CN112423412B - 电负载电阻 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电负载电阻，包括具有至少一个U形容纳袋的壳体，在容纳袋中容纳至少一个PTC加热元件，该PTC加热元件包括至少一个PTC元件和至少一个接触板，该接触板导电地连接到PTC元件以为PTC元件通电，其中接触板具有用于插头式连接PTC元件的接线突耳，PTC加热元件以导热方式至少抵接在容纳袋的相反的主侧表面上，并且突出超过容纳袋的接线突耳。为了提高电负载电阻的吸热或散热能力，电负载电阻的壳体是封闭的，因此没有用于待加热的介质的入口或出口。在其他方面，本发明提出一种具有用于减少内燃机的起动时间的电负载电阻的装置、一种用于减少内燃机的起动时间的方法、以及自身已知的PTC加热装置作为用于减少内燃机的起动时间的电负载电阻的用途。

Description

电负载电阻
技术领域
本发明涉及一种电负载电阻。
背景技术
众所周知，内燃机的部件会经受热膨胀。因此，所述部件通常被制造成使得这些部件在内燃机的工作温度下具有最佳的配合。例如，活塞仅在工作温度下变成绝对的圆柱形，并且可以以其整个表面安置在缸中。因此，在发动机较冷时，部件无法最佳地配合到彼此，并且磨损高于工作温度下的磨损。此外，在发动机较冷时，燃料凝结在较冷的缸壁上。为了对此进行补偿，必须添加更多的燃料，这增加了消耗和污染物排放。发动机油在较冷的情况下也太粘而无法实现很好地润滑。催化转化器仅在排出气体的某一最低温度下有效地工作。
发明内容
鉴于该技术问题方面，本发明提出了一种具有权利要求1的特征的电负载电阻。
根据本发明的电负载电阻具有封闭的壳体，该壳体包括至少一个U形的容纳袋，在该容纳袋中容纳有PTC加热元件。PTC加热元件具有至少一个PTC元件和至少一个接触板，所述至少一个接触板导电地连接到PTC元件以为PTC元件通电。壳体通常形成多个U形的容纳袋，其中通常在每个容纳袋中设置一个PTC加热元件。通常，PTC加热元件具有多个PTC元件，这些PTC元件经由接触板进行通电。接触板具有用于PTC元件的插头式连接的接线突耳。PTC加热元件导热地至少抵接在容纳袋的相反的主表面上，其中接触板的接线突耳在容纳袋的上方突出。
封闭的壳体具体是不具有用于介质的入口或出口的开口的壳体。通常，封闭的壳体仅具有插入开口和通孔，该插入开口用于使PTC加热元件插入到壳体中并且通常由壳体盖封闭，用于连接PTC加热元件的至少一根电缆密封地穿过该通孔。因此，由PTC加热元件产生的热不会传递到循环通过壳体的介质，而是会被壳体吸收，壳体通常由具有良好导热性的材料制成。通常，壳体完全封装PTC加热元件。壳体例如可以由金属(特别是铝)或陶瓷制成。容纳袋可以延伸到室中，该室可以填充有蓄热填料(诸如水泥或沙子)。由于壳体是封闭的，因此壳体可以以改进的方式在短时间内吸收大量的热。
根据本发明优选的进一步扩展方案，壳体的外表面形成电负载电阻的用于散热的仅有的边界表面。边界表面具体理解为是壳体的外壁，但也理解为是由在壳体内部延伸的分隔壁形成的表面。因此，根据该进一步扩展方案，壳体的散热表面仅设置在壳体的外部。由此，根据该进一步扩展方案，省去了装入壳体中的蓄热填料。通常，由PTC加热元件产生的热通过抵靠壳体外壁的内表面实现的导热抵接而被引入到壳体中，并经由壳体外壁的外表面通过热辐射被辐射。壳体的外壁的厚度可以变化并且通常被选择为使得壳体具有足够的质量以在20s内吸收20kJ至30kJ的热，优选地吸收23kJ至27kJ的热，并且更优选地吸收25kJ的热。根据该优选的扩展方案，由PTC加热元件产生的热直接通过壳体辐射到环境中，从而提高了吸热或散热能力。因此，可以在短时间内产生并吸收大量的热，而不会使电负载电阻自身由于过热而受到损坏或对其他部件造成损坏。
