DE10049030A1 - Heizkörperblock - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkörperblock mit mehreren nebeneinanderliegenden Heizelementen, von denen ein erster Teil von einem oder mehreren fluiddurchströmbaren Rohren (1) und ein zweiter Teil von einem oder mehreren elektrischen, über zugehörige Ansteuereinrichtung angesteuerten Heizelementen (2) gebildet ist, und mit seitlich angeordneten, eintritts- und austrittsseitigen Sammelräumen (8, 9, 13), in welche das oder die fluiddurchströmbaren Rohre münden. DOLLAR A Erfindungsgemäß beinhaltet die Ansteuereinrichtung für die elektrischen Heizelemente eine Leistungselektronikbaueinheit (16), die an einer Seite des Heizblocks angeordnet ist. DOLLAR A Verwendung z. B. in Heizungs- oder Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkörperblock mit meh­ reren nebeneinanderliegenden Heizelementen, von denen ein erster Teil von einem oder mehreren fluiddurchströmbaren Roh­ ren und zweiter Teil von einem mehreren elektrischen Heizele­ menten gebildet ist, die über eine zugehörige Ansteuerein­ richtung angesteuert werden, sowie mit seitlich angeordneten, eintritts- und austrittsseitigen Sammelräumen, in welche das oder die fluiddurchströmbaren Rohre münden.

Derartige Heizkörperblöcke werden beispielsweise für Heizkör­ per von Heizungs- oder Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen ver­ wendet, um einen über den Heizkörper hinweggeführten, in ei­ nen Fahrzeuginnenraum eingeleiteten Zuluftstrom aufzuheizen. Das oder die elektrischen Heizelemente dienen dazu, auch in Situationen die gewünschte Heizleistung bereitstellen zu kön­ nen, in denen selbige nicht allein von einem das oder die Rohre durchströmenden Heizmedium aufgebracht werden kann. Letzteres kann z. B. bei einer Heizungs- oder Klimaanlage ei­ nes Kraftfahrzeugs, bei der als Heizmedium ein Motorkühlmit­ tel dient, in Situationen mit relativ niedriger Motorkühlmit­ teltemperatur der Fall sein, z. B. während eines Kaltstarts des Fahrzeugmotors.

Ein in der Offenlegungsschrift DE 198 35 229 A1 beschriebener Heizkörperblock beinhaltet einen Rohr-/Rippenblock mit ova­ len, parallel nebeneinanderliegenden Flachrohren und zwi­ schenliegenden Wellrippen, in den in gewissen Abständen elek­ trische Heizelemente eingebracht sind. Letztere bestehen aus einem rechteckigen, plattenförmigen Wärmeabgabekörper, beid­ seits gegen diesen anliegenden Wellrippen und einem einfas­ senden Rahmen. Der Wärmeabgabekörper beinhaltet ein sandwich­ artig zwischen Elektrodenplatten angeordnetes Wärmeabgabeele­ ment z. B. in Form eines sogenannten PTC-Elementes. Die fluid­ durchströmbaren Rohre münden an ihren gegenüberliegenden En­ den in jeweils einen von zwei Sammelräumen, die an zwei ge­ genüberliegenden Blockseiten angeordnet sind. Die Ansteuerung der elektrischen Heizelemente erfolgt über einen äußeren, d. h. außerhalb des Heizkörperblocks angeordneten Regelkreis, der z. B. bei Verwendung des Heizkörperblocks in einer Fahr­ zeug-Klimaanlage von einer Fahrzeugbatterie gespeist wird. Ein von der Firma Denso Corp. auf der IAA, Frankfurt, 1999 vorgestellter Heizkörperblock dieses Typs verfügte zur An­ steuerung der elektrischen Heizelemente über Relais, die sich außerhalb des Heizkörperblocks befinden und über einen Kabel­ leitungssatz mit den elektrischen Heizelementen verbunden sind.

