CN117404814A - 电加热装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电加热装置，其具有壳体，该壳体具有用于要被加热的流体的入口和出口开口，该电加热装置具有用于使要被加热的流体通过壳体的循环室和用于至少一个PTC加热组件的电连接的连接室，其中，PTC加热组件包括至少一个PTC元件，并且用于利用不同极性的条形导体对PTC元件供能，该条形导体导电地连接到PTC元件并且导热地耦接到限界循环室的壳体的至少一个表面，其中，为了提高电加热装置的效率，提出了用于扰动在至少一个发热表面中上的要被加热的流体的层流边界层的特征。在根据本发明的方法中，由壳体形成的至少一个发热表面被处理成用于构造用于扰动要被加热的流体的层流边界层的特征。

Description

电加热装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电加热装置，其具有用于要被加热的流体的入口开口和出口开口，所述电加热装置具有用于使要被加热的流体通过加热器壳体的循环室和用于电连接至少一个电加热组件的连接室，所述电加热组件导热地耦接到限界循环室的至少一个表面。

背景技术

这种电加热装置例如从EP 1 872 986 A1或EP 2 797 381 A1中已知。

这种先前已知的电加热装置具有多部件加热器壳体，电加热装置包括用于使要被加热的流体通过加热器壳体的循环室和用于至少一个PTC加热组件的电连接的连接室。加热器壳体具有入口和出口开口，分别用于将要被加热的流体引入壳体和从壳体排出。在循环室和连接室之间有一个分隔壁，在前述现有技术中，容纳袋从该分隔壁伸出，PTC加热组件可以在连接侧插入到该容纳袋中。这些容纳袋以加热翅片的方式突出到循环室中。在该实施例中，循环室通过壳体与连接室完全流体地分开。连接室通常还具有用于PTC加热组件的控制装置，所述PTC加热组件在连接室内部电连接，并且也可以在连接室中成组以形成加热电路。

在根据EP 2 884 817 A1的另一现有技术中，加热翅片由插塞元件形成，该插塞元件以密封方式插入凹入分隔壁中的插塞元件插座中，其中PTC加热组件的接触舌延伸并通过分隔壁转移到连接室中。

先前提到的现有技术的特征对于本发明也是必要的。

与现有技术类似，根据本发明的电加热装置具有至少一个类似PTC元件的电加热元件，该PTC元件是在相反侧上设置有金属化部的通常为长方体形状的陶瓷砖，用于引入电源电流。该PTC元件通过条形导体连接到不同的极性。条形导体和PTC元件都是PTC加热组件的部件。

PTC元件是自调节的。在任何情况下，超过临界温度，即所谓的居里温度，PTC元件的电阻通常随温度呈指数地增加。因此，PTC元件的功耗受到PTC元件的实际温度的限制。PTC元件的这些自调节特性实际上通常防止电加热装置的过热，这对于本发明是重要的，因为电加热装置尤其是用于机动车辆中的电加热装置。然而，自调节特性还要求PTC元件和要被加热的流体之间具有非常好的热传导。这是因为这种良好的导热性确保了所产生的热的良好散热。因此，与具有差的导热性的构造相比，PTC元件在较低温度下运行，且因此具有较高效率。

在EP 1 872 986 A1中，提出了通过楔形物将PTC元件支撑在容纳袋中，以便因此在任何情况下实现PTC元件和容纳袋的内表面之间的紧密导热贴靠。在EP 2 884 817 A1中，基本上可以省去容纳袋的壁以使热量通过。PTC加热组件插入到分隔壁中。这样，例如，散热可通过绝缘陶瓷层来实现，该绝缘陶瓷层以密封的方式容纳在PTC加热组件的框架中，并且可以导热的方式直接抵靠PTC元件；参见DE 10 2019 204 401 A1。在该现有技术中，电源电流的引入不像通常那样经由PTC元件的主侧表面进行，该主侧表面具有最大的空间延伸，而是经由长方体的PTC元件的端面进行，该端面将两个主侧表面彼此连接。这也为热通道提供了非常直接的路径。

