CN104272054A - 用于车辆的加热装置和操作所述加热装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的加热装置(10)，其包括：用于液体热传送介质的流动路径(14、16、20、22、24)和用于加热在所述流动路径的加热部上的热传送介质的电加热装置(25)。根据本发明，加热部(20)具有沿着迂回形式延伸的至少两个通道(20)，热传送介质能够并行地流经所述通道(20)。本发明还涉及用于操作加热装置(10)的方法。

Description

用于车辆的加热装置和操作所述加热装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的加热装置并且涉及一种操作在车辆中的加热装置的方法。
背景技术
电加热装置被例如在机动车辆中用作辅助加热装置或驻车加热装置。电加热装置通常包括用于产生热量并且用于将产生的热量排出到热传送介质的至少一个电加热单元。热传送介质可以例如是水或另一合适的热传送液体。
电加热单元可以被连接到电子控制单元，所述电子控制单元允许控制加热单元的加热功率。电子控制单元可以是例如用于控制加热单元中的电流或者用于控制施加在所述加热单元的电压的功率晶体管或者基于半导体的电子电路。功率晶体管可以例如是具有绝缘栅电极(IGPT)的双极晶体管。功率晶体管可以与加热元件(例如，加热电阻)串联电连接。作为副作用，电子控制单元通常产生热量，所述热量必须被消散以防止控制单元过热。例如，空气冷却装置可以被提供用来经由进入的空气排出废热。电子控制单元可以例如被放置在空气管内侧，空气能够流动通过所述空气管。鼓风装置(例如，风扇)可以被放置在管内侧以产生空气流。由电子控制单元预热的空气能够被进一步引导通过加热单元以进一步将空气加热到期望的温度。然后，被加热的空气能够进一步被引导到其目标位置，例如车辆的乘客室。
发明内容
本发明的目标是提供一种紧凑、坚固、节能并且结构简单的电加热装置。本发明的另一目标是描述一种操作车辆中的加热装置的高能效的方法，所述加热装置能够以结构简单的方式实施。
这些目标通过独立权利要求的特征实现。从属权利要求描述改进和有利的实施例。
在下面描述用于车辆的加热装置，所述加热装置包括用于液体热传送介质的流动路径和用于加热在所述流动路径的加热部上的热传送介质的电加热单元。
加热部可以包括至少两个迂回通道，热传送介质能够并行地流经所述至少两个迂回通道，当与仅仅具有单个迂回通道的可替代设计相比较或者与串行连接相比较时，所述通道的并行连接具有这样的优点，即在加热部上的热传送介质的压力损失更低。因此，用于使得热传送介质移动的泵或其他驱动装置能够使用更少的功率操作并且因此可以更小功率的。当与其中若干(也就是，至少两个)直通道被并行连接的另一可替代的设计比较时，在本文中所描述的迂回形状有这样的优点，即所述迂回形状导致在热传送介质中的湍流并且因此防止或延迟热传送介质的过热或沸腾。因此若干迂回通道的并行连接是这两个可替代的实施例之间的折中，即：单个迂回通道与若干并行连接的直通道之间的折中。这个折中有利于湍流并且同时导致在加热部上的相对小的压力损失。
流动路径可以包括在加热部上游的入口部和在加热部下游的出口部，其中通道从入口部分支并且排放到出口部。因此，通道将入口部连接到出口部。因此，共同的入口部和共同的出口部被设置用于所述通道。例如与每个包括正好一个单通道的相同的加热装置的组相比，这允许部件的数量减少。
入口部可以被设计以使得所述入口部的横截面面积根据通道的分支而沿着热传送介质的流动方向减小。类似地，入口部可以被设计以使得所述入口部的横截面面积根据通道的排放点而沿着热传送介质的流动方向增大。因此可以实现在所述分支点的每个分支点处压力大致相同。例如，分支点和/或排放点的每个可以分别通过限定入口部和出口部的盒连接。盒可以被设计以使得每个通道受到相同的压力。因此，可设想到限定入口部的盒(入口盒)沿着流动方向变窄。类似地，可设想到限定出口部的盒(出口盒)沿着流动方向变宽。各个通道可以被形成为相同的形状。这可以对于计算所述通道的几何形状带来优势。
