板22的层叠框架19，该阳极接触板22相对于阴极接触板21绝缘。
在框架19内有一个空隙23，其作用将在后面阐述。
加热单元9包括一个或多个正温度系数的陶瓷电阻加热元件20，其在后面被称作PTC石20，还包括用于将电力(例如13V)传导到PTC石20的阴极接触板21和阳极接触板22。阳极接触板22/阳极端子直接接触热交换器8，并且接触板部分覆盖了PTC石20的阳极侧，该PTC石20通过位置框架19被固定在位置上。阳极端子/接触板21位于PTC 石20的阴极侧的顶端，从而使所有的PTC石20并联。
由于这种设计，热交换器8被接地(GND)，使得在液体内形成的任何静电荷都可能被偏转。
PTC石20是导电率与其整体温度成反比的半导体。因此，当加热单元9是冷的时，PTC石20的导电率很高，并且高的电流将流经PTC石20，从而产生大量的热能。另一方面，如果PTC石20的温度上升，PTC石20的导电率将急剧下降，导致仅产生少量的热。其结果是，由于PTC石20能够保持其自身的目标温度(热量自我调节)，利用PTC石20作为加热元件的加热单元9不需要通过恒温器或保险丝来保护。PTC石20可用于不同的目标温度，例如65℃或135℃。
图表1示出了PTC石20的电阻(R)相对于PTC石20的实际温度(THE)的变化曲线。如上所述，如果该PTC石20是冷的，其电阻(R)是低的。所导致的流经PTC石20的高电流产生大量的热能，从而加热PTC石20。如能够从图表1中看到的，PTC石20的电阻(R)随着它的实际温度(THE)的增加而增加。在PTC石20的实际温度(THE)等于最大温度值的情况下，PTC石20的电阻(R)开始随着PTC石20的实际温度(THE)的下降而下降。这导致更高的电流流过PTC石20，其再次加热PTC石20，导致PTC石20的电阻(R)增加。相应地，如图表2所示，流经PTC石20的电流(I)随着它的实际温度(THE)的增加而降低。因此，将产生更少的热能。利用这种机制，PTC石20将它的最高温度限制到一个特定的目标温度。
在加热应用中，PTC石20能达到平衡状态，此时的电流消耗等于在恒定周围环境条件下PTC石20的散热速率。
PTC石20将通过其电流消耗来达到与周围环境条件相平衡的状态，例如，更大的散热(冷却)将导致平衡状态下PTC石20的更高的电流消耗。
一旦把电力施加到PTC石20，它们将立即试图达到其目标温度。起初，温度迅速升高，但随着PTC石20的实际温度(THE)的增加，该增加速率将减慢。图表3中示出了PTC石20的实际温度(THE)和时间之间的关系。
在一个优选实施例中，加热单元9被设计成把屏面清洗液加热到例如65℃的目标温度。这可以通过使用目标温度为65℃的PTC石20来完成。这将需要相对较长的时间来把PTC石20加热到它们的目标温度，从而把屏面清洗液加热到它们的目标温度。加热后的屏面清洗液被用来去除积雪/积霜，并用于在温暖的季节里提高清洗效果。
根据另一实施例，使用目标温度为135℃度的PTC石20来缩短加热PTC石20所需的时间。这将缩短把PTC石20加热到65℃的目标温度所需的时间，因为PTC石20工作在温度增加率高的范围内。图11示出了带有控制组件10的PTC石20的功能图。
该控制组件10包括控制单元31和开关单元32。在第一个步骤中，测量PTC石20的实际电阻。这可以通过PTC石20的电阻测量或者在采样电阻34处的电压/电流测量来实现，这将会在后面阐述。控制单元31最好是微处理器，它借助比较图表或算法将该测量结果映射到PTC石20的实际温度。随后PTC石20的实际温度将与一个可调节的目标温度进行比较，在本实施例中这个目标温度是65℃。在接下来的步骤中，控制单元31产生带有可调脉冲宽度的控制信号33。控制信号33的脉冲宽度取决于PTC石20的实际温度。控制信号33控制开关单元32，该开关单元控制向PTC石20的电力传导。
在这个实施例中，开关单元32由MOSFET构成。在控制信号33的导通周期内，开关单元33向PTC石20提供电力，使得PTC石20进一步升温。在控制信号33的截止周期内，开关单元32不向PTC石20提供电力。因此PTC石20不再进一步升温。在PTC石20的温度上升的情况下，控制单元31将缩短控制信号33的导通周期。利用该机制，PTC石20的实际温度被限制到例如65℃。
图表4示出了带有可调脉冲宽度的示例性的控制信号33。如图所示，控制信号33由方波脉冲构成。起先，在PTC石20的初始加热期间，控制信号33仅由导通周期构成，而无截止周期。当PTC石20达到65℃的可调节的目标温度时，控制单元31减小控制信号33的脉冲宽度，以便减慢PTC石20的加热。在PTC石20超出65℃的可调节的温度的情况下，控制单元20产生仅由截止周期构成的控制信号33，使得PTC石20不再进一步升温。在PTC石20的温度下降到低于65℃的情况下，控制单元31再一次增大控制信号33的脉冲宽度，以加热PTC 石20。
