DE10015905A1 - Vorrichtung zur Beheizung von Innenräumen von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Um Verlustwärme eines elektrischen Leistungsschalters zur Regelung einer elektrischen Vorrichtung zur Beheizung derselben ebenfalls zu nutzen und den Leistungsschalter gegen Überhitzung zu schützen, sieht die Erfindung bei einer Vorrichtung zur Beheizung von Innenräumen insbesondere von Fahrgastzellen eines Kraftfahrzeugs, mit einer Erwärmungseinheit zum Erwärmen von strömender Luft mit einem Heizelement und Wärmeabgabeeinrichtung zur Abgabe der durch die Heizelemente erzeugten Wärme an die die Wärmeabgabeeinrichtung umströmenden Luft vor, dass ein elektronischer Leistungsschalter für die Heizelemente mit den Wärmeabgabeeinrichtungen in wärmeleitender Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung von Innenräumen insbesondere von Fahrgastzellen eines Kraft­ fahrzeugs, mit einer Erwärmungseinheit zum Erwärmen von strömender Luft mit einem Heizelement und Wärmeabgabeein­ richtung zur Abgabe der durch die Heizelemente erzeugten Wärme an die die Wärmeabgabeeinrichtungen umströmenden Luft.

Bei der Beheizung von Kraftfahrzeuginnenräumen wurde in der Vergangenheit die Abwärme des Antriebmotors, bei luftge­ kühlten Motoren durch entsprechende Abgaswärmetauscher bzw. bei wassergekühlten Antriebsmotoren durch die Verwendung der Wärmeenergie im Kühlwasser, verwendet.

Diese Art der Beheizung weist insbesondere in der kalten Jahreszeit wesentliche Nachteile durch erhebliche Verzöge­ rungen, vom Start der Motors bis zur Wärmeabgabe auf, so dass sich diese Art der Beheizung zur Erwärmung des Fahrga­ stinnenraumes nicht erhalten konnte, zumal darüber hinaus durch die Entwicklung modernerer Motoren mit weniger Pri­ mär-Energieverbrauch, zwangsläufig höhere Wirkungsgrade er­ zielt werden. Dies bedingt wiederum, dass weniger Abwärme zur Verfügung steht, die zur Beheizung des Fahrgastraumes beim Kraftfahrzeug verwendet werden kann und die moderneren Motoren in den Jahreszeiten mit größeren Kältephasen die notwendige Abwärme nicht mehr erbringen können.

Aus diesen Gründen werden zwischenzeitlich Vorrichtungen zur Beheizung von Kraftfahrzeuginnenräumen entwickelt, die unabhängig von dem Wirkungsgrad und somit der Abwärme des Antriebsaggregates eine ausreichende Erwärmung, auch bei kalten Jahreszeiten und unmittelbar nach dem Start des Mo­ tors, dauerhaft sicherstellen.

Derartige Erwärmungsvorrichtungen sind in der Regel kompak­ te elektrische Heizelemente, bei denen in einem Profilrohr aus gut wärmeleitendem Material, wie z. B. Aluminium, PTC- Bausteine, im Innenraum des Rohres klemmend eingebaut sind und auf der Außenseite des Rohres Lamellen zur Wärmeabgabe aufgesetzt werden. Derartige Heizelemente sind vollkommen unabhängig von der Abwärme des Motors. Sie sind deswegen besonders geeignet, eine schnelle und zuverlässige Erwär­ mung von Kraftfahrzeug-Innenräumen vorzunehmen. Selbst bei modernen Fahrzeugmotoren mit einem hohen Wirkungsgrad ist mit den Heizelementen der vorgenannten Art die Erwärmung nach dem Start, auch in Phasen extrem niedriger Außentempe­ raturen in Folge der Unabhängigkeit von der Abwärme aus dem Motor, gewährleistet.

Die zum Betrieb des Heizelementes erforderliche elektrische Energie wird durch die Lichtmaschine des Antriebsaggregates aufgebracht. Der hohe Wirkungsgrad des Motors wird, trotzt des erhöhten Aufwandes an elektrischer Energie, gegenüber den Motoren mit niedrigerem Wirkungsgrad, mit der Lufter­ wärmung durch die Abwärme, nicht beeinträchtigt.