入口部和出口部可以例如是细长的并且彼此平行延伸。在入口部与出口部之间的体积因此具有恒定的横向尺寸，这有益于在入口部与出口部之间通道的布置。可设想到每个通道从入口部垂直地分支并且垂直地排放到出口部。这有利于在分支点处和在排放点处产生湍流。而且，这允许将用于热传送介质的入口和出口布置在共同的平面内，例如，布置在加热装置的前侧上。
还可设想到所述通道中的每个呈现正好2×N个发夹形曲线，其中N是自然数。在这个上下文中，发夹形曲线是具有150°与180°之间的角度的曲线。因此发夹形曲线导致热传送介质的流动方向改变所述角度。发夹形曲线的总数量成对有利于在入口部与出口部之间更大的距离。这可以简化流动路径的几何形状。
流动路径可以包括用于允许热传送介质进入加热装置的入口部上游的入口和用于将热传送介质从加热装置排放的出口部下游的出口。因此加热装置能够被用作热回路中的模块。热回路还可以包括部件或模块，诸如用于将热量从热传送介质传递到要被加热的空气的空气热交换器以及用于产生热传送介质的流动的驱动装置例如泵。
一个或多个旋转元件可以被放置在所述通道的每个中以产生在通道中流动的热传送介质围绕通道的纵向轴线的旋转运动。因此，相应的旋转元件能够向所述流动增加旋转分量。旋转元件可以是无源旋转元件。也就是，所述旋转元件可以没有驱动装置。无源旋转元件可以被几何地设计以使得所述无源旋转元件将热传送介质的平移动能中的一部分转换为旋转动能。
旋转元件还可以被设计以混合通道中的热传送介质。换言之，旋转元件可以被设计以在热传送介质中产生湍流。这有利于将热量从加热单元传递到热传送介质。
控制单元可以设有用于从控制单元向在加热部上游的流动路径入口部上的热传送介质排放废热的热量排放体。在这种情况下，入口部形成预热部。然后，来自电子控制单元的废热主要不被直接传递到要被加热的目标介质(例如，要被供应到车辆的乘客室的空气)而是传递到液体热传送介质。为此所需要的构造体积可以因此更小(例如，与电子控制单元的空气冷却装置相比较)。可以省去用于限定加热装置内空气流动路径的空气管或其他部件和鼓风装置。热量排放体可以例如被布置在用于热传送介质的入口室内侧或者布置在加热部上游的热传送介质的另一流动区域内侧。
可以通过热量排放体的适当的尺寸和适当的几何形状结合热传送介质的适当流速保证从电子控制单元经由热量排放体向热传送介质的足够高的热传递率。因此可以防止流经热量排放体的热传送介质(例如，水)沸腾。由于在热量排放体处的热传送介质沸腾可能导致在热量排放体处形成气泡，所述气泡可能具有绝热效应并且因此妨碍废热从电子控制单元的流动，因此在热量排放体处的热传送介质沸腾是不期望的。然而，热量排放体的适当的尺寸和形状使得能够即使在热传送介质沸腾的情况下，在热量排放体处产生的气泡被热传送介质的流动冲走。因此，具有光滑的(不粗糙的)和/或流线型表面的热量排放体可以是有利的。尽管粗糙的、不平坦的并且非流线型的表面可以具有在表面处产生热传送介质湍流的优点，这有利于热量从热量排放体到热传送介质中的流动，在热传送介质沸腾的情况下，湍流可能具有形成的泡沫仍然堵塞在热量排放体处的后果。然而，如果沸腾的风险是可忽略的，有利于湍流的热量排放体表面设计可以是更好的选择。
热量排放体可以被定向以使得所述热量排放体在热传送介质中的流动阻力最小。以此方式能够使得用于使热传送介质沿着流动路径移动所需要的动力(也就是，用于产生热传送介质的流动所需要的动力)最小。例如，如果泵被用于驱动热传送介质，可以使用具有相对低的功率和因此具有相对低能量消耗的泵。而且，因此能够减少在热量排放体处形成气泡的危险。