根据本发明另一优选的进一步扩展方案，壳体被构造成散热器。在这种情况下，容纳袋作为散热片暴露于壳体的外侧。容纳袋的相反的主侧表面的外侧通常完全地或至少很大程度上暴露于环境空气中。多个容纳袋优选地一个接一个地设置成排，以使得壳体的横截面在容纳袋的区域中具有基本上正弦形的外轮廓。通常，壳体在两个容纳袋之间形成缺口 (indentation)，在该缺口中，壳体的外壁朝向壳体的内部延伸。缺口通常是U形的并且通常反平行于一个或多个容纳袋延伸。主延伸方向的长度通常对应于容纳袋的长度。也可以在两个散热片之间设置多个缺口。
通过将壳体构造成散热器并且特别是将容纳袋构造成散热片，可以增加电负载电阻的散热表面。因此可以防止由于过热引起的可能的损坏，并且进一步提高吸热能力和散热能力。另外，PTC元件的已知的自调节特性有助于防止过热。
根据本发明的另一优选的进一步扩展方案，电负载电阻包括壳体盖，该壳体盖通常流体密封地连接到壳体，并且具有至少一个腹板以固定PTC 元件的插头式接触(plugcontact)。腹板可以由橡胶弹性材料组成，或者至少具有由这种橡胶弹性材料制成的区域。这样的橡胶弹性材料例如可以是弹性体。腹板可以从壳体盖基部柱状地突出。通常，腹板的数量和容纳袋的数量是相同的，以使得通过将壳体盖安装在壳体上，实现了针对PTC 元件的插头式接触的补充互锁。壳体盖通常安装在壳体的与容纳袋相反的一侧。腹板通常设置在容纳袋的延伸方向上，其中腹板的一个末端抵接和 /或环绕与接线突耳接触的插头元件。具体地，腹板还通过容纳袋中的形状配合(form-fit)和/或摩擦连接在容纳袋的开口方向上保持PTC加热元件。优选地，壳体盖安装在壳体上，以使得腹板在容纳袋的方向上在插头元件上施加压缩力。如果腹板在弹性预紧力下与插头元件相互作用，则腹板的弹性变形还可以在负载电阻的运行期间调节任何沉降量(settling amount)。优选地，腹板在其末端处具有凹部，插头元件抵接在该凹部中。壳体盖通常具有板状的基部，腹板从该基部以直角突出。优选地，壳体盖由板状的基部和腹板组成。在安装后，腹板通常桥接一中间空间或间隙，并保持其部分自由。该中间空间或间隙在腹板的外端部(通常是自由端部)与腹板的安装端部之间延伸。
这样，无论电负载电阻的安装情况如何，都可以确保PTC加热元件不会由于振动而掉出容纳袋或与容纳袋分离，而是使PTC加热元件始终与容纳袋的主侧表面进行导热接触，并且确保插头式接触被补充固定。
根据本发明的另一优选的进一步扩展方案，用于连接PTC加热元件的电缆被密封地引导穿过壳体。在壳体的该通孔中通常设置有密封元件，该密封元件完全包围电缆。用于电缆的通孔通常是流体密封的，以使得(由于壳体是封闭的)壳体外部的介质与壳体内部之间不会发生交换。壳体盖通常也流体密封地安装在壳体上。因此，壳体的内部通常在大气方面与壳体的环境分离。通常，电缆包括多根电线，其中一根电线分别在每一端处连接到插头元件，该插头元件与接线突耳接触并抵接在腹板的凹部中。电缆的芯线可以被单独地引导穿过通孔，并且在通孔的区域中可以分别设置有单独的芯线密封件。密封元件设置在通孔中，电缆被引导穿过该通孔，并在一定程度上抵消从壳体外部作用在电缆上的张力。密封元件通常围绕开口紧密地抵接在壳体的外部上。因此，外壳通常符合ISO标准20653：2013 的IP6K9K和IP67防护标准。
因此，可以在最多样化的安装情况下使用电负载电阻。由壳体对PTC 加热元件的完全封装允许例如在车辆的发动机舱或轮罩中的暴露位置处使用这些PTC加热元件。