如上所述，在第一个步骤中，测量PTC石20的实际电阻。这可以通过在采样电阻34处的电压测量来实现，在本实施例中该采样电阻具有13mΩ的电阻值(参见图12)。这个采样电阻34与PTC石20串联连接。由于施加到PTC石20与采样电阻34的串联电路上的输入电压是固定的，采样电阻34处的电压降与PTC石20的电阻成正比。采样电阻34处的电压降通过运算放大器35被放大。正如本领域技术人员所知，放大比率是通过电阻36、37、38来限定的。采样电阻35处所测得的经过放大的电压降被传送到控制单元31。控制单元31借助比较图表或算法将采样电阻35处的这个经过放大的电压降映射到PTC石20的实际温度。
参考图6a，可以看到外壳11具有热交换器舱24和控制板舱25，控制板10以及热交换器8均被外壳11完全封装。外壳11的热交换器舱25从而限定了前腔26和后腔27，其中松动地适配到热交换器8上的、可弹性形变的密封盖16a、16b在清洗液发生相位改变时可发生弯折，所述相位改变例如可能当清洗液中的解冻剂浓度不够高时发生。
可以理解的是，由于密封盖16a，16b的隔膜型特性，保证了最佳的防冻保护。
正如可以从图7和8中看到的，密封盖16a和16b紧靠外壳11，使得密封盖16a和16b通过外壳11保持在位置上。
作为一种替代的解决方案，密封盖16a，16b可以通过胶粘或以其它方式粘附到热交换器8上。在这种情况下不必提供外壳。
正如可以从图6a和6b中看到的，在热交换器舱24内朝向后端的密封盖16b紧靠着外壳的一部分，而热交换器前端处的密封盖16a紧靠着外壳11的第二端盖11c。在前端后腔26和27内设置有泡沫底衬元件28。该泡沫底衬元件28是由弹性闭孔泡沫构成的。
正如也能够从图6a中看出的，第一端盖包括用于车辆液体加热器的电连接的热连接器14。
电力是通过设置在控制板10上的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)29提供的。此外，在控制板上设置有没有由任何附图标记表示的微控制器。
利用MOSFET29，已经证明对于陶瓷元件20的电力控制是具有优势的。
根据本发明，在操作期间通过MOSFET 29耗散的热量被传导到热交换器的外表面。在一个实施例中(图9a)，在操作期间通过MOSFET 29耗散的热量经由热沉被传导到热交换器的外表面。在根据图9a的实施例中的热沉被设计成弹性传导性金属条30。该金属条30例如可由铜或其它导热材料构成。该金属条30直接粘附到热交换器8的一个侧向表面18上。出于这个目的，在一个加热单元9的一个框架19内提供了空隙23。
在图4b和9b所示的实施例中，MOSFET 29直接附着到热交换器8上，使得通过MOSFET 29耗散的热量将直接传递到热交换器中和/或加热单元中，从而被用于加热清洗液。该MOSFET 29最好与热交换器8的导体电绝缘，例如，通过在MOSFET 29和热交换器8之间的带有高介电常数值的中间层(例如AL2O3)来实现电绝缘。MOSFET 29也可连接到PTC。与电路板10的电连接可通过端接连接器55来形成。
附图标记
1清洗液容器
2清洗液泵
3车辆液体加热器
4喷嘴
5入口
6出口
7软管
8热交换器
9加热单元
10控制板
11外壳
11a    主体
11b    第一端盖
11c    第二端盖
12卡口连接器
13螺纹接管套头
14端接连接器
15，15a，b，c，d    液体通道
16a，b 密封盖
17a    入口开口
17b    出口开口
18侧向表面
19框架
20陶瓷元件
21阴极接触板
22阳极接触板
23空隙
24热交换器舱
25控制板舱
26前腔
27后腔
28底衬元件
29MOSFET
30金属条
31控制单元
32开关单元
33控制信号
34采样电阻
35运算放大器
36电阻
37电阻
38电阻
50a，50b  桥接元件
51密封圈
52外槽
53内槽
54定位网
55端接连接器
Figure BDA0000065025530000131

Claims (9)

1.一种车辆液体加热器，尤其是汽车水加热器，包括至少一个热交换器(8)，至少一个电操作的加热单元(9)和至少一个用于控制向加热单元(9)的供电的控制单元，所述热交换器(8)包括至少一个导热体，该导热体限定了至少一个用于待加热的液体的液体通道(15)，所述加热单元(9)连接到热交换器(8)的导热面，其特征在于，所述控制单元与热交换器(8)热连接。
2.根据权利要求1的车辆液体加热器，其特征在于，所述控制单元通过热沉连接到热交换器(8)。
3.根据以上权利要求中任一项的车辆液体加热器，其特征在于，所述热沉是导热金属条(30)的形式。
4.根据以上权利要求中任一项的车辆液体加热器，其特征在于控制单元连接到热交换器(8)。
5.根据权利要求1到3中任一项的车辆加热器，其特征在于，所述控制单元连接到加热单元(9)。
6.根据以上权利要求中任一项的车辆液体加热器，其特征在于，控制单元被设置在控制板(10)上。
7.根据以上权利要求中任一项的车辆液体加热器，其特征在于，所述热交换器(8)、至少一个相关联的加热单元(9)和所述控制单元由共同的外壳封装。
8.根据以上权利要求中任一项的车辆液体加热器，其特征在于，所述控制单元包括开关单元，优选地为晶体管，更为优选的是金属氧化半导体场效应晶体管MOSFET，其将热量传导到所述热沉。
9.根据以上权利要求中任一项的车辆液体加热器，其特征在于，所述金属条粘附到所述热交换器(8)的导热面。
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