加热装置可以配备有用于将热量从加热部下游的热传送介质传递到空气的空气热交换器。空气热交换器可以例如包括用于热传送介质的若干通道和用于空气的若干通道，所述通道被布置为彼此靠近以保证到空气的良好热传递。加热装置还可以包括壁，所述壁至少部分地限定在预热部中的流动路径，其中热量排放体从所述壁延伸到所述预热部中。热量排放体可以例如被形成为所述壁的凸出部或者形成为销、螺栓或翼片。此外，可设想到热量排放体延伸到所述壁的相反部。因此，在预热部中可利用的体积能够以最佳的方式使用。热量排放体可以例如包括附接到所述壁的相反侧的两个端部。这个布置可以是特别坚固的。如果加热装置包括若干电子控制单元，电子控制单元可以被放置在所述两个端部的每个端部处。例如，加热装置可以包括若干电加热单元，例如，并行连接的若干加热电阻，所述加热电阻的每个分别具有与其相关联的电子控制单元(例如，电力开关)。所述热量排放体和所述壁可以被形成为单个件。这可以使得加热装置容易生产和保证高的坚固性。热量排放体和壁可以例如由具有高导热性的适当的材料制成为成形部。可替代地，热量排放体可以例如由具有高导热性的材料(例如，金属，例如铝)制成并且壁可以由热绝缘的材料(例如，塑料材料或陶瓷)制成。因此，在经由加热装置的壁到紧邻的部件或另一环境(例如，空气)的热量损失能够被使得最小的同时，在热量排放体与热传送介质之间的热交换能够被优化。如上所述，加热装置可以包括第二电子控制单元，其中，热量排放体从第一控制单元延伸到第二控制单元。在这种情况下，第一控制单元和第二控制单元共用共同的热量排放体。以此方式可以降低生产成本并且可以增强坚固性。
加热装置还可以包括用于从加热单元向在加热部中的热传送介质传递热量的热传递单元。可替代地，电加热单元可以直接接触热传送介质。热传递单元和热量排放体可以被形成为单个件。例如，包括热传递单元和热量排放体的部件可以包括第一组翼片和第二组翼片，其中每组包括至少一个翼片并且第一组被布置在流动路径的加热部中而第二组被布置在流动路径的预热部中。也就是，第一组翼片可以被看作热传递单元或热传递单元的一部分，而第二组翼片可以被看作热量排放体或者热量排放体的一部分。紧邻的翼片可以例如限定用于热传送介质的通道，所述通道是流动路径的一部分。
加热装置还可以包括连接件，所述连接件使得热传递单元与热量排放体彼此连接并且所述连接件沿着非直线延伸以使得相对于最短的直线热传递单元与热量排放体之间的热阻增大。以此方式，热量从电加热单元到电子控制单元的流动能够被最小化。连接件可以例如被形成为波纹或者被形成为几个接连的波纹。
所提到的非直线可以例如被形成为以下字母中的一个的形状，即：L、U、V、S、Z、N、M和W中的一个。
附图说明
图1示出加热装置的示例的俯视图。
图2示出图1的加热装置的立体图。
图3示出图1的加热装置的另一立体图。
图4示出图1的加热装置的特写视图。
图5示出图1的加热装置的另一立体图。
图6示出流动路径的示例的示意性图示。
图7示意性地示出具有用于电子控制单元的热量排放体的热传递单元的示例。
图8示出加热装置的示例的截面图。
图9示出加热装置的另一示例的截面图。
图10示出混合装置的示例。
图11示出在通道中的图10的混合装置。
图12示出混合装置的另一示例。
图13示出在通道中的图12的混合装置。
图14示出流程图。
具体实施方式
在下面的附图的描述中，相同的附图标记指的是相同或类似的部件。
图1至图5示出用于车辆(例如，用于机动车辆或移动房屋或工作容器)的电加热装置10。在图1至图4中，装置10被表示为在其顶侧开放以显示装置10的内部区域。加热装置10包括壳体12。用于液体热传送介质(例如，水)的流动路径被限定在壳体12内侧。在所示的示例中，流动路径包括以如下顺序的流动部：入口14、入口室16(入口部)、由热传递单元18限定的若干通道20、出口室22(出口部)和出口24。通道20被并行地彼此连接并且将入口室16连接到出口室22。