Derartige Heizelemente werden in der Regel in Leistungsstu­ fen über externe Stufenschalter bzw. Halbleiterschalter, wie Thermistoren oder Tyristoren, betrieben. Insbesondere die Stufenschalter benötigen mehr Platz und Raum für die Anordnung und bedeuten ein Zusätzliches an Gewicht. Es ist das Bestreben der Kraftfahrzeugindustrie relativ wenig Platz und wenig Gewicht für die zusätzliche, zum Antriebs­ motor notwendige Ergänzungsteile aufzuwenden, um aus ver­ ständlichen Gründen das Gesamtgewicht niedrig zu halten. Bei der Regelung mit Halbleiterschaltern, wie Transistoren oder Tyristoren wird der Stromfluss nach Bedarf zum Heiz­ elemente geregelt. Darüber hinaus können mit diesen Schal­ tern weitere Funktionen, wie Temperaturbegrenzung oder zeitliche Folgen von Schaltintervallen ausgeführt werden. Bei diesen Schaltfunktionen entstehen Stromverluste, die als Verlustwärme gekennzeichnet sind. Diese Verlustwärme wurde bisher mit der Anordnung von großflächigen Kühlrip­ penkörpern abgeführt. Es sind dabei auch Konstruktionen be­ kannt geworden, bei denen der Kühlrippenkörper zusätzlich in den Querschnitt des Heizers angeordnet ist und somit die Verlustwärme den Luftstrom des Gebläses zugeteilt wird.

Diese vorgenannten Möglichkeiten zur Abführung der Verlust­ wärme haben alle den Nachteil, dass um einen zusätzlichen Raum notwendig ist und zum anderen durch weiteres zusätzli­ ches Gewicht das Gesamtgewicht des Fahrzeuges erhöht wird.

Aus diesem Grund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Abführung der Verlustwärme an einem elektronischen Leistungsschalter zu schaffen, bei dem kein zusätzliches Gewicht und keine zusätzlichen größeren Flächen und Räume notwendig sind. Darüber hinaus soll die durch den relativ hohen Stromfluss im Schalter entstehende Wärme nicht an die Umluft abgeführt werden, sondern der Wärmemenge des aktiven Luftstromes vom Heizelement zur Be­ heizung des Kfz-Innenraumes, zugeschlagen werden.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein elektronischer Leistungsschalter für die Heizele­ mente mit den Wärmeabgabeeinrichtungen in wärmeleitender Verbindung steht.

Die Erfindung sieht also vor, dass entgegen dem Stande der Technik die Verlustwärme des elektronischen Leistungsschal­ ters, wie eines Halbleiterschalters nicht unmittelbar über mit diesem verbundene Kühlrippen abgeführt wird, sondern über eine wärmeleitende Verbindung dem in den zu erwärmen­ dem Raum zuzuführenden Luftstrom liegenden Wärmeabgabeein­ richtungen der Vorrichtung zum Beheizen zugeführt wird. Hierbei kann in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die wärmeleitende Verbindung durch ein wärmeleitendes Verbindungsteil gebildet ist, wobei insbesondere die wärme­ leitende Verbindung in einem die Heizelemente aufnehmenden Profilrohr gehalten und aus diesem zum Tragen des Lei­ stungsschalters herausgeführt ist. Die Verbindung kann da­ bei kraftschlüssig sein. In weiterer Ausbildung ist vorge­ sehen, dass die wärmeleitende Verbindung eine elektrische Anschlussseite für die Heizelemente bildet.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Heizelemente PTC-Elemente sind, deren eine An­ schlussseite durch einen elektrisch leitenden Kontaktstrei­ fen kontaktiert ist, der gegenüber einem umgebenden Profil­ rohr isoliert angeordnet ist, ist vorgesehen, dass das Ver­ bindungsteil in elektrischem und wärmeleitendem Kontakt mit dem Kontaktstreifen steht. Soweit alternativ vorgesehen ist, dass die Heizelemente PTC-Bausteine sind, die mit ei­ ner Anschlussseite in direkter elektrischer Verbindung mit einem Profilrohr stehen, ist vorgesehen, dass das Verbin­ dungsteil in elektrischer Leitverbindung mit dem Profilrohr steht, aber gegenüber der anderen Anschlussseite der PTC- Elemente elektrisch isoliert ist.