Alternativ zur vorliegenden Art von Heizkörperblöcken mit so­ wohl wenigstens einem fluiddurchströmbaren Rohr als auch we­ nigstens einem elektrischen Heizelement ist es bekannt, einen Heizkörperblock ausschließlich mit elektrischen Heizelementen aufzubauen. Eine solche elektrische Heizeinrichtung ist in der Offenlegungsschrift DE 197 38 318 A1 beschrieben. Dort sind die elektrischen Heizelemente zu einem Heizblock zusam­ mengesetzt, der in einem Rahmen gehalten ist. Zur Ansteuerung der elektrischen Heizelemente dient eine Ansteuereinrichtung mit einer Ansteuerlogik und einer Leistungselektronik. Die Ansteuereinrichtung bildet mit dem Heizblock eine bauliche Einheit und ist zu diesem Zweck bevorzugt als Steckmodul aus­ gebildet, das an den Heizblock über elektrische Anschlüsse seitlich ansteckbar ist. Die Leistungselektronik beinhaltet wärmeabgebende Komponenten, wie Leistungstransistoren oder dergleichen, denen Kühlkörper zugeordnet sind, die von einem durch die Heizeinrichtung zu erwärmenden Luftstrom angeströmt und dadurch gekühlt werden.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Heizkörperblocks der eingangs genannten Art zugrunde, der relativ einfach in der Herstellung ist und sich kompakt bauen lässt, keine Relaisgeräusche verursacht und ei­ ne gute Heizenergienutzung aufweist.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Heizkörperblocks mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Er­ findungsgemäß dient zur Ansteuerung des oder der elektrischen Heizelemente eine Leistungselektronik, die als Baueinheit an einer Seite des Heizblocks angeordnet ist. Durch die Verwen­ dung einer Leistungselektronik mit entsprechenden Leistungs­ halbleiterschaltern, insbesondere Leistungstransistoren, kann auf Ansteuerrelais verzichtet werden. Durch die direkte An­ bindung der Leistungselektronik seitlich an den Heizkörper­ block steht ein Heizkörperblock mit integrierter elektrischer Heizelement-Ansteuereinrichtung zur Verfügung, das sich ins­ gesamt vergleichsweise kompakt bauen lässt und mit dement­ sprechend geringem Bauraum auskommt. Zudem lässt sich durch das Anordnen der Leistungselektronikbaueinheit am Heizkörper­ block von der Leistungselektronik im Betrieb erzeugte Abwärme zusätzlich für den Heizzweck des Heizkörperblocks nutzen, z. B. zur Aufheizung eines über den Heizkörperblock hinwegge­ führten, aufzuheizenden Luftstroms bei Verwendung des Heiz­ körperblocks in einer Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraft­ fahrzeugs.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach An­ spruch 2 sind die eintritts- und austrittsseitigen Sammelräu­ me beide an einer ersten Blockseite angeordnet, während sich auf der gegenüberliegenden Blockseite die Leistungselektro­ nikbaueinheit befindet und für eine Fluidumlenkung gesorgt ist, um das vom eintrittsseitigen Sammelraum durch das oder die fluiddurchströmbaren Rohre zur zweiten Blockseite geführ­ te, flüssige oder gasförmige Heizmedium zur ersten Blockseite in den austrittsseitigen Sammelraum zurückzuleiten. Da somit an der zweiten Blockseite kein Sammelraum benötigt wird, läßt sich dort die Leistungselektronikbaueinheit ohne signifikante Erhöhung der Abmessungen verglichen mit einem herkömmlichen Heizkörperblock mit auf gegenüberliegenden Blockseiten vorge­ sehenen Sammelräumen anordnen. Eine konstruktionstechnisch vorteilhafte Ausgestaltung sieht gemäß Anspruch 3 die Verwen­ dung von Mehrkanal-Flachrohren mit in Blocktiefenrichtung mehreren parallelen Kanälen und eine Fluidumlenkung in Block­ tiefenrichtung für das die Flachrohre durchströmende Heizme­ dium vor. Daher sind die Flachrohre an der zweiten Blockseite geschlossen, was problemlos das dortige Anbringen der Leis­ tungselektronikbaueinheit ermöglicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine Perspektivdarstellung eines Heizkörperblocks für einen Heizkörper einer Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.

Der gezeigte Heizkörperblock beinhaltet eine Folge von neben­ einanderliegenden Heizelementen, die zum einen von fluid­ durchströmbaren Flachrohren 1 und zum anderen von Rohren 2 mit darin aufgenommenen elektrischen Heizelementen gebildet sind. Im gezeigten Beispiel sind die elektrischen Heizelemen­ te von sogenannten PTC-Elementen gebildet. Die Rohre zur Auf­ nahme der elektrischen Heizelemente werden im folgenden PTC- Rohre genannt. Die PTC-Rohre 2 sind jeweils einzeln mit einem vorgebbaren, vorzugsweise gleichmäßigen Abstand in die Heiz­ elementfolge eingebracht, so dass zwischen je zwei PTC-Rohren 2 eine bestimmte Anzahl von z. B. fünf Flachrohren 1 liegen.