至少一个加热单元25(图8和图9所示)被集成到热传递单元18中或者布置在热传递单元18上或热传递单元18之下并且机械地连接到热传递单元18以使得加热单元25与热传递单元18之间的热阻最小。在所示的示例中，加热装置10包括多个电加热单元25(图8和图9所示)和用来控制加热单元25中的每个的单独加热功率的对应数量的电子控制单元26(也在图8和图9中示意性示出)。每个加热单元25因此具有与所述加热单元25相关联的电子控制单元26。加热单元25可以包括一个或若干加热元件。加热单元25和控制单元26可以例如是加热电阻器和与加热电阻器串联连接的功率晶体管。可替代地，一组的若干加热单元25可以具有与所述加热单元25相关联的共同的控制单元26。例如，实施例可以被设想，其中所述组包括加热装置10的所有加热单元25并且其中这个组被与电力开关26串联连接以控制加热单元25的组合功率。如果提供若干控制单元26，所述控制单元26可以实施为单个部件。在所示出的示例中，控制单元26能够每个被经由至少两个电触头30接触用于施加电源电压。
控制单元26中的每个被机械地连接到热量排放体28。热量排放体28用来从电子控制单元26向入口室16中的热传送介质排放废热。因此入口室16也被称为流动路径的预热部。每个控制单元26可以具有与其相关联的一个或多个热量排放体28。可替代地，若干热量排放体28可以被看作单个更大的热量排放体。在所示的示例中，热量排放体28从控制单元26延伸到入口室16中，并且在加热装置10操作期间，热传送介质流经所述热量排放体从而来自热量排放体28的热量被传递到热传送介质。在热传送介质被预热的同时，热量排放体28和因此控制单元26从而被冷却。被预热的热传送介质进一步从入口室16流动通过通道20。从而所述被预热的热传送介质流经限定通道20的热传递单元18并且吸收由加热单元25产生的热量。因此，通道20中的每个或者通道20总体也被称为流动路径的加热部。因此被加热的热传送介质然后进一步流经出口室22并且通过出口24离开加热装置10。
热量排放体28中的每个可以例如被形成为具有例如矩形或者V形横截面的翼片以将热量从控制单元(例如，从功率半导体)排放到热传送介质。因此，热量排放体28还能够用来引导热传送介质。可替代地，热量排放体28可以例如是用于在各自的控制单元之下(例如，从相对小的芯片区域之下)的点排放热量的圆锥体、螺栓或销。这样的圆锥体、螺栓或销还能够增强热传送介质的湍流并且因此增加热量的排放。因此能够避免电子控制单元的过热并且来自控制单元的废热被用来加热所述热传送介质。
在所示的示例中，入口部16通过壳体12的壁32限制到外部。出口部22通过壳体12的壁34限制到外部。壁32和34的每个分别从入口14和出口24分别沿着第一方向和第二方向延伸，其中第一和第二方向相对于基本上四边形的壳体12的三个主轴中的两个倾斜。因此，壁32导致入口部16沿着流动方向(也就是，远离入口14的方向)变窄。壁34延伸以使得出口部22沿着流动方向(也就是，朝向出口24的方向)变宽。这导致通道20具有热传送介质的基本上相同的压力。
进一步在图6中示意性地示出由加热单元10限定的流动路径。在所示出的示例中，通道20由适当形成的热传递单元18形成。在操作期间，热传送介质同时经由分支36从入口部16和单独的通道20流动并且被在合流38处排放到出口部22。三个所示的通道20中的每个沿着迂回线延伸并且包括例如四个发夹形曲线。因此合流38相对于同一通道的分支36偏移。在每个通道20中，可以布置用于增加从热传递单元18到热传送介质的热流动的一个或更多混合装置(见图10至图13)。