Durch die Erfindung entfällt zunächst die Notwendigkeit ei­ nes zusätzlichen Kühlkörpers zur Ableitung der Verlustwärme des Leistungsschalters; hierdurch ergibt sich eine kon­ struktive Einsparung sowie eine Gewichtseinsparung. Durch die gleichzeitige Ausbildung der wärmeleitenden Verbindung als elektrisch leitende Verbindung zu einer Anschlussseite der Heizelemente und bei Ausbildung derselben als PTC- Elemente entweder zu einem elektrischen Kontaktstreifen oder aber, bei Isolierung gegenüber einem solchen direkt zum die Widerstandselemente aufnehmenden Profilgehäuse, er­ gibt sich ebenfalls durch die Einsparung eines separaten Anschlusselements eine weitere Gewichtsersparnis.

Erfindungsgemäß wird die Verlustwärme des Leistungsschal­ ters als zusätzliche Wärme der aktiven Wärme des Heizele­ ments ohne Verluste zugeführt und kann damit zur optimalen Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums verwendet werden.

Mit der Ausbildung der wärmeleitenden Verbindung der strom­ führenden Anschlussfahne wird in einfacher Weise ein multi­ funktionales Bauteil geschaffen, bei dem ein Verlust an ak­ tiver Heizfläche und ein zusätzliches Gewicht für ansonsten notwendige Kühlerwellen vermieden wird.

Insgesamt werden durch die genannten Vorteile der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Beheizung von Kraftfahrzeugin­ nenräumen, die unabhängig von dem Motor Wärme für die Er­ wärmung der Fahrgastzelle erzeugt, eine weitere Optimierung des Energiehaushalts und Verbesserungen des Wirkungsgrades beim Kraftfahrzeug erzielt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Gesamteinsicht einer Heizvorrichtung zum Beheizen von Innenräumen von Kraftfahrzeugen;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X in der Fig. 1 einen einzelnen Heizstab; und

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend I-I durch die ver­ größerte Einzelheit X der Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Heizvorrichtung 1 weist insge­ samt drei Heizstäbe 2 aus - rechteckigen - Profilrohren 3 auf, auf denen Einrichtungen zur Wärmeabgabe in Form von Lamellen 4 aufgesetzt sind, die wiederum im Luftstrom eines in der Figur nicht dargestellten Gebläses zur Erwärmung des Kraftfahrzeug-Innenraumes dienen.

Aus der in Fig. 2 vergrößert dargestellten Einzelheit X ist in Stirnansicht ein einzelner Heizstab 2 mit einem Pro­ filrohr 3 und mit den darauf aufsitzenden Lamellen 4 zur Wärmeabgabe dargestellt. Auf dem im Profilrohr 3 wärmelei­ tenden Verbindungsteil 9 ist ein elektronischer Leistungs­ schalter oder Halbleiterschalter 8 angeordnet.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt I-I der Fig. 2. Im Inneren des Profilrohres 3 sind als Heizelemente PTC-Elemente 5 vorgesehen, die in einem Isolierrahmen 6 angeordnet sind.

Die PTC-Elemente 5 berühren mit einer lateralen Stirnseite das elektrisch leitenden Profilrohr 3, während hiermit ihre anderen - in der Fig. 3 unteren - lateralen Stirnseiten auf einem elektrischen Kontaktstreifen 16 aufliegen, der wiederum gegenüber dem Profilrohr 3 durch einen Isolier­ streifen 7, der aus Keramik sein kann, elektrisch isoliert ist. Die aus dem Profilrohr 3 herausragenden Teile liegen in einem Kunststoffgehäuse.

