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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeugzusatz-Luftheizgerät gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 197 18 407
A1 ist ein derartiges Luftheizgerät bekannt. Bei diesem ist ein
Flammerkennungssensor im Bereich des von der Heizluft durchströmten Wärmeübertragers
an der Wand der Brennkammer angeordnet. Ein weiterer Temperatursensor
ist in der Mitte des Wärmetauscherbodens
angeordnet, um die Temperatur an dieser heißesten Stelle der Brennkammer
zu überwachen.
Bislang war es auf diese Weise üblich,
den Temperaturfühler
bzw. einen Thermostaten an geeigneter Stelle des Wärmeübertragers
des Heizgeräts
zu befestigen. Um eine Überhitzung
des Heizgeräts
zu vermeiden, wurde empirisch eine Bezugstemperatur durch den Temperaturfühler ermittelt,
bei deren Erreichen das Heizgerät
abgeschaltet wurde.
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Ein
derartiger Stand der Technik geht beispielsweise aus der
DE 43 11 080 C1 hervor.
Nachteilig ist dabei, daß der
am Wärmeübertrager
befestigte Temperaturfühler
die Heizluftmenge außer
Betracht läßt, mit
welcher die vom Heizgerät
erzeugte Heizleistung als Wärme
abtransportiert wird und den Überhitzungsfall
nur indirekt über
die Erwärmung
des Wärmeübertragers
feststellt. Aufgrund dieser indirekten Ermittlung des Überhitzungsfalls
wird zumindest der Fall außer
Acht gelassen, bei welchem zwischen maximal zulässiger Belastung des Heizgeräts und vollständige Verdämmung, bei
welcher die relativ geringe, am Wärmeübertrager vorbeistreichende
Luft, sich derart erwärmt,
daß empfindliche
Materialien beschädigt
und entzündet
werden können.
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Aus
der
DE 44 46 829 ist
es bekannt, einen Temperaturfühler
fest mit dem Wärmeträger eines Fahrzeug-Heizgeräts zu verbinden
und einen weiteren Temperaturfühler
als Überhitzungsindikator
in der Nähe
des Flammrohrendes im Heizluftstrom anzuordnen, um den Betrieb des
Heizgeräts
rechtzeitig vor dessen Überhitzung
zu unterbrechen. Aus den Meßsignalen
dieser beiden Temperaturfühler
wird ein Differenzsignal gewonnen, welches dazu dient, das Heizgerät bei drohender Überhitzung
in Teillast zu regeln.
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Eine
Regelung der Heizlufttemperatur bei dem in Rede stehenden Heizgerät bei drohender Überhitzung über die
Teillastabregelung hinaus war bislang nicht bekannt. Diese wäre jedoch
wünschenswert,
wie im Folgenden erläutert.
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Die
Heizluftaustrittstemperatur eines Luft-Heizgeräts für den Innenraum eines Fahrzeugs ergibt
sich aus der durch Einbauwiderstände
bestimmten Heizlufttemperaturdifferenz. Sie liegt typischerweise
bei frei blasendem Heizgerät
bei 80 K und kurz vor dem Überhitzungspunkt
bei 130 K. Mit einer durch ein Bedienelement vorgegebenen maximalen
Innenraumtemperatur von etwa 35°C
liegen die maximal möglichen
Heizluftaustrittstemperaturen bei 185°C. Für zahlreiche Anwendungsfälle ist
dies jedoch unakzeptabel hoch. Wird die Temperatur der Heizluft
durch Erhöhung
der Heizluftmenge bei gleicher Heizleistung herabgesetzt, entstehen
bei niedrigen Umgebungstemperaturen unangenehm niedrige Ausblastemperaturen
und die Aufheizung des Innenraums dauert entsprechend länger. Wie
vorstehend angesprochen, besteht ein Bedarf, diesen Mißstand zu überwinden.