上述例子表明，一直没有努力优化从PTC元件中散出热量和将热量引入到待加热的介质中。然而，本发明仍然有改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上述类型的电加热装置，其具有非常好的效率。

为了解决这个问题，本发明提出了一种具有用于要被加热的流体的入口和出口开口的电加热装置，其具有用于使要被加热的流体通过加热器壳体的循环室和用于电连接至少一个电加热组件的连接室，所述至少一个电加热组件导热地耦接到界定循环室的至少一个表面。电加热组件可包括PTC元件和/或电阻丝。

电加热装置包括在至少一个发热表面上扰动要被加热的流体的层流边界层(laminar boundary layer)的特征(means)。该特征确保表面处的微漩涡或微湍流。这种流动特性在其它方面相同的流动条件下和/或在其它方面相同的结构构造下提高了在发热表面处的传热系数。这是由于层流通常没有垂直于发热表面延伸的速度分量。

特别地，通过用于增加发热表面的粗糙度(roughness)的措施来提供相应的特征。这种粗糙度尤其可以通过机械精整/机械终加工(mechanical finishing)来产生。这种粗糙度也可以由用于生产铸造部件的模具的特性提供。

因此，可以通过喷击(blasting)，例如喷砂或喷丸，或机械加工来扩大表面。

发热表面通常是壳体的表面，该壳体以电绝缘的方式支撑电加热组件，特别是PTC元件和条形导体。发热表面通常是这种壳体的主侧表面之一。

主侧表面可以由如EP 3 416 456 A1中公开的陶瓷板形成。在这种情况下，PTC元件和/或条形导体在内侧抵靠陶瓷板。在制造过程中，陶瓷板可以被提供有不规则，这种不规则妨碍在相应表面上要被加热的流体的层流边界层的形成。例如，可以在陶瓷材料的烧结过程中形成这种三维表面结构。

特别优选地，壳体由金属制成，并且形成用于至少一个PTC元件和条形导体的容纳空间。此外，可在容纳空间中设置绝缘层。然而，电绝缘也可以通过在壳体的内侧上的相应的涂层来形成。

如果需要，相应的壳体可以通过连接可能已经预先形成的金属片段而形成。在此，在连接金属片段之前和/或之后，尤其可以在金属片段的形成主侧表面的区域上进行加工，以便至少在那里提供三维的表面结构，该表面结构妨碍层流的形成。这种三维表面结构可以在金属成形期间产生。

例如，从DE 10 2019 205 848 A1中已知通过热成型由金属制造壳体。在该成形过程中，例如，肋可以形成在壳体上。用于热成型的工具表面具有相应的适合于此目的凹形形状。例如，用于热成形的模具可以具有规则的波纹和凹谷，这产生在热成形期间在壳体的侧面上的相应的表面构造。

三维表面构造也可以在构成加热单元的部件已经被引入到壳体中之后产生。因此，根据本发明的优选的进一步的构造，至少PTC元件和条形导体通过开口引入到壳体中，该壳体优选地已经在下侧闭合。通过随后的成形，优选地，不仅三维表面结构被形成在壳体的外侧上。而是，在这种成形过程中，壳体的金属被驱动，使得两个主侧表面彼此接近。这样，主侧表面被强迫至少部分地压靠PTC元件。通常，壳体的至少一个、优选两个主侧表面以相应的方式进行加工。优选地，每个主侧表面被单独地变形，并且一方面，优选地以平面方式、分段地贴靠PTC元件。这种贴靠不必直接抵靠PTC元件。贴靠也可以与插在中间的条形导体和/或绝缘层一起进行。本发明的这个方面的要点在于，在形成三维表面结构的过程中，壳体作为整体也被成形为使得壳体的相对的主侧表面更靠近在一起，并且以良好的导热性能抵靠PTC元件地施加。