根据本发明的另一优选的进一步扩展方案，PTC元件导电地连接到壳体，其中壳体形成PTC元件的地电势。根据本发明的该优选的进一步扩展方案，仅形成接线突耳的接触板设置在PTC元件的一侧，并且该接触板在容纳袋中与壳体电绝缘。根据该优选的进一步扩展方案，在PTC元件的相反侧，该PTC元件在容纳袋中导电地抵接在壳体上。相反侧通常是PTC元件的主侧表面。根据该进一步扩展方案，壳体是电源电路的一部分。通常，壳体在内部形成接地端子，当使用机动车辆中的电负载电阻时，该接地端子通常电连接到车辆主体。
这减少了连接PTC加热元件和用于PTC加热元件的部件所需的布线的量。
根据本发明的另一优选的进一步扩展方案，壳体由在20℃的材料温度下具有至少800J/(K·Kg)的比热容的材料制成，其中壳体具有至少500g 的重量。通常，壳体由金属(特别是铝)或陶瓷制成。非常优选地，壳体通常通过铸造法由铸造铝合金制成。更优选地，壳体由在20℃的材料温度下具有至少890J/(K·Kg)的比热容的材料制成，其中壳体具有至少550g 的重量。壳体壁的厚度通常使得壳体外部的表面温度不超过140℃。根据本发明的电负载电阻通常具有至少1000W、优选至少1250W的电功率。
因此，可以确保电负载电阻可以在10s至30s、优选15s至25s、以及非常优选在20s的时间内产生20kJ至30kJ、优选23kJ至27kJ、以及非常优选25kJ 的热，并将所述热存储在壳体中。
在第二方面，本发明涉及一种用于减少内燃机的启动时间的装置。该装置包括电负载电阻，该电负载电阻具有容纳在壳体中的至少一个PTC加热元件，其中电负载电阻连接到由内燃机驱动的发电机，并且壳体安装在包括内燃机的车辆上，以使得由该装置产生的热被专门地并直接地散发到环境中或被存储在壳体中。该装置的电负载电阻优选地是根据本发明的电负载电阻，但不限于此。该装置的特征准确地说在于其部件的客观布置。因此，该装置的电负载电阻布置在强制引导的介质流的外部，因此，该电负载电阻不会被强制引导的介质流检测到或所述介质流不会围绕该电负载电阻经过。因此，热到环境中的专门且直接的散发具体理解为是通过热辐射以及必要时通过自然对流进行的散热，这不需要强制冷却。该装置通常位于配备有内燃机的车辆的发动机舱中。通常还在该发动机舱中设置有用于加热流入到车辆的乘客舱中的空气的电辅助加热器。由于加热流入到乘客舱中的空气的液体介质经过电辅助加热器，或者流入到乘客舱中的空气直接围绕该电辅助加热器经过，因此电辅助加热器与装置的电负载电阻是有区别的。
由于内燃机驱动发电机，并且装置的电负载电阻连接到发电机，因此通过电负载电阻使内燃机加载的负载更多，从而使内燃机更快地达到其工作温度，即，减少了内燃机的启动时间。装置的电负载电阻优选地位于车辆的发动机舱或轮罩中的暴露位置处。该电负载电阻将其热释放到环境中。能量不用于加热车辆的内部和/或不用于加热在升高的温度下效率提高的技术部件。
在方法方面，本发明涉及一种用于减少内燃机的启动时间的方法，其中，内燃机的温度被测量，并且使连接到由内燃机驱动的发电机的负载电阻运行，直到内燃机的测量温度达到预定温度。预定温度通常是内燃机的工作温度，具体是大约90℃。在发动机已达到其工作温度之后，负载电阻通常与电能源(发电机)断开，通常至少到内燃机重新启动。通常，测量温度被传输到控制单元，该控制单元根据该测量温度控制致动器或开关以使负载电阻与发电机联接或使负载电阻与发电机断开。因此，用于断开负载电阻的变量是内燃机的测量温度，其中一旦测量温度达到预定温度，就断开负载电阻，该预定温度通常对应于内燃机的工作温度。
通过将附加的电负载连接到发电机，根据本发明的方法允许有针对性地减少内燃机的启动时间，其中内燃机的温度用作变量。
根据本发明方法的优选的进一步扩展方案，负载电阻周期性地运行，其中一个周期包括做功阶段和休止阶段。做功阶段理解为是负载电阻将发电机产生的电能转化为热的时间间隔。另一方面，休止阶段是发电机没有加载负载电阻的时间间隔；即，在休止阶段中，电负载电阻不会产生任何热。由于这种循环运行，在做功阶段期间可以在短时间内产生大量的热，并且必要时所述热可以临时存储在负载电阻的壳体中，然后所述热在休止阶段期间被辐射到环境中。因此，休止阶段的持续时间被选择为使得确保负载电阻的充分冷却，并且在随后的做功阶段中产生的热可以通过负载电阻(具体是通过其壳体)再次被临时存储，以便最后在休止阶段中再次被辐射到周围。