Zur weiteren detaillierten Ausgestaltung einer solchen Vor­ richtung zum Beheizen wird beispielhaft verwiesen auf die EP 379 837 B1 sowie die DE 198 48 169, deren Offenbarung zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

In einem überragenden Ende des Profilteils 3 ist ein gut wärmeleitendes, gegebenenfalls auch elektrisch leitendes Verbindungsteil 9 eingesetzt und, wie gesagt, im Profilrohr 3, d. h. durch Verpressen in diesem kraftschlüssig gehalten. Das Verbindungsteil 9 trägt auf seiner Oberseite den Lei­ stungsschalter 8 über dessen Kühlfahne 10 mittels bei­ spielsweise einer Schraubverbindung 11. Die elektrische Versorgung des Leistungsschalters 8 erfolgt über elektri­ sche Verbindungen 12, wie Anschlussblitzungen, die in Boh­ rung 13 einer Schaltplatine 14 eingesteckt und dort verlö­ tet sind. Hierüber werden die Steuerungsströme für die Re­ gelung bzw. die Schaltung der PTC-Elemente 5 geführt.

Über einen nicht dargestellten, im Fahrgastraum des Kraft­ fahrzeugs vorhandenen Regler wird der Leistungsschalter über die elektrischen Verbindungen 12 geschaltet. Dabei entsteht im Halbleiterschalter 8, je nach Regelbedarf, eine mehr oder minder große Verlustwärme, die als Elektrowärme über die Kühlfahne 10 des Leistungsschalters und das gut thermisch leitende Verbindungsteil 9 in das Innere des Pro­ filrohres 3 abgeführt und von dort über die Lamellen 4 an die an diesen vorbeiströmende Luft durch den nicht darge­ stellten Luftführungskanal zum Innenraum des Kraftfahrzeu­ ges geführt werden kann.

Während bei der dargestellten Ausführungsform das Verbin­ dungsteil 9 den +-Pol der Heizelemente bildet und gegenüber dem Profilrohr 3 mit den Wärmeabgabeeinrichtungen isoliert ist, kann bei einer alternativen Ausgestaltung auch das Verbindungsteil 9 als (-)-Pol den Heizelementen in leiten­ der Verbindung zum Profilrohr 3 mit Wärmeabgabeeinrichtun­ gen und gegenüber der positiven Anschlussseite der Heizele­ mente 5 mit dem Kontaktstreifen isoliert sein. Auch kann das Verbindungsteil 9 isoliert gegen beide Anschlussseiten der Heizelemente 5 sein.

In allen drei Varianten ist der wesentliche Vorteil der wärmeleitenden Verbindung, auch über elektrisch isolierende Schichten hinweg gegeben.

Abgesehen davon, dass die Verlustwärme des Halbleiterschal­ ters so Nutzwärme dem den Innenraum des Kraftfahrzeugs er­ wärmenden Luftstrom zugeführt wird, schützt die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gegebene Wärmeabfuhr den Halbleiterschalter 8 vor Überhitzung und somit vor einer Zerstörung.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Beheizung von Innenräumen insbesondere von Fahrgastzellen eines Kraftfahrzeugs, mit einer Er­ wärmungseinheit zum Erwärmen von strömender Luft mit einem Heizelement und Wärmeabgabeeinrichtung zur Abga­ be der durch die Heizelemente erzeugten Wärme an die die Wärmeabgabeeinrichtungen umströmenden Luft, da­ durch gekennzeichnet, dass ein elektronischer Lei­ stungsschalter (8) für die Heizelemente (5) mit den Wärmeabgabeeinrichtungen (4) in wärmeleitender Verbin­ dung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Verbindung durch ein wärmelei­ tendes Verbindungsteil (9) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das wärmeleitende Verbindungsteil in einem die Heizelemente (4) aufnehmenden Profilrohr (3) gehalten und aus diesem zum Tragen des Leistungs­ schalters (8) herausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (9) kraftschlüssig im Profil­ rohr (3) gehalten ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Verbin­ dungsteil (9) eine elektrische Anschlussseite für die Heizelemente (5) bildet.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizelemente PTC-Elemente (5), deren eine Anschlussseite durch einen elektrisch leitenden Kon­ taktstreifen (16) kontaktiert ist, der gegenüber einem umgebenden Profilrohr (3) isoliert angeordnet ist, da­ durch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Verbin­ dungsteil (9) in elektrischem und wärmeleitendem Kon­ takt mit dem Kontaktstreifen (16) steht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Heizelemente PTC-Bausteine sind, die mit einer An­ schlussseite in direkter elektrischer Verbindung mit einem Profilrohr (3) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Anschlussseite der PTC-Elemente (5) in direkter elektrischer Verbindung mit dem Verbindungs­ teil (9) steht.