在加工过程中，表面可以是被粗糙化的，例如，它可以具有齿状表面结构并且是滚花的。0.030和0.190mm之间，优选0.05和0.10mm之间的粗糙度已经证明是合适的，其中，该尺寸表示粗糙度深度Rz并且表示最高粗糙度峰值和最低粗糙度谷值之间的高度距离。粗糙度Ra可以在0.004和0.025mm之间，优选在0.006和0.012mm之间。球的直径应在0.6和1.8mm之间。同样的情况适用于颗粒，其中，对应于直径的尺寸适用于不规则颗粒。

在热辐射面上测量的热传递与三维表面结构之间的相关性表明优选以下参数，这些参数可以单独使用或组合使用：

在凹槽被设置在表面上时，特别是通过喷击，每平方毫米的先前平坦的主侧表面应设置大约3.5至23个凹槽。每平方毫米7和11个之间的凹槽是优选的。2和12个之间的凹槽应当具有与中央凹槽共同的脊线。优选4和7个之间以这种方式相邻的凹槽。这种中央凹槽和紧邻的凹槽之间的距离应当在0.16mm和1.1mm之间，优选地在0.3mm和0.5mm之间。每个凹槽可具有在0.04平方毫米和0.28平方毫米之间的投影到主侧表面的平面中的表面，其中，投影表面的范围在0.08平方毫米和0.18平方毫米之间是优选的。

凹槽可以是圆形的。凹槽的最大和最小直径之间的纵横比可以在1和6.5之间。横向于要被加热的流体的主流动方向的细长取向是无害的。由于在经济地进行喷击期间不能可靠地设定这种取向，因此纵横比应当优选在1和3之间。与连续的平坦表面(在其中形成凹槽)的表面相比，各凹槽的表面扩大30％至180％，优选50％至100％。

例如，在滚花中，锯齿状突起可横向于流动方向延伸，其中，相邻锯齿的尖端可具有1.5mm和1.7mm之间的距离。滚花的有用的粗糙度为0.4mm和0.7mm之间。由于横向于流体的主流动方向延伸的肋和肋之间的谷，沿着发热表面的层流的构造可被扰动。此外，由于上表面结构，与平坦/平面表面相比，可以实现发热表面扩大约17％。

上述精加工/终加工和粗糙度适用于模制发热表面的模具表面，例如通过特别是对金属材料的冲挤、棒挤压或铸造，所述金属材料尤其是用于制造加热装置的发热表面的铝或铝合金。通过这些表面，通过用于制造加热装置的发热表面的表面构造来制造扩大的表面结构。然而，上述精加工/终加工和粗糙度也适用于加热装置的发热表面。

根据本发明，与没有适于防止层流边界层流动的单独表面结构的平坦基本表面相比，传热系数α增加至少150％。

优选地，发热表面具有比基本表面大至少15％的表面面积。在平坦的基本表面的情况下，由高度与宽度的平方计算得到。应当理解，基本表面必须暴露于要被加热的流体流。所述特征扩大了相应区域的表面。所得的表面比以上述方式计算的基本表面大至少10％，优选15％。

本发明的电加热装置优选地是用于机动车辆中的水加热器。

发热表面可以是以上述方式伸入循环室中的散热翅片的表面。然而，根据本发明修改的发热表面也可以是围绕或预先限定循环室的壳体的表面，但不构成加热翅片。

可以理解，扰动层流的结构具有横向于主流方向延伸的突起或凹陷。主流动方向是在循环室内在入口开口和出口开口之间流过的方向。现有技术中对平滑表面几何形状的相应扰动可以由肋、腹板、突起或甚至凹槽形成，例如，它们之间构成平坦表面部分。所述特征也可以通过施加到表面上而形成，例如通过等离子喷涂和/或不规则结构的焊接或钎焊。