更优选地，由做功阶段和休止阶段组成的循环持续30s至120s、优选地 50s至110s、以及非常优选地90s至105s。休止阶段通常比做功阶段长2倍至 5倍、优选地3倍至4倍。
因此，负载电阻可以在做功阶段中以高功率运行，从而允许内燃机加载有足够的负载以减少启动时间。
在又一方面，本发明涉及自身已知的PTC加热装置在具有内燃机的车辆中作为电负载电阻用于减少内燃机的启动时间的用途，其中实现该用途而无需供应由PTC加热装置产生的热以在车辆内使用。优选地，当以这种方式使用时，由PTC加热装置产生的热被专门地且直接地散发到环境中或被存储在PTC加热装置的壳体中。根据该用途，已知的PTC加热装置没有以通常的方式用于加热流入到车辆的乘客舱中或车辆内其他部件中的空气。在该应用中不使用由PTC加热装置产生的热。所述热主要通过热辐射被辐射到周围大气中，并且通常以无方向性的方式散发。
附图说明
从下列结合附图对优选实施例进行的描述中可以获得本发明的其他细节和优点。在附图中：
图1示出了实施例的电负载电阻的立体侧视图；
图2示出了实施例的电负载电阻的纵向截面图；
图3示出了实施例的部件的立体侧视图；
图4示出了实施例的电负载电阻的俯视图，其中省略了壳体盖，以及
图5示出了实施例的PTC加热元件的截面图。
具体实施方式
图1所示的电负载电阻2具有由铝制成的基本上为长方体的壳体4。壳体4由封闭连接室的塑料壳体盖6覆盖。壳体盖6通过螺钉8旋拧到壳体4。除了壳体4的由壳体盖6封闭的开口之外，壳体4的通孔10(参见图4)是壳体4到连接室的仅有的开口。在通孔10中设置密封剂12。密封剂12通过围绕通孔的密封件14抵接在壳体4的外部，并借助于螺钉16抵靠壳体4的外部进行密封。电连接电缆18被以密封的方式引导穿过密封剂12。电连接电缆 18包括多根股线20，所述多根股线20的端部在壳体外侧与插头22接触。连接电缆的第二端部24与单独的插头26接触。电负载电阻2具有用于固定电缆18的紧固件28，其中紧固件28中的一个设置在壳体盖上。
图2所示的截面图示出了电负载电阻2的内部结构。壳体4形成四个U 形的容纳袋30，在每个容纳袋中都布置有PTC加热元件32。容纳袋30中的 PTC加热元件32与壳体4进行导热接触。容纳袋30的外侧至少部分地形成壳体4的外壁。壳体的至少一个缺口34设置在两个容纳袋30之间。缺口34基本上也是U形的并且反平行于容纳袋30对准。容纳袋30因此形成散热片，该散热片至少部分地暴露于壳体4的外侧，以使得壳体4自身被构造成散热器。
PTC加热单元32的塑料框架36从容纳袋30中伸出，在该塑料框架36中多个PTC元件58和与PTC元件58导电接触的接触板60被保持(参见图5)。此外，接触板的接线突耳38从容纳袋30中伸出。接线突耳38电连接到插头元件40。在容纳袋30内，接触板通常通过绝缘层62与壳体电绝缘。在与接触板60相反的一侧，PTC元件58以导电方式抵接壳体4。
插头元件40具有压接连接部42，该压接连接部42具有连接电缆18的连接到正极/接地端子的股线20中的一根股线。壳体4在内部形成柱状的接地端子44，该接地端子44电连接到连接电缆18的接地股线20。壳体4因此形成PTC加热元件32的地电势，并且是由12V车辆电力系统供应的电路的一部分。