Seitlich ist die Heizelementfolge durch zwei Seitenbleche 3, 4 abgeschlossen. Zwischen je zwei Flachrohre 1 sowie zwischen einem jeweiligen PTC-Rohr 2 und die beidseits angrenzenden beiden Flachrohre sind vorzugsweise Wellrippen in herkömmli­ cher, der Übersichtlichkeit halber nicht näher gezeigter Art eingebracht.

Ein Sammelkasten 5 erstreckt sich über die in der Figur obere Blockseite hinweg. Über die gesamte Längsmitte des Sammelkas­ tens 5 erstreckt sich eine Längstrennwand 6, die ihn in einen eintrittsseitigen, vorderen Sammelraum und einen austritts­ seitigen, hinteren Sammelraum unterteilt. Auf Höhe der Quer­ mittelebene 7 des Sammelkastens 5 ist der eintrittsseitige Sammelraum durch eine Quertrennwand in zwei fluidgetrennte Verteilerräume 8, 9 unterteilt, denen je ein Fluideinlass­ stutzen 10, 11 zugeordnet ist. Vom austrittsseitigen, hinte­ ren, ungeteilten Sammelraum führt ein Austrittsstutzen 12 ab.

Der Innenraum jedes Flachrohrs 1 ist in herkömmlicher, nicht näher gezeigter Weise durch eine längsmittige Sicke in zwei Kanäle unterteilt, die in Blocktiefenrichtung, d. h. senkrecht zur Flachrohrlängserstreckung und senkrecht zur Reihenrich­ tung der Heizelementfolge, hintereinanderliegen, wobei der eine, vordere Kanal in den einen oder anderen der beiden vor­ deren Verteilerräume 8, 9 und der hintere Kanal in den hinte­ ren, austrittsseitigen Sammelraum 13 mündet. Auf der den Sam­ melkasten 5 gegenüberliegenden Blockseite sind die Flachrohre stirnseitig geschlossen ausgeführt, und die längskanaltren­ nende Sicke endet dort mit Abstand zum geschlossenen Flach­ rohrstirnende. Dadurch bildet der Bereich zwischen Sicke und geschlossenem Flachrohrstirnende einen Fluidumlenkbereich 14, über den die beiden Längskanäle jedes Flachrohrs 1 miteinan­ der in Fluidverbindung stehen.

Dadurch kann ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium 15 über den einen und/oder den anderen Einlassstutzen 10, 11 in einen oder beide Verteilerräume 8, 9 zugeführt und von dort auf die vorderen Flachrohrlängskanäle der zugehörigen Hälfte der Flachrohre 1 aufgeteilt werden. In diesen strömt das Heizmedium nach unten zum Fluidumlenkbereich 14, wo es inner­ halb jedes der strömungstechnisch parallelgeschalteten Flach­ rohre 1 in dessen hinteren Längskanal umgelenkt wird, um von dort zum hinteren Sammelraum 13 nach oben zu strömen und dann über den Auslassstutzen 12 den Heizkörperblock wieder zu ver­ lassen.

Je nachdem, ob das Heizmedium in einen oder beide vorderen Verteilerräume 8, 9 zugeführt wird, heizt das Heizmedium den Heizkörperblock nur auf der linken oder rechten Hälfte oder aber insgesamt auf, was eine entsprechende Steuerung der Heizleistung ermöglich. Bei dem Heizmedium kann es sich im Fall der Verwendung des Heizkörperblocks in einer Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges insbesondere um ein Kühlmittel eines Motorkühlkreislaufs handeln, mit dem ein Verbrennungsmotor des Fahrzeugantriebs gekühlt wird und das sich dadurch aufheizt.

Speziell auch im letztgenannten Anwendungsfall können Situa­ tionen auftreten, in denen das Heizmedium wegen zu geringer Temperatur nicht in der Lage ist, den Heizbedarf für den Heizkörperblock allein zu decken, z. B. während Kaltstartpha­ sen des Fahrzeugs, in denen das Motorkühlmittel noch nicht auf Betriebstemperatur aufgeheizt ist. In diesen Situationen wird die Zuheizung aktiviert, um die restliche Heizleistung zu erbringen.