实际测试表明，由于改进的传热系数，PTC元件可以更有效地工作。与传统结构相比，在边界条件相同的情况下，从PTC元件传递到待加热介质的热量增加了3-5％。因此，实现了在运行期间的PTC元件的改进的冷却。

附图说明

从下面结合附图对实施例的描述中，本发明的进一步细节和优点将变得显而易见。其中：

图1示出了电加热装置的实施例的透视侧视图；

图2示出了在PTC加热元件的连接之后的根据图1的实施例透视侧视图；

图3示出了图1和图2中所示的电加热装置的PTC加热组件的立体分解图；

图4示出了喷砂之前壳体的主侧表面的粗糙度的透视图；

图5示出了喷砂之后壳体的主侧表面的粗糙度的透视图；

图6示出了沿图4中线VI-VI的粗糙度曲线，并且

图7示出了沿图5中线VII-VII的粗糙度曲线。

具体实施方式

图1示出了被构造为水加热器的电加热装置的加热器壳体的透视俯视图，该加热器壳体由附图标记2表示。加热器壳体2具有由塑料制成的壳体桶元件4。加热器壳体2形成了入口端口6和出口端口8，入口端口和出口端口目前在壳体桶元件4上被构造成一个整件。这些端口6被构造成软管连接件，并且分别形成了通向以附图标记14表示的循环室的入口开口10和出口开口12。

循环室14通过由塑料制成的分隔壁16与连接室18分开并密封。分隔壁16形成用于PTC加热组件22的阴形插头元件插座20，所述PTC加热组件以密封方式插入阴形插头元件插座20中并且被支撑在壳体桶元件4的底部23上。

图2示出了PTC加热组件22的电连接。为了电连接，在连接室18中设置金属片作为汇流排/母线(busbars)24a、24b、24c，其具有通过冲压和折弯形成的接触突起24d，接触突起在弹性预压下抵靠并接触下面将更详细说明的接触舌42。接触突起24d突出到容纳开口25中，该容纳开口凹入母线24a、24b、24c的片金属条中。以相同的方式，由附图标记26表示的端子舌被连接，其与容纳在控制壳体27中的装配好的印刷电路板接触。在此上下文中，母线24b的连接直接通过连接舌26进行，而母线24a、24b的连接通过功率晶体管28进行，功率晶体管被冲压导线28a接触，该冲压导线电连接至相关的连接舌26。

附图标记29a和29b表示连接器壳体，其一方面用于电源电流，另一方面用于在控制装置中处理的控制信号，该控制装置设置在控制壳体27内，以便将通过连接器壳体29a引入的电源电流切换到各个母线，每个母线由母线24a至24c中的一个形成。

图3示出了PTC加热组件22的细节，其在这种情况下仅具有一个PTC元件30，该PTC元件在其相反的主侧表面32上覆盖有绝缘层34。绝缘层34由例如Kapton的塑料薄膜形成。PTC元件30被构造为具有宽度B或长度L的薄片，该宽度B或长度L比与两个主侧表面32之间的距离所对应的厚度大至少10倍。

在相反的主侧表面32上，在每种情况下提供接触片38，接触片可粘合到PTC元件30，并由此导电地粘合到PTC元件30的表面金属化部，表面金属化部可通过PVD或CVD作为层施加到陶瓷PTC元件30。接触片38也可以仅仅施加到PTC元件30。每个接触板38形成以导电方式抵靠PTC元件30的主侧表面32的接触表面40、在一侧上突出超过PTC元件30的接触舌42和从相反侧突出的闩锁舌44，所述相反侧在下文中称为下侧。在这种情况下，接触表面40与PTC元件30的主侧表面32一致地(congruently)设置。绝缘层34在背离PTC元件30的一侧上位于接触板38上并覆盖该接触板。