图7示意性地示出热传递单元18、控制单元26和热量排放体28的示例的侧视图。在所示出的示例中，热传递单元18和热量排放体28每个包括由若干翼片构成的组，所述若干翼片已知为冷却翼片并且所述若干翼片用于分别向在流动路径的加热部和预热部上的热传送介质的快速热传递。控制单元26(例如可以是半导体芯片)可以被附接到热量排放体28。在所示出的示例中，热传递单元18和热量排放体28被形成为单个件。所述热传递单元18和热量排放体28经由沿着非直线延伸的连接件44彼此连接。因此，实现了在一方面简单制造和很好的坚固性与在另一方面在热传递单元18与热量排放体28之间良好的绝热之间的折中。至少如果与热传递单元18热接触的加热单元25(见图8和图9)要达到高于控制单元26的操作温度，期望热量排放体28良好地与热传递单元18绝热。在所示的示例中，连接件44是基本上U形的。给定相同的端点距离的情况下，与假想的直线连接件相比较，连接件44具有更长的长度并且因此具有更大的热阻，这减少电子控制单元的加热。热传递单元18和热量排放体28因此被彼此热分离到一定程度。换言之，给定在热传递单元18与热量排放体28之间的应该最小的相同的距离，与等同地可能的直线连接件相比，非直线连接件44导致从加热单元25到控制单元26的热流动减少。因此实现紧凑的构造，其中热传递单元18(加热热传递单元)和热量排放体28(电子热传递单元)可以实施为单个部件而没有由加热单元25导致的过度加热电子控制单元26。
图8示出加热装置10的实施例，其中热传递单元18和热量排放体28经由直线连接件44彼此连接。
图9示意性示出的实施例与其不同仅仅在于连接件44是非直线的(例如，S形)，从而在给定加热装置10的相同总体积的情况下，实现热传递单元18与热量排放体28之间更好的绝热。控制单元26可以通过直接材料连接附接到热量排放体28以实现废热从控制单元26经由热量排放体28的迅速排放。
图10示出混合装置46的第一示例。混合装置46例如由共同形成链的若干旋转元件48和一个或多个偏转元件50构成。旋转元件48的每个可以是螺纹状的或者风扇状的。两个紧接地接连的旋转元件42可以具有相对于彼此例如90°的旋转角度以混合液体传送介质的不同的“包”(packet)。
图11示出从图1到图9的通道20的一个和混合装置46。混合装置46(还被称为旋转链)被放置在通道20中。偏转元件50的每个定位在通道20的相应发夹形曲线处。当被放置在通道20中时，旋转链46可以是刚性的或者至少不动的。尽管高导热性的材料可以在一定程度提高热量的传递，旋转元件48和偏转元件50并非必须由具有高导热性的材料构成。旋转元件48和偏转元件50可以例如由塑料材料制成。混合装置46被设计以向流动的热传送介质施加旋转并且以分隔所述热传送介质一次或重复地分隔所述热传送介质。旋转能够导致热传送介质的分子被引导到热传递单元的不同的温度区并且导致撕裂在通道的壁处的热边界层。流动的热传送介质的每次分隔可以混合来自不同温度区的分子。
例如，如从用于多组分粘合剂的混合喷射器已知的装置可以被用作混合装置。在本文所描述的实施方式中，然而，不是不同的物质而是相同的热传送介质的不同温度区域被混合。
偏转元件50的总数量和所述偏转元件的偏转角度(例如，在150°与180°之间)可以根据通道20的形状而改变。由于混合装置46本身仅仅取代相对小的体积并且可以是例如流线型的，能够避免流动截断和死水区。因此，在显著增大热量的流动的同时，由混合装置46导致的额外的压力损失可以是非常小的。
图12和图13示出这样的混合装置46的另一示例。
图14中的流程图示出加热装置10的操作模式。在方框S1中，加热装置10被接通。例如，泵(未示出)可以被接通以沿着流动路径驱动热传送介质。同时或者在此之前或在此之后，电子控制单元26可以被致动以使得加热单元25被供应电流从而产生热量。因此电加热单元25向在流动路径的加热部上的热传送介质排放加热热量(方框S2)。在此之前，流经热量排放体28并且围绕热量排放体28流动的热传送介质经由热量排放体28吸收来自控制单元26的废热，从而控制单元26被冷却并且热传送介质被预热。在方框S3中，加热装置10被断开。
在前面的描述中、附图中以及权利要求中所公开的本发明的特征可以单独地相关以及以任意组合相关以实施本发明。
附图标记列表
10  加热装置
12  壳体
14  入口
16  入口室
20  通道