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Angesichts
des vorstehend genannten Standes der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Luftheizgerät der eingangs genannten Art
zu schaffen, das bei optimalem Überhitzungsschutz
in kostengünstiger
Weise eine Regelung der Heizluftaustrittstemperatur gewährleistet.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Der Überhitzungsschutz
in Kombination mit einer Regelung der Heizluftaustrittstemperatur
des Heizgeräts
basiert auf einer Messung der Temperatur der Heizluft im Bereich
des Heizgerät-Wärmetauschers.
Das erfindungsgemäß vorgesehene
Heizgerät
umfaßt
zu diesem Zweck einen einzigen gemeinsamen Temperaturfühler zur
Regelung der Heizlufttemperatur und zur Verhinderung einer Überhitzung des
Heizgeräts.
Dieser einzige Temperaturfühler
ist in einer von der Heizluft durchströmten Längsverrippung eines Heizgerät-Wärmetauschers zumindest im Wesentlichen
bezüglich
einer direkten Wärmeleitung isoliert
von dieser angeordnet.
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Das
Konzept zur Bereitstellung eines Überhitzungsschutzes in Kombination
mit der Regelung der Heizluftaustrittstemperatur basiert auf der
Ermittlung eines der Überhitzung
des Heizgeräts
entsprechenden Temperaturgrenzwerts sowie einer Regelung der Heizluftaustrittstemperatur
vor Erreichen dieses Temperaturgrenzwerts auf Grundlage der ermittelten
Temperatur.
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Vorteilhaft
ist zur Regelung der Heizlufttemperatur bei Überschreiten eines Heizlufttemperatur-Sollwerts
vorgesehen, das Heizgerät
solange in Teillast zu betreiben, bis das Überschreiten des Sollwerts
ausgeglichen ist. Dabei wird das Heizgerät bei Erreichen minimaler Teillast
solange in eine Regelpause gesteuert, bis das Überschreiten des Heizlufttemperatur-Sollwerts
ausgeglichen ist.
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Durch
die Regelung der Heizluft-Austrittstemperatur können unerwünscht hohe Heizluftaustrittstemperaturen
vermieden werden, ohne daß bei niedriger
Umgebungstemperatur auf Heizleistung verzichtet werden muß.
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Der
Temperaturfühler
zur Ermittlung eines Überhitzungszustands
des Heizgeräts
wird am heißen
Ende des Wärmeübertragers
des Heizgeräts derart
angeordnet, daß der
Temperaturfühler
nicht oder schlecht wärmeleitend
mit dem Wärmeübertrager
verbunden im Luftstrom zu liegen kommt, wobei er gleichzeitig durch
einen geringen Abstand gegenüber
dem Mantel des Wärmeübertragers dessen Strahlungswärme ausgesetzt
ist. Auf diese Weise wird der Temperaturfühler von der Heizluft gekühlt und
von der heißen
Oberfläche
des Wärmeübertragermantels
bzw. dessen Verrippung aufgeheizt. Der Schaltpunkt des Temperaturfühlers liegt
dadurch zwischen der Temperatur der Heizluft im Bereich des Wärmeübertragers
und der des Wärmeübertragers im
Zustand maximal zulässiger
Heizluftaustrittstemperatur oder der zulässigen Wärmeübertrager-Oberflächentemperatur,
je nachdem, welche dieser beiden Temperaturen beim Drosseln des
Heizgeräts
zuerst erreicht wird. Wird unter diesen Umständen das Heizgerät über diesen
Punkt hinaus gedrosselt, wird bei immer niedrigeren Wärmeübertragertemperaturen
zur Bereitstellung des Überhitzungsschutzes
das Heizgerät
abgeschaltet, weil die Kühlung
durch Heizluft verringert wird und der Wärmestrahlungsanteil überwiegt.