PTC元件30容纳在框架46中，该框架包括为此目的的框架开口48，该框架开口由纵梁50和横梁52、54界定。下横梁54具有两个锁定开口56，用于容纳闩锁舌44。上横梁52与贯穿元件基部58一体地构造，该贯穿元件基部与贯穿段盖60一起形成一种止动件，该止动件上设置有止动卡圈61。该止动卡圈61上设置有由框架46形成的半壳62，销64从半壳突出。与此相对应，贯穿段盖60具有孔66和与这些孔对准的半壳68。

为了组装，首先将接触片38之一插入，其接触舌42被插入半壳62中。销64穿过凹入接触舌42中的孔中。接触片38的闩锁舌44插入相关的锁定开口56。以这种方式连接后，框架46具有由接触片38形成的基部，PTC元件30放置在该基部上。此后，另一接触片38以前述方式插入到两个半壳62中的另一个中，并且放置在PTC元件30的主侧表面32上。

此后，施加贯穿段盖60，使得销64插入到孔66中，并且盖60的半壳68使基部58的半壳62完整。此后，相应的接触舌42以绝缘的方式分别容纳在由半壳62、68形成的贯穿通道70中，并且延伸超过框架46(参见图4)。此后，销64可被热敛缝(heat caulked)以将基部58和盖60约束地(captively)彼此连接。

以这种方式制造的结构单元覆盖有绝缘层34，为此，形成绝缘层34的塑料膜在框架的下端处围绕下横梁54折叠以形成平行的腿部，每个腿部由均匀的膜形成并形成绝缘层34。

以这种方式制造的单元被插入到壳体72中，该壳体在相对的侧面上形成了主侧表面73，该主侧表面用于散发由PTC元件30产生的热量并且用于加热循环室14中的流体。壳体72由金属片制成并且通过热成型形成并且设置有单个开口74，其中，壳体72的与开口74相对的区域被封闭并且设置有保持肋76，该保持肋与凹入在加热器壳体2的底部23上的容纳凹槽相配合，以用于将PTC加热组件22定位在加热器壳体2中。

预装配单元通过开口74插入壳体72的容纳空间78。在插入运动结束时，止动卡圈(stop collar)61碰到开口74的边缘，从而预先确定框架46的安装位置，并因此预先确定PTC加热组件22的被框架46保持和围绕其放置的部件的安装位置。

在开口74的下方，壳体72形成保持凸缘80，其平行于开口74的边缘围绕壳体72延伸，并在其自身和开口74之间形成卡圈82，卡圈形成用于密封元件84的接触表面。密封元件84由软弹性塑料，例如TPE或硅树脂形成，并具有用于互连的半壳62、68的通道开口86。密封元件84可以单独制造并结合到框架46和壳体72，替代地，还可以通过包覆成型(overmolding)来将密封元件84结合到框架46和热成型部件72。

图4和图5示出了壳体的主侧表面73的粗糙度。图4示出了在加工以改变表面之前的粗糙度。图5示出了通过用1.6mm的金属丝砂粒(wire grit)喷丸处理而获得的三维表面结构。在两个图之间示出的比例描绘了粗糙度曲线。

通过喷砂，在主侧表面73中引入多个凹槽88。两个凹槽88之间的边界限定出脊线90。显然，该表面由于图5中的喷砂而显著扩大，如从图7中的粗糙度曲线并且特别是可以从示出喷砂之后的粗糙度曲线的图7与示出喷砂之前的粗糙度曲线的图6之间的比较中看出。

喷砂优选地以这样的方式进行，即，壳体72也通过喷砂体整体塑性变形，使得主侧表面73被塑性地彼此相向地受力。这导致PTC元件30与接触片38和顶着壳体72插在中间的绝缘层34保持良好的导热接触。通过适合的工艺条件，壳体72的负载可以以这样的方式设置，使得PTC元件30不会被局部或整体过载而导致PTC元件断裂。相反，壳体72的金属材料在PTC元件的方向上被连续地驱动，其中应注意均匀的前进，使得壳体的相对的主侧表面被均匀地处理，虽然是以低的前进，并且壳体的相对的主侧表面以良好的热传导平坦地施加在PTC元件上。