Die Zuheizung wird hierbei in herkömmlicher Weise von einer Ansteuereinrichtung angesteuert, die eine Leistungselektronik umfasst, die z. B. Leistungstransistoren als Schaltelemente zur individuellen Ansteuerung je eines Heizstrangs beinhal­ tet.

Charakteristischerweise ist vorliegend die Leistungselektro­ nik als entsprechende Leistungselektronikbaueinheit 16 seit­ lich am Heizkörperblock angeordnet, beim gezeigten Beispiel speziell auf der dem Sammelkasten 5 gegenüberliegenden Block­ seite. Dazu ist dort eine Abschlussplatte 17 vorgesehen, wel­ che auf dieser in der Figur unteren Seite die Flachrohre an ihrer geschlossenen Stirnseite und die PTC-Rohre 2 abschließt und an der die Leistungselektronikbaueinheit 16 mittels Spannklammern 18 befestigt ist. Alternative Befestigungsarten sind ebenfalls möglich, z. B. durch Verschraubung. Das Verbin­ den der Abschlussplatte 17 mit den Flachrohren 1 und den PTC- Rohren 2 erfolgt vorzugsweise durch Löten, z. B. gleichzeitig mit dem Zusammenlöten der Flachrohre und PTC-Rohre 2 mit den zwischenliegenden Wellrippen. Dabei sind die PTC-Rohre 2, die jeweils ein oder mehrere PTC-Elemente enthalten, zweckmäßi­ gerweise rundum geschlossen ausgeführt und zum einen mit der Abschlussplatte 17 und zum anderen mit dem Sammelkasten 5 verlötet, mit dem auch die in diesen mündenden Flachrohre 1 dichtgelötet sind. Die Leistungselektronikbaueinheit 16 kann zur Abschlussplatte 17 hin mit einer Dichtung versehen sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit und korrosiven Medien zu verhindern.

Der Bauraum der Leistungselektronikbaueinheit 16 entspricht, wie aus der Figur ersichtlich, höchstens in etwa demjenigen eines typischen Sammelkastens, wie dem oberseitigen Sammel­ kasten 5. Damit lässt sich der gezeigte Heizkörperblock ohne signifikante Vergrößerung der Außenabmessungen eines konven­ tionellen Heizkörperblocks bauen, der zwei Sammelkästen auf gegenüberliegenden Blockseiten aufweist. Somit kann der ge­ zeigte Heizkörperblock ohne Schwierigkeit als Ersatz derarti­ ger konventioneller Heizkörperblöcke dienen.

Zur elektrischen Anbindung der Leistungselektronik 16 dient ein Pluspol-Steckanschluss 19 an einer Stirnseite der Leis­ tungselektronik 16, während der gesamte Heizkörperblock über ein Massekabel 20 auf Masse gelegt ist, das an einer Block­ schmalseite zu einem entsprechenden Anschlusspunkt 21 der Ab­ schlussplatte 17 geführt ist. Zusätzlich ist in herkömmli­ cher, nicht näher gezeigter Weise eine Steuerleitung vorgese­ hen, über welche die Leistungselektronik 16 im Fall der Fahr­ zeuganwendung mit einem Steuergerät im Fahrzeug kommuniziert, z. B. über einen Datenbus oder ein PWM-Signal. Dabei kann die Steuerleitung ebenfalls an einer Stirnseite der Leistungs­ elektronik 16 angeschlossen sein.

Mit dem Heizkörperblock wird im Betrieb ein aufzuheizendes Medium beheizt, das in Blocktiefenrichtung durch den Heizkör­ perblock hindurchgeführt wird, genauer gesamt durch die Zwi­ schenräume zwischen den von den Flachrohren 1 und den PTC- Rohren 2 gebildeten Heizelementen hindurch. Bei Verwendung in einer Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs handelt es sich beim aufzuheizenden Medium speziell um einen in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitenden Luftstrom.

Da die Leistungselektronik 16 über die Abschlussplatte 17 wärmeleitend mit den Flachrohren 1 verbunden ist, kann Abwär­ me, die im Betrieb in der Leistungselektronik 16 entsteht, insbesondere durch Aufheizung der dortigen Leistungstransis­ toren, über die Abschlussplatte 17 in das die Flachrohre 1 durchströmende Heizmedium und/oder in das vom Heizkörperblock aufzuheizende Medium abgeleitet werden. Zusätzlich oder al­ ternativ können zur Kühlung der Leistungselektronik 16 nicht gezeigte Kühlrippen an der Außenseite der Leistungselektro­ nikbaueinheit 16 vorgesehen sein, vorzugsweise an der Ein­ trittsseite des Heizkörperblocks für das aufzuheizende Medi­ um, so dass die Kühlrippen von dem aufzuheizenden, noch küh­ len Medium direkt angeströmt werden.