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Zur
Regelung der Heizluftaustrittstemperatur empfiehlt sich hingegen
eine zu der vorstehend genannten Position unterschiedliche Anbringungsposition
für den
Temperaturfühler
in Richtung auf das kalte Ende des Wärmeübertragers. Um auf Grundlage eines
einzigen Temperaturfühlers
sowohl eine optimale Regelung wie eine optimale Überhitzungssicherheit bereitzustellen,
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
die Anbringungsposition für
den Temperaturfühler
in der Längsverrippung
des Wärmetauschers zugunsten
eines Kompromisses zwischen unverzüglichem Ansprechen auf die
Heizluftaustrittstemperatur, d.h. möglichst nahe an der Längsverrippung
am heißen
Ende des Wärmetauschers,
und unverzüglichem Ansprechen
auf Überhitzung,
d.h. relativ fern von der Längsverrippung
am kalten Ende des Wärmetauschers,
zu wählen.
In Zahlenwerten ausgedrückt
entspricht dies einem Verhältnis
X2/X1 = 0....0,4,
wobei X1 die gesamte axiale Länge des
Wärmetauschers
und X2 den Abstand der Anbringungsstelle
des Temperaturfühlers
vom Boden des Wärmetauschers
bezeichnet.
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Die
Lage des erfindungsgemäß zur Regelung
der Heizluftaustrittstemperatur und zugunsten eines Überhitzungsschutzes
des Heizgeräts
verwendeten einzigen Temperaturfühlers 15 geht
schematisch aus den Figuren der Zeichnung hervor; es zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch die Längsverrippung
eines Wärmetauschers
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2 einen
Längsschnitt
durch den Wärmetauscher
gemäß 1.
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Der
in den Figuren dargestellte Wärmetauscher 8 eines
Heizgeräts,
vorzugsweise eines Fahrzeugzusatzheizgeräts ist topfförmig mit
einem zylindrischen oder quaderförmigen
Mantel 14 und einem das eine Ende verschließenden Boden 9 ausgebildet.
Der Mantel 14 wird an seiner Innenseite von heißen Abgasen
eines nicht dargestellten Brenners beaufschlagt, der mit seiner
Brennkammer in 2 von links in den Wärmetauscher 8 hineinragt.
Der Wärmetauscher
weist an seinen Innen- und Außenwänden eine
Verrippung zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem heißen Abgas
auf der Innenseite und der zu erwärmenden Heizluft auf der Außenseite
des Mantels 14 auf. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist
dabei nur eine Längsverrippung 10 auf der
Außenseite
des Mantels 14 dargestellt, während die Verrippung im Bereich
der Innenseite des Mantels und im Bereich der Innenseite und der
Außenseite des
Bodens 9 weggelassen wurde.
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Die
Längsverrippung 10 bezeichnet
und umfaßt
eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten, in axialer Richtung
des Wärmetauschers 8 verlaufende
Rippen, von denen in 1 drei Rippen 11, 12 und 13 dargestellt
sind, die unter gegenseitigem Abstand an der Außenseite des Mantels 14 des
Wärmetauschers 8 von
diesem radial vorstehend angeordnet sind. Zwischen den Rippen 11 und 12 befindet sich
ein Temperaturfühler 15,
der nicht in direktem Kontakt mit den Rippen 11, 12 steht
und beispielsweise an einem Halter 16 angebracht ist, der
aus wärmeisolierendem
Material besteht und entweder mit einer der Rippen 11, 12 oder – wie gezeigt – mit dem Mantel 14 des
Wärmetauschers 8 verbunden
ist. Durch seine berührungsfreie
Anordnung zwischen den Rippen 11 und 12 wird der
Temperaturfühler 15 allseitig
von Heizluft umströmt,
die vom kalten (in 2 linken) Ende des Wärmetauschers 8 zu
dessen heißem
Ende im Bereich des Bodens 9 strömt und anschließend in
einen Fahrgastraum eines Fahrzeugs ausgeleitet wird.