22  出口室
24  出口
25  加热单元
26  控制单元
28  热量排放体
30  电触头
32  壁
34  壁
36  分支
38  合流
40  顶壁
42  热传递单元
44  连接件
46  混合装置
48  旋转元件
50  偏转元件

Claims (15)

1.一种用于车辆的加热装置(10)，其包括：
用于液体热传送介质的流动路径(14、16、20、22、24)，和
用于加热在所述流动路径的加热部上的液体热传送介质的电加热单元(25)；
其特征在于，所述加热部包括至少两个迂回通道(20)，所述热传送介质能够并行地流过所述至少两个迂回通道。
2.根据权利要求1所述的加热装置(10)，其特征在于，所述流动路径包括：
所述加热部上游的入口部(14)；和
所述加热部下游的出口部(16)；
其中所述通道从所述入口部(36)分支并且排放到所述出口部(38)。
3.根据权利要求2所述的加热装置(10)，其特征在于，所述入口部的横截面积根据所述通道的分支(36)沿着所述热传送介质的流动方向减小。
4.根据权利要求2或3所述的加热装置(10)，其特征在于，所述入口部(14)和所述出口部(16)是细长的并且彼此平行地延伸。
5.根据权利要求2、3或4所述的加热装置(10)，其特征在于，所述通道均从所述入口部垂直地分支并且垂直地排放到所述出口部。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的加热装置(10)，其特征在于，所述通道中的每个包括正好2×N个发夹形曲线，其中N是自然数。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的加热装置(10)，其中所述流动路径还包括：
所述入口部上游的入口(14)，用于使所述热传送介质进入所述加热装置；和
所述出口部下游的出口(24)，用于将所述热传送介质从所述加热装置排放。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的加热装置(10)，其中所述通道中的至少一个包括用于产生在所述通道(20)中流动的热传送介质的旋转的至少一个旋转元件(48)，所述旋转围绕所述通道的纵向轴线。
9.根据权利要求8所述的加热装置(10)，其中所述旋转元件(48)被布置以混合在所述通道内侧的热传送介质。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的加热装置(10)，其包括用于控制所述加热装置的加热功率的电子控制单元(26)，其中所述控制单元(26)设有用于从所述控制单元(26)向在所述流动路径的入口部(20)上的热传送介质排放废热的热量排放体(28)。
11.根据权利要求10所述的加热装置(10)，其包括用于从所述加热单元向所述加热部(20)中的热传送介质传递热量的热传递单元(18)，其中所述热传递单元(18)和所述热量排放体(28)被形成为单个件。
12.根据权利要求11所述的加热装置(10)，其包括使得所述热传递单元(18)与所述热量排放体(28)互相连接的连接件(44)，并且所述连接件(44)沿着非直线延伸以使得与最短的直线相比所述热传递单元(18)与所述热量排放体(28)之间的热阻增大。
13.根据权利要求12所述的加热装置(10)，其中所述非直线被形成为L、U、V、S、Z、N、M或W形。
14.根据权利要求11、12或13所述的加热装置(10)，其中所述热传递单元(18)至少部分地限定所述通道。
15.一种操作车辆中的加热装置(10)的方法，其特征在于，液体热传送介质同时流过所述加热装置的至少两个迂回通道，所述至少两个迂回通道被并行地流动技术上连接，从而所述热传送介质由所述车辆的电加热单元(52)加热。
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