Die obige Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbei­ spiels macht deutlich, dass sich durch die erfindungsgemäße Anbringung der Leistungselektronik 16 direkt am Heizkörper­ block 1 ein vergleichsweise kompakt gebauter Heizkörperblock mit integrierter Leistungselektronik realisieren lässt, der relativ wenig Bauraumbedarf hat und den Verkabelungsaufwand minimal hält. Der erfindungsgemäße Heizkörperblock lässt sich mit den üblichen Abmessungen eines herkömmlichen Heizkörper­ blocks fertigen und daher problemlos z. B. in üblichen Hei­ zungs- oder Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen verwenden. Die Abwärme der Leistungselektronik kann mit zur Beheizung des durch den Heizkörperblock aufzuheizenden Mediums genutzt wer­ den, was den Wärmenutzungsgrad verbessert.

Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall neben der ge­ zeigten auch andere Realisierungen des erfindungsgemäßen Heizkörperblocks möglich sind. So kann statt dem gezeigten zweiteiligen eintrittsseitigen Sammelraum ein einteiliger, ungeteilter Sammelraum mit zugehörigem Einlassstutzen vorge­ sehen sein. Statt der rohrinternen Fluidumlenkung durch die verkürzte Sicke kann ein externer Umlenkbereich vorgesehen sein, in den die dann auch an dieser Stirnseite offenen Mehr­ kanal-Flachrohre münden, wobei jedes Flachrohr auch mehr als zwei parallele Kanäle aufweisen kann.

Als weitere Alternative kann statt des gezeigten geradlinigen Flachrohrtyps jeder andere, für diese Art von Wärmeübertra­ ger-Rohrblöcken übliche Rohrtyp zum Einsatz kommen, wie Rund­ rohre, Serpentinenrohre und scheibenförmig aufgebaute Rohrka­ näle. In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Er­ findung ist die Leistungselektronikbaueinheit an einer Block­ seite angeordnet, die zu einer Blockanschlussseite benachbart ist, an der sich wenigstens einer der Sammelräume befindet, d. h. in der Figur an der linken oder rechten Seite des dorti­ gen Heizkörperblocks. In diesem Fall können der eintritts- und der austrittsseitige Sammelraum bei Bedarf auch an gegen­ überliegenden Blockseiten angeordnet sein.

Claims (3)

1. Heizkörperblock mit
mehreren nebeneinanderliegenden Heizelementen, von de­ nen ein erster Teil von einem oder mehreren fluiddurchström­ baren Rohren (1) und ein zweiter Teil von einem oder mehreren elektrischen, über eine zugehörige Ansteuereinrichtung ange­ steuerten Heizelementen (2) gebildet ist, und
seitlich angeordneten, eintritts- und austrittsseitigen Sammelräumen (8, 9, 13), in welche das oder die fluid­ durchströmbaren Rohre münden, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ansteuereinrichtung für das oder die elektrischen Heizelemente (2) eine Leistungselektronikbaueinheit (16) be­ inhaltet, die an einer Seite des Heizblocks angeordnet ist.

2. Heizkörperblock nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, dass
die eintritts- und austrittsseitigen Sammelräume (8, 9, 13) sämtlich an einer ersten Blockseite angeordnet sind und
an einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Block­ seite eine Fluidumlenkung vorgesehen und die Leistungselekt­ ronikbaueinheit (16) angeordnet ist.

3. Heizkörperblock nach Anspruch 2, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, dass
die fluiddurchströmbaren Rohre von Mehrkanal- Flachrohren (1) mit wenigstens einem ersten, eintrittsseiti­ gen und wenigstens einem in Blocktiefenrichtung hinter dem wenigstens einen ersten liegenden zweiten, austrittsseitigen Kanal, wobei der wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Kanal an der zweiten Blockseite über die Fluidumlen­ kung in Fluidverbindung stehen, und
die Leistungselektronikbaueinheit (16) an der zweiten Blockseite angeordnet ist.