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Wie
vorstehend im einzelnen erläutert,
wird die Position des Temperaturfühlers 15 in radialer Richtung
bzw. in Rippenhöhe
und in axialer Richtung bzw. in Rippenlängsrichtung optimiert derart
gewählt, daß ein zuverlässiger Überhitzungsschutz
und eine zusätzliche
optimale Regelung der Heizluftaustrittstemperatur gewährleistet
sind. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das Verhältnis X2/X1 des
Abstandes X2 der Anbringungsstelle des Temperaturfühlers 15 vom
Boden 9 zur Gesamtlänge
X1 des Wärmetauschers 8 einem
Zahlenwert von etwa X2/X1 = 0....0,4 entspricht.
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Für die Begrenzung
der Heizluftaustrittstemperatur sind zwei Verfahren möglich:
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Erstes Verfahren:
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Steuerung
der Heizluftaustrittstemperatur abhängig von der Temperatur des
internen Temperatursensors nach folgendem Verfahren:
Die Heizluftaustrittstemperaturdifferenz
wird durch Messungen am eingebauten Gerät ermittelt. Die Heizlufttemperaturabsenkung
in Teillast gegenüber Volllast
ist als Gerätekonstante
ermittelt. Beide Werte werden als EOL-Parameter (EOL = End of line,
das heißt
als feste Parameter, die zusätzlich
zu einem Programm für die
Steuerung des Heizgeräts
als Gerätekonstante
hinzugefügt
werden) abgespeichert. Das Steuergerät berechnet aus der Temperatur
des internen Sensors und dem EOL-Wert der Heizlufttemperaturdifferenz
die zu erwartende Heizluftaustrittstemperatur und vergleicht diese
mit dem eingestellten Maximalwert (EOL). Bei einer entsprechenden Überschreitung
wird das Gerät
so weit in die Teillast geregelt, bis die Abweichung wieder ausgeglichen
ist. Ist die minimale Teillast erreicht, so wird der Anstieg der
Heizluftaustrittstemperatur dadurch begrenzt, dass das Gerät in eine
Regelpause gesteuert wird. Diese wird genau so lange beibehalten,
dass die überschüssige Wärmemenge
ausgeblendet wird. Dieses Verfahren ist nur anwendbar in vermessenen Serieneinbauten
mit internem Raumtemperatursensor. Dem Verfahren liegt der Gedanke
zugrunde, daß der
Luftmassenstrom eine Funktion der konkreten gerätespezifischen Einbauverhältnisse
darstellt (Länge
und Querschnitt der Luftleitungen, Krümmungen, Verrippung und andere
Strömungswiderstände bei einer
vorgegebenen Gebläseleistung)
und die Temperaturdifferenz der dem Wärmetauscher zu-und abströmenden Heizluft
eine Funktion der Heizleistung des Heizgeräts darstellt.
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Zweites Verfahren:
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Steuerung
der Heizluftaustrittstemperatur abhängig von dem Signal eines speziell
ausgebildeten Überhitzungsschutzsensors:
Der
Temperatursensor 15, der nicht oder schlecht wärmeleitend
befestigt am Ende des Wärmeübertragers
zwischen den Rippen placiert ist, kann nicht nur zur Erkennung des Überhitzungsfalles
benutzt werden, sondern mit diesem Sensor kann auch in einem weiteren,
unterhalb der Überhitzungsgrenze
liegenden Bereich die Heizluftaustrittstemperatur so geregelt werden,
dass zuerst wie bei Verfahren 1 die Heizleistung abgesenkt
wird und anschließend
die Regelpause angesteuert wird. Dieses Verfahren kann bei allen
Einbaugegebenheiten angewendet werden
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- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Boden
(von 8)
- 10
- Längsverrippung
- 11
- Rippe
- 12
- Rippe
- 13
- Rippe
- 14
- Mantel
- 15
- Temperaturfühler
- 16
- Halter