当电流流经PTC加热元件32时，PTC加热元件32会变热，并通过在容纳袋30中的导热抵接将热散发到壳体4。然后，被设计成散热片的容纳袋 30将热辐射到环境中。腹板46从壳体盖6柱状地延伸到壳体4的内部中。这些腹板46与壳体盖6一体制成并且由塑料制成。腹板46沿容纳袋30的延伸方向延伸，其中腹板46指向容纳袋30的开口的末端具有U形的凹部，压接连接部42抵接到该凹部。通过借助于螺钉8将壳体盖6固定到壳体4，腹板 46在容纳袋30的方向上在插头元件40上施加一定压力，并由此也在PTC加热元件32上施加一定压力。这确保了插头式接触被固定，并且确保了PTC 加热元件32始终在容纳袋30中以导热方式抵接壳体4。此外，腹板46分别在容纳袋30的开口的方向上形成用于PTC加热元件32的形状配合，从而阻止PTC加热元件32例如由于振动或由于插头元件40与接线突耳38松脱而提升离开容纳袋30。
图3示出了电负载电阻的除壳体4之外的部件。例如，图3示出了壳体盖6借助于插入密封件48的中间层附接到壳体4。在图3中也未示出的密封元件12也通过形成密封件14的O形环50的插入而抵靠壳体4进行密封。连接电缆18的股线20在通孔的高度处具有10个单独的股线密封件52。PTC加热单元32的塑料框架36保持楔形元件54，该楔形元件54以自身已知的方式确保PTC加热单元32在容纳袋30中的导热抵接(参考EP 1872986A1)。
如从图4中可以看出，连接电缆18的各根股线20分别被引导穿过密封元件12的通道56。在这些通道56中设置有单独的股线密封件52，所述股线密封件52在径向方向上被通道弹性地挤压。因此，通孔10通过密封元件12 和密封件14以流体密封的方式被封闭。
图5详细示出了PTC加热单元32。在PTC加热单元32的塑料框架36中，四个PTC元件58以一个在另一个上方的方式布置成排。在图5的左侧，接触板60以导电方式抵接在PTC元件58的主侧表面上。接触板60形成接线突耳 38，该接线突耳38在塑料框架36上方突出并因此也在容纳袋30上方突出并且暴露在连接室中。接触板60借助于位于接触板60的外侧的绝缘层62与壳体4绝缘。滑板64设置在绝缘层62的外侧，楔形元件54抵接在滑板64的外侧。楔形元件54被示出为处于保持位置中，在该保持位置中楔形元件54位于塑料框架36的插入开口66中。当楔形元件54完全插入到塑料框架36中时，楔形元件54引起PTC加热元件32与容纳袋30之间的导热抵接。在PTC元件58的与接触板60相反的一侧，导电接地板68抵接PTC元件58的主侧表面。接地板68在其外侧导电地且导热地抵接容纳袋30的内侧。在从接线突耳38突出的端部处，塑料框架36形成止动部70，该止动部70围绕容纳袋30的开口抵接壳体4。
在塑料框架36中，PTC元件58被保持并定位在接地板68和楔形元件54 之间。这允许PTC加热元件32被预制造并处理成一个单元。
附图标记列表
2   电负载电阻
4   壳体
6   壳体盖
8   螺钉
10  通孔
12  密封元件
14  密封件
16  螺钉
18  连接电缆
20  连接电缆的股线
22  插头
24  连接电缆的第二端部
26  插头
28  紧固件
30  容纳袋
32  PTC加热元件
34  缺口
36  塑料框架
38  接线突耳
40  插头元件
42  压接连接部
44  接地端子
46  腹板
48  插入密封件
50  O形环
52  单独的股线密封件
54  楔形元件
56  通孔通道
58  PTC元件
60  接触板
62  绝缘层
64  滑板
66  插入开口
68  接地板
70  止动部

Claims (14)