附图标记列表

2加热器壳体

4壳体桶元件

6入口端口

8出口端口

10入口开口

12出口开口

14循环室

16分隔壁

18连接室

20阴形插头元件插座

22PTC加热组件

23底部

24a母线

24b母线

24b母线

24c接触突起

25容纳开口

26连接舌

27控制壳体

28功率晶体管

28a导线

29a电源电流连接器壳体

29b控制信号连接器壳体

30PTC元件

32主侧表面

34绝缘层

38接触片

40接触片

42接触舌

44闩锁舌

46框架

48框架开口

50纵梁

52上横梁

54下横梁

56锁定开口

58贯穿元件基部

60贯穿段盖

61止动卡圈

62半壳

64销

66孔

68半壳

70贯穿通道

72壳体

73主侧表面

74开口

76保持肋

78容纳空间

80保持凸缘

82卡圈

84密封元件

86通道开口

88凹槽

90脊线。

Claims (11)

1.一种电加热装置，其具有加热器壳体(2)，所述加热器壳体具有用于要被加热的流体的入口开口和出口开口(10；12)，所述电加热装置具有用于使要被加热的流体通过加热器壳体(2)的循环室(14)和用于电连接至少一个电加热组件(22)的连接室(18)，所述电加热组件导热地耦接到限界循环室(14)的至少一个表面(73)，其特征在于，在至少一个发热表面上的用于扰动要被加热的流体层流边界层的特征(88，90)。

2.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于，所述发热表面(73)被粗糙化。

3.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于，所述发热表面(73)被机械地再加工以增加粗糙度。

4.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于，与基本面积相比，所述发热表面(73)的表面面积增大至少10％。

5.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于，所述电加热组件是PTC加热组件(22)，所述PTC加热组件包括至少一个PTC元件(30)和用于以不同的极性来对所述PTC元件(30)供能的条形导体(38)，所述条形导体导电地连接到所述PTC元件(30)。

6.根据权利要求5所述的电加热装置，其特征在于，所述PTC加热组件(22)具有壳体(72)，所述至少一个PTC元件(30)和所述条形导体(38)以电绝缘的方式支撑在所述壳体中，并且所述壳体在一侧上被电耦接到所述条形导体(38)的接触舌(42)超出，其中，由所述壳体(72)形成的发热表面(73)具有用于扰动要被加热的流体的层流边界层的特征(88，90)。

7.根据权利要求6所述的电加热装置，其特征在于，由金属制成的壳体(72)配置有用于所述至少一个PTC元件(30)和所述条形导体(38)的容纳空间(78)，并且至少所述壳体(72)的平行于所述PTC元件(30)的主侧表面(32)延伸的发热的主侧表面(73)具有三维表面结构。

8.一种用于制造电加热装置的方法，所述电加热装置具有加热器壳体(2)，所述加热器壳体具有用于要被加热的流体的入口开口和出口开口(10；12)，所述电加热装置包括用于使要被加热的流体通过所述加热器壳体(2)的循环室(14)和用于电连接至少一个电加热组件(22)的连接室(18)，所述电加热组件(22)导热地耦接到界定所述循环室(14)的至少一个表面(73)，其特征在于，对所述至少一个发热表面(73)进行处理以形成用于扰动要被加热的流体的层流边界层的特征(88，90)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在成形所述壳体(72)或所述壳体的一部分时，在所述表面(73)处被成形为构成三维表面结构。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述壳体(72)已经被成形以构成三维表面结构(88；90)之后，在所述表面(73)处进行表面加工，特别是变形。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述电加热元件(30)已经被引入到所述壳体(72)中之后，所述表面(73)被表面加工以形成三维表面结构，并且其特征在于，在该表面加工的过程中，所述表面(73)被强迫以至少部分地靠在所述电加热元件(30)上。