1.一种电负载电阻(2)，所述电负载电阻(2)包括封闭的壳体(4)，所述壳体(4)具有至少一个U形的容纳袋(30)，在所述容纳袋(30)中容纳有至少一个PTC加热元件(32)，所述至少一个PTC加热元件(32)包括至少一个PTC元件(58)和至少一个接触板(60)，所述至少一个接触板(60)导电地连接到所述PTC元件(58)以为所述PTC元件(58)通电，其中，所述接触板(60)具有用于插头式接触所述PTC元件(58)的接线突耳(38)，所述PTC加热元件(32)以导热方式至少抵接在所述容纳袋(30)的相反的主侧表面上，并且所述接线突耳(38)在所述容纳袋(30)上方突出，并且其中，所述封闭的壳体(4)被构造成使得没有介质能够循环通过其中。
2.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于，所述壳体(4)的外表面形成所述电负载电阻(2)的用于散热的仅有的边界表面。
3.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于，所述容纳袋(30)作为散热片暴露于所述壳体(4)的外侧。
4.根据权利要求3所述的电负载电阻(2)，其特征在于，所述壳体(4)的外壁的至少一个缺口(34)设置在两个散热片之间。
5.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于壳体盖(6)，所述壳体盖(6)具有用于对所述PTC元件(58)的插头式连接进行补充锁定的腹板(46)。
6.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于，用于连接所述PTC加热元件(32)的电缆(18)被以密封方式引导穿过所述壳体(4)。
7.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于，所述PTC元件(58)导电地连接到所述壳体(4)，所述壳体形成所述PTC元件(58)的地电势。
8.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于，所述壳体(4)由在20℃的材料温度下具有至少800J/(K·Kg)的比热容的材料制成，以及所述壳体(4)具有至少500g的重量。
9.根据权利要求1所述的电负载电阻(2)，其特征在于，所述封闭的壳体(4)缺少用于介质的入口或出口的任何开口。
10.一种用于减少内燃机的启动时间的装置，所述装置包括电负载电阻(2)，所述电负载电阻(2)具有容纳在壳体(4)中的至少一个PTC加热元件(32)，其中
所述电负载电阻(2)连接到由所述内燃机驱动的发电机，并且所述壳体(4)安装在包括所述内燃机的车辆上，以使得由所述装置产生的热被专门地并直接地散发到环境中或被存储在所述壳体(4)中，并且
其中，所述壳体(4)是封闭的壳体，所述封闭的壳体被构造成使得没有介质能够循环通过其中。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述封闭的壳体(4)缺少用于介质的入口或出口的任何开口。
12.一种用于减少内燃机的启动时间的方法，其中
测量所述内燃机的温度，并且使连接到由所述内燃机驱动的发电机的负载电阻(2)运行，直到所述内燃机的测量温度达到预定温度，
其中，所述负载电阻(2)包括至少一个PTC加热元件，并且
其中，由所述至少一个PTC加热元件产生的热不会被传递到被引导的介质流。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述负载电阻(2)周期性地运行，并且一个周期包括做功阶段和休止阶段。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述周期持续30s和120s之间，和/或所述休止阶段比所述做功阶段长2倍至5倍。
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